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문제 정의
- 본 논문에서는 선박의 AIS 데이터를 이용하여 저주파 대역에서 선박소음준위를 모델링하였다. 주파수 250 Hz에서 모델링된 소음준위를 수중청음기에서 측정된 결과와 비교하였다.
- 기존의 연구는 전반적으로 특정해역을 왕래하는 선박의 정보를 이용하여 공간적인 선박소음의 분포를 파악하는 연구에 집중되어 있다. 본 논문에서는 제주 남부 해역에서 관측된 선박 항행정보를 기준으로 특정 지점에서 시간에 따른 선박소음준위를 음파 전달모델링 기법을 적용하여 추정하고, 동일 시간에 수중청음기에서 측정된 소음준위와 비교 및 분석하는 연구를 수행하였다. 연구지역에서 항해하는 선박을 관측하기 위하여 제주도 남쪽 해안 육지에 AIS(Automatic Identification System) 안테나를 설치하였다.
- 따라서 배경소음에 선박소음이 미치는 영향을 확인하기 위하여 제주 남부 연안지역 육상에 AIS 안테나를 설치하였고, 실험해역을 운항하는 선박정보를 관측하였다. 본 연구에서는 선박 항행정보를 이용하여 시간에 따라 선박소음을 추정하는 모델링 방법을 제안하며, 이를 통해 도출된 선박소음 결과를 검증하기 위하여 AIS 데이터 관측과 동시에 수중에 설치된 수중 청음기 자료와 비교분석 하였다. 결과에 활용된 음향 자료는 해저면에 수평으로 계류된 배열센서의 중심에 위치한 한 개의 수중청음기에서 수신된 자료를 이용하였다.
가설 설정
- Eq. (1)은평균 선속을 12 knot, 평균 선체길이를 300 ft로 가정하여 선박음원준위가 계산되어 진다.
- 8(b)와 (c) 같이 해저 표층으로부터 200 m의 깊이에 대해 도시하였다.[23,24] 그리고 200 m 깊이보다 아래는 acoustic half-space 상태 조건을 가정하였다. 그리고 지층의 밀도는 Jackson과 Richardson이 제안한 회귀분석 식으로 계산하여 적용하였다.
제안 방법
- AIS 데이터를 이용하여 계산된 선박음원준위에 전달손실을 적용하여 수중청음기가 설치된 지점에서 추정되는 선박소음준위를 계산하였다. 주파수250 Hz에 대한 전달손실을 계산하기 위하여 음향전파모델인 RAM(Range-dependent Acoustic Model)을 이용하였다.
- Fig. 1의 검은색 점의 위치에 AIS 안테나를 설치하고 연구지역에서 활동하는 선박의 항행정보를 관측하였다. 검은색 별 위치에서 CTD(Conductivity-Temperature-Depth) 장비를 이용하여 수심별 음속을 측정하였고, 수중소음 측정을 위하여 동일한 지점에서 해저면 (수심: 약 99 m) 상부에 수중청음기를 설치하였다.
- 전달손실의 효율적인 계산을 위해 음원과 수신기의 위치를 역으로 고려하는 가역정리(reciprocity theorem)을 적용하였다.[26] 즉, RAM에 입력되는 환경자료에서 수중청음기를 음원 위치로, 선박 소음원을 수신기 위치로 설정하였고, 이에 따른 수심 및 거리 정보를 적용하였다. 여기서 수중 청음기는 수중에 계류된 수심에 따라 99 m로 적용하였고, 선박 소음원의 수심은 Reference [26]로부터 선박의 평균적인 흘수 및 프로펠러 수중 위치를 고려한 6 m로 적용하였다.
- 1의 검은색 점의 위치에 AIS 안테나를 설치하고 연구지역에서 활동하는 선박의 항행정보를 관측하였다. 검은색 별 위치에서 CTD(Conductivity-Temperature-Depth) 장비를 이용하여 수심별 음속을 측정하였고, 수중소음 측정을 위하여 동일한 지점에서 해저면 (수심: 약 99 m) 상부에 수중청음기를 설치하였다.
- [21] 따라서 Ross가 제안한 경험식을 이용하면 측정된 선박의 길이와 속도로부터 주파수에 따른 선박음원준위를 계산할 수 있다. 계산된 음원준위에 전달손실을 고려하여 특정 위치에서 시간에 따라 수신되는 소음준위를 최종적으로 도출하였다. 선박소음 모델링 방법의 검증은 AIS 데이터를 관측한 시간동안 해양에 설치된 수중 청음기로부터 획득한 수중소음 자료를 활용하였다.
- [18] 일반적으로 항행 선박의 선속이 빨라질수록 AIS 데이터의 송신간격이 짧아지고, 선속이 느려질수록 송신간격이 늘어난다. 따라서 각 선박의 운항 목적이나 상황에 따라 변동되는 선속을 고려하기 위하여 특정선박으로부터 불규칙적으로 측정되는 위치 정보를 1분 간격으로 내삽법을 적용하여 이동 선박의 위치 및 속도를 산출하였다. 모든 선박에 대해 동일한 방법으로 계산하였고 관측 시간 동안 측정된 선박의 이동 경로는 Fig.
- 선박의 빈번한 통행으로 인해 실험해역에서 측정되는 저주파 대역의 배경소음에는 선박에 의한 소음이 지배적으로 나타날 것으로 판단된다. 따라서 배경소음에 선박소음이 미치는 영향을 확인하기 위하여 제주 남부 연안지역 육상에 AIS 안테나를 설치하였고, 실험해역을 운항하는 선박정보를 관측하였다. 본 연구에서는 선박 항행정보를 이용하여 시간에 따라 선박소음을 추정하는 모델링 방법을 제안하며, 이를 통해 도출된 선박소음 결과를 검증하기 위하여 AIS 데이터 관측과 동시에 수중에 설치된 수중 청음기 자료와 비교분석 하였다.
- 모델링 주파수를 250 Hz로 선정한 이유는 다음과 같다. 본 연구의 실험을 수행하면서 저주파수 대역 능동 음파전달 실험이 동시에 진행되었고, 조사선에서 저주파음원을 수중 계류하여 주파수 110 Hz, 195 Hz, 410 Hz, 605 Hz,800 Hz에 대한 CW (Continuous Wave) 신호를 송신하였다. 저주파음원의 송신 신호가 수중청음기에 수신되었고, 송신 주파수와 간섭받지 않는 주파수를 고려하여 250 Hz에서 선박음원준위를 계산하였다.
- 상기에 기술된 해양물리, 지질, 송·수신기의 기하학적 입력 자료를 기반으로 음향모델인 RAM을 이용하여 전체 방위에 대한 전달손실을 계산하였다.
- 선박소음준위를 계산하기 위하여 n은 50 km의 거리를 10 m 간격으로 분할한 5000개, m은 전체 방위를 10° 간격으로 분할한 35개로 적용하였다.
- 실험해역에서 관측된 선박들의 소음준위를 계산하기 위해 육상에 설치된 AIS에 수신된 선박 운항정보를 분석하였다. AIS 데이터는 기본적으로 선박의 선명, 길이, 폭, 종류에 대한 내용을 포함하는 정적정보와 위치, 속력, 선수방향 등 항해 관련 내용을 포함하는 동적정보로 구성된다.
- [18] 육상이나 선박에 설치된 AIS로부터 항행 중인 선박의 해상이동통신식별 번호(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)와 함께 시간, GPS 위치정보, 기동방향, 선체길이, 선속 등을 측정할 수 있다. 이와 같이 실험해역에서 측정된 개별 선박의 AIS 정보를 이용하여 선박의 음원준위를 계산하였다. 선박의 음원준위 계산을 위해 사용된 계산식은 1980년대에 Ross가 상선에 대한 수중방사소음을 체계적으로 정리하여 경험적 수식으로 제안한 power-law model을 사용하였으며,[19,20] 이 경험식은 미국 해군연구소(Naval Research Laboratory, NRL)에서 선박의 분포에 따른 방향성 소음을 계산하는 RANDI 3.
- 본 연구의 실험을 수행하면서 저주파수 대역 능동 음파전달 실험이 동시에 진행되었고, 조사선에서 저주파음원을 수중 계류하여 주파수 110 Hz, 195 Hz, 410 Hz, 605 Hz,800 Hz에 대한 CW (Continuous Wave) 신호를 송신하였다. 저주파음원의 송신 신호가 수중청음기에 수신되었고, 송신 주파수와 간섭받지 않는 주파수를 고려하여 250 Hz에서 선박음원준위를 계산하였다.
- 본 논문에서는 선박의 AIS 데이터를 이용하여 저주파 대역에서 선박소음준위를 모델링하였다. 주파수 250 Hz에서 모델링된 소음준위를 수중청음기에서 측정된 결과와 비교하였다. 수중청음기 주변을 운항하는 선박의 시·공간적인 분포 형태에 따라 소음준위의 변동 경향이 서로 유사하였고, 5 dB 오차 범위 이내에서 선박소음준위를 추정 가능함을 확인하였다.
- 측정된 AIS 데이터를 이용하여 주파수 250 Hz에서 선박음원준위를 모델링하였다. 모델링 주파수를 250 Hz로 선정한 이유는 다음과 같다.
대상 데이터
- 주파수250 Hz에 대한 전달손실을 계산하기 위하여 음향전파모델인 RAM(Range-dependent Acoustic Model)을 이용하였다.[22] 실험해역 전체에 대한 공간적인 전달손실을 계산하였고, 이를 위해 제주남부 해역에 대한 해저지형의 입력 데이터로 NOAA에서 제공된 ETOPO1을 이용하였다. 또한 공간적인 입력 데이터로 사용된 수심별 음속분포도는 NOAA에서 제공된 GDEM(Generalized Digital Environmental Model)의 2015년 겨울 데이터를 이용하였다.
- 본 연구에서는 선박 항행정보를 이용하여 시간에 따라 선박소음을 추정하는 모델링 방법을 제안하며, 이를 통해 도출된 선박소음 결과를 검증하기 위하여 AIS 데이터 관측과 동시에 수중에 설치된 수중 청음기 자료와 비교분석 하였다. 결과에 활용된 음향 자료는 해저면에 수평으로 계류된 배열센서의 중심에 위치한 한 개의 수중청음기에서 수신된 자료를 이용하였다. 측정 장비의 음향 신호 수신 사양은 샘플링 주파수가 8192 Hz, 시스템 이득이 26 dB, 그리고 20 Hz 주파수에서 고역통과 여파기가 적용되어 있다.
- [22] 실험해역 전체에 대한 공간적인 전달손실을 계산하였고, 이를 위해 제주남부 해역에 대한 해저지형의 입력 데이터로 NOAA에서 제공된 ETOPO1을 이용하였다. 또한 공간적인 입력 데이터로 사용된 수심별 음속분포도는 NOAA에서 제공된 GDEM(Generalized Digital Environmental Model)의 2015년 겨울 데이터를 이용하였다. GDEM 데이터를 음향전파모델에 적용하기 이전에 실측데이터(Fig.
- 계산된 음원준위에 전달손실을 고려하여 특정 위치에서 시간에 따라 수신되는 소음준위를 최종적으로 도출하였다. 선박소음 모델링 방법의 검증은 AIS 데이터를 관측한 시간동안 해양에 설치된 수중 청음기로부터 획득한 수중소음 자료를 활용하였다. 모델링 및 측정된 두 소음준위의 변동 패턴이 유사함을 확인하였다.
- 선박의 통행량을 관측한 지역은 제주 남부 해역으로 실험해역은 연안에서 어선 및 여객선의 활동이 빈번하고, 중국 및 동남아시아에서 한국 및 일본으로 항해하는 대형 선박들이 항시 존재하는 지역이다. 선박의 빈번한 통행으로 인해 실험해역에서 측정되는 저주파 대역의 배경소음에는 선박에 의한 소음이 지배적으로 나타날 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 제주 남부 해역에서 관측된 선박 항행정보를 기준으로 특정 지점에서 시간에 따른 선박소음준위를 음파 전달모델링 기법을 적용하여 추정하고, 동일 시간에 수중청음기에서 측정된 소음준위와 비교 및 분석하는 연구를 수행하였다. 연구지역에서 항해하는 선박을 관측하기 위하여 제주도 남쪽 해안 육지에 AIS(Automatic Identification System) 안테나를 설치하였다. AIS는 항해 시 안전과 보안 강화를 목적으로 선박-선박, 선박-육상 간에 선박의 제원과 항행 정보를 상호 모니터링하기 위하여 IMO에서 채택한 통신 장치이다.
데이터처리
- Ross가 제안한 경험적 수식을 이용하여 Fig. 5와 같이 선속 및 선체길이가 달라지는 경우 주파수에 따른 선박음원준위를 계산하였다.
이론/모형
- [23,24] 그리고 200 m 깊이보다 아래는 acoustic half-space 상태 조건을 가정하였다. 그리고 지층의 밀도는 Jackson과 Richardson이 제안한 회귀분석 식으로 계산하여 적용하였다.[25]
- 9는 수중청음기가 설치된 위치를 중심으로 반경 50 km까지 전 방위에 대해 주파수 250 Hz에서 계산된 전달손실 결과이다. 전달손실의 효율적인 계산을 위해 음원과 수신기의 위치를 역으로 고려하는 가역정리(reciprocity theorem)을 적용하였다.[26] 즉, RAM에 입력되는 환경자료에서 수중청음기를 음원 위치로, 선박 소음원을 수신기 위치로 설정하였고, 이에 따른 수심 및 거리 정보를 적용하였다.
- AIS 데이터를 이용하여 계산된 선박음원준위에 전달손실을 적용하여 수중청음기가 설치된 지점에서 추정되는 선박소음준위를 계산하였다. 주파수250 Hz에 대한 전달손실을 계산하기 위하여 음향전파모델인 RAM(Range-dependent Acoustic Model)을 이용하였다.[22] 실험해역 전체에 대한 공간적인 전달손실을 계산하였고, 이를 위해 제주남부 해역에 대한 해저지형의 입력 데이터로 NOAA에서 제공된 ETOPO1을 이용하였다.
- 측정된 AIS 데이터를 이용하여 선박음원준위를 계산하기 위해 Ross가 제안한 경험적 수식을 기반으로 한 power-law model을 이용하였고, 수식은 다음과 같다.[20]
성능/효과
- (a)에서 모델링 및 측정된 선박소음준위 결과가 시간 변화에 따라 전체적인 변동 경향이 서로 유사하였고, 수중청음기 설치 위치로 선박이 접근하여 이동한 시점인 T1, T2, T3, T4 에서 두 결과의 소음준위 피크가 나타났다.
- 전반적으로 선박의 선체길이 및 선속에 비례하여 음원준위가 높게 계산되었으며, 외해에서 남서-북동 항로를 이동하는 선박은 대부분 음원준위가 130 dB 이상인 것을 확인하였다. AIS 데이터에서 확인된 가장 큰 선박은 영국 국적의 컨테이너선(선명: EVER LEARNED, MMSI:235098885)으로 선체길이가 334.8 m, 선속 14 knot 이상으로 관측되었으며, 최대 약 150 dB 까지 음원준위가 증가하였다. 어로 활동하는 선박의 음원준위는 선체길이가 작으면서 평균 3 ~ 4 knot의 느린 속도로 이동하였기 때문에 상대적으로 낮게 계산되었다.
- 실험해역을 이동하는 선박들의 항행패턴은 주로 제주 남부 연안을 따라 도서 지역을 왕래하는 선박,임의적인 경로로 이동하는 선박, 그리고 연안지역을 벗어난 해역에서 동중국해와 대한해협으로 연결되는 항로인 남서-북동 방향을 항행하는 선박으로 확인되었다. AIS에 수신된 선박의 정적정보로부터 선박의 종류를 확인해본 결과, 제주 남부 연안에서 활동하는 선박은 예인선, 어선, 상선, 여객선이고, 연구지역에서 임의적인 경로로 이동하는 선박은 대부분 어선이며, 마지막으로 남서-북동을 이동하는 선박은 상선, 화물선, 유조선과 같이 물동량을 운반하는 대형 선박인 것으로 확인되었다. 이와 같이 선박의 분류에 따라 선체길이나 선속이 결정되며, 각 선박의 운항목적에 따라 항로가 구분되므로 특정 위치에서 측정되는 소음의 크기는 달라질 것으로 판단된다.
- [1,2] 1960년대 중반 이후 상호국간의 대형 선박을 이용한 무역량의 점진적인 증가로 인하여, 2000년도 초반까지 약 40년 동안 전 세계 상선의 척수는 2배 이상 증가하였고,전체 톤수는 1.6억 GT에서 6.05억 GT로 증가하였다.[3] 이와 같이 해상교통량의 증가로 인해 동일시기에 태평양 북동지역에서 측정된 자료에 따르면 소음 준위가 0.
- 5(b)는 선속이 9 knot인 경우 선체길이에 따른 선박음원준위이다. 각 결과로부터 선박음원준위는 주파수 30 Hz 주변에서 가장 높게 계산되었고,그 이상 주파수가 높아질수록 선박음원준위가 감소되었다. 또한 선속 및 선체길이가 증가할수록 선박 음원준위가 비례적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
- 각 결과로부터 선박음원준위는 주파수 30 Hz 주변에서 가장 높게 계산되었고,그 이상 주파수가 높아질수록 선박음원준위가 감소되었다. 또한 선속 및 선체길이가 증가할수록 선박 음원준위가 비례적으로 증가하는 것을 알 수 있다. Fig.
- 10(b)에 도시하였다. 모델링 및 관측된 소음준위의 전체적인 소음준위 분포는 유사하였으며, 두 결과의 피크 차이는 약 5 dB이다.
- 모델링 및 측정된 선박소음준위 결과의 시간에 따른 변동 경향이 서로 유사하였지만, 전반적으로 5 dB 이내의 오차가 나타나는 것을 확인하였다. 이와 같이 두 결과의 차이를 발생시키는 원인은 다음과 같이 세 가지로 사료된다.
- 6(b)와 (d)에서 시간의 변화에 따라 수중청음기 계류 지점을 중심으로 모든 방향(정북 0° 기준, 시계방향 : +, 반시계방향 : -)에서 선박들이 존재하였다. 선박들 중 상대적으로 선체길이가 크고 선속이 빠른 선박들은 제주 연안으로부터 약 20 km 남쪽에 주로 분포해 있는 것을 확인하였다.
- 수중청음기 주변을 운항하는 선박의 시·공간적인 분포 형태에 따라 소음준위의 변동 경향이 서로 유사하였고, 5 dB 오차 범위 이내에서 선박소음준위를 추정 가능함을 확인하였다.
- 어로 활동하는 선박의 음원준위는 선체길이가 작으면서 평균 3 ~ 4 knot의 느린 속도로 이동하였기 때문에 상대적으로 낮게 계산되었다. 수중청음기가 설치된 지점으로부터 10 km 거리 주변으로 항해한 선박의 음원준위는 120 ~ 135 dB 이내에 분포됨을 확인하였다.
- 실험해역을 이동하는 선박들의 항행패턴은 주로 제주 남부 연안을 따라 도서 지역을 왕래하는 선박,임의적인 경로로 이동하는 선박, 그리고 연안지역을 벗어난 해역에서 동중국해와 대한해협으로 연결되는 항로인 남서-북동 방향을 항행하는 선박으로 확인되었다. AIS에 수신된 선박의 정적정보로부터 선박의 종류를 확인해본 결과, 제주 남부 연안에서 활동하는 선박은 예인선, 어선, 상선, 여객선이고, 연구지역에서 임의적인 경로로 이동하는 선박은 대부분 어선이며, 마지막으로 남서-북동을 이동하는 선박은 상선, 화물선, 유조선과 같이 물동량을 운반하는 대형 선박인 것으로 확인되었다.
- 여기서 두 데이터의 수심별 음속 차이가동일 수심에서 ± 4 m/s 이내로 경향이 유사하며, 시험해역에서 겨울철 공간적인 수직 음속구조로 GDEM이 사용가능한 것으로 판단하였다.
- 7에서 선박음원준위의 단위는 dB re 1 μPa2/ Hz이다. 전반적으로 선박의 선체길이 및 선속에 비례하여 음원준위가 높게 계산되었으며, 외해에서 남서-북동 항로를 이동하는 선박은 대부분 음원준위가 130 dB 이상인 것을 확인하였다. AIS 데이터에서 확인된 가장 큰 선박은 영국 국적의 컨테이너선(선명: EVER LEARNED, MMSI:235098885)으로 선체길이가 334.
- 1은 실험해역 해저 수심의 분포를 나타낸 것이다. 제주 남부 연안 주변은 육지로부터 약 3 km까지 해저 수심이 급격하게 깊어지는 반면, 외해는 대부분의 연구지역이 수심 약 100 m 내외로 평탄한 것을 확인하였다. 수심 100 m 내외의 구역에 대한 해저 표층의 평균 입도는 실험해역에서 획득한 grab 및 core데이터 분석을 통해 3.
- AIS 데이터 중 일부분은 선박의 정적정보가 불확실하게 수신되는 것을 확인하였다. 제주 남부 해역에서 활동하는 선박들 중에 AIS 데이터가 불확실한 선박은 국내 소형 어선 및 중국 국적의 불법 조업 선박이 대부분인 것으로 확인하였다. 수중청음기가 설치된 지역 주변에서 AIS 데이터가 불확실한 선박들의 활동은 선박소음준위 모델링 결과와 측정된 값의 차이를 발생시키는 원인으로 판단된다.
- 첫 번째, 관측된 AIS 데이터의 MMSI를 이용하여 IMO에 등록된 선박의 운항정보를 실시간으로 제공하는 Marinetraffic 웹사이트에서 선박정보를 교차 검색한 결과,[27] AIS 데이터 중 일부분은 선박의 정적정보가 불확실하게 수신되는 것을 확인하였다. 제주 남부 해역에서 활동하는 선박들 중에 AIS 데이터가 불확실한 선박은 국내 소형 어선 및 중국 국적의 불법 조업 선박이 대부분인 것으로 확인하였다.
- 3(b)에서 주파수 20 Hz 이하를 제외하고, 선박의 주요 소음대역인 저주파수 대역에서 소음준위가 고주파수 대역보다 상대적으로 높게 분포됨을 확인하였다. 측정된 소음준위는 약 100 Hz의 주파수 주변에서 가장 높게 측정되었으며, 대부분의 시간에서 100 dB 이상으로 확인되었다. 따라서 관측된 전체 시간동안 선박소음이 존재하는 것으로 확인된다.
후속연구
- 본 연구는 AIS 데이터만을 이용하여 특정해역에서 변동하는 소음준위를 추정할 수 있는 기법으로 활용 가능하며, 추후 연구에서는 환경적인 소음을 고려하여 모델링 기법을 개선하는 연구를 수행할 예정이다.
- [9,10] 따라서 선체의 길이와 선속만을 고려하는 Ross 모델은 모든 선박의 음원준위를 대표하는 계산식으로는 제한성을 가진다. 향후 보다 정확한 선박음원준위 모델을 적용한다면 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
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