KR20150017704A

KR20150017704A - 전복 위험도 산출 시스템

Info

Publication number: KR20150017704A
Application number: KR1020147031240A
Authority: KR
Inventors: 유타카 와타나베
Original assignee: 고쿠리츠 다이가쿠 호우징 도쿄 가이요우 다이가쿠
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2015-02-17
Also published as: CN104321248B; KR102028231B1; WO2013172408A1; JP6131247B2; CN104321248A; US20150134293A1; JPWO2013172408A1; US9797724B2

Abstract

본 발명은 선체 정보를 사용하지 않고, 선체의 동요를 토대로 전복 위험의 지표가 되는 전복 위험도를 산출할 수 있는 전복 위험도 산출 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 전복 위험도 산출 시스템은 선박(7)의 상하방향의 왕복운동을 가상의 동요 중심축(O) 상하방향의 동요로서 검출하는 가속도 센서, 선박(7)의 중심축(O)을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 선박(7)의 무게중심(G)의 동요 중심축(O)을 중심으로 하는 단진자 운동으로서 검출하는 각속도 센서, 및 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)의 검출 결과를 토대로 얻어지는 동요 중심축(O)과 선박(7)의 무게중심(G)을 잇는 동요 반경(l)과, 동요 중심축(O)과 선박(7)의 메타센터(M)를 잇는 전복 한계 동요 반경(L_max)을 전복 위험도로서 산출하는 연산부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전복 위험도 산출 시스템{Overturn risk calculation system}

본 발명은 선박에 있어서의 전복 위험의 지표가 되는 전복 위험도를 산출하는 전복 위험도 산출 시스템에 관한 것이다.

선박의 전복을 미연에 방지하기 위해, 전복의 위험성을 알리는 기술이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에서는 항행 중의 선체 운동 데이터와 설계 단계의 복원 성능 정보를 토대로 얻은 전복 가능성의 한계값 정보를 표시함으로써, 전복의 위험성을 판정하고 있다. 또한 설계 단계의 복원 성능 정보에 대해서는 구체적인 기재는 존재하지 않으나, 기존의 조선학을 고려할 때 선폭의 값, 중심 위치, 선체의 기울기에 따른 부심 위치 및 메타센터 위치 등의 선체 정보로 생각된다.

일본국 특허공개 제2008-260315호 공보

그러나 종래기술에서는 선체 정보가 불명료한 경우나 정확한 선체 정보가 아닌 경우에는, 항행 중의 선체 운동 데이터만으로는 전복 위험의 지표가 되는 정보를 구할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.

선박의 전복 사고의 대부분을 차지하는 것은 어선이나 낚싯배 등의 중소선(中小船)이다. 이들 선박은 구입된 후, 어민이나 선박 소유자에 의해 어구나 기호 목적으로 사용하는 각종 다양한 장치 기구를 선체에 설치하기 때문에, 건조 직후에 조선소로부터 인도된 시점의 선체 정보는 실제로 운항 상태가 된 후의 선체 정보와 괴리되어 있는 경우가 많다. 이러한 현재 상황으로부터, 이들 선박은 선체의 복원성 자료를 선체 정보로서 구비할 필요성이 법률로부터도 제외되고 있다(선박 안전법 시행규칙).

또한 대형 선박에서 상기 법률로부터 선체의 복원성 자료를 선체 정보로서 완비하는 것이 의무사항으로 되어 있는 선박이라도, 선박의 주변환경(풍파의 대소나 해수 밀도의 농염 등)이나 선박의 상태(적하나 잔존 원료의 양 등)에 따라 선체 정보는 크게 변화되어, 사전에 정확한 선체 정보를 파악하는 것이 곤란하다. 또한 전매(轉買)가 반복된 선박 등의 경우는 선체 정보가 남아 있지 않은 케이스도 존재한다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 감안하여 종래기술의 문제를 해결해, 선체 정보를 사용하지 않고, 선체의 동요를 토대로 전복 위험의 지표가 되는 전복 위험도를 산출할 수 있는 전복 위험도 산출 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 전복 위험도 산출 시스템은 선박의 상하방향의 왕복운동을 가상의 동요 중심축 상하방향의 동요로서 검출하는 상하방향 검출수단, 상기 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 상기 선박의 무게중심의 상기 동요 중심축을 중심으로 하는 단진자 운동으로서 검출하는 롤링방향 검출수단, 및 상기 상하방향 검출수단 및 상기 롤링방향 검출수단의 검출 결과를 토대로 얻어지는 상기 동요 중심축과 상기 선박의 무게중심을 잇는 동요 반경과, 상기 동요 중심축과 상기 선박의 메타센터를 잇는 전복 한계 동요 반경을 전복 위험도로서 산출하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 전복 위험도 산출 시스템에 있어서, 상기 연산수단은 상기 동요 반경과 상기 전복 한계 동요 반경을 토대로 하는 전복 한계 경사각도를 상기 전복 위험도로서 산출하도록 해도 된다.

본 발명에 따르면, 선체 정보를 사용하지 않고, 선박의 상하방향의 왕복운동과 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 토대로 전복 위험의 지표가 되는 전복 위험도를 산출할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태의 구성을 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 진동 검출부의 선박으로의 장착예를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태에 적용하는 3차원 중심 위치 검지 이론을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태에 적용하는 3차원 중심 위치 검지 이론을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 수면 상에 뜨는 선박의 동요 중심축을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 선박이 약간 우측으로 기운 순간의 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 선박이 큰 경사에 이르는 경우에서의 메타센터(M), 무게중심(G), 부심(B), 동요 중심축(O) 및 GZ의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 파고와 선체 경사의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태에 따른 전복 위험도 산출예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 전복 위험도 산출 시스템의 실시형태에 따른 전복 위험도의 산출 대상으로 한 모형선을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11에 나타내는 모형선을 대상으로 한 전복 위험도 산출예를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 나타낸는 θ_max와 무게중심 높이 위치의 관계를 나타내는 산포도이다.

다음으로 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 실시형태의 전복 위험도 산출 시스템은 도 1을 참조할 때, 선박에 장착되어 선박의 요동을 검출하는 진동 검출부(1)와, 진동 검출부(1)에 검출된 선박의 요동을 토대로 전복의 위험도를 예측하는 데이터 처리장치(2)를 구비하고 있다.

진동 검출부(1)는 기준판(3), 기준판(3)의 요동을 검출하는 요동 검출수단으로서 기능하는 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5), 및 A/D(아날로그/디지털) 변환기(6)로 구성되어 있다.

기준판(3)은 네 모서리에 장착공(31)이 형성된 직사각형상의 평판으로, Y축선(32)과, Y축선(32)과 직교하는 X축선(33)이 표기되어 있다. 가속도 센서(4)는 Y축선(32) 및 X축선(33)과 직교하는 Z축방향의 가속도, 즉 기준판(3)의 상하방향의 세로 흔들림(요동)을 검출하도록 감도축이 조정되어 있다. 또한 각속도 센서(5)는 Y축선(32)을 중심으로 한 회전방향의 각속도, 즉 Y축선(32)을 중심으로 한 기준판(3)의 롤링방향의 가로 흔들림(요동)을 검출하도록 감도축이 조정되어 있다. 또한 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)에는 특별히 한정은 없고, 가속도 센서(4)로서, 예를 들면 반도체식이나 정전 용량식 등의 임의의 센서를 채용할 수 있는 동시에, 각속도 센서(5)로서, 예를 들면 자이로스코프나 광섬유 자이로 등의 임의의 센서를 채용할 수 있다. 또한 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로서 3축(3차원)의 각속도 센서를 사용해도 된다.

또한 기준판(3)에는 A/D(아날로그/디지털) 변환기(6)가 설치되어 있다. A/D 변환기(6)는 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로부터 출력되는 아날로그 신호(검출 결과)를 디지털 신호로 변환하여 데이터 처리장치(2)에 출력한다.

도 2를 참조할 때, 진동 검출부(1)의 선박(7)으로의 장착은 선박(7)의 중심선을 기준으로 하여 행해진다. 또한 선박(7)의 중심선은 선박(7)의 무게중심(G)이 위치하는 전후방향의 가상축이다. 기준판(3)은 Y축선(32)이 선박(7)의 중심축과 평행하게 또한 Y축선(32) 및 X축선(33)과 수직인 Z축이 선박(7)의 중심축과 교차되도록 선박(7)에 장착한다. 이에 의해 가속도 센서(4)는 선박(7)의 상하방향의 세로 흔들림(요동)을 검출하도록 감도축이 조정되고, 선박(7)의 상하방향의 왕복운동을 검출하는 상하방향 검출수단으로서 기능한다. 또한 각속도 센서(5)는 선박(7)의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 가로 흔들림(요동)을 검출하도록 감도축이 조정되고, 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 검출하는 롤링방향 검출수단으로서 기능한다. 또한 가속도 센서(4)를 세로 흔들림 검출수단으로서 정확하게 기능하게 하기 위해, 이상적으로는 Y축선(32)과 선박(7)의 중심축을 일치시키는 것이 바람직하나, 도 2에 나타내는 바와 같이, Y축선(32)이 선박(7)의 중심축으로부터 상하방향으로 조금 벗어난 위치(예를 들면 갑판 등)에 기준판(3)을 장착하더라도, 선박(7)의 상하방향의 세로 흔들림(요동)을 거의 정확하게 검출할 수 있다. 또한 도 2에는 기준판(3)의 선박(7)으로의 장착방법의 일례로서, 장착공(31)을 볼트(8)로 체결하는 구성이 나타내어져 있는데, 진동 검출부(1), 즉 기준판(3)이 선박(7)과 일체가 되어 요동되는 것이라면, 기준판(3)의 선박(7)으로의 장착방법에는 한정이 없고, 볼트 이외의 다른 장착방법(자력이나 흡반 등)을 채용해도 된다. 또한 선박의 요동에 의해 기준판(3)이 미끄러지지 않는 것이라면 갑판에 올려만 놓아도 되고, 선실이나 조타실 내에 적절히 설치해도 된다. 또한 기준판(3)을 사용하지 않고 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)를 직접 선박(7)에 장착하도록 해도 된다.

데이터 처리장치(2)는 도 3을 참조할 때, 마이크로프로세서 등으로 이루어지는 연산부(21), ROM(read only memory)이나 RAM(random access memory) 등으로 이루어지는 기억부(22), 키보드 등의 조작부(23), 액정 디스플레이나 스피커 등의 알림부(24), 및 수신부(25)를 구비하고, 각 부는 버스(26)에 의해 접속되어 있다.

기억부(22)에는 무게중심 위치를 도출하기 위한 연산 프로그램이나, 당해 연산에 필요한 각종 입력용 상수가 기억되어 있다. 연산부(21)는 조작부(23)로부터의 연산 지시를 토대로 일정 기간, 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로부터 출력을 기억부(23)에 기억시킨다. 다음으로 연산부(21)는 기억부(22)에 기억되어 있는 연산 프로그램에 따라 기억부(22)에 기억한 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로부터 출력을 토대로, 선박(7)의 동요를 토대로, 선박(7)의 전복 위험도를 산출한다. 그리고 연산부(21)에 의해 산출된 전복 위험도는 알림부(24)에 의해 사용자에게 알려져 전복의 위험을 예측하는 지표로서 사용된다.

다음으로 본 실시형태의 데이터 처리장치(2)에 있어서의 전복 위험도의 산출 동작에 대해서 도 4 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.

전복 위험도의 산출 동작에 앞서, 먼저 도 4에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 스프링(80)에 의해 지지된 스프링 구조체(81) 상의 물체(82)에 대해서 고찰한다. 스프링 구조체(81) 상의 물체(82)는 그 이동에 의해 외란(外亂)을 받거나, 정지 중이라도 외력이 직접 가해짐으로써 세로 흔들림(상하방향의 단진동)과, 가로 흔들림(롤링방향)을 발생시킨다. 또한 가로 흔들림(롤링방향)의 중심축을 요동 중심축(83)으로 한다. 이 세로 흔들림 및 가로 흔들림은 물체(82)가 갖는 유일무이의 공간적인 무게중심 위치에 따라 정해지기 때문에, 세로 흔들림의 단진동 주파수 「v'」와, 가로 흔들림의 롤링 주파수 「v」를 구하면, 물체(82)의 중량과 형상의 정보를 필요로 하지 않고, 요동 중심축(83)으로부터의 물체(82)의 3차원 공간 상의 무게중심 위치를 구할 수 있다(이하, 이 이론을 3차원 무게중심 검지 이론이라 칭한다). 예를 들면 물체(82)가 요동 중심축(83)에 대해 좌우 대칭의 형상이라면, 요동 중심축(83)으로부터 물체(82)의 무게중심(G)까지의 무게중심 높이 「l」은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 수학식 1은 본 발명자가 앞서 출원하여 등록된 일본국 특허 제4517107호에 기재되어 있는 수학식 16에 있어서 α＝0°로 한 것으로, 「l」의 2차 계수, 1차 계수 및 상수항을 특정하면 「l」이 구해진다. 또한 「π」는 원주율, 「g」는 중력 가속도, 「b」는 스프링 구조체(81)에 있어서의 한쌍의 스프링(80)의 폭이다.

또한 3차원 무게중심 검지 이론에 의하면, 스프링 구조체(81) 상에 올려 놓아진 물체(82)가 횡전(橫轉)해 버리는 한계의 무게중심 높이 「l」인 횡전 한계 높이 「l_max」는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 수학식 2는 본 발명자가 앞서 출원한 일본국 특허출원 제2011-266708호에 수학식 6으로서 기재된 것으로, 횡전 한계 높이 「l_max」는 세로 흔들림의 단진동 주파수 「v'」와, 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」를 알면 구할 수 있다.

또한 도 5에 나타내는 바와 같이, 동요 중심축(83)을 중심으로 하여 횡전 한계 높이 「l_max」를 이동시켜, 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」의 양측 각각의 수선과의 교점을 고려하면, 이보다 바깥쪽 영역은 스프링 구조체(81) 자체가 존재하지 않게 되기 때문에, 횡전 한계 높이 「l_max」와는 무관하게 모든 물체(82)는 스프링 구조체(81) 상에 정지(靜止)(존재)하지 못하게 된다. 따라서 이 한계 교차점을 정식화(定式化)하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 θ_max는 횡전 한계 각도로, 동요 중심축(83)을 중심으로 하는 횡전 한계 높이 「l_max」의 원호와, 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」의 양측 각각의 수선과의 교점과, 동요 중심축(83)을 이은 직선이 동요 중심축(83) 상의 수선과 이루는 각이다.

다음으로 전술한 육상에 있어서의 3차원 무게중심 검지 이론의 선박(7)으로의 적용을 고찰한다.

3차원 무게중심 검지 이론에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 스프링 구조체(81) 상의 물체(82)의 동요를 요동 중심축(83)을 중심으로 한 동요로 하여, 무게중심 높이 「l」과 횡전 한계 높이 「l_max」를 구하고 있다. 따라서 3차원 무게중심 검지 이론을 선박(7)에 적용하는 경우에도 선박(7)의 동요의 중심이 되는 축을 정할 필요가 있다.

도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 수면 상에 표류하는 질점의 운동은 파도에 의해 원운동을 발생시킨다. 그 운동은 수면 하에 잠입함에 따라 작아지고, 어느 일정 수심 지점에서 움직이지 않게 된다. 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 당연히 선박(7)도 기본적으로는 이 운동에 지배되고 있다. 따라서 선박(7)은 수면 하에 있는 특정 축 위치를 기점으로 하여 무게중심(G)이 세로 흔들림(상하방향의 단진동)과 가로 흔들림(롤링방향)을 발생시키고 있는 것으로 생각된다. 또한 이 세로 흔들림 및 가로 흔들림의 중심이 되는 축 위치는 가상의 하심(下心)으로 물리적으로 눈에 보이는 형태로 존재하는 것은 아니나, 이 가상의 하심을 선박(7) 동요의 동요 중심축(O)으로 할 수 있다. 따라서 동요 중심축(O)과 선박(7)의 무게중심(G)을 잇는 선분의 길이는, 육상에 있어서의 3차원 무게중심 검지 이론의 무게중심 높이 「l」에 대응하는 선박(7)의 동요 반경 「l」이 된다. 또한 무게중심(G)의 동요 중심축(O)은 통상은 수면 하에 있으나, 선박(7)의 조건에 따라 선저 상부의 선체 내로부터 선저 하부의 수중 또는 수저 하 등, 이론적으로는 자유롭게 취할 수 있다.

또한 3차원 무게중심 검지 이론에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 스프링 구조체(81)를 지지하는 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」의 값이 사전에 필요해진다. 예를 들면 스프링 구조체(81)가 열차나 자동차라고 할 때, 폭 「b」의 값은 좌우 차 베어링 부분의 폭의 길이가 된다. 그러나 3차원 무게중심 검지 이론을 선박(7)에 적용하는 경우에는 스프링 구조체(81) 자체가 존재하지 않기 때문에, 폭 「b」의 값을 사전에 정할 수 없다.

이에 전술한 수학식 3에 나타내는 폭 「b」의 값과 횡전 한계 높이 「l_max」의 관계의 선박(7)으로의 적용에 대해서 고찰한다.

먼저 선박(7)이 미세한 가로 흔들림 경사각으로 경사진 상태를 생각해본다. 도 7은 선박(7)이 약간 우측으로 기운 순간의 상태를 3차원 무게중심 검지 이론을 토대로 도면을 곁들여 설명한 것이다. 가로 흔들림 경사각은 미세하기 때문에 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 메타센터(M), 무게중심(G), 및 동요 중심축(O)은 직선 상에 있는 것으로 보고, 그 직선은 가로 흔들림 경사각만큼 기울어 있다. 도 7(b)에는 도 7(a)에 나타내는 메타센터(M), 무게중심(G) 및 부심(B)의 위치 관계를 확대한 것이 나타내어져 있다. 도 7(c)에는 도 7(b)에 나타내는 무게중심(G) 및 부심(B)의 위치 관계를 확대한 것이 나타내어져 있다.

도 7을 참조할 때, 여기서 메타센터(M)와 무게중심(G)은 선체의 경사에 연동되는데, 부심(B)은 선체의 경사와는 무관하게 메타센터(M)로부터 내린 수선 상에 끊임없이 위치한다. 바꿔 말하면, 부심(B)을 지나는 수선과 선박(7)이 경사져 있지 않을 때의 무게중심(G)을 지나는 수선의 교점이 메타센터(M)가 된다. 따라서 선박(7)이 경사지면 메타센터(M)와 무게중심(G)을 지나는 직선과, 부심(B)을 지나는 수선에는 거리가 생긴다. 선박(7)이 경사진 상태에서 무게중심(G)으로부터 부심(B)을 지나는 수선에 대해 수평선을 그었을 때, 그 교점을 Z로 하면 그 거리의 길이가 GZ가 되어 선박(7)의 복원력의 근원이 된다(복원 지레의 원리).

도 7에 나타낸 바와 같이, GZ는 메타센터(M), 무게중심(G), 부심(B) 및 동요 중심축(O)의 4개가 연동해서 일어난다. 도 7에서는 선박(7)이 미세한 가로 흔들림 경사각으로 경사진 상태를 상정한 예였으나, 비바람이 심한 날씨 중 등으로부터 커다란 외란하에 노출된 경우는, 선박(7)의 가로 흔들림 경사각은 보다 크게 대경사가 되어 간다. 이와 같이 대경사에 이르는 경우에서의 메타센터(M), 무게중심(G), 부심(B), 동요 중심축(O) 및 GZ의 관계를 도 8에 나타낸다. 도 8에 있어서, (a)의 선박(7)은 가로 흔들림 경사각이 제로인 상태를, (b)의 선박(7)은 가로 흔들림 경사각(θ)으로 경사진 상태를, (c)의 선박(7)은 가로 흔들림 경사각(θ_max)에서 더 경사진 상태를 각각 나타내고 있다.

수면 상에서의 선박(7)의 동요는 무게중심(G)보다 하부에 하심(下心)의 동요 중심축(O)이 있고, 상부에는 상심(上心)의 메타센터(M)가 있으며, 메타센터(M)의 수직 아래에는 부심(B)이 있어, 이 4개가 연동함으로써 가로 흔들림 경사각(θ)이 변화되어 가는 것으로 가정한다. 수면에 떠 있는 선박(7)에는 끊임없이 부력이 작용하기 때문에 선박(7)이 경사지더라도 무게중심(G)의 위치는 수면에 평행하게만 이동할 수 있다. 이에 대해 이론 상의 존재인 메타센터(M)는 선체의 경사가 증가하면 원호상을 그리면서 그 높이를 줄여 간다. 따라서 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 선박(7)이 경사져감에 따라 GZ도 증가해 가는데, 도 8(b)에 나타내는 메타센터(M)의 위치(부심(B)을 지나는 수선과의 교점)는 이미 당초의 도 8(a)에 나타내는 메타센터(M)의 위치가 아니라, 메타센터(M)가 그리는 원호의 궤적과 동요 중심축(O)으로부터 무게중심(G)을 지나 뻗는 직선과의 교점이다. 도 8(b)에 나타내는 상태로부터 더욱 선체의 경사가 진행되면, 무게중심(G)과 메타센터(M)가 그리는 원호의 궤적과의 거리가 작아져 감으로써, GZ는 결국 감소로 전환되어 간다. 그리고 최종적으로는, 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 메타센터(M)가 그리는 원호의 궤적이 무게중심(G)에 도달하여, 메타센터(M)와 무게중심(G)을 잇는 선분의 길이 GM 및 GZ도 소실된다. 이 도 8(c)에 나타내는 선박(7)의 가로 흔들림 경사각 「θ_max」가 전복과 복원의 경계가 되어, 선박(7)의 가로 흔들림 경사각이 「θ_max」보다도 작은 복원영역과, 선박(7)의 가로 흔들림 경사각이 「θ_max」보다도 큰 전복영역이 정의된다.

여기서 도 8에 나타내는 가로 흔들림 경사각 「θ_max」와, 도 5에 나타내는 횡전 한계 각도「θ_max」는 모두 전복과 복원의 경계를 나타내는 각도로, 메타센터(M)와 동요 중심축(O)을 잇는 선분의 길이는 육상에 있어서의 3차원 무게중심 검지 이론의 횡전 한계 높이 「l_max」에 대응하는 것을 알 수 있다. 이하, 메타센터(M)와 동요 중심축(O)을 잇는 선분의 길이를 전복 한계 동요 반경 「l_max」라 칭한다. 또한 도 8에 나타내는 복원영역의 폭, 즉 도 8(a)에 나타내는 경사져 있지 않은 선박(7)에 있어서 무게중심(G)을 지나는 수선과, 도 8(c)에 나타내는 전복과 복원의 경계까지 경사진 선박(7)에 있어서 무게중심(G)을 지나는 수선의 폭은, 또한 도 5에 나타내는 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」의 1/2로 볼 수 있다.

따라서 동요 반경 「l」, 전복 한계 동요 반경 「l_max」 및 폭 「b」의 관계식은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 전술한 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 4를 연립 방정식화하면, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

수학식 5의 연립 방정식에 있어서 세로 흔들림의 단진동 주파수 「v'」와 가로 흔들림의 롤링 주파수 「v」는, 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로부터 출력을 토대로 산출된다. 즉, 가속도 센서(4)에 의해 검출되는 선박(7)의 상하방향의 왕복운동을 동요 중심축(O)의 상하방향의 동요(단진동 주파수 「v'」)로 한다. 또한 각속도 센서(5)에 의해 검출되는 선박(7)의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 동요 중심축(O)을 중심으로 하는 단진자 운동(롤링 주파수 「v」)으로 한다.

따라서 수학식 5의 연립 방정식에 있어서 미지수는 동요 반경 「l」, 전복 한계 동요 반경 「l_max」 및 폭 「b」의 3개이다. 따라서 수학식 5의 3개의 방정식에 의해 미지수는 동요 반경 「l」, 전복 한계 동요 반경 「l_max」 및 폭 「b」를 구할 수 있다. 즉, 3차원 무게중심 검지 이론을 수면에 뜨는 선박(7)에 적용한 경우에는, 육상에 있어서의 3차원 무게중심 검지 이론의 도 5에 나타내는 한쌍의 스프링(80)의 폭 「b」에 대응하는 값을 사전에 설정하지 않고, 세로 흔들림의 단진동 주파수 「v'」, 가로 흔들림의 롤링 주파수 「v」로부터 동요 반경 「l」과 전복 한계 동요 반경 「l_max」로 구할 수 있게 된다.

다음으로 선박(7)의 전복 한계 조건의 도출을 행한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 선박(7)이 경사져 메타센터(M)와 무게중심(G)을 잇는 선분의 길이 GM이 제로가 되면, 복원력을 상실하여 전복되게 된다. 또한 전술한 바와 같이, 메타센터(M)와 동요 중심축(O)을 잇는 선분의 길이가 전복 한계 동요 반경 「l_max」가 되고, 무게중심(G)과 동요 중심축(O)을 잇는 선분의 길이가 동요 반경 「l」이 되기 때문에, 전복 한계의 조건식은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

수학식 6의 조건식은 선박(7)이 수평방향으로 동요(롤링)를 발생시키지 않고 정지(靜止)해 있는 상태에서의 조건에 지나지 않는다. 선박(7)은 수면 상에서는 끊임없이 풍파를 받고 있어 반드시 수평방향으로 롤링을 발생시키기 때문에, 전복 한계 최대 롤각을 나타낼 필요가 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 선박(7)이 롤링방향으로 경사지더라도 동요 중심축(O)에 대한 무게중심(G)의 상하방향의 위치는 불변이나, 동요 중심축(O)으로부터 전복 한계 동요 반경 「l_max」의 거리에 있는 메타센터(M)의 동요 중심축(O)에 대한 상하방향의 위치는 선박(7)의 가로 흔들림 경사각(θ)이 커지면 감소한다. 따라서 가로 흔들림 경사각(θ)이 다음 식에 나타내는 조건이 되면 선박(7)이 전복될 것으로 생각된다.

따라서 선박(7)이 풍파에 의해 동요 중이더라도 전복되지 않기 위한 한계의 가로 흔들림 경사각 「θ_max」(이하, 전복 한계 경사각도 「θ_max」라 칭한다)는 전복 한계 동요 반경 「l_max」와 동요 반경 「l」을 사용하여 다음 식으로 나타낼 수 있다.

수학식 8로부터, 선박(7)이 풍파에 의해 동요 중이라도 전복되지 않는 가로 흔들림 경사각(θ)은 다음 식을 충족시킬 필요가 있다.

수학식 7의 조건은 선박(7)이 수평방향으로 동요(롤링)를 발생시키지 않고 정지해 있는 상태(θ＝0)로, 수학식 6과 같은 값이 되기 때문에, 선박(7)이 전복되지 않기 위한 필요 충분 조건이 된다.

따라서 데이터 처리장치(2)의 연산부(21)는 기억부(22)에 기억한 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)로부터 출력을 토대로, 먼저 세로 흔들림의 단진동 주파수 「v'」와 가로 흔들림의 롤링 주파수 「v」를 산출하고, 전술한 수학식 5를 사용하여 전복 한계 동요 반경 「l_max」와 동요 반경 「l」을 산출하며, 마지막으로 전술한 수학식 9를 사용하여 전복 한계 경사각도 「θ_max」를 전복 위험도로서 산출한다. 연산부(21)에 의해 산출된 전복 한계 경사각도 「θ_max」는 액정 디스플레이나 스피커 등의 알림부(24)에 의해 사용자에게 알려져, 선박(7)의 전복의 위험을 예측하는 지표로서 사용된다. 또한 연산부(21)의 과정인 전복 한계 동요 반경 「l_max」와 동요 반경 「l」을 전복 위험도로서 알리도록 구성해도 된다. 또한 각속도 센서(5)로부터의 출력을 토대로 현재의 선박(7)의 가로 흔들림 경사각(θ)을 검출하고, 검출된 가로 흔들림 경사각(θ) 전복 한계 경사각도 「θ_max」의 비교 결과를 전복 위험도로서 알리도록 구성해도 된다. 이 경우에는, 가로 흔들림 경사각(θ)이 전복 한계 경사각도 「θ_max」에 근접하면 경보를 알리도록 구성해도 된다.

다음으로 데이터 처리장치(2)의 연산부(21)에 의해 산출되는 전복 한계 경사각도 「θ_max」와 파고의 관계에 대해서 고찰한다.

선박(7)을 경사지게 하는 요인에는 몇 가지가 있는데, 모든 선박(7)에 있어서 지배적이 되는 것은 항해 중에 조우하는 파도이다. 특히 해면 상에서는 풍파가 겹쳐 파고를 발생시키기 때문에, 해파(海波)의 출현은 복잡한 현상이 된다. 이에 가장 일반적인 수심이 충분히 있는 충파(沖波)를 예로 들자면, 유의 파고를 사용하는 것이 타당하다.

유의 파고란 해상에 있어서 일정 시간 내에 관측되는 다양한 파고를 작은 쪽부터 큰 것으로 차례대로 나열했을 때에, 최대 파고의 것으로부터 상위 3분의 1의 순위에 들어가는 파고를 평균한 것을 말한다. 이 때문에 순간적인 최대 파고는 극히 드물기는 하나, 유의 파고(h)의 약 1.6배의 높이에 도달하는 경우도 있는 것이 경험적으로 알려져 있다. 이러한 관계로부터, 조선·항해의 분야에 있어서는 유의 파고(h)를 선체의 안정도나 전복의 위험성에 미치는 기준으로서 사용하는 것이 일반적이다.

유의 파고의 개념에 기초했을 때, 해상의 충파는 파고뿐 아니라 다양한 파장의 파도가 겹친 현상이 된다. 이 때문에 단순히 파고뿐 아니라 선체(7)의 기울기에 영향을 미치는 파장도 고려하지 않으면 안된다. 이 기술에 맞춰 전복 위험도를 고려한 경우에 가장 위험해지는(선체(7)를 경사지게 하기 쉬운) 것은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 파고(h)의 파장이 수학식 5를 사용하여 산출되는 폭 「b」와 동일해지는 상황이다. 도 9는 도 8에 있어서 전복 한계 동요 반경 「l_max」 - 동요 반경 「l」이 0이 되는 위치에서의 전복 한계 동요 반경 「l_max」가 그리는 원의 접선의 각도에 그러한 파장의 파면이 도달했을 때이다. 이 상황을 이미지화한 것이다. 이때의 선박(7)의 가로 흔들림 경사각 「θ_h」는 수학식 5를 사용하여 산출되는 폭 「b」와 파고(h)를 사용하여 다음과 같이 정의할 수 있다.

따라서 선박(7)이 풍파에 의해 동요 중이라도 전복되지 않는 파고(h)의 조건은 전복 한계 경사각도 「θ_max」를 사용하여 다음 식으로 나타낼 수 있다.

따라서 데이터 처리장치(2)의 연산부(21)에 의해 전복 한계 경사각도 「θ_max」로부터 선박(7)이 풍파에 의해 동요 중이라도 전복되지 않는 파고(h)를 산출하여 출력하는 것도 가능하고, 또한 파고(h)를 입력함으로써 입력된 파고(h)와 전복 한계 경사각도 「θ_max」의 비교 결과를 전복 위험도로서 알리도록 구성해도 된다.

또한 전술한 바와 같이 유의 파고의 개념에 기초할 때, 해상에서는 다양한 파고·파장이 겹쳐 가는 것으로부터, 도 9에 나타낸 조건을 해상의 선박(7)의 전복 한계의 유효한 기준으로 생각하는 것은 타당하다. 이에 더하여, 유의 파고의 특질로부터 빈도는 극히 적더라도 유의 파고의 가정보다 1.6배에 미치는 파고가 출현하는 경우가 있을 수 있기 때문에, 본 기준에 유의 파고를 적용한다면 그것은 선박(7)의 전복 한계의 기준으로서는 필요 최저한의 위치 정함으로 해야만 하고, 보다 안전하게는 유의 파고의 1.6배의 파고를 기준으로 하면 된다.

(전복 위험도 산출예 1)

본 실시형태의 전복 위험도 연산 시스템을 선박 A, B에 장착하고, 전복 위험도를 산출시킨 예를 도 10에 나타낸다. 선박 A, B의 선체 정보는 기지로써, 선체 정보를 토대로 기존 조선학에 기초하여 GM(메타센터(M)와 무게중심(G)을 잇는 선분의 길이)이 구해지고 있다

GM이 1.75(m)인 선박 A에 본 실시형태의 전복 위험도 산출 시스템을 장착하고 전복 위험도를 산출시킨 결과, GM에 대응하는 전복 한계 동요 반경 「l_max」 - 동요 반경 「l」은 1.8 m가 되었다. 또한 전복 한계 경사각도 「θ_max」는 52.9°가 되어 충분하게 안전한 것인 것을 알 수 있었다. 게다가 전복 한계 경사각도 「θ_max」와 가로 흔들림 경사각 「θ_h」가 거의 일치하는 파고(h)는 9.6 m가 되어 파고(h)가 거의 10 m로, 선박 A는 전복 위험으로 간주되는 결과가 되었다.

GM이 1.36(m)인 선박 B에 본 실시형태의 전복 위험도 산출 시스템을 장착하고 전복 위험도를 산출시킨 결과, GM에 대응하는 전복 한계 동요 반경 「l_max」 - 동요 반경 「l」은 1.22 m가 되었다. 또한 전복 한계 경사각도 「θ_max」는 40.9°가 되어 충분하게 안전한 것인 것을 알 수 있었다. 게다가 전복 한계 경사각도 「θ_max」와 가로 흔들림 경사각 「θ_h」가 거의 일치하는 파고(h)는 5.7 m가 되어 파고(h)가 거의 6 m로, 선박 B는 전복 위험으로 간주되는 결과가 되었다.

(전복 위험도 산출예 2)

도 11(a)에 나타내는 바와 같은 선폭이 0.22 m인 사각형의 모형선(90)을 해수면에 띄우고, 모형선(90)에 본 실시형태의 전복 위험도 산출 시스템을 장착하여 전복 위험도를 산출시켰다. 모형선(90)에는 안정적으로 수면 상에 띄우기 위해 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 누름돌(91)을 선저 좌우 중앙에 배치하였다. 그리고 무게를 무시할 수 있는 경량의 대좌(臺座)(미도시)를 누름돌(91) 아래에 순차 삽입함으로써, 선저로부터 누름돌의 무게중심 위치(G)까지의 무게중심 높이의 위치를 변화시켜, 각각에 대해서 전복 위험도를 산출시키고 그 산출 결과를 도 12에 나타낸다. 또한 도 13은 도 12에 나타내는 산출 결과에 있어서의 θ_max를 세로축에 취하고, 무게중심 높이의 위치를 가로축에 취한 산포도이다.

도 13을 참조할 때, 모형선(90)의 전복 한계 경사각도 「θ_max」는 무게중심 높이 위치와 함께 거의 2차 곡선적으로 감소해 가서, 그 트렌드의 연장선은 모형선(90)이 전복되어 버린 무게중심 높이 위치에도 거의 일치하고 있다. 따라서 본 실시형태의 전복 위험도 산출 시스템에 의해 산출된 전복 한계 경사각도 「θ_max」는 무게중심 높이 위치에 따른 모형선(90)의 전복 위험도를 나타내고 있는 것으로 생각된다.

또한 도 12를 참조할 때, 파고(h)를 0.6 m로 한 경우에는 전복 한계 경사각도 「θ_max」가 37.9 미만으로 「θ_max」 - 「θ_h」가 마이너스가 되어 전복되어 버리는 산출 결과가 되었다. 이는 모형선(90)의 선저로부터의 무게중심 높이 위치를 더욱 높여 간 경우는, 전복 한계 경사각도 「θ_max」가 30도 이하인 경우에 있어서도 이 모형선은 전복되어 버리게 되어, 도 13에 나타내는 2차 곡선의 트렌드와 합치한다.

또한 본 실시형태에서는 진동 검출부(1)와 데이터 처리장치(2)를 케이블과 접속하여 사용하도록 구성하였으나, 진동 검출부(1)와 데이터 처리장치(2)를 무선으로 접속하도록 해도 된다. 이 경우에는 진동 검출부(1)와 데이터 처리장치(2)를 일체로 설치할 필요가 없고, 데이터 처리장치(2)의 일부 또는 전부의 기능을 진동 검출부(1)로부터 분리시켜, 예를 들면 육상에 설치할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태는 선박(7)의 상하방향의 왕복운동을 가상의 동요 중심축(O)의 상하방향의 동요로서 검출하는 가속도 센서(4), 선박(7)의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 선박(7)의 무게중심(G)의 동요 중심축(O)을 중심으로 하는 단진자 운동으로서 검출하는 각속도 센서(5), 및 가속도 센서(4) 및 각속도 센서(5)의 검출 결과를 토대로 얻어지는 동요 중심축(O)과 선박(7)의 무게중심(G)을 잇는 동요 반경(l)과, 동요 중심축(O)과 선박(7)의 메타센터(M)를 잇는 전복 한계 동요 반경(L_max)을 전복 위험도로서 산출하는 연산부(21)를 구비하고 있다. 이 구성에 의해, 선박의 상하방향의 왕복운동과 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 토대로 전복 위험의 지표가 되는 GM을 산출할 수 있다. 또한 이 산출에는 선체 정보를 사용할 필요가 없기 때문에, 선박(7)의 주변 환경이나 선박(7)의 상태에 따라 변화되는 GM을 실시간으로 산출할 수 있다.

또한 본 실시형태에 의하면 연산부(21)는 동요 반경(l)과 전복 한계 동요 반경(l_max)을 토대로 하는 전복 한계 경사각도(θ_max)를 전복 위험도로서 산출하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의해 선체 정보를 사용하지 않고, 선박의 상하방향의 왕복운동과 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 토대로, 전복 위험의 지표가 되는 전복 한계 경사각도(θ_max)를 산출할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.

또한 본 발명이 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술사상의 범위 내에 있어서 각 실시형태는 적절히 변경될 수 있는 것은 명확하다. 또한 상기 구성 부재의 수, 위치, 형상 등은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명을 실시하는데 있어서 적합한 수, 위치, 형상 등으로 할 수 있다. 또한 각 도면에 있어서 동일 구성 요소에는 동일 부호를 부여하고 있다.

1　진동 검출부
2　데이터 처리장치
3　기준판
4　가속도 센서
5　각속도 센서
6　A/D 변환기
7　선박
21　연산부
22　기억부
23　조작부
24　알림부
25　수신부
26　버스
31　장착공
32　Y축선
33　X축선
80　스프링
81　스프링 구조체
82　물체
83　요동 중심축

Claims

선박의 상하방향의 왕복운동을 가상의 동요 중심축 상하방향의 동요로서 검출하는 상하방향 검출수단,
상기 선박의 중심축을 중심으로 한 롤링방향의 단진자 운동을 상기 선박의 무게중심의 상기 동요 중심축을 중심으로 하는 단진자 운동으로서 검출하는 롤링방향 검출수단, 및
상기 상하방향 검출수단 및 상기 롤링방향 검출수단의 검출 결과를 토대로 얻어지는 상기 동요 중심축과 상기 선박의 무게중심을 잇는 동요 반경과, 상기 동요 중심축과 상기 선박의 메타센터를 잇는 전복 한계 동요 반경을 전복 위험도로서 산출하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전복 위험도 산출 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연산수단은 상기 동요 반경과 상기 전복 한계 동요 반경을 토대로 하는 전복 한계 경사각도를 상기 전복 위험도로서 산출하는 것을 특징으로 하는 전복 위험도 산출 시스템.