부산항 스마트 해운항만 물류 시스템 구축방향

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제469호 2020 November

2016년 다보스 포럼을 통해 처음으로 개념이 제시된 ‘4차 산업혁명’은 현재 다양한 분야 에서 연구 및 기술개발이 이루어지고 있으며, 현장 적용도 활발하게 진행되고 있다. 4차 산업혁명의 개념은 주로 물리학, 디지털, 생물학 등의 기술이 융합된 산업의 변혁으로 논 의되었으며, 모든 것이 연결되는 초연결성과 초지능화 및 자율화의 개념이 접목된 무인 자동성 등이 대표적인 특성이라 할 수 있다. 한마디로 4차 산업혁명은 디바이스와 데이 터, 그리고 서비스 간 융합을 통해 산업구조의 새로운 변화를 촉발하는 것을 의미한다.

특히 서비스 간 융합에 있어, 그간 사람이 판단했던 다양한 의사결정은 증강현실(AR, VR), 빅데이터(Big Data) 등을 기반으로 한 딥러닝과 인공지능(AI) 등의 분석 기능을 통 해 해당 서비스의 생산성과 효율성을 제고하는 방향으로 진행되고 있다. 4차 산업혁명은 드론, 무인 자동차, 로봇공학, 생명공학, 블록체인 등 다양한 첨단 기술들이 접목되고, 경 제 · 사회 · 산업 전반에 융합되는 등 디지털 정보화 사회에서 지능 사회로의 구조적인 변 화에 많은 영향을 미치고 있다.

4차 산업혁명과 스마트화의 진전은 물류산업에도 많은 영향을 주고 있다. 글로벌 물류 기업인 DHL은 2016년 물류동향 레이더(Logistics Trend Radar)에서 ‘미래 사회의 비즈 니스 변화와 물류산업의 미래 기술 및 비즈니스 영역’에 대한 발표를 통해 물류산업의 디 지털화가 급진적으로 이루어지고 있으며, 3D 프린터, 빅데이터 분석, IoT 기술, 자가학 습 시스템 등이 이를 더욱 가속화시킨다고 밝혔다. 특히 운송 부문에서는 무인항공기와 자율주행차량이 기존 유인 운송 시스템에 많은 변화를 줄 것으로 전망하였다.

물류부문 스마트화를 촉발하는 주체는 순수 물류기업보다 대형 유통기업이 앞장서고 있는데, 우리가 흔히 알고 있는 글로벌 유통기업인 아마존과 알리바바, 이베이 등이다.

아마존의 경우 고객의 구매정보 데이터를 IoT 센서를 통해 수집하고, 구매자별 특성 패턴 을 AI로 분석하여 예상 물품을 보관하는 등, 재고와 유통관리를 동시에 수행하여 비용을 절감하고 있다.

4차 산업혁명과 스마트 물류

부산항 스마트 해운항만 물류 시스템 구축방향

연정흠 부산항만공사 물류연구실장 (jhyeon@busanpa.com)

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해운물류에서는 글로벌 메가캐리어(megacarrier)들을 중심으로 비즈니스에 스마트 IoT 기술을 접목하고 있다. 대표적인 사례로, 2016년 덴마크의 해운선사 머스크 라인 (Maersk Line)은 스웨덴의 통신장비 제조사인 에릭슨(Ericsson)과 함께 항해 중인 선박 과 냉동 컨테이너 간 End to End 방식의 트랙킹 솔루션을 개발하였다. 컨테이너에 부착 된 IoT 센서인 RCD(Remote Container Device)에서 생성된 정보를 기지국을 통해 수집 하여 선박과 육상에 실시간으로 제공하는 서비스이다. 이는 냉동 컨테이너의 유지비용 과 재고를 최소화하고, 고객인 화주에 대한 서비스를 강화하는 데 목적을 두고 있다. 또 한 CMA-CGM은 1만 8천 TEU급 컨테이너 선박에 화물 모니터링 기술을 시범적으로 도 입하여 운영 중이고, MSC는 단계적인 도입계획을 수립하는 등 해운선사를 중심으로 IoT 기반의 스마트화가 확산되고 있다.

스마트 자동화 항만의 대표주자인 유럽 로테르담항은 완전 무인자동화 터미널을 구현했 을 뿐만 아니라, IBM의 AI 및 IoT 기술을 접목한 항만 디지털 트윈 구축사업을 진행 중이 다. 로테르담은 무인자동화 터미널 개발을 위해 1990년대부터 AGV(Automated Guided Vehicle) 등 항만 내 이송장비와 하역장비에 대한 자동화를 진행해 왔다. 현재 마스블락 테ⅠⅠ에서 운영 중인 모든 컨테이너 터미널은 완전 무인방식으로 운영되고 있다. 또한 디 지털 트윈 기반의 항만 프로세스 가시화를 위해 입출항로, 부두, 차량, 건물, 하역장비 등 수천 개의 인프라 시설과 장비에 IoT 센서를 부착하여 정보 연계를 진행 중이다. 현재는 위치, 상태, 크기 등 필수정보만을 연결하고 있으나 향후 모든 정보를 수집할 수 있는 체 계를 갖출 계획이다.

특히, 항만작업 시 안전성 강화를 위해 AR 기반의 구글 글라스를 접목하여 작업자 주 변 사물에 대한 직접적인 현황정보와 위치를 파악하고, 장비 소프트웨어, 고장 여부, 유

해외 선진항만 사례와 부산항 실태

<그림 1> 로테르담항의 완전 무인자동화 터미널 및 디지털 트윈 개념도

자료: 부산항만공사 2019a.

항만 인프라의 디지털 트윈 개념도 완전 무인자동화 터미널

중앙통제실 원격제어 무인 안벽 크레인 작업

자동운반차량에 컨테이너 적재 자동야드로 컨테이너 자율운반

Availability Quay Wall

Location Container Height of Tide

Status Ship Capacity

Crane

Location Ship

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지 · 보수 이력, 정비 절차 등에 대한 정보를 제공한다. 정비 작업자가 적절한 업무를 수행 할 수 있도록 지원하기 위함이다. 또한 선박 대기시간을 최소화하기 위해 선박 관련 항행 정보와 조류, 파고(波高), 풍향, 풍속 등 해상 기상정보 등을 분석하여 정확한 선박 계류 시간과 벙커링시간, 승선시간 및 출항시간 등을 사전 계획한다. 더불어 항만 내의 프로세 스를 최적화하기 위한 프론토(Pronto) 시스템을 개발하여 독일 함부르크항 등 주변 거점 항만들과 물류 연계성 향상을 위해 노력하고 있다.

로테르담항 이외에도 미국의 LBCT, 중국 칭다오항, 싱가포르 투아스항은 완전 무인자 동화 항만 구축을 추진하고 있으며, 현재 완전 또는 부분적으로 자동화에 성공하여 운영 중이거나 개발 중에 있다.

스마트 항만의 또 다른 사례로 독일 함부르크항의 스마트 로드와 싱가포르의 투아스 2030 전략을 예로 들 수 있다. 이들은 항만, 도로, 철도, 통관 등 핵심 인프라 시스템을 통 합하여 스마트 관리체계를 구축하였다. 즉, 항만으로 출입하는 차량 및 화물의 흐름과 에 너지를 효율적으로 관리하기 위해 교통관리 시스템, 실시간 구조물 센서, 환경 센서, 스마 트 신호 등을 설치하고, 차량운행관리와 컨테이너 화물관리 등을 지원하는 최적화된 물류 솔루션 및 서비스를 제공하고 있다. 함부르크항은 2025년까지 현재 물동량의 약 2배 이상 을 처리할 계획이며, 전산처리 비용 20%, 항만 운영비 70% 절감을 목표로 하고 있다. 이 와 유사하게 싱가포르는 2030년까지 투아스 항만의 선박교통 최적화, Just In Time 계획 및 연동 시스템 등으로 선박 및 화물의 물류 프로세스를 최적화할 계획이다.

국내외 컨테이너 터미널의 스마트 자동화 수준을 비교해보면 싱가포르항이 가장 앞서 있는 것으로 평가할 수 있다. 현재 싱가포르항은 완전 무인자동화와 정보화, 친환경화를 갖춘 3.5세대 항만에서 무선통신 기반의 4세대 항만으로 진입할 예정이다. 우리나라 대표 항인 부산은 3세대 초반 수준으로, 유인 장비와 부분자동화 장비를 함께 사용하고 있는 상

<그림 2> 함부르크항 스마트 로드 시스템 및 싱가포르 투아스(Tuas) 2030 전략

자료: www.hamburg-port-authority.de; www.wpa.gov.sg

싱가포르 투아스 2030 전략 함부르크항 스마트 로드 시스템

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황이다. 앞으로 선진항만과의 수준 차이는 시간이 지날수록 더욱 벌어질 것으로 예상된다.

해외 선진항만들의 사례를 보면 안전과 보안, 친환경, 운영 효율성 등 다양한 시각에서 미래 지향적인 자동화 항만 운영기술과 인프라 건설에 노력하고 있다. 또한, 대다수 항만 에서 AGV 기반의 항만 내 이송장비와 무인자동화 하역장비를 사용하여 안전사고를 사전 에 방지하는 스마트 항만을 조성 · 운영 중이기 때문에 유인화 기반의 반자동화로 운영되 는 부산항과의 격차는 상당하다.

특히, 부산항은 스마트화의 기본 요건인 정보 연계 프로세스와 통신 인프라가 낮은 수 준이다. 현재 국내에서 활성화된 LTE망과 신기술인 5G를 결합한 다양한 IoT 통신 인프 라 구축이 진행되고 있으나, 항만 내 시설과 장비 간 연계성이 부족하여 단기간 내 구축 이 어려울 것으로 판단된다.

<그림 3> 국내외 컨테이너 터미널 발전단계와 부산항 통신 인프라 수준

자료: 해양수산부 2017; KIMST 2019.

부산항의 통신 인프라 수준 국내외 컨테이너 터미널의 발전단계 및 수준

<그림 4> 한국형 스마트 항만 개발방향

자료: 해양수산부 2019.

2040년 한국형 스마트 항만 이미지 2025년 한국형 스마트 항만 이미지

네덜란드

(로테르담항)

미국

(롱비치항)

중국

(상하이항, 청도항)

싱가포르

(2020~2040년)

독일

(함부르크항)

한국

(부산항)

1세대 유인/기계화 친환경화(0%)

2세대 유인/기계화 친환경화(50%)

3세대 유인/자동화/정보화 친환경화(50%)/유선화

3.5세대 무인/완전자동화/정보화 친환경화(100%)/유선화

4세대 무인/완전자동화/지능화 친환경화(100%)/무선화

터미널운영시스템

해운-항만-내륙 연계

항만 통신 인프라

만자원 위기예측 및 안전관리

실외, 하늘, 물이(가) 표시된 사진 자동 생성된 설명

항만물류자원 공유

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<그림 5> 부산항 5G 무선원격제어 및 블록체인 기반 환적운송 서비스 플랫폼

자료: 부산항만공사 2019, 내부자료.

5G를 활용한 RTGC 무선원격제어

환적운송 서비스 블록체인 플랫폼 1단계) 세계 최초 5G 상용망 기반 스마트 항만

-5G 통신망 및 원격제어 시스템 구축 -3D 센서 설치 및 RTGC 기본 자동차 적용

2~3개월의 데이터 축적

통합 관제 센터 5G 통신망 컨테이너 야적장

2단계) 5G 머신러닝 기반 항만자동화 -데이터 머신러닝 자동화

-TOS 연동하여 실제 운용을 위한 시스템 구축

TOS

머신러닝 서버 (크레인 자동화)

원격제어 스테이션 (모니터, 조종콘솔)

5G 기지국 (컨테이너 터미널 內 구축)

5G 단말 (크레인 상부)

5G 기반 크레인간 통신

저지연 영상 전송 시스템

크레인 자동화 시스템

카메라 (15대) 센서 시스템

(3D센서 등) 크레인 PLC

시스템

야적장 적재블록 1개소, RTG 크레인 2대 5G N/W

5G 무선

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우리나라에서도 4차 산업혁명과 스마트 기술의 발전에 맞춰, 고효율 · 혁신이 가능한 스 마트 자동화 컨테이너 터미널 구축의 필요성과 추진 전략에 대한 연구개발이 활발히 진 행되고 있다. 특히 전국 항만 기본계획, 국가물류 기본계획 등 국가 단위의 종합계획에 지속적으로 반영되는 중이다. 대통령 직속 4차산업혁명위원회의 ‘4차 산업혁명 대응계획 (2017)’에서는 스마트 항만을 추진과제로 선정하여 진행하고 있으며, 해양수산부는 ‘해양 수산 4차 산업혁명 종합대책(2017)’을 수립하면서 스마트 로보틱스 항만 구축사업을 핵 심과제로 선정하였다. 또한 스마트 IoT 센서 및 기술을 항만 현장에 적용하기 위해 ‘IoT 기반 지능형 항만물류 기술개발’ 사업을 지난 2019년부터 3년간 BPT 터미널을 대상으로 추진하는 등, 4차 산업혁명 기술이 접목된 스마트 자동화 항만으로 성장하기 위한 기반 을 마련하고 있다.

정부의 스마트 항만 정책과 연계하여 부산항만공사에서도 4차 산업혁명과 스마트 물류 기술 도입을 위한 다양한 노력을 하고 있다. 스마트 기술에서는 우리나라 최초로 BPA- NET라는 통합 커뮤니티를 거쳐 부산항 정보를 종합적으로 파악할 수 있는 부산항 Big- Data 시스템을 개발하여 운영 중이다. 또한, 부두 간에 발생하는 환적화물의 효과적인 운 송을 위해 블록체인 기반의 ITT(터미널 간 운송) 지원 시스템을 개발하고 있다. 자동화 항 만 시설장비의 경우 세계 최초로 5G 기반의 스마트 항만체계를 구축하고 있으며, 신감만 터미널의 컨테이너장치장 하역장비 RMGC(철송크레인)의 무인자동화를 진행하고 있다.

또한 차세대 항만 이송장비로 AI와 IoT 등의 다양한 기술이 접목된 자율주행형 야드 트랙 터(Yard Tractor)와 스트래들 캐리어(Straddle Carrier)의 상용화를 준비하고 있다.

한국형 스마트 자동화 항만 기술개발을 위해 현재 조성 중인 서측 컨테이너 부두 2~5 단계 터미널을 수직형으로 배치하고, 항만 하역부문 핵심장비(컨테이너 크레인 및 트랜 스퍼 크레인 등)를 국내 중공업에 직접 발주하여 자동화 장비의 기술력 개발을 추진하고

<그림 6> 하역장비의 국산화 효과 및 입체형 환적 이송 시스템 구상도

자료: 부산항만공사 2019b; 부산항만공사 2019d.

입체형 컨테이너 환적 이송 시스템(예시) 2~5단계 하역장비 국내 발주의 경제적 효과

장비 항만 1기당 금액(백만 원)

안벽 크레인 (9기)

신항 2~5단계(2022년 예정) 13,322

해외 주요 항만 평균 11,006

트랜스퍼 크레인 (46기)

신항 2~5단계(2022년 예정) 3,088

해외 주요 항만 평균 2,720

하역장비 국내 발주의 경제적 효과 항만산업 내 효과 생산유발

6,417억 원

부가가치유발

2,110억 원

취업유발

2,386명

국산화 효과

433~528억 원 유지보수

894억 원

부산항 스마트

해운항만 물류

시스템의 구축현황

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있다. 2~6단계 터미널에는 국내 스마트 자동화 기술이 적용된 완전자동화 터미널을 구 현해 나갈 계획이다. 이와 함께 전체 화물에서 환적화물이 절반을 넘게 차지하는 부산항 의 여건을 고려해 미래형 스마트 운송체계로서 부두 간 화물운송의 최적화를 위한 입체 형 ‘컨테이너 환적화물 이송 시스템’을 개발하여 공간 사용을 최소화하면서 초기 투자비 용을 줄일 수 있는 친환경 모노레일 이송방식을 계획하고 있다.

앞서 제시한 해외 선진항만의 스마트 자동화 사례를 볼 때, 부산항의 항만 수준이 뒤처져 있는 것으로 보일 수 있다. 그러나 부산항은 2019년 기준 세계 6위의 컨테이너 항만이자 세계 2위의 환적거점으로, 해운 네트워크와 항만 생산성 면에서는 세계 어느 항만과의 경쟁에서도 뒤지지 않는다고 할 수 있다. 다만 4차 산업혁명 기반의 스마트 및 무인자동

<그림 7> 부산항 컨테이너 크레인 제조사 현황 및 점유율

향후 추진방향

<그림 8> 기획 중인 부산항 디지털 트윈 사례

자료: 부산항만공사 2020.

컨테이너 터미널 생산성 최적화 서비스 선박입출항 최적화 서비스

부산항 부두별 컨테이너 크레인 제조사 현황

부두명 수량 국산 외국산 국산점유율

자성대부두 14 14 0 100%

신감만부두 7 4 3 57%

감만부두 11 9 2 82%

신선대부두 15 15 0 100%

신항 1부두 12 0 12 0%

신항 2부두 22 0 22 0%

신항 3부두 12 0 12 0%

신항 4부두 12 0 12 0%

신항 5부두 11 0 11 0%

합계 116 42 74 36%

Data 분석 및 결측 치 처리

혼잡도 예측 모델 적용 및 최적화 시뮬레이션 알고리즘 항내 최적 운항 항로

항내 최적 운항 항로 항내 선박 지형

날씨, 지형, 선박, 항만 디지털 트윈

작업 분포분석 작업 동선분석 데이터의 분석의 시각화

Database 게이트 터미널 선사 운송사

자료: 부산항만공사 2019c.

부산항 컨테이너 크레인 제조사별 점유율 총 대수

116기

ZPMC(71기) 두산중공업(21기) 현대중공업(7기) 대우중공업(5기) 한진중공업(4기) MITSUBISHI(3기) 삼성중공업(3기) 현대삼호(2기)

18 71 6 4 2 3

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화 기술을 도입할 때는 일자리 문제를 고려하지 않을 수가 없다. 우리나라 경제 및 대외 무역 여건과 노령화로 인한 노동인력 감소, 친환경 항만에 대한 요구 증대 등 다양한 요 인을 고려할 때, 부산항의 경쟁력 유지와 함께 기존 및 신규 일자리를 창출하는 방향으로 스마트 자동화 해운항만 물류 시스템을 구축해야 할 것이다.

또한 부산항의 물동량 성장 추이와 국내 항만자동화 기술의 성장속도 등을 감안해야 할 것으로 보인다. 부산항에서 현재 운영 중인 컨테이너 크레인의 64%가 외국산 장비들 로 구성되어 있으며, 신항의 경우 국산 장비는 1대도 도입되지 않은 상황이다. 결국 스마 트 및 자동화된 선진항만으로 부산항을 육성하기 위해서는 컨테이너 크레인 등 각종 항 만장비에 대한 국산화가 선행되어야 하며, 이를 위해 우리 중공업에 대한 기술 개발 및 발주 지원이 필요한 상황이다.

부산항만공사는 2019년 서측 컨테이너 부두 2~5단계의 터미널 장비 55기(CC 9, TC 46)를 우리 기업에 한정하여 제작계약을 발주하였으며, 앞으로 개발될 2~6단계 터미널 과 제2 신항 등 신규 항만개발 사업에도 적용할 계획이다.

부산항을 중심으로 수출입 해상물류의 효율화를 위해 디지털 트윈 도입을 적극 추진할 계획이다. 항만은 선박, 화물 및 사람이 드나드는 장소이자 크레인, 이송장비, 화물차량, 철도화차 등 다양한 운송수단이 교차하는 복합적인 공간이다. 생산성과 효율성 그리고 안전성이 경쟁력의 핵심인 곳이다. 어느 하나의 프로세스가 멈추거나 서비스가 제공되지 못하면 항만 전체의 생산성이 낮아지고, 비용 증가와 함께 병목현상이 발생하게 된다. AI 기반의 스케줄 최적화, 물류 서비스의 적기 제공, 안전한 화물 및 현장관리 등을 위해서 는 디지털 트윈을 통한 사전 시뮬레이션 및 최적화 작업이 요구된다. 현재 부산항은 정부 의 한국판 뉴딜계획과 연계하여 디지털 트윈을 도입하기 위한 계획을 수립하고 있다.

국내 기술력을 통한 스마트 자동화 항만 시스템과 디지털 트윈 기반의 수출입 항만물 류 최적화 시스템이 부산항에 도입될 경우, 세계 1위의 생산성과 효율성을 갖춘 글로벌 허브로 새롭게 시작하게 될 것이다.

부산항만공사. 2019a. 글로벌 해운항만 물류통합플랫폼 구축을 위한 ISP 수립.

_____. 2019b. 부산항 하역장비 국내발주에 따른 경제적 파급효과 분석.

_____. 2019c. 부산항 해외기술 도입실태조사.

_____. 2019d. 타 부두 환적 효율화를 위한 입체형 기반시설 기획연구.

_____. 2020. 부산항 디지털 트윈 기술개발 기획연구.

해양수산부. 2017. IoT 기반 지능형 항만물류 기술개발사업.

_____. 2019. 스마트 항만 육성방안 연구.

KIMST. 2019. IoT 기반 지능형 항만물류 기술개발사업 착수보고서.

Hamburg Port Authority. https://www.hamburg-port-authority.de Maritime and Port Authority of Singapore. https://www.mpa.gov.sg

참고문헌