KR101844674B1 - 센서 네트워크를 이용한 nmea 기반의 선박흘수 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 선박흘수 측정 방법은, 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계; 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 단계; 상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계; 및 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

센서 네트워크를 이용한 NMEA 기반의 선박흘수 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE DRAUGHT OF THE VESSEL BASED ON NMEA USING SENSOR NETWORK}
아래의 설명은 흘수 측정 기술에 관한 것으로, 선박의 흘수를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
선박에 화물을 하역하거나 선적한 화물의 중량을 확인하기 위해서 흘수(Draught)를 측정한다. 흘수란 수중에 떠 있는 물체가 수면에 의해 구분되는 면에서 물체의 가장 깊은 점까지의 수심을 의미할 수 있다. 흘수선 이하의 물체의 용적에 상당하는 물의 무게가 부력이 되며 부력과 물체의 무게 같을 때, 평형 상태를 유지한다.
흘수 측정을 통해서 선적 또는 하역 전후의 배수량 차이를 알 수 있을 뿐만 아니라 전체 화물 무게의 변동을 알 수 있기 때문에 선체의 균형을 유지하는데 매우 중요하다. 화물선 등의 대형 선박이 항구에 정박하기 위해서는 입항 전 항구 주변 수역의 조수간만의 차나 파도, 해수, 유동, 수위 등의 각 조건을 측정하고 안전한 입항을 확보하기 위해 밸러스트 탱그에 해수를 주입하거나 배출하는 Ballasting 작업을 통해 선체의 무게중심에 대한 변동을 줄이고 최적화된 흘수를 확보하는 작업이 필수적이다.
흘수를 측정함에 있어서, 부두에 접안하지 않고 하역 선적 또는 하역 작업을 하는 경우도 많이 있는데, 이때에 선박용 줄사다리를 선체에 고정시킨 후 항해사가 직접 사다리를 타고 내려가서 육안으로 측정하고 기록 및 확인하는 방식이 있다. 또한, 조선소에서 자체 고안한 측정기기를 이용하여 수동으로 측정한 후 기록 및 확인 하는 방법이 존재한다.
현재, 수동적으로 흘수를 측정하는 방식에 의존하기 때문에 눈·비 등 기상이 좋지 않은 환경에서 흘수 측정 중 바다로 추락해 부상 또는 사망에 이르는 사고가 자주 발생한다. 또한, 흘수를 측정하는 장치들은 고정식이거나 카메라 영상에 의존하는 등 장치의 활용도 및 편의성이 떨어져 제품화되어 판매되는데 어려움이 존재한다.
이에 따라 날씨 상황에 따라 실족 또는 미끄러져 부상을 입거나 사망하는 사고까지 이르는 위험요소를 제거하고, 흘수 측정 시간을 단축하여 항해사의 업무 효율을 높일 수 있는 센서 네트워크를 이용한 NMEA 기반의 선박흘수 측정 장치의 개발이 필요하다.
선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하고, 계측된 측정값을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수값을 계산함으로써 상기 선박과 연관된 단말에 선박의 상태를 제공하는 흘수측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 선박흘수 측정 방법은, 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계; 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 단계; 상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계; 및 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계는, 상기 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서를 설치하고, 상기 6개의 초음파 센서로부터 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 단계는, 상기 선박에 설치된 적어도 하나 이상의 액세스 포인트(AP)를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 상기 각각의 센서로부터 계측된 측정값들을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계는, 기 설정된 초기값에 기초하여 상기 측정값들을 감산함으로써 상기 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계는, 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 상기 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계는, 상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 흘수 값들을 표준화하여 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계는, 상기 선박과 연관된 단말을 통하여 상기 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 상기 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 선박흘수 측정 장치는, 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 측정부; 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 수집부; 상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 연산부; 및 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 제공부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 측정부는, 상기 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서를 설치하고, 상기 6개의 초음파 센서로부터 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수집부는, 상기 선박에 설치된 적어도 하나 이상의 액세스 포인트(AP)를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 상기 각각의 센서로부터 계측된 측정값들을 획득할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 연산부는, 기 설정된 초기값에 기초하여 상기 측정값들을 감산함으로써 상기 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 연산부는, 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 상기 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 제공부는, 상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 흘수 값들을 표준화하여 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 제공부는, 상기 선박과 연관된 단말을 통하여 상기 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 상기 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치는 실시간으로 정밀한 흘수 값들을 측정함으로써 선박의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 선박흘수 측정 장치는 흘수값을 자동으로 측정함으로써 안전사고를 방지하고 편의를 증진시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 기술 개발 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 흘수를 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 선박흘수 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 초음파 센서를 이용하여 거리를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 초음파 센서 모듈을 설명하기 위한 구조도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 NMEA 프로토콜을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 흘수 측정값들을 보정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 선박의 상태를 제공하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 기술 개발 개념도이다.
센서 모듈(110)을 통하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 통신(예를 들면, AP WiFi)(120)을 통하여 선박흘수 측정 장치(서버)로 전달할 수 있다. 선박흘수 측정 장치는 측정값들을 수집함에 따라 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 흘수 값들을 계산하고, 선박과 연관된 단말에서 NMEA 프로토콜에 기반하여 계산된 흘수 값들을 모니터링(130)할 수 있도록 제공할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
선박의 흘수 측정 지점에 각각의 초음파 센서(311)가 설치될 수 있다. 예를 들면, 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서(311)를 설치함으로써 선상에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다. 도 2를 참고하면, 흘수를 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 선박(200)에서 흘수를 측정하기 위하여 흘수 측정 지점(210)을 선박의 측면부의 표준 6개소에 동시에 설치하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하도록 제공할 수 있다. 이때, 설치된 흘수 측정 지점(210)에 각각의 센서 모듈을 장착할 수 있다. 예를 들면, 선박(200)의 흘수 측정 지점(210)에 센서 모듈을 장착하기 위하여 흘수측정 센서 지지대가 설치될 수 있다. 흘수측정 센서 지지대는 대형선박에 적용 가능한 구조로, 선박의 가장자리 가이드부(철제 부분)의 규격에 맞게 설치가 가능하도록 해야 하며, 탈부착이 용이하도록 볼트/너트를 이용한 고정 및 제거가 이루어질 수 있도록 견고한 구조로 제작될 수 있다.
더욱 상세하게는, 흘수측정 센서 지지대는 브라켓 지지대, 센서 고정부, 선체 고정부, 디바이스장치 고정부를 포함할 수 있다. 이때, 운항시 선박 선체의 유동이 심해 설치된 센서의 손상을 방지하기 위한 완충장치(예를 들면, 후랜지 고무바킹)가 모든 결합부에 부착될 수 있다.
6개의 초음파 센서(311)로부터 동시에 선상에서 수면까지의 거리가 계측될 수 있다. 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따라 각각의 흘수 측정 지점에 6개의 측정값이 도출될 수 있다. 이때, 측정 방식에 따라 고정식 또는 이동식으로 선상에서 수면까지의 거리가 측정될 수 있다.
초음파 센서(311)로부터 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 네트워크(320)를 통하여 선박흘수 측정 장치(300)로 전달할 수 있다. 초음파 센서(311)로부터 계측된 측정값들이 무선 통신(321)(예를 들면, AP Wi-Fi) 환경에서 네트워크(320)를 통하여 선박흘수 측정 장치(300)로 전달될 수 있다. 예를 들면, 선박(310)에 4개의 액세스 포인트(AP)가 구축되어 있을 수 있다. 선박흘수 측정 장치(300)는 선박에 설치된 적어도 하나의 액세스 포인트를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 측정값들을 실시간으로 수집할 수 있다.
선박흘수 측정 장치(300)는 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산할 수 있다. 선박흘수 측정 장치(300)는 기 설정된 초기값에 기초하여 측정값들을 감산함으로써 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환할 수 있다. 예를 들면, 기 설정된 초기값이 15m이고, 측정값이 5m라면, 흘수 측정값은 10m임을 알 수 있다. 선박흘수 측정 장치(300)는 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출할 수 있다.
선박흘수 측정 장치(300)는 NMEA 프로토콜에 기반하여 계산된 흘수 값들을 선박과 관련된 단말(330)에 디스플레이하도록 선박의 상태를 제공할 수 있다. 선박흘수 측정 장치(300)는 NMEA 프로토콜에 기반하여 흘수 값들을 표준화하여 선박과 연관된 단말(300)에 디스플레이하도록 제공할 수 있다. 또한, 선박흘수 측정 장치(300)는 선박과 연관된 단말을 통하여 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 5는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 선박흘수 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
선박흘수에 포함된 프로세서(400)는 프로세서(400)는 측정부(410), 수집부(420), 연산부(430) 및 제공부(440)를 포함할 수 있다. 이러한 프로세서(400) 및 프로세서(400)의 구성요소들은 도 5의 선박흘수 측정 방법이 포함하는 단계들(510 내지 540)을 수행하도록 선박흘수 측정 장치를 제어할 수 있다. 이때, 프로세서(400) 및 프로세서(400)의 구성요소들은 메모리가 포함하는 운영체제의 코드와 적어도 하나의 프로그램의 코드에 따른 명령(instruction)을 실행하도록 구현될 수 있다. 여기서, 프로세서(400)의 구성요소들은 선박흘수 측정 장치(100)에 저장된 프로그램 코드가 제공하는 제어 명령에 따라 프로세서(400)에 의해 수행되는 서로 다른 기능들(different functions)의 표현들일 수 있다.
단계(510)에서 측정부(410)는 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다. 측정부(410)는 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서를 설치하고, 6개의 초음파 센서로부터 선상에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다.
단계(520)에서 수집부(420)는 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집할 수 있다. 수집부(420)는 선상에 설치된 적어도 하나 이상의 액세스 포인트(AP)를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 각각의 센서로부터 계측된 측정값들을 획득할 수 있다.
단계(530)에서 연산부(430)는 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산할 수 있다. 연산부(430)는 기 설정된 초기값에 기초하여 측정값들을 감산함으로써 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환할 수 있다. 연산부(430)는 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출할 수 있다.
단계(540)에서 제공부(440)는 NMEA 프로토콜에 기반하여 계산된 흘수 값들을 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 선박의 상태를 제공할 수 있다. 제공부(440)는 NMEA 프로토콜에 기반하여 흘수 값들을 표준화하여 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공할 수 있다. 제공부(440)는 선박과 연관된 단말을 통하여 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시킬 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 초음파 센서를 이용하여 거리를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
초음파 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다. 이때, 초음파 센서는 초음파를 발생시키는 스피커(610) 및 초음파를 수신하는 마이크(620)를 포함할 수 있다. 초음파 센서에서 신호(소리, 초음파)가 방사되면 대상물(예를 들면, 수면)에 부딪혀 돌아온 에코 신호로부터의 시간차를 기반으로 거리를 산출할 수 있다. 이때, 일정한 시간의 간격을 두고 짧은 공진 주파수를 방사하고 공진 주파수가 대기 안에서 소리의 속도로 전파될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치의 초음파 센서 모듈을 설명하기 위한 구조도이다.
선박흘수 측정 장치는 선상에서 수면까지의 거리를 계측하여 흘수를 측정하기 위한 초음파 센서 모듈(700)을 포함할 수 있다. 이때, 초음파 센서 모듈(700)은 배터리, 무선통신 모듈, 센서 컨트롤 및 DAQ 보드, 초음파 센서(발신부) 및 초음파 센서(수신부)를 포함할 수 있다.
초음파 센서 모듈(700)에서 무선통신 모듈은 선박에서 수면까지의 거리를 계측한 측정값을 시리얼 포트를 통해 서버로 전송할 수 있도록 제공한다. 이때, 무선이나 유선 등으로 데이터를 전송할 수 있으나 무선 통신을 예를 들어 설명하기로 한다. 무선통신 모듈은 WiFi 표준 802.11b/g/n 규격에 준하는 2.4GHz 통신 기준을 만족하기 위하여 Antenna 부와 임피던스 매칭을 통한 최적의 송·수신 성능을 구현할 수 있다. 특히, 무선 랜 통신에 중요한 기능을 하는 Antenna의 종류로서 Dipole, Cable, Chip이 있는데 제품 성능과 상품에 적합한 Antenna를 선택할 수 있다. 10/100 Fast Ethernet MAC, PHY를 구현하고, WiFi/Ethernet 통신을 위한 TCP Server, TCP Client, UDP, DHCP, DNS등을 지원 하도록 구현할 수 있다. 또한, 저 전력통신을 위한 Wake-up 기능을 구현할 수 있다.
이때, 초음파 센서 모듈(700)을 해수면 위에 정박 또는 항해중인 선박 위에서 계측하기 대문에 외부 환경으로부터 기자재를 보호하기 위하여 모듈 내부에 모든 구성품들을 집중시켜 일체화 형상으로 구성할 수 있다.
선박흘수 측정 장치는 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 유/무선 통신을 통하여 실시간으로 수집할 수 있다. 선박흘수 측정 장치는 RSC-485 to RSC232 Converter를 포함하는 시리얼 통신 모듈을 포함할 수 있다. 이때, 시리얼 통신 모듈을 저전력 802.11b/g/n 시리얼 통신(RSC-485)의 WiFi 동글을 제작하고, UART 등 직렬 유선통신 신호를 IEEE 802.11 b/g/n 무선랜 프로토콜로 변환시킬 수 있다. 이때, 게이트웨이 동글 기능으로 시리얼 인터페이스를 가진 초음파 센서 모듈과 연결하여 계측된 측정값들을 선박의 브리지 상황실의 서버로 전송할 수 있다. 또한, 와이파이 모듈 설정은 AT Command로 시리얼 통신 속도는 9600bps로 설정될 수 있다. 이때, AT 명령어는 문자열 기반으로 데이터를 처리하기 때문에 Carriage Return (ASCII Code 0x0D)는 전송하지 않으며, 시리얼 통신으로 입력되는 데이터를 그대로 전송할 때는 transparent data mode로 변경한다. 무선 접속 및 소켓 연결이 완료된 뒤에 AT+EXIT 명령어를 통해 transparent data mode로 진입이 가능하고 다시 Command mode로 돌아갈 때 +++ 명령을 입력한다. 부팅 직후 별도의 조작이나 설정없이 저장되어 있는 설정값으로 무선 접속과 소켓 연결이 가능하도록 구현할 수 있다(auto connection mode).
또한, 선박흘수 측정 장치에 NMEA 0183, 2000 Protocol Format이 설계될 수 있다. NMEA라고 주로 불리는 NMEA 0183 프로토콜은 시간, 위치, 방위 등의 정보를 전송하기 위한 규격이다. NMEA 0183 프로토콜은 미국의 The National Marine Electronics Association에서 정의되었으며, 사용되는 데이터들은 주로 자이로컴퍼스, GPS, 나침반, 관성항법장치(INS) 등이 있다. NMEA 0183 프로토콜은 ASCII와 직렬 방식의 통신을 사용을 하며, 해당 데이터는 DDS 를 통해 처리 및 관리가 가능하다.
NMEA 0183 Protocol Format은 모두 0x20 ~ 0x7E와 0x0D(CR), 0x0A(LF) 2개의 ASCII 코드들 사용하고 있고, 모든 문장은 '$' 또는 '!'로 시작하고, CR/LF로 끝나며, 최소 길이는 14Byte, 최대 길이는 82 Byte이다. 마지막 CR/LF 직전에 2Byte의 오류검사(Checksum)가 있으며, 그 앞에 *를 사용하여 Checksum 필드를 구분한다. 기본적으로 9,600bps, 8bit, No parity, 1 Stop bit를 사용한다(115,200bps 적용 가능).
Figure 112016082918920-pat00001
선박흘수 측정 장치는 NMEA 프로토콜에 기반하여 흘수 값들을 표준화하여 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공할 수 있다. 이때, 선박의 흘수 값들을 필요로 하는 장비에 따라 요구되는 매개 인자 값을 파악하고, 포맷 안에 필요한 모든 데이터를 포함하되 속도, 트래픽량을 고려하여 필드를 구성할 수 있다. 기본적인 오류검사를 비롯한 형식을 유지하되, 필요에 따라 숫자 외에 알파벳, 특수 문자 등을 포함할 수 있도록 하였다.
Figure 112016082918920-pat00002
여기서, $는 시작식별자, DRAFT는 선박흘수 식별자, Data는 계측 및 보정된 일자(YYYYMMDD), Time은 계측 및 보정된 시간(hh:mm:ss), Value은 보정된 흘수 값(mm)(ddddddd), Mode는 적용 방식(A: 연속적평균값, B:로우패스필터, C: 칼만필터, D: 확장칼만필터)을 포함할 수 있다.
도 8을 참고하면, NMEA 포트의 접속 규격을 설명하기 위한 도면으로, 흘수계측 단말기의 출력(OUTPUT) 포트의 인터페이스를 설명하기로 한다. NMEA 0183 케이블은 신호 A와 신호 B 그리고 실드된 트위스트 페어 케이블을 사용한다. NMEA 0183 표준은 하드웨어인 전기적인 사양과 데이터 포맷으로 구성된다. 이때, 전기적안 규격은 Talker(송신 장비)와 Listener(수신 장비) 간 1대1 시리얼 통신을 지원하는 단방향 통신이다. Talker(송신 장비)는 RS422 표준을 사용하고, Listener(수신 장비)는 포토커플러에 의한 DC 절연(Galvanic Isolation)을 요구하고 있으며, 이것은 장비간의 전위차, 서지(Surge) 전압 및 잡음 등으로부터 회로를 보호하고 정확한 데이터를 수신할 수 있게 한다.
선박 장비의 인터페이스의 표준 전송은 38,400bps의 속도, 1:1 또는 1:n방식의 단방향 시리얼 데이터 통신이다. 연결 신호선인 A와 B 그리고 Talker와 Listeners 들의 Ground 전위차를 일치시키기 위한 C(송신측 회로 장애 예방을 위해 필요) 그리고 실드(송신측에만 연결)로 구성될 수 있다. Talker Drive(송신 회로)와 Listener Receive(수신 회로)는 최소 ITU-T V.11 (EIA-422) 규격을 따라야 한다. 터미네이터 저항은 사용될 수 있으나, 단자 A, B, C는 주 회로와 선박의 Ground 및 전원으로부터 DC적으로 절연되어야 한다.
도 9는 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 흘수 측정값들을 보정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
선박흘수 측정 장치는 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산할 수 있다. 선박흘수 측정 장치는 수면의 유동적 환경(예를 들면, 파도 등)에 따라 가변적인 측정값을 보정하기 위하여 평균필터, 칼만 필터, 최소자승법 등을 적용할 수 있다.
선박흘수 측정 장치는 칼만 필터 알고리즘에 기초하여 수면의 유동적 환경에 따라 실시간으로 측정된 흘수 측정값들을 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동시켜 보다 정확한 현재의 흘수 값들을 도출할 수 있다.
칼만 필터 알고리즘은 순환적 선형구조를 가지고 있고, 알고리즘이 단순하고 수렴성이 좋으며, 이전의 스펙트럼 분석 방식에서 벗어나 시간 영역에서 직접적인 처리가 가능하다.
칼만 필터 알고리즘으로서 Extended Kalman Filter(EKF)가 많이 사용되며 선형화 칼만필터(Linearized KF)와 유사하나 선형화하는 기준점을 계속 갱신해 나간다는 특징을 가지고 있다.
칼만 필터 알고리즘은 예측단계 및 교정 단계를 반복 수행한다. 이때, 칼만 필터 알고리즘은 상태 추정(x), 추정에 대한 에러변화(P)를 예측하는 예측단계, 칼만게인값 추정(K), 상태관측에 의한 새로운 상태추정 및 새로운 상태추정에 의한 에러변화를 교정하는 교정단계를 포함할 수 있다.
칼만 필터 알고리즘은 흘수값을 측정함에 있어서 측정잡음이 측정노이즈(Measurement Noise)로 나타나 예측에 항상 오차를 보이는데 이것을 Process noise라 하며, 이 프로세스 노이즈(예측 오차분)과 측정노이즈(실측 잡음분)을 공분산을 이용하여 가중치 처리를 할 수 있다. Process Noise가 Measurement Noise보다 분산이 크다면 Measurement에 더 큰 가중치가 곱해지며, Process Noise가 Measurement Noise보다 분산이 작다면 모델을 이용한 예측 값에 더 큰 가중치가 곱해져 업데이트 되는 구조로 작동될 수 있다.
칼만 필터 알고리즘은 변하지 않는 행렬값과 초기값을 가지고 예측루틴의 값을 구하게 되며, 이후 이 값을 이용하여 Kalman Gain과 측정값 Z를 이용하여 다음 예측치를 보정하고 Process Noise 분산을 보정한다. 칼만 필터 알고리즘은 이러한 과정을 반복하여 동작하게 되며, 예측 단계 및 교정 단계의 두 과정으로 분리가 가능하다.
도 10은 일 실시예에 따른 선박흘수 측정 장치에서 선박의 상태를 제공하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
선박흘수 측정 장치는 NMEA 프로토콜에 기반하여 계산된 흘수 값들을 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 선박의 상태를 제공할 수 있다. 선박흘수 측정 장치는 NMEA 프로토콜에 기반하여 흘수 값들을 표준화하여 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공할 수 있다.
이때, 선박과 연관된 단말(1000)에 선박의 상태를 디스플레이하기 위하여 앱(App)이 설치되어 구동될 수 있다. 선박흘수 측정 장치는 앱을 통하여 데이터 통신 매체 기능을 구현할 수 있고, 선박과 연관된 단말(1000)에서 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공할 수 있다. 예를 들면, 선박흘수 측정 장치는 선박의 흘수 측정값들 및 칼만필터를 통하여 보정된 흘수 값들을 디스플레이할 수 있다.
더 나아가, 선박흘수 측정 장치는 선박과 연관된 단말(1000)에 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시킬 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 선박흘수 측정 방법에 있어서,
    선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계;
    상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 단계;
    상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계; 및
    NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계는,
    상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 흘수 값들을 표준화하여 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서는, 배터리, 무선통신 모듈, 센서 컨트롤 및 DAQ 보드, 초음파센서 발신부, 및 초음파센서 수신부를 포함하도록 일체형으로 제작된 초음파 센서 모듈을 나타내고,
    상기 흘수 측정 지점에 상기 초음파 센서 모듈을 설치하기 위한 흘수 측정 센서 지지대가 설치되고,
    상기 흘수 측정 센서 지지대는, 브라켓 지지대, 센서 고정부, 선체 고정부, 및 디바이스 장치 고정부를 포함하고,
    상기 브라켓 지지대, 센서 고정부, 선체 고정부, 디바이스 장치 고정부 각각이 결합되는 부분에 완충 장치가 부착되고,
    상기 흘수 값들을 표준화하기 위한 NMEA 프로토콜의 데이터 포맷은, 시작식별자, 선박흘수 식별자, 계측 및 보정된 일자, 계측 및 보정된 시간, 보정된 흘수값, 흘수값 보정에 이용된 적용 방식 정보, 및 오류 검사 정보를 포함하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계는,
    상기 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서를 설치하고, 상기 6개의 초음파 센서로부터 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 단계
    를 포함하는 선박흘수 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 단계는,
    상기 선박에 설치된 적어도 하나 이상의 액세스 포인트(AP)를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 상기 각각의 센서로부터 계측된 측정값들을 획득하는 단계
    를 포함하는 선박흘수 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계는,
    기 설정된 초기값에 기초하여 상기 측정값들을 감산함으로써 상기 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환하는 단계
    를 포함하는 선박흘수 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 단계는,
    칼만 필터 알고리즘에 기초하여 상기 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출하는 단계
    를 포함하는 선박흘수 측정 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 단계는,
    상기 선박과 연관된 단말을 통하여 상기 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 상기 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시키는 단계
    를 더 포함하는 선박흘수 측정 방법.
  8. 선박흘수 측정 장치에 있어서,
    선박의 적어도 하나 이상의 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서를 이용하여 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는 측정부;
    상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측함에 따른 측정값들을 무선 네트워크를 통하여 실시간으로 수집하는 수집부;
    상기 수집된 측정값들을 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 보정하여 흘수 값들을 계산하는 연산부; 및
    NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 계산된 흘수 값들을 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 상기 선박의 상태를 제공하는 제공부
    를 포함하고,
    상기 제공부는,
    상기 NMEA 프로토콜에 기반하여 상기 흘수 값들을 표준화하여 상기 선박과 연관된 단말에 디스플레이하도록 제공하고,
    상기 흘수 측정 지점에 설치된 각각의 센서는, 배터리, 무선통신 모듈, 센서 컨트롤 및 DAQ 보드, 초음파센서 발신부, 및 초음파센서 수신부를 포함하도록 일체형으로 제작된 초음파 센서 모듈을 나타내고,
    상기 흘수 측정 지점에 상기 초음파 센서 모듈을 설치하기 위한 흘수 측정 센서 지지대가 설치되고,
    상기 흘수 측정 센서 지지대는, 브라켓 지지대, 센서 고정부, 선체 고정부, 및 디바이스 장치 고정부를 포함하고,
    상기 브라켓 지지대, 센서 고정부, 선체 고정부, 디바이스 장치 고정부 각각이 결합되는 부분에 완충 장치가 부착되고,
    상기 흘수 값들을 표준화하기 위한 NMEA 프로토콜의 데이터 포맷은, 시작식별자, 선박흘수 식별자, 계측 및 보정된 일자, 계측 및 보정된 시간, 보정된 흘수값, 흘수값 보정에 이용된 적용 방식 정보, 및 오류 검사 정보를 포함하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 선박의 측면부의 흘수 측정 지점에 6개의 초음파 센서를 설치하고, 상기 6개의 초음파 센서로부터 상기 선상에서 수면까지의 거리를 계측하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수집부는,
    상기 선박에 설치된 적어도 하나 이상의 액세스 포인트(AP)를 기반으로 구축된 무선 네트워크를 통하여 상기 각각의 센서로부터 계측된 측정값들을 획득하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 연산부는,
    기 설정된 초기값에 기초하여 상기 측정값들을 감산함으로써 상기 흘수 측정 지점에 따른 흘수 측정값들로 변환하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연산부는,
    칼만 필터 알고리즘에 기초하여 상기 수면의 유동적 환경에 따른 실시간으로 측정된 흘수 측정값들이 기 설정된 시간 이전의 흘수 추세값과 연동되어 현재의 흘수 값들을 도출하는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제공부는,
    상기 선박과 연관된 단말을 통하여 상기 흘수 값들을 실시간으로 모니터링하도록 제공하고, 상기 선박의 상태에 기초하여 알람 또는 경보를 발생시키는
    것을 특징으로 하는 선박흘수 측정 장치.
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