KR20200137100A - System with algorithm for estimating wave spectrum in real-time and providing navigation guideline, and ship or offshore structure having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 또는 해양구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현재 운항상태에서 운항조건변화에 따른 모션특성변화를 제공하여 최적의 운항지침정보를 제공할 수 있는, 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 또는 해양구조물에 관한 것이다.The present invention relates to a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing navigation instructions, and a ship or offshore structure equipped with the system, and more particularly, it is optimal by providing a change in motion characteristics according to a change in operating conditions in a current operating state. The present invention relates to a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing an operation guideline, which can provide navigation guide information of, and a ship or offshore structure equipped with the system.
선박이 운항하는 해역의 바람(wind)과 파도(wave), 해류(current)와 너울(swell)등의 해양 환경데이터는 시마진 추정 및 최적의 선형을 결정하는 등 선박 설계에 널리 활용될 수 있다. 또한 선박의 경제운항 솔루션 등 스마트쉽에도 접목되어 활용할 수 있어, 실제 해양 환경에 대한 정확한 측정값이 요구된다.Marine environmental data such as wind and wave, current and swell of the sea area in which the ship operates can be widely used in ship design, such as estimation of simajin and determining the optimal alignment. . In addition, since it can be applied to smart ships such as a ship's economic navigation solution, accurate measurements of the actual marine environment are required.
파랑 정보의 경우, 보통은 위성 계측 데이터 또는 해상 부이 데이터를 활용한다. 가령 유럽기상청(ECMWF)에서는 약 14km*14km 크기의 격자에 해당하는 영역을 동일한 해양 환경으로 가정하여서 격자 형태의 추정정보를 6시간 간격으로 제공하는데, 그 시간 및 공간의 제약으로 실제 운항 시 활용하기에는 다소 어려운 측면이 있다.For wave information, satellite measurement data or maritime buoy data is usually used. For example, the European Meteorological Administration (ECMWF) assumes that the area corresponding to the grid of about 14 km * 14 km is the same marine environment, and provides estimated information in the form of a grid every 6 hours, but due to the constraints of time and space, it is difficult to use it during actual operation. There is a rather difficult aspect.
또한, 운항중인 선박 중 일부는 파랑 관측 레이더(wave radar)를 구비하여 직접 계측하기도 하는데, 상당한 고가 장비라 가성비 측면에서 널리 적용되기는 어려운 상황이다.In addition, some of the ships in operation are equipped with a wave radar to measure directly, but it is a situation that is difficult to be widely applied in terms of cost performance because it is quite expensive equipment.
이에, 저비용으로 운항해역의 정확한 파랑정보를 계측하면서도, 신뢰도와 정확도를 높일 수 있는 기술이 요구된다.Accordingly, there is a need for a technology capable of increasing reliability and accuracy while measuring accurate wave information of a navigational sea area at low cost.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고가의 파랑 관측 레이더를 구비하지 않고서도 모션 계측기에 의한 운항 선박 또는 해양구조물에서의 실시간 계측값을 활용하여서, 높은 정확도의 파랑정보를 추정하고, 현재 운항상태에서 운항조건변화에 따른 모션특성변화를 제공하여 최적의 운항지침정보를 제공할 수 있는, 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 또는 해양구조물을 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the idea of the present invention is to estimate high-accuracy wave information by using a real-time measurement value from a sailing vessel or offshore structure by a motion measuring device without having an expensive wave observation radar, and Provides a system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and provision of navigation instructions, which can provide optimal navigation information by providing motion characteristics change according to operating conditions change in the state, and ships or offshore structures equipped with the system. have.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템은, 선체의 운동데이터를 실시간 감지하는 계측기; 해석을 통해 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 운동데이터를 산출하고 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축된 정규 모션 해석 DB; 및 상기 계측기에 의해 감지된 운동데이터에 의해 실제 계측 DB를 구축하며, 상기 제1특정 모션과 동일한 상기 실제 계측 DB의 제2특정 모션을 기준으로 정규화하여 정규 모션 계측 DB를 구성하며, 상기 정규 모션 계측 DB와 가장 유사한 정규 모션 해석 DB로부터 파향과 파주기를 결정하고, 선형특성에 의해 운항해역의 파고정보를 추정하며, 운항조건변화에 따른 모션변화에 의한 운항지침정보를 제공하는, 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing a navigation guide according to an embodiment of the present invention includes: a measuring instrument for real-time sensing of motion data of a ship; A regular motion analysis DB constructed by calculating the motion data of the hull according to the wave direction and wave period change through analysis and normalizing it based on the first specific motion; And constructing an actual measurement DB based on the motion data detected by the measuring device, and normalizing it based on a second specific motion of the actual measurement DB identical to the first specific motion to form a regular motion measurement DB, and the regular motion It includes a control unit that determines the wave direction and wave period from the regular motion analysis DB that is most similar to the measurement DB, estimates wave height information of the operating sea area based on linear characteristics, and provides navigation guidance information by motion change according to the change of operating conditions. .
여기서, 상기 계측기는 선체의 변위와 가속도의 모션 운동데이터를 실시간 감지하며, 상기 정규 모션 해석 DB는 해당 선체의 로딩컨디션과 선속정보를 변화시켜 가면서 해석을 통해, 단위유의파고 기준으로 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 변위와 가속도를 산출하고 상기 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축되고, 상기 제어부는, 상기 계측기에 의해 감지된 변위와 가속도를 입력받아 일정시간단위별로 실제 계측 원데이터를 구성하고, 상기 제1특정 모션과 동일한 실제 계측 DB의 제2특정 모션을 기준으로 정규화하여 정규 모션 계측 DB를 구축하며, 상기 정규 모션 계측 DB와 가장 유사한 상기 정규 모션 해석 DB로부터 파향과 파주기를 결정하고, 상기 결정된 파향과 파주기에 상응하는 상기 단위유의파고에서 구해진 모션 해석 데이터와 상기 계측기에 의해 감지된 모션 값을 파랑추정 알고리즘에 의해 파고정보를 추정할 수 있다.Here, the measuring instrument detects motion motion data of the displacement and acceleration of the ship in real time, and the regular motion analysis DB changes the loading condition and ship speed information of the ship through analysis, and wave direction and wave period based on unit significant wave height. It is constructed by calculating the displacement and acceleration of the hull according to the change and normalizing it based on the first specific motion, and the control unit receives the displacement and acceleration sensed by the measuring instrument and constructs actual measurement raw data for each predetermined time unit. And, by normalizing based on the second specific motion of the actual measurement DB identical to the first specific motion, a regular motion measurement DB is constructed, and wave direction and wave period are determined from the regular motion analysis DB most similar to the regular motion measurement DB. , Wave height information obtained from the unit significant wave height corresponding to the determined wave direction and wave period and a motion value detected by the measuring device may be estimated by a wave estimation algorithm.
또한, 상기 운항지침제공 알고리즘은, 상기 파랑추정 알고리즘에 의해 추정된 모션 테이블의 예상 파랑조건, 현재 운항중인 선박의 실제 선속, 및 상기 실제 계측 DB의 모션 운동데이터를, 현재 선속정보를 기준으로 일정단위 선속변화와 파향변화에 따른 선체의 변위변화와 가속도변화를 추출하여 모션별로 운항지침 DB를 구축하고, 가혹한 해상환경하에서 효율적 운항에 지장이 되는 상대적으로 큰 값의 모션의 크기가 최적화되는 선속 또는 선박의 운항 방향을 제공할 수 있다.In addition, the navigation guide providing algorithm is a schedule based on the current ship speed information, the expected wave condition of the motion table estimated by the wave estimation algorithm, the actual ship speed of the currently operating ship, and the motion motion data of the actual measurement DB. By extracting the displacement change and acceleration change of the hull according to the unit ship speed change and wave direction change, a navigation guide DB is constructed for each motion, and the size of a relatively large motion that interferes with efficient navigation under severe marine environments is optimized. It can provide the navigation direction of the ship.
또한, 상기 계측기는 피치와 롤과 요의 회전모션변위를 감지하는 회전모션센서, x,y,z방향의 병진모션변위를 감지하는 병진모션센서, 및 x,y,z 방향의 가속도를 감지하는 3자유도 가속도센서를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 변위와 가속도를 특정시간단위의 실효치로 상기 실제 계측 DB를 구축할 수 있다.In addition, the measuring instrument is a rotation motion sensor that detects the rotational motion displacement of pitch, roll, and yaw, a translational motion sensor that detects the translational motion displacement in the x, y, and z directions, and the acceleration in the x, y, and z directions. A three-degree-of-freedom acceleration sensor may be included, and the control unit may construct the actual measurement DB using the displacement and acceleration as effective values in a specific time unit.
여기서, 상기 계측기는 선미, 선수 또는 선실에 설치되어 변위와 가속도를 감지할 수 있다. Here, the measuring device is installed at the stern, bow or cabin to detect displacement and acceleration.
또한, 상기 정규 모션 해석 DB는 로딩컨디션과 선속에 해당하는 모션의 원데이터로 구성된 단위유의파고기준의 모션 테이블을 구성하고, 상기 모션 테이블의 모션 중 제1특정 모션의 크기를 1로 정규화하여 원데이터를 정규화한 정규 모션 테이블을 구성하여, 상기 정규 모션 해석 DB를 구축할 수 있다.In addition, the regular motion analysis DB constructs a motion table based on a unit significant wave height consisting of raw data of motion corresponding to the loading condition and ship speed, and normalizes the size of the first specific motion among the motions of the motion table to 1. By constructing a regular motion table in which data is normalized, the regular motion analysis DB can be constructed.
또한, 상기 정규 모션 계측 DB의 데이터와의 공분산 값이 최소가 되는 조합을 상기 정규 모션 해석 DB로부터 선택할 수 있다.Further, a combination in which the covariance value with the data of the normal motion measurement DB is minimum can be selected from the normal motion analysis DB.
또한, 상기 파랑추정 알고리즘은, 선형특성에 기초하여, 상기 단위유의파고 기준으로 구축된 정규 모션 해석 DB의 데이터와, 상기 계측기에 의해 감지된 모션 값을 최소제곱법을 활용하여 파고정보를 실시간 추정할 수 있다.In addition, the wave estimation algorithm estimates the wave height information in real time by using the data of the regular motion analysis DB built on the basis of the unit significant wave height and the motion value detected by the measuring device based on the linear characteristic using the least squares method. can do.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 또는 해양구조물은 전술한 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템을 구비할 수 있다.In addition, a ship or offshore structure according to an embodiment of the present invention may have a system implementing the above-described wave spectrum real-time estimation and navigation guide providing algorithm.
본 발명에 의하면, 고가의 파랑 관측 레이더를 구비하지 않고서도 모션 계측기에 의한 운항 선박 또는 해양구조물에서의 실시간 계측값을 활용하여, 높은 정확도의 파랑정보를 추정하고, 현재 운항 상태에서 선속 및 선박의 운항방향의 운항조건변화에 따른 모션특성변화를 제시하여 최적의 운항지침정보를 제공하여서, 가혹한 해상환경 하에서도 안정적으로 운항하도록 할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, high-accuracy wave information is estimated by utilizing real-time measurement values of a ship or offshore structure operated by a motion measuring device without having an expensive wave observation radar, and By presenting the change in motion characteristics according to the change in the operating conditions in the navigation direction, the optimal navigation guide information is provided, and there is an effect of stably operating even in the harsh maritime environment.
또한, 높은 정확도의 파랑정보의 추정에 의해, 조선소 경제운항 솔루션을 도출하며, 시마진을 추정하고, 최적의 선형 또는 선속을 결정할 수 있는 효과가 있다.In addition, by estimating the wave information with high accuracy, there is an effect of deriving a shipyard economic operation solution, estimating Shimjin, and determining the optimal line or speed.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파랑 스펙트럼을 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 파랑 스펙트럼을 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템에 의해 파랑정보를 추정흐름을 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 파랑 스펙트럼을 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템에 의한 정규 모션 해석 DB를 예시한 것이다.
도 4는 도 1의 파랑 스펙트럼을 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템에 의한 실제 계측 DB와 정규 모션 해석 DB로부터의 파랑추정과정을 예시한 것이다.
도 5은 도 4 (d)의 실제 계측 데이터와 원 데이터에 대한 회귀분석 결과를 예시한 것이다.
도 6은 모형시험의 파랑 조건과 모형시험에서 계측된 값을 활용하여 본 발명의 파랑추정 알고리즘에 의해 역으로 구한 파랑 조건을 비교 도시한 것이다.
도 7은 도 1의 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템에 의한 운항지침제공 알고리즘의 구현을 예시한 것이다.1 shows a schematic configuration diagram of a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing a navigation guide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a flow of estimation of wave information by a system implementing an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum of FIG. 1 and provision of navigation instructions.
FIG. 3 is a diagram illustrating a regular motion analysis DB by a system implementing an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum of FIG. 1 and provision of navigation instructions.
FIG. 4 illustrates a wave estimation process from an actual measurement DB and a normal motion analysis DB by a system implementing the real-time estimation and navigation guide providing algorithm of the wave spectrum of FIG. 1.
5 illustrates the results of regression analysis on the actual measured data and raw data of FIG. 4(d).
6 is a comparison of the wave condition of the model test and the wave condition obtained inversely by the wave estimation algorithm of the present invention by using the value measured in the model test.
7 is an illustration of an implementation of a navigation guide providing algorithm by a system implementing the real-time wave spectrum estimation and navigation guide providing algorithm of FIG. 1.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described herein.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 파랑 스펙트럼을 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템은, 전체적으로, 운항중인 선체의 변위와 가속도를 실시간 감지하는 계측기(110)와, 해석을 통해 구축된 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 변위와 가속도를 산출하고 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축된 정규 모션 해석 DB(120)와, 계측기(110)에 의해 감지된 변위와 가속도를 입력받아 실제 계측 DB(131)를 구축하며, 제1특정 모션과 동일한 실제 계측 DB(131)의 제2특정 모션을 기준으로 정규화하여 정규 모션 계측 DB를 구성하며, 정규 모션 계측 DB와 가장 유사한 정규화된 제1특정 모션을 통해 정규 모션 해석 DB(120)로부터 파향과 파주기를 결정하고, 선형특성에 의해 운항해역의 파고정보를 추정하고, 운항조건변화에 따른 모션변화에 의한 운항지침정보를 제공하는, 제어부(130)를 포함하여, 운항중인 선박 또는 해양구조물에서 실시간 계측되는 모션 운동데이터를 활용하여, 현재 운항 상태에서 선속 및 선박의 운항방향의 운항조건변화에 따른 모션특성변화를 제시하여 최적의 운항지침정보를 제공하여서, 가혹한 해상환경 하에서도 안정적으로 운항하도록 하는 것을 요지로 한다.1 to 7, a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing a navigation guide according to an embodiment of the present invention includes, as a whole, a
우선, 계측기(110)는 운항중인 선체의 모션 운동데이터인 변위와 가속도를 실시간 감지하되(S120), 피치(pitch)와 롤(roll)과 요(yaw)의 회전모션변위를 감지하는 회전모션센서(rotational motion sensor)(111), x,y,z 방향의 병진모션변위를 감지하는 병진모션센서(translational motion sensor)(112), 및 x,y,z 방향의 가속도를 감지하는 3자유도 가속도센서(113)를 포함할 수 있고, 제어부(130)는, 변위와 가속도를 특정시간단위의 실효치로 실제 계측 DB(131)를 구축할 수 있다(S130).First, the
여기서, 상기 계측기(110)는 선미, 선수, 선실 등 선체의 다양한 위치에 설치되어 변위와 가속도를 감지할 수 있다.Here, the
또한, 선체의 경우 강체(rigid body)로 가정하여, 회전모션변위는 계측위치에 상관없이 하나의 계측값으로 얻어지나, 병진모션변위 및 가속도는 계측기(110)의 설치 위치에 따라 달라지는 점을 활용하여 해석 DB를 구성할 수 있다. In addition, in the case of the hull, it is assumed that it is a rigid body, and the rotational motion displacement is obtained as a single measurement value regardless of the measurement position, but the translational motion displacement and acceleration are different depending on the installation location of the
다음, 정규 모션 해석 DB(120)는, 특정 선박의 흘수(draft)와 무게중심 등을 포함한 로딩컨디션과 선속정보를 고려하여 해석을 통해, 선체의 다양한 로딩컨디션과 선속에 대해서 단위유의파고(unit significant wave height) 기준으로 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 변위와 가속도를 산출하고 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축된다(S110). 이때 단위유의파고는 1m일 수 있다.Next, the regular
구체적으로, 정규 모션 해석 DB(120)는 특정 로딩컨디션과 선속에 의해 선택된 모션의 원데이터로 구성된 모션 테이블(122)과, 모션 테이블(122)의 모션 중 특정 모션을 제1특정 모션으로 하고, 해당 특정 모션의 크기를 1로 하여 원데이터를 정규화한 정규 모션 테이블(123)로 구성된다. 본 실시예에 있어서는, 제1특정 모션을 피치로 하고 피치의 크기를 1로 하여 원데이터를 정규화한 정규 모션 테이블을 구성하였고, 도 4의 (b)에 3행을 참고할 수 있다.Specifically, the regular
보다 구체적으로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 사전 해석을 통해, 로딩변화와 선속변화에 따른 로딩별 및 선속별 데이터베이스(121)를 매트릭스 형태로 구성하며, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 데이터베이스로부터 결정된 로딩컨디션과 선속(Motion_Vn_Lm)에 해당하는 모션 테이블(122)을 구성하는데, 모션 테이블(122)은 단위유의파고(Hs = 1m) 기준으로 파향(heading)과 파주기(Tp) 변화에 따른 선체의 롤, 피치 및 다양한 위치에서의 x,y,z 방향의 가속도로 구성될 수 있다.More specifically, as shown in (a) of FIG. 3, the database 121 for each loading and each speed according to the change of loading and the change of ship speed is configured in a matrix form through a preliminary analysis, and FIG. 3(b) As shown in, the motion table 122 corresponding to the loading condition and the ship speed (Motion_Vn_Lm) determined from the database is configured, and the motion table 122 is a heading and a wave based on a unit significant wave height (Hs = 1m). It can be composed of the roll, pitch of the hull according to the change of the period Tp, and the acceleration in the x, y, and z directions at various positions.
여기서, 롤과 피치와 가속도로 구성하였으나, 이외에 요와 다양한 위치에서의 병진모션변위를 추가 구성할 수도 있다.Here, the roll, pitch, and acceleration are configured, but in addition to the yaw and translation motion displacement at various positions may be additionally configured.
또한, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 원데이터로 구성된 모션 테이블(122)로부터 모션 중 특정 모션을 제1특정 모션으로 상정하고, 여기서는 여러 모션 중 피치를 제1특정 모션으로 하고 피치의 크기를 1로 하여 원데이터를 정규화하여 정규 모션 테이블(123)을 구축하게 된다.In addition, as shown in (c) of FIG. 3, from the motion table 122 composed of raw data, a specific motion among motions is assumed as the first specific motion. Here, the pitch among several motions is set as the first specific motion and the pitch The original data is normalized with the size of 1 to build the regular motion table 123.
다음, 제어부(130)는, 먼저, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 계측기(110)에 의해 감지된 변위와 가속도를 입력받아 일정시간단위별로 실제 계측 원데이터를 구성하고, 제1특정 모션과 동일한 실제 계측 DB(131)의 제2특정 모션의 크기를 1로 정규화하여 실제 정규 모션 계측 DB를 구축한다. 즉, 앞서 피치의 크기를 1로 하여 원데이터를 정규화한 것처럼, 실제 계측 DB의 피치의 크기를 1로 정규화할 수 있다.Next, the
여기서, 제어부(130)는, 변위와 가속도의 모션을 특정시간단위의 실효치(RMS)로 실제 계측 DB(131)를 구축할 수 있다.Here, the
후속하여, 제어부(130)는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 정규 모션 해석 DB(120)로부터, 제2특정 모션 기준으로 정규화된 관련 모션데이터와 가장 유사한 정규화된 제1특정 모션 관련 모션데이터(정규 모션)를 검색하여 해당 파향과 파주기를 결정하며 이때는 두 조합의 공분산 값이 최소가 되는 조합을 정규 모션 해석 DB로부터 선택할 수 있다. 즉, 상기 정규화된 제2특정 모션 관련 모션 계측 데이터와 가장 유사한 상기 정규화된 제1특정 모션 관련 모션 해석 데이터를 선택하기 위해, 공분산 값이 최소가 되는 조합을 선택할 수 있다.Subsequently, as shown in (b) of FIG. 4, the
후속하여, 제어부(130)는 도 4의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 결정된 파향과 파주기에 상응하는 단위유의파고의 모션 값과 계측기(110)에 의해 감지된 모션 값을 최소제곱법을 활용하여 파고정보를 실시간 추정한다(S140, S150).Subsequently, the
구체적으로, 파랑 추정 알고리즘은 선형 특성에 기초하여, 단위유의파고에서 구해진 모션 해석 데이터와 계측기에 의해 감지된 모션 값을 최소제곱법을 활용하여 파고정보를 실시간 추정할 수 있다.Specifically, the wave estimation algorithm may estimate the wave height information in real time by using the least squares method using motion analysis data obtained from a unit significant wave height and a motion value detected by a measuring device based on a linear characteristic.
예컨대, 단위유의파고 조건에서 구해진 모션 테이블(122)의 각 항을 Bi, 계측기에 의해 감지된 각각의 모션 값을 Zi라 하고 전체 계측되는 개수를 N개라 하면, 아래의 결과 값이 최소가 되는 A 값을 파고 정보로 추정할 수 있다. 이 때 i는 롤, 피치 등 계측 되는 항을 의미한다. For example, if each term in the motion table 122 obtained under the unit significant wave height condition is referred to as Bi, each motion value detected by the measuring instrument is referred to as Zi, and the total number of measurements is referred to as N, the result value below is A You can dig up the value and estimate it with information. In this case, i means the terms to be measured such as roll and pitch.
이에, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(130)의 파랑추정 알고리즘에 의해, 로딩컨디션과 선속이 결정된 상태에서, 파고와 파주기와 파향을 높은 정확도로 실시간 추정할 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 6, in a state in which the loading condition and the ship speed are determined by the wave estimation algorithm of the
후속하여, 제어부(130)는 정규 모션 해석 DB(120)로부터 운항조건인 선속 또는 운항방향의 변화에 따른 선체의 모션의 정량적 변화를 추출하여 운항지침 DB(132)를 구축한다(S160).Subsequently, the
여기서, 운항지침 DB(132)는, 로딩별 및 선속별 데이터베이스(121)로부터 추출된 현재 운항중인 선박의 선속에 해당하는 모션 테이블(122)의 해당 파랑정보, 및 실제 계측 DB(131)의 현재 선속정보로부터의 일정단위 선속변화와 파향변화(예를 들면, 15° 간격)에 따른 선체의 변위변화와 가속도변화를 추출하여 구축된다.Here, the navigation guide DB 132 is the blue information of the motion table 122 corresponding to the ship speed of the currently operating ship extracted from the database 121 for each loading and each ship speed, and the current measurement DB 131 It is constructed by extracting the change in displacement and acceleration of the hull according to the change in ship speed and wave direction (for example, 15° interval) from the ship speed information.
예컨대, 운항지침제공 알고리즘은, 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 파랑 추정 알고리즘에 의해 추정된 모션 테이블(122)의 파고(Hs)와 파주기(Tp)와 파향(Heading)의 예상 파랑조건, 현재 운항중인 선박의 실제 선속(Vs), 및 실제 계측 DB(131)의 모션 운동데이터인 롤(Roll)과 피치(Pitch)를, 현재 선속정보(Vs=20knots)를 기준으로 일정단위 선속변화(예를 들면, 2노트 간격)와 파향변화(예를 들면, 15° 간격)에 따른 선체의 변위변화와 가속도변화를 추출하여 모션별로(롤 또는 피치) 운항지침 DB(132)를 구축하고, 가혹한 해상환경하에서 효율적 운항에 지장이 되는 상대적으로 큰 값의 모션의 크기가 최적화되는 선속 또는 선박의 운항 방향을 제공할 수 있다.For example, the navigation instruction providing algorithm includes a wave height Hs, a wave period Tp, and a wave direction of the motion table 122 estimated by the wave estimation algorithm, as shown in FIGS. 7A and 7B. The expected wave condition of the heading), the actual ship speed (Vs) of the ship currently in operation, and the roll and pitch, which are motion motion data of the actual measurement DB 131, and the current ship speed information (Vs=20 knots). As a standard, the displacement change and acceleration change of the hull according to a certain unit speed change (e.g., 2 knots interval) and wave direction change (e.g., 15° interval) are extracted, and the operation guide DB (for each motion (roll or pitch)) 132), and it is possible to provide a ship speed or a navigation direction of a ship in which the magnitude of motion of a relatively large value that hinders efficient navigation under severe maritime environments is optimized.
특히, 롤의 경우, 공진현상으로 인해 작은 선속 및 선박의 방향 변화로도 롤의 크기를 크게 줄일 수 있는데, 운항지침제공 알고리즘은 현재 파향(300°)과 선속(20노트)을 변화시켜서 효율적인 운항이 가능한 크기를 갖는 롤에 해당하는 최적의 선속을 제공할 수 있다.In particular, in the case of rolls, the size of the roll can be greatly reduced even with small changes in ship speed and direction of the ship due to the resonance phenomenon, and the navigation instruction providing algorithm is effective by changing the current wave direction (300°) and ship speed (20 knots). It is possible to provide an optimum line speed corresponding to a roll having this possible size.
즉, 정규 모션 DB(120)로부터 선속을 2노트씩, 파향을 15°씩 변화시켜면서 추출된 해당 롤값을 디스플레이하여 제공하여서, 최소 크기의 롤값에 해당하는 최적의 선속정보 또는 운항방향의 운항지침정보를 제공하여서, 효율적인 운항을 수행하도록 할 수 있다.That is, by displaying and providing the corresponding roll value extracted while changing the ship speed by 2 knots and the wave direction by 15° from the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템은 선박 또는 해양구조물에 적용될 수 있다.Meanwhile, a system implementing an algorithm for real-time estimation of a wave spectrum and providing navigation instructions according to an embodiment of the present invention may be applied to a ship or an offshore structure.
참고로, 운항중인 선박을 전제로 하여 주로 기술하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 해양구조물에도 동일하게 적용될 수 있다.For reference, although the description is mainly given on the premise of a ship in operation, it is not limited thereto and may be equally applied to various offshore structures.
따라서, 전술한 바와 같은 파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 또는 해양구조물의 구성에 의해서, 고가의 파랑 관측 레이더를 구비하지 않고서도 모션 계측기에 의한 운항 선박 또는 해양구조물에서의 실시간 계측값을 활용하여, 높은 정확도의 파랑정보를 추정하며, 현재 운항 상태에서 선속 및 선박의 운항방향의 운항조건변화에 따른 모션특성변화를 제시하여 최적의 운항지침정보를 제공하여서, 가혹한 해상환경 하에서도 안정적으로 운항하도록 할 수 있고, 높은 정확도의 파랑정보의 추정에 의해, 조선소 경제운항 솔루션을 도출하며, 시마진을 추정하고, 최적의 선형 또는 선속을 결정할 수 있다.Therefore, by the system implementing the algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions as described above, and the configuration of a ship or offshore structure equipped with the system, a sailing ship by a motion measuring device without having an expensive wave observation radar Alternatively, by using real-time measurement values from offshore structures, high-accuracy wave information is estimated, and motion characteristics change according to changes in the operating conditions of the ship speed and the ship's operating direction in the current operating state is provided to provide optimal navigation guide information. Thus, it is possible to operate stably even under severe maritime environments, and by estimating high-accuracy wave information, it is possible to derive a shipyard economic operation solution, estimate Shimajin, and determine the optimal line or ship speed.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
110 : 계측기
111 : 회전모션센서
112 : 병진모션센서
113 : 3자유도 가속도센서
120 : 정규 모션 해석 DB
121 : 데이터베이스
122 : 모션 테이블
123 : 정규 모션 테이블
130 : 제어부
131 : 실제 계측 DB
132 : 운항 지침 DB110: measuring instrument 111: rotation motion sensor
112: translation motion sensor 113: 3-degree of freedom acceleration sensor
120: regular motion analysis DB 121: database
122: motion table 123: regular motion table
130: control unit 131: actual measurement DB
132: Flight Instruction DB
Claims (10)
해석을 통해 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 운동데이터를 산출하고 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축된 정규 모션 해석 DB; 및
상기 계측기에 의해 감지된 운동데이터에 의해 실제 계측 DB를 구축하며, 상기 제1특정 모션과 동일한 상기 실제 계측 DB의 제2특정 모션을 기준으로 정규화하여 정규 모션 계측 DB를 구성하며, 상기 정규 모션 계측 DB와 가장 유사한 정규 모션 해석 DB로부터 파향과 파주기를 결정하고, 선형특성에 의해 운항해역의 파고정보를 추정하며, 운항조건변화에 따른 모션변화에 의한 운항지침정보를 제공하는, 제어부를 포함하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.Measuring instrument for real-time detection of the ship's motion data;
A regular motion analysis DB constructed by calculating the motion data of the hull according to the wave direction and wave period change through analysis and normalizing it based on the first specific motion; And
Constructs an actual measurement DB based on the motion data detected by the measuring device, and normalizes it based on the second specific motion of the actual measurement DB identical to the first specific motion to form a regular motion measurement DB, and the regular motion measurement Including a control unit that determines wave direction and wave period from the regular motion analysis DB that is most similar to the DB, estimates wave height information of the operation sea area based on linear characteristics, and provides operation guide information by motion change according to the change of operation conditions
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 계측기는 선체의 변위와 가속도의 모션 운동데이터를 실시간 감지하며,
상기 정규 모션 해석 DB는 해당 선체의 로딩컨디션과 선속정보를 변화시켜 가면서 해석을 통해, 단위유의파고 기준으로 파향과 파주기 변화에 따른 선체의 변위와 가속도를 산출하고 상기 제1특정 모션을 기준으로 정규화하여 구축되고,
상기 제어부는, 상기 계측기에 의해 감지된 변위와 가속도를 입력받아 일정시간단위별로 실제 계측 원데이터를 구성하고, 상기 제1특정 모션과 동일한 실제 계측 DB의 제2특정 모션을 기준으로 정규화하여 정규 모션 계측 DB를 구축하며, 상기 정규 모션 계측 DB와 가장 유사한 상기 정규 모션 해석 DB로부터 파향과 파주기를 결정하고, 상기 결정된 파향과 파주기에 상응하는 상기 단위유의파고에서 구해진 모션 해석 데이터와 상기 계측기에 의해 감지된 모션 값을 파랑추정 알고리즘에 의해 파고정보를 추정하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 1,
The measuring instrument detects motion motion data of the displacement and acceleration of the hull in real time,
The regular motion analysis DB calculates the displacement and acceleration of the hull according to the wave direction and wave period change based on the unit significant wave height through analysis while changing the loading condition and ship speed information of the corresponding ship, and based on the first specific motion. Is built by normalization,
The control unit receives the displacement and acceleration sensed by the measuring device, configures actual measurement raw data for each predetermined time unit, and normalizes it based on the second specific motion of the actual measurement DB that is the same as the first specific motion. Establish a measurement DB, determine a wave direction and wave period from the regular motion analysis DB, which is most similar to the normal motion measurement DB, and detect motion analysis data obtained from the unit significant wave height corresponding to the determined wave direction and wave period, and the measuring device Characterized in that the wave height information is estimated by the blue estimation algorithm of the motion value,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 운항지침제공 알고리즘은, 상기 파랑추정 알고리즘에 의해 추정된 모션 테이블의 예상 파랑조건, 현재 운항중인 선박의 실제 선속, 및 상기 실제 계측 DB의 모션 운동데이터를, 현재 선속정보를 기준으로 일정단위 선속변화와 파향변화에 따른 선체의 변위변화와 가속도변화를 추출하여 모션별로 운항지침 DB를 구축하고, 가혹한 해상환경하에서 효율적 운항에 지장이 되는 상대적으로 큰 값의 모션의 크기가 최적화되는 선속 또는 선박의 운항 방향을 제공하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 2,
The navigation guide providing algorithm includes an expected wave condition of a motion table estimated by the wave estimation algorithm, an actual ship speed of a currently operating ship, and motion motion data of the actual measurement DB, based on the current ship speed information. By extracting the displacement change and acceleration change of the hull according to the change and wave direction change, a navigation guide DB is established for each motion, and the size of a relatively large motion that interferes with efficient operation under severe marine environments is optimized. Characterized in that it provides the direction of navigation,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 계측기는 피치와 롤과 요의 회전모션변위를 감지하는 회전모션센서, x,y,z방향의 병진모션변위를 감지하는 병진모션센서, 및 x,y,z 방향의 가속도를 감지하는 3자유도 가속도센서를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 변위와 가속도를 특정시간단위의 실효치로 상기 실제 계측 DB를 구축하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 2,
The measuring instrument is a rotation motion sensor that detects rotational motion displacement of pitch, roll, and yaw, a translational motion sensor that detects translational motion displacement in the x, y, and z directions, and a 3-freedom sensor that detects acceleration in the x, y, and z directions. Including an acceleration sensor,
The control unit, characterized in that to construct the actual measurement DB as effective values of the displacement and acceleration in a specific time unit,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 계측기는 선미, 선수 또는 선실에 설치되어 변위와 가속도를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 4,
The measuring instrument is installed in the stern, bow or cabin to detect displacement and acceleration,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 정규 모션 해석 DB는
로딩컨디션과 선속에 해당하는 모션의 원데이터로 구성된 단위유의파고기준의 모션 테이블을 구성하고, 상기 모션 테이블의 모션 중 제1특정 모션의 크기를 1로 정규화하여 원데이터를 정규화한 정규 모션 테이블을 구성하여, 상기 정규 모션 해석 DB를 구축하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 2,
The regular motion analysis DB
Construct a motion table based on unit significant wave height consisting of raw data of motion corresponding to loading condition and ship speed, and normalize the original data by normalizing the size of the first specific motion among the motions of the motion table to 1. By configuring, characterized in that to build the regular motion analysis DB,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 정규 모션 계측 DB의 데이터와의 공분산 값이 최소가 되는 조합을 상기 정규 모션 해석 DB로부터 선택하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 2,
It characterized in that the combination of the minimum covariance value with the data of the normal motion measurement DB is selected from the normal motion analysis DB,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
상기 파랑추정 알고리즘은, 선형특성에 기초하여, 상기 단위유의파고 기준으로 구축된 정규 모션 해석 DB의 데이터와, 상기 계측기에 의해 감지된 모션 값을 최소제곱법을 활용하여 파고정보를 실시간 추정하는 것을 특징으로 하는,
파랑 스펙트럼 실시간 추정 및 운항지침제공 알고리즘을 구현한 시스템.The method of claim 2,
The wave estimation algorithm, based on the linear characteristics, estimates the wave height information in real time by using the data of the regular motion analysis DB built on the basis of the unit significant wave height and the motion value detected by the measuring device using a least squares method. Characterized by,
A system that implements an algorithm for real-time estimation of the wave spectrum and providing navigation instructions.
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