통항 확률분포에 기반한 선박과 해양시설물간 안전이격거리에 관한 연구

Abstract

선박의 통항 안전성 관점에 있어 해양시설물은 선박의 통항에 직접적으로 간섭을 미치는 위험요소로써 사고의 개연성을 높이는 원인으로 작용하고 있으나, 현재 국내 법령, 규정 및 항만 및 어항설계 기준에는 해양시설물과 선박 간의 안전이격거리에 대한 직접적인 기준은 없는 상황이며, 일반적으로 그 이격거리는 선박 운항자의 경험적인 판단을 통해 결정되었다. 국제적으로도 선박과 해양시설물간의 이격거리에 대하여 UN해양법협약에서 명시하는 500m를 제외하고는 별도의 통일된 규정이 없고, 이는 통항 여유수역이 제한적인 교량 하부통항 상황에서는 적용하기에 무리가 따른다. 본 연구에서는 우리나라의 해양시설물 중 동해가스전과 인천대교, 부산항대교를 선정하여 각 해역의 서로 다른 특성 및 통항여건에 대해 분석하였다. 동해가스전은 동해의 EEZ에 위치한 국내에서 가장 큰 규모의 자원생산시설이다. 본 연구에서는 동해가스전 인근 2마일 반경을 통항하는 선박의 통항분포를 대상으로 적정 안전이격거리 기준을 제시하기 위해 동해가스전 인근에서 수집된 약 13주간의 AIS 정보를 활용하였다. 인천대교는 주경간장이 800m로 국내에서 가장 큰 규모의 교량이다. 부산항은 항구 동측 선석이 서측 선석에 접안능력이 높은 특징을 가지고 있으며 이러한 항만 특성으로 인해 항로는 동측 부두와 이격하여 비대칭 배치되어있다. 본 연구에서는 서로 다른 항만의 특성을 고려하여 교량과 선박 간의 안전이격거리를 제시하기 위해 인천항과 부산항의 한 달간 수집된 AIS 데이터를 활용하였다. 수집된 AIS 데이터는 전처리 작업을 통해 결측치와 이상치를 정제하였다. 미가공 데이터는 이격거리 분석에 활용하는 데이터를 필터링 하였다. 필터링 된 데이터는 동해가스전의 경우에는 선박의 길이를 기준으로, 항만횡단 해상교량의 경우에는 입항, 출항별 선박의 총톤수를 기준으로 분류하였다. 본 연구에서는 인천대교, 부산항대교의 통항분포 정규성 검정 및 신뢰구간 분석을 통해 최적이격거리를 추정하였다. 그 결과, 인천대교와 부산항대교의 경우 신뢰구간 95%의 범위 내에서 대부분의 선박이 통항하는 것으로 분석되었다. Z-score에 따른 통항분포에 대한 교각과 선박의 입, 출항 이격거리 차이를 분석한 결과, 이격거리 차이는 신뢰구간 95%~99%에서 가장 차이의 변화량이 크게 증가하였다. 이를 바탕으로 교량과 선박간의 안전 구간을 입, 출항 분포의 신뢰구간 95%범위로 선정하였으며, 신뢰구간 95%외측에서부터 항로 양측 끝단까지의 거리를 주위 구간으로 선정하였으며, 위험 구간을 항로 양측 끝단에서부터 교각까지의 범위로 설정하였다. 동해가스전의 경우, PIANC에서 제시한 6L+500m을 활용해 설정값을 5L에서 7L로 설정을 하여 현행 해상교통흐름을 가장 잘 반영한 범위를 분석하였다. 그 결과, 5.5L+500m가 가장 현행 해상교통흐름을 잘 반영한 적정이격거리로 분석되었다. 통계적 검증력이 가장 높은 Medium 구간에서의 신뢰구간의 적합한 신뢰구간을 분석한 결과, 95%를 현행 교통흐름을 가장 잘 반영하는 안전이격거리 기준으로 선정하였다. 본 연구를 통해서, 선박 운항자 및 관제사에게 각 항만의 통항특성에 맞는 정량적인 안전이격거리를 제안하여 해양시설물에 대한 사고 발생률을 낮출 수 있을 것으로 판단되며, 해양시설물 설계 시에 있어 설계자에게 선박과의 이격거리를 고려한 해양시설물의 설계 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

As they directly interfere with ship traffic, marine structures increase the likelihood of marine accidents. To prevent collisions, a safe distance must be maintained between marine structures and ships. However, current Korean laws and regulations do not specify a relevant standard that forces the ship's operator to determine the safe distance through empirical measures. Currently, there is no unified regulation for the separation distance between ships and offshore facilities except 500m of UNCLOS and the separation. However, adherence to the mandated distance of 500m is difficult when navigating through limited water areas. To facilitate safe navigation, it is necessary to consider the unique aspects of marine structures situated in the ship's path. Thus, this study analyzes the characteristics and conditions of several marine structures in Korea, including the Donghae gas field, Incheon Bridge, and Busan Harbor Bridge and suggests safe distances based on the results. Located in the exclusive economic zone in the East Sea, the Donghae gas field is the largest crude oil and natural gas production facility in Korea. Herein, 13 weeks of Automatic Identification System (AIS) data were collected to evaluate safe distances between ships and structures within a 2 nautical mile radius. The Incheon Bridge has a main span of 800 m and is the largest bridge in Korea. The widths of its fairway and the waterway are symmetrically arranged. The Port of Busan offers more features on the east side than on the west side and has a higher docking capacity. Owing to these differences, the routes of the Busan Harbor Bridge are asymmetric apart from the eastern pier based on the bridge. Therefore, considering the differences in characteristics between the ports, the June 2019 AIS data of Incheon and Busan Port bridges were collected herein to determine a safe distance standard between bridges across waterways and ships. The collected AIS data were sorted to remove missing values and outliers through data preprocessing. The raw AIS data were filtered through Global Positioning System position, heading, speed over ground, Maritime Mobile Service Identity, ship dimensions, cargo type, and gross tonnage. The filtered data were subjected to data transformation based on the length of the ship in the case of the Donghae gas field and aggregation based on the gross tonnage of the ship during arrivals and departures in the case of bridges across waterways. The differences in distance between the traffic arrivals and departures were analyzed based on the Z-score. Results indicated that all but one ship for a two-way departure was in circulation within the 95% confidence interval range, whereas at the Busan Harbor Bridge, six ships for arrival and two for departure were outside the 95% range. The difference in separation distance was the largest in the Incheon Bridge two-way travel, in which the amount of change increased as the confidence interval increased, from 95% to 99%. Although little change in separation distance was noted for one-way travel at the Incheon Bridge, the level increased significantly from 95% to 99%. In the case of the Busan Harbor Bridge, the level remained the same at 90% but increased from 90% to 95%; the largest change occurred from 95% to 99%. From this analysis of the differences in distance according to the confidence interval, it was inferred that a lower difference between the arrival and departure resulted in a more regular passage pattern of the vessel based on the traffic distribution. On the basis of these results, a safe zone of bridges across waterways is proposed for the 95% confidence interval range. Moreover, a precautionary zone is proposed for the range outside the 95% confidence interval to the fairway end, and the risk zone includes the distance between the end of the fairway and the edge of the bridge pier. In the case of the Donghae gas field, the appropriate distance between lanes 5L and 7L was analyzed to evaluate the safe distance for lane 6L+500m, which is the standard proposed by the World Association for Waterborne Transport Infrastructure (PIANC). In particular, distances below the set value were investigated. Based on the results, the distance of 5.5L+500m was the smallest and was thus selected as a safe distance between ships. Analysis of the appropriate confidence interval with highest statistical verification power revealed the 95% confidence interval to be the safe distance standard that best reflects the traffic flow. In summary, this study quantitatively determined safe distances between ships and structures based on the traffic characteristics of the analyzed areas. The proposed distances are expected to aid ship operators and vessel traffic service officers, reducing the incidence rate of marine accidents.