KR101381046B1 - 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

종래에는 선체와 해빙 사이의 마찰계수 측정을 위하여 해빙을 샘플링하여 간접적으로 측정하였으나, 이는 빙하중에 의한 수직항력을 적절하게 고려하지 못해 정확한 마찰계수 값을 구하지 못하는 단점을 가지고 있었다. 이에 본 발명은 종래의 문제점들을 개선하고 실해역에서 실규모 선체와 해빙사이의 마찰계수를 정확히 측정하기 위한 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 6분력계, 로드셀, 카메라, 위성 항법 시스템(GPS), 온도 스트링 센서, 마찰계수 측정 데이터베이스 및 계산 소프트웨어를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 실시간으로 선체와 해빙 사이의 마찰계수를 측정하여 다양하게 활용할 수 있는바, 빙해선박의 성능을 검증하는 하나의 지표로 사용하거나, 빙모형시험법 개발 및 모형시험 해석 데이터를 업그레이드 할 수 있는 기초자료로 활용하거나, 선체의 부식 및 거칠기를 유추하여 쇄빙선의 도장 시기 및 보수시기를 결정할 수 근거자료로 활용하거나, 현재의 해빙 상태에 가장 알맞은 쇄빙선 개발 및 해빙의 물리적 특성을 데이터베이스화할 수 있는 자료로 활용하는 것이 가능해진다.

Description

빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템{a real-time measurement system of hull frictional coefficient for ice-class vessels}

본 발명은 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템에 관한 것이다.

실해역에서 빙해선박의 선체(hull)와 해빙(sea ice) 사이의 마찰로 발생하는 마찰저항(frictional resistance)은 빙해선박의 전체저항(total resistance) 중 약 30% 정도 차지(Spencer and Jones, 2001 외 다수, 빙모형시험 결과를 토대로 추정)하고 있는 주요 인자로서, 마찰저항은 선체와 해빙 사이의 마찰계수에 비례하여 증가하는 양상을 가지고 있다. 그리고 마찰계수는 선체 표면의 거칠기(roughness), 해빙의 상태(ice conditions), 선속(ship speed), 빙하중(ice load), 수온 및 대기온도, 눈(snow) 유무, 윤활 상태(lubrication conditions) 등에 따라 변하게 된다.

실해역에서 선체와 해빙 사이의 마찰저항 또는 마찰계수를 정확히 측정하기는 매우 어렵고 복잡하여 마찰계수 측정 절차나 측정 기술에 대한 연구는 전세계적으로 전혀 이루어지지 않았다. 왜냐하면 마찰계수 영향인자들이 매우 다양하여 정확한 계측이 어렵기 때문이다. 또한 빙해선박 분야에서는 주로 선체구조, 선형(hull form), 추진기 등의 기초 기술 개발에 매진하였기 때문에 그동안 마찰저항의 감소를 위하여 air bubble이나 water jet을 이용한 장치개발에만 국한적으로 연구가 수행되었다. 따라서 선체와 해빙 사이의 마찰계수는 연구 초기 해빙을 샘플링(sampling)하여 선박 위에서 견본판(sample board)을 이용하여 마찰계수를 측정하는 방식으로 획득한 데이터를 30~40년이 지난 현재까지도 사용하고 있는 실정이며, 실해역에서 선체와 해빙 사이의 실시간 마찰계수를 정확히 측정하는 계측 시스템은 전무한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실해역에서 실규모 선체와 해빙사이의 마찰계수를 정확히 측정하기 위한 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

선박의 부력중심에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 선박에 작용하는 전체 빙하중을 계산하여 데이터 분석실로 전송하는 6분력계;

선박의 선수, 선체중앙, 선미의 선체 안쪽에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 선박에 작용하는 마찰력을 측정하여 데이터 분석실로 전송하는 로드셀;

선박의 데이터 분석실에 구비되며, 데이터 분석실로 전송된 전체 빙하중, 마찰력 값을 시간 동기화하여 저장하는 마찰계수 측정 데이터베이스 및;

상기 마찰계수 측정 데이터베이스와 연동하며, 상기 마찰계수 측정 데이터베이스에 저장된 전체 빙하중, 마찰력 값을 이용하여 실시간으로 마찰계수를 계산하는 계산 소프트웨어;

를 포함하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 실시간으로 선체와 해빙 사이의 마찰계수를 측정하여 다양하게 활용할 수 있다. 첫째로, 빙해선박의 성능을 검증하는 하나의 지표로 사용할 수 있게 된다. 즉, 쇄빙저항과 마찰저항 등 선형 및 추진기 형태에 따라 저항성분을 분석하여 빙해선박의 성능을 검증하는데 큰 역할을 할 수 있게 된다. 둘째로, 빙모형시험법 개발 및 모형시험 해석 데이터를 업그레이드 할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다. 셋째로, 선체의 부식 및 거칠기를 유추하여 쇄빙선의 도장 시기 및 보수시기를 결정할 수 근거자료로 활용할 수 있다. 마지막으로, 최근 지구 온난화로 인하여 해빙의 특성 및 해빙 결빙 면적이 급속도로 변하고 있으며, 현재의 해빙 상태에 가장 알맞은 쇄빙선 개발 및 해빙의 물리적 특성을 데이터베이스화할 수 있는 자료를 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
도 2는 빙해선박 실해역 운항 시의 빙상상태 위치 개념도.
도 3은 전체 빙하중 계산을 위한 좌표계.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 보여준다. 그리고 도 2는 빙해선박 실해역 운항 시의 빙상상태 위치 개념도이며, 도 3은 전체 빙하중 계산을 위한 좌표계를 보여준다.

종래에는 선체와 해빙 사이의 마찰계수 측정을 위하여 해빙을 샘플링하여 간접적으로 측정하였으나, 이는 빙하중에 의한 수직항력을 적절하게 고려하지 못해 정확한 마찰계수 값을 구하지 못하는 단점을 가지고 있었다. 이에 본 발명은 종래의 문제점들을 개선하고 실해역에서 실규모 선체와 해빙사이의 마찰계수를 정확히 측정하기 위한 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 6분력계(1), 로드셀(2), 카메라(3), 위성 항법 시스템(GPS)(4), 온도 스트링 센서(5), 마찰계수 측정 데이터베이스(6) 및 계산 소프트웨어(7)를 포함하여 이루어진다(도 1).

본 발명에 따른 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템은 극지해역에서 빙해선박이 운항 중에 선박(8)의 전체 빙하중(global ice load), 선체 표면의 마찰력(friction force), 선속, 해수 및 대기온도 등을 실시간으로 계측하고 그 결과를 바탕으로 실시간으로 마찰계수를 측정하고 계산하는 시스템으로서, 선박(8) 주위에서 계측된 값들이 랜(LAN)이나 선박(8) 내 데이터 통신을 통해 선박(8) 내 데이터 분석실로 이동하면, 선박(8) 내 데이터 분석실에서는 선속별 또는 해빙 상태별 마찰계수를 실시간으로 계산해 내게 된다.

극지항로 빙해역에서 쇄빙선 등 선박은 얼음을 굽힘으로 깨면서 전진을 하며, 선수부 형상(선수각≒30°)에 약간의 차이는 있지만 깨어진 빙편(ice floe)(9)은 굽힘방향으로 회전을 하면서 선체(8) 중앙으로 미끄러지며, 최종적으로 선미를 거쳐 프로펠러 후류를 따라 이동하게 된다(도 2).

한편, 빙해선박은 빙해역을 운항할 수 있는 선박을 총칭하며, 얼음을 깨고 운항할 수 있는 쇄빙선과 깨어진 빙편을 헤치고 운항할 수 있는 내빙선으로 나눌 수 있다. 빙해선박에 작용하는 마찰저항은 크게 선수(bow), 선체중앙(midship), 선미(stern) 의 세 부분으로 나뉘어서 작용하게 되며, 각 부분에서 선체(8)의 표면에 법선방향으로 작용하는 수직항력에 대하여 직교하는 방향으로 마찰력이 발생하게 된다. 따라서 마찰계수를 계산하기 위해서는 기본적으로 선체(8)에 작용하는 수직항력(N)과 마찰력(F)을 측정해야 한다.

수직항력의 경우, 먼저 선박(8)의 부력중심(center of buoyancy)에 6분력계(1)를 설치하여 선체를 강체로 가정하고 선체의 6자유도 움직임을 계측한 뒤 이를 이용해 운동방정식을 풀어 선체에 작용한 전체 빙하중을 계산하여야 하며(선체에 수직하게 작용한 전체 빙하중은 도 3의 좌표계에서 세 방향 힘 성분의 벡터 합으로 표시된다), 이렇게 계측한 전체 빙하중 값을 유한요소 해석을 통해 선수, 선체중앙, 선미 부분에 작용하는 압력저항 값으로 환산함으로써 세 부분에서 작용하는 수직항력을 계산하게 된다(이러한 수직항력의 계산은 후술하는 계산 소프트웨어(7)에 의하여 진행된다).

마찰력은 도 1에서 나타난 선수, 선체중앙, 선미에 3개의 로드셀(load cell)(2)을 이용하여 측정하게 된다. 이 로드셀(2)은 선체(8) 안쪽에 설치하여 선체표면 법선방향과 수직한 방향으로 걸리는 힘에 의해 선체가 변형된 양을 측정하여 마찰력을 측정할 수 있다.

최종적으로 마찰계수는 선수, 선체중앙, 선미에서 계측된 마찰력(F)의 값을 수직항력(N)의 값으로 나눈 값으로 계산된다(이러한 마찰계수의 계산은 후술하는 계산 소프트웨어(7)에 의하여 진행된다).

한편, 본 발명은 추가적으로 선수 앞부분에 설치되어 해빙상태를 계측하기 위한 카메라(3)와 선속 측정을 위한 위성 항법 시스템(GPS)(4), 대기온도 및 수온을 측정하기 위한 온도 스트링 센서(5)를 이용하여 선속별, 해빙상태별 마찰계수의 특성을 분석하기 위한 시스템을 구축할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템은, 6분력계(1), 로드셀(2), 카메라(3), 위성 항법 시스템(4), 온도 스트링 센서(5)의 계측 값을 선박(8) 내 데이터 분석실로 전송하는 랜(LAN)이나 선박(8) 내 데이터 통신 등의 라인을 구축한다.

이에 따라, 선박(8)의 부력중심에 설치된 6분력계(1)는 실시간으로 선박(8)의 운동을 분석하여 전체 빙하중을 계산하여 데이터 분석실로 전송한다. 그리고 선수, 선체중앙, 선미에 설치된 로드셀(2)은 실시간으로 측정한 마찰력의 값을 데이터 분석실로 전송한다. 그리고 선수 앞부분에 설치된 카메라(3)는 해빙상태를 모니터링하면서 일정시간 간격으로 해빙의 정지영상을 캡쳐한 후 캡쳐한 영상을 명암 분석을 통해 이미지 분석하여 해빙의 상태(집적도)를 분석한 후 분석한 데이터를 데이터 분석실로 전송한다. 그리고 위성 항법 시스템(4)은 실시간으로 변화하는 선속을 계측하여 데이터 분석실로 전송하며, 온도 스트링 센서(5)는 실시간으로 대기온도 및 수온을 측정하여 데이터 분석실로 전송한다.

상술한 바와 같이 데이터 분석실로 전송된 전체 빙하중, 마찰력, 해빙의 집적도, 선속, 대기온도 및 수온 등의 계측 값은 데이터 분석실에 구비된 마찰계수 측정 데이터베이스(6)에 시간 동기화되어 저장되어지며, 상기 마찰계수 측정 데이터베이스(6)와 연동하는 계산 소프트웨어(7)에 의하여 선속별, 해빙의 상태별, 온도별 실시간 마찰계수가 계산되어져, 사용자에게 다양한 정보를 제공해 주게 된다.

이하, 본 발명에 따른 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템을 선박에 설치한 후 실해역을 운항하면서 실시간으로 마찰계수를 측정하는 과정을 단계별로 나누어 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

설치 단계: 선박(8)의 부력중심에 6분력계(1)를 설치하고, 선수, 선체중앙, 선미의 선체 안쪽에 로드셀(2)을 설치하고, 선수 앞부분에 카메라(3)를 설치하고, 위성 항법 시스템(4), 온도 스트링 센서(5)를 선박(8)의 임의의 위치에 설치하고, 선박(8)의 데이터 분석실에 마찰계수 측정 데이터베이스(6)를 구비하고, 마찰계수 측정 데이터베이스(6)와 계산 소프트웨어(7)를 연동시킨다. 그리고 6분력계(1), 로드셀(2), 카메라(3), 위성 항법 시스템(4), 온도 스트링 센서(5)의 계측 값을 선박 내 데이터 분석실로 전송하는 랜(LAN)이나 선박 내 데이터 통신 등의 라인을 구축한다(도 1).

제1 단계: 실해역에서 선박(8)이 해빙과 마찰을 일으키면서 전진하면, 6분력계(1)는 실시간으로 선박(8)에 작용하는 전체 빙하중을 계산하여 데이터 분석실로 전송한다. 이 경우, 6분력계(1)는 선체를 강체로 가정하고 선체의 6자유도 움직임을 계측한 뒤 이를 이용해 운동방정식을 풀어 선체에 작용한 전체 빙하중을 계산한다.

제2 단계: 로드셀(2)은 실시간으로 측정한 마찰력의 값을 데이터 분석실로 전송한다. 이 경우, 로드셀(2)은 선체표면 법선방향과 수직한 방향으로 걸리는 힘에 의해 선체가 변형된 양을 측정하여 마찰력을 측정한다.

제3 단계: 카메라(3)는 해빙상태를 계측하여 데이터 분석실로 전송한다. 이 경우, 카메라(3)는 해빙상태를 실시간으로 모니터링하면서 일정시간 간격으로 해빙의 정지영상을 캡쳐한 후 캡쳐한 영상을 명암 분석을 통해 이미지 분석하여 해빙의 상태(집적도)를 분석한 후 분석한 데이터를 데이터 분석실로 전송한다. 그리고 위성 항법 시스템(4)은 실시간으로 변화하는 선속을 계측하여 데이터 분석실로 전송하며, 온도 스트링 센서(5)는 실시간으로 대기온도 및 수온을 측정하여 데이터 분석실로 전송한다.

제4 단계: 데이터 분석실로 전송된 전체 빙하중, 마찰력, 해빙의 집적도, 선속, 대기온도 및 수온 등의 계측 값은 데이터 분석실에 구비된 마찰계수 측정 데이터베이스(6)에 시간 동기화되어 저장된다.

제5 단계: 마찰계수 측정 데이터베이스(6)와 연동하는 계산 소프트웨어(7)가 선속별, 해빙의 상태별, 온도별 실시간 마찰계수를 계산한다. 이 경우, 계산 소프트웨어(7)는 6분력계(1)가 계측한 전체 빙하중 값을 유한요소 해석을 통해 선수, 선체중앙, 선미 부분에 작용하는 압력저항 값으로 환산함으로써 세 부분에서 작용하는 수직항력을 계산해 내며, 최종적으로는 로드셀(2)에 의하여 측정된 마찰력의 값을 수직항력의 값으로 나눔으로써 마찰계수를 계산해 낸다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실시간으로 선체와 해빙 사이의 마찰계수를 측정하여 다양하게 활용할 수 있다. 첫째로, 빙해선박의 성능을 검증하는 하나의 지표로 사용할 수 있게 된다. 즉, 쇄빙저항과 마찰저항 등 선형 및 추진기 형태에 따라 저항성분을 분석하여 빙해선박의 성능을 검증하는데 큰 역할을 할 수 있게 된다. 둘째로, 빙모형시험법 개발 및 모형시험 해석 데이터를 업그레이드 할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다. 셋째로, 선체의 부식 및 거칠기를 유추하여 쇄빙선의 도장 시기 및 보수시기를 결정할 수 근거자료로 활용할 수 있다. 마지막으로, 최근 지구 온난화로 인하여 해빙의 특성 및 해빙 결빙 면적이 급속도로 변하고 있으며, 현재의 해빙 상태에 가장 알맞은 쇄빙선 개발 및 해빙의 물리적 특성을 데이터베이스화할 수 있는 자료를 확보할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 6분력계 2 : 로드셀
3 : 카메라 4 : 위성 항법 시스템
5 : 온도 스트링 센서 6 : 마찰계수 측정 데이터베이스
7 : 계산 소프트웨어 8 : 선박, 선체
9 : 빙편

Claims (14)

1. 선박의 부력중심에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 선박에 작용하는 전체 빙하중을 계산하여 데이터 분석실로 전송하는 6분력계;
   선박의 선수, 선체중앙, 선미의 선체 안쪽에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 선박에 작용하는 마찰력을 측정하여 데이터 분석실로 전송하는 로드셀;
   선박의 데이터 분석실에 구비되며, 데이터 분석실로 전송된 전체 빙하중, 마찰력 값을 시간 동기화하여 저장하는 마찰계수 측정 데이터베이스 및;
   상기 마찰계수 측정 데이터베이스와 연동하며, 상기 마찰계수 측정 데이터베이스에 저장된 전체 빙하중, 마찰력 값을 이용하여 실시간으로 마찰계수를 계산하는 계산 소프트웨어;
   를 포함하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 6분력계는 선체를 강체로 가정하고 선체의 6자유도 움직임을 계측한 뒤 이를 이용해 운동방정식을 풀어 선체에 작용한 전체 빙하중을 계산하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 로드셀은 선체표면 법선방향과 수직한 방향으로 걸리는 힘에 의해 선체가 변형된 양을 측정하여 마찰력을 측정하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 계산 소프트웨어는 상기 6분력계가 계측한 전체 빙하중 값을 유한요소 해석을 통해 선수, 선체중앙, 선미 부분에 작용하는 압력저항 값으로 환산함으로써 세 부분에서 작용하는 수직항력을 계산해 내며, 최종적으로는 상기 로드셀에 의하여 측정된 마찰력의 값을 수직항력의 값으로 나눔으로써 마찰계수를 계산해 내는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   선박의 선수 앞부분에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 해빙상태를 계측하여 데이터 분석실로 전송하는 카메라를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 카메라는 해빙상태를 실시간으로 모니터링하면서 일정시간 간격으로 해빙의 정지영상을 캡쳐한 후 캡쳐한 영상을 명암 분석을 통해 이미지 분석하여 해빙의 상태(집적도)를 분석한 후 분석한 데이터를 데이터 분석실로 전송하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 마찰계수 측정 데이터베이스는 데이터 분석실로 전송된 해빙상태 값을 시간 동기화하여 추가로 저장하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
8. 삭제
9. 제1 항에 있어서,
   선박에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 변화하는 선속을 계측하여 데이터 분석실로 전송하는 위성 항법 시스템을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 마찰계수 측정 데이터베이스는 데이터 분석실로 전송된 선속 값을 시간 동기화하여 추가로 저장하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 선속별 실시간 마찰계수를 계산하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
12. 제1 항에 있어서,
    선박에 설치되고, 랜이나 데이터 통신라인으로 데이터 분석실과 연결되며, 실시간으로 대기온도 및 수온을 측정하여 데이터 분석실로 전송하는 온도 스트링 센서를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 마찰계수 측정 데이터베이스는 데이터 분석실로 전송된 대기온도 및 수온 값을 시간 동기화하여 추가로 저장하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 온도별 실시간 마찰계수를 계산하는 것을 특징으로 하는, 빙해선박용 실시간 선체 마찰계수 측정 시스템.

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