1.서 론

정부는 선박의 안전운항을 위한 안전관리체계를 확립하 고 해상에서 일어나는 선박항행과 관련된 모든 위험과 장해 를 제거하여 해상에서의 안전과 원활한 교통을 확보하고자 하는 목적으로 해사안전법( 해상교통안전법)을 개정하여 2009년 11월 28일부터 해상교통안전진단 제도를 도입·시행 하고 있다.

해상교통안전진단은 선박운항 등 해상교통안전에 영향을 미 칠 수 있는 해상에서 이루어지는 일정규모 이상의 사업에 대한 허가를 받기 위해서 필수적으로 수행되어야 하는 법적 절차이 다. 해양수산부 해상교통안전진단시행지침 등 관계법령에 그 대상과 진단항목, 방법 등이 비교적 상세하게 규정되어 있다.

해상교통안전진단제도의 진단항목 중 해상교통혼잡도 평 가는 대상해역의 교통용량을 조사하여 현재 및 미래에 대상 해역 항로가 해상교통량을 충분히 수용할 수 있는가를 평가 하는 개념이다.

그러나 해상교통안전진단 대행기관이 일반적으로 사용하 고 있는 해상교통혼잡도 평가 모델은 일본에서 1960~70년대 에 관측한 자료와 시뮬레이션 결과를 근거로 하여 만들어진 Bumper Model(Fujii et al., 1981)을 인용하고 있어서, 대상해역 의 해상교통용량을 평가 시 과거보다 현저히 대형화 및 고 속화되어 있는 최근 통항 선박의 변화 추세를 반영하지 못 하고 있어, 이에 대한 개선 필요성이 제기되고 있다.

해상교통혼잡도 평가 모델에 사용되는 주요 데이터는 실 용교통용량, 선박의 폐색영역, 표준선박의 길이, 환산교통량, 항로폭, 선박의 속력 등이며, 항로폭과 선박의 속력을 제외 하고는 실제 데이터가 아닌 추정된 데이터를 사용하고 있다.

추정된 데이터의 일례로 해상교통량을 평가할 경우 환산 교통량은 표준선박을 기준으로 통항선박 각각을 환산하는 것이 아니라 톤급별 단위로 구분한 후, 톤급별 대표 값을 기 준으로 환산한 데이터를 말하며, 이러한 데이터는 실제 해 상교통량과 차이가 발생할 수밖에 없다.

따라서 일정해역의 혼잡도를 나타내는 데에는 어떤 단위 면적, 시간당 항행척수를 표준선박으로 환산한 교통용량보 다는, 어떤 시간 단면에 존재하는 실제 통항선박 각각의 점 용면적으로 표현하는 기술이 더 합리적일 수 있다.

과거 정보통신기술이 지금처럼 발달되어 있지 않은 상황 에서는 해상교통혼잡도 평가 모델에 사용되는 추정 데이터 가 유용하였으나, 해양수산부에서 2008년에 구축 완료하여 운영 중인 해양안전종합정보시스템(General Information Center on Maritime Safety and Security, GICOMS)으로부터 AIS 장비를 장착한 선박에 대한 상세하고도 방대한 양의 정보를 쉽게 획득할 수 있어 이를 해상교통혼잡도 평가에 사용하는 것이 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.

본 연구에서는 해상교통안전진단 대행기관의 해상교통혼 잡도 평가기법을 표준화하고, 선박톤급별 환산교통량 사용 으로 인한 평가오차를 최소화하기 위하여 추정 데이터가 아 닌 실제 데이터를 활용한 해상교통혼잡도 평가를 수행하는 새로운 방안을 제시하고자 한다.

2.현행 해상교통혼잡도 평가 고찰

2.1.해상교통혼잡도 관련 법령

해상교통안전진단이란 해상교통안전에 영향을 미치는 수 역의 설정·변경, 수역내 시설물 건설·부설·보수, 항만 또는 부 두 개발·재개발로 발생할 수 있는 항행안전 위험요인을 전문 적으로 조사·측정하고 평가하는 것을 말한다. 진단항목 중 해 상교통혼잡도는 평가 대상 통항로가 얼마만큼 혼잡한지 여부 를 표현하는 지표이며, 해사안전법 시행규칙에 따른 해상교 통안전진단시행지침 제12조 안전진단항목의 한 항목이기도 하다. 또한 동지침 제14조에 따라 안전진단항목별 기술기준을 적용하여 해상교통혼잡도를 측정하고 평가하여야 한다.

2.2.Bumper Model 개요

해상교통안전진단을 대행하는 기관에서 해상교통혼잡도 를 평가하기 위해 주로 사용하고 있는 평가 모델은 해상교 통안전진단시행지침의 안전진단항목별 기술기준에 명시된 Bumper Model이다.

1981년에 일본 해상교통공학 저자는 1960년대~1970년대 일본해역에서 관측된 해상교통조사 데이터 및 시뮬레이션 결과 데이터를 근거로 해상교통용량을 산정하기 위해 Bumper Model을 제안하였다. 해상교통혼잡도 평가는 어떤 항로가 수용할 수 있는 최대 교통용량과 실제 해상교통량과 의 비교를 의미한다. 즉, 현재나 장래의 항만 입출항 선박의 척수와 크기를 조사하고, 이를 토대로 해상교통량(Q_T)을 추 정하여 항로가 수용할 수 있는 최대 교통용량(실용교통용량, Q_P)과 비교함으로써 해상교통혼잡도(T_C)를 평가한다.

항로가 수용할 수 있는 최대 교통용량은 항로폭과 항로에 서의 평균 선속을 곱한 값을 선박의 폐색영역의 크기로 나 누어 구하며, 다음과 같이 표현된다.

여기서, Q : 항로 기본교통용량(척/시)

γ : 폐색영역의 장직경(Km)

s : 폐색영역의 단직경(Km)

W : 항로폭(Km)

V : 선속(Km/h)

(1)과 (2)식에서 사용되는 변수를 자세히 설명하면 다음과 같다. (1)식의 실용교통용량은 (2)에서 산출된 기본교통용량의 1/4의 값을 사용한다(Yoo et al., 2013). 그리고 본선을 조종하 는 항해사가 타 선박이나 장애물의 진입을 허용하지 않으려 고 노력하는 본선 주위의 일정한 영역을 선박의 폐색 영역이 라고 한다. 선박길이를 L이라고 하면 좁은 수로 및 항내에서 는 폐색영역은 6L(장직경) × 1.6L(단직경)으로 사용하고 있다 (Um et al., 2012). 항로폭은 대상해역의 특정 항로구간의 항로 폭을 실측하여 그 값을 사용하고 있고, 선속은 평가 대상해역 을 통항하는 선박의 평균속력을 구하여 그 값을 사용한다.

2.3.해상교통안전진단 대행기관의 적용 비교

기본교통용량은 통상의 항행조건하에서 거의 같은 크기 의 선박이 비슷한 속력으로 일정폭의 직선상 수로를 한 방 향으로 단위 시간에 통과할 수 있는 최대 척수라 정의하고 있다(Fujii et al., 1981). 여기서 언급되는 같은 크기의 선박을 표준선박이라고 하며, 현재 해상교통안전진단 대행기관별 표준선박과 실용교통용량(Q_P)에 대한 기준은 Table 1과 같이 적용하고 있다.

그리고 선박의 폐색영역은 보통 선박 길이의 제곱(L²)에 비례하며, 이를 이용하여 통항로의 교통용량을 평가한다. 여 기서 L² 환산계수는 표준선박과의 길이의 비를 나타내는 L 환산계수의 제곱 값을 나타낸다. Table 2~Table 4와 같이 우 리나라 전국 항만에 입항한 선박의 톤수별 대표 선박길이와 L² 환산계수도 각 해상교통안전진단 대행기관별로 상이하게 적용하고 있다.

3.Bumper Model의 문제점 도출

3.1.표준선박의 선정

표준선박은 해상교통안전진단의 해상교통혼잡도 평가에 있어서 중요한 분석요소로서 해당 항만의 특징과 입출항 선 박들의 규모에 적합한 표준선박(길이)을 선정하는 것이 중 요하다. 하지만 현재 해상교통혼잡도 평가 시 사용하는 표 준선박은 해상교통공학에서 제시한 식(3)을 이용하여, 일본 관측 데이터 및 시뮬레이션 결과 데이터를 대입하여 구한 표준선박(1,000톤 70m)과 2003년 Port-MIS에 등록된 전국 항 만에 입항한 선박의 데이터를 대입하여 구한 표준선박(5,300 톤 82m)을 사용하고 있다(Gong and Kim, 2005).

한국선급(KR)에 2015년도까지 등록된 1,995척에 대해 선 종별 분류하여 대상선박의 실제 총톤수 및 선박길이를 위 식(3)에 대입하여 상수 250과의 오차를 조사하였다.

Table 5는 각 선종별로 이론식의 상수 250과의 평균오차를 종합한 것이다.

Fig. 1에서 알 수 있듯이 GT = L³/ 250에서 사용된 상수 250은 국내항에 입항하는 선박의 총톤수와 선박길이를 대입 하였을 시 평균값은 -90 ~ + 63의 오차 범위를 갖고 있으며, 특히 LNG선, 소형 탱커선, 페리선, 크루즈선은 오차가 심하 게 나타나고 있다. 따라서 식(3)을 사용하여 선정되는 표준 선박은 유의하지 않음을 알 수 있다. 국내 무역항 이용 선박 분석 및 표준선박 길이에 대한 연구(Lee and Ahn, 2013)에서 도 총톤수와 선박길이와의 상관계수를 회귀함수를 이용하 여 분석한 결과, 길이의 세제곱에 비례하는 총톤수 계수 값 이 기존 0.004에서 0.00365로 변화했음을 검증했다.

표준선박 선정이 왜곡되면 대상해역의 해상교통량을 평 가할 때 항만운영자 및 선박종사자가 판단하는 해상교통량 과 많은 차이가 발생될 수도 있다.

3.2.폐색영역의 결정

철도에서는 다른 열차를 넣지 않는 구간을 폐색 구간이라 고 하며, 단선에서는 통상 역과 역 사이를 폐색 구간이라 한 다(Fujii et al., 1981). 해상교통에서의 폐색 영역은 장직경과 단직경의 타원형 범퍼이나 이것을 보다 간단히 하여 직사각 형의 범퍼로 해도 큰 차이는 없다(Fujii et al., 1981). 폐색 영 역에 영향을 미치는 요소는 속력, 선박의 혼합, 조류, 시계 등이 있으며, 현재 우리나라에서는 일본 해상교통공학에서 제시한 8L×3.2L과 6L×1.6L을 폐색영역 크기로 사용하고 있 다. 그러나 현재 해상교통상황과 적합한지를 검토한 결과, 일본의 3.5L×1.5L, 중국 상하이항 5.9L×2.2L, 덴마크 해협 4L×5B 및 진해만 피항 시의 최대허용 실용교통용량을 기반 으로 조사된 3L×2L과 큰 차이가 있음이 확인되었다(Park and Jeong, 2014).

3.3.실용교통용량 산출

실용교통용량은 기상 상태의 출현빈도, 선박 항행의 자유 성, 교통사고의 예상 발생 수, 적용되는 교통관리 방식, 항로 의 교통 체계 등으로 결정되는 서비스 수준과 기본교통용량 으로 결정하는 용량이다. 이러한 실용교통용량의 값은 별도 의 교통관리가 없는 경우 기본교통용량의 1/5~1/4로 가정하 고 있으나, 어디서부터 유래되었으며 관련 값을 적용하는 것이 맞는지에 대한 검증조차 할 수 없는 문제점이 발견되 었다(Um et al., 2012).

4.선박의 점용영역 밀집도 분석을 통한 해상교통 혼잡도 평가

특정 대상항만이나 해역의 해상교통혼잡도를 평가하기 위해 사용하는 Bumper Model은 단위시간당 교통량을 표준선 박의 단위시간당 교통량으로 환산해야 하고, 폐색영역 결정 시에도 실제 통항선박이 아닌 표준선박의 길이를 사용하는 등 표준선박의 선정이 매우 중요하나, 특정항만·해역이나 선 종을 모두 대변할 수 있는 표준선박을 선정하는 것은 사실 상 매우 어려운 일이다.

어떤 구획을 인공위성에서 내려다보는 스냅사진으로 매 초당 찍을 수만 있다면, 단위시간당 어떤 구획 내 통항선박 이 가장 많이 분포되었을 때를 식별할 수 있을 것이다. 이러 한 경우는 어떤 구획 내 통항선박의 교통 혼잡이 Peak일 것 이고, 그 당시 구획 내 분포된 실제 통항선박들의 점용영역 을 어떤 구획의 면적 대비 비율로 계산하면 바로 이것이 어 떤 구획의 해상교통혼잡도로 평가되어질 것이다.

4.1.추정 데이터가 아닌 실제 데이터 사용한 분석

Bumper Model을 제안하였던 1981년도와 36년이 흐른 지금 은 많은 변화가 있어, 선박의 대형화·고속화뿐만 아니라 정 보통신기술 혁신으로 방대한 양의 데이터를 쉽게 취급할 수 있게 되었다.

2008년 구축 완료되어 운영 중인 해양안전종합정보시스 템(GICOMS)는 실시간 선박항행정보 뿐만 아니라 과거 선박 항행정보의 빅데이터를 제공해주고 있어, 이를 이용하여 여 러 가지 해상교통관련 분야를 분석하고 있다. 또한 국제해 사기구(International Maritime Organization, IMO)에서는 모든 여 객선, 국제항해에 종사하는 300톤 이상의 모든 선박, 국제항 해에 종사하지 않는 500톤 이상의 화물선은 선박의 선명·위 치·진행방향·속력 등 항행정보를 실시간으로 제공하는 AIS 장비를 장착하도록 규정하고 있다. 따라서 이와 같은 실제 선박에 대한 데이터를 이용하여 보다 더 정확한 분석을 수 행할 수 있다.

4.1.실제 통항선박의 점용영역 밀집도 분석을 통한 해상교통 혼잡도 평가

Bumper Model은 단위시간당 항행척수인 교통량을 주요 매 개변수로 사용하였지만, 새롭게 제시하고자 하는 방안은 실 제 통항선박의 점용영역을 매개변수로 사용한다.

그리고 선박의 점용영역이란 자선 주위에 있는 대부분의 타선이 그 안에 들어가는 것을 피하는 영역으로서 기존 폐 색영역과 유사한 개념이다.

해상교통 현상 파악을 위해 실시된 관측결과는 시간 t와 공간(x, y)을 기준으로 하여 분석·기술된다. 일정한 해역의 혼잡도를 나타내는 데에는 어떤 단위 면적·시간당 항행 척 수인 교통량 Q(척수/단위시간)을 사용하기 보다는, 어떤 시 간 단면에 존재하는 단위 면적당의 밀집도로 표현하는 기술 이 합리적일 수 있다.

현재 해상교통혼잡도를 평가하는 개념은 Fig. 2와 같이 특 정한 횡단선(Gate Line)을 통과하는 교통량을 표준선박의 교 통량으로 환산하여, 최대 허용교통량(실용교통용량)과 실제 해상교통량을 비교하는 것이다. 항로폭(W)과 속력(V)이 주 어지면 표준선박의 폐색영역을 고려한 표준선박의 최대 허 용척수가 계산되고, Gate Line을 통과한 톤급별 선박척수를 표준선박으로 환산한 척수로 하여 이에 대한 백분율을 해상 교통혼잡도로 평가하고 있다.

새롭게 제시하는 방안의 개념은 Fig. 3과 같이 해상교통혼 잡도 평가 대상해역 항로구간 내 단위시간 단면에 존재하는 선박을 식별한 후, 항로구간 면적대비 식별된 개개의 선박 이 갖고 있는 점용영역의 면적을 합산한 값과의 백분율을 해상교통혼잡도로 평가하는 것이다.

여기서, A_R : 항로 구획 면적(m²)

A_S : 구획 내 통항선박 점용영역의 합(m²)

L_i : i 번째 통항선박의 길이(m)

aL_i : i 번째 통항선박 점용영역의 장직경(m)

bL_i : i 번째 통항선박 점용영역의 단직경(m)

a : 장직경 점용영역 계수

b : 단직경 점용영역 계수

Fig. 4는 해상교통혼잡도를 평가하는 프로그램의 처리절 차를 도식화 한 것이다.

평가프로그램은 평가대상의 GICOMS의 AIS 데이터를 읽어 들인 후, 항로구간에 실존하는 선박의 위치를 매초당 저장하 고, 선박제원에 따른 선박의 점용면적을 합산하여 항로구간 면적 대비 매시간당 최대 밀집도 값을 추출한다. 해상교통혼 잡도 평가를 위해서 평가대상의 GICOMS 데이터, 항로구간 경위도 좌표 및 선박의 점용영역 범위(a, b)를 입력하면 평가 프로그램에 의해 자동으로 해상교통혼잡도 평가가 수행된다.

또한 현재 해상교통혼잡도 평가 결과는 대상 항로 전체에 대한 평가이다. 만약 평가 결과가 매우 혼잡한 것으로 평가 되었다면 항로의 수역을 새로이 설정하거나 변경해야 할 것 이고, 이럴 경우에는 전구간이 아닌 혼잡도가 높게 나타나는 구간에 대해 안전대책을 강구하여야 하나, 현재 방법으로는 해결하기 어렵다. 그러나 새로운 방안에서는 대상 항로를 구 간별로 구분하여 구간대 해상교통혼잡도를 평가하기 때문에 이를 근거로 안전대책을 구체적으로 제시할 수 있다. 항로 전체에 대한 해상교통혼잡도는 항로구간별 평가결과를 면적 에 대한 가중치를 부여한 평균값으로 평가할 수 있다.

장래 해상교통혼잡도 평가는 현행 방식대로 현재 평가된 해상교통혼잡도에 대상항만의 장래 물동량 예측결과에 의 한 증가율에 따라 해상교통량이 증가하는 것으로 가정하여 평가하면 된다.

4.3.현행 평가결과와 비교분석

2015년 12월 12일 00시에서 12월 21일 24시까지 총 10일간 GICOMS 데이터를 바탕으로 평택·당진항 국제여객부두 해상 교통안전진단 시 수행한 해상교통혼잡도 평가 결과와 새로 운 방안으로 제시한 해상교통혼잡도 평가 결과를 비교·분석 하였다.

평가를 위해 우선 Fig. 5와 같이 항로구간을 6개 구간으로 나누어 각 구간의 경위도 참조점을 입력하였다. 그리고 장 직경 및 단직경 점용영역계수는 6과 1.6을 적용하였다.

과거 결과치와 비교는 Table 6과 같이 나타났으며, 구간별 해상교통혼잡도는 Table 7과 같다.

새로운 방안으로 평가된 해상교통혼잡도가 현행 기법으 로 평가된 해상교통혼잡도보다 다소 높게 평가되었으며, 이 는 표준선박(길이 82m)을 이용한 환산 데이터를 사용하지 않고, Fig. 6과 같이 실제 통항선박 각각의 길이를 사용한 것 에 기인한 것으로 판단된다.

그리고 Table 7의 항로구간의 평균 혼잡도는 구간면적이 상대적으로 좁은 4구간 및 5구간과 항로 진입구간인 1구간 이 다른 구간의 평균보다 높게 나왔다. 현행 기법으로 평가 시 Peak는 최대 55.6% 이었으나, 새로운 기법으로 평가 시 4 구간(약 1.24km²) 및 5구간(약 1.76km²)의 Peak 때 혼잡도가 100%를 상회한 것은 대형선박 2척과 예인선 5척 총7척이 동 일 시간대에 좁은 구간에서 항해한 것으로 확인되었다.

선박의 조종성능 향상 및 ECDIS 등 항해용 기기 발달로 선박운항자가 느끼는 선박의 점용영역은 종전의 영역보다 훨씬 작아진 것으로 판단되었으며, 선행연구(Park et al., 2014)에서도 선박의 점용영역을 현행보다 작은 3L×2L로 적 용할 것을 제시한 바 있다.

평택·당진항의 장래 물동량 증가율은 2015년 대비 2020년 에 약 1.14배, 2025년에 약 1.24배, 2030년에 약 1.33배 증가하 는 것으로 나타났다. 이를 근거로 2015년도 평균선속 12 knots를 적용한 장래 해상교통혼잡도에 대한 평가는 Table 8 과 같다.

2015년도 해상교통혼잡도 평가와 같이 새로운 방안으로 평가된 장래 해상교통혼잡도 평가가 현행 기법으로 평가된 것보다 다소 높게 나타났다.

5.결 론

도로교통공학에서는 정체의 감소에 관한 연구가 큰 부분 을 차지하고 있는데 비해, 해상교통공학에서는 사고의 감소 가 가장 중요한 테마로 되어 있다. 2007년 발생된 허베이 스 피릿호 원유 유출의 대형 해양오염사고를 경험한 정부는 중 대한 해양사고를 예방하고 잠재적인 해양사고의 원인을 제 거하기 위하여 해상교통안전진단 제도를 도입하여 시행하 고 있다.

해상교통안전진단 항목 중 하나인 해상교통혼잡도 평가 에 사용하는 기법은 과거 40여 년 전 일본에서 관측한 데이 터와 시뮬레이션 결과 데이터를 근거로 제안된 것으로 최근 선박의 변화추세와 부합하지 않는 점이 많다는 것이 다수 연구를 통해 밝혀지고 있다.

그리고 정보통신기술의 획기적인 발달로 방대한 양의 빅 데이터를 활용할 수 있음에도 불구하고, 해상교통혼잡도 평 가 시 추정 데이터를 사용하여 평가하고 있다.

또한 현행 기법으로 해상교통량을 평가 시 표준선박을 기 준으로 통항선박 각각을 환산하는 것이 아니라 톤급별 단위 로 구분한 후 톤급별 대표값을 기준으로 환산하기 때문에 실제 해상교통량과 차이가 발생할 수밖에 없다.

본 연구에서는 추정된 환산교통량을 이용한 방법을 탈피 해서 실제 통항선박의 데이터를 갖고서 항로구간면적 대비 실제 통항선박의 점용영역이 차지하는 면적을 비교하는 방 법을 사용하여, 통항선박의 점용영역 밀집도 분석을 이용한 해상교통혼잡도 평가 개선 방안을 제시하였다.

이러한 개선 방안은 표준선박을 사용하지 않음으로써 대 상 해역에 실질적으로 통항하는 선박의 특징을 더 잘 반영 할 수 있고, 항로 전체에 대한 해상교통혼잡도를 항로 구간 별 해상교통혼잡도로 표현이 가능하여 안전대책을 구체적 으로 제시할 수 있다.

본 연구에서 사용된 선박의 점용영역은 전국항만 및 표준 선박을 대상으로 하는 선박의 점용영역 범위를 적용하였으 나, 향후 대상 해역별·선종별 선박의 점용영역 범위를 결정 할 수 있는 방안을 제시하는 연구가 필요할 것으로 보인다.