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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.24 No.2 pp.133-139
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.2.133

A Basic Study on Proper Straight Route Distance under Marine Bridge using ES Model

Young-Soo Park*, Kwang-young Choi**, Sang-Won Park***
*Maritime Transportation and Science, Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
**Republic of Korea Navy, Korea
***Korea Maritime Institute, Busan 49111, Korea
*

First Author : youngsoo@kmou.ac.kr, 051-410-5085


Corresponding Author : warriorchoi@hanmail.net
2018.02.12 2018.03.29 2018.04.27

Abstract


Keeping a proper straight route length under the marine bridge is one of the important factors for the safe passage of ships. However, according to port and harbor design standards, there is only a constant guideline of 8 times the length of the marine bridge underpass. On this study, we used the ES model to determine the ratio of risk to the route width, traffic volume, the degree of curvature of the route, and the length of the straight route in order to derive the optimal straight route distance. As a result, the risk ratio decreased by 2.27% as the route distance increased from 3L to 10L when the degree of curvature of the route was 45°. The risk associated with curvature was found to be 4.83% when the bending degree was changed from 0° to 45° in the case of 3L length. In addition, it was confirmed that the risk ratio according to the degree of curvature of the route and the straight route was reduced by 1.45% at maximum under the condition that the width of the line was 400m and the number of the vessels generated per hour was 20. It was verified that a straight route distance more than a certain length is needed depending on the congestion degree and the degree of curvature of the route when constructing the marine bridge.



ES모델을 이용한 해상교량 하부 적정 직선항로 길이에 대한 기초 연구

박 영수*, 최 광영**, 박 상원***
*한국해양대학교 해사수송과학부
**대한민국해군
***한국해양수산개발원

초록


해상교량 하부의 직선항로 길이 확보는 선박 통항 안전을 위한 중요한 요소 중 하나이다. 그러나 항만 및 어항 설계기준 에 따르면 해상교량 하부 직선항로 길이는 선박길이의 8배로 획일적인 가이드라인을 적용하고 있다. 본 연구는 적정 해상교량 하부 직선길이를 도출하기 위해 ES 모델을 이용하여 항로폭, 통항량, 항로의 곡률, 직선항로길이에 따른 위험도 비율을 확인했다. 확인 결 과 항로의 곡률이 45°의 경우 항로길이가 3L에서 10L로 길어짐에 따라 위험도 비율이 2.27 % 감소했다. 곡률에 따른 위험도는 직선항 로의 길이가 3L의 경우 곡률이 45°에서 0°로 변하면서 위험도 비율이 4.83 % 감소하는 것을 확인했다. 또한 항로폭 400 m, 시간당 발 생선박이 20척의 조건에서 항로의 곡률별, 직선항로에 따른 위험도 비율은 최대 1.45 % 감소하는 것을 확인했다. 이를 통해 해상 교 량 건설 시 항로의 혼잡도 및 곡률에 따라 일정 길이 이상의 직선항로가 필요함을 검증했다.



    1. 서 론

    우리나라의 해상 교량은 인천대교를 비롯하여 99개가 설 치되어 있다(MOLIT, 2017). 2009년부터 이러한 해상교량 설 치 시, 통항선박에 지장을 줄 경우에는 해상교통 안전진단 을 실시하여 안전을 확보하도록 하고 있다(Maritime safety act, 2017). 안전진단 시에는 해상교량 하부의 항로 폭 및 직 선 길이에 대해 항만 및 어항 설계 기준(MOF, 2014)에 명시 된 가이드라인에 따라 검토하고 선박조종 시뮬레이션을 통 하여 선박 통항에 지장 여부를 검증하고 있다. 지금까지 해 상교량 하부 통항 선박의 안전 확보를 선박조종 시뮬레이션 을 통한 연구(Lee et al., 2008)로 시행된 바 있다. 또한 해상교 량 하부를 통항하는 선박의 안전 확보를 위해 Park et al. 의 연구에서는 해상 (2008) 교량 부근에서의 해양사고 조사 분석을 통한 직선길이 확보 필요성을 제시하였고, 일본에서 는 해양사고 분석을 통해 선박길이의 8배를 직선길이로 제 시하였다(Kuniaki, 1991; Fujii and Mizuki, 1998). 그리고 해상 이용자 설문조사를 통해 직선길이는 최소한 선박길이의 8배 이상을 확보해야한다고 제시한 연구도 있다(Lee et al., 2009). 하지만 해상교량 하부의 적정 직선거리에 대한 정량적 평가 는 연구된 바 없다.

    현재 건설된 인천대교, 이순신대교, 마창대교의 경우는 대 교 하부의 직선항로 길이가 최대 통항 선박의 10배 이상으 로 선박이 안전하게 통항하기 위한 방안을 마련했다. 반면 목포대교는 해상교량 하부의 직선항로 길이가 최대 통항 선 박의 5배 미만이며 대교 통과 후 거의 90도가 꺾어져 있다. 이와 같이 해상교량 하부에 설치된 항로의 직선 길이에 대 해서는 항만 및 어항 설계기준에 따른 선박길이의 8배 이상 의 단순한 가이드라인만을 제시하고 있어 해역별 교통 특성 이 상이한 지역에서의 일괄적인 적용보다는 맞춤형 가이드 라인이 필요할 것으로 보인다. 또한 해상 교량은 섬과 섬의 최단거리를 고려하여 설치하기 때문에 설치 지역의 지역적 특성에 따라 해상교통량은 다를 수 밖에 없어, 동일한 설치 기준이 적용되는 것은 경제적인 관점에서 볼 때 합리적이지 않다고 볼 수 있다.

    따라서 이 연구는 건설 예정인 해상 교량 하부의 직선항 로 길이의 가이드라인에 대한 검증과 선박운항자의 위험도 를 기반으로 한 환경스트레스 모델(Environmental Stress model, 이하 ES 모델)을 이용한 정량적 평가를 통하여 교량 하부의 적정 직선항로 길이를 제시하고자 한다.

    2. 우리나라 해상교량 현황 조사

    2.1. 해상교량 설치 현황 및 하부 직선항로 길이

    Table 1은 우리나라의 주요 해상 교량의 상세와 이를 통항 하는 설계 최대 선박 크기를 나타낸 것이다. 해상교량 하부 의 항로 폭은 200 m부터 1,400 m까지이며, 선박크기는 1만톤 에서 14만톤까지 통항하는 것으로 조사되었다.

    Table 1에서 해상교량 하부 직선항로 길이는 최대 선박 길 이를 기준으로 환산하였다. 해상교량 하부 직선항로 길이는 선박 길이의 3L~34L까지 다양하게 분포하고 있는 것으로 나타났다.

    Fig. 1은 최근 실시된 해상교통안전진단 중 인천 제3연육 교의 해상교통류 시뮬레이션 결과에 따른 해역별 위험도 분 포를 나타낸 것이다. 삼각형으로 표시된 부분이 선박운항자 가 항행 시 스트레스를 받는 해역으로, 이러한 해역은 굴곡 지역에 집중하는 것으로 나타났다(KMOU, 2017).

    2.2. 현행 항로설계 기준의 문제점

    항만 및 어항 설계지침 중 항로설계 지침에 따르면, 해상 교량 하부 직선항로는 통항 선박 길이의 8배 이상으로 하는 것이 바람직한 것으로 되어 있지만, 해상교량 하부에 통항 하는 선박 척수는 상이하기 때문에 일률적으로 모든 항만에 적용하는 것은 바람직하지 못하다고 할 수 있다. 또한 해상 교량 하부가 아닌 단순한 항로에 대한 지침으로도 해상교량 하부와 동일한 지침을 제시하고 있다. 그리고 항로에 대한 굴곡 정도에 대한 지침을 살펴보면 굴곡부 항로 중심선의 교각은 30°를 넘지 않는 것이 바람직하며, 굴곡부의 곡률이 30° 이상일 경우 곡률반경을 대상선박의 4L 이상으로 권고 하고 있다.

    또한, 해상교통안전진단 기준에서는 해상교량의 하부 직 선 길이에 대한 별도의 기준이 마련되어 있지 않다(MOF, 2017). 다만 교량 하부에서 대상선박의 교행 상황을 시뮬레 이션 하도록 규정하고 있으며, 시뮬레이션을 통해 도출된 근접도·제어도·운항자(주관적) 평가를 통해 통항안전성을 평가한다. 하지만, 통항안전성에 집중되어 있는 평가이며 직 선항로 및 굴곡에 대한 평가는 운항자의 주관적인 판단에 의해서만 실시되고 있다.

    3. 해상교량 설치 전ㆍ후 직선길이 확보 검토

    3.1. 해상교량 적정 검토 시뮬레이션 조건

    Table 2는 해상교량 하부의 적정 직선항로 길이를 산출하 기 위하여 교량 하부 항로폭, 시간당 통항량, 선박길이를 기 반한 직선 길이, 굴곡각도를 이용하여 총 48개 시나리오를 구성하여 해상교통류 시뮬레이션을 실시하였다. 특히 대상 선박 크기는 직선항로길이를 기준으로 설정하였다.

    통항 선박 크기 및 통항 선박 속력은 최근 인천 제3연육 교에서 해상교통조사 결과를 사용하였다(KMOU, 2017).

    Fig. 2는 해상교통류 시뮬레이션을 위한 설계 시나리오 해 역을 나타낸 것이다.

    정량적 평가를 위한 평가모델은 ES모델을 이용하여(Inoue, 2000) 평가하고자 한다. 시뮬레이션 해역을 항행한 선박을 대상으로 각 선박에 가해진 환경스트레스 값의 시계열 데이 터를 수집하여, 그 통항로상에 있어서 선박 조종자가 허용 할 수 없는 상황을 종합 환경스트레스 값 750 이상인 비율 [P(ESA≧750)]로 나타내었다.

    3.2. 해상교통류 시뮬레이션 결과

    (1)

    교량 하부 항로폭 400 m 시뮬레이션 결과

    Table 3은 교량 하부 항로폭이 400 m인 경우 해상교통류 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

    곡률이 0° 의 경우 직선항로의 길이에 따른 위험도 비율 값의 변화가 없었다. 그러나 10° 이상의 곡률에서는 직선항 로의 길이가 증가함에 따라 위험도 비율 값이 줄어들었다. 다시 말해 항로의 곡률이 발생하면서 직선항로의 길이에 따 른 위험도 비율의 변화가 있음을 확인했다. 그리고 교통량 이 2배 증가 했을 때, 직선항로의 길이가 증가함에 따라 위 험도 비율이 낮아짐을 확인했다.

    Fig. 3은 항로폭 400 m, 시간당 통항량 10척의 경우 해상 교량 하부의 직선항로 길이에 따른 통항 선박의 종합 환경 스트레스 값 750 이상의 비율을 나타낸 것이다.

    직선항로 길이가 선박 길이의 3L, 5L, 10L의 경우는 위험 도 비율은 곡률이 0°를 제외하고 직선길이가 길어짐에 따라 위험도 비율이 감소하는 것을 확인 했다. 10°의 경우 최대 0.14%, 25°의 경우 최대 0.35%, 45°의 경우 최대 0.35% 감소 효과가 있었다.

    Fig. 4는 항로폭 400 m, 시간당 통항량 20척의 경우 해상 교량 하부의 직선항로 길이에 따른 통항 선박의 종합 환경 스트레스 값 750 이상의 비율을 나타낸 것이다.

    직선항로 길이가 선박 길이의 3L, 5L, 10L인 경우는 위험 도 비율은 곡률이 0°를 제외하고 직선길이가 길어짐에 따라 위험도 비율이 감소하는 것을 확인 했다. 10°의 경우 최대 0.17%, 25°의 경우 최대 0.33%, 45°의 경우 최대 1.45% 감소 효과가 있었다.

    Fig. 5는 항로 폭 400 m에서의 굴곡 각도별 직선항로 길이 와 선박 통항량에 따른 종합 환경스트레스 값 750 이상의 비 율을 나타낸 것이다.

    곡률이 클수록, 항로가 혼잡할수록 종합 환경스트레스 값 750이상의 비율이 높아지는 경향을 보인다. 특히 항로가 혼 잡할수록 곡률에 따른 위험도 비율의 차이가 큰 것으로 분 석되었다. 시간당 10척의 교통량에서는 직선항로 길이가 선 박길이의 3L인 경우 곡률에 따른 위험도 비율의 변화가 최 대 0.71%, 5L의 경우 0.65%, 10L의 경우 0.36% 나타나는 것 으로 분석되었다. 이는 직선항로의 길이가 짧을수록 곡률에 대한 민감도가 큰 것을 알 수 있다.

    시간당 20척의 교통량에서는 직선항로 길이가 선박길이의 3L인 경우 곡률에 따른 위험도 비율의 변화가 최대 4.83%, 5L인 경우 4.75%, 10L인 경우 3.38% 나타나는 것으로 분석 되었다. 시간당 10척 발생하는 시뮬레이션 결과와 같이 직선 항로의 길이가 짧을수록 곡률에 대한 민감도가 크게 나타났 다. 그리고 혼잡도가 높고 곡률이 클 때 직선길이에 대한 민 감도가 크게 나타나 교량 하부 선박 통항의 안전을 위해서 적절한 직선항로의 길이를 확보해야 할 것으로 판단된다.

    (2)

    교량 하부 항로폭 800 m 시뮬레이션 결과

    Table 4은 교량 하부 항로폭이 800 m인 경우 해상교통류 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

    항로폭이 800 m의 경우도 곡률이 0° 일 때 직선항로의 길 이에 따른 위험도 비율 값의 변화가 없었다. 그러나 10° 이 상의 곡률에서는 직선항로의 길이가 증가함에 따라 위험도 비율 값이 줄어들었다. 다시 말해 항로폭과는 관계없이 항 로의 곡률이 발생하면서 직선항로의 길이에 따른 위험도의 변화가 있음을 확인했다. 그리고 교통량이 2배 증가 했을 때, 직선항로의 길이가 증가함에 따라 위험도 비율이 낮아 짐을 확인했다.

    Fig. 6은 항로폭 800 m, 시간당 통항량이 10척의 경우 해상 교량 하부의 직선항로 길이에 따른 통항 선박의 종합 환경 스트레스 값 750 이상의 비율을 나타낸 것이다.

    직선항로 길이가 선박 길이의 3L, 5L, 10L인 경우, 위험도 비율은 곡률이 0°를 제외하고 직선길이가 길어짐에 따라 위험 도 비율이 감소하는 것을 확인 했다. 10°의 경우 최대 0.08%, 25°의 경우 최대 0.35%, 45°의 경우 최대 0.33% 감소 효과가 있었다.

    Fig. 7은 항로폭 800 m, 시간당 통항량 20척의 경우 해상 교 량 하부의 직선항로 길이에 따른 통항 선박의 종합 환경스 트레스 값 750 이상의 비율을 나타낸 것이다.

    직선항로 길이가 선박 길이의 3L, 5L, 10L인 경우는 위험 도 비율은 곡률이 0°를 제외하고 직선길이가 길어짐에 따라 위험도 비율이 감소하는 것을 확인 했다. 10°의 경우 최대 0.1 %, 25°의 경우 최대 0.77%, 45°의 경우 최대 2.27% 감소 효과가 있었다.

    Fig. 8은 항로 폭 800 m에서 굴곡 각도별 직선항로 길이와 선박 통항량에 따른 종합 환경스트레스 값 750 이상의 비율 을 나타낸 것이다.

    곡률이 클수록 항로가 , 혼잡할수록 종합 환경스트레스 값 750이상의 비율이 높아지는 경향을 보인다. 특히, 항로가 혼 잡할수록 곡률에 따른 위험도 비율의 차이가 큰 것으로 분 석되었다. 시간당 10척의 교통량에서는 직선항로 길이가 선 박 길이의 3L인 경우 곡률에 따른 위험도 비율의 변화가 최 대 0.82%, 5L인 경우 0.62%, 10L인 경우 0.49% 나타나는 것 으로 분석되었다. 이는 직선항로의 길이가 짧을수록 곡률에 대한 위험비율 저감 효과가 크다는 것을 의미한다.

    시간당 20척의 교통량에서는 직선항로 길이가 선박길이의 3L인 경우 곡률에 따른 위험도 비율의 변화가 최대 4.36%, 5L인 경우 3.46%, 10L인 경우 2.09% 나타나는 것으로 분석 되었다. 시간당 10척 발생하는 시뮬레이션 결과와 같이 직선 항로의 길이가 짧을수록 곡률에 대한 위험비율 저감 효과는 크다.

    (3)

    혼잡도에 따른 위험도 비율 감소 효과 분석

    항로 혼잡도별 위험도 비율 감소 효과를 분석하기 위해서 항로 폭 400m, 발생선박 시간당 20척의 경우와 항로 폭 800 m, 발생선박 시간당 10척의 경우를 각각 혼잡, 여유의 경우로 두고 비교·분석하였다. Fig. 9는 곡률별 직선항로 길이에 따 른 위험도 비율 변화 정도를 나타낸 것이다.

    항로가 여유로운 경우 직선항로의 길이에 따른 위험도 저 감효과는 최대 0.35%인 반면, 항로가 복잡한 경우에는 직선 항로 길이에 따른 위험도 저감효과는 1.45 %이며 곡률이 커 질수록 저감효과가 커지는 것을 확인할 수 있다. 즉 혼잡한 항로에서는 곡률이 클수록 직선항로 길이에 따른 위험도 비 율의 변화가 큰 것을 알 수 있다.

    4. 결 론

    해상 교량 하부로 통항하는 선박의 안전성을 위한 직선항 로 길이 및 곡률에 대한 기준은 명확하게 정해지지 않은 상 황이다. 본 연구는 교량 하부 직선길이의 기준을 제시하기 위해 위험도에 영향을 미치는 요인에 따라 선박운항자가 조 선 중 느끼는 스트레스 정도를 ES 모델로 시뮬레이션 하여 나타냈다. 본 논문에서 도출된 결과는 다음과 같다.

    • (1) 직선길이가 길어짐에 따라, 곡률이 작아짐에 따라 위 험도 비율이 감소하는 것을 확인 했다. 특히, 항로폭 400 m의 경우 항로의 곡률이 45°의 경우 항로길이가 3L에서 10L로 길어짐에 따라 위험도 비율이 2.27 % 감소했다. 곡률에 따른 위험도는 직선항로의 길이가 3L의 경우 곡률이 45°에서 0°로 변하면서 위험도 비율이 4.83% 감소하는 것을 확인했다.

    • (2) 혼잡한 항로에서 곡률이 클수록 직선항로 길이에 따른 위험도 비율이 큰 것을 확인 했다. 항로폭 400 m, 시간당 발 생선박이 20척의 조건에서 항로의 곡률별, 직선항로에 따른 위험도 비율은 최대 1.45% 감소하는 것을 확인했다.

    이번 연구를 통해서 항로의 혼잡도 및 곡률에 따라 직선 항로별 선박운항자가 느끼는 위험도 비율이 달라지는 것을 정량적으로 확인할 수 있었다. 그러나 혼잡도 및 곡률별 적 정 교량 하부 직선항로는 제시하지 못했다. 이는 선박운항 자의 의견 반영, L2 환산 교통량 등을 이용한 선박 크기 요 소 추가 및 추가 시뮬레이션 실시를 통해 안전 운항을 위한 혼잡도 및 곡률에 따른 구체적인 교량 하부 직선항로 길이 기준을 확립해야할 것이다.

    Figure

    KOSOMES-24-133_F1.gif

    An example of risk result maps in case of Incheon 3rd Bridge.

    KOSOMES-24-133_F2.gif

    Setting area for marine traffic simulation to calculate a risk.

    KOSOMES-24-133_F3.gif

    Risk result in case of 10 ships/h of route width 400 m.

    KOSOMES-24-133_F4.gif

    Risk result in case of 20 ships/h of route width 400 m.

    KOSOMES-24-133_F5.gif

    Risk result by bending degree for route width 400 m.

    KOSOMES-24-133_F6.gif

    Risk result in case of 10 ships/h of route width 800 m.

    KOSOMES-24-133_F7.gif

    Risk result in case of 20 ships/h of route width 800 m.

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    Risk result by bending degree for route width 800 m.

    KOSOMES-24-133_F9.gif

    Risk sensitivity by congestion and bending degree.

    Table

    Particular of main marine bridge in Korea waterways

    *L: LOA (Length Over All)

    Scenarios for marine traffic simulation

    Risk result of route width 400 m

    Risk result of route width 800 m

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