컨테이너터미널 운영에서 안벽영역의 하역장비와 기술이 발전함에 따라 터미널 운영의 정체가 안벽에서 장치장으로 이전되었다(Chang, et al., 2010). 그러나 컨테이너터미널은 개발 단계에서 운영 상황을 사전에 파악하기 어렵고(Alcade et al., 2015), 개발 이후에는 규모를 변경하기 어려운 경직성을 가지고 있어 물동량 증가에 탄력적으로 대응하기도 어렵다(Hu et al., 2021; Tan et al., 2017). 이러한 컨테이너터미널의 구조적 한계와는 별개로 전 세계 컨테이너 물동량은 지속적으로 증가하고 있고, 환적중심 항만과 같은 대형 항만들은 허브 기능 확보 및 유지를 위한 경쟁도 치열해졌다. 따라서 시간당 처리능력, 선석 점유율, 장치장 점유율, 장치기간, 장비가용성 및 트럭회전시간 등 컨테이너터미널의 성과를 평가하여 터미널 운영을 안정적으로 이어나가기 위해 다양한 성과지표가 제시되고 있다(Drewry, 2014). 이 중 장치장 점유율은 컨테이너 터미널 운영에 가장 크게 영향을 미치는 요인이며(Zhen, 2016), 안벽, 게이트 등 터미널의 다른 영역에까지도 많은 영향을 미친다. 왜냐하면, 컨테이너 장치장 점유율이 일정 수준을 초과하면 운영 효율성의 저하뿐만 아니라 터미널 운영자체가 중단될 수도 있기 때문이다. 과거 한진해운 파산으로 부산항의 컨테이너 화물이 외부로 빠져나가지 못하여 장치장 점유율이 크게 증가하면서 정상적인 터미널 운영을 할 수 없는 수준까지 간 것이 대표적인 사례라 할 수 있다. 또한 장치장 점유율이 위험 수준까지 증가할 경우 터미널운영사는 장치장 내 컨테이너의 신속한 회전을 위해 무료장치기간을 줄이게 되고, 이는 화주에게까지 직접 피해를 주게 되어 물류 공급망 전체에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 이러한 장치장 점유율 문제는 수출입 화물을 주로 처리하는 항만보다 부산항과 같이 환적화물 중심의 대형 환적항만에서 더 큰 문제로 발생할 수 있어 효율적 관리가 중요하다.

이와 같은 이유로 장치장 운영 방식, 장치 위치 결정 및 할당, 운영 최적화 등을 위한 많은 연구가 다양한 기준과 방법론을 적용하여 수행되어 왔다. 그러나 대부분의 선행연구들은 특정 조건을 가정하고 그 가정하에 최적의 결과값과 대안을 도출하는 것이 일반적이다. 실제 운영상황에 있어서는 향후의 장치장 점유율이 어느 수준까지 증가할 것인지를 예측하는 것도 매우 중요하다. 그러나 현재까지 장치장 점유율 자체의 추정을 시도한 연구는 많지 않다. 특히, 부산항과 같이 환적중심의 대형항만은 장치장 점유율에 대한 예측을 통해 사전적인 시설확보 계획을 수립하는 것이 안정적인 터미널 운영과 환적 경쟁력 유지를 위해 매우 중요하다. 이에 본 연구는 부산항 신항의 컨테이너터미널을 대상으로 미래 장치장 점유율을 추정하기 위해 마코프 체인의 적용을 시도하였다. 마코프 체인은 미래 특정대상의 상태확률을 비교적 단순하게 추정할 수 있는 기법으로 다양한 많은 분야에서 적용되고 있고 컨테이너 터미널의 장치장 점유율 수준을 예측하는데도 유용할 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구는 2장에서 컨테이너 터미널 장치장과 관련한 연구와 마코프 체인 관련 연구 등 선행연구를 검토하였다. 3장에서는 마코프 체인에 대한 방법론을 개략적으로 살펴보고, 4장에서는 부산항 신항 5개 컨테이너터미널의 실적을 기반으로 실증분석을 수행하고 마지막에는 연구의 결론과 향후 연구과제를 제시하였다.

컨테이너터미널의 장치장을 대상으로 한 연구는 광범위하게 수행되어 왔다. 그 간에 수행된 선행연구들을 종합적으로 보면, 컨테이너 장치위치 결정 및 할당에 관한 연구(Choi and Ha, 2005; Ahn et al., 2006; Bae et al., 2006; Sohn et al., 2010; Sauri and Martin, 2011, Sharif and Huynh, 2013, Zhen, 2016, He et al., 2020), 장치장의 효율적인 운영방법(Tan et al., 2017; Jang and Lee, 2018; Hu et al., 2021), 장치장 하역장비의 사용계획(Jiang and Jin, 2017; He et al, 2019) 등으로 구분할 수 있다. 각 주제별로 분석을 위한 방법론도 휴리스틱, 정수계획법, 선형계획법, 라그랑주승수법 등에 기반 한 시뮬레이션을 통해 해법을 찾는 방식이 대부분이다. 본 연구에서 수행하고자 하는 장치장 점유율을 간접적으로 분석한 연구도 일부 수행되었다. Song et al.(2006)은 장치장 할당방식인 Grouping 방식과 Random Grouping 방식을 비교하여 Random Grouping 방식이 장치장 점유율을 더 낮출 수 있는 것으로 제시하였다. Jang and Lee(2018)는 부산항의 장치장 부족 해소를 위해 공유개념을 제시하고 이를 통해 장치장 면적을 약 18% 추가적으로 확보하는 효과가 있는 것으로 분석하였다. Hu et al.(2021)의 연구에서도 컨테이너터미널의 장치장을 공유할 경우(61.84%) 그렇지 않은 경우(76.25%)보다 평균 장치장 점유율이 더 낮은 것으로 분석하였다. 그러나 이러한 연구들 또한 장래 장치장 점유율 수준을 분석한 것이 아니라 특정조건에서 운영 방식별 장치장 점유율 수준을 비교 제시한 것이다.

마코프 체인은 개발 초기에는 기상학과 물리학 등 제한된 분야에 적용되어 왔으나 그 효용성이 검증되고 방법론도 대폭 개선되면서 경영학, 공간계획, 가구구조, 의학, 산업공정 등 다양한 분야로 확대 적용되고 있다(Son, 2015). 최근에는 몬테카를로마코프, 은닉 마코프 체인 등 그 방법론도 크게 확장되고 있다. 항만분야에 마코프 체인 분석을 적용한 연구는 거의 없는 실정이나, 최근 Pruyn et al.(2020)의 연구에서 마코프 체인을 적용하여 세계 주요 항만의 선박 대기율 수준 추정을 시도하였다.

이상의 선행연구들을 종합해 보면 앞서 본문에서 언급한바와 같이 컨테이너장치장과 관련한 선행연구들은 특정 조건을 가정하고 최적 장비 운용, 장치장의 할당, 장치위치 결정 등을 파악하는 것이었다. 본 연구는 확률적 관점에서 부산항 신항의 장치장 점유율 자체가 어떤 수준의 상태로 변해갈 것인가를 추정한 것으로서 접근 개념과 방법에서 선행연구와 기본적인 차별성이 확보된다고 할 수 있다. 또한, 마코프 체인은 다양한 분야의 예측 연구에 폭넓게 적용되어 효용성이 검증되었고, 예측 연구에서 널리 사용되는 회귀분석에 비해 관찰사례가 적고 불특정 패턴을 가진 자료의 분석에 매우 유용하게 사용되고 있다(Son, 2015). 부산항 신항의 장치장 점유율은 분석을 위해 확보 가능한 자료가 회귀분석을 수행하기에는 적고 월별로 일정한 패턴을 보이지 않는 특성이 있기 때문에 마코프 체인을 적용하는 것이 타당하다고 판단하였다. 아울러 터미널 운영사, 항만당국이 본 연구에서 제시된 방법과 결과를 활용하여 미래의 장치장 점유율 수준을 선제적으로 파악하여 충분한 시설확보 계획을 수립하고 터미널을 안정적으로 운영하는 데도 기여할 것으로 예상된다.

본 연구는 부산항 신항을 사례로 향후 장치장 점유율이 어떻게 변화할 것인가의 추정을 위한 연구로서, 시간의 경과에 따라 장치장 상태의 변화를 예측할 수 있는 마코프 체인을 적용하였다. 마코프 체인의 장점은 과거의 상태가 주어졌을 때 미래의 상태는 과거 전체의 상태에 영향을 받는 것이 아니라 직전의 상태에 의해서 영향을 받는다는 마코프 상태를 가정한 것으로 복잡한 확률문제를 단순하게 표현할 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉, 과거 X₀, X₁, X₂ ...이 주어지고 현재를 X_n이라 했을 때 미래 X_{n + 1}은 현재 X_n에 의해서만 영향을 받고, 미래와 과거는 조건부 독립을 가정한 것으로 다음과 같다.

여기서, q_ij는 전이확률을 의미하고, ∀ij ≥ 0이다. 전이행렬 Q = (q_ij)는 M×M 행렬이며, 각 열의 합은 1이다. 만약 X_n이 열벡터(1×M)인 S(S₁, S₂,...,S_M)의 분포를 가진다면 X_{n + 1}의 확률은 다음과 같다.

여기서, S_i를 초기상태확률이라 한다. 초기상태확률은 현재 시점의 분포로 적용할 수 있고, 과거 일정기간 상태의 총합에서 각 성분의 비율로도 산정할 수 있으며, 총합은 1이 된다. 따라서 SQ는 n+1의 확률분포이고, n+2의 확률분포 SQ²는 다음과 같다.

이러한 과정의 반복을 통해 m단계 j의 상태확률은 ∑ i = Siqijm = SQm 이 된다. 또한, 마코프 체인은 여러 단계의 전이과정을 거치면서 특정 단계에서는 안정화된 확률분포로 수렴된다. 즉, 전이확률 q_ij가 변화되지 않는 한 상태확률이 바뀌지 않는 안정화된 상태에 있게 되는 것으로 다음과 같다.

본 연구에서는 부산항 신항을 사례로 5개 컨테이너터미널과 신항 전체의 향후 장치장 점유율 추정을 시도하였다. 이를 위해 시간의 경과에 따른 상태확률의 변화를 추정할 수 있는 마코프 체인 분석 방법을 적용하였다. 추정결과 부산항 신항의 3개 터미널(PNC, HJNC, PSA-HPNT)은 향후 장치장 점유율이 70% 이상 수준을 유지할 확률이 더욱 높은 것으로 나타났으며, 부산항 신항 전체적으로도 장치장 점유율이 70% 이상일 확률이 높은 것으로 추정되었다. 본 연구 본문에서 밝힌바와 같이 컨테이너터미널의 장치장 점유율이 70%를 넘어서면 운영상의 비효율이 발생하기 시작한다. 부산항은 환적중 심항만을 지향하는 항만으로서 장치장 점유율에 대한 관리가 매우 중요한 문제로 판단된다. 그러나 현재 운영 중인 부두에 대한 해결 대안을 제시하는 것은 어려운 문제이다. 본 연구에서 제시한 바와 같이 항만시설은 개발 이후 규모를 변경하기 어려운 구조적 한계점이 있기 때문이다. 단기적으로 대응 가능한 대안으로 ODCY의 설치 운영이 제시될 수 있으나 이는 화주의 물류비용 증가, 배후 교통량 유발 등 다른 사회적 문제를 발생시킬 가능성이 높고 이의 이유로 부산항은 On-Dock 체계로 운영되고 있다. 또한, Jang and Lee(2018)의 연구에서 제시한 것과 같이 터미널간 시설 공유를 통해 단기적 어려움은 해소 가능할 것으로 판단되나 터미널 간 합의에 기반해야 하고 합의도 쉽지 않은 한계점이 있다. 이러한 관점에서 보면 신규로 공급될 예정인 부산항 신항 서측 컨테이너터미널의 신속한 개장과 더불어 장기적으로도 부산항의 증가하는 물동량의 안정적 처리를 위한 진해신항의 조속한 추진을 통해 시설을 확충하는 것이 중요하다고 판단된다. 장치장 부족은 시설 부족의 관점에서 이해될 수 있기 때문이다. 또한 최근 증가하는 대외환경의 불확실성을 고려한다면 비정상적인 장치장 점유율의 빈번한 증가도 예상된다. 따라서 이러한 비정상적 상황에 탄력적으로 대응하기 위한 전략적 유보지 확보를 검토해 볼 필요성이 있다고 판단된다. 항만의 리질리언스 확보 차원에서 전략적 유보지는 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단되기 때문이다.

본 연구는 그 간 수행되지 않은 장래 장치장 점유율 수준에 대한 확률적 가능성에 대해서만 수행하여 높은 수준의 장치장 점유율 결정요인 규명과 다른 방법론을 통한 추정값과의 비교는 수행하지 못한 한계점이 있다. 따라서 향후에는 컨테이터미널 장치장 점유율을 결정하는 중요요인에 대한 분석을 통해 장치장 점유율을 적정한 수준으로 관리할 수 있는 있는 방안을 도출하는 연구와 마코프 체인을 통한 분석방법의 타당성을 검증하는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.