1.서 론

선박은 해상 상황에 따라 X, Y, Z축 방향으로 이동 및 회 전운동을 한다. 이를 선체 6자유도운동이라 하며, Surging, Swaying, Heaving, Rolling, Pitching, Yawing으로 구분하고 있 다. 이러한 선체운동은 선원과 여객의 승선감 뿐만 아니라 작업능률, 선체구조물과 화물의 안전에도 영향을 미치게 된 다. 특히 과도한 선체운동은 선원과 여객에게 멀미 유발, 피 로 발생, 의욕 감퇴, 판단력 저하 등을 일으켜 해양사고로 전운동을 한다. 이를 선체 6자유도운동이라 하며, Surging, Swaying, Heaving, Rolling, Pitching, Yawing으로 구분하고 있 다. 이러한 선체운동은 선원과 여객의 승선감 뿐만 아니라 작업능률, 선체구조물과 화물의 안전에도 영향을 미치게 된 다. 특히 과도한 선체운동은 선원과 여객에게 멀미 유발, 피 로 발생, 의욕 감퇴, 판단력 저하 등을 일으켜 해양사고로전운동을 한다. 이를 선체 6자유도운동이라 하며, Surging, Swaying, Heaving, Rolling, Pitching, Yawing으로 구분하고 있 다. 이러한 선체운동은 선원과 여객의 승선감 뿐만 아니라 작업능률, 선체구조물과 화물의 안전에도 영향을 미치게 된 다. 특히 과도한 선체운동은 선원과 여객에게 멀미 유발, 피 로 발생, 의욕 감퇴, 판단력 저하 등을 일으켜 해양사고로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 조선 해양분야 뿐만 아니라 항공, 도로, 철도교통에서도 멀미(motion sickness)와 관련된 연 구가 계속되고 있다. 국제표준기구(International Organization for Standardization : ISO)에서는 이러한 선박이나 차량 등이 인체에 미치는 영향을 지수화하기 위해 뱃멀미 지수(Motion Sickness Incidence : MSI)와 운동유발작업방해횟수(Motion Induced Interrupt : MII) 개념을 도입하여 멀미를 평가하고 있다.

이 논문은 조타실과 기관실에 근무하는 해기사(승선 경험 이 없는 실습항해사와 실습기관사)를 대상으로 설문을 통해 구토발생률(Vomiting Incidence Rate : VIR)과 구토증상지수 (Vomiting Symptom Rate : VSR) 산출하였고, 선체운동계측장 비를 이용하여 X, Y, Z축에 대한 선체운동 값을 계측하였다. 설문과 선체운동 계측 결과를 바탕으로 선체 운동과 멀미의 상관관계, 조타실 근무자와 기관실 근무자의 멀미 민감성에 대한 비교·분석을 수행하였다.

2.문헌 연구

2.1.멀미 유발 원인

멀미의 유발 원인을 설명하는 여러 이론 중 감각갈등(sensory conflict)이론과 자세불안정성(postural instability)이론이 대표 적이다.

1.감각갈등이론

인간은 시각, 청각, 후각, 체감각 및 운동감각과 같은 시· 공간적으로 다른 속성을 가진 감각들이 신경계를 통해 통합 됨으로써 하나의 응집된 지각적 경험을 하게 된다. 이러한 시각, 청각, 체감각, 전정감각 등의 개별감각들이 실제 생활 에서 경험한 값과 다르게 반응할 때에 뇌는 혼란을 야기하 고 멀미감을 느끼게 한다. 3D 영화를 보거나 선박조종시뮬 레이션을 할 때에 멀미감을 느끼는 이유를 이론이 뒷받침하 고 있다(Han and Kim, 2011).

2.자세불안정성이론

자세불안정성이론은 움직임의 기본은 환경에 맞게 자세를 안정시키는 것이라고 하는 가정에서 출발하였다. 움직임이 강한 놀이기구를 타거나 흔들리는 자동차에 있을 때 우리 몸은 항상 자세의 안정성을 유지하기 위해 균형을 잡으려 한다. 그러나 자세의 불안정성이 오래 지속되고 자신의 능 력으로 자세를 제어할 수 없게 되면 멀미를 유발하게 된다 (Han and Kim, 2011).

2.2.멀미 진단 요소

멀미와 함께 동반되는 증상으로는 오심, 구토, 창백한 얼 굴, 식은 땀 등이 있다(Jeong, 2010). Table 1은 멀미와 함께 동 반되는 증상을 나타낸 것이다. Golding(1998)은 MSSQ(Motion Sickness Susceptibility Questionnaire)와 주관적 척도(subjective scale)를 이용하여 멀미 증상 정도를 평가하였다.

2.3.뱃멀미지수(MSI)

ISO에서는 인체에 영향을 미치는 거동을 저주파운동(0.63 Hz 이하)과 진동(1~80 Hz)으로 나누고 있다. ISO 2631에서는 수진부에 따라 진동을 분류하는데, 착석 상태의 전신 진동, 수완계 진동, 멀미 관련 진동으로 나누어 주파수별로 인체 에 미치는 영향을 Fig. 1과 같이 가중치로 정의하여 제시하 고 있다. 이 중에서 0.63 Hz 이하의 저주파운동에 일정 시간 노출되면 멀미 증상을 느끼며 특히 0.15Hz 운동(주기 6.7초) 에서 가장 높은 멀미 증상을 보인다고 발표하였다(Jang et al., 2003; ISO, 1985; ISO, 1997).

ISO에서는 MSI를 Lawther and Griffin(1987)이 제안한 뱃멀 미유발값(Motion Sickness Dose Value : MSDV) 개념을 도입하 여 다음과 같이 제안하고 있다(Yoon et al., 2008).

여기서, MSDV_z : Z축 진동에 대한 뱃멀미유발값

K_m : 상수(승선 미 적응 성인, 1/3적용)

a_w(t) : Fig. 1의 가중치 값에 의해 필터링된 가속도(m/s²)

T : 시간의 분(최소 20분~최대 6시간)

3.실험방법

3.1.실험 대상

1)피실험자

승선생활에 익숙하지 않은 실습항해사와 실습기관사를 실 험대상으로 선발하였다. 피실험자는 실습항해사 41명(여 8 명), 실습기관사 46명(여 9명)으로 총 87명(여 17명)이 참여하 였으며 감기증세가 있어 감기약을 복용한 학생(4명)을 제외 하고 약물 복용은 없었다.

2)실험선박

실험에 사용된 선박은 4,701톤의 목포해양대학교 실습선 새누리호를 이용하였다. 새누리호의 주요 제원은 Table 2와 같으며 실험기간 중 선박의 트림은 1.2 m(선미 침하), GM은 1.4 m였다. 경심(Metacenter)의 위치는 Keel에서 7.6 m였다.

3.2.실험 장비 및 방법

1)선체운동계측장비

본 연구를 위해 사용한 선체운동계측장비는 해양석유시추시 설이나 수로조사선에서 사용되고 있는 관성측정장치센서(Inertial Measurement Unit : IMU)로, IMU 센서는 X, Y, Z축 방향의 3차 원 공간정보를 표시하기 위해 센서 내부에 3개의 자이로스코 프와 3개의 가속도계, 컴퓨터로 이루어져 있다. 센서 내부에 내장된 컴퓨터는 X, Y, Z축 방향의 각 센서에서 들어오는 신 호를 연산과 필터링을 통해 가속도(m/s2), 속도(m/s), 거리(m), 주기(period) 값 등으로 변환하여 사용자에게 나타낸다. Fig. 2 는 선체운동계측장비의 구성, Fig. 3은 데이터 출력 화면, Table 3은 IMU 센서의 성능과 주요 사양을 나타낸 것이다.

2)IMU 센서 설치 장소 및 조타실·기관실의 위치

IMU 센서는 선박의 선수방위(ship's heading) 신호를 받아야 하기 때문에 실험선박의 조타실에 설치하였다. 선체 6자유 도운동은 선박의 중심에서 측정하는 것이 가장 이상적이나, 설치 장소의 공간적 제한과 장비 주변의 정숙성, 장비의 기능 적 특성 등을 고려해 조타실에 설치하였다. 이번 실험에 사용한 IMU 센서는 선박의 가상 중심으로 측정위치를 도치(inversion) 시키는 기능이 있어 선박의 가상중심(Virtual center)에서 측정 하는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있다. 조타실의 위치는 가상 중심으로부터 수평방향으로 +19 m, 수직방향으로 +10.4 m 거리 에 있으며, 기관실은 수평방향으로 - 11.6 m, 수직방향으로 - 2.4 m 거리에 있다. 조타실과 기관실의 위치 차이에 따른 운동 특 성은 선박이 X축과 Y축으로 1도 경사할 때, Rolling 크기 비율 은 4.5:1이며 Pitching은 1.6:1이다. 즉, 1도 Rolling 발생 시 조타 실 근무자는 18cm의 움직임을 느끼는 반면 기관실 근무자는 4 cm 움직임을 느끼며, 1도 Pitching의 경우 조타실 근무자는 33 cm의 움직임을 느끼는 반면 기관실 근무자는 20 cm의 움직임 을 느낀다. 이번 실험에서 Rolling 최대 각은 3.4도, Pitching 최 대 각은 2.1도였으며 Heaving의 크기와 각 선체운동의 주기는 조타실과 기관실이 동일하다. Fig. 4에 IMU 센서의 설치장소와 조타실, 기관실의 위치를 표시하였고 Fig. 5는 각 위치차이에 따른 움직임의 크기 비교를 나타낸 것이다.

3)실험기간 및 기상/해상상태

실험은 Table 4와 같이 2013년 10월 16일부터 10월 31일까 지 한국, 중국, 일본을 항해하는 경로에서 실시하였으며, 실 험기간 동안 바람과 해상상태는 Table 5와 같이 대체로 양호 하였으나 16일과 26일에 북풍과 북서풍이 20~25노트로 강하 게 불었으며 파고는 2.5~3.0 m내외였다. 파도와 선박간의 만 남 각(Incidence angle)은 선박의 선수를 12시(선미 6시)로 기 준하였을 때, 시계방향으로 1~2시와 7~8시였고 선박의 평균 속력은 15.2노트였다.

4)실험방법

IMU 센서를 조타실에 설치하여 항해 시작부터 부두 접안 시까지 선체 운동을 계측하였고, 피실험자의 VIR과 VSR을 알아보기 위해 동일 시간(당직교대 후 2시간 후)에 각 근무 위치에서 설문을 수행하게 하였다. 조사된 설문자료와 선체 운동 계측값을 바탕으로 VIR과 VSR를 산출하였고 조타실 근무자(실습항해사)와 기관실 근무자(실습기관사)의 멀미 증 상에 차이가 있는지 비교 분석하였다.

이번 연구에서는 ISO에서 제안하는 MSI 평가기법과 달리 VIR와 VSR의 개념을 도입하여 분석하였다. MSI 평가기법을 사용하지 않은 이유는, MSI는 Z축 방향의 진동을 계측하여 Fig. 1의 가중 치 값을 대입하여 평가하는 방법으로 X축과 Y 축 방향 운동을 반영하지 않으며, 다른 방향의 선체운동이 멀미에 어떤 영향을 미치는지 파악하기 곤란하다. VIR와 VSR 평가방법은 다음과 같이 정의하였다.

VIR은 설문 조사에 응답한 실습항해사와 실습기관사 중에서 당직을 시작하고 2시간 이내에 실제로 구토를 한 학생을 백분 율로 나타낸 지수(VIR 1 = 100 %)이며, VSR은 Table 6의 구토증 상 10가지 중에서 각 증상 당 자신이 현재 느끼고 있는 정도를 체크하여 백분율로 환산한 점수(VSR 1 = 100 %)이다.

여기서, N_υ : 당직근무학생 중 2시간 이내 구토한 학생의 수

N_total : 총 당직근무학생의 수

여기서, S_q : 설문응답점수

S_total : 설문의 총점(40)

4.실험 결과

논문의 간결성을 위해 Heaving(He), Pitching(Pi), Rolling(Ro), Heaving period(Hp), Rolling period(Rp)로 표현한다.

4.1.계측결과

Table 7은 실습항해사와 실습기관사의 VIR과 VSR, 선박운 동계측값을 나타낸 것이며, Fig. 6은 선체운동 계측값을 그래 프로 나타낸 것이다. 표와 같이 조타실 근무자(실습항해사) 와 기관실 근무자(실습기관사)의 VIR값과 VSR값에 차이가 있는 것을 알 수 있다. 세부적인 내용은 아래 4.2절에서 기술 한다. 10월 16일과 26일의 VIR, VSR, He, Hp, Rp 값이 다른 날과 비교해 큰 차이를 보이고 있다. 16일과 26일은 위 Table 5에서 보는 바와 같이 Beufort scale 5~6으로 측정된 날이다.

He값이 증가할 때 Pi값도 증가하였으며 Hp와 Rp값은 감소 되는 경향을 보였다. Ro값의 크기도 He나 Pi값과 다소 연관 성은 있으나 해상상태가 좋은 날에도 Ro값이 크게 측정된 것을 볼 때, 파도와 선박 간 만남 각의 영향과 변침 시 발생 되는 선박경사 특성과 연관이 있는 것으로 판단된다.

4.2.조타실 근무자와 기관실 근무자의 VIR, VSR 비교

Fig. 7은 조타실 근무자(실습항해사)와 기관실 근무자(실습기 관사)의 VIR과 VSR값을 비교한 그래프이다. 실습항해사의 VIR 값이 실습기관사의 VIR값보다 높은 것으로 조사되었으며 이와 반대로 VSR값은 실습기관사에서 높게 측정되었다. 실습항해사 의 VIR값이 높은 이유는, 조타실은 선체운동 뿐만 아니라 시각 적인(조타실 현창을 통해 보이는 외부 환경)를 동시에 느낄 수 있는 공간으로 선체운동 요소와 시각적 요소가 결합되어 나타 나는 결과로 보이며, 실습기관사에서 VSR값이 높게 나온 이유 는, 기관실 내의 소음과 진동, 냄새, 환기 등의 요소로 인해 두 통과 현기증 등을 느끼는 사람이 많기 때문으로 판단된다.

He값이 2.3 m로 가장 크게 측정된 10월 16일 10시의 VIR의 값이 다른 시기의 VIR값보다 적게 산출된 이유는 16일 10시 는 출항 후 1시간이 되는 시점으로 이때까지 멀미에 대응하 기 위한 신체 반응이 한계점에 도달하지 않았기 때문으로 사료된다. 이는 선체운동이 크다고 해서 즉시 멀미 증상이 나타나는 것이 아님을 시사한다. 22일 22시의 경우 1.1m의 He값에 비해 VIR과 VSR의 값이 낮게 측정된 이유는 Rp의 증가에 따른 결과로 보인다.

4.3.상관관계 분석

Table 8과 Table 9는 각 선체운동과 VIR, VSR의 상관관계 를 통계프로그램을 이용하여 분석한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 VIR은 He, Hp, Rp와 높은 상관관계(r>0.6)를 보였 으며 Pi와 Ro는 보통(0.3<r<0.6)으로 나타났다, VSR의 경우 He, Pi, Hp, Rp와 높은 상관관계(r>0.6)를 보였고 Ro와는 보통 으로 나타났다. VIR과 VSR이 He와 Hp에서 높은 상관관계가 있는 것으로 보아 멀미는 X, Y축 방향 선체운동보다 Z축(수 직)방향 선체운동과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.

4.4.ISO 멀미평가기법과 비교

ISO에서는 0.63 Hz 이하의 저주파운동에 일정시간 노출되 면 멀미 증상을 느끼며 이 중에서 0.15 Hz(주기 6.7초) 저주파 운동에서 가장 높은 멀미 증상을 보인다고 제시하였다. 이 번 실험에서도 Fig. 8과 같이 Hp가 6.3초 일 때 즉, 0.16 Hz에 서 가장 큰 VIR값과 VSR값을 보였다. Hp가 10초 이상일 경 우 VIR값과 VSR값이 크게 감소하였다. 이번 실험에서 Hp 6.0초 이하에 대한 데이터는 얻을 수 없었지만, 멀미 유발 패 턴 측면에서 ISO에서 제안하는 결과와 유사함을 알 수 있다.

4.5.멀미 유발 예측

위 4.3절 결과와 같이 멀미는 X축과 Y축 방향의 선체운동 보다 Z축 방향 선체운동과 밀접한 관계있다. 따라서 He의 크기와 주기를 기준으로 하는 멀미 유발 예측 식을 정리하 면 식(5) ~ 식(8)과 같다.

5.결 론

선박이 해상 교통수단으로 개발된 이후 이제까지 많은 사 람들이 멀미로 고통을 받아 왔으나 아직까지 정확한 원인과 치료, 예방에 대해 잘 알려져 있지 않고 현재 해상, 항공, 우 주, 도로 등 여러 분야에서 멀미 연구가 진행 중이다.

이 연구는 승선경험이 없는 실습항해사와 실습기관사를 대상으로 멀미증상 설문을 수행하였으며, 설문결과를 바탕 으로 VIR과 VSR을 산출하였고 조타실 근무자와 기관실 근 무자 간의 차이를 비교 분석하였다. 또한 X, Y, Z축 방향의 선체운동 성분과 멀미의 상관관계에 대해 분석하였고, 이 중에서 멀미와 가장 밀접한 선체운동 성분을 기준으로 멀미 유발에 대해 연구하였다. 이 연구의 결론은 다음과 같다.

이번 연구에서는 승선 경험이 없는 학생을 대상으로 멀미 발생 현황을 조사하였고 선체 운동의 수직(Z)축 성분 위주로 연구를 진행하였다. 또한 실험선박과 같이 조타실이 선수에 있고 기관실은 선미에 위치한 선박을 대상으로 하였기 때문 에 선미부근에 조타실과 기관실이 설치된 일반적인 상선에 서는 이 논문과 다른 결과를 보일 수 있다. 추후 승선 경력 별 멀미 발생과 수직축 성분 이외 다른 방향의 성분, 가속도 등이 멀미에 미치는 영향이 진행된다면 보다 체계적인 멀미 예측과 선박 거주성과 승선감 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.