선박의 선박의

2005年 2月 工學博士學位論文

휴리스틱 휴리스틱 휴리스틱

휴리스틱 알고리즘을 알고리즘을 알고리즘을 이용한 알고리즘을 이용한 이용한 이용한 선박의

선박의 선박의

선박의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 자동 자동 자동 자동 교체 교체 교체 교체 시스템

시스템 시스템

시스템 개발에 개발에 개발에 관한 개발에 관한 관한 관한 연구 연구 연구 연구

A Study on the Development of Ship’s Ballast Water Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm

朝 朝 朝

朝 鮮 鮮 鮮 鮮 大 大 大 大 學 學 學 學 校 校 校 校 大 大 大 大 學 學 學 院 學 院 院 院

첨단 해상 운송 SYSTEM 설계 및 생산관리학과

洪 洪

洪 洪 忠 忠 忠 忠 裕 裕 裕 裕

휴리스틱

휴리스틱 휴리스틱

휴리스틱 알고리즘을 알고리즘을 알고리즘을 이용한 알고리즘을 이용한 이용한 이용한 선박의

선박의 선박의

선박의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 자동 자동 자동 자동 교체 교체 교체 교체 시스템

시스템 시스템

시스템 개발에 개발에 개발에 관한 개발에 관한 관한 관한 연구 연구 연구 연구

A Study on the Development of Ship’s Ballast Water Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm

2005年 2月

朝 朝 朝

朝 鮮 鮮 鮮 鮮 大 大 大 大 學 學 學 學 校 校 校 校 大 大 大 大 學 學 學 院 學 院 院 院

첨단해상 운송 SYSTEM 설계 및 생산관리학과

洪 洪 洪

洪 忠 忠 忠 忠 裕 裕 裕 裕

휴리스틱

휴리스틱 휴리스틱

휴리스틱 알고리즘을 알고리즘을 알고리즘을 이용한 알고리즘을 이용한 이용한 이용한 선박의

선박의 선박의

선박의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 자동 자동 자동 자동 교체 교체 교체 교체 시스템

시스템 시스템

시스템 개발에 개발에 개발에 관한 개발에 관한 관한 관한 연구 연구 연구 연구

指 導 敎 授 朴 濟 雄

이 論文을 工學博士學位申請 論文으로 提出함

2004年 10月

朝 朝 朝

朝 鮮 鮮 鮮 鮮 大 大 大 大 學 學 學 學 校 校 校 校 大 大 大 大 學 學 學 院 學 院 院 院

첨단해상 운송 SYSTEM 설계 및 생산관리학과

洪 洪 洪

洪 忠 忠 忠 忠 裕 裕 裕 裕

洪 洪 洪

洪 忠 忠 忠 忠 裕 裕 裕 裕의 의 의 工學博士學位論文 의 工學博士學位論文 工學博士學位論文을 工學博士學位論文 을 을 을 認准 認准 認准함 認准 함 함 함

委 員 長 朝鮮大學校 敎授 權 寧 燮 印

委 員 蔚山大學校 敎授 朴 魯 植 印

委 員 韓國海洋大學校 敎授 孫 景 浩 印

委 員 韓國海洋硏究院 博士 姜 國 珍 印

委 員 朝鮮大學校 敎授 朴 濟 雄 印

2004年 12月

朝 朝 朝

朝 鮮 鮮 鮮 鮮 大 大 大 大 學 學 學 學 校 校 校 校 大 大 大 大 學 學 學 元 學 元 元 元

목 목 목 목 차 차 차 차

List of Tables List of Tables List of Tables

List of Tables

……… ……… ……… ……… …… …… ……

List of List of

List of FigurFigurFigurFigureeeessss

……… ……… ……… ……… ………… ………… …………

Nomenclatures Nomenclatures

Nomenclatures

… … … ……… ……… ……… ………

Abstract Abstract

Abstract

… ……… … … ……… ……… ………

제 제

제 제 1 1 1 1 장 장 장 장 서 서 서 서 론 론 론 론

제 1 절 연구 배경

………

제 2 절 연구 목적

………

제 3 절 연구 방법 및 구성

………

제 제 제 제 2 2 2 2 장 장 장 장 밸러스트수 밸러스트수 밸러스트수 교체 밸러스트수 교체 교체 시 교체 시 시 시 고려 고려 고려 사항과 고려 사항과 사항과 평가 사항과 평가 평가 요소 평가 요소 요소 요소 해석 해석 해석 해석

………

제 2 절 선박의 펌프 성능 및 밸러스트 탱크의 배치

………

제 3 절 밸러스트수 교체 시 선박의 화물 적재 상태 분류

………

제 4 절 선박의 안전에 따른 평가 요소 해석과 기준의 설정

………

제 제 제 제 3 3 3 3 장 장 장 장 밸러스트수의 밸러스트수의 밸러스트수의 순차적 밸러스트수의 순차적 순차적 순차적 교체 교체 교체 교체용 용 용 알고리 용 알고리 알고리 알고리즘 즘 즘 즘 선정 선정 선정 선정

………

제 2 절 알고리즘 분석 …

………

제 3 절 밸러스트수의 순차적 교체에 적합한 알고리즘의 선정

………

제 제

제 제 4 4 4 4 장 장 장 장 밸러스트수 밸러스트수 밸러스트수 교체 밸러스트수 교체 교체용 교체 용 용 용 알고리즘의 알고리즘의 알고리즘의 재 알고리즘의 재 재 재 설계 설계 설계 설계

제 1 절 서언

………

제 2 절 선정한 알고리즘을 밸러스트 교체용 알고리즘으로 재 설계

………

제 3 절 밸러스트수 교체용 알고리즘의 구성

………

제 제 제 제 5 5 5 5 장 장 장 장 휴리스틱 휴리스틱 휴리스틱 알고리즘을 휴리스틱 알고리즘을 알고리즘을 이용한 알고리즘을 이용한 이용한 밸러스트수 이용한 밸러스트수 밸러스트수의 밸러스트수 의 의 자동 의 자동 자동 자동 교체 교체 교체 시스템 교체 시스템 시스템 시스템 개발 개발 개발 개발

………

제 2 절 시스템의 구성

………

제 3 절 적하역지침기와 휴리스틱 알고리즘의 결합

………

제 4 절 휴리스틱 알고리즘을 이용한 밸러스트수의 자동 교체 시스템 개발

…

제 제 제 제 6 6 6 6 장 장 장 장 시스템 시스템 시스템 검증 시스템 검증 검증 검증

………

제 2 절 벌크 화물선 검증 결과 및 고찰

………

제 3 절 석유 정재 운반선 검증 결과 및 고찰

………

제 4 절 컨테이너 운반선 검증 결과 및 고찰

………

제 제

제 제 7 7 7 7 장 장 장 장 결 결 결 결 론 론 론 론 ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… 1 1 1 1

참 참

참 참 고 고 고 문 고 문 문 문 헌 헌 헌 ……… 헌 ……… ……… ……… … … ……… ……… ……… ……… … … …

List of Tables List of Tables List of Tables List of Tables

Table 2.1 Example of steps for sequential exchange ……… 7

Table 2.2 The Connection Between Ballast Tanks and Pumps ……… 9

Table 2.3 Vessel Types and Ballast Conditions ……… 10

Table 2.4 SOLAS Rule for Visibility ……… 17

Table 2.5 Allowable Limit for each Criterion ……… 19

Table 3.1 Comparison Table of Algorithms ……… 35

Table 5.1 Ship’s Database Table ……… 51

Table 5.2 Functions of Loading Instrument ……… 53

Table 6.1 Principal Particular ……… 62

Table 6.2 Ballast Tanks Capacity ……… 63

Table 6.3 Cargo Hold Capacity ……… 63

Table 6.4 Allowable Limit of Criteria ……… 64

Table 6.5 Sequential Exchange Plan of Normal Ballast Condition ………… 65

Table 6.6 Sequential Exchange Plan of Heavy Ballast Condition ………… 72

Table 6.7 Partial Loading Condition ……… 78

Table 6.8 Sequential Exchange Plan of Partial Loading Ballast Condition … 79 Table 6.9 Summary of Ballasting Time ……… 84

Table 6.10 Principal Particular ……… 86

Table 6.11 Ballast Tanks Capacity ……… 87

Table 6.12 Allowable Limit of Criteria ……… 88

Table 6.13 Sequential Exchange Plan of Normal Ballast Condition ………… 89

Table 6.14 Sequential Exchange Plan of Heavy Ballast Condition ………… 95

Table 6.15 Partial Loading Condition ………100

Table 6.16 Sequential Exchange Plan of Partial Loading Ballast Condition … 102

Table 6.17 Summary of Ballasting Time ……… 107

Table 6.18 Principal Particular ……… 109

Table 6.19 Ship’s Ballast Tanks Information ……… 110

Table 6.20 Allowable Limit of Criteria ……… 111

Table 6.21 Sequential Exchange Plan of Normal Ballast Condition ……… 112

Table 6.22 Partial Loading Condition ……… ……… 118

Table 6.23 Sequential Exchange Plan of Partial Loading Ballast Condition … 120 Table 6.24 Summary of Ballasting Time ……… 127

List List List

List of of of of Fig Fig Figure Fig ure ures ure ss s

Fig. 2.1 Ballast Water Management ……… 5

Fig. 2.2 Ballast Water Exchange Area ……… 6

Fig. 2.3 Ship's Ballast System

Fig. 2.4 Flowchart of Strength Calculation

Fig. 2.5 Flowchart of Stability Calculation ………

Fig. 2.6 Flowchart of Torsion Calculation

Fig. 2.7 Flowchart of Hydrostatics Calculation ………

Fig. 2.8 Schematic of Visibility ………

Fig. 2.9 Radar Chart of Criteria ………

Fig. 3.1 Algorithm Hierarchy

Fig. 3.2 Flowchart of A* Algorithm ………

Fig. 3.3 Concept of Sequential Exchange ………

Fig. 3.4 Sequence by Non-graph Search ………

Fig. 3.5 Sequence by Graph Search ………

Fig. 3.6 Hierarchy Diagram of Graph Search ………

Fig. 4.1 Example of Nodes ………

Fig. 4.2 Example of Steps ………

Fig. 4.3 Example of Node Expansion ………

Fig. 4.4 Example of Ballast System ……… 41

Fig. 4.5 Example of Node Expansion From One Parent Node ………

Fig. 4.6 Node Expansion in State Space

Fig. 4.7 Graph of Penalty Function k(n) by Case ………

Fig. 4.8 Flowchart of A* Algorithm For Sequential Exchange ………

Fig. 5.1 Analysis and Database of Loading Instrument

Fig. 5.2 Structure of Step ……… 54

Fig. 5.3 Flowchart of A* Algorithm

Fig. 5.4 Diagram of Algorithm and Loading Instrument ………

Fig. 5.5 Flowchart of Calculating Step ………

Fig. 5.6 Flowchart of A* Algorithm Optimized for Sequential Exchange ……

Fig. 5.7 Relational Diagram for Algorithm, Criteria, Loading Instrument …

Fig. 6.1 Draft of each step ……… 67

Fig. 6.2 Trim of each step ……… 67

Fig. 6.3 Heeling of each step ……… 68

Fig. 6.4 G₀M of each step ……… 68

Fig. 6.5 Propeller Immersion of each step ……… 69

Fig. 6.6 Longitudinal Strength of each step……… 69

Fig. 6.7 Visibility of each step ……… 70

Fig. 6.8 Radar Chart of First Step ……… 70

Fig. 6.9 Draft of each step ……… 74

Fig. 6.10 Trim of each step ……… 74

Fig. 6.11 Heeling of each step ……… 75

Fig. 6.12 G₀M of each step ……… 75

Fig. 6.13 Propeller Immersion of each step ……… 76

Fig. 6.14 Longitudinal Strength of each step ……… 76

Fig. 6.15 Visibility of each step ……… 77

Fig. 6.16 Radar Chart of First Step ……… 77

Fig. 6.17 Draft of each step ……… 80

Fig. 6.18 Trim of each step ……… 80

Fig. 6.19 Heeling of each step ……… 81

Fig. 6.20 G₀M of each step ……… 81

Fig. 6.21 Propeller Immersion of each step ……… 82

Fig. 6.22 Longitudinal Strength of each step ……… 82

Fig. 6.23 Visibility of each step ……… 83

Fig. 6.24 Radar Chart of First Step ……… 83

Fig. 6.25 Draft of each step ……… 90

Fig. 6.26 Trim of each step ……… 90

Fig. 6.27 Heeling of each step ……… 91

Fig. 6.28 G₀M of each step ……… 91

Fig. 6.29 Propeller Immersion of each step ……… 92

Fig. 6.30 Longitudinal Strength of each step ……… 92

Fig. 6.31 Visibility of each step ……… 93

Fig. 6.32 Radar Chart of First Step ……… 93

Fig. 6.33 Draft of each step ……… 96

Fig. 6.34 Trim of each step ……… 96

Fig. 6.35 Heeling of each step ……… 97

Fig. 6.36 G₀M of each step ……… 97

Fig. 6.37 Propeller Immersion of each step ……… 98

Fig. 6.38 Longitudinal Strength of each step ……… 98

Fig. 6.39 Visibility of each step ……… 99

Fig. 6.40 Radar Chart of First Step ……… 99

Fig. 6.41 Draft of each step ……… 103

Fig. 6.42 Trim of each step ……… 103

Fig. 6.43 Heeling of each step ……… 104

Fig. 6.44 G₀M of each step ……… 104

Fig. 6.45 Propeller Immersion of each step ……… 105

Fig. 6.46 Longitudinal Strength of each step ……… 105

Fig. 6.47 Visibility of each step ……… 106

Fig. 6.48 Radar Chart of First Stepr ……… 106

Fig. 6.49 Draft of each step ……… 113

Fig. 6.50 Trim of each step ……… 113

Fig. 6.51 Heeling of each step ……… 114

Fig. 6.52 G₀M of each step ……… 114

Fig. 6.53 Propeller Immersion of each step ……… 115

Fig. 6.54 Longitudinal Strength of each step ……… 115

Fig. 6.55 Torsion of each step ……… 116

Fig. 6.56 Visibility of each step ……… 116

Fig. 6.57 Radar Chart of First Step ……… 117

Fig. 6.59 Draft of each step ……… 121

Fig. 6.59 Trim of each step ……… 121

Fig. 6.60 Heeling of each step ……… 122

Fig. 6.61 G₀M of each step ……… 122

Fig. 6.62 Propeller Immersion of each step ……… 123

Fig. 6.63 Longitudinal Strength of each step ……… 123

Fig. 6.64 Torsion of each step ……… 124

Fig. 6.65 Visibility of each step ……… 124

Fig. 6.66 Radar Chart of First Step ……… 125

Nomenclature Nomenclature Nomenclature Nomenclatures ss s

Draft Mean draft above bottom of keel LBP Length between perpendicular FP Forward perpendicular

AP Afterward perpendicular

△ Displacement of the ship GG0 Free surface correction

GM Initial transverse metacentric height

G0M Initial transverse metacentric height corrected for free surface known as the metacentric

GZ The transverse righting lever, being the shortest distance from G to the line of action of B, the center of buoyancy

KMT Height of the initial transverse metacenter above base line

KN The righting lever with the ship heeled to angle 0 degrees when the center of gravity of the vessel is assumed to be at the base line

LCB Longitudinal center of buoyancy LCG Longitudinal center of gravity VCG Vertical center of gravity TCG Transverse center of gravity

MTC Moment to change trim one centimeter SF Shear force

BM Bending moment

H Length between keel and propeller shaft center line Dp Diameter of propeller

dAp Draft of propeller tip

dA Draft at after peak

hf Vertical length checkpoint and viewpoint

L LBP

Hp Vertical length between waterline and viewpoint Tr Tree(Graph) of search

n Node G Graph

M Graph that contains expanded nodes

f(n) Evaluation function of heuristic algorithm A*

h(n) Evaluation function of heuristic algorithm A* that estimates the future cost

g(n) Evaluation function of heuristic algorithm A* that sums the past cost k(n) Weighing function of heuristic algorithm A* that control the future

cost

Abstract Abstract Abstract Abstract

A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the Development of Ship’s Ballast Water A Study on the Development of Ship’s Ballast Water Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm Sequential Exchange Planning Using Heuristic Algorithm

Harmful aquatic organism invasions through ballast water are recognized as a serious threat to global biological diversity and human health. Studies have shown that many species of bacteria, plants, and animals can survive in a viable form in the ballast water and sediment carried in ships, even after journeys of several months’ duration. Subsequent discharge of ballast water or sediment into the waters of port states may result in the establishment of these harmful organisms creating a detriment to the marine environment. The potential for ballast water discharge to cause harm has been recognized not only by the International Maritime Organization (IMO) but also by the World Health Organization (WHO), which is concerned about the role of ballast water as a medium for the spreading of disease bacteria.

Ballast exchange is known to be effective, among the methods for Ballast Water Management, but potentially dangerous to the safe operation of ship, if performed incorrectly. Therefore, there is a great need to develop more effective and efficient approaches to ballast water exchange plan on ships.

Hong, Chung-You

Advisor : Prof. Park, Jae-Woong, Ph.D.

Department of Advanced Marine Transportation Plan & Production Management, Graduate School of Chosun University

With the aforementioned regulations (guidelines), an optimal Ballast Water Exchange Plan is suggested as an automatic system based on IMO Guideline.

To optimize the ballast water exchange sequences, the proposed system combines the features of a mechanical analysis and a hybrid optimization algorithm: meta-heuristic algorithm and uninformed searching algorithm.

Heuristic algorithm A* was specially chosen for the general robustness of applicability and optimality.

Three main factors (node, operator, and objective function) are, then, modified and redefined for the heuristic global solution of A* Algorithm. The entire sequence of exchange can be divided into the following steps. The node of modified A* algorithm is matched with each step of sequences in 'Exchange Module’ of ballast water plan. The entire optimum sequence can be, then, found with subsequent explorations from the starting node to the final goal node. The operator in modified A* algorithm is adopted in accordance with the capacities of pumps and the linking combinations between tanks and pumps. The objective function is evaluated to minimize the time frame for the current exchange sequence, giving penalties to these nodes that violate criteria. Therefore, the modified A* algorithm can be introduced as a heuristic approach to find the optimum sequence.

The developed optimal Ballast Water Exchange Plan has been applied to various ballast conditions of ships (i.e., bulk carrier, tanker, and container carrier), which have installed loading instruments approved by classification society. From the test results, it has been concluded that the developed system is an effective and efficient optimization tool for the Ballast Water Exchange Plan in suitable computational time frame.

제 제 제

제 1 1 1 장 1 장 장 장 서 서 서 서 론 론 론 론

제 제 제

제 1111 절절절절 연구연구연구연구 배경배경배경 배경

선박은 세계 물류 수송의 80%를 책임지고 있으며 이러한 선박들의 안전한 운 항을 위해 사용되는 밸러스트수(Ballast Water)는 연간 대략 100억 톤에 달한다 [30]. 이렇게 대량의 해수가 선박의 안정적인 운항을 위해 사용됨에 따라 이로 인한 부작용에 대한 고찰이 필요하게 되었다.

밸러스트수에는 입수, 배수 시 많은 작은 해양 생물이 포함되어 이동된다. 세 계적으로 선박의 밸러스트수에 유입되는 해양 생물은 7,000여 종에 이르는 것으 로 추산되고 있다. 입수 지역의 해양 생물 종은 운항 중 밸러스트 탱크 내의 환 경이 해양 생물 종에 적합하지 못해 대부분 사멸하지만, 살아남은 일부 종은 배 수 지역에서 배수 시, 해당 지역으로 전이 및 거주하게 되어 생태계를 파괴하게 된다[25].

따라서 국제적으로 이에 대한 대책이 강력하게 요구되고 있다. 그리고 이러한 문제점에 대한 대책 방안은 1997년 국제 해사 기구(IMO)에 의해 ‘유해한 수중 생물체 및 병원균의 이동을 최소화하기 위한 선박 밸러스트수의 규제와 관리에 관한 지침서[28]’가 채택되면서 본격화되었다.

환경 오염 방지에 적극적인 뉴질랜드와 미국에서는 입항하는 선박을 대상으로 입항 전 심해에서 밸러스트수를 전량 교체하도록, 교체 지역과 교체 방식에 대 한 지침을 공표하고, 이를 강제적으로 시행하고 있다[37]. 또한 캐나다, 호주 등 과 같은 국가들에서도 밸러스트수로 인한 환경 오염 방지 및 관리를 부분적으로 시행하고 있다[24].

2004년 2월 국제 해사 기구에 의해 밸러스트수 관리의 국제 협약이 체결되었 으며[29], 앞으로 국제적으로 강제력이 발효되면 모든 선박은 밸러스트수를 관 리하는 국제 해사 기구의 지침서에 따라 밸러스트수를 철저히 관리하여야 한다 [6].

제 제 제

제 2222 절절절절 연구연구연구연구 목적목적목적 목적

선박의 밸러스트수 이동으로 인한 해양 오염을 방지 및 관리하는 방법에는 여 러 가지가 있으나, 이 중에서 가장 실질적으로 현존선 및 신조선에 모두 빠르고 간편하고 저렴하게 적용될 수 있고, 또한 국제 해사 기구에서 제시한 타당한 밸 러스트수 관리 방법은 밸러스트수의 교체 방법이다[35]. 이 때, 본 연구 목적인 최적의 순차적 교체 과정을 도출하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.

1. 교체 과정 동안 많은 양의 밸러스트수를 교환시켜야 하기에 이에 따른 선박 유체 정역학 조건은 물론 구조 안전성, 복원성 및 항해성을 우선적 으로 만족하는 안전한 과정이어야 한다[31].

2. 해상에서의 실제 밸러스트수 교체 작업 수행 시간이 최소화되어야 한다.

3. 최적 교체 과정을 수립하기 위한 전산 작업의 시간이 최소화되어야 한다.

본 연구에서 개발코자 하는 밸러스트수의 교체 과정 시스템이 위의 조건을 만 족시킬 수 있도록 하기 위하여 아래와 같은 연구 목표를 수립하고 수행하였다.

1. 기존의 적하역지침기(Loadcom,메카정보통신,1997)의 기법을 검토하였다.

2. 교체 작업 수행 시간 및 전산 작업 시간의 최소화를 얻기 위하여 휴리스틱 알고리즘을 검토하였다.

3. 검토된 알고리즘을 기존의 적하역 프로그램과 연계하기 위하여 재 설계하 였다.

4. 이로써 확립된 시스템을 실선에 적용하여 검증하였다.

제 제 제

제 3333 절절절절 연구연구연구연구 방법방법방법 및방법 및및및 구성구성구성 구성

1. 1.

1. 1. 연구연구연구 방법연구 방법방법방법

본 연구 목적을 이루기 위하여 연구 방법을 다음과 같이 하였다.

1) 밸러스트수 교체 시의 선박 유체 정역학, 구조 안전성, 복원성, 항해성 등 의 해석을 위해 기존의 계산 방법을 검토한다.

2) 이로써 항해 안전에 관한 평가 요소를 확보한다.

3) 위 평가 요소에 대한 기존의 각종 선급의 규정을 참조하여 평가 기준을 수 립한다.

4) 밸러스트수 교체 시 발생할 수 있는 여러 단계의 과정에서, 각 단계의 운 항 안전성과 운항 상태가 평가 기준에 부합하는 지를 판별한다.

5) 교체 시퀀스의 합리성을 확보할 수 있는 알고리즘, 즉 그래프 방식과 비 그래프 방식에 대하여 살피고, 최소 컴퓨터 연산 시간은 물론 최소 교체 작업 시간을 확보할 수 있는 최적의 알고리즘을 선정한다.

6) 선정된 알고리즘에 대하여 본 밸러스트수의 순차적 교체 방법에 적합하도 록 노드, 연산자, 평가 함수를 재 설계한다.

7) 이로써 설계된 최적 알고리즘과 항해 안전에 관한 평가 기준을 동시에 만 족하는 밸러스트수의 교체 시스템을 개발하며 이에 대한 타당성을 검증하 기 위해 실선 검증을 한다.

2.

2.

2.

2. 연구연구연구 구성연구 구성구성구성

본 연구 내용의 구성은 총 7 장으로서 다음과 같이 구성하였다.

제1장은 서론으로서 연구 배경, 연구 목적, 연구 방법 및 구성을 내용으로 한다.

제2장은 밸러스트수 교체 시 고려해야 할 항목 정리와 평가 요소 해석으로서 다 음과 같이 구성한다.

1) 밸러스트수의 관리 및 교체 방법

2) 선박의 펌프 성능 및 밸러스트 탱크의 배치 3) 밸러스트수 교체 시 선박의 화물 적재 상태 분류 4) 선박의 안전에 따른 평가 요소 해석과 기준의 설정

제3장은 밸러스트수의 순차적 교체용 알고리즘을 선정하고, 제4장은 밸러스트수 의 교체용 알고리즘의 재 설계, 제5장은 제2장의 결과와 제4장의 알고리즘이 서 로 연동되도록 통합하여 설계하는 내용으로서 휴리스틱 알고리즘을 이용한 밸러스트수 의 자동 교체 시스템을 완성한다. 제6장은 시스템 검증으로 완성한 밸러스트수의 자 동 교체 시스템을 실선 적용한 결과를 보여주고, 이를 고찰하며, 마지막으로 제7 장은 개발 연구에 대한 결론 및 추후 과제를 내용으로 한다.

제 제 제

제 2 2 2 장 2 장 장 장 밸러스트수 밸러스트수 밸러스트수 밸러스트수 교체 교체 교체 교체 시 시 시 시 고려 고려 고려 사항과 고려 사항과 사항과 사항과 평가 평가 평가 평가 요소 요소 요소 해석 요소 해석 해석 해석

제

제 제

제 1 1 1 절 1 절절절 밸러스트수밸러스트수밸러스트수밸러스트수의의의 관리의 관리관리 및관리 및및및 교체교체교체 방법교체 방법방법방법

기본적으로 밸러스트수 관리 방법은 국제 해사 기구의 지침서인 IMO A.868(20)에 준하며 주요 관리 방법을 보인 <Figure 2.1>에서 확인할 수 있듯 이 그 방법은 유형에 따라 크게 교체(Exchange), 처리(Treatment)와 고립 (Isolation)의 세 가지로 나뉜다.

<Figure 2.

<Figure 2.<Figure 2.

<Figure 2.1111> Ballast Water Management> Ballast Water Management> Ballast Water Management > Ballast Water Management

교체 방법은 대양에서 운항 중 행하며, 순차적 교체(Sequential Exchange)와 넘침 교체(Flow-through Exchange)로 구분된다[36]. 순차적 교체는 다수의 교 체 스텝으로 이루어진 일련의 과정을 통해 선박 내 밸러스트 탱크를 모두 비웠 다가 다시 채워 교체하는 방식이다. 넘침 교체는 펌프를 통해 밸러스트 탱크에 해수를 계속 주입하여, 갑판 위로 넘치도록 하여 밸러스트수를 전량 교체한다 [27]. 처리 방법은 기계적, 물리적, 화학적 방법으로 살균, 원심 분리, 자외선 처 리 등을 행하여 미생물을 살상하는 방법이다. 고립 방법은 밸러스트수를 입수한

장소로 돌아가 배수하거나, 별도의 처리 시설을 항구에 건설하는 방식이다. 이들 방법 중 추가적인 장비의 설치 없이 선박에 주어지는 기본적인 밸러스트 시스템 만으로 저렴하며 신속하게 구현 가능한 것이 교체 방법이며, 따라서 본 논문에 서는 순차적 교체 방법을 대상으로 하여 연구하였다.

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.222> Ballast Water Exchange Area2> Ballast Water Exchange Area> Ballast Water Exchange Area> Ballast Water Exchange Area

순차적 교체 방법에 대해 상세히 살펴보면, 본 방법은 <Figure 2.2>와 같이 육지로부터 200해리 밖, 수심 200M 이상의 해상에서 선박 내 밸러스트 탱크의 모든 밸러스트수를 순차적인 스텝을 통하여 교체하는 방법을 의미한다. 이는 또 한 심해에서는 연안의 수중 미생물이 생존할 수 없으며, 또한 심해수는 매우 청 정하다는 것을 이용하여 밸러스트수 내 미생물을 처리하는 방식이다[10].

<Table 2.1>은 순차적 교체 계획의 예를 나타낸 것이다. 1번째 스텝에서 전혀 물이 교체되지 않은 초기 상태의 밸러스트 탱크들이 마지막 15번째 스텝에 이르 는 순차적인 과정을 통해 밸러스트수가 모두 교체되었다. 이때 순차적 교체 계 획의 각 스텝에 따라서 밸러스트 탱크 별 해수량이 변하며, 따라서 선박 전체 중량, 부력 분포들이 달라지며 고유의 적재 상태를 이룬다[15]. 한편, <Table 2.1>에 제시된 표의 좌측 하단의 항목(선수미 흘수, 트림, 경사각, 복원성, 프로 펠러 침수율, 전단력, 굽힘 모멘트, 가시거리)의 평가 기준 값들이 각각의 교체 스텝에 따라서 다른 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 첫 교체 스텝에서 종료 교 체 스텝까지 연속적인 적재 상태가 변화 함에 따라, 각 평가 요소의 개개의 교 체 스텝들에 대한 평가 기준의 만족 여부를 확인하여 선박 운항의 안전성, 복원 성, 항해성을 확보해야 한다[12].

<

<

<

<Table Table Table 2.Table 2.2.2.1>1>1> Example of Steps for 1> Example of Steps for Example of Steps for Sequential Example of Steps for Sequential Sequential Sequential ExchangeExchangeExchange Exchange

교체 스텝 1 2 3 4 5 11 12 13 14 15

F.P.TK -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 0 100 100

NO.1

W.B.TK_C -100 -100 -100 -100 -100 100 100 100 100 100

NO.2 W.B.TK_P -100 -100 -100 0 100 100 100 100 100 100

NO.5 W.B.TK_S -80 -80 -80 -80 -80 80 80 80 80 80

밸 러 스 트 탱 크

A.P.TK -100 0 100 100 100 100 100 100 100 100

Draft at AP (M) 9.79 9.127 9.393 8.819 9.393 8.952 9.393 9.27 9.737 9.79

Draft at FP (M) 6.251 6.404 6.211 4.672 6.211 4.932 6.211 5.228 6.091 6.251

Trim (M) -3.53 -2.72 -3.18 -4.14 -3.18 -4.02 -3.18 -4.04 -3.64 -3.53

List (deg) 0.096 1.191 2.186 2.015 2.186 0.303 0.014 2.25 -1 0.096

GoM (M) 12.81 13.46 13.53 16.16 13.53 15.08 13.53 14.55 13.17 12.81

Propeller

Immersion% 112.5 104.6 107.8 100.6 107.8 102.2 107.8 106.1 111.9 112.5 Critical SF % 73.46 64.3 75.19 78.38 75.19 77.72 75.19 76.27 73.79 73.46

Critical BM % 66.69 57.57 67.36 76.71 67.36 91.59 67.36 66 67.31 66.69 평

가 요 소

Visibility (M) 256.6 246.7 253.5 283.1 253.5

…

…

…

…

278.3 253.5 274.8 259.7 256.6

제 제 제

제 2 2 2 절 2 절절절 선박의선박의선박의 펌프선박의 펌프펌프 성능펌프 성능성능성능 및및및및 밸러스트밸러스트밸러스트밸러스트 탱크의탱크의탱크의 배치탱크의 배치배치 배치

선박의 밸러스트 탱크는 해수를 적재하는 시설로서, <Figure 2.3>과 같이 밸 러스트 시스템에 소속되어 각각의 탱크가 독립적으로 밸러스트 펌프와 연결되어 있다[32]. 대부분의 선박의 밸러스트 펌프는 크게 두 개가 있는데, 하나는 좌현 쪽의 밸러스트 탱크들에 연결되고, 다른 하나는 우현 쪽에 연결되어 해수를 입 수, 배수하는 펌프이다. 두 펌프는 동시에 함께 작동될 수 있으며, 선박의 폭 방 향의 중앙에 위치한 밸러스트 탱크는 두 펌프에 모두 연결이 되어 있다. 하나의 밸러스트 펌프로는 한 개의 밸러스트 탱크에만 입수, 배수할 수 있다[26]. 순차 적 교체 계획을 도출하기 위해서는 펌프와 탱크의 배치상태<Table 2.2>를 반드 시 정리해야 한다.

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.333> Ship's3> Ship's> Ship's> Ship's Ballast SystemBallast SystemBallast System Ballast System

밸러스트 시스템은 중앙 통제가 이루어진다. 각각의 밸러스트 탱크에 설치된 레벨 게이지를 통하여, 밸러스트 탱크 내 해수의 양이 측정되며, 측정값이 중앙 통제실로 전송된다. 중앙 통제실에서는 각 밸브를 여닫는 원격 조종 시스템을 갖추고 있으며, 이러한 시스템을 통해 펌프와 밸브 조작이 가능하고, 원하는 밸 러스트 탱크 내의 해수를 입수 및 배수할 수 있다[23]. 그리고 밸러스트수의 총 교체의 최소 시간(Minimum Ballasting Time)은 각각의 밸러스트 탱크에 적재된 해수의 합계의 2 배를 모든 펌프 용량의 합으로 나눈 값으로 한다. (단, k는 밸 러스트 탱크의 총 개수, w(i)는 i번째 밸러스트 탱크의 수량, p(i)는 i번째 탱크에 연결된 펌프의 최대 펌프용량이다.) 이것은 ‘휴리스틱 알고리즘을 이용한 선박의 밸러스트수의 자동 교체 시스템’을 사용하여 안전한 순차적 교체 계획을 도출 했을 때, 산출된 밸러스팅 시간의 효율성을 평가하는 기준이 된다.

∑

=

⋅

=

i

p i

i t w

1

min

( )

) 2 ( 2

1

M : 밸러스트수 최대 적재 양 .O : TANK와 PUMP 연결됨

N : 밸러스트수 적재 양 X : TANK와 PUMP 연결되지 않음

<

<

<

<Table Table Table 2.Table 2.2.2.2222> > > > The Connection Between Ballast TThe Connection Between Ballast TThe Connection Between Ballast TThe Connection Between Ballast Taaaanks and Pumpsnks and Pumpsnks and Pumps nks and Pumps Tank Name Capacity

(CuM)

Loading Quantity

좌현 Pump

우현 Pump

F.P.TK M N O O

NO.1 W.B.TK_C M N O O

NO.2 W.B.TK_P M N O X

NO.2 W.B.TK_S M N X O

NO.3 W.B.TK_P M N O X

NO.3 W.B.TK_S M N X O

NO.4 W.B.TK_P M N O X

NO.4 W.B.TK_S M N X O

NO.5 W.B.TK_P M N O X

NO.5 W.B.TK_S M N X O

A.P.TK M N O O

NO.6 HOLD M N O O

제 제 제

제 3 3 3 절 3 절절절 밸러스트수밸러스트수밸러스트수 교체밸러스트수 교체교체교체 시시시시 선박의선박의선박의선박의 화물화물화물화물 적재적재적재적재 상태상태상태 분류상태 분류분류 분류

밸러스트수의 교체 계획은 일정하지 않은 적재 상태의 운항 조건 하에서 이루 어지게 되며, 각각의 운항 상태에 따라 구해진 교체 계획은 변화될 수 있다. 다 량의 밸러스트수를 적재하는 대표적인 선박의 운항 상태는 <Table 2.3>와 같다.

본 연구에서는 대표적인 두 가지 운항 상태인 노말 밸러스트 적재 상태(Normal Ballast Condition), 헤비 밸러스트 적재 상태(Heavy Ballast Condition)에 더하 여, 두 운항 상태와는 달리 화물과 밸러스트를 동시에 적재하는 운항 상태인 화 물 적재 상태(Partially Loaded Condition)를 추가하여, 총 세 가지의 운항 상태 에 대해 순차적 교체 계획을 제시한다.

노말 밸러스트 적재 상태는 잔잔한 바다에서 운항에 필요한 최소한의 흘수만 을 확보한 상태에서 밸러스트수를 교체하게 되므로, 대부분의 평가 요소들이 한 계값에 근접한 상태로 교체가 진행되어 안전성을 충분히 확보하기 위해 대체로 가장 많은 스텝의 순차적 교체 계획을 가지게 된다. 헤비 밸러스트 적재 상태는 날씨가 좋지 않거나, 파도가 높은 등의 비상 시에 많은 양의 밸러스트수를 받아 들여 충분한 흘수를 확보한 상태이므로, 밸러스트수 양이 많아 교체 시간은 가

장 길지만, 노말 밸러스트 적재 상태에 비해 대체로 평가 요소의 한계값에 근접 하지 않으므로, 상대적으로 짧은 스텝의 순차적 교체 계획을 가진다. 화물 적재 상태는 일정한 양의 화물을 싣고 충분한 흘수를 확보한 상태에서 적은 수의 밸 러스트 탱크에 작은 양의 밸러스트 수를 순차적으로 교체를 수행하기 때문에, 가장 짧은 시간과 적은 스텝의 순차적 교체 계획을 가지게 된다.

<Table 2

<Table 2

<Table 2

<Table 2.3.3.3.3>>> Vessel Types and Ballast > Vessel Types and Ballast Vessel Types and Ballast Vessel Types and Ballast CCCConditionsonditionsonditionsonditions

운항 상태

선종 DWT 노말

밸러스트 적재상태 (tonnes)

% of DWT

헤비 밸러스트 적재상태 (tonnes)

% of DWT

250,000 75,000 30 113,000 45

150,000 45,000 30 67,000 45

70,000 25,000 36 40,000 57

벌크 화물선

35,000 10,500 30 17,000 49

100,000 40,000 40 45,000 45

석유 정재

운반석 40,000 12,000 30 15,000 38

40,000 12,000 30 15,000 38

컨테이너

운반선 15,000 4,500 30 N/A N/A

제 제 제

제 4444 절절절절 선박의선박의선박의 안전에선박의 안전에안전에 따른안전에 따른따른 평가따른 평가평가평가 요소요소요소요소 해석과해석과해석과 기준의해석과 기준의기준의 설정기준의 설정설정설정

교체 과정 동안 안전 운항을 하기 위해 선박의 안전성, 복원성, 항해성 등의 평가를 위한 평가 요소가 해석되어야 한다.

1. 1.

1. 1. 안전성안전성안전성 평가안전성 평가평가 요소평가 요소요소요소 계산계산계산계산

(1) 전단력과 굽힘 모멘트 계산

전단력이란 고체 내 임의 절단 면에 작용하여 단면의 양쪽을 역방향으로 작용 하는 내력을 의미하며, 굽힘 모멘트는 고체가 휘어지도록 작용하는 모멘트인데 선박의 경우 적재물이 불균일하게 선적되거나 파도의 영향으로, 임의의 위치에

서 받는 부력과 적재물을 포함한 선박의 중량의 차이에 의해 발생하며 식(2.2)와 같다[1].

) ( ) ( )

(x W x B x

F = − ^(2.2)

∫

=

x

AP

dt t W t B x

SF( ) ( ( ) ( )) (2.3)

∫

=

x

AP

dt t SF x

BM( ) ( ) ⁽BM(x)>0 :호깅, BM(x)<0 :새깅) (2.4)

종강도 평가 요소인 전단력과 굽힘 모멘트에 대한 해석 과정의 흐름도 아래

<Figure 2.4>와 같다

<Figure 2.4> Flowchart of Strength C

<Figure 2.4> Flowchart of Strength C<Figure 2.4> Flowchart of Strength C

<Figure 2.4> Flowchart of Strength Calculationalculationalculation alculation

2.

2.

2.

2. 복원성복원성복원성 평가복원성 평가평가 요소평가 요소요소요소 계산계산계산계산

복원성은 다음 두 가지로 식(2.6)의 G₀M 계산과 식(2.7)의 Heel-GZ 곡선 분 석으로 나뉜다.

(1) G₀M의 계산

KMT값과 선박의 VCG와 자유 표면 효과로 인한 GG₀ 값을 식(2.5)와 같이 구 한다.

nt Displaceme

nt urfaceMome TotalFreeS

GG

=

)

(

0

M KMT VCG GG

G = − +

(2) Heel-GZ Curve 계산

선박의 VCG와 Free Surface Moment로 인한 GG₀ 값을 구한다.

θ

θ ) ( ) sin

( = KN − VCG + GGo ×

GZ

그 결과가 다음 1.~6.의 IMO A.749 규정에 맞는지 확인한다.

1. GZ 곡선의 0~30(deg) 영역은 0.055M-rad 이상이어야 한다.

2. 횡경사 0~40(deg) 면적은 0.090M-rad 이상이어야 한다.

3. 횡경사 30~40(deg) 영역의 넓이가 0.030M-rad 이상이어야 한다.

4. 횡경사 30(deg)에서의 GZ 값이 0.200M-rad 이상이어야 한다 5. 최대 GZ 값의 각도는 25(deg) 이상이어야 한다.

6. G₀M 값이 0.150M 보다 커야 한다.

평가 요소 복원성의 해석 과정 흐름도는 아래 <Figure 2.5>와 같다.

<Figure 2.5

<Figure 2.5

<Figure 2.5

<Figure 2.5> Flowchart of Stability Calculation> Flowchart of Stability Calculation> Flowchart of Stability Calculation > Flowchart of Stability Calculation

3.

3.

3.

3. 비틀림비틀림비틀림 평가비틀림 평가평가 요소평가 요소요소요소 계산계산계산계산

선체 국부의 비틀림을 유발하는 요인으로서는 화물이나 밸러스트수, 연료 등 의 횡방향 비대칭 적재로 인하여 발생한다. 특히 컨테이너 선박은 길이가 길고 화물창 개구부가 크므로, 비틀림이 발생하기 쉽다. 따라서 컨테이너 선에 대하여 는 종강도 외에 토션을 식(2.8)과 같이 계산하여 구조상 한계값을 넘지 않는가를

체크해야만 한다. 토션은 선박의 길이 방향에 대해 작용하는 횡경사 모멘트를 적분하여 구할 수 있다. 횡경사 모멘트는 선박의 길이 방향에 대한 각 하중에 선박 폭 방향 무게 중심 팔을 곱한 값이다. (단, y는 선박의 중심선으로부터의 거 리이다.)

i n W

i i

n B

i

y w y

b n

T ⁼ ∑ ⁻ ∑

) ( )

(

)

(

평가 요소 비틀림의 해석 과정 흐름도는 <Figure 2.6>과 같다.

<Figure 2.6

<Figure 2.6

<Figure 2.6

<Figure 2.6> Flowchart of Torsion Calculation> Flowchart of Torsion Calculation> Flowchart of Torsion Calculation> Flowchart of Torsion Calculation

4.

4.

4.

4. 선수선수선수 흘수선수 흘수흘수흘수, , , , 프로펠러프로펠러프로펠러프로펠러 침수도침수도침수도침수도, , , 트림, 트림트림, 트림, , 횡경사, 횡경사횡경사 평가횡경사 평가평가 요소평가 요소요소 계산요소 계산계산계산

선박의 선각 및 구조 중량, 적재 화물이나 밸러스트수, 연료 등의 하중 분포를 기준으로 전체적인 3차원 무게 중심인 LCG, TCG, VCG를 식(2.9)과 식(2.10)와 같이 구한다. (단, 선박 위에 n 개의 유한 하중이 있다고 가정하며, 각 유한 하중 의 3차원 무게 중심을 x, y, z 라 한다. 또한 k 개의 유한 부력이 작용한다고 가 정한다.)

(2.9) , ,

(2.10)

선박의 배수량을 바탕으로 선박의 Hydrostatics 정보를 이용하여 G₀M, GM, GG₀, MTC, 흘수를 구한다. 구해진 정보들을 바탕으로 식(2.11)~(2.15)로부터 선수 흘수, 프로펠러 침수도, 트림, 횡경사를 구한다[2].

0

0

M GM GG

G = −

∑

∑

=

=

⋅

⋅

⋅

=

i i n

i

i i

m M

G

y m Heeling

1 0

1

180 )

sin( π

MTC m LCB

LCG Trim

n

i i

⋅

⋅

−

= ∑

=

100 ) (

1 (2.13)

∑

∑

=

=

⋅

=

i i n

i

i i

m x m LCG

1 1

∑

∑

=

=

⋅

=

i i n

i

i i

m y m TCG

1 1

∑

∑

=

=

⋅

=

i i n

i

i i

m z m VCG

1 1

∑

∑

=

=

⋅

=

i i k

i

i i

b x b LCB

1 1

. 2

. Draft Trim

Draft P

F = + ^,

. 2

. Draft Trim

Draft P

A = − (2.14)

PropellerImmersion 100

2 ) (

. .

− ×

⋅ −

= +

p

p

D

H D LBP

a Draft Trim

P A

(2.15)

(D_p : 프로폘러의 지름, H : 회전축 중심에서 Keel 바닥까지의 거리, a : A.P.에서 샤프트 축까지의 거리)

평가 요소 선수 흘수, 프로펠라 침수도, 트림 , 횡경사 , 가시거리의 해석 과정 흐름도는 <Figure 2.7>과 같다.

DISPLACEMENT

LCG

HYDRO PARTICULARS - TRIM

- DRAFT at FP - HEEL

- Propeller Immersion - Blind Length

HYDRO PARTICULARS From Table - LCB

- KMT - MTC

HYDROSTATIC TABLE - Displacement - Draft (avg) - LCB - KMT - MTC - Cargo Weight / SG / Kind at Each Hold, Tank

- Ballast Water Weight at Each Hold, Tank - Fuel, ETC Weight at Each Hold, Tank

VOLUME TABLE

<Figure 2.7

<Figure 2.7

<Figure 2.7

<Figure 2.7> Flowchart of Hydrostatics Calculation> Flowchart of Hydrostatics Calculation> Flowchart of Hydrostatics Calculation> Flowchart of Hydrostatics Calculation

5.

5.

5.

5. 가시거리가시거리가시거리 평가가시거리 평가평가평가 요소요소요소요소 계산계산계산 계산

SOLAS에서는 선박의 안전한 운항을 위하여, 선체 길이 45M 이상이고 1998 년 7월 1일 이후에 건조된 선박에 대하여 가시거리 요건을 만족할 것을 규정하 는 안을 채택하였다. 가시거리는 전방 충돌을 방지하기 위함이다.

가시거리를 구하는 공식은 식(2.16)과 같다.

<Figure 2.8

<Figure 2.8

<Figure 2.8

<Figure 2.8> Schematic of Visibility > Schematic of Visibility > Schematic of Visibility > Schematic of Visibility

<<

<<Table 2.4Table 2.4Table 2.4Table 2.4> SOLAS Rule for Visibility> SOLAS Rule for Visibility> SOLAS Rule for Visibility > SOLAS Rule for Visibility

SOLAS 가시거리 규정 평가 요소

채택여부 1) 모든 흘수, 트림 및 갑판적 화물의 상태에서 선수의 전방으로

선박의 조종 위치에서부터 정선수 기준 좌우 10 도까지의 해면 의 시야는 적어도 선박 길이의 두 배 또는 500M 중 작은값 만 큼의 거리를 가려서는 안된다.

평가 요소 채택 2) 조종 위치에서 바라볼 때 해면의 시야를 방해하는 선교의 정

횡보다 앞쪽에 위치한 화물 또는 하역 장치, 그 외 방해물로 인 한 단일 맹목 구간은 10도를 초과해선 안된다.

3) 상기 2)의 각 맹목 구간의 총합 각도는 20도를 초과해서는 안된다.

4) 2)의 각 맹목구간의 총합 각도는 20도를 초과해서는 안된다.

5) 조종 위치에서 수평시야는 정수선 방향에서 좌우 각 현의 정 횡 후방 22.5도 이상까지를 확보하는 225도 이상이어야 한다.

6) 주 조종 위치에서 수평시야는 정선수를 중심으로 양현 60도 의 범위에 달하여야 한다.

7) 브릿지윙에서 선박의 양현을 볼 수 있어야 한다.

설계 시 고려사항

LBP

LBP LBP LBP

ℓℓℓℓ

8) 브릿지의 각 현측에서의 수평 시야는 한쪽 현에 있어서 정선 수 반대현 45도에서 정선수를 지나 정선미에 이르는 각도 225 도 이상의 범위에 달하여야 한다.

9) 선교 앞쪽 창문의 높이는 선교 갑판상으로부터 가능한 한 낮 아야 한다.

10) 선교 앞쪽 창문의 하단의 높이는 선박이 황천 시 피칭할 때 조종 위치에서 선교 갑판상 1.8m의 눈높이를 가진 사람이 전방 시야에 방해 받지 않도록 해야 한다.

(2.16)

6.

6.

6.

6. 선박의선박의선박의 안전에선박의 안전에안전에안전에 따른따른따른따른 평가평가평가 기준평가 기준기준기준 설정설정설정설정

평가 요소에 대한 기준은 선박의 안전성, 복원성, 항해성과 관련하여 국제 해 사 기구의 밸러스트수 관리 지침( IMO Res. A868(20) )에 제시된 기준에 따른다.

선박의 안전성, 복원성 및 항해성 확보를 위해 다음과 같이 평가 요소를 선정하 였다.

1. 종강도 2. 복원성 3. 비틀림 방지 4. 최소 선수 흘수 확보 5. 프로펠 러 침수도 확보 6. 트림 방지 7. 횡경사 방지 8. 가시거리

각 평가 요소의 평가 기준<Table 2.5> 즉, 평가 요소의 한계값은 순차적 교체 실행 과정 동안 <Figure 2.9>와 같은 경향을 가진다. 즉, 모든 평가 요소의 계산 값이 한계값를 초과하지 않을 때 순차적 교체가 가능하나, 실제 교체 계획에서 는 한계값을 위반할 위험이 매우 높기 때문에, 먼저 평가 요소들을 정확히 해석 할 필요가 있다.

( )

Blind Lengt h ₌ hp ₋ hf

hf

ℓ

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.

<Figure 2.999> Radar Chart of 9> Radar Chart of > Radar Chart of > Radar Chart of CriteriaCriteriaCriteriaCriteria

<Ta

<Ta<Ta

<Table 2.5ble 2.5ble 2.5ble 2.5> Allowable Limit for each Criterion> Allowable Limit for each Criterion> Allowable Limit for each Criterion> Allowable Limit for each Criterion

No 평가 요소 평가 기준 (한계 값) 한계 값 규정

1 종강도 Critical SF (%) ≤100

Critical BM (%) ≤100 (IACS UR S17)

2 복원성 G0M (M) ≥ 0.15

GZ-Heel Curve Area (IMO Res.A.167)

3 비틀림 방지 Critical TM (%) ≤100 (IACS UR S17)

4 최소 선수 흘수 확보 Draft At FP (M)

≥ 2 + 0.0125 * LBP (MARPOL Annex 1 Reg.13)

5 프로펠러침수 Propeller Immersion (%) ≥ 100 (IACS UR S1A)

6 트림방지 Trim (M) ≤ 0.015 * LBP (MARPOL Annex I Reg.13)

7 횡경사방지 (Heeling) Heeling (deg) ≤ 3 (MARPOL Annex I Reg.13)

8 가시거리 (Visibility) Blind Length (M)

≤ min (500, 2 * LBP) (SOLAS Ch5. Reg.22)

제 제 제

제 3 3 3 3 장 장 장 밸러스트수 장 밸러스트수 밸러스트수 밸러스트수의 의 의 순차적 의 순차적 순차적 교체 순차적 교체 교체 교체용 용 용 알고리즘 용 알고리즘 알고리즘 알고리즘 선정 선정 선정 선정

제 제 제

제 1 1 1 절 1 절절절 서언서언서언서언

순차적 교체 과정(시퀀스)의 스텝은 선박 내 밸러스트 탱크의 개수와 각 탱크 별 밸러스트수 양과 펌프의 가동 조합에 따라 무수히 많은 경우의 스텝 수를 가 진다. 또한 교체 과정은 다수의 스텝으로 구성된다. 밸러스트수의 순차적 교체 시퀀스와 스텝의 적합성을 확보하기 위해서는 다양한 공학적 계산식을 이용하여, 평가 요소를 확인해야 한다. 또한 밸러스트수의 교체 속도는 물론 최적의 교체 과정을 찾는 전산 작업 속도를 고려 해야 한다. 따라서, 최적의 순차적 교체 계 획을 생성하기 위해서는 알고리즘을 통한 해법이 필수적이다.

최적화 문제의 해결에 널리 쓰이는 각종 알고리즘을 검토 및 분석하여, 이들 중 순차적 교체에 가장 알맞은 것을 선정하고, 선정된 알고리즘을 밸러스트수의 순차적 교체에 맞도록 설계하여야 한다[18].

제 제 제

제 2222 절절절절 알고리즘알고리즘알고리즘알고리즘 분석분석분석 분석

알고리즘은 잘 정의된 명백한 규칙들의 집합 또는 유한 번의 단계 내에서 문 제를 최적으로 해결하는 방법론 혹은 해결 과정을 의미한다[41]. 즉, 전체 탐색 공간에서 다양한 효율적인 방법을 이용하여, 적절하게 해를 탐색하는 것이다. 이 러한 알고리즘의 일반적 계층도는 <Figure 3.1>과 같다.

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1. 비비비 그래프비 그래프그래프 탐색그래프 탐색탐색탐색

그래프 탐색법은 문제를 그래프화하여 해결하는 방법 혹은 절차를 의미한다.

반면에 비 그래프 탐색은 문제를 그래프화하여 풀기에는 그 확장 가지의 개수가 너무 많거나, 문제의 특성상 그래프화 하기가 힘든 경우 사용된다. 비 그래프 탐 색법에는 대표적으로 메타 휴리스틱 알고리즘이 있으며, 점점 그래프의 깊은 영 역으로 탐색이 뻗어나가는 것이 아니라, 미리 정해진 표현형을 조금씩 변형시켜

최적의 목표형에 이르도록 한다[7]. 대표적인 비 그래프 탐색법인 메타휴리스틱 알고리즘 세 가지를 정리하였다.

<Figure 3.1>

<Figure 3.1>

<Figure 3.1>

<Figure 3.1> Algorithm HierarchyAlgorithm HierarchyAlgorithm HierarchyAlgorithm Hierarchy

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가. . . 메타. 메타메타메타 휴리스틱휴리스틱휴리스틱 알고리즘휴리스틱 알고리즘알고리즘알고리즘

메타 휴리스틱 알고리즘은 생물체의 유전 법칙이나, 담금질 과정, 인간의 기억 과정 같은 것들을 이식시킨 새로운 형태의 휴리스틱이다[3].

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1) 1) 유전유전유전유전 알고리즘알고리즘알고리즘 알고리즘

자연계에 있는 생물의 진화 과정에 있어서, 어떤 세대를 형성하는 개체들의 집합, 즉 개체군 중에서 환경에 대한 적합도가 높은 개체가 높은 확률로 살아남 아 재생할 수 있게 되며, 이때 교배 및 돌연 변이로서 다음 세대의 개체군을 형 성하게 된다. 개체군의 진화 과정을 모방하여, 문제를 개체화하고 유전 알고리즘 을 적용하여 최적의 해가 구해지게 된다[4].

유전 알고리즘은 기본적으로 찾고자 하는 해를 하나의 유전자 형태로 나타내 어야 한다. 유전자는 순차적 교체 문제에서는 완성된 하나의 시퀀스를 의미할 것이며, 다수의 스텝을 포함하게 된다. 이러한 유전자를 매우 많이 만들어서, 오 랜 세대를 걸친 교배, 돌연 변이 끝에 최적 해를 얻는다[17]. 이 때 하나의 유 전자를 평가하는 기준은 해당 유전자 내 스텝들의 안전성 및 밸러스팅 시간이 되는데, 안전성을 계산하기 위해서는 종강도, 복원성 계산 등 많은 계산식에 의 존해야 한다. 따라서 유전자 내의 모든 스텝을 이러한 계산식을 이용하여야 하 는데, 이러한 계산식들이 하나의 스텝의 평가 요소를 모두 계산하는데 걸리는 시간은 결코 짧지 않다.

그리고 유전 알고리즘은 최적의 해를 얻기 위해 매우 많은 수의 유전자를 필 요로 하며, 유전자 내의 세대 또한 매우 길다. 따라서 만족스러운 해를 얻기 위 해서는 현재 일반적으로 선박에 탑재하는 컴퓨터의 계산 속도로는 매우 오랜 시 간이 필요하므로, 짧은 시간 안에 순차적 교체 문제의 최적 해를 얻는데 매우 불리하다. 또한 유전 알고리즘은 스키마 정리[39]에 의해서 최적해로의 수렴이 어느 정도 인정되나, 수학적으로 수렴성이 명확히 증명되지 않았으며, 문제의 특 성을 많이 타기 때문에[9] 본 연구의 알고리즘으로 쓰기 어렵다

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2) 2) 시뮬레이티드시뮬레이티드시뮬레이티드시뮬레이티드 어닐링어닐링어닐링어닐링

금속을 가열한 후 냉각을 하는 과정에서 온도가 높을 때에는 원소들이 활발하 게 움직이기 때문에 원소들이 제자리를 찾기 쉽지만, 온도가 낮을 때에는 원소 들의 움직임이 안정되기 때문에 금속의 결정 상태가 안정해 진다. 시뮬레이티드 어닐링은 이러한 과정을 컴퓨터를 통해 모방 내어, 조합 최적화 문제의 최적 해 를 얻고자 하는 방법이다[40].

시뮬레이티드 어닐링은 적당한 초기 해를 임의로 생성한다. 생성된 해를 조금 씩 변화시키되 다음 규칙을 따른다. 첫째 규칙은 조정된 해가 더 좋다면, 기존 해를 그 해로 바로 바꾸고, 만약 조정된 해가 나쁘더라도, 일정한 확률로 조정을 수락하는 것이다. 그 일정한 확률은 탐색이 진행되면 될수록 감소하도록 설정되 어있으며, 이를 조정하는 파리미터를 온도라 한다. 초기에 높은 온도를 유지하다