[논문]시뮬레이션을 활용한 부산항 컨테이너터미널 통합운영 효과 분석

신재영; 이장군; 박형준

doi:10.5394/kinpr.2020.44.6.477

시뮬레이션을 활용한 부산항 컨테이너터미널 통합운영 효과 분석
Simulated Analysis of the Effect of Integrated Operation on Container Terminals in Busan New Port 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.44 no.6, 2020년, pp.477 - 487

신재영 (한국해양대학교 물류시스템학과) , 이장군 (한국해양대학교) , 박형준 (한국해양대학교 물류시스템학과)

초록
AI-Helper

부산항은 다수의 컨테이너터미널 운영사에 의해 소규모로 분산 운영되고 있어 다양한 운영 비효율이 발생하고 있다. 특히 2016년 선사들의 얼라이언스 재편과 대형화로 인한 물량 분산은 터미널 분산 운영의 비효율을 촉진시켜, 불필요한 타부두 환적 운송과 체선 문제를 유발하고 있다. 이를 해소하기 위한 방안으로 컨테이너터미널 대형화를 위한 통합운영이 고려되고 있다. 그러나 통합운영에 따르는 선결과제들로 인해 실질적인 통합 및 추진 방향이 모호한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 부산 신항의 컨테이너터미널들을 대상으로 통합운영 유형을 단계별로 나누어 모델링하였으며, 선박 대형화 및 터미널 혼잡도에 따른 시나리오 변화를 두어 향후 부산항이 통합화 추진과 함께 겪게 될 상황을 가정하여 시뮬레이션을 실시하였다. 또한, 분석결과를 바탕으로 통합 유형별로 운영적 효과를 해석하고 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The inefficient operation of Busan New Port is due to container-terminal operators being dispersed in small groups, rather than being integrated. This dispersion increased following the reorganization of global shipping alliances in 2016 and causes unnecessary Inter-terminal Transportation(ITT) and ship delays. Studies of integrated operations for larger container terminals show that integration is not going well, however, due to the pre-emptive task that follows the integrated operation. Therefore, in this study, we divided the integrated operation into stages based on a simulated model of the container terminals in Busan New Port. The simulation took into account future increases in the ship's enlargement and terminal congestion, and the operational effects of each type of integrated operation were analyzed and evaluated.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Working process of container terminal
표 Table 1 Configuration of the container terminals
그림 Fig. 2 Integrated operation cases of the container terminals
그림 Fig. 3 Operation of the container terminal
그림 Fig. 4 Priority of berth plan
표 Table 2 Ship arrival distribution of the container terminals on 2018
표 Table 3 Y/T distance between berth and yard block
그림 Fig. 5 Average of ship waiting time per ship
표 Table 4 Simulation input & output variables
표 Table 5 Simulation model test
표 Table 6 Simulation scenarios
그림 Fig. 6 Average Wait Time on Scenario 1, 2
표 Table 7 Calculation of ITT Cost and Y/T Transportation Cost on Scenario 1, 2
그림 Fig. 7 Average Wait Time on Arriving Mega-Ship
그림 Fig. 8 Trans Ship Count and Average Waiting Time per Cases on Scenario4
표 Table 8 Calculation of ITT Cost and Y/T Transportation Cost on Scenario3
그림 Fig. 9 Transportation Cost Per Cases on Scenario4
표 Table 9 Calculation of ITT Cost and Y/T Transportation Cost on Scenario4(1)
표 Table 10 Calculation of ITT Cost and Y/T Transportation Cost on Scenario4(2)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 실질적인 통합운영에 따르는 정책적, 시스템적선결과제및통합운영에따르는실질적 효과 측면에 대한 연구가 부족하여 통합운영의 방향이 모호한 상태이다.따라서본연구에서통합운영유형을구분하며, 각 유형에 따라 선박 대기시간, ITT비용및Y/T운송비용지표를통한통합운영의효과및상황별적합한통합운영범위를 판단하고자하였다.
이처럼통합에따른생산성향상과같은운영적 효과를추정하는것도전략적고려사항만큼이나중요하다. 본연구는운영적고려사항에관한연구로컨테이너터미널 선석과장치장측면에서의통합운영을통한생산성향상효과 를 분석하고자한다. 이를 위해, 터미널운영 통합의 정도에 따라 몇 가지통합유형을 제시하고, 각 유형별로 시뮬레이션을 통해 생산성을 분석한다.
본연구에서는선박대기시간, ITT비용및Y/T운송비용지표를통해통합유형별로특징과장단점이존재하는지분석 하였다.본연구에서는시뮬레이션결과에기반하여운영적인 관점에서의 통합효과를 분석하였지만 실제 통합화 과정에서는계량화하기힘든정책적인변수가반영될필요성도존재한 다.
또한,2016년선사들의얼라이언스재편및대형화는부산항의소규모터미널형태로인한물량의분산과타부두환적 화물의발생및선박의체선발생을더욱촉진시키고있다. 이러한 문제를 해결하고자 현재 해양수산부와 부산항만공사는부산항컨테이너터미널운영사체계를개편하여컨테이 너터미널의대형화를추진하고자한다.이미부분적으로나마부산신항의터미널운영사들은선석공동이용협약을통해 시범적인 선석공동운영을 진행한 바 있으나, 특정 상황에서문제해결만가능할뿐근본적인대책으로는한계가있는상 황이다(KoreaMaritimeInstitute, 2020).

가설 설정

(2013)는선석계획문제와선석에대한Q/C 할당 문제를 동시에해결하는 통합 휴리스틱기반의 방법론을제안하였다.문제에서는불규칙한선박도착상황과안벽수심 을가정하였으며, 휴리스틱 해법과 최적해 비교를 통해 효과를검증하였다.

제안 방법

ParkandKim(2011)은선석계획과Q./C할당문제를함께 고려하여실제컨테이너터미널에서수행되고있는선석계획 문제와가깝도록크레인투입을고려한선석계획문제를정의 하고혼합정수모델을제시하였다.
4개의 시나리오를 통한 비교가 이루어지며, 첫 번째는 보통 수준의 혼잡도에서의 통합운영 효과비교, 두 번째는 피크 수준의 혼잡도에서의 통합운영효과를비교한다.또한, 대형선의증가와 선박 도착 간격 단축을 고려한상황에서의통합운영효과를세번째, 네 번째 시나리오를 통해 비교한다.
운송비용측면에서B유형의효과는미비하며, BQ유형의경우ITT비용증가로운송비용이가장높게나타난다.BQY유형 의경우BQ유형의ITT발생분을내부Y/T작업으로전환함으 로써운송비용감소효과가크게나타나며,Total유형의경우장치장까지통합함으로써내부Y/T의불필요한이동까지감소시 켜가장낮은운송비용을보인다.시나리오2에서터미널혼잡 도가증가한경우물량이증가하여운송비용또한증가하게되 지만, 통합운영범위 확대에 따른 유형별 특징은 동일하게나타난다.
Y/T 작업에따른이동거리가블록별로측정된다.각터미널별발생 한타부두환적(ITT)화물량을측정한다.
구체적인통합운영상황을반영하는시뮬레이션모형을구축하기위해부산신항의위치와작업방식을고려한3개컨테 이너터미널을선정하였으며, 컨테이너터미널프로세스흐름을따라현장데이터를근거로분석한선박도착분포및작업 분포를시뮬레이션모형에산정하였다.또한, 통합운영유형별각컨테이너터미널의혼잡및여유상태차이에따른효과측 정을위해각터미널의월단위기준평균수준의혼잡도와 피크수준의혼잡도를보이는선박도착패턴을추출하였으며, 혼잡도수준에따른각통합운영별효과측정을위해시나리 오1, 2를분석하였고, 대형선의증가와선박도착간격단축의상황에대한통합운영유형별효과측정을위해시나리오 3, 4를분석하였다.
4개의 시나리오를 통한 비교가 이루어지며, 첫 번째는 보통 수준의 혼잡도에서의 통합운영 효과비교, 두 번째는 피크 수준의 혼잡도에서의 통합운영효과를비교한다.또한, 대형선의증가와 선박 도착 간격 단축을 고려한상황에서의통합운영효과를세번째, 네 번째 시나리오를 통해 비교한다.
분포를시뮬레이션모형에산정하였다.또한, 통합운영유형별각컨테이너터미널의혼잡및여유상태차이에따른효과측 정을위해각터미널의월단위기준평균수준의혼잡도와 피크수준의혼잡도를보이는선박도착패턴을추출하였으며, 혼잡도수준에따른각통합운영별효과측정을위해시나리 오1, 2를분석하였고, 대형선의증가와선박도착간격단축의상황에대한통합운영유형별효과측정을위해시나리오 3, 4를분석하였다.
그리고건설중인서컨테이너부두로이루어져있다.부산항신항의컨테이너터미널간선석및 장치장통합상황을설정하기위해선석의연속성과장치장배 치의동일성을고려하여3개의컨테이너터미널(A, B, C 운영사)을선정하였으며, 각터미널의세부제원은[Table1]과같다. 각컨테이너터미널은운영에사용되는장비와설비의수치 차이를보이며, 평균1개선석의길이는약400m, 1개선석당 Q/C개수는약4개정도라할 수 있다.
(2017)는터미널통합운영관점에서터미널의 Q/C배정, Q/C스케쥴링, 차량배차운영문제를통합적으로고려하였다.선박회전시간(turn-overtime)최소화와컨테이너 처리량을 최대화 목표로 하는 혼합정수모델과 제약식 모델 (Constraints Programming, CP)을제안하였다. 실험결과, 작은인스턴스만해결할수있는혼합정수모델과달리제약식모 델은실제컨테이너터미널운영케이스에서합리적인시간에 최적의솔루션을제시하였다.
앞에서분석한대상컨테이너터미널운영계획에따라입력변수및출력변수를[Table4]와같이산정하였다.입력변수에서 선박은각터미널별도착분포를따르며,선박의세부정보는실제데이터를입력한다.
타부두로의환적화물에대하여각터미널의외부경로를통한추가운송이발생한다.이러한비효 율적인측면을줄이기위해선석과Q/C장비의통합, Y/T 장비의 통합, 장치장통합의유형을고려하였다.
본연구는운영적고려사항에관한연구로컨테이너터미널 선석과장치장측면에서의통합운영을통한생산성향상효과 를 분석하고자한다. 이를 위해, 터미널운영 통합의 정도에 따라 몇 가지통합유형을 제시하고, 각 유형별로 시뮬레이션을 통해 생산성을 분석한다. 부산신항에 위치한 3개 컨테이너 터미널을분석대상으로하였으며, 터미널의 실적 데이터를 활용하였다.
입력변수에서 선박은각터미널별도착분포를따르며,선박의세부정보는실제데이터를입력한다.장비의제원값은상수로고정하였으 며, Y/T의이동거리와ITT화물량은발생비율을적용하였다. 출력변수는선박의기본비교지표인도착후작업완료한선 박수및화물량을출력하고, 통합운영에 따른 비교를 위한 선박 대기시간 및 Y/T의이동거리, ITT화물량을출력한다.
선석및Q/C장비의통합과더불어Y/T장비의통합운영은외부ITT작업에대해Y/T를통한내부ITT를허용한다.통 합운영되는터미널간외부ITT화물량을감소시킬수있으 며, 내부ITT화물운송시, 해당화물을처리하는Y/T작업의증가된이동거리와감소된외부ITT화물운송처리비용간의 비교를통해효과를측정한다.

대상 데이터

본 연구에서 고려하는 컨테이너 터미널 작업프로세스의분석 범위는 [Fig. 1]에서와 같이 장치장(Yard), Apron, 선석 (Berth)으로한정하였다.작업에사용되는장비는장치장내컨 테이너를처리하는T/C, 장치장과 선석 간 컨테이너를 이송하는 Y/T, 선석에서양·적하하는Q/C로이루어진다.
이를 위해, 터미널운영 통합의 정도에 따라 몇 가지통합유형을 제시하고, 각 유형별로 시뮬레이션을 통해 생산성을 분석한다. 부산신항에 위치한 3개 컨테이너 터미널을분석대상으로하였으며, 터미널의 실적 데이터를 활용하였다.

이론/모형

Rolling HorizonHeuristic(RHH)기법을활용하여최적솔루션을도출 하였다.
출력변수는선박의기본비교지표인도착후작업완료한선 박수및화물량을출력하고, 통합운영에 따른 비교를 위한 선박 대기시간 및 Y/T의이동거리, ITT화물량을출력한다. 컨테이너터미널운영계획분석및모델의입출력변수를기 반으로터미널에도착하는선박들의화물처리및대기상황을 분석하기 위한 컨테이너터미널 시뮬레이션 모델 및 통합운영 시의 시뮬레이션 모델을 Rockwell Automation사의 Arena Version16.00.00시뮬레이션소프트웨어를이용하여개발하였다. 선석배정 및 Q/C할당계획부분의세부설정은컨테이너터미널통합유형에따라다르다.

성능/효과

7∼2배정 도증가한수치를보였다.NI유형에서는대형선박증가에따 라큰폭으로선박대기시간이증가했지만,B유형부터이러한증가폭이크게줄어들어선석통합을통해대형선박증가에 따른선박대기시간증가폭을줄일수있다는것을확인할수 있었다.또한, 대형선박증가의경우도B유형만으로도큰폭의대기시간감소효과가나타남을확인할 수 있다.
결과적으로 선박 대기시간감소를 위해서는선석통합유형으로도큰효과를얻을 수 있으며, Q/C까지 통합하면 상당 한 개선 효과를 더할 수있는 것으로 나타났다. 그러나운송비용측면에서는Y/T통합까지진행되어야만높은통합효과를얻 을수있을것으로생각된다.
전배로인한ITT및Y/T이동비용분석결과에서는선석 만통합하는경우는통합하지않은경우에비해효과는미미한 것으로 나타났다. 그리고선석과Q/C통합(BQ유형)의경우는전배발생으로인한추가ITT물량증가로운송비용이가장높 게나타났다.그러나YT까지통합한다면(BQY유형)추가로발 생한ITT물량일부를내부Y/T로전환함으로써운송비용측 면에서큰절감효과를보였다.
비교결과평균 98%수준의정확도를보이며시뮬레이션모델이비교적타당 하다고볼 수 있다.또한, 결과지표로서전체선박의총대기시간은평균 15, 212.8시간, YT의총이동거리는약2, 388, 375km, 총ITT화물량은519, 665.9TEU로나타났다.
7]은선박의대형화추세에따라대형선박(Mega-Ship, LOA400m, Freight2, 000TEU기준)을터미널에도착선박으로투입한시나리오3의통합운영상황을분석한결과이다.분 석결과선박의대기시간은대형선박의영향으로1.7∼2배정 도증가한수치를보였다.NI유형에서는대형선박증가에따 라큰폭으로선박대기시간이증가했지만,B유형부터이러한증가폭이크게줄어들어선석통합을통해대형선박증가에 따른선박대기시간증가폭을줄일수있다는것을확인할수 있었다.
시뮬레이션분석결과, 선박대기시간의경우선석과Q/C통합으로전체통합에준하는감소효과를볼수있음을확인할 수 있었다. 특히혼잡도가증가하면통합단계가더낮은선석통합만으로도큰선박대기시간감소효과를얻을 수 있었다.
선박회전시간(turn-overtime)최소화와컨테이너 처리량을 최대화 목표로 하는 혼합정수모델과 제약식 모델 (Constraints Programming, CP)을제안하였다. 실험결과, 작은인스턴스만해결할수있는혼합정수모델과달리제약식모 델은실제컨테이너터미널운영케이스에서합리적인시간에 최적의솔루션을제시하였다.
특히혼잡도가증가하면통합단계가더낮은선석통합만으로도큰선박대기시간감소효과를얻을 수 있었다. 전배로인한ITT및Y/T이동비용분석결과에서는선석 만통합하는경우는통합하지않은경우에비해효과는미미한 것으로 나타났다. 그리고선석과Q/C통합(BQ유형)의경우는전배발생으로인한추가ITT물량증가로운송비용이가장높 게나타났다.
또한, 대형선박증가의경우도B유형만으로도큰폭의대기시간감소효과가나타남을확인할 수 있다.즉선석통합 만으로도상당한대기시간감소효과를볼수있었으며, 이러한대기시간감소효과는BQ유형까지증가하는 형태를 보인다.
특히혼잡도가증가하면통합단계가더낮은선석통합만으로도큰선박대기시간감소효과를얻을 수 있었다. 전배로인한ITT및Y/T이동비용분석결과에서는선석 만통합하는경우는통합하지않은경우에비해효과는미미한 것으로 나타났다.
인다고할 수 있다.하지만, [Fig.9]을통해, BQ유형과BQY유형의경우선박도착시간간격감소에따른운송비용상승폭이 다른통합유형과비교해큰것을확인하였으며,심각한터미널혼잡상황에서는운송비용측면의비효율이발생할수도있다 는것을알 수 있었다.

후속연구

본연구에서는시뮬레이션결과에기반하여운영적인 관점에서의 통합효과를 분석하였지만 실제 통합화 과정에서는계량화하기힘든정책적인변수가반영될필요성도존재한 다.따라서, 향후 연구로는 운영적 효과뿐만 아니라 정보시스템, 정책 등의 측면에서 통합화에 따른 효과를종합적으로분석하여, 구체적이고 현실성 높은 통합화 방안이 제시되어야 하겠다.

참고문헌 (25)

Agra, A. and Oliveira, M.(2018), "MIP approaches for the integrated berth allocation and quay crane assignment and scheduling problem", European Journal of Operational Research, Vol. 264, No. 1, pp. 138-148.

상세보기
Ahn, K. M., Choo, Y. G. and Lee, K. S.(2010), "Relationship Analysis between Integration Incentive Factor and Integration Effect of Container Terminal by SEM - Primarily on the Busan North Port -", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 34, No. 3, pp. 235-242.

원문보기 상세보기
Busan Port Authority, http://www.busanpa.com.
Cao, J. X., Shi, Q. X. and Lee, D. H.(2010), "Integrated Quay Crane and Yard Truck Schedule Problem in Container Terminals", Tsinghua Science and Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 467-474.

상세보기
Choo, Y. G. and Ahn, K. M.(2009), "A Study on the Container Terminal Concentration for Busan Port", Journal of Korea Port Economic Association, Vol. 25, No. 3, pp. 208-228.
Elwany, M. H., Ali, I. and Abouelseoud, Y.(2013), "A heuristics-based solution to the continuous berth allocation and crane assignment problem", Alexandria Engineering Journal, Vol. 52, No. 4, pp. 671-677.

상세보기
Jang, W. H. and Lee, J. Y.(2018), "A Study on Utilization of Yard Co-petition Area between Adjacent Container Terminals", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 42, No. 6, pp. 501-506.
Kil, K. S.(2012), "A Study on the Integrated Operation of Busan Container Port", Korea Maritime Institute, http://www.kmi.re.kr.
Kim, T. K., Yang, Y. J., Bae, A. K. and Ryu, K. R.(2014), "Optimization of Dispatching Strategies for Stacking Cranes Including Remarshaling Jobs", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 38, No. 2, pp. 155-162.

원문보기 상세보기
Kizilay, D., Eliiyi, D. T. and Hentenryck, P. V.(2018), "Constraint and Mathematical Programming Models for Integrated Port Container Terminal Operations", International Conference on the Integration of Constraint Programming, Artificial Intelligence, and Operations Research, pp. 344-360, Springer.
Korea Maritime Institute(2017), "Hybrid liner terminal: innovative terminal operation concept for Busan new port", p. 94
Korea Maritime Institute(2020), "A Study on the Efficiency Improvement of Inter-terminal Transport(ITT) at Busan Ports", p. 95.
Kuznetsov, A. L., Kirichenko, A. V. and Eglit J. J.(2018), "Simulation Model of Container Land Terminals", the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Vol. 12, No. 2, pp. 321-326.

상세보기
Lee, J. H.(2019), "A Study on the Vessel Waiting Ratio of Container Terminal", Doctoral Thesis of Tongmyong University.
Lee, W. B.(2010), "The berth allocation problem with quay crane in container terminal", Master Thesis of Pukyong National University.
Lim, J. M.(2002), "A development of dynamic berth planning for an integrated simulation system", Master Thesis of Seoul National University.
Lu, B.(2016), "Modelling and Simulation Methodology for Dynamic Resources Assignment System in Container Terminal", Polish Maritime Research Special Issue, Vol. 23, pp. 97-103.

상세보기
Park, E. K., Lee, C. H. and Ha, B. H.(2007), "A study on Correlation between Container Terminal Capacity an Productivity using Simulation Methodology", Korean Operations Research And Management Society, pp. 301-307.
Park, H. C.(2019), "A Study on the Container Terminal Operator Restructuring in Busan Port for enhancing Global Competitiveness", Doctor Thesis of Korea Maritime and Ocean University.
Park, H. C., Lee, S. Y. and Ahn, K. M.(2018), "A Study on the Reconfiguration Effect of Busan Port Operator in Logistics Environment", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 42, No. 6, pp. 507-517.
Park, S. K. and Kim, Y. D.(2016), "Simulation Model Development for Configuring a Optimal Port Gate System", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 40, No. 6, pp. 421-430.

원문보기 상세보기
Park, Y. M. and Kim, K. H.(2011), "A Heuristic Algorithm for Berth Planning with a Limited Number of Cranes", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 35, No. 1, pp. 63-70.

원문보기 상세보기
PORT-MIS, https://new.portmis.go.kr.
Sim, I. S.(2018), "A Study on the Necessity of Integrated operation for Gwangyang Container Terminals", Master Thesis of Chonnam National University.
Youn, K. H.(2003), "A Study on Productivity Improvement at Container Terminals Using Simulation Technique - A Case of H terminal", Master Thesis of Dong-a University.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증