KR20110027571A - 바다 조건 변수들을 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

선박에서 바다 조건 변수들을 결정하는 방법에서 선박의 무게중심 이동이 탐지된다. 바다 조건 변수들에 의존하는 무게중심 이동의 파라미터가 결정되고 하나 이상의 바다 조건 변수들이 이 파라미터로부터 결정된다.

Description

바다 조건 변수들을 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING SEA CONDITION VARIABLES}

본 발명은 바다 조건 변수(sea condition variable)를 결정하는 방법에 관한 것이다.

바다 조건 변수들은 선박의 부상 거동 또는 주행 거동의 안정성에 결정적인 영향을 미친다. 예를 들어, 선박과 만나는 파도의 어떤 주파수에서 파라미터-흥분(parameter-excited) 롤 진동(roll oscillation)이 일어날 수 있다. 이것은 공명의 경우 매우 증가된 롤 각도(roll angles)를 일으킨다. 예를 들어, 대형 콘테이너 선박에 있어서, 20도 이상의 롤 각도가 보고된 적이 있다. 선박의 안정성을 위태롭게 할 수 있는 상황을 신뢰성있게 예측할 수 있기 위해, 파도 방향 및 파도 주기와 같은 바다 조건 변수들을 탐지하는 것이 필요하다.

이를 위해, 자유-부상 파도 부표, 예를 들어 독일 제조사 Datawell BV.의 “Directional Waverider MK Ⅲ”를 배치하는 것이 알려져 있다. 닻을 고정한 부표가 예를 들어 미국 상무부 연방해양대기국의 무어 부표 프로그램(Moored Buoy Program)에서 바다 조건 변수들의 측정에 적용된다. 그러나, 부표의 적용에서 불리한 점은 소수의 위치에서만 바다 조건 변수들을 탐지하고 선박의 안정성을 위험에 빠뜨리게 하는 바다 조건 변수들을 제한된 방식으로 유추할 수 있다는 것이다.

현재 향상된 점은 선박 자체의 위치에서 바다 조건 변수들을 탐지하기 위해 선박의 레이다 장비를 활용하는 것이다. 그러나, 그런 레이다 장비의 신호 품질은 기상 조건에 의존한다. 특히 폭우 또는 폭설에서 레이다 신호 및 바다 조건 변수의 결정은 신뢰가 떨어지게 된다. 게다가, 분산된 백(back) 레이다 신호와 파고 사이에 직접적인 관계가 없다.

따라서, 이에 대해서 향상된 바다 조건 변수들을 결정하는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 특히, 이 방법은 높은 정확성을 가지고 기상 조건에 독립적이어야 한다.

본 목적은 청구항 제1항에 기재된 특징을 가진 방법으로 달성된다. 본 발명의 추가적인 유리한 형태는 종속항, 이어지는 설명 및 도면으로부터 유추된다.

본 발명에 따른 바다 조건 변수들을 결정하는 방법은 선박에서 수행된다. 이에 의해, 선박의 무게 중심의 이동이 탐지된다. 이 방법으로 바다 조건 변수에 의존하는 무게중심 이동의 파라미터가 결정되고, 하나 이상의 바다 조건 변수들이 이 파라미터들로부터 결정된다.

바다 조건 변수들의 결정은 본 발명에 따른 방법으로 선박 자체의 위치에서 이루어진다. 이것으로 본 발명은 선박의 안정성과 관련되어 향상된 정확성을 가지고 바다 조건 변수들의 결정을 보장한다. 유리하게는, 바다 조건 변수들의 결정은 기상 조건과 독립적으로 이루어질 수 있다. 게다가, 본 발명에 따른 방법으로 선박의 안정성과 관련된 모든 바다 조건 변수들(예를 들어 파고)이 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 제약 없이 종래 알려진 방법의 모든 유리한 점을 가진다. 따라서 동시에 바다 조건 변수들의 결정은 선박의 위치에서 뿐만 아니라, 파도 부표의 관찰에서, 선박의 레이다 장비의 사용에서 기상과 독립적으로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법에서 유리하게는 선박의 안정성에 필수적으로 영향을 미치는 것은 탐지되는 바다 조건들의 성분들이다. 따라서, 예를 들어 파장이 파도의 전파방향으로 돌출되는 선박의 치수보다 현저하게 작은 파도는 선박의 무게 중심 이동에 무시할 수 있을 정도의 영향을 미친다. 동시에 이러한 파도는 선박의 안정성에 심각하지 않는 영향을 미친다. 선박의 안정성에 대해 심각하지 않는 바다 조건의 성분들은 전형적으로 본 발명에 따른 방법에 의해 결정되지 않는다. 또한, 무게 중심 이동의 탐지는 예를 들어 이동(movement) 센서에 의해 이루어질 수도 있으므로 본 방법의 실행은 반드시 큰 적용비용을 요하지는 않는다.

바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 무게중심 이동은 선박을 통과하는 몇몇의 웨이브 트레인(wave trains) 및/또는 선박을 통과하는 파도의 몇몇의 주기 중에서 통계적으로 고려된다. 몇몇의 파도 주기 중 또는 몇몇의 웨이브 트레인에서 이 정적인 고려는 선박의 무게 중심 이동이 적절한 에버리징(averaging) 또는 보상 계산에 의해 높은 정확성을 가지고 탐지될 수 있게 한다.

바람직하게는 본 방법에서 무게중심 이동은 5 내지 30분의 지속시간, 특히 20분 이하의 지속시간 동안 탐지된다. 전형적으로, 바다 조건 변수들을 결정하기 위해, 10분의 지속시간 동안 선박의 무게 중심 이동의 탐지는 이미 충분하다. 이것으로 무게중심 이동의 탐지의 요구되는 지속시간은 규칙적으로 30분에 도달하거나 초과하는 파도 부표의 사용에서 시간의 전형적인 탐지 기간보다 현저히 더 짧다. 이러한 맥락에서 한편에서 무게중심 이동의 영구적인 탐지는 무게중심 이동의 연속적인 탐지로 이해될 수 있다. 그러나, 시간에 대해 연속적인 탐지 지속 중 다수의 단일 측정으로서 이해될 수 있다. 유용하게는 이러한 개별적인 측정들은 선박에서 전형적으로 일어나는 이동 기간보다 훨씬 더 작은 규칙적인 시간 간격에서, 예를 들어 0.1초의 시간 간격에서 이루어진다. 이상적으로는 본 발명에 따른 방법에서 탐지된 데이터는 이 시간 간격에서 평가된다.

이상적으로는 본 방법에서 파도의 전파 방향 및/또는 파도 주기(wave period)는 바다 조건 변수들로서 결정된다. 주행에서 선박의 안정성에 큰 영향을 미치는 것은 진실로 파도의 전파방향과 파도 주기이다. 특히, 파도의 전파 방향 및 파도주기를 결정하는 것에 의해 선박의 파라미터-흥분(parameter-excited) 롤 진동의 위험을 인식할 수 있어 선박의 코스(course) 또는 코스 속도가 적절한 방식으로 변화될 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 무게중심 이동의 적어도 하나의 운동학적 변수의 가치 영역(value region) 및/또는 시간 코스(temporal course)가 탐지된다.

바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 운동학적 변수는 위치이다. 따라서 예를 들어, 선박에 대한 파도의 전파 방향은 가치 영역으로부터 벌써 결정될 수 있고, 이는 선박의 무게중심의 위치가 추정한다.

이상적으로는 본 발명에 따른 방법에서 바다 조건 변수는 파도의 전파 방향이고, 여기에서 선박의 무게중심에 의해 형성되는 경로 곡선(path curve)의 가장 긴 주요 축의 방향은 바다 조건 변수에 의존하는 파라미터이다.

전형적으로 선박의 무게중심은 타원의 형태에서 경로 곡선이다. 파도가 전방에서 선박의 선수를 치면, 그 다음 상승하는 물의 수준에 의해 선박은 처음에는 더 깊이 잠기고 이에 의해 위로 가속된다. 게다가, 이에 의해 선박은 후방으로 가속된다. 파도의 마루가 선박의 선미에 도달할 때, 이동 조건은 역전되고, 즉 선박은 아래로 그리고 전방으로 가속된다. 따라서, 선박의 무게중심의 이동은 타원의 형태로 경로 곡선을 따라 이루어지게 된다. 가장 긴 주요 축의 방향은 파도의 전파 방향에 의존하는 파라미터이다. 가장 긴 주요 축은 또한 그것을 추가적인 주요 축과 구분하기 위해 제1주요 축으로도 불린다.

파도의 방향(wave orientation) 즉, 파도 전방에 수직하게 달리는 축의 위치는 평면상에서 타원의 가장 긴 주요 축의 투영(projection)에 상응한다. 따라서 타원의 가장 긴 주요 축의 방향은 극성(polarity)을 제외하고 파도의 전파 방향을 고정한다. 이에 의해 파도의 전파 방향은 타원의 가장 긴 주요 축의 상향 경사진 단부가 가리키는 방향을 가지고 더 작은 각도를 둘러싸는 파도 방향을 따라 그 방향을 가리킨다. 이러한 방식으로 선박의 무게중심의 위치가 상정하는 가치 영역으로부터 파도의 전파 방향을 결정할 수 있다. 선택적으로 또는 보충적으로 파도의 전파 방향은 예를 들어, 타원의 경로 곡선 상에서 무게중심의 이동 방향을 결정함으로써 선박의 무게중심의 위치의 시간 코스로부터 결정될 수 있다.

유용하게는 본 방법에서 경로 곡선의 가장 긴 주요 축으로부터 무게중심 이동의 평균 편차(deviation)가 탐지되고 바다 조건 변수를 결정하기 위한 효율성 기준으로 사용된다. 예를 들어, 경로 곡선의 제2주요 축 및/또는 실제 바다 운동과 무게중심의 3차원 경로 이동의 결과로서 일어나는 제3주요 축은 가장 긴 주요 축으로부터 이동의 평균 편차를 위한 조치로 사용된다. 특히 효율성 기준은 제2주요 축 및/또는 제3주요 축을 따른 이동의 평균 진폭과 제1주요 축을 따른 이동의 평균 진폭의 비교로부터 결정된다. 예를 들어, 이동의 평균 편차가 가장 긴 주요 축을 따른 이동의 진폭과 비교하여 작다면 상술한 바와 같은 전파 방향의 평가의 좋은 품질을 유추할 수 있다. 평균 편차가 가장 긴 주요 축을 따른 이동의 진폭과 비교하여 크다면 반대로 나쁜 품질로 결정한다. 제1주요 축이 예를 들어 약 45도로 현저히 경사지면 좋은 품질이 확인된다. 그러나, 경로 곡선의 제1축이 거의 수직하거나 또는 수평으로 되면 나쁜 품질로 결정될 수 있다. 제1주요 축의 수직 또는 수평방향의 경우에 파도의 전파방향의 결정은 예를 들어 생략될 수 있다. 제2주요 축 및/또는 제3주요 축을 따른 이동의 평균 편차 또는 진폭은 2차원 또는 3차원 회귀(regression) 방법에 의해 유용하게 결정된다. 이상적으로는 본 발명에 따른 방법에서 운동학적 변수(kinematic variable)는 주요 축들로 변환된다.

선택적으로 또는 부가적으로 운동학적 변수 또는 운동학적 변수들은 속도 및/또는 가속도이다. 예를 들어, 위에서 상세히 설명된 파도의 전파 방향을 결정하는 방법은 적절하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 선박의 무게중심의 속도와 가속도는 전형적으로 타원의 형태에서 경로 곡선을 나타내고, 이러한 타원의 특성 파라미터들은 파도의 전파 방향에 의존한다. 가속도는 가속도 센서에 의해 유용하게 탐지된다.

본 발명에 따른 바람직한 추가적인 형태에서 무게중심 이동의 주파수 스펙트럼(frequency spectrum)이 탐지된다. 예를 들어, 파도 방향으로 선박의 럼프(rump)의 돌출(projection)보다 현저히 더 큰 파장을 가진 파도에서 무게중심 이동의 주파수 스펙트럼은 파도의 주파수 스펙트럼과 동일하다.

더욱 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 파도의 높이는 바다 조건 변수로 결정된다. 예를 들어, 파도 방향으로 선박의 럼프(rump)의 돌출(projection)보다 현저히 더 큰 파장의 파도에서 선박의 무게중심은 직접적으로 파도 코스를 따른다. 그러나, 파도를 통해 주행할 때 선박이 달리 깊이 잠긴다면 이 조건은 무게중심 이동과 파도 코스 사이에 편차를 가져온다. 이러한 편차(평균 잠김 깊이)는 선박의 부양 특성 필드(buoyancy characteristic field)를 고려하면 수직 방향에서 선박의 가속도로부터 평가된다. 더 바람직하게는 파도의 주기가 결정된다.

바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 무게중심 이동은 그 평가 전에 고정된 지구 좌표(fixed-earth coordinate)로 변환된다. 본 발명의 이 추가적인 형태에서 선박의 코스 및 속도 또는 무게중심 평가 주기 중 그 변화는 바다 조건 변수들의 평가의 질을 떨어뜨리지 않는 것을 보장한다.

본 발명에서 더 바람직하게는 무게중심 이동은 선박의 코스 및/또는 속도에 대해 보정된다. 특히, 무게중심 이동은 선박의 속도 및/또는 코스의 변화에 대해 보정된다. 따라서, 바다 조건에 의해서만 유추되는 선박의 이동이 분석될 수 있다. 이 목적을 위해 무게중심 이동의 수평 성분을 필터링하는 것만으로 충분하다. 예를 들어 측정 데이터는 하이패스(high-pass) 필터링된다. 하이패스 필터링으로 제한 주파수는 바다 조건에 의해 유추되는 이동이 변화되지 않고 남도록 선택되지만, 선박의 코스 및/또는 속도의 변화는 필터 아웃된다. 유리하게는 제한 주파수는 선박의 코스 및/또는 속도 변화율과 동일하거나 더 크다. 예를 들어, 그 제한 주파수는 40m㎐이다. 바람직하게는 회귀방법은 그런 보정 후에 수행된다.

적절하게는 본 발명에 따른 방법에서 선박의 주행을 위한 측정 및/또는 시뮬레이션으로부터 기준 데이터가 제공되고, 이는 결정된 바다 조건 변수들의 적용 및/또는 보정을 위해 사용된다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법의 정확성의 증가는 파도 특성과 각 선박의 수력학의 특성을 고려함으로써 이루어진다. 유용하게는 시뮬레이션 계산 및/또는 측정에 의해 예를 들어 선박의 코스와 파도의 전파 방향 사이의 상대적 각도에 대해서 파도의 평가된 전파 방향의 의존성은 테이블에서 표시되고 결정된다. 파도의 후에 평가된 전파 방향은 테이블에 의해 보정될 수 있다.

바람직하게는 본 방법에서 종 방향과 횡 방향에서 선박 형태의 차이는 테이블 및/또는 특성 필드에 의해 보정되고, 따라서 바다 조건 변수들이 보정된다. 더 바람직하게는 결정된 바다 조건 변수들은 선박의 적재 조건 및/또는 선박의 조우 주파수(meeting frequency) 및/또는 속도에 대해 보정된다.

유용하게는 본 방법은 수면 주행에서 잠수함에 적용된다. 더 바람직하게는 본 방법은 콘테이너 선박 및 요트에 적용된다.

본 발명에 의하면 향상된 바다 조건 변수들을 결정하는 방법이 제공된다.

도1은 플로우 다이어그램에서 주파수 스펙트럼 뿐만 아니라 파도의 전파 방향을 결정하기 위해 본 발명에 따른 방법을 표시하는 도면이다.

이하, 본 발명은 도면에 제시된 실시예에 의해 설명된다. 도면은 플로우 다이어그램에서 주파수 스펙트럼 뿐만 아니라 파도의 전파 방향을 결정하기 위해 본 발명에 따른 방법을 표시한다.

도면에 제시된 방법은 파도의 전파 방향을 결정하는 역할을 하고 콘테이너 선박에서 주행 거동의 안정성을 예측하기 위해 시작된다(START). 측정에서 위치 측정(x), 선박의 무게중심의 위치 좌표가 수행된다. 그 측정 후에 그 다음 측정(x)을 수행할 때까지 대기시간이 지나가는 ΔT를 체크한다. 대기시간(J)이 도달될 때까지 이것이 그 경우가 아닌 한 대기 루프(N)에 머물게 된다. 이것이 그 경우라면, 선박의 무게중심 위치의 갱신된 측정(x)이 수행된다. 따라서, 선박의 무게중심 위치는 규칙적인 시간 간격(여기서는 대기시간이 0.1초)에서 측정된다. 속도 및 선박의 코스의 측정(v)은 동일한 측정율로 이루어지게 된다. 측정들(x와 v)의 측정 결과는 선박 무게중심의 측정된 위치의 좌표 변환(TRAFO)을 위해 사용된다.

좌표 변환(TRAFO)은 고정된 지구 좌표에서 선박의 무게 중심의 위치 데이터를 제공한다. 선박의 코스 및 속도 변화의 영향은 따라서 그 데이터로부터 대개 계산된다.

마지막으로 바다 조건에 의해 유도된 선박 이동을 분석할 수 있기 위해 위치 데이터는 40m㎐의 제한 주파수를 가진 하이패스 필터로 필터링된다(PASS). 이 필터링은 선박의 코스 및 속도변화에 영향을 받을 수 있는 수평적 위치 데이터로만 확장된다.

이러한 방식으로 필터링된 데이터는 데이터 메모리(STOR)에 의해 획득되고, 10분의 시간의 분석 주기 동안 각 경우에 중간에 저장된다.

그런 방식으로 시간 분석된(time-resolved) 선박의 무게중심의 위치 데이터는 반면에 급속한 푸리에 변환(FFT)을 거치고, 그 결과는 바다 조건의 주파수 스펙트럼(Ak)을 제공한다. 게다가, 데이터 회귀(REG)는 중간 저장된 데이터로 수행되고, 상기 회귀는 선박의 무게중심에 의해 형성되는 경로 곡선을 주요 축으로 변환한다.

데이터 회귀(REG)로 결정되는 경로 곡선의 가장 긴 주요 축의 방향은 선박의 로딩(loading)시(Δm) 테이블화된 데이터 뿐만 아니라 선박의 수력학적 특성에 대해 표로 된 데이터(TAB)로 보정된다(CORR). 파도의 전파 방향(a)은 경로 곡선의 가장 긴 주요 축의 보정된 방향에 의해 결정된다.

데이터 회귀(REG)에서, 제2 및 제3축을 따른 무게중심 이동의 진폭은 제1주요 축을 따른 이동의 진폭과의 관계로 결정되고 고정된다. 이로부터 유도되는 품질 값(Q)은 효율성 기준으로 발부된다. 효율성 기준은 제2 및 제3주요 축을 따른 이동의 평균 편차가 제1주요 축을 따른 이동의 진폭과 비교하여 작고, 제1주요 축의 방향이 수직 또는 수평 방향으로부터 현저히 다르면 파도가 달리는 방향의 평가의 좋은 품질을 가진다.

START : 방법의 시작
x : 무게중심 위치의 측정
ΔT : 대기 시간의 완료의 테스팅
N : 대기 루프
J : x와 v 측정들의 반복
v : 선박의 코스 및 코스 속도의 측정
TRAFO : 좌표 변환
PASS : 하이패스 필터링
STOR : 중간 저장
FFT : 푸리에 변환
Ak : 바다 조건의 주파수 스펙트럼
REG : 데이터 회귀
Q : 품질 값
Δm : 선박의 로딩(loading)
TAB : 표로 된 데이터(tabulated data)
CORR : 데이터 보정 a : 파도의 전파 방향

Claims (16)

1. 선박에서 바다 조건 변수들(a, Ak)을 결정하는 방법으로서,
   상기 방법에서 선박의 무게중심 이동이 탐지되고(x), 바다 조건 변수들(a, Ak)에 의존하는 무게중심 이동의 파라미터가 결정되며, 하나 이상의 바다 조건 변수들(a, Ak)은 상기 파라미터로부터 결정되는(REG, FFT), 바다 조건 변수들(a, Ak)을 결정하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   무게중심 이동은 선박을 통과하는 몇몇의 웨이브 트레인에서 통계적으로 고려되는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   무게중심 이동은 5 내지 30분의 지속 시간 동안 탐지되는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   파도의 전파 방향(a) 및/또는 파도 주기는 바다 조건 변수들(a, Ak)로서 결정되는(REG, FFT) 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   무게중심 이동(x)의 적어도 하나의 운동학적 변수의 가치 영역 및/또는 시간적 코스가 탐지되는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 운동학적 변수는 위치인 방법.
7. 제6항에 있어서,
   바다 조건 변수(a)는 파도의 전파 방향(a)이고, 선박의 무게중심에 의해 형성되는 경로 곡선의 가장 긴 주요 축의 방향은 바다 조건 변수(a)에 의존하는 파라미터인 방법.
8. 제7항에 있어서,
   경로 곡선의 주요 축으로부터 무게중심 이동의 평균 편차가 탐지되고, 바다 조건 변수(a, Ak)의 결정을 위한 효율성 기준(Q)으로 사용되는 방법.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 운동학적 변수는 속도 및/또는 가속도인 방법.
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운동학적 변수는 주요 축으로 변환되는(REG) 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    무게중심 이동의 주파수 스펙트럼(Ak)이 탐지되는 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    파도의 높이가 바다 조건 변수로 결정되는 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    무게중심 이동은 그 평가(REG, FFT, CORR) 전에 고정된 지구 좌표로 변환되는(TRAFO) 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    무게중심 이동은 선박의 코스 및/또는 속도에 대해 보정되는(TRAFO, PASS) 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    선박의 주행을 위한 측정 및/또는 시뮬레이션으로부터 기준 데이터가 유지되고, 결정된 바다 조건 변수(a, Ak)들의 적용 및/또는 보정(CORR)을 위해 사용되는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    종, 횡 방향에서 선박 형태의 차이가 테이블(TAB) 및/또는 특성 필드에 의해 고려되고, 따라서 바다 조건 변수(a, Ak)가 보정되는(CORR) 방법.

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