KR20140037690A - 선박의 운항안정성 제어장치 및 방법 - Google Patents

선박의 운항안정성 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

선박의 운항안정성 제어장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항안정성 제어장치는 선박의 엔진룸의 상측에 배치되고 내부에 유체를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크와, 상기 횡동요 감쇠탱크의 유체를 급수 또는 배수하되, 해상에서 발생 가능한 파도 조건에 대한 파라메트릭 횡동요에 대한 운동해석정보를 갖는 파라메트릭 횡동요 데이터베이스; 및 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠를 위해 상기 횡동요 감쇠탱크의 운용을 결정시 탱크수심을 결정하여 상기 횡동요 감쇠탱크에 유체를 급수시키는 탱크 제어 로직과, 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 기준값에 비해 불충할 경우, 상기 선박의 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어 로직을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

선박의 운항안정성 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SAILING STABILITY OF VESSEL}
본 발명은, 선박의 운항안정성 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 기상정보를 고려하여 파라메트릭 횡동요 발생을 예측하여 감쇠시키는 선박의 운항안정성 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
해상에서 운항되는 선박은 파도에 의해서 상하동요 및 횡동요 등 다양한 운동을 하며, 이러한 운동, 즉 동요 현상은 작업성능과 안전을 저해하는 요인으로 작용한다.
예컨대, 상부갑판 위로 컨테이너를 적재하는 컨테이너선과 같이 무게중심이 높게 형성되는 선박의 경우 횡동요 또는 파라메트릭 횡동요에 의해 전복될 우려가 있으므로 주의를 요해야 한다.
특히, 파라메트릭 횡동요는 파도에 의한 외력에 따라 운동량이 증가 또는 감소되는 경향을 갖는 일반적인 횡동요와 구별되는 것으로서, 선박의 횡동요 고유주기의 반(half)이 되는 조우주기(이하, 파라메트릭 횡동요 주기라 칭함)의 파도와 선박이 서로 만나는 경우에 발생되는 현상으로 이해될 수 있다.
이러한 파라메트릭 횡동요는, 선박의 운항 중에 선수/선미 선형의 변화가 심함에 따라 GM이 급격하게 변화됨에 따른 선박의 불안정성에 의해 발생되며, 1분 이내의 짧은 시간에 각도 20 또는 25도 이상으로 급격히 발생된다. 여기서, GM은 선박의 무게중심인 CoG(Center of Gravity)와 모멘트의 중심인 M(Metacenter) 사이의 거리를 의미하는 횡메타센터높이를 의미하는 것으로, 선박의 복원력의 정도와 관련이 있다.
따라서 파라메트릭 횡동요는 선박에 적재된 화물에 손상을 주거나 선박의 안전에 해를 줄만큼 엄청난 위력을 갖고 있다.
그런데, 장거리 항로를 따라 운항하는 선박의 경우, 불규칙하거나 비선형적인 파도를 만나 파라메트릭 횡동요 또는 횡동요를 만날 수 있는 다양한 해상 환경 변수가 있으므로, 다양한 해상 환경 변수에 효과적으로 대응할 수 있는 수단이 요구되고 있다.
예컨대, 선박이 가장 널리 알려진 횡동요 감쇠 수단으로서 빌지킬(bilge keel)이나, 특허문헌2의 돌핀이나, 고가의 핀 안정기, U자형 유체 탱크(water tank)로서 선박의 중앙부에 장착되어 탱크 내의 유체, 즉 물(water) 유동에 따른 공진 현상을 이용하여 횡동요를 감쇠시키는 안정화 수단을 모두 구비하는 것은 비경제적이며, 특히 안정화 수단을 어떻게 운용하고, 제어할 것인가에 대해서는 많은 어려움이 존재한다.
예컨대, 횡동요 감쇠탱크(anti rolling tank) 등의 부가적인 장비를 더 사용하게 된다.
핀 안정기는 빌지에 핀을 부착시켜 횡동요에 따라 핀의 각도를 조절함으로써 핀에 양력을 발생시켜 횡동요를 감쇠시킨다.
그런데, 횡동요 감쇠를 위해 적용되는 종래의 횡동요 감쇠탱크의 경우, 그 내부로 유체를 공급하거나 배출시키는 작업을 오로지 수작업으로 진행하여 왔기 때문에 작업이 불편하고 번거로운 문제점이 있다.
또한, 발명의 배경이 되는 기술로서 특허문헌 1의 횡동요 저감형 선박에서는 횡동요 감쇠탱크에 유체를 급수하는 시간이 필요하므로, 선박 운항 중 횡동요 감쇠 또는 억제 효과를 제대로 발휘하기 위해서는 선박 운항 전에 횡동요 감쇠탱크에 유체를 미리 채워야 하고, 이에 따라 선박 운항 도중 잔잔한 파도에서 횡동요 저감이 필요하지 않는 경우에도 횡동요 감쇠탱크의 유체 중량만큼 선박 중량이 증가되고, 실제 횡동요 감쇠가 필요하지 않은 잔잔한 파도에서 필요 이상의 연료 소모가 발생됨에 따라, 선박의 경제적인 운용이 이루어지지 않고 있다.
또한, 특허문헌 1의 횡동요 저감형 선박에서는 횡동요 저감에 실제적으로 사용하지 않은 횡동요 감쇠탱크의 유체를 선외로 배출시킴으로써, 횡동요 저감탱크를 운용하지 않고 빈 상태로 사용하는 선박에 비해 상대적으로 유체의 선외 배출량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 친환경적인 선박의 운용이 이루어지지 않고 있다.
또한, 특허문헌 2의 고속활주선의 운항 안정성을 향상시킨 돌핀에서는 단순 횡동요가 아닌 선박의 불안정성에 의해 발생되는 파라메트릭 횡동요를 안정성을 향상시키기 위한 수단이 부재되어 있을 뿐만 아니라, 복수개의 안정화수단을 제어 또는 운용하는 수단이 부재되어 있으므로, 파라메트릭 횡동요 발생 지역을 미리 예측하고, 파라메트릭 횡동요를 단계적으로 감쇠시킬 수 없다.
등록특허 제10-1148067호 등록특허 제10-1088308호
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기상정보를 입력자료로 사용하여 향후 운항중 예상되는 기상에 따라 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키도록 횡동요 감쇠탱크의 운용 또는 불용을 결정하고, 파라메트릭 횡동요 감소 상태에 대응하게 러더를 운항안정성 제어에 사용하여 운항안정성을 더욱 향상시킬 수 있는 선박의 운항안정성 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 엔진룸의 상측에 배치되고 내부에 유체를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크와, 상기 횡동요 감쇠탱크의 유체를 급수 또는 배수하는 급배수부에 접속된 제어장치에 있어서, 해상에서 발생 가능한 파도 조건에 대한 파라메트릭 횡동요에 대한 운동해석정보를 갖는 파라메트릭 횡동요 데이터베이스; 및 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠를 위해 상기 횡동요 감쇠탱크의 운용을 결정시 탱크수심을 결정하여 상기 횡동요 감쇠탱크에 유체를 급수시키는 탱크 제어 로직과, 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 기준값에 비해 불충할 경우, 상기 선박의 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어 로직을 제어하는 제어기를 포함하는 선박의 운항안정성 제어장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 파라메트릭 횡동요 데이터베이스는, 상기 선박의 횡동요 고유주기, 조우주기 및 횡동요 예측각도를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 중앙처리장치 및 메모리를 갖고, 파라메트릭 횡동요 저감을 위해서 상기 횡동요 감쇠탱크 및 상기 러더의 운용 또는 불용을 처리하는 중앙 처리부; 상기 중앙 처리부의 각종 정보의 입출력, 통신을 담당하는 입출력 처리부; 상기 입출력 처리부를 통해 입력된 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB와 비교 검색하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단함에 따라 파라메트릭 횡동요의 발생을 예측하고, 예측 결과에 따라, 횡동요 감쇠탱크의 운용 또는 불용을 결정하는 횡동요 감쇠탱크 제어모듈; 상기 파라메트릭 횡동요 방지 또는 제거를 위해 산출한 조작변수 러더각과 오토파일럿 러더각을 합한 최종 러더각으로 상기 러더의 작동을 제어하여 상기 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어모듈; 및 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 필요하지 않는 경우, 상기 러더의 작동을 상기 선박의 선수각 유지로만 사용하는 오토파일럿 제어모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 급배수부는, 상기 횡동요 감쇠탱크의 내부로 상기 유체를 급수시키는 유체 급수부; 상기 횡동요 감쇠탱크 내의 유체를 배수시키는 유체 배수부; 상기 횡동요 감쇠탱크의 내부에 마련되어 상기 횡동요 감쇠탱크 내의 유체 수위를 감지하는 수위감지센서; 및 상기 수위감지센서에서 측정한 값이 상기 제어기로부터 입력받은 수심에 대응하도록 상기 유체의 급수량을 조절하여, 상기 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 상기 선박의 횡동요 고유주기와 동일하거나 유사하게 조절되도록 컨트롤하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 엔진룸의 상측에 배치되고 내부에 유체를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크와 상기 선박의 러더에 결합된 제어기에 의한 제어방법에 있어서, 상기 선박이 운항할 항로에 대응하게 기상예보부로부터 입력받은 기상정보에서 파향, 파고, 파도스펙트럼피크주기 및 파랑 감시값 중 어느 하나 이상을 추출하는 단계; 상기 기상정보의 파향과 자이로콤파스의 선수각을 비교하여 파도 입사각을 파악하는 단계; 상기 선박의 운항정보부로부터 흘수, 횡메타센터높이 및 선속 중 어느 하나 이상을 입력받는 단계; 상기 횡메타센터높이에 대응하게 선박의 횡동요 고유주기를 계산하는 단계; 상기 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB와 비교 검색하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단하는 파라메트릭 횡동요 발생 가능성 평가 단계; 상기 평가 단계의 결과, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성이 있는 경우, 경보를 발생시키고, 선박의 횡동요 고유주기와 상기 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 동일 또는 유사하게 되기 위한 탱크수심을 결정하는 횡동요 감쇠탱크 수심 계산단계; 상기 탱크수심에 대응하게 유체가 횡동요 감쇠탱크의 내부에 급수되는 횡동요 감쇠탱크 운용단계; 및 상기 횡동요 감쇠탱크 운용단계에 의해 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되지 않은 경우, 상기 선박의 러더를 추가적으로 파라메트릭 횡동요 저감 수단으로서 사용하는 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계를 포함하는 선박의 운항안정성 제어방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계에서는, 파라메트릭 횡동요 러더 제어 로직에 따라 파라메트릭 횡동요를 제어하기 위해서 추가적으로 사용해야할 조작변수 러더각을 산출하고, 산출된 상기 조작변수 러더각에 오토파일럿 러더각을 합한 최종 러더각을 러더 스티어링 장치에 전달하여 상기 파라메트릭 횡동요를 감쇠시킬 수 있다.
또한, 상기 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계 이후에는, 상기 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되는지를 판단하도록 횡동요 평균값과 횡동요 임계값을 비교 체크하고, 상기 횡동요 평균값이 상기 횡동요 임계값에 비해 작을 경우, 오토파일럿 제어 단계가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 오토파일럿 제어 단계 이후에는, 상기 파랑 감시값이 기준값 이상인가를 체크하고, 상기 횡동요 감쇠탱크 운용 또는 불용을 판단하는 단계; 상기 파랑 감시값이 기준값 이상인 경우, 유체를 배수하지 않고 횡동요 감쇠탱크를 운용하는 단계; 및 상기 파랑 감시값이 기준값 이하인 경우, 유체를 배수하고 횡동요 감쇠탱크를 불용하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 선박의 운항할 항로상의 기상정보와, 선박에 화물(예: 컨테이너)을 적재한 후, 선박에 설치된 운항정보부의 하중계산컴퓨터에서 산출한 횡메타센터높이(GM)와, 운항정보부로부터 입력받은 흘수 및 선속과, 자이로콤파스에서 입력받은 선수각과, 횡동요센서에서 입력받은 횡동요각을 이용하여, 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키도록 횡동요 감쇠탱크의 운용 또는 불용을 결정하고, 그 결과에 따라 파라메트릭 횡동요를 저감시키도록 러더를 제어함으로써, 선박을 위태롭게 할 수 있는 파라메트릭 횡동요에서도 선박의 운항안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 파라메트릭 횡동요의 억제가 이루어져 러더 또는 횡동요 감쇠탱크의 운용이 필요하지 않은 경우, 러더, 오토파일럿, 횡동요 감쇠탱크의 운용을 결정하거나, 단계적으로 사용함으로써, 특히 횡동요 감쇠탱크의 불용시에 유체를 횡동요 감쇠탱크로부터 배수시켜서, 그 배수된 유체 중량만큼 선박 중량이 증가되지 않을 수 있고, 이에 따라 상시로 유체를 횡동요 감쇠탱크에 채운 선박에 비해 연료 소모량을 상대적으로 감소시킬 수 있어, 선박의 경제적인 운용을 가능케 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항안정성 제어장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어기의 세부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 횡동요 감쇠탱크이 적용되는 선박의 개략인 구조도이다.
도 4는 도 3의 A에 대한 확대도로서 도 1에 도시된 급배수부에 대한 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 선박의 운항안정성 제어장치에 의해 구현되는 제어방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 단계 이후 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항안정성 제어장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 복수개의 장치들이 선박 내에서 유기적으로 결합된 시스템 구성을 가질 수 있다.
여기서, 선박은, 선수/선미 선형의 변화가 심하여 물에 잠기는 수선면의 변화가 커서, 파라메트릭 횡동요에 매우 취약한 대형 컨테이너선일 수 있다. 컨테이너선의 경우, 상부갑판 위로 컨테이너를 적재하는 기능을 담당하기 때문에, 일반 선박보다 무게중심이 높게 형성될 수 있어 횡동요에 의해 전복될 우려가 좀 더 높다.
따라서 컨테이너선의 경우에는 횡동요 감쇠탱크(200)와 러더(7b)를 적용하여 파도에 의한 파라메트릭 횡동요에서도 선박의 운항안정성을 향상시킬 수 있다.
이를 위해서, 본 실시예는 유체(201)의 공급을 담당하는 펌프룸(2, pump room, 도 3 참조)이 내부에 마련되는 선체(1)와, 선체(1)에 발생되는 횡동요를 감쇠시키기 위한 횡동요 감쇠탱크(200, anti rolling tank), 러더(7b) 및 러더 스티어링 장치(7c)를 구비하고, 횡동요 감쇠탱크(200, anti rolling tank)의 운용을 위해 펌프룸(2)과 연결되어 횡동요 감쇠탱크(200)에 유체(201)를 급배수시키는 급배수부(220)를 포함할 수 있다.
본 실시예는 예시적으로 설명한 선체(1)를 갖는 선박에서 파라메트릭 횡동요의 발생 여부를 기상정보로부터 예측하고, 횡동요 감쇠탱크(200) 또는 러더(7b), 혹은 횡동요 감쇠탱크(200) 및 러더(7b)를 운용할지 또는 불용할지를 예측판단하고, 해당 장치 구성을 제어하는 제어장치와 제어방법일 수 있다.
본 실시예는 파라메트릭 횡동요의 감쇠를 위해 횡동요 감쇠탱크(200)의 운용을 결정시 탱크수심(Hz)을 결정하여 횡동요 감쇠탱크(200)에 유체(201)를 급수시키거나, 또는 불용 결정시 횡동요 감쇠탱크(200)에 유체(201)를 배수시키는 탱크 제어 로직을 제어하고, 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 기준값에 비해 불충할 경우, 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어 로직을 제어하는 제어기(100)와, 제어기(100)에서 이용되는 파라메트릭 횡동요 데이터베이스(150)(이하, '파라메트릭 횡동요 DB'로 칭함)를 포함할 수 있다.
제어기(100)는 선박의 엔진룸(20)의 상측에 배치되고 내부에 유체(201)를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크(200)와, 횡동요 감쇠탱크(200)의 유체(201)를 급수 또는 배수하는 급배수부(220)와, 오토파일럿(160)을 통해 러더(7b)를 구동시키는 러더 스티어링 장치(7c)에 접속되어 있을 수 있다.
제어기(100)는, 탱크 제어 로직, 파라메트릭 횡동요 제어 로직, 운영 제어 로직에 관한 제어방법을 구현하는 장치 구성일 수 있고, 제어방법의 구현에 대응한 제어회로, 제어컴퓨터, 서버컴퓨터 등이 될 수 있다.
예컨대, 탱크 제어 로직은 선박이 운항할 항로에 대응하게 기상예보부(110)로부터 입력받은 기상정보와, 선박에 설치된 운항정보부(120)로부터 입력받은 흘수, 횡메타센터높이(GM) 및 선속(Vs)과, 자이로콤파스(130)로부터 입력받은 선수각(프사이 : ψ)과, 횡동요센서(140)로부터 입력받은 횡동요각(화이 : φ)과, 수학식1에 의해 계산된 횡동요 고유주기(Troll)와, 중앙 처리부(101)의 파도감시 및 분석 또는 기상정보로부터 얻을 수 있는 파랑 감시값에 대하여 입력 처리를 수행하는 소프트웨어 루틴으로 구성될 수 있다.
여기서, 파랑 감시값은 파향(μ), 파고(Hs), 파도스펙트럼피크주기(Tp), 조우주기, 파주기 등이 될 수 있다.
또한, 탱크 제어 로직은 입출력 처리부(102)를 통해 입력된 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB(150)와 비교 검색하고, 선속(Vs)을 고려하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단함에 따라 파라메트릭 횡동요의 발생을 예측하고, 예측 결과에 따라, 횡동요 감쇠탱크(200)의 운용 또는 불용을 결정하는 소프트웨어 루틴으로 구성될 수 있다.
여기서, 입력값에 대응한 쿼리는 입력값 또는 입력값을 이용하여 산출한 파향(μ), 파고(Hs), 파도스펙트럼피크주기(Tp), 파도 입사각, 선박의 흘수, 횡메타센타높이(GM), 선속(Vs) 및 횡동요 고유주기(Troll), 파랑 감시값을 검색어로 사용하는 DB 검색식 형태일 수 있고, 다양한 형태로 정해질 수 있으므로, 특정 검색식으로 한정되지 않을 수 있다.
또한, 선박의 흘수, 횡메타센터높이(GM) 및 선속(Vs)은 운항정보로서 미리 알고 있는 값일 수 있다.
또한, 파라메트릭 횡동요 제어 로직은 횡동요 감쇠탱크(200)의 운용에 의해서도 파라메트릭 횡동요의 크기가 감소되지 않은 경우, 러더(7b)를 추가적으로 파라메트릭 횡동요 저감에 사용하기 위한 실행되는 제어방법으로서, 파라메트릭 횡동요를 제어하기 위해 추가적으로 사용해야할 러더각(예: 조작변수 러더각, δroll)을 산출하고, 오토파일럿(160)에서 선수각을 유지하기 위해 사용하는 러더각(예: 오토파일럿 러더각, δyaw)을 상기 조작변수 러더각(δroll)에 합한 최종 러더각(δ)을 러더(7b)의 조타를 동작시키기 위한 러더 스티어링 장치(7c)에 전달하여 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 소프트웨어 루틴으로 구성될 수 있다.
조작변수 러더각(δroll) 등을 산출하는 방법은 등록특허공보 제10-0827396호, 제10-1036559호를 통해 알 수 있는 사안이므로, 본 실시예에서 생략될 수 있다.
또한, 운영 제어 로직은 러더(7b)의 운용에 의해 파라메트릭 횡동요가 제거된 경우, 러더(7b)를 오토파일럿(160)의 선수각 유지로만 사용하고, 횡동요 감쇠탱크 운용 또는 불용을 판단하여 횡동요 감쇠탱크의 유체를 채워진 상태로 유지할지 또는 배수시킬지 판단하는 제어방법일 수 있다.
또한, 제어기(100)는 선박이 운항할 항로상의 기상정보와 운항정보를 이용하여, 선박이 운항할 항로에 관한 지도화면상에서, 파라메트릭 횡동요의 발생이 예측되는 영역, 횡동요 감쇠탱크(200)의 운용이 필요한 운용영역, 또는 운용이 불필요한 불용영역 등을 화상정보로서 보여주는 기능도 수행할 수 있다.
또한, 기상예보부(110)는 전세계 해상의 기상정보를 제공하는 기상예보 시스템일 수 있다. 또한, 기상정보는 위치정보, 온도정보, 풍향정보, 파향정보, 파고정보 등이 될 수 있다.
예컨대, 기상예보부(110)의 기상정보에는 파고(Hs), 파향(μ), 파도스펙트럼피크주기(Tp)가 포함될 수 있다.
운항정보부(120)는 선박의 흘수, 선속(Vs)을 포함한 운항정보를 관리하고, 선박에 적재할 화물의 하중 및 적재 위치를 이용하여 횡메타센터높이(GM)을 산출하는 하중계산컴퓨터와, 데이터 입출력부 및 통신컨버터(미 도시)를 구비하여, 횡동요 감쇠탱크의 제어에 필요한 횡메타센터높이(GM), 선속(Vs)을 제어기(100)에 입력시킬 수 있도록 되어 있다.
자이로콤파스(130)는 선박에 기 설치되어 있는 동요계측장비의 일종으로서, 주지의 6축 자이로콤파스 센서로서 선수각(ψ)을 계측하여 제어기(100)에 입력시킬 수 있도록 되어 있다.
횡동요센서(140)도 선박에 기 설치되어 있는 동요계측장비의 일종으로서, 선박의 횡동요에 상응한 횡동요각(φ)을 계측하여 제어기(100)에 입력시킬 수 있도록 되어 있다.
또한, 선박의 횡동요 고유주기도 수학식 1에 의해 고유주기 계산부에서 계산되어 제어기(100)에 입력시킬 수 있도록 되어 있다.
파라메트릭 횡동요 DB(150)는 제어기(100)에 결합되고, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성 평가에 사용하기 위해서, 모의 수조 실험, 수치운동 성능 시뮬레이션 등을 통해 미리 파악해둔 운동해석정보로서, 해당 선박의 흘수, 횡메타센터높이, 선속, 선수각, 파향, 파고, 파도스펙트럼피크주기, 파도 입사각, 상기 횡메타센터높이에 따른 선박의 횡동요 고유주기, 조우주기, 횡동요 예측각도, 파향과 선수각의 차이인 회두각 등에 관한 정보를 포함할 수 있다.
파라메트릭 횡동요 DB(150)에는 선도, 파고 및 배길이로 무차원화한 파주기가 더 포함될 수 있다.
파라메트릭 횡동요 DB(150)는 제어기(100)와 정보를 주고 받을 수 있도록 결합된 데이터베이스관리서버(DBMS)에 의해 관리될 수 있다.
오토파일럿(160)은 선박의 자동 항법을 돕는 널리 알려진 장치일 수 있다.
횡동요 감쇠탱크(200)는 길이가 Lx이고, 폭이 Ly이고, 높이가 Lz인 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 횡동요 감쇠탱크(200)의 횡단면 즉, 선체(1)(도 3 참조)의 길이방향(x방향)에 수직한 평면(yz평면)에 대한 횡동요 감쇠탱크(200)의 단면은 직사각형 형상으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 횡동요 감쇠탱크(200)의 단면은 직사각형 형상을 기본으로 하여 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 횡동요 감쇠탱크(200)의 횡단면은 직사각형의 모서리가 챔퍼(chamfer) 처리된 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 탱크 내부에 수용된 유체의 슬로싱 운동은 챔퍼 처리된 부분에 의해 완화될 수 있다.
또한, 횡동요 감쇠탱크(200)는 탱크바닥, 탱크측벽 및 탱크천장을 이루는 단일 저장 탱크 구조로 형성되거나, 외부 박스 프레임 내부에 내부 탱크를 갖는 이중 저장 탱크 구조로 형성될 수 있다.
유체(201)는 파라메트릭 횡동요 발생 가능성 평가에 대응하게 횡동요 감쇠탱크(200) 내부에 채워질 수 있고, 이때, 횡동요 감쇠탱크(200)에 채워질 유체(201)의 깊이는 선체(1)의 횡동요 고유주기와 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 동일하거나 유사하게 되도록, 제어기(100)에서 출력되는 탱크수심(Hz)에 대응하게 조절될 수 있다.
여기서, 탱크수심(Hz)은 횡동요 감쇠탱크(200)에 설치된 수위감지센서(210)의 신호에 기초한 급배수부(220)의 컨트롤에 의해 관리될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제어기(100)는 중앙처리장치(CPU) 및 메모리를 갖고, 파라메트릭 횡동요 저감을 위해서 도 1에 도시된 횡동요 감쇠탱크(200) 및 러더(7b)의 운용 또는 불용을 처리하는 중앙 처리부(101), 상기 중앙 처리부(101)의 각종 정보의 입출력, 통신을 담당하는 입출력 처리부(102)를 포함할 수 있다.
중앙 처리부(101) 및 입출력 처리부(102)는 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 또는 자동화 설비용 장치일 수 있다. 메모리는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용 가능한 적어도 하나 이상의 메모리이고, 하기에 설명할 제어방법에 해당하는 일련의 단계를 실현하기 위한 소프트웨어 루틴 또는 알고리즘을 저장하고 있을 수 있다.
예컨대, 소프트웨어 루틴은 또한 중앙 처리부(101)의 중앙처리장치에 의해 실행될 수 있다. 또한, 본 실시예의 제어방법은 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명될 수 있지만, 본 실시예의 단계들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다.
이처럼, 본 실시예의 제어방법은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
한편, 중앙 처리부(101)는 기상정보의 파향(μ)과 자이로콤파스의 선수각(ψ)을 비교하여 파도 입사각을 파악하는 소프트웨어 루틴을 실행하거나, 앞서 언급한 바와 같이, 횡동요 감쇠탱크 및/또는 러더의 운용 또는 불용을 결정하는 운영 제어 로직을 수행하거나, 또는 기상예보부로부터 입력되는 파도정보를 분석하는 역할을 담당할 수 있다. 한편, 파도 입사각을 파악하는 소프트웨어 루틴은 선박의 성능을 정량적으로 관리하는 선박 기술에서 일반적인 알려진 방법을 적용하여 구성될 수 있다.
제어기(100)는 횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103), 파라메트릭 횡동요 제어모듈(104), 오토파일럿 제어모듈(105)을 포함할 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)은 기상정보 처리부, 고유주기 계산부, 평가부, 수심결정부를 포함할 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)의 기상정보 처리부는 기상예보부(110)로부터 접수 또는 입력된 기상정보에서 횡동요 감쇠탱크의 제어를 위해 파향(μ), 파고(Hs), 파도스펙트럼피크주기(Tp)를 추출하고, 제어기(110)에 입력시키는 역할을 담당할 수 있다.
기상정보 처리부의 데이터 추출 방법은 통상적인 검색 방법 또는 필터링 방법 등에 의해 이루어질 수 있거나, 기상정보 전문으로부터 해당 검색 대상(예: 파향, 파고, 파도스펙트럼피크주기)만을 추출할 수 있는 알고리즘에서 정한 방법으로 이루어질 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)의 고유주기 계산부는 운항정보부(120)의 하중계산컴퓨터에서 산출한 횡메타센터높이(GM)를 입력값으로 하여 선박의 횡동요 고유주기(Troll)를 계산하는 역할을 담당할 수 있다
선박의 횡동요 고유주기(Troll)는 하기의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, π는 원주율, α는 부가질량(added mass), Kxx는 횡동요 관성 반경(회전반경), g는 중력 가속도, GM은 횡메타센터높이를 나타낸다. π, α, Kxx는 선박에 대한 정보를 통해 알고 있는 조건값에 해당하고, GM은 선박에 화물을 적재할 때마다 달라지는 변수값에 해당하므로, 고유주기 계산부는 운항정보부(120)의 하중계산컴퓨터로부터 횡메타센터높이(GM)를 [수학식 1]에 입력하여 선박의 횡동요 고유주기(Troll)를 계산할 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)의 평가부는 중앙 처리부(101)의 파도감시 및 분석 또는 기상정보로부터 얻을 수 있는 파랑 감시값[예: 파향(μ), 파고(Hs), 파도스펙트럼피크주기(Tp), 조우주기]을 파라메트릭 횡동요 DB(150)와 비교 검색하고, 선속(Vs)을 고려하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단함에 따라 파라메트릭 횡동요의 발생을 예측하고, 횡동요 감쇠탱크(200)의 운용 또는 불용을 결정하는 역할을 담당할 수 있다.
여기서, 파라메트릭 횡동요 발생 조건은 횡동요 고유주기의 반(half)이 되는 조우주기(예: 파라메트릭 횡동요 주기)의 파도가 선박와 만날 것인지, 또는 만나지 않을 것인지의 판단 조건일 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)의 수심결정부는 평가부의 평가 결과(예: 횡동요 감쇠탱크의 운용 또는 불용)에 따라 탱크수심(Hz)을 산출 또는 결정하는 역할을 담당할 수 있다.
횡동요 감쇠탱크의 탱크수심(Hz)은 횡동요 감쇠탱크의 고유주기(Ttank)에 관한 하기의 수학식 2와 상기 수학식 1을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Ly는 횡동요 감쇠탱크의 폭, Hz는 횡동요 감쇠탱크에 채워진 유체의 깊이인 탱크수심, g는 중력 가속도, π는 원주율을 나타낸다. 또한, Ttank는 Ly와 Hz의 관계에 따라 (1) 수식 또는 (2) 수식을 사용하여 구한다. 또한, Ly는 횡동요 감쇠탱크의 제작시 이미 결정되는 값이다.
또한, 횡동요 감쇠탱크의 고유주기(Ttank)는 도 1에 도시된 횡동요 감쇠탱크(200)의 내부에 수용된 유체(201)의 왕복이동 고유주기를 의미할 수 있다.
따라서, 횡동요 감쇠탱크의 탱크수심(Hz)은 선박의 운항정보(하중 조건)를 기초로 산출한 선박의 횡동요 고유주기(Troll)(수학식 1)의 산술값을 횡동요 감쇠탱크의 고유주기(Ttank)로 치환하고, 알고 있는 값에 해당하는 Ly, g 또는 π를 상기 수학식 2에 대입하여 산출될 수 있다.
예를 들어, 수학식 1에 의해 선박의 횡동요 고유주기(Troll)가 20초로 결정되면, 횡동요 감쇠탱크(200)의 내부에 수용된 유체(201)의 왕복이동 고유주기, 즉 횡동요 감쇠탱크의 고유주기(Ttank)가 20초 또는 20초 근처로 조절될 수 있는 탱크수심(Hz)가 산출될 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 제어모듈(103)의 수심결정부는 산출 결과를 탱크수심(Hz)으로 결정하고, 급수명령 또는 배수명령과 함께 탱크수심(Hz)에 대한 정보를 도 1에 도시된 급배수부(220)에 입력할 수 있다.
급배수부(220)는 수위감지센서(210)를 이용하여 탱크수심(Hz)에 대응한 유체(201)를 횡동요 감쇠탱크(200)에 채워 넣을 수 있다.
파라메트릭 횡동요 제어모듈(104)은 일종의 피드백 제어부로서, 러더 제어 로직에 관련된 파라메트릭 횡동요 방지 또는 제거를 위한 각도변화(예컨대, 현재값에서 목표값을 뺀 사이각)용 제어변수 가중치, 각속도(rate)용 제어변수 가중치, 각가속도용 제어변수 가중치 및 각도 보정용 제어변수 가중치를 가지고, 입력된 횡동요각, 횡동요 각속도, 미분을 이용한 횡동요 각가속도, 그리고 적분을 이용한 횡동요 각도 보정값과의 피드백 제어 연산과정을 통해 파라메트릭 횡동요 방지 또는 제거를 위한 조작변수 러더각(δroll)을 산출하고, 조작변수 러더각(δroll)과 오토파일럿 러더각(δyaw)을 합한 최종 러더각(δ)으로 러더(7b)의 작동을 제어하는 역할을 담당할 수 있다.
오토파일럿 제어모듈(105)은 항해중 선박의 선수각(ψ)을 유지하기 위해 러더(7b)의 작동을 제어하는 역할을 담당할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 횡동요 감쇠탱크이 적용되는 선박의 개략인 구조도이고, 도 4는 도 3의 A에 대한 확대도로서 도 1에 도시된 급배수부에 대한 구성도이다.
도 3 또는 도 4를 참조하면, 본 실시예에 적용되는 선박은 대형 컨테이너선인 것을 기준으로 설명하였지만, 본 실시예의 권리범위가 이에 제한될 수 없으므로 도 3에 도시된 선박이 반드시 대형 컨테이너선일 필요는 없다.
이들 도면을 참조하면, 선체(1)의 내부에는 상호간 격벽 등에 의해 구획되어 해당 기능을 담당하는 다양한 형태의 룸(room)과 부속 장치들이 존재한다.
예컨대, 선체(1)에는 엔진룸(20)이 마련될 수 있고, 엔진룸(20)의 상부 영역에는 전술한 횡동요 감쇠탱크(200)가 마련되고, 엔진룸(20)의 하부 영역에는 펌프룸(2)이 마련된다.
펌프룸(2)은 밸러스트 탱크(40, water ballast tank)를 비롯하여 엔진룸(20), 선실 등의 요구되는 장소로 유체 공급의 기능을 담당하는 장소이다.
엔진룸(20)의 외부에는 엔진을 보호하는 엔진 케이싱(3, engine casing)이 설치된다. 도 3를 참조하여 엔진 케이싱(3) 영역을 살펴보면, 엔진 케이싱(3)의 내부에는 소위, 굴뚝이라 불리는 펀넬(4, funnel)이 엔진 케이싱(3)의 외부로 노출되게 마련된다.
그리고 펀넬(4)은 엔진 케이싱(3) 내부의 배기가스 파이프(5, exhaust gas pipe)에 의해 메인 엔진(6, main engine)과 연결된다. 메인 엔진(6)의 상부에는 보조 보일러(11, auxiliary boil)가 배치된다.
메인 엔진(6)으로부터 선미 쪽으로 프로펠러 샤프트(7, propeller shaft)가 마련된다. 프로펠러 샤프트(7)에는 추진장치로서의 프로펠러(7a)가 결합되고, 프로펠러(7a)의 주변에는 러더(7b)(방향타)가 마련된다.
메인 엔진(6)의 주변에는 펌프룸(2)의 상부에 스토어 룸(8, store room), 엔진 컨트롤 룸(9, engine control room), 그리고 HFO 탱크(10)가 차례로 배치된다.
그리고 밸러스트 탱크(40)의 상부에는 통로(12, passage way)가 배치되고, 통로(12)의 상부에는 해치 커버(30, hatch cover)가 배치된다.
한편, 급배수부(220)는 파도에 의해 선체(1)에 발생되는 횡동요를 감쇠시키기 위해 횡동요 감쇠탱크(200)에 유체를 급배수시키는 역할을 한다.
종래의 수동 방식과 달리, 급배수부(220)가 적용되어 횡동요 감쇠탱크(200)로 유체를 급수하거나 횡동요 감쇠탱크(200) 내의 유체를 배수시키게 되면 번거로운 작업을 피할 수 있어 편리하면서도 선박에 나타나는 횡동요 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
이러한 급배수부(220)는, 횡동요 감쇠탱크(200)의 내부로 유체를 급수시키는 유체 급수부(220a)와, 횡동요 감쇠탱크(200) 내의 유체를 배수시키는 유체 배수부(220b)와, 급배수부(220)의 전반적인 작동을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함한다.
급배수부(220)의 컨트롤러는 도 1에 도시된 제어기(100)와 통신하고, 정보 또는 데이터를 입출력 받을 수 있도록 되어 있다.
급배수부(220)의 컨트롤러는 도 1에 도시된 수위감지센서(210)에서 측정한 값이 제어기(100)로부터 입력받은 탱크수심(Hz)에 대응하도록 유체(201)의 급수량을 조절하여, 횡동요 감쇠탱크(200)의 고유주기가 선박의 횡동요 고유주기와 동일하거나 유사하게 조절되도록 컨트롤하는 역할을 담당할 수 있다.
횡동요 감쇠탱크(200)에는 미도시된 공기 흡입 또는 배출라인이 더 마련되어 있어서, 유체의 급배수에 대응하게 공기가 배기 또는 흡기될 수 있다.
유체 급수부(220a)는 횡동요 감쇠탱크(200)를 기준으로 하여 펌프룸(2)과 횡동요 감쇠탱크(200) 사이에 마련되고, 유체 배수부(220b)는 횡동요 감쇠탱크(200)와 밸러스트 탱크(40) 사이에 마련된다.
더욱 상세하게, 유체 급수부(220a)는 펌프룸(102)에 마련되어 유체를 펌핑하는 서플라이 펌프(supply pump)와, 서플라이 펌프와 횡동요 감쇠탱크(200) 사이에 연결된 서플라이 파이프(supply pipe)와, 서플라이 파이프에 결합된 서플라이 밸브(supply valve)를 포함할 수 있다.
유체 배수부(220b)는 횡동요 감쇠탱크(200)의 하부 영역에 마련되는 드레인 밸브(drain valve)와, 드레인 밸브와 밸러스트 탱크(40) 사이에 연결된 드레인 파이프를 포함할 수 있다.
밸러스트 탱크(40)는 선박에 적재되는 컨테이너의 하중에 기초하여 선박의 자세를 잡아주기 위해 유체, 즉 바닷물이 충전되는 탱크로서 본 실시예의 경우에는 횡동요 감쇠탱크(200) 내의 유체 역시 밸러스트 탱크(40) 내에 충전된다.
이러한 밸러스트 탱크(40)는 밸러스트 수 처리시스템에 연계되어 사용될 수 있다.
밸러스트 수 처리시스템에 사용되는 다수의 밸러스트 탱크(40)는 선체의 선저 부분에 수평으로 배치될 수도 있고, 선체의 내벽에 수직으로 배치될 수도 있다.
본 실시예의 설명에서는 이들을 구별하지 않고 밸러스트 탱크(40)라 하여 설명한다. 그리고 밸러스트 탱크(40)의 배치 구조 및 개수 등은 선박의 종류나 용적에 따라 충분히 달라질 수 있으므로 도면의 구조에 본 실시예의 권리범위가 제한되지 않는다.
횡동요 감쇠탱크(200)에 들어 있던 유체는 유체 배수부(220b)를 통해 밸러스트 탱크(40)를 거치도록 함으로써 해양 오염 방지에 기여할 수 있다.
예컨대, 밸러스트 수 처리시스템이 적용되는 선박에는 보편적으로 유체인 해수에 포함되어 있는 세균을 박멸시키기 위해, 전기분해 모듈, 자외선 모듈, 이온 모듈 등이 부속되어 있는 것이 보편적이며, 밸러스트 탱크(40) 내의 유체를 바다에 배출시킬 때는 전기분해 모듈, 자외선 모듈, 이온 모듈 등을 거쳐 세균을 박멸시킨 후에 밸러스트 탱크(40) 내의 유체를 바다에 배출시키는 것이 일반적이다.
이러한 사항을 고려해볼 때, 횡동요 감쇠탱크(200)에 들어 있던 유체를 유체 배수부(220b)를 통해 밸러스트 탱크(40)를 거치도록 하면, 자연스럽게 전기분해 모듈, 자외선 모듈, 이온 모듈 등을 거치는 것을 의미하므로 세균 박멸에 따른 해양 오염 방지에 기여할 수 있게 되는 것이며, 이러한 사항 역시 본 실시예의 효과일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항안정성 제어방법에 대하여 설명하고자 한다.
도 5는 도 1에 도시된 선박의 운항안정성 제어장치에 의해 구현되는 제어방법에 대한 흐름도이고, 도 6은 도 5에 도시된 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 단계 이후 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
본 실시예의 제어방법은 앞서 상술한 제어장치 또는 제어장치의 제어기에 의해 실행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 제어방법은 선박이 운항할 항로에 대응하게 기상예보부로부터 입력받은 기상정보에서 파향, 파고, 파도스펙트럼피크주기 및 파랑 감시값을 추출하는 단계(S10)와, 기상정보의 파향과 자이로콤파스의 선수각을 비교하여 파도 입사각을 파악하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 제어방법은 파도 입사각이 파악된 후, 선박의 운항정보부로부터 흘수, 횡메타센터높이(GM) 및 선속을 입력받는 단계(S30)와, 선박의 횡동요 고유주기를 계산하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
선박의 횡동요 고유주기는 상기의 수학식 1을 통해 설명한 바와 같이, 제어기의 고유주기 계산부가 운항정보부의 하중계산컴퓨터에서 산출한 횡메타센터높이(GM)를 수학식 1에 대입하여 계산될 수 있다.
또한, 본 실시예의 제어방법은 횡동요 감쇠탱크 제어모듈의 평가부에 의해, 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB와 비교 검색하고, 선속을 고려하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단하는 파라메트릭 횡동요 발생 가능성 평가 단계(S50)를 포함할 수 있다.
평가 단계(S50)의 결과, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성이 없는 경우, 해당 평가 결과를 화면상에 디스플레이 하여 단순히 사용자(예: 선장)에게 알려줄 수 있다. 또한, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성이 없는 경우에는 러더는 선박에 장치된 오토파일럿에 의해 명령되는 러더각(타각)에 따라 운용되고, 횡동요 감쇠탱크는 운용되지 않는다.
평가 단계(S50)의 다른 결과, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성이 있는 경우, 그 평가 결과를 화면상에 디스플레이 하여 사용자(예: 선장)에게 표시하고, 경보를 발생시킬 수 있고, 횡동요 감소탱크 수심 계산단계(S60)가 진행될 수 있다.
횡동요 감소탱크 수심 계산단계(S60)에서는 선박의 횡동요 고유주기와 상기 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 동일 또는 유사하게 되기 위한 탱크수심을 결정하고, 횡동요 감쇠탱크 운용단계(S70)가 진행될 수 있다. 횡동요 감쇠탱크의 탱크수심은 앞서 설명한 횡동요 감쇠탱크의 고유주기에 관한 수학식 2와 수학식 1을 이용하여 산출될 수 있으므로, 여기에서 상세한 설명은 생략될 수 있다.
횡동요 감쇠탱크 운용단계(S70)에서는 횡동요 감소탱크 수심 계산단계(S60)의 탱크수심에 대응하게 유체가 횡동요 감쇠탱크의 내부에 급수되고, 횡동요 감쇠탱크가 파라메트릭 횡동요 저감 수단으로서 사용될 수 있다.
만일, 횡동요 감쇠탱크 운용단계(S70)을 통해서도 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되지 않은 경우(S80), 러더를 추가적으로 파라메트릭 횡동요 저감 수단으로서 사용하는 러더에 의한 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계(S80)가 진행될 수 있다.
러더에 의한 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계(S80)에서는 파라메트릭 횡동요 러더 제어 로직에 따라 파라메트릭 횡동요를 제어하기 위해서 추가적으로 사용해야할 조작변수 러더각을 산출하고, 산출된 조작변수 러더각과 오토파일럿 러더각을 합한 최종 러더각으로 러더의 동작을 제어함으로써 파라메트릭 횡동요가 감쇠되도록 한다. 즉, 최종 러더각이 러더의 동작을 위한 러더 스티어링 장치에 전달될 수 있다.
본 실시예의 제어방법은 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 단계 이후의 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계(S80)를 통해서 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되는지를 판단하는 단계(S110)가 진행될 수 있다.
이런 S110 단계는 파라메트릭 횡동요 DB에 기록 관리되는 횡동요 평균값과 횡동요 임계값을 비교 체크하고, 횡동요 평균값이 횡동요 임계값에 비해 작을 경우, 오토파일럿 제어 단계(S120)가 수행될 수 있다.
즉, 오토파일럿 제어 단계(S120)에서는 러더가 오토파일럿의 선수각을 유지하는 용도로만 사용될 수 있다.
또한 본 실시예의 제어장치는 파랑 감시값이 기준값 이상인가를 체크하고, 횡동요 감쇠탱크 운용 또는 불용을 판단하는 단계(S130)와, 파랑 감시값이 기준값 이상인 경우, 유체를 배수하지 않고 횡동요 감쇠탱크를 운용하는 단계(S131)와, 파랑 감시값이 기준값 이하인 경우, 유체를 배수하고 횡동요 감쇠탱크를 불용하는 단계(S132)를 더 수행할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 선박을 컨테이너선으로 가정하였으나 이는 예시에 불과하며, 선체의 엔진룸 상측에 탱크를 배치할 수 있는 일정한 수용부가 마련된 경우라면 다양한 종류의 선박에 적용 가능할 것이다.
이렇게 본 실시예는 컨테이너선 등과 같은 선박에서 횡동요 감쇠탱크를 파라메트릭 횡동요 저감 수단으로 사용하면서, 러더를 운용할 수 있음에 따라, 경제적으로 선박을 운항시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 제어기 101 : 중앙 처리부
102 : 입출력 처리부 103 : 횡동요 감쇠탱크 제어모듈
104 : 파라메트릭 횡동요 제어모듈 105 : 오토파일럿 제어모듈
110 : 기상예보부 120 : 운항정보부
130 : 자이로콤파스 140 : 횡동요센서
150 : 파라메트릭 횡동요 DB 160 : 오토파일럿
200 : 횡동요 감쇠탱크 201 : 유체
210 : 수위감지센서 220 : 급배수부

Claims (8)

  1. 선박의 엔진룸의 상측에 배치되고 내부에 유체를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크와, 상기 횡동요 감쇠탱크의 유체를 급수 또는 배수하는 급배수부에 접속된 제어장치에 있어서,
    해상에서 발생 가능한 파도 조건에 대한 파라메트릭 횡동요에 대한 운동해석정보를 갖는 파라메트릭 횡동요 데이터베이스; 및
    상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠를 위해 상기 횡동요 감쇠탱크의 운용을 결정시 탱크수심을 결정하여 상기 횡동요 감쇠탱크에 유체를 급수시키는 탱크 제어 로직과, 상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 기준값에 비해 불충할 경우, 상기 선박의 러더로 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어 로직을 제어하는 제어기를 포함하는 선박의 운항안정성 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파라메트릭 횡동요 데이터베이스는, 상기 선박의 횡동요 고유주기, 조우주기 및 횡동요 예측각도를 포함하는 선박의 운항안정성 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는,
    중앙처리장치 및 메모리를 갖고, 파라메트릭 횡동요 저감을 위해서 상기 횡동요 감쇠탱크 및 상기 러더의 운용 또는 불용을 처리하는 중앙 처리부;
    상기 중앙 처리부의 각종 정보의 입출력, 통신을 담당하는 입출력 처리부;
    상기 입출력 처리부를 통해 입력된 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB와 비교 검색하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단함에 따라 파라메트릭 횡동요의 발생을 예측하고, 예측 결과에 따라, 횡동요 감쇠탱크의 운용 또는 불용을 결정하는 횡동요 감쇠탱크 제어모듈;
    상기 파라메트릭 횡동요 방지 또는 제거를 위해 산출한 조작변수 러더각과 오토파일럿 러더각을 합한 최종 러더각으로 상기 러더의 작동을 제어하여 상기 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 파라메트릭 횡동요 제어모듈; 및
    상기 파라메트릭 횡동요의 감쇠가 필요하지 않는 경우, 상기 러더의 작동을 상기 선박의 선수각 유지로만 사용하는 오토파일럿 제어모듈을 포함하는 선박의 운항안정성 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급배수부는,
    상기 횡동요 감쇠탱크의 내부로 상기 유체를 급수시키는 유체 급수부;
    상기 횡동요 감쇠탱크 내의 유체를 배수시키는 유체 배수부;
    상기 횡동요 감쇠탱크의 내부에 마련되어 상기 횡동요 감쇠탱크 내의 유체 수위를 감지하는 수위감지센서; 및
    상기 수위감지센서에서 측정한 값이 상기 제어기로부터 입력받은 수심에 대응하도록 상기 유체의 급수량을 조절하여, 상기 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 상기 선박의 횡동요 고유주기와 동일하거나 유사하게 조절되도록 컨트롤하는 컨트롤러를 포함하는 선박의 운항안정성 제어장치.
  5. 선박의 엔진룸의 상측에 배치되고 내부에 유체를 부분적으로 수용하는 횡동요 감쇠탱크와 상기 선박의 러더에 결합된 제어기에 의한 제어방법에 있어서,
    상기 선박이 운항할 항로에 대응하게 기상예보부로부터 입력받은 기상정보에서 파향, 파고, 파도스펙트럼피크주기 및 파랑 감시값 중 어느 하나 이상을 추출하는 단계;
    상기 기상정보의 파향과 자이로콤파스의 선수각을 비교하여 파도 입사각을 파악하는 단계;
    상기 선박의 운항정보부로부터 흘수, 횡메타센터높이 및 선속 중 어느 하나 이상을 입력받는 단계;
    상기 횡메타센터높이에 대응하게 선박의 횡동요 고유주기를 계산하는 단계;
    상기 파랑 감시값을 파라메트릭 횡동요 DB와 비교 검색하여 파라메트릭 발생 조건을 만족하는지를 판단하는 파라메트릭 횡동요 발생 가능성 평가 단계;
    상기 평가 단계의 결과, 파라메트릭 횡동요 발생 가능성이 있는 경우, 경보를 발생시키고, 선박의 횡동요 고유주기와 상기 횡동요 감쇠탱크의 고유주기가 동일 또는 유사하게 되기 위한 탱크수심을 결정하는 횡동요 감쇠탱크 수심 계산단계;
    상기 탱크수심에 대응하게 유체가 횡동요 감쇠탱크의 내부에 급수되는 횡동요 감쇠탱크 운용단계; 및
    상기 횡동요 감쇠탱크 운용단계에 의해 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되지 않은 경우, 상기 선박의 러더를 추가적으로 파라메트릭 횡동요 저감 수단으로서 사용하는 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계를 포함하는 선박의 운항안정성 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계에서는, 파라메트릭 횡동요 러더 제어 로직에 따라 파라메트릭 횡동요를 제어하기 위해서 추가적으로 사용해야할 조작변수 러더각을 산출하고, 산출된 상기 조작변수 러더각에 오토파일럿 러더각을 합한 최종 러더각을 러더 스티어링 장치에 전달하여 상기 파라메트릭 횡동요를 감쇠시키는 선박의 운항안정성 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 파라메트릭 횡동요 감쇠 단계 이후에는, 상기 파라메트릭 횡동요 크기가 감소되는지를 판단하도록 횡동요 평균값과 횡동요 임계값을 비교 체크하고, 상기 횡동요 평균값이 상기 횡동요 임계값에 비해 작을 경우, 오토파일럿 제어 단계가 더 포함되는 선박의 운항안정성 제어방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 오토파일럿 제어 단계 이후에는,
    상기 파랑 감시값이 기준값 이상인가를 체크하고, 상기 횡동요 감쇠탱크 운용 또는 불용을 판단하는 단계;
    상기 파랑 감시값이 기준값 이상인 경우, 유체를 배수하지 않고 횡동요 감쇠탱크를 운용하는 단계; 및
    상기 파랑 감시값이 기준값 이하인 경우, 유체를 배수하고 횡동요 감쇠탱크를 불용하는 단계가 더 포함되는 선박의 운항안정성 제어방법.
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