KR101310475B1 - 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치 및 선체 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치에 관한 것으로서, 선체에 설치되며, 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망; 상기 선체 통신망에 연결되며, 상기 복수 개의 초음파 센서 사이의 통신 채널의 변화를 검출하는 채널 변형 검출부; 상기 채널 변형 검출부에서 채널 변화 검출 신호가 수신되면, 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하도록 하고, 상기 채널 평가 신호를 수신한 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서의 수신 신호를 이용하여 채널의 변형 정도를 평가하는 모니터링 제어부; 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 수신한 신호를 이용하여 상기 선체의 변형 위치를 검출하는 변형 위치 검출부; 및 상기 모니터링 제어부의 제어에 따라 선체 변형 경고 및 상기 변형 위치 검출부에서 검출한 변형 위치를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함한다.

Description

초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치 및 선체 모니터링 방법{Ship body monitoring apparatus and method using ultrasonic sensor network}

본 발명은 선체의 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 내에서 통신 장치로 사용되는 초음파 센서 네트워크로 형성된 선체 통신망을 이용한 선체 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 선체(1)는 해양에서 운항 중일 때, 도 1과 같이 6 자유도 운동, 즉 서지(surge), 롤(roll), 스웨이(sway), 피치(pitch), 히브(heave), 요(yaw)의 운동을 한다. 선박의 선체(1)는 이러한 운동 중에 파도에 의해 충격 하중, 즉 슬래밍 (slamming), 갑판 침수(greenwater), 슬로싱(sloshing), 쇄파(breaking waves) 등을 받을 수 있다. 이러한 충격 하중을 받으면 선박의 선체(1)는 내부 하중을 받게 되고 이러한 영향으로 선체가 비틀리는 현상이 일어난다. 이러한 충격 하중에 의해 선체가 변형이나 손상을 일으키고, 이러한 변형이나 손상은 선박의 수명을 단축하는 중요한 원인이 된다.

따라서, 6 자유도 운동 응답의 해석과 모니터링 및 충격 하중의 해석과 모니터링이 선박의 수명 관리 및 수리에 있어 매우 중요하다.

선체가 자주 변형되고 큰 충격 하중을 받게 되면 선체의 일부에 손상을 입게 되고 이러한 선체의 손상은 선박의 안전 운항에 커다란 문제를 일으킨다. 이러한 손상 부위를 미리 탐지하는 기술은 선박의 안전 운항과 선박의 수명 연장에 매우 중요하다.

본 발명은 선체 통신을 위해 선박에 설치된 초음파 센서 네트워크를 이용하여 선체의 변형 및 손상을 모니터링하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 선체의 변형과 손상을 모니터링하여 선박의 안전 운항을 도모하고 수명 연장을 할 수 있도록 하기 위해, 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 선체에 설치되며, 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망; 상기 선체 통신망에 연결되며, 상기 복수 개의 초음파 센서 사이의 통신 채널의 변화를 검출하는 채널 변형 검출부; 상기 채널 변형 검출부에서 채널 변화 검출 신호가 수신되면, 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하도록 하고, 상기 채널 평가 신호를 수신한 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서의 수신 신호를 이용하여 채널의 변형 정도를 평가하는 모니터링 제어부; 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 수신한 신호를 이용하여 상기 선체의 변형 위치를 검출하는 변형 위치 검출부; 및 상기 모니터링 제어부의 제어에 따라 선체 변형 경고 및 상기 변형 위치 검출부에서 검출한 변형 위치를 사용자에게 보여주는 디스플레이부;를 포함하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치를 제공함으로써 달성할 수 있다.

이때, 상기 모니터링 제어부의 제어 신호에 따라 데이터를 저장하는 데이터 저장부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링 제어부는 상기 채널의 변형 정도가 기준치를 넘으면, 상기 디스플레이부에 변형 경고와 변형 위치를 표시하고, 변형 정보를 상기 데이터 저장부에 저장하고, 상기 채널의 변형 정도가 기준치 이하이면, 상기 변형 정보만 상기 데이터 제어부에 저장하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 변형 위치 검출부는 역산란 (inverse scattering) 알고리즘(관련 알고리즘의 예로 Schur 알고리즘, layer peeling 알고리즘 등 다양한 알고리즘이 있음)을 이용하여 변형 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치.

또한, 상기 채널 변형 검출부는 복수 개의 초음파 센서 중 서로 통신을 하고 있는 2개의 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 채널 변형을 검출하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 채널 변형 검출부는 복수 개의 초음파 송수신 센서의 투과 및 반사 신호를 이용한 다중 채널 역산란 알고리즘을 기반으로 채널 변형을 검출하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망을 통해 통신을 하는 단계; 상기 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화하는 초음파 센서를 검출하는 단계; 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하는 단계; 상기 채널 평가 신호에 대해 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 수신한 신호를 평가하는 단계; 상기 채널 평가 신호에 대한 수신 신호를 분석하여 변형 정도 및 변형 위치를 검출하는 단계; 상기 변형 정도 및 변형 위치의 변형 정보를 저장하는 단계; 및 상기 변형 정도가 기준치 이상이면, 변형 경고와 함께 변형 위치의 변형 정보를 디스플레이 장치에 출력하는 단계;를 포함하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 방법을 제공함으로써 달성할 수 있다.

이때, 상기 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화하는 초음파 센서를 검출하는 단계에서는, 상기 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 통신 채널의 변화를 검출할 수 있다.

이때, 상기 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화하는 초음파 센서를 검출하는 단계에서는, 상기 다중 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 통신 채널의 변화를 검출할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 의하면, 통신을 위한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치로 미리 선체의 변형 내지는 손상을 알 수 있으므로, 선박의 안전 운항을 도모할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 선체의 변형 내지는 손상을 미리 알고 적절한 수리를 할 수 있으므로, 선박의 수명을 연장할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 선박의 6자유도 운동을 개념적으로 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치가 연결되는 선체 통신망의 하나의 예를 나타내는 개념도;
도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치가 연결되는 선체 통신망의 다른 예를 나타내는 개념도;
도 5(a)와 (b)는 단일 초음파 시스템의 송신부와 수신부를 나타내는 기능 블록도;
도 6(a)와 (b)는 다중 초음파 시스템의 송신부와 수신부를 나타내는 기능 블록도;
도 7은 선체의 손상부위의 필터 모델링을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치를 이용하여 선체를 모니터링하는 예를 설명하기 위한 도면;
도 9는 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치 및 모니터링 방법의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

이하에서 설명하는 본 발명에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치는 선체의 통신을 위해 설치한 초음파 센서 네트워크를 이용하여 선체의 변형이나 손상과 같은 이상이 발생하는지를 모니터링할 수 있는 장치를 말한다. 이하에서, 초음파 센서는 초음파를 송신 또는 수신할 수 있는 장치를 의미하며, 필요에 따라 초음파 변환기 또는 초음파 단말기로도 표기한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치(110)는, 선체 통신망(100)에 연결되며, 채널 변형 검출부(120), 모니터링 제어부(130), 변형 위치 검출부(140), 디스플레이부(150), 및 데이터 저장부(160)를 포함한다.

선체 통신망(SBAN: Ship Body Area Network)(100)은 선체(1)의 전 영역을 커버할 수 있도록 선체(1)에 설치되며, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 초음파 센서(3)가 네트워크로 연결되어 있다. 선체 통신망(100)은 단일(single) 또는 다중(multi) 초음파 센서(3)를 사용하여 구성할 수 있다. 또한, 통신 신호 중계를 위한 중계기(2)도 단일 혹은 다중 센서를 이용하여 구성할 수 있다.

단일 초음파 변환기를 사용하여 통신 시스템을 구성할 경우, 도 5와 같이 선체 통신 시스템을 구성할 수 있다.

도 5의 (a)와 (b)는 각각 단일 초음파 통신 시스템의 송신부와 수신부를 나타내는 기능 블록도이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 단일 초음파 변환기를 이용한 통신 시스템의 송신부(200)는, 제 1 센서부(202), 제 1 전처리부(204), 제 1 A/D 변환부(206), 부호화부(208), 디지털 변조부(210), 아날로그 변조부(216), 제 1 D/A 변환부(212), 제 1 초음파 증폭기(214), 제 1 초음파 변환기(221)로 구성된다.

제 1 센서부(202)는 보내고자 하는 신호를 감지하는 부분으로, 음성, 영상, 데이터 등을 입력할 수 있는 센서로 구성된다. 예를 들면, 마이크, 카메라, USB 입력 포트와 같은 유선 신호 입력단 뿐만 아니라 인체 통신 신호를 감지할 수 있는 다양한 센서를 의미한다.

제 1 전처리부(204)는 제 1 센서부(202)에서 입력된 각 신호의 검출 및 전처리를 수행하는 부분으로 신호의 특성에 따라 아날로그 또는 디지털변조를 결정한다.

제 1 A/D 변환부(206)는 제 1 전처리부(204)에서 출력되는 신호의 대역폭 및 데이터 속도 등을 고려하여 효율적으로 신호를 디지털로 변환하는 장치를 의미하며, 아날로그 변조시에는 수행이 되지 않는다.

부호화부(208)는 제 1 A/D 변환부(206)에서 디지털화된 신호를 원천 부호화 혹은 채널 부호화를 수행하는 곳으로서, 신호의 성격에 따라 다양한 부호화 방식을 사용할 수 있다.

디지털 변조부(210)는 부호화된 신호에 다양한 디지털 변조를 수행하는 부로서, CDM(Code-Division Multiplexing), FDM(Frequency-Division Multiplexing), TDM(Time-Division Multiplexing) 등과 같은 변조 방식의 사용이 가능하다.

아날로그 변조부(216)는 상기 제 1 전처리부(204)에서 출력된 신호에 대해 아날로그 변조를 수행하는 곳으로서, AM(Amplitude Modulation), FM(Frequency Modulation), PM(Phase Modulation) 등과 같은 다양한 변조 방식을 사용할 수 있다.

제 1 D/A 변환부(212)는 상기 디지털 변조부(210)에서 디지털 변조가 수행된 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환하는 부분이다.

제 1 초음파 증폭기(214)는 상기 제 1 D/A 변환부(212)에서 출력된 신호를 증폭하는 부분이다.

마지막으로, 제 1 초음파 변환기(221)는 상기 제 1 초음파 증폭기(221)에서 증폭된 전기 신호를 음파로 변환하는 장치이다.

도 5의 (b)를 참조하면, 단일 초음파 변환기를 이용한 통신 시스템의 수신부(300)는 제 2 초음파 변환기(220), 제 1 대역 필터부(302), 제 2 A/D 변환부(304), 디지털 복조부(306), 아날로그 복조부(316), 복호화부(308), 등화기(310), 제 2 D/A 변환부(312), 제 1 재생부(314)를 포함한다.

제 2 초음파 변환기(220)는 선체 및 공기 채널을 통과한 초음파 신호를 전기신호로 변화하는 장치이다.

제 1 대역 필터부(302)는 제 2 초음파 변환기(220)에서 생성된 신호 중 원하는 대역의 신호를 필터링하는 부분이다.

제 2 A/D 변환부(304)는 제 1 대역 필터부(302)에서 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 부분으로, 신호의 대역폭 및 데이터 속도 등을 고려하여 효율적으로 신호를 디지털로 변환하는 장치이다.

디지털 복조부(306)는 제 2 A/D 변환부(304)에서 생성된 디지털 신호를 복조하는 부분이다.

아날로그 복조부(316)는 제 1 대역 필터부(302)에서 생성된 연속 신호를 복조하는 부분이다.

디지털 복호화부(308)는 상기 디지털 복조부(306)에서 생성된 신호를 원천 복호 및 채널 복호를 수행하는 부분이다.

등화기(310)는 상기 디지털 복호화부(308)에서 생성된 신호에서 채널의 영향을 제거하는 부분으로, 공기 채널 및 선체의 다중 모드 채널 등의 영향을 시간 영역(Time Domain), 주파수 영역(Frequency Domain), 공간 영역(Space Domain)에서 제거하는 부분이다. 시간 영역에서는 LMS 및 RLS 알고리즘을 사용할 수 있고, 주파수 영역에서는 FFT, DCT 기반 알고리즘을 사용할 수 있으며, 공간 영역에서는 빔 형성, MIMO 신호 처리 등이 가능하다.

제 2 D/A 변환부(312)는 상기 등화기(310)에서 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하는 부분이다.

제 1 재생부(314)는 송신 신호의 목적에 맞게 신호를 재생하는 것으로서, 예를 들면, 제 1 재생부(314)는 최종 출력으로 음성, 영상, 데이터신호를 출력할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 초음파 변환기를 이용한 통신 시스템에 관한 것으로서, (a)는 다중 채널 송신기(400)의 구성을 나타낸 블록도이고, (b)는 다중 채널 수신기(500)의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 다중 채널 송신기(400)는 제 2 센서부(402), 제 2 전처리부(404), 제 3 A/D 변환부(406), S/P 변환부(408), 시공간 부호기(410), 변조부(412), 제 3 D/A 변환부(414), 제 2 초음파 증폭부(416), 제 1 초음파 변환기(221)를 포함한다.

제 2 센서부(402)는 보내고자 하는 신호를 감지하는 부분으로서, 2개 이상의 센서를 포함한다. 제 2 센서부(402)는 음성, 영상, 데이터 등을 입력할 수 있는 센서를 포함하며, 예를 들면, 마이크, 카메라, USB 입력포트와 같은 유선 신호 입력단 뿐만 아니라 인체(Human Body) 통신 신호를 감지할 수 있는 다양한 센서를 의미한다.

제 2 전처리부(404)는 제 2 센서부(402)에서 입력된 각 신호를 검출하여 전처리를 수행하는 곳이다.

제 3 A/D 변환부(406)는 제 2 전처리부(404)에서 출력된 신호의 대역폭 및 데이터 속도 등을 고려하여 효율적으로 신호를 디지털로 변환하는 장치를 의미한다.

S/P 변환부(408)는 제 3 A/D 변환부(406)에서 생성된 신호를 공간 다중화를 위해 직렬에서 병렬로 바꾸어 주는 부분이다.

시공간 부호기(410)는 S/P 변환부(408)에서 병렬화된 데이터를 시공간 원천 부호화 혹은 시공간 채널 부호화를 수행하는 부분으로서, 데이터의 성격에 따라 다양한 부호화 방식을 사용할 수 있다.

디지털 변조부(412)는 시공간 부호기(410)에서 부호화된 신호를 다양한 디지털 변조를 수행하는 부로서, CDM, FDM, TDM 등과 같은 변조방식 사용이 가능하다.

제 3 D/A 변환부(414)는 디지털 변조부(410)에서 변조된 신호를 다시 아날로그로 신호로 변환한다.

제 2 초음파 증폭부(416)는 제 3 D/A 변환부(414)에서 출력된 신호를 증폭한다.

제 1 초음파 변환기(221)는 제 2 초음파 증폭부(416)에서 증폭된 전기신호를 음파로 변환하는 장치이다.

도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 초음파 변환기를 이용한 통신 시스템의 다중 수신기(500)의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 6의 (b)를 참조하면, 다중 채널 수신기(500)는 하나 이상의 제 2 초음파 변환기(220), 제 2 대역 필터부(502), 제 4 A/D 변환부(504), 복조부(506), 시공간 복호기(508), 등화기(510), P/S 변환부(512), 제 4 D/A 변환부(514), 제 2 재생부(516)를 포함한다.

제 2 초음파 변환기(220)는 선체 및 공기 채널을 통과한 초음파 신호를 전기 신호로 변환하는 장치이다.

제 2 대역 필터부(502)는 제 2 초음파 변환기(220)에서 생성된 신호에서 원하는 대역의 신호를 필터링한다.

제 4 A/D 변환부(514)는 제 1 대역 필터부(502)에서 생성된 신호를 디지털 신호로 변환하는 부분으로, 신호의 대역폭 및 데이터 속도 등을 고려하여 효율적으로 신호를 디지털로 변환한다.

복조부(506)는 제 4 A/D 변환부(514)에서 생성된 디지털 신호를 복조한다.

시공간 복호기(508)는 상기 복조부(506)에서 생성된 신호를 시공간 원천 복호 및 시공간 복호를 수행한다.

등화기(510)는 시공간 복호기(508)에서 생성된 신호에서 채널의 영향을 제거하는 부분이다. 이 부분은 공기 채널 및 선체의 다중 모드 채널 등의 영향을 제거하는 부분으로 시간 영역(Time Domain), 주파수 영역(Frequency Domain), 공간 영역(Space Domain)에 사용 가능하다. 즉, 시간 영역에서 LMS 및 RLS 알고리즘을 사용하고, 주파수 영역에서는 FFT, DCT 기반 알고리즘을 사용할 수 있으며, 공간 영역에서는 STBC, BLAST등과 같은 알고리즘을 사용하는 것이 가능하다.

P/S 변환부(512)는 시공간 복호기(508)에서 생성된 병렬 신호를 직렬 신호로 변환한다.

제 4 D/A 변환부(514)는 P/S 변환부(512)에서 병렬 신호로 변환된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.

제 2 재생부(516)는 제 4 D/A 변환부(514)에서 나온 아날로그 신호를 송신 신호의 목적에 맞는 신호로 재생한다. 예를 들면, 최종 출력의 신호는 음성, 영상, 데이터 등이다.

본 발명에 사용되는 선체를 이용한 통신 시스템(100)은 초음파 센서(3)를 이용한 초음파 무선 통신망을 선내 통신망의 일부로 활용할 경우에는 기존의 유선 통신망에 초음파 무선 통신망을 포함하는 융합 통신망으로 구성된다.

초음파 센서(3)를 이용한 선박의 선체 통신망(SBAN: Ship Body Area Network)은 선박 내에 설치된 여러 개의 초음파 통신 노드(3)가 서로 통신을 할 수 있는 거리에서 위치해 서로 초음파 통신을 하여 데이터를 교환하는 통신망으로 도 3과 같이 선체(1)를 이용한 초음파 통신을 말한다. 또한 선체(1)를 이용한 초음파 통신과 기존의 유선 통신망의 결합으로 선박 내 어디서나 통신을 할 수 있는 구성은 도 4에 도시되어 있다.

도 3의 선체 통신망은 선박의 선체(1), 초음파-초음파 중계기(2), 초음파 단말기(3)로 구성된다. 선박의 선체 통신망에서 초음파 단말기(3)가 서로 통신이 가능한 거리에 위치해 있으면 일점 쇄선(6)과 같이 선체(1)를 통과하여 서로 통신이 가능하며, 서로 통신이 어려운 원거리나 선박의 선체(1) 구조상 통신이 어려운 위치의 초음파 단말기(3)와의 통신을 하는 경우에는 파선(4)과 같이 선체(1)를 통과하여 초음파-초음파 중계기(2)를 통해 파선(5)과 같이 선체(1)를 통과하여 다른 초음파 단말기(3)와 통신을 하거나 파선(4)처럼 선체(1)를 통과한 후 초음파-초음파 중계기(2)를 지나 실선(6)과 같이 선체(1)를 통해 다른 초음파-초음파 중계기(2)를 통해 파선(7)과 같이 다른 초음파 단말기(3)와 통신을 할 수 있다.

도 4의 선체-유선 통신망은 선박의 선체(1), 초음파-초음파 중계기(2), 초음파-유선 중계기(8), 초음파 단말기(3)로 구성된다. 도 4와 같이 선박의 선체 통신망에서 초음파 단말기(3)가 서로 통신이 가능한 거리에 위치해 있으면 선체(1)를 통과하여 단말기로만 서로 통신이 가능하며, 서로 통신이 어려운 원거리나 선박의 선체(1) 구조상 통신이 어려운 위치의 초음파 단말기(3)와의 통신을 하는 경우에는 파선(9)과 같이 선체(1)를 통과하여 초음파-유선 중계기(8)를 통해 실선(10)과 같이 유선을 통과하고 다시 초음파-유선 중계기(8)를 통해 파선(11)과 같이 통과하여 다른 초음파 단말기(3)와 통신을 한다. 또한 유선망이 완전히 설치되어 있지 않은 지역은 초음파 단말기(3)에서 파선(14)과 같이 선체(1)를 통과하여 초음파-초음파 중계기(2)를 통해 실선(13)과 같이 선체(1)를 통과하고 다시 초음파-유선 중계기(8)를 통해 실선(12)을 통과한 후 초음파-유선 중계기(8)를 통과해 파선(9)과 같이 선체(1)를 통과하여 다른 초음파 단말기(3)와 통신을 한다.

선체 통신망(100)에 사용되는 초음파 센서(3)는 선체(1)에 잘 입사가 되도록 구성되며, 다중 입출력(Multi-Input Multi-Output) 통신과 원하는 빔을 형성할 수 있도록 빔형성 어레이로 구성할 수 있다. 이와 같이 하면, 원하는 방향으로 초음파를 보낼 수 있고, 신호대 잡음비를 줄일 수 있다.

선체(1)의 특정 부위에 손상이 발생한 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 초음파 단말기(1)에서 보낸 송신 신호가 손상 부위(S)에서 산란이 일어난다. 즉, 송신 신호의 일부분은 손상 부위를 통과하여 초음파 단말기②의 수신 센서에서 데이터를 받고 송신 신호의 일부분은 반사가 되어 초음파 단말기①의 수신 센서에서 데이터를 받는다. 여러 개의 초음파 단말기①,②로 격자(lattice) 필터 구조를 구성할 수 있으며, 이를 이용하여 손상된 부위에서 발생하는 신호의 반사 및 투과를 이용하여 손상 부위의 개수와 위치를 구할 수 있다. 이때, 반사계수는

로 계산할 수 있으며, 반사는 서로 다른 매질, 즉 임피던스(Z)의 차이에 따라 나타나는 현상이다. 또한, 손상 부위로 인해 발생하는 감쇄를 이용하여 손상 부위를 찾을 수도 있다. 따라서, 여러 개의 초음파 단말기를 여러 개의 네트워크로 구성하여 선체(1)의 어느 부위에서도 통신을 할 수 있도록 구성한 SBAN의 경우에는 선체(1)의 모든 부위에서 변형 또는 손상을 모니터링할 수 있다.

또한, 선체(1)의 특정 부위에서 손상이 발생한 경우뿐만 아니라, 선체(1)를 구성하는 매질이 틀린 경우 또는 선체(1)가 굽어진 경우에도 송신 신호의 손실이 발생하므로 초음파 센서 네트워크를 이용하여 선체 모니터링을 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 구성된 선체 통신망(100)을 이용하여 선체를 모니터링하는 것이다. 즉, 본 발명은 선체 통신망(100)을 통신과 선체 모니터링의 2가지 용도로 사용할 수 있도록 하는 것이다.

이를 위해 선체 통신망(100)에는 선체 모니터링 장치(110)가 연결된다. 선체 모니터링 장치(110)는 별도로 형성할 수도 있으나, 초음파 센서(3)를 이용하여 통신을 수행하는 통신 서버에 접속되는 모니터링 서버로 형성할 수도 있다.

채널 변형 검출부(120)는 상술한 선체 통신망(100)에 연결되며, 복수 개의 초음파 센서(3) 사이의 통신 채널의 변화를 검출한다. 채널 변형 검출부(120)는 선체 통신망(100)을 구성하는 복수 개의 초음파 센서(3)를 감시하여 통신을 하는 초음파 센서 사이의 채널이 정상적인 경우와 다르게 변화한 것을 검출할 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 채널 변형 검출부(120)는 복수 개의 초음파 센서(3) 중 서로 통신을 하고 있는 2개 혹은 다중의 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호의 변화를 이용하여 채널 변형을 검출할 수 있다. 또한, 채널 변형 검출부(120)는 초음파 센서 통신망으로 통신을 수행하는 동안 채널이 변화하는지를 검출할 수 있다.

다른 예로서, 채널 변형 검출부(120)는 통신을 하지 않는 경우에도 모니터링 제어부(130)의 제어에 의해 복수 개의 초음파 센서(3)에 선체 점검 신호를 송출하고, 그 신호를 송수신하는 동안의 채널 변화를 검출하도록 구성할 수 있다.

모니터링 제어부(130)는 채널 변형 검출부(120)로부터 채널 변화 검출 신호가 수신되면, 통신 채널이 변한 초음파 센서에 채널 평가 신호를 송신하도록 제어한다. 그리고, 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 송신한 채널 평가 신호를 신호를 송신한 센서 자신과 주위의 초음파 센서가 수신한 결과를 이용하여 채널의 변형 정도를 평가한다.

모니터링 제어부(130)는 채널의 변형 정도가 기준치 이하이면, 별도의 처리 없이 채널의 변형 정도와 같은 선체 모니터링에 관련된 데이터를 데이터 저장부(160)에 저장한다.

채널의 변형 정도가 기준치 이상이면, 모니터링 제어부(130)는 변형 위치 검출부(140)를 이용하여 선체의 변형 및/또는 손상 위치를 검출할 수 있다. 변형 위치 검출부(140)는 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 송신한 신호를 이용하여 선체의 변형 및 손상 위치를 검출한다.

변형 위치 검출부(140)는 통신 채널이 변한 초음파 센서가 송신 및 수신한 신호와 주위의 초음파 센서들이 수신한 신호를 이용하여 반사계수와 변형 위치를 찾도록 구성된다. 변형 위치 검출부(140)는 일반적으로 알려진 역산란 알고리즘을 이용하여 반사 계수와 변형 위치를 검출하도록 구성할 수 있다. 따라서, 여기서는 반사 계수와 변형 위치를 찾는 과정에 대해서는 상세하게 설명하지 않는다.

도 8은 선체에 손상이 발생한 경우에 주위의 초음파 센서에 의해 손상된 부문을 검출하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 4개의 초음파 센서 ①, ②, ③, ④ 가 서로 통신을 하고 있을 때, 4개의 초음파 센서 사이의 영역에서 손상 (또는 변형)이 발생하면, 손상된 부분에 의해 초음파 센서 ①과 ② 사이의 통신 채널이 변해 전송 손실과 반사가 발생한다. 또한, 초음파 센서 ②와 ③ 사이에서도 통신 채널이 변해 전송 손실과 반사가 발생한다. 그러면, 모니터링 제어부(130)는 초음파 센서 ①, ②, ③ 사이에서 변화되는 초음파 송수신 신호를 이용하여 전송의 감쇄 상수와 반사 계수를 구한다. 즉, 투과 신호의 변화를 이용하여 감쇄 상수를 구하고 반사 신호의 변화를 이용하여 반사 계수를 구한다. 그리고 감쇄 상수와 반사 계수를 이용하여 채널을 평가하여 변형된 채널을 특정하고 선체의 손상(또는 변형)의 정도와 손상이 발생한 위치를 검출한다.

한편, 통신 채널의 변형 정도가 기준치를 초과하면, 모니터링 제어부(130)는 디스플레이부(150)를 제어하여 선체 변형 경고 및 변형 위치 검출부(140)에서 검출한 변형 위치를 디스플레이한다. 이때, 손상된 위치를 GUI를 이용하여 디스플레이할 수 있다. 디스플레이부(150)로는 CRT, LCD, PDP 등과 같이 다양한 데이터를 표시할 수 있는 장치가 사용될 수 있다.

데이터 저장부(160)는 모니터링 제어부(130)의 신호에 따라 다양한 데이터, 특히 선체 변형과 관련된 데이터를 저장하는 곳으로서, 메모리나 하드디스크 등을 포함할 수 있다. 선체 변형과 관련된 데이터는 채널 변형이 발생한 초음파 센서, 채널 변형 정도, 손상이나 변형이 발생한 위치 등을 포함할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구조를 갖는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치(110)를 이용하여 선체 모니터링을 하는 경우에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.

먼저, 선박의 승무원들이 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망을 통해 통신을 수행한다(S10).

승무원들이 통신을 하는 동안, 선체 모니터링 장치(110)의 채널 변형 검출부(120)는 통신 네트워크를 구성하는 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화한 초음파 센서를 검출한다(S20).

통신 채널이 변한 초음파 센서가 검출되면, 모니터링 제어부(130)는 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하도록 제어한다(S30).

그 후, 모니터링 제어부(130)는 채널 평가 신호에 대해 통신 채널이 변한 초음파 센서들이 송신한 신호를 수신하여 채널의 변형 정도를 평가한다. 이때, 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 통신 채널의 변화를 검출할 수 있다. 채널의 변형 정도가 기준치 이하이면, 선체에 이상이 없는 것으로 판단하고, 채널의 변형 정도가 기준치 이상이면, 선체에 이상이 있는 것으로 판단한다(S40).

채널의 변형 정도가 기준치 이하이면(S40), 모니터링 제어부(130)는 별도의 경고를 하지 않고, 채널 변화와 관련된 데이터를 데이터 저장부에 저장한다(S60).

만일, 채널의 변형 정도가 기준치 이상이면(S40), 모니터링 제어부(130)는 변형 위치 검출부(140)를 제어하여 선체의 변형(또는 손상) 위치를 검출하도록 한다. 변형 위치 검출부(140)는 채널 평가 신호에 대한 수신 신호를 분석하여 변형 정도 및 변형 위치를 검출한다.

또한, 상기 변형 정도가 기준치 이상이면, 모니터링 제어부(130)는 변형 위치 등의 변형 정보를 데이터 저장부에 저장하고, 변형 경고와 함께 변형 위치 등의 변형 정보를 디스플레이부(150)에 출력한다(S50). 이때, 변형 정보를 디스플레이부(150)에 그래픽으로 표시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 의한 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치(110)를 이용하면, 통신을 수행하면서 선체(1)의 변형이나 손상을 검출할 수 있으므로 선박의 안전 운항을 담보할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 선체 변형이나 손상을 조기에 발견하여 수리할 수 있으므로 선박의 수명을 연장할 수 있다.

상기에서 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실시될 수 있을 것이다.

100; 초음파 센서를 이용한 선체 통신망
110; 선체 모니터링 장치 120; 채널 변형 검출부
130; 모니터링 제어부 140; 변형 위치 검출부
150; 디스플레이부 160; 데이터 저장부

Claims (6)

1. 선체(1)에 설치되며, 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망(100);
   상기 선체 통신망에 연결되며, 상기 복수 개의 초음파 센서 사이의 통신 채널의 변화를 검출하는 채널 변형 검출부(120);
   상기 채널 변형 검출부(120)에서 채널 변화 검출 신호가 수신되면, 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하도록 하고, 상기 채널 평가 신호를 수신한 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서의 수신 신호를 이용하여 채널의 변형 정도를 평가하는 모니터링 제어부(130);
   상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 수신한 신호를 이용하여 상기 선체의 변형 위치를 검출하는 변형 위치 검출부(140); 및
   상기 모니터링 제어부(130)의 제어에 따라 선체 변형 경고 및 상기 변형 위치 검출부에서 검출한 변형 위치를 디스플레이하는 디스플레이부(150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 제어부(130)의 신호에 따라 데이터를 저장하는 데이터 저장부(160);를 더 포함하며,
   상기 모니터링 제어부(130)는 상기 채널의 변형 정도가 기준치를 넘으면, 상기 디스플레이부에 변형 경고와 변형 위치를 디스플레이하고, 변형 정보를 상기 데이터 저장부(160)에 저장하고,
   상기 채널의 변형 정도가 기준치 이하이면, 상기 변형 정보만 상기 데이터 제어부에 저장하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 변형 위치 검출부는 역산란 알고리즘을 이용하여 변형 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 채널 변형 검출부는 복수 개의 초음파 센서 중 서로 통신을 하고 있는 복수 개의 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 채널 변형을 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 장치.
5. 복수 개의 초음파 센서가 네트워크로 연결된 선체 통신망을 통해 통신을 하는 단계;
   상기 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화하는 초음파 센서를 검출하는 단계;
   상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 채널 평가 신호를 송신하는 단계;
   상기 채널 평가 신호에 대해 상기 통신 채널이 변한 초음파 센서가 수신한 신호를 평가하는 단계;
   상기 채널 평가 신호에 대한 수신 신호를 분석하여 변형 정도 및 변형 위치를 검출하는 단계;
   상기 변형 정도 및 변형 위치의 변형 정보를 저장하는 단계; 및
   상기 변형 정도가 기준치 이상이면, 변형 경고와 함께 변형 위치의 변형 정보를 디스플레이 장치에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 복수 개의 초음파 센서 중 통신 채널이 변화하는 초음파 센서를 검출하는 단계에서는, 상기 초음파 센서의 투과 신호와 반사 신호를 이용하여 통신 채널의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 네트워크를 이용한 선체 모니터링 방법.

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