대형 해양사고, 골든타임을 사수하라!

- 선체 내 생존자 수색 및 생존성 확보 기술개발 -

전 국민의 가슴속에 지울 수 없는 상처로 남아있는 천안함과 세월호 침몰 사고는 ‘골든타임’의 의미와 신속한 구조 활동에 대한 중요성을 각인하며 우리나라의 해양안전관리정책을 되돌아보게 하는 중요한 계기로 작용했다. 이에 2017년부터 해양경찰청의 지원으로 선박 침몰 시 조기에 선체 내 수중 생존자 수색 및 생존성 확보를 위한 제반 기술 연구에 전격 착수한 KIOST는 2020년 생존자 탐지를 위한 선체 부착형 청음시스템과 한국형 음향소나 및 수중 과학장비와의 연동 체계 개발에 성공, 해상사고에 대한 초동 현장대응능력 강화로 인명피해를 최소화를 위한 ‘골든타임’ 확보에 앞장서고 있다.

선박 전복·침몰사고 발생 시 생존자 수색,
초동 현장대응능력 강화를 통한 골든타임 확보

어떤 사고든 사고가 발생하면 그에 따른 인명 및 재산피해가 뒤따를 수밖에 없는데, 이를 최소화하기 위한 골든타임이 존재한다. 특히 해상에서 선박과 관련된 전복·침몰사고는 그간 선체 내의 생존자 유무를 판단할 수 있는 과학기술적 수단이 부재하였고, 해양사고 다발지역인 남해와 서해의 경우, 수중 탁도가 높아 사고 발생 시 다이버가 수중 선박의 선체 및 실종자 수색을 육안으로 수행하기에 한계가 있었다. 이러한 안타까운 상황을 개선하기 위해 KIOST는 해양방위·안전연구센터를 중심으로 4년(2017~2020)에 걸쳐 선박 전복·침몰사고 시 조기에 선체 내 수중 생존자를 수색하는 첨단기술 및 생존성 확보를 위한 제반 기술개발 연구를 진행했다.

사진 1. KIOST 해양방위·안전연구센터 김응 책임연구원

그림 1. 연차별 연구개발 로드맵

국내 최초로 선체 내 생존자 탐지에 특화된
선체 부착형 청음시스템 개발

동 과제의 최종 목표이자 핵심성과로는 크게 생존자 탐지를 위한 선체 부착형 청음시스템 및 수중 무선통신 체계, 그리고 한국형 음향소나 및 수중 과학장비와의 연동 체계 개발을 들 수 있다. 선체 부착형 청음시스템이란, 전복사고 발생 시 다이버가 사고 선박의 선체에 간단하게 부착할 수 있는 청음장비를 통해 선체 내에서 발생하는 진동 및 음향 신호를 수신하고 이로부터 생존자를 탐지할 수 있는 기술이다. 물론, 기존에 상용화된 단순한 수준의 청음센서 및 진동센서는 많았지만, 선박의 전복·침몰사고 발생 시에 사용할 수 있도록 설계된 장비는 없는 실정이었다. 동 연구과제는 기본적 성능의 개별 센서들을 활용하여 대상 목적에 맞게 융합, 선체 내 생존자 탐지에 특화된 선체 부착형 청음시스템을 개발했다는데 중요한 의미가 있다. 연구 개발 단계부터 특허 분석을 한 결과, 수중 선체 내의 생존자를 탐지하는 기술은 국내·외적으로 KIOST 연구팀에서 개발한 장비가 첫 사례이다.

KIOST 연구진은 관련 기초기술 개발을 위하여 모의 에어포켓 구조물 및 선박(장목호, 온누리호, 이어도호)을 대상으로 선체 내에서 발생한 음향(‘살려주세요’ 구조음과 망치 타격음)의 수중 전달 특성을 측정, 이를 바탕으로 실시간 신호 획득용 테스트 보드를 제작했다. 이후 해양경찰청 산하 수색구조 전문가들의 자문을 반영하여 상황에 따라 청음 시스템부와 수중 통신부를 분리하여 소형 경량으로 운영할 수 있는 기구부 설계 및 효율적인 선체 부착을 위한 외형 설계와 제작을 진행했다.

사진 2. 선박의 선체 내 신호 탐지에 사용된 각종 선박

사진 3, 4. 선체부착형 청음장치 제작·조립 모습(좌) 및
연구실에서 설치방법을 시연하고 있는 김응 책임연구원(우)

사진 5. KIOST 해양방위·안전연구센터 김성현 선임연구원

해상 유무선 WIFI AP Buoy 시스템 통해
구조함에서 청음시스템의 원격 제어 가능

그러나 해상에서 수중모뎀을 이용한 신호 전송성능 검증실험 과정에서 요구조자의 구조 신호를 실시간 전송하기 위한 통신 방법으로 수중모뎀을 사용하는 것은 성능적으로 불가능한 것으로 확인됐다. 이에 KIOST 연구진은 수중모뎀 통신의 대응 기술로 UT-AM 방식의 수중통신 모듈을 제작했고, 이를 통해 선체 내의 에어포켓에 생존한 요구조자의 구조 요청 신호를 해상 구조함으로 실시간 전달하는 수중무선통신 기술을 확보할 수 있었다. 나아가 수중의 부착형 청음장치에 유선 연결을 추가, 해상에서 WIFI 통신을 이용하여 획득한 자료를 실시간으로 구조함으로 전송할 수 있는 WIFI AP Buoy도 제작했다. 이러한 해상 유무선 WIFI AP Buoy 시스템은 해양의 파도 등 극한 환경 속에서도 신속한 설치가 가능할 뿐만 아니라, 수중 UT-AM 수중통신 모듈과 비교하여 수중은 유선통신, 해상은 WIFI 통신을 사용하기 때문에, 획득한 신호를 상대적으로 잡음 없이 송수신할 수 있다. 또한 양방향 통신이 가능하기 때문에 수중에서 운영하는 선체부착형 청음시스템을 구조함에서 원격으로 제어할 수 있게 됐다. 수중통신용 UT 송신기 및 육상무선통신용 WIFI 부이 제작이 완료됨에 따라 음향탐지 정보로부터 생존자를 인식하는 알고리즘과 장비 운영 프로그램이 개발되었고, WIFI 수신장치와 UT 수신장치를 하나의 일체형으로 제작한 UT & WIFI용 Deck Unit 제작 등 부착형 청음시스템의 고도화가 이뤄졌다.

결과적으로 선체 부착형 청음시스템은 선체 내의 생존자 구조 요청 신호를 획득하는 선체 부착 본체부와 수중 무선 UT-AM 통신 모듈, 해상 유무선 WiFi 부이, Deck unit, 블루투스 모듈, 장비 SW 등으로 구성되어 있으며, 이 세부 기술은 전복사고와 침몰사고 등 선박의 사고유형에 따라 적절한 대응이 가능하고, 침몰사고 시에는 해양환경에 따라 유·무선의 통신기법을 다르게 적용할 수 있도록 설계되는 등 장비의 운영성을 극대화한 것이 특징이다.

한국형 음향소나 및 수중 과학장비와의 연동 체계 구축

동 기술개발 과제의 또 다른 목표인 음향소나 및 수중 광학장비와의 연동 체계 구축의 성과도 두드러진다. 1차년도에 음향소나 기초기술과 수중 광학장비 영상 처리기술 개발을 위하여 요소 기술 구성품을 가지고 초기 설계도를 제작한 KIOST 연구진은 이듬해에 외부장치 부착 및 부속품 배치를 고려한 휴대용 음향소나 카메라의 3D 설계 도면에 대한 상세 설계를 마무리하고 형상물을 제작했다. 음향소나는 해당 영역의 이미지 영상¹⁾을 취득하는 다수 개의 센서로 구성되어 있는데, 외형은 휴대용 다이버 영상 장비에 장착이 용이하도록 원형으로 설계되었고 소형화를 위한 내부 공간 확보를 위해 원기둥 형상으로 구성됐다. 특히 음향소나 영상과 광학 영상을 수중에서 전시할 수 있는 수중전시기 제작 기술을 확보, 다이버가 수중전시기를 통하여 두 가지 영상을 모두 확인 가능하도록 구현되어 저시정 환경에서 수색 구조의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

사진 8. KOST 해양방위·안전연구센터 김병남 책임연구원

민간 및 해경의 협조로 선박 상태에 따른
시제품의 통합 운영 실험 진행

선체부착형 청음시스템과 음향소나 및 수중광학장비 체계에 대한 실해역 해상 실험도 진행됐다. 2019년 목포에 위치한 서해 해양특수구조대와 전복선박을 이용한 부착형 청음시스템 실험에 이어 부산 소나테크 수조에서 음향소나와 수중 광학카메라에 대한 다양한 형상 성능 확인 실험, 그리고 선박 상태(전복·침몰)에 따른 시제품의 통합 운영 실험이 진행됐다. 그러나 침몰사고 선박을 대상으로 한 현장 운영 실험에 있어서 실제 침몰사고 선박을 모사하는 것은 현실적으로 어려운 일이었다. 다행히도 KIOST 연구진은 제주도에서 관광용 잠수함을 운영하고 있는 ‘서귀포잠수함’과 서귀포 해경구조대의 협조를 얻어 2020년 6월, 서귀포항에서 잠수함을 잠항시킨 후, 부착형 청음시스템의 해상스피커와 헤드셋 출력 신호, WIFI 해상부이 통신을 통한 제어 및 신호 획득 성능검증 실험을 성공적으로 수행할 수 있었다.

사진 11, 12. 서해 해양특수구조대의 전복선박을 이용한 부착형 청음시스템 실험

사진 13, 14. 서귀포항에서 침몰선박 해상 실험을 준비 중인 서귀포 잠수함(좌) 및 잠수함의 잠항 모습이 담긴 화면(우)

그림 2. 선체부착형 청음시스템의 시제품 운영 모식도

- 해양방위·안전연구센터 김성현 선임연구원 -

다양한 성능의 보완·개선을 통한
개발품의 고도화

휴대용 다이버 영상장비(DiverNavi)의 해상 운영과 유선통신(제어)의 성능실험이 마무리되자, 개발품의 추가적인 개선과 보안이 이어졌다. 선체 부착형 청음시스템의 경우, 기구부 최적 설계를 통한 장비 경량화²⁾ 및 연결 소켓부 재설계를 통한 수중 조작 미숙에 따른 전원 쇼트 문제 개선, 디지털 파트와 아날로그 파트의 분리·개선을 통한 디지털 잡음 최소화, 블루투스 기능을 추가하여 전복선박 사고대응 시 무선 블루투스 이어폰 활용이 가능하게 되었다. 다중채널 확보를 위한 UT-AM 송수신 모듈 및 소프트웨어의 기능도 업그레이드 되었으며, 휴대용 다이버 영상장비의 해상 GPS 안테나부 제작과 배터리 개선, 유선 LAN 통신을 이용한 수중장비-해상 구조함 간 통신체계가 구축됐다. 해수 유동 및 다이버의 움직임에 의해 흔들리는 광학 영상을 안정화하는 알고리즘이 적용됐고, 휴대용 다이버 영상장비용 통합 소프트웨어도 고도화되었다. 개발된 시제품은 국가공인인증기관인 한국조선해양기자재연구원을 통해 성능시험을 완료하였으며, 선체 생존자 탐지용 프로그램에 대한 소프트웨어 등록 및 전복 선박의 선체 평형상태 유지용 플로팅 에어백 장치, 부착형 청음시스템에 관한 특허를 등록하였다.

사진 17. 기존(좌) 시제품보다 높이 1cm를 축소하여 경량화 제작된 청음장치 개발품(우)

사진 20, 21. 유선 LAN 통신을 이용한 수중장비-해상구조함 간 통신 체계 구축 실험

- KIOST 해양방위·안전연구센터 김응 책임연구원 -

국내 해양관련 수중음향 장비 개발
전문산업체에 기술이전 및 상용화 지원

연구사업은 종료되었지만, 이들의 연구는 여기서 끝이 아니다. 김응 책임연구원은 “대형 선박사고 시에 요구조자의 구조 신호가 강하게 발생하는 음원의 위치를 정확하게 탐지하는 것이 매우 중요하다.”며, 요구조자의 위치를 파악하기 위해서 현재 개발된 선체 부착형 청음시스템을 추가적으로 제작하여 대형 선박의 여러 곳에 장비를 장착해 구조음이 강한 곳을 찾는 기술을 개발할 필요가 있다고 말했다. 이를 위해 현재 수중 무선 UT-AM 통신에서 다중 통신 채널을 확보한 상태이지만, 향후 추가적인 선체 부착 본체부 제작과 다채널 청음 신호를 수신할 수 있는 Deck Unit의 고도화, 다채널로 동시에 수신되는 청음 신호들을 동시에 분석하고 가시화는 기술이 요구된다는 것이다. 더불어 청음 신호의 노이즈 문제를 해결하기 위해 최근 출시되는 노이즈 캔슬링 이어폰 등을 장치에 적용하는 방안도 고려하고 있다고.

동 연구성과는 해상사고에 대한 현장대응능력을 강화하고 구조 및 실종자 수색을 조기에 완료할 수 있어 국가적으로 소요되는 예산 및 인력 투입을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 향후 해양환경에서 수색 및 구조 작업은 구조 인원의 안전 등을 고려하여 무인화·원격화 방향으로의 발전이 예상됨에 따라 관련 기술을 산업 시장의 유사 장비 개발³⁾ 에 적용, 지속적인 성장에 대비한 선제적 기술력을 확보하게 될 전망이다. KIOST 연구팀은 금년도 상반기에 국내 해양관련 수중음향 장비 개발 전문산업체에 기술이전을 완료하여 해양경찰청 및 산업체의 수요에 적극 대응할 계획이다.

사회적인 해양구조 공감대 형성
해양안전 대국민 서비스 향상에 일조

해양 인명사고 발생 시 사고자 구출을 위한 인명 탐지 기술로 활용될 금번 연구성과가 해난 사고대응 의사결정을 지원하고 생존자 확인을 통한 신속한 구조 활동 지원 및 생존자 미확인 문제를 해결해 줌으로써 사회적인 해양구조 공감대 형성과 해양안전에 관한 대국민 서비스 향상에 일조하길 바란다.

* 본 기사는 코로나 방역수칙을 지켜 안전하게 촬영하였습니다.