향후 친환경 재생에너지 기반 전기 생산이 가속화될 것이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 대한민국은 해양 환경의 장점을 활용하여 미래 산업으로서 해상풍력 발전에 주목받고 있다. 그러나 해상 항행은 여전히 해역에서 활발히 이루어지고 있으며, 해상운송은 국내 화물 물동량의 95% 이상을 차지할 정도로 중요하다. 따라서 해상풍력단지 구축 시 선박 운용의 안전 확보가 필수적이다. 본 연구는 해상풍력단지(OWF)의 집중 개발이 예상되는 서남해역에서 선박의 안전을 확보하고 기존 항로를 유지하기 위한 대안 항로를 제안하였다. 대안 항로는 항로에 관한 영구 국제항행총회(PIANC) 지침과 해상교통안전법 시행 지침에 근거하여 산정하였다. 안전을 위해 해상 항로와 OWF 간의 이격거리는 6 L + 0.3 NM + 500 m 규칙으로 설정하였다. 항로 폭은 선박의 기동성, 환경 요인, 해저 상태, 흘수에 대한 수심 비(Depth-to-draft ratio), 양방향 교통을 고려하여 산정하였다. 대안 항로는 해상 고속도로, 해상 도(州) 경로, 출발/도착을 위한 접근 항로, 선박의 위치·엔진 상태·항로 기능을 기준으로 한 권고 항로의 네 가지 유형으로 분류하였다. 교통 흐름을 고려하고 국제 및 국내 기준을 적용함으로써, 이 항로들은 선박의 안전하고 효율적이며 질서 있는 운용을 보장할 것이다.

항해 장애물은 안전한 선박 운항을 방해하고 이차 사고를 유발할 수 있으므로, 이를 신속히 제거할 필요가 있다. 이러한 제거 작업을 효율적으로 수행하기 위해서는 장애물이 충돌 위험과 오염 위험에 미치는 영향을 종합적으로 평가해야 한다. 그러나 충돌 위험과 오염 위험을 동시에 고려하는 포괄적 위험 평가는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 신속한 항해 장애물 제거를 지원하기 위한 퍼지 집합 이론 기반의 항해 장애물 위험 평가 시스템을 개발하였다. 해당 시스템은 세 가지 주요 구성요소로 이루어진다: (i) Monte Carlo 시뮬레이션을 활용한 충돌 위험 평가 모델, (ii) 침몰 선박에 대한 hazard management 구조를 이용한 오염 위험 평가 모델, (iii) 이들 모델로부터 도출된 위험 지표를 통합하여 포괄적 위험을 추론하는 퍼지 집합 기반 평가 시스템이다. 시뮬레이션 기반 사례 연구의 결과는, 개발된 시스템이 충돌 위험과 오염 위험을 모두 종합적으로 고려함으로써 신뢰할 수 있는 위험 평가를 제공함을 확인하였다. 또한 시스템은 위험 수준의 변화에 민감하며 현실적인 조건을 효과적으로 반영하여 기존 연구의 한계를 극복한다. 이는 항해 장애물의 신속한 제거를 위한 의사결정에 유용한 도구로서의 잠재력을 보여준다.

혼잡도가 높은 연안 해역에서의 충돌 위험 예측을 개선하고 해상 항해에서의 실시간 의사결정을 지원하기 위해, 본 연구는 Computed Distance at Collision (CDC) 방법과 Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS)을 통합한 지역(지역 기반) 충돌 위험 예측 시스템을 제안한다. 접근 최근점(Distance at Closest Point of Approach, DCPA)의 경우 Global Positioning System (GPS) 안테나의 위치에 의존하는 반면, Computed Distance at Collision (CDC)은 실제 선체 형상과 잠재적 충돌 지점을 직접적으로 반영한다. 이를 통해 선박 유형별로 상이한 선체 형상 및 경계 조건을 고려함으로써 보다 현실적인 충돌 위험 평가가 가능하다. 본 시스템은 속력과 교차 각도가 서로 다른 벌크선과 컨테이너선을 대상으로 한 선박 운동 시뮬레이션을 통해 설계 및 검증되었다. CDC 방법은 기하학적 및 수리역학적 기준에 따라 충돌, 준충돌(거의 충돌), 근접충돌 상황을 정의하는 데 사용되었다. 이후 FIS–CDC 모델은 각 조건에서의 충돌 시간과 거리의 패턴을 학습하기 위해 ANFIS로 구축되었다. 선박 속력, 교차 각, 잔여 시간, 잔여 거리의 총 4개 입력 변수를 사용하여 충돌 위험 지수(Collision Risk Index, CRI)를 추론함으로써, 전통적인 CPA 기반 지표보다 더 미세하고 선박별 특성을 반영한 평가가 가능하다. 시뮬레이션 결과, 충돌까지의 시간은 속력이 높을수록 감소하고 교차 각이 넓을수록 증가하는 것으로 나타났다. 벌크선은 컨테이너선보다 충돌에 취약한 각 범위가 더 넓고 속도 변화에 대한 민감도가 더 큰 것으로 관찰되어, 조종성 및 위험 반응에서의 차이를 보여준다. 제안된 시스템은 다양한 시나리오 전반에 걸쳐 실시간 적용 가능성과 정확한 위험 구분 성능을 입증하였다. 본 연구는 Maritime Autonomous Surface Ship (MASS) 및 Vessel Traffic System (VTS) 환경에서 상황 인지 능력을 향상시키고 선제적 위험 완화를 가능하게 하는 데 기여한다. 향후 연구는 실시간 CDC 최적화에 초점을 맞추고, 모델을 다양한 선박 유형과 조우 기하에까지 확장하는 방향으로 진행될 것이다.

( ) 자선박이 다양한 마주침 관계에서 양보선( stand-on vessel)으로 판정되는 경우. 성능 검증 결과에 따르면, 개발된 시스템을 사용하여 CRI를 예측하는 항해사는 더 큰 여유 거리와 시간 확보를 통해 충돌을 회피할 것으로 기대된다.

선박은 대량의 화물을 운송하며, 따라서 세계 경제에 대한 주요 기여자이다. 선박 충돌은 중대한 경제적 손실을 초래할 수 있다. 경로계획(path-planning) 알고리즘은 항해를 위한 최적 경로를 제시함으로써 이러한 충돌을 예방할 수 있다. 그러나 기존의 경로계획 알고리즘은 숙련된 항해사가 따르는 항해 관행을 고려하지 않기 때문에 불리하다. 이에 본 연구에서는 개방 해역, 제한 해역, 그리고 2척 및 다중 선박 간 상호작용을 고려하는 것뿐 아니라, 항해사가 채택하는 항해 관행과 COLREGs part B의 규정을 함께 반영하여 자율선박의 최적 국소(local) 경로계획을 위한 요구사항을 개발하였다. 먼저 다양한 시나리오에서의 항해 관행을 수집하였다. 이어서 이러한 관행을 COLREGs part B와 연계하여 충돌 회피와 관련된 핵심 규칙 및 키워드를 추출하였다. 마지막으로 규칙과 키워드를 바탕으로 최적 국소 경로를 생성하기 위한 요구사항을 초안 작성하였다. 요구사항의 유용성은 그 효과를 시의적절하고 정확하게 평가하기 위해 대표적인 경로계획 알고리즘에 적용함으로써 입증하였다. 제안된 요구사항은 기존 경로계획 알고리즘을 개선하고, 향후 더 우수한 알고리즘을 개발하는 데 활용될 수 있다.

해상 무인자율수상선(MASS)은 인근의 표적선(TS)과의 충돌을 방지하는 능력을 통해 항해 중 안전성과 효율성을 보장한다. 이는 인명과 재산의 손실을 방지한다. 따라서 최근 MASS의 충돌 회피에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 선행 연구들은 국제해상충돌예방규칙(COLREGs) 제5, 7, 8, 및 13–17조의 준수에 있어 충돌 회피에 결정적으로 중요한 모든 요소를 고려하지 않았다. 본 연구에서는 near-collision(근접충돌) 기반 퍼지 추론 시스템(FIS-NC), 선박 도메인(SD), 속도 장애물(VO)을 이용하여 COLREGs 규칙을 준수하는 충돌 회피 조치를 수행하는 국소 경로 계획 알고리즘을 제안한다. FIS-NC는 충돌 위험 지수(CRI)를 추론하고 충돌 회피를 위한 시간 지점을 결정하는 데 사용된다. 이후, 두 선박이 서로를 통과할 때 MASS와 TS 간의 최소 안전 거리를 확보하기 위해 SD를 활용하여 VO를 확장하였다. 기존 방법과 달리, 제안된 알고리즘은 COLREGs 규칙 제5, 7, 8, 및 13–17조에 부합하는 충돌 회피 조치를 취함으로써 근접충돌 사고, 추론된 CRI, 그리고 코스각 경로로부터의 이탈 측면에서 안전하고 효율적인 항해를 수행하는 데 활용될 수 있다.

항로상의 장애물은 안전한 선박 운항을 저해하고 이차 사고를 유발할 수 있으므로, 이를 신속히 제거할 필요가 있다. 이러한 제거 작업을 효율적으로 수행하기 위해서는 장애물이 충돌 위험과 오염 위험에 미치는 영향을 종합적으로 평가할 필요가 있다. 그러나 충돌 위험과 오염 위험을 동시에 고려하는 포괄적 위험 평가는 아직 부족하다. 본 연구에서는 항로 장애물의 신속한 제거를 지원하기 위한 퍼지 집합 이론 기반 항로 장애물 위험 평가 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 세 가지 주요 구성요소로 이루어진다: (i) 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한 충돌 위험 평가 모델, (ii) 침몰 선박에 대한 위험 관리 구조를 이용한 오염 위험 평가 모델, 및 (iii) 이들 모델로부터 도출된 위험 지수를 통합하여 종합 위험을 추론하는 퍼지 집합 기반 평가 시스템이다. 시뮬레이션 기반 사례연구의 결과는, 개발된 시스템이 충돌 위험과 오염 위험을 모두 종합적으로 고려함으로써 신뢰할 수 있는 위험 평가를 제공함을 확인하였다. 또한 이 시스템은 위험 수준의 변화에 민감하며 현실적인 조건을 효과적으로 반영함으로써 기존 연구의 한계를 극복한다. 이는 항로상의 장애물을 신속히 제거하기 위한 의사결정에 유용한 도구로서의 잠재력을 보여준다.

자율선박의 안전한 항행을 보장하기 위한 충돌회피 기술의 중요성은 복잡한 해상 환경을 반영하는 다양한 시험 시나리오를 필요로 한다. 그러나 기존의 시험 시나리오들은 종종 가상 궤적에 기반하거나 단순화된 조우 상황을 바탕으로 하여, 실제 환경을 충분히 대표하지 못하는 한계가 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 실제 충돌 사례에 기초한 충돌회피 시험 시나리오 개발을 위한 새로운 프레임워크를 제안한다. 해당 프레임워크는 충돌 사례 수집, 궤적 추출, 시나리오 개발의 세 단계로 구성된다. 관련 데이터는 선정된 사례로부터 추출되었으며, 충돌에 영향을 준 선박들의 궤적을 결합하여 사고 당시의 상황을 재구성하였다. 이후 조우 상황은 자기선과 표적선의 역할 및 위치를 변경함으로써 다양화되었고, 마지막으로 구조화된 시험 세트로 체계적으로 범주화되었다. 기존의 시험 시나리오와 달리, 개발된 시나리오들은 실제 충돌 사례에서 도출된 독특한 특성을 보여주며, 여기에는 항행 규칙을 엄격히 적용할 수 없는 상황, 동적인 조우, 속도 변동, 그리고 환경 조건이 포함된다. 실제 해상 환경을 반영함으로써, 본 시나리오들은 충돌회피 알고리즘을 검증하고 개선하기 위한 견고한 기반을 제공한다. 제안된 프레임워크는 자율선박 기술의 발전에 기여함은 물론, 해상 안전의 향상에도 기여할 것으로 기대된다.

향후 친환경 재생에너지 기반 전기 생산이 가속화될 것이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 대한민국은 해양 환경의 장점을 활용하여 미래 산업으로서 해상풍력 발전에 주목받고 있다. 그러나 해상 항행은 여전히 해역에서 활발히 이루어지고 있으며, 해상운송은 국내 화물 물동량의 95% 이상을 차지할 정도로 중요하다. 따라서 해상풍력단지 구축 시 선박 운용의 안전 확보가 필수적이다. 본 연구는 해상풍력단지(OWF)의 집중 개발이 예상되는 서남해역에서 선박의 안전을 확보하고 기존 항로를 유지하기 위한 대안 항로를 제안하였다. 대안 항로는 항로에 관한 영구 국제항행총회(PIANC) 지침과 해상교통안전법 시행 지침에 근거하여 산정하였다. 안전을 위해 해상 항로와 OWF 간의 이격거리는 6 L + 0.3 NM + 500 m 규칙으로 설정하였다. 항로 폭은 선박의 기동성, 환경 요인, 해저 상태, 흘수에 대한 수심 비(Depth-to-draft ratio), 양방향 교통을 고려하여 산정하였다. 대안 항로는 해상 고속도로, 해상 도(州) 경로, 출발/도착을 위한 접근 항로, 선박의 위치·엔진 상태·항로 기능을 기준으로 한 권고 항로의 네 가지 유형으로 분류하였다. 교통 흐름을 고려하고 국제 및 국내 기준을 적용함으로써, 이 항로들은 선박의 안전하고 효율적이며 질서 있는 운용을 보장할 것이다.

항해 장애물은 안전한 선박 운항을 방해하고 이차 사고를 유발할 수 있으므로, 이를 신속히 제거할 필요가 있다. 이러한 제거 작업을 효율적으로 수행하기 위해서는 장애물이 충돌 위험과 오염 위험에 미치는 영향을 종합적으로 평가해야 한다. 그러나 충돌 위험과 오염 위험을 동시에 고려하는 포괄적 위험 평가는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 신속한 항해 장애물 제거를 지원하기 위한 퍼지 집합 이론 기반의 항해 장애물 위험 평가 시스템을 개발하였다. 해당 시스템은 세 가지 주요 구성요소로 이루어진다: (i) Monte Carlo 시뮬레이션을 활용한 충돌 위험 평가 모델, (ii) 침몰 선박에 대한 hazard management 구조를 이용한 오염 위험 평가 모델, (iii) 이들 모델로부터 도출된 위험 지표를 통합하여 포괄적 위험을 추론하는 퍼지 집합 기반 평가 시스템이다. 시뮬레이션 기반 사례 연구의 결과는, 개발된 시스템이 충돌 위험과 오염 위험을 모두 종합적으로 고려함으로써 신뢰할 수 있는 위험 평가를 제공함을 확인하였다. 또한 시스템은 위험 수준의 변화에 민감하며 현실적인 조건을 효과적으로 반영하여 기존 연구의 한계를 극복한다. 이는 항해 장애물의 신속한 제거를 위한 의사결정에 유용한 도구로서의 잠재력을 보여준다.

혼잡도가 높은 연안 해역에서의 충돌 위험 예측을 개선하고 해상 항해에서의 실시간 의사결정을 지원하기 위해, 본 연구는 Computed Distance at Collision (CDC) 방법과 Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS)을 통합한 지역(지역 기반) 충돌 위험 예측 시스템을 제안한다. 접근 최근점(Distance at Closest Point of Approach, DCPA)의 경우 Global Positioning System (GPS) 안테나의 위치에 의존하는 반면, Computed Distance at Collision (CDC)은 실제 선체 형상과 잠재적 충돌 지점을 직접적으로 반영한다. 이를 통해 선박 유형별로 상이한 선체 형상 및 경계 조건을 고려함으로써 보다 현실적인 충돌 위험 평가가 가능하다. 본 시스템은 속력과 교차 각도가 서로 다른 벌크선과 컨테이너선을 대상으로 한 선박 운동 시뮬레이션을 통해 설계 및 검증되었다. CDC 방법은 기하학적 및 수리역학적 기준에 따라 충돌, 준충돌(거의 충돌), 근접충돌 상황을 정의하는 데 사용되었다. 이후 FIS–CDC 모델은 각 조건에서의 충돌 시간과 거리의 패턴을 학습하기 위해 ANFIS로 구축되었다. 선박 속력, 교차 각, 잔여 시간, 잔여 거리의 총 4개 입력 변수를 사용하여 충돌 위험 지수(Collision Risk Index, CRI)를 추론함으로써, 전통적인 CPA 기반 지표보다 더 미세하고 선박별 특성을 반영한 평가가 가능하다. 시뮬레이션 결과, 충돌까지의 시간은 속력이 높을수록 감소하고 교차 각이 넓을수록 증가하는 것으로 나타났다. 벌크선은 컨테이너선보다 충돌에 취약한 각 범위가 더 넓고 속도 변화에 대한 민감도가 더 큰 것으로 관찰되어, 조종성 및 위험 반응에서의 차이를 보여준다. 제안된 시스템은 다양한 시나리오 전반에 걸쳐 실시간 적용 가능성과 정확한 위험 구분 성능을 입증하였다. 본 연구는 Maritime Autonomous Surface Ship (MASS) 및 Vessel Traffic System (VTS) 환경에서 상황 인지 능력을 향상시키고 선제적 위험 완화를 가능하게 하는 데 기여한다. 향후 연구는 실시간 CDC 최적화에 초점을 맞추고, 모델을 다양한 선박 유형과 조우 기하에까지 확장하는 방향으로 진행될 것이다.

( ) 자선박이 다양한 마주침 관계에서 양보선( stand-on vessel)으로 판정되는 경우. 성능 검증 결과에 따르면, 개발된 시스템을 사용하여 CRI를 예측하는 항해사는 더 큰 여유 거리와 시간 확보를 통해 충돌을 회피할 것으로 기대된다.