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일반적으로 해상에서의 안전을 위해서 주로 이용되는 부이는 해양관측 및 탐사부분으로 그 영역을 확장하고 있다. 기상청에서는 기상관측자료의 모니터링을 위하여 해상에서 부이를 운용중이며, 또한 최근에는 적조를 예측하고 감시를 위하여 부이를 이용하기도 한다[1]. 또한 부이를 사용하여 수중감시를 수행하는 개념도 나타나게 되었다. 한번 설치되면 설치지역에 국한되어 운용되는 고정형 수중감시체계와는 달리 필요시 특정 해역에 설치되어 일정기간 운용이후, 회수하여 다른 해역으로 이동하고 재설치하여 수중감시를 수행하는 부이형 수중감시 시스템은 해양환경에 대한 설치/회수성 및 안정성을 유지하는 설계가 필수적이다. 부이형 수중감시 시스템은 크게 부이조립체, 계류라인, 그리고 배열센서조립체로 구성된다. 일반적인 기상관측부이와는 다르게 변화하는 해상상황에 대하여 배열센서조립체의 설치상태 유지가 필수적으로 요구되며 태풍과 같은 악천후 시 긴급 회수 또는 시스템의 생존성이 설계와 제작에 반영되어야 한다. 본 논문에서는 부이형 수중감시 시스템의 구성요소 중 계류라인에 대한 설계와 제작을 수행하였다. 설계와 검증을 위하여 수치실험과 조파수조 시험을 수행하여 수치실험 프로그램의 설계 유효성을 검증하고 해상시험 해역을 대상으로 최종 설계를 수행하였다. 최종 설계된 계류라인은 실제 제작하여 해상시험을 통하여 설계 사양 이상의 안전성을 확인하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장은 부이형 수중감시 시스템의 계류방법과 계류라인 구조에 대하여 기술한다. 3장에서는 설계 및 해석의 유효성을 검증하기 위하여 수치실험과 조파수조시험 결과에 대하여 기술한다. 4장에서는 해상시험해역을 대상으로 최종 설계한 계류라인 구조와 실제 제작하여 운용한 해상시험 결과에 대하여 기술한다. 마지막으로 5장에서는 결론과 향후연구에 대하여 기술한다.

부이형 수중감시 시스템은 고정형 수중감시체계와는 다르게 해역에 설치되어 수중감시를 수행하고 회수 이후, 해역을 이동하여 설치하고 운용할 수 이동형 수중감시 시스템이다. 부이형 수중감시 시스템에서 계류라인은 설치해역에서 부이조립체와 배열센서조립체의 설치성을 유지하고 운용설계 사양인 최대 유의파고 4.0m에 대하여 안정성이 유지되도록 설계 되어야 한다. 계류라인 설계 이전, 수중에서 수신되는 신호를 부이조립체로 전달되는 신호전송케이블과 간섭이 없는 계류방법 선정이 선행되어야 한다. 계류방법 및 계류라인 설계를 위하여 영국 Orcina 사에서 Flexible riser와 계류 시스템의 설계와 해석을 위해 개발하여 환경변화가 심한 해양시스템의 정적/동적 해석을 위한 모델링에서 광범위하게 사용되는 Orcaflex를 이용하였다[2]. 부이형 수중감시 시스템에 적합한 계류방법을 선정을 위하여 1점 계류, 2점 계류, 그리고 3점 계류 방법[3]을 고려하여 그림 1에서 나타낸 신호전송 케이블과 간섭이 발생하지 않는 2점 계류 방법이 선정되었다.

Fig. 1. 
2-point mooring method

부이형 수중감시 시스템의 계류방식을 선정하기 위하여 미국의 National Data Buoy Center의 해양기상관측용 부이에 적용되는 All-chain, Semi-taut, 그리고 Inverse-Catenary 3종류의 계류방식을 고려하였다[4]. All-chain 방식은 체인으로만 구성되기 때문에 큰 수직하중이 가지므로 낮은 수심에서만 사용된다. Inverse-Catenary 방식은 심해계류를 목적으로 사용되며 나일론, 와이어로프, 금속체인으로 구성되며 정적하중을 제어하는데 효율적이지만 많은 진동을 발생하여 피로파괴의 위험이 높다. 부이형 수중감시 시스템에서는 이동성과 설치/회수성 등을 고려하여 중간 수심 환경에 사용되는 Semi-taut 방식을 적용하였다.

Semi-taut 방식 계류라인의 기본구조는 부이조립체와 연결되는 부이체인(Buoy chain), 시스템을 지지하는 무게추와 연결되는 앵커체인(Anchor chain), 그리고 부이체인과 앵커체인 사이로 나일론 로프(Nylon rope) 또는 와이어(Wire)로 구성되는 3단 복합구조로 설계되었다.

3단 복합구조로 설계한 계류라인의 유효성을 검증하기 위하여 특정 환경을 대상으로 수치실험과 조파수조시험을 통하여 결과를 비교하였다[5]. 검증 환경은 수심 30m, 유의파고는 5.0m이고 표 1에서 기술한 LC1에서 LC4까지 4가지 경우에 대하여 수행하였다. 파도(Wave)와 조류(Current)는 동일한 방향에서 동시에 작용하는 것으로 가정하였다.

3.1 수치실험

검증 환경을 대상으로 설계한 3단 복합구조의 계류라인의 사양은 표 2에서 나타내었고 해상에서의 배치형상은 그림 2와 같다. 계류라인을 제외한 다른 구성요소는 고정된 값으로 적용하고 영향을 배제하였다.

Table 2. 
Specification of the mooring line in test environment

Item	Specification
Buoy Chain	∅32 mm, Length=2.0 m Weight=22 kg/m, MBL=582.4 kN
Nylon Rope	∅40 mm, Length=35.0 m Weight=1.0 kg/m, MBL=262.3 kN
Anchor Chain	∅60 mm, Length=70.0 m Weight=79.0 kg/m, MBL=1933.3 kN

Fig. 2. 
Sketch of the mooring line in test environment

그림 2와 같은 배치형상을 적용하여 수치실험을 수행한 결과, 계산된 최대 계류라인의 장력은 계류라인 1의 경우 LC3조건에서 57.0kN, 계류라인 2의 경우 LC4조건에서 59.0kN으로 계산되었다. 표 3은 모든 시험조건에서 계산된 계류라인의 장력값을 나타낸 것이다.

Table 3. 
Simulation result of the mooring line tension

Case	Mooring line 1 [kN]	Mooring line 2 [kN]
LC1	54.3	52.5
LC2	52.2	56.2
LC3	57.0	49.9
LC4	49.5	59.0

3.2 조파수조시험

수치실험 결과와의 비교를 위하여 수행된 조파수조시험은 한국해양대학교에서 보유중인 2차원 조파수조를 이용하여 진행되었다. 조파수조시험은 기하하적 상사법칙에 따라서 부이조립체 기준, 길이로 1/43으로 축척하였다. 표 2에서 기술된 검증 환경에 대한 계류라인 설계사양은 축척비를 적용하여 표 4와 같이 조파수조 실험에 적용되는 사양으로 전환되었다.

Table 4. 
Scaled model specification of the mooring line

Item	Specification
Buoy Chain	∅1.0 mm, Length=4.7 cm
Nylon Rope	∅1.0 mm, Length=81.0 cm
Anchor Chain	∅1.0 mm, Length=163.0 cm

그림 3은 조파수조시험을 위한 배치도를 나타낸 것이고 실제 조파수조에서의 설치형상은 그림 4에서 나타내었다.

Fig. 3. 
Sketch of the mooring line experiment

Fig. 4. 
Installation shape in a wave tank

검증 환경인 수심 30m를 기준으로 축척비를 적용하여 조파수조의 수심은 70cm로 설정하였다. 또한 유의파고 5.0m, 파주기 11sec, 그리고 조류 1.0m/s은 상사법칙에 따라 조파수조에서 각각 0.12m, 1.68sec, 0.15m/s 값으로 적용하였다. 시험에 의해 측정된 계류라인의 장력값은 축척비를 이용하여 다시 실제 해상에서의 값으로 변환하였다.

표 5와 그림 5는 수치실험에서 계산된 장력값과 조파수조에서 측정된 장력값을 비교하여 나타낸 것이다. 수치실험서 계산된 값은 파란색 실선으로 표시되어 있고 조파수조에서 측정된 값은 빨간색 점선으로 표시되어 있다. 계류라인 1과 계류라인 2의 구분은 각각 작은 원과 사각형으로 표기하였다. 표 5에 나타난 조파수조에서 측정된 값은 축척비를 이용하여 해상에서의 값으로 변환된 값이다.

Table 5. 
Comparison of the result of simulation and water tank

Case	Mooring line 1 [kN]		Mooring line 2 [kN]
	Simulation	Tank	Simulation	Tank
LC1	54.3	56.7	52.5	47.2
LC2	52.2	47.0	56.2	55.5
LC3	57.0	60.4	49.9	52.5
LC4	49.5	53.9	59.0	63.2

Fig. 5. 
Result of the mooring line tension

LC1에서 LC4까지 4가지 모든 검증 환경에 대하여 유사한 경향을 확인할 수 있다. 결과적으로 수치해석과 조파수조 시험을 통하여 계류라인 설계와 설계 프로그램의 유효성을 검증하였다.

본 논문에서는 부이형 수중감시기술 시스템에서 사용되는 계류라인에 대하여 2점 계류방법을 선정하고 이동성과 설치/회수성 등을 고려하여 중간 수심 환경에 사용되는 Semi-taut방식을 적용하였다. 해상에서 위치하는 부이와 연결되는 부이체인, 시스템을 지지하는 무게추와 연결되는 앵커체인, 그리고 부이체인과 앵커체인 사이로 나일론 로프의 3단 복합구조를 계류라인의 기본구조로 선정하였고, 설계프로그램의 검증을 위하여 수치실험과 조파수조시험을 수행하였다. 수치실험에서 계산된 값과 조파수조에서 계측된 값이 유사함을 확인하여 수치실험의 유효성을 검증하였다. 검증된 수치실험 프로그램을 이용하여 실제의 시험해역을 대상으로 계류라인의 최종 설계를 수행하고 안전성을 확인하였으며, 최종 설계된 계류라인은 실제 제작되어 해상시험을 통하여 설계시 고려한 유의파고 이상에서도 안정적인 계류를 수행함을 확인하였다.

실제 해상 시험시 설계상의 문제에 의한 계류라인의 파단은 발생하지 않았지만 시험기간 중 어로활동으로 어선 및 어구에 의한 나일론 로프의 손상 이 발생하였다. 향후 실제 운용 체계로 발전시 이러한 점들을 고려하여 나일론 로프의 한계점을 극복하기 위한 대체품목 선정이 고려되어야 할 것으로 판단된다.