선박의 안전한 접·이안을 담당하는 예선은 항만의 안전하고 효율적인 운영을 위한 여러 요소들 중 무엇보다 중요한 사항이라고 할 수 있다. 그러나 항만의 특징에 따라 보유해야 하는 적정 예선 척수 및 규모에 대한 연구가 부족한 상황이고, 이로 인하여 관계자 간 분쟁이 자주 발생하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 울산항을 중심으로 시뮬레이션 기법을 사용하여 예선의 적정 척수 및 예선 마력 비율을 제시하였다. 먼저, 시뮬레이션 구축을 위한 첫 번째 과정으로 항만 입·출항 및 예선 운영 시스템을 설계하였다. 다음으로, 모델링 시 정의한 입력 변수는 울산항의 2019년 선박 입·출항 데이터를 조사하여 도출하였으며, ARENA 소프트웨어에 입력 가능한 형태로 표준화하였다. 그리고 선박의 입·출항 프로세스를 설계하고, 이를 ARENA 모델로 구현하였다. 마지막으로 6가지의 시나리오에 대한 시뮬레이션 수행 결과, 울산항의 예선 척수를 42척으로 조정할 경우 효과적인 예선 운영이 가능한 것으로 도출되었다.
선박의 안전한 접·이안을 담당하는 예선은 항만의 안전하고 효율적인 운영을 위한 여러 요소들 중 무엇보다 중요한 사항이라고 할 수 있다. 그러나 항만의 특징에 따라 보유해야 하는 적정 예선 척수 및 규모에 대한 연구가 부족한 상황이고, 이로 인하여 관계자 간 분쟁이 자주 발생하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 울산항을 중심으로 시뮬레이션 기법을 사용하여 예선의 적정 척수 및 예선 마력 비율을 제시하였다. 먼저, 시뮬레이션 구축을 위한 첫 번째 과정으로 항만 입·출항 및 예선 운영 시스템을 설계하였다. 다음으로, 모델링 시 정의한 입력 변수는 울산항의 2019년 선박 입·출항 데이터를 조사하여 도출하였으며, ARENA 소프트웨어에 입력 가능한 형태로 표준화하였다. 그리고 선박의 입·출항 프로세스를 설계하고, 이를 ARENA 모델로 구현하였다. 마지막으로 6가지의 시나리오에 대한 시뮬레이션 수행 결과, 울산항의 예선 척수를 42척으로 조정할 경우 효과적인 예선 운영이 가능한 것으로 도출되었다.
The use of tugboats for the safe berthing/unberthing of ships is the most crucial factor in the safe and efficient operation of the harbor. However, the adequate number and size of tugboats that should be held based on the characteristics of the port have not been investigated in detail, which cause...
The use of tugboats for the safe berthing/unberthing of ships is the most crucial factor in the safe and efficient operation of the harbor. However, the adequate number and size of tugboats that should be held based on the characteristics of the port have not been investigated in detail, which causes disputes between involved parties. Therefore, the suitable number of tugboats and the ratio of the tugboat horsepower were determined in this study using simulation techniques, with focus on Ulsan Port. First, the ship and tugboat-operating models were designed for simulation application. Next, the input variables defined in the model design were standardized in an inputtable form using ARENA software. In addition, the arrival and division process of the ship was designed and simulated as an ARENA model. Finally, the simulation results for six scenarios showed that an effective tugboat operation could be achieved when 42 tugboats were held at Ulsan Port.
The use of tugboats for the safe berthing/unberthing of ships is the most crucial factor in the safe and efficient operation of the harbor. However, the adequate number and size of tugboats that should be held based on the characteristics of the port have not been investigated in detail, which causes disputes between involved parties. Therefore, the suitable number of tugboats and the ratio of the tugboat horsepower were determined in this study using simulation techniques, with focus on Ulsan Port. First, the ship and tugboat-operating models were designed for simulation application. Next, the input variables defined in the model design were standardized in an inputtable form using ARENA software. In addition, the arrival and division process of the ship was designed and simulated as an ARENA model. Finally, the simulation results for six scenarios showed that an effective tugboat operation could be achieved when 42 tugboats were held at Ulsan Port.
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문제 정의
1번 시나리오는 현행 울산항 예선 비율과 척수로 구성하여 예선사용기준에 따라 선박에 예선 서비스를 제공할 경우 현재의 예선 척수 및 예선 마력 비율을 적정한지 확인하고자 설계하였다. 그리고 나머지 시나리오 2번~ 6번은 예선 척수와 예선 마력 비율을 서로 다르게 배치하여 가장 효율적인 방안을 확인하고자 설계하였다.
가설 설정
따라서 시나리오 설계 시 모든 선박은 예선사용기준을 준수하여 예선 서비스를 이용하는 것으로 가정하였으며, 시뮬레이션 수행 후 대기 선박이 발생하지 않는 시나리오를 최적의 방안으로 선택하였다.
제안 방법
1과 같이 울산항 항만 환경을 가상환경에 모사하고 구축된 모델링의 적정성 여부를 검증한다. 그리고 검증된 모델링을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 이를 통해 결과를 도출하는 순서로 진행하였다.
이에 본 연구에서는 입·출항 선박의 peak time을 고려한 선박의 운항 패턴, 실질적인 예선운용 상황, 선박의 입·출항 지원 작업 소요시간 등을 입력변수로 설정하였다. 그리고 복잡한 항만 환경을 컴퓨터 가상공간에 모델링한 후 통계적 실험을 수행할 수 있는 시뮬레이션 기법을 활용한 분석을 실시하였다. 그리고 시뮬레이션 분석을 통해 항만의 적정 예선 척수 뿐 아니라 예선 마력별 척수 비율도 제시하였다.
그리고 선박의 입·출항 프로세스와 예선 서비스 프로세스를 결합한 시뮬레이션 프로세스를 설계하고, 이를 ARENA 시뮬레이션 소프트웨어 모델로 구현하였다.
그리고 복잡한 항만 환경을 컴퓨터 가상공간에 모델링한 후 통계적 실험을 수행할 수 있는 시뮬레이션 기법을 활용한 분석을 실시하였다. 그리고 시뮬레이션 분석을 통해 항만의 적정 예선 척수 뿐 아니라 예선 마력별 척수 비율도 제시하였다.
본 연구에서 설계한 시뮬레이션 모델의 검증을 위해 2019년 울산항 이용 선박 및 예선 서비스 이용 선박 비율 자료 등을 입력하였다. 그리고 시뮬레이션 워밍업 시간은 30일, 시뮬레이션 수행기간은 365일, 그리고 프로세스 반복 횟수는 10회로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 입항 선박의 peak time을 반영하기 위해 울산항 입항 선박 전체의 선박 도착 간 시간간격을 함수 분포식으로 표준화하여 시뮬레이션 입력 변수로 사용하였다. 그리고 여기에서 생성된 선박을 부두 그룹별로 분류하고, 이를 다시 항만 그룹별 선박 도착 간 시간 간격을 함수 분포식으로 표준화하여 시뮬레이션 입력 변수로 사용하였다.
그리고 울산항 입·출항 선박의 AIS 자료 분석을 근거로 선박은 항내에서 평균 6노트의 속력으로 항해하며, 이 때 소요되는 예선 서비스 시간을 산정하였다.
즉, 입력변수는 울산항 입·출항 선박 척수, 선박 도착 및 출항 간 시간 간격, 예선 운영 규칙, 입항 선박 톤수 분포, 입항 선박 시간별 분포, 그리고 울산항 예선 서비스 시간으로 설계하였다. 그리고 출력 변수로는 생성된 선박 척수, 일일 예선 운영 척수, 일일 예선 마력별 운영 척수, 전체 시뮬레이션 시간, 연간 예선 이용 선박 척수로 설계하여 시뮬레이션 모델링의 타당성 검증 및 결과도출에 활용하였다.
다만, 울산항은 초대형 VLCC선박의 입·출항 실적이 있는 점을 감안하여 5,000마력급과 6,000마력급 예선을 최소 2대씩 배치하여 설계하였다.
다음으로, 시스템 설계 시 정의한 입력 변수는 울산항의 2019년 선박 입·출항 데이터를 조사하여 도출하였으며, ARENA 시뮬레이션 소프트웨어에 입력 가능한 형태로 표준화하였다.
따라서 이 변수를 시뮬레이션의 변수로 입력할 때 평균값 또는 중앙값 등의 확정 수치가 아닌 확률변수로 입력해야 실제와 유사한 시뮬레이션을 구현할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 하역 작업 시간을 함수분포 식으로 표준화한 후 이를 시뮬레이션모델에 입력하였다.
또한 본 연구에서 구축하고자 하는 시뮬레이션 모델은 분 단위까지의 자세한 시뮬레이션 결과는 필요하지 않다. 따라서 울산항은 취급 화물의 종류, 선종, 그리고 지리적 위치를 기준으로 부두를 5개로 그룹화하여 각각에 대해 모델링하였다. 단, 예선을 대부분 사용하지 않는 기타 계류시설 사용 선박은 조사 및 시뮬레이션 모델링에서 제외하였다.
먼저, 시뮬레이션 구축을 위한 첫 번째 과정으로 항만 입·출항 및 예선 운영 시스템을 설계하였다.
본 연구는 우리나라 무역항 중에서 위험화물운반선의 입·출항 비율이 가장 높고, 예선 척수가 48척으로 가장 많으며, 예선업체 간에 마찰이 자주 발생하고 있는 울산항을 연구 범위로 설정하여 조사·분석하였다(IUSM, 2015).
본 연구에서는 입항 선박의 peak time을 반영하기 위해 울산항 입항 선박 전체의 선박 도착 간 시간간격을 함수 분포식으로 표준화하여 시뮬레이션 입력 변수로 사용하였다. 그리고 여기에서 생성된 선박을 부두 그룹별로 분류하고, 이를 다시 항만 그룹별 선박 도착 간 시간 간격을 함수 분포식으로 표준화하여 시뮬레이션 입력 변수로 사용하였다.
시뮬레이션 워밍업 시간은 60일, 시뮬레이션 수행 기간은 365일, 그리고 프로세스 반복 횟수는 10회로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
식(1)은 이산 확률변수(Discrete probability distribution) X의 확률 질량함수로 표준화하는 수식을 나타내며, 본 연구에서는 항만 그룹별로 입항 선박의 톤수별 분포의 입력 변수에 대해 적용하였다.
5는 항만 물류 분야에서 주로 사용하는 시뮬레이션 프로그램인 ARENA 소프트웨어를 이용해 시스템을 설계한 것이다. 우선, Create Module을 이용해 함수 분포에 따라 Entity(선박)를 생성하고, 해당 선박에 각종 변수를 할당하였으며, Decide Module을 이용해 정해진 비율에 따라 5가지 항만 그룹으로 분류하였다. 그리고 Table 11의 기준에 따라 접·이안 선박이 요구하는 예선 마력을 결정한 후 ‘예선 서비스→ 하역 작업 → 예선 서비스 → 출항’ 프로세스를 서브 모델로 구현하였다.
우선, 선박이 항만에 입항하면 접안 작업을 위해 필요한 예선 규모를 할당하고, 서비스 가능 예선 유무를 확인한다. 이때 가능 예선이 없으면 지정된 묘박지에 투묘하고, 예선 서비스가 가능할 때까지 대기한다.
이를 통해 상황에 따라 선박 입·출항에 필요한 예선 척수와 마력이 자동으로 할당될 수 있도록 프로세스를 정의하였다.
이에 본 연구에서는 울산항을 중심으로 시뮬레이션 기법을 사용하여 예선의 적정 척수 및 예선 마력 비율을 제시하였으며, 연구 내용을 정리하면 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 입·출항 선박의 peak time을 고려한 선박의 운항 패턴, 실질적인 예선운용 상황, 선박의 입·출항 지원 작업 소요시간 등을 입력변수로 설정하였다.
이에 본 연구에서는 항만 분야에서 많이 사용하는 ARENA 시뮬레이션(v.15.1) 소프트웨어를 사용하여 Fig. 1과 같이 울산항 항만 환경을 가상환경에 모사하고 구축된 모델링의 적정성 여부를 검증한다. 그리고 검증된 모델링을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 이를 통해 결과를 도출하는 순서로 진행하였다.
Table 10은 울산항 입항 선박의 톤수에 따라 할당되는 예선의 마력과 척수를 정의한 것이다. 즉, 선박 톤수에 따라 요구되는 예인선 마력에 대하여, 이를 만족시킬 수 있는 경우의 수를 모두 도출하였으며, 이를 시뮬레이션에 반영하였다. 이를 통해 상황에 따라 선박 입·출항에 필요한 예선 척수와 마력이 자동으로 할당될 수 있도록 프로세스를 정의하였다.
즉, 입력변수는 울산항 입·출항 선박 척수, 선박 도착 및 출항 간 시간 간격, 예선 운영 규칙, 입항 선박 톤수 분포, 입항 선박 시간별 분포, 그리고 울산항 예선 서비스 시간으로 설계하였다.
대상 데이터
따라서 본 연구에서는 울산항 입·출항 선박 중 예선을 사용한 선박의 비율을 조사하고 이를 시뮬레이션 모델링에 반영하여 최종적으로는 시뮬레이션 모델의 검증 자료로 활용하였다.
본 연구에서 설계한 시뮬레이션 모델의 검증을 위해 2019년 울산항 이용 선박 및 예선 서비스 이용 선박 비율 자료 등을 입력하였다. 그리고 시뮬레이션 워밍업 시간은 30일, 시뮬레이션 수행기간은 365일, 그리고 프로세스 반복 횟수는 10회로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
이론/모형
울산항의 적정 예선 척수 분석을 위한 연구 방법으로 시뮬레이션 기법을 사용하였다. 시뮬레이션 기법은 복잡한 전체 시스템을 표현하고 동시에 시스템 입력 요소와 출력 요소 간의 관련성을 표현할 수 있다(Jeong, 2016).
1절에서 정의한 모델링 입력변수를 소프트웨어에 입력하기 위해서는 표준화 작업이 필요하다. 이에 본 연구에서는 울산항의 2019년 자료를 수집하고, 이를 표준화하는 작업은 ARENA 시뮬레이션 소프트웨어에서 제공하는 Input analyser를 사용하였다.
성능/효과
결론적으로 울산항의 예선 척수는 42척을 배치하고, 예선 마력 비율은 1,000마력급 16척, 2,000마력급 10척, 3,000마력급 5척, 4,000마력급 7척, 5,000마력급 2척, 그리고 6,000마력급 2척으로 조정할 경우 효과적인 예선 운영이 가능할 것으로 판단된다.
그 결과, 제도 전환 전인 1995년에는 28개사 113척이었던 예선 규모가 2019년 1월 1일 기준으로 77개사 305척으로 큰 폭으로 증가하게 되었다(KTC, 2019).
0척으로 도출되었다. 따라서 3가지의 시나리오 중 전체 예선 척수가 가장 적은 시나리오 5번이 예선 척수 및 예선 마력 비율이 울산항에 가장 적합한 것으로 도출되었다.
또한 상대적으로 입항 선박 척수가 적은 대형선이 접·이안할 때 필요한 고마력 예선의 경우 가동율이 낮은 것으로 나타났다.
즉, 최대 동시 작업 예선 척수는 19척으로 현재 울산항에서 운용중인 48척과는 많은 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 예선 마력별 평균 가동율은 1,000마력급이 25.7 %로 가장 높고, 6,000마력급이 0.02 %로 가장 낮은 것으로 나타났다.
7 %로 일치하는 것으로 나타났다. 또한 예선 서비스를 받은 선박 척수도 실제 자료와 110.4 %로 일치하는 것으로 나타났다. 즉, 본 연구에서 설계한 시뮬레이션 모델은 실제의 현상을 ±0.
그리고 선박의 입·출항 프로세스와 예선 서비스 프로세스를 결합한 시뮬레이션 프로세스를 설계하고, 이를 ARENA 시뮬레이션 소프트웨어 모델로 구현하였다. 마지막으로 6가지의 시나리오에 대한 시뮬레이션 수행 결과, 대기 선박이 발생하지 않는 시나리오 5번(예선척수 42척)을 최적의 안으로 도출하였다.
시나리오별 시뮬레이션 결과, 1,000마력급 예선의 가동율이 모든 시나리오에서 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 상대적으로 입항 선박 척수가 적은 대형선이 접·이안할 때 필요한 고마력 예선의 경우 가동율이 낮은 것으로 나타났다.
또한 상대적으로 입항 선박 척수가 적은 대형선이 접·이안할 때 필요한 고마력 예선의 경우 가동율이 낮은 것으로 나타났다. 예선의 평균 가동율은 약 27 % ~ 30 % 수준이며, 예선 부족으로 인한 대기 선박의 척수는 시나리오 1번, 2번, 그리고 6번에서 시뮬레이션 기간(1년)동안 평균 0.1척인 것으로 나타났다.
우선, 울산항 도착선박 척수에 대한 2019년 자료는 23,033척이며, 시뮬레이션 결과는 22,962척으로 실제 자료와 99.7 %로 일치하는 것으로 나타났다. 또한 예선 서비스를 받은 선박 척수도 실제 자료와 110.
우선, 현행 울산항 예선 척수 및 비율을 적용한 시나리오 1번은 예선 척수가 48척임에도 불구하고 평균 대기 선박 척수가 0.1척인 것으로 나타났다. 이는 수요가 집중되는 마력의 예선 척수는 상대적으로 적고, 그렇지 않은 마력의 예선이 많기 때문인 것으로 판단된다.
즉, 본 연구에서 설계한 시뮬레이션 모델은 실제의 현상을 ±0.5 % 범위 내로 반영하며, 결과적으로 시뮬레이션 모델의 타당성이 검증되었다고 볼 수 있다.
Table 11은 시뮬레이션 수행 결과를 나타낸 것이다. 즉, 최대 동시 작업 예선 척수는 19척으로 현재 울산항에서 운용중인 48척과는 많은 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 예선 마력별 평균 가동율은 1,000마력급이 25.
후속연구
첫 번째는 항만의 입·출항 선박과 예선 운영 프로세스를 시뮬레이션으로 구현하여 예선의 척수 및 예선 마력 비율 도출 방법론을 제시했다는 점이다. 두 번째는 기존 연구의 한계점이었던 항만 입항 시간의 불규칙성을 모델링으로 구현하고, 대기 선박이 발생하지 않는 수준에서의 예선 척수 및 마력 비율을 제시하여 입항 선박의 불규칙성에 대응할 수 있는 예선 척수를 제시하였다는 점이다.
향후에는 부두별로 선박 입·출항 및 예선 서비스 프로세스를 설계하여 결과에 대한 신뢰도 향상 및 결과 구체화를 위한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 본 연구에서 제시한 결과가 예선 사용료 측면에서도 가장 효과적인 방안인지에 대한 추가적인 연구도 필요하다.
이 연구 결과는 법령에 근거하여 예선 수급 계획을 수립할 때 예선 규모 결정을 위한 정량적인 자료로 활용할 수 있다고 판단된다.
예선은 항만의 효율성 향상 뿐 아니라 입·출항 선박의 안전 도모 측면에서 매우 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 이러한 측면에서 볼 때 이 연구는 항만별 적정예선 척수를 결정하는데 좀 더 객관적인 방법론을 제시해 줄 수 있으며, 나아가 항만계획을 수립할 때 예선 정계지 설계 시 참고자료로 활용할 수 있을 것이라고 판단된다.
향후에는 부두별로 선박 입·출항 및 예선 서비스 프로세스를 설계하여 결과에 대한 신뢰도 향상 및 결과 구체화를 위한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 본 연구에서 제시한 결과가 예선 사용료 측면에서도 가장 효과적인 방안인지에 대한 추가적인 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
예선은 무엇인가?
예선은 입·출항 선박을 부두나 계류시설에 안전하게 접·이안시키는 지원 업무를 수행하는 선박이다. 이는 선박이 안전하게 항만을 입·출항하는데 있어서 항만관제시스템, 도선 서비스와 더불어 매우 중요한 역할을 담당한다.
한국은 항만 예선 사업을 언제 등록제로 전환하였는가?
1995년 우리나라는 항만 예선 사업을 위한 진입 제도를 허가제에서 등록제로 전환함으로써 자격조건만 갖추면 누구나 예선시장에 진입할 수 있게 되었다.
선박이 안전하게 항만을 입출항하는데 있어서 예선과 더불어 중요한 것은 무엇인가?
예선은 입·출항 선박을 부두나 계류시설에 안전하게 접·이안시키는 지원 업무를 수행하는 선박이다. 이는 선박이 안전하게 항만을 입·출항하는데 있어서 항만관제시스템, 도선 서비스와 더불어 매우 중요한 역할을 담당한다.
참고문헌 (9)
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Jeong, J. Y.(2016), A Study of Tugboat Operation Strategies in Accordance with Opening the Incheon Newport-Based on Arena Simulation, Master's Thesis, Graduated School of Logistics, Inha University.
KTC(2015), A Study on the Improvement of Tug System and Promotion Plan of Tug Industry, Korea Tugbusiness Corporation Report, Vol. 244, pp. 117-124.
KTC(2018), A Study on the Optimal Number of Tug Boat Supply Planning, Korea Tugbusiness Corporation Report, Vol. 342, pp. 254-297.
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Shahpanah, A., A. Hashemi, G. Nouredin, S. M. Zahraee, and S. A. Helmi(2014), Reduction of Ship Waiting Time at Port Container Terminal Through Enhancement of the Tug/Pilot Machine Operation, Vol. 68, No. 3, pp. 63-66.
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