1. 서 론

2017년 12월 인천 영흥도에서 발생한 급유선과 낚시어선 충돌사고를 비롯하여 최근 신안 해상에서 발생한 소형 어선 끼리의 충돌사고, 여수 월호도 인근에서 발생한 낚시어선과 소형어선 사고 등 소형 어선 충돌 사고로 인한 크고 작은 인 명 피해가 잇따라 발생하고 있다. 한편 국내 해양사고 통계 에 따르면 최근 5년간 발생한 국내 해양사고 중 어선 사고 가 약 68.2%, 100톤 미만의 선박 사고가 약 80.0 %를 차지하 고 있다(KMST, 2018). 또한 어선 사고 중 11.6 %는 충돌 사고 로 기관 손상 다음으로 높은 비율을 차지하고 있으며, 그 원 인으로는 경계소홀, 항행법규 위반 등 운항과실이 충돌 사 고 원인의 약 94.6%를 차지하고 있다. 이러한 인적오류에 의한 해양사고를 예방하기 위하여 해양수산부에서는 5톤 미 만의 어선원에 대한 교육·훈련 규정 마련 등 교육 강화 및 근로환경 개선 등 선박종사자의 안전역량 제고를 위해 노력 하고 있으나, 여전히 소형 선박은 해양사고에 매우 취약한 실정이다.

한편, 어선의 충돌 예방을 위한 대책 방안으로 Lee(2004) 는 공기 중에 초음파 펄스를 발사하여 충돌위험을 오디오와 발광 경보신호를 알려주는 초음파 경보 시스템을 제안하였 으며, Lee et al.(2011)은 이동통신망을 이용한 대책 방안으로 휴대전화를 이용한 안전운항 지원 프로그램을 활용하는 방 안을 제시하였다. 또한 Seo et al.(2018)은 AIS대신 스마트폰 에서 동작할 수 있는 소형선박 항해지원시스템을 개발하여 보고하였다.

본 연구와 관련있는 충돌 예방 알고리즘에 관한 선행 연 구로는 Kim et al.(2011)가 조우선박의 상대방위를 측정함으 로써 자선이 피항선인지 유지선인지 판단한 후 타원형 선박 안전영역 모델을 이용하여 피항 시점을 결정하는 알고리즘 을 개발한 연구가 있으며, Wang et al.(2017)은 선박 조종 시 에 실시간으로 동적 DCPA와 TCPA를 지원할 수 있는 시스 템을 제안하였다.

지금까지 제안된 연구에서는 통신 수단으로 초음파나 휴 대전화를 활용한 어선 충돌 예방 시스템을 제안하였고, 단 순히 거리에 의한 경보를 발생하거나 명확한 경보 기준을 제시하지 못하였다. 또한 AIS를 기반으로 상선 대상의 충돌 알고리즘을 제안하였기 때문에 소형 선박의 조종 특성을 반 영하는데 한계가 있다.

따라서 본 연구에서는 소형 선박의 특성을 반영할 수 있 는 새로운 통신기술을 기반으로 충돌 예방 알고리즘을 고안 하고 이를 해양사고에 적용하여 그 실효성을 검증하고자 하 였다.

2. 선행연구 및 이론적 고찰

2.1 WAVE 통신의 이론적 고찰

차량용 무선통신기술(Wireless Access in Vehicular Environments, WAVE)은 도로교통과 IT 기술의 융합으로 차량과 차량, 차 량과 인프라 통신을 지원하여 차량의 안전을 확보하는 통신 서비스이다. 도로교통뿐만 아니라 최근에는 철도 교통 분야 에서도 WAVE통신 적용을 위한 시험 평가를 수행했을 뿐만 아니라, 해상에서도 실선 실험을 통해 해상적용 가능성을 검토하였다. Table 1은 WAVE 통신과 AIS를 비교한 표이다.

WAVE 통신 기술은 Device to Device 통신이 가능하고, 사 용료가 없으며 전송주기가 100 msec으로 신뢰성 높은 통신이 가능하다는 장점이 있지만, 통신거리가 최대 약 5해리인 것 은 단점일 수 있다(Kang et al., 2018).

한편, 일반적으로 해상에서 선박과 선박 또는 선박과 연 안 기지국간의 항해 관련 데이터 통신을 위한 시스템으로 선박자동식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 활용 하고 있다. AIS는 해양수산부 고시의 선박설비기준 제108조 의5에 의거하여 연해구역 이상을 항해하는 총톤수 50톤 이 상의 선박에 필수로 탑재하고, 어선설비기준 제188조에 의 거하여 10톤 이상의 어선에 필수로 탑재하도록 하고 있기 때문에 AIS 필수로 탑재한 많은 선박 간의 정보 교환이 자 유롭고, 통신거리가 약 50해리라는 장점이 있지만 통신 주기 가 약 2초~ 3분으로 조종 성능이 좋은 소형 선박의 특성을 반영하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 WAVE 통신과 AIS의 장단점을 비교·분석하고, 소형 선박의 특성을 반영할 수 있는 장점을 가진 WAVE 통신 기술을 적용하고자 하였다.

2.2 충돌 예방 알고리즘의 선행 연구

소형선박의 충돌 예방 알고리즘을 구성하기 위하여 기존 의 소형선박 및 일반상선 대상의 충돌 예방 관련 연구를 분 석하고자 하였다.

Lee(2004)는 선박의 상부층에 초음파 센서를 설치하고 공 기 중에 초음파 펄스를 발사하여 충돌 위험율 오디오와 발 광 경보신호를 알려주는 초음파 경보 시스템을 제안했다. 이때 경보신호 거리는 초음파 특성을 고려하여 50 m에서 처 음 발생하여 위험성이 높아짐에 따라 반복 주기를 짧게 하 여 운항자의 반사 신경을 자극하도록 개발하였다.

Lee et al.(2011)은 소형 선박 내 AIS 탑재의 어려움에 대한 방안으로 대부분의 성인이 휴대하고 다니는 휴대폰을 활용 하여 충돌 예방에 도움을 주고자 하였다. 휴대폰을 통해 파 악된 위치 정보를 바탕으로 TCPA와 DCPA값을 계산하여 알 려준다면 사고 예방에 도움이 될 것이라고 제안하였다.

Seo et al.(2018) 서버가 AIS 수신기와 연계하여 스마트 폰 위치와 AIS 정보를 모두 수집하고, 이 정보를 스마트 폰 에 제공함으로써 안전항해를 지원하는 시스템을 개발하였 다. 이 연구에서는 국토교통성의 가이드라인에 따라 500 m 이내에 접근할 경우 경고를 울리도록 개발하였고, 해상 실 험을 통하여 시스템이 문제없이 작동함을 확인하였다.

Kim et al.(2011)은 상대 방위를 관측하여 본선이 CORLEG 에 의한 피항선 또는 유지선의 위치에 있는지를 판단하여 충돌 회피 동작을 수행하는 알고리즘을 제안하였다.

Szlapczynski and Szlapczynska(2016)은 도메인 기반의 충돌 파라미터로 Degree of Domain Violation(DDV)와 Time to Domain Violation(TDV)를 사용하여 충돌 위험을 판단하는 알고리즘 을 제안하였다.

Wang et al.(2017)은 충돌 회피 동적 지원 시스템을 개발하 였는데, 이 시스템은 선박 조종 모션 및 컨트롤 메커니즘, 동적 계산 모델 등을 활용하여 선박 조종 시에 실시간으로 동적 DCPA와 TCPA를 지원할 수 있는 시스템이다.

Table 2는 충돌예방 알고리즘 선행연구를 요약한 표이다.

본 연구에서는 각각 3가지의 상선, 어선과 관련된 선행연 구를 제시하였으나, 그 외에도 충돌 예방과 관련된 많은 연 구가 AIS 기반 상선 대상으로 이루어졌음을 확인하였으며, 어선과 관련된 충돌예방 연구에서는 초음파 또는 휴대전화 의 통신장비를 사용하여 단순히 Distance만을 이용하였거나 명확한 DCPA/TCPA의 기준을 제시하지 않았다. 반면에 상선 에 관한 선행연구에서는 AIS를 기반으로 선박안전영역과 DCPA/TCPA 등을 기준으로 보다 명확한 기준을 제시하였으 나, 다소 복잡하다는 한계가 존재하였다. 따라서 본 연구에 서는 두 선박이 조우하는 상황에서 위험 여부를 결정할 수 있는 가장 일반적인 방법인 TCPA와 DCPA를 기반으로 충돌 예방 알고리즘을 구축하고자 하였다.

2.3 TCPA/DCPA의 이론적 고찰

TCPA(Time of the Closest Point of Approach)는 상대 선박이 현재 위치에서 본선과 가장 가까운 지점을 통과하는 시점까 지 걸리는 시간이고, DCPA(Distance of the Closest Point of Approach)는 상대선박이 본선으로 접근할 때 본선과 가장 가 까운 지점까지의 거리를 의미한다.

Fig. 1은 DCPA/TCPA 개념도를 나타낸다.

일반적으로 DCPA/TCPA는 레이더 플로팅에 의하여 계산 하며, Fig. 1의 DCPA/TCPA 개념도를 바탕으로 도출된 DCPA 와 TCPA 계산식은 다음과 같다(Kim, 2013).

3. 소형선박 충돌예방 알고리즘 구성

3.1 충돌예방 알고리즘 범위 설정

본 연구에서는 대상선박을 소형선박으로 한정하고 있으 며, 소형선박이란 선박직원법 시행령 제2조의 소형선박 정 의에 의거하여 총톤수 25톤 미만의 선박을 의미한다. 상선에 서는 대양항해 시 8마일 이상에서 상대선을 초인하면 DCPA 가 1.0마일 이상, 8마일 내에서 초인하면 DCPA가 1.0마일 이 하로 분석되었으며(Park and Lee, 2008), 홍콩의 한 해운회사 의 Guidance for Collision Avoidance에서는 위험 인지 및 행동 개시를 하여야 하는 시간과 거리는 상황별로 다르며, 행동 개 시 최대 거리를 8마일로 제시하고 있다(Anglo-eastern, 2010).

그러나 소형선박의 경우 선박의 크기가 작아 8마일 거리 에서 탐지가 어렵고, 대형선에 비해 조종성능이 좋기 때문 에 먼 거리에서부터 선박을 판별할 필요가 없을 것으로 사 료된다. 따라서 본 연구에서는 WAVE 통신의 최대 수신 가 능 거리 8 ~ 9 km를 감안하여 3마일을 알고리즘 범위로 설정 하였다(Kang et al., 2018).

3.2 DCPA 기준 설정

소형 선박의 특성상 보침성능이 좋지 않기 때문에 이로 인하여 변화하는 DCPA의 기준 설정이 본 연구의 신뢰성 및 정확성에 중요한 역할을 한다. 따라서 본 연구에서는 시뮬 레이션 실험을 통하여 소형 선박의 보침성능을 확인하고, 이를 반영한 DCPA 기준을 설정하고자 하였다.

(1) 시나리오 설정

시뮬레이션을 수행하기 위하여 대상 해역 및 선박, 자연 환경 등을 고려한 시나리오를 설정하였다. 이때 해역은 주 변에 장해물이 없는 넓은 수역으로 설정하였고, 대상 선박 은 길이 약 10 m의 소형 선박으로 설정하였다. 또한 자연 환 경은 최악의 조건을 고려하여 풍속 20 kts, 풍향 045°, 조류 1 kt/270°, 파고 2.5 m로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 2는 시뮬레이션 대상 선박 및 시뮬레이션 그림을 나타 낸다.

(2) 실험 방법

실험은 선속을 각각 5 kts, 10 kts, 15 kts, 20 kts로 설정하고 침로를 000°로 정침하여 약 1마일 거리를 운항하도록 하였 다. 그리고 이때의 선수 방향의 움직임을 분석함으로써 대 상 선박의 보침 성능을 확인하였다.

(3) 실험 결과

실험 결과는 Table 3과 같다.

5 kts 이상의 속력에서는 선수방향의 움직임이 최대 3°이 하로 비교적 정침이 잘 되는 것을 확인하였고, 5 kts의 속력에 서는 최대 10°, 평균 4.5°로 선수 방향의 움직임이 큰 것으로 나타났다.

Fig. 3은 선수 방향의 움직임과 DCPA 기준과의 관계를 나 타낸 그림이다.

가장 큰 선수방향의 움직임 값인 4.5°를 고려하여 거리별 로 선수 방향이 5° 움직일 때 변화하는 DCPA를 식(6)에 의하 여 산출하였다.

1마일 거리에서는 80.7 m, 2마일 거리에서는 161.6m, 3마일 거리에서는 242.2 m로 나타났다. 선박의 크기에 따라 운항자 가 느끼는 안전 항행 거리가 다르기 때문에 실험에서 도출된 거리와 두 선박의 길이를 고려하여 식으로 나타내고자 하였 다. 따라서 1마일 거리에서는 4(L_a+L_b), 2마일 거리에서는 8(L_a+L_b), 3마일 거리에서는 12(L_a+L_b)의 DCPA 여유를 설정함으로써 선수방향의 움직임을 보완할 수 있는 것으로 판단했다.

3.3 TCPA 기준 설정

(1) 설문조사

본 연구에서는 사용자 의견을 조사·분석하기 위하여 어선 운항자 19명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 설문 대상 은 근해에서 조업하는 25톤 미만의 어선을 승선하고 있는 40대 이상의 선장을 대상으로 하였으며, 문항은 타선과의 위 험을 감지하는 수단, 타선으로부터 위험을 느끼는 거리, 충 돌 회피 가능한 거리, 항해 중 및 조업 중 일 때 선박의 이동 속도 등으로 구성되었다. 설문 항목 중 본 연구의 알고리즘 구성과 관련 있는 문항으로는 피항 가능 최단 거리 및 선박 의 평균 이동속도 두 가지로 추출할 수 있다. 피항 가능 최 단 거리는 최소 100 m에서 최대 0.5마일까지라고 응답하였으 며, 평균 307 m로 도출되었다. 또한 항해 중 선박의 이동속도 는 최소 8 kts에서 최대 30 kts까지 응답하였으며, 평균 14 kts 로 나타났다. Fig. 4는 피항 가능 최단 거리와 항해 속도에 관한 설문 결과를 나타낸 그림이다.

(2) 소형선박 조종성능

상대선박과의 충돌을 피하기 위한 최소거리는 선회권의 크기와 전타 시 최대 전진 거리에 의하여 결정된다. 선속에 따른 선회권의 크기는 거의 변하지 않기 때문에 최대 전진 거리의 크기가 충돌회피 최소거리 판단에 사용될 수 있다 (Inoue, 2017). 특히 타가 작동된 후 선수방위가 변하면서 선 회를 시작할 때 전타를 시작한 지점에서 선수가 90° 회두했 을 때까지의 선체의 종방향 거리를 종거(advance)라고 하고, 이 거리는 타 선박과 조우하였을 때 피항 동작을 취하여야 하는 최소한의 거리이기 때문에 본 연구에서는 이 거리를 이용하여 TCPA를 설정했다.

TCPA 기준 재설정을 위해 한국해양대학교 마린시뮬레이 션센터에서 보유 중인 선박조종 시뮬레이터의 총톤수 25톤 미만 소형선박의 선박조종 data(pilot card 및 wheel house post)의 선회능력(Advance, Tactical diameter, Transfer, Stopping distance, Emergency manoeuver 등)을 추출하였다.

그 결과는 Table 4와 같으며, 총 11척의 Advance는 최소 61.1 m에서 최대 111.1 m로 조사되었다.

(3) TCPA 기준 설정

총 11척의 Advance는 61m부터 111 m로 측정되었으며, 설문 조사를 통해 도출된 중소형 선박의 항해 평균 속력인 14 kts 를 적용하면 Advance 거리의 이동 시간은 2.1분~ 2.3분이 된 다. 최종적으로 여기에 Safety margin을 고려하여 2.5분을 TCPA의 기준으로 설정하였다.

3.4 최종 알고리즘 구성

최종적으로 알고리즘은 선박이 3마일 범위에 들어오면 DCPA, TCPA 계산을 시작하며, 8(L_a+L_b)/2.5 min의 기준을 적용하여 선박 간의 거리가 2마일 이내로 들어오면 경보를 발생시키도록 구성하였다.

3.5 해양사고사례 적용

상황별 대표 해양사고 3건을 선정하여 본 연구에서 제안 하는 소형선박 충돌예방 알고리즘을 적용하여 어느 시점에 경보가 발생하는지 확인하고자 하였다. 해양사고는 어선 충 돌 사고 중 마주치는 상황, 교차하는 상황, 정지해있는 선박 에 접근하는 상황으로 구분하여 선별하였다. Table 5는 선별 된 해양사고 3가지를 나타낸다. 검증을 위하여 충돌 상황별 해양사고사례를 선택하였다.

선정한 해양사고의 재결서를 기반으로 사고 선박의 항적을 시간대별로 추정하고(KMST, 2018), 이를 알고리즘에 적용하여 두 선박간의 거리, DCPA, TCPA, 경보 발생 여부를 확인하였다.

해양사고 사례 3가지에 대한 적용 결과는 아래와 같다.

(1) 낚시어선 새시대호와 어선 제일호 충돌사건

2014년 2월 12일 18시 50분경 진도 인근 해상에서 낚시어선 새시대호와 어선 제일호가 충돌한 사건으로, 두 선박 모두 견 시 소홀로 인하여 상대 선박을 인지하지 못한 채 항해하다가 발생한 사고이다. 여기에서 새시대호의 전장은 14.40 m, 제일 호의 전장은 10.00 m로 DCPA 기준은 8(L_a+L_b) = 195.20m 이다. Fig. 5는 두 선박의 항적을 나타낸 그림이며, 경보가 발 생한 시점부터 붉은색으로 표시했다. Table 6은 시간대별 두 선박간의 거리, DCPA, TCPA 경보 발생을 나타낸 표이다.

(2) 어선 제2006진강호와 어선 제11경남호 충돌사건

2014년 10월 6일 14시 08분경 제주 인근 해상에서 어선 제 2006진강호와 어선 제11경남호가 충돌한 사건이다. 제2006진 강호는 닻을 놓고 어로장비 점검을 하고 있었고, 제11경남호 는 출항 전에 마셨던 술의 영향으로 졸음 운항으로 서로 선 박을 인지하지 못하여 사고가 발생했다. 여기에서 제2006진강 호의 전장은 21.45 m, 제11경남호의 전장은 20.10 m로 DCPA 기준은 8(L_a+L_b)=332.45m이다. Fig. 6은 두 선박의 항적 을 나타낸 그림이며, 경보가 발생한 시점부터 붉은색으로 표시했다. Table 7은 시간대별 두 선박간의 거리, DCPA, TCPA 경보 발생을 나타낸 표이다.

(3) 어선 기성호와 어선 바다호 충돌사건

2014년 1월 8일 10시 50분경 거제시 이수도항 인근 해역에 서 어선 기성호와 어선 바다호가 충돌한 사건이며, 두 선박 모두 경계를 소홀히하여 충돌때까지 상대선을 발견하지 못 하여 발생했다. 여기에서 기성호의 전장은 9.77 m이며, 바다 호의 전장은 7.65 m로, DCPA 기준은 8(L_a+L_b)=139.36m이 다. Fig. 7은 두 선박의 항적을 나타낸 그림이며, 경보가 발생 한 시점부터 붉은색으로 표시했다. Table 8은 시간대별 두 선박간의 거리, DCPA, TCPA 경보 발생을 나타낸 표이다.

3.6 소결론

본 연구에서 제안하는 소형선박 충돌예방 알고리즘을 적 용하여 해양사고사례 3가지 각각의 상황별로 적용한 결과, 본 연구에서 제안하는 알고리즘에 의하여 사고 직전에 경보 발생을 확인할 수 있었다.

첫 번째 상황에서 거리가 1.92마일~ 0.8마일 사이, DCPA가 0.02마일~ 0.01마일 사이, TCPA 2.5분에서 경보가 발생하였 으며, 두 번째 상황에서는 거리가 0.36마일~ 0.22마일 사이, DCPTA가 0.2마일, TCPA 2.5분에 경보가 발생했다. 그리고 마지막 상황에서는 거리가 0.76마일~ 0.51마일 사이, DCPA 가 0.01마일, TCPA가 2.5분에서 경보가 발생했다.

이러한 결과는 조종성능이 좋은 소형 선박에서는 피항하 기에 거리와 시간이 충분한 것으로 분석된다.

즉, 소형 선박의 특성을 반영할 수 있는 새로운 통신기술 을 기반으로 충돌 예방 알고리즘 구축에 대한 실효성을 다 양한 충돌상황에서 확인한 것이며, 계속적으로 발생하고 있 는 소형 선박에서의 충돌사고에 대하여 충돌 예방 알고리즘 을 제안할 수 있다. 그러나 해양사고의 적용에서 실시간으 로 선박의 자료를 받은 것이 아닌 재결서를 기반으로 사고 선박의 침로와 선속을 추정하였다는 한계가 있다.

4. 결 론

잇따라 발생하고 있는 소형 선박의 해양사고를 예방을 위 해 충돌 예방하는 알고리즘을 개발하는 것은 매우 중요하 다. 본 연구에서는 소형 선박의 특성을 반영하고 새로운 통 신기술을 기반으로 충돌 예방 알고리즘을 제안하였으며, 그 실효성에 대하여 검증하였다.

소형선박의 충돌 예방 알고리즘은 선박이 3마일 범위로 들어오면 DCPA, TCPA 계산을 시작하여, 8(L_a+L_b) /2.5 min 의 기준을 적용하여 선박 간의 거리가 2마일 이내로 들어오 면 경보를 발생시키도록 구성하였다. 이를 상황별 대표 해 양사고 3건을 선정하여 검증해 보고자 하였다.

그 결과 대표적인 충돌상황인 마주치는 상황, 교차하는 상황, 정지해있는 선박에 접근하는 상황 3가지 모두 본 연구 에서 제안한 알고리즘에 의하여 경보가 발생함을 확인 할 수 있었으며, 그 거리와 시간은 소형선박이 피항함에 있어 충분한 것으로 분석되었다.

추후에는 실선 적용을 통하여 알고리즘의 문제점을 식별 하고 이를 고도화한다면 소형 선박의 운항자가 충돌 상황을 사전에 인지하는데 정보를 제공하여 소형선박의 해양사고 예방에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.