1.서 론

국제해사기구(International Maritime Organization: 이하 IMO) 에서는 해양사고의 80% 이상이 인적 오류에 의해 발생한다 고 보고하고 있다(Acar et al., 2012; IMO, 2005; Yang et al., 2004; Youn and Shin, 2017; Rothblum, 2015).

중앙해양안전심판원(Korea Maritime Safety Tribunal: 이하 KMST, 2017) 통계연보에 의하면 2012년부터 2016년까지 5년 간 해양사고 통계 분석 중 선박충돌사고의 발생 원인을 분 석한 결과 충돌 회피 위반, 항해 일반원칙의 미 준수 등 운 항 과실에 해당하는 인적요인(Human factor)에 의한 사고가 전체 충돌사고의 97.5%를 차지하고 있음을 알 수 있다. 이 러한 이유로 선박 충돌사고 예방을 위해서는 인적요인 즉 선박 운항자(Ship operator: 이하 SO)에 대한 많은 연구가 필 요하며 지속적인 인적오류 감소 노력이 요구되고 있다.

인적오류는 인간이 개입되는 모든 시스템에서 발생하는 것으로, 모든 산업분야에서 연구되고 있다(Andrew, 1997). Rasmussen(1983)은 인간 행동 기반을 skill-based, Rule-based, Knowledge-based 등과 같이 구분한 SRK 이론을 제안한 바 있 고, Endsley(1995)는 항공기 조종사들의 인식과정을 설명한 상황인식(Situation awareness) 이론을 제안 한 바 있다.

위험한 상황이 발생하거나 발생할 것으로 예상되는 경우 인간은 위험(Risk)을 지각(Perception)하게 되는데 위험의 지 각 정도는 사람마다 다르다(Ross, 1975). 선박에서도 이러한 현상은 발생한다. 즉, 선박 간 서로 다양한 방위와 거리에서 조우하여 충돌위기상황이 발생하면 충돌을 피하기 위한 일 련의 동작을 취하는데, 이때 선박 충돌위기감을 급격하게 지각하게 된다(Inoue, 2000; Kim and Yim, 2016). 이러한 경우 에 접근하는 상대선박을 보면서 항해당직자가 심리적으로 느 끼는 충돌위기감을 선박충돌 위험도(Perceived Ship Collision Risk, PSCR)라 정의하고자 한다. 충돌위험도를 지각하는 시 점과 정도는 선박간 거리, 승선경력과 연령, 면허등급 등이 서로 복합적으로 연계되어 개인마다 다르게 나타나는 것으 로 알려져 있다(Kim and Kim, 2015). 특히, 충돌위험도는 흥 분, 공포, 당황 등으로 전이되어 충돌회피 동작으로 나아가 지 못하고 인적오류(Human error)를 야기할 수 있는 원인으로 알려져 있다(Kim and Yim, 2016).

본 연구의 목적은 충돌위험도 데이터를 확률분포로 나타 내고 선박간 거리와 충돌위험도와의 관계를 파악 한 후 거 리가 가까워 질 때 SO가 지각한 선박 충돌위험도의 변화가 어느 거리에서 가장 크게 나타나는지 식별하는 것이다.

1972년 국제해상충돌예방규칙협약(Convention on the International Regulation for Preventing Collisions at Sea, 1972: 이 하 COLREG, 1972) 제8조의 근접상황(Close-quarters situation) 에서 항해당직자는 불안, 당황 등의 영향으로 인적오류를 일으킬 가능성이 커질 것으로 예상된다(COLREGS, 2005; Kim and Yim, 2016).

항해당직자의 PSCR 변화가 최대인 거리식별과 관련하여 Montewka et al.(2010), Montewka et al.(2012)는 해상사고 발생 확률 추정 모델에 적합한 충돌 기준 및 인과관계 요인 결정에 관한 연구에서 충돌 최소거리(Minimum distance to collision: MDTC)개념을 제시하고 두 척의 선박이 충돌을 피하기 위해 회피 동작을 취해야 하는 최단 거리의 기준을 제시했다.

Tomasz et al.,(2014)는 위험에 대한 관리 및 결정의 최적 개념 연구에서 위기 수준을 반영하기 위해 클러스터 분석을 통하여 통상적 조우, 충돌 회피, 근접 조우, 위험한 조우의 네 가지 위기 수준을 예상하였다.

이러한 연구들은 사고통계와 시뮬레이션 등을 이용한 것 이며 항해당직자를 대상으로 한 해상 실험 결과는 거의 없 는 실정이다. 본 연구에서는 일반 선박과 비교하여 실험이 용이한 대한민국 해양경찰함정(Korea Coast Guard Patrol Ship) 두 척의 협조를 받아 항해당직자 30명을 대상으로 해상에서 충돌위험도를 직접 측정하는 실험을 하였으며 충돌 가능성 이 높은 네 가지 조우상황(000°, 045°, 090°, 135°)을 시연하였 고 이때 항해당직자가 지각한 충돌위험도 데이터를 획득하 여 특징을 분석하고 변화 값이 최대인 거리(The distance at which the value of change in risk of ship collision is maximum: 이하 DRSCM)를 제시하였다.

2.연구방법 개요

2.1.연구 대상

본 연구는 2015년 6월 8일 목포 가사도 남서 10해리 (Nautical Mile: 이하 NM) 해상에서 1,500톤급인 두 척의 대형 해양경찰함정을 대상으로 실험하였다. Table 1에서 길이 90 m 급을 선정한 이유는 해양경찰의 대형함정이 100 m 내외이기 때문이다. 측정실험은 본선(Own ship)에서 이루어 졌으며 속 력을 10 knots로 한 것은 Inoue(2000a)의 시뮬레이터를 이용한 실험사례와 함 안전속력을 고려하였기 때문이다.

Table 2에서 피험자(해양경찰관인 항해당직자) 30명의 인 구통계학적 특성을 살펴보면 평균 나이는 38.3세이며 승선 경력 3년 이상자가 19명으로 63.3%를 차지하고 있고 해기사 면허 소지자가 21명으로 70%를 차지하며 해기사 면허가 없 는 피험자도 해기사 5급 교육기관으로 지정된 해양경찰교육 원에서 신임순경교육과정 동안(1년) 항해실습(4,200톤급 훈 련함 편승) 및 항해시뮬레이터 교육을 수료함으로써 면허 취득과정을 이수하였기 때문에 항해당직 자격을 갖추고 있 다고 평가된다.

2.2.연구 방법 및 절차

Fig. 1은 실험계획도이며 네 가지 조우방위각(Encounter Bearing: 이하 EB, 000°-Situation1, 045°-Situation2, 090°-Situation 3, 135°-Situation4: 이하 S1, S2, S3, S4)이 나타나 있다. 이때 각 방위의 선박 거리가 3 NM(5,556 m)에서부터 0.25 NM(463 m) 간격으로 함 안전을 고려하여 최대 0.25 NM까지만 근접하여 열두 구간에서 타 함정을 보며 충돌위험도를 최소 0~최대 100까지의 값(Value)으로 기록하여 충돌위험도 데이터를 획 득하였으며 함정 스케줄(Schedule) 사정으로 본 함의 우현방 향으로 각 1회 실험하였다. 한편 Inoue(2000b)는 설문조사와 시뮬레이터 실험으로 타선 조우상황에서 항해사의 스트레 스 값을 0~1,000까지로 정하였으나 너무 광범위하므로 본 연구에서는 충돌위험도 값을 100까지로 정하였다.

Fig. 2는 연구절차도이다. 실험결과를 확률분포로 나타내 기 위하여 각 방위에서 열두 개의 거리 구간별 히스토그램 (Histogram)으로 나타내고 이를 곡선근사(Curve fitting) 하여 최적의 다항방정식을 산출하였다. 그리고 각 EB에서 거리 구 간별 충돌위험도 차이 값이 가장 큰 구간을 검토하여 SO의 PSCR 값의 변화가 최대인 거리(DSPRC)를 제시하였다. 끝으 로 이를 검증하고 결론 및 향후 연구방향 등을 제시하였다.

3.선박 충돌위험도 확률분포 분석

3.1.측정 데이터에 대한 조우 형태별 신뢰도 분석

데이터의 분석(analysis)을 위하여 통계기법을 적용하였고 SPSS 23(IBM SPSS Statistics 23)과 EXCEL 프로그램(Microsoft Excel 2016)을 이용하여 각 조우방위별 평균(x ¯)과 표준편차(δ) 등을 히스토그램으로 나타내었다.

Table 3은 충돌위험도 데이터에 대한 신뢰도 분석결과를 나타낸다. 신뢰도를 나타내는 크론바흐(Cronbach)의 α값이 0.6 이상이면 신뢰도가 있음을 의미한다(Song, 2014). 분석결 과 조우방위각별 크론바흐의 α값이 모두 0.93 이상으로 나타 났기 때문에 본 연구에 사용한 S1~S4 데이터는 모두 신뢰 할 수 있는 것으로 평가된다(SPSS Statistics, 2011).

3.2.조우방위별 평균값과 히스토그램 특징 비교

Fig. 3은 EB에 따른 충돌위험도 값의 평균을 비교한 것이 다. S4가 가장 크고 S2, S3, S1순으로 작게 나타났으며 Inoue(2000c)의 설문조사 등의 실험결과는 S4, S3, S2, S1임을 비교 할 때 S2와 S3 순서가 다른 점에 차이가 있다.

Fig. 4는 조우방위각별 거리 1 NM에서 측정된 데이터를 분석하고 통계적 특성을 알아보기 위하여 히스토그램으로 나타내었다. x축은 타 선박에 접근하며 0~100까지의 충돌 위험도 값(Value)을 나타내고 y축은 빈도(Frequency: 이하 F) 를 나타낸다. 비교한 결과 S4(Fig. 4(d))에서 충돌위험도 값 80, F8로 가장 높게 나타났다.

3.3.조우방위별 거리 1.25 NM, 1 NM에서 분포곡선 분석

Fig. 5는 조우방위별 거리 1.25, 1 NM에서 측정한 충돌위험 도 값을 히스토그램으로 나타내고 6차 방정식으로 곡선근사 (Curve fitting)한 것이며 x축은 피험자가 지각한 PSCR을 y축 은 빈도, m은 최빈값(mode)을 나타낸다(세로 순). 표본 자료 에서 평균을 구하는 식은 다음과 같다.(1)

여기서 x ¯ 는 표본평균이며, n은 관찰도수이다.

6차 방정식은 다음 식으로 구성된다(Wikipedia, 2017).(2)

여기서 a, b, c, d, e, f는 각각 x 6 , x 5 , x 4 , x 3 , x 2 , x의 계수 이고 g는 상수항이다.

S1의 1 NM에서 충돌위험도 평균은 63으로 조우방위별 상 대거리가 가까워지며 평균값이 증가하여 분포곡선의 중심 이 양의 방향인 오른쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.

Table 4는 Fig. 5의 거리 구간별 평균(x ¯)과 최빈값을 나타 낸 것이다. 특징은 근접거리 1.25~1 NM 구간에서 충돌위험 도 평균값의 편차가 S1은 11, S2는 14, S3는 13, S4는 14로 각 EB별 편차 값이 모두 10 이상으로 다른 거리구간 값과 비교 하여 현격히 증가하는 특징을 알 수 있다.

Table 5는 1.5~1 NM 거리 구간별 6차 방정식 및 적합도 결정계수인 R² 계수를 나타 낸 것이며 0.54~0.81의 값으로 신뢰할 수 있다고 평가된다. 6차 방정식으로 커브 핏팅한 이 유는 적합도 계수 R²값이 가장 크게 나타나기 때문이다.

Fig. 5의 분포곡선에 대해 정규성을 검정하고자 콜모고로 브-스미르노브(Kolmogorov-Smirnov)의 정규성 검정결과 S2의 (a)와 (b), S3의 (a), S4의 (a)와 (b)의 유의확률(p값)이 유의수 준(α=0.05)보다 크기 때문에 정규분포(Normal distribution)를 따른다고 할 수 있다.

3.4.S4에서 곡선근사 결과 종합비교

Fig. 6은 S4를 6차 다항식으로 곡선근사 한 것을 종합하여 나타낸 것이다. 각 EB 중 샘플로 S4만 나타내었다. 곡선 중 거리 1.5 NM, 1.25 NM, 1 NM은 정규분포를 따르고 있으며 확 률밀도함수(pdf) 계산식은 다음과 같다(Wikipedia, 2015).(3)

여기서 x ¯은 평균을 δ는 표준편차를 나타낸다.

특징을 살펴보면 피험자들은 선박 조우 초기, 거리 3∼2.5 NM에서 충돌위험도를 거의 지각하지 못하다가 거리가 가까워지면서 서서히 증가하며 근접 거리인 1∼0.5 NM에서 는 충돌위험도가 80 이상으로 급격히 증가함을 알 수 있다.

4.DRSCM 도출

4.1.충돌위험도 변화 값이 최대인 거리(DRSCM)의 개념

Fig. 7은 SO의 PSCR 변화 값이 최대인 거리(The distance at which the value of change in risk of ship collision is maximum : DRSCM)의 개념을 나타낸 것이다. DRSCM이란 두 척의 선박 이 충돌 가능성이 높은 조우방위로 항해 중 충돌회피 동작 이 가능한 안전거리를 지나 특정 거리까지 근접하였을 경우 에 충돌 위험도의 변화 값이 최대로 나타나는 거리로 SO가 자칫 인적오류로 이어질 수 있는 거리로 정의한다.

COLREG, 1972에서 충돌 위험을 절실히 느끼면서도 거기 서 빨리 빠져나올 수 없는 근접상황이 되었을 때 SO에게 당 황, 긴장 등으로 인적오류가 발생하는 경우에 충돌 회피동 작을 적시에 하지 못하여 충돌 상황으로 악화될 수 있기 때 문에 DRSCM의 중요성이 크다고 평가할 수 있다.

4.2.DRSCM 도출 결과

DRSCM 값을 알아내기 위하여 S1에서 S4까지의 충돌위험 도 분포곡선에서 y축의 평균 편차(Difference of Average: D.A) 가 가장 큰 x축의 거리구간을 분석하였다.

Fig. 8에서 상대거리 2.75 NM에서부터 0.5 NM까지 전체구 간의 충돌위험도 평균값의 편차를 비교하기 위하여 각 거리 구간별 차이를 그래프로 연결한 결과 Table 4에서와 같이 1.25 NM에서 1 NM까지의 구간에서 충돌위험도 평균값의 편 차가 S1에서 11, S2는 14, S3는 13, S4는 14로 타 거리 구간과 비교하여 가장 크게 나타났다.

이러한 결과에 따라 거리 1.25 NM~1 NM 구간이 DRSCM 거리 구간임이 검토된다.

그리고 각 조우방위인 S1, S2, S3, S4 모두 1 NM에서 가장 큰 편차가 나타나고 있다. 즉 피 실험자들은 1 NM에서 가장 급격한 PSCR을 지각(Perception)하였음을 알 수 있다. 따라서 DRSCM은 1 NM로 도출하였다.

4.3.도출된 DRSCM 값의 타당성 검증

도출된 DRSCM 값의 타당성을 검증하기 위하여 네 가지 관련 자료를 검토 하였다.

첫째, 함정 실험 후에 피 실험자 30명에 대하여 항해 중 타 선박 조우시 가장 충돌 위험을 급격히 느끼기 시작하는 거리가 몇 해리(NM) 인지 설문조사한 결과 가장 많은 응답 자(Respondent)인 16명(53%)이 1 NM로 응답하였다(Fig. 9).

둘째, Inoue(2000d)는 항해사에게 부과되는 선박조종의 어 려움을 환경적 스트레스모델(Environmental Stress-model: ES-model)로 정의하였으며 조사 값(범위 0~1,000) 중 090° 방 위에서의 ES 값을 샘플 비교해본 결과 거리구간 1.25~1 NM 에서 ES 값의 편차 값이 130으로 이 역시 다른 거리 구간 값 (통상 100 이하)에 비해 가장 크게 나타났다(Fig. 10).

셋째, 중앙해양안전심판원(KMST)의 지난 5년(2012~2016 년)간 해양사고 분석자료(재결서)중 상대선 초인거리 분석결 과 초인거리가 1 NM 미만(Table 6)인 상황에서 발생한 충돌 사고가 전체사고 509건 중 319건(63%)으로 가장 많은 요인 으로 분석되었다.

그리고 Tomasz et al.,(2014)는 위험에 대한 관리 및 결정 의 최적 개념 연구에서 위기 지표관련 선박통항 시나리오를 여러 의미 있는 범주로 분류하고 위기 수준을 반영하기 위 하여 시뮬레이션을 이용한 클러스터 분석을 하여 다음의 네 가지 위기 수준을 예상하였다.

여기서 충돌회피, 근접 조우 상황을 선박간 거리 1 NM인 경우로 제시하며 회피기동이 필요하다고 제안하고 있다.

위의 자료들을 종합 검토한 결과 실제 해상실험을 통하여 측정된 선박충돌위험도(PSCR) 값에 대한 분석결과 도출된 DRSCM값 1 NM이 타당함을 검증하였다.

5.결 론

본 연구는 목포항 부근 해역에서 두 척의 90 m 급 대형 해 양경찰 함정을 이용하여 30명의 피험자인 항해당직자 들이 근접하는 상대선박을 보며 지각한 선박충돌위험도(PSCR) 데 이터를 이용하여 측정한 자료를 통계학적으로 분포곡선을 이용하여 분석하여 선박운항자의 선박충돌위험도 변화가 최대인 거리(DRSCM)를 제시하였으며 선박 충돌위기 상황에 서 선박운항자인 인간의 심리상태를 확률분포곡선으로 표 현 했다는 점에 큰 의의가 있다.

연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 선박충돌위험도 값의 평균은 조우방위 135°에서 가 장 크고, 045°, 090°, 000° 순으로 낮게 나타났다.

둘째, 네 가지 조우방위각(000°, 045°, 090°, 135°)에서 각 각 동일 거리 구간에서도 선박충돌위험도 값에 따른 히스토 그램과 분포곡선의 형상이 다르게 나타났다. 이는 조우방위 별로 선박충돌위험도 지각 정도가 다르고 피 실험자 개개인 마다 선박충돌위험도를 지각하는 정도에 차이가 있기 때문 이다. 또한 각 히스토그램 값을 곡선근사 한 결과 6차 다항 방정식이 최적임을 알았으며 각 조우방위 거리 1.5, 1.25, 1 NM에서의 예측 값을 알아내기 위하여 회귀방정식으로 나타 내었다.

셋째, 선박충돌위험도 변화 값이 최대인 거리(DRSCM)는 네 가지 조우방위에서 동일하게 상대거리 1.25~1 NM 거리 구간 이었고 특히 1 NM에서 선박충돌위험도 평균값의 편차 가 가장 크게 나타나 DRSCM은 1 NM임을 도출하였다.

선박 운항자는 타 선박과 근접상황(Close-quarters situation) 이 되면 불안, 초조, 당황 등의 영향으로 인적오류(Human error)를 일으킬 가능성이 높아질 것으로 예상되기 때문에 COLREG, 1972의 제8조 ‘충돌을 피하기 위한 동작’관련 DRSCM을 사전에 인지하고 대비한다면 선박 충돌가능성이 높은 근접상황에서 인적오류 발생을 예방하는 조치가 가능 할 것이다.

본 연구에서 해양경찰 함정을 이용한 네 가지 조우방위별 선박충돌위험도 측정 실험은 시간과 함 안전 등의 제한으로 A함정(Own ship)에서 우현방향에 대하여만 실험하였으나 향 후 좌현 방향 및 속력 변화, 그리고 다수 상대선박을 대상으 로 한 다양한 후속 실험 및 연구가 필요하다고 사료된다.