제 4차 산업혁명이 시작되면서 해운, 항만 등 조선 산업의 전 분야에서도 혁신 적인 변화를 추구하고 있다. 특히 자율운항선박은 혁신성장 기술에 대한 새로운 도전 과제로 다방면에서 많은 주목을 받고 있다. 하지만 현재 국내외에서 개발 진행 중인 프로젝트는 기존 선박에 자율운항 시스템만을 탑재 목표로 하는 경우가 많아 새로운 선박 외형이 구체적으로 제시되지는 못하고 있다. 따라서 이 연구에서는 미래의 자율운항선박 운용에 대비하여 컨테이너선을 대상으로 외형 디자인에 대한 연구를 수행하고자 한다.
자율운항선박은 국제기구 및 각 선급에 의해 다양한 자율화 등급이 존재한다. IMO기준으로 자율화 등급은 4단계로 분류되는데, 1단계는 승선한 선원이 의사결정을 지원하는 단계, 2단계는 선원이 승선하고 일부는 원격 제어되는 단계, 3단계는 선원이 승선하지 않고 시스템이 원격 제어되는 단계, 4단계는 선원이 승선하지 않고 선내 자동화 시스템만으로 운용되는 단계이다. 이 연구에서는 선원이 승선하지 않는 IMO 정의 3, 4단계를 목표로 한다. 자율운항선박의 글로벌 시장현황 및 전망을 살펴보아도 선원의 간섭이 없는 완전 자율운항선박은 매년 56.6%의 가파른 성장이 예측된다. 따라서 앞으로의 전망으로 미루어보아 선원이 승선하지 않고 고도화된 센서와 통신으로 시스템에 의해 완전히 자율적으로 운항하는 선박을 개발하는 것이 가치가 있을 것이다.
자율운항 선박은 기존 선박과 비교했을 때 공간배치에서 가장 큰 변화가 있다. 선원이 승선하지 않기 때문에 기존 거주구역을 없애고 선박 내부 공간은 유지보수 및 화물관리를 위한 최소한의 구역만을 유지하게 될 것으로 전망된다. 반면, 무인 상태에서 화물을 보호할 수 있는 방법과 해킹, 사이버 위협과 같은 보안 위협 등에도 대비해야 한다. 앞으로 설계되는 선박은 오염물질 배출 감소 등 친환경 요소가 강제되므로 자율운항선박과 같은 미래선박은 디젤 기반 추진 시스템에서 LNG 등의 친환경 연료로 변화를 고려해야 한다. 위와 같은 적용 기술을 바탕으로 자율운항선박 사례를 분석하였다. 5개 외형 사례 분석결과 규모는 대부분 소형 컨테이너 위주로 개발 되고 있으며, 거주구역 제거, 친환경연료 사용, 화물 구역 밀폐 방식을 선택하였다.
IDEF0 방법론을 적용하여 연구모형을 모델링하였다. Input으로 디자인 요구 조건을 넣으면 Output으로 자율운항 컨테이너 선박 외형 디자인이 나오는 개념이다. 하위 모델링으로는 첫 번째로 공학 계산, 두 번째로 일반 컨테이너 선박과 비교, 세 번째로 선박 색상 선정이 있다. 연구 대상으로 정한 피더급 컨테이너 선박을 더 구체적으로 40피트 컨테이너를 길이 방향으로 2개, 폭 방향으로 10개, 높이 방향으로 4개의 컨테이너를 배치한 선박모델을 제시하였다. 이 모델을 기준으로 선체 총 길이, 선폭, 선체 깊이, 선체 수선 간 길이, 흘수를 계산하여 최종 선박 치수를 결정하였고 마지막으로 제시 모델을 통해 도출한 선체 주요 치수 값이 조선공학적으로 적합한지 검증하였다. 적합성 검증을 위해 계산한 4가지 비율은 모두 추세선 부근에 존재함을 확인하고 적합성이 만족함을 검증하였다. 계산에 필요한 데이터는 한국선급 등록선박 컨테이너 253척을 이용하였다.
다음으로 위에서 결정한 선체 치수와 비슷한 일반 컨테이너 선박 도면을 가져와 자율운항선박과 선원 거주구, 화물 구역, 선수구역, 선미구역, 화물 하역용 크레인, 친환경 연료, 통신 안테나 배치에서 어떤 차이가 있는지 비교하였다. 이 과정에서 화물 구역을 보호하기 위해 3가지 유형의 개폐장치를 제시하고 화물적재 편의성, 개폐장치 운용안전성, 항해 중 바람저항력 관점에서 장단점을 비교하고 슬라이딩 방식을 디자인에 반영하였다. 공학 계산 결과에 따른 최종 선박 치수, 일반 컨테이너 선박과의 비교를 통해 도출한 디자인 요구 조건을 반영하여 자율운항 컨테이너 선박의 외형 디자인을 수행하였다.
마지막으로 선원이 승선하지 않는 자율운항선박의 경우 다른 선박과의 충돌 또는 해적 등 외부로부터의 접근을 피하기 위해 선박의 색상을 정하는 것도 중요한 문제이다. 외부로부터의 접근이라는 관점에서 눈에 띄는 색, 눈에 띄지 않는 색으로 2가지 색상으로 나누고, 눈에 띄는 색의 경우 보색개념을 적용해 푸른 바다와 보색을 이루는 주황색, 노란색으로 정하고 설문을 진행하였다. 설문 결과 86%가 눈에 띄는 색, 76%가 주황색을 선택하였다. 결론적으로 선원이 한명도 탑승하지 않는 자율운항선박의 경우 도장색은 눈에 띄는 색이 좋으며, 그 중에서도 주황색의 선호도가 높다는 것을 알 수 있다.

As the 4th industrial revolution begins, innovative changes are being pursued in all areas of the shipbuilding industry. In particular, autonomous ships are getting a lot of attention from various fields as a new challenge for innovative technology. However, projects currently under development in korea and abroad often aim to study only the autonomous navigation system, so the new exterior design has not been specifically presented. Therefore, in this study, I intend to conduct a study on the exterior design of container ships in preparation for the autonomous ships operation in the future.
There are various degrees of autonomy for autonomous ships by international organizations and each classification. Based on IMO standards, autonomy levels are classified into four levels. Level 1 is a level where a crew member on board supports decision-making, level 2 is a level where a crew member is on board and some parts are remotely controlled, and level 3 is a level where the system is operated without a crew member on board. The remote control stage, stage 4, is a stage in which the crew does not on board and is operated only by the embeded system. In this study, IMO definition 3rd and 4th stages, where crews are not on board, are targeted. Given the current status and prospects of the global market for autonomous ships, fully autonomous ships without crews are expected to grow steadily at a rate of 56.6% each year. Therefore, looking at the future prospects, it would be worthwhile to develop a ship that operates completely autonomously by a system with advanced sensors and communication.
Autonomous ships have the biggest change in spatial arrangement compared to conventional ships. Since the crew does not on board, it is expected that the existing accommodation will be eliminated and only the minimum space for maintenance and cargo management will be retained inside the ship. On the other hand, it is necessary to prepare for security threats such as hacking and cyber threats, as well as ways to protect cargo in an unattended state. Future ships, such as autonomous ships, should consider changing from diesel-based enforcement systems to eco-friendly fuels such as LNG. As eco-friendly factors such as reducing pollutant emissions are compulsory for ships to be built in the future. Based on the above applied technologies, 5 cases of autonomous ships were analyzed. As a result of the analysis of the 5 exterior design cases, most of the scales are developed mainly for small containers, and the method of removing the accommodation, using eco-friendly fuel, and cover the cargo area was selected.
The research model was modeled by applying the IDEF0 methodology. It is a concept that if design requirements are entered as input, the exterior design of an autonomous container ship will come out as output. The sub-modeling includes engineering calculations first, comparison with general container ships second, and ship color selection third. For the feeder-class container ship selected as the subject of study, more specifically, a ship model in which two 40-feet containers were placed in the longitudinal direction, ten in the width direction, and four in the height direction was presented. Based on this model, the final ship dimensions were determined by calculating the total hull length, width, hull depth, length between hull waterlines, and draft. It was confirmed that all four ratios calculated for the verification were near the trend line, and the fit was satisfied. The data required for the calculation used 253 KR registered container ships.
Next, general container ship drawings similar to the hull dimensions determined above were taken to compare the differences. The differences in the arrangement of accommodation, cargo area, forecastle, stern area, cargo unloading crane, eco-friendly fuel, and communication antenna system of autonomous ships were compared. In this process, three types of switchgear were proposed to protect the cargo area and compared them in terms of cargo stowage convenience, switchgear operation safety, and wind resistance during navigation. As a result, sliding type switchgear was reflected in the design. The exterior design of the autonomous container ship was performed by reflecting the final ship dimensions based on engineering calculations and design requirements derived from comparison with general container ships.
Lastly, in the case of an autonomous ship without a crew member, it is also important to determine the color to avoid collision with other ships or pirates. From the perspective of threats from the outside, I divided the colors from two perspective. A noticeable color and an unnoticeable color. As a result of the survey, 86% chosen the noticeable color and 76% chosen orange. In conclusion, in the case of an autonomous ship with no crew on board, it can be better to take noticeable color for exterior and among them, the preference for orange is high.