†1. 서 론
최근 세계적으로 수출입 화물의 물동량 증가로 물류 효율성 향상을 위한 신기술 도입과 운영에 대한 관심이 높아지고 있다. 물동량의 급격한 증가는 동시에 물류 복잡성도 크게 상승시켰으며, 이는 컨테이너 터미널도 예외는 아니다. 기존의 야드 트럭을 기반으로 한 컨테이너 터미널 작업 환경은 노동력 의존성, 교대 근무로 인한 시간 손실, 그리고 인건비 상승 및 신규 인원의 유입 감소 등과 같은 다양한 문제에 직면하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자동화 이송 장비의 도입이 활발히 논의되고 있으며, 그 중 AMR(Autonomous Mobile Robot)은 자율주행 기술과 연속 작업 가능성 덕분에 터미널 작업 효율성을 향상을 위한 기술로 주목받고 있다.
Jeon 외 3인(2008)은 컨테이너 물동량 증가, 선박의 대형화, 인건비 증가, 정보통신기술의 변화, 첨단 기술개발 등 다양한 환경변화로 이에 대응하기 위해 자동화 터미널이 개발되고 있다고 주장하였으며, Choi(2018)은 빅데이터, IoT 등 첨단기술 투자를 통해 선박 운항과 터미널 운영의 효율성을 개선하여 운영비를 절감하는 것이 새로운 대안으로 주목받고 있다고 주장하였다. 관련하여 Cha and Roh(2024)는 컨테이너 터미널 생산성 향상의 중요한 요소로 야드 이송장비를 언급하였으며, 야드 완전 자동화를 위해서는 이송장비 영역까지 자동화 방식으로 운영되어야 한다고 주장하였다.
본 연구에서는 AMR을 활용한 자동화 시나리오를 설정하고, 기존 야드 운영 방식과의 비교를 통해 실질적인 성능 개선 가능성을 분석하였다. 또한, 시뮬레이션을 활용하여 다양한 운영 조건에서 AMR 도입 효과를 검증하고, 자동화 수준에 따른 물류 효율성 변화를 정량적으로 분석하였다.
컨테이너 터미널의 자동화는 전 세계적으로 지속해서 연구되고 있으며, 기존 연구들은 자동화 기술 도입의 효과성과 구현 가능성에 대한 다양한 분석을 수행해왔다. 컨테이너 터미널 자동화의 필요성과 효과는 다양한 연구에서 강조되고 있다. KMI(2018)는 컨테이너 터미널 자동화가 노동력 의존도를 낮추고, 운영 효율성을 극대화할 수 있다고 분석하였다. 또한, Chung(2018)은 다양한 항만 정보를 항만 주체들과 실시간 공유함으로써 터미널 운영 생산성이 향상할 수 있다고 주장하였다.
한편, Jeon 외 3인(2020)은 컨테이너 터미널을 중심으로 항만 운영의 시스템화, 무인자동화, 친환경화 등을 통해 항만 경쟁력을 향상시켜 경쟁 우위를 확보하고 있다고 주장하였으며, 세계 주요 컨테이너 터미널에서는 점차 높아지는 인건비와 부족한 노동력 문제를 해결하고 작업 능률을 극대화하기 위해 자동화 시설 도입에 노력을 기울이고 있다고 분석하였다. 관련하여 KMI(2017)와 Kim(2018)은 완전무인자동화 터미널의 경우 기존 터미널 운영보다 인건비, 동력비 등 터미널 운영에 소모되는 비용을 37% 절감하고 항만 생산성은 40%까지 증대할 수 있다고 분석하였다.
컨테이너 터미널의 신기술 도입 가능성에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. Lee 외 4인(2017)은 IoT 기술을 활용한 교통 흐름 제어로 항만 운영비 절감과 교통 체증 해소 효과가 있다고 분석하였다. 특히, Won 외(2020)는 컨테이너 야드에서 AMR 등의 도입이 장기적으로 우수한 기술을 낮은 비용으로 사용할 수 있게 유도할 것으로 예측하였다. 특히 국내 컨테이너 터미널에선 자율이송장비의 도입을 적극적으로 검토하고 있으며, AMR의 적용을 검토중인 단계의 터미널도 있는 것으로 조사되었다.
이처럼 최근 항만 자동화 및 신기술 도입에 대한 수요가 증가하면서 관련 연구가 활발히 진행되고 있으나, 현재까지 AMR을 비롯한 이송 장비의 운영 프로세스와 이동 경로를 정밀하게 반영하여 정량적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 AMR을 실험 대상으로 설정하고, 기존 야드 트럭과의 성능 비교를 통해 AMR 도입의 가능성과 그 효과를 검토하고자 한다.
그러나, 현재 운영 중인 컨테이너 터미널을 완전 자동화하는 것은 기술적, 경제적, 운영적 측면에서 많은 도전과제를 수반한다. 특히, 기존에 사용 중인 터미널 운영 시스템(Terminal Operation System; TOS) 및 기타 인프라와의 연계 문제, 높은 초기 투자 비용, 그리고 자동화에 따른 운영 절차 변화 등이 주요 장애 요소로 작용할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 기존 야드 트럭이 수행하는 이송 작업을 AMR로 대체하였을 때 기존 작업 방식과 비교하여 AMR의 도입이 물류 효율성을 어떻게 개선할 수 있는지를 실험하고자 한다.
2. 문제 정의 및 가정
본 연구에서는 국내 컨테이너 터미널을 기반으로 야드 트럭과 AMR의 성능을 비교하기 위한 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 그러나, 주간에는 외부 트럭의 출입이 빈번하여 AMR과 외부 트럭이 함께 작업해야 하는 상황이 빈번히 발생한다. 이러한 혼합 운영 방식은 차량 간의 복잡한 상호 작용을 유발할 수 있으며, AMR의 경우 시스템 외부에서 진입하는 차량을 식별하고 처리하기 위한 별도의 알고리즘과 이를 관리하기 위한 선대관리시스템(Fleet Management System, FMS)이 필요하다는 문제가 있다. 따라서, 본 연구에서는 외부 트럭의 출입이 최소화되는 야간 작업 환경을 실험 대상으로 설정하여 AMR과 야드 트럭의 성능을 보다 명확하게 비교하고자 하였다. 모든 실험은 동일한 작업 네트워크와 이동 거리를 가정하여 두 시스템의 성능을 일관되게 비교할 수 있도록 설계되었다. 야드 트럭의 근무 시간은 2시간 작업 후 1시간 휴식으로 설정되었고, 교대 시간은 최소 5분, 최대 10분, 최빈값 7.5분의 삼각분포를 따르도록 모델링되었다. 야드 트럭은 평균 속도 20km/h로 설정하였으며, AMR은 충전 후 8시간 연속 작업이 가능하며, 평균 속도는 야드 트럭과 같은 20km/h로 설정하였다.
컨테이너 터미널의 배치 형태 또한 자동화의 적용 가능성과 직접적인 연관이 있다. 야드 수직 배치에서는 야드의 해측 작업과 육측 작업이 완전히 분리되므로 이송 차량의 자동화가 용이하며, 컨테이너 연계 장소가 명확하게 지정됨으로써 작업의 안전성이 높아진다. 또한, 야드 내부에서는 야드 크레인을 제외하고는 통행이 없기 때문에 조명을 적게 설치할 수 있고안전성이 향상된다. 야드 수직 배치에서는 한 블록당 2대의 야드 크레인이 설치되어 해측 작업과 육측 작업을 구분하여 수행하지만, 수평 배치 방식에서는 각 크레인이 두 작업을 병행할 수 있어 작업 부하가 높은 피크(peak) 운영 기간에 높은 유연성을 제공한다. 또한, 터미널의 컨테이너 흐름 구성, 즉 수출입과 환적의 비율 변화에 대한 유연성도 우수하다.
현재 국내 컨테이너 터미널의 대다수가 수평형 터미널 형태를 가지고 있다. 이를 고려할 때, 자동화 장비를 도입하기 위해 터미널의 배치 형태를 전면적으로 변경하는 것은 막대한 비용이 발생하며, 배치 형태 변경을 위한 공사 기간 동안 터미널 운영이 중단되어야 한다. 따라서 터미널은 배치 형태를 유지하면서 자동화 장비를 도입하고자 할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 기존 수평형 터미널을 기반으로 자동화 도입 시나리오를 구성하고, 시뮬레이션을 통해 운영 효율성을 분석하였다.
하역장비의 하역능력은 일정하다고 가정하였으며, 평가 지표로는 작업 처리량, 대기시간, 장비의 turnaround time 등으로 설정되었다. 시뮬레이션은 두 가지 시나리오로 구성되었는데, 시나리오는 야간 환경을 기준으로 기본 시나리오의 평균 작업량 기준으로 각 선석별 작업량이 유사한 상황을 가정한 작업 균등 시나리오와 특정 선석에 더 많은 작업 스케쥴이 예정된 작업 집중 시나리오로 구분하였다. 작업 집중 시나리오는 특정 선석에서의 높은 작업량이 터미널 운영에 미치는 영향을 분석하며, AMR 기반 운영이 작업 부하가 집중되는 상황에서 기존 야드 트럭 대비 얼마나 안정적으로 대응할 수 있는지를 평가하고, 병목 현상에 대한 운영 효율성 변화를 비교한다.
터미널 운영 프로세스를 주요 주체(선박, 야드 운영 시스템, 장비 등)별로 구분하여 각 단계에서의 역할과 흐름을 나타내었다. 양·적하 작업은 다음과 같은 주요 프로세스로 구성된다.
1. 작업 요청 수신 : 선박에서 컨테이너 하역 요청 수신
2. 장비 할당 및 이동 : 요청된 작업을 수행할 야드 트럭 또는 AMR이 할당되고, 최적 경로를 따라 이동. 이와 동시에 Q/C 또는 T/C에 작업 정보 송신
3. 컨테이너 적재 및 운송 : 크레인과 협업하여 컨테이너를 적재하고 크레인 할당을 해제함과 동시에 지정된 목적지로 운송
4. 목적지 도착 및 하역 : 컨테이너가 목적지에 도착하면 크레인이 이를 하역하고, 크레인 할당을 해제
5. 작업대기 또는 추가 작업 결정: 다음 작업을 대기하거나, 작업자 교대가 필요할 경우 해당 작업 수행
이러한 작업 흐름을 기반으로 터미널 운영 프로세스를 시뮬레이션 모형으로 구현하고, AMR 기반 자동화 운영과 기존 방식의 운영 방식에 따른 차이점을 비교하였다.
3. 컨테이너 터미널 시뮬레이션 모형
3.1 모형 설정
본 연구에서는 수평형 터미널을 가정하고 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 터미널은 3×7 구조의 총 21개 블록으로 구성되었으며, Q/C(Quay Crane)는 총 12대, T/C(Yard Transfer Crane)는 총 42대로 설정하였다. 터미널 내에서 야드 트럭과 AMR의 이동 경로를 정의하고, 각 장비의 운영 방식에 따라 처리량과 효율성을 비교할 수 있도록 모델링하였다.
야드 트럭과 AMR의 이동 경로를 터미널 내 주요 작업 구역과 연결되도록 설정하였으며, 각 장비의 운영 방식에 따른 효율성을 분석하기 위해 작업 스케줄과 경로 최적화 전략을 반영하였다. 또한, 시뮬레이션에서는 컨테이너 처리 과정에서 발생하는 작업 대기시간, 장비 간 간섭 등을 고려하여 보다 현실적인 운영 환경을 모사하였다.
경로 최적화의 경우 shortest path 알고리즘을 통해 최단경로를 선택하며, 각 이송장비는 서로의 작업 영역을 침범하지 않도록 충분하 거리를 두고 운행하도록 하였다. 또한, Q/C 및 T/C의 경우 각 하역장비가 너무 인접하여 작업하지 않도록 안전거리를 확보하도록 시뮬레이션 모형을 구성하였다.
본 연구에서는 외부 트럭이 없는 야간 작업을 가정하였기 때문에 T/C 작업영역의 해측에서만 작업이 이루어지며, 터미널 내에서 교착 발생 방지를 위해 폐루프(Closed-Loop) 구조를 가진다. 또한, T/C 작업영역에서 Q/C 작업 영역으로 이동하는 길목에는 작업자 교대 영역이 위치하고 있어, 장비 교대 및 작업자의 이동이 해당 지점에서 이루어진다. 이를 기반으로, 야드트럭과 AMR을 활용한 자동화 운영 방식을 비교하는 시뮬레이션 모델을 구축하였으며, 이를 간략하게 시각화하면 다음과 같다.
설정된 시뮬레이션 모델은 Rockwell 사의 Arena 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 구현되었으며, 항만 운영의 현실성을 반영하기 위해 NetworkLink 기능을 활용하였다. NetworkLink는 모형에 사용된 도로(Link)와 교차로 (Intersection)를 효과적으로 재현하고 각종 차량의 이동을 구현하도록 지원하는 기능이다. 시뮬레이션 결과를 통해 야드트럭과 AMR의 작업 처리량, 평균 이동 시간, Q/C 대기시간 등을 비교 분석하고, 자동화 시스템 도입이 컨테이너 터미널의 운영 효율성에 미치는 영향을 평가하였다.
3.2 시뮬레이션 모형 구성
본 연구에서 설계한 시뮬레이션 모형의 흐름을 시각적으로 표현하기 위해 엑티비티 다이어그램을 작성하였다.
터미널 내에서 야드 트럭(YT)과 AMR이 수행하는 작업 절차를 단계별로 나타낸 것으로, 각 장비의 작업 프로세스를 포함하고 있다. 이를 통해 차량 배치, 작업 수행, 대기 및 이동 등의 주요 활동을 정의하고, 시뮬레이션 내에서 각 요소의 상호작용을 실험하였다.
3.3 시나리오 구성
본 연구에서는 부산 신항 A 터미널의 운영 데이터를 참고하여 시뮬레이션 실험을 위한 데이터를 설정하였다. 또한, 터미널 운영 과정에서 발생하는 불확실성을 보다 현실적으로 반영하기 위해 하역 작업 소요 시간, 작업자의 교대 시간 등의 일부 변수는 전문가 인터뷰를 통해 확률 분포를 기반으로 구현하였다.
선석 수는 3개로 설정하였으며, 각 선석의 작업량은 균등 작업 시나리오의 경우 선석당 1000TEU, 집중 작업 시나리오의 경우 각 1500 / 750 / 750TEU로 가정하였다. 야드 트럭(Y/T) 및 AMR의 수는 36~64대 사이로 설정하고, 이동 속도는 20km/h로 설정하였다. AMR은 현재 활발히 개발되고 있는 기술로 다양한 형태가 있으나, 본 연구에서는 중국 T 항만에서 도입한 AMR을 바탕으로 전기 기반 운행 및 배터리 교환식 차량을 가정하였다.
또한, 각 차량의 코너 감속 계수는 국외 터미널에서 사용중인 AMR 사례를 바탕으로 전문가 자문에 따라 야드 트럭 0.8, AMR 0.4로 설정하였다. 코너 감속 계수는 차량이 교차로에서 방향을 전환할 때 속도가 줄어드는 비율을 나타내며, 이 값은 차량의 회전 성능을 반영한다. 이러한 파라미터들은 터미널 운영의 다양한 조건을 실험적으로 반영하여, 실제 환경에서의 성능을 정확하게 모델링하고 분석하는 데 사용되었다.
실험은 각 시나리오별로 20회 반복 수행되었으며, 각 반복 실험에서 터미널의 운영 성능을 측정하고 분석하였다. 작업 집중 시나리오 실험의 주요 목적은 특정 구간에서 작업 부하가 집중될 때 발생하는 병목 현상이 전체 프로세스에 미치는 영향을 평가하는 것이다.
컨테이너 터미널에서는 크레인, 운송 장비, 야드 내 교통 흐름 등이 복합적으로 상호작용하며, 특정 작업 구간에서 병목 현상이 발생할 경우, 전체 운영 효율성이 연쇄적으로 저하될 가능성이 크다. 이에 따라, 본 연구에서는 작업 부하 집중 구간에서 장비 간 간섭, 대기 시간 증가, 자원 활용도의 변화를 분석하여 병목 현상의 해소 여부를 평가하고, AMR의 처리 능력이 기존 야드 트럭 대비 충분한지 검증하는 것을 목표로 한다.
이를 통해 AMR 도입이 터미널 운영 효율성 향상에 미치는 영향을 평가하고, 자동화 전환을 통해 터미널 운영의 최적화를 도모할 수 있는 방안을 모색하였다. 본 연구에서는 모형에서 사용하는 차량의 종류에 따라 시나리오를 크게 두 가지로 구분하였으며, 각 시나리오는 다시 균등 작업 시나리오와 집중 작업 시나리오로 세분화하였다. 또한, 각 세분화된 시나리오별로 투입된 차량의 수를 달리하여 실험을 반복 수행함으로써, 다양한 운영 조건에서의 터미널 성능 변화를 분석하였다.
4. 분석 결과
본 연구에서는 컨테이너 터미널에서 AMR 도입 가능성을 검토하기 위해 야드 트럭(YT)과 AMR을 비교하는 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 실험은 균등 작업 시나리오와 집중 작업 시나리오로 구분하여 진행하였으며, 각 실험에서 장비의 처리량, Q/C 가동률 및 작업 대기 시간을 측정하여 성능을 분석하였다.
실험 결과 AMR은 모든 시나리오에서 야드 트럭 대비 약 4~9% 높은 처리량을 기록하였다. 작업 균등 시나리오에서는 AMR이 야드 트럭보다 8~9% 높은 처리량을 보였으며, 작업 집중 시나리오에서는 4~9% 높게 나타났다. 이는 AMR이 작업 부하가 집중되는 환경에서 효과적으로 운영될 가능성이 있음을 의미한다.
병목이 발생하는 선석에서 작업하는 Q/C의 활용율과 대기시간을 비교한 결과 모든 경우에서 AMR의 Q/C 활용율이 3~4% 높게 나타났으며, 대기시간은 두 시나리오에서 큰 차이를 보이지 않았다. AMR은 기존 야드 트럭 대비 높은 처리량을 기록하며, 대기시간을 증가시키지 않고 일정 수준의 운영 효율성을 유지할 수 있으므로, 차량 병목이 예상되는 환경에서 더욱 강점을 발휘할 가능성이 있다. 따라서, AMR 도입은 컨테이너 터미널의 작업 효율성을 향상시키는 유효한 전략이 될 수 있다.
본 연구에서 구성한 시뮬레이션 모형은 AMR의 충전 및 유지보수 작업을 고려하지 않은 상태에서 성능을 평가하였다. 그러나 AMR이 야드 트럭 대비 약 4~9% 높은 처리량을 보인 점을 감안하면, 초과하는 작업 능력만큼 일부 차량을 충전 및 유지보수에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
시뮬레이션을 통해 비교해본 결과, 균등 작업 시나리오에서는 약 4대에서 7대, 집중 작업 시나리오에서는 상대적으로 적은 2대에서 4대의 AMR이 유지보수를 진행하더라도, 남은 AMR만으로도 야드 트럭과 동일한 양의 작업을 수행할 수 있는 것으로 예상된다. 이는 AMR을 도입할 경우, 실시간 운영 중에도 일정 비율의 차량을 유지보수 및 충전에 활용할 수 있어 장기적인 운용 안정성을 확보하는 데 유리하다.
그러나, AMR의 충전의 경우 충전기의 수, 충전 지역의 위치, 다수 충전 지역의 운영 등 복잡한 차징스테이션 스케쥴링에 관한 문제를 해결하여야 한다. 따라서, 향후 연구에서는 이러한 요소를 보다 정교하게 반영한 시뮬레이션 모델을 구축하여 AMR 운영의 지속 가능성을 심층적으로 분석할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 컨테이너 터미널의 자동화 도입 가능성을 분석하기 위해 AMR과 기존 야드 트럭의 성능을 비교하는 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 다양한 환경을 시나리오로 구분하여 분석한 결과, 모든 시나리오에서는 AMR이 야드 트럭 대비 높은 성능을 보였으며, 작업 부하가 특정 구간에 집중되는 환경에서는 AMR이 일부 병목 완화 효과를 제공하는 결과를 나타내었다.
그러나, 야드 트럭의 경우 작업자가 수작업으로 조작하는 방식이므로 실제 운영에서는 작업자의 피로도 증가, 휴먼 에러 등의 요인이 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다. 본 연구의 시뮬레이션에서는 작업자가 이상적인 정확성을 유지하는 조건을 가정하였으나, 실제 환경에서는 작업자의 야간 근무 기피 및 작업 시 집중력 저하와 오차가 발생할 수 있어 AMR의 상대적 경쟁력이 더욱 높아질 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 이러한 정성적인 변수를 고려한 모델을 추가적으로 구축하고, 실제 운영 데이터를 활용한 검증이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 AMR 도입이 터미널 운영의 효율성을 향상시키는 데 기여할 가능성이 있음을 확인하였으며, 특히 야간 작업 환경과 같은 특정 조건에서는 AMR이 충분한 경쟁력을 가질 수 있음을 시사하였다.
본 연구에서는 AMR과 야드 트럭의 성능 비교를 위해 주로 정량적인 측면을 분석하였다. 그러나 터미널 운영의 최적화를 위해서는 보다 심층적인 연구가 필요하다. 특히, 터미널 내 운영 프로세스의 변화와 그에 따른 최적화 방안을 도출하여야 한다. 또한, AMR의 경로 최적화를 위해 FMS를 활용한 분석이 필요하다. 그리고 국외 터미널의 AMR 운영 사례에 따르면 AMR은 약 12시간 연속작업이 가능하고, 이후 2~3시간의 충전시간을 가진다. 이러한 운행시간과 충전시간의 비율을 고려한 차량의 배치와 차량의 충전을 위한 차징스테이션 스케줄링 등 추가적인 자동화 기술 도입에 따른 성능 변화를 종합적으로 고려한 연구가 이루어져야 한다. 또한, 현재 모형에서 고려되지 않는 외부트럭과의 연계 및 AMR과 Y/T의 혼합 사용을 고려한 연구가 이루어질 필요가 있다.
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