KR101957319B1 - 대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법 - Google Patents

대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 AIS로부터 수집된 AIS 데이터와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 분석할 수 있도록 한 대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 해당 대상 선박의 실제 운항 성능을 분석하기 위한 방법으로서, 상기 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정하는 단계; AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 상기 대상 선박의 운항정보를 추출하는 단계; 상기 추출된 운항정보와 상기 설정된 조종운동방정식을 이용하여 상기 대상 선박의 이동경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 단계; 및 상기 시뮬레이션을 수행하는 동안 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 상기 대상 선박의 실제 운항성능을 추정하는 단계를 포함하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법을 제공할 수 있다.

Description

대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING CONTROL PERFORMANCE OF TARGET SHIP}
본 발명은 대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 AIS로부터 수집된 AIS 데이터와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 분석할 수 있도록 한 대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
고유가로 인해 선박의 경제적인 효율성을 연료소모량 측면에서 평가하게 되면서, 더 높은 효율성을 갖는 선박의 설계 요구가 선주로부터 제기되어 왔다.
최근 에너지효율지수(EEDI: Energy Efficiency Design Index), 에너지효율지표(EEOI: Energy Efficiency Operational Indicator) 및 에너지효율관리계획(SSMP: Energy Efficiency Management Plan)의 적용에 관한 논의가 국제해사기구(International Maritime Organization: IMO)를 중심으로 이루어지고 있다. 특히 선박의 건조 및 시운전 단계에서부터 에너지효율지수를 고려하여 선박의 성능을 평가하도록 국제표준화기구의 규정이 갱신되기도 하였다.
요점은 모형시험결과 및 시운전결과를 근거로 계약서 및 요구 사양서에 명시된 선박의 최소요구성능을 판단하는 것이 아니라, 다양한 환경 조건에서 운항하게 될 선박의 실제 성능의 추정값을 기준으로 판단하겠다는 것이다.
이와 같은 변화는 설계단계에서 이상적인 운항조건을 전제로 추정된 선박의 성능을 다양한 환경조건 및 운항조건을 고려하여 건조된 선박의 성능을 검증하고 싶은 선주의 요구와 그간 실선 성능의 추정과 검증에 대하여 연구를 수행해 온 각 조선소의 기술개발 방향과 맥락을 같이 하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2009-0105330호(2009.10.07) "선박 조종 시뮬레이터를 위한 데이터 처리 방법"
하지만, 제한된 조건에서 수행되는 시운전이나 짧은 기간의 실선 계측만으로 장기간 운용되는 선박의 성능을 추정하거나, 검증하는 것은 한계가 있다.
특히, 선박의 조종성능과 관련해서는 국제해사기구에서 제시한 표준조종시험의 시뮬레이션, 모형시험, 시운전만을 통해 단편적인 성능지표만을 비교하기 때문에, 다양한 운항 조건에서 나타나는 실제 선박의 조종성능에 대해서는 검증하기 어려웠다.
실제 선박의 운항과정을 시뮬레이션하기 위해서는 선박의 저항, 운동 및 조종운동에 대한 정보 뿐만 아니라 실제 선박이 운항하는 항로와 운항상태 등의 정보가 종합적으로 필요하다.
선박을 건조하는 조선소에서는 다양한 모형시험과 수치 계산을 통해 선박의 저항, 운동 및 조종운동에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이와 달리, 선박을 운용하는 해운선사에서는 선박의 운항 경로, 환경조건 및 운항시 운항 상태 등의 정보를 획득할 수 있다.
그러나, 선박의 실선 운항과 관련된 정보를 조선소와 해운선사가 각각 취득할 수 있음에도 일부 기밀로 취급되는 정보로 인해 공유되지 못하고 있어, 실제 선박의 운항 관점에서는 조종성능을 추정하거나 검증하는데 어려움을 겪고 있다.
또한, 실선 데이터가 있더라도 실제 선박의 운항성능과 어떻게 비교할 수 있는지에 대한 방법이 없어, 현재 다각도로 운항 시뮬레이션 과정을 연구중에 있다.
본 발명의 목적은, AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중 시뮬레이션에 필요한 대상 선박의 운항정보를 선택적으로 취득하고, 조선소가 보유한 모형시험 또는 시운전 정보를 기반으로 조종운동방정식을 풀이하여 대상 선박의 운항성능을 분석할 수 있도록 한 대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 해당 대상 선박의 실제 운항 성능을 분석하기 위한 방법으로서, 상기 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정하는 단계; AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 상기 대상 선박의 운항정보를 추출하는 단계; 상기 추출된 운항정보와 상기 설정된 조종운동방정식을 이용하여 상기 대상 선박의 이동경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 단계; 및 상기 시뮬레이션을 수행하는 동안 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 상기 대상 선박의 실제 운항성능을 추정하는 단계를 포함하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법을 제공할 수 있다.
상기 수행하는 단계는 ECMWF DB를 통해 바람 및 파도를 추가로 반영하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
상기 설정하는 단계는 상기 대상 선박의 선체, 추진기 및 타에 작용하는 종방향의동유체력, 상기 대상 선박의 선체 및 타에 작용하는 횡방향의 동유체력, 그리고 상기 대상 선박이 받는 선체 및 타에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 상기 조종운동방정식을 설정할 수 있다.
상기 설정하는 단계는 상기 대상 선박에 작용하는 동유체력을 선체, 추진기 및 타별로 각각 수학모형을 구성하고, 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 상기 조종운동방정식을 설정할 수 있다.
상기 추출하는 단계는 상기 대상 선박의 AIS 데이터 중에서 특정 기간을 지정받는 단계를 더 포함하여, 상기 지정받은 특정 기간의 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 운항 정보를 추출할 수 있다.
상기 수행하는 단계는 상기 AIS 데이터 중에서 추출된 상기 대상 선박의 초기위치, 초기속도, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하는 단계; 상기 AIS 데이터 중에서 상기 대상 선박의 목표점을 설정하는 단계; 상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 타각을 계산하는 단계; 상기 대상 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단하는 단계의 판단결과, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 설정된 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 계산된 타각으로 타의 타각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 대상선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 계산하고, 계산된 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 추진기의 RPM을 추정할 수 있다.
상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 대상 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영하여 상기 조종운동방정식을 풀이할 수 있다.
상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 AIS 데이터에 포함된 상기 대상 선박의 속도가 목표속도에 맞춰지도록 추진기의 RPM을 조절할 수 있다.
상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 목표점에 도달하는지 여부를 판단하여 상기 대상 선박의 위치가 상기 목표점에 도달된 경우 상기 도달된 목표점이 최종 목표점이면 시뮬레이션을 종료하고, 상기 도달된 목표점이 최종 목표점이 아니면 상기 다음 목표점으로 이동하기 위한 시뮬레이션을 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대상 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 해당 대상 선박의 실제 운항 성능을 분석하기 위한 장치에 있어서, AIS와, 상기 AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 상기 대상선박의 운항정보를 추출하고, 추출된 운항정보와 상기 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 대상 선박의 이동경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 동안 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 상기 대상선박의 실제 운항성능을 추정하는 시뮬레이터를 포함하는, 대상 선박의 운항성능 분석 장치를 포함할 수 있다.
상기 시뮬레이터는 ECMWF DB를 통해 바람 및 파도를 추가로 반영하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
상기 조종운동방정식은 상기 대상 선박의 선체, 추진기 및 타에 작용하는 종방향의동유체력, 상기 대상 선박의 선체 및 타에 작용하는 횡방향의 동유체력, 그리고 상기 대상 선박이 받는 선체 및 타에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것일 수 있다.
상기 조종운동방정식은 상기 대상 선박에 작용하는 동유체력을 선체, 추진기 및 타별로 각각 수학모형을 구성하고, 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증될 수 있다.
상기 시뮬레이터는 상기 AIS 데이터 중에서 추출된 상기 대상 선박의 초기위치, 초기속도, 초기 선수각 및 초기흘수를 초기 조건으로 설정하고, 상기 AIS 데이터 중에서 상기 대상 선박의 목표점을 설정하고, 상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 타각을 계산하며, 상기 대상 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션할 수 있다.
상기 시뮬레이터는 상기 계산된 타각으로 타의 타각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 대상선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 계산하고, 계산된 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 추진기의 RPM을 추정할 수 있다.
상기 시뮬레이터는 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 대상 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영하여 상기 조종운동방정식을 풀이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중 시뮬레이션에 필요한 대상선박의 운항정보와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대상 선박의 운항정보 분석 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대상 선박의 운항정보 분석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 3은 AIS 데이터에서 추출된 대상 선박의 이동경로를 도시한 도면,
도 4는 대상 선박이 15일 정도 운항하는 AIS 데이터에서 획득한 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(위치)를 도시한 그래프,
도 5는 대상 선박이 15일 정도 운항하는 AIS 데이터에서 획득한 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(RPM)를 도시한 그래프, 그리고
도 6은 대상 선박이 15일 정도 운항하는 AIS 데이터에서 획득한 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(RPM)과 실제 10분 간격으로 계측된 실제 RPM의 오차를 도시한 히스토그램.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대상 선박의 운항정보 분석 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 대상 선박의 운항성능 분석 장치는 AIS(10)로부터 수신된 선박의 AIS 데이터 중에서 대상 선박의 AIS 데이터와 해당 대상 선박이 받는 동유체력을 계산하는 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 실제 운항성능을 시뮬레이션한 결과를 제공한 시뮬레이터(20)를 포함하여 구성된다.
AIS(10)는 선박 자동 식별 장치로, 운항중인 모든 선박의 AIS 데이터(운항정보)를 수집한다. 이와 같이 수집된 선박의 AIS 데이터는 선박의 시각별로 현재 위치, 속도 및 흘수 등의 정보를 담고 있다.
이러한 AIS(10)는 일정크기 이상의 선박에 의무적으로 탑재되는 장치로, 선박의 운항정보를 송신하고, 다른 선박의 운항정보를 수신함으로써 운항정보를 공유하는 장치이다. 이러한 AIS(10)를 통해 다른 선박의 AIS 데이터를 취득하여 운항 안정성을 높이는데 이용되며, 육상에서도 현재 움직이는 선박의 AIS 데이터를 받을 수 있으며, 이를 데이터베이스로 구축해서 일정 기간 동안에 전 세계 AIS를 설치한 선박의 운항정보를 취득하는 것이 가능하다.
조선소와 해운선사에서 취득되는 실선 운항 정보는 AIS(10)에서 제공 가능한 모든 정보를 포함하며, 별도의 풍속 센서(미도시)를 통해 바람의 속도와 방향을 계측할 수 있고, 별도의 기상 레이더를 통해 해상의 상태를 계측하는 것이 가능하다. 또한, 별도의 센서를 통해 추진기의 RPM, 타의 타각 등을 계측할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 대상선박의 운항성능 분석 장치는 이러한 실선 운항 정보 없이도 대상 선박의 실제 운항성능을 분석하거나 또는 실선 운항 정보가 있을 경우에도 대상 선박의 실제 운항성능을 분석할 수 있다.
보다 구체적으로, 시뮬레이터(20)는 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정한다. 설정된 조종운동방정식은 대상 선박에 대해 모형시험결과 또는 시운전 결과가 있으므로 대상 선박의 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 이용하여 수학모형을 검증하여 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 구성한다.
조종운동방정식은 선박의 선체, 추진기 및 타로 각각 구성되며, 선체가 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요모멘트(요방향의 힘)는 아래의 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 계산되고, 추진기가 받는 종방향의 힘은 아래의 수학식 4에 의해 계산되며, 타가 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요모멘트(요방향의 힘)는 아래의 수학식 5 내지 수학식 7에 의해 계산된다.
Figure 112017038916199-pat00001
여기서, mx, my는 종방향 및 횡방향의 부가된 질량이고, Lpp는 선박의 수선간 길이이고, T는 선박의 흘수이고, U는 선박이 실제로 움직이는 속력이고,
Figure 112017038916199-pat00002
는 해수의 밀도이며,
Figure 112017038916199-pat00003
는 편류각이다. 이때, 선박의 흘수가 이전 단계의 흘수(초기흘수 또는 목표점으로 이동하기 전의 흘수)와 다른 경우, 대상 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영한다.
Figure 112017038916199-pat00004
여기서,
Figure 112017038916199-pat00005
은 대상 선박의 종방향 속도와 횡방향 속도의 곱이다.
Figure 112017038916199-pat00006
여기서,
Figure 112017038916199-pat00007
는 길이방향 무게중심(LCG)의 위치부터 대상 선박의 중심까지의 거리이다.
Figure 112017038916199-pat00008
여기서, t는 추력감소계수이고,
Figure 112017038916199-pat00009
는 해수의 밀도이고, n은 추진기의 RPM/60이고, DP는 추진기의 지름이며, KT는 추력계수이다. t와 KT는 모형시험을 통해서 획득된다.
Figure 112017038916199-pat00010
여기서, tR은 선체와 타간의 간섭계수이고, FN은 타에 작용하는 직압력(port, stbd는 방향을 의미),
Figure 112017038916199-pat00011
및
Figure 112017038916199-pat00012
은 타각이다.
Figure 112017038916199-pat00013
여기서,
Figure 112017038916199-pat00014
는 선체와 타간 간섭계수이고, FN_PORT는 해수의 밀도, 타(PORT) 면적, 입사각에 따른 타(PORT) 양력계수의 기울기 및 유동입사각을 이용하여 계산되며, FN_ STBD도 마찬가지로 해수의 밀도, 타(STBD) 면적, 입사각에 따른 타(STBD) 양력계수의 기울기 및 유동입사각을 이용하여 계산된다.
Figure 112017038916199-pat00015
xH는 선체와 타간 간섭계수이다.
시뮬레이터(20)는 AIS(10)로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 실제 운항성능을 추정하기 위한 대상 선박의 특정 구간을 설정받아 대상 선박의 초기 위치, 초기속도, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기조건으로 설정하고, AIS 데이터 중에서 대상 선박의 이동경로 중에 목표점을 설정하여 초기조건에서 목표점으로 이동하기 위한 타각을 계산하여 계산된 타각과, 상술된 수학식 1 내지 수학식 7과 같은 조종운동방정식 및 계수정보를 이용하여 목표점으로 이동하는 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요방향의 힘을 계산하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다.
이때, 시뮬레이터(20)는 초기조건에서 목표점으로 이동하기 위한 대상 선박의 흘수와 초기흘수가 같은지 여부를 판단하여 대상 선박의 흘수(AIS 데이터에 포함된 대상선박의 흘수)와 초기흘수(AIS 데이터에 포함된 선박정보) 또는 이전 목표점에서의 흘수가 같으면 설정된 조종운동방정식 및 계수정보를 이용하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 대상 선박의 현재 흘수와 초기 흘수 또는 이전 목표점에서의 흘수가 다르면 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다. 시뮬레이터(20)는 대상 선박의 흘수와 초기 흘수 또는 이전 목표점에서의 흘수가 다르면 대상선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트흘수의 저항계수를 선형보간하고, 추정된 저항계수값을 반영하여 조종운동방정식을 풀이한다.
더 구체적으로, 시뮬레이터(20)는 상술된 목표점으로 이동하는 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 상술된 수학식 1 내지 수학식 7을 통해 계산하고, 계산된 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 이용하여 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 대상선박의 실제 운항성능을 추정할 수 있다.
시뮬레이터(20)는 시뮬레이션하는 동안 AIS 데이터에 포함된 대상선박의 속도를 목표 속도와 비교하여 목표 속도보다 낮거나 높은 경우 목표속도에 맞춰지도록 추진기의 RPM을 조절한다. 이와 같이 추진기의 RPM이 조절되는 경우 조종운동방정식 중 추진기의 RPM이 사용되는 추진기의 종방향 힘에 영향을 미친다.
이와 같은 구성을 갖는 대상 선박의 운항성능 분석 장치를 이용한 대상 선박의 운항성능 분석 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대상 선박의 운항성능 분석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면 시뮬레이터(20)는 대상선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정한다(S11). 조종운동방정식은 대상선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 힘을 계산하기 위한 식으로, 상술된 수학식 1 내지 수학식 7이다.
시뮬레이터(20)는 AIS(10)로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 대상 선박의 구간을 설정하고 설정된 구간의 운항정보, 즉 시뮬레이션에 필요한 대상 선박의 운항정보를 추출한다(S15). 더 구체적으로 아래의 표 1에 도시된 바와 같은 AIS 데이터 중에서 운항 시뮬레이션에 필요한 운항정보는 (○)로 표시하였다.
TYPE DATA
Static data -IMO number
-Call sign and name
-Length and beam
-Type of ship
-Location of position-fixing antenna on the ship
Dynamic data -Ship's position with accuracy indication and integrity status(○)
-Time in UTC(○)
-Course over ground(○)
-Speed over ground(○)
-Heading(○)
-Navigation status
-Rate of turn
Voyage related data -Ship's draft(○)
-Hazardous cargo
-Destination and ETA
Safety related message -As needed
시뮬레이터(20)는 AIS(10)로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 대상 선박의 AIS 데이터를 지정하고, 특정기간의 운항정보를 선택적으로 취득할 수 있다. 예를 들면, 2010년 11월 22일 9시부터 2010년 12월 6일 14시 40분 사이의 운항과정을 선택하였고 선택된 대상선박의 AIS 데이터에서 찍힌 이동경로는 도 3에 잘 도시되어 있다.
시뮬레이터(20)는 설정된 구간의 운항정보를 기반으로 초기조건을 설정한다(S15). 즉 시뮬레이터(20)는 설정된 구간 중에서 출발시점의 정보인 초기 위치, 초기 속도, 초기 선수각 및 초기 흘수를 이용하여 초기조건을 설정한다.
다음, 시뮬레이터(20)는 설정된 구간의 이동경로를 따라 대상 선박의 목표점을 설정한다(S17). 목표점은 타각을 변경해야 하는 지점으로 정해지며, 도 3에 도시된 이동경로로 운항하는 중에 다수의 경유 목표점을 지나 최종 목표점이 정해진다.
시뮬레이터(20)는 상술된 S15 단계에서 설정된 초기 위치에서 상술된 S17 단계에서 설정된 목표점으로 이동하기 위한 대상선박의 타각을 계산한다(S19).
시뮬레이터(20)는 목표점으로 이동하는 대상선박의 AIS 데이터에 포함된 대상 선박의 흘수가 초기 흘수와 같은지 여부를 판단한다(S21).
상기 S21 단계의 판단결과, 목표점으로 이동하는 대상선박의 AIS 데이터에 포함된 대상선박의 흘수가 초기 흘수와 같은 경우 시뮬레이터(20)는 상술된 S11 단계에서 설정된 조종운동방정식 및 계수정보(유체력미계수)를 이용하여 대상선박의 운항성능을 시뮬레이션한다(S23).
시뮬레이터(20)는 목표점에 도달하는지 여부를 판단하고, 그 판단결과 목표점에 도달하지 않은 경우 상술된 S23 단계를 수행하고, 목표점에 도달한 경우 도달된 목표점이 최종 목표점인지 여부를 판단하여 최종 목표점이면 시뮬레이션을 종료하고 도달된 목표점이 최종 목표점이 아니면 다음 목표점으로 이동하기 위한 시뮬레이션을 반복 수행한다.
또한, 시뮬레이터(20)는 시뮬레이션을 하는 동안 AIS 데이터에 포함된 대상선박의 속도가 목표 속도가 아닌 경우 대상 선박의 속도가 목표 속도에 맞춰지도록 추진기의 RPM을 조절하여 시뮬레이션을 한다. 즉 시뮬레이터(20)는 대상선박의 속도가 목표 속도보다 낮으면 추진기의 RPM을 일정 간격으로 증가시켜 목표 속도에 맞춰지도록 조절하고, 대상선박의 속도가 목표 속도보다 높으면 추진기의 RPM을 감소시켜 목표 속도에 맞춰지도록 조절하여 시뮬레이션을 한다. 또한, 시뮬레이터(20)는 바람, 해상 상태에 따라 대상 선박의 조종운동이 영향을 받으므로 추가적으로 환경정보를 조종운동방정식에 반영하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 것이 바람직하다. 환경정보는 ECMWF DB에서 유추하는 것이 가능하다.
시뮬레이터(20)는 조종운동방정식을 풀어 선박의 속도, 위치, 선수각 등의 정보를 취득하여 저장부(미도시)에 저장 및 관리된다.
이후 시뮬레이터(20)는 시뮬레이션을 수행한 결과를 디스플레이부(30)상에 제공한다(S15). 디스플레이부(30)에 제공되는 시뮬레이션 결과에는 시뮬레이션 과정 중에 사용한 추진기의 RPM 누적정보를 통해 대상 선박의 연료 소모량을 추정할 수 있다. 이러한 선박의 연료 소모량으로 인해 대상 선박의 운항 효율성을 평가할 수 있다.
상기 S21 단계의 판단결과, 목표점으로 이동하는 대상선박의 AIS 데이터에 포함된 대상선박의 흘수가 초기 흘수와 다른 경우 시뮬레이터(20)는 조종운동방정식의 계수(유체력미계수)를 경험식으로 재추정한다(S24). 계수는 저항계수로, 대상선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수를 근거로 하여 대상선박의 속도에 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수를 선형 보간법을 사용하여 저항계수를 재추정한다.
시뮬레이터(20)는 이와 같이 재추정된 계수정보와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다(S24). 상술된 조종운동방정식을 통해 대상 선박이 목표점으로 이동할 때 대상 선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 힘을 계산하고 계산된 대상 선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 힘, 더 구체적으로 추진기가 받는 종방향의 힘에서 얻어진 추진기의 RPM을 누적한다.
시뮬레이터(20)는 이와 같이 시뮬레이션을 수행한 결과를 디스플레이부(30)상에 제공한다(S26). 시뮬레이터(20)는 대상선박의 특정구간 동안 운항하는 AIS 데이터에서 추출한 운항정보를 이용한 시뮬레이션결과(위치, RPM)를 도 4 및 도 5의 그래프와 같이 제공할 수 있다.
도 4는 대상선박이 15일 정도 운항하는 AIS 데이터에서 획득한 대상 선박의 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(위치)를 도시하고 있다.
도 4의 그래프에서 보듯이 검은색 점은 시뮬레이션을 통해 이동했던 점의 일부, 파란색 실선은 AIS 데이터에 포함된 위치정보를 이은선으로, 시뮬레이션결과가 실제 AIS 데이터에 포함된 위치를 잘 추종하고 있는지를 평가할 수 있다.
도 5는 대상선박이 15일정도 운항하는 AIS 데이터에서 대상 선박의 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(RPM)를 도시하고 있다.
도 5의 그래프에서 보듯이 파란색 선은 실제 운항중에 계측된 RPM정보이고, 검정색 선은 AIS 데이터와 조종운동방정식을 이용하여 얻어진 RPM로, AIS 데이터에서 얻어진 속도를 따라 추종하고 지구를 구로 가정하여 풀었기 때문에 일부 시차가 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 대상선박이 15일 정도 운항하는 AIS 데이터에서 획득한 대상 선박의 속도, 흘수 및 위치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과(RPM)과 실제 10분 간격으로 계측된 RPM간의 오차를 히스토그램으로 표시한 것이므로, 평균적으로 계산된 RPM이 실제 RPM 보다 작게 추정되었음을 알 수 있다.
상술된 AIS 데이터와 상술된 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 힘을 계산하고 계산된 결과로 얻어진 추진기의 RPM을 근거로 대상 선박의 연료 소모량을 추정하여 대상 선박의 운항 효율성을 평가할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : AIS 20 : 시뮬레이터
30 : 디스플레이부

Claims (17)

  1. 대상 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 해당 대상 선박의 실제 운항 성능을 분석하기 위한 방법으로서,
    상기 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정하는 단계;
    AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 상기 대상 선박의 운항정보를 추출하는 단계;
    상기 추출된 운항정보와 상기 설정된 조종운동방정식을 이용하여 상기 대상 선박의 이동경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 단계; 및
    상기 시뮬레이션을 수행하는 동안 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 상기 대상 선박의 실제 운항성능을 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 수행하는 단계는
    상기 AIS 데이터 중에서 추출된 상기 대상 선박의 초기위치, 초기속도, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하는 단계;
    상기 AIS 데이터 중에서 상기 대상 선박의 목표점을 설정하는 단계;
    상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 타각을 계산하는 단계;
    상기 대상 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단하는 단계의 판단결과, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 설정된 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 단계를 포함하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수행하는 단계는 ECMWF DB를 통해 바람 및 파도를 추가로 반영하여 시뮬레이션을 수행하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정하는 단계는
    상기 대상 선박의 선체, 추진기 및 타에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 대상 선박의 선체 및 타에 작용하는 횡방향의 동유체력, 그리고 상기 대상 선박이 받는 선체 및 타에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 상기 조종운동방정식을 설정하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정하는 단계는 상기 대상 선박에 작용하는 동유체력을 선체, 추진기 및 타별로 각각 수학모형을 구성하고, 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 상기 조종운동방정식을 설정하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 추출하는 단계는
    상기 대상 선박의 AIS 데이터 중에서 특정 기간을 지정받는 단계를 더 포함하여,
    상기 지정받은 특정 기간의 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 운항 정보를 추출하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 계산된 타각으로 타의 타각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 대상선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 계산하고, 계산된 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 추진기의 RPM을 추정하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 대상 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영하여 상기 조종운동방정식을 풀이하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 AIS 데이터에 포함된 상기 대상 선박의 속도가 목표속도에 맞춰지도록 추진기의 RPM을 조절하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 시뮬레이션하는 단계는 상기 목표점에 도달하는지 여부를 판단하여 상기 대상 선박의 위치가 상기 목표점에 도달된 경우 상기 도달된 목표점이 최종 목표점이면 시뮬레이션을 종료하고, 상기 도달된 목표점이 최종 목표점이 아니면 다음 목표점으로 이동하기 위한 시뮬레이션을 반복 수행하는, 대상 선박의 운항성능 분석 방법.
  11. 대상 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 해당 대상 선박의 실제 운항 성능을 분석하기 위한 장치에 있어서,
    AIS와,
    상기 AIS로부터 수집된 AIS 데이터 중에서 시뮬레이션에 필요한 상기 대상선박의 운항정보를 추출하고, 추출된 운항정보와 상기 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 대상 선박의 이동경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 동안 얻어진 추진기의 RPM과 타의 타각을 포함하는 결과를 근거로 상기 대상선박의 실제 운항성능을 추정하는 시뮬레이터를 포함하고,
    상기 시뮬레이터는 상기 AIS 데이터 중에서 추출된 상기 대상 선박의 초기위치, 초기속도, 초기 선수각 및 초기흘수를 초기 조건으로 설정하고, 상기 AIS 데이터 중에서 상기 대상 선박의 목표점을 설정하고, 상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 타각을 계산하며, 상기 대상 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 타각을 이용하여 상기 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 시뮬레이터는 ECMWF DB를 통해 바람 및 파도를 추가로 반영하여 시뮬레이션을 수행하는, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 조종운동방정식은 상기 대상 선박의 선체, 추진기 및 타에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 대상 선박의 선체 및 타에 작용하는 횡방향의 동유체력, 그리고 상기 대상 선박이 받는 선체 및 타에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것인, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 조종운동방정식은 상기 대상 선박에 작용하는 동유체력을 선체, 추진기 및 타별로 각각 수학모형을 구성하고, 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
  15. 삭제
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 시뮬레이터는 상기 계산된 타각으로 타의 타각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 대상선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 계산하고, 계산된 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 추진기의 RPM을 추정하는, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 시뮬레이터는 상기 대상 선박의 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 대상 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영하여 상기 조종운동방정식을 풀이하는, 대상 선박의 운항성능 분석 장치.
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