1. 서 론

선박 안전 관리 시스템의 중요성은 지속적으로 강조되었지만(Lee, 2018) 운항 성능 평가와 관리의 필요성은 상대적으로 충분히 논의되지 않았다(Monthly Maritime Korea, 2024). 선박의 운항 성능이 저하되면 추진 시스템에 과부하가 걸려 소음과 진동이 발생하여 승객에게 불편함을 초래할 수 있다. 과부하 상태가 지속될 경우 추진 시스템의 고장 위험이 증가하고 해상 안전이 위협받을 뿐만 아니라 경제적 손실로 이어질 우려가 있다(Geoje Journal, 2024). 이러한 문제를 방지하기 위해 운항 성능 저하를 사전에 감지하고 개선할 수 있는 유지 관리 전략을 마련하는 것이 필요하다(Pedersen and Larsen, 2009;Hansen, 2012).

현재 내항여객선의 연료효율 관리 방식은 실제 항해 거리가 아닌 기항지 간의 고정된 항로 거리를 기준으로 평가하는 경우가 대부분이다. 이 방식은 운항 경로 단축, 우회, 중간 기항지 생략 등과 같은 상황을 반영하지 못하므로 실제 항해 거리와 편차가 발생하게 되어 결과적으로 연료효율성을 정확하게 평가하는 데 한계가 존재한다.

국제 선박 성능 평가 표준 ISO19030은 대형 선박의 성능 저하를 정밀하게 평가할 수 있는 기준을 제공하지만 (Eliasson, 2018), 적용되는 데이터 수집, 분석, 해석 과정이 매우 복잡하며, 선박 운영자에게 상당한 시간과 자원의 부담을 준다. 다양한 센서의 설치와 유지보수(Hagestuen et al., 2016;Gkerekos et al., 2017) 데이터 필터링, 성능 지표 계산 등이 필요하여, 자원이 부족한 중소형 내항여객선사에게는 큰 어려움이 될 수 있다(Skamagkas, 2022).

이에 본 연구는 로그북 데이터와 AIS 항적 데이터를 활용하여 중소형 내항여객선의 운항 성능을 평가할 수 있는 실용적인 성능 평가 모델을 개발하는 것을 목적으로 한다 (Alexiou et al., 2022;Marioth and Julien, 2023). 개발된 모델은 엔진성능, 추진성능, 연료효율을 주요 지표로 삼고, 선박별 통상 수치 대비 성능 변화를 확인할 수 있으며, 복잡한 국제 표준 ISO19030을 기반으로 설계되었다(Lang et al., 2024). 중소형 내항여객선의 운항 성능 개선과 연료 소비 절감을 위한 효과적인 도구로서의 활용 가능성에 중점을 두었다 (Alexiou et al., 2022;Lang et al., 2024).

2. 방법론

2.1 한국형 내항선 성능평가 모델 제안

중소형 내항여객선의 성능을 평가하기 위해 본 연구에서는 엔진성능, 추진성능, 연료효율을 주요 평가 지표로 설정 하였다. 제안된 평가 모델은 ISO19030의 복잡한 절차와 지표 (Shaw and Lin, 2021)를 활용한 경우보다 간소화된 중소형 내 항여객선에 적합한 대안을 제공한다. Table 1은 ISO19030과 이 연구에서 제안하는 성능평가 모델을 비교하여 나타낸 것이다.

엔진성능: 엔진성능 지표는 선저 부착물, 축, 프로펠러 상태와 같은 외부 저항 요인을 배제하고 엔진 자체의 효율성을 평가하기 위해 도입되었다. 기존의 연료 소비 평가 방식은 엔진성능과 외부 저항 요인이 혼합되어 평가되므로, 엔진의 고유한 성능을 구체적으로 파악하기 어려운 한계가 있었다. 이에 연료 1리터당 엔진 회전수를 기준으로 삼아, 엔진 자체의 성능 변화를 명확히 분석하고 유지보수 시기를 객관적으로 판단할 수 있도록 하였다(Borkowski et al., 2012;Hountalas, 2000).

추진성능: 추진성능 지표는 엔진의 동력이 얼마나 효율적으로 추진력으로 전환되는지를 평가하기 위해 도입되었다. 선박의 추진력 저하는 주로 선저 부착물의 저항 증가, 프로 펠러 및 축계의 문제에서 발생하지만, 기존 평가 방식은 이를 구체적으로 구분해 진단하기 어려웠다. 엔진 1000회 회전 당 이동 거리라는 기준을 도입함으로써 프로펠러와 축계의 효율 저하 여부를 정량적으로 분석할 수 있도록 하였다.

연료효율: 연료효율 지표는 선박 운항의 경제성과 환경적 지속 가능성을 평가하기 위해 도입되었다. 기존의 연료 소비량 평가는 항로 변화(단축, 우회)와 운항 조건의 차이를 충분히 반영하지 못해 평가 정확도가 떨어지는 한계가 있었다. 연료 1리터당 이동 거리를 기준으로 설정함으로써 선박의 전반적인 연료효율을 정량적으로 평가할 수 있도록 하였다(Varbanets and Karianskiy, 2020).

2.2 대상선박의 데이터 수집

수집된 데이터는 2021년 4월 1일부터 2022년 10월 31일까지의 19개월간의 로그북 및 AIS 데이터를 수집하고 분석하였다. 로그북에서는 일간 연료 소모량과 일간 평균 RPM을 추출하였으며(Maragoudakis, 2019;Wang et al., 2020), 선박의 항적 데이터는 장기간의 항적 검토를 위한 위치, 속도 등의 전처리를 수행하였다(Shaw and Lin, 2021).

AIS 데이터 분석 시 항해 상태를 보다 명확히 구분하기 위해 ‘Navigation Full’과 ‘Navigation Total’이라는 기준을 설정하였다. ‘Navigation Full’은 선속이 7노트 이상일 때로 정의하였으며, 항해 중인 상태가 항만 입출항과정으로 잘못 분류되는 것을 방지하기 위해 설정되었다. 또한 ‘Navigation Total’ 은 ‘Navigation Full’보다 넓은 범위의 선속이 2노트 이상일 때로 정의하였는데, 선속이 2노트 미만인 경우, 정박 상태이거나 조류 및 외부요인에 크게 영향을 받는 상태는 성능평가 범위가 아니므로 제외하였다.

2.3 대상 선박의 선정

대상 선박은 10척으로, 선박 고유의 특성으로는 선령을, 투입된 항로에 따른 특성으로는 기항지수와 운항 일정 강도, 운항 환경의 선저 해양 생물 영향을 선정하였다. 운항 일정 강도는 해당 항로의 일정상 고속으로 무리하게 운항해야 하는 정도이며, 선저 해양 생물 영향은 따개비, 홍합, 굴 등 선체에 부착되는 정도를 말하며 수중 저항과 관련된 특성을 말한다.

본연구에서 제시하는 성능평가 모델은 이러한 선박별 특성 및 항로 환경에 따른 차이를 감안하여 평가할 수 있다. 선박과 항로의 특성은 각 선박 운항담당자를 통한 설문조사를 기반으로 수집하여 정리한 Table 2와 항로별 위치와 항적을 표시한 Fig. 1과 같다.

3. 연구결과

3.1 선박별 성능지표 비교

선박별 성능 변화를 효과적으로 비교하기 위해 엔진성능(Fig. 2), 추진성능(Fig. 3), 연료효율(Fig. 4)을 각각 하나의 그래프에 10척의 데이터를 중첩하여 시각화하였다. 이를 통해 개별 선박의 절대적인 성능 수치뿐만 아니라, 동일한 운항 기간 동안 선박별 성능 변화의 상대적 차이를 명확히 파악할 수 있도록 구성하였다.

성능 변화 패턴을 분석한 결과, 각 선박의 성능지표 변화는 선박마다 다른 변동량으로 다른 영역에서 범위를 두고 나타남을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 주장하는 절대적인 성능지표로 확인하기 어려운 선박마다의 운항 환경에 따른 차이를 보여준다. 예를 들어, Fig. 2의 H호는 선령이 15년 된 선박이며 기항지수도 16개로 가장 많으나, 선저 해양 생물의 영향을 덜 받는 운항환경으로 인해 엔진성능이나 연료효율 성능 지표값이 높게 나타났으나, 추진성능 지표는 오히려 선저 해양 생물의 영향은 크지만 기항지수는 4개인 A호에 못미쳤다. 이러한 선박간의 변동량과 변동 범위차이를 없애기 위해 본 연구에서는 각 지표별 통상 수치값을 각 선박의 2년간의 수치를 Table 3와 같이 계산하였다.

지표별 통상 수치는 해당 선박이 통상적으로 갖는 수치로서 추후 결괏값을 비교할 때, 통상수치 대비 백분율값으로 변환하여 지표의 증감을 확인하는데 활용하였다.

3.2 선박별 통상 수치 대비 성능지표 변화

본 절에서는 선박별 통상 수치와 비교하여 성능 지표의 변화 양상을 집중적으로 분석한다. 이는 단순히 개별 지표의 절댓값을 비교하는 것이 아니라, 각 선박이 가지는 고유한 운항 성능을 기준으로 변화의 상대적 차이를 강조하는 데 초점을 맞춘 것으로, 운항 환경과 관리 방식에 따라 달라지는 성능 변화 양상을 단순 수치 비교보다 변화의 흐름을 분석하는데 효과를 보였다. Fig. 5부터 Fig. 7은 각 선박의 지표별 성능을 통상 수치 대비 백분율로 표현한 그래프이다.

3.3 주요 성능지표 변화 시기

Fig. 5, 6, 7에서 도출된 성능 변화의 폭인 큰 부분은 각 선박의 실제 엔진 개방 검사 및 상가검사 등의 유지보수 시기 데이터와 비교하여 확인하였다.

Fig. 5는 엔진성능 지표가 통상 수치 대비 어떻게 변화했는지를 보여준다. 특정 시점에서 성능이 유난히 상승한 사례가 확인되었으며, 이는 엔진 개방검사와 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 엔진 개방검사가 성능 회복에 기여했음을 시사한다.

Fig. 6은 추진성능 지표 변화를 나타내며, 일부 선박에서 추진성능이 급격히 개선된 시점이 상가검사와 일치하는 경향을 보였다. 이는 상가검사를 통해 선저의 해양생물 부착물이 제거되고 도장이 이루어져 추진성능이 향상된 것으로 해석된다.

Fig. 7은 연료효율 지표 변화를 보여주며, 연료효율이 급격히 개선된 시점이 상가검사 또는 엔진 개방검사와 일치하였다. 이는 유지보수 작업이 연료효율 개선에 중요한 역할을 한다는 점을 확인시켜 준다.

4. 연구의 논의

4.1 선박별 통상 성능지표 차이의 의미

동일한 운항 조건에서도 성능 변화가 다르게 나타나는 원인을 분석하기 위해서는 해당 선박의 장기간의 데이터를 활용한 통상적인 성능지표 범위가 중요하다. 본 연구에서 제안한 모델은 로그북과 항적 데이터를 활용하여 그러한 장기간의 변화를 분석할 수 있는 장점을 갖는다.

본 연구에서 대상으로 선정한 선박들은 선박별 성능 지표에서 차이를 통상적인 수치의 차이를 보였다. 이는 Fig 2, 3, 4에서 보여지는 것처럼 일정한 성능을 유지하는 일부 선박과 반대로 변동 폭이 컸던 선박과의 차이를 감안하여 성능평가를 하기 위함으로 선령, 투입항로, 기항지수, 운항강도 및 선저 해양 생물 등의 차이에 영향을 받은 것으로 나타났다.

Fig. 5, 6, 7은 각 성능 지표별로 선박 10척의 데이터를 통상 수치값 대비 백분율로 나타내어 하나의 그래프에 중첩하여 시각화하였다. 본 연구에서는 해당 그래프에서 변동이 큰 시기와 각 선박의 실제 상가검사 시기와 상가검사 중 엔진 개방 검사 및 축계 발출 검사 유무와 비교해 보았다. Table 4는 각 선박들의 데이터 수집기간 중 상가검사와 엔진 개방 검사가 수행된 시기를 보여준다.

Table 4의 각 선박별 데이터 수집기간 내 유지보수 시기 중, 상가검사에서 엔진 개방 검사와 축계 발출 검사를 모두 수행한 E호 385일째 이후로 엔진성능, 추진성능, 연료효율면에서 큰 변화를 보인 예시이다.

4.2 유지보수작업이 성능지표에 미치는 영향 분석

상가검사는 선박의 정기적인 유지보수와 성능 회복을 위한 중요한 절차이다. 본 절에서는 상가검사 전후 3개월간의 선박성능 변화를 분석하여 상가검사가 선박 성능에 미치는 영향을 평가하였다.

Fig. 8 엔진성능은 Fig. 5에서 상가검사 직후 뚜렷한 변화가 나타나지 않았지만, 시간이 지나면서 대부분의 선박에 있어 점진적으로 회복되는 경향을 보였다. 상가 검사 중 엔진 점검과 유지보수가 성능 안정화에 기여한다는 점을 보여 주는 결과이다.

Fig. 9의 추진성능의 경우는 다양한 경우가 있었다. 선박 J 호는 RPM을 상향 조정한 결과, 속도는 다소 향상되었으나 추진성능은 저하되었다. 무리한 RPM 상향조정이 선박 추진 성능에 부정적인 영향을 미친 사례로 분석된다. J호는 일간 평균 RPM이 상가검사 전 평균 1005.89에서 상가검사 후 평균 1030.50으로 2.45% 증가하였고, J호의 일간 평균 속도는 상가검사 전 평균 9.03노트에서 상가검사 후 평균 9.26노트로 2.55% 증가한 경우였다.

그러나 추진성능이 상가검사 전 평균 276.02미터에서 상가검사 후 평균 272.93미터로 Fig. 9와 같이, 통상 수치 대비 99%에서 95%로 하락하여, 무리한 RPM 상향조정이 추진성능을 저하시켰다는 사례를 보여준다.

Fig. 10은 상가검사 전후 3개월 동안의 연료효율 개선 비율을 시각화한 그래프로, 대부분의 선박에서 성능이 향상된 추세를 확인할 수 있었다. 상가검사 전후 연료효율 향상률 상위권을 유지한 A호, E호는 따개비 등의 선저해양생물이 많이 부착되었을 것으로 추정되는 선박이다. A호, E호의 상가검사 전후 3개월 그래프를 통해, 연료효율 변화의 구체적인 추세를 더욱 명확하게 파악할 수 있었다. A호는 상가검사 전 3개월 동안 평균 연료효율이 60.03이었으나, 검사 후 3 개월 동안 83.40으로 39% 증가한 경우로, Fig 10에서 보여지는 것처럼 통상수치 대비 77%의 성능에서 107%의 성능까지 증가했음을 보인다.

E호는 상가검사 전 3개월 동안 평균 연료효율이 89.97이었으나, 검사 후 3개월 동안 111.59로 24.04% 증가한 경우로, Fig 10에서 보여지는 것처럼 통상수치 대비 95%의 성능에서 118%의 성능까지 증가했음을 보였다. 이는 선저 외판 청소에 따른 따개비 등의 선저해양생물 제거 및 도장이 선박 성능에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다.

기존의 내항선여객석의 성능 평가에서 고정 거리 기준 사용으로 인한 선주사의 연료효율 평가의 오류 역시 확인되었다. I호 사례는 상가검사 후 실제 연료효율이 개선되었음에도 불구하고, 고정된 거리 기준을 적용한 기존 평가 방식으로 인해 선주사에서 효율 저하로 잘못 해석한 사례이다. AIS 항적 데이터를 활용한 분석은 정확한 연료효율 평가의 필요성을 강조한다. 상가검사 전 3개월 동안 J호의 평균 연료효 율은 114.62였으며, 검사 후 3개월 동안 116.42로 약 1.57% 개선된 경우이며, Fig 10에서 보여지는 것처럼 통상수치 대비 99%의 성능에서 104%의 성능까지 증가했음을 보인다.

반면 상가검사 전 3개월 평균 연료 소모량이 767.25리터였고, 검사 후 3개월 평균은 783.83리터로 약 2.16% 증가하였다. 선주사는 이 결과를 바탕으로 연료효율이 저하되었다고 오판하였으나, 이는 항로 단축, 우회, 중간 기항지 생략 등으로 실제 이동 거리가 변화한 것을 반영하지 않은 결과이다. 이처럼 고정거리 기준만을 적용할 경우 연료 소모량 증가가 효율 저하로 잘못 해석될 수 있다. AIS 항적 데이터를 기반으로 이동 거리를 정확히 반영하는 평가 방식은 연료효율을 신뢰성 있게 분석하는 데 필수적임을 확인하였다(Russo et al., 2014;Rapalis et al., 2022;Yan et al., 2021).

D호의 경우, 상가검사 이후 RPM을 하향 조정한 결과, 속도는 유지하면서 연료효율이 개선된 현상이 관찰되었다. 적정 RPM 조정이 성능 향상에 중요한 요인임을 보여준다 (Duan et al., 2023;Wang et al., 2021). 상가검사 전 RPM은 평균 1614.73에서 검사 후 1511.73으로 6.4% 감소하였다. 이 조정에도 불구하고 속도는 평균 13.11노트에서 13.39노트로 2.1% 증가하였고, 연료효율은 기존 50.50에서 68.01으로 34.7% 상승한 경우이며, Fig. 10과 같이 통상 수치 대비 상가 검사 전후 80%에서 105%로 증가하였다. 이는, 적정 RPM을 유지하는 것이 효율적인 운항과 성능 손실 방지에 중요한 역할임을 확인하였다.

4.3 성능평가 종합해석

내항 여객선 성능 평가 결과, 유지보수 활동이 선박 성능 관리에 중요한 역할을 한다는 사실이 확인되었다. 상가 검사 후 추진성능과 연료효율은 빠르게 개선되었으나, 시간이 흐름에 따라 다시 저하되는 경향을 보였다. 이는 상가검사가 단기적인 성능 회복에는 효과적이지만, 장기적인 성능 유지를 위해서는 지속적이고 체계적인 관리가 필요함을 보여준다.

엔진성능의 경우 상가검사 직후 즉각적인 변화는 없었으나, 시간이 지남에 따라 점진적으로 회복되는 양상이 나타났다. 이는 엔진 점검과 유지보수가 성능 유지에 기여함을 입증한 결과이다. 연료효율은 상가검사 직후 향상되었으나, 해양 생물 부착과 기계적 마모로 인해 점진적으로 감소하였다.

J호와 D호 사례에서 확인된 바와 같이, 무리한 RPM 상향은 추진성능 저하를 초래할 수 있으며, 적정 RPM 유지가 성능 손실을 방지하고 운항 효율을 높이는 요인임이 확인되었다. 또한, 조류와 풍향 등 외부 요인을 배제한 상황에서도 성능 변화가 명확히 관찰되었으므로, 제안된 평가 방법이 실제 운영 환경에서도 신뢰할 수 있는 분석 도구로 활용될 수 있음을 보여준다.

5. 결 론

본 연구는 로그북 데이터와 AIS 항적 데이터를 활용하여 중소형 내항여객선의 운항 성능을 평가할 수 있는 실용적이고 경제적인 성능 평가 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 엔진성능, 추진성능, 연료효율이라는 핵심 지표를 기반으로 설계되어, 복잡하고 고비용의 국제 표준 ISO19030을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

분석 결과, 상가검사와 같은 유지보수 활동이 선박 성능 회복에 중요한 역할을 하며, RPM 조정이 운항 성능 개선에 기여할 수 있음을 보여주었다. 또한, 연료효율의 체계적 관리가 운항 비용 절감과 함께 환경적 지속 가능성을 높이는 데 기여함을 확인하였다. 아울러, 엔진 개방검사의 성능 유지 효과도 실증적으로 확인되었다.

정기 내항여객선을 초기 검증 대상으로 삼은 결과, 일관된 운항 스케줄과 체계적인 관리 시스템을 활용하여 신뢰도 높은 데이터 수집이 가능하였고, 모델의 실효성이 검증되었다. 제안된 모델은 연료효율 개선, 예방 정비, 선저 부착물 관리 등 선박 운항의 효율성을 높이는 다양한 전략에 활용될 수 있음이 확인되었으며, 축적된 데이터를 기반으로 성능 변화 추세를 예측하고 체계적인 유지보수 계획을 수립하는 데 기여할 수 있음이 입증되었다.

향후 연구에서는 조류, 풍향, 파도와 같은 외부 환경 요인과 화물량, 승객 수와 같은 운항 조건을 추가적으로 반영함으로써 평가 모델의 정밀도와 신뢰성을 한층 더 강화해야 할 것이다. 나아가, 중소형 화물선이나 어선 등 다양한 선박군에도 적용 범위를 확대하여 실질적이고 포괄적인 운항 성능 관리 체계를 구축해야 할 것이다. 이 모델이 다양한 운항 환경에서 활용되고 지속적으로 발전한다면, 중소형 선박의 성능 평가와 관리에 있어 실질적이고 의미있는 기준으로 자리 잡을 것으로 기대된다.