KR20100122338A - 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예인선의 안전 확보에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 예인선에 대한 기본 자료와 저가 센서들 및 프로세서를 이용하여 예인선 전복 및 침몰 사고를 효과적으로 예방할 수 있다.

예인선, 장력, 전복, 경보

Description

예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법{Capsizing warning method for tug boat due to excessive tension}

본 발명은 예인선의 안전 확보에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법에 관한 것이다.

해상 교통량과 해상 공간의 활용이 증대됨에 따라 연안에서의 물류 운송 또는 작업의 필요성이 함께 증가하였다. 해상 작업 또는 거대 구조물 운반에는 예인선이 널리 사용되고 있으며, 2007년 기준으로 1266척이 등록되어 운용되고 있다. 예인선은 예항, 압항, 접항 등의 작업을 수행하는데, 압항, 접항은 각각 대형 선박의 이접안, 강 또는 수로에서의 화물 운송에 적합한 사용 방식이다. 따라서 대부분의 예인선은 부선이라고 불리는 무동력 바지선과 예인줄로 연결되어 목표 지점으로 이동하는데 사용된다.

현재 국내 연안에서 운용되고 있는 예인선은 대부분 길이 20m 내외, 배수량 50톤 미만의 노후 선박이 많으며, 심지어 단축선을 쌍축선으로 개조하여 운항하는 경우도 많이 있다. 예인선의 운항은 영세 사업자가 하는 경우가 대부분이므로, 장기간의 연안 항해시에도 선장, 기관장 등의 소수 인원이 운항 및 작업에 투입되므 로, 갑자기 위험 상황이 발생하여도 대처에 어려움이 있다. 예인선은 배수량 1000∼2000톤 정도의 무동력 바지선인 부선을 예인하는데, 파도가 높은 거친 해상상태 또는 접이안시의 조종 운동 상황에서 부선에 의한 예인 장력이 예인선의 과도 횡동요(롤링)가 발생하도록 작용하여 위험 상황이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 단독으로 운항하는 일반 선박에 비하여 예인선은 인명 피해가 많이 발생하는 전복, 침몰 사고로 이어지는 경우가 많다. 또한 소형 어선을 제외하면 예부선이 선박용도별 사고 통계에서도 가장 높은 건수(82건, 2008)를 나타내고 있다.

앞서 언급한 바와 같이 도 1과 같이 중앙부에 계선주(도 2)를 장착하고 있는 예인선이 거친 해상상태에서 변침을 하는 경우 부선과 연결된 예인줄에서 작용하는 장력이 순간적으로 과도한 횡경사 모멘트를 발생시킬 수 있다. 이러한 과도 횡경사 모멘트에 의한 예인선의 전복 또는 과도 횡경사에 의한 침몰 과정은 순식간에 일어나므로, 예인선원은 예인줄의 이완 또는 절단 등의 조치를 신속하게 취하여야 한다. 하지만 이러한 상황은 빈번하게 발생하지 않으므로, 인간의 인지 및 대처과정이 적절하게 이루어지기 힘들다. 따라서 이러한 상황을 신속 정확하게 인지할 수 있는 시스템이 있다면 예인선의 사고 예방에 큰 도움이 될 것이다. 현재 예인선 및 예인장치에 대한 특허는 특정 목적을 위한 예인선의 구성방법 및 예인장치, 모형시험용 예인장치 등에 대한 것이며, 아직까지는 기존 예인선에 적용할 수 있는 사고 경보시스템에 대한 특허는 없는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 예인선에 대한 기본 자료와 저가 센서들 및 프로세서를 이용하여 예인선 전복 및 침몰 사고를 효과적으로 예방할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시 예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 예인선의 횡경사를 계측하기 위한 1축경사계 및 예인줄의 횡방향 장력을 계측하기 위한 1축로드셀로 구성된 계측 센서와, 계산 알고리즘을 수행하기 위한 컴퓨터와, 경보장치를 구비하는 시스템 상에서 수행되는 방법으로서,

계측 센서로부터 일정 시간 간격으로 샘플링을 수행하고 매 샘플링 시간 간격마다 장력팔을 적분하되, 장력팔 적분은 다음의 식과 같이 사다리꼴 법칙을 적용하는 단계;

횡동요 각속도

의 부호가 바뀔 때 다음의 적분식을 계산하고, 장력팔 적분 T 는 0으로 설정하는 단계; 및

T _n+1 ＞ A ₀ 이면 경보장치를 통하여 경보를 발령하는 단계를 포함하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법을 제시한다.

본 발명에 따르면, 예인선에 대한 기본 자료와 저가 센서들 및 프로세서를 이용하여 예인선 전복 및 침몰 사고를 효과적으로 예방할 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시 예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 설명을 위한 기호 정의

φ : 횡동요각

φ _c : 최대 허용 횡동요각 (설계변수)

A : 복원정 적분값

A _c : φ _c 까지의 복원정 적분값 (설계변수)

φ _n, φ _n+1 : 시간 t _n, t _n+1에서의 횡동요각

A _n, A _n+1 : 시간 t _n, t _n+1에서의 복원정 적분값

d _n, d _n+1 : 시간 t _n, t _n+1에서의 장력팔

T _n, T _n+1 : 시간 t _n, t _n+1에서의 장력팔 적분값

A _φn : 0∼φ _n 까지의 복원정 적분값

l(φ) : 복원정 (=c ₁ φ+c ₂ φ ²+c ₃ φ ³)

c ₁, c ₂, c ₃ : 3차 다항식으로 표현된 복원정 곡선 계수들

(여기서, 하첨자는 차수에 해당하고, c ₁은 -GM, c ₁＜0, c ₃＞0)

C ₁, C ₂, C ₃ : 복원정 적분식의 계수들 (C ₁=c ₁/2, C ₂=c ₂/3, C ₃=c ₃/4)

본 발명의 작동 이론

본 발명의 작동 이론을 정식화하기 위한 기본 가정은 예인선의 횡동요 감쇠는 무시한다는 것이다. 본 발명은 예인선의 안전을 1차 목적으로 하므로, 횡동요 감쇠를 무시한다는 것이 안전을 위해서는 과도한 조건이 되는 것이므로 타당하다. 그리고 복원정 곡선하 면적을 적분해야 하는데, 예인선의 복원정 곡선은 절편이 0인 3차 다항식으로 모델링한다.

도 3은 예인선의 복원정 곡선에 장력팔 곡선을 추가하여 그린 것이다. 장력이 없는 상태에서 예인선이 좌현 횡경사각 φ ₀ 에서 우현으로 횡경사를 시작했다고 할 때, 횡동요 감쇠모멘트와 장력 모멘트가 없다면 우현 횡경사각 φ ₀ 까지 경사하면서 영원히 동요를 할 것이다.

이런 상태에서 장력이 순간적으로 도 3과 같이 작용하고, 좌현 횡경사각 φ _n 에서 예인줄을 푼다면 장력팔 곡선하 면적만큼의 에너지가 추가로 작용한다. 따라서 우현으로 φ ₀ 보다 더 많이 경사할 것이다. 이러한 추가 경사가 φ _c 보다 크게 되면 위험 상황이 된다. 따라서 이 경사각 φ _c 는 φ ₀∼φ _n 에서 장력팔 곡선하 면적과 우현 φ ₀ 이후 복원정 곡선하 면적이 동일하게 되는 값이다.

본 발명의 목적은 예인선이 위험각 φ _c 까지 도달하지 않도록 하는 것인데, 그러기 위해서는 어느 순간에 예인줄을 풀 것인가가 문제가 된다. 예인줄을 φ _n+1 에서 풀었다고 하면, 도 4에 도시한 바와 같이 그 이후에는 장력이 작용하지 않는다. 이때 좌현 φ ₀∼φ _n+1 장력팔 곡선하 면적이 우현 φ ₀∼φ _c 복원정 곡선하 면적보다 크게 될 때, 예인선은 우현으로 φ _c 이상으로 경사하게 된다. 따라서 φ ₀∼φ _n+1 장력팔 곡선하 면적과 φ ₀∼φ _c 복원정 곡선하 면적이 같아지는 순간에 예인줄을 완화하면 우현으로 φ _c 까지 횡경사한다.

본 발명의 구체적인 실시 예

본 발명이 실현되기 위해서는 도 5에 도시한 바와 같은 계측 센서, 계산 알고리즘을 수행하기 위한 컴퓨터, 그리고 경보장치(사이렌 또는 경광등)가 필요하다.

도 5의 계측 센서는 예인선의 횡경사를 계측하기 위한 1축경사계(1) 및 예인줄의 횡방향 장력을 계측하기 위한 1축로드셀(2)로 구성된다. 1축로드셀(2)에서 계측되는 장력은 장력팔로 치환하여야 하며, 이러한 장력팔 교정은 선박에 따라 달라진다.

계산 알고리즘은 상기 계측 센서로부터 1초에 5회 샘플링을 수행한다. 매 샘플링 시간 간격마다 장력팔을 적분한다. 장력팔 적분은 다음의 식과 같이 사다리꼴 법칙을 적용한다.

횡동요 각속도

의 부호가 바뀔 때 다음의 적분식을 계산하고, 장력팔 적분 T 는 0으로 설정한다.

T _n+1 ＞ A ₀ 이면 경보를 발령한다. 이때 T 의 부호를 고려하면 자동으로 장력이 걸리지 않는 방향으로 횡경사할 때가 고려되고, 장력의 방향이 바뀌는 영향도 고려된다.

이때 횡동요각과 장력팔 계측 결과에는 잡음이 많이 섞일 수 있다. 그런데 각 순간마다 이전 순간의 값과 비교하여 부호와 순간값들을 사용하므로, 잡음을 충분히 제거해야 한다. 따라서 횡동요각과 장력팔 계측시 강한 저주파수 필터를 사용하는 것이 바람직하다. 필요에 따라서는 10개 데이터를 읽어서 스무딩하는 것도 가능하다.

이러한 과정에 따르면, 예인선에 대한 기본 자료와 저가 센서들 및 프로세서를 이용하여 예인선 전복 및 침몰 사고를 효과적으로 예방할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 예인선의 중앙 예인상황을 도시한 모식도이다.

도 2는 노후 예인선의 중앙 계선주를 보여주는 사진이다.

도 3은 예인선의 복원정 곡선에 장력팔 곡선을 추가하여 그린 것이다.

도 4는 도 3에서 예인줄을 완화한 상태의 복원정 및 장력팔 곡선을 그린 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 계측 센서 체계를 도시한 모식도이다.

Claims (5)

1. 예인선의 횡경사를 계측하기 위한 1축경사계(1) 및 예인줄의 횡방향 장력을 계측하기 위한 1축로드셀(2)로 구성된 계측 센서와, 계산 알고리즘을 수행하기 위한 컴퓨터와, 경보장치를 구비하는 시스템 상에서 수행되는 방법으로서,

   계측 센서로부터 일정 시간 간격으로 샘플링을 수행하고 매 샘플링 시간 간격마다 장력팔을 적분하되, 장력팔 적분은 다음의 식과 같이 사다리꼴 법칙을 적용하는 단계;

   

   횡동요 각속도

   

   의 부호가 바뀔 때 다음의 적분식을 계산하고, 장력팔 적분 T 는 0으로 설정하는 단계; 및

   

   T _n+1 ＞ A ₀ 이면 경보장치를 통하여 경보를 발령하는 단계

   를 포함하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   예인선의 횡동요 감쇠는 무시하는 것을 특징으로 하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   1축로드셀(2)에서 계측되는 장력을 장력팔로 치환하는 것을 특징으로 하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   횡동요각과 장력팔 계측시 강한 저주파수 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   계측된 다수 개의 횡동요각과 장력팔 데이터를 읽어서 스무딩하는 것을 특징으로 하는 예인선의 과도장력에 의한 전복 경보방법.

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