세관 감시선의 선내 위치변화에 따른 멀미도 지수에 대한 연구

Ⅰ. 서 론

고속으로 운항하는 선박은 복잡한 연성운동을 하므로 멀미 여부는 다양한 형태로 인간이 느끼는 멀미도의 정도가 다른 수송체 비해 높다고 할 수 있다. 이와 같이 운항 중 바람, 파도 등의 요인으로 인해 선체운동이 심해지면 안전성과 쾌적한 승선감 저하나, 선체구조물과 화물의 안전에도 영향을 미치게 된다. 특히, 과도한 선체운동의 영향으로 인해 선원과 여객에게 멀미 유발, 인체 피로, 의욕 감퇴, 판단력 저하, 활동성 및 숙련도 저하 등과 같은 이유로 좋지 않은 영향을 받게 된다. 이 중 멀미 여부로 인해 인체 피로와 유사하게 나타나며, 심리적 또는 물리적 측면에서 작업수행 능력 저하, 정신적 활동 지연 등을 유발한다. 그리고 멀미는 멀미여부에 대한 요인에 의해 지속되고, 선체운동에 관한 노출시간이 지속되면 개개인의 주관적인 민감성과 선체운동의 강도에 따라 멀미여부가 달라진다.

선체운동에 의해 관련된 멀미도 MSI(Motion Sickness Incidence)에 대한 연구는 다방면으로 이루어져 왔다. 승선 중인 실습학생들을 대상으로 설문조사를 분석하여 승선감과 가장 밀접한 관계가 있는 멀미여부가 어떤 주요 요인에 의해 발생되고, 이러한 멀미여부가 유발되면, 어떤 현상이 초래되는지 분석하였다(Jung and Lee, 2008). 그리고 해상상태에 따른 수직가속도를 분석하기 위해 선내 여러 유치에서의 가속도를 계측하고 평가하였다(Yoon et al., 2008). 승객에 의해 일정한 주파수와 수직 가속도 운동에 대한 2시간 동안 노출되었을 때 뱃멀미 여부의 발생확률을 백분율로 평가하는 멀미도 지수 MSI(Motion Sickness Incidence)를 진폭과 주파수, 지속시간의 함수 등으로 평가하였다.(O'Hanlon and McCauley, 1974).

대학 실습선을 대상으로 상용 선박계산 프로그램인 Maxsurf Seakeeper를 이용하여 선체운동계산 기법을 통해서 수직 가속도 성분을 구하고, 수직 가속도 스펙트럼을 이용하여 멀미도 여부를 계산하였다. 이와 같이 승선 중인 실습생들의 대상으로 각 위치별로 수직 가속도가 증가하는 구역과 멀미도 발생구역이 일치하였으며, 운동 가속도의 변화에 따른 MSI 계산과 설문조사결과를 비교 하였다(Han et al., 2014(a)). 그리고 선속변화에 따른 MSI 계산과 가속도 결과에 대한 멀미의 정도를 표시하였다(Han et al., 2014(b)).

실습선의 항해지역의 해상상태와 선내 위치별로 근무지와 거주구역 그리고 입사각에 따른 가속도 와 MSI 계산 결과를 비교하였다(Han et al., 2014(c)). 선체운동에 따른 멀미도 여부는 실제 해상에서 운항 중인 승선학생들의 대상으로 멀미 시점에서는 어떠한 요인에 의해 멀미가 발생되고, 이러한 요인으로 멀미 여부가 나타나면 어떤 증상이 초래되는지를 조사하였으며. 이와 같이 설문조사의 결과를 바탕으로 선내 위치별로 멀미도(MSI)를 평가하였다(Han at al., (2014(d)). 선박의 주제원을 변화시키지 않고 LCB(Longitudinal Center of Buoyancy)의 기존 선형과 수정된 선형을 통해서 각 위치별 수직 가속도의 변화에 따른 MSI를 평가하였다(Han et al., 2014(e)). 조타실과 기관실에 근무하는 승선 경험이 없는 실습항해사와 기관사의 대상으로 선체운동과 멀미의 상관관계, 위치별 근무자의 멀미 민감성을 평가하였다(Kim et al., 2014). 최근에는 근무지와 거주구획 위치변화에 따른 MSI에 대한 영향 평가하였다(Han et al., 2016).

관공선은 국가, 지자체 등에서 운영하는 작업수행업무의 공무용 선박으로서 [Fig. 1]에서 보는 바와 같이 해양구조선, 경비정, 어업지도선 등을 일컫는다. 이러한 관공선은 특수 목적의 상황에서 신속한 이동 및 정확한 임무수행이 요구된다. 이와 같이 고속운항이 가능한 활주선 형상이 요구되며, 신속·정확한 임무수행을 위해 뱃멀미 관련 운동성능 예측이 중요한 설계요소 중 하나이다.

[Fig. 1]

Shape of patrol ships.

고속으로 운항하는 관공선은 쾌적한 승선감과 항해 안전성의 확보를 위해서는 인지능력의 저하, 신체적 피로와 같은 멀미증상의 발생 여부를 최대한 줄여야 한다. 관공선의 신속하고 정확한 임무 수행을 위한 멀미도 계산 연구를 수행하였다. 멀미도 계산은 상용프로그램 Maxsurf Seakeeper를 이용하여 선체운동계산 기법을 통해서 수직 가속도 성분을 구하고, 수직 가속도 스펙트럼을 이용하여 멀미도 여부를 계산하였다. 본 연구에서는 고속 세관감시선의 연구 선형을 대상으로, 실제 세관감시선의 주요 항해지역의 해상조건과 거주 구역, 선속 및 입사파 변화에 따른 각 위치별로 수직 가속도계산 결과와 MSI에 대한 위치변화의 영향을 평가하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

2. 멀미도 지수에 대한 ISO 2631-3표준

뱃멀미에 대한 기준은 승선 중인 승객의 쾌적함의 평가를 위하여 만들어졌다. 현재 일반적으로 통용되고 있다. 관련 규정인(ISO 2631-3(1985))에서는 0.1∼ 0.63Hz 범위에서 해당하는 운동으로 인해 인체에 유발하는 진동을 평가하는 방법을 제시하고 있다. 하지만, 다른 인체 진동분야와 달리 시험 및 데이터 확보가 어렵다. 이와 같이 다른 인체 진동분야와 달리 시험과 자료 확보가 어렵기 때문에, 심각한 불편함을 발생하는 범위(Severe Discomfort Boundaries)에 대한 가이드라인만이 제시되어 있다. 그리고 불쾌감 영역은 주파수와 가속도의 관계로 정의되며, 뱃멀미 여부를 일으키는 한계 가속도에 의해 노출 시간별 주파수 함수와 가속도의 실효값인 RMS (Root Mean Square)값으로 범위를 제공하고 있다[Fig. 2].

[Fig. 2]

ISO 2631-3 Severe discomfort boundaries.

멀미 증상 여부는 주파수와 가속도에 크게 의존함을 알 수 있다(ISO 2631-3(1985)). 그리고 [Fig. 2]는 뱃멀미에 적응이 되지 않은 성인 남녀의 기준에 관한 ISO 2631-3을 기준으로 작성된 그래프이다. 각 그래프는 조우주파수에 대해 30분, 2시간, 8시간 노출 되었을 때의 수직 가속도의 RMS (Root Mean Square)값의 범위를 알 수 있다.

4. 관공선의 모델

본 연구에서는 고속 관공선의 MSI계산을 위해 실제 세관에서 운영 중인 30ton급 세관감시선의 선형을 사용하였다. 해당 선형은 특수목적 등의 상황에서 고속으로 운항 가능하도록 고속 활주선의 형상을 띄고 있으며, 최대 속도는 30knot이다.

[Fig. 3]은 30ton급 세관감시선의 대상으로 연구 선형의 실제 형상과 계산을 위해 모델링한 형상을 나타내고 있다. 멀미도 계산을 위해 하부 형상을 이용하였다. 또한 해당 선형의 주요 제원은 <Table 1>과 같다.

[Fig. 3]

Patrol type vessel model.

<Table 1>

Main dimension of analysis model

5. 해석방법

임의의 해역에서 운항 중인 선박의 선내 여러 위치별 가속도를 계산하기 위해서는 해당 위치에서의 수직 가속도 성분을 구해야 한다. 선체운동 기법을 이용하여 수직 가속도를 구하고, 수직 가속도 스펙트럼을 이용하여 관공선 선형에 의해 MSI를 계산한다. 승선 인원들이 사용하는 실제 공간의 기반으로 선정하였다. 수치계산 조건은 <Table 2>와 같다.

<Table 2>

MSI of calculate conditions

여기에서, Beaufort scale No.4를 적용하여 평균 풍속 6.75 m/s, 평균파주기 $$ \overline{T}$$ 3.86 s 그리고 유의파고 $$ \overline{H_{1/3}}$$ 1.0 m이다. 파도의 선수각은 선수파 180^°, 횡동요 90^°, 선미파 0^°를 선정하였다. 선속은 0, 14, 30Knot이다. [Fig. 4]에서 보는 바와 같이 세관 감시선은 연구 선형을 위해 모델링한 형상의 일반배치도이다. 1은 선내 거주구역, 2는 화장실, 3은 조타실 등 선내 위치에 따른 MSI를 계산하기 위해 X축의 원점을 선미수선(A.P., After Perpendicular)에 두고, Z축의 원점은 Base Line에 둔 X, Y, Z 좌표계로 표현된 위치를 나타내고 있으며, 각각의 좌표 값의 계산 위치는 <Table 3>과 같다.

[Fig. 4]

MSI Calculation locations of patrol type vessel.

<Table 3>

Coordinates of the MSI calculation locations

여기에서, (A)는 선미파 0^°, (B)는 횡동요 90^°, 그리고 (C)는 선수파 180^°을 나타내고 있다. 또한 선체 전반적인 영향을 분석하기 위한 입사파 및 선박의 정박, 저속, 고속운용상태를 고려한 선속 범위를 선정하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

고속 관공선에 대한 선내 근무지와 거주위치에 따른 수직 가속도 변화를 알아 보기위해, 고속 선형의 근무지와 거주구역, 입사파 및 선속을 통해 수직 가속도 변화를 정량적으로 비교하였다.

[Fig. 5] ∼ [Fig. 13]은 Beaufort scale No.4일 때, 선내 근무지와 거주구역의 위치 변화에 따른 MSI 계산 결과이다.

[Fig. 5] ∼ [Fig. 7]에서 보는 바와 같이 투묘 정박 상태에서 입사파 방향에 따른 MSI 계산결과이다.

[Fig. 5]

Comparisons of vertical acceleration in (0knot, C 180deg).

[Fig. 6]

Comparisons of vertical acceleration in (0knot, B 90deg).

[Fig. 7]

Comparisons of vertical acceleration in (0knot, A 0deg).

선박이 투묘 정박 상태인 경우, (A)선미파 0^°와 (C)선수파 180^°일 때, 선원침실(Crew's Room), 조타실(Wheel House) 구역에서는 8시간 이내에 못 미치는 것을 알 수 있으며, 낮은 수직 가속도의 가중치가 보였다. 그리고 화장실(Toilet) 구역에서 노출시간이 8시간 이후가 되면 멀미를 할 가능성이 있다.

(B)횡동요의 경우, 90^°일 때, 선원침실(Crew's Room) 구역에서는 2시간 이후가 되면, 뱃멀미를 일으키는 한계 수직 가속도에 의해 노출 시간별 1.8 ∼ 2.6 rad/s의 범위 내에서 멀미가 발생하는 것으로 나타났다.

[Fig. 8] ∼ [Fig. 10]에서 보는 바와 같이 14knot로 항해 상태에서 입사파 방향에 다른 MSI 계산결과이다.

[Fig. 8]

Comparisons of vertical acceleration in (14knot, C 180deg).

[Fig. 9]

Comparisons of vertical acceleration in (14knot, B 90deg).

[Fig. 10]

Comparisons of vertical acceleration in(14knot, A 0deg).

여기에서, 선원침실(Crew's Room), 화장실(Toilet), 그리고 조타실(Wheel House)을 나타내고 있다.

선속이 14knot로 항해 상태인 경우, (A)와 (B)의 경우, 화장실과 조타실 구역에는 8시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.0 ∼ 2.8rad/s의 범위 내에서 수직 가속도의 가중치가 보였다.

반면에 (B)의 경우 선원침실 구역에서는 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.7 ∼ 2.6rad/s의 범위 내에서 멀미가 발생하는 것으로 나타났다.

(C)의 경우 화장실 구역에서는 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.8 ∼ 2.7rad/s의 범위 내에서 수직 가속도의 가중치가 보였다.

반면에, 선원침실과 조타실 구역에서 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.6 ∼ 2.8rad/s의 범위 내에서 멀미가 발생하는 것으로 나타났다.

(C)의 경우, 화장실 구역 에서 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.0 ∼ 2.7rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다.

(B)의 경우, 2시간 이후가 되면, 선원침실 구역에서 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.8 ∼ 2.6rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 나타났다.

[Fig. 11] ∼ [Fig. 13]에서 보는 바와 같이 30knots로 항해상태에서 입사파 방향에 다른 MSI 계산결과이다. 여기에서, 선원침실(Crew's Room), 화장실(Toilet), 그리고 조타실(Wheel House)을 나타내고 있다.

[Fig. 11]

Comparisons of vertical acceleration in(30knots, C 180deg).

[Fig. 12]

Comparisons of vertical acceleration in(30knots, B 90deg)

[Fig. 13]

Comparisons of vertical acceleration in(30knots, A 0deg).

30knots로 고속 최대속도 항해상태 일 때, (C)와 (A)의 경우 화장실 구역에서는 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.0 ∼ 3.8rad/s의 범위 내에서 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다. 그리고 선원침실과 조타실 위치 구역에서는 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.0 ∼ 3.8rad/s의 범위 내에서 높은 수직 가속도의 가중치가 나타났다.

(B)의 경우, 선원침실 구역에서는 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.7 ∼ 2.6rad/s의 범위 내에서 높은 수직 가속도의 가중치가 나타났다.

여기에서, 조타실 구역 보다는 화장실 구역에서 8시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.6 ∼ 2.5rad/s의 범위 내에서 수직 가속도의 가중치가 보였다.

30knots로 항해상태 일 때, (C)와 (A)의 경우 화장실 구역에서는 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.0 ∼ 3.8rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다.

여기에서, 선원침실과 조타실 선내 위치 구역에서는 2시간 이후가 되면, 위치별 수직 가속도가 비슷한 형태로 가중치를 보이고 있다.

(B)의 경우, 선원침실 선내 위치구역에서는 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.6 ∼ 2.6rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치를 나타내고 있다.

Ⅳ 결 론

본 논문에서는 30ton급 세관감시선에 대하여, MSI 계산은 해상조건, 선내 근무지와 거주 구역, 선속 및 입사파 변화에 따른 실제 승선 인원들이 사용하는 공간을 대상으로 하였으며, 계산 결과를 분석하여 설계 및 운용의 참고 자료로써 활용하고자 하였다. 또한 이러한 요소를 고려하여 전반적인 선박 운항 상황에서의 경향을 파악하기 위한 계산 조건의 선정결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

투묘 정박 상태에서 입사파에 따른 선속 0Knot 일 때, (B)의 경우 선원침실 구역에서는 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.8 ∼ 2.7rad/s의 범위 내에서 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다. 그리고 (C)와 (A)의 경우 화장실 구역에서 8시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 0.7 ∼ 1.8rad/s의 범위 내에서 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다.

14knot로 항해상태인 경우, (C)의 경우, 선원침실과 조타실 구역 보다는 화장실 구역 에서 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.8 ∼ 2.7rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다.

(B)의 경우, 화장실과 조타실 구역 보다는 선원침실 구역에서 2시간 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 1.7 ∼ 2.6rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 나타났다.

선속 30Knots로 항해상태의 경우, (C)와 (A)의 경우, 화장실 위치 구역에서는 30분 이후가 되면, 수직 가속도와 노출 시간에 의해 2.6 ∼ 3.6rad/s의 범위 내에서 상대적으로 높은 수직 가속도의 가중치가 보였다.

선속 30knots로 항해상태인 경우, 입사파에 따른 (C)와 (A)에 비해 (B)의 경우 순서대로 보면, 조타실과 화장실 그리고 선원침실 구역 순으로 수직 가속도의 가중치를 나타내고 있다.

추후 Wheel House를 제외한 위치 변경을 고려하기 위해 중심 좌표 변경에 따른 추가 계산 연구가 필요하며, 운항 가능한 범위 내 해상환경에서 MSI계산 결과와 설문조사 등 실제 운항 결과 비교를 통한 연구가 수행 되어야 할 것으로 사료된다.

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