KR20180110650A - 현존하는 해상 부유체에 설치되는 파고 측정 장치 - Google Patents

Abstract

현존하는 해상 부유체에 설치되는 파고 측정 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 파고 측정 장치는 현존하는 해상 부유체(1)에 설치되는 파고 측정 장치(10)로서, 상하간 일정 간격을 가지고 수직으로 적층되어 다단으로 이루어지는 부품 설치 격실(400)과, 부품 설치 격실(400)의 최하단에 고정 배치되는 제1 중량의 배터리(402)와, 부품 설치 격실(400)의 최상단에 고정 배치되는 제2 중량의 기압계(404), 및 부품 설치 격실(400)에서 배터리(402)와 기압계(404) 사이에 고정 배치되는 제3 중량의 GPS(406) 및 제어부;를 포함하되, 제1 중량은 제3 중량보다 크고, 제2 중량은 제1 중량과 제3 중량의 사이값으로 이루어지며, 상기 제어부에서 이루어지는 파고 알고리즘은 p-p 전압 데이터를 높이순으로 정렬하였을 때, p-p 전압 데이터의 상단부에서 10 ~ 15%를 제거하는 단계, 및 p-p 전압 데이터의 하단부에서 5 ~ 7%를 제거하는 단계를 수행하되, 상기 제거의 범위는 해양 부유체의 롤링과 피칭이 발생하는 경우를 감안하여 풍속에 따라 풍속이 강하면 제거 범위를 높이고 풍속이 약하면 제거 범위를 줄이는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 파고 측정 장치는 해상 등명기나 등부표와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치되므로 설치 비용이 획기적으로 줄어들면서도 전용의 파고 측정 장치에 의하여 측정되는 파고 데이터와의 편차가 적어 비교적 정확한 파고 측정이 가능하다.

Description

현존하는 해상 부유체에 설치되는 파고 측정 장치{Wave height measuring device which is installed to existing floating body on the sea}

본 발명은 파고 측정 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 해상 등명기나 등부표와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치되는 파고 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 현재 해안 및 해양공학에서 사용되는 파고의 조사에 사용되는 파고 계측법으로는, 크게 해면의 변화에 따르는 물리량의 변화를 계측하여 이로부터 간접적인 해면의 승강을 구하는 간접계측법과, 해면의 승강을 직접 측정하는 직접계측법이 있다.

다시, 전자적 간접계측법으로는, 기압변화를 이용하는 방법, 가속도변화를 이용하는 방법 (부표식 파고계), 부력변화를 이용하는 방법 (부력식 파고계), 수압변화를 이용하는 방법 (수압식 파고계) 등이 있다.

반면, 직접계측법으로는, 광학적 방법 (표주법, 실체사진법, 실체시식 파고계, 스타디아식 파고계), 음향학적 방법 (수중 발사형 초음파식 파고계, 공중발사형 초음파식 파고계), 기계적 방법 (부자식 파고계), 전기식 방법 (평행선식 파고계, 저항선식 파고계, 스텝식 파고계, 용량식 파고계) 등이 있다.

그런데, 종래의 간접 관측법인 수압식 파고계, 전기 저항을 이용한 용량식 파고계, 그리고 초음파를 이용한 파고계 등을 개발하여 사용되어 왔으나, 이들은 모두 기계 및 관측 센서가 해수에 위치하여 망실의 문제점이 있으며, 특히 모두 고가인 관계로 파고 관측에 많은 어려움을 주어왔다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 다른 파고 측정 장치가 대한민국 공개 특허 제10-2005-0099129호에 개시되어 있다. 상기 공개 특허에 개시된 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템은, 수면과 동일하게 움직이는 부표와 상기 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축으로 이루어지는 부표 수직축 조립체와, 상기 부표의 수직 운동의 영상을 정해진 시간 간격으로 촬영하는 촬상수단과, 상기 촬상수단에 의해 측정된 영상을 디지털영상으로 변환하는 디지털 영상 변환부, 및 상기 변환된 각각의 프레임의 디지털 영상으로부터 수직화소선을 분리하고, 분리된 각 수직화소선들을 집합시켜 파고변화를 추출해내는 영상분석 시스템을 포함하여 이루어진다.

하지만 상기와 같은 종래의 파고 측정 시스템은 수면과 동일하게 상하로 움직이며 영상 관측을 통한 파고 측정 시스템에 의해 측정되는 부표와, 부표의 수직 운동을 가이드하는 수직축으로 이루어지는 부표 수직축 조립체가 필요하므로 설치 비용이 높아 국가 또는 지자체에서 상당한 재정적 부담을 호소하고 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 등부표 장치 또는 해상 등명기와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치되어 파고를 측정하는 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 현존하는 해상 부유체에 설치되는 파고 측정 장치는,

현존하는 해상 부유체(1)에 설치되는 파고 측정 장치(10)로서,

상하간 일정 간격을 가지고 수직으로 적층되어 다단으로 이루어지는 부품 설치 격실(400)과;

부품 설치 격실(400)의 최하단에 고정 배치되는 제1 중량의 배터리(402)와;

부품 설치 격실(400)의 최상단에 고정 배치되는 제2 중량의 기압계(404); 및

부품 설치 격실(400)에서 배터리(402)와 기압계(404) 사이에 고정 배치되는 제3 중량의 GPS(406) 및 제어부;를 포함하되,

제1 중량은 제3 중량보다 크고, 제2 중량은 제1 중량과 제3 중량의 사이값으로 이루어지며,

상기 제어부에서 이루어지는 파고 알고리즘은 p-p 전압 데이터를 높이순으로 정렬하였을 때,

p-p 전압 데이터의 상단부에서 10 ~ 15%를 제거하는 단계; 및

p-p 전압 데이터의 하단부에서 5 ~ 7%를 제거하는 단계;를 수행하되,

상기 제거의 범위는 풍속에 따라 해양 부유체의 롤링과 피칭이 발생하는 경우를 감안하여 풍속이 강하면 제거 범위를 높이고 풍속이 약하면 제거 범위를 줄이는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 파고 측정 장치는 해상 등명기나 등부표와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치되므로 설치 비용이 획기적으로 줄어들면서도 전용의 파고 측정 장치에 의하여 측정되는 파고 데이터와의 편차가 적어 비교적 정확한 파고 측정이 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파고 측정 장치가 설치된 해상 등명기의 일예를 개략적으로 나타낸 정면도,
도 2는 도 1의 해상 등명기에 장착될 수 있는 본 발명에 따른 파고 측정 장치의 외관의 일예를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 전자적 구성 요소를 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 기계적 구성 요소를 나타낸 사시도,
도 5 및 도 6은 도 4의 정면도 및 배면도,
도 7은 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 MCU에서 이루어지는 주요 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도, 및
도 8은 본 발명에 따른 파고 측정 장치가 설치된 해상 등명기의 실제 사진의 일예.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파고 측정 장치가 설치된 해상 등명기의 일예를 정면도로써 개략적으로 나타내었다. 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 파고 측정 장치는 해상 등명기(1)나 등부표와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치된다. 즉, 본 발명에 따른 파고 측정 장치는 주위를 항해하는 선박에게 수심이 얕은 곳 또는 준설 공사와 같은 장애물의 존재나 항로를 표시하기 위하여 마커 또는 등(light)를 구비하고 풍속을 측정하는 풍속계(102)와 보조 전압을 생성하기 위한 태양광 패널(104), 스틸 마스트(106), 대용량 배터리가 장착되는 스틸 플로팅부(108), 발라스트(110), 해저 바닥에 고정되는 침추(112 : sinker), 및 연결선(114)로 이루어지는 해상 등명기(1)와 같은 현존하는 해상 부유체에 설치되는 것이다.

도 2에는 도 1의 해상 등명기에 장착될 수 있는 본 발명에 따른 파고 측정 장치의 외관의 일예를 나타낸 사시도로써 개략적으로 나타내었으며, 도 3에는 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 전자적 구성 요소를 블록도로써 나타내었으며, 도 4 내지 도 6에는 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 기계적 구성 요소를 사시도와 정면도 및 배면도로써 각각 나타내었다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 파고 측정 장치는 상하간 일정 간격을 가지고 수직으로 적층되어 다단으로 이루어지는 부품 설치 격실(400)과, 부품 설치 격실(400)의 최하단에 고정 배치되는 제1 중량의 배터리(402)와, 부품 설치 격실(400)의 최상단에 고정 배치되는 제2 중량의 기압계(404), 및 부품 설치 격실(400)에서 배터리(402)와 기압계(404) 사이에 고정 배치되는 제3 중량의 GPS(406) 및 제어부를 포함하되, 제1 중량은 제3 중량보다 크고, 제2 중량은 제1 중량과 제3 중량의 사이값으로 이루어진다.

도 7에는 본 발명에 따른 파고 측정 장치에 구비되는 MCU에서 이루어지는 주요 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도를 나타내었다.

도 7을 참조하면, MCU에서는 통신포트, 타이머, 및 메모리카드 초기화를 수행하고 외부 장치의 전원 공급이 개시된다(단계 S700)한다. 이 과정에서는 WDT(WatchDogTimer), EEPROM, 16비트 8 채널 시리얼 출력 샘플링 AD 컨버터인 ADS8344의 초기화도 이루어진다.

다음으로, SRAM, EEPROM 변수 설정 처리와 같은 변수 설정 처리와 GPS 제어 및 신호 처리, IMU 제어 및 신호처리, 온도센서인 PT100 제어 및 신호처리, CDMA 제어 및 신호처리, 콘솔 데이터처리, 마이크로 SD 카드 처리와 같은 제어 및 신호 처리 설정이 수행된다(단계 S702).

다음으로, 센서 모드 선택 및 설정이 이루어진다(단계 S704). 센서모드에서는 이후에서 설명되는 데이터 읽기 및 파고 알고리즘이 수행되고 센서모드가 아닌 경우에는 대기 모드로 들어가고 타이머 동작이 시작된다.

센서모드에서는 데이터 읽기 및 파고 알고리즘이 수행된다(단계 S706).

먼저, 파고에 해당하는 얻고자 하는 데이터의 원시 데이터에 해당하는 p-p 전압 데이터를 얻는 과정을 설명한다. 본 발명에서는 수면과 동일하게 움직이는 해상 부유체의 수직운동을 인지하여 가속도 센서, 바람직하게는 3축 또는 9축의 가속도 센서를 이용하며, 가속도 센서에 의하여 얻어진 아날로그 값을 AD 변환부에서 디지털 데이터로 변환하고 AD 변환된 데이터를 스펙트럼 분석을 통하여 등부표의 수직 운동중 일정 시간동안 측정된 파고의 높은 값을 정렬하여 최고치로부터 대략 1/3 지점까지의 값을 취하는데, 본원 발명에서는 이 과정에서 p-p 전압데이터의 상단부에서 10 ~ 15%에 해당하는 범위를 제거하고, p-p 전압데이터의 하단부에서 5 ~ 7%에 해당하는 범위를 제거하여 측정 파고 데이터 값으로 사용하며, 그 제거되는 범위는 풍속에 따라 풍속이 강하면 제거 범위를 높이고 풍속이 약하면 제거 범위를 줄이는 것을 특징으로 한다.

검교정이 완료된 파고 측정 장치에 의한 파고 측정 결과를 100%라 할 때, 본 발명에 따른 파고 측정 장치에서 얻어진 p-p 전압 데이터중에서 최상단부 데이터를 일정 범위까지 제거한 데이터를 비교한 결과를 %로 비교 평가하였다.

[풍속이 1 ~ 2 m/sec로 낮은 경우, 상단부 데이터 제거 비교 실험]

	로데이터	5% 제거	10% 제거	12% 제거	15% 제거	20% 제거
파고값(%)	112%	102%	90%	82%	75%	67%

[풍속이 3 ~ 4 m/sec로 보통인 경우, 상단부 데이터 제거 비교 실험]

	로데이터	5% 제거	10% 제거	12% 제거	15% 제거	20% 제거
파고값(%)	125%	115%	103%	92%	89%	72%

[풍속이 10 ~ 15 m/sec로 강한 바람인 경우, 상단부 데이터 제거 비교 실험

	로데이터	5% 제거	10% 제거	12% 제거	15% 제거	20% 제거
파고값(%)	138%	125%	112%	108%	99%	85%

위의 표 1 내지 표 3을 참조하면 풍속이 약한 경우에는 상단부 데이터에서5 % 정도 범위를 삭제한 경우 실제 파고값과 유사한 결과를 얻었으며, 풍속이 보통인 경우에는 상단부 데이터에서 10 % 정도 범위를 삭제한 경우 실제 파고값과 유사하고, 풍속이 강한 경우에는 상단부 데이터에서 20 % 정도 범위까지 삭제하여야 실제 파고값과 유사한 결과를 얻었다.

[풍속이 1 ~ 2 m/sec로 낮은 경우, 하단부 데이터 제거 비교 실험]

	로데이터	2% 제거	5% 제거	6% 제거	7% 제거	10% 제거
파고값(%)	112%	107%	98%	82%	75%	67%

[풍속이 3 ~ 4 m/sec로 보통인 경우, 하단부 데이터 제거 비교 실험]

	로데이터	2% 제거	5% 제거	6% 제거	7% 제거	10% 제거
파고값(%)	115%	111%	107%	99%	85%	72%

[풍속이 10 ~ 15 m/sec로 강한 바람인 경우, 하단부 데이터 제거 비교 실험]

	로데이터	2% 제거	5% 제거	6% 제거	7% 제거	10% 제거
파고값(%)	127%	116%	108%	106%	99%	92%

위의 표 4 내지 표 6을 참조하면 풍속이 약한 경우에는 하단부 데이터에서5 % 정도 범위를 삭제한 경우 실제 파고값과 유사한 결과를 얻었으며, 풍속이 보통인 경우에는 상단부 데이터에서 6 % 정도 범위를 삭제한 경우 실제 파고값과 유사하고, 풍속이 강한 경우에는 상단부 데이터에서 7 % 정도 범위까지 삭제하여야 실제 파고값과 유사한 결과를 얻었다.

또한, 상하간 일정 간격을 가지고 수직으로 적층되어 다단으로 이루어지는 부품 설치 격실(400)과, 부품 설치 격실(400)의 최하단에 고정 배치되는 제1 중량의 배터리(402)와, 부품 설치 격실(400)의 최상단에 고정 배치되는 제2 중량의 기압계(404), 및 부품 설치 격실(400)에서 배터리(402)와 기압계(404) 사이에 고정 배치되는 제3 중량의 GPS(406) 및 제어부를 포함하도록 구성하되, 제1 중량은 제3 중량보다 크고, 제2 중량은 제1 중량과 제3 중량의 사이값으로 이루어지게 하는 경우가 안정적인 데이터 추출이 가능하였다. 이는 해상의 파고에 의하여 롤링과 피칭이 발생하는 경우에 하단 부분이 가장 무겁고 중간 부분은 상단과 하단의 중량에 비해 작게 구성함으로써 가속 센서에서 순간적인 데이터값 상승 및 변동이 발생함이 그렇지 않은 경우에 비하여 가장 작아 안정적인 데이터 추출이 가능한 것으로 추정된다.

이와 같이 얻어진 파고 데이터를 CDMA 통신 또는 위성 통신을 통하여 SMS 메시지 형태로 전송되어 해상 부유체에서의 수직 운동을 파고로 활용할 수 있게 된다. 이러한 작용을 하기 위하여 요구되는 전원과 관련하여, 해상용 등명기에는 대용량의 배터리가 장착되어 있으므로 그 전원을 이용하는 것이 가능하므로 설치 비용이 대폭 절감될 수 있으면서도 전용의 파고 측정 장치와 실질적으로 근접한 파고 측정값을 얻을 수 있고 연안의 넓은 지역에 기 설치된 해상용 등명기를 사용할 수 있기 때문에 실질적으로 연안 지역에 설치하기 어려운 전용의 파고 측정 장치에 비하여 넓은 연안의 파고측정도 가능하다는 장점이 있다.

도 8에 본 발명에 따른 파고 측정 장치가 설치된 해상 등명기의 실제 사진의 일예를 나타내었다. 도 8을 참조하면 기존의 해상용 등명기 상단에 본원 발명에 따른 파고 측정 장치를 설치하는 것이 가능하여, 별도의 파고 부이를 구축하지 않고도 국내의 전국에 설치된 4,000여개의 부유체에 적용할 수 있고 이미 위치 정보가 등록되어 있으므로 수정없이 바로 장작이 가능할 뿐만 아니라 유지 및 보수를 위한 전원 교체등도 자체 전원 이용 및 등부표의 전원을 이용할 수 있어 설치 비용 및 시간등을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 측정된 데이터를 사용하여 전국 연안 및 해안의 등부표가 설치된 곳의 파고 및 해양 환경을 안전하고 편리하게 이용할 수 있고 주변의 선박 항해에도 도움을 줄 수 있다.

Claims (1)

1. 현존하는 해상 부유체(1)에 설치되는 파고 측정 장치(10)에 있어서,
   상하간 일정 간격을 가지고 수직으로 적층되어 다단으로 이루어지는 부품 설치 격실(400);
   부품 설치 격실(400)의 최하단에 고정 배치되는 제1 중량의 배터리(402);
   부품 설치 격실(400)의 최상단에 고정 배치되는 제2 중량의 기압계(404); 및
   부품 설치 격실(400)에서 배터리(402)와 기압계(404) 사이에 고정 배치되는 제3 중량의 GPS(406) 및 제어부;를 포함하되,
   제1 중량은 제3 중량보다 크고, 제2 중량은 제1 중량과 제3 중량의 사이값으로 이루어지며,
   상기 제어부에서 이루어지는 파고 알고리즘은 p-p 전압 데이터를 높이순으로 정렬하였을 때,
   p-p 전압 데이터의 상단부에서 10 ~ 15%를 제거하는 단계; 및
   p-p 전압 데이터의 하단부에서 5 ~ 7%를 제거하는 단계;를 수행하되,
   상기 제거의 범위는 풍속에 따라 해양 부유체의 롤링과 피칭이 발생하는 경우를 감안하여 풍속이 강하면 제거 범위를 높이고 풍속이 약하면 제거 범위를 줄이는 것을 특징으로 하는 현존하는 해상 부유체(1)에 설치되는 파고 측정 장치.

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