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문제 정의
- 계류안전성 평가는 해상교통안전진단의 항목 중 해상교통 시스템 적정성 평가 요소이며, 계류된 선박이 바람, 조류 및 조위 변동, 파랑 등의 외력을 받을 경우를 종합적으로 고려하여 선박의 계류안전성을 정량적으로 평가하는데 그 목적이 있다.
- 결과와 비교하고자 한다. 또한 실제 선박의 Roll 동요량이 하역안전성 한계 값을 초과하는 경우 그 시간대의 해상교통 특성을 분석하여 해상교통특성이 계류중인 선박의 Roll 동요량에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.
- 본 연구에서는 Portable 계측시스템을 제작하여 실제 선박의 Roll 동요량을 계측하고 그 분석 결과를 프로그램 시뮬레이션 결과와 비교하고자 한다. 또한 실제 선박의 Roll 동요량이 하역안전성 한계 값을 초과하는 경우 그 시간대의 해상교통 특성을 분석하여 해상교통특성이 계류중인 선박의 Roll 동요량에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.
제안 방법
- 1차 변환은 분당 9, 000여개의 데이터 셋을 1개의 데이터셋으로 변환하였으며, 변환시 각 현측 최대 동요량이 1개의 데이터 셋을 이루도록 변환하였다.
- 2차 변환된 데이터 셋을 바탕으로 하역안전성 평가 한계치를 초과하는 Roll 동요량을 추출하기 위하여 각각의 데이터 셋을 peak to peak 동요량으로 분석하였다.
- 변환하였다. 2차 변환시 단위 시간의 설정을 위하여 대상 해역의 선박 통항항적을 바탕으로 직선항행 구간, 부두 직각 방향의 통과선을 통과한 선박의 평균 속력을 검토하였다. 통과선을 통과한 선박의 평균 속력은 10.
- 기상조건인 풍속과 풍향은 Portable 계측시스템 설치 기간 동안의 순간최대 풍향 및 풍속을 적용하였다. 기상청 관측자료에 따르면 9월 29일부터 10월 9일까지 순간최대풍향 및 풍속은 Table 3와 같으며 최대 풍속은 10월 4일 북풍 13.
- 본 연구에서는 Portable 계측시스템을 제작하여 실제 선박의 Roll 동요량을 계측하고 그 분석 결과를 프로그램 시뮬레이션 결과와 비교하였으며, 실제 선박의 Roll 동요량이 하역 안전성 한계치를 초과하는 경우 그 시간대 해상 교통 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 한계치를 명시하고 있다(MOF, 2017). 본 연구에서는 대상 선박인 총톤수 4, 700톤급 실습선의 하역안전성 기준을 연안 화물선 10, 000DWT미만 선박의 본선 하역장비 사용 기준인 peak to peak Roll 동요량 2°로 설정하였다.
- 선박의 Roll 동요량을 계측하기 위하여 Portable 계측시스템을 제작하였다. 제작 방법은 Fig.
- 설치하였다. 수집된 데이터를 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 부두 직각 방향으로 통과선을 설정하여, 입항 및 출항 선박을 분석하였다.
- 시뮬레이션 수행을 위한 환경외력은 기상조건과 해상조건으로 구분되며, 기상조건은 풍향과 풍속, 해상조건은 조류, 조위 및 파고로 구분하였다.
- 실습선의 운항일정을 고려하여 장기간 정박이 가능한 기간을 조사하여, 계측기간은 2020년 9월 29일 16시~10월 9일 22시까지로 계획하였다.
- 제작하였다. 제작 방법은 Fig. 1과 같이 독자적으로 동작이 가능한 소형 컴퓨터인 Raspberry pi에 6축 자이로 센서 (MPU-6050)를 이용하여 선박 Roll 동요량을 계측한 후 메모리 카드에 저장 및 LCD 모니터로 모니터링이 가능하도록 제작하였다.
- 2와 같이 가시화한 항적을 바탕으로 직선항행 구간은 840m로 적용하였다. 해당 직선구간의 평균 통항시간이 2.57 분 소요됨을 바탕으로 입출항 선박 모두를 검토하기 위하여 단위시간을 5분으로 설정하였다.
- 해상조건은 대상부두에서 수행된 2018년 신규실습선 건조에 따른 접안시설 축조 시의 수치모형실험결과를 반영하여 최강창조류 유향 130°, 유속 0.2knots로 적용하고 최강낙조류는 310°, 0.2knots를 적용하였다(MMU, 2018). 조위는 10 월 2일이 삭(new moon) 시기임을 고려하여 대조평균고조위 (H.
대상 데이터
- 계측된 Roll 동요량과의 비교를 위하여, 하역안전성 평가 시뮬레이션 대상선박은 목포해양대학교 실습선인 총톤수 4, 700톤급 새누리호로 선정하였다. 새누리호의 제원은 Table 1과 같다.
- 고려하여야 한다. 그러나 일반화물선의 경우 접안시간이 길지 않고, 연속된 데이터를 수집하기가 어렵기 때문에 전용부두에 접안하여 장기간 정박이 가능한 목포해양대학교 실습선 새누리호를 대상선박으로 선정하였다.
- 데이터 분석결과 중 peak to peak Roll 동요량이 1도 이상 발생한 횟수는 총 136회였으며 데이터 오류를 확인하기 위하여 136개의 데이터 셋에 대해 변환 전 1/150초 단위 데이터 셋을 재검토 하였다. 검토 결과 Fig.
- 목포항의 해상교통특성을 분석하기 위하여 AIS(Automatic Identification System) 수집 장비를 Portable 계측시스템 설치기간과 동일하게 2020년 9월 29일~10월 9일까지 설치하였다. 수집된 데이터를 분석하기 위하여 Fig.
- 위 조건을 검토하였을 때 직선항로 구간이 배치되어 있으며, 도서지역을 운항하는 여객선과 목포-제주항로를 정기적으로 운항하는 총톤수 10, 000톤급 이상의 선박 통항이 빈번한 목포항을 대상항만으로 선정하였다.
- 결과이다. 총톤수 20, 000톤 이상의 선박은 화물선 1척이 출항하였으며, 총톤수 10, 000~20, 000톤급 선박은 화물선 9척을 제외한 40척(81.6%)의 선박이 목포-제주를 운항하는 여객선으로 분석되었다. 통과 속력별 분석결과에서는 15knots 이상의 선박 97척 중 기타선박을 24척을 제외한 73척(75.
이론/모형
- 본 장에서는 실제 선박에서 계측된 Roll 동요량과의 비교를 위해 국내 해상교통안전진단 계류안전성 평가 시뮬레이션에 사용되고 있는 프로그램인 TTI(Tension Technology International) 사의 OPTIMOOR S/W(Ver. 6.7.6)를 이용하여 하역안전성 평가를 수행하였다(Kim, 2020).
- 측정값들은 CPU 부하나 주위 환경에 의해 오차가 발생하므로 오차를 보정하기 위해 Complementary filter와 Calman filter 를 사용한다. Complementary filter는 high pass filter와 low pass filter로 구성되어 있고 전자는 임계치 이하의 값은 버리고 높은 값만 통과시키고 후자는 높은 값은 버리고 낮은 값을 통과시킨다.
성능/효과
- (1) 실제 선박에 Portable 계측시스템을 설치하여 선박의 선체 Roll 동요량을 계측한 결과 총 2, 592회 시간대의 평균 peak to peak Roll 동요량은 0.37°였으며, 최대 동요량은 3.44° 로 분석되었다.
- (2) OPTIMOOR S/W를 사용한 선체 Roll 동요량 시뮬레이션 결과 peak to peak Roll 동요량은 최대 0.8°가 가장 높게 평가되었으며, 이는 10, 000DWT미만 연안화물선이 본선 하역 장비를 이용할 경우 Roll 동요량 한계치인 2° 미만으로 하역 안전성이 확보되는 것으로 평가되었다.
- (3) Portable 계측시스템을 설치하여 계측한 동요량 중 하역한계치를 초과하는 총 15회의 시간대를 해상교통조사 결과와 비교 검토한 결과 선박의 속력이 15knots 이상인 횟수는 9회(60.0%)였으며, 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 시간대는 13회(86.7%)로 분석되었다. 최대 속력이 15knots 이상이며, 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 조건에서 하역 안전성 한계치가 초과한 시간대는 총 8회(53.
- (4) 또한, 하역안전성 한계치 Roll 동요량을 초과하는 시간대는 18~19시 6회, 21~22시 5회로 두 시간대가 총 11회 (73.3%)를 차지하였으며, 해당 시간대는 목포-제주간 10, 000 톤급 이상의 여객선이 입항하는 시간대와 일치함을 알 수 있었다.
- OPTIMOOR S/W를 이용한 시뮬레이션 결과 선박의 Roll 동요량 최대치는 0.8°로 평가되었으나, 실제 선박에 Portable 계측시스템을 설치하여 계측한 동요량은 최대 3.44°로 계측되었다. Peak to peak 동요량이 하역안전성 한계치인 2°를 초과하는 단위시간 발생 횟수는 18회로 분석되었으며, Table 5 는 하역 한계치를 초과하는 선박 동요량이 발생한 시간대를 조사한 결과이다.
- 셋을 재검토 하였다. 검토 결과 Fig. 3에 표시된 4개의 데이터 셋이 10초 이내의 시간동안 동요량이 급격하게 증가한 것을 확인하였으며, 전후 단위 시간대에서는 동요량의 변화가 거의 없음을 고려하여 해당 4개의 데이터는 분석에서 제외하였다.
- 계측되는 선박 Roll 동요량의 정확도 및 연속성을 위해 데이터의 저장간격은 약 1/150초로 설정하여 간헐적으로 발생하는 이상 데이터로 부터의 오차를 최소화 하였다.
- 결과는 Table 4와 같다. 본 연구에서 검토하고자 하는 Roll 동요량은 Case No.6 결과와 같이 낙조류 대조평균저조위에서 0.8°로 가장 높게 평가되었으며, 이는 항만 및 어항설계기준에 따르면 10, 000DWT미만 연안화물선이 본선 하역 장비를 이용할 경우 Roll 동요량 한계치인 peak to peak 2° 미만으로 하역안전성이 확보되는 것으로 평가된다.
- 분석결과 18~19시, 21시~22시에 총 14회(77.8%) 발생하는 것으로 분석되었으며, 이를 바탕으로 대상항만의 해상교통 특성과 비교하여 그 결과를 검토하였다.
- 분석된 결과를 살펴보면 하역안전성 한계치 Roll 동요량을 초과하는 시간대는 18~19시 6회, 21~22시 5회로 두 시간대가 총 11회(73.3%)를 차지하는 것을 알 수 있으며, 해당시간대는 목포-제주간 10, 000톤급 이상의 여객선이 입항하는 시간대와 일치함을 알 수 있었다.
- 총 2, 592회의 시간대의 평균 peak to peak Roll 동요량은 0.37°였으며, 최대 동요량은 3.44°로 분석되었다.
- 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 시간대 중 단 1회만 화물선이 통항하였으며, 그 외의 시간대는 모두 목포-제주를 운항하는 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다. 통항 선박의 최대 속력이 15knots를 초과하는 9회 중 7회가 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다.
- 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 시간대 중 단 1회만 화물선이 통항하였으며, 그 외의 시간대는 모두 목포-제주를 운항하는 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다. 통항 선박의 최대 속력이 15knots를 초과하는 9회 중 7회가 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다.
- 7%)로 분석되었다. 최대 속력이 15knots 이상이며, 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 조건에서 하역안전성 한계치가 초과한 시간대는 총 8회(53.3%)로 분석되었다.
- 7%)로 분석되었다. 최대 속력이 15knots 이상이며, 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 조건에서 하역안전성 한계치가 초과한 시간대는 총 8회(53.3%)로 분석되었다.
- 6%)의 선박이 목포-제주를 운항하는 여객선으로 분석되었다. 통과 속력별 분석결과에서는 15knots 이상의 선박 97척 중 기타선박을 24척을 제외한 73척(75.3%)은 모두 여객선인 것으로 분석되었다.
- 통항 선박의 최대 속력이 15knots를 초과하는 9회 중 7회가 여객선이 통항하는 것으로 분석되었다.
- 하역한계치를 초과하는 총 15회의 시간대 중 선박의 속력이 15knots 이상인 횟수는 9회(60.0%)였으며, 총톤수 10, 000톤이상의 선박이 통항한 시간대는 13회(86.7%)로 분석되었다. 최대 속력이 15knots 이상이며, 총톤수 10, 000톤 이상의 선박이 통항한 조건에서 하역안전성 한계치가 초과한 시간대는 총 8회(53.
후속연구
- 본 연구 결과는 하역안전성 평가 시 해상교통특성 반영을 제안하는 기초 연구로 활용될 수 있으며, 이는 선박의 하역 안전성 확보를 위한 평가의 신뢰도를 높일 수 있는 방안으로 사료된다. 향후 연구에서는 항주파 계측을 위한 시스템을 제작하여 통항 선박과 계류중인 선박 동요량의 상관관계에 대하여 제안하고자 한다.
- 사료된다. 향후 연구에서는 항주파 계측을 위한 시스템을 제작하여 통항 선박과 계류중인 선박 동요량의 상관관계에 대하여 제안하고자 한다.
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