DQS 매거진

자율운항 함정 적용을 위한 최신 기술 동향 분석

글. 국방기술품질원 함정2팀 김규민 연구원

ICT 기술이 발전함에 따라 조선 분야 최대 이슈인 자율운항에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자율운항은 안전성, 신뢰성, 효율성, 친환경성 등에서 많은 효과를 보일 것으로 예상된다. 기존 함정의 사고 사례를 분석했을 때 대다수의 사고는 인적 요인에 의한 운항 과실이며, 이에 따라 안전성 측면에서 고려했을 때 자율운항 기술은 해군 함정에 적용이 필요한 기술이다. 따라서 본 기고문에서는 자율운항 기술 소개 및 최신 동향을 분석하고 함정 사고 사례 분석을 통해 자율운항 기술의 함정 적용의 필요성을 제언하고자 한다.

서론

통신, 센서 등 ICT 기술이 발전함에 따라 자동차 산업은 자율주행이라는 새로운 패러다임 변화를 앞두고 있다. 조선 분야 또한 마찬가지로 자율운항에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 선박의 자율운항 기술은 현재 기술적, 산업적, 정책적으로 많은 연구되고 있다. 자율운항은 조선 분야의 4대 이슈인 안전성, 신뢰성, 효율성, 친환경성에 대해 큰 효과를 보일 것으로 예상된다. 특히, 안전성의 측면에서는 휴먼 에러 등을 포함한 인적 요인에 의한 사고를 최소화할 수 있고, 신뢰성 측면에서는 선박 장비와 시스템 상태를 감지하고 미리 장애를 예측하여 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있기 때문에 해군 함정에 적용된다면 크고 작은 사고를 예방할 수 있을 것으로 예상된다.

따라서 본 기고문에서는 자율운항 기술 개념, 최신 동향에 대해 소개하고, 함정 사고 사례 분석을 통해 함정 적용의 필요성을 제언하고자 한다.

본론

자율운항 기술 소개

자율운항에 관한 정의는 다양하나, 국제해사기구(IMO), 미국선급(ABS), 프랑스선급(BV) 등에서는 공통적으로 사람의 개입, 간섭 없이 주변 상황을 인지하고 행동할 수 있는 기술로 정의한다[1].

자율운항의 기술은 크게 협의적 의미와 광의적 의미로 나눠지는데, 협의적 의미의 자율운항 기술은 자율운항 시스템과 관련된 기술을 의미한다. 즉, 센서 기반의 장애물 탐지 및 상황을 인지하는 기술, 선박의 운항상황, 장비, 시스템에 따라 엔진 제어 등 장비와 시스템을 효율적으로 처리하는 선박 자율제어기술 등을 포함한다. 광의적 의미의 자율운항 기술은 선박의 원격제어, 항로제어를 위한 정보, 기상 정보 등 항로교환, 선박의 상태를 원격으로 모니터링 등 원격관제기술과 해상통신시스템, 선내통신시스템, 사이버보안 등 해상연결성과 관련된 기술을 의미한다[1]. 그림 1은 협의적 의미의 자율운항 기술인 자율운항 시스템과 광의적 의미의 자율운항 기술인 원격관제기술, 해상통신시스템의 개념도이다. 이 3가지의 기술이 복합적으로 함께 발전해야한다.

그림 1. 자율운항 개념도[1]

자율운항은 기술 발전에 따라 등급을 나뉜다. 국제해사기구는 표 1과 같이 사람의 의사결정이 필요한 부분적 자율운항부터 궁극적으로 사람의 개입이 전혀 없는 완전자율운항이 가능한 선박까지 총 4단계로 기술을 구분하고 있다. 1단계는 선원 의사결정 지원, 2단계는 선원 승선 원격제어, 3단계는 선원 미승선(최소인원 승선) 원격제어와 기관 자동화, 4단계는 완전 무인 자율운항이며, 안전성 검증을 통해 단계적 기술 적용을 예상하고 있다.

표 1. 국제해사기구(IMO) 기준 자율운항 등급

등급 자율운항 등급
레벨 1 선원의 의사결정을 지원하는 수준
레벨 2 선원이 승선하고 원격 제어가 가능한 수준
레벨 3 최소 인원이 승선하고 원격제어 및 장애 예측 진단 등 기관 자동화를 지원하는 수준
레벨 4 완전 무인 자율운항

자율운항 기술 동향

국내에서는 한국해양대, 한국전자통신연구원(ETRI), LG CNS 등이 협업을 통해 원격관제 및 안전항로 제공 시스템을 개발 중에 있으며, 특히 현대중공업은 카이스트와 협업하여 세계 최초로 항해지원시스템인 하이나스(HiNAS)를 실제 운항 중인 그림 2(좌측)의 SK해운의 25만 톤급 대형선박에 탑재하였다. 하이나스는 인공지능을 이용하여 야간, 해무 등으로 시야 미확보 시 적외선 카메라를 이용해 주변 선박을 자동으로 인식해 충돌위험을 판단하고 이를 그림 2(우측)와 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 증강현실(AR) 기반으로 정보를 제공한다[1].

해외에서는 현재 주로 유럽, 중국 등에서 자율운항에 대해 활발히 연구하고 있다. 유럽의 경우, 대표적으로 노르웨이 과학기술대(NTNU) 주관으로 콩스버그, 노르웨이·독일 선급(DNV-GL)이 참여하는 AUTOSEA 프로젝트에서 충돌회피 알고리즘, 다종센서 융합 등을 연구하고 있다. 중국은 광동성 주하이에 전세계 최대 면적의 자율운항 선박 테스트베드를 조성 중이며 장애물 회피, 지정경로 운항 등을 테스트할 것으로 예상된다[1].

그림 2. 현대중공업 하이나스를 탑재한 25만 톤급 선박(좌), 사용자에게 제공되는 증강현실 정보(우)
(출처: 현대중공업)

함정 사고 사례 분석에 따른 함정 자율운항 기술 도입 필요성

항법장치가 발전함에도 불구하고 해군 함정의 해상 충돌사고는 2008년 상륙지원정과 여객선 충돌사고, 2010년 고속정과 어선 충돌사고 등 지속적으로 발생하고 있다. 해외의 경우에도 상황은 비슷하며 미 해군은 2017년 구축함과 유조선 충돌사고, 구축함과 컨테이너선 충돌사고 등 큰 인명사고가 발생한 이력이 있다[2]. 사고보고서 등을 통해 사고 사례를 분석해보면 1976년부터 2017년까지 해군 함정의 사고 사례는 총 00건이며 표 2는 사고 사례를 분석하여 최다 빈도 원인을 나타낸 도표이다. 사고 사례 00건 중 0건이 기관취급불량, 0건이 피검문 섬박과의 충돌, 그리고 00건이 운항과실로 분석되며 운항과실이 총 사고의 93%를 차지한다. 사고 발생 시각은 0~4시가 28%로 가장 많은 비율을 차지하였으며 안개, 박무로 인한 저시정 상황에서 발생한 사고의 비율이 32%를 차지하였다. 즉, 해군 함정의 운항 사고는 일반적으로 인적 요인에 의해 발생하며, 대다수의 사고 발생 시각이 어두운 밤이나 새벽 그리고 안개, 박무 등의 저시정 상황임을 고려할 때 사람의 인지 능력 한계에 따른 사고라 볼 수 있다[2].

표 2. 사고 발생 최다 빈도 원인 분석

번호 사고 사례 유형 분석 최다 빈도 원인
1 사고 원인 운항 과실
2 함정 크기 100~500 톤
3 사고 발생 시각 0~4시
4 기상 상황 안개, 박무 등 저시정
5 사고 당 인명 피해 4.6명

한편, 앞서 언급한 바와 같이 협의적 의미의 자율운항 기술은 스탠드얼론 타입의 기술이며, 센서를 기반으로 한 장애물 탐지, 상황 인지 및 분석 등이 포함된다. 즉, 자율주행에서 흔히 사용되는 LiDAR, 카메라 등을 통해 주변 상황 정보를 수집하고, AI 기술 등을 활용하여 정보를 처리하는 기술을 의미한다. 자율주행으로 유명한 테슬라 사의 통계에 따르면 자율주행 시 교통사고는 약 710만 km당 1건이 발생하며, 자율주행이 아닌 운전자 주행 시 교통사고는 약 193만 km 당 1건이 발생한다. 이는 여러 복합적인 요인이 작용하나, 주변 상황 정보를 수집하고 처리하여 행동까지 옮기는 자율주행의 처리 능력이 휴먼 에러를 수반하는 인간의 인지 능력보다 앞서는 것으로 판단될 수 있다.

따라서 사람이 인지하기 어려운 환경에서 대다수의 사고가 발생하는 함정 사고의 특성을 고려할 때 자율운항의 도입은 함정의 안전성을 크게 높일 수 있는 수단이 될 수 있다.

자율운항 함정 도입 사례

국내에서는 국방과학연구소 국방첨단기술연구원 주관으로 한화시스템, KAIST, 선박해양플랜트연구소(KRISO), 동국대 등이 참여하여 2024년까지 군집 무인수상정 운용기술을 국내 최초 개발 중에 있다. 개발 중인 기술은 군집 무인수상정의 자율운항 알고리즘을 포함하고 있다. 즉, 무인수상정의 성공적인 개발을 위해서는 자율운항에 관한 기술 개발이 선행되어야 할 것이다. 또한, 한화시스템은 이미 국방과학연구소 주관 하에 그림 3(좌측)의 길이 6 m, 무게 1.2톤의 무인수상정 아우라(AURA)를 개발하며 자율운항에 대한 기술을 확보한 상태이다[3].

그림 3. 한화시스템 무인수상정 아우라[3]
그림 4. 미 해군 자율운항 무인함정 ACTUV[4]

해외의 경우에는 미국이 군용 자율운항 선박과 관련된 기술을 가장 많이 보유하였으며, 보유한 자율운항 기술을 기반으로 2016년 미 방위고등연구계획국(DARPA)와 미 해군 연구소(NRL)은 그림 4의 자율운항 무인함정(ACTUV) 개발하였다[4]. ACTUV는 선체길이 40 m, 배수톤수 140 톤이며 이미 약 5,200마일의 항해시험을 성공적으로 마쳤다. 현재는 국제해사기구가 요구하는 해상충돌예방규칙(CORLEG) 적용 가능성을 실험하고 있으며, 2번함이 건조 중에 있다. 미 해군은 ACTUV 시험결과를 중심으로 소, 중, 대형 자율무인 함정으로 이루어진 일명 유령함대(Ghost Fleet) 구축을 추진하고 있다[4].

결론

본 연구에서는 자율운항 기술의 소개와 자율운항 함정과 관련된 최신 동향을 소개하였다. 또한, 해군 함정 사고 사례 분석을 통해 자율운항 함정 도입 시에 따른 긍정적 효과를 기대할 수 있다. 하지만 국내에서는 아직 자율운항 기술이 적용된 함정은 없으며 소요제기 상에서도 이러한 자율운항에 대한 요구조건을 확인할 수 없다. 진화적 발전개념이 적용된 KDDX 함정에서는 탐재장비들의 자동화 비율을 높이는 등 인적 자원의 감소 및 고도화에 따른 앞으로의 추세를 고려한다면 자율운항 함정에 대한 연구 및 적용은 반드시 필요할 것으로 판단된다.

참 고 문 헌
  • 1. “KISTEP 기술동향브리프 자율운항선박”, 한국과학기술기획평가원, 2020.
  • 2. Shin, D., Park, Y., Choi, K., & Park, S., "Analysis of a Naval Warship Accident and Related Risk.", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 24, No. 7, pp 863-869, 2018.
  • 3. 박대로, “[군사대로]해상 경계 실패 되풀이... ‘무인수상정’ 투입해 해결할까”, 뉴시스, 2020년 8월 2일자.
  • 4. “미해군 『유령함대(Ghost Fleet)』 건설과 운용”, 한국군사문제연구원, 2020.