KR102598493B1 - 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법을 개시한다.
본 발명은 실선실험장치의 선정과, 성능평가를 위한 데이터 획득방법과, 원격제어의 실선실험방법으로 이루어진 실선실험방법; 원격제어의 성능평가 절차와, 원격조작성능의 평가와, 원격조정성능의 평가로 이루어진 원격제어의 성능평가방법으로 구성된다.
이와 같은 구성의 본 발명은, 자율운항선박의 원격제어에서 원격제어시스템의 성능 미달로 인한 선박제어장치들의 원격조작 실패와 선박의 원격조종 실패를 방지함으로써 자율운항선박의 안전성과 운항 경제성을 확보할 수 있고, 실제 선박을 이용하여 자율운항선박 원격제어를 실험하고 성능을 평가할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 원격제어시스템의 원격조작성능과 원격제어성능을 정량적으로 평가하여 가시화할 수 있는 자율운항선박의 원격제어시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.

Description

자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법{Methods for performance experiment and evaluation using real ships in the auto-remote of maritime autonomous surface ships}

본 발명은 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원격지에서 인간(원격제어자)에 의해 운영되는 원격제어시스템을 이용하는 자율운항선박 원격제어의 성능을 실제 선박을 이용하여 평가할시, 관련된 법을 준수하기 위하여 선원법과 선박안전법에 명시된 선장 또는 선장 대리인의 임무를 원격제어자가 대신할 수 있는 실선실험 장치를 구성하고, 선장과 선장대리인의 역할에 따라서 다양하게 구현 가능한 실선실험 방법과 시나리오 기반의 원격제어성능 평가방법을 이용하여, 자율운항선박의 제어장치들을 원격으로 조작할 수 있는 원격조작성능과 자율운항선박을 원격으로 조종할 수 있는 원격조종성능을 정량적으로 평가하여 가시화함으로써, 원격제어시스템의 원격제어성능 미달로 인한 충돌, 좌초, 접촉 등의 해양사고 예방에 기여함은 물론, 현재 국내외 법과 규정에서 주요 이슈로 대두되고 있는 실제 선박을 이용한 자율운항선박 원격제어의 실험과 성능평가에 관한 기술을 선점하기 위한 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 원격제어가 가능한 수준이며, 레벨3은 선원이 승선하지 않거나 또는 최소인원만 승선한 경우 원격제어가 가능하고 기관이 자동화된 수준이다. 끝으로 레벨4는 선박에 사람이 없는 완전 무인화 수준인데, 국내외적인 개발목표는 기존 유인선박(사람이 제어하는 선박)에 원격제어 장치를 부가하여 원격에서 제어 가능한 레벨2와 레벨3 사이에 있다. 레벨2와 레벨3 사이에서 요구되는 기술은 원격제어자가 원격으로 자율운항선박을 안전하게 조종하는 것인데 이를 위해 자율운항선박을 원격으로 제어하기 위한 원격제어시스템의 성능이 확보되어야 한다.

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

이에, 자율운항선박의 운항 안전성과 실효성을 확보하기 위한 방안으로 육상원격 제어시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 이것은 육상원격 제어시스템을 통해 자율운항 시스템의 고장 또는 기능의 고장 또는 여하 한의 이유로 인하여 자율운항이 불가능한 경우 이를 대비하기 위함이다. 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.

한편, 자율운항선박의 원격제어는 3요소(선박, 원격제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해 실행됨으로 원격제어의 성공적인 구현을 담보할 수 있는 원격제어시스템의 성능은 일정한 기준 이상이 확보되어야 한다. 원격제어시스템의 성능이 미달되면 두 가지 주요 문제가 발생하는데, 그 것은 선박의 제어장치들에 대한 원격조작(remote manipulation)의 실패와 선박의 원격조종(remote maneuvering)의 실패이다. 원격조작과 원격조종은 서로 유동적으로 연계되어 발생하는 것으로, 원격조작은 주로 3종의 선박제어장치(러더, 엔진, 바우쓰러스터)를 원격지에서 조작하는 제어행위를 나타내고, 원격조종은 원격조작에 의해 발생하는 물리 현상을 이용하여 선박을 원하는 목적지까지 이동하기 위한 제어행위를 나타낸다.

아울러, 원격조작은 선박 안전성과 관계된 것으로, 선박에 위급한 상황(충돌 직전, 좌초 직전 등)이 발생할시 선박제어장치에 대한 원격조작이 실패하면 선박은 충돌, 좌초 등의 해양사고가 발생할 수 있다. 또한, 원격조종은 선박 안전성과 운항 경제성이 서로 연계된 것으로, 원격조종이 실패하면 충돌, 좌초 등의 해양사고는 물론 계획된 항로에서 이탈하여 항해 거리가 증가할 수 있고 기상이 악화된 경우 선박의 자세제어가 곤란하여 선박이 전복될 수 있다.

따라서 원격제어시스템의 성능은 실제 선박의 안전성과 운항 경제성을 확보할 수 있는 수준이 필요한데, 이를 위해서는 실제 선박을 대상으로 성능을 평가해야 한다. 그러나 실제 선박을 이용한 원격제어 실험에 관한 규정은 현재 없고, 국내 법(선원법과 해사안전법)과 국제규정에 의하면 국제해상운송에 종사하는 모든 선박은 인간(선장 또는 선장 대리인)에 의해서 제어해야 하는 것으로 정해져 있기 때문에 실제 선박을 이용한 원격제어 실험을 위해서는 새로운 방법의 개발이 시급히 필요하다.

자율운항선박 원격제어를 위한 원격제어시스템의 실험방법과 성능평가방법을 고찰하면 다음과 같다.

먼저, 원격제어시스템의 실험방법은 1) 원격제어시스템의 제어모델을 적용한 수치해석을 이용하는 방법, 2) 원격제어시스템의 기능을 모사한 선박조종시뮬레이터를 이용하는 방법, 3) 본 발명에서 제안한 실선을 이용하는 방법 등을 고려할 수 있다. 위의 1)과 2)의 방법은 다양한 제어원리와 수학모델 그리고 첨단 시뮬레이션 기술 등을 이용한 다수의 학술적 성과와 특허가 현재 발표되어 있으나, 3)의 방법은 아직 학술적 성과와 특허로 발표된 것은 없는데 그 이유는 선박은 관련법과 국제규정에 따라서 선장 또는 선장대리인에 의해서 지휘하고 제어해야 된다는 규정 때문이다.

다음으로, 원격제어시스템의 성능평가방법은 본 발명자에 의해서 다양한 학술성과와 특허가 출원되어 있으나 실제 선박을 이용한 성능평가방법은 공개된 것이 없으므로, 이를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

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 현재의 관련법과 국제규정을 준수하면서 실제 선박을 이용하여 원격제어의 성능을 평가할 수 있는 실험방법과 성능평가방안으로 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 1. 실제 운항 중인 선박을 이용한 원격제어의 실험방법과 성능평가 방법, 2. 관련법을 준수할 수 있는 원격제어의 실험방법, 3. 선장과 원격제어자로서 선장대리인을 이용한 원격제어 실험방법, 4. 선장이 선박을 직접 제어하고 선장대리인은 추종하는 실험방법, 5. 선장이 선장대리인의 제어명령을 이용하여 선박을 제어하는 실험방법, 6. 선장대리인이 선장을 이용하여 선박을 제어하는 실험방법, 7. 선장대리인이 선박을 제어하고 위급시 선장이 제어할 수 있는 실험방법, 8. 선장대리인이 선박을 제어하고 선장은 제어결과를 감시하는 실험방법, 9. 원격제어의 성능평가 방법과 절차 및 시나리오와 구현수단, 10. 원격제어성능을 원격조작성능과 원격제어성능으로 구분한 평가방법, 11. 원격조작성능의 평가방법과 가시화창을 이용한 보고방법, 12. 원격조종성능의 평가방법과 가시화창을 이용한 보고방법으로 이루어진 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법은,

실선실험장치의 선정과, 성능평가를 위한 데이터 획득방법과, 원격제어의 실선실험방법으로 이루어진 실선실험방법; 원격제어의 성능평가 절차와, 원격조작성능의 평가와, 원격조종성능의 평가로 이루어진 원격제어의 성능평가방법;으로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 실선실험장치 선정에서 실험장치는, 선장대리인의 제어명령을 선장에게 가시화하기 위한 제어명령가시화장치; 선장대리인의 제어명령을 선박제어장치들에게 전달하는 선박제어인터페이스; 선장대리인의 제어명령을 선박에서 추종하기 위한 선박제어모사장치; 선장과 선장대리인이 음성으로 서로 명령을 주고 받도록 하기 위한 음성통화장치 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 제어명령가시화장치는 선박에서 처리한 제어데이터(Control Data)에서 명령러더각도(C-rudder-angle), 명령엔진회전수(C-RPM), 명령바우쓰러스터(C-bow-thruster)로 된 3종 원격제어명령을 도출한 후 제어명령가시화창으로 가시화하되;, 상기 명령러더각도는 Rudder Angle(Degree)로 나타낸 박스에 (P/S)DD.d의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현(Port) 또는 우현(Starboard)을 나타내고 DD.d는 2단위의 도와 1단위의 1/10도를 나타내고;, 상기 명령엔진회전수는 Engine(RPM)로 나타낸 박스에 NNN의 형태로 가시화하는데, NNN은 3단위의 분당회전수를 나타내며;, 상기 명령바우쓰러스터는 Pitch Angle(%)로 나타낸 박스에 (P/S)NN.n의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현(Port) 또는 우현(Starboard)을 나타내고 NN.n은 2단위의 피치와 1단위의 1/10피치를 나타내는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 선박제어인터페이스는, 선박에서 처리한 제어데이터에서 디지털 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시키고;, 그런 후, 상기 명령러더각도는 선박에 장착된 자동조타장치의 조타기제어신호 입력단자에 접속하여 러더의 제어명령을 전달하며;, 상기 명령엔진회전수는 선박에 장착된 텔레그래프의 엔진제어신호 입력단자에 접속하여 엔진의 제어명령을 전달하고;, 상기 명령바우쓰러스터는 선박에 장착된 바우쓰러스터의 제어신호 입력단자에 접속하여 바우쓰러스터의 제어명령을 전달하도록 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 선박제어모사장치는 선박에서 수집한 제어데이터에서 디지털 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시키는 과정;, 상기 과정에 이어서 상기 명령러더각도와 명령엔진회전수 그리고 명령바우쓰러스터 피치를 아날로그 표시기를 이용하여 각각 가시화하고, 다시 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D Converter에 입력하여 디지털 형태의 3종 모사데이터(EM-rudder angle, EM-RPM, EM-bow-thruster)를 생성하는 과정;,상기 3종 모사데이터는 디지털데이터처리장치를 이용하여 합성한 후, 항해데이터 수집단계로 전송하는 과정으로 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 데이터 획득방법은, 원격제어 과정에서 발생한 모든 항해데이터와 제어데이터 그리고 모사데이터는 데이터베이스(DB)에 저장하고, 데이터베이스(DB)는 항해데이터, 제어데이터, 모사데이터로 이루어진 3종 데이터를 이용하여 구축하되;, 상기 항해데이터는 선박에 장착된 항해데이터기록장치(VDR)를 이용하여 획득하고, 상기 제어데이터는 원격제어장치에서 발생하는 데이터를 획득하며, 모사데이터는 선박제어모사장치에서 생성한 데이터를 획득하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 항해데이터(N-data)는 N-time, GPS 시간을 이용하여 측정한 데이터 획득시간; N-position, GPS로 측정한 위치(위도, 경도); N-heading, 자이로컴퍼스를 이용하여 측정한 선수방위; N-speed, 속력측정장치를 이용하여 측정한 속력; N-rudder-angle, 자동조타장치에서 측정한 러더의 각도; N-bow-thruster, 바우쓰러스터에서 측정한 피치(%) 중 어느 하나 이상을 포함하고;, 상기 제어데이터(C-data)는 C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 코스; C-heading, 제어선수방위; C-rudder-angle, 제어러더각도; C-RPM, 제어엔진회전수; C-bow-thruster, 제어바우쓰러스터 피치 중 어느 하나 이상을 포함하며;, 상기 모사데이터(EM-data)는 EM-time, GPS 시간을 이용한 제어명령수신시각; EM-speed, 제어명령속도; EM-heading, 제어명령선수방위, EM-course, 제어명령코스; EM-rudder-angle, 제어명령러더각도; EM-RPM, 제어명령엔진회전수; EM-bow-thruster, 제어명령바우쓰러스터 피치 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격제어의 실선실험방법은, 선박의 크기, 엔진성능, 러더의 성능으로 이루어진 제원과 실험해역의 교통량과 기상조건 그리고 통신장치들의 도달거리로 된 실험조건과 실험목적을 고려하여 수행되는 것으로, 하기의 (method 1)에 나타낸 11종의 실험과정을 이용하여 하기의 (method 2)에 나타낸 5종의 실선실험 방법 중 선택되는 것에 있다.

(method 1)

①은 선장이 제어명령(A)을 발생하여 선박(MASS)을 제어하는 과정

②는 선장이 제어명령(A)을 (a)음성통화 장치로 전송하는 과정

③은 (a)음성통화 장치에서 제어명령(A)을 선장대리인에게 전송하는 과정

④는 선장대리인의 제어명령(B)을 원격제어장치로 전송하는 과정

⑤는 원격제어장치에서 (d)선박제어모사장치로 제어데이터를 전송하는 과정

⑥은 원격제어장치에서 (c)선박제어인터페이스로 제어데이터를 전송하는 과정

⑦은 원격제어장치에서 (b)제어명령가시화장치로 제어데이터를 전송하는 과정

⑧은 제어명령가시화장치에서 선장에게 제어명령을 가시화하는 과정

⑨는 (c)선박제어인터페이스에서 선박으로 제어데이터를 전송하는 과정

⑩은 선박에서 제어응답(A)을 생성하는 과정

⑪은 (d)선박제어모사장치에서 제어응답(B)을 생성하는 과정

(method 2)

실선실험방법 1은 선장과 선장대리인이 (a)음성통화 장치를 통해 음성으로 제어명령을 주고받는 선장의 직접제어 방법으로서, 선장은 선박을 직접 제어하면서 제어명령(A)을 선장대리인에게 (a)음성통화장치를 이용하여 전달하고, 선장대리인은 선장의 제어명령(A)을 추종하여 제어명령(B)을 발생시킨다. 선장의 제어결과는 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 추종결과는 ②, ③, ④, ⑤ 그리고 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어명령(B)로 획득.

실험방법 2는 선장이 제어명령 가시화창에 나타낸 선장대리인의 제어명령(B)을 이용하여 제어하는 선장의 간접제어 방법으로서, 제어명령(B)은 선장이 (a)음성통화장치를 통해 선장대리인에게 준 제어명령(A)을 선장대리인이 다시 추종하여 발생시킨 것이고, 선장의 제어결과는 ②, ③, ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.

실험방법 3은 선장대리인의 간접제어 방법으로서, 선장대리인이 선장을 이용하여 간접적으로 제어하도록 선장대리인이 (b)제어명령가시화장치를 이용하여 제어명령(B)을 가시화시키면 선장은 가시화된 제어명령(B)을 보고 선박을 제어하고, 선장대리인의 간접 제어결과는 ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.

실험방법 4는 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 간접 또는 직접적으로 선박을 제어하기 위한 것으로, 선장은 (b)제어명령가시화장치를 통해 선장대리인의 제어명령(B)을 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입하고, 선장대리인의 간접 또는 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해 제어응답( A)로 획득하고, 선장의 감시와 개입은 ⑦과 ⑧ 그리고 ①의 과정을 통해 구현하며, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.

실험방법 5는 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 직접 선박을 제어하는 방법으로서, 선장은 선장대리인의 제어결과를 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입하고, 선장대리인의 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장의 개입은 ①과 ⑩의 과정을 통해서 구현.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격제어의 성능평가 절차는

성능평가 시나리오를 이용하여 원격제어 실험을 수행하고, 실선실험을 통해서 데이터를 수집하여 DB(데이터베이스)에 저장한다. 실선실험은 시나리오에 정해진 절차를 모두 완성하기 전까지 반복하여 수행하고, 선택한 실선실험방법이 종료되면 다음 실선실험방법을 선택하여 실험을 계속하거나 또는 실험을 종료하는 실선실험 부분과; DB에서 데이터를 호출하여 획득한 후 제어명령 데이터에서 선박에 준 명령 값을 도출하고, 제어응답 데이터에서 선박의 제어응답(A)의 값 또는 모사장치의 제어응답(B)의 값을 도출하여, 성능평가 시나리오에 명시된 성능평가 변수들의 값을 계산하는 과정과, 이어서 선박제어장치의 원격조작성능 또는 선박의 원격조종성능을 평가하고 그 결과를 원격조작성능평가 가시화창, 원격조종성능평가 가시화창을 이용하여 보고하는 성능평가 부분으로 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격조작성능의 평가는, n(n=1,2,3,4,5)의 제어상태로 구분한 제어명령 값의 세트(O(n))를 이용하여 구축하고, 제어명령 값들은 3종 선박제어장치를 지그재그 형태로 조작하기 위한 것으로, n=1에서 3종 선박제어장치 모두의 초기 제어명령 값은 모두 영(0)으로 정한 후 선박제어장치 각각의 제어명령 값을 n=1부터 n=2까지 증가시키고, n=2부터 n=3까지 감소시키고, n=3부터 n=4까지 지속적으로 감소시키고, n=4부터 n=5까지 다시 증가시키고, n=5에서 3종 선박제어장치 모두의 제어명령 값을 영(0)으로 정한 원격조작성능의 평가 시나리오와;, 구축한 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정하는 제어명령 값 설정과, 이후 실선실험에서 저장한 DB에서 획득하는 제어응답 값 획득과, 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고하는 성능계산과 보고로 이루어진 원격조작성능의 평가절차와 구현수단과;, 원격조작성능의 평가절차를 이용한 것으로, n의 제어상태 각각에 대한 제어명령 값(Order)과 제어응답 값(Response)을 가시화하고, 제어명령 또는 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, 제어명령 또는 제어응답 값 차이의 합을 가시화하고, 성능평가결과를 가시화한다. 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 (D)의 성능평가결과를 가시화하여 성능을 분석한 5종의 구역으로 구현한 가시화창으로 이루어진 원격조작성능의 보고방법;,으로 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격조작성능의 평가는 하기의 (method 3)에 의해 구현되는 것에 있다.

(method 3)

단계 1: 성능평가 변수{CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}의 세트로 구성된 성능평가 시나리오 구축

Scenario(n) ∈ {CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}

단계 2: 제어명령 값 설정

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정하고, 상기 O(n)는 다음 4종 제어명령 값의 세트로 구성한다.

O(n) ∈ {O-CT(n), O-RA(n), O-RPM(n) O-BT(n)}

단계 3: 제어명령 값의 차이 계산

4종 성능평가 변수의 제어명령 값 차이를 하기의 식(1)부터 식(4)까지를 이용하여 각각 계산.

OD-CT(d) = O-CT(n) - O-CT(n+1) ------------------------------------ (1)

OD-RA(d) = O-RA(n) - O-RA(n+1) ------------------------------------ (2)

OD-RPM(d) = O-RPM(n) - O-RPM(n+1) --------------------------------- (3)

OD-BT(d) = O-BT(n) - O-BT(n+1) ------------------------------------ (4)

단계 4: 제어명령 값 차이의 합 계산

위의 단계 3에서 계산한 제어명령 값 차이의 합을 하기의 식(5)부터 식(8)을 이용하여 계산.

OCT = sum[OD-CT(d)] ----------------------------------------------- (5)

ORA = sum[OD-RA(d)] ----------------------------------------------- (6)

ORPM = sum[OD-RPM(d)] --------------------------------------------- (7)

OBT = sum[OD-BT(d)] ----------------------------------------------- (8)

여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.

단계 5: 제어응답 값 획득

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득한다. R(n)은 다음의 4종 제어명령 값의 세트로 획득.

R(n) ∈ {R-CT(n), R-RA(n), R-RPM(n) R-BT(n)}

4종 제어응답 값은 n=1부터 n=5까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득.

R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각

R-RA(n): n의 제어상태에서 반응한 러더각도의 값

R-RPM(n): n의 제어상태에서 반응한 엔진회전수의 값

R-BT(n): n의 제어상태에서 반응한 바우쓰러스터 피치의 값

단계 6: 제어응답 값의 차이 계산

4종의 성능평가 변수의 제어응답 값 차이를 하기의 식(9)부터 식(12)까지를 이용하여 각각 계산.

RD-CT(d) = R-CT(n) - R-CT(n+1) ------------------------------------ (9)

RD-RA(d) = R-RA(n) - R-RA(n+1) ----------------------------------- (10)

RD-RPM(d) = R-RPM(n) - R-RPM(n+1) -------------------------------- (11)

RD-BT(d) = R-BT(n) - R-BT(n+1) ----------------------------------- (12)

단계 7: 제어응답 값 차이의 합 계산

위의 단계 6에서 계산한 제어응답 값 차이의 합을 다음 식(13)부터 식(16)까지를 이용하여 각각 계산.

RCT = sum [RD-CT(d)] --------------------------------------------- (13)

RRA = sum [RD-RA(d)] --------------------------------------------- (14)

RRPM = sum [RD-RPM(d)] ------------------------------------------- (15)

RBT = sum [RD-BT(d)] --------------------------------------------- (16)

여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.

단계 8: 원격조작성능 계산

위의 단계 4에서 계산한 제어명령 값 차이와 위의 단계 7에서 계산한 제어응답 값 차이를 이용하여 4종의 원격조작성능(PER)을 계산. 명령추종성능(PER-CT), 러더조작성능(PER-RA), 엔진조작성능(PER-RPM), 바우쓰러스터조작성능(PER-BT)은 식(17)부터 식(20)을 각각 이용하여 계산.

PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[(OCT - RCT)/OCT] )×100 ------------------ (17)

PER-RA(%) = ( 1.0 - abs[ ORA - RRA)/ORA] )×100 ------------------ (18)

PER-RPM(%)= ( 1.0 - abs[(ORPM - RRPM)/ORPM] )×100 --------------- (19)

PER-BT(%) = ( 1.0 - abs[(OBT - RBT)/OBT] )×100 ------------------ (20)

단계 9: 원격조작성능 보고

위의 단계 8에서 계산한 4종의 원격조작성능은 원격조작성능 가시화창을 이용하여 가시화해서 보고.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격조종성능의 평가는, 선박을 단거리 소각도로 또는 단거리 대각도 또는 장거리 소각도 또는 장거리 대각도로 변침시켜 원격조종성능을 평가하기 위한 변침 구간과, 선박을 급격하게 침로를 변경시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 최대 각도 변침 구간 그리고 선박을 초기 위치에서 설정한 항로위에 복귀시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 항로유지 구간으로 이루어진 6종 구간으로 이루어진 원격조종성능의 평가 시나리오;, 구축한 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정하는 제어명령 값 설정과, 이후 실선실험에서 저장한 DB에서 획득하는 제어응답 값 획득과, 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고하는 성능계산과 보고로 이루어진 원격조종성능의 평가절차와 구현수단;, 원격조종성능의 평가절차를 이용한 것으로, 제어상태 각각에 대한 제어명령 값과 제어응답 값을 가시화하고, 제어명령 값과 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, 성능평가 계산결과를 가시화 하고, 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 조종성능 평가결과를 가시화한 원격조종성능의 보고방법으로 구성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격조종성능의 평가절차와 구현수단은 하기의 (method 4)에 의해 구현되는 것에 있다.

(method 4)

단계 1: 성능평가 시나리오 구축

성능평가 시나리오(Scenario)는 다음과 같은 4종 성능평가 변수{CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}의 세트로 구성.

Scenario(n) ∈ {CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}

단계 2: 제어명령 값 설정

4종 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정. O(n)는 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 구성.

O(n) ∈ {O-CT(n), O-CO(n), O-SP(n) O-RD(n)}

단계 3: 제어응답 값 획득

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득. R(n)은 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 획득.

R(n) ∈ {R-CT(n), R-CO(n), R-SP(n) R-RD(n)}

4종 제어응답 값은 n=1부터 n=7까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득.

R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각

R-CO(n): n의 제어상태에서 측정한 코스의 값

R-SP(n): n의 제어상태에서 측정한 속력의 값

R-RD(n): n의 제어상태에서 측정한 주행거리 값

단계 4: 제어명령 값과 제어응답 값의 차이 계산

4종 성능평가 변수의 제어명령 값과 제어응답 값의 차이를 다음 식(21)부터 식(24)까지를 이용하여 각각 계산.

D-CT(n) = O-CT(n) - R-CT(n) -------------------------------------- (21)

D-CO(n) = O-CO(n) - R-CO(n) -------------------------------------- (22)

D-SP(n) = O-SP(n) - R-SP(n) -------------------------------------- (23)

D-RD(n) = O-RD(n) - R-RD(n) -------------------------------------- (24)

단계 5: 원격조종성능 계산

위의 단계 4에서 계산한 값을 이용하여 4종의 원격조종성능(Performance, PER)을 계산. 명령추종성능(PER-CT), 코스조종성능(PER-CO), 속력조종성능(PER-SP), 주행거리조종성능(PER-RD)은 식(25)부터 식(28)까지를 각각 이용하여 계산.

PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[ D-CT/O-CT ])×100 ----------------------- (25)

PER-CO(%) = ( 1.0 - abs[ D-CO/O-CO ])×100 ----------------------- (26)

PER-SP(%) = ( 1.0 - abs[ D-SP/O-SP ])×100 ----------------------- (27)

PER-RD(%) = ( 1.0 - abs[ D-RD/O-RD ])×100 ----------------------- (28)

단계 6: 원격제어성능 보고

위의 단계 5에서 계산한 4종의 원격조종성능은 선박의 원격조종성능가시화 창을 이용하여 가시화해서 보고(Reporting).

본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어의 실제 선박(실선)을 이용한 실험과 성능평가 방법은, 자율운항선박의 원격제어에서 원격제어시스템의 성능 미달로 인한 선박제어장치들의 원격조작 실패와 선박의 원격조종 실패를 방지함으로써 자율운항선박의 안전성과 운항 경제성을 확보할 수 있고, 실제 선박을 이용하여 자율운항선박 원격제어를 실험하고 성능을 평가할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 원격제어시스템의 원격조작성능과 원격제어성능을 정량적으로 평가하여 가시화할 수 있는 자율운항선박의 원격제어시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.

또한, 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 원격제어의 실험과 성능평가 및 가시화가 가능하므로 기술의 적용 자유도가 높은 이점이 기대된다.

또한, 자율운항선박의 해양사고(충돌, 좌초, 접촉 등)로 인한 심각한 손상과 그에 따른 환경오염과 경제적인 손실을 방지할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.

또한 본 발명의 실제 선박을 이용한 자율운항선박 원격제어의 실험과 성능평가 방법은, 원격제어 과정에서 획득한 데이터 자체를 이용하여 원격제어시스템의 성능을 평가할 수 있기 때문에 원격제어시스템의 성능 미달로 인하여 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 관련법을 준수할 수 있는 원격제어의 실선실험방법을 설명하기 위한 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 선박제어장치들과 선박조종을 위한 변수를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 원격제어의 성능평가를 위한 실선실험장치의 구성과 원격제어 절차를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 제어명령가시화장치의 구성 방법을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 선박제어인터페이스의 구성 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 선박제어모사장치의 구성방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 원격제어의 성능평가를 위한 5종의 실선실험방법을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 실선실험방법 1(선장의 직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 실선실험방법 2(선장의 간접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 실선실험방법 3(선장 대리인의 간접제어)의 구현 절차를 나타난 도면,
도 11은 본 발명에 따른 실선실험방법 4(선장대리인의 간접/직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 실선실험방법 5(선장 대리인의 직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 원격제어의 성능평가 절차를 나타낸 도면,
도 14는 본 발명에 따른 원격조작성능 평가를 위한 시나리오(A)를 나타낸 도면,
도 15는 본 발명에 따른 원격조작성능의 평가절차와 구현수단을 나타낸 도면,
도 16은 본 발명에 따른 선박제어장치들의 원격조작성능 보고용 가시화 창의 일 실시례를 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따른 원격조종성능의 평가 시나리오(B)를 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 원격조종성능의 평가절차와 구현수단을 설명하기 위한 도면,
도 19는 원격조종성능의 보고용 가시화 창의 일 실시례를 나타낸 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.

먼저, 도 1 내지 도 19는 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1은 관련법을 준수할 수 있는 원격제어의 실선실험방법을 설명하기 위한 모식도이고, 도 2는 선박제어장치들과 선박조종을 위한 변수를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 원격제어의 성능평가를 위한 실선실험장치의 구성과 원격제어 절차를 설명하기 위한 도면이다,

그리고, 도 4는 제어명령가시화장치의 구성 방법을 나타낸 것이고, 도 5는 선박제어인터페이스의 구성 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 선박제어모사장치의 구성방법을 설명하기 위한 도면이다.

그리고, 도 7은 원격제어의 성능평가를 위한 5종의 실선실험방법을 나타낸 도면이고, 도 8은 실선실험방법 1(선장의 직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면이며. 도 9는 실선실험방법 2(선장의 간접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면이다.

도 10은 실선실험방법 3(선장 대리인의 간접제어)의 구현 절차를 나타난 도면이고, 도 11은 실선실험방법 4(선장대리인의 간접/직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면이며, 도 12는 실선실험방법 5(선장 대리인의 직접제어)의 구현 절차를 나타낸 도면이다.

도 13은 원격제어의 성능평가 절차를 나타낸 도면이고, 도 14는 원격조작성능 평가를 위한 시나리오(A)를 나타낸 도면이며, 도 15는 원격조작성능의 평가절차와 구현수단을 나타낸 도면이다.

끝으로, 도 16은 선박제어장치들의 원격조작성능 보고용 가시화 창의 일 실시례를 나타낸 도면이고, 도 17은 원격조종성능의 평가 시나리오(B)를 나타낸 도면이며, 도 18은 원격조종성능의 평가절차와 구현수단을 설명하기 위한 도면, 도 19는 원격조종성능의 보고용 가시화 창의 일 실시례를 나타낸 도면이다.

본 발명은 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법을 구현하기 위한 것으로, 먼저 본 발명에서의 자율운항선박 원격제어는, 원격제어 3요소(선박, 원격제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 이들 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해서 실행됨으로 원격제어의 성공을 담보하기 위해서는 일정 수준 이상의 원격제어시스템 성능이 확보되어야 한다.

특히, 선박의 제어장치들에 대한 원격조작의 실패와 선박의 원격조종의 실패를 예방하기 위해서 원격제어에 의한 원격조작과 원격조종은 서로 유기적으로 작동해야 하고, 원격제어를 위한 원격제어시스템은 이러한 유기적인 작동이 가능한지를 실제 선박(실선)을 이용하여 평가하여 그 성능을 담보해야 한다.

본 발명은, 선원법과 선박안전법에 명시된 선장 또는 선장대리인의 임무를 원격제어자가 대신할 수 있는 실선실험 장치를 구성하고, 선장과 선장대리인의 역할에 따라서 다양하게 구현 가능한 실선실험 방법과 실선실험 데이터를 이용한 시나리오 기반의 원격제어성능 평가방법을 이용하여, 자율운항선박의 제어장치들에 대한 원격조작성능과 자율운항선박에 대한 원격조종성능을 정량적으로 평가하여 가시화함으로써 원격제어시스템의 제어성능을 담보할 수 있는 실험방법과 성능평가 방법을 제안하기 위한 것이다.

실제 선박을 이용한 자율운항선박 원격제어의 실선실험과 성능평가 및 평가결과의 가시화 방법은 다음 순서로 설명한다.

먼저, 1. 관련법을 준수한 원격제어의 실선실험 방법을 설명하고, 2. 실선실험 방법으로 2.1 실선실험장치의 구성방법과 원격제어 절차를 설명하고, 실선실험 장치의 구성에 포함되는 2.1.1 제어명령가시화장치와 2.1.2 선박제어인터페이스 그리고 2,1,3 선박제어모사장치의 구성방법을 설명한다. 그리고 2.2 성능평가를 위한 데이터 획득방법을 설명하고, 2.3에서는 원격제어의 5종 실선실험방법으로, 2.3.1 실선실험방법 1, 2.3.2 실선실험방법 2, 2.3.3 실선실험방법 3, 2.3.4 실선실험방법 4, 2.3.5 실선실험방법 5에 관한 구현절차를 설명한다. 이어서, 3. 원격제어의 성능평가방법으로 3.1 원격제어의 성능평가 절차를 설명한 후, 3.2 원격조작성능의 평가방법으로 3.2.1 원격조작성능의 평가 시나리오, 3.2.2 원격조작성능의 평가절차와 구현수단, 3.2.3 원격조작성능의 보고방법을 설명한다. 또한 3.3 원격조종성능의 평가 방법으로 3.3.1 원격조종성능의 평가 시나리오, 3.3.2 원격조종성능의 평가절차와 구현수단, 3.3.3 원격조작성능의 보고방법을 설명한다.

1. 관련법을 준수한 원격제어의 실선실험 방법

실제 선박을 이용한 자율운항선박 원격제어의 실선실험에 관한 법 또는 국제규정은 현재 국내외적으로 제정되어 있지 않다. 실제 해상에서 운항 중인 선박을 대상으로 원격제어의 성능평가 실험을 수행하기 위해서는 이와 관련된 법 또는 국제규정을 준수해야 하는데, 관련된 국내법은 선원법과 선박안전법이고, 이 법들은 IMO(국제해사기구)에서 제정한 각종 규정을 준수한 것이다.

먼저, 선원법(법률 제18425호, 시행 2022.02.18)에 명시된 조문 중에서 원격제어의 성능평가를 위한 실선실험과 관련된 주요 내용을 정리하면 다음과 같다.

제6조(지휘명령권) 선장은 직무를 수행하기 위하여 필요한 명령을 할 수 있다. 제9조(선장의 직접 지휘) 선장은 선박을 직접 지휘해야 한다. 제10조(재선의무) 선장은 화물을 싣거나 여객이 타기 시작할 때부터 화물을 모두 부리거나 여객이 다 내릴 때까지 선박을 떠나서는 아니 된다. 다만, 기상 이상 등 특히 선박을 떠나서는 아니 되는 사유가 있는 경우를 제외하고는 선장이 자신의 직무를 대행할 사람을 직원 중에서 지정한 경우에는 그러하지 아니하다. 제11조(선박 위험시의 조치) 선장은 선박에 급박한 위험이 있을 때에는 구조 조치를 다하여야 한다. 제12조(선박 충돌시의 조치) 선장은 구조 조치를 다하여야 한다.

다음으로, 선박안전법(법률 제17028호, 시행 2022.08.19)에 명시된 조문 중에서 원격제어의 성능평가를 위한 실선실험과 관련된 주요 내용을 정리하면 다음과 같다. 제1조(목적) 이 법은 선박의 감항성 유지 및 안전운항에 필요한 사항을 규정함으로써 국민의 생명과 재산을 보호함을 목적으로 한다. 제15조(선박검사 후 선박의 상태유지) ①선박소유자는 건조검사 또는 선박검사를 받은 후 해당선박의 구조배치ㆍ기관ㆍ설비 등의 변경이나 개조를 하여서는 아니 된다. ② 선박소유자는 건조검사 또는 선박검사를 받은 후 해당 선박이 감항성을 유지할 수 있도록 선박시설이 정상적으로 작동ㆍ운영되는 상태를 유지하여야 한다. ③ 제1항에도 불구하고 선박소유자는 해양수산부령으로 정하는 복원성 기준을 충족하는 범위에서 해양수산부장관의 허가를 받아 선박의 길이ㆍ너비ㆍ깊이ㆍ용도의 변경 또는 설비의 개조를 할 수 있다.

위의 선원법과 선박안전법에 명시된 바와 같이 원격제어의 실선실험을 위해서, 선장은 선박에 재선하여 직접 지휘해야하고, 선장은 특별한 사유가 없는 한 선장대리인을 지정할 수 있고, 선박 위험시 대응이 가능해야 하며, 선박의 현재 상태는 유지되어야 한다. 원격제어의 실선실험은 원격지에 있는 원격제어자가 선박을 제어해야함으로 이러한 법률 조항을 적용할 수 없다.

본 발명에서는 다음과 같은 4종의 실험조건을 이용하여 선원법과 선박안전법의 관련 조항을 만족할 수 있는 실선실험 방법을 제안한다.

1) 제10조(재선의무)에 의거하여 선장은 선박에 재선하여 선박을 지휘하되, 선장의 직무를 대행할 선장대리인을 원격지에서 원격제어를 담당할 원격제어자로 지정한다.

2) 제9조(선장의 직접지휘)에 의거하여 선장은 선박을 직접지휘하거나 또는 선장대리인(원격제어자)의 제어명령을 선장이 이용하여 직접 또는 간접적으로 지휘한다.

3) 제11조(선박위험시의 조치)와 제12조(선박충돌시의 조치)를 준수하기 위하여 선박위험시 선장이 개입할 수 있도록 실선실험 장치를 구성한다.

4) 선박안전법 제15조(선박검사 후 선박의 상태유지)를 준수하기 위하여 선박에 탑재된 선박제어장치들은 현 상태를 유지할 수 있도록 실선실험 장치를 구성한다.

위의 4종의 실험조건을 만족할 수 있는 실선실험방법은 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1은 선박에 승선 중인 선장과 원격지에서 원격제어를 수행할 선장대리인(원격제어자) 그리고 원격제어시스템에 별도로 부가하는 4종의 실험장치와 5종의 실선실험방법 그리고 성능평가를 위한 2종의 성능평가 시나리오(A, B)와 시나리오를 이용한 성능평가 항목을 나타낸다.

실선실험방법의 각 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 5종의 실선실험방법은 4종 실험장치의 선택과 선장과 선장대리인의 역할 지정 등을 통해서 위의 4종 실험조건을 만족할 수 있는 방법을 나타낸 것으로, 방법 1은 선장이 선박을 직접 제어하는 실험방법이고, 방법 2는 선장이 선장대리인의 제어명령을 이용하여 간접적으로 선박을 제어하는 실험방법이고, 방법 3은 선장대리인이 선장을 이용하여 간접적으로 선박을 제어하는 실험방법이고, 방법 4는 선장대리인이 선박을 직접 제어하거나 또는 선장을 이용하여 간접 제어할 수 있는 실험방법이고, 방법 5는 선장대리인이 선박을 직접 제어하는 실험방법이다. 이러한 5종 실선실험방법은 실험자가 실험대상 선박의 제원(길이, 폭, 흘수 등)과 실험해역의 기상과 교통량 등을 고려하여 선박안전에 최적인 것을 선택한다.

아울러, 4종의 실험장치 중에서 음성통화장치는 선장과 선장대리인 사이의 제어명령을 음성으로 주고받기 위한 것이고, 제어명령가시화장치는 선장대리인의 제어명령을 선장에게 가시화시키기 위한 것이고, 선박제어모사장치는 원격제어시스템의 정상작동여부를 확인하기 위하여 선장대리인의 제어명령을 추종하기 위한 것이다.

또한, 2종의 성능평가 항목 중에서, 원격조작성능(Remote Manipulation Performance)은 시나리오(A)를 이용하여 선박에 장착된 3종 선박제어장치(러더, 엔진, 바우쓰러스터)를 원격으로 조작할 수 있는 성능을 평가하기 위한 항목으로, 조작성능은 원격조작결과 발생한 제어시각, 러더각도, 엔진회전수, 바우쓰러스터 피치 등의 4변수를 이용하여 평가한다. 원격조종성능(Remote Maneuvering Performance)은 시나리오(B)를 이용하여 선박을 원하는 위치로 조종하는데 필요한 4변수(시간, 코스, 속력, 항주거리)의 값을 제어할 수 있는 성능을 평가하기 위한 항목으로, 조종성능은 선박을 정해진 위치까지 원격으로 조종한 결과 발생한 4변수의 값을 이용하여 평가한다.

성능평가 항목의 변수들은 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는 선박을 제어하기 위한 선박제어장치들과 선박조종을 위한 각종 변수를 나타낸다.

먼저, 선박은 3종 선박제어장치를 이용하여 제어할 수 있는데, 러더(Rudder)를 이용하여 전진 진행방향을 제어하고, 엔진(Engine)을 이용하여 추진동력을 발생하며, 바우쓰러스터(Bow-Thruster)를 이용하여 좌우 진행방향을 제어한다.

아울러, 선박은 3종 선박제어장치에 의해서 발생하는 물리현상을 이용하여 조종할 수 있는데, 제어시간(Control Time)은 선박제어장치들이 제어명령에 의해 제어되는 시간을 나타내고, 속력(Speed)은 제어시간동안 선박이 이동한 거리를 나타낸 것으로 속력은 프로펠러(Propeller)의 회전수를 이용하여 조절하고 프로펠러의 회전수는 엔진의 분당회전수(Revolution Per Minutes, RPM)를 이용하여 제어한다. 선수방위(Heading)는 현재의 제어시간에서 선박의 선수(Head)가 현재 향하는 방향을 나타낸 것으로 선수방위는 러더각도(Rudder Angle)를 이용하여 제어하고, 선수방위의 값은 북쪽(0도)을 기준으로 시계방향으로 측정한다. 코스(Course)는 현재의 제어시간에서 선박이 진행하려는 방향을 나타낸 것으로, 코스는 선수방위를 이용하여 제어하고 코스의 값은 북쪽(0도)을 기준으로 시계방향으로 측정한다. 항주거리(Running Distance)는 선박이 제어시간동안 이동한 거리를 나타내고, 항로(Route)는 선박이 제어시간 동안 이동하려는 위치의 궤적(Track)을 나타낸다.

2. 실선실험 방법

2.1. 실선실험장치의 구성방법과 원격제어 절차

실선실험장치의 구성방법과 원격제어 절차는 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 (A)선박과 (B)데이터 통신 그리고 (C)원격제어 등의 3요소로 구성한 자율운항선박의 원격제어시스템과 4종의 실험장치 그리고 원격제어 절차를 나타낸다.

먼저, 실선실험장치는 관련법을 준수할 수 있도록 다음과 같이 구성한 것으로, 1) 선박에는 선장이 재선하고 원격지에는 원격제어자에 해당하는 선장대리인을 배치하고, 2) 선장은 선박을 직접 지휘하거나 또는 선장대리인의 제어명령을 이용하여 선박을 직접 지휘하거나 또는 선장대리인의 제어명령에 의해 제어되는 선박의 제어상태를 감시하고, 3) 선장대리인은 선장의 제어명령을 그대로 추종하거나 또는 선장을 대신하여 제어명령을 발생하거나 또는 선박을 직접 원격으로 제어할 수 있도록 구성한 것이 특징이다.

아울러, 실선실험장치는 4종의 실험장치를 선택적으로 이용하여 구성하는 것이 특징인데, ⑪의 제어명령가시화장치를 이용하여 선장대리인의 제어명령을 선장에게 가시화시키고, ⑫의 선박제어인터페이스를 이용하여 선장대리인의 제어명령을 선박제어장치들에게 전달하고, ⑬의 선박제어모사장치를 이용하여 선장대리인의 제어명령을 선박에서 추종하며, ⑭의 음성통화장치를 이용하여 선장과 선장대리인은 음성으로 서로 명령을 주고받는다.

4종의 실험장치를 포함한 원격제어 절차를 설명하면 다음과 같다.

먼저, ①에서 선박(MASS)의 응답결과를 포함한 항해데이터를 수집하여 ②로 전송한다. ②에서 항해데이터를 LTE(Long-Term Evolution), LTE-M(LTE-Maritime), V-SAT(Very Small Aperture Terminal) 등 현재 상용하는 통신장치와 통신망을 이용하여 ③으로 전송하거나, 선장의 제어명령을 선박용 VHF(Very High Frequency) 통신장치 또는 LTE(Long-Term Evolution) 상용 통신장치(즉, 휴대폰)를 이용하여 음성으로 선장대리인에게 전달한다. ③에서 항해데이터를 처리하여 ④로 전송한다. ④의 원격제어장치는 항해데이터를 이용하여 선박주변의 환경(선박 위치, 다른 선박 위치)과 3종 선박제어장치의 제어상태를 가시화한다. 아울러, 원격제어장치에는 3종 선박제어장치를 제어할 수 있는 장치가 설치되어 있는 것으로 가정한다. ⑤의 선장대리인은 ④의 원격제어장치에 가시화시킨 선장의 제어명령을 그대로 추종하거나 또는 원격제어장치를 이용하여 제어명령을 발생시켜서 다시 ④에 전달한다. ⑥에서는 제어데이터를 수집하고 ②와 동일한 통신장치와 통신망을 이용하여 ⑦로 전송하고 ⑧에서 제어데이터를 처리한 후, 4종 실험장치에 전달한다. ⑩의 선장은 선박을 직접 제어하거나 또는 ⑪의 제어명령가시화장치에 전달된 선장대리인의 제어명령을 시각적으로 보면서 선박을 간접적으로 제어하거나 또는 선장대리인의 제어명령에 따라 제어되는 선박제어상태를 감시한다. 이러한 원격제어과정에서 생성되는 모든 데이터는 데이터베이스(DB)에 저장하여 원격제어 성능평가에 이용한다.

3종의 실험장치(제어명령가시화장치, 선박제어인터페이스, 선박제어모사장치)의 구성 방법과 데이터베이스(DB)에 저장되는 데이터의 획득방법은 아래에서 설명한다.

2.1.1. 제어명령가시화장치의 구성

제어명령가시화장치의 구성방법은 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는 선장대리인의 원격제어명령을 선박에서 가시화하는 장치의 구성도를 나타낸다. 제어명령가시화장치의 구성방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 선박에서 처리한 제어데이터(Control Data)에서 3종 원격제어명령(명령러더각도(C-rudder-angle), 명령엔진회전수(C-RPM), 명령바우쓰러스터(C-bow-thruster))을 도출한 후, 제어명령가시화창(Control Order Visualization Window)을 이용하여 가시화한다. 제어명령가시화창은 3종 원격제어명령 값을 3종의 박스(Box)에 숫자로 나타낸다. 명령러더각도는 Rudder Angle(Degree)로 나타낸 박스에 (P/S)DD.d의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현(Port) 또는 우현(Starboard)을 나타내고 DD.d는 2단위의 도와 1단위의 1/10도를 나타낸다. 명령엔진회전수는 Engine(RPM)로 나타낸 박스에 NNN의 형태로 가시화하는데, NNN은 3단위의 분당회전수를 나타낸다. 명령바우쓰러스터는 Pitch Angle(%)로 나타낸 박스에 (P/S)NN.n의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현(Port) 또는 우현(Starboard)을 나타내고 NN.n은 2단위의 피치와 1단위의 1/10피치를 나타낸다.

2.1.2. 선박제어인터페이스의 구성

선박제어인터페이스의 구성방법은 도 5를 이용하여 설명한다. 도 5는 선장대리인의 원격제어명령을 선박제어장치에 전달하기 위한 인터페이스(Interface)의 구성도를 나타낸다. 선박제어인터페이스의 구성방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 선박에서 처리한 제어데이터에서 디지털(Digital) 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그(Analog)신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시킨다. 그런 후, 명령러더각도는 선박에 장착된 자동조타장치(Autopilot)의 조타기제어신호 입력단자에 접속하여 러더의 제어명령을 전달한다. 명령엔진회전수는 선박에 장착된 텔레그래프(Telegraph)의 엔진제어신호 입력단자에 접속하여 엔진의 제어명령을 전달한다. 명령바우쓰러스터는 선박에 장착된 바우쓰러스터(Bow-Thruster)의 제어신호 입력단자에 접속하여 바우쓰러스터의 제어명령을 전달한다.

2.1.3. 선박제어모사장치의 구성

선박제어모사장치의 구성방법은 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은 선장대리인의 원격제어명령을 그대로 추종하여 모사(Emulation)하기 위한 모사장치의 구성도를 나타낸다. 선박제어모사장치의 구성방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 선박에서 수집한 제어데이터에서 디지털(Digital) 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시킨다. 그런 후, 명령러더각도와 명령엔진회전수 그리고 명령바우쓰러스터 피치를 아날로그 표시기(Analog Indicator)를 이용하여 각각 가시화하고, 다시 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D Converter에 입력하여 디지털 형태의 3종 모사데이터(EM-rudder angle, EM-RPM, EM-bow-thruster)를 생성한다. 3종 모사데이터는 디지털데이터처리장치(Digital Data Processor)를 이용하여 합성한 후, 항해데이터 수집단계로 전송한다.

2.2. 데이터 획득 방법

원격제어 과정에서 발생한 모든 항해데이터와 제어데이터 그리고 모사데이터는 데이터베이스(DB)에 저장한다. DB는 3종 데이터(항해데이터, 제어데이터, 모사데이터)를 이용하여 구축한다.

데이터 수집방법은 다음과 같다. 항해데이터는 선박에 장착된 항해데이터기록장치(Voyage Data Recorder, VDR)를 이용하여 획득하고, 제어데이터는 원격제어장치에서 발생하는 데이터를 획득하며, 모사데이터는 선박제어모사장치에서 생성한 데이터를 획득한다.

항해데이터(N-data)는 다음의 정보를 포함한다. N-data{N-time, GPS 시간을 이용하여 측정한 데이터 획득시간; N-position, GPS로 측정한 위치(위도, 경도); N-heading, 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 측정한 선수방위; N-speed, 속력측정장치(Speed-Log)를 이용하여 측정한 속력; N-rudder-angle, 자동조타장치(Autopilot)에서 측정한 러더(rudder)의 각도; N-bow-thruster, 바우쓰러스터(Bow Thruster)에서 측정한 피치(%)}

제어데이터(C-data)는 다음의 정보를 포함한다. C-data{C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 코스; C-heading, 제어선수방위; C-rudder-angle, 제어러더각도; C-RPM, 제어엔진회전수; C-bow-thruster, 제어바우쓰러스터 피치}

모사데이터(EM-data)는 다음의 정보를 포함한다. EM-data{EM-time, GPS 시간을 이용한 제어명령수신시각; EM-speed, 제어명령속도; EM-heading, 제어명령선수방위, EM-course, 제어명령코스; EM-rudder-angle, 제어명령러더각도; EM-RPM, 제어명령엔진회전수; EM-bow-thruster, 제어명령바우쓰러스터 피치}

2.3. 원격제어의 실선실험 방법

원격제어의 실선실험방법은 관련법을 준수하고 선박안전을 확보하며, 선박의 제원(크기, 엔진성능, 러더의 성능 등)과 실험해역의 교통량과 기상조건 그리고 통신장치들의 도달거리 등 다양한 실험조건과 실험목적을 고려하여 5종의 실선실험 방법 중에서 실험자가 선택한다.

원격제어의 성능평가를 위한 5종의 실선실험방법은 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7은 총 11종의 실험과정을 원 숫자 ①부터 ⑪을 이용하여 5종의 실선실험방법을 종합하여 묘사한 것으로, 선박제어는 선장과 선장대리인 사이에 주고받는 제어명령(A)과 제어명령(B)을 이용하여 실시하고, 원격제어성능은 제어명령(B)에 대한 제어응답(A)을 이용하여 평가하고, 원격제어시스템의 작동상태는 제어명령(B)에 대한 제어응답(B)을 이용하여 평가한다.

먼저, 11종의 실험과정을 설명하면 다음과 같다.

①은 선장이 제어명령(A)을 발생하여 선박(MASS)을 제어하는 과정

②는 선장이 제어명령(A)을 (a)음성통화 장치로 전송하는 과정

③은 (a)음성통화 장치에서 제어명령(A)을 선장대리인에게 전송하는 과정

④는 선장대리인의 제어명령(B)을 원격제어장치로 전송하는 과정

⑤는 원격제어장치에서 (d)선박제어모사장치로 제어데이터를 전송하는 과정

⑥은 원격제어장치에서 (c)선박제어인터페이스로 제어데이터를 전송하는 과정

⑦은 원격제어장치에서 (b)제어명령가시화장치로 제어데이터를 전송하는 과정

⑧은 제어명령가시화장치에서 선장에게 제어명령을 가시화하는 과정

⑨는 (c)선박제어인터페이스에서 선박으로 제어데이터를 전송하는 과정

⑩은 선박에서 제어응답(A)을 생성하는 과정

⑪은 (d)선박제어모사장치에서 제어응답(B)을 생성하는 과정

아울러, 5종의 실선실험방법 각각을 설명하면 다음과 같다.

실선실험방법 1(선장의 직접제어 방법)은 선장과 선장대리인이 (a)음성통화 장치를 통해 음성으로 제어명령을 주고받는 방법으로, 선장은 선박을 직접 제어하면서 제어명령(A)을 선장대리인에게 (a)음성통화장치를 이용하여 전달하고, 선장대리인은 선장의 제어명령(A)을 추종하여 제어명령(B)을 발생시킨다. 선장의 제어결과는 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 추종결과는 ②, ③, ④, ⑤ 그리고 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어명령(B)로 획득한다.

실험방법 2(선장의 간접제어 방법)는 위의 실험방법과 달리 선장이 제어명령 가시화창에 나타낸 선장대리인의 제어명령(B)을 이용하여 제어하는 것으로, 여기서 제어명령(B)은 선장이 (a)음성통화장치를 통해 선장대리인에게 준 제어명령(A)을 선장대리인이 다시 추종하여 발생시킨 것이다. 선장의 제어결과는 ②, ③, ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득한다.

실험방법 3(선장대리인의 간접제어 방법)은 위의 실험방법들과 달리 (a)음성통화장치를 사용하지 않는 것으로, 선장대리인이 선장을 이용하여 간접적으로 제어하는 실험방법이다. 선장대리인이 (b)제어명령가시화장치를 이용하여 제어명령(B)을 가시화시키면 선장은 가시화된 제어명령(B)을 보고 선박을 제어한다. 선장대리인의 간접 제어결과는 ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득한다.

실험방법 4(선장대리인의 간접/직접제어 방법)는 위의 실험방법들과 달리 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 간접 또는 직접적으로 선박을 제어하는 방법으로, 선장은 (b)제어명령가시화장치를 통해 선장대리인의 제어명령(B)을 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입한다. 선장대리인의 간접 또는 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해 제어응답( A)로 획득하고, 선장의 감시와 개입은 ⑦과 ⑧ 그리고 ①의 과정을 통해 구현하며, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득한다.

실험방법 5(선장대리인의 직접제어 방법)는 위의 실험방법들과 달리 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 직접 선박을 제어하는 방법으로, 선장은 선장대리인의 제어결과를 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입한다. 선장대리인의 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고(이 실험방법에서 제어응답(B)은 제어응답(A)과 동일한 것으로 간주함), 선장의 개입은 ①과 ⑩의 과정을 통해서 구현한다.

2.3.1. 실선실험방법 1의 구현 절차

실선실험방법 1의 구현절차는 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 4종의 실험장치를 선택하여 구성한 원격제어시스템의 실선실험장치와 원 숫자를 이용하여 나타낸 실선실험방법의 구현절차를 나타낸다. 실선실험방법 1은 다음 3단계 과정을 통해 구현한다.

단계 1(선장의 제어명령(A) 생성): (A)선박에서 ①의 선장은 선박(MASS)을 제어하기 위한 제어명령(A)을 발생시켜서 ①-1의 선박을 제어함과 동시에 ②의 음성통화장치(A)를 통해 제어명령(A)을 ③의 음성통화장치(B)로 전송한다. 아울러 ①-2에서 선박의 제어응답(B)을 포함한 항해데이터를 수집하여 ⑩으로 전송한다.

단계 2(선장대리인의 제어명령(B) 생성): ③의 음성통화장치(B)를 통해서 선장의 제어명령(A)을 ④의 선장대리인에게 전달한다. ④의 선장대리인은 선장의 제어명령(A)을 음성으로 들은 후 ⑤의 원격제어장치를 이용하여 제어명령(B)을 생성한다. ⑥에서 선장대리인의 제어명령(B)이 포함된 제어데이터를 수집하여 ⑦의 제어데이터전송장치로 전송하고 이와 동시에 제어명령(B)을 ⑬의 DB(데이터베이스)에 저장한다.

단계 3(제어명령(B)에 의한 선박제어 모사): ⑦에서 전송한 제어데이터를 ⑧에서 처리한 후, ⑨의 선박제어모사장치로 전송하고, ⑨에서는 선장대리인의 제어명령(B)을 모사한 후 ⑩으로 모사결과가 포함된 제어응답(B)을 전송한다. ⑩에서는 ①-2의 제어응답(A)이 포함된 항해데이터와 ⑨의 제어응답(B)이 포함된 모사결과를 합성한 후 ⑪로 전송한다. ⑪에서는 합성데이터를 ⑫로 전송하고 ⑫에서는 합성데이터를 처리한 후 ⑬의 DB에 저장한다.

위의 3단계 제어과정은 실험이 종료할 때까지 지속적으로 반복한다.

2.3.2. 실선실험방법 2의 구현 절차

실선실험방법 2는 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9는 4종의 실험장치를 선택하여 구성한 원격제어시스템의 실선실험장치와 원 숫자를 이용하여 나타낸 실선실험방법의 구현절차를 나타낸다. 실선실험방법 2는 다음 4단계 과정을 통해 구현한다.

단계 1(선장의 제어명령(A) 생성): ①의 선장은 선박(MASS)을 제어하기 위한 제어명령(A)을 발생시키고, ①-1에서 ①-2의 제어명령가시화장치를 관측하면서 기다린다. 아울러, 선장의 제어명령(A)은 ②의 음성통신장치(A)를 통해서 ③의 음성통신장치(B)로 전달한다.

단계 2(선장대리인의 제어명령(B) 생성): ③의 음성통신장치(B)를 이용하여 선장의 제어명령(A)을 ④의 선장대리인에게 들려준다. ④의 선장대리인은 선장의 제어명령(A)을 들은 후 ⑤의 원격제어장치를 이용하여 제어명령(B)을 생성한다. ⑥에서는 제어명령(B)이 포함된 제어데이터를 수집하여 ⑦의 제어데이터 송신장치로 전송하고 이와 동시에 제어명령(B)을 ⑬의 DB(데이터베이스)에 저장한다.

단계 3(제어명령(B)의 가시화와 선장의 선박제어) ⑦에서는 제어데이터를 ⑧로 전송한다. ⑧에서는 제어데이터를 처리한 후 ①-2의 제어명령가시화장치를 이용하여 선박제어를 위한 제어명령(B)을 가시화한다. ①-1에서 ①-2의 제어명령을 기다리고 있던 선장은 ①-3에서 가시화된 제어명령(B)을 이용하여 선박을 제어한다. ①-4에서 제어응답(A)이 포함된 항해데이터를 수집하여 ⑩으로 전송한다.

단계 4(제어명령(B)에 의한 선박제어 모사): ⑧에서 처리한 제어데이터는 ⑨의 선박제어모사장치로 전송한다. ⑨의 선박제어모사장치는 제어명령(B)을 모사한 후 ⑩으로 제어응답(b)이 포함된 모사결과를 전송한다. ⑩에서는 ①-4에서 수집한 항해데이터와 ⑨의 모사결과를 합성한 후 ⑪로 전송하고 ⑪에서는 합성데이터를 전송하고 ⑫에서는 합성데이터를 처리한 후, ⑬의 DB에 저장한다.

위의 4단계 제어과정은 실험이 종료할 때까지 지속적으로 반복한다.

2.3.3. 실선실험방법 3의 구현 절차

실선실험방법 3은 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 4종의 실험장치를 선택하여 구성한 원격제어시스템의 실선실험장치와 원 숫자를 이용하여 나타낸 실선실험방법의 구현절차를 나타낸다. 실선실험방법 3은 다음 5단계 과정을 통해 구현한다.

단계 1(선장대리인의 제어명령(B) 생성) (C)원격제어에서 ①의 선장대리인은 ②의 원격제어장치를 이용하여 제어명령(B)을 생성한다. 여기서 ②의 원격제어장치는 선박의 원격제어에 필요한 항해정보가 가화되어 있어서 원격제어가 가능한 것으로 가정하는데, 항해정보는 원격제어시스템을 이용하여 사전에 확보한다. ③에서 선장대리인의 제어명령(B)이 포함된 제어데이터를 수집하여 ④의 제어데이터전송장치로 전송하고 이와 동시에 제어명령(B)을 ⑩의 DB(데이터베이스)에 저장한다. 이 때 (A)선박에 있는 ①-1의 선장은 ①-3의 제어명령가시화장치에 제어명령(B)이 가시화될 때까지 ①-2에서 관측하면서 기다린다.

단계 2(제어명령(B)의 가시화와 선장에 의한 선박제어) ④에서 전송한 제어데이터를 ⑤에서 처리한 후, ①-3의 제어명령가시화장치를 이용하여 제어명령(B)에 포함된 제어명령을 가시화한다. ①-2에서 관측하면서 기다리던 선장은 ①-3에 가시화된 제어명령(B)을 이용하여 선박을 제어한다. 그런 후, ①-5에서 제어응답(A)이 포함된 항해데이터를 수집하여 ⑦로 전송한다.

단계 4(제어명령(B)에 의한 선박제어 모사) ⑤에서 처리한 제어데이터는 ⑥의 선박제어모사장치로 전송한다. ⑥의 선박제어모사장치는 제어명령(B)을 모사한 후 ⑦로 제어응답(B)이 포함된 모사결과를 전송한다. ⑦에서는 ①-5에서 수집한 항해데이터와 ⑥의 모사결과를 합성한 후 ⑧로 전송하고, ⑧에서는 합성데이터를 ⑨로 전송하여 합성데이터를 처리한 후, ⑩의 DB에 저장한다.

단계 5(원격제어장치의 항해정보 갱신) ⑪에서는 합성데이터 중에서 원격제어에 필요한 항해데이터를 획득한 후, ②의 원격제어장치로 전송한다. ②의 원격제어장치에서는 새로 입력된 항해정보를 이용하여 원격제어에 필요한 정보를 갱신한다. 이를 통해서 ①의 선장대리인은 새로 갱신된 항해정보를 이용하여 원격제어를 지속한다.

위의 5단계 제어과정은 실험이 종료할 때까지 지속적으로 반복한다.

2.3.4. 실선실험방법 4의 구현 절차

실선실험방법 4는 도 11을 이용하여 설명한다. 도 11은 4종의 실험장치를 선택하여 구성한 원격제어시스템의 실선실험장치와 원 숫자를 이용하여 나타낸 실선실험방법의 구현절차를 나타낸다. 실선실험방법 4는 다음 4단계 과정을 통해 구현한다.

단계 1(선장대리인의 제어명령(B) 생성) (C)원격제어에서 ①의 선장대리인은 ②의 원격제어장치를 이용하여 제어명령(B)을 생성한다. 여기서 ②의 원격제어장치는 선박의 원격제어에 필요한 항해정보가 가화되어 있어서 원격제어가 가능한 것으로 가정하는데, 항해정보는 원격제어시스템을 이용하여 사전에 확보한다. ③에서 선장대리인의 제어명령(B)이 포함된 제어데이터를 수집하여 ④의 제어데이터전송장치로 전송하고 이와 동시에 제어명령(B)을 ⑩의 DB(데이터베이스)에 저장한다. 이 때 (A)선박에 있는 ①-1의 선장은 ①-2의 제어명령가시화장치에 가시화되는 선장대리인의 제어명령(B)을 감시한다. 선장은 선장대리인의 명령을 이용해서 선박을 제어하는 경우 선박이 위험하다고 판단한 경우, 직접 선박을 제어하여 안전조치를 취한 후 실험을 종료하고, 선박안전이 확보된 후 다시 단계 1의 실험을 재개한다.

단계 2(제어명령(B)의 가시화와 선박의 원격제어) ④에서 전송한 제어데이터를 ⑤에서 처리한 후 ①-2의 제어명령가시화장치를 이용하여 제어명령(B)에 포함된 제어명령을 가시화한다. ①-1의 선장은 ①-2의 제어명령가시화장치에 가시화되는 제어명령(B)을 지속하여 감시한다. 한편, ⑤에서 처리된 데이터를 ⑤-1의 선박제어인터페이스에 전달하여 ⑤-2에서 선박을 원격으로 제어한 후 제어응답(A)이 포함된 항해데이터를 ⑤-3에 전송하고, 전송한 항해데이터는 다시 ⑦로 전송한다.

단계 3(제어명령(B)에 의한 선박제어 모사) ⑤에서 처리한 제어데이터는 ⑥의 선박제어모사장치로 전송한다. ⑥의 선박제어모사장치는 제어명령(B)을 모사한 후 ⑦로 제어응답(B)이 포함된 모사결과를 전송한다. ⑦에서는 ⑤-3에서 수집한 항해데이터와 ⑥의 모사결과를 합성한 후 ⑧로 전송하고, ⑧에서는 합성데이터를 ⑨로 전송하여 합성데이터를 처리하여 ⑩의 DB에 저장한다. 아울러 ⑨에서 처리한 합성데이터는 ⑪로 전송한다.

단계 4(원격제어장치의 항해정보 갱신) ⑪에서는 합성데이터 중에서 원격제어에 필요한 항해데이터를 획득한 후, ②의 원격제어장치로 전송한다. ②의 원격제어장치에서는 새로 입력된 항해정보를 이용하여 원격제어에 필요한 정보를 갱신한다. 이를 통해서 ①의 선장대리인은 새로 갱신된 항해정보를 이용하여 원격제어를 지속한다.

위의 4단계 제어과정은 실험이 종료할 때까지 지속적으로 반복한다.

2.3.5. 실선실험방법 5의 구현 절차

실선실험방법 5는 도 12를 이용하여 설명한다. 도 12는 4종의 실험장치를 선택하여 구성한 원격제어시스템의 실선실험장치와 원 숫자를 이용하여 나타낸 실선실험방법의 구현절차를 나타낸다. 실선실험방법 5는 다음 3단계 과정을 통해 구현한다.

단계 1(선장대리인의 제어명령(B) 생성) (C)원격제어에서 ①의 선장대리인은 ②의 원격제어장치를 이용하여 제어명령(B)을 생성한다. 여기서 ②의 원격제어장치는 선박의 원격제어에 필요한 항해정보가 가화되어 있어서 원격제어가 가능한 것으로 가정하는데, 항해정보는 원격제어시스템을 이용하여 사전에 확보한다. ③에서 선장대리인의 제어명령(B)이 포함된 제어데이터를 수집하여 ④의 제어데이터 전송장치로 전송하고 이와 동시에 제어명령(B)을 ⑩의 DB(데이터베이스)에 저장한다. 이 때 (A)선박에 있는 선장은 선박을 지속적으로 감시한다. 선장은 선장대리인의 제어명령을 이용하여 선박을 제어하는 경우 선박안전이 저해된다고 판단한 경우, 선박을 직접 제어하여 안전조치를 취한 후 실험을 종료하고, 선박안전이 확보된 후 다시 단계 1의 실험을 재개한다.

단계 2(선장대리인에 의한 선박 원격제어) ④에서 전송한 제어데이터를 ⑤에서 처리한 후 ⑥의 선박제어인터페이스에 전달한다. ⑥의 선박제어인터페이스에서는 제어명령(A)을 선박에 전달하고 선박은 제어된 후, 제어응답(A)이 포함된 항해데이터를 ⑦로 전송하고, 전송한 항해데이터는 다시 ⑧로 전송한다. 여기서 실선실험방법 5는 선박제어모사장치를 이용하지 않기 때문에 제어응답(A)과 제어응답(B)은 동일한 것이 된다. ⑧에서는 다시 ⑨로 전송하여 합성데이터를 처리한 후 ⑩의 DB에 저장한다. 아울러 ⑨에서 처리한 합성데이터는 ⑪로 전송한다.

단계 3(원격제어장치의 항해정보 갱신) ⑪에서는 합성데이터 중에서 원격제어에 필요한 항해데이터를 획득한 후 ②의 원격제어장치로 전송한다. ②의 원격제어장치에서는 새로 입력된 항해정보를 이용하여 원격제어에 필요한 정보를 갱신한다. 이를 통해서 ①의 선장대리인은 새로 갱신된 항해정보를 이용하여 원격제어를 지속한다.

위의 3단계 제어과정은 실험이 종료할 때까지 지속적으로 반복한다.

3. 원격제어의 성능평가 방법

3.1. 원격제어의 성능평가 절차

원격제어의 성능평가 절차는 도 13을 이용하여 설명한다. 도 13은 (A)의 실선실험 부분과 (B)의 성능평가 부분으로 구분한 성능평가 절차를 나타낸다.

먼저 (A)의 실선실험에서 5종의 실선실험방법 중 어느 하나를 선정한다. 그런 후, 성능평가 시나리오를 이용하여 원격제어 실험을 수행하고, 실선실험을 통해서 데이터를 수집하여 DB(데이터베이스)에 저장한다. 실선실험은 시나리오에 정해진 절차를 모두 완성하기 전까지 반복하여 수행하고, 선택한 실선실험방법이 종료되면 다음 실선실험방법을 선택하여 실험을 계속하거나 또는 실험을 종료한다.

(B)의 성능평가 부분에서는, DB에서 데이터를 호출하여 획득한 후 제어명령 데이터에서 선박에 준 명령 값을 도출하고, 제어응답 데이터에서 선박의 제어응답(A)의 값 또는 모사장치의 제어응답(B)의 값을 도출하여, 성능평가 시나리오에 명시된 성능평가 변수들의 값을 계산한다. 그런 후, 선박제어장치의 원격조작성능 또는 선박의 원격조종성능을 평가하고 그 결과를 2종의 가시화 창(원격조작성능평가 가시화창, 원격조종성능평가 가시화창)을 이용하여 보고한다. 실험자는 가시화된 보고 결과를 통해서 자율운항선박 원격제어시스템의 제어성능을 확인할 수 있다.

3.2. 원격조작성능의 평가방법

3.2.1. 원격조작성능의 평가 시나리오

원격조작성능의 평가 시나리오는 도 14를 이용하여 설명한다. 도 14는 3종의 선박제어장치를 지그재그(Zig-Zag) 형태로 조작하여 성능을 평가하기 위한 시나리오(A)를 나타낸다.

위의 박스도에 나타낸 (A)Order는 3종 선박제어장치를 지그재그 형태로 조작하기 위해서 n(n=1,2,3,4,5)의 제어상태로 구분하여 나타낸 시나리오와 시나리오 구현에 필요한 제어명령을 나타낸 것으로, O(1)부터 O(5)까지는 각 제어상태의 제어명령을 나타낸다. 아래 박스도에 나타낸 (B)Response는 제어명령에 대한 제어응답을 묘사한 것으로, R(1)부터 R(5)까지는 (A)에 나타낸 O(1)부터 O(5)까지의 제어명령이 지연(Delay)되어 나타난 결과를 예시한 것이다.

원격조작성능의 평가 시나리오는 n(n=1,2,3,4,5)의 제어상태로 구분한 제어명령 값의 세트(O(n))를 이용하여 구축하고, 제어명령 값들은 3종 선박제어장치를 지그재그 형태로 조작하기 위하여 다음과 같이 결정한다.

먼저 n=1에서 3종 선박제어장치 모두의 초기 제어명령 값은 모두 영(0)으로 정한다. 그 후, 3종 선박제어장치 각각의 제어명령 값을 n=1부터 n=2까지 증가시키고, n=2부터 n=3까지 감소시키고, n=3부터 n=4까지 지속적으로 감소시키고, n=4부터 n=5까지 다시 증가시키고, n=5에서 3종 선박제어장치 모두의 제어명령 값을 영(0)으로 정한다.

3.2.2. 원격조작성능의 평가절차와 구현수단

원격조작성능의 평가절차와 구현수단은 도 15를 이용하여 설명한다. 도 15는 (A)의 제어명령 값 설정과 (B)의 제어응답 값 획득 그리고 (C)의 성능 계산과 보고 등으로 구분한 원격조작성능의 평가절차를 나타낸다.

평가절차를 설명하면 다음과 같다. 먼저, (A)에서 시나리오를 구축하고 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정한다. 그런 후, (B)에서 제어응답 값을 실선실험에서 저장한 DB에서 획득한다. (C)의 성능계산과 보고에서는 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고한다.

원격조작성능의 평가는 다음 9단계 과정을 통해서 구현한다.

단계 1: 성능평가 시나리오 구축

성능평가 시나리오(Scenario)는 다음과 같은 4종의 성능평가 변수{CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}의 세트로 구성한다.

Scenario(n) ∈ {CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}

여기서 n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태로서 N=5)이고, CT(n)는 n의 제어상태에서 제어시간(Control Time)을 나타내고, RA(n)은 n의 제어상태에서 러더각도를 나타내고, RPM(n)은 n의 제어상태에서 엔진의 분당회전수를 나타내고, BT(n)는 n의 제어상태에서 바우쓰러스터의 피치를 나타낸다.

단계 2: 제어명령 값 설정

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정한다. O(n)는 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 구성한다.

O(n) ∈ {O-CT(n), O-RA(n), O-RPM(n) O-BT(n)}

여기서 O-CT(n), O-RA(n), O-RPM(n) O-BT(n)은 n의 제어상태에서 정한 제어시간, 러더각도, 분당회전수, 바우쓰러스터 피치를 각각 나타낸 것으로, 각 변수의 값은 다음과 같이 결정한다.

O-CT(n): 제어시간은 n=1에서 HHMMSS+600초, n=2에서 HHMMSS+900초, n=3에서 HHMMSS+1200초, n=4에서 HHMMSS+1800초, n=5에서 HHMMSS+2400초 등으로 정한 것으로, HHMMSS(HH, 2단위의 시; MM, 2단위의 분; SS, 2단위의 초)은 실험시작 시각을 나타낸다. 이러한 제어시간은 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 선체응답 시간과 선박안전을 고려하여 결정한다.

O-RA(n): 러더각도는 n=1에서 Port 25도, n=2에서 STBD 20도, n=3에서 STBD 20도, n=4에서 Port 20도, n=5에서 0도 등으로 정한 것으로(여기서 Port는 러더를 좌현으로 돌리라는 의미이고, STBD는 러더를 우현(Starboard)로 돌리라는 의미임), 이러한 러더각도는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 허용 러더각도와 선박안전을 고려하여 결정한다.

O-RPM(n): 엔진회전수는 n=1의 초기 값은 0rpm(영)으로 두고, n=1에서 0rpm, n=2에서 80rpm, n=3에서 -40rpm(즉, 후진), n=4에서 0rpm, n=5에서 80rpm 등으로 정한 것으로, 이러한 엔진회전수는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 허용 엔진회전수와 선박의 안전을 고려하여 결정한다.

O-BT(n): 바우쓰러스터 피치는 n=1에서 50%, n=2에서 0%, n=3에서 50%, n=4에서 0%, n=5에서 50% 등으로 정한 것으로, 이러한 바우쓰러스터 피치는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 피치 값과 선박안전을 고려하여 결정한다.

단계 3: 제어명령 값의 차이 계산

4종 성능평가 변수의 제어명령 값 차이를 식(1)부터 식(4)까지를 이용하여 각각 계산한다.

OD-CT(d) = O-CT(n) - O-CT(n+1) ------------------------------------ (1)

OD-RA(d) = O-RA(n) - O-RA(n+1) ------------------------------------ (2)

OD-RPM(d) = O-RPM(n) - O-RPM(n+1) --------------------------------- (3)

OD-BT(d) = O-BT(n) - O-BT(n+1) ------------------------------------ (4)

여기서 d는 제어상태 사이의 구분번호로서 d=1,2,… D(D는 N-1)이다.

단계 4: 제어명령 값 차이의 합 계산

위의 단계 3에서 계산한 제어명령 값 차이의 합을 다음 식(5)부터 식(8)까지를 이용하여 각각 계산한다.

OCT = sum[OD-CT(d)] ----------------------------------------------- (5)

ORA = sum[OD-RA(d)] ----------------------------------------------- (6)

ORPM = sum[OD-RPM(d)] --------------------------------------------- (7)

OBT = sum[OD-BT(d)] ----------------------------------------------- (8)

여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.

단계 5: 제어응답 값 획득

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득한다. R(n)은 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 획득한다.

R(n) ∈ {R-CT(n), R-RA(n), R-RPM(n) R-BT(n)}

4종 제어응답 값은 n=1부터 n=5까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득한다.

R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각

R-RA(n): n의 제어상태에서 반응한 러더각도의 값

R-RPM(n): n의 제어상태에서 반응한 엔진회전수의 값

R-BT(n): n의 제어상태에서 반응한 바우쓰러스터 피치의 값

단계 6: 제어응답 값의 차이 계산

4종의 성능평가 변수의 제어응답 값 차이를 다음 식(9)부터 식(12)까지를 이용하여 각각 계산한다.

RD-CT(d) = R-CT(n) - R-CT(n+1) ------------------------------------ (9)

RD-RA(d) = R-RA(n) - R-RA(n+1) ----------------------------------- (10)

RD-RPM(d) = R-RPM(n) - R-RPM(n+1) -------------------------------- (11)

RD-BT(d) = R-BT(n) - R-BT(n+1) ----------------------------------- (12)

여기서 d는 제어상태 사이의 구분번호로서 d=1,2,… D(D는 N-1)이다.

단계 7: 제어응답 값 차이의 합 계산

위의 단계 6에서 계산한 제어응답 값 차이의 합을 다음 식(13)부터 식(16)까지를 이용하여 각각 계산한다.

RCT = sum [RD-CT(d)] --------------------------------------------- (13)

RRA = sum [RD-RA(d)] --------------------------------------------- (14)

RRPM = sum [RD-RPM(d)] ------------------------------------------- (15)

RBT = sum [RD-BT(d)] --------------------------------------------- (16)

여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.

단계 8: 원격조작성능 계산

위의 단계 4에서 계산한 제어명령 값 차이와 위의 단계 7에서 계산한 제어응답 값 차이를 이용하여 4종의 원격조작성능(Performance, PER)을 계산한다. 명령추종성능(PER-CT), 러더조작성능(PER-RA), 엔진조작성능(PER-RPM), 바우쓰러스터조작성능(PER-BT)은 식(17)부터 식(20)을 각각 이용하여 계산한다.

PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[(OCT - RCT)/OCT] )×100 ------------------ (17)

PER-RA(%) = ( 1.0 - abs[ ORA - RRA)/ORA] )×100 ------------------ (18)

PER-RPM(%)= ( 1.0 - abs[(ORPM - RRPM)/ORPM] )×100 --------------- (19)

PER-BT(%) = ( 1.0 - abs[(OBT - RBT)/OBT] )×100 ------------------ (20)

여기서 abs는 절대 값을 나타낸다. 위의 식들은 주어진 제어명령에 대한 제어반응을 백분율(%)로 나타낸 것이다.

단계 9: 원격조작성능 보고

위의 단계 8에서 계산한 4종의 원격조작성능은 원격조작성능 가시화창을 이용하여 가시화해서 보고(Reporting)한다.

3.2.3. 원격조작성능의 보고방법

원격조작성능 보고방법은 도 16을 이용하여 설명한다. 도 16은 원격조작성능의 평가절차를 이용하여 구성한 보고용 가시화창(visualization window)을 나타낸 것이고, 이 창에 나타낸 결과들은 예시한 것이다.

가시화창은 5종의 구역으로 구분하여 구현한다. 먼저 (A)의 도표를 이용하여 n의 제어상태 각각에 대한 제어명령 값(Order)과 제어응답 값(Response)을 가시화하고, (B)의 도표를 이용하여 제어명령 또는 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, (C)의 도표를 이용하여 제어명령 또는 제어응답 값 차이의 합을 가시화하고, (D)의 도표를 이용하여 성능평가결과를 가시화한다. 마지막으로 (E)에서 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 (D)의 성능평가결과를 가시화하여 성능을 분석한다.

성능분석 방법은 기준 값(REF(%))을 이용하여 성능평가 값들이 기준 값 이상인 경우 선박장치들에 대한 원격조작성능을 만족하는 것으로 결정한다. 기준 값은 선박제원과 기준 값에 관한 규정을 고려하여 결정하는데, 아직 국내외적으로 이러한 기준 값에 대한 규정은 없음으로 실험과 통계를 통해서 결정한다.

이 예시에서는 기준 값을 90%로 정한 것으로, 명령추종성능(PER-CT)과 러더조작성능(PER-RA)은 90%의 기준 값 이상의 성능을 만족하지만, 엔진조작성능(PER-RPM)과 바우쓰러스터 조작성능(PER-BT)의 경우는 90%의 기준 값을 만족하지 못함을 나타낸 것이다.

이러한 가시화창을 이용한 원격조작성능 보고 방법을 통해서 실험자는 원격제어시스템의 선박제어장치들에 대한 원격제어성능의 평가절차와 평가결과를 쉽고 명확하게 확인할 수 있는 장점이 있다.

3.3. 원격조종성능의 평가방법

3.3.1. 원격조종성능의 평가 시나리오

원격조종성능의 평가 시나리오는 도 17을 이용하여 설명한다. 도 17은 6종의 구간으로 구분하여 나타낸 시나리오(B)와 시나리오 구현에 적용한 제어명령을 나타낸 것으로, x-축은 제어상태를 나타내고, y-축은 각 제어시각에서의 제어명령 값을 나타낸다. 6종 구간에서의 제어명령을 설명하면 다음과 같다.

(1)(단거리 소각도 변침) 구간은, 선박을 단거리 그리고 소각도로 변침시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P1에서 P2까지의 구간을 CO12의 코스와 RD12의 짧은 주행거리 그리고 DA12의 작은 편각을 이용하여 평가한다.

(2)(단거리 대각도 변침) 구간은, 선박을 단거리 그리고 대각도로 변침시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P2에서 P3까지의 구간을 CO23의 코스와 RD23의 짧은 주행거리 그리고 DA23의 큰 편각을 이용하여 평가한다.

(3)(장거리 소각도 변침) 구간은, 선박을 장거리 그리고 소각도로 변침시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P3에서 P4까지의 구간을 CO34의 코스와 RD34의 긴 주행거리 그리고 DA34의 작은 편각을 이용하여 평가한다.

(4)(장거리 대각도 변침) 구간은, 선박을 장거리 그리고 대각도로 변침시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P4에서 P5까지의 구간을 CO45의 코스와 RD45의 긴 주행거리 그리고 DA45의 큰 편각을 이용하여 평가한다.

(5)(최대 각도 변침) 구간은, 비상시 선박을 급격하게 침로를 변경시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P5에서 P6까지의 구간을 CO56의 코스와 RD56의 주행거리 그리고 DA56의 선박이 허용할 수 있는 최대 편각을 이용하여 평가한다.

(6)(항로유지) 구간은, 선박을 P1의 초기위치에서 설정한 항로(Route)위에 복귀시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 것으로, P6에서 P7까지의 구간을 CO67의 코스와 RD67의 주행거리 그리고 DA65의 편각을 이용하여 평가한다.

이러한 6종 코스와 6종 주행거리 그리고 6종 편각의 값들은 선박제원과 실험환경을 고려하여 실험자가 결정한다.

3.3.2. 원격조종성능의 평가절차와 구현수단

원격조종성능의 평가절차와 구현수단은 도 18을 이용하여 설명한다. 도 18은 (A)의 제어명령 값 설정과 (B)의 제어응답 값 획득 그리고 (C)의 성능 계산과 보고 등으로 구분한 원격조종성능의 평가절차를 나타낸다.

평가절차를 설명하면 다음과 같다. 먼저, (A)에서 시나리오를 구축하고 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정한다. 그런 후, (B)에서 제어응답 값을 실선실험에서 저장한 DB에서 획득한다. (C)의 성능계산과 보고에서는 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고한다.

원격조종성능의 평가는 다음 6단계 과정을 통해서 구현한다.

단계 1: 성능평가 시나리오 구축

성능평가 시나리오(Scenario)는 다음과 같은 4종 성능평가 변수{CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}의 세트로 구성한다.

Scenario(n) ∈ {CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}

여기서 n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태로서 N=7)이고, CT(n)는 n의 제어상태에서 제어시간(Control Time)을 나타내고, CO(n)은 n의 제어상태에서 코스를 나타내고, SP(n)은 n의 제어상태에서 속력을 나타내고, RD(n)는 n의 제어상태에서 주행거리를 나타낸다.

단계 2: 제어명령 값 설정

4종 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정한다. O(n)는 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 구성한다.

O(n) ∈ {O-CT(n), O-CO(n), O-SP(n) O-RD(n)}

여기서 O-CT(n), O-CO(n), O-SP(n) O-RD(n)은 n의 제어상태에서 정한 제어시간, 코스, 속력, 주행거리를 각각 나타낸 것으로, 각 값은 다음과 같이 결정한다.

O-CT(n): 제어시간은 (1)구간(n=1,2)에서 HHMMSS+12분, (2)구간(n=2,3)에서 HHMMSS+9분, (3)구간(n=3,4)에서 HHMMSS+15분, (4)구간(n=4,5)에서 HHMMSS+15분, (5)구간(n=5,6)에서 HHMMSS+7.5분, (6)구간(n=6,7)에서 HHMMSS+7.5분 등으로 정한 것으로, HHMMSS(HH, 2단위의 시; MM, 2단위의 분; SS, 2단위의 초)은 실험시작 시각을 나타낸다. 이러한 제어시간은 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박제원과 실험해역의 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정한다.

O-CO(n): 코스는 (1)구간에서 45도, (2)구간에서 150도, (3)구간에서 120도, (4)구간에서 30도, (5)구간에서 155도, (6)구간에서 90도 등으로 정한 것으로, 이러한 코스는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 허용 러더각도와 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정한다.

O-SP(n): 속력은 (1)구간에서 10노트, (2)구간에서 10노트, (3)구간에서 20노트, (4)구간에서 20노트, (5)구간에서 20노트, (6)구간에서 10노트 등으로 정한 것으로, 이러한 속력은 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 속도와 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정한다.

O-RD(n): 주행거리는 (1)구간에서 2.0마일, (2)구간에서 1.5마일, (3)구간에서 3.0마일, (4)구간에서 5.0마일, (5)구간에서 2.5마일, (6)구간에서 4.5마일 등으로 정한 것으로, 이러한 주행거리는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 속도와 기상황경 및 선박안전을 고려하여 결정한다.

단계 3: 제어응답 값 획득

4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득한다. R(n)은 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 획득한다.

R(n) ∈ {R-CT(n), R-CO(n), R-SP(n) R-RD(n)}

4종 제어응답 값은 n=1부터 n=7까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득한다.

R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각

R-CO(n): n의 제어상태에서 측정한 코스의 값

R-SP(n): n의 제어상태에서 측정한 속력의 값

R-RD(n): n의 제어상태에서 측정한 주행거리 값

단계 4: 제어명령 값과 제어응답 값의 차이 계산

4종 성능평가 변수의 제어명령 값과 제어응답 값의 차이를 다음 식(21)부터 식(24)까지를 이용하여 각각 계산한다.

D-CT(n) = O-CT(n) - R-CT(n) -------------------------------------- (21)

D-CO(n) = O-CO(n) - R-CO(n) -------------------------------------- (22)

D-SP(n) = O-SP(n) - R-SP(n) -------------------------------------- (23)

D-RD(n) = O-RD(n) - R-RD(n) -------------------------------------- (24)

단계 5: 원격조종성능 계산

위의 단계 4에서 계산한 값을 이용하여 4종의 원격조종성능(Performance, PER)을 계산한다. 명령추종성능(PER-CT), 코스조종성능(PER-CO), 속력조종성능(PER-SP), 주행거리조종성능(PER-RD)은 식(25)부터 식(28)까지를 각각 이용하여 계산한다.

PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[ D-CT/O-CT ])×100 ----------------------- (25)

PER-CO(%) = ( 1.0 - abs[ D-CO/O-CO ])×100 ----------------------- (26)

PER-SP(%) = ( 1.0 - abs[ D-SP/O-SP ])×100 ----------------------- (27)

PER-RD(%) = ( 1.0 - abs[ D-RD/O-RD ])×100 ----------------------- (28)

여기서 abs는 절대 값을 나타낸다. 위의 식들은 주어진 제어명령에 대한 제어반응을 백분율(%)로 나타낸 것이다.

단계 6: 원격제어성능 보고

위의 단계 5에서 계산한 4종의 원격조종성능은 선박의 원격조종성능가시화 창을 이용하여 가시화해서 보고(Reporting)한다.

3.3.3. 원격조종성능의 보고방법

선박의 원격조종성능 보고방법은 도 19를 이용하여 설명한다. 도 19는 원격조종성능의 평가절차를 이용하여 구성한 보고용 가시화창(visualization window)을 나타낸 것이고, 이 창에 나타낸 결과들은 예시한 것이다.

가시화창은 4구역으로 구분하여 구현한다. 먼저 (A)의 도표를 이용하여 6종 구간의 제어상태 각각에 대한 제어명령 값(Order)과 제어응답 값(Response)을 가시화하고, (B)의 도표를 이용하여 제어명령 값과 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, (C)의 도표를 이용하여 성능평가 계산결과를 가시화 한다. 마지막으로 (D)에서 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 4종의 조종성능 평가결과를 가시화하여 성능을 분석한다.

성능분석방법은 기준 값(REF(%))을 이용하여 성능평가 값들이 기준 값 이상인 경우 선박장치들에 대한 원격조종성능을 만족하는 것으로 결정한다. 기준 값은 선박의 제원과 기준 값에 관한 규정을 고려하여 결정하는데, 아직 국내외적으로 이러한 기준 값에 대한 규정은 제정된 것이 없음으로 실험과 통계를 통해서 결정한다.

이 예시에서는 기준 값을 90%로 정한 것으로, 명령추종성능(PER-CT)의 경우는 (1)구간(n=1,2)을 제외하고 모두 90%의 기준 값 이상의 성능을 만족하고, 코스조종성능(PER-CO)의 경우는 6구간 모두에서 90%의 기준 값 이상의 성능을 만족하고, 속력조종성능(PER-SP)의 경우는 (2)구간(n=2,3)을 제외하고 모두 90%의 기준 값 이상의 성능을 만족하고, 주행거리조종성능(PER-RD)의 경우는 (3)구간(n=3,4)과 6구간(n=6,7)을 제외하고 모두 90%의 기준 값을 만족하지 못하는 성능을 나타낸다.

이러한 가시화 창을 이용한 원격조종성능 보고 방법을 통해서 실험자는 원격조종성능의 평가절차와 평가결과를 쉽고 명확하게 확인할 수 있는 장점이 있다.

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.

Claims (13)

1. 실선실험장치의 선정과, 성능평가를 위한 데이터 획득방법과, 원격제어의 실선실험방법으로 이루어진 실선실험방법;
   원격제어의 성능평가 절차와, 원격조작성능의 평가와, 원격조종성능의 평가로 이루어진 원격제어의 성능평가방법으로 구성되되;,
   상기 원격조종성능의 평가는 선박을 단거리 소각도로 또는 단거리 대각도 또는 장거리 소각도 또는 장거리 대각도로 변침시켜 원격조종성능을 평가하기 위한 변침 구간과, 선박을 급격하게 침로를 변경시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 최대 각도 변침 구간 그리고 선박을 초기 위치에서 설정한 항로위에 복귀시킬 수 있는 원격조종성능을 평가하기 위한 항로유지 구간으로 이루어진 6종 구간으로 이루어진 원격조종성능의 평가 시나리오; 구축한 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정하는 제어명령 값 설정과, 이후 실선실험에서 저장한 DB에서 획득하는 제어응답 값을 획득과. 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고하는 성능계산과 보고로 이루어진 원격조종성능의 평가절차와 구현수단;을 포함하는 구성을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 실선실험장치 선정에서 실험장치는,
   선장대리인의 제어명령을 선장에게 가시화하기 위한 제어명령가시화장치;
   선장대리인의 제어명령을 선박제어장치들에게 전달하는 선박제어인터페이스;
   선장대리인의 제어명령을 선박에서 추종하기 위한 선박제어모사장치;
   선장과 선장대리인이 음성으로 서로 명령을 주고 받도록 하기 위한 음성통화장치 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제어명령가시화장치는,
   선박에서 처리한 제어데이터(Control Data)에서 명령러더각도(C-rudder-angle), 명령엔진회전수(C-RPM), 명령바우쓰러스터(C-bow-thruster)로 된 3종 원격제어명령을 도출한 후 제어명령가시화창으로 가시화하되;,
   상기 명령러더각도는 Rudder Angle(Degree)로 나타낸 박스에 (P/S)DD.d의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현 또는 우현을 나타내고 DD.d는 2단위의 도와 1단위의 1/10도를 나타내고;,
   상기 명령엔진회전수는 Engine(RPM)로 나타낸 박스에 NNN의 형태로 가시화하는데, NNN은 3단위의 분당회전수를 나타내며;,
   상기 명령바우쓰러스터는 Pitch Angle(%)로 나타낸 박스에 (P/S)NN.n의 형태로 가시화하는데, P와 S는 좌현 또는 우현을 나타내고 NN.n은 2단위의 피치와 1단위의 1/10피치를 나타내는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 선박제어인터페이스는, 선박에서 처리한 제어데이터에서 디지털 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시키고;,
   그런 후, 상기 명령러더각도는 선박에 장착된 자동조타장치의 조타기제어신호 입력단자에 접속하여 러더의 제어명령을 전달하며;,
   상기 명령엔진회전수는 선박에 장착된 텔레그래프의 엔진제어신호 입력단자에 접속하여 엔진의 제어명령을 전달하고;,
   상기 명령바우쓰러스터는 선박에 장착된 바우쓰러스터(Bow-Thruster)의 제어신호 입력단자에 접속하여 바우쓰러스터의 제어명령을 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 선박제어모사장치는 선박에서 수집한 제어데이터에서 디지털 형태의 원격제어명령을 도출한 후, 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A Converter에 입력하여 4~20mA의 신호로 변환시키는 과정;,
   상기 과정에 이어서 상기 명령러더각도와 명령엔진회전수 그리고 명령바우쓰러스터 피치를 아날로그 표시기를 이용하여 각각 가시화하고, 다시 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D Converter에 입력하여 디지털 형태의 3종 모사데이터(EM-rudder angle, EM-RPM, EM-bow-thruster)를 생성하는 과정;,
   상기 3종 모사데이터는 디지털데이터처리장치를 이용하여 합성한 후, 항해데이터 수집단계로 전송하는 과정으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 데이터 획득방법은
   원격제어 과정에서 발생한 모든 항해데이터와 제어데이터 그리고 모사데이터는 데이터베이스(DB)에 저장하고, 데이터베이스(DB)는 항해데이터, 제어데이터, 모사데이터로 이루어진 3종 데이터를 이용하여 구축하되;, 상기 항해데이터는 선박에 장착된 항해데이터기록장치(VDR)를 이용하여 획득하고, 상기 제어데이터는 원격제어장치에서 발생하는 데이터를 획득하며, 모사데이터는 선박제어모사장치에서 생성한 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 항해데이터(N-data)는 N-time, GPS 시간을 이용하여 측정한 데이터 획득시간; N-position, GPS로 측정한 위치(위도, 경도); N-heading, 자이로컴퍼스를 이용하여 측정한 선수방위; N-speed, 속력측정장치를 이용하여 측정한 속력; N-rudder-angle, 자동조타장치에서 측정한 러더의 각도; N-bow-thruster, 바우쓰러스터에서 측정한 피치(%) 중 어느 하나 이상을 포함하고;,
   상기 제어데이터(C-data)는 C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 코스; C-heading, 제어선수방위; C-rudder-angle, 제어러더각도; C-RPM, 제어엔진회전수; C-bow-thruster, 제어바우쓰러스터 피치 중 어느 하나 이상을 포함하며;,
   상기 모사데이터(EM-data)는 EM-time, GPS 시간을 이용한 제어명령수신시각; EM-speed, 제어명령속도; EM-heading, 제어명령선수방위, EM-course, 제어명령코스; EM-rudder-angle, 제어명령러더각도; EM-RPM, 제어명령엔진회전수; EM-bow-thruster, 제어명령바우쓰러스터 피치 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 원격제어의 실선실험방법은, 선박의 크기, 엔진성능, 러더의 성능으로 이루어진 제원과 실험해역의 교통량과 기상조건 그리고 통신장치들의 도달거리로 된 실험조건과 실험목적을 고려하여 수행되는 것으로, 하기의 (method 1)에 나타낸 11종의 실험과정을 이용하여 하기의 (method 2)에 나타낸 5종의 실선실험 방법 중 선택되는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
   (method 1)
   ①은 선장이 제어명령(A)을 발생하여 선박(MASS)을 제어하는 과정
   ②는 선장이 제어명령(A)을 (a)음성통화 장치로 전송하는 과정
   ③은 (a)음성통화 장치에서 제어명령(A)을 선장대리인에게 전송하는 과정
   ④는 선장대리인의 제어명령(B)을 원격제어장치로 전송하는 과정
   ⑤는 원격제어장치에서 (d)선박제어모사장치로 제어데이터를 전송하는 과정
   ⑥은 원격제어장치에서 (c)선박제어인터페이스로 제어데이터를 전송하는 과정
   ⑦은 원격제어장치에서 (b)제어명령가시화장치로 제어데이터를 전송하는 과정
   ⑧은 제어명령가시화장치에서 선장에게 제어명령을 가시화하는 과정
   ⑨는 (c)선박제어인터페이스에서 선박으로 제어데이터를 전송하는 과정
   ⑩은 선박에서 제어응답(A)을 생성하는 과정
   ⑪은 (d)선박제어모사장치에서 제어응답(B)을 생성하는 과정
   (method 2)
   실선실험방법 1은 선장과 선장대리인이 (a)음성통화 장치를 통해 음성으로 제어명령을 주고받는 선장의 직접제어 방법으로서, 선장은 선박을 직접 제어하면서 제어명령(A)을 선장대리인에게 (a)음성통화장치를 이용하여 전달하고, 선장대리인은 선장의 제어명령(A)을 추종하여 제어명령(B)을 발생시킨다. 선장의 제어결과는 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 추종결과는 ②, ③, ④, ⑤ 그리고 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어명령(B)로 획득.
   실험방법 2는 선장이 제어명령 가시화창에 나타낸 선장대리인의 제어명령(B)을 이용하여 제어하는 선장의 간접제어 방법으로서, 제어명령(B)은 선장이 (a)음성통화장치를 통해 선장대리인에게 준 제어명령(A)을 선장대리인이 다시 추종하여 발생시킨 것이고, 선장의 제어결과는 ②, ③, ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.
   실험방법 3은 선장대리인의 간접제어 방법으로서, 선장대리인이 선장을 이용하여 간접적으로 제어하도록 선장대리인이 (b)제어명령가시화장치를 이용하여 제어명령(B)을 가시화시키면 선장은 가시화된 제어명령(B)을 보고 선박을 제어하고, 선장대리인의 간접 제어결과는 ④, ⑦, ⑧ 그리고 ①과 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.
   실험방법 4는 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 간접 또는 직접적으로 선박을 제어하기 위한 것으로, 선장은 (b)제어명령가시화장치를 통해 선장대리인의 제어명령(B)을 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입하고, 선장대리인의 간접 또는 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해 제어응답( A)로 획득하고, 선장의 감시와 개입은 ⑦과 ⑧ 그리고 ①의 과정을 통해 구현하며, 선장대리인의 직접 제어결과는 ⑤와 ⑪의 과정을 통해 모사하여 제어응답(B)로 획득.
   실험방법 5는 선장대리인이 (c)선박제어인터페이스를 이용하여 직접 선박을 제어하는 방법으로서, 선장은 선장대리인의 제어결과를 감시하여 위급상황 발생시 선박제어에 개입하고, 선장대리인의 직접 제어결과는 ④, ⑥, ⑨ 그리고 ⑩의 과정을 통해서 제어응답(A)로 획득하고, 선장의 개입은 ①과 ⑩의 과정을 통해서 구현.
9. 제 1항에 있어서, 상기 원격제어의 성능평가 절차는
   성능평가 시나리오를 이용하여 원격제어 실험을 수행하고, 실선실험을 통해서 데이터를 수집하여 DB(데이터베이스)에 저장한다. 실선실험은 시나리오에 정해진 절차를 모두 완성하기 전까지 반복하여 수행하고, 선택한 실선실험방법이 종료되면 다음 실선실험방법을 선택하여 실험을 계속하거나 또는 실험을 종료하는 실선실험 부분과;
   DB에서 데이터를 호출하여 획득한 후 제어명령 데이터에서 선박에 준 명령 값을 도출하고, 제어응답 데이터에서 선박의 제어응답(A)의 값 또는 모사장치의 제어응답(B)의 값을 도출하여, 성능평가 시나리오에 명시된 성능평가 변수들의 값을 계산하는 과정과, 이어서 선박제어장치의 원격조작성능 또는 선박의 원격조종성능을 평가하고 그 결과를 원격조작성능평가 가시화창, 원격조종성능평가 가시화창을 이용하여 보고하는 성능평가 부분으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 원격조작성능의 평가는,
    n(n=1,2,3,4,5)의 제어상태로 구분한 제어명령 값의 세트(O(n))를 이용하여 구축하고, 제어명령 값들은 3종 선박제어장치를 지그재그 형태로 조작하기 위한 것으로, n=1에서 3종 선박제어장치 모두의 초기 제어명령 값은 모두 영(0)으로 정한 후 선박제어장치 각각의 제어명령 값을 n=1부터 n=2까지 증가시키고, n=2부터 n=3까지 감소시키고, n=3부터 n=4까지 지속적으로 감소시키고, n=4부터 n=5까지 다시 증가시키고, n=5에서 3종 선박제어장치 모두의 제어명령 값을 영(0)으로 정한 원격조작성능의 평가 시나리오와;,
    구축한 시나리오 구현에 필요한 제어명령 값을 지정하는 제어명령 값 설정과, 이후 실선실험에서 저장한 DB에서 획득하는 제어응답 값 획득과, 제어명령 값과 제어응답 값을 이용하여 원격조작성능을 계산하여 그 결과를 보고하는 성능계산과 보고로 이루어진 원격조작성능의 평가절차와 구현수단과;,
    원격조작성능의 평가절차를 이용한 것으로, n의 제어상태 각각에 대한 제어명령 값과 제어응답 값을 가시화하고, 제어명령 또는 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, 제어명령 또는 제어응답 값 차이의 합을 가시화하고, 성능평가결과를 가시화한다. 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 (D)의 성능평가결과를 가시화하여 성능을 분석한 5종의 구역으로 구현한 가시화창으로 이루어진 원격조작성능의 보고방법;,으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 원격조작성능의 평가는 하기의 (method 3)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
    (method 3)
    단계 1: 성능평가 변수{CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}의 세트로 구성된 성능평가 시나리오 구축
    Scenario(n) ∈ {CT(n), RA(n), RPM(n), BT(n)}
    여기서 n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태로서 N=5)이고, CT(n)는 n의 제어상태에서 제어시간(Control Time)을 나타내고, RA(n)은 n의 제어상태에서 러더각도를 나타내고, RPM(n)은 n의 제어상태에서 엔진의 분당회전수를 나타내고, BT(n)는 n의 제어상태에서 바우쓰러스터의 피치를 나타낸다.
    단계 2: 제어명령 값 설정
    4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정하고, 상기 O(n)는 다음 4종 제어명령 값의 세트로 구성한다.
    O(n) ∈ {O-CT(n), O-RA(n), O-RPM(n) O-BT(n)}
    여기서 O-CT(n), O-RA(n), O-RPM(n) O-BT(n)은 n의 제어상태에서 정한 제어시간, 러더각도, 분당회전수, 바우쓰러스터 피치를 각각 나타낸 것으로, 각 변수의 값은 다음과 같이 결정.
    O-CT(n): 제어시간은 n=1에서 HHMMSS+600초, n=2에서 HHMMSS+900초, n=3에서 HHMMSS+1200초, n=4에서 HHMMSS+1800초, n=5에서 HHMMSS+2400초 등으로 정한 것으로, HHMMSS(HH, 2단위의 시; MM, 2단위의 분; SS, 2단위의 초)은 실험시작 시각을 나타낸 것임.
    O-RA(n): 러더각도는 n=1에서 Port 25도, n=2에서 STBD 20도, n=3에서 STBD 20도, n=4에서 Port 20도, n=5에서 0도 등으로 정한 것으로(여기서 Port는 러더를 좌현으로 돌리라는 의미이고, STBD는 러더를 우현(Starboard)로 돌리라는 의미)
    O-RPM(n): 엔진회전수는 n=1의 초기 값은 0rpm(영)으로 두고, n=1에서 0rpm, n=2에서 80rpm, n=3에서 -40rpm(즉, 후진), n=4에서 0rpm, n=5에서 80rpm 등으로 정한 것임.
    O-BT(n): 바우쓰러스터 피치는 n=1에서 50%, n=2에서 0%, n=3에서 50%, n=4에서 0%, n=5에서 50% 등으로 정한 것임.
    단계 3: 제어명령 값의 차이 계산
    4종 성능평가 변수의 제어명령 값 차이를 하기의 식(1)부터 식(4)까지를 이용하여 각각 계산.
    OD-CT(d) = O-CT(n) - O-CT(n+1) ------------------------------------ (1)
    OD-RA(d) = O-RA(n) - O-RA(n+1) ------------------------------------ (2)
    OD-RPM(d) = O-RPM(n) - O-RPM(n+1) --------------------------------- (3)
    OD-BT(d) = O-BT(n) - O-BT(n+1) ------------------------------------ (4)
    여기서 d는 제어상태 사이의 구분번호로서 d=1,2,… D(D는 N-1)이다.
    단계 4: 제어명령 값 차이의 합 계산
    위의 단계 3에서 계산한 제어명령 값 차이의 합을 하기의 식(5)부터 식(8)을 이용하여 계산.
    OCT = sum[OD-CT(d)] ----------------------------------------------- (5)
    ORA = sum[OD-RA(d)] ----------------------------------------------- (6)
    ORPM = sum[OD-RPM(d)] --------------------------------------------- (7)
    OBT = sum[OD-BT(d)] ----------------------------------------------- (8)
    여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.
    단계 5: 제어응답 값 획득
    4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득한다. R(n)은 다음의 4종 제어명령 값의 세트로 획득.
    R(n) ∈ {R-CT(n), R-RA(n), R-RPM(n) R-BT(n)}
    4종 제어응답 값은 n=1부터 n=5까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득.
    R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각
    R-RA(n): n의 제어상태에서 반응한 러더각도의 값
    R-RPM(n): n의 제어상태에서 반응한 엔진회전수의 값
    R-BT(n): n의 제어상태에서 반응한 바우쓰러스터 피치의 값
    단계 6: 제어응답 값의 차이 계산
    4종의 성능평가 변수의 제어응답 값 차이를 하기의 식(9)부터 식(12)까지를 이용하여 각각 계산.
    RD-CT(d) = R-CT(n) - R-CT(n+1) ------------------------------------ (9)
    RD-RA(d) = R-RA(n) - R-RA(n+1) ----------------------------------- (10)
    RD-RPM(d) = R-RPM(n) - R-RPM(n+1) -------------------------------- (11)
    RD-BT(d) = R-BT(n) - R-BT(n+1) ----------------------------------- (12)
    여기서 d는 제어상태 사이의 구분번호로서 d=1,2,… D(D는 N-1)이다.
    단계 7: 제어응답 값 차이의 합 계산
    위의 단계 6에서 계산한 제어응답 값 차이의 합을 다음 식(13)부터 식(16)까지를 이용하여 각각 계산.
    RCT = sum [RD-CT(d)] --------------------------------------------- (13)
    RRA = sum [RD-RA(d)] --------------------------------------------- (14)
    RRPM = sum [RD-RPM(d)] ------------------------------------------- (15)
    RBT = sum [RD-BT(d)] --------------------------------------------- (16)
    여기서 sum은 합을 의미하고, d=1,2,3,4이다.
    단계 8: 원격조작성능 계산
    위의 단계 4에서 계산한 제어명령 값 차이와 위의 단계 7에서 계산한 제어응답 값 차이를 이용하여 4종의 원격조작성능(PER)을 계산. 명령추종성능(PER-CT), 러더조작성능(PER-RA), 엔진조작성능(PER-RPM), 바우쓰러스터조작성능(PER-BT)은 식(17)부터 식(20)을 각각 이용하여 계산.
    PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[(OCT - RCT)/OCT] )×100 ------------------ (17)
    PER-RA(%) = ( 1.0 - abs[ ORA - RRA)/ORA] )×100 ------------------ (18)
    PER-RPM(%)= ( 1.0 - abs[(ORPM - RRPM)/ORPM] )×100 --------------- (19)
    PER-BT(%) = ( 1.0 - abs[(OBT - RBT)/OBT] )×100 ------------------ (20)
    여기서 abs는 절대 값을 나타낸다. 위의 식들은 주어진 제어명령에 대한 제어반응을 백분율(%)로 나타낸 것임.
    단계 9: 원격조작성능 보고
    위의 단계 8에서 계산한 4종의 원격조작성능은 원격조작성능 가시화창을 이용하여 가시화해서 보고.
12. 제 1항에 있어서, 상기 원격조종성능의 평가는, 원격조종성능의 평가절차를 이용한 것으로, 제어상태 각각에 대한 제어명령 값과 제어응답 값을 가시화하고, 제어명령 값과 제어응답 값들의 차이를 가시화하고, 성능평가 계산결과를 가시화 하고, 막대그래프(Bar graph)를 이용하여 조종성능 평가결과를 가시화한 원격조종성능의 보고방법을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 원격조종성능의 평가절차와 구현수단은 하기이 (method 4)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어의 실제 선박을 이용한 실험과 성능평가 방법.
    (method 4)
    단계 1: 성능평가 시나리오 구축
    성능평가 시나리오(Scenario)는 다음과 같은 4종 성능평가 변수{CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}의 세트로 구성.
    Scenario(n) ∈ {CT(n), CO(n), SP(n), RD(n)}
    여기서 n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태로서 N=7)이고, CT(n)는 n의 제어상태에서 제어시간(Control Time)을 나타내고, CO(n)은 n의 제어상태에서 코스를 나타내고, SP(n)은 n의 제어상태에서 속력을 나타내고, RD(n)는 n의 제어상태에서 주행거리를 나타낸 것임.
    단계 2: 제어명령 값 설정
    4종 성능평가 변수 각각에 대한 제어명령 값(O(n))을 설정. O(n)는 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 구성.
    O(n) ∈ {O-CT(n), O-CO(n), O-SP(n) O-RD(n)}
    여기서 O-CT(n), O-CO(n), O-SP(n) O-RD(n)은 n의 제어상태에서 정한 제어시간, 코스, 속력, 주행거리를 각각 나타낸 것으로, 각 값은 다음과 같이 결정.
    O-CT(n): 제어시간은 (1)구간(n=1,2)에서 HHMMSS+12분, (2)구간(n=2,3)에서 HHMMSS+9분, (3)구간(n=3,4)에서 HHMMSS+15분, (4)구간(n=4,5)에서 HHMMSS+15분, (5)구간(n=5,6)에서 HHMMSS+7.5분, (6)구간(n=6,7)에서 HHMMSS+7.5분 등으로 정한 것으로, HHMMSS(HH, 2단위의 시; MM, 2단위의 분; SS, 2단위의 초)은 실험시작 시각을 나타냄. 이러한 제어시간은 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박제원과 실험해역의 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정.
    O-CO(n): 코스는 (1)구간에서 45도, (2)구간에서 150도, (3)구간에서 120도, (4)구간에서 30도, (5)구간에서 155도, (6)구간에서 90도 등으로 정한 것으로, 이러한 코스는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 허용 러더각도와 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정.
    O-SP(n): 속력은 (1)구간에서 10노트, (2)구간에서 10노트, (3)구간에서 20노트, (4)구간에서 20노트, (5)구간에서 20노트, (6)구간에서 10노트 등으로 정한 것으로, 이러한 속력은 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 속도와 기상환경 및 선박안전을 고려하여 결정.
    O-RD(n): 주행거리는 (1)구간에서 2.0마일, (2)구간에서 1.5마일, (3)구간에서 3.0마일, (4)구간에서 5.0마일, (5)구간에서 2.5마일, (6)구간에서 4.5마일 등으로 정한 것으로, 이러한 주행거리는 정해진 것이 아니라 실험자가 실험대상 선박의 최대 속도와 기상황경 및 선박안전을 고려하여 결정.
    단계 3: 제어응답 값 획득
    4종의 성능평가 변수 각각에 대한 제어응답 값(R(n))을 획득. R(n)은 다음과 같은 4종 제어명령 값의 세트로 획득.
    R(n) ∈ {R-CT(n), R-CO(n), R-SP(n) R-RD(n)}
    4종 제어응답 값은 n=1부터 n=7까지의 제어시점에서 DB에 저장된 제어응답 데이터를 이용하여 다음과 같이 획득.
    R-CT(n): n의 제어상태에서 HMMSS의 형태로 측정한 제어시각
    R-CO(n): n의 제어상태에서 측정한 코스의 값
    R-SP(n): n의 제어상태에서 측정한 속력의 값
    R-RD(n): n의 제어상태에서 측정한 주행거리 값
    단계 4: 제어명령 값과 제어응답 값의 차이 계산
    4종 성능평가 변수의 제어명령 값과 제어응답 값의 차이를 다음 식(21)부터 식(24)까지를 이용하여 각각 계산.
    D-CT(n) = O-CT(n) - R-CT(n) -------------------------------------- (21)
    D-CO(n) = O-CO(n) - R-CO(n) -------------------------------------- (22)
    D-SP(n) = O-SP(n) - R-SP(n) -------------------------------------- (23)
    D-RD(n) = O-RD(n) - R-RD(n) -------------------------------------- (24)
    단계 5: 원격조종성능 계산
    위의 단계 4에서 계산한 값을 이용하여 4종의 원격조종성능(Performance, PER)을 계산. 명령추종성능(PER-CT), 코스조종성능(PER-CO), 속력조종성능(PER-SP), 주행거리조종성능(PER-RD)은 식(25)부터 식(28)까지를 각각 이용하여 계산.
    PER-CT(%) = ( 1.0 - abs[ D-CT/O-CT ])×100 ----------------------- (25)
    PER-CO(%) = ( 1.0 - abs[ D-CO/O-CO ])×100 ----------------------- (26)
    PER-SP(%) = ( 1.0 - abs[ D-SP/O-SP ])×100 ----------------------- (27)
    PER-RD(%) = ( 1.0 - abs[ D-RD/O-RD ])×100 ----------------------- (28)
    여기서 abs는 절대 값을 나타낸다. 위의 식들은 주어진 제어명령에 대한 제어반응을 백분율(%)로 나타낸 것임.
    단계 6: 원격제어성능 보고
    위의 단계 5에서 계산한 4종의 원격조종성능은 선박의 원격조종성능가시화 창을 이용하여 가시화해서 보고(Reporting).