1. 서 론

중앙해양안전심판원(KMST, 2018) 자료에 따르면 최근 4년 간 발생한 총 충돌사고 관련 928건 중 어선이 관련된 충돌사 고가 775건으로 전체 사고의 약 84 %를 차지하였으며, 톤급 별 충돌사고 현황자료를 살펴보면 20 ton 미만의 소형 선박 사고가 전체 충돌사고의 약 41 %를 차지하는 것으로 나타났 다. 소형선박이 충돌사고의 대다수를 차지하는 원인은 대형 선에 비해 상대적으로 적은 수의 승선 인원, 비체계적인 선 내 시스템, 항해 장비 운용 미흡 등 복합적인 요인이 존재하 고 있다. 그러나 그중에서도 운항 중 견시 소홀, 법규 위반 등 인적 요인으로 인한 운항과실이 충돌사고 원인의 90 % 이 상을 차지하고 있다.

충돌사고를 예방하기 위해서는 COLREGS(국제해상충돌예 방규칙)규칙 준수, 철저한 경계가 요구되지만, 소형어선 및 소형선박의 선원들은 STCW(선원훈련, 자격증명 및 당직근무 에 관한 국제협약)을 기반으로 한 각종 교육·훈련의 대상에 서 제외되고, 승선 인원이 충분치 않아 선원들의 피로도 관 리가 어려워 이로 인한 인적 요인으로 인해 충돌사고가 지 속해서 발생하고 있다. 해양수산부에서는 위와 같은 인적 과 실로 인한 해양사고를 예방하기 위해 어선원에 대한 교육·훈 련 규정 마련을 통해 사고 예방에 힘쓰고 있으나 아직 소형 선박의 충돌사고는 여전히 발생하고 있다. 따라서 이러한 문 제점을 해결하기 위해서는 교육·훈련뿐만 아니라 기술적 수 단을 활용하여 해양사고를 예방하고자 하는 노력이 병행되 어야 할 것이다.

기술적 수단 개발의 일환으로 선행연구에서는 송수신 주 기가 짧은 차량용 WAVE 무선통신기술을 해상에 적용하여 충돌위험 시 경보 알람을 울리는 시스템을 제안하였다(Lee et al., 2019). 하지만 앞선 연구는 선박 운항자에게 위험 경보 만 제공하는 것이기에 회피 동작을 위해서는 운항자의 개입 이 필수적으로 필요하다.

그러므로 본 연구에서는 선행연구에서 수행된 충돌 경보 시스템을 확장하여 소형선박에 충돌위험이 발생했을 때 자 동으로 조타하므로 충돌 위험에서 벗어나게 하는 충돌 회피 보조시스템을 개발하고자 하였다.

다만 이번 연구에서는 Head-on 상태의 충돌 상황만을 고려 하였으며 그 때에 소형선박 두 척만 존재한다는 가정 하에 연구를 진행하였다.

2. 충돌 회피 보조시스템 개발 방향 설정

2.1 충돌 회피 보조시스템 기본개념

선행연구(Lee et al., 2019)에서는 5.8 GHz 대역(5.855 ~ 5.925 GHz) 의 주파수로 최대 약 5해리까지 통신하는 WAVE 통신의 ‘통 신 기술’과 통신 결과를 통해 취합된 정보가 충돌 알고리즘 의 기준을 만족할 경우 충돌 경보를 발생시키는 ‘충돌 위험 판단 기준’을 고안하였다.

본 연구는 통신기술, 충돌 판단 기준(충돌 알고리즘)에 더 하여 소형선박에 충돌 위험이 발생 하였을 때 선박의 충돌 회피 동작을 구현하여 선박 간 충돌을 예방하고자 ‘조타 제 어 체계’를 추가로 구상하였으며 충돌회피 보조시스템 기본 개념을 이루는 주요 요소는 아래의 Fig. 1과 같다.

2.1.1 선박 간 통신기술

차량용 WAVE 통신기술은 5.8 GHz 대역의 주파수로 100 msec (0.1초)의 빠른 송수신 주기와 최대 약 8 km(약 4.3마일)까지 통신이 가능하다는 특징을 가지고 있으며 조종성능이 좋아 빠른 변침이 가능한 소형 선박에 WAVE 통신 단말기가 적용 가능함을 선행연구에서 확인 하였다(Kang et al., 2018;2019).

2.1.2 충돌위험 판단(알고리즘)

선행연구(Lee et al., 2019)에서는 선박 간 거리, 속도에 따라 DCPA, TCPA 기준이 정해지고 그 기준에 따라 단계별로 충 돌 경보를 송출하는 알고리즘을 개발하였으며 이를 정교화 하기 위해 다수의 해상 실험을 통해 수정, 보완한 최종 알고 리즘을 제시하였다.

2.1.3 조타 제어 체계

본 연구에서는 WAVE 통신 단말기를 통해 발생한 경보 신 호를 중간 제어기를 거쳐 조타장치의 회피 동작으로 구현하 기 위해 WAVE 통신 단말기-제어기-조타장치에 이르는 인터 페이스를 구축하여 충돌위험 발생 시 변침 동작이 가능하도 록 조타 제어 체계를 구성하였다.

구체적으로 WAVE 통신 단말기가 타선의 위치정보, 속도, 방위 등의 정보를 수신하고 동시에 DCPA, TCPA 산식에 따 라 연산하여 초당 10개씩 상기 정보 및 연산된 경보 신호를 제어기로 송출한다. 그리고 정보를 수신한 제어기는 경보 신 호가 제어 알고리즘에서 정해진 기준을 상회할 경우 조타장 치에 조타 신호를 송출하여 조타장치를 제어하는 시스템을 구성하였으며 구성된 내용은 아래 Fig. 2와 같다.

2.2 충돌 알고리즘 적용 검토 및 제어 알고리즘 고안

2.2.1 충돌 알고리즘 적용 검토

선행연구를 통해 도출된 알고리즘(Fig. 3) 모델을 본 연구에 적용하고자 세부내용을 검토하였으며, 단계별 알람(Pre-alarm, 3단계 Alarm, 4단계 Alarm) 중 어느 알람에 충돌 회피 동작을 적용하는 것이 적절할지 검토하고자 하였다.

우선, 선행연구(Lee et al., 2019)에서는 DCPA(Distance to Closest Point of Approach), TCPA(Time to Closest Point of Approach)를 토대로 한 기준을 만족할 경우, 선박 간 거리에 따라 3 mile 이내에서 0단계, 2mile 이내에서 1단계, 0.5 ~ 1 mile에서 3단계, 0.5 mile 이내에서 4단계 경보를 송출하는 알고리즘을 개발하 였다. 그리고 피항 가능 최소거리가 100 m ~ 900 m라는 것을 근해 25 ton 미만 어선 운항자에 대한 설문조사를 통해 도출 하였고 그 평균값인 307 m를 피항을 위한 최소거리로 제시하 였다. 본 연구에서는 선회 반경이 작고 조종성능이 뛰어난 소형 선박은 4단계 신호가 발생하는 0.5 mile(약 900 m)에서 피항 동작을 취하여도 늦지 않을 것으로 판단하였고 이것을 기반으로 4단계 경보 시 조타 동작을 취하도록 제어 알고리 즘을 제작하였다.

2.2.2 제어 알고리즘 고안

① 변침 동작 시간 설정

통신 단말기에 수신되는 타선의 정보 및 경보 신호는 100 msec 주기로 제어기에 전달되며, 앞서 서술한 것처럼 4 단계 경보 신호가 제어기로 수신될 경우 조타 장치에 제어 신호를 보내는 것으로 기본 개념을 설정하였다.

또한 수신 정보의 신뢰성을 확보하기 위해 4단계 경보 신 호가 발생하는 즉시 회피 동작을 취하지 않고 1초당 10개라 는 빠른 송수신 주기를 고려하여 4단계 경보를 5초간(신호 50개) 수신한 이후에 변침동작을 취하도록 구성하였다.

② 변침 동작 설정

서론에서 기술한 것과 같이 충돌 상황은 타선, 자선 두 선 박만 존재하는 Head-on 상태로 가정하였기에 Head-on 상황에 맞는 충돌 회피 동작을 설정하고자 하였으며 대형선과 달리 소형 선박에 대한 항로 변경 기준은 마련되어 있지 않으므 로 대형선에 적용되는 규칙을 차용하되 소형선의 특성에 맞 도록 적용해보고자 하였다. 우선 ‘COLREGS Pt. B, Rule 14, (a)’에서 Head-on 상태일 경우 피항 조건을 우현 조타로 규정 하고 있으며 ‘Pt. B, Rule 8, (b)’에서는 침로를 변경할 때 타선 이 쉽게 식별할 수 있도록 크게 선회하라 규정하고 있다. 위 규정을 준수하였을 때 상황에 따라 다르겠지만 타선에 대한 자선 시인성을 위하여 큰 선회 반경을 유지해야 하기에 소 타각으로 큰 선회 반경을 그리며 우현으로 피항하는 것이 적합할 것으로 사료된다.

이와 더불어 IMO의 표준조타명령(Standard Wheel Orders)에 서는 0° ~ 35°까지 5° 간격으로 타각 사용을 권고하고 있으며, 실무 조선자는 소타각 10°, 중타각 20°, 전타각 35°를 회피 동 작에 주로 사용하고 있다.

상기 두 가지를 종합하여 소형선에 적정한 타각을 설정하 자면 먼저 소형선은 대형선에 비해 상대적으로 빠른 속도와 좋지 않은 복원성을 가지고 있으므로 회피를 위해 전타각을 사용할 경우 전복의 위험성이 커질 것이다. 뿐만 아니라 큰 선회 반경의 회피를 위해 소타각으로 변침 할 경우에는 타선 에 대한 자선의 시인성이 상대적으로 떨어질 뿐만 아니라 타 선과 근접할 가능성이 높아지기 때문에 조타각을 전타각의 대략 절반인 중타각 약 20°로 설정하였다. 위 개념을 통해 제작 된 제어 알고리즘은 아래의 Fig. 4와 같으며 참고로 100 msec 는 0.1초를 뜻한다.

3. 충돌 회피 보조시스템 개발

상기에 기술된 개념을 충돌 회피 보조시스템에 적용하고 회피 동작을 실질적으로 구현하고자 충돌 회피 보조시스템 의 구성품인 조타장치, 제어기, 통신 단말기를 의뢰/제작하였 으며, 제작된 장비에 대한 기능과 실물은 Fig. 5 ~ 10과 같다.

3.1 각 장비의 기능

3.1.1 WAVE 통신 단말기

통신 단말기는 위치, 속도 등 타선 정보 수신하고 수신된 정보를 바탕으로 충돌 경보 알고리즘을 통해 충돌 위험을 산출하고 산출된 경보를 제어기로 송출한다(Fig. 5 ~ 6).

3.1.2 제어기

조타 동작의 구현을 위해 제어기를 아래의 Fig. 7 ~ 8과 같 이 제작하였으며, Fig. 7에 나타나 있는 ‘COMM’은 통신단말 기와의 연결부이고 ‘SOLVALVE’는 조타장치와의 연결부이 다. 그리고 각각의 인터페이스를 통하여 통신 단말기의 정보 수신하고 제어 알고리즘의 일정 기준에 부합할 경우 조타기 에 제어를 위한 신호를 송출한다.

3.1.3 조타 장치

조타장치는 제어 신호에 따라 솔레노이드 밸브, 실린더 및 방향타를 제어하며 실선 적용 전 모의 시뮬레이션을 통해 제어 동작 확인을 위해 제작되었다(Fig. 9 ~ 10).

4. 소형선박 충돌 회피 시뮬레이션 수행

4.1 시뮬레이션 TEST 수행

4.1.1 시뮬레이션 방법 설정

가상 시뮬레이션에 사용할 GPS 값, 속도 등 두 물체에 대 한 정보를 추출하기 위해 두 대의 차량에 단말기를 탑재하 고 시뮬레이션을 위한 데이터를 추출하였다. 더불어 본 시뮬 레이션에서는 10ton 미만의 소형어선을 기준으로 하여 두 선 박의 길이를 9.77 ton 어선의 대략적인 크기인 20 m로 설정하 였고 충돌 상황은 해상 중 자선, 타선만 존재하고 4 km(약 2.15 mile)의 거리를 두고 자선과 타선이 정면으로 마주 보고 가 까워지는 Head-on 상태를 가정하여 가상 시뮬레이션을 4회에 걸쳐 수행하였다. 그리고 WAVE 통신 단말기의 100 msec라는 빠른 송수신 속도로 인하여 4단계 경보 발생 중 0단계 신호 가 혼합되어 발생하는 것을 확인하였고 신호 혼합으로 인해 적절 하지 못한 때에서의 조타 동작을 방지하여 충돌 회피 동작의 정확도를 높이고자 조타장치를 동작하는 시점을 4단 계 경보가 50회 이상(단말기의 신호가 1초당 10개의 신호가 제어기로 전송된다.) 발생할 때를 기준으로 하였다.

이렇게 설정한 방법에 대한 타당성 평가와 장비 간의 연결 성 및 정상 작동 확인을 위해 모의 시뮬레이션을 수행하였 으며 아래의 Fig. 11은 가상 시뮬레이션 수행을 위한 장비 간 연결 사항이며 Fig. 12는 가상 시뮬레이션 화면이다. 또한 Table 1은 본 모의 시뮬레이션에서 두 선박이 20 m로 가정되 었을 때의 단계별 경보 기준이며, Table 2는 이 경보 기준에 서 4단계 경보가 제어기로 50회 이상 송신될 경우 조타 장치 의 작동 타각에 관한 기준이다.

4.2 시뮬레이션 결과 및 분석

4.2.1 시뮬레이션 결과

4차에 걸친 모의 시뮬레이션에서 1차 시험과 2 ~ 4차 시험은 유사한 결과를 나타내었으며 그에 따라 2 ~ 4차 모의 시뮬레 이션의 내용 및 결과는 1차 시뮬레이션 수행 내용으로 대체 하려 한다.

아래의 Table 3의 1행은 자선과 타선과의 항적과 4단계 경 보 발생, 4단계 경보 50회 발생 순간의 위치, DCPA, TCPA, 각 순간에서의 선박 간 거리를 그래프로 나타낸 것이며, 2행 과 3행은 각각 조타 동작이 시작된 시점과 종료된 시점에서 의 동작 상태 및 그 순간에서의 시간을 나타낸다. 마지막으 로 4행은 종료된 시점에서의 타각이다.

먼저 1 ~ 4차에 걸친 모의 시뮬레이션에서 1 ~ 4차 시험 모두 두 선박 간의 거리가 약 0.5 mile(900 m) 안으로 들어온 이후에 4단계 경보가 발생하였다. 그리고 조타 동작의 기준으로 잡 은 4단계 경보 신호가 50회 이상 발생한 시점은 4단계 경보 가 시작된 후 5.5초가 지난 이후에 발생하였으며 그때의 선박 간 거리는 약 789 m이었다. 또한 50회 이상 신호가 제어기로 전송된 직후에 제어기를 통해 제어 신호가 송출되어 약 1초 간 조타장치가 우현으로 작동하였으며 그때 동작한 타각은 약 22 ~ 23°이었다.

4.2.2 시뮬레이션 결과 분석

① 회피 동작 시간 분석

모의 시뮬레이션에서 자선 약 30 kts, 타선 약 10 kts의 속도 로 이동하였고 4단계 경보 발령 후 방향타가 작동하기까지 5.5초의 시간이 소요되었다. 데이터를 추출하여 분석한 결과 4단계 경보 중간에 0단계 경보가 5회 혼합되었기에 5.5초 후에 4단계 경보가 50회 송신되었으며 이는 앞서 기술한 것과 같 이 빠른 송수신 주기로 인해 오경보가 발생한 것으로 사료된 다. 그리고 4단계 경보가 시작된 선박 간 거리 약 900 m에서 4 단계 경보가 50회 발생한 5.5초 동안 자선 약 89 m, 타선 약 26 m를 이동하여 두 선박의 간격이 약 115 m 좁아진 789 m에 서 회피 동작이 이루어졌다. 2.2.1에서 언급한 것과 같이 이 거리는 소형선의 최소 회피 거리인 307 m를 만족하며 선행연 구(Lee et al., 2019)에서 제시한 최소 8 kts에서 최대 30 kts 중 평균적인 항해 속도인 14 kts로 적용하면 5.5초 동안 자선, 타 선 각각 40 m씩 이동하여 두 선박의 사이 거리가 820 m에서 회피 동작이 이루어질 것이라는 것을 도출해낼 수 있다. 이 와 더불어, 위에서 기술한 운항 최대 속도 30 kts로 가정한다 고 하더라도 자선, 타선이 각각 약 85 m 이동한 두 선박 간의 거리 730 m에서 회피 동작이 일어날 것으로 생각할 수 있을 것이며 조종성능이 뛰어난 소형선박에 있어서 위의 거리는 피항 동작을 취하기에 충분한 거리인 것으로 분석할 수 있 다.

② 회피 동작 분석

대형선과 다르게 소형 선박은 조타를 하는 즉시 선수방위 도 즉각 반응하는 특징을 가지고 있다. 그렇기에 변침동작이 발생하였던 820 m에서 통상적인 운항 속도 14 kts인 상태로 변침을 한다면 즉각적인 반응을 통해 충돌위험에서 빠르게 벗어날 수 있을 것이며 그와 동시에 중타각 20°로 피항 동작 을 취한다면 안전한 피항을 위한 큰 선회반경은 유지하되 긴급 전타로 인한 전복 위험성은 최소화하여 안전하게 선박 을 피항시키는데 도움이 될 것으로 생각된다.

5. 결 론

견시 부주의 등 인적 요인으로 인한 충돌사고는 주로 소형 선박에서 발생하고 있으며 충돌사고를 방지하기 위해 지속 적으로 기술적인 부분을 모색하고 개발한다면 인적 과실, 돌 발 상황으로 인해 야기되는 충돌 사고를 줄여나갈 수 있을 것이다. 본 연구도 WAVE 통신기술 기반 충돌회피 보조 시 스템이라는 기술적인 접근을 통해 충돌 사고를 예방하는데 일조하고자 하였다.

본 연구에서는 WAVE 무선통신기술을 활용하여 제어기에 4단계 경보 신호가 전송될 경우, 조타 장치를 제어하여 피항 동작을 취한다는 개념을 구상하였으며 이에 따라 제어기, 제 어 알고리즘을 제작하였다. 그리고 완성된 장비의 정상 작동 및 충돌회피에 대한 적정성 검증을 위해 모의 시뮬레이션을 수행하였고 4단계 경보 신호가 기준 이상(50회 이상) 수신될 때 조타장치가 약 20°로 정상 작동하는 것을 확인하였으며 조종성이 좋은 소형 선박임을 고려하였을 때 충돌회피 동작 시간과 동작의 범위는 선박을 충돌위험에서 벗어나게 하는 데 도움이 될 것으로 생각된다. 하지만 이와 동시에 본 연구 는 두 선박이 조우하는 Head-on 상태, 우현 조타 20°만을 고 려한 것과 운항자 판단과의 차이로 인한 동작의 우선순위에 대한 고려가 포함되어 있지 않다는 한계도 가지고 있다.

추후에 회피 동작의 개선을 위하여 제어 알고리즘과 동작 을 보완하고 실선 테스트를 통해 고도화한다면 소형선박 충 돌사고를 예방하는데 도움이 될 것으로 사료된다.