KR101379510B1 - 수중 장비 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

수중 장비 감시 시스템이 개시된다. 본 발명의 일측면에 따른 수중 장비 감시 시스템은 음파를 송신하는 셋 이상의 음파송신기들; 라인형상의 수중장비에 간격을 두고 복수 개가 설치되어 음파를 수신하고, 음파의 수신시간을 포함하는 하나 이상의 계측값을 이용한 계측정보를 생성하는 계측기; 및 음파송신기들이 음파를 송신한 음파송신시간, 계측기가 음파를 수신한 음파수신시간, 음파송신기들의 위치 및 음파의 속도를 이용하여 계측기의 위치를 산출하고, 산출된 각 계측기의 위치를 이용하여 수중장비의 자세를 분석하는 중앙관측장치를 포함한다.

Description

수중 장비 감시 시스템{Monitoring system for equipment of underwater}

본 발명은 수중 장비 감시 시스템에 관한 것이다.

최근 육상과 근해에서의 원유 생산량이 감소하면서, 유전개발의 방향이 수심이 1000m이상이 되는 심해로 진행되고 있다. 통상적으로 심해에서는 근해와 달리 고정식(Fixed) 시설의 투입이 불가능하여 부유식(Floating) 시설이 투입된다. 그리고, 해상 유전 개발시설물은 유정(Well)과 라이져(Riser)라고 불리는 관을 이용해서 연결되는데, 만약 유정과 해상의 개발시설물과의 평면상의 거리가 멀어지게 되면, 라이져가 파괴되어 큰 재난을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 부유식 시설물들은 계류삭(Mooring Line)을 이용해서 부유식 시설물이 특정 영역을 벗어나지 않도록 고정을 해준다.

일반적으로 해양 플랫폼에 설치되는 계류삭은 체인 형상으로 구현되어, 복수개가 설치된다. 체인 자체의 중량을 이용해서 한 방향으로 길게 늘어뜨려 설치되며, 다수의 계류삭을 전 방향(보통 12~20개)으로 설치해서 해양 플랫폼을 고정시키게 된다.

체인을 이용한 계류삭은 자체 중량을 활용하기 때문에, 수심에 따라서 계류삭도 길어지게 되고 이에 따라 중량도 증가하게 된다. 이때 체인이 버틸 수 있는 중량을 넘어서게 되면 파괴현상이 일어날 수 있으므로, 중간에 부력을 발생시킬 수 있는 부이를 설치해서 중량을 감소시켜 주기도 한다.

부유식 시설물이 해상에 설치되면, 상기한 바와 같은 라이져를 비롯한 계류선, 그리고 기타 작업용 케이블 등 다양한 라인들이 해저에 설치된다. 이러한 라인들에 문제가 발생하게 되면, 원유 시추(Drilling)나 생산작업에 큰 위험을 초래할 수 있으므로 이에 대한 감시가 필수적이다. 하지만 현재 기술적인 난제로 인해 깊은 수심에 수 km에 걸쳐 설치되는 라인에 대한 전체적인 감시는 이루어지지 않고 있다. 고작 양쪽 끝 연결부위에서의 연결 상태 확인이나 잠수정이나 로봇 등을 이용한 주기적인 수동검사가 전부이다.

게다가 최근 들어 개발 수심이 3000m이상으로 늘어나면서, 단순히 라인의 연결상태뿐 아니라 자세에 따른 영향까지 크게 대두되고 있는 실정이지만, 실질적으로 라인의 자세에 대한 감시 또한 이루어지지 않고 있다.

이와 같이 해양 플랫폼에 설치되는 계류삭은 심해가 될수록 그 형태가 복잡해져서 문제가 발생할 수 있는 요소도 많아지게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 해저와 같은 수중에 설치된 계류삭 등의 각종 수중장비에 대한 종합적인 감시를 수행하기 위한 라인형상의 수중 장비 감시 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 음파를 송신하는 셋 이상의 음파송신기들; 라인형상의 수중장비에 간격을 두고 복수 개가 설치되어 상기 음파를 수신하고, 상기 음파의 수신시간을 포함하는 하나 이상의 계측값을 이용한 계측정보를 생성하는 계측기; 및 상기 음파송신기들이 음파를 송신한 음파송신시간, 상기 계측기가 음파를 수신한 음파수신시간, 상기 음파송신기들의 위치 및 상기 음파의 속도를 이용하여 상기 계측기의 위치를 산출하고, 산출된 각 계측기의 위치를 이용하여 상기 수중장비의 자세를 분석하는 중앙관측장치를 포함하는 수중 장비 감시 시스템이 제공된다.

여기서, 상기 계측기는 상기 계측기의 경사도를 측정하는 경사센서를 포함하고, 상기 중앙관측장치는 상기 경사도를 이용하여 상기 계측기의 자세를 분석할 수 있다.

또한, 상기 계측기는 상기 계측기가 위치한 수심의 수압을 측정하는 수압센서를 포함하고, 상기 중앙관측장치는 상기 측정된 수압을 이용하여 상기 계측기의 위치를 산출할 수 있다.

또한, 상기 복수의 계측기들 중 인접한 계측기 간에 상기 계측정보를 포함하는 신호가 송수신되기 위한 메인 케이블; 및 상기 복수의 계측기들 중 인접하지 않은 계측기 간에 상기 신호가 송수신되기 위한 바이패스 케이블을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 신호는 상기 중앙관측장치를 기준으로 먼 쪽의 계측기로부터 가까운 쪽의 계측기로 전달될 수 있다.

본 발명에 따르면, 해저와 같은 수중에 설치된 계류삭 등의 각종 라인형상의 수중장비에 대한 종합적인 감시를 수행할 수 있으며, 더욱이 간격을 두어 설치된 계측기의 위치를 측정하여 수장장비가 수중에서 어떠한 자세로 설치되어 있는지를 유추할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수중 장비 감시 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 계류삭에 설치되는 계측기를 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측기간의 케이블 연결 방식을 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기의 통신 프로토콜에 의한 계측정보를 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기의 경사각을 이용하여 분석된 계류삭 자세를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기 위치 측정 방식을 예시한 개념도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측기 위치정보 및 기울기정보를 이용하여 예측된 계류삭 자세를 도시한 도면들.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 이하에서 설명되는 실시예들에서는 본 발명에 따른 감시대상이 되는 수중장비로서 계류삭을 예로 들어 설명하기로 한다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며, 해저에 설치되는 라이져(riser)나 ROV(Remotely Operated Vehicle)의 케이블, 선박의 앵커링(anchoring) 등 모든 종류의 라인형상의 수중장비에 동일하게 적용이 가능함은 이하의 설명들을 통해 당업자에게는 더욱 자명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수중 장비 감시 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 계류삭에 설치되는 계측기를 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측기간의 케이블 연결 방식을 예시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 시스템은 계류삭(10)에 설치되는 복수개의 계측기(30), 메인 케이블(20) 및 중앙관측장치(50)를 포함한다.

계측기(30)는 계류삭(10)에 간격을 두어 복수개가 설치되는데, 계측기(30)들은 서로 일정한 간격을 두고 설치될 수 있으며, 물론 이는 일례일 뿐 상황에 따라 각 계측기(30)들은 서로 다른 간격으로 설치될 수도 있음은 당연하다.

계측기(30)들은 직렬방식으로 연결된 메인 케이블(20)을 통해 전원을 공급받고, 또한 계측된 계측정보에 따른 신호를 메인 케이블(20)을 통해 중앙관측장치(50)로 전달한다.

본 실시예에 따르면 계측기(30)들이 직렬방식으로 하나의 메인 케이블(20)을 통해 전원을 공급받고 또한 신호를 전달함으로써, 개별 계측기(30)마다 별도의 전원 케이블과 신호 케이블을 이용하는 경우에 비해 케이블의 중량에 의한 문제를 최소화할 수 있다. 특히 해양에 설치되는 계류삭(10)은 보통 수km의 길이를 가지므로 더욱 효과적일 수 있다.

전원의 경우 한쪽에서 받아서 일부는 내부적으로 사용하고 일부는 다시 하단의 계측기(30)로 전달하는 방식이며, 신호의 경우는 하단에서부터 올려 준 신호가 계측기(30)를 거치면서 더해지는 방식이다.

　중간에 하나의 계측기(30)가 고장이 발생되어 제대로 동작하지 못하게 되는 경우가 있을 수 있는데, 이러한 경우엔 그 이하의 계측기(30)가 모두 사용 불가능한 상황이 발생될 수도 있다.

상기한 문제를 예방하기 위한 실시예를 도시한 도 3을 참조하면, 중간에 하나의 계측기(30)를 건너 띄어 연결이 되는 바이패스 케이블(25)이 더 구비되어 특정 계측기가 고장이 났을 시에도, 전체적인 전원공급 및 신호 전달에 문제가 없도록 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기(30)의 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 계측기(30)는 수압센서, 온도계, 경사센서, 응력센서 등의 계측을 위한 계측부(32), 음파를 수신하는 음파수신부(36) 및 계측기제어부(34)를 포함한다.

계측부(32)의 수압센서와 온도계, 경사센서는 수압과 수온, 경사각도를 측정하고, 응력 센서는 현재 계측기(30)와 부착된 계류삭(10)에 걸리는 응력을 측정하기 위함이다.

일례에 따르면, 상기한 경사각도에 대한 정보를 수집한 중앙관측장치(50)는 각 계측기(30)의 경사를 이용하여 계류삭(10)의 전체 모양(즉, 자세)을 유추할 수 있다. 계류삭(10)의 자세가 일반적인 형상이 아닌 경우(예를 들어, [L]자 형상인 경우), 장애물 등에 계류삭이 걸려 제대로 그 기능을 수행하지 못하게 되는 경우가 발생할 수 있으므로, 계류삭의 자세를 모니터링하는 것은 중요하다. 계류삭의 자세를 유추하는 방식에 대해서는 차후 관련도면(도 8)을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

음파수신부(36)는 중앙관측장치에 구비되거나 해양 플랫폼이 바닥면 등에 구비되는 복수개의 음파송신기(미도시)로부터 발송된 음파를 수신하는데, 음파수신부(36)는 각 음파의 수신시간에 대한 정보(이하 음파수신시간정보)를 계측정보로서 계측기제어부(34)로 전달한다. 상기한 음파수신시간정보는 각 계측기의 위치를 측정하기 위한 데이터로서 이용되는데, 그 위치 측정 방식은 차후 상세히 설명하기로 한다.

계측기제어부(34)는 메인 케이블(20) 또는 바이패스 케이블(25)을 통해 입력 받은 전원을 계측부(32) 및 음파수신부(36)로 제공하며, 계측부(32) 및 음파수신부(36)에 의한 계측값들을 이용하여 계측정보를 생성하고, 생성된 계측정보를 메인 케이블(20) 및 바이패스 케이블(25)을 통해 다른 장치(다른 계측기 또는 중앙관측장치(50))로 전달한다.

즉, n번째 계측기의 계측기제어부(34)는 케이블(메인 케이블(20) 또는 바이패스 케이블(25))을 통해서 전원과 신호를 받을 수 있고, 다음 계측기(n+1)로 다시 전원과 자신이 생성한 신호를 내보낼 수 있다.

만일, 이전 계측기(n-1)에서 보내진 전원(전원IN)이나 신호(신호IN)가 메인 케이블(20)을 통해 입력되지 않을 시에는 그 이전 계측기(n-2)에서 보낸 바이패스 전원과 신호를 이용한다. 또한, 메인 케이블(20)을 이용해서 다음 계측기(n+1)로 관련 정보와 전원을 내보내고, 그 다음 계측기(n+2)로는 바이패스 케이블(25)을 이용해서 동일한 정보와 전원을 내보낸다.

계측기제어부(34)는 측정된 계측값들과 계측기(30) 자체에 부여된 ID를 이용해서 미리 설정된 통신 프로토콜에 따른 계측정보를 생성할 수 있으며, 각 계측기(n)는 자신이 만든 계측정보와 이전 계측기들에서 만들어진 계측정보를 합쳐서 다음 계측기(n+1)로 전달한다. 그리고, 계측정보에는 계측기(30)의 상태(정상 또는 장애 등)에 대한 상태 정보가 포함될 수 있다. 이를 이용하여, 만약 이전 계측기(n-1)에서 문제가 생겨 관련 정보를 받지 못할 시에는 자동으로 이전 계측기의 ID를 이용해서 장애(Invalid)상태의 계측정보를 생성해서 다음 계측기로 전달하며, 이로 인해 최종적으로 중앙관측장치(50)가 해당 계측기의 이상유무를 판별할 수 있게 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기(30)의 통신 프로토콜에 의한 계측정보를 예시한 도면이다.

도 5를 참조하면, #1계측기가 자신의 아이디(0A)가 포함된 계측정보를 생성하여 #2계측기 및 #3계측기로 계측정보를 전달하면, #3계측기도 #1계측기에 의한 계측정보와 함께 자신의 아이디(1D)를 이용한 계측값들이 포함된 새로운 계측정보를 생성한다.

또한, 본 실시예는 #2계측기가 장애상태인 경우를 가정한 것으로, 이에 따라 #3계측기는 #2계측기의 아이디(E4)를 이용하여 상태정보가 장애(I)로 표시되는 계측정보를 생성한다.

따라서, 상기한 계측정보를 수신한 중앙관측장치(50)는 각 계측기(30)에 의한 계측값뿐 아니라, 어떠한 계측기에 장애가 발생되었는지도 확인할 수 있다.

그리고, 중앙관측장치(50)는 수신된 계측기(30)들로부터 수신된 계측정보를 이용하여 모니터링 정보를 생성한다. 따라서, 관리자는 모니터링 정보를 통해 수중의 온도, 압력 등을 확인할 수 있으며, 측정된 계측기들의 기울기를 통해 계류삭(10)의 전체적인 자세도 알 수 있게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 음파의 발송시간에 대한 정보 및 계측기에서의 음파수신시간정보를 이용하여 계측기들의 위치를 유추할 수 있어, 보다 상세한 계류삭(10)들의 형태를 예측할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기(30)의 경사각을 이용하여 분석된 계류삭 자세를 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 계측기(30)들의 아이디와 수신된 경사각들에 대한 정보(610~640)를 이용하여, 해당 계측기가 설치된 위치의 경사각에 의한 계류삭(10)의 전체적인 자세를 유추할 수 있다.

이하에서는 음파를 이용한 계측기 위치 측정 방식에 대해 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측기 위치 측정 방식을 예시한 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따르면 셋 이상(본 실시예에서는 4개)의 음파송신기의 각 위치값(P1, P2, P3, P4)과 각 음파송신기와 계측기(30)간의 거리(d1, d2, d3, d4)를 이용하여 삼각측량 방식에 의해 계측기 위치인 P(x,y,z)값을 측정할 수 있다.

음파송신기는 중앙관측장치(50) 또는 플랫폼 등에 설치되기 때문에, 중앙관측장치(50)는 음파송신기의 위치값에 대한 정보를 미리 저장하고 있을 수 있다. 그 위치값은 고정된 값일 수 있으며, 또는 중앙관측장치(50) 및 플랫폼 등이 유동적일 수도 있으므로 중앙관측장치(50)는 구비된 GPS 등에 의해 측정된 현재 위치정보를 이용하여 음파송신기들의 위치값을 계산할 수도 있다.

음파송신기와 계측기(30)간의 거리는 음파의 속도와 함께 음파발송시간 및 음파수신시간을 이용하여 산출할 수 있다. 다시 말해, 음파송신기에서 음파가 발송된 음파발송시간과 계측기에서 수신된 음파의 음파수신시간의 차이와 함께 음파의 속도를 이용하여 그 거리가 산출될 수 있으며, 쉬운 예로 거리는 음파속도와 상기한 시간차의 곱에 의해 산출될 수 있다.

이 때 각 계측기에서는 각각의 음파송신기에서 쏘아진 음파들을 구별할 수 있어야 하기 때문에 각 음파송신기에서는 송신하는 음파의 주파수를 다르게 하거나, 별도의 패턴을 입혀서 음파를 송신해야 한다. 음파수신부(36)는 약속된 음파의 주파수나 패턴을 인식해서 어떤 음파송신기에서 들어온 음파인지를 감별하여 그에 따른 음파수신시간정보를 중앙관측장치(50)로 전달해 주어야 한다.

음파의 속도는 수중에서 온도, 수압 등에 영향을 많이 받기 때문에 계측기에서 계측된 계측정보 중 온도 센서를 통해 계측된 온도 정보와 수압 센서를 통해 계측된 수압 정보를 이용하여 보다 정확한 음파속도가 예측될 수 있다. 예를 들어, 온도정보와 수압정보를 이용해서 계산된 수심과, 각 수심에 따른 음파의 속도 프로파일을 미리 만들고, 이에 따른 음파속도 및 음파발송과 수신에 따른 시간차를 곱하여 계측기와의 거리가 계산된다.

수압 센서를 통해 계산된 수심 정보는 음파를 이용해서 위치를 계산할 때에도 이용이 될 수 있다. P(x, y, z)에서 z의 위치가 곧 수심이 되므로, x, y만 계산하면 되어, 정밀도가 향상되는 효과가 있다.

　각 계류삭 별, 개별 계측기의 위치와 경사가 정해지면, 이를 이용해서 공간상에 이를 이어주는 곡선을 생성할 수 있으며, 이 곡선이 현재 계류삭의 상태가 된다. 곡선을 생성하는 방식은 위치 정보를 이용해서 최소 자승법 등을 통해서 구할 수도 있으며 현수선 방정식(Catenary Equation)을 이용해서 구할 수도 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측기 위치정보 및 기울기정보를 이용하여 예측된 계류삭 자세를 도시한 도면들이다.

수중에서 측면을 바라보는 것을 예시한 도 8과 상부에서 바라본 도 9를 함께 참조하면, 도 6에 도시된 각 계측기들의 기울기값만을 이용하는 방식에 비해, 위치값까지 함께 이용함으로써 계류삭들(810, 820, 830, 840)의 입체적인 자세를 예측할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 계류삭 20 : 메인 케이블
25 : 바이패스 케이블 30 : 계측기
32 : 계측부 34 : 계측기제어부
36 : 음파수신부 50 : 중앙관측장치

Claims (5)

1. 음파를 송신하는 셋 이상의 음파송신기들;
   라인형상의 수중장비에 간격을 두고 복수 개가 설치되어 상기 음파를 수신하고, 상기 음파의 수신시간을 포함하는 하나 이상의 계측값을 이용한 계측정보를 생성하는 계측기;
   상기 음파송신기들이 음파를 송신한 음파송신시간, 상기 계측기가 음파를 수신한 음파수신시간, 상기 음파송신기들의 위치 및 상기 음파의 속도를 이용하여 상기 계측기의 위치를 산출하고, 산출된 각 계측기의 위치를 이용하여 상기 수중장비의 자세를 분석하는 중앙관측장치;
   상기 복수의 계측기들 중 인접한 계측기 간에 상기 계측정보를 포함하는 신호가 송수신되기 위한 메인 케이블; 및
   상기 복수의 계측기들 중 인접하지 않은 계측기 간에 상기 신호가 송수신되기 위한 바이패스 케이블을 포함하는 수중 장비 감시 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 계측기는 상기 계측기의 경사도를 측정하는 경사센서를 포함하고,
   상기 중앙관측장치는 상기 경사도를 이용하여 상기 계측기의 자세를 분석하는 수중 장비 감시 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 계측기는 상기 계측기가 위치한 수심의 수압을 측정하는 수압센서를 포함하고,
   상기 중앙관측장치는 상기 측정된 수압을 이용하여 상기 계측기의 위치를 산출하는 수중 장비 감시 시스템.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 신호는 상기 중앙관측장치를 기준으로 먼 쪽의 계측기로부터 가까운 쪽의 계측기로 전달되는 수중 장비 감시 시스템.

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