2017년 10월

선원 임무 대체형 스마트 자율운항선박 기술 연구

2017-10-12

연구소 / 김대헌, 장화섭, 이홍구, 박재철, 곽연민, 권진호

스마트 자율운항 선박개발의 궁극적인 목표는 선원이 부재한 무인 자동화 시스템 선박이며 선박의 안전항해 및 운영비용 절감 효과를 보장하여야 한다. 본 연구에서는 스마트 자율운항선박 개발의 궁극적인 목표인 무인 자동화(승선인원 축소)기술 개발을 위하여 선원 임무 대체기술 개발의 연구방향에 대해 소개하고 있다. 스마트 자율운항선박 개발을 위한 선원 임무 대체형 스마트 기술은 최소 승조원 수의 감축을 목표로 “선박의 안전항해를 보장함과 동시에 무인화 또는 최소한의 인력으로 임무수행이 자체적으로 가능한 수준의 자동화 기술”로 정의할 수 있다. 선박의 최소 선원인력에 대한 감축은 각 선원의 개별 임무 및 선내 작업특성, 상황별 대응수준 등을 종합적으로 검토하고 지금까지 선원이 직접 수행해온 임무를 기술로써 전환할 수 있는 세부 기술요소를 도출하고자 한다.

Keywords: Smart Autonomous ship(스마트 자율운항선박), Seaman mission substitution(선원 임무 대체)

1. 서 론

최근 4차 산업혁명이 이슈화 되면서 선박의 지능화 및 스마트자동화 기술에 대한 필요성이 부각되어 왔고 유럽, 일본 등의 선진국에서는 이미 조선업 불황을 타개하고 신사업 메가트렌드 선도를 위해 민, 관 공동으로 스마트 자율운항선박을 개발 중에 있다. 이는 세계적으로 총체적인 불황에 빠진 조선 산업의 위기를 극복할 수 있는 새로운 기회를 창출하기 위함으로 ICT 융합 플랫폼을 선박 스마트화 기술에 적용하여 국제 환경기준 및 선박 운용비용 절감요구에 따른 조선 산업 시황 회복기를 대비할 수 있다.

선박 기술의 패러다임은 선박 건조뿐만 아니라 선박운항 정보 및 유지보수 관리 서비스로 확대됨으로써 친환경/자동화 선박으로 전환되고 있으며 이에 따라 지능 정보화 시대에 적합한 새로운 조선 산업 비즈니스 모델 개발이 시급한 실정이다.

현재 추진되고 있는 스마트 선박시스템의 경우, 인건비 및 연료비 감축을 위해 정부 및 민간 주도로 개발되어 왔으며 현재 사업화 단계에 이르고 있다. 특히, 해당기술은 주로 유럽(노르웨이)가 대규모 정부지원을 통해 승조원 인건비 Zero화, 운항최적화를 통한 연료비 감축 등 선박 운용 경제성 확보를 목적으로 스마트 자율운항 선박을 건조하여 현재 성능평가 및 실증 단계를 추진 중에 있다. 결과적으로 스마트 자율운항 선박개발의 궁극적인 최종목표는 선원이 부재한 무인 자동화 시스템 선박이며 선박의 안전항해 및 운영비용 절감 효과를 보장하여야 한다. 본 연구에서는 스마트 자율운항선박 개발의 궁극적인 목표인 무인 자동화(승선인원 축소)기술 개발을 위하여 선원 임무 대체기술 개발의 방향에 대해 소개하고자 한다.

2. 선원 구성 및 근로에 관한 협약/규정

2.1 최소 승조원 인력구성

스마트 자율운항선박 개발을 위한 선원 임무 대체형 스마트 기술은 앞서 언급한 바와 같이 최소한의 인력으로 선원임무, 작업수준 및 항해/정박 중 발생되는 모든 상황을 적절하게 대응할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 기본적으로 당직체계로 운영되는 선박은 선원의 근로기준에 위배되지 않아야 하며 스마트 자율운항 선박의 최소 승조원의 최적의 근로환경을 보장하여야 한다. 이를 위해서는 기존선박에서의 인력구성과 근로에 관한 현행 협약 및 규정을 검토해 볼 필요가 있다.

2.1.1 IMO Res. A. 1047 (27)

국제해사기구인 IMO에서는 선박에 필요한 최소 안전 승무정원 구성의 절차를 수립하기 위해 지난 2011년 승무정원 관련 결의서(Principle of Minimum Safe Manning)를 채택하였다. IMO 결의서

A.1047(27)은 선박의 안전, 효율 및 보안 운항을 위한 충분한 수의 선원이 선내에 근로하도록 보장하기 위함이며 기국(Flag)은 이에 따라 각 선박의 최소 승무원 증서를 부여하고 있다.

2.1.2 최소 승무원 증서 (Minimum Safe Manning Cert.)

선박에 요구되는 최소 선원인력은 각 기국에서 지정하는 세부규정에 따라 결정하고 있으며 STCW 협약에서 요구하는 자격을 가진 선원으로 구성하고 있다. 최소 선원인력은 대상 선박의 총 톤수(Gross Tonnage)와 기관 출력(kW)에 근거하여 일반적으로 표 1에 나타낸 바와 같이 구성한다.

표 1. 최소 승무원 구성 규정 예시 (Flag : Marshall Island)

* 최소승무정원은 관계법령, 선종, 선령, 톤수, 항행구역 등을 고려하여 기국에서 결정하며 상기 규정은 대표적인 기국(마샬아일랜드)의 규정을 제시한 사항임

2.2 선원 근로기준

2.2.1 해사노동협약 (Marine Labour Convention)

해사노동협약 A2.3조에서는 선박 항해안전과 보안운항에 관계되는 업무에 종사하는 선원에 대하여 일정한 기간을 초과하지 않는 최대근로시간 및 일정기간에 제공되는 최소 휴식시간을 표 2에 나타낸 바와 같이 보장하도록 규제하고 있다.

표 2. 선원 근로 또는 휴식시간의 기준

2.2.2 선원법

2006년 해사노동협약이 비준으로 발효됨에 따라 아국도 해당 협약을 선원법에 수용하였으며 선원 근로시간 및 휴식시간을 다음과 같이 개정하였다.

■ 제 60조 (근로시간 및 휴식시간)

① 근로시간은 1일 8시간, 1주간 40시간으로 한다. 다만, 선박소유자와 선원 간에 합의하여 1주간 16시간을 한도로 근로시간을 연장(이하, “시간외 근로”라 한다) 할 수 있다.

② 선박소유자는 제1항에도 불구하고 항해당직근무를 하는 선원에게 1주간에 16시간의 범위에서, 그 밖의 선원에게는 1주간에 4시간의 범위에서 시간외 근로를 명할 수 있다.

③ 선박소유자는 제1항 및 제2항에도 불구하고 선원에게 임의의 24시간에 10시간 이상의 휴식시간과 임의의 1주간에 77시간 이상의 휴식시간을 주어야 한다. 이 경우 임의의 24시간에 대한 10시간 이상의 휴식시간은 한 차례만 분할할 수 있으며, 분할된 휴식시간 중 하나는 최소 6시간 이상 연속되어야 하고 연속적인 휴식시간 사이의 간격은 14시간을 초과하여서는 아니 된다.

국제법상 운항 중인 각 선박, 특히 국제항해에 종사하는 선박에서는 선원의 1일 근로시간, 휴식시간 및 시간 외 근로시간을 기록유지하고 있으며, 1일 근로시간 및 휴식시간을 총족시키지 못했을 경우에는 “Rest hour deviation report”를 작성하고 있다. 그러나, 실제 운항선박에서는 잦은 입출항, 연근해 항해 종사선박, 벙커링(유류수급), 운하 통과, 탱크 소재작업 등으로 인해 협약에서 규정하는 휴식시간을 보장받지 못하는 경우가 발생하는 경우는 추가적인 선원지원이 필요하다.

3. 선원 임무 및 비상대응

3.1 선원 직급별 책임과 임무

통상적으로 선원의 직급에 따라 일정한 책임과 권한이 부여되며 일반 항해/정박 시의 개별 담당임무는 표 3과 같다.

표 3. 선원 직급별 책임 및 직무

항해부 선원은 일반적으로 항해 중 3직 당직체계를 수행함과 동시에 갑판업무 전반을 관리하고 있으며 기관부 선원은 자동화 선박에 한해, 무인 기관당직 체계를 적용하고 데이워크(Day-work) 체계로 운영되고 있다. 그림 1은 각 선원 직급별 담당임무를 제시한 것으로 항해 중 당직업무를 제외하고도 화물관리, 갑판작업, 적하관리, 접/이안 작업, 기관장비, 발전기 및 보조기기, 각종 설비 유지관리 등 다양한 기술적 업무를 수행한다. 결과적으로 스마트 자율운항선박의 기술은 선원의 업무를 대신하여야 하고 이를 위해서는 자동항해 기술 이외에도 제어/조치/관리 기술 등 통상적인 항해중에 사관 및 부원이 수행하는 기본적인 업무, 점검사항 등을 세부적으로 검토하여 도출하여야 한다.

그림 1. 선원 직급별 담당임무

3.2 비상상황 대응임무 체계

선박에서 발생 가능한 비상상황은 충돌, 접촉, 좌초, 침몰 등 운항사고 외에도 Fire-fighting, Abandon ship, Oil spill, Emergency steering, Rescue from enclosed space 및 Recovering operation 등 매우 다양하며 각 비상상황에 따라 탄력적인 사고대응이 가능해야 한다. 선박에 비치된 비상대응 매뉴얼은 선내 위기관리에 있어서 선원의 효율적이고 신속한 대처가 가능하도록 함으로써 피해를 최소화 하고 2차적 위기발생 가능성을 감소시키기 위한 목적으로 각 선원의 위치와 임무가 규정되어 있다. 그림 2에 제시된 각 직급별 임무분류에 대한 검토 결과, Fire-fighting, Oil-spill, Recovering operation, Emergency steering 등의 상황 발생 시의 주요 임무 수행에 필요한 최소 인원은 대략 8~10명 정도로 직접적인 상황대응 조치를 위한 인력뿐만 아니라 상황 판단 및 지시를 위한 위한 현장 책임자를 포함한다. 즉, 상황 발생 시, 직접적인 현장지휘 및 사고대응은 1항/기사와 2항/기사(3~4명)이며 기술적 지원은 개별임무에 따라 갑판/기관 부원이 주로 담당하고 있다.

그림 2. 선원 직급별 비상대응 임무분류

미래의 스마트 자율운항 선박에서는 상기 비상상황 외에도 해킹 및 사이버 테러, 운항통제, 시스템 셧다운 등의 S/W 기반 대응 기술도 요구된다. 또한 임무 대응형 스마트 선박기술은 최소한의 승조원 구성하에서 현장임무를 대신할 수 있어야 하며 총괄 지휘자의 역할(의사결정, 판단 및 지시)을 대신할 수 있는 육상지원기술 등이 포함되어야 한다.

4. 기술정의 및 분류

앞으로의 조선 산업 페러다임의 전환에 따른 스마트 선박기술 개발은 우선적으로 목표 대상인 스마트 자율운항 선박에 대한 명확한 정의가 필요하다. 이미 산업계에서는 스마트 선박 개발에 대한 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 이에 대해서 정확한 기술적 정의를 내리지 못하고 있으며 지금까지도 무인선박 (Unmanned ship), 스마트 선박(Smart ship) 및 자율운항선박(Autonomous ship) 등으로 혼용되어 사용되고 있다. 지난 2015년, 유럽국가 연합의 SARUMS(Safety and Regulations for European Unmanned Maritime System)에서는 자동화 수준에 따른 선박 분류기준을 표 4과 같이 정의하였다. 이는 기존선박, 스마트 선박, 자율운항선박 및 무인선박까지의 자동화 수준, 의사결정 및 대응의 주체에 따라 세부적인 분류가 가능하다. 그러나 스마트 자동화 선박에 대한 최종적인 기술 수준과 구체적인 기술의 정의는 부재하므로 여전히

선박 자동화 수준별 요구되는 스마트 기술이 무엇인가에 대한 의문을 가질 수밖에 없다.

표 4. 선박 분류 (스마트 선박, 자율운항 선박, 무인선박)

4.1 스마트 자율운항선박 기술수준

본 연구에서 다루고자 하는 스마트 자율운항선박 기술수준의 정의는 선박 운항/기관 등 전반에 관해 “시스템에서 상황인식 후 자체적으로 제어한 후 운영자에게 이행상황을 보고하는 단계”이며 운영자는 이행상황을 단순히 모니터링만 하는 수준을 의미한다. 이는 상기 표 4의 자율운항선박 Lev.2에 해당하며 완전 무인화 선박(Lev.3)과는 자동화 기술의 신뢰도가 상당한 차이를 가진다.

4.2 임무 대체형 스마트 기술

4.2.1 기술 정의

스마트 자율운항선박 개발을 위한 선원 임무 대체형 스마트 기술은 최소 승조원수의 감축을 목표로 하며 “선박 안전항해를 보장함과 동시에 무인화 또는 최소한의 인력으로 임무수행이 가능한 수준의 자동화 기술”로 정의할 수 있다.

4.2.2 기술 분류

임무 대체형 스마트 기술은 그림 3에 나타낸 바와 같이 크게 인지/판단형 기술과 대응형 기술로써 기술형태를 구분할 수 있다. 우선, 인지/판단형 기술은 선원이 이상을 확인하고 조치방법을 판단하기 위해 필요한 정보를 습득/이해하는 기존의 방식을 대체하는 기술로써 감각형 기술인 정보취득용 Sensor 및 Big-data 그리고 분석 알고리즘과 같은 처리기술 등으로 구성될 수 있다. 반면, 대응형 기술은 선원이 이상상황을 해결하기 위한 기존의 조치이행을 대체하는 기술로써 S/W 기반 자동제어 및 조치, Easy repair & Fast replace 기술 등으로 구성할 수 있다. 즉, 선내‧외 이상상황을 판단하는 선원의 감각과 이를 통한 의사결정 그리고 상황발생 시 물리적인 제어 및 지원을 대체하는 기술을 의미한다. 대응형 기술은 선종, 항행구역, 항만 및 운항해역의 환경 등에 따라 발생되는 모든 상황을 대처하여야 하므로 기술적 범위가 대단히 광범위하고 기존 선박의 비상상황

그림 3. 임무 대체형 스마트 기술 분류

뿐만 아니라, ICT 기반 스마트 선박의 특수상황(예, 제어 시스템 셧다운, 해킹, 사이버 테러 등)을 해결할 수 있는 기술개발을 고려하여야 한다. 결과적으로 선원 임무 대체형 스마트 기술은 각 개별선원의 임무, 다수 인력을 요구하는 작업 및 각 상황별 인력배치, 담당임무에 대한 분석이 필수적이며 이를 통해 보다 명확한 개발기술 분석이 가능하다.

4.3 기술 도출 방안

EMB0000f9880e13 그림 4. 임무 대체형 기술 도출방안

4.3.1 선내 승조원 업무분석

임무 대체형 스마트 기술의 인지/판단형 기술과 대응형 기술을 식별하기 위하여 그림 4에 제시한 바와 같이 선박의 실제 운영과 관련한 항해/기관 분야의 선원 개별 업무뿐만 아니라, 입‧출항, 벙커링, 긴급수리, 화물 적‧하역 등의 다수 인력이 요구되는 공통 업무의 작업환경, 작업수준, 작업 시간 등의 세부적인 분석이 필요하다. 또한 선박 항해 및 정박시 세부 작업별 발생빈도와 이와 관련한 작업의 위험성 분석을 통해 스마트 기술 대체 가능과 그 필요성을 구체화 하고자 한다.

4.3.2 선내 승조원 임무별 최소 인원 추정

임무 대체형 스마트 기술의 적용 시, 선원 개별업무 및 공통 업무 그리고 일반상황 및 비상상황에서 필요한 최소 인력을 종합적으로 검토하여 선원임무를 축소할 수 있는 방안을 마련하여야 한다. 단, 최소 승무정원이 선내 모든 임무를 수행함에도 불구하고 선원피로에 직접적인 영향을 미치지 않음과 동시에 장기간 안전항해를 보장할 수 있어야 한다.

4.3.3 기술정의 및 신뢰도

임무 대체형 스마트 기술의 각 단계별 정의와 기술적 신뢰도는 다음의 표 5와 같다. 이는 앞서 표 4에 제시된 자율운항선박 Lev. 1과 Lev. 2 그리고 무인선박 Lev. 3의 자동화 수준과 동일하나 임무 대체형 기술 분류인 인지/판단형 기술과 대응형 기술(일반상황, 비상상황)을 구분하여 보다 구체화 하였다. 임무 대체형 기술 개발 1단계에서는 인지/판단형 기술 중심으로 상황 판단/의사결정 지원 시스템을 우선적으로 개발하고 이를 바탕으로 2단계와 3단계에서는 대응형 기술 중심으로 일반상황 및 비상상황 모두의 대처가 가능한 신뢰도 100% 기술수준을 목표로 두고 있다.

표 5. 임무 대체형 기술개발 정의 및 신뢰도

5. 결 론

최근 4차 산업혁명이 이슈화 되면서 선박의 지능화 및 스마트화 기술 수요가 증가되고 있으므로 스마트 선박에 대한 기술선도 기회가 도래하였다. 이에 따라 IT 조선 융합기술 개발 및 응용을 통한 첨단 스마트 선박기술 관련 국제 경쟁력 강화와 고부가가치 디지털 조선산업 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구에서는 스마트 자율운항선박 개발과 관련하여 선박 운항 경제성 확보와 동시에 무인선화를 위한 인력 대체형 스마트 기술 개발 연구 방향을 소개하였다. 선박의 최소 선원인력에 대한 감축은 각 선원의 개별 임무 및 선내 작업특성, 상황별 대응수준 등을 종합적으로 검토하고 지금까지 선원이 직접 수행해온 임무를 기술로써 전환할 수 있는 세부 기술요소를 향후 연구를 통해 구체적으로 제안할 예정이다.

[참 고 문 헌]

IMO. Res. A.1047(27) 2011. Principle of minimum safe manning

MLC. 2006. A2.3 Marine Labour Convention

Repuplic of the Marshall Island. Minimum safe manning requirements for vessels

KR 웹진 155호