KR101781146B1 - 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법 - Google Patents

계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101781146B1
KR101781146B1 KR1020160046809A KR20160046809A KR101781146B1 KR 101781146 B1 KR101781146 B1 KR 101781146B1 KR 1020160046809 A KR1020160046809 A KR 1020160046809A KR 20160046809 A KR20160046809 A KR 20160046809A KR 101781146 B1 KR101781146 B1 KR 101781146B1
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안성필
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(주)세이프텍리서치
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    • B63B2731/00—
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Abstract

본 발명은 실시간으로 선박의 횡요각(Roll Angle)을 예측하고 위험성을 판단하여 선박의 전복을 방지하는 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 파도에 의한 파력을 측정하는 파력센서; 선박에 미치는 바람에 의한 풍력을 측정하는 풍력센서; 선박의 선회운동에 원심력을 측정하는 원심력측정센서; 선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘을 측정하는 타력센서; 선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정하는 동유체력센서; 선박의 항해정보를 측정하고 측정된 항해 정보를 표시하는 항해계기; 및 상기 센서들로부터 측정된 힘에 의한 모멘트를 계산하고 상기 모멘트로부터 KG값을 구하여 상기 KG값에 의해 발생하는 안정성에 따른 안정성값을 알려주는 파라미터추정부;를 포함하여 구성되어 선박에 비치된 각종 항해계기로부터 정보를 취득하고, 이러한 정보를 통합, 분석하여 선박의 횡동요에 대한 성능을 실시간으로 추정한 후, 조타시 발생할 수 있는 좌초 위험성을 판단함으로써 보다 안전한 항해를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법{Real Time Preventing System And Method For Capsizing Ship Using Parameter Estimation}
본 발명은 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실시간으로 선박의 횡요각(Roll Angle)을 예측하고 위험성을 판단하여 선박의 전복을 방지하는 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박의 해난사고에 있어서 대형 인명손실을 야기하는 사고 중 하나는 전복사고이다. 전복에 의한 해난사고는 주로 과적이나 발라스트 등의 규정을 지키지 않아 무게중심이 위로 올라감으로 인해 발생한다. 횡요운동의 중요한 영향을 미치는 정역학계수는 선박의 흘수를 계측한 후 정역학표(Hydrostatic Tables)를 사용하여 구할 수 있지만, 선박의 무게중심의 위치는 매번 적재물의 위치와 중량에 의해 달라지므로 출항 시 정확한 값을 추정하는 것이 매우 어렵다. 만약 무게중심의 위치가 높아져서 선박의 복원력이 설계 값보다 상당히 작아진 상태에서 과도한 조타를 하게 되면 선박은 큰 횡요각을 일으켜 전복이 될 수 있으므로, 실시간으로 선박의 무게중심의 위치를 파악하고 조타로 인해 발생하는 횡요각을 추정하여 전복의 위험에 대한 정보를 제공하는 것이 필요하다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 제10-2012-0076078호에서는 비파라메터방법에 의한 선박의 비선형 횡요 감쇠 해석 장치 및 방법에 대하여 개시하고 있다. 전술한 비파라미터 방법에 의한 선박의 비선형 횡요 감쇠 해석방법은 가정식을 이용하지 않고 이를 정규화시켜 사용하여 선박의 설계시 동적 안정성에 필수적인 비선형 횡요 감쇠력 및 비선형 횡요 감쇠 모멘트를 기존의 방법보다 정확하게 추정함으로써, 승객 및 승무원의 승선감을 향상시키고 전복 방지에 뛰어난 선박을 설계할 수 있는 효과를 제공하는 기술에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 인용발명은 선박의 설계에 사용되어 전복을 방지하는 선박을 설계하기 위한 것으로 실제 항해 시 입력되는 데이터에 따라서 횡요를 최대한 감쇄시키는 방법에 대해서는 개시되어 있지 않다. 인용발명은 선박의 적재량의 변화 및 적재량의 위치 등에 대한 변수에 대해서는 고려하고 있지 않다. 즉, 인용발명은 선박의 발라스트 및 적재물 그리고 실제 항해 상황에서 발생하는 횡요각에 미치는 가변적인 힘에 대해서는 고려하고 있지 않으며 단지 선박의 설계적인 측면만 고려하고 있다. 즉 인용발명은 실제 항해 시 횡요각에 미치는 영향을 고려하지 않았다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0076078호(발명의 명칭 : 비파라메터방법에 의한 선박의 비선형 횡요 감쇠 해석 장치 및 방법)
따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 선박에 비치된 각종 항해계기로부터 정보를 취득하고, 이러한 정보를 통합, 분석하여 선박의 횡동요에 대한 성능을 실시간으로 추정한 후, 조타시 발생할 수 있는 좌초 위험성을 판단함으로써 보다 안전한 항해를 제공할 수 있는 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 좌초 위험성을 판단한 판단정보를 선교로 제공함으로써 선박 운항자는 조타시 조타에 의한 위험성을 판단한 정보에 따라 안전한 침로변경을 수행할 수 있으므로 전복의 위험성을 감소시키거나 없앤 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템은, 파도에 의한 파력을 측정하는 파력센서; 선박에 미치는 바람에 의한 풍력을 측정하는 풍력센서; 선박의 선회운동에 원심력을 측정하는 원심력측정센서; 선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘을 측정하는 타력센서; 선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정하는 동유체력센서; 선박의 항해정보를 측정하고 측정된 항해 정보를 표시하는 항해계기; 및 상기 센서들로부터 측정된 힘에 의한 모멘트를 계산하고 상기 모멘트로부터 KG값을 구하여 상기 KG값에 의해 발생하는 안정성에 따른 안정성값을 알려주는 파라미터추정부;를 포함하여 구성될 수 있다.
(여기서, 상기 KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이(미터)임)
상기 항해계기는, 상기 선박에 설치된 센서들에 의해 횡요각, 선박의 종방향 대수속도(
Figure 112016036678696-pat00001
), 횡방향 대수속도(
Figure 112016036678696-pat00002
), 선회율(Rate of Turn, ROT), 프로펠러 RPM(Revolution Per Minute), 러더 지시각(Command Rudder Angle,
Figure 112016036678696-pat00003
), 러더각(Rudder Angle,
Figure 112016036678696-pat00004
), 풍속(Wind Velocity,
Figure 112016036678696-pat00005
), 풍향(Wind Direction,
Figure 112016036678696-pat00006
) 중 적어도 하나의 값을 표시하도록 구성될 수 있다.
상기 파력센서로부터 측정된 파력의 영향을 제거하기 위하여 파력에 의한 힘이 횡요각값에 미치는 영향을 필터링하는 웨이브필터;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 상기 파력센서, 풍력센서, 원심력측정센서, 타력센서 및 동유체력센서로부터 측정된 측정값 상기 항해계기로부터 표시된 측정값을 이용하여 상기 선박에 작용하는 운동 방정식을 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00007
(여기서,
Figure 112016036678696-pat00008
는 선박의 배수량(Displacement),
Figure 112016036678696-pat00009
는 횡동요 관성반경(Roll Radius of Gyration),
Figure 112016036678696-pat00010
는 점성계수,
Figure 112016036678696-pat00011
는 횡동요각(Roll Angle), GM은 횡방향 복원암을 나타내고,
Figure 112016036678696-pat00012
는 각각 파력, 풍력, 원심력, 타력, 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타냄)
상기 수학식에 있어서, 상기 바람의 힘에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구하고,
Figure 112016036678696-pat00013
상기 수학식에 있어서, 상기 원심력과 상기 동유체력에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구하며,
Figure 112016036678696-pat00014
상기 수학식에 있어서, 상기 타력에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00015
(여기서, Kwind는 바람에 의한 모멘트, Fwind는 바람에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hwind는 바람의 힘의 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타내며, KROT는 원심력에 의한 모멘트를 나타내고, Khull는 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타내며, FROT는 원심력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hhull은 선체 동유체력 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, Krud는 타력에 의한 모멘트를 나타내며, Frud는 타력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hrud는 타력의 중심의 선저로부터의 높이를 나타냄)
상기 수학식에 있어서, 상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 다음의 수학식으로 구할 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00016
(여기서,
Figure 112016036678696-pat00017
는 부력중심의 높이를 나타내고,
Figure 112016036678696-pat00018
은 횡방향 메타센타 높이(Transverse Metacenter Height)를 나타내며, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타냄)
상기 수학식에 의해 선박의 KG가 결정되면 최대 횡요각값을 보정하고 선박복원성기준에 관련법규에 의한 안전성을 판단기준에 따라 계산하고, 상기 최대 횡요각값이 상기 안정성 판단기준을 초과한 경우에는 이를 알리는 가이드 및 알람부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 방법은, 센서들을 이용하여 파도에 의한 파력, 선박에 미치는 바람에 의한 풍력, 선회운동에 원심력, 선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘 및 선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정하는 단계; 상기 파력에 의한 영향과 노이즈에 의한 영향을 제거하기 위하여 웨이브필터를 이용하여 고주파 성분을 제거하는 단계; 상기 상태변수(State Variable)를 추정하는 단계; 상기 예측된 상태변수를 이용하여 최대 횡요각값을 보정하는 단계; 및
상기 계산된 최대 횡요각값이 선박복원성기준을 초과하는 경우에는 가이드 및 알람부를 통해 위험성을 알리는 메시지를 표시하고 알람을 발생시키는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 상태변수를 추정하는 단계는, 역학 방정식, 신경망 이론 및 인공지능 중 어느 하나를 이용하여 구할 수 있다.
상기 상태변수를 추정하는 단계는,
상기 바람의 힘에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계;
Figure 112016036678696-pat00019
상기 원심력과 상기 동유체력에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계; 및
Figure 112016036678696-pat00020
상기 타력에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00021
(여기서, Kwind는 바람에 의한 모멘트, Fwind는 바람에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hwind는 바람의 힘의 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타내며, KROT는 원심력에 의한 모멘트를 나타내고, Khull는 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타내며, FROT는 원심력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hhull은 선체 동유체력 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, Krud는 타력에 의한 모멘트를 나타내며, Frud는 타력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hrud는 타력의 중심의 선저로부터의 높이를 나타냄)
상기 최대 횡요각값을 보정하는 단계는, 상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 구하여 이를 이용하여 보정하며 다음의 수학식으로 구할 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00022
(여기서,
Figure 112016036678696-pat00023
는 부력중심의 높이를 나타내고,
Figure 112016036678696-pat00024
은 횡방향 메타센타 높이(Transverse Metacenter Height)를 나타내며, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타냄)
따라서 본 발명의 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법은 선박에 비치된 각종 항해계기로부터 정보를 취득하고, 이러한 정보를 통합, 분석하여 선박의 횡동요에 대한 성능을 실시간으로 추정한 후, 조타시 발생할 수 있는 좌초 위험성을 판단함으로써 보다 안전한 항해를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법은 좌초 위험성을 판단한 정보를 선교로 제공함으로써 선박 운항자는 조타시 조타에 의한 위험성을 판단한 정보에 따라 안전한 침로변경을 수행할 수 있으므로 전복의 위험성을 감소시키거나 없앤 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법의 구성을 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계수 추정법을 이용한 실시간으로 선박 전복을 방지하는 과정을 나타낸 순서도.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 파력센서(100), 풍력센서(110), 원심력측정센서(120), 타력센서(130), 동유체력센서(140), 항해계기(150), 파라미터추정부(170), 웨이브필터(160), 및 가이드 및 알람부(180)를 포함하여 구성된다.
파력센서(100)는 선박의 외측에 구성되어 파도에 의한 파력을 측정한다. 선박이 접촉하는 파도에 의해 발생하는 힘을 측정한다.
풍력센서(110)는 선박의 외측에 구성되어 선박에 영향을 미치는 풍력을 측정한다.
타력센서(130)는 선박의 타에 연결되어 타에 의해 발생하는 힘을 특정한다. 즉 타력센서(130)는 자연의 힘을 측정하는 것이 아닌 타에 의해 발생하여 횡요각에 영향을 미치는 힘을 측정하는 것이다.
한편, 선박에 작용하는 힘은 선체 동유체력과 원심력이 있으며, 따라서, 선박에 작용하는 원심력센서(120)와 동유체력센서(140)를 이용하여 선박에 미치는 힘을 측정한다. 한편, 전술한 원심력센서(120)와 동유체력센서(140)는 자이로센서 또는 가속도센서 또는 이들을 조합하여 구현할 수 있다.
파라미터추정부(170)는 상기 각각의 파력센서(100), 풍력센서(110), 원심력측정센서(120), 타력센서(130) 및 동유체력센서(140)로부터 측정된 측정값들을 이용하여 상기 선박에 작용하는 운동 방정식을 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00025
여기서,
Figure 112016036678696-pat00026
는 선박의 배수량(Displacement),
Figure 112016036678696-pat00027
는 횡동요 관성반경(Roll Radius of Gyration),
Figure 112016036678696-pat00028
는 점성계수,
Figure 112016036678696-pat00029
는 횡동요각(Roll Angle), GM은 횡방향 복원암을 나타내고,
Figure 112016036678696-pat00030
는 각각 파력, 풍력, 원심력, 타력, 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타낸다.
항해계기(150)는 선박의 항해정보를 측정하고 측정된 항해 정보를 표시한다. 항해계기(150)는 선박의 규모나 특성에 따라 차이가 날 수 있으며, 대체적으로는 선박에 설치된 센서들에 의해 횡동요각, 선박의 종방향 대수속도(
Figure 112016036678696-pat00031
), 횡방향 대수속도(
Figure 112016036678696-pat00032
), 선회율(Rate of Turn, ROT), 프로펠러 RPM, 러더 지시각(Command Rudder Angle,
Figure 112016036678696-pat00033
), 러더각(Rudder Angle,
Figure 112016036678696-pat00034
), 풍속(Wind Velocity,
Figure 112016036678696-pat00035
), 풍향(Wind Direction,
Figure 112016036678696-pat00036
) 등의 값을 표시할 수 있다. 즉 항해계기는 항해정보를 수집하는 장비와 이를 표시하는 표시장비를 포함하여 구성될 수 있다.
파라미터추정부(170)는 상기 센서들로부터 측정된 힘에 의한 모멘트를 계산하고 상기 모멘트로부터 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이(KG)를 추정한다. 또한, 추정된 KG와 상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 이용하여 전술한 항해계기에 의해 측정된 횡동요각값을 보정한다. 보정된 횡동요각값에 따라 선박의 전복에 대한 안전성을 계산하고 계산된 평가정보를 가이드 및 알람부(180)로 전송한다.
웨이브필터(160)는 상기 파력센서(100)로부터 측정된 파력의 영향을 제거한다. 또한 외부로부터 유입되는 잡음을 제거한다. 선박에 작용하는 외력 중 파력에 의한 힘은 다른 외력들에 비하여 고주파수 영역의 힘으로 필터링을 통하여 그 영향을 분리 제거할 수 있다. 따라서 웨이브필터(160)를 적용하여 파력의 영향을 제거한 후 남은 힘들의 영향에 대해서만 고려하기로 한다. 따라서, 파력센서(100)로부터 측정된 힘을 제외한 풍력센서(110), 원심력측정센서(120), 타력센서(130) 및 동유체력센서(140)에 의해 측정된 힘과 모멘트는 다음의 수학식들로 나타낼 수 있다.
우선, 풍력센서(110)에 의해 측정한 풍력 모멘트는 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00037
여기서, Kwind는 바람에 의한 모멘트, Fwind는 바람에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hwind는 바람의 힘의 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타낸다.
원심력센서(120)와 동유체력센서(140)에 의한 모멘트는 다음의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00038
여기서 KROT는 원심력에 의한 모멘트를 나타내고, Khull는 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타내며, FROT는 원심력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hhull은 선체 동유체력 중심의 선저로부터의 높이를 나타낸다.
타력센서(130)에 의한 모멘트는 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00039
여기서, Krud는 타력에 의한 모멘트, Frud는 타력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hrud는 타력의 중심의 선저로부터의 높이를 나타낸다.
또한, 상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 다음의 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112016036678696-pat00040
여기서,
Figure 112016036678696-pat00041
는 부력중심의 높이를 나타내고,
Figure 112016036678696-pat00042
은 횡방향 메타센타 높이(Transverse Metacenter Height)를 나타내며, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타낸다.
파라미터추정부(170)는 KG와 GM를 계산하고 선박의 횡동요각값을 보정하여 이의 값을 기준으로 안정성을 평가한 평가정보를 선교에 설치된 가이드 및 알람부(180)로 전송한다. 선박의 안정성을 평가하는 평가기준은 해양수산부 고시에 의한 선박복원성기준에 의한 관련법규에 의한 판단 기준에 따라 평가될 수 있다. 예컨대, 어선의 경우의 복원성(GoM)은 다음의 수학식 6의 결과값 이상이어야만 한다.
Figure 112016036678696-pat00043
여기서, D는 강선의 구조기준, 목선의 구조기준 또는 강화플라스틱(FRP)선의 구조기준에 의한 배의 깊이(미터)를 나타내며, α는 강선 및 FRP선에 있어서는 0.54, 목선에 있어서는 0.28의 상수이며, β는 다음의 표 1에 의한 값에 따른 상수값으로 설정한다. 즉, α와 β는 선박의 종류에 따라 설정되는 상수값이다.
Figure 112016036678696-pat00044
한편, 상기와 같은 선박복원성기준은 어선에 대한 규제 법규에 대한 예를 들었을 뿐이며, 이와 같은 해양수산부 고시에 의한 선박복원성기준은 선박의 종류에 따라 다른 기준이 적용될 수 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
가이드 및 알람부(180)는 평가정보를 수신하고 평가정보에 포함된 최대 횡동요각값이 전술한 선박복원성기준을 초과하는 경우에는 위험성을 알리는 메시지를 표시하고 알람을 발생시킨다. 이를 인지한 선장 또는 항해사는 이에 대응하여 선박을 조정하여 선박을 안전하게 자세를 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계수 추정법을 이용한 실시간으로 선박 전복을 방지하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, S202단계에서 파력센서(100), 풍력센서(110), 원심력측정센서(120), 타력센서(130) 및 동유체력센서(140) 등을 이용하여 파도에 의한 파력, 선박에 미치는 바람에 의한 풍력, 선회운동에 원심력, 선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘 및 선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정한다. 즉, 센서들을 이용하여 선박의 정보를 수집한다.
각각의 파력센서(100), 풍력센서(110), 원심력측정센서(120), 타력센서(130) 및 동유체력센서(140)부터 측정된 측정값을 이용하여 상기 선박에 작용하는 운동 방정식을 전술한 수학식 1로 나타낼 수 있다.
S204단계에서 웨이브필터(160)가 상기 파력에 의하여 횡요운동에 미치는 영향과 노이즈에 의해 행요운동에 미치는 영향을 제거한다. 즉, 파도에 의한 영향과 노이즈에 의한 영향은 고주파 성분이며 이들에 의해 행요운동에 미치는 영향은 본 발명의 실시예에서 오류를 일으킬 수 있으므로 제거시킨다.
S206단계에서 파라미터추정부(170)가 상태변수 (State Variable)를 추정한다. 전술한 바와 같이 상기 상태변수를 추정하는 단계는, 역학 방정식, 신경망 이론 및 인공지능 중 어느 하나를 이용하여 구할 수 있다. 예컨대, 역학 방정식, 신경망 이론 및 인공지능 중 역학 방정식을 이용하는 것의 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
역학방정식을 이용하기 위하여 풍력센서(110)에 의해 측정한 풍력모멘트는 전술한 수학식 2로 나타낼 수 있으며, 원심력센서(120)와 동유체력센서(140)에 의한 모멘트는 전술한 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 또한, 타력센서(130)에 의한 모멘트는 전술한 수학식 4로 나타낼 수 있다.
S208단계에서 파라미터추정부(170)가 상기 추정된 상태변수를 이용하여 선박의 최대 횡요각값을 보정한다. 한편, 파라미터추정부(170)에서 추정하는 상태변수 중 상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리를 나타내는 GM 및 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타내는 KG가 중요한 상태변수 이며, 이를 이용하여 선박의 최대 횡요각값을 보정한다.
S210단계에서 가이드 및 알람부(180)는 최대행요각값이 선박복원성기준을 초과하였는 지의 여부를 판단한다.
S210단계의 판단결과 계산된 최대횡요각값이 전술한 선박복원성기준을 초과하는 경우에는 가이드 및 알람부(180)를 통해 전복의 위험성을 알리는 메시지를 표시하고 선박이 전복될 수 있음을 알리는 알람을 발생시킨다(S212단계). 가이드 및 알람부(180)로부터의 정보를 수신한 선장 또는 항해사는 이에 대응하여 선박을 조정하여 선박을 안전하게 자세를 제어할 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 파력센서 110 : 풍력센서
120 : 원심력측정센서 130 : 타력센서
140 : 동유체력센서 150 : 항해계기
160 : 웨이브필터 170 : 파라미터추정부
180 : 가이드 및 알람부

Claims (11)

  1. 파도에 의한 파력을 측정하는 파력센서;
    선박에 미치는 바람에 의한 풍력을 측정하는 풍력센서;
    선박의 선회운동에 원심력을 측정하는 원심력측정센서;
    선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘을 측정하는 타력센서;
    선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정하는 동유체력센서;
    선박의 항해정보를 측정하고 측정된 항해 정보를 표시하는 항해계기; 및
    상기 센서들로부터 측정된 힘에 의한 모멘트를 계산하고 상기 모멘트로부터 KG값을 구하여 상기 KG값에 의해 발생하는 안정성에 따른 안정성값을 알려주는 파라미터추정부;를 포함하고,
    상기 파력센서, 풍력센서, 원심력측정센서, 타력센서 및 동유체력센서로부터 측정된 측정값 상기 항해계기로부터 표시된 측정값을 이용하여 상기 선박에 작용하는 운동 방정식을 다음의 수학식으로 나타내는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
    Figure 112017054134908-pat00071

    (여기서, 상기 KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이(미터),
    Figure 112017054134908-pat00072
    는 선박의 배수량(Displacement),
    Figure 112017054134908-pat00073
    는 횡동요 관성반경(Roll Radius of Gyration),
    Figure 112017054134908-pat00074
    는 점성계수,
    Figure 112017054134908-pat00075
    는 횡동요각(Roll Angle), GM은 횡방향 복원암을 나타내고,
    Figure 112017054134908-pat00076
    는 각각 파력, 풍력, 원심력, 타력, 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타냄)
  2. 제1항에 있어서, 상기 항해계기는,
    상기 선박에 설치된 센서들에 의해 횡요각, 선박의 종방향 대수속도(
    Figure 112016036678696-pat00045
    ), 횡방향 대수속도(
    Figure 112016036678696-pat00046
    ), 선회율(Rate of Turn, ROT), 프로펠러 RPM(Revolution Per Minute), 러더 지시각(Command Rudder Angle,
    Figure 112016036678696-pat00047
    ), 러더각(Rudder Angle,
    Figure 112016036678696-pat00048
    ), 풍속(Wind Velocity,
    Figure 112016036678696-pat00049
    ), 풍향(Wind Direction,
    Figure 112016036678696-pat00050
    ) 중 적어도 하나의 값을 표시하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파력센서로부터 측정된 파력의 영향을 제거하기 위하여 파력에 의한 힘이 횡요각값에 미치는 영향을 필터링하는 웨이브필터;를 더 포함하는 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 풍력에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구하고,
    Figure 112017054134908-pat00057

    상기 원심력과 상기 동유체력에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구하며,
    Figure 112017054134908-pat00058

    상기 타력에 의한 모멘트는 다음의 수학식에 의해 구하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
    Figure 112017054134908-pat00059

    (여기서, Kwind는 바람에 의한 모멘트, Fwind는 바람에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hwind는 바람의 힘의 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타내며, KROT는 원심력에 의한 모멘트를 나타내고, Khull는 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타내며, FROT는 원심력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hhull은 선체 동유체력 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, Krud는 타력에 의한 모멘트를 나타내며, Frud는 타력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hrud는 타력의 중심의 선저로부터의 높이를 나타냄)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 다음의 수학식으로 구하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
    Figure 112017054134908-pat00060

    (여기서,
    Figure 112017054134908-pat00061
    는 부력중심의 높이를 나타내고,
    Figure 112017054134908-pat00062
    은 횡방향 메타센타 높이(Transverse Metacenter Height)를 나타내며, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타냄)
  7. 제6항에 있어서,
    선박의 KG가 결정되면 최대 횡요각값을 보정하고 선박복원성기준에 관련법규에 의한 안전성을 판단기준에 따라 계산하고, 상기 최대 횡요각값이 상기 안정성 판단기준을 초과한 경우에는 이를 알리는 가이드 및 알람부를 더 포함하는 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템.
  8. 센서들을 이용하여 파도에 의한 파력, 선박에 미치는 바람에 의한 풍력, 선회운동에 원심력, 선박의 타에 의해 선박의 횡요각에 미치는 힘 및 선박의 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력을 측정하는 단계;
    상기 파력에 의한 영향과 노이즈에 의한 영향을 제거하기 위하여 웨이브필터를 이용하여 고주파 성분을 제거하는 단계;
    상태변수(State Variable)를 추정하는 단계;
    상기 추정된 상태변수를 이용하여 최대 횡요각값을 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 최대 횡요각값이 선박복원성기준을 초과하는 경우에는 가이드 및 알람부를 통해 위험성을 알리는 메시지를 표시하고 알람을 발생시키는 단계;를 포함하고,
    상기 상태변수를 추정하는 단계는,
    상기 바람의 힘에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계;
    Figure 112017054134908-pat00077

    상기 원심력과 상기 동유체력에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계; 및
    Figure 112017054134908-pat00078

    상기 타에 의한 모멘트를 다음의 수학식에 의해 구하는 단계;를 포함하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 방법.
    Figure 112017054134908-pat00079

    (여기서, Kwind는 바람에 의한 모멘트, Fwind는 바람에 의해 상기 선박에 작용하는 힘, hwind는 바람의 힘의 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타내며, KROT는 원심력에 의한 모멘트를 나타내고, Khull는 선체 동유체력에 의한 모멘트를 나타내며, FROT는 원심력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hhull은 선체 동유체력 중심의 선저로부터의 높이를 나타내고, Krud는 타력에 의한 모멘트를 나타내며, Frud는 타력에 의해 상기 선박에 작용하는 힘을 나타내고, hrud는 타력의 중심의 선저로부터의 높이를 나타냄)
  9. 제8항에 있어서, 상기 상태변수를 추정하는 단계는,
    역학 방정식, 신경망 이론 및 인공지능 중 어느 하나를 이용하여 구하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 최대 횡요각값을 보정하는 단계는,
    상기 선박의 무게 중심(G)과 메타센터(M) 사이의 거리(GM)를 구하여 이를 이용하여 보정하며 다음의 수학식으로 구하는 것인 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 방법.
    Figure 112017054134908-pat00066

    (여기서,
    Figure 112017054134908-pat00067
    는 부력중심의 높이를 나타내고,
    Figure 112017054134908-pat00068
    은 횡방향 메타센타 높이(Transverse Metacenter Height)를 나타내며, KG는 기선으로부터 측정한 수직방향 중량중심높이를 나타냄)
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111651943A (zh) * 2020-06-03 2020-09-11 集美大学 一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质
CN113277027A (zh) * 2021-06-23 2021-08-20 哈尔滨工业大学（威海） 一种船舶实时姿态测量方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101545335B1 (ko) * 2014-08-01 2015-08-19 주식회사 코비 인공신경망 및 퍼지 기법을 이용한 우수 펌프 제어시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101545335B1 (ko) * 2014-08-01 2015-08-19 주식회사 코비 인공신경망 및 퍼지 기법을 이용한 우수 펌프 제어시스템

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111651943A (zh) * 2020-06-03 2020-09-11 集美大学 一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质
CN111651943B (zh) * 2020-06-03 2022-08-05 集美大学 一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质
CN113277027A (zh) * 2021-06-23 2021-08-20 哈尔滨工业大学（威海） 一种船舶实时姿态测量方法
CN113277027B (zh) * 2021-06-23 2022-02-22 哈尔滨工业大学（威海） 一种船舶实时姿态测量方法

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