KR20200002524A - 선박의 시마진 도출 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출 시스템은, 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 상기 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 시마진(sea margin)을 도출하기 위한 선박의 시마진 도출 장치 및 상기 선박의 시마진 도출 장치의 각종 데이터들이 저장되는 장치 데이터베이스에 의해 상기 선박의 시마진을 도출하는 시스템으로서, 상기 장치 데이터베이스에는 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 추출된 운항정보, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 선체오염효과계수가 저장되어 있으며, 상기 선박의 시마진 도출 장치는, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 선체오염효과계수, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출하고, 상기 선박이 정수 중 운항을 조건으로, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출하고, 상기 도출된 엔진의 제 1 RPM으로부터 상기 엔진의 제 1 출력을 산출하고, 상기 도출된 엔진의 제 2 RPM으로부터 상기 엔진의 제 2 출력을 산출하여, 시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)을 통해 선박의 시마진을 도출하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 시마진 도출 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING SEA MARGIN OF A VESSEL AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM THEREOF}

본 발명은 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 상기 선박의 시마진을 도출할 수 있는 선박의 시마진 도출 시스템 및 방법과, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.

고유가로 인해 선박의 경제적인 효율성을 연료소모량 측면에서 평가하게 되면서, 더 높은 효율성을 갖는 선박의 설계 요구가 선주로부터 제기되어 왔다.

최근 에너지효율지수(EEDI : Energy Efficiency Design Index), 에너지효율지표(EEOI : Energy Efficiency Operational Indicator) 및 에너지효율관리계획(EEMP : Energy Efficiency Management Plan)의 적용에 관한 논의가 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)를 중심으로 이루어지고 있다. 특히 선박의 건조 및 시운전 단계에서부터 에너지효율지수를 고려하여 선박의 성능을 평가하도록 국제표준화기구의 규정이 갱신되기도 하였다.

요점은 모형시험결과 및 시운전결과를 근거로 계약서 및 요구 사양서에 명시된 선박의 최소요구성능을 판단하는 것이 아니라, 다양한 환경 조건에서 운항하게 될 선박의 실제 성능의 추정값을 기준으로 판단하겠다는 것이다.

이와 같은 변화는 설계단계에서 이상적인 운항조건을 전제로 추정된 선박의 성능을 다양한 환경조건 및 운항조건을 고려하여 건조된 선박의 성능을 검증하고 싶은 선주의 요구와 그간 실선 성능의 추정과 검증에 대하여 연구를 수행해 온 각 조선소의 기술개발 방향과 그 맥락을 같이하고 있다.

이와 같이 고유가 시대를 거치면서 선박의 운항 효율성 향상이라는 이슈가 주요한 의제로 떠오르면서 선박의 운항 데이터를 모니터링하고, 실제 선박의 성능을 추정하는 다양한 접근이 이루어지고 있다.

주로 선단을 운영하는 해운회사에서 다수의 선박의 운항상태를 모니터링한 후 빅데이터 관점에서 통계적인 접근을 하는 경우가 많으나, 조선소에서는 초기 설계를 위해 선박의 저항, 추진, 운동, 조종 등 요소기술의 관점에서 물리적으로 선박의 성능을 추정하는 기법 연구의 필요성이 제기되고 있다.

또한, 이러한 실선 운항성능의 추정뿐만 아니라, 선박의 시마진(Sea Margin)을 추정해 달라는 요구가 선주로부터 제기되고 있다.

한편, 선박의 유효 마력이나 엔진의 마력은 선저 또는 프로펠러에 부착물이 없는 선박이 수심, 수면폭, 풍향의 영향이 없는 상태로 직진하는 경우에 대한 것이다. 그러나 실제 운항하고 있는 선박은 이런 이상적인 상황에 대한 마력에 실제 항해 상태를 고려한 마력을 더해주어야 한다. 이처럼 가산해 주어야 할 마력의 크기를 시마진이라고 한다. 시마진은 항로, 계절, 선형, 기관종류, 속도, 출항 후 운행 일수 등 여러 조건에 따라 달라지므로 간단히 정할 수 없으며, 일반적으로 선박의 엔진 출력의 15% 내지 30% 정도로 추정하고 있을 뿐이다.

시마진은 주문주 및 용선주가 기존 운용 중인 선박 운항 데이터를 기준으로 선정하여 제시하는 값으로, 구체적으로 계산하는 방법이나 추측하는 방법이 정해져 있지 않은 실정이다.

따라서 선박의 시마진을 정확하게 예측하거나 추정할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래 기술적 요구를 해결하기 위해 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 선박의 저항, 자항, 운동, 조종 등의 물리적인 근거에 의거하여 선박의 시마진을 도출할 수 있는 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박의 시마진 도출 시스템은, 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 상기 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 시마진(sea margin)을 도출하기 위한 선박의 시마진 도출 장치 및 상기 선박의 시마진 도출 장치의 각종 데이터들이 저장되는 장치 데이터베이스에 의해 상기 선박의 시마진을 도출하는 시스템으로서, 상기 장치 데이터베이스에는 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 추출된 운항정보, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 선체오염효과계수가 저장되어 있으며, 상기 선박의 시마진 도출 장치는, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도 및 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출하고, 상기 선박이 정수 중 운항을 조건으로, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출하고, 상기 도출된 엔진의 제 1 RPM으로부터 상기 엔진의 제 1 출력을 산출하고, 상기 도출된 엔진의 제 2 RPM으로부터 상기 엔진의 제 2 출력을 산출하여, 시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)을 통해 선박의 시마진을 도출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터로부터 추출된 상기 운항정보는 상기 선박의 위치, 선수각 및 흘수일 수 있다.

또한, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 ECMWF로 획득한 바람 및 파도에 관한 정보일 수 있다.

또한, 상기 조종운동방정식은, 상기 선박의 선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 횡방향의 동유체력, 및 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것으로, 상기 선박에 작용하는 각각의 동유체력을 선체, 프로펠러 및 러더 별로 각각 수학모형을 구성하고, 상기 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 방정식일 수 있다.

또한, 상기 선박의 시마진 도출 장치는, 상기 선박의 운항명령속도와, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 추출된 상기 선박의 초기 위치, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하고, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 목표점을 설정하며, 상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 러더각을 계산하고, 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하며, 상기 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션할 수 있다.

또한, 상기 선박의 시마진 도출 장치는, 상기 계산된 러더각으로 러더의 러더각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 상기 엔진의 제 1 RPM 및 상기 엔진의 제 2 RPM을 도출할 수 있다.

또한, 상기 선박의 시마진 도출 장치는, 상기 장치 데이터베이스에 저장되어 있는 상기 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 고려하여 제 1 RPM을 도출할 수 있다.

또한, 상기 선박의 선체오염효과계수는 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 선박의 시마진 도출 방법은, 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 상기 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 선박의 시마진(sea margin)을 도출하는 방법으로서, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정하는 제 1 단계; AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 운항정보를 추출하고, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 획득하며, 상기 선박의 운항명령속도를 입력하는 제 2 단계; 상기 추출된 운항정보, 상기 획득한 해상환경정보, 상기 입력된 운항명령속도와 상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출하는 제 3 단계; 상기 추출된 운항정보, 상기 입력된 운항명령속도와 상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출하는 제 4 단계; 상기 제 1 RPM으로부터 상기 엔진의 제 1 출력을 산출하고, 상기 제 2 RPM으로부터 상기 엔진의 제 2 출력을 산출하는 제 5 단계; 및 상기 제 1 출력 및 상기 제 2 출력으로부터, 시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)을 이용하여 선박의 시마진을 도출하는 제 6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터로부터 추출된 상기 운항정보는 상기 선박의 위치, 선수각 및 흘수일 수 있다.

또한, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 ECMWF로부터 획득한 바람 및 파도에 관한 정보일 수 있다.

또한, 상기 제 1단계는, 상기 선박의 선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 횡방향의 동유체력, 및 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것으로, 상기 선박에 작용하는 각각의 동유체력을 선체, 프로펠러 및 러더 별로 각각 수학모형을 구성하고, 상기 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 방정식을 설정할 수 있다.

또한, 상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 상기 제 3 단계 및 상기 제 4 단계 각각은, 상기 선박의 운항명령속도와, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 추출된 상기 선박의 초기 위치, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하는 A 단계; 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 목표점을 설정하는 B 단계; 상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 러더각을 계산하는 C 단계; 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하는 D 단계;를 포함하고, 상기 D 단계의 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 상기 D 단계의 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션할 수 있다.

또한, 상기 계산된 러더각으로 러더의 러더각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 상기 엔진의 제 1 RPM 또는 상기 엔진의 제 2 RPM을 도출하는 E 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 단계는, 상기 선박의 선체오염효과계수를 추가로 입력하고, 상기 제 3 단계는, 상기 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 고려하여 제 1 RPM을 도출할 수 있다.

또한, 상기 선박의 선체오염효과계수는 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 선박의 최적항로 도출 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 저항, 자항, 운동, 조종 등 전통적인 요소기술을 활용하여 물리적인 근거에 기반한 선박의 시마진을 도출할 수 있다.

또한, AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중 시뮬레이션에 필요한 선박의 운항정보, 해상환경정보와 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항성능을 분석할 수 있다.

또한, 분석된 선박의 운항성능을 통해 환경 하중의 유무에 따라 각각의 출력(동력)을 추정하고 이 차이를 환경 하중으로 인한 출력 즉, 동력의 증가분으로 산출함으로써 동력 증가분을 시마진 추정의 객관적 근거로 확보할 수 있고 이를 통해 다양한 선주의 요구에 대응할 수 있다.

또한, 선박의 선체오염효과의 계수를 통해 선박의 전저항 증가분을 추가로 고려함으로써 선박의 운항기간을 고려한 보다 객관적인 시마진을 도출할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선박의 시마진 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박의 시마진 도출 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 운항경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 결과와 실제 선박이 운항한 운항경로를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항명령속도가 20노트일 경우 환경 하중의 유무를 고려하면서 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 해당 선박의 운항속도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항명령속도가 12노트일 경우 환경 하중의 유무를 고려하면서 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 해당 선박의 운항속도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행하여 해당 선박의 운항속도와 평균 RPM, 환경 하중 유무에 따른 상대비율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행하여 해당 선박의 운항속도와 평균 출력, 환경 하중 유무에 따른 상대비율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항기간에 따른 속도 저하의 비율을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항기간에 따른 속도 저하의 비율을 선형화한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 환경 하중 및 선박의 선체오염효과계수를 고려한 선박의 시마진을 그래프로 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

및/또는 이라는 용어가 등장하는 경우 이는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 도 1 내지 도 12를 참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출 시스템 및 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 선박의 시마진 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박의 시마진 도출 방법을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 운항경로를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 결과와 실제 선박이 운항한 운항경로를 비교한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항명령속도가 20노트일 경우 환경 하중의 유무를 고려하면서 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 해당 선박의 운항속도를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항명령속도가 12노트일 경우 환경 하중의 유무를 고려하면서 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행한 해당 선박의 운항속도를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행하여 해당 선박의 운항속도와 평균 RPM, 환경 하중 유무에 따른 상대비율의 관계를 나타낸 도면이며, 도 9은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항경로에 따른 시뮬레이션을 수행하여 해당 선박의 운항속도와 평균 출력, 환경 하중 유무에 따른 상대비율의 관계를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항기간에 따른 속도 저하의 비율을 나타낸 도면이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 선박의 운항기간에 따른 속도 저하의 비율을 선형화한 그래프를 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 환경 하중 및 선박의 선체오염효과계수를 고려한 선박의 시마진을 그래프로 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출은, 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로를 따라 시뮬레이션을 수행함에 있어, 환경 하중이 있는 경우와 없는 경우 각각의 출력(동력)을 계산한 후, 평균 출력의 차이를 환경 하중이 없는 경우의 출력으로 나누고 이 값은 선박의 시마진으로 정의한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 선박의 시마진 도출 시스템은, 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 선박의 실제 운항성능을 분석하고 이를 통해 상기 선박의 시마진을 도출하기 위한 선박의 시마진 도출 장치 및 상기 선박의 시마진 도출 장치의 각종 데이터들이 저장되는 장치 데이터베이스로 구성된다.

상기 장치 데이터베이스에는 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 추출된 운항정보, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 선박의 운항명령속도, 및 상기 선박의 선체오염효과(fouling effect)계수가 저장되어 있다.

AIS는 선박 자동 식별 장치로, 운항 중인 모든 선박의 AIS 데이터를 수집한다. 이와 같이 수집된 선박의 AIS 데이터는 선박의 시각별로 현재 위치, 속도 및 흘수 등의 정보를 담고 있다.

이러한 AIS는 일정크기 이상의 선박에 의무적으로 탑재되는 장치로, 자 선박의 운항정보를 송신하고, 다른 선박의 운항정보를 수신함으로써 운항정보를 공유하는 장치이다. 이러한 AIS를 통해 다른 선박의 AIS 데이터를 취득하여 운항 안정성을 높이는데 이용되며, 육상에서도 현재 움직이는 선박의 AIS 데이터를 받을 수 있으며, 이를 데이터베이스로 구축해서 일정 기간 동안에 전 세계 AIS를 설치한 선박의 운항정보를 취득하는 것이 가능하다.

조선소와 해운선사에서 취득되는 실선 운항 정보는 AIS에서 제공 가능한 모든 정보를 포함하며, 별도의 실선계측장치를 통해 유사 정보를 취득할 수 있다.

상기 AIS 또는 상기 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 운항정보를 추출할 수 있다.

AIS 데이터 추출된 운항정보는 Static data, Dynamic data, Voyage related data, Safety related message 등이 포함하며, Static data 중에서는 1) IMO number를, Dynamic data 중에서는 1) Ship's position with accuracy indication and integrity status, 2) Time in UTC, 3) Speed over ground, Voyage related data 중에서는 1) Ship's draft 등을 활용할 수 있다. 또한, 별도의 실선계측장치를 통해 동일한 정보를 수집할 수 있다. 바람직하게는 상기 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 선박의 운항 성능을 분석하기 위한 운항정보는 선박의 위치, 선수각 및 흘수일 수 있다.

한편, 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 운항경로 상의 바람 및 파도에 관한 정보일 수 있다. 이러한 바람 및 파도에 관한 정보는 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 유럽중기예보센터), NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration, 미국국립해양대기국), NDBC(National Data Buoy Center, 국가부표자료센터) 등 다양한 소스(source)를 통해 획득할 수 있으며, 바람직하게는 ECMWF로부터 획득할 수 있다.

선박의 운항명령속도는 후술하는 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행함에 있어 선박의 기준이 되는 속도를 의미한다. 이러한 선박의 운항명령속도는 선박의 종류, 크기, 선형 등 다양한 요소를 고려하여 선정될 수 있고 통상 선박이 운항하는 속도인 5 내지 30 노트 사이의 범위에서 설정할 수 있다. 그러나 이러한 수치에 한정되는 것은 아니며 고속정의 경우 40 노트 이상의 범위를 설정할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 장치 데이터베이스에는 선박의 선체오염효과계수가 저장될 수 있다.

선박은 선체가 바닷물에 잠기는 흘수선 아래 부분에 조개나 따개비와 같은 다양한 종류의 해양생물이 부착하게 되는데 이러한 해양생물은 선체의 중량을 증가시킬 뿐만 아니라 저항을 증가시켜 연료소모량을 증대시키고, 항해 속도를 저하시키는 요인으로 작용한다. 때문에 건조 중인 선박이 안벽에 정박하고 있는 경우는 물론, 운항 중인 선박의 경우에도 일정기간의 운항 후 리도킹하여 선체에 부착된 해양생물을 제거하는 작업을 정기적 또는 부정기적으로 실시하고 있으며, 통상 선박의 리도킹 기간은 1 ~ 5년 사이에서 결정되는 것이 일반적이다.

본 발명에 있어서 선체오염효과계수는 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출될 수 있다.

구체적으로는 도 10 및 11에 도시한 바와 같이 선박의 운항기간에 따른 속도 저하의 비율을 통해 이를 선형화한 대표값으로 선체오염효과계수를 설정할 수 있다. 도 10의 경우 운항기간이 3년차가 되면서 첫 번째 리도킹을 통해 선체에 부착된 해양생물을 제거하는 작업을 실시하였고 이후 2 번의 리도킹이 더 있음을 알 수 있다. 리도킹 전까지 선박의 속도는 꾸준히 저하하고 리도킹을 통해 선체에 부착된 해양생물을 제거하는 작업을 실시함으로써 다시 선박의 속도가 올라가는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 선체오염효과계수는 환경 하중이 있는 경우의 출력을 계산함에 있어 전저항 증가분을 고려하는 요소로 이용된다. 이러한 선체오염효과계수는 실선 운항 데이터를 기반으로 하여 획득할 수도 있고 공지된 알고리즘과 방법에 의해 획득할 수도 있으므로 획득 또는 도출하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 운항기간별 선박의 속도 저하율을 나타내는 값이면 충분하다.

이하, 본 발명에 따른 선박의 시마진 도출 시스템에 있어서 선박의 시마진 도출 장치 작용을 설명한다.

선박의 시마진 도출 장치는 전술한 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, AIS 데이터 또는 실선계측데이터로부터 추출된 운항정보, 선박의 운항명령속도와 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 RPM을 도출할 수 있다.

상기 조종운동방정식은 대상 선박에 대해 모형시험결과 또는 시운전 결과가 있으므로 선박의 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 이용하여 수학모형을 검증하여 대상 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 구성한다.

본 발명에 따른 조종운동방정식은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서 m은 선박의 질량, Izz는 선박의 질량 관성모멘트를 의미한다. u,v는 각각 선박의 종 방향 속도와 횡방향 속도를 가리키며,

,

은 선박의 속도 시간 변화율을 의미한다. r은 선박의

위치의 선체 중앙부를 기준으로 회전하는 각속도를,

은 각속도의 시간변화율을 가리킨다. X, Y, N은 각각 선체에 작용하는 종방향, 횡방향의 힘과 요모멘트를 의미한다.

선체에 작용하는 힘과 모멘트는 수학식 2로 나누어 정리할 수 있다. 아래 첨자 H는 선체를 의미하며, P는 프로펠러, R은 러더, WI는 바람, WA는 파도를 의미한다.

여기서, X, Y, N는 각각 수학식 3 내지 12에 의해 계산될 수 있다.

여기서, m _x , n _y 는 종방향 및 횡방향의 부가된 질량이고, L _pp 는 선박의 수선간 길이이고, T는 선박의 흘수이고, U는 선박이 실제로 움직이는 속력이고, ρ는 해수의 밀도이며, β는 편류각이다. 이때, 선박의 흘수가 이전 단계의 흘수(초기 흘수 또는 목표점으로 이동하기 전의 흘수)와 다른 경우, 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트의 저항계수를 선형보간하고, 재추정된 저항계수값을 반영한다.

여기서, ur은 대상 선박의 종방향 속도와 횡방향 속도의 곱이다.

여기서 x_G는 길이방향 무게중심(LCG)의 위치부터 선박의 중심까지의 거리이다.

여기서 t는 추력감소계수이고, ρ는 해수의 밀도이고, n은 프로펠러의 RPM/60이며, D _p 는 프로펠러의 지름이며, K _T 는 추력계수이다. t와 K _T 는 모형시험을 통해서 획득된다.

여기서, t_R은 선체와 러더 간의 간섭계수이고, F_N은 러더에 작용하는 직압력(port, stbd는 방향을 의미),

및

은 러더각이다.

여기서, α _H 는 선체와 러더간 간섭계수이고, F_{N_PORT}는 해수의 밀도, 러더(PORT)면적, 입사각에 따른 러더(PORT) 양력계수의 기울기 및 유동입사각을 이용하여 계산되며, F_{N_STBD}도 마찬가지로 해수의 밀도, 러더(STBD) 면적, 입삭각에 따른 러더(STBD) 양력계수의 기울기 및 유동입사각을 이용하여 계산된다.

X_H는 선체와 러더 간 간섭계수이다.

또한, 선박의 조종운동방정식에서 바람 하중을 구하기 위해서는 상대 속도와 상대 입사각으로 정리되어야 하며, 아래의 수학식 10을 이용하여 계산될 수 있다.

여기서,

는 바람의 종 방향 상대 속도이고,

는 바람의 횡 방향 상대 속도를 가리킨다.

는 종 방향 상대 속도의 제곱과 횡 방향 상대 속도의 제곱을 더한 값을 제곱근으로 계산한 값이며,

는 선체에 입사되는 상대 입사각을 가리킨다.

선체에 작용하는 바람 하중은 아래의 수학식 11를 이용하여 계산된다.

여기서, C _X , C _Y , C _N 은 무차원화 된 풍하중 계수를 가리킨다. A_T는 선박의 수선면 위쪽의 종 방향 투영면적을 가리키며, A_L은 횡 방향 투영면적을 가리킨다. ρ _air 는 공기의 밀도를 가리키며, L _OA 는 선박의 전체 길이를 가리킨다.

파랑 하중은 수학식 12를 이용하여 계산될 수 있다. 파랑 평균 표류력만을 조종운동방정식에 파랑 하중으로 고려한다.

여기서, QTF는 파랑 평균 표류력을 가리키며, ω는 주파수, α는 파도 입사각도,

는 파의 진폭을 가리킨다. E(ω)는 ITTC(International Towing Tank Committee)파 스펙트럼을 의미한다. 선박의 이동속도, 평균 파도 주기, 파도의 방향에 따라 선형 보간을 한 뒤 파랑 하중을 조종운동방정식에 외력으로 고려한다.

한편, 상기 수학식 2의 경우 선체, 프로펠러, 러더, 바람 및 파도를 모두 고려하여 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 구하는 식이다. 이는 환경 하중을 고려하여 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 구하는 식이다.

여기서 바람 및 파도에 관한 인자를 빼면, 환경 하중을 고려하지 않은 즉, 정수 중 운항 조건에서 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 구하는 식이 된다.

선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 종방향의 동유체력과, 선체 및 러더에 작용하는 횡방향의 동유체력과, 선체 및 러더에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하는 것은 수학식 3 내지 9로 정의되며, 여기에 바람에 의한 하중은 수학식 10 및 11, 파도에 의한 하중은 수학식 12 및 13을 통해 구할 수 있다.

다시 말해, 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 획득하여 환경 하중을 고려하는 경우에는 수학식 3 내지 12를 통해 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 구할 수 있고, 정수 중 운항을 조건으로 하는 경우에는 바람과 파도에 의한 하중은 무시하고 선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 힘과 모멘트를 수학식 3 내지 9를 통해 구할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출 장치는, 환경 하중이 있는 경우를 전제조건으로 하여 상기 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하고 그 결과 엔진의 제 1 RPM을 도출한다. 그리고, 환경 하중이 없는 경우 즉, 정수 중 운항을 전제조건으로 하여 상기 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하고 그 결과 엔진의 제 2 RPM을 도출한다.

다시 말해, 환경 하중이 있는 것을 전제조건으로 하는 경우 도출된 RPM은 제 1 RPM으로 명명하고, 정수 중 운항을 전제조건으로 하는 경우 도출된 RPM은 제 2 RPM으로 명명한다.

환경 하중의 고려 여부는, 바람 및 파도를 고려하여 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 구하는지 여부만 차이가 있을 뿐 상술한 조종운동방정식을 통해 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 방법은 동일하다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출 장치가 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 과정을 상술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 시마진 도출 장치는 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 운항성능을 추정하기 위한 선박의 특정 구간을 설정받아 선박의 초기 위치, 초기 선수각, 초기 흘수, 운항명령속도를 초기 조건으로 설정하고, AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 선박의 이동경로 중에 목표점을 설정하여 초기조건에서 목표점으로 이동하기 위한 러더각을 계산하여 계산된 러더각과, 상술된 조종운동방정식 및 계수정보를 이용하여 목표점으로 이동하는 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요방향의 모멘트를 계산하여 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다.

이때, 초기조건에서 목표점으로 이동하기 위한 대상 선박의 흘수와 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하여 선박의 흘수와 초기흘수 또는 이전 목표점에서의 흘수가 같으면 설정된 조종운동방정식 및 계수정보를 이용하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고, 대상 선박의 현재 흘수와 초기 흘수 또는 이전 목표점에서의 흘수가 다르면 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 조종운동방정식을 이용하여 대상 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다. 선박의 초기 흘수 또는 이전 목표점에서의 흘수가 다르면 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수의 저항계수를 선형보간하고, 추정된 저항계수값을 반영하여 조종운동방정식을 풀이한다.

보다 구체적으로, 선박의 시마진 도출 장치는 상술된 목표점으로 이동하는 대상 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 상술된 수학식을 통해 계산하고, 계산된 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 이용하여 얻어진 엔진의 RPM과 러더의 러더각을 포함하는 결과를 근거로 대상선박의 실제 운항성능을 추정할 수 있다.

한편, 선박의 시마진 도출 장치는 상기한 시뮬레이션 프로세스에 의해 환경 하중이 고려된 경우와 환경 하중이 없는 즉, 정수 중 운항조건 각각 엔진의 RPM을 도출하고, 환경 하중이 고려된 경우를 제 1 RPM으로, 정수 중 운항조건의 경우 제 2 RPM으로 도출한다.

선박의 시마진 도출 장치는 상기 도출된 엔진의 제 1 RPM 및 제 2 RPM으로부터 각각 엔진의 제 1 출력과 제 2 출력을 산출할 수 있다.

통상 선박이 저항[R_T]을 받으면서 속도 V[m/s]로 항해하기 위해 필요한 동력 V로 표시한다. 여기에서 R_T ∝ V² (전저항은 속도의 거의 2승에 비례함)이므로 위의 식은 P ∝ V³로 바꿀 수 있다. 즉, 선박의 항해에 필요한 동력 즉, 출력은 속도의 3승에 비례한다.

이렇게 산출된 제 1 출력과 제 2 출력을 이용하여, 상기 선박의 시마진 시마진 도출 장치는 하기식을 통해 선박의 시마진을 구할 수 있다.

시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 시마진 도출 시스템은 환경 하중을 고려하여 제 1 RPM을 도출함에 있어, 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 추가로 고려할 수 있다.

구체적으로, 선체오염에 따른 저항증가는 상기 수학식 3으로 표시된 X_H라는 항에 포함될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 X_H는 선박이 실제로 움직이는 속력인 U의 제곱 즉, U ² 에 비례하며 X _UU 는 모형시험 등을 통해 얻어진 계수이다. 이때 선체오염효과계수가 상기 X _UU 에 반영될 수 있다. 예를 들면, 선체오염효과계수가 1%/month이라 할 경우 X _UU *(1+0.01)과 같은 형태로 저항 증가분을 고려할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 선박의 최적항로 도출 방법을 도 3 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

먼저 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정한다(제 1 단계). 조종운동방정식은 선박이 받은 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 모멘트를 계산하기 위한 식으로 앞서 기술한 수학식 1 내지 12을 참고하여 설정할 수 있다.

다음으로, AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 운항정보를 추출하고, 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 획득하며, 선박의 운항명령속도를 입력한다(제 2 단계).

여기서, AIS 데이터 추출된 운항정보는 Static data, Dynamic data, Voyage related data, Safety related message 등이 포함하며, Static data 중에서는 1) IMO number를, Dynamic data 중에서는 1) Ship's position with accuracy indication and integrity status, 2) Time in UTC, 3) Speed over ground, Voyage related data 중에서는 1) Ship's draft 등을 활용할 수 있다. 또한, 별도의 실선계측장치를 통해 동일한 정보를 수집할 수 있다. 바람직하게는 상기 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 선박의 운항 성능을 분석하기 위한 운항정보는 선박의 위치, 선수각 및 흘수일 수 있다.

보다 구체적으로 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 특정기간의 운항정보를 선택적으로 취득할 수 있으며, 예를 들면, 나이지리아의 액화 천연 가스 터미널에서 액화 천연 가스를 싣고 서아프리카 지역을 2016년 5월 20일자로 출발하여 약 26일에 걸쳐 2016년 6월 17일자로 일본까지 운항한 선박의 운항경로를 선택하였고 상기 선박의 AIS 데이터에서 찍힌 이동경로는 도 3에 잘 도시되어 있다.

또한, 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 운항경로 상의 바람 및 파도에 관한 정보로서 ECMWF, NOAA, NDBC 등의 소스를 통해 획득할 수 있으며, 바람직하게는 ECMWF로부터 획득할 수 있다.

도 4에는 상기 도 3에 도시한 선박의 운항경로에 있어 ECMWF로부터 획득한 바람과 파도에 관한 정보가 도시되어 있다.

또한, 선박의 운항명령속도는 상기 조종운동방정식을 통해 시뮬레이션을 수행함에 있어 기준이 되는 선박의 속도이며, 선박이 운항 가능한 속도 범위 내의 임의의 값을 설정 및 입력할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 선박의 운항명령속도는 12 노트에서 20 노트 사이의 값으로 설정하였다.

다음으로, 상기 추출된 운항정보, 상기 획득한 해상환경정보, 상기 입력된 운항명령속도와, 상기 제 1 단계에서 설정된 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출한다(제 3 단계).

구체적으로는 선박의 구간을 설정하고(출발점과 도착점), 설정된 구간 중에서 출발시점의 정보인 초기 위치, 초기 선수각 및 초기 흘수, 그리고 입력된 운항명령속도를 이용하여 초기조건을 설정한다. 그리고 설정된 구간의 이동경로를 따라 선박의 목표점을 설정하는데, 목표점은 러더각을 변경해야 하는 지점으로 정해지며, 선박의 이동경로 운항 중에 다수의 경유 목표점을 지나 최종 목표점이 정해지게 된다. 상기 초기 위치에서 그 다음으로 설정된 목표점으로 이동하기 위한 선박의 러더각을 계산하고, 이러한 목표점으로 이동하는 선박의 AIS 데이터 또는 실선계측데이터에 포함된 선박의 흘수 정보가 초기 흘수와 같은지 여부를 판단한다. 이러한 판단결과 목표점으로 이동하는 선박의 AIS 데이터에 포함된 선박의 흘수가 초기 흘수와 같은 경우 제 1 단계에서 설정된 조종운동방정식 및 계수정보(유체력미계수)를 이용하여 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다. 시뮬레이션 수행 후 목표점에 도달하는지 여부를 판단하고, 판단결과 목표점에 도달하지 않은 경우 시뮬레이션을 반복하며 최종 목표점에 도달한 경우 시뮬레이션을 종료한다. 한편, 선박의 AIS 데이터 또는 실선계측데이터에 포함된 선박의 흘수 정보가 초기 흘수와 다른 경우 조종운동방정식의 계수(유체력미계수)를 경험식으로 재추정한다. 계수는 저항계수로, 선박의 속도별로 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수를 근거로 하여 대상선박의 속도에 설정된 설계흘수 및 밸러스트 흘수를 선형 보간법을 사용하여 저항계수를 추정한다. 이렇게 재추정된 계수정보와 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항성능을 시뮬레이션한다. 상술한 조종운동방정식을 통해 선박이 목표점으로 이동할 때 선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향의 모멘트를 계산하고 계산된 선박이 받는 종방향의 힘, 횡방향의 힘 및 요방향을 모멘트를 통해 엔진의 제 1 RPM을 도출한다.

다음으로, 상기 추출된 운항정보, 상기 입력된 운항명령속도와, 상기 제 1 단계에서 설정된 조종운동방정식을 이용하여 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출한다(제 4 단계).

엔진의 제 2 RPM은 정수 중 운항을 조건으로 하는 것으로, 상기 제 1 RPM과는 환경 하중의 고려여부에 차이가 있을 뿐이며, 제 2 RPM을 도출하는 구체적인 과정은 상기 제 3 단계의 제 1 RPM을 도출하는 과정과 동일하다.

도 5 내지 7에 도시한 바와 같이, AIS 경로를 기준으로 계산된 선박의 위치와 속도를 비교해 볼 때, 전체 경로 및 대각도 변침이 있는 구간에서 경로점을 잘 추종하고 있고 대각도 변침이 있을 경우 동 특성에 따라 선속의 손실이 다소 발생하고 있는 것으로 나타났으나 이는 실제 운항 시 발생할 수 밖에 없는 현상임을 감안하면, 선박의 운항명령속도에 대해 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다.

다음으로, 도출된 엔진의 제 1 RPM과 제 2 RPM으로부터 각각 엔진의 제 1 출력과 제 2 출력을 산출한다(제 5 단계). 앞서 언급한 바와 같이 선박의 항해에 필요한 동력 즉, 출력은 속도의 3승에 비례하는 점을 활용하여 엔진의 출력을 산출할 수 있다.

도 8 및 9에 도시한 바와 같이 평균 RPM은 속도에 선형관계를 가지고 있고, 평균 출력은 3차식의 관계가 있음을 확인할 수 있다.

마지막으로, 산출된 엔진의 제 1 출력과 제 2 출력으로부터 하기식을 이용하여 선박의 시마진을 도출한다(제 7 단계).

시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)

도 8 및 9에는 평균 RPM 및 평균 출력의 환경 하중 유무에 따른 상대 비율을 산출한 그래프를 도시하고 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 시마진을 도출하는 방법에 있어, 따개비나 조개와 같은 해양생물이 선체에 부착됨에 따라 저항이 증가하는 부분을 추가 고려하여, 시마진의 정확도를 높일 수 있다.

상기 제 2 단계에서는 선박의 선체오염효과계수가 추가로 입력되고, 제 3 단계에서는 상기 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 고려하여 제 1 RPM을 도출할 수 있다.

여기서, 선박의 선체오염효과계수는 전술한 바와 같이, 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출되는 값일 수 있다.

구체적으로, 선체오염에 따른 저항증가는 상기 수학식 3으로 표시된 X_H라는 항에 포함될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 X_H는 선박이 실제로 움직이는 속력인 U의 제곱 즉, U ² 에 비례하며 X _UU 는 모형시험 등을 통해 얻어진 계수이다. 이때 선체오염효과계수가 상기 X _UU 에 반영될 수 있다. 예를 들면, 선체오염효과계수가 1%/month이라 할 경우 X _UU *(1+0.01)과 같은 형태로 저항 증가분을 고려할 수 있다.

도 10 및 11에는 선박의 운항기간에 따른 속도저하의 비율과, 이를 선형화한 그래프가 도시되어 있다.

한편 도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따라 선박의 설계 흘수, 선박의 운항명령속도(20노트)를 기준으로 환경 하중 및 선박의 선체오염효과계수(0.4518%/month)를 고려한 시마진을 그래프로 나타내고 있으며, 리도킹 기간에 따라 대략 7 ~ 28% 수준의 시마진이 추정되는 것을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 선박의 시마진 도출 장치 200: 장치 데이터베이스

Claims (17)

1. 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 상기 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 시마진(sea margin)을 도출하기 위한 선박의 시마진 도출 장치 및 상기 선박의 시마진 도출 장치의 각종 데이터들이 저장되는 장치 데이터베이스에 의해 상기 선박의 시마진을 도출하는 시스템으로서,
   상기 장치 데이터베이스에는 AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 추출된 운항정보, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 선체오염효과계수가 저장되어 있으며,
   상기 선박의 시마진 도출 장치는,
   상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 선체오염효과계수, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출하고,
   상기 선박이 정수 중 운항을 조건으로, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측장치로부터 추출된 상기 운항정보, 상기 선박의 운항명령속도, 상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출하고,
   상기 도출된 엔진의 제 1 RPM으로부터 상기 엔진의 제 1 출력을 산출하고, 상기 도출된 엔진의 제 2 RPM으로부터 상기 엔진의 제 2 출력을 산출하여,
   하기식
   시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)
   을 통해 선박의 시마진을 도출하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터로부터 추출된 상기 운항정보는 상기 선박의 위치, 선수각 및 흘수인 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 ECMWF로 획득한 바람 및 파도에 관한 정보인 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 조종운동방정식은, 상기 선박의 선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 횡방향의 동유체력, 및 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것으로, 상기 선박에 작용하는 각각의 동유체력을 선체, 프로펠러 및 러더 별로 각각 수학모형을 구성하고, 상기 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 방정식인 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 선박의 시마진 도출 장치는,
   상기 선박의 운항명령속도와, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 추출된 상기 선박의 초기 위치, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하고,
   상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 목표점을 설정하며,
   상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 러더각을 계산하고,
   상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하며,
   상기 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고,
   상기 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 선박의 시마진 도출 장치는,
   상기 계산된 러더각으로 러더의 러더각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 엔진의 RPM을 도출하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 선박의 시마진 도출 장치는,
   상기 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 고려하여 제 1 RPM을 도출하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 선박의 선체오염효과계수는 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 시스템.
9. 선박의 운항과정을 시뮬레이션 또는 시운전하여 상기 선박의 실제 운항 성능을 분석하고 이를 통해 선박의 시마진(sea margin)을 도출하는 방법으로서,
   상기 선박의 동적 특성을 모사할 수 있는 조종운동방정식을 설정하는 제 1 단계;
   AIS 또는 실선계측장치로부터 수집된 AIS 데이터 또는 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 운항 성능을 분석하기 위해 운항정보를 추출하고, 상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보를 획득하며, 상기 선박의 선체오염효과계수를 입력하고, 상기 선박의 운항명령속도를 입력하는 제 2 단계;
   상기 추출된 운항정보, 상기 획득한 해상환경정보, 상기 입력된 선체오염효과계수, 상기 입력된 운항명령속도와 상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 1 RPM을 도출하는 제 3 단계;
   상기 추출된 운항정보, 상기 입력된 운항명령속도와 상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하여 엔진의 제 2 RPM을 도출하는 제 4 단계;
   상기 제 1 RPM으로부터 상기 엔진의 제 1 출력을 산출하고, 상기 제 2 RPM으로부터 상기 엔진의 제 2 출력을 산출하는 제 5 단계; 및
   상기 제 1 출력 및 상기 제 2 출력으로부터 하기 식
   시마진 = ((제 1 출력) - (제 2 출력)) / (제 2 출력)
   을 이용하여 선박의 시마진을 도출하는 제 6 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터로부터 추출된 상기 운항정보는 상기 선박의 위치, 선수각 및 흘수인 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 선박의 운항경로에 따른 해상환경정보는 ECMWF로부터 획득한 바람 및 파도에 관한 정보인 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1단계는,
    상기 선박의 선체, 프로펠러 및 러더에 작용하는 종방향의 동유체력, 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 횡방향의 동유체력, 및 상기 선박의 선체 및 러더에 작용하는 요방향의 동유체력을 계산하기 위한 것으로, 상기 선박에 작용하는 각각의 동유체력을 선체, 프로펠러 및 러더 별로 각각 수학모형을 구성하고, 상기 구성된 수학모형에 대해 모형시험 결과 또는 시운전 결과를 통해 검증된 방정식을 설정하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 조종운동방정식을 이용하여 상기 선박의 운항경로에 따라 시뮬레이션을 수행하는 상기 제 3 단계 및 제 4 단계는,
    상기 선박의 운항명령속도와, 상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 추출된 상기 선박의 초기 위치, 초기 선수각 및 초기 흘수를 초기 조건으로 설정하는 A 단계;
    상기 AIS 데이터 또는 상기 실선계측데이터 중에서 상기 선박의 목표점을 설정하는 B 단계;
    상기 초기 조건에서 상기 목표점으로 이동하기 위한 러더각을 계산하는 C 단계;
    상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같은지 여부를 판단하는 D 단계;
    를 포함하고,
    상기 D 단계의 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 같으면 상기 조종운동방정식 및 계수정보와, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하고,
    상기 D 단계의 판단의 결과로 상기 선박의 현재 흘수와 상기 초기 흘수가 다르면 상기 조종운동방정식의 계수를 경험식으로 재추정하여 재추정된 계수정보와 상기 조종운동방정식과, 상기 계산된 러더각을 이용하여 상기 선박의 운항성능을 시뮬레이션하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 계산된 러더각으로 러더의 러더각을 변경하여 상기 목표점으로 이동하는 선박이 받는 종방향 및 횡방향의 힘과, 요모멘트를 토대로 엔진의 RPM을 도출하는 E 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 선박의 선체오염효과계수를 전저항 증가분으로 고려하여 제 1 RPM을 도출하는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 선박의 선체오염효과계수는 선박의 리도킹 기간별 속도 저하의 비율로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 선박의 시마진 도출 방법.
17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 선박의 시마진 도출 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.

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