최적안전항로 설정을 위한 충돌위험도 평가시스템의 개발 및 적용

Abstract

With increasing global fleet due to industrialization, interest in ship collision has increased and researchers have studied models to assess ship collision risk. However, existing collision risk assessment models are suitable for use by port managers or VTS officers. Actually, navigators in the field are excluded from such information. This study deals with the risk of collision and aims to provide the navigator with the evaluation of the risk of collision. To accomplish this, existing models were analyzed and a collision risk assessment system has been developed to evaluates collision risk based on AIS data.

Existing representative collision risk assessment models are ES model, traffic congestion model, IWRAP model, and PAWSA model. The ES model is based on the subjective navigational burden of the navigator, the traffic congestion model is on the ratio of the traffic volume of the waterway and the traffic passing through the waterway. The IWARAP model is on the product of geometric collision probability and causation probability. The PAWSA model is on brainstorming by experts. Each model has different definition and form indicates the collision risk of the ship. Each model assesses a defined area, such as harbors and waterways, to assist port and waterway managers in making decisions. However, there are still few studies to develop a collision risk assessment system necessary for the decision making of the navigator.

There are two basic theory necessary to evaluate the risk of collision. First, the bumper theory that sets a bumper around own ship to identify other ships entering this area. Second, the collision risk index theory by defining weights of intersection angle, approach speed, and attack method for each type of encounter defined based on COLREG rule. These theories are applied to collision risk assessment as follows. First, identify the vessels that pass through the bumper region of own ship. After that, the ships will be assigned a collision risk index according to the encounter type with own ship and the collision risk index for each ship is sum up to calculate the collision risk of the corresponding bumper.

The evaluation system consists of three stages: map configuration, bumper configuration, and collision risk assessment. The coastline data of the electronic chart are extracted and the coastline is output using Matlab and M_Map. In the bumper configuration stage, the distance and time of the route are calculated by using own ship information and route information, and the bumper is placed on the route. In the collision risk assessment stage, the risk of collision is evaluated by applying the bumper theory and the collision risk index theory, and the results are displayed in various graphs.

Using the developed evaluation system, the risk of collision for the Ulsan port access area and the sea area from Busan to Yeosu was evaluated. In the test area, the test route and the AIS data were used to verify the normal operation of the evaluation system. In the sea area, the collision risk was assessed and compared by setting the vessel length, departure time, and course conditions differently. As a result of evaluating different ship lengths, the risk of collision increased proportionally as ship length increased. As a result of evaluating different departure times, the risk of collision varies according to the time of sailing even for the same route. As a result of evaluating the recommended route that avoided the actual route and the main traffic flow, the risk of collision was lower in the recommended route.|산업화로 인한 전세계 선복량 증가와 함께 선박충돌사고에 대한 관심이 증대되었고 연구자들은 선박의 충돌위험도를 평가하는 모델들을 연구해왔다. 그러나 기존의 충돌위험도평가모델들은 주로 항만관리자나 항만관제사가 이용하기에 적합한 모델이며 실제로 현장에서 선박을 운항하는 항해사는 이러한 정보들로부터 소외되어 있다. 본 연구는 충돌위험에 관한 것으로 최적안전항로 설정에 필요한 충돌위험도를 평가하여 항해사에게 제공하는데 목적을 두고 있다. 이를 위해서 기존의 모델들을 분석하고 과거 AIS 데이터를 바탕으로 충돌위험도를 평가하는 시스템을 개발하였다.

기존의 대표적인 충돌위험도평가모델은 ES 모델, 교통혼잡도 모델, IWRAP 모델, PAWSA 모델이다. ES 모델은 항해자의 주관적 항해부담감을 기초로, 교통혼잡도 모델은 수로의 교통용량과 수로를 지나는 교통량의 비로, IWARAP 모델은 기하학적 충돌확률과 인과확률의 곱으로, PAWSA 모델은 전문가들의 브레인스토밍을 통해 각각 다른 정의와 형태로 선박의 충돌위험정도를 나타낸다. 각 모델은 항만 및 수로와 같이 정해진 해역을 평가하여 항만 및 수로 관리자의 의사결정에 도움이 된다. 그러나 아직까지 항해사의 의사결정에 필요한 충돌위험도 평가시스템을 개발하는 연구는 미비하다.

충돌위험도 평가에 필요한 기본이론은 두 가지이다. 첫째는 범퍼이론으로 본선 주변의 일정한 영역인 범퍼를 설정하여 이 안으로 들어오는 타선박을 식별한다. 둘째는 충돌위험지수이론으로 COLREG 규정을 바탕으로 정의된 조우형태마다 교차각도, 접근속도, 피항방법의 가중치를 정하고 이를 조합하여 충돌위험지수를 정하였다. 이 이론들은 충돌위험도평가에 다음과 같이 적용된다. 먼저 본선의 범퍼영역을 통과하는 선박들을 식별한다. 그 후 이 선박들이 본선과 갖는 조우형태에 따라 충돌위험지수를 부여하고 선박별 충돌위험지수를 합산하여 해당 범퍼의 충돌위험도를 계산한다.

평가시스템은 크게 해도구성, 범퍼구성, 충돌위험도평가의 3단계로 구성되어 있다. 해도구성 단계에서는 전자해도의 해안선 데이터를 추출하고 MATLAB과 M_Map을 이용하여 해안선을 출력한다. 범퍼구성 단계에서는 본선정보와 항로정보를 이용하여 항로의 거리와 시간을 계산하고 범퍼를 항로상에 배치하게 된다. 충돌위험도평가 단계에서는 범퍼이론과 충돌위험지수이론을 적용하여 충돌위험도를 평가하고 결과를 다양한 그래프로 나타낸다.

개발된 평가시스템을 이용하여 시험해역인 울산항 접근수역과 실해역인 부산에서 여수에 이르는 남해안의 충돌위험도를 평가하였다. 시험해역에서는 시험항로와 하루치 AIS 데이터를 통해 평가시스템의 정상작동 여부를 확인하였다. 실해역에서는 선박길이, 출발시각, 항로 조건을 다르게 설정하여 충돌위험도를 평가 및 비교하였다. 선박길이를 다르게 적용하여 평가한 결과 선박길이가 증가할수록 충돌위험도가 비례하여 증가했다. 출발시각을 다르게 적용하여 평가한 결과 같은 항로일지라도 항해시기에 따라 충돌위험도가 다르게 나타났다. 실제 선박이 이용하는 항로와 주요 교통류를 피해 만든 추천항로를 평가한 결과 추천항로에서 충돌위험도가 더 낮게 나타났다.