선박 재난 사고는 꾸준히 발생하고 있으며, 1911년 타이타닉호 침몰사고를 비롯하여 최근 우리나라에서도 2014년 세월호 침몰 사고가 있었다. 그 이후에도 2015년 나일강에서는 여객선 침몰로 20명 이상이 익사하는 사고가 발생하였다. 최근 들어 선박의 규모가 커지고 구조가 복잡해짐에 따라 많은 인원과 화물이 선박 내 제한된 공간에 탑승 및 적재되어, 사고 발생 시 상당한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다.

국제 해사 기구(International Maritime Organization; IMO)에서는 이러한 선박 재난 사고에 대비하기 위해, 여객선 설계 시 비상 상황에서의 승객 탈출에 대한 규정인 Maritime Safety Committee / Circulation 1238 (IMO MSC / Circ. 1238)을 마련하고 있으며, IMO에서는 여객선 승객의 안전을 위해 이 규정을 만족할 것을 요구하고 있다[1]. 현재까지 이러한 IMO 규정을 만족하기 위한 많은 국내외 연구개발이 진행되어 왔으며, 선박 재난상황뿐만 아니라 일반적인 육상 재난상황에 대응하기 위한 다양한 기술들이 개발되어왔다.

재난상황에서의 적절한 대응을 위해, 경로탐색 및 최적화 알고리즘을 활용한 다양한 대피경로 탐색 및 유도 방안이 연구되었다. 이러한 대피경로 탐색 방안은 선박 및 건물 등 구조물 내부의 전체적인 상황 정보를 수집·활용하여 최적의 대피경로를 탐색하는 중앙집중적 방식과[2], 재난상황으로 인해 특정 지역이 고립될 경우에 대비하여 효과적인 대피경로를 제시하기 위한 분산적 대피경로 결정 방안이 제안되었다[3]. 하지만 지금까지 대피경로 탐색을 위한 많은 연구가 있어왔지만, 대피자들에 대한 효과적인 구조방안에 대한 최적화 연구는 거의 이루어지지 않아서, 주어진 시간 내에 최대한의 생존자 구조를 위한 구조자원의 효율적인 투입이나 구조자의 안전을 확보할 수 있는 방안이 제시되지 못하였다.

최근 본 연구진에서는 유전 알고리즘을 적용한 구조경로 탐색 방안에 대한 기초연구[4]를 수행하였으며, 이를 통해 유전 알고리즘 기반으로 구조경로를 효과적으로 최적화할 수 있음을 확인하였다. 하지만 선박 내 재난상황을 가정한 컴퓨터 시뮬레이션에서 구조경로가 최적화되지 못하는 예외상황이 관찰되어 이에 대한 보완이 필요하다. 아울러 구조경로의 최적화뿐만 아니라 구조자 인원수와 같은 구조자원 투입량의 최적화를 위한 방안이 보완되어야 실제 재난상황에 대한 적용이 가능할 것이다.

따라서 본 논문에서는 선박 내 재난상황을 가정한 상태에서 최적의 구조경로를 탐색하고 구조자원 투입량을 최적화할 수 있는 방안을 제안한다.

본 논문의 2장에서는 제안한 방식의 근간이 되는 유전 알고리즘에 대해 간단히 살펴본 후, 3장에서는 본 논문에서 제안하는 유전 알고리즘 기반의 구조 경로 탐색 및 구조자원투입 최적화 방안을 기술한다. 이후 4장에서 제안된 시스템에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능 평가 결과를 살펴보고, 이후 5장에서 본 논문의 결론을 맺는다.

유전 알고리즘(Genetic Algorithm)은 생물의 진화과정, 즉 자연선택(natural selection)과 유전법칙을 모방한 확률적 탐색 기법으로, 생물의 진화과정을 추상화하여 인공시스템을 설계하고자 하는 알고리즘이다[5]. 문자열의 형태로 정의된 개체, 즉 해(solution)와 그 해들의 전체 집합에 해당하는 해집단에서의 교차(crossover) 및 돌연변이(mutation)와 같은 유전연산의 과정을 적용하고 적합도 평가를 통해 다음 세대에 생존할 개체를 선별하는 과정을 반복하여 최적의 해를 찾아가는 추상화된 방식으로 그 개념과 적용이 단순하고, 해의 탐색성능이 우수하여 다양한 분야의 최적화 또는 의사결정문제에 적용이 가능하다. 초기 모집단에 대한 적합도 평가에서부터 전체적인 유전 알고리즘의 흐름을 Figure 1에 도시하였다.

Figure 1: 
Procedure of genetic algorithm

특히 유전 알고리즘의 다양한 적용 분야 중, 조립 라인 밸런싱(Assembly Line Balancing: ALB) 문제는 조립 라인에 존재하는 작업장에서 이루어질 작업들을 부과된 제약조건을 준수하며 목적함수로 주어진 요구사항을 최적화하기 위하여 작업장에 할당하는 문제와 관련된다[5]. ALB 문제에서 주로 다루는 문제는, (1) 사이클 타임이 주어지고 작업장 수를 최소화하는 문제, (2) 작업장 수가 주어지고 사이클 타임을 최소화하는 문제, (3) 작업장 간 작업부하의 균등화 문제, (4) 작업 관련성의 최대화 문제이다[6]. 즉 문제 (1)과 (4)는 조립 라인에서 이루어질 작업들에 대한 작업 허용시간이 고정된 문제이고, 문제 (2)와 (3)은 조립 라인 내 작업장의 수가 고정된 문제이다. 본 논문에서 고려하는 선박 내 재난상황은 대피자가 분포한 공간, 즉 구조가 필요한 공간까지의 경로를 작업장으로 두고 사이클 타임 즉 구조 소요시간을 최소화하는 문제로 적용될 수 있으므로, 유전 알고리즘 기반 ALB 문제 해결의 과정으로 변환하여 진행한다. 물론 재난상황에서 선박 내 존재하는 잔여 산소량, 선박 침몰까지 예상시간 등 구조작업 완료시간에 대한 제약이 명확히 제시될 경우에는 문제 (1), (4)의 관점에서 최적화가 가능할 것이다.

유전 알고리즘의 조립 라인 밸런싱 문제에 재난상황에서의 구조경로 최적화 문제를 대입하여 구조자 진입 및 구조경로의 최적화를 실시한 기존 연구결과[4]는 선박 내 재난상황을 가정한 컴퓨터 시뮬레이션에서 구조경로가 최적화되지 못하는 예외상황이 관찰되어 이에 대한 보완이 필요하다.

이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 개체표현 관점에서의 보완을 통해 개체해석 과정에서의 문제를 해결하여 발견된 예외상황을 해결하였으며, 아울러 구조경로의 최적화뿐만 아니라 구조자 인원수와 같은 구조자원 투입량의 최적화를 위한 방안을 마련하여 실제 재난상황에서의 구조작업에 적용될 수 있도록 한다.

조립 라인 밸런싱 문제의 4 유형 중 문제 (2)의 관점에서 외곽 출입구 중심으로 구성된 구조경로를 작업장에 대입하고 사이클 타임, 즉 총 구조작업시간을 최소화하는 문제로 변환하여 Figure 2와 같이 유전 알고리즘을 적용한다.

Figure 2: 
Proposed procedure

본 논문에서는 재난상황에서 구조경로 최적화와 구조자원 투입 방안의 최적화를 위해 유전 알고리즘의 조립 라인 밸런싱 문제를 적용하는 방안을 제안하였다. 기존 연구 결과를 재난 상황에 적용한 결과 발생한 예외상황을 해결하기 위해 유전 알고리즘의 개체표현 방식을 변경하고, 구조자원 투입 방식의 최적화 관점에서의 검증을 수행하였다. 선내 재난상황을 단순화하여 모델링하고 이를 적용한 환경에서 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하여 제안한 방식의 성능을 검증하였으며, 그 결과 구조경로 및 구조자원 투입의 최적화를 위해 적용할 수 있음을 확인하였다. 향후 본 기반연구를 토대로 상세한 재난상황의 모델링을 통해 구조경로 최적화 알고리즘을 구체화하고, 실제 선박환경에서의 실험을 통해 실효성을 보완할 것이다.