해양 HNS 유출사고 초동대응의 시스템 다이내믹스 모형 개발 연구
A Study on the Development of System Dynamics Model for Marine HNS Spill Accidents
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Abstract
최근 국내 HNS 물동량이 증가하면서 유출사고의 위험도가 크게 증가하였다. 이에 따라 HNS의 다양한 종류와 특성을 반영한 HNS 유출 사고 대응 시스템 개발의 중요성이 강조되었으나, 이에 대한 정량적인 분석이 부족하다. 본 연구에서는 시스템 다이내믹스 모형을 이용하여 HNS 유출사고 대응 중 초동 대응 단계의 인과지도를 작성하고, 시뮬레이션을 통해 주요 외부변수들의 변화에 따른 민감도 분석을 통해 초동대응 시스템의 주요 인자를 분석하였다. 또한 Two-step 전략의 효과를 검증해본 결과 약 15%의 초동대응이 앞당겨 작용할 때 전체 대응 시간의 약 10% 향상을 확인할 수 있었다. 이러한 Two-step 전략의 도입은 초동대응의 골든타임을 준수하는데 기여할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
The risk of HNS spill accidents has significantly increased with the traffic of HNS on marine. It highlighted the importance of developing the response system specialized to HNS which has various types and characteristics, however, the limitation is lack of quantitative analysis. In this study, the causal loops for the early response phase of HNS spill accident response was constructed and improvement of the response capability according to the change of major components was confirmed through SD simulation. Also, the result confirmed that the two-step strategy of 15% replacement improved the total response time by 10%. The adoption of two-step strategy is expected to contribute to the compliance with the golden time of the early response.
1. 서론
위험⋅유해물질(HNS: Hazardous and Noxious Substances)은 국제해사기구(IMO)에서 2007년 발효하고 우리나라에서 2008년 가입한 OPRC-HNS 협약에 따라 “기름을 제외한 물질로서 인간의 건강과 해양생명체 또는 생물체에 해로운 물질과 쾌적성을 손상시키거나 다른 합법적인 바다의 이용을 방해하는 물질”로 정의된다. 국제적으로 약 6,500여 종에 달하며 물리적⋅화학적 특성이 다양하다. 물동량의 차이로 인해 주요 해상 운송 물질인 유류보다 사고로 인한 유출량은 적으나 국내 HNS의 해상 물동량은 지속적으로 증가하여 전체 해상 물동량의 약 19%에 이르렀고 폭발, 유독가스 발생 등의 위험이 있어 유출사고가 갖는 위험성이 현저히 높다(Korea Marine Environment Management Corporation, 2013). 2013년 부산 남동방 해상에서 발생한 MARITIME MAISIE 호 사고 사례는 운행 중이던 두 선박이 충돌하여 파라자일렌 등 3종의 HNS가 유출되고 약 442시간동안 큰 화재가 지속된 사고로, 사고선박이 연안으로 이동하거나 선체 폭발 시 국가적 재앙으로 발전할 수 있었던 대표적인 HNS 사고 사례로 지적된다(Korea Coast Guard, 2014).
이에 따라 국내 HNS 유출사고 대응 시스템의 문제점을 진단 및 개선하기 위한 연구개발이 시급하나 연구개발 및 제도적 발전이 상당한 수준까지 발전된 기름 유출사고에 비해 그 성과가 미진하다(Korea Coast Guard, 2011). 현재까지 진행된 국내 연구로 Lee et al.(2012)는 국내 해양 HNS 사고를 통계적으로 분석하여 위험도를 평가하고, 방제자원의 현황을 분석하여 평가된 위험도에 기반한 최적 방제 자원 배치 모델을 제시하였다. Cho et al.(2013)는 일반적인 해양사고와 차별화된 HNS 사고의 사고 유형을 새롭게 선정하여 사고 시나리오를 도출하고, 마찬가지로 해양 HNS 사고를 통계적으로 분석하여 시나리오 별 발생 확률을 계산하였다. 이와 함께 부상 정도에 따른 사망자 환산 지표인 MAIS 지표를 사용하여 인명피해가 반영된 위험도를 평가하고, 위험도가 높은 시나리오의 사고 예방을 위한 조치사항을 제시하였다. 또한, 기존 HNS 사고 대응 실패 사례 분석을 통해 올바른 초동 대응의 중요성과 초동대응에 특화된 대응 행위자의 필요성이 강조된 바 있다(Ryu, 2016).
한편 기존 해양 사고 분석의 주요 분야인 기름 유출 사고에 비해 짧은 역사로 자료 및 사고 데이터 부족이 통계적 기법 기반 연구의 한계점으로 지적되었는데(Korea Coast Guard, 2011; Cho et al., 2013), Lofdahl(2009)는 재난 대응 시스템 분석에서 시스템 다이내믹스(SD: System Dynamics)가 갖는 장점으로 적절한 시나리오와 변수 설정을 통해 데이터의 부족을 해소할 수 있으며 필요 시 최악의 시나리오를 가정하여 시뮬레이션 결과가 적어도 재난 대응의 최소 지점을 모사할 수 있다는 것을 강조하였다. 변수 간 관계 설정이 타겟 시스템에 대한 연구자의 분석에 기반하여 자유롭게 가능하므로 다변수(multi-variable) 시스템의 분석이 용이하다는 것 또한 유의미하다.
해양 사고 분석에 있어서 SD 모델을 구축한 기존의 선행 연구는 주로 발생원인 분석과 이를 개선하기 위한 정책 우선순위 도출에 대해서 수행되었고(Keum et al., 2003; Jeon et al., 2015), 해양 오염 방제 산업의 활성화 방안에 대한 시스템 다이내믹스 분석이 이루어진 바 있으나(Moon et al., 2012) 기름 유출사고를 대상으로 하였으며 정성적인 인과지도 작성에 그쳤다는 한계가 있다.
따라서, 본 연구에서는 해양 HNS 유출사고의 초동대응 단계에 대한 SD 모형을 구축하여 HNS 해양사고 대응 매뉴얼에 의해 이루어지는 대응 절차를 모사하고 국내 HNS 유출 사고 대응 과정에 대한 정량적 분석에 기여하고자 한다, 또한 선행연구에서 제시된(Ryu et al., 2016) 초동 대응에 특화된 대응 행위자인 초동대응 기동선단(Early Task Force)의 도입에 따른 방제 역량 증대 효과를 검증하고자 한다.
2. 해양 HNS 유출사고 초동대응의 SD 모형 구축
2.1 해양 HNS 유출사고 매뉴얼 분석 및 인과지도 메커니즘
국내 해양 HNS 유출사고는 위험⋅유해물질(HNS) 해양사고 대응 매뉴얼(Korea Coast Gurad, 2009)에서 정의하는 방법과 절차에 따라 대응이 이루어지고 있다. 해당 매뉴얼은 HNS 유출사고 대응을 사고 접수, 초동 대응, 전략 방제, 사후 관리의 4단계로 분류하고, 각 단계의 대응 행위들을 세분화하여 서술한다. 본 연구에서는 HNS 유출사고의 최종 피해에 막대한 영향을 끼치는 단계로서 선행 연구를 통해 그 중요성이 강조된(Ryu et al., 2016) 초동대응에서 실제 현장에서 이루어지는 대응 행위들을 기반으로 사고 대응 SD 모형을 구축하였다. 초동대응 단계에서 이루어지는 대응 행위는 대응 의사 결정, 유출된 HNS 탐지, 확산 방지 펜스 전장, 파공 봉쇄로 구성되며 Table 1에 요약되어 있다. 현장대응팀이 사고 현장에 도착하면 유출된 HNS를 탐지하여 유출 물질의 종류, 유출 범위 등의 사고 정보를 수집한다. 수집된 정보를 바탕으로 현장의 상황을 파악하여 위험지역(Hot zone), 준 위험지역(Warm zone), 안전지역(Cold zone)을 설정 한 뒤, 가능한 파공을 봉쇄하고 위험지역과 준 위험지역의 경계에 확산 방지 펜스를 전장하며, 가능한 경우 긴급흡착포, 소화포 등 긴급 처리를 하도록 되어 있다. 파공 봉쇄와 펜스 전장으로 유출 및 확산이 안정화되면 다음 단계인 전략 방제가 진행되어 본격적으로 유출된 HNS의 흡착 및 처리가 이루어진다.
Actions for Early Response
각 대응 행위들에 부합하는 피드백 루프로 이루어진 인과지도(Causal loop diagram) 및 사용된 변수들이 Fig. 1과 Table 2에 나타나 있다. 대응 요원들의 인적 오류가 없다고 가정할 때, 각 대응 행위의 작동 여부를 직접적으로 결정하는 변수는 대응 요원들의 접근성(Accessibility)이 된다. HNS가
Causal Loop Diagrams of Early Response for HNS Spill Accidents
Components Description in Causal Loops Diagram
유출된 범위 내에서 직접 움직여야 하는 HNS 탐지(Detection and monitoring)와 긴급 처리(Urgent disposal)는 접근성이 종속변수로 작용한다. 파공 봉쇄(Blocking) 및 확산 방지 펜스 전장(Fencing)은 일정 수준의 접근성이 확보되기만 하면 대응 행위가 이루어질 수 있기 때문에 접근성이 하한계조건(threshold condition)으로 작용한다. 대응 의사 결정은 안전지역에서 이루어지기 때문에 접근성과 직접적인 인과관계는 없다. 각 대응 행위들은 현장대응팀이 현장에 도착한 후(Response team arrival time)에 이루어진다. 또한 현장에 출동하면서 출동 중 수집된 사고 정보(Information gained before arrival)를 확인한다. 전체 인과지도에서 각 대응 행위가 접근성에 의해 향상되고 대응 행위가 이루어지면서 접근성을 향상시키는 상호작용을 확인할 수 있다.
대응 요원들의 접근성은 안전 수준(Safety level of members)에 의해 향상되며, 안전 수준은 안전 장비 수준(Level of safety equipment)과 현장 상황 파악 수준(Site investigation level)에 의해 함께 향상된다. 이 때, 모든 정보를 모르더라도 완벽히 안전이 보장되는 장비가 있으면 높은 접근성을 보장할 수 있다는 점에 착안하여 안전 장비 수준에 더 높은 가중치를 둘 수 있으며, Korea Coast Guard(2011)의 HNS 대응 훈련 평가에서 정의하는 두 요소의 중요도 점수를 가중치로 사용하였다. 현장 상황 파악 수준은 규명되지 않은 현장 정보(Full information)에서 현장 탐지(Detection and monitoring)가 이루어짐에 따라 얻는 정보에 의사결정의 정확성(Accurate coefficient)에 따라 계산된 현장 정보 규명(Site info gain)에 의해 향상된다. 의사결정의 정확성은 사고 정보에 따른 정확한 대응 정보 데이터베이스의 수준(Level of database)에 의해 향상될 수 있다.
파공 봉쇄는 유출속도(Outflow)를 감소시킨다. 완전히 이루어질 경우 유출이 더 이상 일어나지 않아 사고 선박 내 잔여하는 HNS의 양(HNS in tank)과 바다에 유출된 HNS의 양(HNS on sea)이 더 이상 변하지 않는다. 바다에 유출된 HNS의 양은 흡착, 방산, 연소 등 적절한 처리(Disposal)에 따라 감소시킬 수 있다. 펜스 전장(Fencing)은 확산속도(Diffusion)을 안정화 시킨다. 완전히 이루어질 경우 확산이 더 이상 일어나지 않고 확산 면적(Diffusion area)이 일정하게 유지된다. HNS 탐지는 확산 면적과 탐지 장비 성능(Capacity of detection equipment)에 의해 결정된다.
초동대응 기동선단은 사고 발생 즉시 최소한의 장비를 탑재하고 사고 현장으로 출동하여 전략적 대응이 이루어지기 전 일차적 대응을 가능케 하는 시스템이다. 이러한 개념을 반영하기 위해 대체 비율(Replace ratio)과 초동대응 기동선단 도착 시간(ETF arrival time)을 도입하였다. 대체 비율은 초동대응에서 이루어지는 각 대응 행위를 기동선단이 대체하는 비율과 초동대응 기동선단의 현장 도착 시간을 의미하고, 대체된 비율만큼의 대응 역량은 초동대응 기동선단이 현장에 도착한 후 현장대응팀이 도착하기 전까지 적용된다.
2.2 SD 시뮬레이션을 위한 변수 설정 및 모델 검증
Fig. 1과 Table 2에 나타난 변수 간 관계 및 변수들의 초깃값을 Table 3과 같이 설정하였다. 사고 선박 내 잔여 HNS 양의 초깃값, 유출 속도 및 확산 속도 등 사고 상황을 나타내는 변수들은 HNS 유출사고 대응 가상 시나리오(Lee et al., 2014; Korea Coast Guard, 2011)의 값을 사용하였으며 대응 행위들의 역량, 각 대응 행위에 필요한 접근성의 하한계조건 값 등 대응 행위의 역량을 나타내는 변수들은 HNS 유출사고 대응 가상 시나리오(Lee et al., 2014; Korea Coast Guard, 2011)와 사고 대응 매뉴얼(Korea Coast Guard, 2009) 및 해양경찰청의 자문을 통해 설정되었다. 탐지 장비의 성능과 같이 가능한 값이 여러 가지인 변수의 경우 Lofdahl(2009)가 제안한 바와 같이 가장 최악의 시나리오를 위한 값을 사용하였다. 초동대응 기동선단의 도착 시간(ETF arrival time)은 HNS 유출사고 대응 가상 시나리오에서 가장 먼저 도착하는 방제정의 시간과 같게 10분으로 설정하였고, 대응 대체 비율(Replace ratio)은 모델 검증 단계에서 0으로 설정하고 0과 1사이에서 민감도 분석을 진행하였다.
Mathematical Description for Simulation of SD Model
Fig. 2는 Table 3의 시뮬레이션 결과를 사고 상황을 나타내는 주요 변수를 이용하여 나타낸 것이다. 세 가지 저장 변수(Stock)들과 인과지도의 핵심 컴포넌트인 대응요원의 접근성이 사고 현장을 나타내는 주요 변수로 선정되었다. 현장대응팀이 도착한 후 유출된 HNS의 탐지를 통해 사고 현장을 파악하는 것이 Fig. 2 (c)에서 확인되며, 대응요원들의 접근성을 향상시키는 것이 Fig. 2 (d)에서 확인할 수 있다. 이후 펜스 전장과 파공 봉쇄에 필요한 접근성이 확보됨에 따라 유출 범위가 안정화되고 유출속도가 감소하여 바다에 유출되는 속도가 감소하는 것이 표현되었다. Fig. 2 (a)에서는 바다에 유출된 HNS 양의 변화에 따라 파공 봉쇄 및 긴급 처리의 효과를, Fig. 2 (b)에서는 확산 범위의 변화를 통해 펜스 전장의 효과를 확인할 수 있다.
SD Simulation Result for Early Response
개발된 모형의 검증을 위해 시뮬레이션 결과와 HNS 유출사고 대응 가상 시나리오를 비교한 결과가 Table 4에 나타내었다. 비교대상은 각 대응 행위가 완료되는데 걸리는 시간이며, 긴급 처리는 대응이 이루어지는 동안 가능한 연속적으로 이루어지므로 비교에서 제외하였다. 각 대응 행위들이 완전히 마무리되는데 걸리는 시간의 오차율들의 RMS 값은 26.91로 계산되어 위험⋅유해물질(HNS) 해양사고 대응 매뉴얼의 초동대응 단계를 모사하는 데 개발된 SD 모형이 적합한 것으로 판단된다.
Comparison of Time to Finish Response Between Scenario and Simulation Result
2.3 SD 모델의 민감도 분석
구축된 SD 모델의 주요 변수들에 대해 외부변수(exogenous variable)들에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 외부변수란 시스템의 구조와 상관없이 외부에서 독립적으로 작용하는 것으로 시스템 작동을 위해 입력되는 값이다. 사용된 외부변수는 대응 요원의 안전 장비 수준과 대응
정보 데이터베이스의 수준이다. 각 외부변수들을 초깃값인 100%에서 20%씩 감소시키며 주요 변수들의 변화를 관찰하였다.
Fig. 3은 안전 장비 수준에 대한 민감도 분석의 결과를 나타낸다. 안전 장비 수준이 낮아짐에 따라 유출된 HNS 탐지 대응이 최대의 효율을 발휘할 수 없어 사고 현장 파악이 늦어지는 것을 Fig. 3 (c)에서 확인할 수 있다. 이에 따라 Fig. 3 (d)에서 대응 요원의 접근성 향상도 천천히 이루어진다. 특히, 안전 장비의 수준이 낮아지면서 접근성의 최대 한계(upper boundary)값이 결정되는 것이 확인되었다. 이는 비록 유출 물질의 종류와 특성, 유출 범위 등 사고 대응 정보가 완전히 파악되더라도 적합한 안전 장비가 준비되지 않으면 대응 요원의 활동이 제한되기 때문인 것으로 분석된다. 접근성의 최대 한계가 생성되면서 파공 봉쇄와 펜스 전장에 필요한 접근성이 확보되지 않는 경우가 생기는 것이 Figs. 3 (a)와 (b)에 나타나 있다. Fig. 3 (a)에서 안전 장비 수준이 80% 이하일 때 파공 봉쇄가 이루어지지 않아 유출이 지속적으로 일어난다. Fig. 3 (b)에서 안전 장비 수준이 20% 이하일 때 펜스 전장이 이루어지지 않아 확산이 지속적으로 일어난다. 또한 접근성의 변화에 따라 긴급 처리의 효율이 낮아지는 것을 Fig. 3 (a)에서 확인할 수 있다.
Sensitivity Analysis on Level of Safety Equipment (100, 80, 60, 40, 20)
Fig. 4는 대응 정보 데이터베이스 수준에 따른 민감도 분석의 결과이다. 안전 장비의 수준과 전체적으로 같은 경향성을 나타내었다. 데이터베이스 수준이 높을수록 더 정확한 의사결정 및 사고 현장 파악이 가능한 것이 Fig. 4 (c)에 나타나 있다. 이에 따라 Fig. 4 (d)와 같이 접근성이 더 빠르게 확보되며 파공 봉쇄, 펜스 전장, 긴급 처리의 대응 효과 변화가 Figs. 4 (a)와 (b)에서 확인된다. 단, 접근성의 최대 한계가 생성되지 않는 것을 확인할 수 있고 이에 따라 파공 봉쇄와 펜스 전장에 필요한 접근성이 확보되지 않는 상황은 관찰되지 않았다. 두 외부변수들에 대한 민감도 분석 결과 접근성의 최대 한계 생성 유무와 초동 대응이 완료되는 90분에 바다에 유출된 HNS의 양을 비교해 볼 때, HNS 해양사고 대응 매뉴얼의 초동대응 시스템에는 대응요원의 안전장비 수준이 대응 정보 데이터베이스 수준보다 전체 대응 역량을 결정하는 더 주요한 인자로 판단된다.
Sensitivity Analysis on Level of Accident Database (100, 80, 60, 40, 20)
3. 해양 HNS 유출사고 초동대응을 위한 초동대응 기동선단 도입 효과 분석
국내 해양 HNS 유출사고 대응 시스템 개발의 중장기 로드맵에서 제시하는 단계 별 목표를 지속적으로 달성하되, 현 상황에서 일차적으로 대응 역량을 높이기 위한 전략으로 초동대응 기동선단 플랫폼이 제안된 바 있다(Ryu, 2016). 본 연구에서 개발된 SD 모형을 통해 초동대응 기동선단 초동대응 기동선단 전략을 검증하였다.
초동대응 기동선단은 사고 발생 즉시 최소한의 장비를 탑재하고 사고 현장으로 출동하여 전략적 대응이 이루어지기 전 일차적 대응을 가능케 하는 시스템이다. 이러한 개념을 반영하기 위해 초동 대체 비율(Replace ratio)과 초동대응 기동선단 도착 시간(ETF arrival time)이 도입되었다. 각 컴포넌트는 초동대응에서 이루어지는 대응 행위들을 기동
선단이 대체하는 비율과 초동대응 기동선단의 현장 도착 시간을 의미한다. 대체된 비율만큼의 대응 역량은 초동대응 기동선단이 현장에 도착한 후부터 현장대응팀이 도착하기 전까지 적용된다. 현장대응팀이 도착한 후로는 기동선단이 대체하고 남은 비율만큼의 대응 역량이 적용된다.
대체 비율을 0.01 간격으로 변화시키면서 민감도 분석을 수행한 결과가 Fig. 5와 Table 5에 요약되어 있다. 초동대응 기동선단을 이용한 two-step 전략 도입으로 HNS 유출 사고 대응에 필요한 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 사용된 가정 하에 초동대응 기동선단이 기존 대응 행위의 15%를 대체할 때, 전체 대응이 완료되는 시간이 105분으로 가장 짧은 것을 확인할 수 있었다. 이 때, 초동대응 기동선단의 two-step 전략 도입으로 초동대응 단계인 90분 동안 HNS의 유출량 감소 효과는 80.78톤으로 이는 선행연구에서 제시된(Korea Marine Environment Management Corporation, 2013) 톤당 2천5백만 원의 피해예상액에 비추어 볼 때 약 20억 원의 경제적 효과로 환산할 수 있다.
Causal Loop Diagrams of Early Response for HNS Spill Accidents
Summary
대체 비율이 65% 이상으로 늘어나면 대응 시간이 기동선단 도입 전보다 더 오래 소요되고, 98% 이상으로 늘어날 경우 시뮬레이션 시간 내에 대응이 끝나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 대응 역량을 앞당겨 사용함으로서 발생하는 two-step 전략의 기회비용이 기동선단의 효과보다 커지기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결론
최근 해양 HNS 유출사고의 잠재적 위험성이 크게 증가하면서 적절한 대응 시스템의 필요성이 강조되었다. 그러나 과거 주요 연구 분야였던 기름의 경우와 그 특성이 상당히 달라 HNS 유출사고에 특화된 대응 시스템의 개발이 주요 과제로 제시되었다. 이를 위해 기존 HNS 유출사고 대응 시스템의 문제점을 진단 및 개선하기 위한 연구들이 이어졌으나 정량적 분석이 부족하였고, 그 외의 통계적 분석은 데이터 부족으로 인한 한계가 존재하였다.
따라서 본 연구에서는 기존 HNS 유출사고 대응 시스템의 정량적 분석을 위해 시스템 다이내믹스를 활용하여 해양경찰청에서 사용하는 HNS 해양사고 대응 매뉴얼의 초동대응 단계를 모사하였다. 매뉴얼 분석을 통해 인과지도가 작성되었으며 시뮬레이션을 위한 변수값 및 변수 간 관계들은 선행연구의 사고 시나리오, 보고서, 해양경찰청의 자문을 통해 설정되었다.
시뮬레이션 결과 각 대응 행위들에 필요한 시간의 오차율들이 26.91의 RMS 값을 가지는 것으로 계산되었으며, 민감도 분석 결과 대응 요원의 안전 장비 수준이 대응 정보 데이터베이스 수준보다 더 중요한 인자로 분석되었다. 또한 초동 대체 비율(Replace Ratio)을 도입하여 선행 연구에서 제시되었던 초동대응 기동 선단을 활용한 Two-step 전략의 효과를 확인하고자 하였고, 15%의 대응 역량을 앞당겨 사용할 때 대응 시간이 최대 9.5% 감소하였다. 이는 시뮬레이션에 적용된 가상 시나리오의 사고 상황에서 약 20억 원의 경제적 효과로 환산될 수 있다. 그 이상으로 초동 대체 비율을 증가시키면 기회비용의 증가로 대응 시간의 향상 정도가 감소하는 것을 확인하였다.
본 연구에서 구축된 시스템 다이내믹스 모델은 국내에서 이루어진 바 없는 해양 HNS 유출사고 대응 시스템의 정량적 분석에 기여한다는 점에서 의의가 있으나, 모델의 적합성에 대한 더 엄밀한 검증이 여전히 필요하다. 특히 많은 가정이 포함된 HNS의 유출과 확산에 대한 물리적 거동이 더 상세하게 묘사될 필요가 있다. 또한 본 모델은 HNS 유출사고 대응 매뉴얼의 초동대응 단계를 타겟으로 하여 실제 현장에서 발생할 수 있는 문제점들을 확인할 수 없다는 한계점이 명확하며, 후속 연구를 통해 보완되어야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 재난안전기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임[MPSS-해경-2015-01].