본 연구는 해상에서 선박간의 충돌상황을 회피하기 위한 선박 충돌 회피 우선순위지정 및 회피모델의 개발에 중점을 두었다. 이 논문에서는 DCPA, TCPA, VCD 등의 개념을 새롭게 접근하였고, 타 함정의 AIS, GPS 등에서 수집 가능한 정보, 즉 침로, 속도, 목적지, 길이 등을 바탕으로 선박의 조함자가 사전에 설정한 DCPA를 적용하는 SCAAM 개념을 제안하였다. 만약 선박이 충돌 위험이 존재한다면 조함자는 SCAAM을 이용하여 회피항해 또는 현재 침로-속도를 유지할 것인지를 결정하게 된다. 그리고 조함자가 회피를 결심하게 되면 선박은 국제해상 충돌예방규칙에 의거 회피를 결정하게 될 것이다. 따라서 이 연구는 사람의 실수로 인한 선박 충돌사고를 감소함으로써 선박의 안전항해에 기여할 수 있다.
본 연구는 해상에서 선박간의 충돌상황을 회피하기 위한 선박 충돌 회피 우선순위지정 및 회피모델의 개발에 중점을 두었다. 이 논문에서는 DCPA, TCPA, VCD 등의 개념을 새롭게 접근하였고, 타 함정의 AIS, GPS 등에서 수집 가능한 정보, 즉 침로, 속도, 목적지, 길이 등을 바탕으로 선박의 조함자가 사전에 설정한 DCPA를 적용하는 SCAAM 개념을 제안하였다. 만약 선박이 충돌 위험이 존재한다면 조함자는 SCAAM을 이용하여 회피항해 또는 현재 침로-속도를 유지할 것인지를 결정하게 된다. 그리고 조함자가 회피를 결심하게 되면 선박은 국제해상 충돌예방규칙에 의거 회피를 결정하게 될 것이다. 따라서 이 연구는 사람의 실수로 인한 선박 충돌사고를 감소함으로써 선박의 안전항해에 기여할 수 있다.
This paper focuses on development of SCAAM(Ship Collision Avoidance Assignment Model) for avoiding ship collison at sea. We take a new look at DCPA, TCPA, VCD, collision concept for ship collision avoidance and propose SCAAM using DCPA pre-assignmented by a ship master on information collected by ot...
This paper focuses on development of SCAAM(Ship Collision Avoidance Assignment Model) for avoiding ship collison at sea. We take a new look at DCPA, TCPA, VCD, collision concept for ship collision avoidance and propose SCAAM using DCPA pre-assignmented by a ship master on information collected by other ship's AIS, GPS (course-speed, destination, length, width, tonnage etc). If A ship is a collision situation, the ship master makes a decision where the ship makes a evasion voyage or not continually using SCCAM. If ship master decides a evasion voyage, the ship is voyaged by CORLEGS (International Regulations for Preventing Collisions at Sea). This paper contributes to safety navigation by decreasing the ship collision accident by human's error.
This paper focuses on development of SCAAM(Ship Collision Avoidance Assignment Model) for avoiding ship collison at sea. We take a new look at DCPA, TCPA, VCD, collision concept for ship collision avoidance and propose SCAAM using DCPA pre-assignmented by a ship master on information collected by other ship's AIS, GPS (course-speed, destination, length, width, tonnage etc). If A ship is a collision situation, the ship master makes a decision where the ship makes a evasion voyage or not continually using SCCAM. If ship master decides a evasion voyage, the ship is voyaged by CORLEGS (International Regulations for Preventing Collisions at Sea). This paper contributes to safety navigation by decreasing the ship collision accident by human's error.
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문제 정의
이에 따라 본 논문에서는 다수의 접촉물에 대하여 선박 충돌회피 우선순위지정 및 회피모델을 제안한다. 즉, RADAR 및 AIS 등에 접촉된 선박에 대하여 DCPA, TCPA, VCD를 분석하고 충돌회피가 요구되는 선박에 대하여 우선순위를 결정하는 것이다.
가설 설정
따라서 본 연구에서는 실제 조함자가 사전에 타선박의 크기, 형태 등을 고려하여 DCPA를 설정하고 운항하는 것이 현실적이고 타당함으로 사전 설정된 DCPA 고려하여 충돌위험도를 판단하는 것이 ‘보다 안전한 항해에 도움이 되지 않을까?
셋째, 항해 기상(시정, 파고, 바람 등)은 양호한 것으로 가정한다.
첫째, 선박은 항해 중에 고장이 발생하지 않는다.
제안 방법
1) 우선 선박회피우선순위 지정을 위하여 기존 연구를 바탕으로 DCPA, TCPA, VCD, 충돌개념에 대하여 재정리하였다. 특히 기존 연구와는 달리 상대 침로, 속도에 따른 충돌 위협도를 판단하는 식을 제시하였다.
2) 재정리된 개념을 바탕으로 타선박의 충돌 위협도를 판단하고, 위협우선순위지정 규칙에 따라 충돌위협을 판단하여 최적의 회피 침로를 결정하는 선박 충돌회피 우선순위지정 및 회피모델을 제안하였다.
4) 그림 2에서 제시한 바와 같이 선박회피 우선순위 지정에 근거하여 조함자가 실제 회피 결정에 따라 변화되는 표적의 TCPA, DCPA, VCD를 제공하는 선박회피 모델을 제시하였다.
특히 기존 연구와는 달리 상대 침로, 속도에 따른 충돌 위협도를 판단하는 식을 제시하였다. 그리고 기존 연구에서 다루지 않았던 타 선박의 특성(형태, 크기 등)에 따라 조함자가 DCPA를 사전에 설정하는 개념을 적용시켰다.
그리고 대부분의 선박의 경우 특정 목표(항구, 목적지 등)를 향하여 사전 설정된 침로를 항해하기 때문에 접촉물에 근접하여 대각도로 변침하는 것과 경제적 항해를 위하여 속력을 과도하게 높이거나 낮추는 것은 적절하지 않을 것이다. 따라서 본 연구에서는 각종 장비(R/D, AIS 등)에 의해 수집된 정보를 바탕으로 DCPA, TCPA를 사전에 판단하여 조기에 변침, 변속하는 개념을 적용하였다. 즉, 충분한 여유를 가지고 접촉물의 충돌위협 여부를 사전에 판단하는 것이다.
본 연구의 실험에서는 임의로 설정한 예제에 대해 C++을 활용하여 선박 충돌위협판단을 분석하였으며 예제 구성사항은 다음과 같다.
가 식 (9)의 경우는 타선박이 본선으로 접근하는 경우로 판단할 수 있다. 이에 따라 선박회피 우선순위 지정은 충돌위협여부 판단에 의거 CPA통과여부를 판단하고 1차 분류된 접촉물 중 사전설정(본선 및 타선박의 길이/크기, 회전반경(Turnig circle), 조류, 시정, 기상 등)된 DCPA이내에 접근하는 접촉물을 판단하며, 2차 분류된 접촉물 중 TCPA가 짧은 선박 순으로 우선순위를 부여하여 AIS 및 레이더 등의 화면에 전시하는 것이다.
국제해상충돌예방규칙의 제5장 항법규정 1절 5조에는 “장애물의 방위 변화가 없고 장애물과 자선의 거리가 가까워질수록 충돌위험성이 있다”라고 규정하고 있다[7]. 조함자는 선박에 탑재된 GPS, AIS, RADAR 등을 이용 선박의 침로-속력 및 자선 사이의 거리에 대한 정보를 바탕으로 충돌위험성을 판단하고 국제해상충돌예방규칙에 따라 회피침로를 결정하는 것이다.
이에 따라 본 논문에서는 다수의 접촉물에 대하여 선박 충돌회피 우선순위지정 및 회피모델을 제안한다. 즉, RADAR 및 AIS 등에 접촉된 선박에 대하여 DCPA, TCPA, VCD를 분석하고 충돌회피가 요구되는 선박에 대하여 우선순위를 결정하는 것이다. 제2절에서는 선박회피 우선순위 지정에 필요한 기본개념을 기존연구를 바탕으로 재정리하고, 제3절에서는 선박회피우선순위 지정 개념 및 모델을 제시하고 제4절에서는 실험결과, 제5절에서는 결론 순으로 진행된다.
1) 우선 선박회피우선순위 지정을 위하여 기존 연구를 바탕으로 DCPA, TCPA, VCD, 충돌개념에 대하여 재정리하였다. 특히 기존 연구와는 달리 상대 침로, 속도에 따른 충돌 위협도를 판단하는 식을 제시하였다. 그리고 기존 연구에서 다루지 않았던 타 선박의 특성(형태, 크기 등)에 따라 조함자가 DCPA를 사전에 설정하는 개념을 적용시켰다.
성능/효과
1) 선박의 특성, 환경적 특성을 고려한 조함자에 의해 사전 설정된 DCPA개념은 한편으로는 상황에 가장 적합하게 DCPA를 결정하는 방법일 수는 있지만, 자동화 개념에는 상반되는 개념이기도 하다. 따라서 RADAR상의 타 선박의 크기, AIS상의 표적 정보, 그리고 기상장비에 의한 기상정보가 통합 및 제공되어 DCPA가 사전에 자동으로 설정되는 모델이 필요하다.
2) 본문에서 제시한 개념을 조금 더 발전시켜 침로 개념을 적용시켜보면 선박은 침로의 변경, 속도의 변화 등으로 DCPA 및 TCPA를 변경하여 타선박과의 충돌을 회피할 수 있겠지만 사전에 설정된 침로와 너무 상이하다면 허용된 시간이내에 목표지에 도착할 수 없거나 목표지에 도착하기 위해 속도의 증속이 요구되어 비경제적일 수 있다.
3) 모델의 의해 조함자에게 충돌위협판단 및 지정된 우선순위 제공함으로써 인적운항과실에 의해 발생되는 선박충돌사고를 효과적으로 감소시킬 수 있을 것이다.
3) 침로는 사전에 항해상 위험물(저수심, 선박의 이동량, 해저작업 등)을 고려하여 설정된 경로이므로 침로를 벗어나는 것은 항해 위험물에 의한 위험성이 높다는 것을 의미한다. 이를 위해 타 선박과의 충돌 위험성을 최소화하면서 침로 이탈을 최소화하는 최적화 문제로 발전될 수 있을 것이다.
둘째, 목적 항해 중이며, 선박의 요동으로 인한 적재물의 파손을 방지하고 유류 절약을 위하여 기본 침로-속도에서 변침, 변속을 최소화한다.
둘째, 타 선박의 정보(침로, 속력 등)를 공유/확인하는 장비인 R/D, AIS 등은 정상작동하며 실시간으로 정보가 공유된다.
국제해상출돌예방규칙에 의거 본함의 경우 피항할 의무가 없지만, 선박의 안전을 위해 최소회피거리를 만족시키고, 피항선의 항해에 방해가 되지 않는 변속을 택할 수 있다. 따라서 실험선박의 속도를 10kts에서 13kts로 증속하여 TGT 6에 대한 최소회피거리를 만족할 수 있었다. 변속에 의한 타 선박과의 DCPA 및 TCPA변화는 Table 4와 같다.
후속연구
따라서 본 연구에서는 실제 조함자가 사전에 타선박의 크기, 형태 등을 고려하여 DCPA를 설정하고 운항하는 것이 현실적이고 타당함으로 사전 설정된 DCPA 고려하여 충돌위험도를 판단하는 것이 ‘보다 안전한 항해에 도움이 되지 않을까?’ 라는 연구 질문을 가지고 연구를 진행하였다. 그리고 이러한 개념의 적용은 실제 선박을 운항하는 조함자에게 실무적으로 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
이 연구에서 적용된 알고리즘에 따라 조함자는 충돌위협 판단 및 회피 우선 순위를 지정하고, 지정된 접촉물에 대하여 회피를 실시하기 위하여 국제해상출돌예방규칙, 해양환경(저수심, 양식장 등) 등을 고려하여 변침, 변속 전에 타 선박과의 DCPA 및 TCPA를 확인하여 가능할 것이다. 이 연구에서 적용된 예를 살펴보면, 실험선박의 조함자는 6개의 타선박에 대한 DCPA, TCPA를 분석하고 국제해상출돌예방규칙에 의거 변속을 결정하는 상황인 것이다.
3) 침로는 사전에 항해상 위험물(저수심, 선박의 이동량, 해저작업 등)을 고려하여 설정된 경로이므로 침로를 벗어나는 것은 항해 위험물에 의한 위험성이 높다는 것을 의미한다. 이를 위해 타 선박과의 충돌 위험성을 최소화하면서 침로 이탈을 최소화하는 최적화 문제로 발전될 수 있을 것이다.
현재까지 선박충돌을 예방하기 위한 연구는 활발히 진행되어 왔으나, 진행된 연구의 대부분은 TCPA(Time of the Closest Point of Approach), DCPA(Distance of the Closest Point of Approach), VCD(Variation of Compass Degree)를 기준으로 선박의 충돌위험도를 결정하고 CORLEGS(International Regulations for Preventing Collisions at Sea), 타선박의 특징(길이, 엔진성능, 목적지 등)을 고려하여 회피침로를 권고하는 알고리즘을 제시하고 있다. 하지만 제시된 알고리즘은 다양한 선박의 종류와 다수의 선박이 존재할 경우에는 실제 조함자에게 많은 도움을 주지 못할 것이다. 사전에 설정된 침로를 기준으로 일정한 침로-속력을 유지하는 대형선박과 침로 설정없이 불특정한 침로-속력으로 이동하는 소형선박의 충돌회피에는 조함자가 판단한 DCPA는 상이할 것이기 때문에 많은 차이점이 있다.
그리고 본선의 속도-침로가 변경되면 선박회피 우선순위 지정 규칙에 의거 다시 화면에 회피우선순위를 지정하는 개념으로 발전시킬 수 있다. 향후 연구에 있어서 이러한 사항은 반영되어야 할 과제로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국제해상충돌 예방규칙의 선박에의 적용 범위는 어떠한가?
한편 충돌위험도에 의해 회피가 결정되면 선박은 국제해상충돌 예방규칙에 따라 항해하게 된다. 국제해상충돌 예방규칙은 해상에서 일어나는 선박 항해상의 모든 위험을 방지하고 장애를 제거함으로써 해상교통의 안전을 도모하기 위하여 국제해사기구에 의해 채택되어 해양의 수면과 거기에 접속되어 항행선이 항행할 수 있는 모든 수역내의 선박에 적용된다고 규정하고 있다. 국제해상충돌 예방규칙의 제5장 항법규정 1절 5조에는 “장애물의 방위 변화가 없고 장애물과 자선의 거리가 가까워질수록 충돌 위험성이 있다”라고 규정하고 있다[7].
AIS 장비 탑재로 인하여 실시간으로 확인할 수 있게 된 정보는 무엇인가?
최근 전자통신 기술 발전을 바탕으로 조함자에게 선박운항에 요구되는 정보를 제공하는 전자해도표시장치(ECDIS, Electronic Chart Display and Information System), 선박자동식별장치(AIS, Automation Information System), RADAR 등의 항해시스템은 과거보다 휠씬 빠르고 편리하게 발전되어 가고 있다. 특히, AIS 장비는 이미 국제협약의 대상선박에는 탑재가 의무화 되어 선박이 상대방 선박의 기본정보(선명, 선적, 길이, 배수톤수 등), 위치정보(GPS 등), 운항정보(침로, 속력, 목적지 등) 등의 정보를 실시간으로 확인 할 수 있게 되었다. 하지만, 중앙해양심판원 자료에 의하면 2012년 전체 해양사고는 726건이 발생했고 이 중 어선을 제외한 비어선 사고는 189건이 발생하였다.
비어선 사고의 유형 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것은 무엇이며, 주요 원인은?
비어선 사고의 유형은 충돌 69건, 좌초 19건, 기관손상 12건, 화재 등이 있다. 이 중 사고유형 중 충돌사고가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이러한 충돌사고는 선박의 기관 등의 장비고장에 의해서 발생할 수도 있지만 70~80%가 인적운항과실에 의한 경우이다[1,2].
참고문헌 (7)
Yang hyeong-sun, Jung dae-duk, "A Study on the development of Ship Collision Avoidance Support Program considered Speed," KOSOMES, 12(1), 47-52, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.5394/KINPR.2007.31.5.333
Kim dong-gyu, Jung jung-sik, Park gye-gak, "A Study on Ship Collision Avoidance Algorithm by COLREG," International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, 21(3), 290-295, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5391/JKIIS.2011.21.3.290
Kim on-kyung, Kang il-gwon, Kim yong-ki, "Collision Risk Decistion System for Collision Avoidance," International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, 11(6), 524-527, 2001.
Hasegawa, K.,"Automatic Collision Avoidance System for Ship using Fuzzy Control," 8th Ship Control System Symposium, Hague, 1987.
Hammer, A. and Hara, K., "Knowledge Acquisition for Collision Avoidance Maneuver by Ship Handling Simulator," MARSIM & ICSA 90, tokyo, 1990.
Lee han-jin, "A study on Collision Avoidance using FUZZY theory ," Seoul University, 1993.
Park chang-jung, the newest COLREG, Yeon Publisher, 1985.
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