2.1 Historical track

해상교통조사 및 분석은 특정 해역의 선박 통항 흐름을 조 사하여 그 자료를 수집하고 분석하는 과정이며, 통항하는 선 박이 이용하는 항로와 해양시설물이 선박의 통항에 어떠한 영 향을 미칠 가능성이 있는지 예측할 수 있다. 또한 해상교통 조 사는 현행의 교통량에 대한 정량적 평가는 물론 통항 선박의 행동을 예측하고 장래의 교통량을 추정하는 중요한 기초 자료 로 이용된다. 본 연구에서는 Kim et al.(2005)의 부산 중앙 부 두 해상교통조사 사례, Song et al.(2005)의 포항항 해상교통 조사 사례, Kim and Gug(2006)의 감천항 인근 해상교통조 사 사례를 참고하여 동해가스전 인근 AIS 정보를 기반으로 historical track과 gateline조사를 수행하였다. 다만, 앞서 설명 한 선행연구는 항로나 항구 인근의 해상교통조사 사례로 해양 시설물이 설치된 해역의 해상교통조사에 대한 선행연구는 부 족하다는 한계가 있었다. 동해가스전 인근 해역은 항로 및 TSS가 지정되어 있지 않은 해역으로서 Fig. 1은 해양시설물 중심 10마일 범위의 항적도를 나타내며 실선으로 동해가스전 인근 순시선 2척(KOROL No.1,2)의 통항 범위를 표시하였다. 전체 선박을 대상으로 수행한 항적도에서는 순시선 2척 및 50m 이하 소형 어선의 영향으로 인해 해양시설물 인근 통항 분포가 매우 불규칙적으로 나타났다.

Fig. 1

Historical track around marine structure(10x10NM)

본 연구에서는 순시선 2척 및 50m 이하의 어선에 대한 영 향을 줄이고 상대적으로 규칙적인 통항을 수행하는 선박을 대 상으로 분석을 수행하기 위해 대상 선박을 50m 이상의 상선 으로 설정하여 분석을 수행하였다. 50m 이상의 상선을 대상 으로 분석한 항적도는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Historical track 50m over merchant ships

통항선박에 대한 선박의 길이별 분포 비율은 Table 2와 같 이 전체적으로 고른 비율을 보이며 100-150m의 선박이 23.7%로 가장 많았다.

Table 2

Count of ship length over 50 meters

50m 이상 선박의 historical track 분석 결과, 불규칙한 통 항을 보이는 선박이 현저히 줄었으며 해양시설물 중심으로 갈 수록 통항량은 감소하였다. 통항 방향은 크게 NE(북동), NW (북서), SW(남서), SE(남동) 방향으로 통항을 하는 것을 확인 할 수 있었다.

2.2 Gateline

Historical track 분석 결과를 바탕으로 gateline의 방향을 해양시설물 기준으로 045°, 135°, 225°, 315°로 설정하였으며 간격은 50m로 설정하였다. gateline의 길이는 서론의 Table 1 에서 해양시설물과 선박간의 권고 안전이격거리로 자주 활용 되고 있는 2NM의 안전이격거리로 설정하였으며, PIANC WG 161(2018)에서 언급된 MARIN의 연구결과를 통해 설정 Gateline 길이의 적정성을 조사하였다. MARIN의 연구결과에 따르면 선박의 통항 경로 폭은 연간 통항량에 따라 2～4 ships side to side의 통항 경로 폭을 설정하며 해당 해역을 통 항할 선박의 최대길이를 기준으로 Fig. 3과 같이 선박 양측 각각 1Length over all(이하 L)씩 2L의 여유 폭을 둔다.

Fig. 3

Shipping lanes according to traffic volume

본 연구에서는 해당 해역을 통과한 선박 중 최대 길이인 367m를 기준으로 해양시설물 기준에서부터 UN해양법의 기준 500m를 더하여 연간 통항량에 따른 적절한 통항 경로 폭을 분석하였다. 그 결과, Table 3과 같이 본 연구에서 설정한 gateline의 길이 2NM(3,704m)은 최대 교통량에서의 안전 확 보에 필요한 통항 경로 폭 기준(2,936m)을 만족하였다.

Table 3

Appropriate shipping route width by traffic volume

Gateline의 분석에 앞서, 해양시설물과 선박 사이의 이격거 리에 대해 총 통항량의 합이 일반적인 항로와 같은 정규분포 를 가진다고 가정하여 해양시설물 인근 2NM의 해상교통분석 을 수행하였다. UK MCA(2016)에서는 Fig. 4와 같이 전체 통 항량에서 양측 5%를 제외한 90%의 범위를 ALARP(As Low As Reasonably Practicable)으로 설정한다. 본 분석에서는 이 를 참고하여 해양시설물과의 평균 이격거리, 가장 근접하여 통과한 선박간의 이격거리 및 통항량의 90%의 범위 중 좌측 끝단까지의 이격거리를 측정하였다.

Fig. 4

Safety distance between traffic and wind turbine

Fig. 5는 해양시설물과 gateline통과 선박간의 이격거리에 대한 그래프이며 통과 선박은 총 149척이였다. 해양시설물과 선박간의 이격거리의 평균값은 2,921m로 조사되었으며 선박 통항량의 90% 범위 좌측 값에서부터 해양시설물간의 거리는 1,750m 이상 이격하여 통항하였다. 이를 통해 전체의 약 95% 에 해당하는 선박이 해양시설물로부터 1,750m 이상의 안전 여유거리를 확보하여 통항함을 알 수 있었다.

Fig. 5

Total ship separation distance from marine structure

3.1 통항 분포 분석

Inoue(1977)는 왕복 항로와 편도 항로에서 통항 분포는 정 규분포를 가진다는 것을 검증하였고 Nguyen et al.(2013)은 AIS 전 처리 프로그램 개발을 위해 선박의 분포를 정규분포 로 분석하였다. 해상교통안전진단제도 중 통항 안전성 평가에 사용되는 충돌 확률은 통항 분포를 정규분포로 가정하고 수행 되어 왔다. 그러나 항로가 지정되어 있지 않은 해역의 통항 분포 분석은 선행연구가 부족하다는 한계가 있었다. 본 연구에서는 해상 교통조사 분석 결과를 바탕으로 해양시설물 반경 2NM의 통항 분 포를분석하기위해범위 내 선박 138척을 대상으로 Small(50～ 100m), Medium(100～200m), Large(200m～)로 분류를 하였으 며 선박 길이별 분류에 대한 Histogram은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Histogram of separation distance by ship’s length

해당 연구에서는 Kim et al.(2017)의 부산 북항, 감천항에서의 통항 패턴 연구에서 수행된 Kolmogorov-Smirnov test(이하 KS Test)와 Shapiro-Wilk test(이하 SW test)를 참고하여 정규성 검 정을 통한 통항 분포를 분석하였다. 또한 Q-Q plot을 통하여 시 각적으로 정규성 검정을 수행하였다. 선박의 통항 분포를 분 석하기 위한 평가 프로그램은 일반적으로 통계분석에서 많이 활용되고 있는 R version 3.6.1을 활용하였다.

3.1.2 SW test

정규분포 평가 방법 중 SW test는 표본수가 일반적으로 50 개 이하일 경우에 검정 신뢰도가 높은 검정법으로 식 (4)로 정의된다.

(4) W=∑i=1n(aix(i))2∑i=1n(xi−x¯)2

여기서 n은 표본의 크기를, x_(i)는 표본에서 i번째 최솟값 을, x 는 표본의 평균을 나타내며, 상수 a_i는 식 (5)에 의해 주 어진다.

(5) (a1,⋯an)=mTV−1(mTV−1V−1m)12

여기서 m은 m = (m₁,...,m_n)^T이며, m₁,...,m_n은 표준정규 분포로부터 추출된 순서통계의 기댓값이며, V는 통계의 공분 산 행렬이다. 위 계산결과에 의해 선정된 p-value값에 따라 해당 수준보다 높으면 귀무가설이 채택되어 정규성을 가진다 고 평가하였다. SW test 결과 Medium을 제외한 모든 선박 길이별 분류 집단에서 정규성을 가지는 것으로 판단되었 다.(p-value = 0.05) 본 연구에서는 표본 수가 50개를 초과하 는 Medium의 경우에는 KS test의 결과를 적용하였으며 표본 수가 50개 이하인 Small과 Large의 경우에는 SW test의 결과 를 바탕으로 정규성을 평가하였다. KS test와 SW test를 통 한 정규성 검정 결과를 종합하여 정리하면 Table 4와 같다.

Table 4

Result of normality test

3.1.3 Q-Q plot

Q-Q plot은 확률 누적분포함수의 역함수를 이용하여 두 분 포가 선형적으로 얼마나 일치하는지 Q-Q line을 보고 시각적 으로 확인하여 각 분포의 분위수가 일치하는 값끼리 대응시켜 2차원 그래프에 나타내는 방법이다. Q-Q plot은 별다른 검정 통계량이 존재하지 않고, 직관적으로 잔차의 선형적 분포 일 치여부를 확인하는 방법이므로 주관성이 개입되지 않도록 주 의해야한다. Q-Q plot을 통한 시각적 정규성을 확인한 결과는 Fig. 7과 같으며 Q-Q plot은 Q-Q line과 잔차의 선형적 분포 여부가 유사한 것으로 판단되었다.

Fig. 7

Q-Q diagram of distance from marine structure

3.2 통항 패턴 분석

본 연구의 통항 분포 분석 결과와 정규분포를 비교한 선박 간의 이격거리를 통계적으로 나타내기 위해 통항 패턴 분석을 수행하였다. 통항 패턴 분석은 Kim(2018)의 항로 통항 패턴 분석 연구 사례를 바탕으로 선박 길이 분류별 평균값, 표준편 차, 최솟값, 신뢰구간의 좌측 값, 왜도, 첨도, 변동계수 값을 분 석하였다.

변동계수(CV, Coefficient of Variation)는 데이터의 분포 지수를 나타내며 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 사용된다. 이 값은 s (표준편차)를 x (표본평균)으로 나눈 값으로 서로 성격이 다른 여러 모집단의 상대적인 변동 혹은 산포를 측정 하기 위해 식(6)과 같이 계산된다.

신뢰구간은 정규분포 곡선의 원리에 따라 표본집단에서 얻 은 통계치를 가지고 모집단에서 표본을 추출하여 표본평균을 이용하여 모평균이 포함될 가능성이 있다고 추정하는 구간이 다. 일반적으로 90%, 95%, 99%의 신뢰구간을 많이 활용하며 본 분석에서는 3가지 경우의 신뢰구간에 해당하는 좌측 값을 모두 분석하여 해양시설물과의 이격거리를 측정하였다. 첨도 (Kurtosis)는 관측값의 산술평균 주위에 밀집된 정도를 측정 하는 것을 말하며 Fig. 8과 같이 평가값 0을 기준으로 0보다 크면 평균값에 밀집한 뾰족한 통항 패턴, 작으면 납작한 통항 패턴을 지니게 된다. 왜도(Skewness)는 관측값의 비대칭성을 측정하며 Fig. 8과 같이 평가 값이 0보다 크면 왼쪽으로 치우 친 통항 패턴을, 0보다 작으면 오른쪽으로 치우친 통항 패턴 을 가진다.

Fig. 8

Skewness and kurtosis distribution

패턴 분석 결과, Small의 경우 최솟값과 평균값이 가장 해 양시설물로부터 근접하여 통항하는 것을 확인 할 수 있었으며 변동계수 또한 가장 커 이격거리에 대한 상대적인 변동이 가 장 큰 것으로 판단되었다. Medium의 경우 표준편차는 Small 과 비슷하게 측정되었으나 변동계수는 상대적으로 Small에 비해 낮게 책정되었다. Large의 경우 상대적으로 다른 경우에 비해 해양시설물로부터 가장 이격하여 통항하나 변동계수에 따른 상대적인 변동률은 가장 작게 통항하는 것으로 판단되었 다. 왜도와 첨도의 경우 전체적으로 음의 값으로 나타나 우편 향하며 완만한 정규분포의 형태를 가지는 것을 확인할 수 있 었다. 첨도의 경우 선박의 길이가 커질수록 더욱 완만한 형태 를 가지는 것으로 분석되었다. 왜도의 경우 Small이 가장 작 게 우편향하는 패턴을 가지며 Medium의 경우 가장 크게 우 편향하는 패턴으로 분석되었다. 그 결과는 Table 5와 같다.

Table 5

Statistical analysis results for separation distance

통계적 기법을 통한 통항 패턴 분석 결과, 통항 패턴은 선 박 길이별로 상이한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 그 러므로 본 연구에서는 선박의 길이별로 선박 권고 안전이격거 리를 각각 선정하고자 하였다.

4.1 해외문헌 검토

본 연구에서는 해양시설물 2NM 반경 실제 통항선박 138척 의 통항 분석 결과를 대상으로 선박과 해양시설물 사이의 안 전이격거리를 도출하기 위해 선박의 조종성능 중 가장 많이 활용되는 길이요인을 활용하였다. IMO의 선박 조종성능 중 선회장 및 Tactical diameter, 그리고 CESMA 및 PIANC WG 161에서 권고하는 해양시설물과 항로 및 TSS를 통항하는 선 박간의 안전이격거리를 활용해 AIS 정보를 선박 길이별로 분 류하여 선박길이별 적정 이격거리를 제시하고자 하였다.

4.2 선박 길이별 안전이격거리 분석

본 연구에서는 위에서 언급된 기준 뿐만 아니라 다양한 케 이스에서 실제 선박 운항자들의 이격거리를 분석하였다. 설정 이격거리 값을 5.0L～7.0L까지 0.5L 단위로 분류하였으며 해 양시설물 반경 500m를 기준으로 하여 해양시설물 반경 2NM(3,704m)범위의 통항선박 138척을 대상으로 분석을 수행 하였다.

4.2.1 선박 권고 안전이격거리 분석

설정 값 이하로 통항한 선박을 대상으로 총 척수를 비교 한 결과는 Table 6과 같다. 5.0L의 경우에는 해양시설물 기준 500m에서부터 모든 통항선박이 설정 값 이상으로 통항하였 다. 5.5L, 6.0L의 경우 전체 선박 중 2.17%에 해당하는 선박이 설정 값 이하로 통항하였으며 6.5L, 7.0L으로 값이 커질수록 설정 값 이상으로 통항하는 척수는 증가했다.

Table 6

Number of ships passing below safety distance

본 연구에서는 Table 7과 같이 이격거리 차이의 평균값을 비교하였다. 67.17m인 5.5L에 비해 다른 설정 값인 6.0L은 232.67m, 6.5L은 227.25m, 7.0L은 229.45m로 차이가 큰 것을 알 수 있었다. 또한 이를 길이로 나누어 무차원화 시킨 D/L의 평균값은 5.5L일 경우에 0.21으로 6.0L의 0.71, 6.5L의 0.76, 7.0L의 0.83보다 현저히 차이가 작음을 확인 할 수 있었다. 그 러므로 본 연구에서는 실제 통항과 가장 근소한 차이를 보인 5.5L으로 선박 권고 안전이격거리 기준을 선정하였다.

Table 7

Comparison of safety distance difference

이를 Fig. 9와 같이 그래프로 나타내었으며 5.5L이 다른 값 에 비해 이격거리 차이가 근소한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9

Comparison of set safety distance

4.2.2 선박 길이별 신뢰구간에 따른 안전이격거리

해양시설물로부터 권고이격거리 기준으로 선정 된 5.5L값 을 기준으로 도출한 선박 권고 안전이격거리는 식 (7)와 같다.

(7) Safety distance=5.5L+500m

위 식에서 Table 5에 언급된 선박 길이별 신뢰구간 90%, 95%, 99%의 좌측 값을 Safety distance로 설정하고 식 (7)에 대입하여 길이 구간 Small(50～100m), Medium(100～200m), Large(200m～)에 대해 L값을 각각 구하였다. 구해지는 L값을 기준으로 하여 길이구간의 최댓값에 가깝게 나온 신뢰구간을 선박 길이별 신뢰구간에 따른 안전이격거리로 선정하였다.

Table 8을 살펴보면 Small은 99%일 경우에 82.9m로 Small(50～100m)의 최댓값인 100m에 가장 근접하였고, Medium(100～200m)은 95%일 경우에 200.7m로 각 구간별 최 댓값에 가장 근접하였으며 Large는 200m 이상의 선박으로 분 류되어 별도의 최댓값이 선정되어 있지 않으므로 가장 큰 값 인 90%의 신뢰구간에 해당되는 277.8m로 선정하였다.

Table 8

Ship length according to confidence left interval

각 신뢰구간별 좌측 값에 대한 선박 길이별 적정 신뢰구간 은 Small은 99%, Medium은 95%, Large는 90%으로 판단되 었다. 본 연구에서는 Fig. 4의 UK MCA에서의 선박과 해양시 설물간의 이격거리를 참고하여 이를 Fig 10과 같이 나타내었 다. A는 해양시설물과 선박 통항량 중간 값의 거리를 나타내 며 B는 해양시설물로부터 선박 통항 폭의 최 근접 거리를 나 타낸다. C는 신뢰구간 x에 따른 선박과 해양시설물간의 이격 거리를 나타낸다. 신뢰구간 x는 선박 길이별로 Small일 경우 99%, Medium일 경우 95%, Large일 경우 90%이다.

Fig 10

Concept of safety distance by confidence interval

4.3 선박 권고 안전이격거리 비교

본 연구를 통해 선정한 선박 권고 안전이격거리의 기준은 선박 길이요인을 활용한 5.5L+500m와 신뢰구간의 좌측 값에 따른 선박 길이별 이격거리(Small 99%, Medium 95%, Large 90%)이다. 위 2가지 기준의 차이를 검토하기 위해 권고 안전 이격거리의 차이, 이격거리 차이를 길이요인으로 나누어 무차 원화 시킨 D/L값, 5.5L+500m의 선박 권고 안전이격거리를 기 준으로 실측 AIS 값의 신뢰구간별 안전이격거리에 대한 차이 를 비율로 나타낸 값을 Table 9와 같이 비교하였다. 단, 본 연 구에서는 5.5L+500m의 권고 안전이격거리에 대해 각 길이구 간별 최댓값(Small : 100m, Medium : 200m)을 L값에 대입하 였으나 해양시설물 반경 2NM을 통항하는 Large 구간의 선박 은 최소 200m에서 최대 367m로 길이의 편차가 심하였다. 그 러므로 Large는 신뢰구간 90%의 좌측 값 선박 길이로 도출된 길이인 277.8m 및 Small과 Medium의 최댓값이 각각 100m, 200m인 점을 감안하여 Large의 권고 안전이격거리에는 L을 300m로 대입하였다. 또한 두 값의 유사성 및 차이점을 시각적 으로 검토하기 위해 선박 권고 안전이격거리에 대한 두 가지 결과값을 Fig. 11과 같이 나타내었다.

Table 9

Comparison of recommended ship safety distance

Fig. 11

Safety contour of recommended ship safety distance

이격거리에 대한 5.5L과 AIS data 기반 신뢰구간의 차이 비교 결과, Small은 96.56m의 차이와 1.00의 D/L차이, 9.20% 차이를 나타났으며 가장 차이가 컸다. Medium의 경우에는 3.68m의 이격거리 차이와 D/L차이는 0.01로 나타났으며 비율 은 0.23%의 차이로 가장 차이 값이 근소하였다. Large는 122m의 이격거리 차이로 단순 수치는 가장 차이가 컸으나 D/L의 차이는 0.14로 나타났으며 비율은 5.80%의 차이를 나 타냈다.