KR102439261B1

KR102439261B1 - 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법

Info

Publication number: KR102439261B1
Application number: KR1020220003842A
Authority: KR
Inventors: 임정빈
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-09-01

Abstract

본 발명은 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법을 개시한다.
본 발명은 선박의 선회권(turning circle)을 이용하여 과학적이고 정량적으로 제어지연에 의한 신뢰성 높은 충돌 위치와 산출된 추정 시간을 통해 충돌에 의한 해양사고의 위험을 미연에 방지하여 안전하고 경제적인 운항에 기여할 수 있는 산업상 유용한 효과가 기대된다.

Description

자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법{Turning time calculation method to prevent collision due to control delay in remote control of autonomous ship}

본 발명은 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율운항선박의 운항시 충돌 상황이 예측되는 경우 원격지에서 운영되는 원격제어시스템의 신호처리 지연, 원격제어자에 의한 의사결정 지연 등에 따른 제어지연 발생시 선박의 선회권을 이용하여 제어지연에 따른 충돌방지를 위한 회피기동이 가능한 선회시간을 산출함으로써 미연에 충돌을 회피할 수 있도록 하여 운항 안정성을 보장할 수 있는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간의 추정에 관한 것이다.

현재 해상에서는 육상의 자율주행 자동차와 마찬가지로, 자율운항선박에 대한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 자동화시스템으로 물류의 흐름을 최소 10% 이상 빠르게 할 수 있고, 전체 해양사고의 82%나 차지하는 인적과실 사고를 해소할 수 있으며, 인건비 절감 등으로 약 60% 이상의 비용을 절감할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

이러한 자율운항선박은 국제해사기구(International maritime Organization, IMO)에서 MASS(Maritime Autonomous Surface Ship)로 지칭하고 있으며, 통상 4레벨로 구분하고 있는데, 레벨1은 기존 선박에서 선원의 의사결정을 지원하기 위한 수준이고, 레벨2는 선박에 선원이 승선한 상태에서 원격 제어가 가능한 수준이며, 레벨3은 선원이 승선하지 않거나 또는 최소 인원만 승선한 경우 원격 제어가 가능하고 기관이 자동화된 수준이다. 끝으로 레벨4는 선박에 사람이 없는 완전 무인화 수준인데, 국내외적인 개발 목표는 기존 유인선박(사람이 제어하는 선박)에 원격제어 장치를 부가하여 원격에서 제어 가능한 수준2와 수준 3 사이에 있다. 레벨2와 3 사이에서 요구되는 기술은 원격으로 자율운항선박을 안전하게 조종하는 것인데 이를 위해 자율운항선박과 다른 선박 사이의 충돌은 반드시 회피가 되어야 한다.

한편, 현재 국내외에서는 레벨2와 레벨3 중간 정도의 자율운항선박을 대상으로 설계가 진행되고 있을 뿐, 아직까지 자율운항선박 형태로 건조된 선박은 전무한 실정이며, 이는 국제규정에 의하면 현재 국제해상운송에 종사하는 모든 선박은 인간(선원)에 의해서 제어해야 하는 것으로 정해져 있기 때문이다.

이에, 자율운항선박의 운항 안전성과 실효성을 확보하기 위한 방안으로 육상원격 제어시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 이러한 육상원격 제어시스템을 통해 자율운항 시스템의 고장 또는 기능의 고장 또는 여하 한의 이유로 인하여 자율운항이 불가능한 경우 이를 대비하기 위함이다. 따라서, 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 있으나, 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 또 다른 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 있다.

그러나, 상기 종래 기술에 따른 자율 운항 선박 및 그 외 선박의 충돌 회피를 위한 대체 항로 생성과 타각 조절 지원 시스템에서 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.

한편, 자율운항선박의 원격제어에는 여러 원격제어 시스템(통신 시스템, 제어 시스템, 감시 시스템 등)으로 구성됨에 따라 이들 시스템 간의 유기적인 동작에 어떠한 지연 현상이 발생될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이러한 지연 현상은 다양한 환경(통신 네트워크의 고장과 지연, 제어시스템의 신호처리 지연, 원격제어자에 의한 의사결정 지연 등)에 의해서 발생할 수 있으며, 원격제어에서 지연이 발생하면 자율운항선박은 타선과 충돌할 수 있으므로 이를 방지하기 위해서는 다음의 문제가 해결되어야 한다.

첫째, 자율운항선박의 원격제어에서 발생 가능한 지연의 정도(종류, 시간, 크기, 위상 등),

둘째, 충돌이 발생할 수 있는 지연의 정도,

셋째, 지연에 의해서 발생할 수 있는 충돌 위치와 시간의 추정,

넷째, 지연에 의한 충돌이 회피되기 위한 방법.

따라서, 자율운항선박의 운항 중 제어지연으로 인한 충돌 발생을 미연에 방지할 수 있는 대안 마련이 시급한 실정이며, 특히 과학적이고 정량적으로 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간 추정방법에 대한 연구를 통해 자율운항선박의 운항 안전성과 경제성을 확보할 필요가 있다.

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 선회권(turning circle)을 이용하여 과학적이고 정량적으로 제어지연에 따른 충돌방지를 위하여 안정적인 회피 기동이 가능한 선회성능을 산출하여, 이를 통해 충돌에 의한 해양사고의 위험을 미연에 방지하여 안전하고 경제적인 운항에 기여할 수 있는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간을 과학적이고 정량적으로 분석 및 평가할 수 있도록 1) 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간을 시각적 및 정량적으로 평가하는 방법에 의한 것, 2) 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간의 추정에 선회권 모델을 이용하는 것, 3) 제어지연에 의한 충돌 효과를 시각적 및 정량적으로 가시화하는 것, 4) 제어지연에 의한 선회권의 직경과 선회권 사이의 거리를 정량적으로 평가하는 방법에 의한 것으로 이루어진 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법은, 본선의 운항변수 획득단계; 타선 운항변수 선정단계; 본선과 타선의 충돌상황 추정단계; 본선과 타선의 충돌회피를 위한 모델변수와 모델보정변수를 이용하여 선회시간과 선회시작 위치를 산출하여 상기 본선과 타선의 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계:로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 본선의 운항변수는 위치(경도, 위도), 시간(GMT), 속력(kt), 선수방위(도), 타각(도), 제어지연(시간) 중 어느 하나 또는 하나 이상인 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 본선의 위치는 지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득하고, 상기 시간은 지피에스에서 제공하는 시간(GMT)으로 획득하고, 본선의 속력은 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득하고, 본선의 선수방위는 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 획득하고, 상기 타각은 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득하고, 상기 제어지연(시간)은 원격제어 시작 시간과 본선제어 시작 시간 사이의 차이를 이용하여 획득하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 타선의 운항변수는 위치(경도, 위도), 속력, 선수방위, 시간 중 어느 하나이고, 이는 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 이용하여 획득하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 본선과 타선의 충돌상황 추정단계에서, 상기 충돌상황은 최근접 여유거리(Closest Point of Approach, CPA)와 최근접여유시간(Time to CPA, TCPA)을 이용하여 추정하되;, 최근접 여유거리와 최근접 여유시간은 두 선박이 주어진 코스와 속력을 유지하면서 서로 통항하는 경우 가장 짧은 거리(CPA)와 이때의 시간(TCPA)으로 추정하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계에서, 상기 모델변수는 회피기동이 가능한 선회권을 산출하기 위하여 생성한 선회권 모델을 의미하는 것으로, 일정한 길이의 반경을 갖는 단위원에 상기 모델 보정 변수에 포함된 본선 선회권의 반경 R과 선회비율 ROT을 이용하여 보정한 모델의 반경 R*, 본선이 선회할 때 걸린 시간인 선회시간 TTC이고;, 상기 모델 보정 변수는 본선 선회권의 반경 R, 선회비율 ROT인 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 평가변수는 상대거리 RD, 충돌회피 위치St(x,y) 이고, 상기 상대거리 RD는 본선이 선회할 때의 위치(경도, 위도)와 타선의 이동 위치(경도, 위도)를 이용하여 계산처리한 값이고;,

상기 충돌회피 위치St(x,y)는 본선이 충돌회피를 위해 선회하여 타선과 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 본선의 위치를 계산한 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서,상기 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계에서, 좌표중심 O(0,0)을 갖는 x-y 평면 좌표계에서, 본선(OS)의 선회시작 위치 St를 하기의 수식 1로 도출하고, 상기 본선(OS)이 모델 선회권 TC을 이동하는데 걸리는 시간 TTC는 하기의 수식 2로 도출하고, 상기 본선(OS)과 타선(TS) 사이의 상대거리는 하기의 수식 3으로 도출하며, 하기의 수식 1의 선회시작 위치

에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 최적의 선회시작 위치는 하기의 수식 4로 도출하며, 수식 1의 선회시작 위치

에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 선회시간은 하기의 수식 5로 도출하는 것에 있다.

[수식 1]

,

여기서,

와

는 선회시작 위치의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,

와

은 시뮬레이션실험에서 측정된 본선 선회권의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,

와

은 반경 R*를 갖는 모델 선회권의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸 것임.

[수식 2]

,

여기서, R*은 모델 선회권의 반경을 나타내고, θ는 TC의 호(도)를 나타내고, VOS는 본선(OS)의 속력임.

[수식 3]

여기서

와

은 선회를 시작한 본선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,

와

은 타선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸 것임.

[수식 4]

[수식 5]

본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법은, 자율운항선박의 항로이탈을 방지하고, 다른 선박과의 충돌을 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있고, 제어지연에 의해 발생할 수 있는 충돌회피를 국제해사기구(IMO)의 국제해상충돌규칙(COLREGs)에 명시된 충돌회피 규정에 의거하여 구현할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간을 예측할 수 있는 MASS 의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.

또한, 현재 적용되고 있는 국제해상충돌규칙을 준용하여 적용될 수 있음에 따라 새로운 규정의 도입 없이도 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 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간의 추정은 자율운항선박에서 충돌회피를 위한 고가의 장비를 추가하지 않고도 육상 원격지에서 원격제어자가 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 제어지연에 의한 충돌이 회피되기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 선회시작 위치에 따른 충돌회피의 성공의 선회권(TC-S)과 실패의 선회권(TC-F) 개념을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 제어지연에 의한 충돌이 회피되기 위한 방법의 구현 절차를 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 일정한 상대거리를 갖는 네 시나리오(S1, S2, S3, S4) 설계 결과를 나타낸 모식도,
도 5는 본 발명에 따른 수치 시뮬레이션에서 측정된 선회권을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 모델의 반경 R의 보정 결과를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 7종의 타각에 대한 3.25LOA를 갖는 상대거리 RD-S 계산 결과를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 6종의 선속에 대한 3.25LOA에 대한 선회시간 TTC-S 계산 결과를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 모델이 이용된 충돌회피의 가시화 결과를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 모델이 이용된 충돌회피의 가시화한 결과를 나타낸 도면,
도 11은 본 발명에 따른 상대거리 계산결과를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 지연에 따른 충돌회피 가시화 결과(지연시간 30초)를 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 지연에 따른 상대거리 계산 결과(지연시간 30초)를 나타낸 도면,
도 14는 본 발명에 따른 지연에 따른 충돌회피 가시화 결과(지연시간 60초)를 나타낸 도면,
도 15는 본 발명에 따른 지연에 따른 상대거리 계산 결과(지연시간 60초)를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명에 따른 지연에 따른 충돌회피 가시화 결과(지연시간 90초)를 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따른 지연에 따른 상대거리 계산 결과(지연시간 90초)를 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 지연에 따른 충돌회피 가시화 결과(지연시간 120초)를 나타낸 도면,
도 19는 본 발명에 따른 지연에 따른 상대거리 계산결과(지연시간 120초)를 나타낸 도면,
도 20은 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법의 구성을 설명하기 위한 블록도.

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 1 내지 도 20은 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법을 설명하기 위한 도면이며, 본 발명의 주요한 기술적 구성 특징은 도 20에 나타내었다.

본 발명은 기술적 특징은 제어지연에 따른 충돌방지를 위하여 안정적인 회피기동이 가능한 선회권을 산출하기 위한 것으로 아래의 4단계를 수행하는 것을 제안한다.

단계 1(Step 1)은 운항 중인 본선의 운항변수 획득 단계이다. 본선의 운항변수는 다음과 같이 구성한다.

본선의 운항변수 = {위치(경도, 위도), 시간(GMT), 속력(kt), 선수방위(도), 타각(도), 제어지연(시간)}

상기 운항변수에서, 본선의 위치는 지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득할 수 있고, 시간은 지피에스에서 제공하는 시간(GMT)을 이용한다. 본선의 속력은 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득하고, 본선의 선수방위는 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 획득한다. 아울러 타각은 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득한다. 제어지연(시간)은 원격제어 시작 시간과 본선제어 시작 시간 사이의 차이를 이용하여 획득하는데, 본 발명에서는 별도의 장치를 이용하여 제어지연(기간)을 측정할 수 있는 것으로 가정한다.

단계 2(Step 2)는 타선의 운항변수 획득 단계이다. 타선의 운항변수는 다음과 같이 구성한다.

타선의 운항변수 = {위치(경도, 위도), 속력, 선수방위, 시간}

상기 타선의 운항변수에서, 타선의 다양한 정보(위치, 속력, 선수방위, 시간)는 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 이용하여 획득할 수 있다.

단계 3(Step 3)은 본선과 타선의 충돌상황을 예측하는 단계로서, 본선과 타선의 충돌상황에 따른 충돌위치 및 충돌이 예상되는 시간을 산출한다.

충돌상황은, 최근접여유거리(Closest Point of Approach, CPA)와 최근접여유시간(Time to CPA, TCPA)을 이용하여 예측한다. CPA/TCPA는 두 선박이 주어진 코스와 속력을 유지하면서 서로 통항하는 경우 가장 짧은 거리(CPA)와 이때의 시간(TCPA)을 의미한다. CPA/TCPA를 이용한 충돌상황의 예측방법은 기존에 잘 알려져 있고, 본 발명에서는 이러한 기존에 잘 알려진 방법을 적용하여 충돌상황에 따른 충돌위치 및 충돌이 예상되는 시간을 산출한다.

단계 4(Step 4)은 본선과 타선의 충돌회피를 위한 선회시간과 선회시작 위치의 산출단계이다.

회피기동이 가능한 선회시간과 선회시작 위치를 산출하기 위한 모델의 변수와 이러한 모델을 보정하기 위한 변수는 다음과 같이 구성한다.

모델 변수 = {모델의 반경 R*, 선회시간 TTC}

모델 보정 변수 = {본선 선회권의 반경 R, 선회비율 ROT}

상기 모델 변수는 회피기동이 가능한 선회권을 산출하기 위하여 생성한 선회권 모델을 의미하는 것으로, 이것은 보정된 반경 R*을 갖는 원을 이용하여 모델링한 것인데, R*은 일정한 길이의 반경을 갖는 단위원에 상기 모델 보정 변수에 포함된 본선 선회권의 반경 R과 선회비율 ROT을 이용하여 보정한 것이다. 이러한 보정은 본선 선회권의 반경 R과 모델의 반경 R* 사이의 차이와 이러한 차이에서 발생하는 선회비율 ROT의 차이를 복합적으로 이용하여 수행한 것이다. 이에 관해서는 이미 발표된 발명자의 논문(임정빈, 박득진, 2021, Estimating Critical Latency Affecting Ship's Collision in Re-mote Maneuvering of Autonomous Ships, Applied Sciences, Vol. 112, 987)에 설명되어 있는 내용을 참고한 것이다.

아울러, 본선 선회권의 반경 R과 선회비율 ROT은 주어진 선박 제원을 선박조종시뮬레이터에 적용하여 추정한 값인데 이러한 추정에는 선박의 6자유도 운동(6-DOF)이 이용된다. 아울러, 선회시간 TTC는 본선이 선회할 때 걸린 시간을 의미한다.

또한, 제어지연에 의한 영향을 평가하기 위한 평가 변수는 다음과 같이 구성한다.

평가 변수 = {상대거리 RD, 충돌회피 위치St(x,y)}

상기 평가 변수에서, 상대거리 RD는 본선이 선회할 때의 위치(경도, 위도)와 타선의 이동 위치(경도, 위도)를 이용하여 계산한 값이다. 충돌회피 위치St(x,y)는 본선이 충돌회피를 위해 선회하여 타선과 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 본선의 위치를 계산한 것이다.

충돌회피를 위한 선회시간은 다음과 같이 산출하였다. 먼저, 좌표중심 O(0,0)을 갖는 x-y 평면 좌표계에서, 본선(OS)의 선회시작 위치 St를 아래의 수식 1과 같이 정하면,

[수식 1]

,

여기서,

와

는 선회시작 위치의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,

와

은 반경 R*를 갖는 모델 선회권의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸다. 이러한 위치들은 위도와 경도의 위치를 머케터(Mercator)도법을 이용하여 미터(meter) 단위로 변환한 값들이다.

본선(OS)이 모델 선회권 TC을 이동하는데 걸리는 시간 TTC는 아래의 수식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수식 2]

,

여기서, R*은 모델 선회권의 반경을 나타내고, θ는 TC의 호(도)를 나타내고, VOS는 본선(OS)의 속력이다.

본선(OS)과 타선(TS) 사이의 상대거리는 아래의 수식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[수식 3]

여기서

와

은 선회를 시작한 본선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,

와

은 타선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸다. 이러한 위치들은 위도와 경도의 위치를 머케터 도법(Mercator projection)을 이용하여 미터(meter) 단위로 변환한 값들이다.

아울러 상기 식들을 이용하여 충돌회피에 적합한 선회시작 위치와 선회시간은 다음같이 구할 수 있다. 상기 식(1)의 선회시작 위치

에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 최적의 선회시작 위치는 아래의 수식 4를 이용하여 구할 수 있다.

[수식 4]

또한, 상기 식(1)의 선회시작 위치

에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 선회시간은 아래의 수식 5를 이용하여 구할 수 있다.

[수식 5]

상기 수식 4와 수식 5를 이용하면 본선이 다른 선박과의 충돌을 회피할 수 있는 본선의 선회시작 위치와 이때의 선회시간을 도출할 수 있다. 그래서 본 발명에서 제안한 방법을 이용하면 제어지연 시 충돌을 회피할 수 있는 본선의 선회시작 위치와 선회시간을 도출하여 충돌회피에 적용할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에서 제안된 충돌회피 방법을 나타낸 것으로, 핵심 개념은 선회권과 3.25LOA의 안전거리를 연계하여 이용한 것이다. 도면에서 본선은 0도(즉, 지면의 위쪽 방향)으로 이동하고, 타선은 270 도(즉, 지면의 우측에서 좌측으로 향하는 방향)로 이동한다.

만약 이 두 선박 본선과 타선이 주어진 경로를 계속 이동하면 C 지점에서 충돌하는데, 이러한 상황을 90도 크로싱(crossing) 상황이라 한다. 실선의 큰 원(흑색)은 선박이 타(rudder)을 이용하여 우측으로 선회하는 경우 발생될 수 있는 선회권을 나타낸다. 실선의 작은 호(적색)는 이러한 선회권 중에서 일부분을 나타낸다.

도 1에서, 선박이 서로 충돌할 수 있는 지점은 둘인데, 하나는 두 선박의 경로(O1-O3 와 T1-T3)에 의해서 충돌할 수 있는 지점 C 이고, 다른 하나는 O2-T2 의 경로에 나타낸 선회권 TC-F에 의해서 충돌할 수 있는 지점 M 이다.

이러한 C와 M 의 두 지점은 다음 두 경우(경우-1, 경우-2)에서 발생할 수 있고, 한 경우(경우-3)에서 발생하지 않으며 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

경우-1(C 지점이 발생하는 경우): 경우-1은 두 선박이 주어진 경로를 계속 항해한 경우이다. 두 선박이 그림에 주어진 경로를 따라 계속 이동하면 본선은 O3 지점에 도착하고 타선은 T3 지점에 도착한다. 그 결과 두 선박은 C 지점에서 충돌한다.

경우-2(M지점이 발생하는 경우): 경우-2는 본선의 초기 위치는 O2 지점에 있고 타선의 초기 위치는 T1에 있는 조건에서, 본선이 O2 지점에서 선회한 경우이다. 이 시간동안 본선은 O2-T2 구간(즉, TC-F 구간)을 이동하고 타선은 T1-T2 구간을 이동한다. 그 결과 두 선박은 M 지점에서 충돌한다. 만약 본선이 O1 지점에서 선회를 시작하였다면 M지점은 발생하지 않았을 것이다.

경우-3(C와 M지점이 발생하지 않는 경우): 경우-3은 본선의 초기 위치는 O2* 지점에 있고 타선의 초기 위치는 T1에 있는 조건에서, 본선이 O2* 지점에서 선회한 경우이다. 이 시간동안 본선은 O1-O2* 구간(즉, TC-S 구간)을 이동하고 타선은 T1-T2 구간을 이동한다. 그 결과 타선은 T2에 도달하고 본선은 O3*에 도달한다. 이 때 두 선박 사이의 거리는 3.25LOA가 되어, 결국 충돌회피에 성공한다.

여기서, 제어지연 Del은 O1-O2 의 거리에 해당하는 시간을 의미한다. 이러한 제어지연은 다양한 환경에서 발생할 수 있고, M지점 역시 다양한 환경과 두 선박 사이의 조건에 의해서 다양하게 발생할 수 있다. 본 발명에서 제안한 충돌회피 모델은 도면에 나타낸 지연 Del에 의해서 발생된 지점 M 뿐만 아니라 다양한 지점에서 발생할 수 있는 충돌지점이 고려된 것이다.

이하, 본 발명에서의 충돌회피 개념을 설명하기로 한다.

충돌회피를 위해 본선이 선회하는 경우, 다양한 조건에 의해서 본선은 타선과의 충돌회피에 성공할 수 있거나 또는 실패할 수 있다. 도 2는 본선의 선수방위 0도와 타선의 선수방위 3215도에 의해서 형성될 수 있는 충돌상황을 나타낸다. 본선과 타선이 주어진 경로를 따라서 그리고 주어진 초기 선수방위를 유지하는 경우 두 선박은 C지점에서 충돌한다. 이 상황은, IMO에서 정한 COLREGs가 적용되는 경우, 본선은 타선을 회피해야 할 의무가 있고, 회피방법은 본선의 우현으로 선회조종 되는 것이다. 이러한 상황에서 다음과 같은 두 경우(경우-1과 경우-2)가 고려될 수 있다.

경우-1(충돌회피에 성공한 경우): 경우-1은, 본선은 t=1에 있고 타선은 t=1에 있고 그리고 본선이 t=1에서 선회를 시작한 경우이다. 이러한 경우, 본선의 선회권은 TCS와 같이 형성되어 결국 본선은 A와 같이 타선과 3.25LOA의 거리만큼 떨어져서 충돌회피에 성공할 수 있다. 이 때 t=1에서 본선과 타선 사이의 상대거리는 RD-S가 된다.

경우-2(충돌회피에 실패한 경우): 경우-2는, 본선은 t=2에 있고 타선은 t=2에 있고 그리고 본선이 t=2에서 선회를 시작한 경우이다. 이러한 경우, 본선의 선회권은 TCF와 같이 형성되어 결국 본선은 B와 같이 타선과 충돌한다.

이와 같이 본선과 타선 사이의 충돌발생 여부는, 주어진 상황과 두 선박의 조건에 의해서 결정된다. 아울러, 충돌회피에 성공하기 위해서 본선과 타선 사이의 상대거리는 충돌회피에 충분할 것이 각종 국제규정에 요구되고 있다. 이러한 상대거리는 안전거리(safe distance)로 불리는 것으로 다양한 연구결과에서 3.25LOA로 알려져 있다. 본 발명에서는 3.25LOA가 확보될 수 있는 TC-S와 이 때의 상대거리 RD-S가 이용되어 충돌회피 모델이 구현되었다.

한편, 본 발명에서 제안된 방법은 다음의 두 가지 분석지표와 두 가지 평가지표가 이용되어 분석 및 평가되었다.

평가지표1: 두 선박 사이의 위치 관계 - 평가방법: 충돌회피 과정에서 형성되는 두 선박 사이의 위치를 계산하여, 이들 사이의 관계를 시각적으로 분석하고 평가한다.

평가지표 2: 두 선박 사이의 상대거리 - 평가방법: 충돌회피 과정에서 형성되는 두 선박 사이의 거리를 계산하여, 이들 사이의 관계를 시각적으로 분석하고, 정량적으로 평가한다.

도 3을 참조하여 본 발명에서 제안한 바람직한 실시례에 따른 방법의 구현 절차를 설명하면 다음과 같다.

Step 1: 수치 시뮬레이션 : 수치 시뮬레이션이 이용되어 충돌모델 구현에 필요한 변수가 획득되었다. 이러한 변수는, 측정된 선회권 반경 R*과 3.25LOA가 확보될 수 있는 상대거리 RD-S, 3.25LOA가 확보될 때의 선회시간 TTC-S 이다.

시뮬레이션의 조건은 다음과 같은 4종의 충돌 시나리오와 6종의 속력 그리고 7종의 타각이 이용되었다. 4종의 충돌 시나리오는 조우상황에 따른 충돌회피 결과를 비교하기 위한 것이다.

본선과 타선 사이의 상대거리를 일정하게 준 시나리오의 설계 결과는 도면 4에 나타냈다.

아울러, 6종의 속력과 7종의 타각은 이들의 조합에 의한 충돌회피 경로들의 변화 경향을 시각적으로 확인하기 위한 것이다. 시뮬레이션 조건과 환경은 다음과 같다.

- 실험 선박: 화물선(길이, 171.8m 폭, 23.27m)

- 4종의 시나리오: S1(본선 선수방위 0 도와 타선 선수방위 180 도), S2(본선 선수방위 0 도와 타선 선수방위 225 도), S3(본선 선수방위 0 도와 타선 선수방위 270 도), S4(본선 선수방위 0 도와 타선 선수방위 215 도)

- 6종의 속력(m/s): V1, 2.57m/s 및 V2, 5.14m/s 및 V3, 7.72m/s 및 V4, 10.29m/s 및 V5, 12.86m/s 및 V7, 15.43m/s.

- 7종의 타각 RA(도): RA1, 5도 및 RA2, 10도 및 RA3, 15도 및 RA4, 20도 및 RA5, 25도 및 RA6, 30; RA7, 35도.

Step 2: 충돌회피 모델 구축 : 충돌모델은, R, RD-S, TTC-S 의 세 변수가 이용되어 구현되었다. 여기서 반경 R은 측정된 선회권의 반경 R*이 보정된 것이고, RD-S는 3.25LOA의 거리가 확보될 수 있는 상대거리를 나타내고, TTC-S는 3.25LOA의 거리가 확보될 때 선회시간을 나타낸다.

Step 3: 충돌회피 모델의 평가 : 충돌회피 모델의 평가는 시각적인 방법과 정량적인 방법이 이용되어 평가되었다. 시각적 방법은 충돌회피 과정에서 나타난 두 선박 사이의 위치가 계산된 후, 이들 사이의 절대적인 위치관계와 상대적인 위치관계가 이용되어 분석하기 위한 것이다. 정량적 방법은, 충돌회피 과정에서 형성되는 두 선박 사이의 상대거리를 계산한 후, 이들 상대거리를 가시화하여 분석하고 정량적으로 평가하기 위한 것이다.

Step 4: 제어지연에 의한 영향 평가 : 제어지연에 의해서 충돌회피는 실패할 수 있다. 아울러, 충돌회피 모델에 의해서 성공된 충돌회피 결과는 제어지연에 의해 복잡한 상황을 초래할 수 있다. 이러한 복잡한 상황은 제어지연의 정도에 따라서 충돌회피의 성공 또는 실패로 귀결될 수 있다. 이러한 현상이 분석되기 위하여 다양한 제어지연(시간)이 충돌에 미치는 영향이 평가되었다. 평가는, 총 4종의 지연시간 30초, 60초, 90초, 120초가 이용되어 실시되었고, 평가방법은, 충돌회피 모델의 평가 방법을 동일하게 적용하였다.

이하, 충돌회피 모델구축에 따른 결과를 설명하기로 한다.

먼저, 모델의 선회권 보정 결과를 설명하며, 모델의 선회권은 반경 R이 가정된 것으로, R은 6-자유도 운동에 의한 반경 R*과 다르다. 이러한 다름이 해결되기 위하여 모델의 반경은 보정되었다. 도 5는 수치 시뮬레이션에 의해서 획득된 선회권 측정결과를 나타낸다. 이 결과는 7종의 타각에 대해서만 예로 나타낸 것이다.(선수방위 0도(90도), 선속 10.29m/s(20kts)) 타각의 크기에 따라서 선회권의 크기가 다름을 볼 수 있다.

도 6은 측정한 선회권을 이용한 모델 반경의 보정 결과를 나타낸다.

도면에서 (a)는 측정한 선회권과 반경 R을 갖는 선회권을 겹쳐서 나타낸 것으로서, 이 둘 사이는 시각적으로 근소한 차이를 갖는 것으로 보인다.

도면에서 (b)는 이 둘의 x-축과 y-축의 값을 나타낸 것으로, 일정한 차이가 발생됨을 시각적으로 볼 수 있다.

도면에서 (c)는 이 둘의 x-축 차이

과 y-축 차이

을 나타낸 것으로, 이 둘 사이의 차이는 약 400m 정도의 범위로 나타남을 볼 수 있다.

도면에서 (d)는 선회권 보정 오차를 나타낸 것으로, 보정 결과 측정한 선회권과 반경 R을 갖는 선회권 사이의 오차는 영(0)이 됨을 나타낸다. 그 결과 측정한 선회권에 의해서 모델의 반경 R이 성공적으로 보정됨이 확인되었다.

한편, 상대거리와 선회시간 측정에 따른 결과를 설명하면, 충돌회피 모델의 구현을 위해서는 위에 설명된 반경 R이외에 상대거리와 선회시간의 측정이 필요하다.

도 7은 3.25LOA가 확보될 수 있는 상대거리 RD-S의 계산 결과를 나타낸 것으로, 4종의 시나리오 각각에 대한 7종의 타각과 상대거리(m) 사이의 관계가 설명된 것이다.

타각의 증가에 따라 상대거리는 점차 감소됨이 보인다. 상대거리는, 시나리오 S4에서 가장 크게 나타나고, 시나리오 S1에서 가장 작게 나타난다.

도 8은 3.25LOA가 확보될 수 있는 선회시간 TTC-S 의 계산 결과를 나타낸 것으로, 4종의 시나리오 각각에 대한 6종의 선속과 선회시간(분) 사이의 관계가 설명된 것이다. 속력의 증가에 따라 선회시간은 점차 감소됨이 보인다. 선회시간은, 시나리오 S4에서 가장 크게 나타나고, 시나리오 S1에서 가장 작게 나타난다.

이하, 모델을 이용한 충돌회피 실험 결과를 설명하기로 한다. 모델을 이용한 충돌회피 실험 결과는 두 가지 시각화 방법이 이용되어 설명되었다.

첫째로 본선과 타선 모두의 이동을 동시에 나타내는 절대운동 가시화 방법이고, 둘째로 본선을 좌표에 고정하고, 본선에 대한 타선의 상대적 이동을 나타내는 상대운동 가시화 방법이다.

상기 절대운동으로 나타낸 충돌회피 분석 결과를 도 9를 참조하여 설명하면, 절대운동 가시화 방법으로 나타낸 충돌회피 결과를 나타낸다. 네 박스 그림은 네 시나리오 S1, S2, S3, S4 각각에 대한 충돌회피 결과를 나타낸다. 흑색의 원과 청색의 원은 본선의 초기 위치와 타선의 초기 위치를 각각 나타내고, 흑색 실선과 청색 실선은 본선과 타선의 계획 경로를 각각 나타낸다. 적색의 원은 충돌예상 지점을 나타낸다. 아울러, 흑색의 여러가지 곡선은 다양한 타각에 의한 본선의 선회권을 나타낸다. 네 개 박스 그림 모두에서, 본선은 타선과의 충돌회피에 모두 성공함을 볼 수 있다.

이어서, 상기 상대운동으로 나타낸 충돌회피 분석 결과를 도 9를 참조하여 설명하면, 상대운동 가시화 방법으로 나타낸 충돌회피 결과를 나타낸다. 네 박스 그림은 네 시나리오 S1, S2, S3, S4 각각에 대한 충돌회피 결과를 나타낸다. 흑색으로 채워진 작은 원과 청색으로 채원진 작은 원은 본선의 초기 위치와 타선의 초기 위치를 각각 나타낸다.

본선의 초기 위치를 중심으로 나타낸 흑색의 원은 3.25LOA의 범위를 나타내고, 청색의 다양한 곡선들은 본선에 대한 타선의 상대적인 이동 궤적을 나타낸다. 네 개의 박스 그림 모두에서, 타선의 궤적은 본선을 중심으로 하는 3.25LOA의 범위를 침해하지 않는 것으로 나타났다. 이 것은, 충돌회피의 성공을 의미한다. 위의 결과를 통해서, 본 발명에서 제안한 방법이 충돌회피에 적용될 수 있음이 검증되었다.

이하, 도 11을 참조하여 상대거리 평가 결과를 설명하기로 하며, 도 11은 도 10의 충돌회피에서 본선과 타선 사이의 상대거리 계산결과를 나타낸 것으로, 네 박스 그림은 네 시나리오(S1, S2, S3, S4)에 대한 상대거리 계산 결과를 나타낸 것으로, 각 박스 그림은 시간에 대한 상대거리의 변화를 나타낸다. 적색의 가로 실선은 3.25LOA에 해당하는 상대거리를 나타낸다.

상대거리의 평가 결과, 네 개의 박스 그림 모두에서, 상대거리는 3.25LOA이상에서 분포되는 것으로 나타났고, 그래서 충돌회피 모델은, 3.25LOA의 상대거리를 확보하면서 충돌회피가 가능함이 확인되었다. 이를 통해서, 본 발명에서 제안한 방법은 3.25LOA의 상대거리를 확보하면서 충돌회피가 가능함이 검증되었다.

요약하면, 이상에서 설명된 충돌회피 모델의 평가 결과, 4종 시나리오 모두에서, 본선은 타선과 3.25LOA의 안전거리가 확보되면서 충돌회피에 성공됨이 확인되었다. 그래서, 본 발명에서 제안된 충돌회피 모델은 COLREGs에 의거한 선회조종에 의해서 충돌이 회피 될 수 있는 방법으로 적용될 수 있음이 검증되었다.

한편, 이러한 충돌회피 과정에 제어지연이 발생하면 충돌회피의 성공과 실패는 복잡한 양상으로 발생될 수 있다. 이러한 복잡한 양상은 충돌회피 모델에 제어지연을 부여하여 분석하고 평가하였다.

이하, 제어지연이 충돌회피에 미치는 영향 평가를 설명하기로 한다.

충돌회피에서 어떠한 지연이 발생하면 충돌회피를 위한 선회조종의 시작 위치와 시간은 달라지게 된다. 선회조종 시작 위치와 시간이 다르면 본선은 타선과 충돌할 수 있다. 이러한 제어지연의 효과는 본 발명에서 제안된 충돌회피 모델이 이용되어 평가되었다. 평가는, 충돌회피 모델에 4종의 제어지연(시간)인 30초, 60초, 90초, 120가 적용되는 경우를 가정하고, 본선과 타선 사이의 상대적인 운동의 시각화와 상대거리의 정량화가 이용되어 수행되었다.

1) 지연 30초

도 12는 선회시작 위치가 30초 지연된 경우 충돌회피 모델에 의해서 평가된 본선과 타선의 충돌회피 가시화 결과를 나타낸다. 이 도면의 설명은 앞서 설명한 도 10과 동일하다. 분석 결과, 30초의 제어지연(시간)에 의해서 타선은 본선의 3.25LOA 범위를 침범하는 것으로 나타났다. 침범 영역의 크기는 지연이 없는 위의 도 10 과 달리 크게 나타났다.

도 13은 30초 제어지연에 따른 상대거리 계산결과를 나타낸 것으로 앞서 설명한 도 11과 동일하다. 평가결과, 상대거리는 3.25LOA(적색 가로 실선)의 이하에서 부분적으로 분포되는 것으로 나타났다. 위의 두 결과를 통해서, 30초의 제어지연에 의해서 본선의 안전거리 3.25LOA는 침해당하는 것으로 나타났고, 이 것은 충돌회피 모델에 의해서 제어지연이 충돌회피에 미치는 영향이 평가될 수 있음을 의미한다.

2) 지연 60초

도 14와 도 15는 60초 제어지연에 대한 충돌회피 가시화 결과와 상대거리 계산 결과를 각각 나타낸다. 도 14에서, 60초의 제어지연에 의해서 타선의 궤적은 본선의 3.25LOA 범위를 침범하는 것으로 나타났는데, 30초 지연과 비교하여 침범 영역의 크기는 증가됨을 볼 수 있다. 아울러 도 15에서, 상대거리는 30초 지연과 비교하여 3.25LOA(적색 가로 실선) 이하에서 더 많이 분포됨을 볼 수 있다.

3) 지연 90초

도 16과 도 17은 90초의 제어지연에 대한 충돌회피 가시화 결과와 상대거리 계산 결과를 각각 나타낸다. 도 16에서, 90초의 제어지연에 의해서 타선의 궤적은 본선의 3.25LOA 범위를 침범하는 것으로 나타났는데, 위의 60초의 제어지연과 비교하여 침범 영역의 크기는 증가됨을 볼 수 있다. 아울러 도 17에서, 상대거리는 60초의 제어지연과 비교하여 3.25LOA(적색 가로 실선) 이하에서 더 많이 분포됨을 볼 수 있다.

4) 지연 120초

도 18과 도 19는 120초의 제어지연에 대한 충돌회피 가시화 결과와 상대거리 계산 결과를 각각 나타낸다. 도 18에서, 120초의 제어지연에 의해서 타선의 궤적은 본선의 3.25LOA 범위를 침범하는 것으로 나타났는데, 앞의 90초 지연과 비교하여 침범 영역의 크기는 증가됨을 볼 수 있다. 아울러 도 19에서, 상대거리는 앞의 90초 제어지연과 비교하여 3.25LOA(적색 가로 실선) 이하에서 더 많이 분포됨을 볼 수 있다.

이상의 실시례를 통해 제어지연에 의한 오차 평가를 종합하면, 제어지연이 충돌회피에 미치는 영향의 평가 결과로부터 다음과 같은 흥미로운 결과들이 나타났다.

특히, 제어지연 시간의 증가에 따라서 타선의 궤적은 본선의 안전거리 영역을 더 많이 침해하는 것으로 나타났는데, 침범의 정도는, 본선의 선수 쪽으로 가로질러 가거나, 또는 본선의 중심을 가로질러 가거나, 또는 본선의 선미 쪽을 가로질러 가는 등 다양한 형태로 나타났다. 이 것은 다음 같이 해석할 수 있는데,

1) 제어지연에 의해서 본선은 타선과 충돌할 수 있는 경우가 발생하거나 또는, 2) 제어지연에 의해서 본선은 안전거리 3.25LOA를 확보하지 못하거나 또는, 3) 제어지연에 의해서 본선은 충돌회피에 충분한 안전거리를 확보할 수 있다.

위의 1)와 2)은 COLREGs와 선박 도메인 이론에 의거하여 충돌이 발생할 수 있는 상황을 나타낸다. 반면, 3)의 결과는 제어지연에 의해서 충돌회피에 충분한 거리가 확보될 수 있음을 나타낸다.

한편, COLREG에 의하면, 충돌회피를 위하여 본선은 타선의 선미를 돌아서 충돌회피가 되도록 선회조종이 되어야 하는데, 3)항의 경우는 타선의 선수 쪽으로 선회조종 된 결과에 해당된다. 따라서 위의 3)은 COLREGs에 위배되는 상황이다. 따라서 위의 세 경우 모두 COLREGs에 위배된다. 이상의 결과로부터, 본 발명에서 제안된 충돌회피 모델은 제어지연이 충돌회피에 미치는 영향의 평가에 적용될 수 있는 것으로 확인되었다.

이상에서 제안된 방법의 결과를 요약하면, 본 발명에서는 제어지연에 의해 발생할 수 있는 충돌을 3.25LOA의 안전거리를 갖고 회피 될 수 있는 충돌회피 모델이 제안되었다.

이 모델에 의해서 충돌 조우상황이 가정된 네 시나리오 모두에서 충돌회피의 성공이 확인되었다. 아울러, 충돌회피가 성공될 때 본선과 타선 사이의 상대거리는 모든 시나리오에서 3.25LOA이상에서 분포됨이 확인되었다.

4종의 지연시간(30초, 60초, 90초, 120초)이 충돌회피에 미치는 영향을 제안된 모델을 이용하여 평가한 결과, 4종의 모든 지연에서 타선은 본선의 안전거리 3.25LOA를 침범하는 것으로 나타났다.

아울러, 4종의 제어지연 시간에 의해서 타선의 본선 안전거리 침범 현상은 복잡하게 나타났으나, 분석 결과 모두 COLREGs에 위배된 것으로 확인되었다.

위의 결과로부터, 본 발명에서 제안된 방법은, 제어지연에 의해 발생될 수 있는 충돌의 회피 방법으로 적용 가능함이 검증되었다.

상기와 같이 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법에 의하면, 선박의 선회권을 이용하여 제어지연에 따른 충돌 위치와 시간의 추정이 가능함에 따라 이를 통해 자율운항선박의 충돌회피를 위한 효과적인 원격제어가 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
LOA: 본선(OS)의 전장(전체 길이,m)
RA: 본선(OS) 타(Rudder)의 각도(일반적으로 +35 도부터 -35 도까지의 범위)
HOTS 와 HTS: 본선(OS)과 타선의 선수방위(0 도부터 359.9 도까지 측정)
VOTS 와 VTS: 본선(OS)과 타선의 속력(m/s)
O1, O2, O3 : 본선(OS)의 경로에서 임의로 정한 세 위치(균일한 간격)
T1, T2, T3: 타선의 경로에서 임의로 정한 세 위치(균일한 간격)
TC: 본선(OS)이 1 회전 선회한 경우가 가정된 선회권
TC-F: 본선(OS)이 타선과의 충돌회피에 실패할 때의 선회권 일부분
TC-S: 본선이 타선과의 충돌회피에 성공(Success)할 때의 선회권 일부분
O2*, O3*: 충돌회피에 성공할 때 본선의 선회시작 위치(OS2*)와 TC-S 경로 이동 후의 위치(OS3*)
Del, 제어지연(시간)으로, Del은 TC-F에 해당하는 거리의 시간
St, 본선의 선회시작 지점(x, y)
RD-F: 충돌회피에 실패할 때 두 선박 사이의 상대거리(m)
O(0,0): 선회권의 좌표 중심
R: 선회 권의 반경(m)
3.25LOA: 본선 LOA의 3.25 배에 해당하는 안전거리

Claims

자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법에 있어서,
본선의 운항변수 획득단계;
타선 운항변수 선정단계;
본선과 타선의 충돌상황 추정단계;
본선과 타선의 충돌회피를 위한 모델변수와 모델보정변수를 이용하여 선회시간과 선회시작 위치를 산출하여 상기 본선과 타선의 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계:로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
제 1항에 있어서, 상기 본선의 운항변수는 위치(경도, 위도), 시간(GMT), 속력(kt), 선수방위(도), 타각(도), 제어지연(시간) 중 어느 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
제 2항에 있어서, 상기 본선의 위치는 지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득하고, 상기 시간은 지피에스에서 제공하는 시간(GMT)으로 획득하고, 본선의 속력은 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득하고, 본선의 선수방위는 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 획득하고, 상기 타각은 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득하고, 상기 제어지연(시간)은 원격제어 시작 시간과 본선제어 시작 시간 사이의 차이를 이용하여 획득하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
제 1항에 있어서, 상기 타선의 운항변수는 위치(경도, 위도), 속력, 선수방위, 시간 중 어느 하나이고, 이는 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 이용하여 획득하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
제 1항에 있어서, 상기 본선과 타선의 충돌상황 추정단계에서,
상기 충돌상황은 최근접 여유거리(Closest Point of Approach, CPA)와 최근접여유시간(Time to CPA, TCPA)을 이용하여 추정하되,
최근접 여유거리와 최근접 여유시간은 두 선박이 주어진 코스와 속력을 유지하면서 서로 통항하는 경우 가장 짧은 거리(CPA)와 이때의 시간(TCPA)으로 추정하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
제 1항에 있어서, 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계에서,
상기 모델변수는 회피기동이 가능한 선회권을 산출하기 위하여 생성한 선회권 모델을 의미하는 것으로, 일정한 길이의 반경을 갖는 단위원에 상기 모델 보정 변수에 포함된 본선 선회권의 반경 R과 선회비율 ROT을 이용하여 보정한 모델의 반경 R*, 본선이 선회할 때 걸린 시간인 선회시간 TTC이고;,
상기 모델 보정 변수는 본선 선회권의 반경 R, 선회비율 ROT인 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 충돌회피를 위한 선회시간 산출단계에서, 좌표중심 O(0,0)을 갖는 x-y 평면 좌표계에서, 본선(OS)의 선회시작 위치 St를 하기의 수식 1로 도출하고, 상기 본선(OS)이 모델 선회권 TC을 이동하는데 걸리는 시간 TTC는 하기의 수식 2로 도출하고, 상기 본선(OS)과 타선(TS) 사이의 상대거리는 하기의 수식 3으로 도출하며, 하기의 수식 1의 선회시작 위치
에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 최적의 선회시작 위치는 하기의 수식 4로 도출하며, 수식 1의 선회시작 위치
에서 본선이 선회를 시작하는 경우 상대거리 RD가 3.25LOA의 거리를 확보할 수 있는 조건을 만족하는 선회시간은 하기의 수식 5로 도출하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 의한 충돌방지를 위한 선회시간 산출방법.
[수식 1]

여기서,
와
는 선회시작 위치의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,
와
은 시뮬레이션실험에서 측정된 본선 선회권의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,
와
은 반경 R*를 갖는 모델 선회권의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸 것임.
[수식 2]

,
여기서, R*은 모델 선회권의 반경을 나타내고, θ는 TC의 호(도)를 나타내고, VOS는 본선(OS)의 속력임.
[수식 3]

여기서
와
은 선회를 시작한 본선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타내고,
와
은 타선의 x-축과 y-축 위치를 각각 나타낸 것임.
[수식 4]

[수식 5]