KR100325946B1 - 선박운항 모사 평가장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박운항 모사 평가장치에 관한 것으로, 그 목적은 시운전을 수행하는 해역에서 측정의 오차요인으로 작용하는 해류의 영향을 파악하여 오차요인을 측정결과의 해석에 반영하거나 해류의 영향이 적은 지역을 선택하여 선속을 측정할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 선박의 운항특성과 시운전항로의 특성을 파악하고 모사하는 장치를 구성함에 있어서, 위성신호를 수신하는 위성수신기(1)와, 선박의 진행방향 정보를 출력하는 자이로(2)와, 타(Rudder)의 각도에 관한 정보를 출력하는 타각센서(3)와, 상기 위성수신기(1), 자이로(2) 및 타각센서(3)에서 출력되는 정보를 인터페이스(4)를 통해 전달받거나, 가상 설계된 위성정보를 보조기억매체로부터 전달받아 처리하는 중앙처리장치(5)와, 중앙처리장치(5)로부터 정보를 전달받아 분석하는 다수의 시운전해석장치(6)와, 측정분석을 위한 제어와 정보의 입출력 편이를 제공하는 사용자 그래픽 인터페이스로 구성하여 전자지도에 의한 선박의 시운전 항로 궤적의 특성을 파악하고 시운전측정을 모사 하는 장치를 요지로 한다.

Description

선박운항 모사 평가장치{Monitoring and simulation system for ship trial}
본 발명은 선박의 운항 및 항로의 특성을 분석하고 모사하는 선박운항 모사 평가장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 선박의 성능평가를 위하여 수행하는 시운전에서 시험해역의 항로특성을 파악하여 최적항로를 개발하기 위한 수단을 제공하기 위하여 센서와 인터페이스로 선박의 운항정보를 취득하는 것과 상대보정식측위장치(DGPS :Differential Global Positioning System)의 위성정보를 수신하여 해상에서 선박의 시운전을 수행하는 신조선박의 운항궤적(Running Path)을벡터(Vector) 방식의 전자지도로 표시하는 것 및 가상 설계된 위성정보로 시운전측정을 모사하는 수단을 제공하는 장치로 구성된 것이다.
국내 대형선박건조사에서는 연간 50회 이상 선박의 성능평가를 위한 시운전을 수행하고 있으며 선박의 시운전은 선주측에 신조선박의 성능에 관련한 시험운항자료를 제공하고, 선박건조사측에는 선박설계를 위한 기초자료를 제공하는 업무로서 시운전 측정에는 50여명의 인원과 4 ∼ 5일간에 걸친 준비 및 측정 그리고 선박추진연료 등을 포함하여 1회의 시운전에 2,000만원 이상의 많은 경비가 소요된다.
하지만 시운전을 수행하는 해역에서 해류 등의 오차요인으로 인하여 측정의 오차가 생기면 재측정 해야 한다는 등의 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시운전을 수행하는 해역에서 측정의 오차요인으로 작용하는 해류의 영향을 파악하여 오차요인을 측정결과의 해석에 반영하거나 해류의 영향이 적은 지역을 선택하여 선속을 측정할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.
도 1 은 본 발명의 구성도,
도 2 는 인터페이스의 연결상세도,
도 3 은 중앙처리장치용 그래픽 사용자 인터페이스 실시예도,
도 4 는 시운전해석용 그래픽 사용자 인터페이스 실시예도,
도 5 는 중앙처리장치와 시운전해석장치의 연결,
도 6 은 전자지도의 실시예도,
도 7 은 운항특성분석 실시예도,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 위성수신기 (2) : 자이로
(3) : 타각센서 (4) : 인터페이스
(5) : 중앙처리장치 (6) : 시운전해석장치
(7) : 디스켓 (8) : 프린터
(9) : 플로터 (12) : 제너다이오드
(13) : 전류제한저항 (14 ,18) : 신호변환기
(15) : 비동기 직렬 인터페이스 (19) : 종단저항
(22) : 시간창 (23) : 속도용 대화상자
(24) : 위성정보 수신창 (25) : 제어시작 버튼스위치
(26) : 종료 버튼스위치 (27) : 현대중공업 위치
(28) : 선박의 현재위치 (29) : 시험항로
(30) : 클린(Clean)버튼 (31) : 확대 버튼
(32) : 축소 버튼 (33) : 하이드 플로트 포인트
(34) : 이동거리 (35) : 경도
(36) : 위도 (37) : 셋 포지션 버튼
(38) : 오토 포지션 버튼 (39) : 선속
(40) : 편류각 (41) : 타각
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하여 먼저 항로특성을 파악하기 위한 인터페이스(4)가 갖는 기능과 구성을 상세하게 설명하면, 위성항법시스템(GPS)의 정보를 수신하는 위성수신기(1)의 출력신호는 선상의 통신잡음이 크고 위성수신기(1)와 인터페이스(4) 간의 케이블 연결거리가 선상에서 보통 10m 이상 연결해야 하기 때문에 대잡음성과 신호케이블의 장거리 배선에 유리한 RS-422 차동증폭회로의 신호로 구성되어 있다.
따라서, 인터페이스(4)에는 위성수신기(1)의 출력신호인 RS-422 차동증폭신호의 위성정보를 중앙처리장치(5)에서 수신가능한 RS-232C 신호로 변환하는 신호변환기(14)가 있으며, 직류정전압으로 유지하여 과전압으로부터 보호하는 제너다이오드(Zener Diode)(12), 과전류의 유입으로부터 신호변환기(14)의 입력단을 보호하는 전류제한저항(13), 자이로(Gyroscope)(2)와 타각센서(Rudder Sensor)(3)에서 나오는 전류형출력을 RS-232C 신호로 변환하는 신호변환기(18), 비동기 직렬 인터페이스(15) 및 신호의 반사에 의한 왜곡현상을 방지하기 위한 종단저항(Terminal Resistor)(19)으로 구성되었다.
선박에 설치된 자이로(2)와 타각센서(3)는 각각 선박의 진행방향과 타(Rudder)의 조정에 따른 변화각도를 알기 위한 센서로 사용되어 4 ∼ 20mA의 전류값을 갖는 신호를 출력하며, 신호변환기(18)는 자이로(2)와 타각센서(3) 두 종류의 센서에서 나오는 4 ∼ 20 mA 전류값 신호를 RS-232 신호로 변환하여 비동기 직렬인터페이스(15)로 출력하고 있으며, 비동기 직렬인터페이스(15)는 범용 비동기방식의 UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)로서 시운전해석장치(6) 이외에 직렬통신장치를 최대 7대까지 연결하여 사용할 수 있는 특징을 갖고 있다.
종단저항(19)은 여러 대의 시운전해석장치를 멀티드롭(Multi-Drop) 방식으로 연결할 때 발생하는 신호반사에 의한 통신오류를 막기 위한 목적으로 사용하였으며, 인터페이스(4)의 외함에는 수신기와 다수의 처리장치를 송수신 직렬케이블에 병렬로 연결하는 터미널 블록이 있다.
위성 수신기(1)에서 수신한 위성정보를 중앙처리장치(5)와 시운전해석장치(6)로 전송하기 위한 통신규약은 Com1 포트(Port), 4800 보레이트(Baudrate), O 패리티(Parity), 8 데이터 비트(Data Bit), 1 스톱 비트(Stop Bit)로 설정하였다.
시운전해석장치(6)에 입력되는 위도, 경도, 고도 시간 등과 같은 위성정보는 항해거리, 속도, 방위 등과 같이 시운전측정에 필요한 내용으로 가공 처리되어 도 5와 같이 시운전해석장치(6)의 화면상에 제공된다.
시운전해석장치(6)에는 측정작업의 제어와 해석을 위한 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface)를 이용하여 시운전해석을 수행하는 작업자가 화면상에 나타난 그래픽 화면으로 시험상황을 실시간으로 확인하면서 결과를 평가할 수 있게 하였다.
본 발명이 갖는 또 다른 특징으로는 위성과 위성수신기가 공간상에서 서로 개방되지 못하여 위성전파의 수신이 불가능한 건물내부의 연구실에서 모사 설계된위성정보를 여러 대의 시운전 해석장치에 연결하여 여러 명의 작업자가 동시에 측정시험의 모사를 구현할 수 있고, 이 발명의 장치로 위성 수신기를 사용하지 않고도 현대중공업에서 보유한 기존의 시운전표준시스템의 설계변경에 사용하여 시간과 비용을 절감할 수 있었으며 자동항해와 운동 조종성 측정시스템과 같은 새로운 위성정보시스템의 개발이 용이하게 되었다.
즉, 도 1을 참조하여 설명하면 위성수신기(1)의 위성신호를 수신하여 중앙처리장치(5)로 전송되는 정보와 동일하게 설계하여 디스켓(7)에 저장된 모사정보는 데이터 포맷, 시간, 위도, 방위1, 경도, 방위2, 위성모드, 위성의 최대 갯수 등 실제로 위성수신기에서 수신하는 위성정보와 동일한 순서와 형식으로 설계되었고, 중앙처리장치(5)에서 입력받아 실제의 시운전측정에서와 같이 모사된 정보를 시운전측정용으로 사용하는 시운전해석장치(6)의 직렬포트로 전송하여 해류의 영향을 받는 경우의 항로와 전자지도상에서 서로 비교하여 분석할 수 있으며, 선박에 설치되는 자이로(2) 및 타각센서(3)에서 출력되는 선박의 진행방향 및 타(Rudder)의 각도에 관한 정보를 인터페이스(4)를 통하여 중앙처리장치(5)와 시운전해석장치(6)에서 수신하여 선속시험의 진행에 대한 그래픽 정보, 전자지도에 의한 선박의 항로궤적표시 등을 다수의 사용자가 공유하여 분석하는 입출력 제어수단을 제공하고 있다.
도 3에서는 중앙처리장치(5)의 화면에 나타나는 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface)를 나타내고 있으며, 각 기능을 설명하면 시간창(22)에서는 현재의 시간을 나타내며, 속도용 대화상자(23)는 노트(knots) 단위의 모사속도를 입력하여 설정할 수 있으며, 위성정보 수신창(24)은 위성수신기에서 전송하는 GPGGA포맷의 애스키(ASCII) 코드정보인 데이터포맷($GPGGA), 시간(11614.00), 위도(3530.887572), 방위(N), 경도(12926.721116), 방위(E), GPS의 모드, 수신된 위성의 최대 갯수 등의 순서로 설계된 데이터를 실시간(Real-time)으로 보여 주며, 제어시작 버튼스위치(25)는 모사제어를 시작하는 기능을 갖고 있으며, 종료 버튼스위치(26)는 모사제어를 종료하게 한다.
도 4는 현대중공업에서 현재 선속표준시스템으로 사용하고 있는 시운전해석장치의 그래픽 사용자 인터페이스이며, 중앙처리장치(5)에서 시운전해석장치(6)로 모사정보를 전송하는 장면은 도 5와 같다.
도 6의 전자지도는 본 발명이 항로특성을 파악하기 위해 사용되는 또 다른 특징적인 요소로서, 울산 전하만을 중심으로 반경 50km 지역을 나타내는 축척비 1/50000의 지형도를 스캐너(Scanner)와 디지타이저(Digitizer)를 이용하여 표본화한 데이터를 파일로 생성하여 위도와 경도를 지구의 극축 및 경도원점과 일치하는 세계공통의 지도체계인 WGS84(World Geodetic System 1984) 좌표로 나타내도록 변환한 후 기억장치에 저장하여 시운전해석장치(6)의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 에서 2차원 이미지로 나타내는 벡터파일의 수치지도로 나타내었다.
수치지도는 데이터가 방대하고 복잡하기 때문에 본 발명에 사용된 전자지도는 여러 층(Layer)으로 존재하는 지도파일을 단층지도로 설계하여 시운전 측정을 수행하는 현장에서 실시간으로 선박의 운항궤적을 표시할 수 있도록 단순하게 제작되었나 본 발명의 전자지도에서 좌표값이 갖는 정확도의 중요성을 고려하여 전자지도상의 좌표값과 실제 좌표값의 일치여부를 확인하기 위하여 한국표준과학연구원에서 측량한 울산광역시 동구 전하동 1번지 소재 현대중공업 선박해양연구소의 경도 129°26′45.43549″, 위도 35°30′55.24939″, 높이 46.481m 좌표값을 기준으로 현대중공업 사내에 잇는 육상좌표 2곳에서 수신기를 고정한 상태에서 정적모의시험을 수행하였고, 경남 언양인터체인지의 비상활주로에서 1,852m의 구간을 수신기를 탑재한 차량으로 직선으로 이동하는 동적모의시험을 통하여 확인하였으며, 기준 좌표점을 포함한 3개소의 측정된 좌표값을 벡터파일의 보조기준값으로 입력하여 사용하였다.
또한, 본 발명의 전자지도는 객체지향형(Object Oriented) 독립모쥴로 설계되었기 때문에 제어프로그램에서 객체호출에 의한 사용이 용이하여 선박의 조종성시험 또는 자동항해시스템(Auto Pilot System)에서 손쉽게 통합하여 활용할 수 있으며, 본 발명의 응용프로그램 도구로 내셔널 인스트루먼트(National Instrument)사의 Labwindows_CVI 3.O을 사용하였다.
도 6에 나타낸 그래픽 사용자 인터페이스의 각 기능을 설명하면, 가로축은 경도를, 세로축은 위도로 하여 울산 전하만에 위치한 현대중공업 위치(27)를 중심으로 선박의 현재위치(28)와 이동궤적을 약 50km 이내에서 실시간으로 거리측정눈금과 함께 사전에 결정한 시험항로(29)를 표시할 수 있다.
또한, 누름버튼인 확대버튼(31)이나 축소버튼(32)으로 지도화면의 확대축소(Zoom In, Zoom Out)를 할 수 있으며, 이동거리(34)와 경도(35), 위도(36) 등과 같은 여러 가지 기능을 제공하여 사용자의 편이와 시험효율을 높이는 특징을 갖고 있다.
마지막으로 본 발명이 선박의 시운전에 있어서 선박이 운항하는 항로의 특성을 파악할 수 있는 기능에 대하여 설명하면, 선박의 시운전 시험시에 해상상태가 좋지 않으면 선속이 저하되어 측정되는 경우가 있으며, 이는 주로 해류가 선박의 측면에 작용하는 영향으로 추정되기 때문에 해류가 선속 측정에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하게 되었으며, 본 발명의 장치를 이용하여 시험해역에서의 해류가 선속에 영향을 미치는지 여부를 파악하는 시험측정을 수행한 결과를 도 7에 나타냈다.
도 7과 같이 가로축을 시간으로 세로축을 선속과 타각으로 측정한 시험 결과를 참조하여 설명하면, 선박의 선수각(Heading Angle)을 미리 결정된 목표항로에 고정시켜 놓고 운항하면 해상에서 해류 또는 바람과 같은 외력이 선박의 측면에 작용하여 선박이 목표 항로로 계속 유지하여 진행하지 못하기 때문에 미리 설정한 목표의 항로로 선수각을 유지하기 위하여 선박의 타(Rudder)를 조정하기 때문에 타각(Rudder Angle)(41)이 변하여 선수각과 선박이 진행하는 방향과의 차이인 편류각(Drift Angle)(40)이 발생하여 선속에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
또한, 편류각(40)으로 인하여 운항경로가 사전에 결정한 목표항로와 달라질 수 있는 것을 알 수 있다.
(변형예, 응용예 및 법적해석)
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
따라서 본 발명의 장치를 이용하여 측정한 결과에서와 같이 시험해역에서의 외력이 선속(39)에 미치는 영향을 파악하여 선박건조사와 선주측 모두에게 제공할 수 있으며, 타각(41)과 편류각(40) 및 선속(39)의 관계를 반복적으로 측정하여 통계를 구하면 시험해역에서 작용하는 외력 중에서 가장 크게 작용하는 해류의 계절별 방향과 크기를 파악할 수 있어 시운전결과를 보정 해석하는 외력보정(Weather Correction) 프로그램의 입력자료로 활용하여 시운전결과해석의 불확도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 시운전에 최적인 시험항로를 개발할 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 선박의 운항특성과 시운전항로의 특성을 파악하고 모사하는 장치를 구성함에 있어서,
    위성신호를 수신하는 위성수신기(1)와, 선박의 진행방향 정보를 출력하는 자이로(2)와, 타(Rudder)의 각도에 관한 정보를 출력하는 타각센서(3)와, 상기 위성수신기(1), 자이로(2) 및 타각센서(3)에서 출력되는 정보를 인터페이스(4)를 통해 전달받거나, 가상 설계된 위성정보를 보조기억매체로부터 전달받아 처리하는 중앙처리장치(5)와, 중앙처리장치(5)로부터 정보를 전달받아 분석하는 다수의 시운전해석장치(6)와, 측정분석을 위한 제어와 정보의 입출력 편이를 제공하는 사용자 그래픽 인터페이스로 구성하여 전자지도에 의한 선박의 시운전 항로 궤적의 특성을 파악하고 시운전측정을 모사 하는 것을 특징으로 하는 선박운항 모사 평가장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인터페이스(4)는 위성수신기(1)의 출력신호인 RS-422 차동증폭신호의 위성정보를 중앙처리장치(5)에서 수신가능한 RS-232C 신호로 변환하는 신호변환기(14)와, 직류정전압으로 유지하여 과전압으로부터 보호하는 제너다이오드(Zener Diode)(12)와, 과전류의 유입으로부터 신호변환기(14)의 입력단을 보호하는 전류제한저항(13)과, 자이로(Gyroscope)(2)와 타각센서(Rudder Sensor)(3)에서나오는 전류형출력을 RS-232C 신호로 변환하는 신호변환기(18)와, 비동기 직렬 인터페이스(15) 및 신호의 반사에 의한 왜곡현상을 방지하기 위한 종단저항(Terminal Resistor)(19)으로 회로를 구성한 것을 특징으로 하는 선박운항 모사 평가장치.
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