KR102633624B1 - 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102633624B1
KR102633624B1 KR1020230118200A KR20230118200A KR102633624B1 KR 102633624 B1 KR102633624 B1 KR 102633624B1 KR 1020230118200 A KR1020230118200 A KR 1020230118200A KR 20230118200 A KR20230118200 A KR 20230118200A KR 102633624 B1 KR102633624 B1 KR 102633624B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
speed
ship
wave
information
period
Prior art date
Application number
KR1020230118200A
Other languages
English (en)
Inventor
박인택
박성찬
박상일
Original Assignee
한화시스템(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한화시스템(주) filed Critical 한화시스템(주)
Priority to KR1020230118200A priority Critical patent/KR102633624B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102633624B1 publication Critical patent/KR102633624B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B22/00—Buoys
    • B63B22/16—Buoys specially adapted for marking a navigational route
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B51/00—Marking of navigation route
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B79/00—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation
    • B63B79/10—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation using sensors, e.g. pressure sensors, strain gauges or accelerometers
    • B63B79/15—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation using sensors, e.g. pressure sensors, strain gauges or accelerometers for monitoring environmental variables, e.g. wave height or weather data
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B79/00—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation
    • B63B79/20—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation using models or simulation, e.g. statistical models or stochastic models
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B22/00—Buoys
    • B63B2022/006—Buoys specially adapted for measuring or watch purposes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 함정 안전항해 권고 시스템은 함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행하는 초기 설정부, 상기 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는 데이터 입력부, 사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출하는 연산 처리부 및 상기 침로 정보 및 속도 정보를 전시하는 전시 처리부를 포함한다.

Description

함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법{SYSTEM FOR RECOMMENDING VESSEL SAFETY NAVIGATION AND METHOD FOR OPERATING THEREOF}
본 발명은 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것으로서, 날짜와 위치, 풍향 및 풍속 정보로 현재의 파고, 파장, 파속을 예측하고 이를 바탕으로 내항성능을 평가하여 함정의 운항 목적에 맞는 기동 시 최적의 침로 및 속도 정보를 권고하는, 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
종래에는 선박이 파랑 중에서도 안정성과 성능을 유지해야 함에도 불구하고, 파도에 의한 선박 동요의 영향을 충분히 고려하지 못하였으며 지휘관의 경험에 의존하여 침로와 속도를 결정하고 있다. 이로 인해 선원의 안락성 저하, 선박 성능 하락, 안전항해 위협 등의 문제가 발생하고 있다.
이를 보완하기 위한 기존 내항성능 해석 프로그램의 경우, 해상 환경, 화물 적재, 변속/변침 등 다양한 상황을 충분히 반영하지 못해 실제 운항시 잠재적 위험을 초래할 수 있다. 또한, 긴급기동 시 최대속도 도달에 대한 편차나 다중 함정이 동시에 운항할 경우 충돌 위험 등을 고려하고 있지 않다. 이로 인해 안전한 항해와 선박의 효율적 운용에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 날짜와 위치, 풍향 및 풍속 정보로 현재의 파고, 파장, 파속을 예측하고 이를 바탕으로 내항성능을 평가하여 함정의 운항 목적에 맞는 기동 시 최적의 침로 및 속도 정보를 권고하는, 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기된 바와 같은 과제로 한정되지 않으며, 또다른 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 함정 안전항해 권고 시스템은 함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행하는 초기 설정부, 상기 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는 데이터 입력부, 사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출하는 연산 처리부 및 상기 침로 정보 및 속도 정보를 전시하는 전시 처리부를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 초기 설정부는 기 저장된 또는 수신한 설정파일로부터 상기 함정정보 및 통신정보를 독출하여 초기 설정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 데이터 입력부는 상기 입력 모드가 시뮬레이션 모드인 경우, 사용자로부터 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 직접 입력받을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 데이터 입력부는 상기 입력 모드가 실측 데이터 모드인 경우, 통합기관제어체계 또는 함정 내 센서와의 통신을 통해 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 수신할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 북대서양 모델인 경우, 보퍼트 풍력 계급과 북대서양 심해파 정보를 기반으로 평균파고, 평균 파장, 평균 주기 및 평균 파속을 일반화한 룩업테이블을 독출하고, 상기 환경 데이터에 따른 풍속에서의 파고, 파장 및 파속 정보를 상기 룩업테이블에서 추정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 한국모델인 경우, 한국 기상청에 의해 제공된 해상부이측정 데이터를 기반으로 상기 환경 데이터에서의 풍속, 풍향, 날짜 및 위치 정보에 상응하는 파고, 파장 및 파속 정보를 추정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 위치 정보를 기반으로 복수의 계측소 중 가장 가까운 계측소에서의 해상부이측정 데이터를 선택하고, 상기 해상부이측정 데이터 내 날짜를 기반으로 해당 날짜에 가장 가까운 데이터 및 상기 풍속과 풍향에 기반하여 가장 근사한 데이터를 선택하여 상기 파고, 파장 및 파속 정보를 추정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 초기 설정된 값과 상기 환경 데이터를 기반으로 자유횡동요 주기를 산출하고, 상기 자유횡동요 주기를 통해 파라메트릭 횡동요 주기(Te)를 산출하며, 조우파의 입사각을 소정 값으로 가변시키면서 전방위에 대한 조우파 주기를 산출할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 조우파 주기와 자유횡동요 주기가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 조우파 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te)가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 긴급기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 큰 차이를 갖는 방위각을 검출하고, 상기 방위각을 기준으로 함정에 대한 안전항해 권고 침로를 결정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 황천기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속에 소정의 고정된 값을 적용한 상태에서 함속을 최소 함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도를 안전항해 권고 속도로 결정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 해상보급 모드 또는 리빙컨디션 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도 및 침로를 안전항해 권고 침로 및 안전항해 속도로 결정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 이착함 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기 및 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 침로 및 속도를 산출하되, 위험 침로에 해당하지 않으면서 가장 함속이 빠른 침로 및 속도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법은 함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행하는 단계; 상기 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는 단계; 사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 침로 정보 및 속도 정보를 전시하는 단계를 포함한다.
상기 초기 설정을 수행하는 단계는, 기 저장된 또는 수신한 설정파일로부터 상기 함정정보 및 통신정보를 독출하여 초기 설정을 수행할 수 있다.
상기 데이터를 입력하는 단계는, 상기 입력 모드가 시뮬레이션 모드인 경우, 사용자로부터 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 직접 입력받을 수 있다.
상기 데이터를 입력하는 단계는, 상기 입력 모드가 실측 데이터 모드인 경우, 통합기관제어체계 또는 함정 내 센서와의 통신을 통해 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 수신할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 사용자에 의해 선택된 추정모델이 북대서양 모델인 경우, 보퍼트 풍력 계급과 북대서양 심해파 정보를 기반으로 평균파고, 평균 파장, 평균 주기 및 평균 파속을 일반화한 룩업 테이블을 독출하고, 상기 환경 데이터에 따른 풍속에서의 파고, 파장 및 파속 정보를 상기 룩업 테이블에서 추정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 사용자에 의해 선택된 추정모델이 한국모델인 경우, 한국 기상청에 의해 제공된 해상 부이 측정 데이터를 기반으로 상기 환경 데이터에서의 풍속, 풍향, 날짜 및 위치 정보에 상응하는 파고, 파장 및 파속 정보를 추정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 위치 정보를 기반으로 복수의 계측소 중 가장 가까운 계측소에서의 해상 부이 측정 데이터를 선택하고, 상기 해상 부이 측정 데이터 내 날짜를 기반으로 해당 날짜에 가장 가까운 데이터 및 상기 풍속과 풍향에 기반하여 가장 근사한 데이터를 선택하여 상기 파고, 파장 및 파속 정보를 추정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 초기 설정된 값과 상기 환경 데이터를 기반으로 자유횡동요 주기를 산출하고, 상기 자유횡동요 주기를 통해 파라메트릭 횡동요 주기(Te)를 산출하며, 조우파의 입사각을 소정 값으로 가변시키면서 전방위에 대한 조우파 주기를 산출할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 조우파 주기와 자유횡동요 주기가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 조우파 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te)가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 운영모드가 긴급기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 큰 차이를 갖는 방위각을 검출하고, 상기 방위각을 기준으로 함정에 대한 안전항해 권고 침로를 결정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 운영모드가 황천기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속에 소정의 고정된 값을 적용한 상태에서 함속을 최소 함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도를 안전항해 권고 속도로 결정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 운영모드가 해상보급 모드 또는 리빙컨디션 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도 및 침로를 안전항해 권고 침로 및 안전항해 속도로 결정할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 운영모드가 이착함 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기 및 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 침로 및 속도를 산출하되, 위험 침로에 해당하지 않으면서 가장 함속이 빠른 침로 및 속도를 산출할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 면에 따른 컴퓨터 프로그램은, 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어 상기 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법을 실행하며, 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장된다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양 환경에서의 함정 운항을 안전하고 효율적으로 수행하기 위한 안전항해 권고 시스템을 통해 정확한 파고 예측, 내항성능 평가, 안전한 침로 및 속도 권고 등을 제공하여 함정 운항을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예는 풍향 및 풍속과 같은 해양 환경 조건을 고려하여 파고를 정확하게 예측하고, 함정의 위치, 속도, 침로 등과 같은 운항 정보를 기반으로 내항성능을 평가하고 안전한 침로와 속도를 권고할 수 있는바, 이로써 어떠한 상황에서도 안전하게 운항 가능한 최적의 조건을 제시할 수 있다.
또한, 다양한 상황에 맞는 침로와 속도를 권고함으로써 긴급기동, 황천기동, 해상보급/리빙컨디션, 이착함 등 다양한 운항 목적에 대응하도록 하며, 이를 통해 함정의 생존성과 작전 효율성을 동시에 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예는 함정 운항의 안전성, 효율성, 내구성을 높여 해양 환경에서의 운항을 최적화하며, 선원과 장비의 안전을 보장할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시 예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 배의 복원력을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 경사각도와 복원력 곡선을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 선체의 운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 파도의 발생 및 발달 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 파도 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 에너지 스펙트럼 및 불규칙 해상파를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 불규칙파형과 파진폭, 파고, 파주기의 정의를 나타낸 도면이다.
도 8은 선박의 6자유도 운동 정의를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 선박의 진행방향에 따른 파의 입사방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 파장비에 따른 파랑하중의 간섭효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 심해파의 입자운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 바람과 파도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템의 블록도이다.
도 14는 초기 설정부에서 이용하는 설정파일의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 15는 보퍼트 풍력 계급 및 심해파 기준 룩업테이블을 나타낸 도면이다.
도 16은 한국 기상청 제공 21개소 해상부이측정 데이터를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부에 의해 출력되는 화면의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부에 의해 출력되는 상대좌표계 기반 화면의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부에 의해 출력되는 절대좌표계 기반 화면의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법의 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는 통상의 기술자의 이해를 돕기 위해 본 발명이 안출된 내용에 대해 먼저 설명하도록 한다.
바다를 항해하는 선박은 때때로 거친 파도를 만나게 되는데 이러한 악조건에서도 화물선은 화물을 안전하고 신속하게 운송할 수 있어야 하며 여객선은 승객의 안락과 안전을 보증해야 한다. 특히, 함정 및 구난함과 같이 특수한 임무를 갖는 선박들은 거친 해상에서도 주어진 임무를 수행할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 이를 위해 함정을 조정하는 승조원은 운항 목적에 따른 최적의 침로 및 속도를 결정하여 운항해야 한다.
선박이 무거운 짐과 승객을 싣고서도 가라앉지 않고서 바다 위를 떠서 다닐 수 있는 것은 선박이 잠긴 부분에 해당하는 물의 무게만큼의 부력에 의해 지탱되기 때문이다. 즉, 선박이 떠 있는 것은 선박의 무게와 부력이 평형을 이루고 있기 때문이다.
선박의 안정성이라 함은 화물의 이동이나 파도에 의해 평형상태가 깨져서 배가 기울어졌을 때 전복되지 않고 원래의 평형상태로 돌아가려는 성질을 갖는 것을 말한다. 평형상태로 돌아가려는 힘을 복원력이라 하는데, 복원력의 크기는 배가 기울어졌을 때 배에 작용하는 중력과 부력의 작용점 이동으로 발생하는 모멘트의 크기로 판별할 수 있다.
도 1은 배의 복원력을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 경사각도와 복원력 곡선을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배의 복원력은 무게중심 위치와 부력중심 위치, 경사각도로 표시될 수 있고 경사각도에 따라 복원력은 변하게 된다.
복원력이 양인 경우에 배가 안정하다고 하며 복원력이 음이 되면 배가 전복하게 되므로 이를 불안정하다고 한다. 배가 잔잔한 물에 떠있을 때 초기 경사에 대해 제자리로 돌아가고자 하는 성질을 정적 안정성이라 하며, 파도 중에서 배가 바람과 동요로 인해 기울어졌을 때 전복하지 않고 제자리로 돌아갈 수 있는 성질을 동적 안정성이라 한다.
도 2를 참조하면, 경사각도가 어느 정도 기울어질 때까지는 복원력이 증가하다가 감소하여 복원력이 음이 되는 각도가 나타나게 되는데 배가 이 각도까지 기울어지면 전복하는 것을 의미한다. 경사각도가 작은 경우에는 복원 팔(Righting Arm)이 경사각과 비례하게 되는데 이때의 접선이 경사각도 57.3도(1라디안)과 만나는 점을 초기 복원 팔(GM)이라고 정의하며 이것이 배의 초기 복원력을 평가하는 기준이 된다. 배가 침몰하기까지는 복원력 소실각도에 이를 때까지 계속 힘을 주어야 하므로 복원력이 양인 경사각에 대한 복원력곡선의 면적이 동적 안정성의 지표가 된다.
앞서 설명한 바와 같이 복원력은 배의 무게중심 위치와 부력중심 위치에 의해 결정되는데, 배의 진행방향과 파도의 진행방향이 같고 파장이 배의 길이와 거의 같은 경우에는 배에 걸치게 되는 파도의 상대적 위치에 따라 배의 복원력이 갑자기 나빠지고 직진안전성이 급격히 떨어져 순식간에 배가 기울어 전복하는 경우가 발생하는데 이를 전문 용어로 브로칭이라 한다.
도 3은 선체의 운동을 설명하기 위한 도면이다.
물 위에 떠 있는 배가 파도를 받으면 선체는 동요하게 된다. 상체의 중심점을 통하고, 선수/선미 방향을 향하는 직선을 x축, 좌우 방향을 향하는 직선을 y축, 상하 방향을 향하는 직선을 z축으로 잡으면, 선체의 운동은 이 3축구상의 이동 및 회전 운동으로 나눌 수 있다.
횡동요(롤링)는 선체 무게 중심점에서 선수미선 방향의 직선을 축으로 선체가 좌우 교대로 회전하려는 횡경사 운동으로, 선체 측면에서 부는 바람과 횡파에 의해 발생하며, 선박의 복원력과 밀접한 관계가 있어서 심하면 전복을 일으키기도 한다. 이러한 사고를 방지하기 위해서는 침로와 선속을 변경하여 횡동요 주기를 조정하고 횡동요각도 줄어야 한다.
종동요(피칭)는 선체 무게 중심점에서 좌우 방향의 직선을 축으로 선수와 선미가 상하 교대로 회전하려는 종경사 운동으로, 선체 전후에서 부는 바람과 종파에 의해 발생하며, 선속을 감소시키고 심하면 선체 중앙부가 부러질 수도 있다. 이러한 사고를 방지하기 위해서는 침로와 선속을 변경하여 종경사 운동을 줄어야 한다.
선수 동요(요잉)는 선체 무게 중심점에서 상하 방향의 직선을 축으로 선수가 좌우 교대로 선회하려는 왕복 운동으로, 복합적인 파랑이나 횡요와 종요가 같이 발생할 경우에 생기며, 선박의 보침성과 밀접한 관계가 있어서 항정(항해거리)의 증가, 선속의 감소, 연료 소비량의 증가의 원인이 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 선박의 침로를 기상 및 해상 조건에 맞도록 조정해야 한다.
선체의 횡동요 주기가 파도의 주기와 일치하여 횡동요각이 점차 커지는 동조 횡동요가 발생하면, 함정의 복원성에 문제가 생겨 선체가 대각도로 경사되어 위험하므로, 파랑을 만나는 주기로 침로나 속도를 바꾸어 동조 횡동요를 피해야 한다. 즉, 선박의 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 자유횡동요주기(Tr)이 일치하면 Resonant Rolling 현상이 일어나며, 조우파의 주기가 자유횡동요주기의 절반이 되었을 때(Tr=2Te) Parametric Rolling 현상이 발생하여, 선박은 공명 현상이 일어나 예기치 않은 대각도 횡동요를 시작하게 되므로 선박의 손상 또는 멸실, 전복 등이 발생하게 된다.
선체가 횡동요 중에 옆에서 돌풍 또는 파랑 중 대각도 조타 시 선체는 갑자기 큰 각도로 경사하게 되는 러칭 현상, 선체가 파를 선수에서 받으면서 항주하면서 선수 선저부는 강한 파의 충격을 받아서 선체는 짧은 주기로 급격한 진동하는 슬래밍 현상 등이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 배의 속력을 낮추거나 침로를 변경하여 선미에서 파도를 받을 수 있도록 해야한다. 또한, 선박이 파도를 선미로부터 받으면 항주할 때 선체 중앙이 파도의 마루나 파도의 오르막 파면에 위치하여 급격한 선수 동요에 의해 선체는 파도와 평행하게 놓이는 브로칭 현상이 발생하여, 파도가 갑판을 덮치고 대각도의 선체 횡경사가 유발되어 선박이 전복 될 위험이 있다. 따라서, 선미파를 받지 않도록 침로를 변경하고 감속 운전해야 한다.
저기압이나 태풍 시에는 폭풍우를 동반하므로 바다에는 큰 파도가 일어나게 되며 시계가 나빠지는 해상 전후 상태를 황천이라 한다. 이때, 선박이 파도를 선수나 선미에서 받아서 선미부가 공기 중에 노출되어 스크루 프로펠러에 부하가 급격히 감소하여 스크루 프로펠러는 진동을 일으키면서 급회전을 하게 되는 레이싱 현상이 발생할 수 있다. 이는 프로펠러와 기관 손상의 원인이 되어 종동요(피칭)를 감쇠시키도록 침로를 변경하거나, 함속을 감소시켜야 한다. 따라서, 황천 운항 시 종동요가 일어나지 않은 침로와 속도로 선박을 조종할 필요가 있으며, 황전 항해 시 히브 투, 스커딩, 라이 투 조종 방법이 있다.
선수를 풍랑 쪽으로 하여 조타가 가능한 최소의 속력으로 전진하는 히브 투 방법은 선체의 동요를 줄이고, 파랑에 대하여 자세를 취하기 쉽고, 또 풍하측으로의 표류가 적으나, 파에 의한 선수부의 충격 작용과 해수의 갑판상 침입이 심하여, 너무 감속하면 보침이 어렵고, 정홍으로 파를 받는 형태가 되기 쉽다.
풍랑을 선미 쿼터에서 받으며, 파에 좇기는 자세로 항주하는 스커딩 방법은 선체가 받는 충격 작용이 현저히 감소하고, 상당한 속력을 유지할 수 있으므로 적극적으로 태풍권으로부터 탈출하는데 유리할 수 있다. 하지만, 선미 추파에 의하여 해수가 선미 갑판을 덮칠 수 있으며, 보침성이 저하되어 브로칭 현상이 일어날 수 있다.
황천속에서 기관을 정지하여 선체를 풍하로 표류하도록 하는 라이 투 방법은 선체에 부딪치는 파의 충격을 최소로 줄일 수 있고, 키에 의한 보침이 필요없으나, 선체의 표류가 커서 풍하측에 여유 수역이 필요하고, 횡파를 받으면 대각도 경사가 일어나므로 복원력이 큰 소형선에서나 이용할 수 있다.
바다에는 날씨 변화에 따라 차이는 있으나 항상 파도가 존재한다. 내항성은 이러한 파도를 항해하는 선박의 성능을 나타내는 것으로, 일반적으로 파도에 의해 동요가 발생되고 그 동요로 인해 선원 및 승객의 승선감과 작업능력을 저하시키고 선속이 떨어지며 심한 경우에는 구조적 손상이 일어나고 침몰하기도 한다. 선박의 동요는 파도에 기인한 것이므로 동요의 특성은 파도의 특성과 공통점을 갖고 있다. 따라서, 파도의 특성을 이해하는 것이 선박의 동요 특성을 이해하기 위한 전제조건이 되므로 먼저 파도의 특성을 알아야 한다.
도 4는 파도의 발생 및 발달 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 파도 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 에너지 스펙트럼 및 불규칙 해상파를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 불규칙파형과 파진폭, 파고, 파주기의 정의를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 잔잔한 수면에 바람이 불면 수면은 바람의 마찰에 의해 아주 짧은 주름 형태로 되고 주름 모양의 수면은 더욱 큰 마찰력을 받게 되어 점차 큰 주름 형태로 발달하게 된다. 이렇게 형성된 주름 형태의 수면은 오랜 시간동안 넓은 지역에 부는 바람에 의해 소위 파도(또는 파랑)라 불리는 형태로 되어 사방으로 전파하게 된다. 바람에 의해 생성된 파도는 대략 2초에서 25초 사이의 주기를 갖게되며, 실제 해상파는 다양한 주기의 파도가 섞여서 나타나게 되므로 불규칙한 주름 형상을 갖게 된다. 이러한 불규칙한 해상파의 특성을 취급하기 위해 오랜 기간동안 관측된 데이터 통계를 기초로 파도의 주기분포와 높낮이를 표시할 수 있는 에너지 스펙트럼을 사용한다.
파도의 에너지는 파고의 제곱에 비례하는데, 불규칙한 파형(Irregular Wave)을 여러 가지 주기의 규칙파(Regular Wave)성분으로 나누어 횡축을 파주기(또는 주파수)로 표시하고 종축을 각 성분파 파고의 제곱으로 표시한 것이 파도의 에너지 스펙트럼이다.
도 5는 대표적인 파도 스펙트럼인 ITTC (International Towing Tank Conference) 스펙트럼과 JONSWAP(Joint North Sea Wave Project) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 지역에 따라 그 모양에 다소 차이가 있으나 도 5에 나타낸 것처럼 파도의 에너지(높낮이)를 파도주기에 따라 분포시킨 것이며, 각 성분파로는 일정한 주기와 진폭을 갖는 정현파(Sinusoidal Wave)를 사용하며 불규칙 해상파는 이러한 성분파가 중첩된 것으로 표시할 수 있다. 즉, 도 6에 나타낸 것처럼 불규칙 해상파형은 랜덤(Random)한 위상을 갖는 각 성분파를 합쳐 나타낸 것이다.
이러한 불규칙파의 특성치는 파고와 주기의 대표치로 나타내는데, 파고의 대표치로는 유의파고(H1/3: Significant Wave Height)를, 주기의 대표치로는 평균주기(Mean Period) 등이 사용된다.
도 8은 선박의 6자유도 운동 정의를 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 선박의 진행방향에 따른 파의 입사방향을 설명하기 위한 도면이다.
파도에 의한 선체운동은 선박에 고정된 x-y-z 직교좌표계에 대한 병진운동과 회전운동으로 정의된다. x-y-z 직교좌표에 대한 병진운동을 각각 전후동요(Surge), 좌우동요(Sway), 상하동요(Heave)라 하며 각 좌표축에 대한 회전운동을 횡동요(Roll), 종동요(Pitch), 선수동요(Yaw)라 한다.
이러한 선체의 6자유도 운동에 의해 선박의 임의 위치에 있는 사람이나 계기, 화물 등에는 가속도가 작용하게 되며(국부 가속도) 가속도의 수준에 따라 승객의 안락감, 선원의 작업능력, 계기의 작동상태, 화물의 안전이 영향을 받게 된다. 또한, 선박은 파도를 타고 6자유도 운동을 하게 되는데, 파면과 선체의 특정부분의 상대위치 변화에 따라 파도가 갑판위로 넘쳐들거나(갑판침수) 선체의 바닥이 노출될(선저노출) 수 있으며 노출된 부분이 입수되면서 파면과 만나면서 충격력이 작용하기도 한다(슬래밍: Slamming). 선체 6자유도 운동이 선박의 위치와 무관하게 정의되는 것에 비해 선박에서의 위치에 따라 변화하는 국부가속도, 갑판침수, 선저노출, 슬래밍 등의 운동을 국부운동이라 한다.
선저노출이나 갑판침수는 일정 위치에서의 수직변위와 파면의 차이(상대운동)가 흘수(Draft: 선저에서 정수면의 높이)나 건현(Freeboard: 정수면에서의 갑판 높이)을 초과할 때 발생하는 현상이다. 슬래밍은 선저(船底)가 노출되고 입수되는 순간의 상대속도가 일정 임계치를 넘어설 때 발생하는 현상으로, 6자유도 운동, 국부 가속도, 상대운동 등이 일정 주기를 갖는 조화운동(Sinusoidal Motion)이며, 크기의 높낮이로 표시되는데 반해, 발생 확률로 정의되는 운동이며 과대운동(Excessive Motion or Rare Event)이라 한다.
선박의 6자유도 운동은 선박에 고정된 좌표계에 대한 왕복운동과 회전운동으로 정의되므로, 선박에 대해 진행하는 파도의 방향에 따라 운동의 양상이 다르게 나타난다.
도 9에 도시된 바와 같이, 선박이 전진하는 방향(x축)과 파가 진행하는 방향이 이루는 각을 입사각()이라 하자. 파의 진행방향이 x축과 평행한 경우에는 y축에 대한 운동은 없음을 알 수 있으며 파의 진행 방향이 y축과 평행한 경우에는 y축에 대한 운동이 크게 나타남을 알 수 있다. 또한, 선속이 있는 경우에는 실제 파도의 주기(Tw)와 배가 느끼는 파라메트릭 횡동요 주기(Te: Encounter Period)는 파도의 입사각에 따라 다음의 식 1로 표현되다. 이때, g는 중력가속도이며 V는 선속이고 Lw는 파장이다
[식 1]
배의 전진 방향과 파의 진행방향이 반대인 경우(=180도)를 선수파(Head Sea), =90, 270도인 경우를 횡파(Beam Sea), =0도인 경우를 선미파, 선수파와 횡파 사이를 선수사파(Bow Quartering Sea), 선미파와 횡파 사이를 선미사파(Stern Quartering Sea)라 하며, 이러한 입사각의 변화에 따라 배가 느끼는 파라메트릭 횡동요 주기가 바뀌게 된다. 즉, 선수파, 선수사파에서 파라메트릭 횡동요 주기는 실제 파주기보다 항상 짧아지며 횡파에서는 파라메트릭 횡동요 주기와 파주기는 같게 되지만 선미파와 선미사파에서는 선속에 따라 다소 복잡한 양상을 띠게 되는데 부분이 1보다 크게 되는 선속(선속이 파의 진행속도보다 작은 경우, Vcos <Lw/Tw)에서는 파라메트릭 횡동요 주기가 파주기보다 길게 되지만 반대의 경우에는 오히려 파라메트릭 횡동요 주기가 파주기보다 짧게 된다.
이와 같이 파도의 진행방향과 선속에 따라 배의 운동응답 특성이 다르게 나타나므로, 항해하는 선박의 모든 선속과 파도의 입사각 조건에 따른 선박의 운동응답 특성 해석이 필수적이다.
선박의 파랑 중 거동은 앞서 기술한 6자유도 운동이 연성된 운동방정식으로 표시할 수 있으며, 파주기에 따른 운동방정식의 계수와 기진력(Exciting Force)을 구하는 것이 내항성능 해석이론의 근간이 된다.
도 10은 파장비에 따른 파랑하중의 간섭효과를 설명하기 위한 도면이다.
파도의 주기가 늘어나면 파장은 주기의 제곱에 비례해 길어지는 성질을 갖는다. 따라서, 주기에 따라 선박의 크기는 상대적으로 변하는 것으로 생각할 수 있다. 배가 아무리 크더라도 파장이 무한하다면 선박은 물위에 떠있는 낙엽과 같이 파면과 같이 움직일 것이며 파장이 매우 짧은 경우에는 배의 움직임은 거의 없게 된다. 이는 도 10에서 보는 바와 같이 선체에 걸쳐 있는 파랑의 파정과 파저의 위치에 따라 파정이 걸쳐 있는 부분은 양의 압력을 받게 되고, 파저가 걸쳐 있는 부분은 음의 압력을 받아 파랑하중이 서로 상쇄되기 때문이다. 파장이 길어지면 이러한 상쇄효과가 사라지게 되고, 파장이 짧아지면 상쇄효과가 극대화된다. 따라서, 같은 톤수의 선박이라도 길이가 긴 배가 길이가 짧은 배보다 파랑하중의 상쇄효과가 나타나는 파의 범위가 넓으므로 같은 해상조건에서 내항성능면에서 유리하다. 길이가 같은 경우에는 날씬한 배보다 뚱뚱한 배가 내항성능 면에서 유리한데, 이는 선형이 뚱뚱함으로 인해 파랑하중이 커지는 비율보다는 질량이 늘어나는 효과가 더 크기 때문이다. 흘수가 낮아지게 되면 선수상대운동과 가속도 수준은 감소하지만, 선저 노출과 슬래밍 발생확률이 높아지며 슬래밍 발생확률을 감소시키기 위해 흘수를 키우면 가속도 수준의 증가를 감수해야 한다.
이와 같이 선형의 변화에 의해 내항성능의 특성이 바뀌며 선박 설계자는 서로 상충되는 특성들을 선박의 건조목적에 따라 제한된 범위 내에서 최적의 선형조합을 이끌어내야 한다.
보퍼트 풍력 계급(Beaufort wind force scale)은 주로 해상의 풍랑 상태를 기초로 하여 만든 풍력 계급으로 후에 육상에서도 사용할 수 있도록 고안되었다. 1805년 영국 해군 제독 겸 수로학자였던 프랜시스 보퍼트(Francis Beaufort)가 만들었고, 고안자인 보퍼트의 이름을 따서 '보퍼트 풍력 계급'으로 명명되었다. 1923년에 표준화 되었으며, 영국 기상청의 관리였던 조지 심프슨이 육상 상태를 바탕으로한 보퍼트 풍력 계급을 고안하였다. 그 후 기상학자들은 보퍼트 풍력 등급의 단점들을 수십 년동안 조금씩 보완해 왔으며, 현재의 보퍼트 풍력 등급은 1962년 세계기상기구(WMO)가 결정한 것이다.
보퍼트 풍력 계급은 다음과 같은 경험식인 식 2를 통해 구할 수 있으며, 그 결과인 보퍼트 풍력 계급표는 표 1과 같다. 이때, V는 상당 풍속, B는 계급을 나타낸다.
[식 2]
V=0.836× m/s
[표 1]
해파는 해수면 아래까지 확장되기 때문에 일반적으로 그 수심에 영향을 받게 된다. 보통 식 3과 같이 수심이 파장의 1/2 이상인 곳에서는 해파의 영향이 거의 없는데, 이렇게 수심이 파장의 1/2 보다 깊은 곳에서 진행되는 해파를 심해파(deep-water wave)라 한다.심해파는 해저의 영향을 받지 않는 외해에서 발생한 대부분의 풍랑에 해당하며, 물 입자가 원궤도 운동을 하는데 이러한 원궤도의 지름은 표면에서는 파고와 같다가 수심이 깊어짐에 따라 급격히 감소하여 파장의 1/2이 되는 깊이 이하에서는 거의 무시할 정도로 작아지게 된다.
[식 3]
파의 전파속도도 수심과는 무관하며 식 4와 같이 파장의 루트값에 비례하게 된다.
[식 4]
도 11은 심해파의 입자운동을 설명하기 위한 도면이다.
해파의 속도는 파장에 의해 변화함을 알 수 있고, 식을 바꿔쓰면(V=lamda/T) 주기에 의해 파속이 달라짐을 알 수 있다. 물입자는 천해파와 달리 원운동을 한다. 이는 수심이 충분히 깊기 때문에, 물입자의 회전운동이 해저 바닥에 의한 마찰의 영향을 받지 않기 때문이다. 수심이 깊어질 수록 물입자가 운동하는 원운동의 반경이 작아진다.즉, 심해파의 입자운동은 물입자의 회전반경은 깊이에 따라 지수함수적으로 감소한다.
해파를 분류하는데 있어 복원력은 중요한 기준 된다. 복원력은 쉽게 생각하면 물 입자가 다시 원래 자리로 돌아오는데 필요한 힘으로 생각하면 된다. 복원력으로 작용하는 힘에는 크게 표면장력, 중력, 전향력이 있다. 이 3가지 힘은 물입자의 운동 규모에 따라 달라진다. 가장 작은 규모에서는 표면장력이 유효하고, 스케일이 커지면 중력이, 가장 큰 스케일에서 전향력이 유효하게 작용된다.
도 12는 바람과 파도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 바다의 파도는 바람에 의해 생성된다. 바람이 빠르면 빠를수록 바람이 오래 불고, 바람이 부는 지역이 클수록 파도도 커진다. 1964년 피어슨-모스코위츠는 바람이 넓은 지역에 오랫동안 꾸준히 불면, 파도가 바람과 평형을 이룰 것이라고 가정하고, 북대서양의 발달된 바다(수일 동안 수백 마일 이상 꾸준히 부는 바람에 의해 생성되는 심해의 바다) 기상선에 가속도계로 파도를 측정하여 파도 데이터를 수집하여 수식화 하였다.
한편, 선박 또는 함정이 파랑 중 항해를 하게되면 파도로 인한 동요를 경험하게 된다. 이러한 선박의 동요는 승객의 안락감을 해치고 선원의 작업능력을 저하시킬 뿐만 아니라 선박에 탑재된 각종 장비의 성능을 떨어뜨린다. 동요가 매우 심한 경우에는 배가 전복되는 경우도 있으며 때로는 파손되기도 한다. 따라서, 선박을 설계함에 있어 파랑 중에서도 파손이나 전복되지 않고 우수한 성능을 발휘할 수 있도록 해야 한다. 이를 위해서는 파도에 의해 선박이 받게 되는 힘과 그 힘으로 말미암아 발생되는 선박의 동요를 해석하고 아울러 선박의 동요로 인해 저하되는 선박의 성능을 정량적으로 예측하여 선박의 선형을 결정하게 된다. 이와 같이, 선형의 변화에 의해 내항성능의 특성이 바뀌며 선박 설계자는 서로 상충되는 특성들을 선박의 건조목적에 따라 제한된 범위 내에서 최적의 선형조합을 이끌어내어 선박을 설계하게 된다.
이처럼 조선사는 함정 설계 시 함정의 내항성능을 검토하여 배의 형상 등을 설계할 목적으로 상용 내항성능 해석 프로그램을 사용하고 있다. 그러나, 이렇게 설계되어 건조된 함정은 기본적으로 우수한 내항성능을 갖추고 있지만, 해상 환경 및 화물의 적재, 급격한 변속/변침에 대한 모든 상황을 반영하고 있지 않아 운항 중 잘못된 침로 및 속도지시로 인해 안전항해에 위협이 될 수 있다. 함정의 기동 시 기본적으로 선체의 횡동요 주기가 파도의 주기와 일치하여 횡동요각이 점차 커지는 동조 횡동요가 발생하지 않도록 해야 하며, 함정 기동 시 침로 및 속도를 결정할 때 오로지 함정의 경험에 의해 결정 할 수밖에 없다.
함정은 어뢰, 잠수함, 미사일, 항공기 등의 적의 위협 식별 시 즉시 교전에 들어 가며, 긴급기동을 하게 되며, 긴급기동 시 기민한 동작은 함정의 생존성과 직결된다. 긴급기동의 경우 가능한한 가장 빠른 시간에 함정을 최대속도로 만들어야 하기 때문에 지휘관은 추진기관을 최대출력으로 조정하여 기동하게 된다. 이때, 풍향/풍속 등의 해상 환경과 함정의 속도 및 침로는 상황에 따라 그때그때 다르므로 최대 함정 속도 및 도달 시간에 편차 큰 문제가 있었다. 추진기관의 속도는 최대로 조작하면서, 내항성능 해석을 통해 조파저항이 작고 동요가 작은 좌현/우현의 최대속도를 가장 빠르게 달성 할 수 있는 침로를 권고해 줌으로 주어진 상황에서 가장 빠르게 최대속도로 도달하게 하는 지휘관의 지휘결심을 보조하여 함정의 생존성을 높일 수 있다.
함정은 저기압 또는 태풍 등 풍랑이 거칠게 부는 황천 상황에서도 항해 할 경우가 많다. 이때, 높은 파고와 파람으로 인해 안전항해가 제한 받을 수 있으며, 선박이 파도를 선수나 선미에서 받아서 선미부가 공기 중에 노출되어 스크루 프로펠러에 부하가 급격히 감소하면 스크루 프로펠러는 진동을 일으키면서 급회전을 하게 되어 선박의 추진 성능을 감소시킨다. 따라서, 황천 운항 시 종동요가 일어나지 않은 침로와 속도로 선박을 조종할 필요가 있다. 또한, 풍랑을 선미 쿼터에서 받으며, 파에 좇기는 자세로 항주하는 스커딩 방법으로 항해 시 브로칭 현상이 일어나지 않도록 침로 및 속도를 조절 해야 한다.
또한, 함정의 해상보급의 경우 두대의 함정이 나란히 기동하면서, 연료등의 보급을 수행하게 된다. 이때, 선박의 동요가 최소화 되어야 해상 보급에 유리하며, 두 함정 사이가 매우 가깝기 때문에 내항성능이 낮고, 선박의 동요가 큰 경우 충돌의 위협이 존재할 수 있다. 이 또한, 지휘관의 경험에 의해 해상보급 시 침로와 속도를 결정하게 되므로, 지휘관에 의존으로 지휘결심의 오류로 사고의 위험이 존재한다. 함정은 상선 대비 폭이 좁고 크기가 작으며, 많은 승조원이 탑승한 상태에서 고속 기동하기 때문에 승조원들의 리빙컨디션이 매우 좋지 않다. 해상 환경이 좋지 않아 높은 파고가 발생한 경우 식사 및 취침 등 일상 생활이 어렵거나 제한될 수 있다. 이에 해상환경에 맞추어 내항성능이 좋고 동요가 적은 침로 및 속도로 기동하면 승조원의 리빙컨디션을 효과적으로 관리 할 수 있다.
또한, 함정에 헬기 또는 항공기의 이착함 시에는 기본적으로 동요가 최소화되고, 함속을 최대한 빠르게하며, 풍향에 맞추어 침로를 결정해야 하는 만큼, 이를 모두 고려하여 함정의 침로와 속도를 결정하는 것은 매우 어렵다.
함정의 경우 화물의 적재 변경, 해상 환경의 변화, 운항 목적에 따른 급격한 변속/변침이 선박 대비 변동이 크며, 빠른 함속 달성을 위해 선폭 등의 형상이 일반 선박(상선) 대비 복원성에 취약한 구조로 이루어져 있다.
현재 함정의 기동을 위한 침로 및 속도는 모든 상황을 종합적으로 고려한 지휘관의 경험으로 결정되고 있어, 지휘관의 부정확한 판단 및 지휘결심 오류 시 함정의 기동성능 저하, 복원성 불량에 의한 좌초, 비효율적 함정 운항 등의 문제가 있다.
결국, 함정의 내항성능를 고려한 최적의 항해는 지휘관의 경험에 의한 정확한 침로 및 속도 결정이 전제되는바, 이를 해결하기 위해 운항 중 내항성능을 지속적으로 평가하여 모든 상황을 고려한 최적의 침로 및 속도 권고하는 시스템이 필요한 실정이다.
최근, 일부의 함정에 안전항해 권고 시스템이 탑재되는 추세로, 함정 통합기관제어체계에 포함되어 있다. 함정의 통합기관제어체계는 함정의 추진/전력/보기/손상계통의 통합 감시 및 제어 기능을 수행하는 외산 SW로, 국내 운용환경에 맞지 않은 지중해 심해파를 기준으로 파고를 예측하여 이를 이용해 항해 시 일반화된 내항성능 해석을 통해 안전항해를 위한 침로만을 권고한다. 또한, 실제 센서(풍향/풍속계, 자이로 등)와 연동되지 않고, 사용자가 입력한 정보(파고, 파장, 파향 등)에 대하여 시뮬레이션 하여 위험한 침로만을 전시하는 문제가 있다.
또한, 파고는 내항성능 해석을 위한 주요 인자로, 직접 측정할 수 없기 때문에 측정한 풍향/풍속으로 파고를 예측할 수밖에 없다. 기존 시스템의 경우 외산 SW로 풍향/풍속에 대한 파고를 보퍼트 계급표와 지중해 심해파 또는 북대서양 심해파를 기준으로 일반화하여 사용했기 때문에, 심해가 아닌 연안으로 이루어진 국내 해상 환경을 반영하고 있지 않고, 계절 및 위치 별 파고를 고려하지 않아 부정확하다. 또한, 현재 상태로 함정의 복원성만을 고려한 안전항해 침로만을 권고하고 있기 때문에 함정이 운항 목적에 따른 기동(예컨대, 긴급기동, 황천기동, 해상보급/리빙컨디션, 이착함) 시 침로 및 속도를 결정 함에 있어 큰 도움이 되지 않는다
이러한 문제를 해소하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 날짜와 위치, 풍향 및 풍속 정보로 현재의 파고, 파장, 파속을 예측하고 이를 바탕으로 내항성능을 평가하여 함정의 운항 목적에 맞는 기동 시 최적의 침로 및 속도 정보를 권고하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도 13 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템(100)을 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템(100)의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템(100)은 초기 설정부(110), 데이터 입력부(120), 연산 처리부(130) 및 전시 처리부(140)를 포함한다.
초기 설정부(110)는 함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행한다. 도 14는 초기 설정부(110)에서 이용하는 설정파일의 일 예시를 도시한 도면이다.
초기 설정부(110)는 기 저장된 또는 수신한 설정파일로부터 함정정보 및 통신정보를 독출하여 초기 설정을 수행할 수 있다. 이때, 설정파일은 INI 파일 또는 XML 파일 형식으로 구성되어 해당 정보를 읽고 쉽게 수정할 수 있다.
이때, 함정정보는 선폭, 관성반경 및 질량계수와 같은 함정의 물리적인 특성을 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 또한, 통신정보는 연동 설정정보, 데이터 정보와 같이 함정이 다른 시스템과 통신하기 위해 필요한 정보를 포함할 수 있다. 그밖에 함정정보는 입력모드, 파고 추정모델, 운영모드와 같은 초기 작동정보를 포함할 수 있다.
초기 설정부(110)는 설정파일에 지정된 통신설정에 따라 소프트웨어 실행시 자동으로 연동 작업이 수행될 수 있으며 입력 모드는 실측 데이터가 된다. 만약, 연동이 불가하면 입력모드는 자동으로 시뮬레이션 모드가 되며 실측 데이터 상태에서 통신을 끊어도 동일하게 자동적으로 입력모드는 시뮬레이션 모드가 된다. 시뮬레이션 모드에서 실행 중에 사용자가 복사 버튼을 누르면, 해당 시점의 실측데이터 상태에서 값을 복사하여 시뮬레이션 위치로 값을 옮길 수 있다. 이를 통해 시뮬레이션 모드에서 실험해보고자 하는 값들을 이전의 실측 데이터로부터 가져와 변경하여 계산해볼 수 있다.
이처럼, 초기 설정부(110)는 다양한 프로젝트나 상황에서 일관된 설정을 유지하고, 필요한 경우 설정값을 수정할 수 있도록 하며, 이를 통해 소프트웨어의 변경 없이도 다양한 조건에 맞게 함정을 운용하거나 설정할 수 있는 유연성 및 효율성을 제공할 수 있다.
데이터 입력부(120)는 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는다.
일 실시예로, 데이터 입력부(120)는 입력 모드가 시뮬레이션 모드인 경우, 사용자로부터 풍향 및 풍속 정보와, 중력 모멘트, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 환경 데이터를 직접 입력받을 수 있다.
다른 실시예로, 데이터 입력부(120)는 입력 모드가 실측 데이터 모드인 경우, 통합기관제어체계 또는 함정 내 센서와의 통신을 통해 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 환경 데이터를 수신할 수 있다. 이때, 함정 내 각종 센서는 풍향/풍속계, 자이로 센서, 데이터 분배장치 등일 수 있다.
한편, 데이터 입력부(120)는 산업용 필드버스, 예를 들어 OPC, MODBUS, CAN, IEC61161-450 등을 이용하여 데이터를 수신할 수 있다.
이러한 데이터 입력부(120)를 통해 본 발명의 일 실시예는 실제 센서 데이터를 활영하도록 하여 더욱 현실적인 상황을 모델링하고 함정의 동작을 실제 조건에 맞게 제어할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 모드의 경우 사용자가 다양한 상황을 가정하여 실험 및 검증할 수 있는 장점이 있다.
연산 처리부(130)는 사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출한다. 이때, 연산 처리부(130)는 추정 모델로 북대서양 모델 또는 한국모델을 입력받을 수 있으며 선택된 모델을 통해 풍속에 따른 파고/파장/파속 정보를 추정할 수 있다.
도 15는 보퍼트 풍력 계급 및 심해파 기준 룩업테이블을 나타낸 도면이다. 도 16은 한국 기상청 제공 21개소 해상부이측정 데이터를 나타낸 도면이다.
일 실시예로, 연산 처리부(130)는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 북대서양 모델인 경우, 도 14와 같은 보퍼트 풍력 계급과 북대서양 심해파 정보를 기반으로 일반화한 룩업테이블(평균풍속, 평균파고, 평균파장, 평균주기, 평균파속)을 읽어온다. 그리고 연산 처리부(130)가 안전항해 위험 침로, 권고 침로 및 속도를 연산할 때, 해당 풍속(시뮬레이션 설정시 입력값 또는 센서 데이터 측정값)에서의 파고/파장/파속 정보를 룩업테이블에서 선형 스플라인 보간법으로 추정하여 사용할 수 있다.
다른 실시예로, 연산처리부는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 한국모델인 경우, 한국 기상청에 의해 제공된 해상부이측정 데이터를 기반으로 환경 데이터에서의 풍속, 풍향, 날짜 및 위치 정보에 상응하는 파고/파장/파속 정보를 추정할 수 있다. 즉, 도 16과 같이 우리나라 기상청에서 제공하는 기상자료개발포털의 해상기상부이로 계측한 정보를 바탕으로 생성한 추정모델을 사용하여, 안전항해 위험 침로, 권고 침로 및 속도를 연산할 때, 해당 풍속/풍향/날짜/위치 정보를 기반으로 추정파고/추정파장/추정파속을 산출할 수 있다.
한편, 연산 처리부(130)는 위치 정보를 기반으로 복수의 계측소 중 가장 가까운 계측소에서의 해상부이측정 데이터를 선택하고, 해상부이측정 데이터 내 날짜를 기반으로 해당 날짜와 가장 가까운 데이터 및 풍속과 풍향에 기반하여 가장 근사한 데이터를 선택하여 파고/파장/파속 정보를 추정할 수 있다. 즉, 기상청에서는 우리나라 해역의 21개소에서 해양부이로 1시간 단위로 10년동안 측정한 풍향, 풍속, 파고, 파주기, 파향 정보를 제공하고 있으며, 해당 정보를 머신러닝 다항회귀 모델로 학습하여 모델화하였다. 이러한 한국모델은 현재의 위치정보를 기반으로 21개소 중 가까운 계측소의 데이터, 현재의 날짜 정보를 기반으로 해당 월에 가까운 데이터, 현재의 풍향/풍속 정보를 기반으로 가장 근사한 데이터를 종합적으로 고려하여 파고/파장/파속을 추정하는 모델로 북대서양 모델보다 우리나라에 최적화되어 정확하다. 반면, 북대서양 모델은 위치 및 계절에 대한 정보를 반영하고 있지 않으며, 북대서양 심해를 기준으로 일반화하였기 때문에 우리나라에서 실측한 데이터로 생성한 한국모델을 적용하는 것이 더욱 바람직하다.
이후, 연산 처리부(130)는 사용자가 선택한 운영모드에 기초하여 안전항해 침로, 권로 침로 및 속도 정보를 연산한다.
이때, 연산 처리부(130)는 어떠한 운영모드를 선택하더라도 기본적으로 선체의 횡동요 주기가 파도의 주기와 일치하여 횡동요 각이 점차 커지는 동조 횡동요가 발생하지 않도록 위험 침로를 상시 전시할 수 있다.
일 실시예로, 연산 처리부(130)는 안전항해 위험 침로를 판별하기 위해, 먼저 다음 식 5에 기초하여 자유횡동요 주기(Resonant Rolling)를 산출한다.
[식 5]
식 5에서 C와 B는 초기 설정부(110)에 의해 설정된 값으로부터 입력받을 수 있으며, 중력 모멘트 값은 데이터 수신부를 통한 환경 데이터를 통해 획득할 수 있다. 이때, 함정의 복원력 변경에 따라 중력 모멘트 값은 수시로 변경될 수 있다.
그 다음, 연산 처리부(130)는 식 6에 기초하여 파라메트릭 횡동요 주기(Te)(Parametric Rolling)를 산출한다.
[식 6]
파라메트릭 횡동요 주기(Te)
()
그 다음, 연산 처리부(130)는 조우파 주기를 조우파의 입사각 μ를 0~359로 가변시키면서 전방위에 대한 조우파 주기를 식 7을 통해 산출한다.
[식 7]
마찬가지로 식 7에서 C, λ, V는 데이터 수신부를 통해 입력받을 수 있으며, 이때 해상환경 및 함정상태에 따라 값은 수시로 변경될 수 있다.
그 다음, 연산 처리부(130)는 조우파 주기와 자유횡동요 주기가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있으며, 예를 들어 ±10% 이내의 방위를 위험 침로로 판별할 수 있다. 여기서, 상기 ±10% 이내는 예시로써, 기준범위는 가변될 수 있으며, 상기 초기 설정부(110)에서 설정이 가능함을 이해해야 할 것이다.
또한, 연산 처리부(130)는 조우파 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te)가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별할 수 있으며, 예를 들어 ±10% 이내의 방위를 위험 침로로 판별할 수 있다.
다음으로, 연산 처리부(130)는 운영모드가 긴급기동 모드인 경우, 조우파 주기가 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 큰 차이를 갖는 방위각을 검출하고, 검출된 방위각을 기준으로 함정에 대한 안전항해 권고 침로를 결정할 수 있다.
즉, 긴급기동의 경우 가능한 가장 빠른 시간에 함정을 최대속도로 만들어야 하기 때문에 지휘관은 현재 상태에서 추진기관을 최대출력으로 조정하여 기동하게 된다. 이때, 함정 속도가 순간적으로 증가할 때 횡동요가 최소가 되는 방향으로 침로를 결정하며, 가장 빠른 시간에 함정의 최대속도를 달성할 수 있다. 따라서, 연산 처리부(130)는 자유횡동요 주기, 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 및 조우파 주기를 각각 계산하고, 계산한 조우파 주기와 자유횡동요 주기, 그리고 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 차이가 큰 방위각을 찾아내어, 파도의 상황에 따라 함정의 횡동요를 최소화하는 방향을 찾게 된다.
그리고 연산 처리부(130)는 검출한 방위각을 기준으로 함정의 현재 방위에서 해당 각도를 가감하는 연산을 통해 권고 침로를 결정할 수 있다. 해당 방위각은 함정의 최대속도 달성과 함께 횡동요를 최소화하는 방향을 나타내며, 긴급기동시 가장 빠른 속도 달성이 가능하도록 한다.
다음으로, 연산 처리부(130)는 운영모드가 황천기동 모드인 경우, 조우파 주기의 산출시 파속에 소정의 고정된 값(C=150도 또는 210도)을 적용한 상태에서 함속을 최소 함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출한다. 그리고 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도를 안전항해 권고 속도로 결정할 수 있다.
즉, 황천기동의 경우 풍랑을 선미 쿼터에서 받으며, 파에 쫓기는 자세로 항주하는 스커딩 방법으로 침로 및 속도를 권고하는데, 본 발명의 일 실시예는 풍향이 선박의 헤딩 방향에서 150도, 210도로 불도록 침로를 권고하며, 권고 속도의 경우 상술한 방식을 통해 산출할 수 있다.
다음으로, 연산 처리부(130)는 운영모드가 해상보급 모드 또는 리빙컨디션 모드인 경우, 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값(C=0~360도)으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출한다. 그리고 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도 및 침로를 안전항해 권고 침로 및 안전항해 속도로 결정할 수 있다.
즉, 해상보급의 경우 두 대의 함정이 나란히 기동하면서 연료 등 보급을 수행하게 되므로 선박의 동요가 최소화되어야 하며, 리빙컨디션을 고려한 기동시에도 동일하다.
다음으로, 함정에 헬기 또는 항공기의 이착함 시에는 기본적으로 동요가 최소화되고, 함속을 최대한 빠르게 하며, 풍향에 맞도록 침로를 결정하여야 한다. 이를 위해, 연산 처리부(130)는 운영모드가 이착함 모드인 경우, 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값(C=0~360도)으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출한다. 그리고, 조우파 주기가 자유횡동요 주기 및 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내(예를 들어, ±10% 이내)의 침로 및 속도를 산출한다. 이때, 연산 처리부(130)는 위험 침로에 해당하지 않으면서 가장 함속이 빠른 침로 및 속도를 산출할 수 있다.
한편, 전시 처리부(140)는 연산 처리부(130)에 의해 산출된 침로 정보 및 속도 정보를 전시한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부(140)에 의해 출력되는 화면의 일 예시를 도시한 도면이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부(140)에 의해 출력되는 상대좌표계 기반 화면의 일 예시를 도시한 도면이다. 도 19는 본 발명의 일 실시예에서 전시 처리부(140)에 의해 출력되는 절대좌표계 기반 화면의 일 예시를 도시한 도면이다.
전시처리부는 사용자 인터페이스를 통해 정보를 표시하거나 정보를 입력받는 역할을 한다. 사용자는 버튼 입력을 통해 다양한 설정을 조정하고 정보를 확인할 수 있다.
사용자는 버튼 입력을 통해 입력모드(시뮬레이션 또는 실측데이터), 추정모델(한국모델 또는 북대서양 모델), 운영모드, 좌표계 등을 설정할 수 있다. 그리고 사용자에게 필요한 주요 정보를 전시하며, 이는 안전항해 침로, 속도 추천, 함정의 헤딩 및 풍향, Polar 차트, 자유 횡동요 주기, 파라메트릭 횡동요 주기(Te), 전방위에 대한 조우파 주기 등이 포함될 수 있다.
또한, 입력모드에 따라 사용자가 직접 입력한 정보를 표시하거나 실측데이터를 연동하여 정보를 표시할 수 있으며, 시뮬레이션 모드에서는 사용자가 입력한 값들을, 실측데이터 모드에서는 연동된 센서 등을 통해 얻은 데이터를 표시할 수 있다.
또한, 전시 처리부(140)는 사용자가 선택한 추정모델(한국 모델 또는 북대서양 모델)에 따라 해당 모델에서 추정한 정보를 표시할 수 있으며 예를 들어, 파고와 관련된 정보를 각 모델에 따라 표시할 수 있다. 또한, 사용자가 선택한 운영모드에 따라 권고 침로와 속도를 연산한 결과를 표시하며, 이 결과는 사용자에게 안전한 항해를 권고하는 데 사용될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 18, 도 19에 도시된 바와 같이 사용자가 설정한 좌표계에 따라 표시되는 정보가 다르게 표시될 수 있다. 사용자가 좌표계를 절대좌표로 설정할 경우 도 19와 같이 지구의 절대좌표를 기준으로 모든 항목이 전시되며, 좌표계를 상대좌표로 설정할 경우 도 18과 같이 선박의 헤딩을 기준으로 하여 모든 항목이 전시된다.
이하에서는 도 20을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템(100)의 동작 방법을 설명하도록 한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템(100)의 동작 방법의 순서도이다.
먼저, 함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행한다(S110).
다음으로, 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는다(S120).
다음으로, 사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출한다(S130).
다음으로, 산출된 침로 정보 및 속도 정보를 전시한다(S140).
한편, 상술한 설명에서, 단계 S110 내지 S140은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 13 내지 도 19에 기술된 내용과 도 20에 기술된 내용은 상호 적용될 수 있다.
이상에서 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법은, 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어 실행되기 위해 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현되어 매체에 저장될 수 있다.
상기 전술한 프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, Ruby, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 함정 안전항해 권고 시스템
110: 초기 설정부
120: 데이터 입력부
130: 연산 처리부
140: 전시 처리부

Claims (28)

  1. 함정 안전항해 권고 시스템에 있어서,
    함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행하는 초기 설정부,
    상기 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는 데이터 입력부,
    사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출하는 연산 처리부 및
    상기 침로 정보 및 속도 정보를 전시하는 전시 처리부를 포함하고,
    상기 연산 처리부는 상기 초기 설정된 값과 상기 환경 데이터를 기반으로 자유횡동요 주기를 산출하고, 상기 자유횡동요 주기를 통해 파라메트릭 횡동요 주기(Te)를 산출하며, 조우파의 입사각을 소정 값으로 가변시키면서 전방위에 대한 조우파 주기를 산출하며,
    상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 긴급기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 큰 차이를 갖는 방위각을 검출하고, 상기 방위각을 기준으로 함정에 대한 안전항해 권고 침로를 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기 설정부는 기 저장된 또는 수신한 설정파일로부터 상기 함정정보 및 통신정보를 독출하여 초기 설정을 수행하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 입력부는 상기 입력 모드가 시뮬레이션 모드인 경우, 사용자로부터 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 직접 입력받는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 입력부는 상기 입력 모드가 실측 데이터 모드인 경우, 통합기관제어체계 또는 함정 내 센서와의 통신을 통해 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 수신하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 북대서양 모델인 경우, 보퍼트 풍력 계급과 북대서양 심해파 정보를 기반으로 평균파고, 평균 파장, 평균 주기 및 평균 파속을 일반화한 룩업테이블을 독출하고, 상기 환경 데이터에 따른 풍속에서의 파고, 파장 및 파속 정보를 상기 룩업테이블에서 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 사용자에 의해 선택된 추정모델이 한국모델인 경우, 한국 기상청에 의해 제공된 해상 부이 측정 데이터를 기반으로 상기 환경 데이터에서의 풍속, 풍향, 날짜 및 위치 정보에 상응하는 파고, 파장 및 파속 정보를 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 위치 정보를 기반으로 복수의 계측소 중 가장 가까운 계측소에서의 해상 부이 측정 데이터를 선택하고, 상기 해상 부이 측정 데이터 내 날짜를 기반으로 해당 날짜에 가장 가까운 데이터 및 상기 풍속과 풍향에 기반하여 가장 근사한 데이터를 선택하여 상기 파고, 파장 및 파속 정보를 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 조우파 주기와 자유횡동요 주기가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 조우파 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te)가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 황천기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속에 소정의 고정된 값을 적용한 상태에서 함속을 최소 함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도를 안전항해 권고 속도로 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 해상보급 모드 또는 리빙컨디션 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도 및 침로를 안전항해 권고 침로 및 안전항해 속도로 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 운영모드가 이착함 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기 및 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 침로 및 속도를 산출하되, 위험 침로에 해당하지 않으면서 가장 함속이 빠른 침로 및 속도를 산출하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템.
  15. 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법에 있어서,
    함정정보 및 통신정보를 기반으로 초기 설정을 수행하는 단계;
    상기 초기 설정이 완료됨에 따라, 입력 모드에 상응하는 환경 데이터를 입력받는 단계;
    사용자에 의해 선택된 추정모델 및 운영 모드에 기초하여 상기 환경 데이터에 상응하는 침로 정보 및 속도 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 침로 정보 및 속도 정보를 전시하는 단계를 포함하고,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 초기 설정된 값과 상기 환경 데이터를 기반으로 자유횡동요 주기를 산출하고, 상기 자유횡동요 주기를 통해 파라메트릭 횡동요 주기(Te)를 산출하며, 조우파의 입사각을 소정 값으로 가변시키면서 전방위에 대한 조우파 주기를 산출하며,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 운영모드가 긴급기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 중에서 가장 큰 차이를 갖는 방위각을 검출하고, 상기 방위각을 기준으로 함정에 대한 안전항해 권고 침로를 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 초기 설정을 수행하는 단계는,
    기 저장된 또는 수신한 설정파일로부터 상기 함정정보 및 통신정보를 독출하여 초기 설정을 수행하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 데이터를 입력하는 단계는,
    상기 입력 모드가 시뮬레이션 모드인 경우, 사용자로부터 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 직접 입력받는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 데이터를 입력하는 단계는,
    상기 입력 모드가 실측 데이터 모드인 경우, 통합기관제어체계 또는 함정 내 센서와의 통신을 통해 풍향 및 풍속 정보와, GM, 함정의 속도, 방향 및 위치 데이터를 포함하는 상기 환경 데이터를 수신하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    사용자에 의해 선택된 추정모델이 북대서양 모델인 경우, 보퍼트 풍력 계급과 북대서양 심해파 정보를 기반으로 평균파고, 평균 파장, 평균 주기 및 평균 파속을 일반화한 룩업 테이블을 독출하고, 상기 환경 데이터에 따른 풍속에서의 파고, 파장 및 파속 정보를 상기 룩업 테이블에서 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    사용자에 의해 선택된 추정모델이 한국모델인 경우, 한국 기상청에 의해 제공된 해상 부이 측정 데이터를 기반으로 상기 환경 데이터에서의 풍속, 풍향, 날짜 및 위치 정보에 상응하는 파고, 파장 및 파속 정보를 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 위치 정보를 기반으로 복수의 계측소 중 가장 가까운 계측소에서의 해상 부이 측정 데이터를 선택하고, 상기 해상 부이 측정 데이터 내 날짜를 기반으로 해당 날짜에 가장 가까운 데이터 및 상기 풍속과 풍향에 기반하여 가장 근사한 데이터를 선택하여 상기 파고, 파장 및 파속 정보를 추정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  22. 삭제
  23. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 조우파 주기와 자유횡동요 주기가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 조우파 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te)가 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 방위를 안전항해 위험 침로로 판별하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  25. 삭제
  26. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 운영모드가 황천기동 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속에 소정의 고정된 값을 적용한 상태에서 함속을 최소 함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도를 안전항해 권고 속도로 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 운영모드가 해상보급 모드 또는 리빙컨디션 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 산출한 조우파 주기 중 자유횡동요 주기와 파라메트릭 횡동요 주기(Te) 간의 차이가 가장 큰 속도 및 침로를 안전항해 권고 침로 및 안전항해 속도로 결정하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 운영모드가 이착함 모드인 경우, 상기 조우파 주기의 산출시 파속을 소정의 값으로 가변시킨 상태에서 함속을 최소함속에서 최대함속으로 변화시키면서 각 속도에서의 조우파 주기를 산출하고, 상기 조우파 주기가 자유횡동요 주기 및 파라메트릭 횡동요 주기(Te)와 일치되는 지점으로부터 소정 범위 이내의 침로 및 속도를 산출하되, 위험 침로에 해당하지 않으면서 가장 함속이 빠른 침로 및 속도를 산출하는 것인, 함정 안전항해 권고 시스템의 동작방법.
KR1020230118200A 2023-09-06 2023-09-06 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법 KR102633624B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230118200A KR102633624B1 (ko) 2023-09-06 2023-09-06 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230118200A KR102633624B1 (ko) 2023-09-06 2023-09-06 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102633624B1 true KR102633624B1 (ko) 2024-02-05

Family

ID=89903844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230118200A KR102633624B1 (ko) 2023-09-06 2023-09-06 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102633624B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100827396B1 (ko) * 2006-11-14 2008-05-07 삼성중공업 주식회사 선박의 파라메트릭 횡동요 방지장치 및 방법
KR20110114077A (ko) * 2010-04-12 2011-10-19 현대중공업 주식회사 선박용 자동조타 항해 시뮬레이터
KR20160143413A (ko) * 2015-06-05 2016-12-14 현대중공업 주식회사 선박 모니터링 방법 및 장치
KR101982470B1 (ko) * 2018-03-21 2019-05-27 한국전력공사 해상활동 위험도 예보 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100827396B1 (ko) * 2006-11-14 2008-05-07 삼성중공업 주식회사 선박의 파라메트릭 횡동요 방지장치 및 방법
KR20110114077A (ko) * 2010-04-12 2011-10-19 현대중공업 주식회사 선박용 자동조타 항해 시뮬레이터
KR20160143413A (ko) * 2015-06-05 2016-12-14 현대중공업 주식회사 선박 모니터링 방법 및 장치
KR101982470B1 (ko) * 2018-03-21 2019-05-27 한국전력공사 해상활동 위험도 예보 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ibrahim et al. Modeling of ship roll dynamics and its coupling with heave and pitch.
EP2911935B1 (en) Predictive sea state mapping for ship motion control
US9217752B2 (en) Method and system for measuring motions
CN110937076B (zh) 一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法
Szelangiewicz et al. The influence of wind, wave and loading condition on total resistance and speed of the vessel
Paroka et al. PREDICTION OF SHIP TURNING MANEUVERS IN CONSTANT WIND AND REGULAR WAVES.
Umeda et al. Capsize of ship models in following/quartering waves: physical experiments and nonlinear dynamics
Ayaz et al. Manoeuvring behaviour of ships in extreme astern seas
KR102633624B1 (ko) 함정 안전항해 권고 시스템 및 이의 동작 방법
Kerdraon et al. Development of a 6-DOF Dynamic Velocity Prediction Program for offshore racing yachts
Gualeni et al. Seakeeping time domain simulations for surf-riding/broaching: Investigations toward a direct stability assessment
Ariffin et al. Real-time evaluation of second generation intact stability criteria
Verwilligen et al. Full-scale measurements of vertical motions on ultra large container vessels in Scheldt estuary
Souppez Ships and maritime transportation
Lutfi et al. Leisure Boat Concept Design: Study on the Influence of Hull Form and Dimension to Increase Hydrodynamic Performance
Ayaz et al. Manoeuvring and seakeeping aspects of pod-driven ships
Dachev et al. ISSUES IN THE HANDLING OF A MULTI-MASTED SAILING VESSEL IN VARIOUS HYDRO-METEOROLOGICAL CONDITIONS
Míguez González A study of ship parametric roll resonance for the evaluation of preventive strategies
Olaoye et al. ASV operability at sea: Size matters as much as hull form design
Holzgrafe Transverse stability problems of small autonomous sailing vessels
Hirdaris Elements of Ship Dynamics and Marine Hydromechanics-Lecture Notes
Day et al. Measurement and prediction of the resistance of a laser sailing dinghy
Basiana Ribera Instable ship motions applied on ship weather routing algorithm simroutev2
Yasukawa Navigation Limit Considering Fluctuation Components of Sailing Condition of a Ship in Waves
Stewart Capsize of Liftboat in Transit

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant