본 논문에서는 현재 건설 중인 목포 대교와 통항 선박 사이에 발생 가능한 충돌 위기를 평가하기 위한 선박-교량 충돌 모델(Real-Time Bridge-Vessel Collision Model, RT-BVCM)을 제안하였다. RT-BVCM의 수학 모델은, 항행환경으로 선박이 이탈하게 되는 원인 확률과, 선박의 크기와 교량 구조로 인한 기하학적 확률, 선박의 충돌 침로와 정지거리에 기인한 충돌 회피 실패 확률 등으로 구성하였다. 그리고 이러한 확률적인 수학 모델은 1부터 5까지의 위기수준을 갖는 위기지수로 나타냈다. 본 연구에서 제안한 RT-BVCM은 기존 AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)에 제시된 선박-교량 충돌 모델과 달리, 충돌 회피를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있는 장점이 있다. 3,000 GT와 10,000 GT 실험 선박에 다양한 항행환경을 적용한 시뮬레이션 실험 결과, 제안한 모델이 목포 대교와 통항 선박 사이의 충돌위기 평가 모델로 타당함을 확인하였다.
본 논문에서는 현재 건설 중인 목포 대교와 통항 선박 사이에 발생 가능한 충돌 위기를 평가하기 위한 선박-교량 충돌 모델(Real-Time Bridge-Vessel Collision Model, RT-BVCM)을 제안하였다. RT-BVCM의 수학 모델은, 항행환경으로 선박이 이탈하게 되는 원인 확률과, 선박의 크기와 교량 구조로 인한 기하학적 확률, 선박의 충돌 침로와 정지거리에 기인한 충돌 회피 실패 확률 등으로 구성하였다. 그리고 이러한 확률적인 수학 모델은 1부터 5까지의 위기수준을 갖는 위기지수로 나타냈다. 본 연구에서 제안한 RT-BVCM은 기존 AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)에 제시된 선박-교량 충돌 모델과 달리, 충돌 회피를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있는 장점이 있다. 3,000 GT와 10,000 GT 실험 선박에 다양한 항행환경을 적용한 시뮬레이션 실험 결과, 제안한 모델이 목포 대교와 통항 선박 사이의 충돌위기 평가 모델로 타당함을 확인하였다.
To assess the possible collision risk between Mokpo Harbour Bridge, which is under construction, and passing vessels, we proposed Real-Time Bridge-Vessel Collision Model (RT-BVCM) in this paper. The mathematical model of RT-BVCM consists of the causation probability by the vessel aberrancy due to na...
To assess the possible collision risk between Mokpo Harbour Bridge, which is under construction, and passing vessels, we proposed Real-Time Bridge-Vessel Collision Model (RT-BVCM) in this paper. The mathematical model of RT-BVCM consists of the causation probability by the vessel aberrancy due to navigation environments, the geometric probability by the structural feature of a bridge relative to a ship size and, the failure probability by the ship collision track and the stopping distance which is not to come to a stop before hitting the obstacles. Then, the probabilistic mathematical model represented as risk index with the risk level from 1 to 5. The merit of the proposed model to the collision model proposed by AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) is that it can provide enough time to take adequate collision avoiding action. Through the simulation tests to the two kinds of test ships, 3,000 GT and 10,000 GT, it is cleary found that the proposed model can be used as a collision evaluation model to the passing vessel and Mokpo Harbour Bridge.
To assess the possible collision risk between Mokpo Harbour Bridge, which is under construction, and passing vessels, we proposed Real-Time Bridge-Vessel Collision Model (RT-BVCM) in this paper. The mathematical model of RT-BVCM consists of the causation probability by the vessel aberrancy due to navigation environments, the geometric probability by the structural feature of a bridge relative to a ship size and, the failure probability by the ship collision track and the stopping distance which is not to come to a stop before hitting the obstacles. Then, the probabilistic mathematical model represented as risk index with the risk level from 1 to 5. The merit of the proposed model to the collision model proposed by AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) is that it can provide enough time to take adequate collision avoiding action. Through the simulation tests to the two kinds of test ships, 3,000 GT and 10,000 GT, it is cleary found that the proposed model can be used as a collision evaluation model to the passing vessel and Mokpo Harbour Bridge.
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문제 정의
본 논문에서는 목포항 항로에 건설되고 있는 목포대교로부터 멀리 떨어져 있는 선박이 점차 교량에 접근함에 따라 발생 가능한 선박-교량 충돌 위기 평가 모델(Real-Time BridgeVessel Collision Model, RT-BVCM) 개발에 관하여 기술하였다.
선박-교량 충돌사고를 야기하는 위기의 종류와 원인은 대단히 방대하기 때문에 이를 모두 고려하여 충돌사고 모델을 설계할 수 없다. 본 연구에서는 해상 교량 설계에 일반적으로 적용하고 있는 AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)의 설계기준에 제시된 선박-교량 충돌 모델을 기준으로 선박-교량 실시간 충돌 모델 (RT-BVCM)을 개발하였다. AASHTO 설계기준에 기술된 선박-교량 충돌 모델은 다음 식(1)의 선박-교량 연간교량파괴빈도 FFailure에 포함되어 있다(AASHTO, 1991).
본 연구의 최종 목표는, 현재 건설 중인 목포 대교와 통항 선박 사이의 항행안전을 확보하기 위하여, 선박이 목포대교로 근접함에 따라 발생 가능한 충돌 위기를 실시간 자동으로 평가하기 위한 교량 위기관리 시스템(Bridge Risk Management System, BRMS)을 개발하는데 있다. BRMS을 개발하기 위해서는, (1)통항하는 선박의 제원과, 통항로 환경, 기상환경 등의 정보를 실시간으로 입수하기 위한 하드웨어 시스템, (2)입수한 정보를 이용하여 통항하는 선박과 교량 사이의 충돌 위기를 평가할 수 있는 실시간 충돌 모델(Real-Time Bridge-Vessel Collision Model, RT-BVCM) 그리고 (3)실시간 충돌 모델과 하드웨어 시스템을 통합하여 현장에 적용하기 위한 통합 시스템 등의 개발이나 구축이 단계적으로 필요하다.
제안 방법
RT-BVCM의 수학 모델은, 항로이탈 확률 #과 교량과 선박 사이의 기하학적 구조로 인한 선박충돌 확률 PG, j, 선박의 침로와 정지거리를 변수로 하는 선박-교량 충돌확률 # 등을 도입하여 전개하였고, 이에 대한 위기지수 RIPA, RIPG, RIPV 등의 개념을 적용하여 개발하였다.
6과 같이 주교각에 점점 접근하면서 충돌 침로로 항해하는 경우와 정상 침로로 항해하는 경우 등에 대한 네 가지 시나리오를 작성하였다. 그리고 이러한 네 가지 시나리오 각각에 대한 위의 식(12)의 RIPC 계산결과를 분석하여 모델의 유효성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 계산이 간단함과 동시에 선박의 길이에 따라서 완충거리가 결정되는 위의 (4)의 완충영역 계산식 6.0LOA/2.0을 선박 정지거리 계산에 적용하였다. 따라서 정지 거리의 #이고, #는 AASHTO 기준을 참고하여 선박의 전장(LOA )으로 정하였다.
는 교량의 파괴확률을 고려하기 위한 것이기 때문에 RT-BVCM에는 적용하지 않았다. 또한, 나머지 두 가지 요소 역시 선박과 교량이 충돌하는 경우를 전제로 전개한 것이기 때문에 다음과 같이 수정 및 보완하여 새로운 모델을 제안하였다.
또한, 위의 식(1)의 AASHTO 모델에서 PC,i 는 단순한 항행환경만을 교량 설계에 적용하고 있는데, 본 연구는 선박 안전을 대상으로 하기 때문에 선박의 침로와 정지거리에 의해서 야기될 수 있는 선박-교량 충돌확률을 별도로 고려해야 한다. 본 연구에서는 AASHTO 설계기준에 제안된 보정요소 변수에 Larsen(1993)이 제안한 보정요소 변수를 추가한 항로이탈 확률 PA,i 를 고려하고, Kunz(1998)가 제안한 선박의 침로와 정지거리에 의한 충돌회피 실패확률 #를 별도로 고려하여 모델을 개발하였다.
는 교량의 기하학적 특징에 기인하여 i 의 선박그룹이 k 개의 교각이나 상판과 충돌할 확률을 나타낸다. 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 통항로를 따라 항행하는 선박이 충돌하게 되는 주 교각만을 대상으로 하고, 상판은 선박의 최고 높은 시설물이나 화물의 최대 높이가 교량의 통과 높이를 초과하는지의 여부로 충돌을 판단하였다.
우선, 다음 Table 6에 나타낸 바와 같이 3,000 GT 선박과 10,000 GT 선박이 다양한 항행환경에서 다음 Fig. 6과 같이 주교각에 점점 접근하면서 충돌 침로로 항해하는 경우와 정상 침로로 항해하는 경우 등에 대한 네 가지 시나리오를 작성하였다. 그리고 이러한 네 가지 시나리오 각각에 대한 위의 식(12)의 RIPC 계산결과를 분석하여 모델의 유효성을 평가하였다.
특히 제안한 모델은, 기상이나 항행환경 등에 기인한 항로이탈 확률 #와 교량과 선박 사이의 기하학적 구조로 인한 선박충돌 확률 PG, j 및 선박의 침로와 정지거리로 인한 선박-교량 충돌확률 #등, 세 가지 확률에 대한 1부터 5까지의 위기지수 RIPA, RIPG, RIPV 등의 합으로 선박-충돌 위험수준을 평가하는 특징이 있다.
대상 데이터
본 연구의 목적은 상기 (2)항의 RT-BVCM 개발에 있으며, 연구 범위는 목포대교를 중심으로 목포구부터 목포내항까지에 출입하는 선박을 대상으로 한다. 현재 상기 (1)항의 하드웨어를 개발하고 있는데, 최종 시스템인 BRMS가 개발되면 목포대교와 통항하는 선박사이의 충돌 위기 평가 시스템으로 활용할 예정이다.
이론/모형
예를 들어, 항행환경이 대단히 양호하여 #가 영의 값으로 수렴하는 경우, 선박이 충돌침로를 형성하여 #이 되더라도 #이 된다. 이러한 문제는 AASHTO 모델이 선박과 교량이 충돌한 경우를 가정하여 개발된 것이기 때문인데, 본 연구에서는 선행 연구결과(임, 2009a)에서 제안한 5단계 위기수준(Risk Level) 평가방법을 적용하였다. 이 방법은, 예를 들어 위의 식(11)에서 #를 계산한 경우, 다음 Table 3과 같이 #에 대한 4단계 기준 값을 CPV1부터 CPV4로 두고, #값에 해당하는 1부터 5까지의 위기지수(Risk Index, RI) RIPV 를 위기수준으로 사용하는 것이다.
성능/효과
네 가지 시나리오를 토대로 본 연구에서 제안한 RT-BVCM 을 평가한 결과, 제안한 RT-BVCM이 목포대교의 선박-교량 충돌위기 평가 모델로 타당함을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 RT-BVCM은 기존 AASHTO 설계기준에 나타난 선박-교량 충돌 모델과 달리, 실시간 선박 위치를 기준으로 충돌 위험수준을 계산할 수 있고, 선박이 교량에 접근하기 이전부터 충돌 위험수준을 평가할 수 있는 장점이 있다.
8(b)와 같다. 최악의 항행환경에 대한 시나리오 결과이기 때문에 두 결과 모두 RIPA 는 5.0을 나타내고, 선박 크기에 영향을 받는 RIPG는 3,000 GT 선박의 경우 1.0, 10,000 GT 선박의 경우 2.0으로 나타났다.
후속연구
따라서 목포항의 교통밀집정도는 저밀도로 고려할 수 있다. 그러나 목포항은 수심이 10 m 내외인 관계로 중대형 선박과 거대한 블록 운송용 바지선이 고조시 동시에 출입하는 특징을 갖기 때문에 본 연구에서는 AIS 또는 RFID 등을 이용하여 매시간의 교통밀집 정도를 실시간으로 측정할 예정이다.
상기 보정 요소 이외에 항로표지, VTS 존재 여부, 선박의 표준형태 여부와 선원에 의한 인적과실 및 장비나 기기에 의한 과실 유발 등도 충돌 확률에 크게 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다(Larsen, 1993). 그러나 이에 관한 실험 값이 보고된 바 없기 때문에 본 연구에서는 논외로 하고, 추후 최종 목표 시스템이 개발되면 실험을 통하여 검토할 예정이다.
1은 현재 목포대교가 건설 중인 고하도 주변의 목포항 해도(국립해양조사원, 2009)에 나타낸 최종 목표 시스템의 구축 개념도이다. 선박에 설치된 선박자동식별장치(Automatic Identification System, AIS)로부터 선박의 위치, 톤수, 길이, 폭등의 선박정보를 획득하고, AIS 미설치 선박의 정보는 무선주파수인식장치(Radio Frequency Identification System, RFID) 를 개발하여 획득할 예정이다. 육상에 설치한 교량 위기관리 시스템(BRMS)에서는 AIS와 RFID를 통한 선박정보 이외에 기상, 습도, 풍향/풍속 등의 환경정보를 실시간으로 측정한 후, 실시간 충돌 모델(Real-Time Bridge-Vessel Collision Model, RT-BVCM)을 통해서 해당 선박의 현재 위치에서의 교량과 충돌할 위기수준을 평가하게 된다.
0을 나타내어 만일의 위기상황에 대비하기 위함이다. 아울러 rPV와 rPG는 향후 BRMS이 개발된 이후 다양한 현장실험 데이터를 토대로 정확한 값을 산정할 예정이다. 그리고 상기 내용을 종합하면, RIPC의 범위는 1.
따라서 종합적인 선박-교량 충돌 예방 대책이 시급한 실정인데, 특히 목포대교 설계 당시 비표준 거대 블록에 대해서는 검토하지 못한 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제점은 본 연구에서 제안하는 바와 같이 AIS가 미장착된 모든 선박에 RFID를 장착하면 해결 가능할 것으로 고려된다.
본 연구의 목적은 상기 (2)항의 RT-BVCM 개발에 있으며, 연구 범위는 목포대교를 중심으로 목포구부터 목포내항까지에 출입하는 선박을 대상으로 한다. 현재 상기 (1)항의 하드웨어를 개발하고 있는데, 최종 시스템인 BRMS가 개발되면 목포대교와 통항하는 선박사이의 충돌 위기 평가 시스템으로 활용할 예정이다.
현재 선박제원, 통항환경, 기상환경 등의 실시간 정보를 입수하기 위한 하드웨어 시스템을 개발하고 있는데, 본 연구 결과를 이 시스템에 적용하여 교량 위기관리 시스템(Bridge Risk Management System, BRMS)을 구축한 후, 현장 평가를 수행하여 본 연구에서 미흡한 부분을 수정 보완할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 안전운항 측면에서 선박-교량 충돌사고 예방을 위한 시스템으로는 무엇이 있는가?
현재 선박의 안전운항 측면에서 선박-교량 충돌사고 예방을 위한 시스템은, 주로 레이더(Radar), 선박자동식별장치 (Automatic Identification System, AIS) 등을 이용한 선박관제시스템(Vessel Traffic System, VTS) 또는 항만관리 시스템(Port Traffic Management System, PTMS) 등이 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 시스템은 운용자의 인적과실이 개입될 여지가 있고, 사고에 임박해서 충돌 여부를 판단하기 때문에 대응조치를 위한 충분한 여유 시간을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
기존의 선박의 안전운항 측면에서 선박-교량 충돌사고 예방을 위한 시스템의 문제점은?
현재 선박의 안전운항 측면에서 선박-교량 충돌사고 예방을 위한 시스템은, 주로 레이더(Radar), 선박자동식별장치 (Automatic Identification System, AIS) 등을 이용한 선박관제시스템(Vessel Traffic System, VTS) 또는 항만관리 시스템(Port Traffic Management System, PTMS) 등이 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 시스템은 운용자의 인적과실이 개입될 여지가 있고, 사고에 임박해서 충돌 여부를 판단하기 때문에 대응조치를 위한 충분한 여유 시간을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
RT-BVCM의 수학 모델의 구성은?
본 논문에서는 현재 건설 중인 목포 대교와 통항 선박 사이에 발생 가능한 충돌 위기를 평가하기 위한 선박-교량 충돌 모델(Real-Time Bridge-Vessel Collision Model, RT-BVCM)을 제안하였다. RT-BVCM의 수학 모델은, 항행환경으로 선박이 이탈하게 되는 원인 확률과, 선박의 크기와 교량 구조로 인한 기하학적 확률, 선박의 충돌 침로와 정지거리에 기인한 충돌 회피 실패 확률 등으로 구성하였다. 그리고 이러한 확률적인 수학 모델은 1부터 5까지의 위기수준을 갖는 위기지수로 나타냈다.
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