시뮬레이션을 활용한 컨테이너 터미널 성능 영향 요인 분석

컨테이너 터미널의 물류 프로세스

항만에 있는 컨테이너 터미널은 해상물류 네트워크의 노드로서, 주로 외항선과 내륙 운송 수단 간 또는 서로 다른 외항선 간에 표준화된 컨테이너를 연계한다. 컨테이너 터미널의 물류 프로세스는 수입, 수출, 환적으로 나눌 수 있다. 선박의 컨테이너는 안벽크레인에 의해 하역되고, 양하(discharging) 후 혹은 적하(loading) 전에는 야드에 보관된다. 야드에서의 컨테이너 취급은 야드크레인이 담당하고, 안벽크레인과 야드크레인 사이의 인터페이스는 이송 차량이 담당한다.

시뮬레이션 실험을 위한 계획

시뮬레이션 실험을 위해, 배차 방식과 여러 매개변수를 조합한 요인 설계에 따라 실험계획이 생성된다. 기준 터미널의 규모를 연간 처리량 160만 TEU로 설정하고, 기준 대비 50%, 75%, 200% 수준인 80만 TEU, 120만 TEU, 320만 TEU를 함께 고려한다. 안벽크레인, 이송 차량, 야드 블록의 수는 터미널 규모에 따라 조정되고, 터미널의 깊이는 터미널 규모에 따라 변경되지 않는다.

이송 차량의 배차 방식으로 5가지를 고려한다. 비교를 위한 대조군으로 사용될 고정 배차 외에 시간 기반 배차, 거리 기반 배차, 재고 기반 배차, 혼합형 배차 방식이 사용된다. 고정 배차에서는 각 이송 차량이 안벽크레인에 사전 할당된다. 일반적으로 안벽크레인 하나에 다수의 이송 차량이 배정된다. 이송 차량은 사전 할당된 안벽크레인의 작업 목록을 검색하여 작업을 수행한다. 거리 기반 배차에서는 이송 차량의 현재 위치와 작업 시작 위치 사이의 거리가 가장 짧아지도록 할당이 이루어진다. 시간 기반 배차에서는 할당을 위해 가장 오래 대기한 가용 차량에 할당이 이루어진다. 재고 기반 배차에서는 현재 수행해야 할 작업의 수가 가장 많은 안벽크레인에 우선하여 할당이 이루어진다. 혼합형 배차 방식에서는 거리 기반 배차, 시간 기반 배차, 재고 기반 배차를 조합한 점수를 계산한 후 이를 이용하여 할당이 이루어진다.

컨테이너 보관을 위한 야드 계획은, 블록의 특정 위치가 아닌 블록 수준으로 단순화된다. 야드 블록 할당 방식은 임의, 세 블록, 폐쇄, 혼합 할당이 고려된다. 임의 할당의 경우, 컨테이너가 모든 야드 블록에 균등하게 분산되어 무작위로 할당되며, 다른 방식과의 비교를 위해 사용된다. 나머지 방식은 실무에서 각 선박에 몇 개의 야드 블록을 할당하는 방식을 기반으로 변형한 것이다. 세 블록 할당에서는 안벽크레인별로 3개의 야드 블록이 고정적으로 할당된다. 시뮬레이션이 실행되기 전에 할당되고 실행 중에 할당은 유지된다. 폐쇄 할당의 경우에도 각 안벽크레인에 대해 3개의 고정된 야드 블록이 할당되지만, 이동 거리를 최소화하기 위해 각 안벽크레인 근처의 야드 블록을 고려한다. 혼합 할당은 세 블록 할당과 폐쇄 할당을 조합한 방식이다.

안벽크레인 생산성에 미치는 영향

연간 처리량이 80만 TEU인 터미널의 안벽크레인은 시간당 평균 25.9박스를 처리하였으나, 160만 TEU인 터미널에서는 안벽크레인의 생산성이 시간당 평균 26.7박스까지 증가하였다. 터미널 규모 증가에 따라 이송 차량의 가용성이 증가하였고, 이에 따라 안벽크레인의 작업 지연을 방지할 수 있는 유연성이 지원되었기 때문이다.

야드 블록 할당 방식 측면에서, 임의 할당은 다른 방식보다 안벽크레인 생산성이 시간당 0.2∼0.4박스 높았다. 이는 더 많은 야드 블록과 야드크레인을 사용하여 야드 영역의 지연이 감소하였기 때문이다.

이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식에 따른 안벽크레인 생산성의 범위는 터미널 규모가 커짐에 따라 증가함을 알 수 있다. 연간 처리량이 80만 TEU인 터미널에서는 안벽크레인 생산성의 범위가 시간당 0.9박스 수준이지만, 160만 TEU인 터미널에서는 안벽크레인 생산성의 범위가 시간당 2박스 수준으로 증가하였다. 따라서, 이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식의 중요성은 터미널 규모에 따라 증가한다. 대규모 터미널에 기항하는 대형 선박은 이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식을 올바르게 선택함에 따라 상당한 처리시간 절감 효과를 얻을 수 있다. 절감된 시간은 선박 지연을 보충하거나 선박 속도를 늦추고 연료를 절약하는 데 사용될 수 있다.

컨테이너 이동 거리에 미치는 영향

이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식에 따른 컨테이너 이동 거리의 범위는 터미널 규모가 커짐에 따라 증가함을 알 수 있다. 연간 처리량이 80만 TEU인 터미널에서는 컨테이너 이동 거리의 범위가 박스당 120m 수준이지만, 320만 TEU인 터미널에서는 컨테이너 이동 거리의 범위가 987m 수준으로 증가하였다. 다만, 컨테이너 이동 거리가 터미널 규모에 따라 반드시 증가하지는 않았다. 이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식의 올바른 선택으로 대형 터미널에서도 소형 터미널 수준의 컨테이너 이동 거리를 유지할 수 있음을 확인하였다.

또한, 터미널 규모가 커질수록 야드 계획 방식에 따른 컨테이너 이동 거리의 차이가 벌어짐을 알 수 있다. 연간 처리량이 80만 TEU인 터미널에서는 컨테이너 이동 거리의 범위가 평균의 9% 수준이지만, 120만 TEU, 160만 TEU, 320만 TEU 규모에서는 컨테이너 이동 거리의 범위가 평균의 19%, 31%, 58% 수준으로 각각 증가하였다. 또한 모든 규모에서 고정 배차에 따른 컨테이너 이동 거리의 범위가 다른 배차 방식에 비해 큼을 알 수 있다. 따라서 유연한 배차 방식은 야드 계획 방식의 불리함을 더 잘 보완할 수 있는 것으로 보인다. 특히 고정 배차가 사용된 경우, 컨테이너 이동 거리를 줄이기 위해 야드 계획 방식을 올바르게 선택하는 게 중요해진다. 야드 임의 할당의 경우, 혼합형 배차가 컨테이너 이동 거리를 최소화하였다. 연간 처리량이 80만 TEU인 터미널에서는 컨테이너 이동 거리의 절감이 4% 수준이었고, 120만 TEU와 160만 TEU 규모에서는 7∼8% 수준의 절감, 320만 TEU 규모에서는 15% 수준의 절감을 얻을 수 있었다. 이는 터미널의 규모가 클수록 컨테이너 이동 거리를 줄일 가능성이 크고, 혼합형 배차에서 이송 차량의 주행거리를 함께 고려하였기 때문이다.

최적 조건 발견

안벽 크레인과 야드 간의 컨테이너 이송은 선박의 컨테이너 취급과 저장 구역을 연결하는 역할을 한다. 안벽 크레인과 야드 간의 컨테이너 이송이 지연되면 부두에서의 컨테이너 처리 속도가 느려질 수밖에 없다. 따라서 이송 차량의 효율적인 배차는 컨테이너 터미널을 성공적으로 운영하는데 중요한 요소이다. 가장 효율적인 배차 방식을 확인하기 위해 여러 매개변수를 조합하여 터미널 성능과의 관계를 조사해보았다. 이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식은 비교적 쉽게 변경할 수 있으므로 터미널의 운영 목표에 따라 최적의 조합을 찾을 수 있다.

예를 들어, 터미널의 운영 목표가 신속한 선박 하역이라면 안벽 크레인 생산성에 집중할 수 있다. 이 경우 이송 차량 배차 방식은 시간 기반 배차 혹은 혼합형 배차, 야드 계획 방식은 임의 할당으로 조합하는 것이 좋은 선택일 수 있다. 특히 대형 터미널에서는 야드 계획 방식으로 폐쇄 할당을 사용하는 것이 안벽 크레인 대기 시간을 줄이는 데 도움이 된다. 또한 터미널의 운영 목표가 처리시간보다는 에너지 절약과 이동 거리 감소에 따른 비용 절약일 수 있다. 이 경우 이송 차량 배차 방식은 고정 배차, 야드 계획 방식은 폐쇄 할당으로 조합하는 게 좋은 선택일 수 있다.

시사점

선박의 크기가 증가하고 해상 운송의 수요가 증가함에 따라 항만에 있는 컨테이너 터미널은 합리적인 운영 의사결정이 필수적인 상황이 되었다. 터미널 내의 컨테이너 이송은 해상 운송과 컨테이너 보관을 연결하는 컨테이너 터미널의 중요한 기능이다. 컨테이너 이송의 효율적인 설계는 이송 차량을 효율적으로 배차하는 것으로 터미널 성능에 큰 영향을 준다. 터미널의 여러 운영 전략 가운데 이송 차량 배차 방식과 야드 계획 방식은 비교적 쉽게 변경할 수 있으므로 다양한 매개변수를 고려한 시뮬레이션 연구를 통해 터미널의 운영 목표에 따른 최적의 운영 조건을 발견할 수 있었다. 시뮬레이션 모형의 활용도를 높이기 위해서는 매개변수의 선정과 매개변수 범위 결정에 관한 연구, 시뮬레이션 모형의 추상화 수준에 대한 검토가 사전에 반드시 수행되어야 한다.