ICT 기술기반으로 하는 제4차 산업은 모든 산업분야에 변화를 요구하며, 이에 조선·해운분야에도 자율운항선박에 대한 관심증가와 기술개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 자율운항 선박의 기술 중 하나는 항해사의 항해 당직업무를 대신하여 해상에서 조우 선박에 대한 충돌회피기술이다(Jung et al., 2019). 기존연구를 살펴보면 충돌회피 기술과 관련한 연구로서 Fujii et al.(1974)에서 충돌확률이 연구되었고, Hara et al.(1993)은 퍼지알고리즘을 이용하였으며, Hasegawa et al.(1989)와 Inoue(1998)은 환경스트레스를 이용하여 충돌위험성을 정량화하는 모델을 개발하였다. 이들 연구를 기반으로 Lee et al.(2015)은 선박의 위치와 DCPA(Distance to the Closest Point of Approach)와 TCPA(Time to the Closest Point of Approach)를 이용하여 충돌위험도를 산출하고 타력과 추력의 제어모델을 개발하였으며, Park et al.(2015)는 운항자 기반으로 침로 및 속력 변경에 의한 예측 위험도 산출 모델을 제시하였다. Yang(2004a)와 Yang(2005b)은 선박조종운동방정식과 타선의 속력과 침로에 대한 운동역학 방정식을 이용하여 근접상황에 적용 가능한 충돌회피지원 모델을 제시하였다. Yang(2006)은 가변 안전경계영역과 선박운동의 수학적 모델을 적용하여 속력을 고려한 선박충돌회피모델을 개발하였다. 또한 Im(2003), Im(2004a)와 Im(2004b)의 연구에서는 다중 선박이 조수하는 경우 차등 위험도를 계산하고 최종적으로 충돌위험도를 획일화하여 집단 선박 피항 모델을 개발하고 KT모델로 수치시뮬레이션 하여 검증하였다. Yoon et al.(2005)은 MMG 수학모델을 기반으로 Surge-Sway-Yaw-Roll 운동방정시과 퍼지이론을 이용하여 다수선박과 연속 조우시 충돌회피자동제어 연구를 수행하였으며, Kim et al.(2011)은 충돌위험평가에서는 COLREGs 항법을 고려해야함을 제시하고 조우선박의 상대방위를 측정하여 피항선 및 유지선을 식별하고 타원형 선박안전영역 모델을 이용하여 피항시점을 결정하는 알고리즘을 연구하였다. Song et al.(2011)은 베이지안 추정이론을 이용하여 충돌위험도를 알고리즘을 제시하였다. 한편 선박조종시뮬레이터를 이용하여 퍼지이론과 환경스트레스의 충돌위험을 비교한 연구 Son et al.(2009)와 조종운동 수학모델과 전자해도 기술을 접목하여 가상시스템을 구축하고 다양한 외력 조건하에서 선박조종시뮬레이터를 이용하여 조종 위험도의 객관적 평가 연구인 Yang et al.(2005)가 있다.

최근의 자율충돌회피 연구로 Cho et al.(2019)는 선박충돌 회피 시 타선의 속력과 침로의 불확실성을 반영하는 충돌확률 계산 알고리즘과 확률적 속도 장애물을 활용하여 확률론적 속도 장애물 알고리즘 및 COLREGs를 기반으로 하는 비용함수를 설계한 충돌회피 알고리즘 연구가 있으며, 선박충돌회피를 정량적으로 평가하기 위해 Nakamura et al.(2019)는 자선과 상대선박 사이의 상대거리와 방위변화율을 이용하여 선수와 선미 횡단에 대하여 위험수역, 주의수역 및 안전수역으로 선정하고 각각 벌점을 -2, -1 및 0을 부여하고 각 수역에 머문 시간으로 곱하고 이를 전체 시간으로 나눔으로서 선박조종 결과를 정량화 하였고, Woerner(2016)은 CPA에서 상대선박과 본선의 접촉각과 상대방위 및 DCPA를 기본점수로 하여 COLREGs 항법 적용여부에 따라 벌점과 가중치를 부여하여 정량화하는 연구를 수행하였다.

기존연구들을 분석한 결과 자동 충돌회피 알고리즘 및 자동제어를 수행한 이들 연구 결과는 컴퓨터를 이용한 임의적이고 주관적 평가만 수행하였는데 이들 연구를 객관적으로 평가하기 위한 연구는 미흡하였다. 세계적으로는 자율운항선박의 기술완성도를 높이기 위해 실 선박에 적용하는 전 단계로 선박조종시뮬레이터를 이용하고 있다. 또한 모든 선박이 자율운항선박이 되기 전까지는 사람과 자율운항선박이 공존할 수 밖에 없으므로 자동충돌회피 기술도 사람의 충돌회피와 유사하게 개발되어야 한다.

따라서 본 연구의 목적은 선박조종시뮬레이터(Full mission ship-handing simulator: FMSS)를 이용하여 자율운항선박의 충돌회피능력을 정량적으로 수치화하는 평가모듈을 개발하는 것이며, 이를 위하여 COLREGs에 대한 전문지식과 실무조선 경험이 많은 선박조종전문가들이 해상에서 선박 조우형태별 선박조종시뮬레이션을 실시한 후 그 결과 데이터를 평가요소별로 기술통계 처리하여 이를 기준으로 자율운항선박의 충돌회피능력을 평가할 수 있는 모델을 개발하는 것이다.

본 연구는 선박조종시뮬레이션을 이용하여 자율운항선박이 대양에서 선박 조우시 충돌회피능력을 정량적으로 평가하기 위한 평가모듈 개발 일환으로 위해 수행하였다. 이를 위해 선박 조우형태가 다른 각 case에 대해 선박조종전문가들과 자율운항선박이 시뮬레이션을 실시하고 선박조종전문가들이 수행한 시뮬레이션 결과 데이터를 토대로 충돌회피 시작시 거리, 상대시간, 회피 방향, 선수침로 변침량, 선속 변속량, 최근접거리 및 충돌확률에 대한 기술 통계량을 분석하여 이들 평가요소에 대한 평가모델을 개발하였다. 자율운항선박이 실시한 시뮬레이션 결과 데이터를 이용하여 평가요소에 대한 기술 통계량을 작성하고 이를 평가모델에 의거하여 정량적 점수를 산출하고 선박조종전문가들이 산출된 점수를 검증하였는데 그 결과는 다음과 같다.

(1) 본 평가모델을 적용하면 사람중심으로 자율운항선박의 충돌회피 능력을 정량적으로 평가할 수 있었다.

(2) 자율운항선박의 COLREGs 항법 적용 여부를 평가할 수 있었다.

(3) 본 평가모델은 자율운항선박의 충돌회피 알고리즘에 대한 개선 점을 파악하고 기술개발 완성도를 높이는데 기여할 수 있다.

(4) 본 연구에 이용된 자율운항선박의 충돌회피 능력은 선원의 오랜 경험과 조종기술이 요구되는 case에 대한 점수가 낮아 이에 대한 보완이 필요하다.

향후 협수로, 통항분리대 및 항만 내에서 자율운항선박의 통항안전성을 평가할 수 있는 모델을 추가로 개발하여 적용한다면 자율운항선박의 기술개발에 많은 도움이 될 것으로 사료되며 항해사의 충돌회피능력의 배양에도 이용 가능할 것으로 판단된다.