1. 서 론

해양수산부는 선박의 교통량 증가와 대형화 등 변화하는 국내 항만의 효율적인 개발과 운영을 위하여 2020년 12월 30 일 제4차 전국 항만기본계획을 고시하였으며, 전국 항만에 대해 2030년까지 총 152선석의 접안시설 확보를 추진하고 있다(MOF, 2020a).

선박 접안을 위한 신규 부두 축조 시에는 준설 비용 등 경제성을 고려하여야 하나, 선박의 안전한 접이안 조선을 위해서는 부두 전면 접근 수역의 충분한 여유수심 확보가 필요하다. 따라서 충분한 수심이 확보된 지정항로와 인접한 해역에 부두가 배치되도록 설계하는 것이 준설 범위, 기간 및 준설토의 처리비용 등 준설 비용을 고려할 때 유리한 배 치라고 할 수 있다.

부두가 항로와 인접한 위치에 있을 때 계류중인 선박은 항행 선박에 의해 발생되는 항주파의 영향을 받게 될 것이 며, 우리나라의 경우 이동하는 선박으로부터 발생되는 항주 파의 크기를 줄여 항만의 정온도를 높이기 위한 수단으로 제한속력을 지정하여 운영 중에 있다(Kim et al., 2012a).

Lee(2011)는 제한수역에서 항행하는 선박과 계류중인 선 박간의 상호간섭력을 수치적으로 계산하여 간섭력이 정지 해 있는 선박에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.

항행하는 선박의 항주파는 계류중인 선박의 계류안전성 과 하역작업 시 하역안전성에 영향을 주며, 이와 관련하여 Kim et al.(2008)은 비선형 파동모형을 적용한 항주파 수치모 형을 구축한 후 이를 항만에 적용하여 항주파를 모의하고, 안벽 전면에서의 항주파로 인한 계류안전성에 대한 연구를 진행하였다. 또한 Kwak and Moon(2014)의 연구에서는 계류선 박의 동요량을 계산하고, 그 결과를 이용하여 선석 전면에 서 하역한계파고를 선정하는 방법을 제시하였다.

하역안전성 평가의 경우 외력에 의한 선체 운동이 선박의 통상 작업이 가능한 범위 내에 있는가를 평가하기 위하여 선체의 6자유도 운동(Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw)의 진폭을 검토한다(Cho, 2017). 하역안전성이 확보되지 않을 경 우 하역 중 사고가 발생할 가능성이 있고 특히 유류화물의 경우 관 이송 중 선체 동요로 인해 해양오염사고 발생 가능 성이 높다.

현재 해사안전법 제15조에 따른 해상교통안전진단 수행 시 계류안전성 평가에서는 부두 및 선박의 제원, 항만의 기 상환경 특성을 반영하여 평가를 하지만 항만의 해상교통특 성이 계류중인 선박의 동요량에 미치는 영향은 반영하지 않 고 있다. 해상교통특성에는 다양한 요소가 있지만 항주파를 일으키는 요소로 그 항만을 주로 기항하는 선박의 종류, 크 기 및 선속을 예로 들 수 있을 것이다.

본 연구에서는 Portable 계측시스템을 제작하여 실제 선박 의 Roll 동요량을 계측하고 그 분석 결과를 프로그램 시뮬레 이션 결과와 비교하고자 한다. 또한 실제 선박의 Roll 동요 량이 하역안전성 한계 값을 초과하는 경우 그 시간대의 해 상교통특성을 분석하여 해상교통특성이 계류중인 선박의 Roll 동요량에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.

2장에서는 실제 선박의 Roll 동요량 계측 결과를 분석하 고, 3장에서는 프로그램 시뮬레이션을 바탕으로 Roll 동요량 에 대한 하역안전성 평가결과를 제시하였다. 4장에서는 실제 계측한 동요량 결과 중 하역안전성 한계치를 초과하는 시간 대의 해상교통특성을 분석하였고, 5장에서 결론을 내렸다.

2. 선박 Roll 동요량 계측

2.1 대상항만 및 대상선박 선정

대상항만의 선정은 아래의 사항을 고려하였다.

위 조건을 검토하였을 때 직선항로 구간이 배치되어 있으 며, 도서지역을 운항하는 여객선과 목포-제주항로를 정기적 으로 운항하는 총톤수 10,000톤급 이상의 선박 통항이 빈번 한 목포항을 대상항만으로 선정하였다.

목포항의 경우 기존에 항주파 관측에 관한 연구(Jung, 2008) 가 진행되었으며, 대형여객선과 쾌속여객선의 항주파가 중 첩될 때 최대파고가 82.6 cm로 관측되었다.

대상선박의 경우 오랜 기간의 데이터 확보를 위해서 선박 Roll 동요량을 연속적으로 계측할 수 있는지를 최우선적으 로 고려하여야 한다. 그러나 일반화물선의 경우 접안시간이 길지 않고, 연속된 데이터를 수집하기가 어렵기 때문에 전 용부두에 접안하여 장기간 정박이 가능한 목포해양대학교 실습선 새누리호를 대상선박으로 선정하였다.

실습선의 운항일정을 고려하여 장기간 정박이 가능한 기 간을 조사하여, 계측기간은 2020년 9월 29일 16시 ~ 10월 9일 22시까지로 계획하였다.

2.2 Portable 계측시스템 제작

선박의 Roll 동요량을 계측하기 위하여 Portable 계측시스 템을 제작하였다. 제작 방법은 Fig. 1과 같이 독자적으로 동 작이 가능한 소형 컴퓨터인 Raspberry pi에 6축 자이로 센서 (MPU-6050)를 이용하여 선박 Roll 동요량을 계측한 후 메모 리 카드에 저장 및 LCD 모니터로 모니터링이 가능하도록 제작하였다.

MPU-6050은 6축 자이로 센서로 3축(X, Y, Z) 방향의 자이 로스코프 센서와 가속도 센서로 6개의 값을 동시에 획득하 며(Lee, 2017), I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신을 지원하기 때 문에 Raspberry pi와 연결이 용이하다.

가속도 센서가 감지한 X, Y, Z축 가속도 값을 이용해 X, Y, Z축 기울기 각도를 구할 수 있다(Kim et al., 2012b).

여기서,

측정값들은 CPU 부하나 주위 환경에 의해 오차가 발생하 므로 오차를 보정하기 위해 Complementary filter와 Calman filter 를 사용한다. Complementary filter는 high pass filter와 low pass filter로 구성되어 있고 전자는 임계치 이하의 값은 버리고 높은 값만 통과시키고 후자는 높은 값은 버리고 낮은 값을 통과시킨다. Calman filter는 잡음이 포함된 상태를 추적하는 filter로서 현 상태에 대한 최적의 예측을 할 수 있다(Park et al., 2016).

계측되는 선박 Roll 동요량의 정확도 및 연속성을 위해 데 이터의 저장간격은 약 1/150초로 설정하여 간헐적으로 발생 하는 이상 데이터로 부터의 오차를 최소화 하였다.

2.3 데이터 분석

Portable 계측시스템으로 추출한 데이터는 약 1/150초의 시 간 간격으로 저장되기 때문에 이를 분단위의 데이터로 1차 변환하였다.

1차 변환은 분당 9,000여개의 데이터 셋을 1개의 데이터 셋으로 변환하였으며, 변환시 각 현측 최대 동요량이 1개의 데이터 셋을 이루도록 변환하였다.

1차 변환된 데이터 셋을 다시 5분 단위의 데이터 셋으로 2차 변환하였다. 2차 변환시 단위 시간의 설정을 위하여 대 상해역의 선박 통항항적을 바탕으로 직선항행 구간, 부두 직각 방향의 통과선을 통과한 선박의 평균 속력을 검토하였 다. 통과선을 통과한 선박의 평균 속력은 10.6 knots였으며, Fig. 2와 같이 가시화한 항적을 바탕으로 직선항행 구간은 840 m로 적용하였다. 해당 직선구간의 평균 통항시간이 2.57 분 소요됨을 바탕으로 입출항 선박 모두를 검토하기 위하여 단위시간을 5분으로 설정하였다.

2차 변환된 데이터 셋을 바탕으로 하역안전성 평가 한계 치를 초과하는 Roll 동요량을 추출하기 위하여 각각의 데이 터 셋을 peak to peak 동요량으로 분석하였다.

데이터 분석결과 중 peak to peak Roll 동요량이 1도 이상 발생한 횟수는 총 136회였으며 데이터 오류를 확인하기 위 하여 136개의 데이터 셋에 대해 변환 전 1/150초 단위 데이 터 셋을 재검토 하였다. 검토 결과 Fig. 3에 표시된 4개의 데 이터 셋이 10초 이내의 시간동안 동요량이 급격하게 증가한 것을 확인하였으며, 전후 단위 시간대에서는 동요량의 변화 가 거의 없음을 고려하여 해당 4개의 데이터는 분석에서 제 외하였다.

총 2,592회의 시간대의 평균 peak to peak Roll 동요량은 0.37°였으며, 최대 동요량은 3.44°로 분석되었다.

3. 계류안전성 평가

해사안전법 제15조에서는 항만법, 공유수면 관리 및 매립 에 관한 법률, 선박의 입항 및 출항등에 관한 법률 등 해양의 이용 또는 보존과 관계 법령에 따른 허가 등을 받으려는 경우 해상교통안전진단을 실시하도록 명시하고 있다(MOF, 2020b).

계류안전성 평가는 해상교통안전진단의 항목 중 해상교 통시스템 적정성 평가 요소이며, 계류된 선박이 바람, 조류 및 조위 변동, 파랑 등의 외력을 받을 경우를 종합적으로 고 려하여 선박의 계류안전성을 정량적으로 평가하는데 그 목 적이 있다.

본 장에서는 실제 선박에서 계측된 Roll 동요량과의 비교를 위해 국내 해상교통안전진단 계류안전성 평가 시뮬레이션에 사용되고 있는 프로그램인 TTI(Tension Technology International) 사의 OPTIMOOR S/W(Ver. 6.7.6)를 이용하여 하역안전성 평 가를 수행하였다(Kim, 2020).

3.1 대상선박

계측된 Roll 동요량과의 비교를 위하여, 하역안전성 평가 시뮬레이션 대상선박은 목포해양대학교 실습선인 총톤수 4,700톤급 새누리호로 선정하였다. 새누리호의 제원은 Table 1과 같다.

선박의 하역안전성과 관련하여 우리나라의 항만 및 어항 설계기준은 Table 2와 같이 각 선종에 따른 선체운동 기준에 의한 한계치를 명시하고 있다(MOF, 2017). 본 연구에서는 대 상선박인 총톤수 4,700톤급 실습선의 하역안전성 기준을 연 안화물선 10,000 DWT미만 선박의 본선 하역장비 사용 기준 인 peak to peak Roll 동요량 2°로 설정하였다.

3.2 환경외력 모델링

시뮬레이션 수행을 위한 환경외력은 기상조건과 해상조 건으로 구분되며, 기상조건은 풍향과 풍속, 해상조건은 조 류, 조위 및 파고로 구분하였다.

기상조건인 풍속과 풍향은 Portable 계측시스템 설치 기간 동안의 순간최대 풍향 및 풍속을 적용하였다. 기상청 관측 자료에 따르면 9월 29일부터 10월 9일까지 순간최대풍향 및 풍속은 Table 3와 같으며 최대 풍속은 10월 4일 북풍 13.9 m/s 로 조사되었으므로, 이를 바탕으로 풍향 및 풍속은 북풍 30 knots로 설정하였다.

해상조건은 대상부두에서 수행된 2018년 신규실습선 건 조에 따른 접안시설 축조 시의 수치모형실험 결과를 반영하 여 최강창조류 유향 130°, 유속 0.2 knots로 적용하고 최강낙 조류는 310°, 0.2 knots를 적용하였다(MMU, 2018). 조위는 10 월 2일이 삭(new moon) 시기임을 고려하여 대조평균고조위 (H.W.O.S.T) DL.(+)4.32 m, 평균해면(M.S.L) DL.(+)2,43 m, 대조 평균저조위(L.W.O.S.T) DL.(+)0.54 m를 적용하였다.

파고는 우리나라 항만 및 어항설계기준에 따른 중·대형선 의 하역한계파고인 0.5 m를 적용하였다.

3.3 시뮬레이션

시뮬레이션을 위한 선박의 계류 모델링은 계측기간 실제 선 박의 계류라인 배치를 반영하여 Fig. 4와 같이 모델링하였다.

시나리오는 총 6 case로 설정하였으며, 시나리오에 대한 선체동요량 결과는 Table 4와 같다. 본 연구에서 검토하고자 하는 Roll 동요량은 Case No.6 결과와 같이 낙조류 대조평균 저조위에서 0.8°로 가장 높게 평가되었으며, 이는 항만 및 어 항설계기준에 따르면 10,000 DWT미만 연안화물선이 본선 하 역장비를 이용할 경우 Roll 동요량 한계치인 peak to peak 2° 미만으로 하역안전성이 확보되는 것으로 평가된다.

4. 평가 결과 비교

4.1 선박 Roll 동요량 비교

OPTIMOOR S/W를 이용한 시뮬레이션 결과 선박의 Roll 동요량 최대치는 0.8°로 평가되었으나, 실제 선박에 Portable 계측시스템을 설치하여 계측한 동요량은 최대 3.44°로 계측 되었다. Peak to peak 동요량이 하역안전성 한계치인 2°를 초 과하는 단위시간 발생 횟수는 18회로 분석되었으며, Table 5 는 하역 한계치를 초과하는 선박 동요량이 발생한 시간대를 조사한 결과이다.

분석결과 18 ~ 19시, 21시~ 22시에 총 14회(77.8 %) 발생하는 것으로 분석되었으며, 이를 바탕으로 대상항만의 해상교통 특성과 비교하여 그 결과를 검토하였다.

4.2 해상교통특성 분석

목포항의 해상교통특성을 분석하기 위하여 AIS(Automatic Identification System) 수집 장비를 Portable 계측시스템 설치 기간과 동일하게 2020년 9월 29일 ~ 10월 9일까지 설치하였다. 수집된 데이터를 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 부두 직각 방향으로 통과선을 설정하여, 입항 및 출항 선박을 분석하 였다.

통과선 분석결과 Table 6과 같이 분석기간 중 입항 선박은 732척, 출항선박은 685척 총 1,417척의 선박이 통과한 것으로 분석되었다.

Table 7은 통과선을 통과한 선박을 톤수별, 선속별로 분석 한 결과이다. 총톤수 20,000톤 이상의 선박은 화물선 1척이 출항하였으며, 총톤수 10,000 ~ 20,000톤급 선박은 화물선 9척 을 제외한 40척(81.6 %)의 선박이 목포-제주를 운항하는 여객 선으로 분석되었다. 통과 속력별 분석결과에서는 15 knots 이 상의 선박 97척 중 기타선박을 24척을 제외한 73척(75.3 %)은 모두 여객선인 것으로 분석되었다.

4.3 분석 결과

하역안전성 한계치를 초과하는 총 18회의 시간대 중 전후 시간대 발생한 선체 Roll 동요량의 영향으로 인해 계측된 동 요량이 초과하는 것으로 분석된 3개의 시간대를 제외한 15 개의 시간대에 대하여 해상교통특성 분석 결과를 반영하여 검토한 결과는 Table 8과 같다.

하역한계치를 초과하는 총 15회의 시간대 중 선박의 속력 이 15 knots 이상인 횟수는 9회(60.0 %)였으며, 총톤수 10,000톤 이상의 선박이 통항한 시간대는 13회(86.7 %)로 분석되었다. 최대 속력이 15 knots 이상이며, 총톤수 10,000톤 이상의 선박 이 통항한 조건에서 하역안전성 한계치가 초과한 시간대는 총 8회(53.3 %)로 분석되었다.

총톤수 10,000톤 이상의 선박이 통항한 시간대 중 단 1회 만 화물선이 통항하였으며, 그 외의 시간대는 모두 목포-제 주를 운항하는 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다. 통항 선박의 최대 속력이 15 knots를 초과하는 9회 중 7회가 여객 선이 통항하는 것으로 분석되었다.

분석된 결과를 살펴보면 하역안전성 한계치 Roll 동요량 을 초과하는 시간대는 18 ~ 19시 6회, 21 ~ 22시 5회로 두 시간 대가 총 11회(73.3 %)를 차지하는 것을 알 수 있으며, 해당 시간대는 목포-제주간 10,000톤급 이상의 여객선이 입항하는 시간대와 일치함을 알 수 있었다.

5. 결 론

선박의 안전한 입출항을 위해 부두 전면의 접근 수역은 충분한 여유수심 확보가 필수적이므로 수심이 확보된 지정 항로와 인접한 해역에 부두가 배치되도록 설계하는 것이 준 설 비용을 고려할 때 유리한 배치라고 할 수 있다. 부두가 항로와 인접한 위치에 건설되었을 경우 계류중인 선박은 항 행 선박에 의해 발생되는 항주파의 영향을 받게 될 것이다.

현재 신규 부두 건설에 따른 해상교통안전진단 수행시 계 류안전성 평가에서는 항만의 해상교통특성이 계류중인 선 박의 동요량에 미치는 영향은 반영하지 않고 있다.

본 연구에서는 Portable 계측시스템을 제작하여 실제 선박 의 Roll 동요량을 계측하고 그 분석 결과를 프로그램 시뮬레 이션 결과와 비교하였으며, 실제 선박의 Roll 동요량이 하역 안전성 한계치를 초과하는 경우 그 시간대 해상교통특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

본 연구 결과는 하역안전성 평가 시 해상교통특성 반영을 제안하는 기초 연구로 활용될 수 있으며, 이는 선박의 하역 안전성 확보를 위한 평가의 신뢰도를 높일 수 있는 방안으 로 사료된다. 향후 연구에서는 항주파 계측을 위한 시스템 을 제작하여 통항 선박과 계류중인 선박 동요량의 상관관계 에 대하여 제안하고자 한다.