항로 안전성 확보를 위한 공간좌표기반의 해상교통 동적 항행패턴 분석에 관한 연구

Abstract

Rapid economic growth of Korea has made the trade very actively between nations, and as the result, shipping volume and ship traffic have also increased. Port facilities are also being continuously expanded to accommodate this increasing volume of traffic. However, there is a limit to the expansion of maritime traffic facilities in comparison with the increase in traffic volume of ships inbound toward ports or outbound from ports. As the result, the risk of marine accidents on the route was increased. The navigating conditions of the vessels on the route have been difficult so systematic safety improvement measures such as improvement of the route are needed.

The previous studies were mainly focused on finding the normal distribution, optimal probability distribution, and navigation route of the vessel using the plane coordinates. There is not enough a research on the navigation pattern of the route using spatial coordinates.

This study was carried out traffic investigation for analysis of traffic pattern on traffic route such as Busan north port No.1 route, Gadeok-sudo and Ongdo route with AIS and GICOMS for 3 days. Each ship's size of passing the each route was divided into a small, medium and large one.

It was carried out the analysis method based on the plane coordinates such as optimal probability distribution and ND-K-S which are carried out previous study based on traffic investigation data. The optimal distribution on each 10 gate line and the total or average of 10 gate lines were analyzed. It was difficult to find a representative distribution on route as the results. In particular, the normal distribution is an optimal distribution only 1 to 2% of the total. There is a problem in understanding the navigation pattern on the route by using the optimal probability distribution. ND-K-S analysis was carried out. The result of the ND analysis, the large vessel has satisfied normal distribution at all cases, medium one has satisfied normal distribution in one-way route only, and small one has not satisfied normal distribution. As a result of the K analysis, it was analyzed that the one-way route vessels have traffic pattern that uses wide rage on traffic route, but the two-way route vessels have the traffic pattern only focuses on a certain portion of the route. As a result of the S analysis, it was analyzed that the one-way route vessels have traffic pattern that uses a normal traffic pattern following the center line but, the two-way route vessels have the traffic pattern that shifted to the right side the route. The ND-K-S analysis is easy to apply the route as only one probability distribution and gate line as well as easy to understand roughly each navigation pattern. However, it cannot be applied to a route where it is difficult to apply the normal distribution and there is a problem for understanding navigation patterns.

This study applied spatial coordinate, not plane coordinate which is previous analysis. A new dynamic navigation pattern has been developed to represent spatial coordinates. The movement pattern of the maritime traffic in the route is divided into the expanded pattern, the wedged pattern and the symmetric pattern. Those three patterns are specifically divided into the slash pattern, the backslash pattern and the straight pattern. And the speed pattern is classified into an acceleration section, fixed speed section and a deceleration section.

The results of applying the dynamic navigation pattern to three routes are as follows.

Case 1 - The movement pattern of Busan north port No. 1 route was analyzed as symmetrical slash pattern. When the vessel is inbound toward port, the speed pattern of the small vessel was decelerated at the end of the route and the other vessels were analyzed as the fixed speed section. When the vessel is outbound from the port, all vessels were accelerated at the start of the route. And then the small and medium one were analyzed as the fixed speed section, but the large one was analyzed as deceleration section at the end of the route.

Case 2 - The movement pattern of Busan new port Gadeok-sudo was analyzed by the wedged backslash pattern for inbound port and the expanded backslash pattern for outbound port. When the vessel is inbound toward port, the large vessel was analyzed as acceleration section at the start of the route. The others were analyzed as fixed speed section.

Case 3 - The movement pattern of Ongdo route was analyzed by the wedged straight pattern for inbound port and the expanded backslash pattern for outbound port. All cases for speed patterns were analyzed as the fixed speed section through the route.

To ensure the safety of fairway, it was analyzed the relationship between the analyzed dynamic navigation pattern and the occurrence point of the marine accidents. As a result of the analysis, marine accidents occurred in wedged-pattern's gathering area or expanded-pattern's starting area being concentrated maritime traffic. Also, in the case of speed pattern, it occurs in a area where the speed is accelerated or decelerated.

In order to prevent and reduce the marine accidents on the route, the Caution area shall be set for the certain area of the route where the navigation pattern appears. It is considered appropriate that all vessels passing through this area strictly comply with the navigation laws prescribed by the relevant laws and vessels shall be navigated with extreme caution. In addition, it is appropriate to conduct intensive and active traffic control for the relevant area by the Vessel Traffic Service Center.

However, this study is limited to three main routes in Korea. Research is needed to develop a model of the traffic pattern and various dynamic traffic pattern models in the future.|우리나라의 급속한 경제성장은 국가 간의 무역활동을 더욱 활발하게 만들었고, 그 결과 해운물동량과 선박 교통량도 증가하였다. 이렇게 늘어나는 선박 교통량을 수용하기 위하여 항만시설 또한 지속적으로 확충하고 있다. 하지만, 항만을 입항 및 출항하는 선박 교통량의 증가에 비해 해상교통시설의 확충은 한계가 있으며, 그로 인하여 항로에서의 해양사고의 위험성이 증가되었다. 따라서 항로에서의 선박의 운항여건이 불리해졌으며, 항로의 개선 등의 시스템적인 안전성 향상 방안이 필요한 시점이다.

선행연구에서는 평면좌표를 이용하여 항로에서의 통항분포의 정규성, 최적 확률분포 및 선박의 항행 경로대를 파악하기 위한 연구가 많았고, 공간좌표를 이용하여 항로의 항행패턴을 연구한 연구는 부족하였다.

우선 본 연구에서는 항로의 항행패턴을 분석하기 위하여 우리나라의 주요 항로인 부산 북항 제1항로, 부산 신항 가덕수도 입구항로 및 옹도항로를 대상으로 3일간의 AIS와 GICOMS를 이용한 교통현황 조사를 시행하였고, 각 항로를 통과하는 선박의 크기는 소형선, 중형선 및 대형선으로 구분하였다.

교통현황자료를 바탕으로 기존의 선행연구에서 수행한 평면좌표기반의 분석방법인 최적 확률분포와 ND-K-S 분석을 시행하였다. 각 항로의 10개의 각 목표선과 10개의 목표선의 합계 또는 평균에서의 최적 확률분포를 분석한 결과, 항로의 분포를 대표하는 분포를 찾기 어려웠다. 특히, 정규분포의 경우 분석된 최적 확률분포에서 1~2% 정도를 차지하였다. 따라서 최적 확률분포를 이용하여 항로의 항행패턴을 이해하는 데에는 다소 문제점이 있다. ND-K-S 분석도 시행하였다. ND 분석 결과, 대형선은 항로특성에 관계없이 모두 정규분포의 통항분포를 보이는 것으로 분석되었고, 중형선은 편도항로에서 정규분포의 통항분포를 보이는 것으로 분석되었다. 반면 소형선은 정규분포를 적용하는 것에 다소 무리가 있는 것으로 분석되었다. K 분석의 결과, 편도항로에서는 항로를 고루 이용하는 통항패턴을 가지지만, 왕복항로에서는 항로의 일정부분에 집중하는 통항패턴을 가지는 것으로 분석되었다. S 분석의 결과, 편도항로에서는 항로의 중앙을 따라 항행하는 통항패턴을 가지지만, 왕복항로에서는 항로의 우측에 치우치는 통항패턴을 가지는 것으로 분석되었다. ND-K-S 분석은 항로를 하나의 확률분포로 규정하여 항로와 목표선에 적용하기 쉽고 각 항행패턴을 개략적으로 이해하기는 편리하지만, 정규분포를 적용하기 곤란한 곳에 적용하거나 항로에서의 항행패턴을 쉽게 이해하기에는 다소 부족한 점이 있다.

이에 본 연구에서는 기존의 평면좌표기반의 분석이 아닌 공간좌표기반의 분석을 시행하였다. 또한 공간좌표를 표현하기 위하여 새로운 동적 항행패턴을 개발하였다. 항로에서의 해상교통 이동패턴은 크게 확산형, 쐐기형, 대칭형으로 구분하였고 이를 다시 슬래시형, 백슬래시형, 직진형으로 구분하였다. 속력패턴은 가속구간, 정속구간, 감속구간으로 구분하였다.

동적 항행패턴을 항로에 적용한 결과는 다음 세 가지로 요약된다.

사례 1 : 부산 북항 제1항로의 경우 이동패턴은 대체적으로 대칭 슬래시형으로 분석되었다. 속력 패턴의 경우 입항 시 소형선은 항로의 출구부에서 감속하고 나머지 크기의 선박은 정속구간으로 분석되었다. 출항 시 모든 선박은 항로의 입구부에서 가속하고, 이후 중소형 선박은 정속구간으로 분석되지만, 대형선의 경우에는 출구부에서 감속하는 패턴으로 분석되었다.

사례 2 : 부산 신항 가덕수도 입구항로의 경우 이동패턴은 대체적으로 입항 시 쐐기 백슬래시형, 출항 시 확산 백슬래시형으로 분석되었다. 속력 패턴은 입항 및 출항 시 대부분 정속구간이나 입항 시 대형선의 경우에만 입구부에 가속구간으로 분석되었다.

사례 3 : 옹도항로의 경우 이동패턴은 입항 시 쐐기 직진형, 출항 시 확산 백슬래시형으로 분석되었다. 속력패턴은 입항 및 출항 시 모두 정속구간으로 분석되었다.

항로 안전성 확보를 위하여 분석된 동적 항행패턴과 항로상 해양사고의 발생지점과의 관계를 분석하였다. 분석결과, 해양사고는 이동패턴의 경우 주로 쐐기형의 모이는 부분이나 확산형이 시작되는 부분인 해상교통이 밀집되는 수역에서 발생하였고, 속력패턴의 경우 선속이 가속 또는 감속되는 구간에서 발생하였다.

연구 결과를 바탕으로 항로에서의 해양사고를 예방하고 감소하기 위하여 이러한 항행패턴이 나타나는 항로의 일정 수역에 대하여 ‘주의수역(Caution area)’으로 설정하고, 이 수역을 통항하는 모든 선박은 관련법에서 규정하고 있는 항법을 엄격하게 준수하고 극히 조심하여 통항하는 것이 적절하다고 판단된다. 또한 해당 해상교통관제센터에서는 해당 수역에 대하여 집중적이고 적극적인 통항관제를 시행하는 것이 적절하다고 판단된다.

다만, 본 연구는 우리나라의 3개 주요 항로를 대상으로 한정된 연구인만큼 향후 보다 다양한 환경에서의 통항패턴 분석 및 다양한 동적 통항패턴 모델이 개발되기 위하여 후속 연구가 필요하다.