J Navig Port Res > Volume 44(6); 2020 > Article
능동형 펜더 기반의 접안지원시스템 개발 및 실선실험

요 약

선박 운용에 있어 가장 어려운 과정 중의 하나가 접안작업이고, 따라서 도선사 및 예인선의 도움이 반드시 필요하다. 그 외 접안작업을 도울 수 있는 도구는 안벽에 설치된 고무형 펜더가 전부라 할 수 있다. 이러한 고무형 펜더의 한계를 극복하기 위해 짧은 범위에서 길이 조정이 가능한 펜더기술이 개발되었으나 여전히 접안작업의 불편함은 크게 해소되지 못한 실정이다. 따라서 본 논문에서는, 접안작업의 안전성과 신속성을 개선할 수 있는 새로운 개념의 접안지원기술을 제안한다. 실린더형 펜더와 윈치시스템으로 구성하였으며, 펜더 스트로크 및 윈치-로우프의 장력조정으로 접안선박의 이동속도 및 안벽과의 거리제어가 가능하다. 또한 이동식으로 구성하여 선박의 접안위치에 따라 신속하게 대응할 수 있다. 개발한 시스템의 유용성을 평가하기 위해 실선을 대상으로 한 현장실험을 수행하였으며, 그 결과를 본 논문에서 소개한다.

ABSTRACT

Maneuvering vessels in the harbor is an interesting problem in marine cybernetics. The vessel, operated by the pilot and moving very slowly in shallow water, usually is assisted by thrusters, the main propulsion system, and tugboats . In this paper, we suggest a new vessel berthing technique using dampers (cylinder-type fenders) and a system of winches for complex and dangerous berthing situations. We found that control of the fender stroke and rope tension enabled a safe and quick berthing process. The effectiveness and usefulness of this berthing system was verified using a ship of about 2,000 tons.

1. 서 론

본 논문에서는 안전하고 신속한 선박접안을 위한 접안지원 시스템 기술을 개발하고, 실선을 대상으로 한 실험을 통해 개발한 기술의 유효성을 평가한다. 접안작업은 항해를 마치고 항만으로 들어와 항해과정을 마무리 하는 마지막 단계이다. 중소규모 선박의 경우에는 육상에서의 자동차 주차와 같은 수준의 작업난이도이지만, 대형 선박의 경우에는 그것과는 완전히 다른 차원의 어려운 작업이라 할 수 있다. 그래서 여전히 예인선의 도움을 받아야 하며, 풍부한 경험과 항만사정에 밝은 도선사의 지원을 받아야 한다. 그럼에도 불구하고 접안을 위해서는 상당한 노력과 시간이 필요하며, 경우에 따라서는 접안 안정성마저 위협받기도 한다.
그래서 이러한 문제점을 해결하기 위한 많은 연구와 기술 개발 노력이 시도되었고, 좋은 결과들도 도출되었다. 예를 들어 지능적 제어기법으로 선박운동을 제어하여 접안안정성을 확보하고자 하는 연구결과가 좋은 사례가 될 수 있다. 구체적으로는, 선박 주추진장치와 조타장치 등 기본적인 조종기능만을 제어하는 접안방법(Bae et al., 2008, Nguyen and Im, 2019, Kim et al., 2018, Zhang et al., 1997)과, 여기에 사이드 트러스트 등의 부가적 조종기능을 제어하는 방법(Bui et al., 2010)에 관한 연구결과도 있다. 또한 선박과 예인선이 결합된 상태에서의 시스템 모델링 및 제어를 통해 접안상황에서의 선박제어 성능을 개선하고자 하는 연구도 수행되었다. (Bui et al., 2011a, 2011b, Hasegawa and Fukutomi, 1994)
접안상황에서는 보다 정교한 선박운동제어가 필연적이므로 이에 따른 선박운동 및 주위환경을 신속하고 정확하게 파악할 수 있는 우수한 계측기법도 동시에 수반되어야 한다.
즉, 접안상황에서는 GPS와 같은 부류의 계측시스템의 활용이 어려우므로 비전기반 센싱시스템, 광학적 센싱시스템 등의 정교하고 빠른 특성의 계측기법이 필요하며, 이에 관한 연구도 수행된바 있다. (Kim et al., 2006a, 2006b)
이러한 연구결과는 자율운항선박의 기반기술로서 큰 기여를 할 것임에 틀림없다.
또한 항만에서 소요되는 시간은 곧 비용문제로 직결된다. 즉, 접안시간이 길어지면 화물의 양하역에 필요한 작업시간의 지연에 따라 항만운영효율성이 떨어지게 된다. 이것은 결국 항만경쟁력과도 직접적인 상관이 있어, 이러한 불필요한 시간을 줄이기 위한 다양한 노력을 강구하고 있다. 예를 들어 하역 장비의 지능화 및 고속화, 또는 물류창고개념의 화물처리시스템을 구축하고자 하는 노력 등, 그야말로 스마트항만구축을 위한 다양한 기술적, 정책적 노력이 그것이라 할 수 있다.
그러나, 스마트항만구축에서도 접안기술을 선박에 부속되는 기술로 보고, 지능적인 접안시스템 혹은 지원시스템 구축에 대한 새로운 아이디어나 기술개발의지는 부족하다.
따라서 본 연구에서는 이러한 현황을 개선하고 극복하기 위한 노력의 일환으로, 신속하고 안전하게 접안작업을 완성할 수 있는 새로운 개념의 기술을 개발하였다.(Kim, 2015)
현재 가장 고도화된 상용화기술인 CAVOTEC사 기술은 안벽에 고정하여 운용하는 방식이다. 이 기술만으로도 접안과정에서의 작업안정성을 대폭 개선하였다는 평가를 받고 있으나, 안벽에 고정하여 운용해야하는 유연성부족에 따른 불편함에 대한 개선이 지속적으로 요구되고 있다.
그래서 저자는 이동식 장치에 실험실 수준에서의 기초연구를 기반으로 실용화단계 기술까지 발전된 장비를 개발하였으며, 실선을 대상으로 한 접안실험을 통해 그 유용성을 평가하였다.
결론적으로 이론적 관점에서보다 실용적 측면에서의 기술적특징과 성능에 주안점을 두고 실선을 대상으로 한 실험결과를 소개하도록 한다.

2. 능동형 펜더 기술개발의 필요성

서론에서 소개하였듯이 접안은 선박을 운용하는 입장에서 가장 어려운 작업이다. 작업난이도는 선박 규모에 비례하여 증가한다. 따라서 도선사 및 예인선의 필요성이 요구되는 주된 이유이기도 하다.
그러나 자율운항선박의 도래에 따른 관련기술의 발전이 획기적인 수준이라 할지라도 접안기술에 대한 발전속도는 거의 눈에 띄지 않을 정도라 할 수 있다. 오해일수도 있는 것은, 자율운항선박이 모든 과정을 자율적으로 수행할 수 있다는 가정이다. 상대적으로 규모가 작은 선박의 경우에는 자율운항기능 유무에 상관없이 접안작업에 큰 문제가 없다.
그러나 중대형 선박의 경우에는 미세한 운동까지 정교하게 제어한다는 것은 어렵다. 물론 먼 미래에는 혁신적 기술개발을 통해 보다 개선된 결과를 기대할 수 있으나, 아직은 접안작업에서 직면하고 있는 문제를 반드시 해결함으로써 자율운항 선박기술의 운용에 유연성을 더하게 될 것으로 본다.
그래서 저자들은 이러한 요구와 편이성 극대화라는 목적아래 이동식 펜더기술을 개발하게 되었으며 기본적인 개념은 Fig. 1과 같다. 그림에 나타낸 것과 같이, 접안지원시스템을 활용할 수 있는 범위에 접근하게 되면, 예인선의 도움없이 자동으로 접안작업을 완성하는 것이 최종목표이다.
실린더형 댐퍼 및 윈치시스템은 이동식 차량에 탑재되며, 댐퍼는 선박과 안벽과의 거리를 적절히 조절하고 윈치시스템은 예인선을 대신하여 선박을 안벽으로 끌어당기는 역할을 한다. 선박운동, 선박의 상대거리 및 접안을 위해 필요한 정보는 센싱시스템을 통해 획득하고, 제어시스템은 댐퍼 및 윈치시스템을 적절히 조절하여 안전하고 신속하게 접안작업을 수행하도록 한다.
시스템 운용방법의 한 예를 Fig. 2에 나타내었다. 이때 (a)는 현재 상용화기술인 CAVOTEC사의 moormaster라는 기술이며, 선박이 안벽측으로 2[m]내외 까지 접근한 후부터 활용이 가능하다. 더욱이 장치는 안벽측에 고정되며, 접안작업을 도우는 역할보다는 진동적인 선박운동을 억제하여 충돌위험을 최소화하는 것에 무게를 두고 있다. 결국 이 기술은 항만 모든 접안영역에 설치해야 하므로 막대한 설치비용이 필요하며, 크레인 등의 하역장치 운용에 장애요인을 유발시키기도 한다. 따라서, Fig. 2 (b)에 나타낸 것과 같이, 접안지원시스템을 이동식으로 구성하여 접안위치에 적절히 이동·배치함으로써 안전하고 신속한 접안작업이 가능할 것이다.
즉, 이동식으로 구성하게 되면, 선박접안위치에 따라 능동적으로 대응할 수 있으므로 접안작업의 효율성을 개선할 수 있을 것이다. 이때 접안작업을 수행할 수 있는 대응거리는 가이딩장치의 역량에 따르며, 안벽에서 10[m] 내외 거리에서부터 선박접안지원이 가능할 것이다. 본 연구에서는 최대 5[m] 스트로크의 실린더형 가이딩장치를 제작하여 2천톤 규모 선박을 대상으로 접안실험을 실시하였다.

3. 펜더시스템 구성장치의 특성

이동식 펜더에서 가장 기본이 되는 가이딩 장치는 유압실린더형이며, Fig. 3의 (a)와 같이 두개의 실린더를 한조로 구성하였다. (a)에서 왼쪽 사진은 펜더시스템 내부에 삽입되는 실린더(Table 1의 규격참조)이며 이것이 내장되어 있는 가이딩 장치가 오른쪽 사진이다. 이것을 접안선박의 선수 및 선미측에 각각 접촉시켜 안벽으로 이동시킬 때의 이동속도 및 위치를 조정한다. 물론 선박크기에 따라 그 숫자는 선택적으로 증감할 수 있을 것이다. Fig. 3 (b)는 펜더가 선박측에 접촉하는 부분을 나타낸 것으로 유연한 패드로 선박에 상처를 주지 않도록 제작하였다.
그리고 펜더시스템에 윈치를 장착하여 선박을 안벽으로 끌어당길 수 있도록 구성하였다. (Fig. 3 (c)) 선박접안과정에 예인선의 도움이 필요하지만, 윈치-로우프로 선박을 끌어당기고, 펜더로는 반대방향으로 미는 힘을 조정하게 되면 안벽으로 접근하는 선박운동을 제어할 수 있어 예인선 없이도 접안작업이 가능하다. 즉, 안벽측에 이러한 장치를 갖추게 되면 예인선 없이도 접안작업이 가능하게 됨을 의미한다.
그래서 본 실험에서는 Fig. 1에 나타낸 접안기술이 실현가능하다는 것을 검증하기 위해 윈치-로우프는 수동으로 조작하고, 댐퍼는 자동으로 조작하여 접안을 완성하는 실험을 수행하였다. 실제 윈치-로우프로 선박을 끌어당긴다 하더라도 다양한 요인으로 인해 선박이 일정한 속도로 움직이지 않는다. 파랑, 유체력특성변화는 롤링 및 피칭 등의 불규칙적인 선박운동을 야기시키고, 이로 인해 로우프 장력 및 댐퍼에 가해지는 부하가 변하여 접안작업 안정성에 문제가 발생하게 된다. 실험을 위해 제작한 펜더시스템을 선미측에 설치하고, 선측에 접촉시켜 힘 조정을 통해 안벽으로 가이딩하는 모습을 Fig. 3 (d)에 나타내었다.
그리고, Fig. 3 (e)는 실린더 및 윈치제어 하드웨어 장치를 나타내고 있다. 무선통신을 통한 원격제어가 가능하도록 구성하였으며, 컴퓨터를 이용한 실시간 제어 및 모니터링이 가능하다. 또한 펜더장치에서 두 개의 실린더가 한조로 운동하게 되므로 선박운동에 따른 부하분담이 가능한 균등하게 이루어져야 한다. 따라서 두 실린더의 동특성은 가능한 일치해야 하므로 제작단계에서 운동특성을 평가하였다. 그 결과를 Fig. 4에 나타내었는데, 실험결과로부터 알 수 있듯이 두 실린더의 운동특성이 거의 동일함을 알 수 있다. 물론 필요에 따라 두기의 실린더는 독립적으로 제어가 가능하도록 제작하였다. 그리고 펜더를 구성하는 실린더 및 각 부속품은 KSB 6370 기준에 따라 성능시험을 실시하였다.

4. 실선대상 실험

4.1 실험준비

2장에서 소개한 것과 같이, 실린더형 가이딩장치 및 윈치시스템으로 펜더시스템을 구성하였다. 이것을 선박의 선수 및 선미측에 위치시키고 윈치시스템으로 선박을 당기고 펜더로 미는 방식으로 접안실험을 시도하였다.
2장에서 기술하였듯이 윈치는 수동으로 조작하고, 댐퍼는 자동으로 제어하여 접안하는 선박의 속도 및 위치는 제어하는 semi-automatic 제어기법이라 할 수 있다. 댐퍼제어시스템은 PID제어를 기본으로 하며, 필요에 따라 고난이도 제어기법을 적용할 수 있도록 컴퓨터기반의 하드웨어시스템이 장착되어 있다.
윈치를 가능한 일정한 속도로 회전시켜 선박을 안벽으로 이동시킨다 하더라도 유체력특성변화, 파랑 등의 영향으로 선형적인 선박운동특성을 기대할 수 없다.
이러한 상황을 고려한다면, 접안작업의 안정성 확보를 위해 댐퍼의 역할이 상당히 중요하다는 것을 알 수 있다. 그래서 본 연구에서는 댐퍼에 가해지는 압력을 일정한 값으로 설정하고 그 값을 유지하도록 제어한다. 이렇게 함으로써 안벽으로 접근하는 선박운동을 적절하게 제어할 수 있게 된다. 이때 설정하는 압력값은 선박규모와 이동속도 등을 고려하여 적절히 설정하면 된다.
지금까지의 준비아래 개발한 펜더시스템 기술을 실선을 대상으로 한 실험을 통해 평가하도록 한다.
2천톤 규모의 선박(부경대학교 실습선 가야호)으로 안벽으로 가이딩하는 접안실험과 반대로 안벽으로부터 이탈시키는 이안실험을 수행하였다.
접이안실험상황을 Fig. 5에 나타내었다. 그리고 Fig. 6은 접이안상태를 모니터링하기 위한, 모니터링시스템 운영알고리즘 플로우차트이다. 그리고 Fig. 7은 GUI 시스템 디스플레이 화면을 나타내고 있으며, 선박의 이동속도, 안벽과의 거리, 펜더 실린더 스트로크, 압력 등 필요한 정보를 확인할 수 있도록 구성하였다.

4.2 실험결과

지금부터는 접안과 이안 실험결과를 보다 구체적으로 소개한다. 실험시작은, 선박이 안벽에 완전히 접안된 상태에서 이안을 시작하여, 안벽에서 선수측 2.0[m], 선미측 1.5[m] 거리까지 해상쪽으로 이동한 후, 그 위치에서 일정시간 정지 후 다시 안벽측으로 접근하는 실험을 반복하여 수행하였다.
실험결과는 Fig. 8에 나타내었다. 그림에서 (a)는 선수측, (b)는 선미측 두개의 실린더 스트로크(좌측 및 우측), 안벽측에서 선박측면까지의 거리를 각각 나타내고 있다.
좌측 및 우측 실린더 스트로크 및 선박측면까지의 거리가 다른 것은, 선박측면이 곡면이기 때문이다. 이때  축은 실제 실험을 수행했던 시작과 종료시간을 [시간:분] 단위로 나타내며,  축은 변위(거리)를 나타낸다. 실험과정을 시간적으로 요약하면 다음과 같다.
-11시 12분 : 이안시작
-11시 15분 : 목표위치까지 이동(선수측 2[m], 선미측 1.5[m])
-11시 15분 ∼ 11시 40분 : 상태유지(정지구간)
-11시 39분 : 접안시작
-11시 41분 : 접안완료
이때 선수측 및 선미측 접이안 평균속도는 각각 0.93[m/min], 0.76[m/min] 이었다.
이제 Fig. 8의 실험결과를 좀 더 상세하게 설명하도록 한다. 작업과정은 그림에서 세로방향의 붉은 점선으로 구분한 것과 같이, 이안, 정지 그리고 접안의 3구간으로 나누었다. 이때 이안구간에서 약간의 진동적인 특성이 나타나고 있다.
이러한 현상은 정지구간에서도 나타나며 이것은 주변 선박의 이동 등으로 발생한 파랑의 영향 및 선박의 관성력 때문이다. 반면 마지막 접안구간에서는 이러한 진동적 특성이 나타나지 않고 아주 자연스럽게 안벽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
이안과정 및 정지구간에서 파랑 등에 의해 진동적 특성이 나타나는 것은, 안벽측으로는 댐퍼가 지지하고 있으나 해상측으로는 운동을 구속할 수 있는 구조물이 없기 때문이다. 단지 윈치-로우프 장력에 의한 구속력 뿐이다. 이때 충분한 억제력을 가진 윈치-로우프라면 진동적인 특성을 억제할 수 있다.
그러나 본 실험에서의 대상선박은 윈치-로우프 설계규격을 초과하는 규모이고, 로우프 파단 등의 위험성을 고려하여 기준값을 초과하지 않는 범위 내에서 실험을 수행하였다.
실제 안벽측이 아닌 해상측으로의 진동적인 선박운동은 접이안과정에서는 큰 문제가 되지 않는다.
결론적으로 정지구간(선수측 : 2[m], 선미측 : 1.5[m])에서 일정거리 이하로 선박이 이동하지 않는 것은 댐퍼가 안벽측으로의 선박이동을 충분히 억제하고 있기 때문이다. 정지구간이 지난 후 접안과정에서는 댐퍼와 윈치조절을 동시에 수행함으로 불안정한 진동적 특성없이 자연스럽게 작업이 가능하였다.
결과적으로, 펜더시스템 개발 후 첫 실험이고, 펜더설계규격 보다 규모가 큰 선박을 대상으로 한 실험이라는 상황을 고려하여 상당히 조심스럽게 실험을 수행하였다. 그럼에도 불구하고, 개발한 장비를 이용하면 상당히 신속하게 접이안작업이 가능함을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

본 논문에서는, 새로운 개념의 이동식 선박접안시스템을 개발하고, 실선을 대상으로 한 실험을 통해 개발기술의 유효성을 검증하였다.
접안은 가장 어렵고 힘든 작업 중의 하나이다. 자율운항선박의 출현 등 첨단기술의 발전에도 불구하고, 접안작업을 지원하는 각종 시스템기술은 전근대적 수준이라 할 수 있다. 기본적으로는 예인선과 안벽에 설치된 고무형 혹은 고정식 펜더에 의존하여 접안작업이 수행된다. 가장 선진화된 기술이더라도 접안신속성 보다는 안벽과의 충격을 최소화하는데 중점을 두고 있는 실정이다.
그래서 저자는 이동성, 신속성 및 안정성을 동시에 확보할 수 있는 능동형 펜더기반의 이동식 접안지원시스템을 개발하였다. 개발한 접안지원시스템은 실린더형 댐퍼와 윈치시스템으로 구성하였고, 안벽으로부터 약 5[m]내외 거리에서부터 선박을 안벽으로 안내할 수 있다.
댐퍼는 실린더형으로, 스트로크 조절을 통해 안벽과 선박간의 거리를 제어하며, 윈치-로우프는 예인선을 대신하여 선박을 안벽으로 끌어당기는 역할을 한다. 결국 댐퍼 및 윈치의 적절한 조절을 통해 접안작업을 완성할 수 있도록 구성하였다. 아울러 이러한 기능을 통합한 시스템을 이동식으로 구성함으로써 선박이 접안하는 위치에 상관없이 능동적으로 대응할 수 있다.
본 연구에서 개발한 시스템은 고정식 댐퍼 등이 갖는 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 접안기술이다. 자율조종기능의 유무와 상관없이 선박의 안전하고 신속한 접안지원을 통해 항만운용의 효율성도 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 1
Schematic drawing of the proposed berthing system
KINPR-2020-44-6-494f1.jpg
Fig. 2
Ship berthing systems and a proposed berthing strategy using the mobile fender system
KINPR-2020-44-6-494f2.jpg
Fig. 3
Developed fender system
KINPR-2020-44-6-494f3.jpg
Fig. 4
Dynamic responses of the fender cylinders
KINPR-2020-44-6-494f4.jpg
Fig. 5
Photo of berthing test process
KINPR-2020-44-6-494f5.jpg
Fig. 6
Flowchart for configurating the GUI system
KINPR-2020-44-6-494f6.jpg
Fig. 7
Captured photo of GUI monitoring system
KINPR-2020-44-6-494f7.jpg
Fig. 8
Stroke of fender cylinder and distance of vessel from quay side
KINPR-2020-44-6-494f8.jpg
Table 1
Specification of fender cylinder [unit : m]
length stroke diameter of rod diameter of cylinder
5.95 5.00 0.09 0.125

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