KR102602661B1 - 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법 - Google Patents
자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법을 개시한다.
본 발명은 지연시간 추정을 위한 지연구간 구분단계; 상기 구분된 지연구간을 이용한 지연시간 추정단계; 상기 단계에 이어서 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계; 지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정수단 선정단계; 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화단계;로 이루어진 것으로, 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 상황인식 실패와 원격제어 실패를 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있고, 제어지연에 의해 발생할 수 있는 원격제어 위험수준을 네 개의 지연구간을 이용하여 평가할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 제어지연에 의한 원격제어의 위험수준을 결정하여 가시화할 수 있는 자율운항선박(MASS)의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.
본 발명은 지연시간 추정을 위한 지연구간 구분단계; 상기 구분된 지연구간을 이용한 지연시간 추정단계; 상기 단계에 이어서 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계; 지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정수단 선정단계; 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화단계;로 이루어진 것으로, 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 상황인식 실패와 원격제어 실패를 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있고, 제어지연에 의해 발생할 수 있는 원격제어 위험수준을 네 개의 지연구간을 이용하여 평가할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 제어지연에 의한 원격제어의 위험수준을 결정하여 가시화할 수 있는 자율운항선박(MASS)의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.
Description
본 발명은 자율운항선박의 원격제어에서 원격제어 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자)의 고유한 특징으로 인하여 발생한 지연시간의 추정과 지연에 따른 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율운항선박의 운항시 원격지에서 운영되는 원격제어시스템에서 선박 응답지연, 데이터 송수신지연, 원격제어자 반응지연 등에 따른 제어지연 발생시, 선박과 원격제어자 사이를 네 개의 지연구간으로 구분하여 측정한 제어시간을 이용하여 지연시간을 추정 산출하고, 지연에 따른 원격제어의 위험수준을 평가하고 결정하여 화면에 가시화함으로써 원격제어자가 지연에 따른 원격제어의 위험한 수준을 인지할 수 있게 하여 운항 안전성을 보장할 수 있는 자율운항선박 원격제어의 위험수준 평가와 가시화 방법에 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 최소인원만 승선한 경우 원격 제어가 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 수준2와 수준 3 사이에 있다. 수준 2와 3 사이에서 요구되는 기술은 원격으로 자율운항선박을 안전하게 조종하는 것인데 이를 위해 자율운항선박 원격제어 과정에서 발생하는 제어지연에 의한 해양사고는 예방되어야 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 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, 제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해서 실행됨에 따라 이들 간의 유기적인 동작에 어떠한 지연 현상이 발생될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이러한 지연 현상은 다양한 환경(선박의 반응지연, 통신 네트워크의 고장과 지연, 제어시스템의 신호처리 지연, 원격제어자에 의한 의사결정 지연 등)에 의해서 발생할 수 있다.
원격제어에서 지연이 발생하면 두 가지 주요 문제가 발생하는데, 그 것은 상황인식 실패와 원격제어 실패이다. 상황인식 실패는 자율운항선박 주변의 현재 상황이 원격제어자에게 전송될 때까지 지연되어 원격제어자가 현재 상황을 인지할 수 없기 때문에 발생하고, 원격제어 실패는 원격제어자의 제어명령이 선박에 도달할 때까지 지연되어 원격제어자가 원하는 시점에서 선박이 제어되지 못하기 때문에 발생한다. 이러한 상황인식 실패와 원격제어 실패가 발생하면, 선박은 충돌, 좌초 등의 사고가 발생할 수 있고, 계획된 항로에서 이탈하여 항해 거리가 증가할 수 있다.
따라서 자율운항선박의 운항 중 지연으로 인한 해양사고 발생을 미연에 방지하고 계획된 항로를 추정할 수 있는 대안 마련이 시급한 실정이며, 특히 과학적이고 정량적으로 원격제어 과정 중에 발생하는 지연에 따른 원격제어의 위험수준을 평가하고 결정하여 가시화하는 방법에 대한 연구를 통해 자율운항선박의 운항 안전성과 경제성을 확보할 필요가 있다.
(지연의 위험수준 평가방법의 고찰)
자율운항선박 원격제어에서 지연에 따른 원격제어의 위험수준에 대한 평가방법은 아직 관련 분야에서 보고된 바는 없고, 다만, 지연에 의해서 발생할 수 있는 충돌위험 평가방법이 본 발명자에 의해서 다양한 특허로 보고되어 있다.
지연시간 자체의 평가방법은 다음 세 가지를 고려할 수 있는데, 1) 선박의 선체반응 지연시간을 국제해사기구(IMO)에서 정한 표준성능평가 규정에 의해서 평가하는 방법, 2) 통신 장비의 지연시간을 다양한 국제규정(IEC, ISO 등)에 의해서 평가하는 방법, 3) 원격제어의 지연시간을 세계 유명 선급(ABS, DNV 등)에서 정한 지침(Guideline)에 의해서 평가하는 방법 등이다.
위의 1)과 2)는 선박과 장비의 성능수준을 평가하기 위한 것일 뿐 지연의 위험수준을 평가하기 위한 것이 아니고, 3)의 경우는 '지연은 최소화 될 것'이라고만 되어 있을 뿐 평가 방법과 기준은 제시되어 있지 않다. 아울러, 원격제어자의 제어반응 지연에 대한 평가 방법 역시 보고된 바 없으며, 특히, 지연에 따른 원격제어 위험수준의 평가방법은 아직 보고된 바 없다.
한편, 원격제어 시스템에서 지연을 감소시키는 방법은 다음 네 가지를 고려할 수 있는데, 1) 통신 속도 증가, 2) 전송 데이터 용량 축소, 3) 선체응답 속도 향상, 4) 원격제어자의 반응속도 증가 등이다. 그러나 1)의 통신 속도 증가는 기술적 한계가 있고, 2)의 전송 데이터 용량 축소 역시 한계가 있으며, 3)의 선체응답 속도는 유체 중 선박에 발생하는 불가항력적인 현상이며, 4)의 원격제어자 반응속도 증가는 훈련에 의해서 가능하지만 한계가 있으며 원격제어자의 숙련도에 의존해야 하는 폐단이 있다.
이에, 자율운항선박 원격제어에서 지연 문제는 세계적인 이슈로 등장하면서. 통신 장비와 네트워크 회사, 원격제어장비 제작 회사, 교육기관 등에서 나름대로의 문제해결 연구 또는 방안 탐색 등이 진행 중에 있으나 원격제어에서의 다양한 지연의 발생은 현재 기술로는 해결하기 곤란한 문제로 남아 있음에 따라 원격제어자의 관점에서 지연 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자율운항선박 원격제어에서의 다양한 지연의 발생은 현재 기술로는 해결하기 곤란한 문제로 가정하고, 원격제어자의 관점에서 지연 문제를 해결하기 위한 방안으로서 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 1. 지연에 따른 원격제어의 위험수준을 평가하고 가시화하는 방법과, 2. 원격제어 3요소의 지연특징을 고려한 지연발생 구간의 구분 방법과, 3. 네 개의 지연구간을 이용한 지연시간 추정 방법과, 4. 지연시간의 추정과 지연에 따른 원격제어의 위험수준 결정 절차와, 5. 지연에 따른 원격제어의 위험수준 결정 방법과, 6. 지연시간 비율의 가시화 방법과 가시화를 위한 가시화 창(visualization window)의 구성도와, 7. 원격제어의 위험수준 가시화 방법과 가시화를 위한 가시화 창의 구성도로 이루어진 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법은, 지연시간 추정을 위하여 선박, 제어시스템, 원격제어자로 이루어진 원격제어 3요소 사이의 지연을 유기적으로 분석하기 위한 것으로 데이터 전송지연, 원격제어자의 인적반응지연, 선박의 선체반응지연 정보를 갖는 4개의 섹터로 이루어진 지연구간 구분단계; 상기 구분된 지연구간을 이용한 지연시간 추정단계; 상기 단계에 이어서 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계; 지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정수단 선정단계; 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화단계;로 수행되는 것에 그 특징이 있다.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 지연구간 구분단계에서, 상기 4개의 섹터 중 섹터 1은 선박 제어응답과 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 선박에서 원격제어자에게 전송하는 구간, 섹터2는 원격제어자가 선박 데이터를 수신할 때부터 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때까지의 구간, 섹터 3은 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때부터 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때까지의 구간, 섹터 4는 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때부터 선박 제어응답의 결과와 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 원격제어자에게 전송할 때까지의 구간으로 정의된 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 섹터 1에서의 지연은 선박의 항해 상황을 전송하기 위한 CCTV 영상정보, 레이더 영상정보 중 어느 하나 또는 하나 이상을 포함한 대용량 데이터에 의해 발생하고;, 상기 섹터 2에서의 지연은 원격제어자가 항해 상황을 인지 한 후, 선박 조종을 위한 제어명령 데이터를 발생시킬 때까지의 인적 반응지연에 의해 발생하고;, 상기 섹터 3에서의 지연은 통신장치의 지연과 통신속도 및 데이터 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 요소에 의해서 영향을 받는 데어터 전송지연에 의해 발생하고;, 상기 섹터 4에서의 지연은 제어명령에 대해서 선박이 응답할 때까지 선체의 유체 중 물리특성으로 인하여 발생하는 선체반응지연에 의해 발생하며;, 상기 각 섹터에서의 지연시간은 섹터 2가 가장 크고, 다음으로 섹터 1 그리고 섹터 4 마지막으로 섹터 3의 순서인 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 지연시간 추정단계에서, 지연시간은 상기 원격제어 3요소 사이의 4섹터에서 순환적으로 발생하는 원격제어절차를 고려하여 과거, 현재 그리고 미래의 제어상태를 이용하여 추정하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 지연시간 추정단계는 하기의 (method 1)을 이용해서 도출하는 것에 있다.
(method 1)
1) 선박과 데이터 송수신기 그리고 원격제어자 사이의 원격제어절차를 n(n=1,2...,N: N은 총 제어상태의 수)의 제어상태로 구분하는 과정;
2) n의 제어상태에서 계산한 지연시간을 이용하여 n+1의 제어상태의 지연시간을 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)를 이용하여 추정하는 과정;
* 여기서 n-1, n, n+1은 각각 과거, 현재, 미래의 제어상태, n의 제어상태에 있는 원격제어자(Operator(n))를 기준으로 구분
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 n의 제어상태에서 섹터별 지연시간은 하기의 (method 2)를 이용해서 계산하는 것에 있다.
(method 2)
1) DT1(n): n의 제어상태에서 S=1의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 송신기(STx)에서 선박 데이터(S-data)를 송신한 시간(T1(n))과 원격제어자의 수신기(CRx)에서 S-data를 수신한 시간(T2(n)) 사이의 차이로 계산.
2) DT2(n): n의 제어상태에서 S=2의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 수신기(CRx)에서 선박 데이터(S-data)를 수신한 시간(T2(n-1)))과 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)) 사이의 차이로 계산.
3) DT3(n): n의 제어상태에서 S=3의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)))과 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n)) 사이의 차이로 계산.
4) DT4(n): n의 제어상태에서 S=4의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n))과 선박 송신기(STx)에서 S-data를 송신한 시간(T1(n)) 사이의 차이로 계산.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계는 하기의 (method 3)에 의해 도출하는 것에 있다.
(method 3)
a) 원격제어 절차에서 원격제어 과정 중에 발생하는 선박 데이터, 제어 데이터, 시간 데이터로 이루어진 송수신 데이터를 데이터베이스에 저장한다.
b) 지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차에서 D/B에 저장된 송수신 데이터를 획득하고, 각 섹터별로 측정한 시간을 이용하여 현재의 지연시간(DT)을 계산하고, 지연시간과 기상정보를 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)에 입력하여 미래의 지연시간을 추정한다. 그런 후, 추정한 지연시간과 기준으로 정한 지연시간 사이의 비율을 계산하여 가시화하고, 지연시간 비율을 이용하여 지연에 따른 원격제어의 위험수준(Risk Level, RL)을 결정한다.
결정한 위험수준은 3진 부호(0,1,2)를 이용하여 구분하는데, RL=0은 허용 가능한 위험수준(Acceptable)을 나타내고, RL=1은 중간의 위험수준(Marginal)을 나타내고, RL=2은 허용 불가능한 위험수준(Unacceptable)으로 나타낸다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 선박 데이터는 항해데이터기록장치와 타선 또는 물체의 정보는 본선의 선박자동식별장치를 이용하여 획득한 것으로, 본선의 항해 정보와 기상정보 그리고 타선 또는 물체의 정보로 구성되며, S-data{(본선 정보) OS-ship name, 본선의 영문 명칭; OS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 본선의 식별번호; OS-time, GPS 시간을 이용한 본선 데이터 획득시간; OS-position, GPS로 측정한 본선 위치(위도, 경도); OS-heading, 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 측정한 본선의 선수방위; OS-speed, 속력측정장치(Speed-Log)를 이용하여 측정한 본선의 속력; OS-depth, 수심측정장치(Echo-sounder)를 이용하여 측정한 본선의 수심; OS-rudder-angle, 자동조타장치(Autopilot)에서 측정한 본선 러더(rudder)의 각도; OS-bow-thruster, 바우쓰러스터 제어장치에서 측정한 본선의 바우쓰러스터 사용 각도(또는 피치); OS-wave-height, 파도의 높이(파고); OS-wave-direction, 파도의 방향(파향); OS-wave-period, 파도의 주기(파주기); OS-wind-force, 바람의 속도(풍속); OS-wind-direction, 바람의 방향(풍향); OS-humidity, 습도; (영상정보) OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; (타선 또는 물체정보) TS-ship name, 물체의 영문명칭; TS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 타선의 식별번호; TS-time, 타선에서 데이터 전송할 때의 GPS 시간; TS-position, 타선의 위치; TS-heading, 타선의 선수방위; TS-speed 타선의 속력} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제어 데이터(C-data)는 원격제어장치에서 획득한 제어 정보로 구성된 것으로, C-data{C-OS-MMSI, 제어대상 본선의 IMO 식별번호; C-TS-MMSI, 타선(또는 물표)의 IMO 식별번호; C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 침로; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어 러더각도; C-bow-thruster, 제어 바우쓰러스터 값} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 시간 데이터(T-data)는 원격제어장치에서 GPS 시간을 이용하여 측정한 시간정보로 구성한 것으로, T-data{T1, S-data의 송신시간; T2, S-data의 수신시간; T3, C-data의 송신시간; T4, C-data의 수신시간} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 위험수준 결정수단 선정단계는 원격제어 과정에서 발생하는 섹터별 지연시간은 하기의 (method 4)를 통해서 각 섹터에서 계산한 지연시간과 추정한 지연시간 그리고 지연시간의 비율, 지연시간비율의 위험수준을 추정하고 그에 따른 원격제어의 위험수준을 결정하는 것에 있다.
(method 4)
단계 1: 지연시간 추정을 위한 데이터 획득
지연시간 추정을 위한 데이터는 원격제어 과정 중에 저장된 3종 데이터(S-data, C-data, T-data)를 이용한다. 먼저, T-data에서 다음 식(1)의 형태를 갖는 시간 데이터 세트 T-set를 구축한다.
T-set(k,n) = {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)} --------------- (1)
여기서, k는 데이터 구분번호로서 k=1,2,… K(K는 데이터 수로서, K=5)이고, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N (N은 최종 측정상태)이고, 각 시간은 시간동기화를 위하여 GPS(Global Positioning System)의 시간을 이용하여 측정한 것으로 다음 의미를 갖는다.
T2(n-1): 원격제어의 n-1의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
T3(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 C-data를 송신한 시간
T4(n): 선박의 n의 제어상태에서 C-data를 수신한 시간
T1(n): 선박의 n의 제어상태에서 S-data를 송신한 시간
T2(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
아울러 T-set(n)에 해당하는 선박 데이터(S-data)와 제어데이터(C-data)를 호출하여 T-set(n)와 유사한 S-set(n)과 C-set(n)을 구축한다.
단계 2: 지연시간 추정
n의 제어상태에서 각 섹터의 지연시간(DT(S,n))을 T-set(k,n)을 이용하여 다음 식(2)으로 계산한다.
DT(S,n) = | T-set(ka,n) - T-set(kb,n) | ------------------------- (2)
여기서 S(S=1,2,3,4)는 제어섹터 구분번호이고, ka와 kb는 데이터 범위를 나타낸 것으로 ka = S이고 kb = S+1이다.
제어상태 n+1의 각 섹터별 지연시간은 다음 식(3)의 조건을 갖는 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman Filter, KF)를 이용하여 추정한다.
DT(S,n+1) = KF [DT(S,n) | (V-speed(S,n), V-course(S,n), V-rudder(S,n), V-wind(S,n), V-wave(S,n), V-current(S,n), V-radio-speed(S,n), V-data-size(S,n) ] ------------------------------------------------------------ (3)
여기서 우측 항에 나타낸 변수들은 S-set(n)과 C-set(n)에 포함된 정보에서 도출한 것으로, 각 변수의 의미는 다음과 같다.
V-speed(S,n): S마다 서로 다른 본선의 속력(speed)
V-course(S,n): S마다 서로 다른 본선의 선수방위(course)
V-rudder(S,n): S마다 서로 다른 본선의 러더(rudder) 각도
V-wind(S,n): S마다 서로 다른 바람(wind)의 속력과 방향
V-wave(S,n): S마다 서로 다른 파도(wave)의 높이와 방향 그리고 주기
V-current(S,n): S마다 서로 다른 조류(current)의 세기와 방향
V-radio-speed(S,n) : S마다 서로 통신장치의 속도
V-data-size(S,n) : S마다 서로 다른 송수신 데이터의 크기
단계 3: 지연시간 비율 계산
n+1의 제어상태에서 지연시간 비율(DT-ratio(S,n+1))은 다음 식(4)으로 계산한다.
DT-ratio(S,n+1) = DT(S,n+1)/DT-ref(S) ---------------------------- (4)
여기서 DT-ref(S)는 섹터별로 서로 다른 기준 지연시간을 나타낸 것으로,
DT-ref(S=1): 선박과 원격제어자 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간,
DT-ref(S=2): 원격제어자 반응지연의 기준 지연시간,
DT-ref(S=3): 원격제어자와 선박 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간,
DT-ref(S=4): 선박반응 지연의 기준 지연시간.
단계 4: 원격제어 위험수준의 결정
원격제어의 위험수준(RL(S,n+1))은 다음 알고리즘을 이용하여 결정한다.
If [DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Lower(S)] then RL(S,n+1) = 0
if [DTR-Lower(S) < DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Upper(S)] then RL(S,n+1) = 1
if [DTR-Upper(S) < DT-ratio(S,n+1) ] then RL(S,n+1) = 2
여기서 DTR-Lower(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 하한 값을 나타내고, DTR-Upper(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 상한 값을 나타낸 것으로, 기준비율의 하한 DTR-Lower(S)는 1.0이고, 기준비율의 상한 DTR-Upper(S)는 1.0±SD으로 계산하는데, SD는 섹터별 지연시간 비율의 표준편차(standard deviation)를 나타낸다. 아울러, 3진 부호(0,1,2)로 나타낸 지연수준은 다음과 같이 정의한다.
RL(S)=0: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않을 정도의 허용수준(Acceptable)임
RL(S)=1: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않으나 주의해야할 정도의 중간수준(Marginal)임
RL(S)=2: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래할 정도의 허용불가능수준(Unacceptable)임
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 위험수준 가시화단계는, 지연시간 비율의 가시화 과정;, 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 과정으로 구성된 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 지연시간 비율 가시화 과정에서, 지연시간 비율의 가시화를 위해 가시화창을 생성하되, 상기 지연시간 비율 가시화창은 4 섹터로 구분하여 각 섹터별로 지연시간 비율을 가시화한 것으로, 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(Control Time (HH:MM:SS.ss)), HH는 2단위 시간, MM은 2단위 분, SS.ss는 2단위 초와 1/100단위 초, y-축은 지연시간의 비율을 나타내도록 하고, 각 섹터의 가시화 창에는 지연시간 비율의 하한(L)과 지연시간 비율의 상한(U)을 표시하여 지연시간 비율이 기준 값과 비교하여 어느 정도 크기인지 원격제어자가 용이하게 인지할 수 있도록 구성된 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화과정은, 지연시간과 위험수준을 원격제어자가 동시에 확인할 수 있도록 원격제어의 위험수준 가시화를 위한 가시화창을 생성하되, 상기 위험수준 가시화창은 4섹터로 구분한 지연시간의 가시화에 사용하는 일측 공간과, 각 섹터의 위험수준과 의미를 표시하는 위험수준의 가시화에 사용하는 타측 공간으로 구성된 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 일측 공간에서 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(control time)을 나타내고, y-축은 계산한 지연시간(Calculated)과 추정한 지연시간(Estimated)을 나타내고;,
상기 타측 공간은 각 섹터의 위험수준을 표시하는 부분(Level Indicator)과 각 섹터의 의미를 설명한 부분(Sector Illustration)으로 구성되되, 각 섹터의 위험수준은 3색(Blue, Yellow, Red)을 이용하여 표시하는 것에 있다.
본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법은, 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 상황인식 실패와 원격제어 실패를 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.
특히, 제어지연에 의해 발생할 수 있는 원격제어 위험수준을 네 개의 지연구간을 이용하여 평가할 수 있음에 따라 국제해사기구(IMO)의 국제해상충돌규칙(COLREGs)에 명시된 충돌회피 규정에 의거하여 구현할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 제어지연에 의한 원격제어의 위험수준을 결정하여 가시화할 수 있는 자율운항선박(MASS)의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.
또한, 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 원격제어 위험수준의 평가와 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 자율운항선박의 원격제어에서 지연에 따른 원격제어의 위험수준 평가는 원격제어 과정에서 획득한 데이터 자체를 이용함으로 별도의 장비를 추가하지 않고도 자율운항선박에서 발생할 수 있는 예상치 못한 위험을 대폭 감소시킬 수 있어 신뢰성을 담보할 수 있는 유용한 효과가 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 발명은 다양한 원인에 기인한 제어지연을 해결하기 위한 고가의 장비를 추가하지 않고도 육상 원격지에서 원격제어자가 위험수준에 따른 능동 개입을 통해 대처가 가능하므로 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 자율운항선박 원격제어에서 지연시간 추정을 위한 3요소와 4섹터를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 4섹터를 이용한 원격제어의 지연시간 추정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 원격제어를 위해 송수신하는 데이터를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화를 위해 설계한 가시화 창(visualization window)의 구성도를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화를 위한 가시화 창(visualization window)의 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 지연에 따른 원격제어 위험수준 가시화의 예를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 4섹터를 이용한 원격제어의 지연시간 추정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 원격제어를 위해 송수신하는 데이터를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화를 위해 설계한 가시화 창(visualization window)의 구성도를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화를 위한 가시화 창(visualization window)의 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 지연에 따른 원격제어 위험수준 가시화의 예를 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 8은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 지연시간 추정을 위한 3요소와 4섹터를 설명하기 위한 도면이다.
도면에는 지연시간 추정을 위한 지연구간을 나타낸 것으로, 지연구간은 원격제어 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자) 사이의 지연을 유기적으로 분석하기 위하여 4섹터(Sector 1, Sector 2, Sector 3, Sector 4)로 구분하여 나타낸 구성이 도시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 4섹터를 이용한 원격제어의 지연시간 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도면에는 선박과 데이터 송수신기 그리고 원격제어자 사이의 원격제어절차를 n(n=1,2...,N: N은 총 제어상태의 수)의 제어상태로 구분하여 나타낸 구성이 도시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도면에는 좌측 박스의 그림은 (a)원격제어 절차를 나타낸 것이고, 우측 박스의 그림은 (b)지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차를 나타낸 구성이 도시되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 원격제어를 위해 송수신하는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도면에는, 도 3의 (a)원격제어 절차에서 원격제어 과정 중에 발생하는 모든 송수신 데이터의 종류와 내용이 도시되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화를 위해 설계한 가시화 창(visualization window)의 구성도를 나타낸 도면이다.
도면에는 4섹터로 구분된 가시화 창과, 각 섹터별로 가시화한 지연시간 비율, 그리고 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(Control Time (HH:MM:SS.ss))을 나타낸 것으로 HH는 2단위 시간을 나타내고, MM은 2단위 분을 나타내고, SS.ss는 2단위 초와 1/100단위 초를 나타내며, y-축은 지연시간의 비율을 나타낸 구성이 도시되어 있다.
도 6은 본 발명에 따른 지연시간 비율의 가시화 예를 나타낸 도면이다.
도면에 나타낸 섹터의 굵은 실선은 지연시간 비율을 가정하여 나타낸 것이고, 선박과 원격제어자 사이의 섹터 1(SECTOR 1)은 지연시간 비율이 하한 값과 상한 값의 범위에서 발생함을 나타낸 것이며, 원격제어자에 대한 섹터 2(SECTOR 2)는 지연시간 비율이 상한 값을 넘나드는 상태를 나타낸 것이다. 끝으로 원격제어자와 선박 사이의 섹터 3(SECTOR 3)과 선박에 대한 섹터 4(SECTOR 4) 양쪽은 지연시간 비율이 하한 값 이내에서 형성함을 나타낸 구성이 도시되어 있다.
도 7은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화를 위한 가시화 창(visualization window)의 구성도이다.
도면에는 두 공간을 나누어 구현한 위험수준 가시화 창이 나타나 있으며, 좌측 공간은 지연시간(DELAY TIME)의 가시화에 사용하고, 우측 공간은 위험수준(RISK LEVELS)의 가시화에 사용하는 것으로, 지연시간과 위험수준을 원격제어자가 동시에 알 수 있게 하기 위한 구성이 도시되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 지연에 따른 원격제어 위험수준 가시화의 예를 나타낸 도면이다.
도면에서 좌측 박스에 나타낸 섹터 1(SECTOR 1)은 시간 경과에 따라 지연시간이 점차 증가하는 경향을 나타낸 것이고, 섹터 2(SECTOR 2)는 지연시간이 증가와 감소를 반복하는 경향을 나타낸 것이며, 섹터 3(SECTOR 3)과 섹터 4(SECTOR 4)는 지연시간이 대략 일정한 수준을 유지하는 경향 등을 가정한 예를 나타낸 것이다.
본 발명은 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법을 구현하기 위한 것으로, 첫째, 지연시간 추정을 위하여 선박, 제어시스템, 원격제어자로 이루어진 원격제어 3요소 사이의 지연을 유기적으로 분석하기 위한 것으로 데이터 전송지연, 원격제어자의 인적반응지연, 선박의 선체반응지연 정보를 갖는 4개의 섹터로 이루어진 지연구간 구분단계와; 둘째, 상기 구분된 지연구간을 이용한 지연시간 추정단계와; 셋째, 상기 단계에 이어서 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계와; 넷째. 지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정수단 선정단계와; 다섯째, 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화단계;로 이루어지며, 이하 본 발명을 구성하는 각 단계를 상세하게 설명하기로 한다.
즉, 본 발명은 지연에 따른 원격제어의 위험수준 평가와 가시화 방법을 구현하기 위한 것으로, 자율운항선박 원격제어는 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 이들 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해서 실행되면서 다양한 지연이 발생한다. 이러한 지연은 기술적인 한계 또는 자연적인 현상에 의해서 어쩔 수 없이 발생하는 근본적인 지연(Latency)에 더하여 원격제어자의 제어기술 미숙으로 인한 제어반응 지연, 태풍과 기상악화로 인한 선박 제어응답의 지연, 대용량 데이터 송수신에 따른 통신지연 등이 종합하여 나타난다.
기준 지연시간과 비교하여 큰 지연시간은, 상황인식 실패와 원격제어 실패의 주요한 원인으로 작용하여 다양한 해양사고(충돌, 좌초, 접촉 등)를 야기할 수 있다. 본 발명은, 3요소로 구성된 자율운항선박 원격제어에서 발생할 수 있는 지연시간을 추정하고 평가하여 지연에 따른 원격제어의 위험한 수준을 원격제어자에게 가시화시켜서 경고함으로써 지연에 의한 제어실패를 예방하기 위한 것이다.
이하, 지연에 따른 원격제어의 위험수준 평가와 가시화 방법은 다음 순서로 설명하기로 한다. 지연시간 추정을 위한 지연구간의 구분 방법을 설명하고, 지연구간을 이용한 지연시간 추정 방법을 설명하며, 지연시간 추정 및 원격제어의 위험수준 결정절차를 설명한다. 이어서 지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정 수단을 설명하고, 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 방법을, 지연시간 비율의 가시화와 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화로 구분하여 설명하기로 한다.
[지연시간 추정을 위한 지연구간의 구분 방법]
지연시간 추정을 위한 지연구간의 구분 방법은 도1을 이용하여 설명한다. 도1은 지연시간 추정을 위한 지연구간을 나타낸 것으로, 지연구간은 원격제어 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자) 사이의 지연을 유기적으로 분석하기 위하여 4섹터(Sector 1, Sector 2, Sector 3, Sector 4)로 구분한다.
이들 3요소에 대한 4섹터와 각 섹터별로 발생하는 지연은 다음과 같이 정의한다.
섹터 1(Sector 1, 이하 S=1)은 선박 제어응답과 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 선박에서 원격제어자에게 전송하는 구간으로 정의한다. S=1의 지연은 주로 통신장치의 근본적인 지연(Latency)과 통신 속도(bps) 및 데이터 용량(bit) 등에 의해 영향을 받는 데이터 전송지연에 의해서 발생한다. S=1에서의 지연은 선박의 항해 상황을 전송하기 위한 대용량 데이터(CCTV 영상정보, 레이더 영상정보 등을 포함한 데이터)가 전송되기 때문에 아래에 설명한 섹터 3의 지연과 비교하여 지연시간이 크다.
섹터 2(Sector 2, 이하 S=2)는 원격제어자가 선박 데이터를 수신할 때부터 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때까지의 구간으로 정의한다. S=2의 지연은 주로 원격제어자가 항해 상황을 인지한 후, 선박조종을 위한 제어명령 데이터를 발생시킬 때까지의 인적반응지연에 의해서 발생한다.
섹터 3(Sector 3, 이하 S=3)은 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때부터 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때까지의 구간으로 정의한다. S=3에서의 지연은 S=1의 지연과 그 특징이 유사한데, 주로 통신장치의 근본적인 지연(Latency)과 통신 속도(bps) 및 데이터 용량(bit) 등에 의해서 영향을 받는 데이터 전송지연에 의해서 발생한다. S=3의 지연시간은 S=1의 지연과 달리 원격제어에 필수적인 작은 용량의 데이터가 전송되기 때문에 지연시간이 작다.
섹터 4(Sector 4, 이하 S=4)는 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때부터 선박 제어응답의 결과와 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 원격제어자에게 전송할 때까지의 구간을 나타낸다. S=4의 지연은 주로 제어명령에 대해서 선박이 응답할 때까지 선체의 유체 중 물리특성으로 인하여 발생하는 선체반응지연에 의해서 발생한다.
위의 4섹터를 정리하면, S=1과 S=3은 각각 데이터 전송지연이 발생하는 섹터임에 반하여, S=2와 S=4는 각각 원격제어자의 인적반응지연과 선박의 선체반응지연이 발생하는 섹터이다. 일반적으로 각 섹터에서의 지연시간은 S=2가 가장 크고(약 수 분 이내), 다음으로 S=1(약 수 분 이내) 그리고 S=4(약 수 십초 이내) 마지막으로 S=3(약 수 초 이내) 등의 순서로 나타난다.
이와 같이 지연시간을 4섹터로 구분하여 추정하면 다음의 장점이 있다.
1) 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자)로 구성된 자율운항선박 원격제어의 지연발생 원인을 3요소를 서로 연계하여 식별할 수 있다.
2) 섹터별 지연시간에 따라 서로 다르게 나타나는 상황인식 실패의 원인 또는 원격제어 실패의 원인을 섹터별로 구분하여 체계적으로 대응할 수 있다.
3) 원격제어의 최적 제어시점 결정을 위한 선박 응답시간과 데이터 전송시간 그리고 원격제어자의 제어시간 등에 관한 성능수준을 각각 평가할 수 있다.
4) 지연시간의 유기적인 분석이 가능하여 원격제어의 위험수준을 정량적으로 평가하고 결정할 수 있다.
[지연구간을 이용한 지연시간 추정 방법]
지연시간은 원격제어 3요소 사이의 4섹터에서 순환적으로 발생하는 원격제어절차를 고려하여 구분한 과거, 현재 그리고 미래의 제어상태를 이용하여 추정한다. 4섹터를 이용한 지연시간 추정 방법은 도2를 이용하여 설명한다.
도2는 선박과 데이터 송수신기 그리고 원격제어자 사이의 원격제어절차를 n(n=1,2...,N: N은 총 제어상태의 수)의 제어상태로 구분하여 나타낸 것이다. 여기서 n-1, n, n+1은 각각 과거, 현재, 미래의 제어상태를 나타낸 것으로, n의 제어상태에 있는 원격제어자(Operator(n))를 기준으로 구분한 것이다. 좌측 박스 그림은 현재까지 알려진 n-1과 n의 제어상태를 나타내고, 우측 박스 그림은 현재부터 모르는 n+1의 제어상태를 나타낸다.
지연시간을 추정하는 방법은, 먼저 좌측 박스에 나타낸 n의 제어상태에서 계산한 지연시간을 이용하여 우측 박스에 나타낸 n+1의 제어상태의 지연시간을 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)를 이용하여 추정한다. 적응 칼만 필터를 사용하는 이유는, 원격제어의 시간 경과에 따라 다양하게 변하는 항해 환경(바람, 파도, 조류 등), 선박의 속력과 선수방위 등에 의한 지연시간의 변동 등을 고려하여 지연시간 추정의 정밀도를 높이기 위한 것이다.
n의 제어상태에서 섹터별 지연시간은 다음과 같이 계산한다.
DT1(n): n의 제어상태에서 S=1의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 송신기(STx)에서 선박 데이터(S-data)를 송신한 시간(T1(n))과 원격제어자의 수신기(CRx)에서 S-data를 수신한 시간(T2(n)) 사이의 차이로 계산한다.
DT2(n): n의 제어상태에서 S=2의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 수신기(CRx)에서 선박 데이터(S-data)를 수신한 시간(T2(n-1)))과 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)) 사이의 차이로 계산한다.
DT3(n): n의 제어상태에서 S=3의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)))과 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n)) 사이의 차이로 계산한다.
DT4(n): n의 제어상태에서 S=4의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n))과 선박 송신기(STx)에서 S-data를 송신한 시간(T1(n)) 사이의 차이로 계산한다.
[지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정 절차]
지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정 절차는 도3을 이용하여 설명한다. 좌측 박스는 (a)원격제어 절차를 나타내고, 우측 박스는 (b)지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차를 나타낸다.
먼저, (a)원격제어 절차에서 원격제어 과정 중에 발생하는 모든 송수신 데이터를 데이터베이스(Data Base, D/B)에 저장한다. D/B에 저장되는 데이터의 종류와 내용은 도4에 별도로 설명한다. (b)지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차에서 D/B에 저장된 송수신 데이터를 획득하고, 각 섹터별로 측정한 시간을 이용하여 현재의 지연시간(DT)을 계산하고, 지연시간과 기상정보를 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)에 입력하여 미래의 지연시간을 추정한다. 그런 후, 추정한 지연시간과 기준으로 정한 지연시간 사이의 비율을 계산하여 가시화하고, 지연시간 비율을 이용하여 지연에 따른 원격제어의 위험수준(Risk Level, RL)을 결정한다. 결정한 위험수준은 3진 부호(0,1,2)를 이용하여 구분하는데, RL=0은 허용 가능한 위험수준(Acceptable)을 나타내고, RL=1은 중간의 위험수준(Marginal)을 나타내고, RL=2은 허용 불가능한 위험수준(Unacceptable) 나타낸다.
아울러, 도4를 이용하여 원격제어과정 중에 D/B에 저장하는 3종의 데이터(선박 데이터(S-data), 제어 데이터(C-data), 시간 데이터(T-data))를 설명한다.
선박 데이터(S-data)는 본선(Own Ship, OS)의 항해 정보와 기상정보 그리고 타선(Target Ship, TS) 또는 물체의 정보 등으로 구성하는데, 본선 정보는 항해데이터기록장치(Voyage Data Recorder, VDR)를 이용하여 획득하고, 타선 또는 물체의 정보는 본선의 선박자동식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 이용하여 획득하며, 제어 데이터(C-data)는 원격제어장치에서 획득한 제어 정보로 구성하고, 시간 데이터(T-data)는 원격제어장치에서 GPS 시간을 이용하여 측정한 시간정보로 구성한다.
선박 데이터(S-data)는 다음의 정보를 포함한다. S-data{(본선 정보) OS-ship name, 본선의 영문 명칭; OS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 본선의 식별번호; OS-time, GPS 시간을 이용한 본선 데이터 획득시간; OS-position, GPS로 측정한 본선 위치(위도, 경도); OS-heading, 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 측정한 본선의 선수방위; OS-speed, 속력측정장치(Speed-Log)를 이용하여 측정한 본선의 속력; OS-depth, 수심측정장치(Echo-sounder)를 이용하여 측정한 본선의 수심; OS-rudder-angle, 자동조타장치(Autopilot)에서 측정한 본선 러더(rudder)의 각도; OS-bow-thruster, 바우쓰러스터 제어장치에서 측정한 본선의 바우쓰러스터 사용 각도(또는 피치); OS-wave-height, 파도의 높이(파고); OS-wave-direction, 파도의 방향(파향); OS-wave-period, 파도의 주기(파주기); OS-wind-force, 바람의 속도(풍속); OS-wind-direction, 바람의 방향(풍향); OS-humidity, 습도; (영상정보) OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; (타선 또는 물체정보) TS-ship name, 물체의 영문명칭; TS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 타선의 식별번호; TS-time, 타선에서 데이터 전송할 때의 GPS 시간; TS-position, 타선의 위치; TS-heading, 타선의 선수방위; TS-speed 타선의 속력}
제어 데이터(C-data)는 다음의 정보를 포함한다. C-data{C-OS-MMSI, 제어대상 본선의 IMO 식별번호; C-TS-MMSI, 타선(또는 물표)의 IMO 식별번호; C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 침로; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어 러더각도; C-bow-thruster, 제어 바우쓰러스터 값}
시간 데이터(T-data)는 다음의 정보를 포함한다. T-data{T1, S-data의 송신시간; T2, S-data의 수신시간; T3, C-data의 송신시간; T4, C-data의 수신시간}
[지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정 수단]
원격제어 과정에서 발생하는 섹터별 지연시간은 다음 4단계를 통해서 추정하고 그에 따른 원격제어의 위험수준을 결정한다.
단계 1: 지연시간 추정을 위한 데이터 획득
지연시간 추정을 위한 데이터는 원격제어 과정 중에 저장된 3종 데이터(S-data, C-data, T-data)를 이용한다. 먼저, T-data에서 다음 식(1)의 형태를 갖는 시간 데이터 세트 T-set를 구축한다.
T-set(k,n) = {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)} --------------- (1)
여기서, k는 데이터 구분번호로서 k=1,2,… K(K는 데이터 수로서, K=5)이고, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N (N은 최종 측정상태)이고, 각 시간은 시간동기화를 위하여 GPS(Global Positioning System)의 시간을 이용하여 측정한 것으로 다음 의미를 갖는다.
T2(n-1): 원격제어의 n-1의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
T3(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 C-data를 송신한 시간
T4(n): 선박의 n의 제어상태에서 C-data를 수신한 시간
T1(n): 선박의 n의 제어상태에서 S-data를 송신한 시간
T2(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
아울러 T-set(n)에 해당하는 선박 데이터(S-data)와 제어데이터(C-data)를 호출하여 T-set(n)와 유사한 S-set(n)과 C-set(n)을 구축한다.
단계 2: 지연시간 추정
n의 제어상태에서 각 섹터의 지연시간(DT(S,n))을 T-set(k,n)을 이용하여 다음 식(2)으로 계산한다.
DT(S,n) = | T-set(ka,n) - T-set(kb,n) | ------------------------- (2)
여기서 S(S=1,2,3,4)는 제어섹터 구분번호이고, ka와 kb는 데이터 범위를 나타낸 것으로 ka = S이고 kb = S+1이다.
제어상태 n+1의 각 섹터별 지연시간은 다음 식(3)의 조건을 갖는 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman Filter, KF)를 이용하여 추정한다.
DT(S,n+1) = KF [DT(S,n) | (V-speed(S,n), V-course(S,n), V-rudder(S,n), V-wind(S,n), V-wave(S,n), V-current(S,n), V-radio-speed(S,n), V-data-size(S,n) ] ------------------------------------------------------------ (3)
여기서 우측 항에 나타낸 변수들은 S-set(n)과 C-set(n)에 포함된 정보에서 도출한 것으로, 각 변수의 의미는 다음과 같다.
V-speed(S,n): S마다 서로 다른 본선의 속력(speed)
V-course(S,n): S마다 서로 다른 본선의 선수방위(course)
V-rudder(S,n): S마다 서로 다른 본선의 러더(rudder) 각도
V-wind(S,n): S마다 서로 다른 바람(wind)의 속력과 방향
V-wave(S,n): S마다 서로 다른 파도(wave)의 높이와 방향 그리고 주기
V-current(S,n): S마다 서로 다른 조류(current)의 세기와 방향
V-radio-speed(S,n) : S마다 서로 통신장치의 속도
V-data-size(S,n) : S마다 서로 다른 송수신 데이터의 크기
위와 같이 다양한 변수를 칼만 필터에 적용하는 이유는 지연시간 추정의 정밀도를 향상시키기 위한 것이다. 여기서 선박은 기상환경(바람, 파도, 조류 등)에 의해서 선체응답 시간이 변하여 속력과 침로가 변할 뿐만 아니라 이전 상태에서 주어진 러더(Rudder)의 각도에 의해서 속력과 침로가 변한다. 아울러, 통신장치의 속도는 섹터별 통신환경에 의해서 변하고, 송수신 데이터 용량의 크기 역시 섹터별 다르다. 이러한 다양한 원인에 의해서 섹터별 지연은 다르게 발생하기 때문에 다양한 변수를 칼만 필터에 적용하여 추정 정밀도를 향상시킨다.
한편 위의 단계 2에서 추정한 지연시간은 시간 단위로 나타나기 때문에 원격제어자가 지연에 따른 위험한 수준을 쉽게 이해하기 어렵고, 추정한 지연시간이 원격제어에 어느 정도의 위험을 야기할 것인지 인지하기 어렵다. 그래서 지연에 따른 원격제어의 위험수준은 지연시간 비율(Delay Ratio)과 지연시간 비율을 3진 부호(0,1,2,)를 이용하여 평가한 위험수준(Risk Level, RL)을 이용하여 원격제어자가 쉽게 알 수 있게 한다.
단계 3: 지연시간 비율 계산
n+1의 제어상태에서 지연시간 비율(DT-ratio(S,n+1))은 다음 식(4)으로 계산한다.
DT-ratio(S,n+1) = DT(S,n+1)/DT-ref(S) ---------------------------- (4)
여기서 DT-ref(S)는 섹터별로 서로 다른 기준 지연시간을 나타낸 것으로, 다음 같이 정의한다.
DT-ref(S=1): 선박과 원격제어자 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간으로, 일반적으로 10초 내외인데 통신환경과 데이터 용량에 따라 다르기 때문에 실험과 통계분석을 통해 결정한다.
DT-ref(S=2): 원격제어자 반응지연의 기준 지연시간으로, 일반적으로 60초 내외인데 원격제어자 특징에 따라 다르기 때문에 실험과 통계분석을 통해 결정한다.
DT-ref(S=3): 원격제어자와 선박 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간으로, 일반적으로 1초 내외인데 통신환경과 데이터 용량에 따라 다르기 때문에 실험과 통계분석을 통해서 결정한다.
DT-ref(S=4): 선박반응 지연의 기준 지연시간으로, 일반적으로 15초 내외인데 선박에 따라 다르기 때문에 실험과 통계분석을 통해서 결정한다.
단계 4: 원격제어 위험수준의 결정
원격제어의 위험수준(RL(S,n+1))은 다음 알고리즘을 이용하여 결정한다.
If [DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Lower(S)] then RL(S,n+1) = 0
if [DTR-Lower(S) < DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Upper(S)] then RL(S,n+1) = 1
if [DTR-Upper(S) < DT-ratio(S,n+1) ] then RL(S,n+1) = 2
여기서 DTR-Lower(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 하한 값을 나타내고, DTR-Upper(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 상한 값을 나타낸 것으로, 이들 값들은 각 섹터의 지연특성에 따라서 통계적으로 결정한 것이다. 일반적으로 기준비율의 하한 DTR-Lower(S)는 1.0이고, 기준비율의 상한 DTR-Upper(S)는 1.0±SD으로 계산하는데, SD는 섹터별 지연시간 비율의 표준편차(standard deviation)를 나타낸다. 아울러, 3진 부호(0,1,2)로 나타낸 지연수준은 다음과 같이 정의한다.
RL(S)=0: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않을 정도의 허용수준(Acceptable)임
RL(S)=1: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않으나 주의해야할 정도의 중간수준(Marginal)임
RL(S)=2: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래할 정도의 허용불가능수준(Unacceptable)임
위의 4단계를 통해서 각 섹터에서 계산한 지연시간과 추정한 지연시간 그리고 지연시간의 비율, 지연시간비율의 위험수준 등을 원격제어자에게 제시하면, 원격제어자는 지연에 따른 원격제어의 위험한 수준을 알 수 있고, 아울러 원격제어 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자) 사이의 지연상태를 알 수 있어서 자율운항선박 원격제어에서 지연에 의한 충돌, 좌초 등의 해양사고 예방을 도모할 수 있다.
[지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 방법]
지연에 따른 원격제어의 위험수준은 1)지연시간 비율 가시화 창(window)과 2)지연의 위험수준 가시화 창을 이용하여 가시화한다. 지연시간 비율 가시화 창은 추정한 지연시간이 기준이 되는 지연시간에 대해서 어느 정도의 크기인지를 제시하기 위한 것이고, 지연의 위험수준 가시화 창은 추정한 지연시간이 원격제어에 얼마나 위험한 수준인지를 제시하기 위한 것이다.
[지연시간 비율의 가시화 방법]
지연시간 비율의 가시화 방법은 도5와 도6을 이용하여 설명한다.
도5는 지연시간 비율(DT-ratio)의 가시화를 위해 설계한 가시화 창(visualization window)의 구성도를 나타낸 것으로, 가시화 창은 4섹터로 구분하여 각 섹터별로 지연시간 비율을 가시화하고, 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(Control Time (HH:MM:SS.ss))을 나타낸 것으로 HH는 2단위 시간을 나타내고, MM은 2단위 분을 나타내고, SS.ss는 2단위 초와 1/100단위 초를 나타내며, y-축은 지연시간의 비율을 나타낸다. 아울러, 각 섹터의 가시화 창에는 지연시간 비율의 하한(L)과 지연시간 비율의 상한(U)을 표시하여 지연시간 비율이 기준 값과 비교하여 어느 정도 크기인지 원격제어자가 쉽게 인지할 수 있게 한다.
도6은 지연시간 비율의 가시화 예를 나타낸 것으로, 각 섹터의 굵은 실선은 지연시간 비율을 가정하여 나타낸 것이다. 선박과 원격제어자 사이의 섹터 1(SECTOR 1)은 지연시간 비율이 하한 값과 상한 값의 범위에서 발생함을 나타내고, 원격제어자에 대한 섹터 2(SECTOR 2)는 지연시간 비율이 상한 값을 넘나드는 상태를 나타내고, 원격제어자와 선박 사이의 섹터 3(SECTOR 3)과 선박에 대한 섹터 4(SECTOR 4) 양쪽은 지연시간 비율이 하한 값 이내에서 형성함을 나타낸다.
이를 통해 원격제어자는 섹터 2의 지연상태가 상한 값을 상회하여 나타남을 쉽게 알 수 있는데, 섹터 2의 주요한 지연발생 원인은 선박의 선체응답 지연시간임으로, 원격제어자는 이를 고려하여 선박을 제어함으로써 제어실패를 예방할 수 있다.
[지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 방법]
지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 방법은 도7과 도8을 이용하여 설명한다.
도7은 원격제어의 위험수준(RL) 가시화를 위해 설계한 가시화 창(visualization window)의 구성도를 나타낸다. 위험수준 가시화 창은 두 공간으로 나누어 구현하는데, 좌측 공간은 지연시간(DELAY TIME)의 가시화에 사용하고, 우측 공간은 위험수준(RISK LEVELS)의 가시화에 사용한다. 그래서 지연시간과 위험수준을 원격제어자가 동시에 알 수 있게 한다.
좌측 박스에 나타낸 지연시간 가시화 공간은 4섹터로 구분하는데, 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(control time)을 나타내고, y-축은 계산한 지연시간(Calculated)과 추정한 지연시간(Estimated)을 나타내는데, 이 둘의 시간은 검은색 실선과 적색 점선으로 구분하여 동시에 나타낸다.
우측 박스에 나타낸 위험수준 가시화 공간은 각 섹터의 위험수준을 표시하는 부분(Level Indicator)과 각 섹터의 의미를 설명한 부분(Sector Illustration)으로 구성한다. 각 섹터의 위험수준은 3색(Blue, Yellow, Red)을 이용하여 표시하는데, 위험수준이 허용가능(Acceptable)한 경우는 파란색(Blue)으로 표시하고, 위험수준이 중간정도(Marginal)인 경우는 노란색(Yellow)으로 표시하고, 위험수준이 허용불가능(Unacceptable)인 경우는 적색(Red)으로 표시한다.
도8은 지연시간과 위험수준을 가정하여 가시화한 예를 나타낸다. 좌측 박스에 나타낸 지연시간(DELAY TIME)은 다음과 같이 가정한 것인데, 섹터 1(SECTOR 1)은 시간 경과에 따라 지연시간이 점차 증가하는 경향을 나타내고, 섹터 2(SECTOR 2)는 지연시간이 증가와 감소를 반복하는 경향을 나타내며, 섹터 3(SECTOR 3)과 섹터 4(SECTOR 4)는 지연시간이 대략 일정한 수준을 유지하는 경향 등을 가정한 것이다.
이를 통해 원격제어자는 시간경과에 따른 지연시간의 변화양상을 볼 수 있으나, 원격제어자가 세심하게 이러한 변화양상을 보지 않으면 지연의 위험수준 여부를 알 수 없다. 그래서 위험수준은 우측 박스의 위험수준 표시기(Level Indicator)에서 3색으로 제시한다. 4섹터의 박스는 각각 노란색, 적색, 파란색, 파란색으로 표시되어 있는데, 이것의 의미는, 섹터 1(SECTOR 1)은 중간정도의 위험수준, 섹터 2(SECTOR 2)는 허용불가능한 위험수준, 섹터 3(SECTOR 3)과 섹터 4(SECTOR 4)는 허용가능한 위험수준 등을 나타낸다.
이를 통해 원격제어자는 섹터 1의 지연시간은 주의해야할 정도의 위험수준이고, 섹터 2의 지연시간은 허용할 수 없는 위험수준이며, 섹터 3과 섹터 4의 지연시간은 허용 가능한 위험수준임을 빠르고 쉽게 인지할 수 있다. 아울러, 원격제어자는 섹터 설명(Sector Illustration)을 이용하여 위험수준이 높은 섹터가 어느 구간인지를 쉽게 알 수 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 (15)
- 지연시간 추정을 위하여 선박, 제어시스템, 원격제어자로 이루어진 원격제어 3요소 사이의 지연을 유기적으로 분석하기 위한 것으로 데이터 전송지연, 원격제어자의 인적반응지연, 선박의 선체반응지연 정보를 갖는 4개의 섹터로 이루어진 지연구간 구분단계;
상기 구분된 지연구간을 이용한 지연시간 추정단계;
상기 지연시간 추정단계에 이어서 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계;
지연시간의 추정과 원격제어의 위험수준 결정수단 선정단계;
지연시간 비율의 가시화 과정과 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화 과정으로 이루어진 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화단계;로 수행되는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 지연구간 구분단계에서,
상기 4개의 섹터 중 섹터 1은 선박 제어응답과 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 선박에서 원격제어자에게 전송하는 구간, 섹터2는 원격제어자가 선박 데이터를 수신할 때부터 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때까지의 구간, 섹터 3은 원격제어자가 제어명령 데이터를 전송할 때부터 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때까지의 구간, 섹터 4는 선박이 제어명령 데이터를 수신할 때부터 선박 제어응답의 결과와 각종 항해 상황의 정보가 포함된 선박 데이터를 원격제어자에게 전송할 때까지의 구간으로 정의된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법. - 제 2항에 있어서, 상기 섹터 1에서의 지연은 선박의 항해 상황을 전송하기 위한 CCTV 영상정보, 레이더 영상정보 중 어느 하나 또는 하나 이상을 포함한 대용량 데이터에 의해 발생하고;,
상기 섹터 2에서의 지연은 원격제어자가 항해 상황을 인지 한 후, 선박 조종을 위한 제어명령 데이터를 발생시킬 때까지의 인적 반응지연에 의해 발생하고;,
상기 섹터 3에서의 지연은 통신장치의 지연과 통신속도 및 데이터 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 요소에 의해서 영향을 받는 데어터 전송지연에 의해 발생하고;,
상기 섹터 4에서의 지연은 제어명령에 대해서 선박이 응답할 때까지 선체의 유체 중 물리특성으로 인하여 발생하는 선체반응지연에 의해 발생하며;,
상기 각 섹터에서의 지연시간은 섹터 2가 가장 크고, 다음으로 섹터 1 그리고 섹터 4 마지막으로 섹터 3의 순서인 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 지연시간 추정단계에서, 지연시간은 상기 원격제어 3요소 사이의 4섹터에서 순환적으로 발생하는 원격제어절차를 고려하여 과거, 현재 그리고 미래의 제어상태를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 지연시간 추정단계는 하기의 (method 1)을 이용해서 도출하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
(method 1)
1) 선박과 데이터 송수신기 그리고 원격제어자 사이의 원격제어절차를 n(n=1,2...,N: N은 총 제어상태의 수)의 제어상태로 구분하는 과정;
2) n의 제어상태에서 계산한 지연시간을 이용하여 n+1의 제어상태의 지연시간을 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)를 이용하여 추정하는 과정;
* 여기서 n-1, n, n+1은 각각 과거, 현재, 미래의 제어상태, n의 제어상태에 있는 원격제어자(Operator(n))를 기준으로 구분 - 제 5항에 있어서, 상기 n의 제어상태에서 섹터별 지연시간은 하기의 (method 2)를 이용해서 계산하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
(method 2)
1) DT1(n): n의 제어상태에서 S=1의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 송신기(STx)에서 선박 데이터(S-data)를 송신한 시간(T1(n))과 원격제어자의 수신기(CRx)에서 S-data를 수신한 시간(T2(n)) 사이의 차이로 계산.
2) DT2(n): n의 제어상태에서 S=2의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 수신기(CRx)에서 선박 데이터(S-data)를 수신한 시간(T2(n-1)))과 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)) 사이의 차이로 계산.
3) DT3(n): n의 제어상태에서 S=3의 지연시간을 나타낸 것으로, 원격제어자 송신기(CTx)에서 제어 데이터(C-data)를 송신한 시간(T3(n)))과 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n)) 사이의 차이로 계산.
4) DT4(n): n의 제어상태에서 S=4의 지연시간을 나타낸 것으로, 선박 수신기(SRx)에서 C-data를 수신한 시간(T4(n))과 선박 송신기(STx)에서 S-data를 송신한 시간(T1(n)) 사이의 차이로 계산. - 제 1항에 있어서, 상기 원격제어의 위험수준 결정절차 수립단계는 하기의 (method 3)에 의해 도출하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
(method 3)
a) 원격제어 절차에서 원격제어 과정 중에 발생하는 선박 데이터, 제어 데이터, 시간 데이터로 이루어진 송수신 데이터를 데이터베이스에 저장한다.
b) 지연시간의 추정과 위험수준 결정 절차에서 D/B에 저장된 송수신 데이터를 획득하고, 각 섹터별로 측정한 시간을 이용하여 현재의 지연시간(DT)을 계산하고, 지연시간과 기상정보를 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman filter)에 입력하여 미래의 지연시간을 추정한다. 그런 후, 추정한 지연시간과 기준으로 정한 지연시간 사이의 비율을 계산하여 가시화하고, 지연시간 비율을 이용하여 지연에 따른 원격제어의 위험수준(Risk Level, RL)을 결정한다.
결정한 위험수준은 3진 부호(0,1,2)를 이용하여 구분하는데, RL=0은 허용 가능한 위험수준(Acceptable)을 나타내고, RL=1은 중간의 위험수준(Marginal)을 나타내고, RL=2은 허용 불가능한 위험수준(Unacceptable)으로 나타낸다. - 제 7항에 있어서, 상기 선박 데이터는 항해데이터기록장치와 타선 또는 물체의 정보는 본선의 선박자동식별장치를 이용하여 획득한 것으로, 본선의 항해 정보와 기상정보 그리고 타선 또는 물체의 정보로 구성되며, S-data{(본선 정보) OS-ship name, 본선의 영문 명칭; OS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 본선의 식별번호; OS-time, GPS 시간을 이용한 본선 데이터 획득시간; OS-position, GPS로 측정한 본선 위치(위도, 경도); OS-heading, 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 측정한 본선의 선수방위; OS-speed, 속력측정장치(Speed-Log)를 이용하여 측정한 본선의 속력; OS-depth, 수심측정장치(Echo-sounder)를 이용하여 측정한 본선의 수심; OS-rudder-angle, 자동조타장치(Autopilot)에서 측정한 본선 러더(rudder)의 각도; OS-bow-thruster, 바우쓰러스터 제어장치에서 측정한 본선의 바우쓰러스터 사용 각도(또는 피치); OS-wave-height, 파도의 높이(파고); OS-wave-direction, 파도의 방향(파향); OS-wave-period, 파도의 주기(파주기); OS-wind-force, 바람의 속도(풍속); OS-wind-direction, 바람의 방향(풍향); OS-humidity, 습도; (영상정보) OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; (타선 또는 물체정보) TS-ship name, 물체의 영문명칭; TS-MMSI, 국제해사기구(IMO)에서 부여한 타선의 식별번호; TS-time, 타선에서 데이터 전송할 때의 GPS 시간; TS-position, 타선의 위치; TS-heading, 타선의 선수방위; TS-speed 타선의 속력} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 제어 데이터(C-data)는 원격제어장치에서 획득한 제어 정보로 구성된 것으로, C-data{C-OS-MMSI, 제어대상 본선의 IMO 식별번호; C-TS-MMSI, 타선(또는 물표)의 IMO 식별번호; C-time, GPS 시간을 이용한 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-course, 제어 침로; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어 러더각도; C-bow-thruster, 제어 바우쓰러스터 값} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 시간 데이터(T-data)는 원격제어장치에서 GPS 시간을 이용하여 측정한 시간정보로 구성한 것으로, T-data{T1, S-data의 송신시간; T2, S-data의 수신시간; T3, C-data의 송신시간; T4, C-data의 수신시간} 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 구성을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 위험수준 결정수단 선정단계는 원격제어 과정에서 발생하는 섹터별 지연시간은 하기의 (method 4)를 통해서 각 섹터에서 계산한 지연시간과 추정한 지연시간 그리고 지연시간의 비율, 지연시간비율의 위험수준을 추정하고 그에 따른 원격제어의 위험수준을 결정하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
(method 4)
단계 1: 지연시간 추정을 위한 데이터 획득
지연시간 추정을 위한 데이터는 원격제어 과정 중에 저장된 3종 데이터(S-data, C-data, T-data)를 이용한다. 먼저, T-data에서 다음 식(1)의 형태를 갖는 시간 데이터 세트 T-set를 구축한다.
T-set(k,n) = {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)} --------------- (1)
여기서, k는 데이터 구분번호로서 k=1,2,… K(K는 데이터 수로서, K=5)이고, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N (N은 최종 측정상태)이고, 각 시간은 시간동기화를 위하여 GPS(Global Positioning System)의 시간을 이용하여 측정한 것으로 다음 의미를 갖는다.
T2(n-1): 원격제어의 n-1의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
T3(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 C-data를 송신한 시간
T4(n): 선박의 n의 제어상태에서 C-data를 수신한 시간
T1(n): 선박의 n의 제어상태에서 S-data를 송신한 시간
T2(n): 원격제어의 n의 제어상태에서 S-data를 수신한 시간
아울러 T-set(n)에 해당하는 선박 데이터(S-data)와 제어데이터(C-data)를 호출하여 T-set(n)와 유사한 S-set(n)과 C-set(n)을 구축한다.
단계 2: 지연시간 추정
n의 제어상태에서 각 섹터의 지연시간(DT(S,n))을 T-set(k,n)을 이용하여 다음 식(2)으로 계산한다.
DT(S,n) = | T-set(ka,n) - T-set(kb,n) | ------------------------- (2)
여기서 S(S=1,2,3,4)는 제어섹터 구분번호이고, ka와 kb는 데이터 범위를 나타낸 것으로 ka = S이고 kb = S+1이다.
제어상태 n+1의 각 섹터별 지연시간은 다음 식(3)의 조건을 갖는 적응 칼만 필터(Adaptive Kalman Filter, KF)를 이용하여 추정한다.
DT(S,n+1) = KF [DT(S,n) | (V-speed(S,n), V-course(S,n), V-rudder(S,n), V-wind(S,n), V-wave(S,n), V-current(S,n), V-radio-speed(S,n), V-data-size(S,n) ] ------------------------------------------------------------ (3)
여기서 우측 항에 나타낸 변수들은 S-set(n)과 C-set(n)에 포함된 정보에서 도출한 것으로, 각 변수의 의미는 다음과 같다.
V-speed(S,n): S마다 서로 다른 본선의 속력(speed)
V-course(S,n): S마다 서로 다른 본선의 선수방위(course)
V-rudder(S,n): S마다 서로 다른 본선의 러더(rudder) 각도
V-wind(S,n): S마다 서로 다른 바람(wind)의 속력과 방향
V-wave(S,n): S마다 서로 다른 파도(wave)의 높이와 방향 그리고 주기
V-current(S,n): S마다 서로 다른 조류(current)의 세기와 방향
V-radio-speed(S,n) : S마다 서로 통신장치의 속도
V-data-size(S,n) : S마다 서로 다른 송수신 데이터의 크기
단계 3: 지연시간 비율 계산
n+1의 제어상태에서 지연시간 비율(DT-ratio(S,n+1))은 다음 식(4)으로 계산한다.
DT-ratio(S,n+1) = DT(S,n+1)/DT-ref(S) ---------------------------- (4)
여기서 DT-ref(S)는 섹터별로 서로 다른 기준 지연시간을 나타낸 것으로,
DT-ref(S=1): 선박과 원격제어자 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간,
DT-ref(S=2): 원격제어자 반응지연의 기준 지연시간,
DT-ref(S=3): 원격제어자와 선박 사이의 데이터 전송에 대한 기준 지연시간,
DT-ref(S=4): 선박반응 지연의 기준 지연시간,
단계 4: 원격제어 위험수준의 결정
원격제어의 위험수준(RL(S,n+1))은 다음 알고리즘을 이용하여 결정한다.
If [DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Lower(S)] then RL(S,n+1) = 0
if [DTR-Lower(S) < DT-ratio(S,n+1) ≤ DTR-Upper(S)] then RL(S,n+1) = 1
if [DTR-Upper(S) < DT-ratio(S,n+1) ] then RL(S,n+1) = 2
여기서 DTR-Lower(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 하한 값을 나타내고, DTR-Upper(S)는 S섹터에 대한 기준비율의 상한 값을 나타낸 것으로, 기준비율의 하한 DTR-Lower(S)는 1.0이고, 기준비율의 상한 DTR-Upper(S)는 1.0±SD으로 계산하는데, SD는 섹터별 지연시간 비율의 표준편차(standard deviation)를 나타낸다. 아울러, 3진 부호(0,1,2)로 나타낸 지연수준은 다음과 같이 정의한다.
RL(S)=0: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않을 정도의 허용수준(Acceptable)임
RL(S)=1: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래하지 않으나 주의해야할 정도의 중간수준(Marginal)임
RL(S)=2: 지연시간이 원격제어에 위험을 초래할 정도의 허용불가능수준(Unacceptable)임 - 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 지연시간 비율 가시화 과정에서,
지연시간 비율의 가시화를 위해 가시화창을 생성하되, 상기 지연시간 비율 가시화창은 4 섹터로 구분하여 각 섹터별로 지연시간 비율을 가시화한 것으로, 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(Control Time (HH:MM:SS.ss)), HH는 2단위 시간, MM은 2단위 분, SS.ss는 2단위 초와 1/100단위 초, y-축은 지연시간의 비율을 나타내도록 하고, 각 섹터의 가시화 창에는 지연시간 비율의 하한(L)과 지연시간 비율의 상한(U)을 표시하여 지연시간 비율이 기준 값과 비교하여 어느 정도 크기인지 원격제어자가 용이하게 인지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 지연에 따른 원격제어의 위험수준 가시화과정은, 지연시간과 위험수준을 원격제어자가 동시에 확인할 수 있도록 원격제어의 위험수준 가시화를 위한 가시화창을 생성하되, 상기 위험수준 가시화창은 4섹터로 구분한 지연시간의 가시화에 사용하는 일측 공간과, 각 섹터의 위험수준과 의미를 표시하는 위험수준의 가시화에 사용하는 타측 공간으로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
- 제 14항에 있어서, 상기 일측 공간에서 각 섹터의 x-축은 GPS 시간을 이용하여 측정한 제어시간(control time)을 나타내고, y-축은 계산한 지연시간(Calculated)과 추정한 지연시간(Estimated) 정보를 나타내고;,
상기 타측 공간은 각 섹터의 위험수준을 표시하는 부분(Level Indicator)과 각 섹터의 의미를 설명한 부분(Sector Illustration)으로 구성되되, 각 섹터의 위험수준은 3색(Blue, Yellow, Red)을 이용하여 표시정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 제어실패 예방을 위하여 네 개의 지연구간을 이용한 원격제어의 위험수준 평가 및 가시화 방법.
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