서 론

부산시는 해양관광 활성화를 위해 장기적으로 부산남 항에서 출발하여 태종대 연안을 거쳐 오륙도와 해운대 까지 운항할 수 있는 유람선을 취항할 계획을 가지고 있다. 2010년 부산시에서 발간한 “국제수산관광단지 조 정에 따른 정책연구”에 따르면 Fig. 1에서 보는 바와 같 이 부산시는 부산항 주변에 다양한 개발 계획을 가지고 있다. 하지만 부산항내는 항로가 좁고, 많은 어선 및 소 형 선박의 통항으로 해상교통이 아주 혼잡한 수역으로 안전한 통항을 위해서는 해상교통 안전성 평가가 필요 하다. 이러한 안전성 평가는 부산항 및 부산항 신항의 경우 해상교통안전진단과 논문을 통해 선박조종시뮬레 이션과 해상교통혼잡도 검토 (Yon et al., 2007; Yoo et al., 2013; Kang et al., 2017)가 있었지만 부산항내에 대 한 연구 논문은 거의 없어 이 연구에서 고찰하고자 한다. 본 연구에서는 부산항내 유람선을 취항과 관련한 운항 안전성 평가를 수행하기 위해 해사안전법의 해상교통안 전진단에서 정한 기준에 따라 통항 안전성 평가를 수행 하였으며, 추가로 해상교통위험성 평가시스템을 활용하 여 위험도를 분석하였다.

장치 및 방법

선박조종시뮬레이션 평가

선박조종시뮬레이션 평가부분은 2016년 영남씨그랜 트사업의 “부산항내 유람선 운항금지 구역 완화 및 해제 를 위한 선박통항 안전성 확보방안” 연구결과의 일부 이다. 선박의 통항 및 접․이안 안전성에 영향을 미치는 요인은 수로, 항로표지시설, 통항제어 등 항만시스템과 조류, 바람, 시계 등 환경요인, 교통량과 통항방식 등 통항조건, 선박의 신뢰성 및 조종자의 인적요인 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 부산 항만시스템과 통항조건 등의 현황을 조사하여 반영하였으며, 환경조건은 부산 항 입항 및 출항 조건에 따라 입력하여 시뮬레이션을 수행하였다. 선박조종시뮬레이션에서 사용된 장비는 Transas사의 NTPro 5000이고, 유람선 모델의 제원은 배 수톤수 310.8 ton, 전장 38.8 m, 선폭 10.4 m, 흘수 2.0 m이 다. 선박조종시뮬레이션을 부산항에서 유람선을 운항하 고 있는 3급 항해사면허를 소지한 두 분의 선장님들이 부산항의 입출항하는 선박들의 평균 속도로, 그리고 부 산항 최악의 바람과 조류 조건으로 수행하였다. 선박조 종시뮬레이션에서 사용된 3D 항만 및 선박 모델과 시나 리오는 Fig. 2와 Table 1과 같다.

근접도 평가는 위험이 예상되는 기준점 또는 기준선 에 대해 최근접거리를 측정하고, 이들 거리에 대한 확률 분포를 구하여 평가 대상지점을 벗어날 확률을 구한다. 여기서 최근접거리의 확률분포를 정규분포라 가정하면, 이 정규분포함수의 확률변수에서 기준에 해당하는 값 ξ(=μ/σ) 을 구하고, 침범확률 P를 식 (1)로 구할 수 있다. 여기에서 μ는 선박의 끝과 기준선과의 최근접거리의 평 균, σ는 선박과 기준선과의 최근접거리의 표준편차를 의미한다.

Fig. 3은 근접도 평가 기준점을 나타내는 것으로 운항 중 가장 위험할 것으로 예상되는 지점 3곳 (①은 부산대 교, ②는 저수심지역, ③은 부산항대교)을 선택하였다.

네덜란드 연구기관인 TNO (Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek)의 보고서에 따르면 충돌확률이 항만내 또는 방파제 입구에서 0.0001보다 작을 때 안전한 것으로 평 가한다 (Th. Elzinga and M.P. Bogaerts, 1984). 본 연구 에서도 이와 같은 구조물 건설 후의 안전성 평가 기준인 0.0001을 적용하였다.

제어도는 모델선박의 사용타각, 기관사용량, Swept path 그리고 여유제어량 등으로 평가한다. 통항선박이 지나간 수역을 의미하는 Swept path는 안전성 평가 기준 에 따르면 선폭의 최소 1배로 규정한다. 그리고 여유제 어량은 사용타각과 기관사용량을 이용하여 구하는 값으 로 0에 가까우면 더 이상 제어력이 없다는 것을 의미하 고, 100에 가까우면 최대로 사용할 수 있다는 것을 의미 한다. 본 연구에서는 대상선박의 기관과 타각만을 고려하 여 선박의 여유제어량 (ε_RC)을 식 (2)와 같이 구하였다.

여기에서 T 는 전체 운항시간, δ(t) 는 조타각, RPM (t) 는 대상선박 프로펠러의 회전수, δ_MAX 는 최대조타각, RPM_MAX 는 주기의 최대 회전수를 의미한다.

조종자의 주관적 평가는 조종자들이 시뮬레이션을 수 행한 후 조종자들의 주관적 의견으로 조종 난이도 평가 표를 작성하여 평가하였으며, 평가의 난이도는 Table 2 와 같이 7점도 평가로 시행하였다.

해상교통위험성 평가시스템을 이용한 분석

해상교통위험성 평가시스템은 선박의 길이, 속력 및 선박조종성능이 고려된 동적선박영역 (Wang, 2010)을 충돌위험 평가식 (Kobayashi and Endoh, 1976)에 적용 하여 전자해도에 표시하였다 (Kim et al., 2017). 해상교 통위험성 평가시스템에 사용된 충돌위험평가식 (Collision Judgement:CJ)의 기본개념은 Fig. 4와 식 (3) 과 같다.

식 (3)의 계수 a, b는 실제 항해사들의 선박조종시뮬 레이션 실험 결과로 각각 다음 식 (4a)와 (4b)와 같이 나타낸다.

그리고 식 (3)의 우변 제1항은 υ_R/R ≃ 1/TCPA (TCPA ≃R/υ_R )이며 그대로 직진하는 경우 최접근지점 까지 남겨진 시간인 TCPA 의 역수로 위험도를 나타내 고, 제2항의 υ_λ ≃DCPA/TCPA 이며 그대로 직진하는 경우 상대선이 멀어져 가는 속도로 안전도를 나타낸다. 제3항에서 λ는 상대선의 상대위치이며 좌현 정횡 (- 90°)으로부터 우현 정횡 (90°)까지를 각도 (- 90° ≤ λ ≤ 90° )로 나타낸 값으로 상대선의 위치에 따 라 피항동작의 난이도를 의미한다. 복수의 선박이 존재 할 경우, 식 (3)을 식 (5)와 같이 적분하여 총 충돌위험도 CJ_t를 평가한다.

여기서, i는 선박의 수를 나타낸다.

Kim et al. (2017)에 의하면 해상에서 운항 중인 선박 의 교통위험성을 자선의 길이, 속력 및 조종능력 등을 반영하여 식 (6)과 같이 지표화하였다.

본 연구에서 사용된 해상교통위험성 평가시스템의 주 화면은 Fig. 5와 같이 메뉴바 (①)는 선박입력창, 사용자 정의 영역창, 측정창, 위험성 평가창으로 구성되어 있다. 선박입력창은 자선 (②)과 타선 (③)의 전장 및 선속을 입력하고, 측정창 (④)은 특정 지점의 방위와 거리를 측 정한다. 그리고 사용자정의 영역창 (⑤)은 위험성평가가 필요한 구역을 설정하고, 이러한 시나리오를 완성한 후 해상교통 위험성을 평가한다. 이때 녹색은 [주의], 노란 색은 [위험], 붉은색은 [매우위험]으로 지표화 된 위험성 을 표현한다.

결과 및 고찰

선박조종시뮬레이션의 평가 결과

본 연구에서 TNO 보고서의 구조물에 대한 충돌 확률 값인 0.0001을 기준으로 3곳에 대해 근접도 평가 결과 Table 3과 같이 충돌확률은 없는 것으로 나타났다.

선박이 입항 및 통항할 때 swept path의 안전성 기준 은 선폭의 최소 1배로 하는데 선박조종시뮬레이션 평가 분석결과, 12.6 m로 대상 모델선박의 선폭인 10.4 m를 초과하였다. 여유제어량을 분석한 결과, Table 4와 같이 모든 시나리오에서의 여유제어량이 90% 이상인 것으로 나타나므로 선박제어에는 별다른 어려움이 없는 것으로 분석되었다. 선박조종자의 조종 난이도에 대한 주관적 평가의 결과는 Table 5와 같이 조종자들이 약간의 안전 함을 느끼면서 운항한 것으로 나타났다.

해상교통위험성 평가 결과

선박조종시뮬레이션과 동일한 해역에서 같은 시나리 오로 전장이 50 m, 그리고 선속은 5 kts와 10 kts로 한 두 경우로 분석하였다. 분석 결과에서 녹색은 [주의], 노란색은 [위험] 그리고 [붉은색]은 매우위험을 나타낸 다. Fig. 6은 5 kts의 선속으로 부산항대교를 통과하고 부산대교 입구까지 진행하는 시나리오에 대한 위험성평 가 결과로, 부산항대교를 통과 후 만곡부를 통과할 때 까지는 [주의]단계로 나타났으나 부산대교 750 m 이전 부터 [위험]단계로 높아짐을 알 수 있었다.

Fig. 7은 대상선박이 10 kts의 선속으로 운항한 경우 로 부산항 대교 진입 전 [위험]상태를 유지하다가 통과 와 동시에 [주의]상태로 위험성이 감소하였으나, 만곡부 를 통과하고 좁은 수역을 진입할 때 다시 [위험]단계, 부산대교 410 m 이전부터 [매우위험]단계로 높아짐을 알 수 있었다.

Fig. 8은 Fig. 6과 Fig. 7에서 분석된 위험성 평가 결과 를 그래프로 나타낸 것으로 약 4,000 m 지점 즉, 부산대 교 앞에서 위험지표가 급격하게 증가함을 알 수 있었다.

Fig. 9는 5 kts의 선속으로 부산대교를 통과하여 부산 항대교까지 대상선박이 운항한 경우의 위험성평가 결과 로 부산대교를 통과할 때 [위험]단계로 나타났으나 전체 적으로 [주의]단계로 위험성이 낮아짐을 알 수 있었다.

Fig. 10은 Fig. 9와 같은 시나리오에서 10 kts의 선속 으로 부산대교를 통과하여 부산항대교까지 운항한 경우 의 위험성 평가 결과로, 부산대교를 통과할 때 [매우위 험]단계, 그리고 좁은 수역에서는 [위험]단계로, 넓은 수 역이 나타남과 동시에 [주의]단계로 낮아졌다. 하지만 부산항대교 진입 전에 다시 [위험]단계로 위험성이 증가 하였으며, 부산항대교를 통과함과 동시에 [주의]단계로 위험성이 낮아지는 것으로 분석되었다.

Fig. 11은 Fig. 9와 Fig. 10에서 분석된 위험성평가 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 부산대교 지점에서 위 험성이 가장 증가하였으며 통과 후 위험성이 감소되었 다. 그러나 부산항대교 진입 전부터 다시 위험성이 증가 하는 것으로 나타났으며, 부산항대교 통과와 동시에 위 험도는 감소되었다.

결 론

본 연구에서는 부산항내 선박 통항안전성을 분석하기 위해 선박조종시뮬레이션과 해상교통위험성평가시스 템을 이용하여 안전성 평가를 수행하였으며, 분석결과 는 다음과 같다.

선박조종 시뮬레이션에 의한 분석결과 중 근접도 평 가의 경우 모든 시나리오에서 침범확률이 분석되지 않 았으며, 제어도 평가의 경우도 여유제어량이 90% 이상 으로 안전운항에 지장이 없는 것으로 나타났다. 또한 Swept path를 분석한 결과, 통항의 경우는 swept path인 선폭의 최소 1배를 기준으로 하는데 11.7 m, 출항의 경 우는 11.5 m로 선폭인 10.4 m를 초과하였으나 그 차이 가 미미하여 큰 어려움은 없는 것으로 나타났다. 그리고 조종자의 주관적 평가 결과 입항과 출항 시 보이지 않는 수역에서 나오는 선박과 영도대교와 부산대교 부근에 계류된 선박에 대하여 주의를 기울이고 조종한다면 선 박조종에 별다른 어려움은 없다는 의견이 제시되었다.

해상교통위험성 평가시스템에 의한 분석결과 중 5 kts의 선속으로 입항한 경우, 부산항 대교를 통과하고 만곡부를 통과할 때까지는 [주의]단계로 나타났으나 부 산대교 750 m 이전부터 [위험]단계로 높아짐을 알 수 있었고, 10 kts의 선속으로 입항한 경우 부산항 대교 진 입 전 [위험]상태를 유지하다가 통과와 동시에 [주의]상 태로 위험성이 감소하였으나, 만곡부를 통과하고 좁은 수역을 진입할 때 다시 [위험]단계, 부산대교 410 m 이 전부터 [매우위험]단계로 높아짐을 알 수 있었다. 그리 고 5 kts로 출항한 경우, 부산대교를 통과할 때 [위험]단 계로 나타났으나 전체적으로 [주의]단계로 위험성이 낮 아짐을 알 수 있었고, 10 kts로 출항한 경우, 부산대교를 통과할 때 [매우위험]단계, 그리로 좁은 수역에서는 [위 험]단계로, 넓은 수역이 나타남과 동시에 [주의]단계로 낮아졌다. 하지만 부산항대교 진입전에 다시 [위험]단계 로 위험성이 증가하였으며, 부산항대교를 통과함과 동시 에 [주의]단계로 위험성이 낮아지는 것으로 분석되었다.

따라서 선박조종시뮬레이션과 해상교통위험성평가 시스템을 이용한 부산항내 선박 통항안전성 평가 결과 에서는 위험성이 분석되지 않았으며, 선박조종자에 대 한 주관적 평가 결과는 해상교통위험성 평가시스템에 서 분석 결과와 유의성이 확인되었다. 향후 해상교통 위험성 평가시스템을 이용한 정확한 결과분석을 위해 서 peak time시 교통상황의 시나리오로 평가할 필요성 이 있다.