KR102116917B1 - Prediction system of ocean environmental data and required power of ships using deep learning and big data - Google Patents

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KR102116917B1
KR102116917B1 KR1020200027547A KR20200027547A KR102116917B1 KR 102116917 B1 KR102116917 B1 KR 102116917B1 KR 1020200027547 A KR1020200027547 A KR 1020200027547A KR 20200027547 A KR20200027547 A KR 20200027547A KR 102116917 B1 KR102116917 B1 KR 102116917B1
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이갑헌
한기민
노명일
김기수
이준범
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사단법인 한국선급
서울대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a system for predicting marine weather and required power using big data and deep learning, which can perform deep learning based on marine weather data in accordance with existing water temperature, wave heights, wave periods, wave directions, wind speeds, wind directions, flow speeds and flow directions and required power data with respect to several ships (for example, 72 ships with 13,000 TEU), and predict the marine weather and the required power with respect to a predicted course of the specific ship based on performed deep learning.

Description

빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템{Prediction system of ocean environmental data and required power of ships using deep learning and big data}Prediction system of ocean environmental data and required power of ships using deep learning and big data}

본 발명은 기존의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 따른 해기상 데이터와 13,000TEU 급 선박 72척에 대한 소요 마력 데이터에 기반하여 딥러닝을 수행하고, 수행된 딥러닝에 기반한 특정 선박의 예상 항로에 대한 해기상 및 소요 마력을 예측할 수 있는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템에 관한 것이다.The present invention performs deep learning on the basis of the existing water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, flow rate and flow direction, and the required horsepower data for 72 ships of 13,000TEU class, and performs deep learning. It relates to a system for predicting the sea and the required horsepower using big data and deep learning, which can predict the sea and the required horsepower for the expected route of a specific vessel based on running.

최근 조선 해양 분야에서 빅데이터를 활용한 연구가 주목을 받고 있다.Recently, research using big data in the shipbuilding and offshore sector has attracted attention.

특히, 선박자동식별시스템(AIS: Automatic Identification System)은 선박의운항과 관련하여 많은 정보를 기록하고 있어서, 이를 획득 및 축적 후 활용하는 연구의 필요성이 커지고 있다.In particular, the Automatic Identification System (AIS) records a lot of information related to the operation of the ship, and the need for research to acquire and accumulate it is increasing.

실제로, 선급뿐만 아니라 관련 기업 및 학계에서도 그러한 연구를 시작하여 AIS데이터를 분석하여 활용할 수 있는 방법을 찾고 있다.Indeed, not only the classification but also related companies and academies are starting such research to find a way to analyze and utilize AIS data.

이러한 AIS는 계측이 필요없는 공용데이터로서, 해상환경데이터 및 선박데이터와 함께 확보하여 의미있는 결과를 도출하는데에 활용할 수 있다.This AIS is public data that does not require measurement, and can be used to derive meaningful results by securing it with marine environment data and ship data.

향후, 계측데이터, 엔진운전데이터 등을 추가 확보할 경우, CBM (Condition-Based Monitoring & Maintenance), Sea Margin 추정 등 다양한 공학 응용 분석데이터로 활용 가능할 것으로 보인다.In the future, if additional measurement data, engine operation data, etc. are to be secured, it will be used as a variety of engineering application analysis data such as CBM (Condition-Based Monitoring & Maintenance) and Sea Margin estimation.

이러한 AIS데이터와 해기상데이터를 연계하여 선박의 과거운항 기록에 대한 다각적 분석을 수행하여, 빅데이터를 취득하고, 그에 기반한 분석을 수행할 수 있는데, 일반적으로 빅데이터 분석은 많은 시간이 소요되어 실시간 서비스로 연계발전하는데 어려움이 있었다.By linking these AIS data with sea weather data, it is possible to perform a multi-faceted analysis of the ship's past operation records, acquire big data, and perform analysis based on it. It was difficult to develop jointly as a service.

뿐만 아니라, 해기상 데이터는 처리되어 공개되기 까지 약 2~3달 정도의 지연 시간이 있기 때문에, 이를 이용하여 최근 데이터 또는 선박 예상 경로에 대한 분석을 활용하는데 다소 어려움이 있었다.In addition, because there is a delay time of about 2 to 3 months before sea data is processed and released, it has been somewhat difficult to utilize the latest data or analysis of the expected route of the ship.

따라서, 본 출원인은 특정 선박의 예상 경로에 대한 예측평가모델을 개발함으로써, 해기상 데이터의 최근 데이터가 없더라도, 항해를 위한 분석을 수행하고 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.Accordingly, the present applicant expects that by developing a predictive evaluation model for the predicted route of a specific ship, even if there is no recent data of sea weather data, it is possible to perform analysis for navigation and provide information.

관련 기술로서, 공개특허공보 제10-2018-0045341호의 실해역 환경 예측을 통한 최적운항항로 제공시스템 및 그 방법 및 공개특허공보 제10-2018-0054410호의 연안 기상 및 해양정보 관련 빅데이터를 이용한 최적항로제공시스템 등의 기술이 있다.As a related technology, an optimal navigation route providing system and method for predicting a real sea environment in published patent publication No. 10-2018-0045341 and an optimal method using big data related to coastal weather and ocean information in published patent publication No. 10-2018-0054410 There are technologies such as a route providing system.

그러나 상술된 기술들은, 해양 상황에 따른 최적의 항로를 제공하는 기술에 관련된 것으로, 다시 말해, 네비게이션과 같이 선박이 경유할 항로를 제안하는 기술이다.However, the above-described techniques are related to a technique for providing an optimal route according to a marine situation, that is, a technique for proposing a route through which a ship passes, such as navigation.

즉, 본 발명과 같이, 선박이 항해할 경로에 대한 분석을 수행하고 예측하여 주는 기술과는 상이하다.In other words,  As in the present invention,  It is different from the technology that performs and predicts the analysis of the route the ship will navigate.

공개특허공보 제10-2018-0045341호(2018.05.04.)Published Patent Publication No. 10-2018-0045341 (2018.05.04.) 공개특허공보 제10-2018-0054410호(2019.05.22.)Published Patent Publication No. 10-2018-0054410 (2019.05.22.) 등록특허공보 제10-1850866호(2018.04.20. 공고)Registered Patent Publication No. 10-1850866 (Apr. 20, 2018) 등록특허공보 제10-1322415호(2013.10.25. 공고)Registered Patent Publication No. 10-1322415 (2013.10.25. Announcement)

본 발명의 목적은, 기존의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 따른 해기상 데이터와 13,000TEU 급 선박 72척에 대한 소요 마력 데이터에 기반하여 딥러닝을 수행하고, 수행된 딥러닝에 기반한 특정 선박의 예상 항로에 대한 해기상 및 소요 마력을 예측할 수 있는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템을 제공하는데 있다.The object of the present invention is to perform deep learning based on the existing water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, flow rate, and sea weather data according to flow rate and required horsepower data for 72 ships of 13,000TEU class, The present invention provides a system for predicting the sea and the required horsepower using big data and deep learning, which can predict the sea and required horsepower for the expected route of a specific ship based on the performed deep learning.

상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템은,It was devised to achieve the above object, the sea and the required horsepower prediction system using big data and deep learning according to the present invention,

소정의 기간 동안의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 따른 해기상 데이터를 수집하고, 13,000TEU 급 선박 72척에 대한 소요 마력 데이터를 수집하여, 이에 기반한 딥 러닝학습을 수행하되,Deep learning learning based on water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind velocity, flow rate and flow direction, and sea horsepower data for 72 ships of 13,000TEU class Do it,

수행된 학습에 기반하여 입력되는 선박데이터에 따라, 해당 선박이 항해할 예상 경로 상의 해기상 데이터를 예측해주고, 예상 경로를 항해할 때 소요되는 마력을 예측해주는 것을 주요한 기술적 특징으로 한다.The main technical features are predicting the sea data on the predicted route to which the corresponding ship will sail, and predicting the horsepower required to navigate the predicted route according to the entered ship data based on the learned learning.

본 발명에 따른 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템에 의하면, 기존의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 따른 해기상 데이터와 13,000TEU 급 선박 72척에 대한 소요 마력 데이터에 기반하여 딥러닝을 수행하고, 수행된 딥러닝에 기반한 특정 선박의 예상 항로에 대한 해기상 및 소요 마력을 예측할 수 있는 효과를 가진다.According to the sea weather and required horsepower prediction system using big data and deep learning according to the present invention, the existing sea temperature data according to the existing water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, flow velocity and flow direction, and 13,000TEU class ship 72 Deep learning is performed based on required horsepower data for the chuck, and it has the effect of predicting the sea and required horsepower for the expected route of a specific vessel based on the performed deep learning.

도 1은 본 발명에 따른 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템의 정보 처리를 위한 설명을 돕는 도면이다.1 is a view to help explain the information processing of the sea and the required horsepower prediction system using big data and deep learning according to the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor can appropriately define the concept of terms in order to best describe his or her invention. Based on the principles, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the examples shown in the embodiments and the drawings described herein are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical spirit of the present invention, and thus various equivalents can be substituted at the time of application. It should be understood that there may be water and variations.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.Hereinafter, prior to the description with reference to the drawings, not necessary for revealing the gist of the present invention, that is, a well-known configuration that can be added by those skilled in the art will not be shown or not specifically described Well, reveal the notes.

본 발명은 기존의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 따른 해기상 데이터와 어려척의 선박에 대한 소요 마력 데이터에 기반하여 딥러닝을 수행하고, 수행된 딥러닝에 기반한 특정 선박의 예상 항로에 대한 해기상 및 소요 마력을 예측할 수 있는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템에 관한 것이다.The present invention performs deep learning based on the existing water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, flow rate and flow rate, and the required horsepower data for a small vessel, and based on the performed deep learning. The present invention relates to a system for predicting the sea and the required horsepower using big data and deep learning, which can predict the sea and the required horsepower for the expected route of a specific ship.

이러한 본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 도면의 도 1을 참조한다.Referring to Figure 1 of the accompanying drawings to describe the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템의 정보 처리를 위한 설명을 돕는 도면이다.1 is a view to help explain the information processing of the sea and the required horsepower prediction system using big data and deep learning according to the present invention.

즉, 특정 선박에 대한 예상항로; 해기상 데이터; 선박데이터(선속, 홀수)에 대한 데이터를 입력받은 뒤, 이에 대한 데이터를 아래 설명되는 바와 같이 전처리한 뒤,That is, the expected route for a particular vessel; Weather data; After receiving data on ship data (ship, odd), and pre-processing the data as described below,

설계된 해기상 및 소요 마력 예측을 위한 모델을 통해 소정의 프로그램을 통해 예측된 값을 제공하는 것이다.It is to provide predicted values through a predetermined program through a model for predicting the sea and required horsepower.

즉, 도 1과 같이 본 발명은 빅데이터 처리 플랫폼과, 딥러닝 플랫폼 그리고 정보 제공을 위한 프로그램을 포함한다.That is, as shown in FIG. 1, the present invention includes a big data processing platform, a deep learning platform, and a program for providing information.

이때, 플랫폼이란 의미는 별도의 하드웨어나 서버 등으로 구성될 수도 있고, 소프트웨어의 형태로 소정의 단말기에 설치될 수도 있다.In this case, the meaning of the platform may be composed of a separate hardware or server, or may be installed in a predetermined terminal in the form of software.

상기 빅데이터 처리 플랫폼은, 빅데이터로 활용되기 위한 데이터는 물론, 특정 선박의 항해를 위한 해기상 및 소요마력을 예측하기 위하여 입력되는 예상항로, 해기상 데이터 및 선속, 홀수를 포함하는 선박데이터를 처리하는 기능을 한다.The big data processing platform, as well as data to be utilized as big data, the ship data including the predicted route, sea data and ship speed, odd number input to predict the sea and required horsepower for navigation of a specific ship It functions to process.

일 예로, 빅데이터 활용을 위해 수집된 데이터는 전처리 후, 후술되는 딥 러닝 플랫폼을 통해 학습될 수 있도록 하고,As an example, data collected for utilizing big data can be pre-processed and then learned through a deep learning platform described below.

다른 일 예로, 선박데이터는 수집된 후 전처리 되어 딥 러닝 플랫폼을 통해 학습에 기반한 결과가 예측될 수 있도록 한다.As another example, ship data is collected and pre-processed so that learning-based results can be predicted through a deep learning platform.

이렇게 예측된 결과는 프로그램으로 제공되는 것이다.The predicted results are provided by the program.

먼저, 빅데이터 처리 플랫폼은, 데이터 및/또는 선박데이터를 수신하여 전처리하고 통합된 형식의 데이터로 변환하여 저장하는 기능을 한다.First, the big data processing platform functions to receive data and / or ship data, pre-process it, and convert and store the data in an integrated format.

이때, 선박데이터의 경우, 관리자 또는 사용자에 의해 입력되는 형식으로, 상술된 바와 같이, 예상항로, 해기상 데이터 및 선속, 홀수를 포함하도록 입력되어 수신된다.At this time, in the case of ship data, in the format input by the administrator or the user, as described above, it is input and received to include the expected route, the sea data and the ship speed and odd numbers.

또한, 상기 데이터는 기존의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속 및 유향에 대한 해기상 데이터와, 13,000TEU 급 선박 72척에 대한 소요 마력 데이터를 의미하는데,In addition, the data refers to the existing water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, sea weather data for flow rate and flow direction, and the required horsepower data for 72 ships of 13,000TEU class,

이때, 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속 및 풍향에 대한 데이터는 ECMWF에서 제공하는 20년 동안의 데이터를 수신한다(위, 경도 해상도 0.75도 간격(약 80km), 시간 해상도 6시간 간격). 이때, 상기 ECMWF에서 제공하는 데이터 외의 과거 해기상 8종(수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속, 풍향, 유속, 유향)에 관한 데이터 및 여러척의 선박 소요 마력 데이터를 이용하도록 할 수도 있다.At this time, data on water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed and wind direction receive data for 20 years provided by ECMWF (above, longitude resolution of 0.75 degrees interval (about 80 km), time resolution of 6 hours interval). At this time, it is also possible to use data related to the eight types (water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed, wind direction, flow velocity, flow direction) of the past sea level and data required by several ships in addition to the data provided by the ECMWF.

또한, 유속 및 유향에 대한 데이터는 HYCOM에서 제공하는 4년 4개월 간의 데이터를 수신한다(위, 경도 해상도 0.08도 간격(약 9km), 시간 해상도 3시간 간격).In addition, the data on flow velocity and frankincense receive data from HYCOM provided for 4 years and 4 months (above, longitude resolution 0.08 degree intervals (about 9 km), time resolution 3 hour intervals).

이렇게 수신된 데이터 또는 선박데이터는 Raw 파일 형태(*.NC)로 저장하고, H5PY 패키지를 이용하여 HDPS파일(H5)로 변환하여 저장하도록 한다.The received data or ship data is stored in a raw file format (* .NC) and converted to an HDPS file (H5) using an H5PY package to be stored.

그리고, 상기와 같이 수신되어 변환 및 저장되기 이전에 수신된 데이터들은 데이터의 이상치(outlier)에 해당하는 데이터를 제거하는 기능을 수행한다.In addition, data received before being converted, stored, and received as described above performs a function of removing data corresponding to an outlier of data.

이때, 데이터 경향의 유지를 위하여 단순한 interpolation에 의한 전처리가 아닌 미리 학습시킨 모델을 이용하여 전처리를 수행하도록 한다.At this time, in order to maintain the data trend, pre-processing is performed using a pre-trained model, not pre-processing by simple interpolation.

예컨대, 수온에 대한 데이터를 전처리하는 경우, 아래 [표 1]과 같이, 이상치가 없는 부분을 이용하여 미리 학습을 수행하도록 하고, 전후 수온이 1.2도 이상 차이날 경우 이상치로 판단하여, 이상치를 학습 모델로부터 예측된 값으로 대체하도록 한다.For example, in the case of pre-processing data on water temperature, as shown in [Table 1] below, the learning is performed in advance by using a part having no outlier, and when the temperature before and after the water temperature differs by 1.2 degrees or more, it is determined as an outlier, and the outlier is learned. Replace it with the predicted value from the model.

Figure 112020023434440-pat00001
Figure 112020023434440-pat00001

다른 예로, 풍향, 풍속, 유향 및 유속에 대한 데이터 전처리는, 수신된 데이터 중 u, v 성분을 각각 속도와 방향으로 변환하도록 하고, Cosine 제2 법칙을 이용하여 이전 방향과 그 다음 방향의 차이를 계산하여 이를 방향으로 설정 후 값을 비교하여 방향에 대한 전처리와 예측을 수행하도록 한다.As another example, pre-processing data for wind direction, wind speed, direction, and flow rate causes the u and v components of the received data to be converted into speed and direction, respectively, and uses the second law of Cosine to determine the difference between the previous direction and the next direction. After calculating and setting it in the direction, compare the values to perform pre-processing and prediction for the direction.

이는 [표 2]를 참조할 수 있다.This can be referred to [Table 2].

Figure 112020023434440-pat00002
Figure 112020023434440-pat00002

또 다른 예로, 13,000TEU급 선박(컨테이너선) 72척에 대한 데이터는, 대략 24만개 데이터 셋을 수집하여 하나의 csv파일로 통합하여 데이터시트를 [표 3]과 같이 생성한다.As another example, data for 72 13,000TEU-class vessels (container ships) is collected by collecting approximately 240,000 data sets into one csv file to generate a datasheet as shown in [Table 3].

Figure 112020023434440-pat00003
Figure 112020023434440-pat00003

이렇게 데이터시트화된 데이터를 기반으로, 이상치를 판단하여 제거할 수 있는데, 예를 들어, 소요 마력이 63,910KW 보다 작거나, 10,000KW보다 큰 경우 소요 마력에 대한 이상치인 것으로 판단하고 제거하도록 할 수 있다.Based on this data sheet data, outliers can be determined and eliminated. For example, if the required horsepower is less than 63,910KW or greater than 10,000KW, it can be determined to be the outlier for the required horsepower and removed. have.

또한, 선속에 대해서 30knots보다 큰 경우, 이상치인 것으로 판단하고 제거하도록 할 수 있다.In addition, if the speed is greater than 30 knots, it can be determined as an outlier and removed.

또한, 선박의 heading(선수)이 360도를 넘어가는 경우, 이상치인 것으로 판단하고 제거하도록 할 수 있다.In addition, if the heading (athlete) of the ship exceeds 360 degrees, it can be determined as an outlier and removed.

이렇게 데이터의 이상치가 제거된 후, 이상치가 제거된 데이터에 포함된 해기상 데이터를 선박에 대한 상대 값으로 변경한다.After the outliers of the data are removed in this way, the sea data contained in the data from which the outliers are removed is changed to a relative value for the ship.

해기상 데이터를 선박에 대한 상대 값으로 변경하는 것은 [표 4]를 참조할 수 있다.Refer to [Table 4] for changing the sea data to a relative value for the ship.

Figure 112020023434440-pat00004
Figure 112020023434440-pat00004

[표 4]에 기반하여 아래의 수학식으로 속도(velocity)와 방향(direction)을 계산한다.[table   4]   Based on   Under   Mathematically   Velocity and   Direction   To calculate.

Figure 112020023434440-pat00005
Figure 112020023434440-pat00005

Figure 112020023434440-pat00006
Figure 112020023434440-pat00006

Figure 112020023434440-pat00007
Figure 112020023434440-pat00007

Figure 112020023434440-pat00008
Figure 112020023434440-pat00008

즉, [표 4]에 기반하여, u, v의 속도 및 방향 성분을 기반으로 속도(velocity)와 방향(direction)을 산출한다.That is, based on [Table 4], velocity and direction are calculated based on the velocity and direction components of u and v.

이렇게 산출된 선박의 속도와 방향에 대한 상대 값을, [표 3]의 절대 값인 선박운항데이터와 비교를 수행하고, 비교 결과 소정의 오차 범위를 초과하는 경우, 이상치로 판단되어 제거된 영역에 대한 검토를 관리자에 의해 수동으로 재검토 될 수 있도록 한다. 이는 알람 등의 형태로 표출될 수도 있는데, 이를 통해 이상치 제거에 따른 전처리의 정확도를 향상시킬 수 있다.When the relative values for the speed and direction of the calculated ship are compared with the ship operation data, which is the absolute value of [Table 3], and when the comparison result exceeds a predetermined error range, it is determined as an outlier and the removed area The review can be manually reviewed by the administrator. This may be expressed in the form of an alarm, etc., through which it is possible to improve the accuracy of the pre-treatment according to the removal of the outlier.

딥 러닝 플랫폼은, 상기 빅데이터 처리 플랫폼에서 수집되어 전처리된 데이터를 기반으로 딥 러닝학습을 수행하도록 한다.The deep learning platform performs deep learning learning based on the pre-processed data collected from the big data processing platform.

이러한 딥 러닝 플랫폼에서 수행하는 딥 러닝학습은, 기본적인 인공 신경망(Neural Network) 구조로서, 입력층(input layer), 은닉층(hidden layer) 및 출력층(output layer)을 포함한 구조를 이용하여 수행된다.Deep learning learning performed in the deep learning platform is a basic artificial neural network structure, and is performed using a structure including an input layer, a hidden layer, and an output layer.

예컨대, 입력데이터를 기반으로, 각 층(입력층, 은닉층, 출력층)의 노드값과 연결 가중치를 이용하여 다음층의 노드값을 입력하고, 각 층에 의해 판단된 예측값을 산출한 뒤, 산출된 예측값이 실제값과 차이가 얼마나 나는지 계산한다([표 5] 참조).For example, based on the input data, the node values of the next layer are input using the node values and connection weights of each layer (input layer, hidden layer, output layer), the predicted value determined by each layer is calculated, and then calculated Calculate how much the predicted value differs from the actual value (see [Table 5]).

이때, 딥 러닝학습부는, 차이값(Loss값)을 최소화할 수 있도록 연결가중치를 지속적으로 업데이트하도록 한다([표 5] 참조).At this time, the deep learning learning unit continuously updates the connection weight to minimize the difference value (Loss value) (see [Table 5]).

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이러한 딥 러닝학습을 기반으로 해기상 예측에는 RNN(Recurrent Neural Network)의 일종인 Convolutional LSTM(Long Short-Term Memory)를 사용하도록 한다.Based on this deep learning learning, we use Convolutional Long Short-Term Memory (LSTM), a kind of Recurrent Neural Network (RNN), for sea weather prediction.

LSTM은 [표 6]을 참조할 수 있다.LSTM can refer to [Table 6].

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본 발명의 Convolutional LSTM은, 위 LSTM에 대하여 2차원 이미지를 입력받을 수 있도록 LSTM의 구조로부터 변형된 모델([표 7] 참조)이며, 시간적인 의미를 학습하는 LSTM과 공간적인 의미를 학습하는 CNN을 결합하여 시간적인 의미와 공간적인 의미를 학습할 수 있는 모델이다. 이러한 모델은 연속된 이미지의 패턴을 파악하기 위해 많이 사용된다. 즉, 다수 장의 이미지를 입력 데이터로 활용할 수 있으므로, 해기상 데이터 간의 관계를 고려한 학습이 가능하다.The Convolutional LSTM of the present invention is a model (see [Table 7]) modified from the structure of the LSTM to receive a two-dimensional image with respect to the LSTM above, and LSTM for learning the temporal meaning and CNN for learning the spatial meaning. It is a model that can learn temporal meaning and spatial meaning by combining. These models are often used to identify patterns in a series of images. That is, since multiple images can be used as input data, learning considering the relationship between the weather data is possible.

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정리하면, 해기상데이터를 입력받으면, 상술된 빅데이터 처리 플랫폼에서 [표 7]의 모델을 통해 딥 러닝학습을 수행하고, 이후, 특정 지점과 시간에 대응되는 해기상 데이터를 입력받으면 미래(기본적으로 7일 후 까지 예측하며, 초과한 경우, 예측한 데이터를 다시 학습하여 그 이후 데이터를 예측할 수 있음)의 해기상을 예측할 수 있다.In summary, upon receiving the sea data, deep learning learning is performed through the model of [Table 7] in the above-described big data processing platform. It predicts until 7 days later, and if exceeded, the predicted data can be predicted by learning the predicted data again).

즉, 딥 러닝 플랫폼은 빅데이터 처리 플랫폼과 연계되어 수신된 데이터에 기반한 딥 러닝학습을 수행하고, 이후, 특정 지점과 시간에 해당되는 선박데이터를 입력받으면, 미리 학습된 빅데이터에 기반하여, 필요한 예측데이터를 프로그램을 통해 제공할 수 있는 것이다.That is, the deep learning platform performs deep learning learning based on the received data in connection with the big data processing platform, and then, when receiving ship data corresponding to a specific point and time, based on the previously learned big data, it is necessary Predictive data can be provided through programs.

이때, 본 명세서에서 데이터와 선박데이터에 대하여 기재하고 있는데, 상기 데이터는 딥 러닝학습을 위한 기존의 데이터를 의미하는 것으로 해석되면 충분하고, 선박데이터는 기 학습된 데이터를 기반으로 실질적으로 필요한 데이터를 제공받기 위하여 입력되는(input) 데이터로 해석되면 된다. 즉, 위에서 기재된 필요한 예측데이터가 선박데이터에 기반하여 제공된 output 데이터인 것이다.At this time, the data and ship data are described in the present specification, and it is sufficient if the data is interpreted to mean existing data for deep learning learning, and the ship data is based on pre-trained data. It can be interpreted as input data to be provided. That is, the necessary prediction data described above is output data provided based on the ship data.

또한, 소요마력 예측의 경우 DFN(Deep Feedforward Network)를 이용하도록 한다.In addition, in case of predicting required horsepower, a Deep Feedforward Network (DFN) is used.

소요 마력의 경우, 시간의 흐름에 따른 주기적인 패턴이 존재하지 않으므로, DFN을 사용하는 것이 바람직하다.In the case of required horsepower, it is preferable to use DFN since there is no periodic pattern over time.

입력 데이터는 운항 상태 데이터(3종) 및 해기상 데이터(6종)를 포함하는 총 9종의 데이터로 구성되고, 이때 운항 상태 데이터 3종은, Draft, Ship speed, Ship heading에 대한 데이터이고, 해기상 데이터 6종은, 수온, 풍속, 풍향, 파고, 파향, 파주기에 대한 데이터이다.The input data consists of a total of 9 types of data, including flight status data (3 types) and sea weather data (6 types), where the 3 types of operation status data are data for draft, ship speed, and ship heading, The six types of sea weather data are data on water temperature, wind speed, wind direction, wave height, wave direction, and wave period.

이러한 소요 마력 예측 역시 [표 5]에 기반하여 [표 8]과 같이 학습된다.This required horsepower prediction is also learned as shown in [Table 8] based on [Table 5].

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이때, 소요 마력 예측을 위한 딥 러닝학습은, 수집된 해기상 데이터를 그대로 사용하도록 한다.At this time, deep learning learning for predicting required horsepower is to use the collected sea weather data as it is.

본 출원인은, 제1 실시예로 모든 해기상데이터를 그대로 사용하여 DFN을 이용하여 소요 마력 예측을 시험하고, 제2 실시예로 풍속과 풍향을 선박에 대한 상대 값으로 변환하여 DFN을 이용하여 소요 마력 예측을 시험하였는데,Applicant tested the required horsepower prediction using DFN using all sea weather data as it is in the first embodiment, and converted the wind speed and wind direction into relative values for the ship in the second embodiment, using DFN I tested horsepower prediction,

[표 9]와 같이 제1 실시예에 따른 모든 해기상데이터를 가공하지 않고 그대로 사용하는 경우의 정확도가 더 높음을 확인하였다.As shown in [Table 9], it was confirmed that the accuracy when using all the sea weather data according to the first embodiment without processing was higher.

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다만, [표 8]의 경우, 기학습된 데이터가 상당한 수를 차지 하기 때문에, 소요 마력 예측 결과에 영향을 줄 수 있는 하이퍼파라미터(Hyperparameter)를 최적화할 수 있어야 한다.However, in the case of [Table 8], since the pre-trained data occupies a significant number, it is necessary to be able to optimize the hyperparameter that can affect the required horsepower prediction result.

이때, 최적화를 위한 요소로서, 은닉층(hidden layer)의 개수와, 은닉층의 노드 개수, 학습률, Dropout 확률, optimizer의 종류를 요소로 결정한다.At this time, as the elements for optimization, the number of hidden layers, the number of nodes in the hidden layer, the learning rate, the dropout probability, and the type of optimizer are determined as elements.

이때, 학습률은 gradient가 변화하는 정도로서,

Figure 112020023434440-pat00014
에 대한 a의 값을 의미하고, Dropout 확률은 모델의 일반화를 위하여 학습에 참여하는 각층별 노드를 줄이는 확률을 의미하며, optimizer의 종류는 ADAM(ADAptive Moment estimation), RMSprop(Root Mean Square propagation), SGD(Stochastic Gradient Descent)를 포함한다.At this time, the learning rate is the degree to which the gradient changes,
Figure 112020023434440-pat00014
The value of a for, and the dropout probability means the probability of reducing each node participating in learning for generalization of the model.The types of optimizers are ADAM (ADAptive Moment Estimation), RMSprop (Root Mean Square propagation), Includes SGD (Stochastic Gradient Descent).

이러한 요소를 대상으로, 하이퍼파라미터의 최적화를 위한 평가를 수행한 결과, [표 10]과 같이 은닉층(hidden layer)의 개수는 6개; 은닉층의 노드 개수는 16개; 학습률은 0.01;%; Dropout 확률은 0%; optimizer의 종류는 ADAM을 사용하는 것이 하이퍼파라미터 최적화에 가장 유리하여 오차가 가장 적게 나타나는 것을 확인하였다.As a result of evaluating the optimization of the hyperparameters for these elements, as shown in [Table 10], the number of hidden layers is 6; The number of nodes in the hidden layer is 16; Learning rate is 0.01;%; Dropout probability is 0%; For the type of optimizer, it was confirmed that using ADAM is the most advantageous for hyperparameter optimization, so the error is the lowest.

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상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.It is obvious that the above description using the drawings is only the main points of the present invention, and that the present invention is not limited to the configuration of the drawings, as various designs are possible within the technical scope.

Claims (8)

수집된 데이터에 기반하여 해기상 및 소요마력을 예측하는 딥 러닝 학습을 수행하되,
예상항로, 해기상 데이터 및 선속, 홀수데이터를 포함하는 선박데이터를 수신한 뒤, 수행된 딥 러닝 학습에 기반한, 선박데이터가 의미하는 선박이 항해하는 동안의 해기상 및 소요마력을 예측하는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템에 있어서,
상기 시스템은,
데이터 및 선박데이터를 수신하여 가공하는 데이터 처리 플랫폼과,
상기 데이터 처리 플랫폼에서 수신한 데이터를 기반으로 학습을 수행하고, 기 수행된 학습에 기반하여, 상기 데이터 처리 플랫폼에서 수신한 선박데이터에 따른 해기상 및 소요 마력 예측에 대한 결과를 제공하는 딥 러닝 플랫폼과,
상기 딥 러닝 플랫폼에서 제공된 결과를 출력하는 프로그램을 포함하되,
딥 러닝 학습을 위한 상기 데이터는,
ECMWF에서 제공하는 20년 동안의 수온, 파고, 파주기, 파향, 풍속 및 풍향에 대한 데이터와,
HYCOM에서 제공하는 4년 4개월 동안의 유속 및 유향에 대한 데이터와,
13,000TEU급 선박(컨테이너선) 72척에 대한 24만개 데이터 셋을 가지는 데이터를 포함하며,
상기 데이터 처리 플랫폼은,
수신된 데이터 또는 선박데이터를 동일한 형식을 가지는 데이터로 변환하여 저장하되,
상기 변환 전, 데이터 또는 선박데이터가 가지는 이상치에 해당하는 데이터를 제거하는 전처리 기능을 가지고,
상기 전처리는,
- 수온의 경우, 수신된 이전의 수온보다 1.2도 이상 차이날 경우, 이상치로 판단하여 제거하고, 기학습된 모델에 기반하여 예측된 값으로 대체하고
- 상기 전처리는,
풍향, 풍속, 유향 및 유속의 경우, 데이터 상에서 u, v 성분을 속도와 방향으로 변환하고, Cosine 제2 법칙을 이용하여 이전 방향과 그 다음 방향의 차이를 계산하여 이를 방향으로 설정 후 값을 비교하여 방향에 대한 전처리와 예측을 수행하며,
- 선박의 소요 마력 데이터의 경우,
(a) 소요 마력이 63,910KW 보다 작거나, 10,000KW보다 큰 경우 소요 마력에 대한 이상치인 것으로 판단하고 제거하고,
(b) 선속이 30knots보다 큰 경우, 이상치인 것으로 판단하고 제거하며,
(c) 선수의 각도가 360도를 넘어가는 경우, 이상치인 것으로 판단하고 제거하는 것을 특징으로 하는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템.
Based on the collected data, we perform deep learning learning that predicts the weather and required horsepower,
After receiving ship data including expected route, sea data and ship data, odd data, based on deep learning learning performed, BIC predicts the sea weather and required horsepower while the ship means the ship is sailing. In the sea and required horsepower prediction system using data and deep learning,
The system,
A data processing platform that receives and processes data and ship data,
Deep learning platform that performs learning based on the data received from the data processing platform and provides results for predicting the sea and required horsepower according to the ship data received from the data processing platform based on the previously performed learning. and,
Includes a program that outputs the results provided by the deep learning platform,
The above data for deep learning learning,
Data on water temperature, wave height, wave period, wave direction, wind speed and wind direction over 20 years provided by ECMWF,
Data on flow rate and frankincense for 4 years and 4 months provided by HYCOM,
Includes data with 240,000 data sets for 72 13,000TEU-class vessels (container ships),
The data processing platform,
Convert the received data or ship data into data having the same format and store it,
Before conversion, has a pre-processing function to remove data corresponding to the outliers of the data or ship data,
The pretreatment,
-In the case of water temperature, if it differs by more than 1.2 degrees from the previously received water temperature, it is determined as an outlier and removed, and replaced with the predicted value based on the pre-trained model.
-The pre-treatment,
In the case of wind direction, wind speed, direction, and flow rate, u and v components are converted into speed and direction on the data, and the difference between the previous direction and the next direction is calculated using the second law of Cosine, and the values are set in the direction and compared. To perform pre-processing and prediction for the direction,
-For the required horsepower data of the ship,
(a) If the required horsepower is less than 63,910KW or greater than 10,000KW, it is determined as an outlier for the required horsepower and removed.
(b) If the ship's speed is greater than 30 knots, it is judged as an outlier and removed.
(c) When the angle of a player exceeds 360 degrees, it is determined as an outlier and removed, and the system for predicting sea and required horsepower using big data and deep learning.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 전처리를 통해 이상치에 대한 데이터가 제거된 후, 이상치가 제거된 데이터에 포함된 해기상 데이터를 아래의 수학식을 통해 선박에 대한 상대 값으로 변경하여 속도(velocity)와 방향(direction)을 산출하는 것을 특징으로 하는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템.
Figure 112020041956225-pat00016

Figure 112020041956225-pat00017

Figure 112020041956225-pat00018

Figure 112020041956225-pat00019

The method according to claim 1,
After the data for the outliers is removed through the pre-processing, velocity and direction are calculated by changing the sea weather data included in the data from which the outliers are removed to the relative values for the ship through the following equation. Characterized in that, sea and sea horsepower prediction system using big data and deep learning.
Figure 112020041956225-pat00016

Figure 112020041956225-pat00017

Figure 112020041956225-pat00018

Figure 112020041956225-pat00019

청구항 1에 있어서,
상기 딥 러닝 플랫폼은,
입력층(input layer), 은닉층(hidden layer) 및 출력층(output layer)을 포함한 구조를 이용하여 학습을 수행하되,
입력된 데이터를 기반으로, 각 층의 노드 값과 연결 가중치를 이용하여 다음 층의 노드 값을 입력하고, 출력층을 통해 최종적인 예측값을 예상한 뒤, 아래의 수학식을 통해 실제값과 예측값을 비교하여 로스값(L)을 결정한 후, 로스값을 최소화하는 방향으로 연결 가중치를 지속적으로 업데이트하는 방향으로 학습하는 것을 특징으로 하는, 빅데이터와 딥 러닝을 이용한 해기상 및 소요 마력 예측 시스템.
Figure 112020023434440-pat00020
The method according to claim 1,
The deep learning platform,
Learning is performed using a structure including an input layer, a hidden layer, and an output layer,
Based on the input data, the node value of the next layer is input using the node value and connection weight of each layer, the final prediction value is predicted through the output layer, and the actual value and the prediction value are compared through the following equation. After determining the loss value (L), characterized in that the learning in the direction to continuously update the connection weight in the direction of minimizing the loss value, the sea and the required horsepower prediction system using big data and deep learning.
Figure 112020023434440-pat00020
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