KR102276678B1 - 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법 - Google Patents

자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어방법을 개시한다.
본 발명의 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어방법은, 육상에 위치하여 인증처리된 원격제어사관으로부터 조종 제어신호를 원격송신하는 육상제어시스템 및 이 육상제어시스템과 통신망으로 실시간 연계 운영되는 것으로 인가된 조종 제어신호에 따라 기동이 제어되는 선박제어시스템에 의한 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에 있어서, 상기 육상제어시스템에서 자율운항선박의 선박정보 및 운항정보를 입력 처리하는 단계; 상기 자율운항선박이 운항 경로 주변의 장애물을 감지하는 단계; 상기 장애물이 설정 범위 내로 감지되는 경우 장애물 발생정보를 생성하고 이를 육상제어시스템에 인가하여 원격제어를 요청하는 단계; 상기 육상제어시스템에서 장애물과의 충돌회피를 위한 안전 영역을 계산 처리하는 단계; 상기 계산 처리된 안전영역 결과값에 따른 원격제어사관의 조종 제어신호를 선박제어시스템에 인가하는 단계; 상기 선박제어시스템에서 안전영역으로 회피 기동시킨 후 계획 코스로 복귀시키고 상기 육상제어시스템에 원격제어를 종료 요청하는 단계;로 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명은, 현재 적용되고 있는 국제해상충돌규칙을 준용하여 적용될 수 있음에 따라 새로운 규정의 도입없이도 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 운용이 가능하므로 기술의 적용 자유도가 높은 이점이 기대된다. 또한 본 발명의 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법은 자율운항선박에서 충돌회피를 위한 고가의 장비를 추가하지 않고도 육상 원격지에서 원격제어관사가 직접 개입하여 실시간 능동조정을 수행하므로 자율운항선박에서 발생할 수 있는 예상치 못한 위험을 대폭 감소시킬 수 있어 신뢰성을 담보할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.

Description

자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법{Method and System of Manned Remote Control for Collision Avoidance of Autonomous Surface Ships}
본 발명은 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율운항선박의 운항시 충돌 상황이 예측되는 경우 육상제어시스템의 원격제어사관이 실시간 능동 개입하여 충돌회피 시나리오에 따라 원격으로 조종 제어하여 자율운항선박과 타 선박과의 충돌을 효과적으로 회피할 수 있도록 하여 운항의 안정성을 보장할 수 있는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에 관한 것이다.
현재 해상에서는 육상의 자율주행 자동차와 마찬가지로, 자율운항선박/자율운행선박/자율주행선박에 대한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
이러한 자율운항선박/자율운행선박은 자동화시스템으로 물류의 흐름을 최소 10% 이상 빠르게 할 수 있고, 전체 해양사고의 82%나 차지하는 인적과실 사고를 해소할 수 있으며, 인건비 절감등으로 약 60% 이상의 비용을 절감할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 2016년 기준 자율운항선박의 전체 시장 규모는 약 567.5억 달러 수준이나, 2025년까지 연평균 12.8%의 성장을 통해 앞으로는 약 1,550억 달러 시장규모에 이를 전망이다.
국제해사기구(IMO)에서는 자율운항선박의 영문명칭을 MASS; Maritime Autonomous Surface Ship으로 지칭하고 있으며, 이하 설명의 편의상 자율운항선박/자율운행선박/자율주행선박의 명칭을 자율운항선박으로 통칭하여 지칭하기로 한다.
한편, 자율운항선박은 통상 4레벨로 구분하고 있으며, 레벨1은 기존 선박에서 선원의 의사결정을 지원하기 위한 수준이고, 레벨2는 선박에 선원이 승선한 상태에서 원격 제어가 가능한 수준이며, 레벨3은 선원이 승선하지 않거나 또는 최소인원만 승선한 경우 원격 제어가 가능하고 기관이 자동화된 수준이다. 끝으로 레벨4는 선박에 사람이 없는 완전 무인화 수준이다.
현재 국내는 물론 해외에서는 레벨2와 레벨3 중간 정도의 자율운항선박을 대상으로 설계가 진행되고 있을 뿐, 아직까지 자율운항선박 형태로 건조된 선박은 전무한 실정이다. 이는 국제규정에 의하면 현재 국제해상운송에 종사하는 모든 선박은 인간(선원)에 의해서 제어해야 하는 것으로 정해져 있고, 자율운항선박 관련 국제규정이 제정되어 있지 않으며, 안전성과 실효성에 대해서는 더 많은 연구가 필요한 것으로 다수의 연구결과에서 나타났기 때문이다.
이에 국제해사기구에서는 조만간 자율운항선박 관련 국제규정 제정을 통하여 자율운항선박 산업화에 박차를 가할 예정이고, 국내에서도 산업자원부와 해양수산부를 통하여 2020년부터 자율운항선박에 대한 연구개발이 시작되었다.
한편, 자율운항선박에서 육상원격 제어시스템이 필요한 이유는, 자율운항 시스템의 고장 또는 기능의 고장 또는 여하한의 이유로 인하여 자율운항이 불가능한 경우, 이에 대비한 안전장치가 필요하기 때문이다. 현재 자율주행자동차의 경우에도 이러한 기능이 요구되고 있다. 아울러, 현존하는 모든 선박의 경우에도 육상제어가 필요한데, 그 것은, 선박 간 충돌, 화재, 항로이탈, 음주운항 등 다양한 상황에서 항해사가 선박을 직접 조종할 수 없는 경우가 발생하기 때문이다.
종래 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1941896호를 통해 ′선박의 자율 운항 제어시스템′이 제안된 바 있으며, 기술적 해결과제로는 조타실 내부에 긴급하게 인원이 존재하지 않게 되는 경우 등의 이벤트 발생 시, 선박을 안정적으로 제어하여, 선박의 제어 불가능 상황에 따른 2차 사고를 방지하고, 또한, 선박에 대한 다양한 이벤트 발생 시 선박 위치의 환경을 파악하여 이를 기반으로 선박의 자율 운항 시스템을 효과적으로 자동 제어함으로써, 조타실 내부에 인원이 존재하지 않더라도 선박을 안전 위치에 위치되도록 하여 선박에 대한 안정성을 높이고자 하는데 있다.
그러나 상기 종래기술에 따른 선박의 자율운항 제어시스템은 선박 자체의 무인화를 위한 시스템에 관한 것으로 운항시 발생할 수 있는 다양한 돌발 변수 발생시 제어사관의 직접적인 개입이 곤란한 폐단이 있었다.
또 다른 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-2042058호를 통해 ′LNG 선박의 운항 실시간 원격 관제 장치 및 방법′이 제안된 바 있으며, 주요한 기술적 구성으로는 ′ 실시간 원격 관제 기능을 수행하기 위한 명령을 입력받는 입력부와, 선박 정보를 바탕으로 LNG 선박의 운항상태를 표시하는 표시부와, LNG 선박과 통신을 수행하며, LNG 선박으로부터 주기적으로 선박 코드 정보를 포함하는 선박 정보를 수신하는 통신부와, 통신부를 통해 수신된 선박 정보를 저장하는 저장부와, 선박 정보를 수신하면, 선박 코드 별로 분류하여 저장부에 저장하고, 입력부를 통해 어느 하나의 선박을 선택하는 명령이 입력되면, 저장부에 저장된 복수의 선박 정보 중 선택된 선박의 선박 코드 정보를 포함하는 선박 정보를 추출하고, 추출된 선박 정보를 표시부에 표시하는 제어부를 포함하는 구성′을 개시하고 있다.
그러나 상기 종래기술에 따른 엘엔지 선박의 운항 실시간 원격 관제 장치는 단순히 선박의 운항정보에 따른 원격 관제 시스템에 관한 것으로 원격으로 선박에 대한 능동 제어가 곤란함에 따라 이 역시 다양한 돌발 상황 발생시 신속한 대처가 곤란한 문제점이 있다.
또 다른 종래기술로는 대한민국 공개특허 제10-2018-0045440호를 통해 ′다중 통신 환경을 이용한 선박의 원격 모니터링 및 최적 운항 지원 시스템′이 제안된 바 있으며, 그 청구항 1에는 ′연안 및 원양을 운항할 수 있도록 구성된 선박과, 상기 선박의 운항 상태를 모니터링하고 상기 선박에 해상 기상 예보 정보와 화물, 선석 및 운항 스케줄과 같은 영업 정보를 제공하는 지능형 선대 관리 장치를 포함하며: 상기 선박과 상기 지능형 선대 관리 장치는 마린 VSAT 위성 통신망 및 해상 LTE 통신 기술 중 하나를 선택적으로 이용하여 서로 데이터 통신 가능함과 아울러, 선박의 위치가 연안일 경우는 해상 LTE 통신 기술을 이용하는 한편, 선박의 위치가 원양일 때에는 마린 VSAT 위성 통신망을 이용해 데이터를 송수신할 수 있도록 구성된, 다중 통신 환경을 이용한 선박의 원격 모니터링 및 최적 운항 지원 시스템.′이 개시되어 있다.
그러나 상기 종래 기술에 따른 선박의 원격 모니터링 및 최적 운항 지원 시스템은 선박의 운항정보와 일기정보 등을 기초로 최적의 항로를 설정하고 이를 선박에 제공하기 위한 운항 지원시스템에 관한 것으로, 선박의 자율운항이 불가하고, 또한 선박의 운항시 발생할 수 있는 다양한 돌발 상황에 따른 능동제어가 불가능한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1937439호를 통해 ′자율 운항 선박 및 그 외 선박의 충돌 회피를 위한 대체 항로 생성과 타각 조절 지원 시스템′이 제안된 바 있으며, 그 주요 기술구성으로는 사용자로부터 입력된 목적지까지의 자동 항해를 위해 복수의 변침점들을 포함하는 항해 경로를 생성하는 경로 생성부; 및 상기 항해 경로 상에 인접하는 변침점들 사이에 적어도 하나의 충돌 회피 변침점을 생성하는 충돌 회피 변침점 생성부를 포함하도록 구성될 수 있으며, 상기 충돌 회피 변침점 생성부는, 충돌 회피를 위한 충돌 회피 변침점을 실시간 추가 생성하여 상기 항해 경로를 생성하도록 구성되는 것이 제안되어 있다.
그러나, 상기 자율운항선박은 충돌 회피 변침점을 추가한 항해 경로에 의해 자동항해를 수행하는 구성이어서 예상치 못한 충돌 위험성에 대한 신속하고 능동적인 대처가 곤란하고 특히 완전 무인화된 자율운항선박의 경우 수동개입이 곤란함에 따라 안정성이 담보되지 않은 폐단이 있었다.
등록특허공보 제10-1941896호(2019.01.18.) 등록특허공보 제10-2042058호(2019.11.01.) 등록특허공보 제10-2000155호 (2019.07.09.) 공개특허공보 제10-2018-0045440호(2018.05.04.) 등록특허 제10-1937439호(2019.01.04.) 등록특허 제10-1937443호(2019.01.04.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 선박의 충돌 상황이 예측되는 경우 원격지에서 원겨제어사관이 실시간 개입하여 충돌에 따른 해양사고의 위험을 미연에 방지할 수 있는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법을 제공하는데 있다.
즉, 본 발명은 자율운항선박의 유인 원격제어는 자격을 갖춘 원격제어사관(Remote Control Officer,RCO)에 의해서 수행되며, 유인원격제어방법은 가능한 간단한 제어 절차와 규칙에 의거하여 수행되도록 하되, 유인원격제어는 자율운항선박 이외의 원격지에서 제어하는 것이므로 이를 고려하여 반영한 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 원격제어에는 통신지연, 제어사관(원격제어사관(RCO))의 행동지연 등이 발생하여 제어지연이 발생할 수 있으므로 이러한 제어지연이 발생하면, 자율운항선박이 제어되지 못하는 시간이 발생하고, 그 결과 자율운항선박은 다른 선박과 충돌, 항로이탈 등의 해양사고를 유발할 수 있으므로 원격제어에 소요되는 지연시간을 최소화할 수 있는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원격제어에 적용되는 국제규정은 현존하는 선박에 적용되는 국제해상충돌규칙(COLREG)과 선박도메인이론(ship domain theory)에 의거한 기준 값 도출, 각종 해양사고로부터 도출된 안전한 거리와 선박제어방법 등을 적용하여 새로운 규정의 도입 없이도 향후 개발될 자율운항선박에도 적용 운용이 가능한 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적으로는 유인원격제어방법을 선박조종 이론에 근거하여 정립한 후, 실제 원격제어를 위한 예측 시나리오를 개발하고, 예측 시나리오에 대한 타당성을 수치 시뮬레이션을 통하여 검증하여 운용의 신뢰성을 높일 수 있는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어방법은, 육상에 위치하여 인증처리된 원격제어사관으로부터 조종 제어신호를 원격송신하는 육상제어시스템 및 이 육상제어시스템과 통신망으로 실시간 연계 운영되는 것으로 인가된 조종 제어신호에 따라 기동이 제어되는 선박제어시스템에 의한 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에 있어서, 상기 육상제어시스템에서 자율운항선박의 선박정보 및 운항정보를 입력 처리하는 단계; 상기 자율운항선박이 운항 경로 주변의 장애물을 감지하는 단계; 상기 장애물이 설정 범위 내로 감지되는 경우 장애물 발생정보를 생성하고 이를 육상제어시스템에 인가하여 원격제어를 요청하는 단계; 상기 육상제어시스템에서 장애물과의 충돌회피를 위한 안전 영역을 계산 처리하는 단계; 상기 계산 처리된 안전영역 결과값에 따른 원격제어사관의 조종 제어신호를 선박제어시스템에 인가하는 단계; 상기 선박제어시스템에서 안전영역으로 회피 기동시킨 후 계획 코스로 복귀시키고 상기 육상제어시스템에 원격제어를 종료 요청하는 단계로 구성되는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 선박정보는, 선박의 크기, 종류, 항속, 무게, 선회반경, 제동거리, 복원력, 화물의 중량 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함하고;, 상기 운항정보는 운항경로, 운항조건, 날씨 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 장애물 발생정보는 레이더, AIS 중 어느 하나 또는 하나 이상의 감지신호 정보인 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 안전영역 계산처리단계는, 본선과 타선의 속도를 측정하는 과정과;, 상기 본선과 타선의 항해 경로를 추적하여 양 선박 사이의 상대 방위와 상대 거리를 계산처리하는 과정과;, 상기 본선과 타선의 예상 충돌 지점을 계산처리하는 과정으로 구성되는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격제어사관의 조종 제어신호를 인가받은 선박제어시스템은 제어신호에 의한 선박의 조종 상태 정보를 통신망을 통하여 육상제어시스템에 실시간 피드백하는 과정을 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격제어를 종료 요청하는 단계에서, 상기 선박제어시스템은 계획 코스로 복귀가 완료되었는지 기 설정 경로값과 비교 판단하는 과정으로 구성되는 것에 있다.
본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어방법은, 현재 적용되고 있는 국제해상충돌규칙을 준용하여 적용될 수 있음에 따라 새로운 규정의 도입없이도 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 운용이 가능하므로 기술의 적용 자유도가 높은 이점이 기대된다.
또한, 자율운항선박의 충돌로 인한 심각한 손상과 그에 따른 환경오염과 경제적인 손실을 방지할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.
또한 본 발명의 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법은 자율운항선박에서 충돌회피를 위한 고가의 장비를 추가하지 않고도 육상 원격지에서 원격제어관사가 직접 개입하여 실시간 능동조정을 수행하므로 자율운항선박에서 발생할 수 있는 예상치 못한 위험을 대폭 감소시킬 수 있어 신뢰성을 담보할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자율운항선박를 본선으로 둔 경우 자율운항선박의 충돌회피가 필요한 4개 섹터를 도식화한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 자율운항선박의 충돌회피 방법을 설명하기 위한 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 충돌회피 시나리오의 예시를 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-1의 충돌 상황에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-1의 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-2의 충돌상황에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-2의 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-3의 충돌상황에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-3의 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-4의 충돌상황에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-4의 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자율운항선박를 본선으로 둔 경우 자율운항선박의 충돌회피가 필요한 4개 섹터를 도식화한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 자율운항선박의 충돌회피 방법을 설명하기 위한 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 충돌회피 시나리오의 예시를 나타낸 블록도이다.
그리고, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-1의 충돌 상황과 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이고, 그리고, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에서 섹터-2의 충돌상황 및 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이며, 도 8 및 도 9는 섹터-3에 대한 것이고, 도 10 및 도 11은 섹터-4에 대한 충돌상황 및 충돌회피에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법은 육상에 위치하여 인증처리된 원격제어사관으로부터 조종 제어신호를 원격송신하는 육상제어시스템과, 이 육상제어시스템과 통신망으로 실시간 연계 운영되는 것으로 인가된 조종 제어신호에 따라 기동이 제어되는 선박제어시스템에 의해 운영된다.
1) 육상제어시스템에서 자율운항선박의 선박정보 및 운항정보를 입력 처리하는 단계;
2) 자율운항선박이 운항 경로 주변의 장애물을 감지하는 단계;
3) 운항중인 자율운항선박의 경로 상에 장애물이 설정 범위 내로 감지되는 경우 장애물 발생정보를 생성하고 이를 육상제어시스템에 인가하여 원격제어를 요청하는 단계;
4) 육상제어시스템에서 장애물과의 충돌회피를 위한 안전 영역을 계산 처리하는 단계;
5) 계산 처리된 안전영역 결과값에 따른 원격제어사관의 조종 제어신호를 선박제어시스템에 인가하는 단계;
6) 선박제어시스템에서 안전영역으로 회피 기동시킨 후 계획 코스로 복귀시키고 상기 육상제어시스템에 원격제어를 종료 요청하는 단계로 수행된다.
상기 선박정보는, 선박의 크기, 종류, 항속, 무게, 선회반경, 제동거리, 복원력, 화물의 중량 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함한다.
그리고 상기 운항정보는 운항경로, 운항조건, 날씨 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함한다.
또한, 상기 장애물 발생정보는 레이더, AIS 중 어느 하나 또는 하나 이상의 감지신호 정보로 이루어진다.
한편 4) 단계에서 상기 안전영역 계산처리단계는, 본선과 타선의 속도를 측정하는 과정과, 상기 본선과 타선의 항해 경로를 추적하여 양 선박 사이의 상대 방위와 상대 거리를 계산처리하는 과정과, 상기 본선과 타선의 예상 충돌 지점을 계산처리하는 과정으로 이루어진다.
또한, 상기 원격제어사관의 조종 제어신호를 인가받은 선박제어시스템은 제어신호에 의한 선박의 조종 상태 정보를 통신망을 통하여 육상제어시스템에 실시간 피드백하는 과정을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 원격제어를 종료 요청하는 단계에서, 상기 선박제어시스템은 계획 코스로 복귀가 완료되었는지 기 설정 경로값과 비교 판단하는 과정을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어방법의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 충돌회피를 유인원격제어하는 방법을 설명하면,
충돌회피를 위한 유인원격제어방법은, 충돌회피가 요구되는 섹터(sector)를 정의한 후 충돌회피 방법을 개발하고, 개발한 충돌회피 방법은 충돌회피 시나리오를 이용하여 구체화시켰다. 그리고 개발한 충돌회피 시나리오는 수치 시뮬레이션을 이용하여 가시화시킨 후 분석을 통하여 검증하였다.
도 1은 자율운항선박를 본선(OS, Own Ship)으로 정하고, 다른 선박을 타선(TS, Target Ship)으로 정하여 나타낸 4개 섹터를 나타낸 것으로, 본선(OS)과 타선(TS) 사이(이하, ‘본선-타선’)의 조우관계를 국제해상충돌예방규칙(COLREG)에 의거하여 구분한 것이다. 본선이 타선을 피해야 하는 섹터는 S-1부터 S-4까지의 4개 섹터이다. COLREG에 따르면, 4개 섹터에서 본선은 타선을 피해야 할 의무가 있지만, 그 외의 섹터에서는 타선이 본선을 피해야 할 의무는 없다. 그래서 충돌회피 방법은 4개 섹터에서 발생하는 충돌상황에 관해서 개발하였다. 4개 섹터의 범위는 다음과 같다.
섹터1(S-1): 0≥dΨ<30
섹터2(S-2): 30≥dΨ<60
섹터3(S-3): 60≥dΨ<120
섹터4(S-4): 120≥dΨ<180
여기서 dΨ는 본선과 타선 사이의 코스의 차이 값(dΨ=ΨOS~ ΨTS)을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 충돌회피 원칙은 다음과 같다.
본선의 길이는 LOA(Length Overall)로 표시하는데, LOA는 선박의 가장 긴 길이(전장)을 의미한다. 선박과 타선 사이의 거리는 LOA의 배수로 표시한다.
본선-타선 거리가 12LOA(즉, 전장의 12배)일 때 본선은 타선과의 충돌회피를 시작한다. 이것은 충분하고 안전한 거리를 두고 충돌을 회피하기 위한 것이다.
본선은 타선과의 적극적인 충돌방지를 위하여 6LOA(전장의 6배)의 안전한 영역을 확보한다. 이러한 안전영역은 선박영역(Ship Domain)이라 한다.
충돌을 회피한 이후 본선은 계획코스를 향하고 계획위치를 통과한다. 도 2에 나타낸 문자 A, B, C, D을 이용하여 상세한 충돌회피 방법을 설명하면 다음과 같다.
A: A는 충돌회피 시작지점이다. 충돌회피 시작지점은 본선-타선 거리가 12LOA(전장의 12배)일 때로 정한 것이고, 이 때 충돌회피를 위한 본선의 코스변경각도(θalter)는 θalter(1)으로 준 것이다. ΨOS1는 본선의 초기 코스를 나타내고, 시간 t에서 본선의 코스(ΨOS(t))는 식(ΨOS(t)=ΨOS1+θalter)에 의해 계산된다. 6LOA(전장의 6배)는 본선이 안전하게 타선을 피할 수 있는 선박영역의 직경을 나타낸다. ωOS는 본선 위치를 나타내고, ΨPlan은 계획 코스, ωPlan은 계획 위치를 나타낸다.
B: B는 본선-타선 거리가 6LOA 이내인 상항을 나타낸다. 이러한 경우, 본선의 코스변경각도(θalter)는 더 변경하여(예를 들어 90도) 타선으로부터 거리가 더 멀게 되도록 한다.
C: C는 본선-타선 거리가 6LOA 이상이 됨과 동시에 본선이 타선의 후방에 있는 상황을 나타낸다. 이러한 경우, 충돌회피가 종료됨으로 본선은 코스변경각도를 θalter=-θalter(1)로 바꾸어 D 지점으로 향한다.
D: D 지점은 A 지점에서 계획했던 위치(ωPlan)와 코스(ΨPlan)을 나타낸 것으로, 본선은 충돌회피의 최종 결과로서 D 지점에 도착하게 된다. 위의 과정을 통해서 본선은 타선과의 충돌을 피할 수 있다.
이하, 충돌회피를 위한 유인원격제어 시나리오를 설명하기로 한다.
도 3에 나타낸 충돌회피 시나리오를 참조하면, 도면을 기준으로 좌측은 정보획득을 위한 준비단계를 나타내고, 중간의 ‘Decision’은 원격제어사관(원격제어사관(RCO))의 의사결정 과정을 나타내고, 우측의 ‘Action’은 원격제어사관(RCO)가 실제 취해야 할 행동을 나타낸다. ‘Action’에 나타낸 단계를 따라서 설명하면 다음과 같다.
Step 1: 본선-타선 거리가 3마일(miles)과 같거나 작으면 충돌회피를 위한 원격제어를 준비한다.
Step 2: 본선-타선 거리가 12LOA 보다 작거나 같으면 코스를 변경한다.
Step 3: 본선-타선 거리가 6LOA 보다 작거나 같으면 코스변경각도를 추가하여 코스를 다시 변경한다.
Step 4: 본선-타선 거리가 6LOA 보다 크거나 같고 그리고 본선-타선 상대방위가 180도가 되면, 본선 코스를 계획 코스와 위치를 향하도록 제어한다.
Step 5: 본선의 위치와 계획 위치가 같으면 본선의 코스를 계획코스와 동일하도록 제어한다.
이하, 충돌회피를 위한 유인원격제어 시나리오의 평가방법과 결과를 설명하기로 한다. 도 4 내지 도 11에 나타낸 도면은 충돌회피 시나리오에 대한 평가 방법과 결과를 나타낸 것으로, 본 발명에서는 총 4개의 섹터(Sector-1, Sector-2, Sector-3, Sector-4)로 구분한 충돌상황을 가정하였다.
먼저, 도 4를 참조하여 섹터-1에서의 충돌회피 평가방법과 결과를 설명하기로 한다.
충돌회피 시나리오의 섹터-1에 대한 평가방법은 두 가지로 구분하였다. 먼저, 섹터-1에 대한 상황을 수치 시뮬레이션으로 가시화시켜서 섹터-1의 상황에서 양 선박이 충돌 가능한지를 평가한다. 그런 후, 위의 도 3에 나타낸 충돌회피 시나리오를 프로그램으로 작성하여 수치 시뮬레이션을 통하여 실제 충돌회피가 가능한지를 평가한다.
도 4는 섹터-1의 상황에 대한 수치시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 도면에는 본선과 타선이 서로 마주치는 섹터-1을 나타낸다.
양 선박의 속도는 동일하다.
본선은 A지점으로부터 B지점까지 항해하고(실선으로 표시), 타선은 C지점으로부터 D지점까지 항해(점선으로 표시)한다. 따라서 양 선박은 특정 시간과 위치에서 서로 교차하게 된다.
숫자 1, 2, 3 등은 양 선박이 동일한 시간만큼 이동하는 경우 양 선박의 위치를 나타낸다.
본선과 타선이 계속 항해하면 EC(Estimated Collision) 지점에서 충돌할 수 있다. 이 도면에서는 양 선박의 이동 모습을 보기 위하여 약간 거리를 두고 항해하는 것으로 나타냈다.
도면을 기준으로 우측의 네 개 박스 그림은, 양 선박의 코스(Course)와 속도(Speed), 양 선박 사이의 상대방위(Rel. bearing), 양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 나타낸다.
양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 보면, 약 6분 정도에 양 선박 사이의 거리는 최소화가 되어 충돌할 수 있는 것으로 나타나 있다.
이러한 결과들로부터 섹터-1에서의 충돌상황이 발생할 수 있음을 알 수 있고, 그래서 섹터-1에 대한 충돌상황이 성공적으로 시뮬레이션 되었다.
도 5는 섹터-1의 충돌상황에 대한 충돌회피 시나리오의 수치시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 본선은 지점2에서 타선과의 충돌회피를 위하여 코스가 제어되었다. 그런 후, 본선은 지점3에서는 본선-타선 거리를 증가시키기 위하여 코스가 더 크게 제어되면서 지점4로 이동하였다.
그런 후, 본선은 지점4에서는 지점5로 이동하였고, 그 결과 본선은 타선과 성공적으로 충돌회피에 성공하였다.
이 때 본선에서 제어된 코스, 속도, 상대방위, 상태거리 등의 정보는 우측 네 개 박스 그림에 나타나 있다.
위의 결과로부터 섹터-1에서의 본선-타선 충돌회피가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 섹터-2에서의 충돌회피 평가방법과 결과를 설명하기로 한다. 도면에는 섹터-2의 상황에 대한 수치시뮬레이션 결과가 나타타 있으며, 타선이 본선의 앞을 가로질러 가는 패턴을 나타낸 것이다.
양 선박의 속도는 동일하다.
본선은 A지점으로부터 B지점까지 항해하고(실선으로 표시), 타선은 C지점으로부터 D지점까지 항해(점선으로 표시)한다. 따라서 양 선박은 특정 시간과 위치에서 서로 교차하게 된다.
숫자 1, 2, 3 등은 양 선박이 동일한 시간만큼 이동하는 경우 양 선박의 위치를 나타낸다.
본선과 타선이 계속 항해하면 EC(Estimated Collision) 지점에서 충돌할 수 있다.
도면을 기준으로 우측의 네 개 박스 그림은, 양 선박의 코스(Course)와 속도(Speed), 양 선박 사이의 상대방위(Rel. bearing), 양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 나타낸다.
양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 보면, 약 6분 정도에 양 선박 사이의 거리는 최소화 되어 충돌할 수 있는 것으로 나타나 있다.
이러한 결과들로부터 섹터-2에서 충돌상황이 발생할 수 있음을 알 수 있고, 그래서 섹터-2에 대한 충돌상황이 성공적으로 시뮬레이션 되었다.
도 7은 섹터-2의 충돌상황에 대한 충돌회피 시나리오의 수치시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 설명하면 다음과 같다.
본선은 지점2에서 타선과의 충돌회피를 위하여 코스가 제어되었고, 그런 후, 본선은 지점3에서는 본선-타선 거리를 증가시키기 위하여 코스가 더 크게 제어되면서 지점4로 이동하였다.
그런 후, 본선은 지점4에서는 지점5로 이동하였고, 그 결과 본선은 타선과 성공적으로 충돌회피에 성공하였다. 이 때 본선에서 제어된 코스, 속도, 상대방위, 상태거리 등의 정보는 우측 네 개 박스 그림에 나타나 있다.
위의 결과로부터 섹터-2에서의 본선-타선 충돌회피가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 섹터-3에서의 충돌회피 평가방법과 결과를 설명하기로 하되, 이에 대한 설명은 기본적으로 섹터-1과 동일하다.
도면에는 타선이 본선의 앞을 가로질러 가는 패턴을 나타낸 것이고, 이때의 양 선박의 속도는 동일하다.
본선은 A지점으로부터 B지점까지 항해하고(실선으로 표시), 타선은 C지점으로부터 D지점까지 항해(점선으로 표시)한다. 따라서 양 선박은 특정 시간과 위치에서 서로 교차하게 된다.
숫자 1, 2, 3 등은 양 선박이 동일한 시간만큼 이동하는 경우 양 선박의 위치를 나타낸다.
본선과 타선이 계속 항해하면 EC(Estimated Collision) 지점에서 충돌할 수 있다.
도면을 기준으로 우측의 네 개 박스 그림은, 양 선박의 코스(Course)와 속도(Speed), 양 선박 사이의 상대방위(Rel. bearing), 양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 나타낸다.
양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 보면, 약 7분 정도에 양 선박 사이의 거리는 최소화 되어 충돌할 수 있는 것으로 나타나 있다.
이러한 결과들로부터 섹터-3에서 충돌상황이 발생할 수 있음을 알 수 있고, 그래서 섹터-3에 대한 충돌상황이 성공적으로 시뮬레이션 되었다.
도 9는 섹터-3의 충돌상황에 대한 충돌회피 시나리오의 수치시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 본선은 지점2에서 타선과의 충돌회피를 위하여 코스가 제어되었다. 그런 후, 본선은 지점3에서는 본선-타선 거리를 증가시키기 위하여 코스가 더 크게 제어되면서 지점4로 이동하였다.
그런 후, 본선은 지점4에서는 지점5로 이동하였고, 그 결과 본선은 타선과 성공적으로 충돌회피에 성공하였다. 이 때 본선에서 제어된 코스, 속도, 상대방위, 상태거리 등의 정보는 우측 네 개 박스 그림에 나타나 있다.
위의 결과로부터 섹터-3에서의 본선-타선 충돌회피가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여 섹터-4에서의 충돌회피 평가방법과 결과를 설명하기로 한다. 도면에는 타선이 본선의 앞을 가로질러 가는 것을 나타내고 있으며, 양 선박의 속도는 동일하다.
본선은 A지점으로부터 B지점까지 항해하고(실선으로 표시), 타선은 C지점으로부터 D지점까지 항해(점선으로 표시)한다. 따라서 양 선박은 특정 시간과 위치에서 서로 교차하게 된다.
숫자 1, 2, 3 등은 양 선박이 동일한 시간만큼 이동하는 경우 양 선박의 위치를 나타낸다.
본선과 타선이 계속 항해하면 EC(Estimated Collision) 지점에서 충돌할 수 있다.
도면을 기준으로 우측의 네 개 박스 그림은, 양 선박의 코스(Course)와 속도(Speed), 양 선박 사이의 상대방위(Rel. bearing), 양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 나타낸다.
양 선박 사이의 상대거리(Rel. distance)를 보면, 약 10분 정도에 양 선박 사이의 거리는 최소화 되어 충돌할 수 있는 것으로 나타나 있다.
이러한 결과들로부터 섹터-4에서 충돌상황이 발생할 수 있음을 알 수 있고, 그래서 섹터-4에 대한 충돌상황이 성공적으로 시뮬레이션 되었다.
도 11은 섹터-4의 충돌상황에 대한 충돌회피 시나리오의 수치시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 본선은 지점2에서 타선과의 충돌회피를 위하여 코스가 제어되었다. 그런 후, 본선은 지점3에서 본선-타선 거리를 증가시키기 위하여 코스가 더 크게 제어되면서 지점4로 이동하였다.
그런 후, 본선은 지점4에서는 지점5로 이동하였고, 그 결과 본선은 타선과 성공적으로 충돌회피에 성공하였다. 이 때 본선에서 제어된 코스, 속도, 상대방위, 상태거리 등의 정보는 우측 네 개 박스 그림에 나타나 있다.
위의 결과로부터 섹터-4에서의 본선-타선 충돌회피가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
상기와 같이 네 가지 섹터 별 평가결과, 본 발명에서 제안한 충돌회피 방법과 시나리오는 자율운항선박과 타선 사이의 충돌회피에 성공적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 구성을 통해 자율운항선박의 충돌회피를 위한 효과적인 유인원격제어가 가능할 것으로 예상된다.
한편, 본 발명은 기재된 실시례에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
OS : 본선
TS : 타선
A : 본선 시작 위치
B : 본선 종료 위치
C : 타선 시작 위치
D : 타선 종료 위치

Claims (6)

  1. 육상에 위치하여 인증처리된 유인 원격제어사관으로부터 조종 제어신호를 원격송신하는 육상제어시스템 및 이 육상제어시스템과 통신망으로 실시간 연계 운영되는 것으로 인가된 조종 제어신호에 따라 기동이 제어되는 선박제어시스템에 의한 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법에 있어서,
    상기 육상제어시스템에서 자율운항선박의 선박정보 및 운항정보를 입력 처리하는 단계;
    상기 자율운항선박이 운항 경로 주변의 장애물을 감지하는 단계;
    상기 장애물이 설정 범위 내로 감지되는 경우 장애물 발생정보를 생성하고 이를 육상제어시스템에 인가하여 원격제어를 요청하는 단계;
    상기 육상제어시스템에서 장애물과의 충돌회피를 위한 안전 영역을 계산 처리하는 단계;
    상기 계산 처리된 안전영역 결과값에 따른 원격제어사관의 조종 제어신호를 선박제어시스템에 인가하는 단계;
    상기 선박제어시스템에서 안전영역으로 회피 기동시킨 후 계획 코스로 복귀시키고 상기 육상제어시스템에 원격제어를 종료 요청하는 단계를 포함하고,
    상기 원격제어사관의 조종 제어신호를 인가받은 선박제어시스템은 제어신호에 의한 선박의 조종 상태 정보를 통신망을 통하여 육상제어시스템에 실시간 피드백하는 과정을 수행하고;,
    상기 원격제어를 종료 요청하는 단계에서는 상기 선박제어시스템은 계획 코스로 복귀가 완료되었는지 기 설정 경로값과비교 판단하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 선박정보는, 선박의 크기, 종류, 항속, 무게, 선회반경, 제동거리, 복원력, 화물의 중량 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함하고;,
    상기 운항정보는 운항경로, 운항조건, 날씨 중 어느 하나 또는 하나 이상의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 장애물 발생정보는 레이더, AIS 중 어느 하나 또는 하나 이상의 감지신호 정보인 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 안전영역 계산처리단계는,
    본선과 타선의 속도를 측정하는 과정과,
    상기 본선과 타선의 항해 경로를 추적하여 양 선박 사이의 상대 방위와 상대 거리를 계산처리하는 과정과,
    상기 본선과 타선의 예상 충돌 지점을 계산처리하는 과정으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 충돌회피를 위한 원격제어 제어방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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