KR102078962B1 - 선박의 복원성능 실시간 확인장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 횡동요 진자운동에 기초하여 동요주기를 계측하고 이를 토대로 선박의 복원성능을 산출한 후, 표준화 된 기준 복원성능과의 비교를 통해 선박의 복원성능이 안전성능에 필요한 수치를 확보하고 있는지 여부를 판단하며, 만약 안전성능에 필요한 수치가 아닌 경우에는 별도의 경고 신호를 통해 조종자에게 알릴 수 있도록 하는 선박의 복원성능 실시간 확인장치에 관한 것이다.

Description

선박의 복원성능 실시간 확인장치{APPARATUS FOR CHECKING A STABILITY OF SHIP IN REAL TIME}

본 발명은 선박의 복원성능 실시간 확인장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 선박의 횡동요 진자운동에 기초하여 동요주기를 계측하고 이를 토대로 선박의 복원성능을 산출한 후, 표준화 된 기준 복원성능과 비교 한다. 이를 통하여, 선박의 복원성능이 안전성능에 필요한 수치를 확보하고 있는지 여부를 판단하며, 만약 안전성능에 필요한 수치가 아닌 경우에는 별도의 경고 신호를 통해 항행자에게 알릴 수 있도록 하는 선박의 복원성능 실시간 확인장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선박이 완성단계에 들어가는 경우, 선박의 경사시험을 수행하여 경사상태에서의 선박의 중량중심을 산정하게 된다. 그 다음, 탑재될 예정의 여객, 화물, 어획된 물고기 및 자체 연료, 식수 등의 제반 중량을 추정하게 된다. 또한, 선박의 종류에 따라서 법적으로 요구하는 복원성능을 계산하고, 선박안전법에서 요구하는 선종 별 특정 화물적재상태를 가정하여, 특정상태의 중량중심(복원성능)과 선박안전법적 복원성능을 비교한 후, 전자가 후자보다 클 것을 요구한다. 이러한 계산과정과 결과를 책자로 만든 것을, 복원성능 계산서(Stability Booklet)이라고 부른다. 항행자는 이 계산서를 참고로 화물을 적재하고 운항하게 된다.

그러나 실제로 선박에 화물을 탑재하는 것은 현장에서 항행자의 재량에 따라 다르게 적재될 경우가 있으므로 실제의 중량중심은 알 수가 없으며 다만 그 차이가 크지 않기를 기대하는 정도이다.

따라서 선박의 화물 중량중심의 위치는 정확히 알 수 없으며, 중량중심이 너무 높아지면 선박의 복원성능(GM)이 저하되어 선박이 전복되는 원인이 될 수 있다.

따라서, 선박의 복원성능의 척도인 메타센터(M)를 토대로 선박의 중량중심을 실시간으로 확인하여 선박의 안정성을 확보하기 위한 기술이 필요한 실정이다.

한국공개실용신안 제20-2013-0002826호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박의 횡동요 진자운동에 기초하여 동요주기를 계측하고 이를 토대로 선박의 복원성능을 산출한 후, 표준화 된 기준 복원성능과의 비교를 통해 선박의 복원성능이 안전성능에 필요한 수치를 확보하고 있는지 여부를 판단하며, 만약 안전성능에 필요한 수치가 아닌 경우에는 별도의 경고 신호를 통해 항행자에게 알릴 수 있도록 하는 선박의 복원성능 실시간 확인장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 복원성능 실시간 확인장치는 선박의 동요주기를 산출하는 동요주기 산출부, 산출된 상기 동요주기를 토대로, 선박에 적재된 화물의 적재상태에 따른 선박의 복원성능을 산출하는 복원성능 산출부 및 산출된 복원성능과 기준 복원성능을 서로 비교하여 출력하며, 출력결과가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우 경고신호를 발생하는 복원성능 판단부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 기 설정된 시간 간격으로 선박의 동요각을 계측한 후, 계측된 각각의 동요각의 크기변화를 토대로 선박의 동요주기를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 상기 동요각의 계측 시, 동요각 계측 시작 시점부터 기 설정된 시점까지 계측되는 동요각은 상기 동요주기에 대한 산출과정에서 제외시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 산출된 상기 동요주기를 횡메타센터높이(GM)로 환산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 계측된 상기 동요각에 밴드패스 필터를 이용하여 노이즈(Noise)를 제거한 횡요주기를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 계측된 상기 동요각에 급속퓨리어변환(Fast Fourier Transform) 방식을 이용하여 노이즈를 제거한 횡요주기를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 동요주기 산출부는 전자경사계, 각속도계 또는 멤스(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 센서 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 복원성능 판단부는 산출된 복원성능이 기준 복원성능 보다 큰 경우에는 관리자 단말의 화면 상에 산출된 복원성능을 도시화하여 표시하고, 산출된 복원성능이 선박안전법에서 요구 복원성능 보다 작은 경우에는 출력장치를 통해 경고신호를 발생시켜 외부로 알리는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 출력장치는 디스플레이, 광 출력장치, 소리 출력장치 및 진동 출력장치 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 동일한 흘수에서도 선박에 적재된 화물의 적재상태에 따라 달라지는 중량중심위치 및 복원성능을 정확히 파악할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 위에서도 간단한 장비로 선박의 복원성능을 실시간으로 간편하게 파악할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 횡동요를 측정하기 위한 별도의 고가장비가 없을 경우 모바일 단말의 멤스(MEMS) 센서를 이용하여 복원성능을 파악할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 경사시험을 수행하지 않고도 화물을 적재한 선박의 전체 중량중심 위치(높이)를 정확히 파악할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전자경사계, 각속도계 등과 같은 동요주기 산출 결과와 더불어 선박의 정역학적 수치표(Hydrostatic table)를 참고하여 선박의 복원성능을 정확히 산출할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 복원성능을 사람이 수작업으로 하는 것이 아닌 자동 계측하기 때문에, 인위적인 과오, 과실에 의한 복원성능의 하락에 따른 위험 상태를 사전에 예방할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박안전법규에서 규제하는 위험한 복원성능 상태에 대하여 수치, 빛, 소리 등의 경보를 통해 위험상태를 항행자에게 미리 인지토록 함으로써, 선박의 위험상태가 미연에 회피될 수 있도록 하는 이점을 가진다.

도 1은 일반적으로 선박의 경사시험 시 발생되는 복원력을 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 선박의 흘수 별 복원성능을 산출하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 복원성능 실시간 확인장치(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 선박의 복원성능 실시간 확인장치(100)가 선박에 적용된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일반적으로 선박의 경사시험 시 발생되는 복원력을 도시한 도면이고, 도 2는 일반적인 선박의 흘수 별 복원성능을 산출하는 과정을 도시한 도면이다.

도 1을 먼저 살펴보면, 선박은 설계과정에서 선체선도(Lines)가 결정되면 선박유체 정역학적인 계산을 수행하여 흘수(draft) 별로 KM(용골에서 경심까지의 거리)값을 계산하고, 흘수 별로 흘수-KM 값을 작성하게 된다.

여기에서, WL1은 선박의 경사 전 직립된 상태의 수면 상태이고, WL2는 경사 후 수면 상태이며, G는 선박의 무게 중심이고, B는 선박이 직립된 상태에서의 부력 중심이고, B'는 선박이 경사된 상태에서의 부력 중심이며, θ는 선박이 경사된 각도이고, (M)은 선박이 기울어질 때의 회전 중심, 즉 메타센터(Metacenter)를 의미한다.

이때, 선박은 도 1에서와 같이 직립하여 흘수 WL1까지(이때, 배수량은 △) 잠겨있다가, 선박이 미소하게 θ 각도만큼 경사질 경우, WL2와 같이 물에 잠기는 부분이 변하게 된다. 그에 따라, 선박의 부력중심은 B에서 B'로 변하게 된다. 이때 직립된 상태의 부력중심의 연직선과 경사상태의 부력중심의 연직선이 만나는 지점(M, 메타센터(경심))이 형성된다.

한편, 기울어진 선박은 부력중심이 변하게되면서, GM*Sinθ*△ 크기의 복원모멘트를 가지게 된다.

선박은 물위에 부상하고 있으므로, 항상 파도에 흔들린다. 선박이 파도, 바람 및 조류 등과 같은 외력에 의하여 경사되지만, 선박의 중량중심 위치는 경사 전과 경사 후가 동일하다.

따라서, 선박 건조가 완성단계에 들어가면 선박을 물에 띄어 놓은 상태에서 중량물이나 사람들을 이동하여 선박을 경사시키며, 그 상태에서의 GM값을 계측하고 자유표면효과(GGo)를 고려하여 GoM을 계산한다. 이를 경사시험이라고 한다.

경사시험상태에서의 GM과 KG값을 각각 GM1 및 KG1이라고 하고, 예상되는 선박의 적재상태의 조건을 몇 가지 상정하여(예, 만재출항, 만재입항, 공창출항, 공창입항 등) 계산하고, 이를 근거로 복원성능(안전성능)을 확인한다.

하지만 선박의 중량중심(KG)을 화물적재 시에 정확히 계산할 수 없고, 운항중 연료 등의 소모로 선박의 중량중심이 변한다.

특히 화물의 적재에 따른 선박의 중량중심 위치는 적재물의 양과 중량 및 적재순서 등에 의하여 달라지므로, 정확한 선박의 중량중심위치는 알 수 없다. 예를 들어, 가벼운 화물과 무거운 화물의 2종류의 컨테이너를 2단으로 적재하는 경우, 어떤 것을 먼저 적재하는 것과 상관없이 전체적으로는 동일한 중량을 적재하지만(배수량이 같고, 흘수도 같아지지만), 적재순서에 따라서 선박의 중량중심(KG)의 위치가 달라진다. 이런 이유로 항행자가 중량중심을 정확히 예상할 수 없게 되는 문제점이 발생하는 것이다.

도 2는 일반적인 선박의 흘수 별 복원성능을 산출하는 과정을 도시한 도면이다.

도 2를 살펴보면, 도 1에서 산출된 경사시험상태에서의 GM1값을 이용하여 KG1값을 산출하게 된다. 또한 선박안전법규에서 요구하는 선박의 화물적재상태(예를 들어, A1, A2, A3 및 A4)에서의 각각의 KG값(KG2, KG3, KG3, KG4)를 산출하게 된다.

이때, GM=KM-KG이므로 각각의 화물적재상태에서의 해당 흘수에 대한 GM값을 구하게 된다. 하지만 실제의 상황에서는 화물의 적재방법에 따라 KG값이 다르며 정확하지 않다는 문제가 발생된다.

예를 들어, 가벼운 화물과 무거운 화물의 2종류의 컨테이너를 2단으로 적재하는 경우, 어떤 것을 먼저 적재하는 것과 상관없이 전체적으로는 동일한 중량을 적재하지만(배수량이 같고, 흘수도 같아지지만), 적재순서에 따라서 선박의 중량중심(KG)의 위치가 달라진다. 이 경우, 항행자가 정확히 예상할 수 없게 된다. 그림2에서 보는 바와 같이, A2와 A4는 흘수(배수량)은 동일하나, GM이 다르다. 이는 화물의 적재방법이 다르기 때문이며, A4의 경우는 A2보다 다른 GM값이 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 복원성능 실시간 확인장치(100)의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 복원성능 실시간 확인장치(100)는 크게 동요주기 산출부(110), 복원성능 산출부(120) 및 복원성능 판단부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

동요주기 산출부(110)는 선박의 동요주기(T), 보다 구체적으로는 횡동요주기를 산출하는 역할을 한다.

보다 구체적으로, 선박은 파도에 의하여 항시 흔들림(횡동요)을 발생시키게 되는데, 파도의 크기와 무관하게 진자의 동시성에 의하여 중량중심의 위치에 따라 동요주기(T)를 가지게 된다. 따라서, 동요주기 산출부(110)는 선박의 동요각을 기 설정된 시간 간격(예컨대, 1초 등)으로 선박의 동요각을 계측하게 되는데, 계측된 동요각의 크기변화를 토대로 선박의 동요주기를 산출하게 된다. 이때 동요주기(T)를 초 단위로 산출하기 위한 수학식은 하기와 같다.

[수학식 1]

여기에서, Ts는 동요주기이고, GM은 도 1에서 설명한 GM값을 의미한다.

동요주기 산출부(110)는 전자경사계, 각속도계 혹은 멤스(MEMS) 센서 등과 같은 장비를 포함하게 되며, 이를 토대로 실시간으로 선박의 횡동요주기(실제 횡동요주기)를 계측하게 된다. 이때, 선박의 횡동요주기는 진자의 등시성을 이용하게 되는데, 진자의 주기값을 선박의 횡동요주기로 대체한 후 후술되는 복원성능 산출부(120)에서는 선박의 횡동요주기 값으로 선박의 복원성능 척도인 메타센터높이(GM)로 환산하게 된다.

동요주기 산출부(110)는 동요각 계측 시, 동요각 계측 시작 시점부터 기 설정된 시점(예컨대, 3초 등)까지 계측되는 동요각에 대해서는 동요주기 산출과정에서 제외시키게 된다. 그 이유는 전자경사계 혹은 각속도계 등은 초기 전원 인가 시에 에러값이 출력될 수 있고, 또한 계측 위치가 좌현이나 우현 방향으로 수평각이 제로가 아닌 경우 동요주기 값이 달라질 수 있기 때문에, 초기의 일정 시간 동안의 동요각(경사각)은 제외시킴으로써 산출되는 동요주기의 품질을 높이게 된다.

또한, 동요주기 산출부(110)는 동요주기의 품질을 더욱 높이고 다양한 혼합 계측값들 중에서 동요주기만을 획득하기 위하여, 계측된 동요각에 밴드패스 필터를 이용하여 노이즈(Noise)를 제거하거나, 또는 계측된 동요각에 급속퓨리어변환(Fast Fourier Transform) 방식을 이용하여 횡요주기를 산출하게 된다.

또한, 동요주기 산출부(110)에서는 현재 선박의 자중과 더불어 탑승한 승객, 적재된 화물 및 자체 소모품 등의 모든 중량을 합한 선박의 복원성능 중에서 가장 중요한 메타센터높이(GM)를 실시간으로 산출할 수 있다. 이때, 선박의 선체선도(Lines)를 이용하여 계산된 선박의 흘수 별 KM값을 이용하여 메타센터높이를 산출하게 되는데, 이 경우, 복원성능 산출부(120)에서는 화물 적재에 따른 별도의 복원성 계산서(Stability Booklet)를 이용하지않고도 간단하게 안전여부를 판단할 수 있게 된다.

다음으로, 복원성능 산출부(120)는 동요주기 산출부(110)를 통해 산출된 동요주기를 토대로, 선박에 적재된 화물의 적재상태에 따른 선박의 복원성능을 산출하게 된다.

보다 구체적으로, 복원성능 산출부(120)는 선박의 실시간 횡동요주기 값으로 선박의 복원성능 척도인 횡메타센터높이(GM)로 환산한 후, 선박의 중량중심(KG)을 실시간으로 확인하게 된다.

다음으로, 복원성능 판단부(130)는 복원성능 산출부(120)를 통해 산출된 복원성능과 표준이 되는 선박안전법에서 요구하는 복원성능(복원성 규정값) 값을 서로 비교하여 출력하며, 출력결과가 비정상적인 경우(예컨대, 기 설정된 범위를 벗어나는 경우 등) 경고신호를 발생하게 된다.

보다 구체적으로, 복원성능 판단부(130)는 산출된 복원성능이 기준 복원성능(예컨대, C=1.0)이 복원성능 규정값(C)인 1을 초과하는 경우에는 관리자 단말의 화면 상에 산출된 복원성능을 도시화하여 표시하게 되고, 반대로 산출된 복원성능이 복원성능 규정값(C) 미만인 경우에는 별도의 출력장치(예컨대, 디스플레이 장치, 광 출력장치, 소리 출력장치, 진동 출력장치 등)를 통해 경고 신호를 발생시킴으로써, 위험상태를 항행자에게 인지시킬 수 있게 된다.

살펴본 바와 같이, 본 발명을 통해서는 선박의 복원성능 지표가 되는 횡메타센터높이(GM)를 실시간으로 현장에서 정확하게 획득할 수 있으며, 선박의 정역학적 계산결과(Hydrostatic table) 및 경사시험에서 계산된 선박안전법 상의 선박의 복원성능 값과 실시간으로 획득되는 복원성능을 비교한 후, 선박의 안전성능에 필요한 복원성능이 확보되는지 여부를 간편하고 신속하게 확인할 수 있고, 만약 복원성능이 확보되지 않는 것으로 확인될 경우에는 다양한 출력장치를 통해 이를 항행자에게 알릴 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 선박의 복원성능 실시간 확인장치
110: 동요주기 산출부
120: 복원성능 산출부
130: 복원성능 판단부

Claims (9)

1. 모바일 단말에 탑재된 멤스(MEMS) 센서를 이용하여 기 설정된 시간 간격으로 선박의 동요각을 계측한 후, 계측된 각각의 동요각의 크기변화를 토대로 선박의 동요주기를 산출하되, 산출된 상기 동요주기를 횡메타센터높이(GM)로 환산하며, 상기 동요각 계측 시 계측 시작 시점부터 기 설정된 시점인 3초까지 계측되는 동요각은 상기 동요주기에 대한 산출과정에서 제외시키는 동요주기 산출부;
   산출된 상기 동요주기를 토대로, 선박에 적재된 화물의 적재상태에 따른 선박의 복원성능을 산출하는 복원성능 산출부; 및
   산출된 복원성능과 기준 복원성능을 서로 비교하여 산출된 복원성능이 기준 복원성능 보다 큰 경우에는 관리자 단말의 화면 상에 산출된 복원성능을 도시화하여 표시하고, 산출된 복원성능이 기준 복원성능보다 작은 경우에는 디스플레이, 광 출력장치, 소리 출력장치 및 진동 출력장치 중 어느 하나 이상을 포함하는 출력장치를 통해 경고 신호를 발생시켜 외부로 알리는 복원성능 판단부;를 포함하며,
   상기 동요주기 산출부는 계측된 상기 동요각에 밴드패스 필터를 이용하여 노이즈(Noise)를 제거한 횡동요주기를 산출하고, 또한 계측된 상기 동요각에 급속퓨리어변환(Fast Fourier Transform) 방식을 이용하여 노이즈를 제거한 횡동요주기를 산출하는 것을 특징으로 하는, 선박의 복원성능 실시간 확인장치.
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