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계인 양
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 12 pp , ISSN / eissn 장인성 1, 원덕희 1*, 백원대 1, 신창주 1, 이승현 2 1 한국해양과학기술원연안공학연구본부, 2 선문대학교토목공학과 Turbidity Characteristics of Korean Port Area In-Sung Jang 1, Deokhee Won 1*, Wondae Baek 1, Changjoo Shin 1, Seung-Hyun Lee 2 1 Coastal Engineering Division, Korea Institute Ocean Science & Technology 2 Department of Civili Engineering, Sunmoon University 요약수중기초사석고르기작업이나수중시설물점검및유지관리등수중항만공사를위해서수중에서의충분한시계확보가필수적이다. 이는잠수사에의한작업뿐만아니라수중기계화장비를활용한작업에서도마찬가지다. 본연구에서는우리나라동해, 남해, 서해에서대표적인항만이위치하는연근해해역의탁도를측정하여권역별경향성을수치적으로확인하였다. 또한, 다양한탁도특성을가지는각해역에서수중카메라나소나등과같이수중건설장비에부착하여효과적으로활용가능한수중환경모니터링시스템에대해검토하였다. Abstract It is necessary to secure the underwater visibility in order to perform underwater works such as rubble mound leveling or inspection and management of underwater structures. In this study, turbidity data for typical port area in Korea were measured and analyzed according to the region. Underwater monitoring system including underwater camera and sonar system, which can be effectively attached to underwater equipment for various turbidity conditions, was also investigated. Keywords : Port, Sonar System, Turbidity, Visibility, Underwater Camera 1. 서론수중기초사석고르기작업이나수중시설물점검및유지관리등수중항만공사를하기위해서는수중에서의충분한시계확보가필수적이다. 이는잠수사에의한작업뿐만아니라 Fig. 1과같은수중기계화장비를활용한작업에서도마찬가지다 [1]. 이미우리나라서해안의경우에는수중탁도로인해 30cm 앞의사물도분간하기어려울정도로혼탁하다고알려져있으며, 해상공사의경우에는탁도로인해시계가떨어지고사물위치파악등의어려움으로인해작업의효율성이떨어지게된다. 선행연구자들은다양한탁도조건에대한실내수조실험을통해수중건설장비에사용할수있는적합한광원의위치와투사각도를알아보고자하였으며 [1], 또한수중작업시발행하는부유물들로인하여탁도가높아지는수중환경에서광학카메라대신무인수중장비에소나를탑재한경우의효능을확인한바있다.[2] 본연구에서는우리나라동해, 남해, 서해에서대표적인항만이위치하는연근해해역의탁도를측정하여권역별경향성을수치적으로확인하고, 각해역에서수중건설용장비에부착하여효과적으로활용가능한수중환경모니터링시스템을고찰하고자하였다. 이논문은 2015년해양수산부재원으로한국해양과학기술진흥원의지원을받아수행된연구임 ( 해양개발용수중건설로봇사업단, PJT200539) * Corresponding Author : Deokhee Won(Korea Institute Ocean Science & Technology) Tel: thekeyone@kiost.ac.kr Received November 23, 2015 Accepted December 4, 2015 Revised December 3, 2015 Published December 31,

한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 1. Underwater equipment for rubble mound leveling 2.

탁도의단위는일반적으로 NTU(Nephelometric Turbidity Unit) 를사용하며, Fig. 2는본실험에서활용한탁도측정기를나타낸다. Fig. 3.

측정위치는우리나라전체적으로커버할수있고수중장비들이적용될가능성이있는위치를선정하였다. Table 1.

2 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 1. Underwater equipment for rubble mound leveling 2. 국내주요항만의탁도분석결과탁도는수중의부유물질등에의하여물이혼탁한정도를뜻하는것으로물로통과하는빛이이러한비용해성부유물질에의해산란되거나흡수되어흐리게보여지는데, 수질지표로서탁도는보통빛을입사시켜부유물질에의해산란된정도를광학적으로측정하여나타낸다. 탁도의단위는일반적으로 NTU(Nephelometric Turbidity Unit) 를사용하며, Fig. 2는본실험에서활용한탁도측정기를나타낸다. Fig. 3. Location of turbidity measurement 를나타낸것으로인천, 평택, 군산, 목포, 진도, 거제, 진해, 울산, 포항, 속초권으로구성되어있으며, 추가적으로여수와완도를측정하였다. 특히, 거제도장목항에서는수중에서의탁도를측정하였다. 측정위치는우리나라전체적으로커버할수있고수중장비들이적용될가능성이있는위치를선정하였다. Table 1. Location of measurement Number of measurement Inchon 6 Pyeongtaek 9 Gunsan 11 Mokpo 9 Jindo 7 Geoje 2 Jinhae 7 Ulsan 3 Fig. 2. turbidity meter 국내주요항만이위치하고있는총 68개위치에서실험값을측정하였다. 대부분의위치에서 3~5개정도의샘플을채취하여탁도데이터를확보하였으며, 그값들을평균하여각위치에서의탁도값을제시하였다. 주로해수면에서의값을나타내고경남거제인근에서는수중에서의값도함께측정하였다. Table 1은전체측정위치 Pohang 7 Sokcho 4 Yeosu,Wando 3 All 68 Fig. 4 13은각지역권에서의탁도측정결과를나타낸것이다. Fig. 4은인천권역의탁도측정결과로서월곳포구가 52.2NTU으로최대값을가지며, 평균 26.82NTU 의탁도를나타내고있다. 8890

Fig. 4. Turbidity of Inchon area(unit : NTU) Fig. 6.

80NTU로작업이어려울정도로시야가확보되지않을것으로판단된다. 서천장항을제외평균은 11.53NTU이다. Fig. 5.

5는평택권의탁도측정결과를나타낸것으로서외해지역의탁도가낮은반면에방조제안측이나항내에서는탁도가높은것을나타낸다.

3 Fig. 4. Turbidity of Inchon area(unit : NTU) Fig. 6. Turbidity of Gunsan area(unit : NTU) Fig. 6은군산지역의탁도를측정한결과를나타낸것으로총 11곳을측정하였다. 전반적으로 NTU의탁도를보이는것으로나타났으며, 서천장항이 NTU로작업이어려울정도로시야가확보되지않을것으로판단된다. 서천장항을제외평균은 11.53NTU이다. Fig. 5. Turbidity of Pyeongtaek area( 단위 : NTU) Fig. 5는평택권의탁도측정결과를나타낸것으로서외해지역의탁도가낮은반면에방조제안측이나항내에서는탁도가높은것을나타낸다. 특히서산구도의경우에는 643.5NTU의탁도값을굉장히높은탁도를나타내어작업이불가능한상태로판단된다. 또한서산구도를제외한평균값은 11.53NTU를나타내는것으로나타났다. Fig. 7. Turbidity of Mokpo area( 단위 : NTU) Fig. 7은목포권의탁도를나타낸것으로총 9개위치를선정하여측정하였다. 영산강하구둑을제외하고평균 4.85NTU의탁도를보이는것으로나타났으며, 영산강하구둑의탁도는 14.13이다. 8891

한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 8. Turbidity of Jindo area(unit : NTU) Fig.

54NTU로좋은것으로타나났으며, 서망함은 15.02NTU를보였다. Fig. 10. Turbidity of Jinhae area(unit : NTU) Fig.

4NTU로부유사로인하여탁도가높았으며, 이지역을제외하고는 10NTU이하를나타낸것으로나타났으며, 부산신항내측은 3.67NTU로서해수의순환이상대적으로좋아탁도가낮은것으로판단된다.

9는거제도의탁도측정위치를나타낸것으로한국해양과학기술원남해연구소연구선부두에서탁도를측정하였다. 수중에서도탁도를측정하였으며, 수중에서는 3.63NTU로표면 1.

4 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 8. Turbidity of Jindo area(unit : NTU) Fig. 8은진도의탁도를측정한것으로울돌목에서 4 군데그외는쉬미항, 서망항의탁도를측정하였다. 조류가빨라평균 32.01NTU의탁도를보이며, 쉬미항은만지역으로서탁도가 6.54NTU로좋은것으로타나났으며, 서망함은 15.02NTU를보였다. Fig. 10. Turbidity of Jinhae area(unit : NTU) Fig. 10은진해권 ( 부산신항 ) 측정위치를나타낸것이다. 총 7지역을측정하였으며, 부산신항의배후쪽 6군데와항만내측 1곳을선정하였다. 진해용원매립공사지역은 68.4NTU로부유사로인하여탁도가높았으며, 이지역을제외하고는 10NTU이하를나타낸것으로나타났으며, 부산신항내측은 3.67NTU로서해수의순환이상대적으로좋아탁도가낮은것으로판단된다. 매립지역을제외하고평균 5.76NTU인것으로나타났다. Fig. 9. Turbidity of Geoje area(unit : NTU) Fig. 9는거제도의탁도측정위치를나타낸것으로한국해양과학기술원남해연구소연구선부두에서탁도를측정하였다. 수중에서도탁도를측정하였으며, 수중에서는 3.63NTU로표면 1.04NTU보다높은것을볼수있다. Fig. 11. Turbidity of Ulsan area(unit : NTU) Fig. 11은울산지역의탁도를나타낸것으로울산항내항과외항모두 2.09NTU 이하로매우탁도가좋은것으로나타났다. 이는해수의순환이활발하게잘이루어지기때문인것으로판단된다. 8892

Fig. 14. Turbidity by regional groups Fig. 12. Turbidity of Pohang area(unit : NTU) Fig. 12는포항지역을탁도측정한것으로포항신항, 포항영일만항, 영일만신항을측정하였다.

14는측정데이터를권역별로분류한것으로서각지역별로최대값을제외하고평균한데이터를나타낸것이다. 동해권은최대 1.52NTU 이며, 남해에서는진도가 26.64NTU로가장높다. 서해권은전반적으로탁도가매우높고인천권이 37.50으로가장높은것으로나타났다.

탁도에따른수중환경분석방안 권역별로차이는있으나수중사석고르기작업을진행할경우, 수중에서부유사들로인한탁도발생이크게일어날것으로예상되며, 이에대한대비책으로수중장비에는카메라이외에초음파카메라또는멀티빔센서등의활용이불가피할것으로예상된다. Fig. 13.

5 Fig. 14. Turbidity by regional groups Fig. 12. Turbidity of Pohang area(unit : NTU) Fig. 12는포항지역을탁도측정한것으로포항신항, 포항영일만항, 영일만신항을측정하였다. 해수의순환이좋은포항영일만항이 0.67NTU로가장낮은것으로나타났으며, 영일만신항도 0.83NTU로좋은것으로나타났다. 가장내측에있는포항신항도 2.03NTU이하로타지역에비하여탁도가좋은것으로나타났다. Fig. 14는측정데이터를권역별로분류한것으로서각지역별로최대값을제외하고평균한데이터를나타낸것이다. 동해권은최대 1.52NTU 이며, 남해에서는진도가 26.64NTU로가장높다. 서해권은전반적으로탁도가매우높고인천권이 37.50으로가장높은것으로나타났다. 탁도측정결과서해에서남해를거쳐동해쪽으로갈수록탁도는점점낮아지는것으로나타났다. 그러나본측정데이터들은자유수면에서의탁도를측정한것으로수중에서작업을할경우지반조건에많은영향을받을것으로판단된다. 3. 탁도에따른수중환경분석방안 권역별로차이는있으나수중사석고르기작업을진행할경우, 수중에서부유사들로인한탁도발생이크게일어날것으로예상되며, 이에대한대비책으로수중장비에는카메라이외에초음파카메라또는멀티빔센서등의활용이불가피할것으로예상된다. Fig. 13. Turbidity of Sokcho area(unit : NTU) Fig. 13은속초지역의탁도를측정한것으로서모든곳에서탁도가낮은것으로나타났다. Fig 에서보는바와같이동해의탁도가타지역에비해서매우좋은것으로측정되었다. Fig. 15. Visibility with turbidity depending on the location of light [1] 8893

한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 15는선행연구자 [1] 가수행한실험의결과로탁도와광원의위치에따른최대식별거리를보여주고있다. 최대식별가능거리는카올리나이트가첨가되지않았을경우인탁도 0.63NTU에서 7m 이상이었으며수조내부의모든물체의식별이가능했다. 탁도가 2.2NTU일경우, 최대식별가능거리는광원의위치에상관없이 3m 남짓으로감소했다.

수중의환경을안정적으로인식하기위한좋은솔루션중하나는 Fig. 16 17과같이멀티빔이미징소나 (multi-beam imaging sonar) 를활용하는것이다 [2]. 멀티빔이미징소나의경우실시간으로전방의해저지형과장애물등을탁도가있는상황 ( 서해와동일한 30NTU에서도가능 ) 에서도이미지의밝은면과그림자정보등을이용하여확인할수있는장점이있다.

6 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 15는선행연구자 [1] 가수행한실험의결과로탁도와광원의위치에따른최대식별거리를보여주고있다. 최대식별가능거리는카올리나이트가첨가되지않았을경우인탁도 0.63NTU에서 7m 이상이었으며수조내부의모든물체의식별이가능했다. 탁도가 2.2NTU일경우, 최대식별가능거리는광원의위치에상관없이 3m 남짓으로감소했다. 하지만탁도 4.92NTU에서는광원이사물옆에위치했을경우가카메라옆에서비추는경우에비해식별거리가 1.61m에서 2.39m로약 50% 가량증가했으며, 증가분은 6.26NTU 탁도에서최대 86% 에도달한후탁도가증가할수록감소했다. 탁도가매우높은 15.38NTU 이후에는탁도가높아질수록최대식별거리의차이가거의발생하지않았다. 수중의환경을안정적으로인식하기위한좋은솔루션중하나는 Fig 과같이멀티빔이미징소나 (multi-beam imaging sonar) 를활용하는것이다 [2]. 멀티빔이미징소나의경우실시간으로전방의해저지형과장애물등을탁도가있는상황 ( 서해와동일한 30NTU에서도가능 ) 에서도이미지의밝은면과그림자정보등을이용하여확인할수있는장점이있다. 또한, 전방탐지소나 (forward looking sonar) 를멀티빔소나대신에적용할수도있는데전방탐지소나의경우레이다처럼움직이기때문에수중체가움직이는동안에는다소인지가어려울수있다. 하지만수중용작업장비가저속이고탐지하는동안이동하지않는다면멀티빔의대안으로활용가능할것으로판단된다. 한편 Taketsugu[3] 의연구와같이수중굴삭기에피드백포스가적용된햅틱시스템을적극이용하여소나없이도수중전방인식을할수있다. 4. 결론 Fig. 16. Multi beam imaging sona(blueview) Fig. 17. Hammer head seaking sonar view (675, 935kHz Dual freq.) 이렇듯수중물체의경우탁도만심하지않다면수중카메라를활용하여전방의물체를인식하는것이가장확실하면서효율적인솔루션이될수있다. 하지만, 탁도가 6.5 NTU 이상에서는일반카메라를이용하여수중에서물체를인식할수없기때문에어느정도의탁도가있는실해역상황이나수중기초사석다지기현장에서 본연구에서는우리나라동해, 남해, 서해에서대표적인항만이위치하는연근해해역의탁도를측정하여권역별경향성을수치적으로확인하고, 각해역에서수중건설장비에부착하여효과적으로활용가능한수중환경모니터링시스템을고찰하였다. 먼저, 서해권의탁도는목포항을제외하고대부분 10NTU 이상이며, 최대 37NTU로매우높은탁도를보이는것으로나타났다. 이때에는일반적인카메라로는시야확보에한계가있을수밖에없기때문에멀티빔이미징소나를이용하는것이효율적이라고판단된다. 남해권의경우, 진도의조류의흐름이센지역을제외하면대부분 10NTU 미만으로탁도가뛰어난것으로나타나수중카메라를이용가능할것으로타났다. 동해권의경우에는서해권이나남해권에비해탁도가아주뛰어난것으로나타났다. 3NTU이하로서수중카메라를사용하여도시야확보가잘될것으로나타났다. 본연구에서조사된결과와같이탁도는해당위치에서의조류의흐름이나공사유무에따라서많은탁도의차이가많이발생하는것으로나타났다. 수중사석고르기작업과같은해저면토사의부유를유발시키는작업을수행한다면수중카메라를이용한시야확보는어렵게된다. 이러한경우에는멀티빔이미징소나 (multi-beam imaging sonar) 나전방탐지소나 (forward 8894

looking sonar) 를수중장비에부착함으로써수중건설용장비를효율적으로활용할수있을것으로판단된다. References [1] In-sung Jang, Sung-Jun Jung, Won-Dae Baek, Heejung Youn.

Turbidity. Journal of academia-industrial technology, 14(9)

4507 [3] Hirabayashi Taketsugu, Yamamoto Takashi, Sakai Hiroshi, Kato Hideo, Yokoi Hiroshi, "Construction of Teleoperation System with Bilateral Control for Underwater

장인성 (In-Sung Jang) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 3 월 ~ 2002 년 12 월 : 한국해양연구원연수연구원 2001 년 3 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원재직 백원대

7 looking sonar) 를수중장비에부착함으로써수중건설용장비를효율적으로활용할수있을것으로판단된다. References [1] In-sung Jang, Sung-Jun Jung, Won-Dae Baek, Heejung Youn. Visibility with Different Location and Projection Angle of Light under Turbid Water. Journal of academia-industrial technology, 12(8), , 2011 DOI: [2] Changjoo Shin, In-Sung Jang, Kihun Kim, Hyun-Tack Choi, Seung-Hyun Lee, Performance Analysis of Sonar System Applicable to Underwater Construction Sites with High Turbidity. Journal of academia-industrial technology, 14(9), , 2013 DOI: [3] Hirabayashi Taketsugu, Yamamoto Takashi, Sakai Hiroshi, Kato Hideo, Yokoi Hiroshi, "Construction of Teleoperation System with Bilateral Control for Underwater Construction Machine", Report of the Port and Airport Research Institute, Vol. 44, No. 4, pp. 53P, 장인성 (In-Sung Jang) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 3 월 ~ 2002 년 12 월 : 한국해양연구원연수연구원 2001 년 3 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원재직 백원대 (Wondae Baek) [ 정회원 ] 1981년 2월 : 동도공업고등학교 2006년과 9월 : 안산공과대학토목공학과 1980년 3월 ~ 1983년 11월 : 한국해양개발연구소기능원 1985년 1월 ~ 2009년 9월 : 한국해양연구원기술원 2009년 9월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원선임기술원 해양관측, 수중탐사, 수중장비 신창주 (Changjoo Shin) [ 정회원 ] 수중로봇, 센서융합, 소음진동 2006 년 2 월 : 부산대학교기계공학부 ( 공학사 ) 2012 년 2 월 : 부산대학교기계공학부 ( 공학석 박사 ) 2012 년 6 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원선임연구원 이승현 (Seung-Hyun Lee) [ 정회원 ] 지반공학, 지반조사, 해양구조물, 수중시공장비 원덕희 (Deokhee Won) [ 정회원 ] 2008 년 8 월 : 고려대학교사회환경시스템공학과 ( 구조공학석사 ) 2011 년 8 월 : 고려대학교건축사회환경공학과 ( 구조공학박사 ) 2011 년 9 월 ~ 2012 년 6 월 : 고려대학교연구교수 2012 년 6 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원선임연구원재직 토질역학, 기초공학 1988 년 8 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학사 ) 1991 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학박사 ) 2000 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교건축사회환경학부교수 강구조및합성구조, 해양구조, 구조해석 8895

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