KR102440069B1

KR102440069B1 - 선박 충돌 예방 장치

Info

Publication number: KR102440069B1
Application number: KR1020200167869A
Authority: KR
Inventors: 김병두
Original assignee: 김병두
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-09-02
Also published as: KR20220078378A

Abstract

본 발명은 선박의 크기와 형상을 고려하여 충돌 가능성을 보다 정확하게 판단하는 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치는 타선의 AIS 신호 또는 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신하는 표적 정보 수신부(10); 자선과 타선의 형상 정보 및 운항 정보로부터 충돌 여부를 판단하는 충돌 위험 산출부(20); 상기 충돌 위험 산출부(20)에서 충돌로 판단하는 경우 경고를 알리는 충돌 위험 경고 생성부(30); 선박의 종류별로 전장, 폭을 포함하는 물리 정보와 레이더 수신 신호 프로파일을 저장하는 선박 DB(50) 및 상기 표적 정보 수신부(10)에서 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신한 경우 레이더 수신 신호 프로파일을 상기 선박 DB(50)에 전달하고 대응되는 표적 형상 정보를 수신하여 상기 충돌 위험 산출부(20)에 전달하는 표적 정보 추출부(60)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

선박 충돌 예방 장치 {SHIP COLLISION PREVENTION APPARATUS}

본 발명은 해상에서 이동 중인 선박의 충돌을 예방하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 크기와 형상을 고려하여 충돌 가능성을 보다 정확하게 판단하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 선박이 통행하는 항로가 있다고 하더라도 바다는 도로와 같이 선박의 경로를 제한할 수 있는 환경이 아니기 때문에 선박의 충돌을 미연에 예방하는 것은 매우 중요하다. 이에 따라 해상에서 선박 간 충돌을 예방하는 장치가 개발 및 이용되고 있다.

‘특허문헌 1’에 게재된 발명은 종래의 선박 충돌 예방 장치의 일례로서, 도 1은 종래의 선박 충돌 예방 장치의 구성도이고, 도 2는 종래의 선박 충돌 예방 장치가 충돌 여부를 예상하는 기작을 도시한 것이다. 종래의 선박 충돌 예방 장치는 위치 정보 수신부(1), 통신부(3), 충돌 예측 판단부(5) 및 경보신호 출력부(7)를 구비하여, 위치 정보 수신부(1)가 GPS 위성으로부터 제1, 제2 선박(S1, S2)의 초기 위치 정보를 수신하고, 통신부(3)가 제1, 제2 선박(S1, S2)로부터 시간 t 후의 속도와 침로를 수신하며, 충돌 예측 판단부(5)가 제1, 제2 선박(S1, S2)의 상대속도 및 상대침로를 포함하는 상대 위치를 연산하여 소정 시간 간격에서 제1, 제2 선박의 최근접 거리가 감소하는 경우 제1, 제2 선박이 충돌 가능한 것으로 예측하여 경보신호 출력부(7)를 통해 경보를 출력함으로써 선박의 충돌을 예방한다.

그런데 종래의 선박 충돌 예방 장치는 선박을 점으로 가정하여 충돌을 예측하기 때문에 부피가 있는 실제 선박이 충돌 예정이더라도 충돌하지 않는 것으로 판단하는 문제가 있다. 이 경우 최근접 거리를 조금 더 늘려 충돌로 판단할 가능성을 높일 수는 있겠지만, 대부분의 선박이 긴 유선형을 띠는 것을 고려한다면 충돌하지 않는 경우를 충돌로 판단하는 경우가 많아져 불필요한 회피 기동이나 정지가 잦아지는 문제가 있다.

KR 10-1307179 B1 (2013. 9. 5.)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선박의 실제 크기와 형상을 고려하여 선박의 충돌 여부를 판단하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치는 타선의 AIS 신호 또는 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신하는 표적 정보 수신부; 자선과 타선의 형상 정보 및 운항 정보로부터 충돌 여부를 판단하는 충돌 위험 산출부; 상기 충돌 위험 산출부에서 충돌로 판단하는 경우 경고를 알리는 충돌 위험 경고 생성부; 선박의 종류별로 전장, 폭을 포함하는 물리 정보와 레이더 수신 신호 프로파일을 저장하는 선박 DB 및 상기 표적 정보 수신부에서 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신한 경우 레이더 수신 신호 프로파일을 상기 선박 DB에 전달하고 대응되는 표적 형상 정보를 수신하여 상기 충돌 위험 산출부에 전달하는 표적 정보 추출부로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치는 선박의 전장과 폭을 고려하여 충돌 여부를 판단하기 때문에 충돌 가능성 판단이 더욱 정확해진다.

또 AIS 장치를 구비하지 않는 타선에 대해서도 선박의 전장과 폭을 고려한 충돌 여부 판단이 가능하다.

도 1은 종래의 선박 충돌 예방 장치의 구성도
도 2는 종래의 선박 충돌 예방 장치가 충돌 여부를 예상하는 기작
도 3은 선박의 크기와 형상을 고려한 자선과 타선의 위치
도 4는 소정 시간 후 자선과 타선의 충돌 상황
도 5는 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치의 구성도 겸 동작 흐름도
도 6은 자선의 형상 정보
도 7은 타선의 형상 정보
도 8은 선박 DB를 구축하기 위한 구성
도 9는 정북을 기준으로 한 자선과 타선 침로의 예시도
도 10은 형상 정보가 6개인 경우의 예시도

이하에서는 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 선박의 크기와 형상을 고려한 자선과 타선의 위치를 도시한 것이고, 도 4는 소정 시간 후 자선과 타선의 충돌 상황을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 것처럼 자선과 타선을 실제 크기와 형상으로 고려하는 경우 도 4와 같이 소정 시간 후에는 자선과 타선이 충돌할 가능성이 있다. 이는 종래와 같이 자선과 타선을 점(S1, S2)로 가정한 경우 최근접 거리의 설정에 따라 선박이 충돌하지 않는 것으로 예측될 수 있는 것과 다른 결과를 낳게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치의 구성도 겸 동작 흐름도이다. 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치는 표적 정보 수신부(10), 충돌 위험 산출부(20), 충돌 위험 경고 생성부(30), 선박 DB(50) 및 표적 정보 추출부(60)로 구성되고, 충돌 위험 영역 표시부(40)를 더 포함할 수 있다.

표적 정보 수신부(10)는 타선의 AIS(Automatic Identification System, 선박 자동 식별 장치) 신호 또는 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신하는 구성요소이다. 현재 300톤 이상의 선박은 AIS 탑재가 의무화되어 있어 이 경우 타선이 주기적으로 자동 전송하는 AIS 신호를 수신함으로써 표적, 즉 타선에 대한 정보를 수신할 수 있다. AIS 신호에는 선박명, 호출부호, 선박 종류, 출항지, 목적지, 도착 예정 시간, 선박의 위치, 침로, 속도 등의 정보가 포함되어 있어 선박 종류로부터 선박의 전장이나 폭을 알 수 있고, 위치, 침로, 속도는 AIS 신호로부터 알 수 있다. 300톤 미만인 경우 AIS가 탑재되어 있다면 AIS 신호로, AIS 미탑재 시에는 자선의 레이더 반사 신호를 검출하여 표적에 대한 정보를 추측한다. 표적의 형상 정보 추측에 대해서는 이하 선박 DB(50)와 관련하여 다시 설명한다. AIS 신호인지 여부가 표적 형상 정보를 추출하는 방법을 결정하게 되므로 표적 정보 수신부(10)는 수신되는 표적 정보가 AIS 신호인지를 판단하는 구성을 포함하여야 한다.

충돌 위험 산출부(20)는 자선과 타선의 형상 정보 및 운항 정보로부터 충돌 여부를 판단하고 충돌 위치를 추측하는 구성요소로서, 본 발명에서 형상 정보란 자선과 타선의 전장과 폭이 포함되도록 도시되는 다각형을 의미하고 운항 정보란 자선과 타선의 위치, 침로, 속도를 의미한다. 본 발명에서는 자선과 타선을 다각형으로 가정하여 운항 정보에 따라 충돌 여부를 판단하고 충돌 위치를 추측한다.

도 6은 자선의 형상 정보를 도시한 것이고, 도 7은 타선의 형상 정보를 도시한 것이다. 본 발명에서 자선과 타선의 형상 정보는 선박마다 설정되어 있는 CCRP(Consistent Common Reference Point, 공통 기준점)를 기준으로 하여, 전장을 세로 길이로 하고, 폭을 가로 길이로 하는 직사각형(BOX_P, BOX_Q)의 각 꼭지점(P₁ 내지 P₄, Q₁ 내지 Q₄)으로 정의된다. 자선의 형상 정보는 자선의 선수 침로 중심을 Y축으로 하고, 자선의 고물 끝단을 X축으로 하여 도 6(a)에 도시된 것처럼 P_N = (X_N, Y_N), N = 자연수로 표시할 수 있는데, CCRP(X_P, Y_P)가 좌표축의 원점에 있는 것이 아닌 경우도 있으므로, CCRP가 좌표축의 원점이 되도록 평행이동하면 도 6(b)에 도시된 바와 같이 P_N = (X_N - X_P, Y_N - Y_P), N = 자연수로 표시할 수 있다.

타선에 대해서도 자선의 경우와 마찬가지로 Q_M = (χ_M, ψ_M), M = 자연수로 표시할 수 있고, 타선 CCRP(χ_Q, ψ_Q)를 원점으로 한다면 Q_M = (χ_M - χ_Q, ψ_M - ψ_Q)로 표시할 수 있다. 자선과 타선의 형상 정보를 CCRP를 기준으로 하는 이유는 충돌 여부 판단, 충돌 지점 추측에 필요한 연산량을 줄이기 위한 것으로 이에 대해서는 다시 설명하도록 한다.

이와 같이 자선과 타선의 형상 정보가 정의되면, 자선과 타선을 표시하는 직사각형(BOX_P, BOX_Q)이 현재 자선과 타선의 침로 및 속력으로 진행했을 때 자선과 타선의 형상 정보 간 CPA(Closest Point of Approach, 최근접점)을 계산하고 계산된 CPA 중 최솟값이 CPA 임계값보다 작으면 충돌로 판단한다. CPA로는 DCPA(Distance at Closest Point of Approach, 최단접근거리)와 TCPA(Time to Closest Point of Approach, 최단접근시간)이 사용될 수 있다.

충돌 지점은 계산된 CPA 중 최솟값에 해당하는 자선과 타선의 형상 정보 조합에 대해 자선과 타선을 표시하는 직사각형(BOX_P, BOX_Q)이 만나는 곳으로 추측한다. 이 과정에서 자선과 타선의 침로 및 속력이 변경되는 경우 변경된 운항 정보에 의해 다시 충돌 여부 및 충돌 위치를 도출한다. 따라서 AIS 신호가 수신되는 경우에는 그 수신 주기(예를 들어, 2초, 3초, 30초 등)마다, AIS 신호가 수신되지 않아 자선의 레이더 반사 신호를 이용하는 경우에는 레이더 스캔 주기마다 충돌 여부 및 충돌 위치를 도출하게 된다. 이와 같은 과정을 반복하여 충돌하지 않을 것으로 판단되는 시점에서 침로와 속도를 유지함으로써 충돌을 예방할 수 있다. 만약 타선이 소규모 선박 등으로 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치에 준하는 장치를 구비하지 못한 경우에는 충돌하지 않을 것으로 판단되는 시점에 타선에 현재 침로와 속도를 유지할 것을 요청하는 신호를 전송할 수 있다.

충돌 위험 경고 생성부(30)는 충돌 위험 산출부(20)에서 충돌로 판단하는 경우 경고를 알리는 구성요소로서, 자선에 대한 경고뿐만 아니라 통신부(미도시)를 통해 타선에 대해서도 경고를 알릴 수 있다.

충돌 위험 영역 표시부(40)는 충돌 예상 시 자선과 타선의 충돌 지점을 표시하는 구성요소로서, 자선의 형상 정보를 이용하여 충돌 위험 영역을 표시할 수 있다. 예를 들면, 우현 충돌이 예상되는 경우 도 6에서 선분 P₃P₄로 표시할 수 있고, 전방 충돌이 예상되는 경우 도 6에서 선분 P₂P₃로 표시할 수 있다. 타선의 경우 타선의 형상 정보가 자선의 선분 P₃P₄ 등과 만나게 되므로, 형상 정보가 충돌 위험 영역으로 표시된다. 도 4의 경우라면 자선의 우현과 타선의 전방 우측이 충돌하게 되므로, 표시되는 충돌 위험 영역은 자선의 선분 P₃P₄, 타선의 Q₃이 된다.

충돌 위험 영역을 더 자세히 표시하기 위해서는 자선의 P₃P₄ 등의 내분점으로 표시할 수 있다. 가령 자선의 우현 하단의 끝에서 1/10 지점이라면, 충돌 위험 영역을 자선의 선분 P₃P₄(10%) 등으로 표시할 수 있다.

선박 DB(50)는 선박의 종류별로 전장, 폭 등의 물리 정보와 신호 프로파일을 저장하는 구성요소로서, 표적 정보 수신부(10)에 AIS 신호가 수신되지 않는 경우, 즉 자선이 타선을 레이더로 탐지한 경우에 타선 형상 정보를 특정하기 위하여 필요한 구성이다.

레이더로 타선을 탐지하는 경우 타선의 침로, 거리 등에 따라 레이더 수신 신호의 프로파일이 달라지게 되므로 선박의 종류별로 많은 수의 레이더 수신 신호 프로파일을 수집할 필요가 있다.

도 8은 선박 DB를 구축하기 위한 구성을 도시한 것으로서, 선박 DB(50) 구축 장치는 신호처리부(51), 표적 추적 및 프로파일 매칭부(53) 및 표적 분류 학습부(55)로 구성되어, 레이더 수신 신호와 선박 종류를 매칭하여 선박 DB(50)에 테이블로 저장한다. 본 발명에서 선박 DB(50)는 300톤 미만 선박의 경우에도 AIS 장치를 구비하는 경우가 있다는 것을 이용한 것이다. 평상 시 AIS 장치가 구비된 300톤 미만 선박의 프로파일을 수집해 놓고 AIS 장치가 없는 타선의 레이더 수신 신호 프로파일을 선박 DB(50)와 비교하여 가장 가능성이 높은 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 추출한다. 이와 같이 한다면 AIS 신호를 수신하는 경우와 동일한 프로세스로 충돌 여부나 충돌 위치를 도출할 수 있다.

신호처리부(51)는 레이더 수신 신호를 소정 포맷의 프로파일로 변환하는 구성요소로서, 코드 또는 레이더 수신 신호에서 도출되는 영상일 수 있다.

표적 추적 및 프로파일 매칭부(53)는 신호처리부(51)에서 출력되는 프로파일과 AIS 표적 정보에서 도출되는 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 매칭시키는 구성요소이다.

표적 분류 학습부(55)는 표적 추적 및 프로파일 매칭부(53)에서 매칭된 프로파일과 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 머신러닝이나 딥러닝 등으로 학습시켜 추상화하는 구성요소이다. 표적 추적 및 프로파일 매칭부(53)에서 매칭된 데이터는 개개의 상황에 따른 것이므로 이를 규칙화하지 않으면 타선의 레이더 수신 신호 프로파일이 수신되더라도 판단할 수가 없게 된다. 따라서 매칭된 프로파일과 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 학습하여 분류함으로서 표적 판단이 쉽게 이루어지도록 한다. 학습 방법으로는 데이터의 특징을 추출하여 패턴을 파악하는데 적용이 용이한 CNN(Convolutional Neutral Network, 합성곱신경망)이 적합하다.

선박 DB(50) 구축 장치에 의해 도출되는 선박 DB(50)의 포맷은 예를 들면, 아래 [표 1]과 같다.

선박 종류	전장(m)	폭(m)	거리(m)	침로	프로파일
어선 1	20	4	900	NNE	k
작업선 1	27	5	400	SES	p

표적 정보 추출부(60)는 표적 정보 수신부(10)에서 AIS 신호가 수신되지 않은 경우로 판단한 경우, 즉 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신하는 경우 레이더 수신 신호 프로파일을 선박 DB(50)에 전달하고 대응되는 표적 형상 정보를 수신하여 충돌 위험 산출부(20)에 전달하는 구성요소이다.

다음으로, 본 발명에 따른 선박 충돌 예방 장치를 더 효과적으로 구현할 수 있는 실시형태를 설명한다. 위에서 살펴보았지만, 본 발명의 본질은 자선과 타선의 형상 정보의 특정 및 침로, 속력에 따른 충돌 여부 판단 등이다. 따라서 연산(calculation)량이 많아지게 되는데 위 도 6 및 7을 그대로 적용한다면 자선과 타선 각각 4개의 점에 대해 연산을 주기적으로 수행해야 한다. 그런데 자선과 타선의 침로를 고려하면 충돌이 발생할 가능성이 없는 꼭짓점이나 선분이 있으므로 이를 배제한다면 연산량을 현저히 줄일 수 있게 된다.

도 9는 정북을 기준으로 한 자선과 타선 침로의 예시도로서, 자선의 침로를 θ_S, 타선의 침로를 θ_T라 한다. 이 경우 자선을 기준으로 한 상대침로 θ_TS = θ_T - θ_S가 되고, 표적(타선)을 기준으로 한 상대침로 θ_ST = θ_S - θ_T가 되며, 이렇게 도출된 상대침로를 이용하여 연산이 필요한 자선과 타선의 형상 정보를 선택하는 것이다. 도 6 및 7에서 CCRP를 원점으로 할 때 자선과 타선의 형상 정보가 Y축(자선의 경우) 또는 Ψ축(타선의 경우)과 이루는 각을 각각 θ_P,N, θ_Q,M이라 한다. 자선 기준 상대침로 θ_TS가 θ_P,N과 반대 방향일수록 충돌 가능성이 낮아지므로, 아래 [수학식 1]을 만족하면 연산할 형상 정보로 선택하고 아니면 제외할 수 있다.

마찬가지로 타선에 대해서도 아래 [수학식 2]를 만족하면 연산할 형상 정보로 선택하고 아니면 제외할 수 있다.

위 [수학식 1] 및 [수학식 2]에서 α와 β는 설계 변수로서, α, β가 작을수록 연산량은 적어지지만 충돌 가능성을 부정확하게 판단할 수 있다. 따라서 적절한 α, β값을 설정하는 것이 중요한데, 적어도 α = β = 90°로 설정하면 놓치는 형상 정보는 없앨 수 있다. 예를 들어, 자선과 타선의 형상 정보가 각각 4개라면 원래는 16개의 연산을 수행해야 하지만, 위 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 적용하여 각각 1개씩의 형상 정보를 제외할 수 있다면 9개의 연산을 수행하면 되므로, 연산량을 약 44% 감소시킬 수 있다.

이러한 형상 정보 배제 알고리즘은 형상 정보가 많아질수록 더욱 유용해진다. 도 10은 형상 정보가 6개인 경우의 예시도로서, 다각형이 선박의 형상에 더욱 유사해진 것을 알 수 있다. 도 10의 예에서 2개의 점을 배제할 수 있다면, 연산량이 36개에서 16개로 줄어들어 무려 56%의 연산을 감소시킬 수 있다.

10 표적 정보 수신부 20 충돌 위험 산출부
30 충돌 위험 경고 생성부 40 충돌 위험 영역 표시부
50 선박 DB 51 신호처리부
53 표적 추적 및 프로파일 매칭부 55 표적 분류 학습부
60 표적 정보 추출부

Claims

타선의 AIS 신호 또는 자선에서 탐지하는 레이더 신호를 수신하는 표적 정보 수신부(10);
자선과 타선의 형상 정보 및 운항 정보로부터 충돌 여부를 판단하는 충돌 위험 산출부(20);
상기 충돌 위험 산출부(20)에서 충돌로 판단하는 경우 경고를 알리는 충돌 위험 경고 생성부(30);
선박의 종류별로 전장, 폭을 포함하는 물리 정보와 레이더 수신 신호 프로파일을 저장하는 선박 DB(50) 및
상기 표적 정보 수신부(10)에 타선의 AIS 신호가 수신되지 않는 경우 상기 자선에서 탐지한 레이더 수신 신호 프로파일을 상기 선박 DB(50)에 전달하고 대응되는 표적 형상 정보를 수신하여 상기 충돌 위험 산출부(20)에 전달하는 표적 정보 추출부(60)로 구성되고,
상기 선박 DB(50)의 구축 장치가 레이더 수신 신호를 소정 포맷의 프로파일로 변환하는 신호처리부(51);
상기 신호처리부(51)에서 출력되는 프로파일과 AIS 표적 정보에서 도출되는 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 매칭시키는 표적 추적 및 프로파일 매칭부(53) 및
상기 표적 추적 및 프로파일 매칭부(53)에서 매칭된 프로파일과 선박 종류, 전장, 폭, 거리, 침로를 학습시켜 상기 선박 DB(50)에 저장하는 표적 분류 학습부(55)로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박 충돌 예방 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 자선과 타선의 형상 정보가 선박마다 설정되어 있는 CCRP를 기준으로 하여, 전장을 세로 길이로 하고, 폭을 가로 길이로 하는 직사각형의 각 꼭지점으로 정의되고,
자선과 타선이 상기 타선의 AIS 신호 또는 자선에서 탐지하는 레이더 신호가 수신된 시점의 침로 및 속력으로 진행했을 때 자선과 타선의 형상 정보 간 CPA을 계산하고 계산된 CPA 중 최솟값이 CPA 임계값보다 작으면 충돌로 판단하는 것을 특징으로 하는 선박 충돌 예방 장치.
청구항 1에 있어서,
충돌 예상 시 자선과 타선의 형상 정보를 이용하여 자선과 타선의 충돌 지점을 표시하는 충돌 위험 영역 표시부(40)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박 충돌 예방 장치.
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