†Corresponding author : 종신회원, 1. 서 론
항내 수역, 항로, 협수로 등 제한된 공간(이하 제한수역)에서 선박의 항로 계획은 경제적 운항보다 선박의 안전 확보에 중요도와 의의가 더 크다. 제한수역 근처에는 천수, 암초, 섬 그리고 항로 표지 등의 항해 위험요소가 존재하기 때문에 연안이나 대양 항해보다 그 위험도가 높다. 선박은 제한수역에서 조종성능에 제한을 받기 때문에 상황에 따라 대각도 변침, 저속 운항이 요구되고, 계획된 침로로부터 이탈은 최소화 되어야 한다. 제한수역에서 대각도 변침 중에 계획 항로의 이탈은 충돌이나 좌초와 같은 대형 사고로 이어진다(KMST, 2017; KMST, 2018)
선박의 변침 능력과 관련하여 IMO 선박 조종성 기준에 따른 시운전 결과가 있지만, 흘수 4배 이상의 심수, 최대 기관출력의 85%의 속력을 적용하기 때문에 시험 결과를 제한수역에 적용하기에는 어려움이 있다(Kang, 2024). 제한수역에서 항내 조선을 수행하는 선장 및 도선사(이하 제한수역 조선자)는 선박의 선회율(Rate of turn, ROT), 선회 중 선속의 감소치, 선속과 흘수에 따른 조타반응 및 지연시간 등 본선의 조종성능을 면밀히 관찰하고, 그 경험을 바탕으로 대각도 변침 문제를 해결하고 있다(Yoon, 2017). 이러한 관찰과 경험을 쌓기에는 많은 시간과 일부 시행착오가 수반되기에 제한수역에서 선박 조종성에 관한 연구는 매우 중요하다.
선박의 조종성능과 관련된 선행 연구는 다음과 같다. Yoon(1978)은 선회반경을 수식으로 제안하고, 실선 시험 자료로 비교 및 검증하여 선속의 빠르기는 선회권의 크기에 상당한 영향을 끼친다는 결과를 얻었다. Im et al.(2005)은 구속모형실험과 시운전 결과를 바탕으로 만재흘수 상태에서의 조종성능을 추정하였다. Kim et al.(2008)은 저속, 천수에서 조종성능 예측 검증을 수행하였으며, 모형선 시험을 통하여 수치를 모사하고, 기존 연구들과 비교하였다. Wielgosz(2017)는 ECDIS 시뮬레이션 기반으로 넓은 수역과 제한수역에서 선박 간의 이격거리를 연구하였다.
선박 조종성능 개발 및 향상을 위한 연구는 다양한 선형과 해상 상태 등을 고려한 시뮬레이션, 구속모형실험으로 수행되고 있지만, 항만 여건과 실제 선박을 이용한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서 본 연구는 제한수역에서 대각도 변침 중 최적의 선회율을 실선으로 검증하기 위하여 운항 선박의 시운전 결과서(Sea trial report, 이하 IMO 조종성 시험)를 기반으로 선박의 크기별 타각에 따른 선회율을 집단화하여 검토한다. 제한 수역에서 실제 운항 선박의 흘수와 수심의 비를 통하여 선회율 감소를 비교분석한다. IMO 조종성 시험에 따른 선회율 집단과 천수효과에 따른 선회율 감소를 고려하여 선속과 선회반경으로 최적의 선회율을 계획하고, 실선으로 항로 추종을 수행하고 그 결과를 확인한다. 항내 조선자가 제한수역에서 필연적으로 수행하는 대각도 변침으로 계획 항로를 추종할 때, 발생하는 항로 이탈을 최소화하고자 선회율을 미리 계획하여 항로를 추종하는 방법을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제시된 선회율은 실무 적용을 위하여 선박에 탑재된 선회율 지시기에 표시되는 분당 각도(°/min)로 표현한다.
2. 운항 선박의 IMO 조종성 시험 기반 선회율 분석
2.1 분석 방법 및 대상선박
국제해사기구(International Maritime Origination, IMO)는 해상에서 선박의 충돌 방지와 사고로 인한 해양환경의 보호를 목적으로 2022년 12월 4일에 선박의 조종성능에 대한 기준을 채택하였다(IMO, 2002; Kang et al., 2022). IMO 선박 조종성 기준에는 선회성능, 초기 선회성능, 보침 및 변침성능, 그리고 정지성능이 제시되어 있다(IMO, 2002; Lee, 2005). 대각도 변침 시, 항로 추종과 관련성이 높은 선회율 검토를 위하여 선회성능과 보침 및 변침성능을 분석하였다. 운항 선박이 보유한 IMO 조종성 시험 결과를 분석에 활용하였다.
운항 선박의 선회율 분석을 위하여 검토된 선박은 총 28척이며, 선박 제원은 Table 1과 같다. 총톤수의 범위는 5,376∼232,311ton이며, 선박의 길이(Length between perpendicular, LBP)는 112∼383m, 선폭(Breadth, B)은 18∼68m의 범위를 갖고 있었다. 흘수(Draft, T)는 계획만재흘수선의 값을 제시하였으며, 선속은 최대기관출력의 85%인 항해속력(Sea speed)이다.
2.2 선회성능 시험 기반 선회율 분석
선회성능 시험은 선박이 일정한 속력을 갖는 상태에서 타각을 좌·우현으로 35도로 사용하고, 원침로에서 90도 회두하였을 때 종방향으로 진출한 거리(Advance, 이하 종거), 180도 회두하였을 때 선회경(Tactical diameter)를 측정하는 시험이다. 종거와 선회경은 작을수록 선회성이 뛰어나며, IMO 조종성 기준으로 종거는 선박 길이의 4.5배, 선회경은 선박 길이의 5배 이하를 요구한다.
우선회 단추진기선에서는 우회두보다 좌회두 시 선회성능이 우수하지만(Yoon, 2019), 실무적으로 그 차이가 미소하고, 외력이 작용할 경우 반대의 결과가 나타나기도 한다. 따라서 본 연구에서는 우회두와 좌회두의 시험 결과값을 평균하여 분석하였다.
운항 선박의 IMO 조종성 시험 결과서를 기반으로 타각 35도 사용 시, 원침로로부터 90도 변침하였을 때의 선회율과 총톤수의 경향을 나타낸 그래프는 Fig. 1과 같다. 가로축에는 총톤수, 세로축은 선회율이며, 빨강색 실선은 지수회귀분석한 결과를 나타내고 있다.
대상 선박의 선회율 지수회귀분석한 결과 조정된 결정계수(Adj.R2)는 0.811, 유의확률(p)은 0.001 이하로 나타났다. 총톤수에 따른 선회율를 추정하기 위한 간이 근사식은 식(1)과 같으며, 변수와 그 오차범위는 Table 2와 같이 정리하였다.
총톤수별 선회율을 검토한 결과, 총톤수 30,000ton 이하 선박은 평균 70.625°/min이었다. 총톤수 30,000∼60,000ton의 선박은 평균 49.500°/min, 총톤수 60,000∼100,000ton의 선박은 평균 44.600°/min, 총톤수 100,000ton 이상의 선박은 평균 41.182°/min으로 분석되었다. 지수회귀분석한 결과는 감소함수로 나타나며, 30,000ton 이하와 100,000ton 이상 선박의 선회율 비율은 42% 감소 차이가 있었다.
선종별 선회율을 비교분석였으며, 28척 선박의 평균 선회율은 51.393 °/min이었다. 빠른 선회율을 갖는 선박은 액화가스운반선(평균 57.333°/min) > 기름 운반선(평균 56.833°/min) > 컨테이너선(평균 51.444°/min) > 벌크선(평균 40.833°/min) 순으로 나타났다.
2.3 보침 및 변침성능 시험 기반 선회율 분석
보침 및 변침성능 시험(Yaw checking and course keeping ability test)은 선박의 조타 명령을 좌현으로 지시했다가 일정 시간 이후 우현으로 조타 명령을 수행하는 Zig-zag 형태로 선회한다. 이 때 Overshoot Angle(OA), 현측별 선박 회두각변위량(ΔHeading)과 응답시간(T)으로 유효한 선회율을 추정한다. Fig. 2는 Zig-zag 시험을 나타내고 있으며, 회색선은 회두각(Heading), 녹색선은 타각을 의미한다. 타각 10도와 20도 Zig-zag 시험을 통한 선회율 추정 계산식은 식(2)와 식(3)으로 나타냈다.
대상 선박의 Overshoot angle의 범위는 1차가 3∼15°, 2차는 7∼20°이었으며, 선박 회두의 각변위량의 경우, 1차는 47∼60°, 2차는 47∼60°이였다.
선종별 각변위량과 분당 선회율의 평균을 검토한 결과는 Table 3과 같으며, 대상 선박 중 자동차 운반선은 1척을 제외하고 검토하였다. 액화가스 운반선은 ROT(10Z)에서 평균 24.000°/min, ROT(20Z)에서 38.833°/min으로 가장 높게 나타났다. ROT(10Z)과 ROT(20Z)의 차이를 분석한 결과 컨테이너선(16.6°/min) > 액화가스 운반선(15.7°/min) > 기름 운반선(12.8°/min) > 벌크선(11.9°/min) 순으로 검토되었다. 방형비척계수의 크기가 작은 선종일수록 ROT(10Z)과 ROT(20Z)의 차이가 크게 나타나는 특징이 있었으며, ROT(20Z)는 ROT(10Z)의 약 1.65에서 1.76배가 나타남을 확인하였다.
2.4 IMO 조종성 시험 기반 선회율 종합 검토
대각도 변침 중 선회율을 추정하고자 IMO 조종성 시험 결과서를 기반으로 총톤수, 선종별로 선회율을 종합적으로 검토하여 집단화하였다. 최근 운항 선박의 선회성능 결과서를 통하여 타각 35도에 대한 선회율, 보침 및 변침성능 시험의 결과서를 바탕으로 타각 10도와 20도의 선회율을 검토하였다. 선박에서 사용하는 타각 지시 명령인 타각 10도, 타각 20도, 타각 35도의 선회율이며, Fig. 3과 같다. 선종별로 기호와 색깔로 구분하였다.
타각 10도일 때 선회율의 평균값은 20.1°/min, 표준편차는 5.03, 타각 20도는 평균 34.9°/min, 표준편차는 9.14이었다. 평균값을 기반으로 표준편차를 적용하여 선회율이 빠른 집단과 느린 집단으로 구분하였다. 타각 35도는 대상 선박의 선회율 범위가 넓게 분포되었기 때문에, 본 논문의 취지에 부합하도록 1,000척 이상의 도선 경력을 갖는 도선사 5명의 전문가 의견을 청취하여 선박 범위와 선회율을 설정하였다. 선박 총톤수별 선회율을 세 집단으로 분류한 결과는 Table 4로 제시하였다.
3. 제한수역의 선회율 비교분석
3.1 제한수역에서 선회율 측정 조건
2장에 제시된 선회율 분석 결과는 IMO 선박 조종성 시험 당시 측정된 것이다. 시험 조건에 따라 양호한 기상, 심수, 기관 최대출력 85%의 항해속력으로 진행되었기 때문에 제한수역의 고려해야 할 요소인 천수효과와 항내 속력(Harbour speed)을 적용한 실선의 선회율 검토가 필요하다.
부산신항의 5항로 출입구에서 선회율을 측정하였으며, 대상 선박은 컨테이너 선박이었다. 풍속 10kts 이하의 양호한 기상 상태였으며, 일정 타각을 유지하여 얻은 선회율만 연구에 활용되었다.
3.2 D/T와 항내속력을 고려한 선회율 분석
제한수역의 특성을 고려한 선회율 분석을 위하여 부산신항에 입출항하는 선박 10척의 실선 자료가 활용되었으며, 선회율을 분석한 결과는 Table 5와 같이 정리하였다(Kim et al., 2008). 제한수역의 고려 요소인 천수효과를 나타낼 수 있는 수심(Depth, D)과 흘수(Draft, T)의 비, 선속, 총톤수 그리고 타각별 선회율을 제시하였다. 그리고 선회율을 나타내는 열에는 Table 4에 제시된 선회율 결과와 비교하여 감소 비율(%)로 제시하였다.
제한수역의 영향으로 인하여 Table 4에 제시된 선회율보다 낮게 형성된 대상 선박의 타각별 선회율 감소 비율을 분석한 결과, 평균 30%로 계산되었다. 그리고 선회율의 감소 비율은 9%에서 62%까지 범위로 나타났다.
D/T가 1.5 이상, 선속이 8kts 이상인 선박은 Table 4에 제시된 선회율 범위 안에 있거나 약 10% 선회율이 감소하는 것으로 분석되었다. D/T가 1.5 미만, 선속이 8kts 미만인 선박의 선회율 감소 비율이 약 30∼60%로 분석되었는데, 제한수역에서 항해 중에 해당 선박의 선회율을 높이기 위한 예선(Tug boat) 또는 높은 타각의 사용이 필요함을 시사한다.
4. 선회율을 이용한 항로 추종의 실선 분석
4.1 제한수역에서 항로 추종을 위한 대각도 선회
선박은 제한수역에서 항해가 이루어지면서 부두에 접이안을 하고, 운송 수단으로서의 목적을 달성하게 된다. 제한수역의 특성상 좁고, 제한된 항로를 갖고 있기 때문에 선박은 대각도 변침을 빈번하게 수행한다. 선박이 제한된 수역에서 대각도 선회 시 선회율 확인은 매우 중요한 요소이다. 결국 선회율(ROT)은 각속도라는 물리량을 의미하며, 식(4)로 나타낼 수 있다(Inoue, 2013). 식(4)에서 V는 선속이고, 제한수역 조선자 관점에서 기관사용으로 조정이 가능한 요소이다. R은 선회반경을 의미하며, 계획항로 수립 시 명확한 값을 결정하고, 해도상에 표시하는 요소이다.
4.2 부산신항 실선 결과
가. 실선 적용 수역의 특성
부산신항의 5항로 출입구 부근에서 항로 추종을 위한 대각도 선회를 실시하였으며, Fig. 5는 부산신항 5항로 출입구의 통상적인 출입항로를 나타내고 있다. 출항선은 70도로 대각도 변침과 더불어 전방에 저수심, 항로표지, 방파제 등의 항해 위험 요소가 존재한다. 입항선의 경우 변침각이 최대 약 40도이며, 선회지점을 고려하면 전방에 출항하는 선박을 제외하고 항해 위험요소가 출항선에 비하여 상대적으로 적다.
적용 수역은 주로 G/T 120,000∼220,000ton급 초대형 컨테이너선이 통항하며, 항로 폭이 최소 730m이고 항로 경계 밖은 저수심이 존재한다. Table 5와 같이 5항로를 운항하는 컨테이너선의 D/T 는 약 1.1∼1.7 정도이며, 선속은 부산항 항법규칙에 따라 최대 12kts로 제한된다. 또한, 항로 중앙부에 가상의 특수신호표지(Virtual AtoN)가 설치되어 있으며, 특별한 사정이 없는 한 2개의 가상 표지를 좌현에 두고 항해하는 특징이 있다.
나. 항로 추종을 위한 선회율 추정
2024년 3월 4일 1300시, 3월 7일 1700시에 부산신항을 출항하는 A선과 B선을 대상으로 대각도 변침을 수행하고, 항로추종 여부를 검토하였다. A선박과 B선박의 제원은 Table 6과 같다.
두 선박의 항로 추종을 위한 대각도 선회할 수역의 D/T가 1.8 이하로 작게 형성되어 선체침하현상을 예방하기 위해 A선박은 최대 선속을 약 8∼10kts, B선박은 최대 선속을 12kts로 계획하였다.
Table 4의 분류상 A선박의 타각 20° 사용 시 선회율은 25±5°/min이지만, 천수효과로 약 30% 느리게 약 15∼20°/min추정되었다. B선박의 타각 20° 선회율은 45±5°/min이지만, 천수효과를 고려하여 약 30% 감소시켜 28∼35°/min 정도가 예상되었다. 선회 수역의 선회반경을 0.5마일로 계획하였으므로 식(4)에 따라 최적의 선회율은 선속의 2배가 된다. 따라서 ROT 가 V의 2배가 되도록 타와 기관의 조종이 필요하다.
다. A선박의 선회율을 고려한 계획 항로 추종
초대형선인 A선박은 Slow ahead로 선속 6kts, 침로 260°를 유지하다가 선회 시점에 타각 Port 20도를 사용하였다. 선속이 6kts이므로 ROT는 그 2배 값인 12°/min을 목표로 설정하였다. 선회율이 12°/min보다 느리게 나타나면 타각 35도 사용을 안전마진으로 두었다. ROT가 12°/min보다 빠르면 타각을 Port 5∼10도로 줄이거나 Midship을 사용할 계획이었다.
처음 타각 Port 20도를 사용한지(13:25:29) 약 1분 후에 가 선속 값의 약 2배 값인 13°/min까지 서서히 빨라졌다(13:26:29). 직전 1분간 가 목표치보다 느렸으므로 선속 값의 2배보다 약간 더 빠른 를 유지하면서 선회 중 수저항에 의해 저하되고 있는 선속을 보상하기 위해 Half ahead를 사용하였다(13:27:14). 그로부터 약 2분 후에 를 다시 선속 값의 2배로 낮추기 위해 타각을 Port 10도로 줄였다(13:28:27). 가 서서히 줄어들면서 1분 후에 회두가 안전하게 끝나가는 것을 확인하고, 출항 침로인 195°로 정침을 명령하고(13:29:29) 회두를 마쳤다. A선박의 선회율을 고려한 계획 항로 추종 결과는 Fig. 6과 같다.
A선박은 우현측 Buoy와 방파제에 접근이 없었고, 두 개의 가상 특수항해표지를 좌현에 두고 통과하였으며, VRM(Variable Range Marker) 0.5마일의 원호를 추종하였음을 확인하였다.
라. B선박의 선회율을 고려한 계획 항로 추종
중형선인 B선박은 Slow ahead로 선속 10kts, 침로 267°를 유지하였다. 선회 시점에 이르러 타각 Port 10도를 사용하였다. 선속이 10kts 내외였으므로 ROT는 선속의 2배인 20°/min유지를 목표로 설정하였다. 선회율이 목표치보다 빠르거나 느리면 A선박과 같은 조치를 계획하였다.
처음 타각 Port 10도를 사용한지(17:41:08) 약 1분 20초 후에 ROT가 선속의 약 2배인 20°/min까지 서서히 빨라졌다(17:42:28). 계획 항로를 추종하기 위하여 2배보다 약간 더 빠른 ROT가 나오도록 Port 10도를 유지하였다. ROT는 23°/min에서 안정되었고(17:43:08), 최초 타각 사용으로부터 3분 10초 후에 회두가 안전하게 끝나가는 것을 확인하였다. 그리고 출항 침로인 195°로 정침을 명령하고(17:44:18), 선회를 마쳤다. B선박의 선회율을 고려한 계획 항로 추종 결과는 Fig. 7과 같다.
Fig. 7은 B선박의 AIS(Automatic identification system) 항적이다. 입항선 통항에 지장을 끼치지 않았으며, 우현측 부표 및 방파제와 안전한 거리를 유지하면서 0.5마일의 원호를 추종하였음을 확인하였다.
5. 결 론
제한수역에서 선박이 대각도 변침 시, 선회 속도에 따라 전방에 암초, 부두, 방파제 등과 충돌하거나 반대측 선박의 통항에 위험을 초래한다. 그럼에도 불구하고 대부분의 제한수역 조선자는 경험과 감각에 의존하는 것이 현실이며, 불안감을 갖은 상태에서 대각도 선회를 수행하고 있다.
본 연구는 제한수역에서 대각도 변침 중 계획 항로로부터 이탈을 최소화하고 추종할 수 있는 선회율을 검토하고자 하였다. 운항 선박의 IMO 조종성 시험 결과서를 바탕으로 선회율을 분석하였고, 부산신항에서 제한수역에 따른 선회율을 검토하였다. 그 결과를 바탕으로 2척의 선박으로 선회율을 고려한 항로 추정을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 운항 선박의 IMO 조종성 시험 결과서를 바탕으로 지수회귀분석으로 결과 총톤수가 커질수록 선회율이 작아지는 경향을 확인하였다. Table 4와 같이 선박 총톤수와 선회율로 3개의 집단(Fast, Normal, Slow)으로 분류하였다.
둘째, 제한수역에 해당하는 부산신항 5항로 부근에서 컨테이너 선박의 선회율을 조사 및 분석하여 D/T와 선회율 관계를 확인하였다. 천수효과를 고려한 대상 선박의 선회율은 IMO 조종성 기준보다 평균 30% 감소하는 것으로 분석되었다. D/T가 1.5 이상, 선속이 8kts 이상인 경우 선회율과 유사하거나 약 10% 정도 느린 것으로 확인되었다. 또한 D/T가 1.5 미만, 선속이 8kts 미만인 경우 선회율이 약 30∼60% 정도 감소하는 것으로 분석되었다.
셋째, 초대형과 중형급 컨테이너 선박으로 부산신항 5항로 출입구 수역에서 선속과 선회반경의 관계식으로 도출된 선회율을 이용하여 계획 항로에 따른 항로 추종을 수행하였다.
실선을 이용하여 선회율을 고려한 계획 항로의 추종은 성공적으로 수행되었으나, 부산신항 5항로 출입구에서만 수행되었다는 제한수역의 공간적, 해상 환경에 대한 한계는 존재한다. 본 연구는 실제 선박으로 대각도 변침 시 선회반경과 선속을 고려한 선회율을 목표치로 설정하고, 선회율 조정을 통하여 계획 항로를 추종했다는 점에서 의의가 있다. 추후 다양한 제한수역과 선박 상황을 반영한 사례의 지속적 연구가 수행되어야 할 부분이다.
본 연구 결과는 제한수역 조선자에게 계획 항로 이탈을 최소화하고 항로 추종에 활용될 수 있으며, 더 나아가 해양사고 예방에 기여되기를 기대한다.
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