KR101529377B1 - 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보 제공 방법 - Google Patents

실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보 제공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간으로 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 제어함에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체역학적 환경 내외력에 의하여 해양 부유물에 가해지는 전후좌우 기울기, 흘수, 트림, 부식, 침식, 균열, 압력, 스트레스, 진동, 주파수 등의 변화를 종합적으로 측정하고, 이를 바탕으로 상기 해양 구조물을 제어하여 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보의 제공 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수조에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물 외부 기체의 흐름이 상기 해양 구조물에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블을 생성하고 상기 룩업테이블을 데이터베이스에 저장하는 제 1단계, 상기 해양 구조물(100)의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 상기 내외력을 측정하여 상기 데이터베이스에 저장하는 제 2단계, 제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계, 상기 예측된 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 이용하여 해양 구조물의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어하는 제 4단계를 포함하는, 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보제공 방법이 제공된다.

Description

실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보 제공 방법{Method for energy saving, safety managing and maintenance information offering of the marine structure by real time predicted monitoring and controlling gas-dynamic}
본 발명은 실시간으로 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체역학적 환경 내외력에 의하여 해양 부유물에 가해지는 전후좌우 기울기, 흘수, 트림, 부식, 침식, 균열, 압력, 스트레스, 진동, 주파수 등의 변화를 종합적으로 측정하고, 이를 바탕으로 상기 해양 구조물을 제어하여 연료절감, 안전운용 및 유지보수정보의 제공 방법에 관한 것이다.
해양 구조물의 운용시 기체의 흐름은 해양 구조물에 대하여 필연적으로 내외력을 가하게 되며, 특히 해양의 특정 지점에 장기간 계류하는 해양 고정 구조물의 경우에는 이러한 기체의 흐름에 의한 내외력의 영향을 최소화할 수 있도록 제어하는 것이 필수적이다.
또한, 해양 구조물의 운용 중 기체역학적 환경 내외력 및 선체 응력에 의하여 선박 등이 전복되거나 운송물이 낙하하는 문제에 대한 해결책이 시급하다.
한편, 연료가 적게 드는 해양 구조물을 개발하고 건조하는 것은 미래 조선해양 산업의 핵심이다. 하루 100톤의 연료를 소비하고, 320톤의 이산화탄소를 배출하는 해양 구조물(100)을 가정하면, 1%의 연비개선은 연간 24만 달러 이상의 비용을 절감하며, 25년이면 약 6백만 달러를 줄일 수 있으며, 중고선 시장에서 연비가 가장 중요한 요소 중 하나이다.
또한, 현대사회는 온실가스를 배출하는 동력수송시스템에 대부분 의존하고 있지만, CO2배출은 지구 온난화, 기후 변화와 해양 산성화를 일으키는 핵심요인으로 널리 알려져 있다. 1톤의 화물을 1마일 수송하는데 배출되는 CO2의 양은 해양 구조물이 수송수단 중에서 가장 효율적임에도 불구하고, 세계무역에서 가장 압도적인 수송수단이기 때문에 CO2 배출량이 산업계에서 배출하는 전체 온실가스 배출량의 약 3%에 해당한다. 그러므로 해양 구조물의 연료효율을 높임으로써 산업계에서 배출하는 온실가스의 배출량을 크게 줄일 수 있다.
또한, 해양 구조물 운용의 기존의 수작업 및 반자동화 방식은 작업자의 업무수준에 따라 차이가 크고, 반자동화 방식으로 개발된 시스템의 경우에도 해당 해양 구조물에만 적용 가능한 상황이므로 다양한 선종을 포괄할 수 있는 시스템을 구현하기 위해서는 소프트웨어 공학적 접근이 필요하고, 비슷한 종류의 응용 개발을 위한 토대를 제공하는 개념인 소프트웨어 프레임워크 개발이 필요하다.
한국등록특허공고 제 10-0412012 호 : 해양석유시추 및 채유용 잭업플래트폼
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실시간으로 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치의 모니터링 및 제어를 통한 연료절감 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 모니터링 정보를 외부의 타 장치와 공유하여 기상정보의 정확성을 높일 수 있고, 인공위성에 의해 측정된 데이터를 검교정할 수 있는 환경을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 기체역학적 환경 내외력에 의하여 해양 부유물에 가해지는 전후좌우 기울기, 흘수, 트림 등의 변화를 측정하여, 이를 바탕으로 상기 해양 부유물을 제어함을 통하여 실시간으로 안전운용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 해양 구조물에 가해지는 기체역학적 환경 내외력에 의한 부식, 침식, 균열, 압력, 스트레스 등을 측정하여, 유지보수에 대한 정보를 실시간으로 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수조에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물(100) 외부 기체의 흐름이 상기 해양 구조물(100)에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블(210)을 생성하고 상기 룩업테이블(210)을 데이터베이스(200)에 저장하는 제 1단계, 상기 해양 구조물(100)의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 상기 내외력을 측정하여 상기 데이터베이스(200)에 저장하는 제 2단계, 제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블(210)에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계, 상기 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 이용하여 해양 구조물(100)의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어하는 제 4단계를 포함하는, 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법이 제공된다.
또한, 상기 제3단계는, 상기 해양 구조물(100)의 실제 반응을 측정하는 제3-1단계 및 상기 제3-1단계에서 측정된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터가 불일치하는 경우, 제3-1단계의 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 룩업테이블(210)에 있어서의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 수정하는 3-2단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터의 수정은, 유한요소법(FEA) 기반의 시뮬레이터에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 2단계는, 상기 해양 부류체에 구비된 계측기기(300)를 통하여 기체에 의한 내외력을 측정하되, 상기 계측기기(300)는 전기식 센서 또는 광학 센서로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 계측기기(300)는 풍향, 풍속, 기압, 기온, 습도 및 분진을 고도별로 측정한다.
또한, 상기 제 2단계는, IMU를 이용하여 기체의 흐름이 해양 구조물(100)에 미치는 내외력을 실제로 측정한다.
또한, 상기 제 2단계에서의 상기 해양 구조물(100)의 반응은, 상기 해양 구조물(100)이 선박인 경우 상기 선박의 진행방향, 전후좌우 기울기, 흘수 또는 트림 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2단계에서 상기 해양 구조물(100)의 반응은, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우 상기 구조물의 이동방향, 전후 좌우 기울기, 흘수 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2단계는, 기체의 흐름에 의한 해양 구조물(100)의 고유주파수, 조화주파수 및 기체특성을 포함하는 데이터를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제 1단계에서 상기 룩업테이블(210)이 저장되는 데이터베이스(200)는, 상기 해양 구조물(100)에 구비된 항해기록장치(VDR)일 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우, 상기 룩업테이블(210)은 1년 단위의 시(時)계열적 데이터로 기록되며, 전년도까지의 축적된 1년 단위의 시(時)계열적 데이터와의 비교를 통해 상기 룩업테이블(210)을 수정할 수 있다.
또한, 상기 제4단계는, 러더(110)(rudder), 트러스터(120)(thruster), 추진용 프로펠러(130), 돛(140), 연 또는 풍선 중 적어도 어느 하나를 이용하여 해양 구조물(100)의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제4단계는, 상기 해양 구조물(100)이 선박인 경우, 상기 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터에 따라, 추진력과 상기 내외력과의 합력이 목표하는 진행방향이 될 수 있도록 러더(110)의 방향을 제어할 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우, 상기 예측된 구조물의 반응에 대한 데이터에 따라, 상기 내외력과의 합력이 최소가 되어 현 위치를 유지하도록 트러스터(120)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)은, 헬리덱(150)(helideck)을 구비하되, 상기 제 4단계는, 상기 헬리덱(150)의 평형을 유지할 수 있도록 DP(Dynamic Positioning) 및 DM(Dynamic Motioning)을 통해 상기 해양 구조물(100)의 자세를 제어하고, 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 상기 데이터베이스(200)에 저장할 수 있다. 그리고, 상기 해양 구조물(100)의 자세를 제어함에 따른 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 상기 데이터베이스(200)에 저장하되, 상기 데이터베이스(200)는 통신부를 통하여 외부의 구조정보서버로 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 송신하며, 상기 구조정보서버는 복수의 해양 구조물(100) 중에서 헬기가 이착륙할 수 있는 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 보유한 해양 구조물(100)의 위치 정보를 헬기로 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 2단계는 계측기기(300)에 의해 상기 해양 구조물(100)로부터 원거리의 풍향, 풍속, 기온, 습도, 기압, 태양복사선, 무기이온, 이산화탄소, 분진, 방사능 또는 오존 중 적어도 하나 이상을 계측하고 상기 데이터베이스(200)에 저장하는 제 2-1단계를 더 포함하되,
상기 계측기기(300)는 풍속계, 풍향계, 습도계, 온도계, 기압계, 일사계, 대기gassol 자동채취기, CO2flux측정장비, 대기분진채집기, air sampler 또는 오존분석기 중 적어도 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 해양 구조물(100)은 발라스트 탱크(500)를 구비하며, 상기 발라스트 탱크(500) 내부의 슬로싱 현상을 감소시키기 위하여, 상기 발라스트 탱크(500)의 양 측면 각각에 구비되는 슬로싱 억제부(510)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 슬로싱 억제부(510)는 상기 발라스트 탱크(500)의 일 수평 단면에 있어서 상기 단면의 개방 면적을 좁힘으로써 슬로싱 현상을 억제한다.
또한, 상기 제4단계는, 기울어진 방향의 반대쪽으로 상기 발라스트 탱크(500)에 적재된 발라스트 수(水)를 이동시켜 상기 해양 구조물(100)의 자세를 제어할 수 있다. 그리고, 상기 발라스트 탱크(500)는, 상기 발라스트 탱크(500) 내부에 구획을 나누는 격벽(520)을 구비하며, 상기 격벽(520)에는 타 구획으로 상기 발라스트 수(水)를 이동시키기 위한 개폐부(530)를 설치하고, 상기 개폐부(530)의 내부에는 상기 발라스트 수의 이동 속도 및 이동 방향을 제어하는 펌프(540)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 2단계에서의 내외력의 측정 데이터를 외부 기상정보서버에 전송하고, 상기 기상정보서버는 인공위성으로부터 수신된 기상정보를 상기 내외력의 측정 데이터와 비교 및 가공(Algorithm)하여 오차를 수정한 기상정보수정데이터를 저장할 수 있다.
또한, 상기 기상정보서버에 접속된 외부 사용자단말기의 요청에 따라, 상기 기상정보수정데이터를 상기 외부 사용자단말기에 제공할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 수조에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물(100) 외부 기체의 흐름이 해양 구조물(100)에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블(210)을 생성하고 상기 룩업테이블(210)을 데이터베이스(200)에 저장하는 제 1단계, 해양 구조물(100)의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 상기 내외력을 측정하여 상기 데이터베이스(200)에 저장하는 제 2단계, 제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블(210)에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계, 실제 해양 구조물(100)의 반응을 측정하는 제3-1단계, 상기 제3-1단계에서 측정된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 비교하여, 그 차이가 발생된 경우 제3-1단계의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 룩업테이블(210)에 있어서의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를수정하는 제3-2단계 및 상기 룩업테이블(210)에 축적된 데이터를 가상의 시뮬레이션을 통하여 해양 구조물(100)에 대한 유지보수 데이터를 획득하는 제 4단계를 포함한다.
또한, 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터는, 스트레인, 변형, 균열, 진동, 주파수, 부식, 침식 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 4단계의 유지보수 데이터는, 상기 해양 구조물(100)에 구비된 개별 구조물의 미리 설정된 중요도에 따라 구별되어 획득될 수 있다.
또한, 상기 유지보수 데이터는, 유지보수가 필요한 위치정보, 유지보수 비용 정보, 유지보수 소요시간 정보 또는 구조물별 잔여수명 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 향해 또는 계류 중인 해양 구조물(100)의 기체역학적 환경 내-내외력, 선체 응력, 6자유도운동 및 위치를 실시간 모니터링&제어함으로써 해양 구조물(100)의 항해 또는 계류 시 소모되는 연료를 효율적으로 절감할 수 있다.
또한, 기체역학적 환경 내외력에 의하여 해양 부유물에 가해지는 전후좌우 기울기, 흘수, 트림 등의 변화를 측정하여, 상기 해양 부유물을 제어함을 통하여 안전한 운용을 가능하게 한다.
또한, 상기 해양 구조물(100)에서 모니터링한 정보를 타인과 공유하여 기상정보의 정확성을 높일 수 있고, 인공위성에 의해 측정된 데이터를 검교정할 수 있는 ground true station으로 활용될 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)에서 모너터링한 정보를 축적하여 지구온난화 등에 의한 해수면 상승, 에너지 수지 변화 등 지구환경 연구에 기여할 수 있다.
또한, 해양 구조물(100)에 설치된 헬리덱(150)의 평형을 유지하여 해난사고 시 헬기로 신속히 구조할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
또한, 인공위성으로부터 수신된 기상정보를 상기 내외력의 측정 데이터와 비교하여 오차를 감소시켜 예보를 위한 기초자료로 제공으로 수산업에 기여할 수 있다.
또한, 해양 구조물(100)에 가해지는 기체역학적 환경 내외력에 의한 부식, 침식, 균열, 압력, 스트레스 등에 대응하여, 관련된 유지보수에 대한 정보를 제공함을 통하여 상기 해양 구조물(100)의 수명을 연장시켜 장기간 운용할 수 있도록 한다.
또한, 고(高)파랑, 강풍속 등의 현장여건에 노출된 해양 구조물의 정적 또는 동적 특성을 분석함으로써 해양 구조물의 장기 안정성을 확보하기 위한 중장기 대책을 마련하는데 중요한 자료를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법에 대한 플로우 챠트이다.
도 2는 해양 구조물에 인가되는 기체역학 벡터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 해양 구조물에 인가되는 기체역학 벡터를 측정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기체역학에 의한 내외력이 인가되는 경우 러더를 제어하여 연료절감 및 안전운용 방법을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발라스트 탱크의 단면도와 발라스트 탱크에 구비된 격벽 및 상기 격벽의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 시뮬레이션을 통하여 해양 구조물에 대한 유지보수 데이터를 도식화한 것이다.
도 8은 해양 구조물(특히, 선박) 및 상기 해양 구조물에 설치된 헬리덱(helideck)을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 해양 구조물(100)라는 용어는, 예를 들어, 해양플랜트, 일반적인 상선, 잭 업 리그, 세미서브 리그, 자켓, 컴플라이언트 타워, TLP, 부체식 석유생산,저장,적출시설, 풍력발전기, 파력발전기 등을 의미하며, 또한 직간접적으로 연계된 복합구조물(예를 들어, non-subsea structure/Flare tower, Top-side, 접안하는 관계의 해양 구조물(100)들, Drill Rig, 유전에서 오일 및 가스 채취용 Production Casing, Risers, Flowline, Production line, mooring line, hawser line, Lowering line, ROV용 Tethering Cable line, 친환경 연료절감용 돗/세일의 구조 지지대 및 연결 케이블, 광섬유센서가 인입된 tentioner, 풍력발전기의 블래이드 및 타워, jacket, foundation과 인입하는 tensioner, 교량/사장교용 케이블, 해상, 해중 또는 해저구조물의 지지대/받침대 등의 구조물과 이러한 구조물용의 concrete tensioner 등을 포괄하는 광의의 용어임을 밝혀둔다.
본 발명에서, 발라스트 탱크(400)는 선박에 화물을 적재하지 않은 채 공선(空船)으로 운용하는 경우 프로펠러(130)가 수면에 떠올라 그 효율이 떨어지거나 심한 손상을 입게 되는 등 안전항해에 큰 지장을 초래할 우려가 있으므로 이를 방지하여 선박이 일정한 흘수(吃水)를 유지할 수 있도록 하며, 선내에 화물이 불균형하게 적재된 경우 복원성을 잃지 않도록 하기 위한 것이다. 그리고, 일반적으로 바닷물(海水)을 밸러스트 탱크(Ballast Tank)에 채우는 Water Ballast를 사용하나 이로써 충분하지 않을 경우에는 모래 등을 적재하는 Solid Ballast가 사용된다.
본 발명에서, 외력(예를 들어, wind load, wave load, current load) 및 구조물의 반응(예를 들어, Displacement, Deformation, Motion, Vortex)을 측정하는 계측기기는 전기식 또는 광학 계측 방식을 이용하는 lidar, particle induced velocity(piv), particle tracking velocity(ptv), 스트레인 센서, 신장계, 가속도계, 경사계, 압력, flow meter, 온도계, 전류계, 음향방출검사, 지진감지 계측기, 유속, 분포온도센서, 분포스트레인센서, 거리분할 광손실 측정기(OTDR) 등을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다.
본 발명에서, 내력(예를 들어, Sloshing load, Flow load, Pressure load, Thermal load) 및 구조물의 반응(예를 들어, Displacement, Deformation, Motion, Walking, Buckling, Vortex)을 측정하는 계측기기는 전기식 센서 또는 광학 센서 방식을 이용하는 lidar, particle induced velocity(piv), particle tracking velocity(ptv), 스트레인센서, 가속도계, 전류계, 음향방출검사, 지진감지 계측기, 유속, 분포온도센서, 분포스트레인센서, 거리분할 광손실 측정기(OTDR) 등을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복합광계측기기(500)는 OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer), 라만스텍트럼법(Raman), 브릴루앙 산란(Brillouin scattering), 레일리파(Rayleigh wave), DAS(Distributed Acoustic Sensing), 음향방출법(Acoustic Emission), 간섭법(Interferometry) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 목표로 하는 구조물의 변화를 감지한다.
본 발명에서, 시간과 공간정보 및 형상 취득 기법은 RF & Microwave-GPS, DGPS, RTK, 광-Lidar, PIV, PIT, 간섭계 등을 이용하여 기체역학에 대한 데이터를 수집하는 방법을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다.
본 발명에서, IMU(inertial measurement unit)는 자이로, 광격자 등의 가속도 및 회전운동을 측정하는 기기를 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝여둔다. 또한, 자이로는 축대칭인 고속회전체의 관성공간에서의 방향측정이나 관성공간에 대한 회전각속도의 측정에 사용되는 기구로서, 항공기나 선박, 미사일 등의 방향과 평형성(기울기)을 측정하는데 사용되며 야간 운용 중인 항공기 및 선박의 방향과 평형성을 일정하게 유지할수 있도록 한다.
또한, 상기 시간과 공간정보 및 형상 취득 기법과 IMU를 상기 해양 구조물(100)의 6자유도 운동, 반응자세, 위치 측정 및 데이터베이스(200)와 연동시켜 인공지능의 EEOI/EEDI/DMS/DPS용 모니터링, 경고시스템, 자동제어시스템을 활용하여 자세제어를 수행한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용하는 용어인 수치산술모델(Mathmatical models)은 유한요소법(FEM), 기체구조연동해석, 유한차분법, 유한체적법, IFEM(Inverse Finite Element Method) 등에 의한 해석 프로그램을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다. 여기서 유한요소법(FEM)은 연속체인 구조물을 1차원인 막대, 2차원인 삼각형이나 사각형, 3차원인 중심체(사면체, 6면체)의 유한 개의 요소로 분할하여 각기의 영역에 관하여 에너지원리를 기초로 하는 근사해법에 기하여 계산을 해나가는 수치계산방법이다.
본 발명에서, 상황인식 미들웨어는 USN 센서와 같은 센서에서 입력된 상황정보를 에이전트가 미들웨어 전용 패킷으로 변환하여 상황인식 미들웨어로 전송하면 미들웨어는 이를 수신하여 기능별로 분류된 각 모듈에서 처리하고 그 결과를 사용자 프로그램으로 전송하여 모니터링 및 제어할 수 있는 프로그램 상황정보를 미들웨어 전용 패킷으로 변환하는 에이전트를 통하여 모든 종류의 센서 정보를 수집하거나 모든 장비를 제어한다. 미들웨어는 각 기능별(통지, 처리, 저장, 로그, 제어, IO, 외부 응용)로 모듈화되어 있으며, 모듈간 데이터 연동을 XML로 정의된 미들웨어 메시지를 이용하므로 모듈간 독립성이 확보되어 기능 수정 및 추가 기능 등을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다.
본 발명에서 웹기반 상황인식 모니터링 프로그램은 상황인식 미들웨어를 이용하여 상황정보를 모니터링하는 프로그램이며, 웹 기반으로 제작되어 플래쉬가 정상적으로 동작하는 시스템에서 사용 가능하다. 실시간 모니터링(그래프 표현, 차트표현 가능), 10분 평균 조회과거 데이터 조회(기간별, 센서별), 센서별 임계치 설정 후 임계치 초과시 경고, 일부 센서를 위한 외부프로그램 호출 및 결과 모니터링 기능을 수행하는 프로그램을 포괄하는 광의의 용어임을 미리 밝혀둔다.
본 발명은, 전기식 또는 광학방식의 계측기기(300)들을 통합하여 상기 해양 구조물(100)의 부하, 스트레인, 변형, 변위, 피로, 균열, 진동 또는 주파수 등을 측정한다.
기체의 흐름이 선체에 미치는 힘은 시간에 따른 3차원에서의 속도와 방향에 의한 것이며, x, y, z축 및 입사각의 x, y, z축에 의한 반응이 각각 다르다.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 제어함을 통한 연료절감, 안전운용 방법은, 수조에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물(100) 외부 기체의 흐름이 해양 구조물(100)에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블(210)을 생성하고 상기 룩업테이블(210)을 데이터베이스(200)에 저장하는 제 1단계, 계측기기(300)가 해양 구조물(100)의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 상기 내외력을 측정하여 데이터베이스(200)에 저장하는 제 2단계, 제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블(210)에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계, 상기 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 이용하여 해양 구조물(100)의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어하는 제 4단계를 포함하는, 실시간 해양 구조물(100)에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법이 제공된다.
수조에서 선형 시험을 통하여 흘수 및 트림의 변화에 의한 선체저항(hull resistance)을 측정하고 6자유도 운동에 의한 영향을 감안하여 추후 선박에 인가될 기체역학 에너지를 레이더, 압력센서, 스트레인센서, 가속도계 등을 이용하여 측정한다. 이 경우, 고도별로 기체의 방향과 속도를 공간 및 시간에 따라 측정한다.
또한, 상기 단계에 따라, 수치산술모델과 실제 측정 데이터를 연동하여 자동제어를 진행한다. 선체에 인가될 기체역학 에너지의 방향과 속도를 미리 측정하고 선체에 반영하여 기체역학 반응 모델 테스트를 활용하여 해양 구조물(100)의 반응을 예측하고 실제 측정된 데이터와 비교하여, 룩업테이블(210)의 수정을 통해 최적화된 기체역학 반응 모델을 개발하고, 이를 통해 자세제어 또는 항해 경로를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3단계는, 상기 해양 구조물(100)의 실제 반응을 측정하는 제3-1단계 및 상기 제3-1단계에서 측정된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터가 불일치하는 경우, 제3-1단계의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 룩업테이블(210)에 있어서의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 수정 또는 이데이터의 수정수치를 반영하여 수치모델 (CFD &/or FEM)을 수정/보완하는 3-2단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터의 수정은, 유한요소법(FEA) 또는 Inverse Finite Element Method(iFEM)기반의 시뮬레이션에 의하여 이루어질 수 있다.
계측기기(300)에서 측정된 데이터는 전산유체역학(CFD)의 입력 조건을 최대로 하여, 해양 구조물(100)의 거동 및 6자유도 운동, 각종 물리량들의 상관관계를 분석한다. 상기 상황인식 미들웨어에서의 산술추치모델의 결과와 실제 측정 데이터를 연동하여 알고리즘 및 시뮬레이션을 구축한다. 상기 상황인식 미들웨어 및 웹기반 상황인식 모니터링 프로그램을 통해 웹기반 시스템을 구축하여 단순한 모니터링 이외에도 인공지능의 모니터링 및 예측 제어시스템을 구현한다.
도 3을 참조하면 상기 제 2단계는, 상기 해양 부류체에 구비된 계측기기(300)를 통하여 기체에 의한 내외력을 측정하되, 상기 계측기기(300)는 전기식 센서 또는 광학 센서로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 계측기기(300)는 풍향, 풍속, 기압, 기온, 습도 및 분진을 고도별로 측정한다.
또한, 상기 제 2단계는, IMU를 이용하여 기체의 흐름이 해양 구조물(100)에 미치는 내외력을 실제로 측정한다.
또한, 상기 제 2단계에서의 상기 해양 구조물(100)의 반응은, 상기 해양 구조물(100)이 선박인 경우 상기 선박의 진행방향, 전후좌우 기울기, 흘수 또는 트림 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2단계에서 상기 해양 구조물(100)의 반응은, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우 상기 구조물의 이동방향, 전후 좌우 기울기, 흘수 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2단계는, 기체의 흐름에 의한 해양 구조물(100)의 고유주파수, 조화주파수 및 기체특성을 포함하는 데이터를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제 1단계에서 상기 룩업테이블(210)이 저장되는 데이터베이스(200)는, 해양 구조물(100)에 구비된 항해기록장치(VDR)일 수 있다.
또한, 계류라인(mooring line), 친환경 연료절감형 돛(140)의 지지대 및 연결 케이블(sail line)에 전기식 또는 광학방식의 센서를 부착하여 기체역학의 복합 에너지(coupled energy)에 의한 변화를 모니터링 할 수 있다.
하역(Off-Loading) 또는 접안 시에도, 호저(Hawser) 와 선적호스(Loading Hose)에 광섬유 또는 전기식 스트레인 센서를 인입하여 계측되는 응력과 기체역학적 환경 내외력에 의해 상기 해양 구조물(100)에 발생하는 6자유도 운동(Heading, Sway, Heave, Rolling, Pitching, Yawing motion)에 대한 측정 데이터를 구조해석과 연동하고, 상황판단의 우선순위 또는 중요도를 감안한 Off-Loading 라인의 실시간 제어 또는 예측 제어를 통하여 기체역학에 의해 인가되는 힘(Pipe line, Pump, 인입형 텐셔너, 라이저, 계류라인, 하우저, Off-Loading 라인의 관성 및 탄성)을 최소화 한다.
그리고 상기 데이터베이스(200)에 저장된 데이터는 실시간 상황인식, 과거기록의 상황재현 및 경우의 수에 대비한 상황예측을 구현하기 위해 기준 데이터로 활용할 수 있다. 또한 상기 저장된 데이터는 가상 시뮬레이션을 통하여 구조 진단 및 작업 평가 기능을 수행하는데 이용할 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우, 상기 룩업테이블(210)은 1년 단위의 시(時)계열적 데이터로 기록되며, 전년도까지의 축적된 1년 단위의 시(時)계열적 데이터와의 비교를 통해 상기 룩업테이블(210)을 수정할 수 있다. 이를 통하여 오차를 자동적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 제4단계는, 러더(110)(rudder), 트러스터(120)(thruster), 추진용 프로펠러(130), 돛(140), 연 또는 풍선 중 적어도 어느 하나를 이용하여 해양 구조물(100)의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어할 수 있다. 즉, 6자유도 운동이 최소화 될 수 있도록 러더(110) 등에 대한 제어를 수행하고, 항해 중인 해양 구조물(100)의 경우 기체역학에 의한 힘을 보상하기 위해 러더(110)의 방향을 제어하여 최적화된 경로로 운용 가능하게 한다.
한편, 상기 해양 구조물(100) 운용 중인 경우, 롤링(rolling)에 의하여 해양 구조물(100)이 전복되거나 운송물이 낙하할 위험이 있다. 이 경우, 해양 구조물(100)의 아래쪽에 키를 적어도 하나 이상을 설치하면 키에 의한 마찰에 의해 롤링을 감소시킬 수 있다.
도 4를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하면, 상기 제4단계는 상기 해양 구조물(100)이 선박인 경우, 상기 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터에 따라, 추진력과 상기 내외력과의 합력이 목표하는 진행방향이 될 수 있도록 러더(110)의 방향 및 트러스터와 프로펠러의 RPM을 제어할 수 있다. 예를 들어, 기체역학에 의해 선박에 인가되는 내외력에 대하여 선박에 구비된 러더(110)(rudder)를 제어하지 않는 경우보다 러더(110)를 제어하는 경우에 목표지점까지의 이동거리가 단축됨을 도 4를 통하여 확인할 수 있다.
또한, 상기 해양 구조물(100)이 일시적 고정 구조물인 경우, 상기 예측된 구조물의 반응에 대한 데이터에 따라, 상기 내외력과의 합력이 최소가 되어 현 위치를 유지하도록 트러스터(120)를 제어할 수 있다.
도 8을 참조하면 상기 해양 구조물(100)은, 헬리덱(150)(helideck)을 구비하되, 상기 제 4단계는, 상기 헬리덱의 평형을 유지 또는 헬기 이착륙시 충격을 완화할 수 있도록 DP(Dynamic Positioning) 및 DM(Dynamic Motioning)을 통해 상기 해양 구조물의 자세를 제어하거나, 6자유도의 각도를 조절하여 상기 해양 구조물의 무게 중심을 변화시키고, 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 상기 데이터베이스(200)에 저장할 수 있다.
그리고, 상기 해양 구조물(100)의 자세를 제어함에 따른 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 상기 데이터베이스(200)에 저장하되, 상기 데이터베이스(200)는 통신부를 통하여 외부의 구조정보서버로 상기 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 송신하며, 상기 구조정보서버는 복수의 해양 구조물(100) 중에서 헬기가 이착륙할 수 있는 헬리덱(150)의 평형 상태 정보를 보유한 해양 구조물(100)의 위치 정보를 헬기로 제공할 수 있다. 또한, 해양 구조물(100)의 작업 목적 기능(헬기 이착륙, Separator, 액화공정 등)에 맞춰 평형을 유지할 수 있도록 트림(trim) 등의 6자유도의 각도를 조절하여 상기 해양 구조물(100)의 무게 중심을 변화 시킬 수 있고, 평형 상태를 유지 시킬 수 있고, 또는 충격을 완화한다. 특히, 헬기 이착륙시 해양구조물 또는 헬리덱과 헬기의 지지구조기능과의 충격을 완화한다.
또한, 상기 제 2단계는 계측기기(300)에 의해 상기 해양 구조물(100)로부터 원거리의 풍향, 풍속, 기온, 습도, 기압, 태양복사선, 무기이온, 이산화탄소, 분진, 방사능 또는 오존 중 적어도 하나 이상을 계측하고 상기 데이터베이스(200)에 저장하는 제 2-1단계를 더 포함하되
상기 계측기기(300)는 풍속계, 풍향계, 습도계, 온도계, 기압계, 일사계, 대기gassol 자동채취기, CO2flux측정장비, 대기분진채집기, air sampler 또는 오존분석기 중 적어도 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, IMU, 시간과 공간정보 및 형상 취득 기법, X-band/S-band를 감지할 수 있는 레이더를 이용하여 위험물과의 충돌 방지뿐만 아니라 풍향, 풍속, 기압, 기온을 예측하고, IMU를 1개 이상 이용하여 상기 해양 구조물(100)의 6자유도 운동 뿐만 아니라 호깅(hogging), 새깅(sagging), 비틀림(tortion)까지 측정하고, 시간과 공간정보 취득 기법을 이용하여 상기 해양 구조물(100)의 이동 거리 및 좌표 계측 위성의 환경내외력 데이터를 레이더 및 IMU 데이터와 연동하여 해양 구조물(100)의 피로를 최소화 한다.
또한, 상기 웨이브 레이터의 Polar 이미지 수집은 32개로 한정되지 않으며, 실시간 동적 이미지 프로세싱을 하기 위해서 새로운 Polar 이미지를 받는 동시에 첫번째 또는 가장 오래된 Polar 이미지를 삭제하여 실시간 동적 이미지 프로세싱을 한다. 이를 통하여, 실시간으로 위험물과의 충돌 방지, 풍속, 풍향, 기압, 기온을 예측할 수 있다. 또한, RF 1x2 Splitter 또는 RF 증폭기를 활용하여 기존의 X-band 또는 S-band 충돌방지용 레이더를 이용한다. 또한, 웨이브레이터의 측정 데이터에 대하여 6자유도 운동에 의한 영향을 보상하고, Time of Flight method, 영상이음(image overlay) 방식을 이용한다.
도 5를 참조하면, 상기 해양 구조물(100)은 발라스트 탱크(500)를 구비하며 상기 발라스트 탱크(500) 내부의 슬로싱 현상을 감소시키기 위하여, 상기 발라스트 탱크(500)의 양 측면 각각에 구비되는 슬로싱 억제부(510)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 슬로싱 억제부(510)는 상기 발라스트 탱크(500)의 일 수평 단면에 있어서 상기 단면의 개방 면적을 좁힘으로써 슬로싱 현상을 억제한다.
또한, 도 6을 참조하면 상기 제4단계는 기체역학에 의한 내외력의 영향으로 상기 해양 구조물(100)에 기울기가 발생한 경우, 기울어진 방향의 반대쪽으로 상기 발라스트 탱크(500)에 적재된 발라스트 수(水)를 이동시켜 상기 해양 구조물(100)의 자세를 제어할 수 있다. 그리고, 상기 발라스트 탱크(500)는, 상기 발라스트 탱크(500)는, 상기 발라스트 탱크(500) 내부에 구획을 나누는 격벽(520)을 구비하며, 상기 격벽(520)에는 타 구획으로 상기 발라스트 수(水)를 이동시키기 위한 개폐부(530)를 설치하고, 상기 개폐부(530)의 내부에는 상기 발라스트 수의 이동 속도 및 이동 방향을 제어하는 펌프(540)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 발라스트 탱크(100)와 수위계(water gauge)를 연결하여 상기 발라스트 탱크의 수위를 모니터링하고 피드백(feed back) 및/또는 피드포워드(feed forward)를 통해 액티브 제어(active control)를 할 수 있다.
또한, 상기 2단계에서의 내외력의 측정 데이터를 외부 기상정보서버에 전송하고, 상기 기상정보서버는 인공위성으로부터 수신된 기상정보를 상기 내외력의 측정 데이터와 비교하여 오차를 수정한 기상정보수정데이터를 저장할 수 있다.
또한, 상기 기상정보서버에 접속된 외부 사용자단말기의 요청에 따라, 상기 기상정보수정데이터를 상기 외부 사용자단말기에 제공할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 수조에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물(100) 외부 기체의 흐름이 해양 구조물(100)에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블(210)을 생성하는 제 1단계, 해양 구조물(100)의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 상기 내외력을 측정하는 제 2단계, 제2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블(210)에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제 3단계, 실제 해양 구조물(100)의 반응을 측정하는 제3-1단계, 상기 제3-1단계에서 측정된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를 비교하여, 그 차이가 발생된 경우 제3-1단계의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 룩업테이블(210)에 있어서의 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터를수정하는 제3-2단계 및 상기 룩업테이블(210)에 축적된 데이터를 가상의 시뮬레이션을 통하여 해양 구조물(100)에 대한 유지보수 데이터를 획득하는 제 4단계 및 상기 가상의 시뮬레이션의 실계측 데이터를 반영하여, 상기 가상 시뮬레이션의 결과인 반응결과수치를 실시간 해양 구조물의 반응 실계측 수치와 비교하고, 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 수정하거나 상기 수정된 데이터를 반영하여 수치모델을 수정 및 보완하는 제 5단계가 포함된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 상기 유지보수 데이터가 시뮬레이션을 통하여 획득된 내용을 확인할 수 있다. 예를 들어, 유지보수 데이터는 상기 해양 구조물(100)에 구비된 개별 구조물의 중요도 순서로 각각에 대한 위치정보, 유지보수 비용 정보, 유지보수 소요시간 정보, 잔여수명 정보 등을 포함하여 출력될 수 있다.
또한, 상기 제 4단계 이후에, FSI프로그램(Fluid Structure Interaction)에 의해 상기 해양 구조물 제어정보를 시뮬레이터로 생성하고, 상황인식 미들웨어에 의해 상기 시뮬레이터를 상기 제3-1단계에서 획득한 상기 해양 구조물의 실제 반응에 대한 데이터와 실시간으로 연동시켜, 상기 해양 구조물을 자동으로 제어하는 알고리즘을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 4단계는, 유한요소해석법(FEM) 및 전산유체역학(CFD)를 이용한 3차원 수치해석(numerical analysis)프로그램이, 상기 해양 구조물의 거동 및 구조적 변화에 따라 발생할 수 있는 가스 누출, 가스 확산, 화재 또는 폭파 등의 가상상황 및 상기 가상상황에 따른 대응방안에 대한 데이터가 저장된 상황해석모듈과 연동되어 유지보수정보를 생성
또한, 상기 해양 구조물(100)의 반응에 대한 데이터는, 스트레인, 변형, 균열, 진동, 주파수, 부식, 침식 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 주파수는 고유주파수(natural frequency), 조화주파수(harmonic frequency)를 포함하며, 구조해석 방식과 연동하여 상기 해양 구조물(100)에 가해지는 주파수를 회피하여 피로를 최소화하고 수명 연장을 위한 데이터로 활용된다.
또한, 상기 제 4단계의 유지보수 데이터는, 상기 해양 구조물(100)에 구비된 개별 구조물의 미리 설정된 중요도에 따라 구별되어 획득될 수 있다.
DP 또는 DM Boundary 조건을 충족하여 제어 시, 상기 해양 구조물(100)에 구비된 개별 구조물들에 대하여 피로 최소화에 대한 우선 순위를 결정하고, EEOI/EEDI/DMS/DPS의 효율이 적절히 크게 되도록 긴급, 시급, 우선 등의 순위로 운영할 수 있다.
또한, 상기 유지보수 데이터는, 유지보수가 필요한 위치정보, 유지보수 비용 정보, 유지보수 소요시간 정보 또는 구조물별 잔여수명 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 측정된 슬래밍에 의한 해양 구조물(100)의 반응과 슬로싱에 의한 발라스트 탱크(500)를 포함하는 저장탱크의 반응에 대한 데이터는 수치산술모델(mathmatical models)과 연동하여 최적화&인공지능 알고리즘을 얻어내고, 그 결과가 룩업테이블(210) 형태로 항해기록장치(VDR) 또는 별도의 서버에 저장되어 해양 구조물(100)의 자세를 제어하여 손상을 최소화 한다. 또한 상기 저장된 데이터는 실시간 상황인식, 과거기록의 상황재현, 경우의 수에 대한 상황예측을 구현하기 위해 필요한 상황인식용 기준 데이터(reference data)로 활용한다. 또한, 저장된 데이터를 이용하여 가상의 시뮬레이션을 통하여 구조 진단 및 작업 평가 기능을 수행할 수 있다.
상기 알고리즘 또는 시뮬레이터에 실제 측정 데이터의 지속적으로 반영 및 룩업테이블(210)의 수정을 통하여 최적화된 예측 시뮬레이터를 구현한다. Risers(SCR, TTR, Tendon)/ROV/Drill rig등을 포함하는 해양 구조물(100)에 상기 알고리즘 또는 시뮬레이터를 반영하여 자동학습 기법을 활용한 자동화를 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 해양 구조물 110 : 러더
120 : 트러스터 130 : 프로펠러
140 : 돛 150 : 헬리덱
200 : 데이터베이스 210 : 룩업테이블
300 : 계측기기 500 : 발라스트 탱크
510 : 슬로싱 억제부 520 : 격벽
530 : 개폐부 540 : 펌프

Claims (27)

  1. 수조 또는 풍동에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물 외부 기체의 흐름이 해양 구조물에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블을 생성하고 상기 룩업테이블을 데이터베이스에 저장하는 제 1단계;
    해양 구조물의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 내외력을 측정하여 측정 데이터를 상기 데이터베이스에 저장하는 제 2단계;
    상기 룩업테이블은, 1년 단위의 시(時)계열적 데이터로 기록되며, 전년도까지의 축적된 1년 단위의 시(時)계열적 데이터와, 상기 제 2단계의 측정 데이터의 비교를 통해 상기 룩업테이블을 수정하는 2-1단계;
    제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계;
    상기 해양 구조물의 예측된 반응에 대한 데이터를 이용하여 해양 구조물의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어하는 제 4단계;
    를 포함하는
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 해양 구조물의 실제 반응을 측정하는 제3-1단계; 및
    상기 제3-1단계에서 측정된 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터가 불일치하는 경우, 제3-1단계의 해양 구조물의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 상기 룩업테이블에 있어서의 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 수정 또는 상기 수정된 데이터를 반영하여 수치모델을 수정 및 보완하는 3-2단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터의 수정은,
    CFD, 유한요소법(FEA), IFEM(Finite Element Method) 또는 FSI를 포함하는 수치모델 기반의 시뮬레이터에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2단계는,
    상기 해양 구조물에 구비된 계측기기를 통하여 기체에 의한 내외력을 측정하되,
    상기 계측기기는 전기식 센서 또는 광학 센서인 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 계측기기는 풍향, 풍속, 기압, 기온, 습도 및 분진을 고도별로 측정하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2단계는,
    IMU를 이용하여 기체의 흐름이 해양 구조물에 미치는 내외력을 실제로 측정하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계에서의 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터는,
    상기 해양 구조물이 선박인 경우 상기 선박의 진행방향, 전후좌우 기울기, 흘수 또는 트림 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    제 3단계에서의,
    상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터는,
    상기 해양 구조물이 일시적 고정 구조물인 경우 상기 구조물의 이동방향, 전후좌우 기울기, 흘수 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    제 2단계는,
    기체의 흐름에 의한 해양 구조물의 고유주파수, 조화주파수 및 기체특성을 포함하는 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    제 1단계는,
    상기 룩업테이블이 저장되는 데이터베이스는, 상기 해양 구조물에 구비된 항해기록장치(VDR)인 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 4단계는
    러더(rudder), 트러스터(thruster), 프로펠러, 돛, 연 또는 풍선 중 적어도 어느 하나를 이용하여 해양 구조물의 자세 또는 항해 경로를 실시간으로 제어하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 4단계는,
    상기 해양 구조물이 선박인 경우,
    상기 예측된 해양 구조물의 반응에 대한 데이터에 따라, 추진력과 상기 내외력과의 합력이 목표하는 진행방향이 될 수 있도록 러더의 방향 및 트러스터와 프로펠러의 RPM을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 해양 구조물이 일시적 고정 구조물인 경우,
    상기 예측된 해양 구조물의 반응에 대한 데이터에 따라, 상기 내외력과의 합력이 최소가 되어 현 위치를 유지하도록 트러스터를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 해양 구조물는, 헬리덱(helideck)을 구비하되,
    상기 제 4단계는,
    상기 헬리덱의 평형을 유지 또는 헬기 이착륙시 충격을 완화할 수 있도록 DP(Dynamic Positioning) 및 DM(Dynamic Motion)을 통해 상기 해양 구조물의 자세를 제어하거나, 6자유도의 각도를 조절하여 상기 해양 구조물의 무게 중심을 변화 시키고, 상기 헬리덱의 평형 상태 정보를 상기 데이터베이스에 저장하고,
    해양 구조물의 작업 목적 기능(헬기 이착륙, Separator, 액화공정 등)에 맞춰 평형을 유지할 수 있도록 트림(trim)을 포함하는 6자유도의 각도를 조절하여 상기 해양 구조물의 무게 중심을 변화시키고 평형 상태를 유지 시키는 것을 특징으로 하는 실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 데이터베이스는 통신부를 통하여 외부의 구조정보서버로 상기 헬리덱의 평형 상태 정보를 송신하며,
    상기 구조정보서버는 복수의 해양 구조물 중에서 헬기가 이착륙할 수 있는 헬리덱의 평형 상태 정보를 보유한 해양 구조물의 위치 정보를 헬기로 제공하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2단계는,
    계측기기에 의해 상기 해양 구조물로부터 원거리의 풍향, 풍속, 기온, 습도, 기압, 태양복사선, 무기이온, 이산화탄소, 분진, 방사능 또는 오존 중 적어도 하나 이상을 계측하고 상기 데이터베이스에 저장하는 제 2-1단계를 더 포함하되
    상기 계측기기는 풍속계, 풍향계, 습도계, 온도계, 기압계, 일사계, 대기gassol 자동채취기, CO2flux측정장비, 대기분진채집기, air sampler 또는 오존분석기 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 해양 구조물는 발라스트 탱크를 구비하며,
    상기 발라스트 탱크 내부의 슬로싱 현상을 감소시키기 위하여, 상기 발라스트 탱크의 양 측면 각각에 구비되는 슬로싱억제부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  19. 제 18항에 있어서
    상기 슬로싱억제부는 상기 발라스트 탱크의 일 수평 단면에 있어서 상기 단면의 개방 면적을 좁힘으로써 슬로싱 현상을 억제하는 것을 특징으로 하는
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 해양 구조물는 발라스트 탱크를 구비하며,
    상기 제4단계는,
    기울기가 발생한 경우, 기울어진 방향의 반대쪽으로 상기 발라스트 탱크에 적재된 발라스트 수(水)를 이동시켜 상기 해양 구조물의 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 발라스트 탱크는,
    상기 발라스트 탱크 내부에 구획을 나누는 격벽을 구비하며,
    상기 격벽에는 타 구획으로 상기 발라스트 수(水)를 이동시키기 위한 개폐부를 설치하고, 상기 개폐부의 내부에는 상기 발라스트 수의 이동 속도 및 이동 방향을 제어하는 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 2단계에서의 내외력의 측정 데이터를 외부 기상정보서버에 전송하고, 상기 기상정보서버는 인공위성으로부터 수신된 기상정보를 상기 내외력의 측정 데이터와 비교하여 오차를 수정한 기상정보수정데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 기상정보서버에 접속된 외부 사용자단말기의 요청에 따라, 상기 기상정보수정데이터를 상기 외부 사용자단말기에 제공하는 것을 특징으로 하는
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 위치를 예측 모니터링 및 예측 제어함을 통한 연료절감 및 안전운용 방법.
  24. 수조 또는 풍동에서 선형 시험을 통하여 해양 구조물 외부 기체의 흐름이 해양 구조물에 미치는 내외력에 대한 데이터 및 상기 내외력에 따른 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 축적하여 룩업테이블을 생성하고 상기 룩업테이블을 데이터베이스에 저장하는 제 1단계;
    해양 구조물의 실제 항해에 있어서 비행시간법(Time-of-Flight Method)을 이용하여 내외력을 측정하여 측정 데이터를 상기 데이터베이스에 저장하는 제 2단계;
    상기 룩업테이블은, 1년 단위의 시(時)계열적 데이터로 기록되며, 전년도까지의 축적된 1년 단위의 시(時)계열적 데이터와, 상기 제 2단계의 측정 데이터의 비교를 통해 상기 룩업테이블을 수정하는 2-1단계;
    제 2단계의 내외력의 측정 데이터를 제 1단계의 룩업테이블에 축적된 내외력에 대한 데이터와 비교하여, 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 예측하는 제3단계;
    실제 해양 구조물의 반응을 측정하는 제3-1단계;
    상기 제3-1단계에서 측정된 해양 구조물의 반응에 대한 데이터와 제3단계에서 예측된 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 비교하여, 그 차이가 발생된 경우 제3-1단계의 해양 구조물의 반응에 대한 데이터로 제1단계에서 생성된 룩업테이블에 있어서의 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 수정하는 제3-2단계;
    상기 룩업테이블에 축적된 데이터를 가상의 시뮬레이션을 통하여 해양 구조물에 대한 유지보수 데이터를 획득하는 제 4단계; 및
    상기 가상의 시뮬레이션의 실계측 데이터를 반영하여, 상기 가상 시뮬레이션의 결과인 반응결과수치를 실시간 해양 구조물의 반응 실계측 수치와 비교하고, 상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터를 수정하거나 상기 수정된 데이터를 반영하여 수치모델을 수정 및 보완하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 운용 위치의 예측 모니터링을 통한 유지보수정보 제공 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제 4단계 이후에, FSI프로그램(Fluid Structure Interaction)에 의해 상기 해양 구조물 제어정보를 시뮬레이터로 생성하고, 상황인식 미들웨어에 의해 상기 시뮬레이터를 상기 제3-1단계에서 획득한 상기 해양 구조물의 실제 반응에 대한 데이터와 실시간으로 연동시켜, 상기 해양 구조물을 자동으로 제어하는 알고리즘을 생성하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 해양 구조물의 반응에 대한 데이터는,
    스트레인, 변형, 균열, 진동, 주파수, 부식, 침식 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 제 4단계는, 유한요소해석법(FEM) 및 전산유체역학(CFD)를 이용한 3차원 수치해석(numerical analysis)프로그램이, 상기 해양 구조물의 거동 및 구조적 변화에 따라 발생할 수 있는 가스 누출, 가스 확산, 화재 또는 폭파 등의 가상상황 및 상기 가상상황에 따른 대응방안에 대한 데이터가 저장된 상황해석모듈과 연동되어 유지보수정보를 생성하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 운용 위치의 예측 모니터링을 통한 유지보수정보 제공 방법.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 제 4단계의 유지보수 데이터는,
    상기 해양 구조물에 구비된 개별 구조물의 미리 설정된 중요도에 따라 구별되어 획득되는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 운용 위치의 예측 모니터링을 통한 유지보수정보 제공 방법.
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 유지보수 데이터는,
    유지보수가 필요한 위치정보, 유지보수 비용 정보, 유지보수 소요시간 정보 또는 구조물별 잔여수명 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    실시간 해양 구조물에 대한 기체역학적 환경 내외력, 선체 응력, 6자유도 운동 및 운용 위치의 예측 모니터링을 통한 유지보수정보 제공 방법.
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