KR20220016348A - 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법에 관한 것으로서, 운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계; 선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계; 상기 운항 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 공기 윤활 시스템의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 단계; 및 상기 공기 윤활 시스템을 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계를 포함하며; 상기 선택된 구동 조건은, 상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 전체 연비 감소량에 대한 비교 판단, 기설정된 기간 내에 발생할 상기 공기 윤활 시스템의 온/오프 전환 횟수에 대한 비교 판단 결과를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법을 제안한다.
Description
본 발명은 디지털 트윈을 이용하여 선박의 공기 윤활 시스템의 성능을 예측하여 최적화된 동작을 수행하도록 제어하는 방법에 관한 것이다.
운항 중인 선박은 다양한 성분의 저항(resistance)을 받게 되고 이를 극복하기 위하여 많은 동력이 필요하게 되며, 궁극적으로 많은 연료비를 필요로 하게 된다.
이러한 저항 성분은 크게 파도로 인한 조파 저항(wave making resistance), 배의 형상과 관련된 형상 저항(form drag) 및 해수와 선체 표면의 마찰에 기인하는 마찰 저항(fricional resistance) 등으로 구분된다.
그리고 이들 성분 중에서 마찰 저항 성분이 가장 큰 부분을 차지하며 전체 저항의 약 70~80%를 차지한다.
선박 운항 시에 소요되는 연료비를 절감하기 위하여 이러한 저항을 감소시키기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있으며, 저항 성분 중에서 가장 큰 저항 성분인 마찰 저항을 감소시키기 위한 방법으로 공기를 선체 주위에 분사시키는 방법이 많이 연구되고 있다.
공기 분사를 통한 마찰 감소는 선체의 선저부에 일반적으로 설치되는 공기 분사 장치를 통해 해수의 유선(streamline)을 따라 공기 방울들이 흘러가게 함으로써 구현된다.
이러한 공기 윤활 시스템(ALS:Air Lubrication System)은 선박의 초기 구동을 데이터를 기초로 기설정된 구동 조건에 따라 그 구동(배출 개시, 온(on) 및 중지(배출 중지, 오프(off))가 제어된다.
그러나 선박의 초기 구동 환경은 실제 운항 환경과 상이할 수 있으므로, 초기 구동 환경에 따라 설정된 구동 조건을 기초로만 하여 공기 윤활 시스템을 구동하면, 실제 운항 환경에서 공기 윤활 시스템이 효율적으로 운용되지 못할 수 있다.
또한, 공기 윤활 시스템은 이를 구동하기 위한 별도의 전력을 소모하기 때문에, 공기 윤활 시스템이 효율적으로 운용되지 못하면 오히려 선박의 연비를 감소시키는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 공기 윤활 시스템을 온/오프하는 경우에는 연속적인 운용 시보다 더 많은 전력을 소모하므로, 구동 조건에 의해 잦은 온/오프가 발생하게 되면, 마찰 저항 감소에 의한 연비 감소보다 공기 윤활 시스템 운용에 의해 소모되는 전력이 더 많아져, 결과적으로 전체 연비가 감소하는 문제가 있다.
디지털 트윈(Digital Twin)은 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 현실 자산의 특성에 대한 정확한 정보를 얻기 위한 기술을 말한다.
현실 자산의 각종 상태, 생산성, 동작 시나리오 등을 알 수 있으므로 여러 산업들의 생산, 서비스 등 전반에 걸쳐 효율을 향상시킬 수 있으므로 최근 주목받고 있다.
디지털 트윈은 복제품을 만든다는 점에서 디지털 목업(mockup)과 비슷하다.
하지만 제품 설계가 완성되고 생산 및 판매가 이뤄지는 시점에서 쓸모가 없어지는 목업과는 달리, 디지털 트윈은 제품이 완성된 이후에도 계속 유지되며, 수집한 상태 데이터를 제품 사용자에게 제공할 수 있다는 점에서 큰 차이점을 가진다.
이러한 디지털 트윈의 장점으로 인해 산업 전반에는 디지털 트윈을 이용한 다양한 프로세스 및 관련 기술을 개발하고 있다. 그러나 아직 디지털 트윈은 초기 아이디어 단계에서 연구가 머물고 있는 실정이며 산업에 실제 적용하기 위한 기술 개발이나 적용이 미비한 실정이다.
본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 선박의 실제 운항 시 수집되는 다양한 정보를 기초로, 공기 윤활 시스템의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션 후 주기적으로 최적화된 구동조건으로 제어하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법은, 운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계; 선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계; 상기 운항 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 공기 윤활 시스템의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 단계; 및 상기 공기 윤활 시스템을 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계를 포함하며; 상기 선택된 구동 조건은, 상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 전체 연비 감소량에 대한 비교 판단, 기설정된 기간 내에 발생할 상기 공기 윤활 시스템의 온/오프 전환 횟수에 대한 비교 판단 결과를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는, 상기 선박의 초기 운항 정보를 수집하는 단계; 상기 초기 운항 정보를 기초로 상기 선박의 운항 중 기설정된 주기 동안 수집된 선박의 운동 정보와 환경외력 정보를 피드백하여, 상기 기설정된 주기마다 상기 구동 조건을 재확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는, 상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 전력 소모량 대비하여 연비 값이 상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 연비 감소량보다 크면 상기 공기 윤활 시스템을 구동하지 않도록 하는 조건을 포함하여 비교판단하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는, 상기 운항 정보에 따라 상기 기설정된 기간 내에 발생할 것으로 예상되는 상기 공기 윤활 시스템의 상기 온/오프 전환 횟수가 기설정된 설정값을 초과하면 상기 공기 윤활 시스템을 구동하지 않도록 하는 조건을 포함하여 비교판단하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
시뮬레이션 결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 작은 경우 제1 구동 조건을 만족하는지 확인하고, 상기 제1 구동 조건을 만족하지 않은 경우 공기 윤활 시스템의 구동을 정지하며;
상기 제1 구동 조건을 만족하는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 설정된 가동율로 구동하는 단계로 진행되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는, 시뮬레이션 결값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 클 경우 제2 구동 조건을 만족하는지 확인하고, 제2 구동 조건을 만족하지 않는 경우, 터보 차저에서 생성된 제2 압축공기 중 일부가 분사부로 공급되는 제1 구동 조건으로 구동되며; 제2 구동 조건을 만족하는 경우, 압축공기 생성부에서 생성된 제1 압축공기가 분사부로 공급되는 제2 구동 조건으로 구동되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 제1 압축공기를 생성하는 압축공기 생성부; 엔진으로 공급되는 제2 압축공기를 생성하는 터보차저; 상기 제1 압축공기 또는 상기 제2 압축공기를 공급받아 선체의 선저면으로 분사하는 분사부; 상기 제2 압축공기의 일부만이 상기 분사부로 공급되는 제1 구동 조건 또는 상기 제1 압축공기만이 상기 분사부로 공급되는 제2 구동 조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하며; 상기 제어부는, 운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 선박 운동 정보 수집부; 선박의 이동 예상 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 환경외력 정보 수집부; 선박의 초기 구동 정보 및 전력 소모 대비 연비를 설정한 설정값을 저장하는 저장부; 상기 선박 운동 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 공기 윤활 시스템의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 진행하는 시뮬레이션부; 및 상기 시뮬레이션부를 통해 복수의 구동 조건을 비교 및 판단하여 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 비교판단부를 포함하며; 상기 비교판단부에서 선택된 구동 조건으로 구동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법은, 디지털 트윈을 이용하여 선박의 운동정보와 환경외력정보를 공기 윤활 시스템의 작동상태와 시뮬레이션하여, 실제 연비 절감 효과를 고려하여 공기 윤활 시스템을 구동함으로써, 효율적인 공기 윤활 시스템의 운용이 가능한 효과를 가진다.
또한, 공기 윤활 시스템의 동작을 가동율에 따라 선택적으로 제어함으로써, 공기 윤활 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 제어부 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 최적화 제어 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 제어부 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 최적화 제어 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템을 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 제어부 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 최적화 제어 방법을 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 본 발명에서 이용되는 디지털 트윈(Digital Twin)은 현실 세계의 사물, 환경을 가상공간에 모사한 디지털 객체로서, 형상뿐만 아니라 데이터를 통해 현실에서의 움직임, 특성까지도 동일하게 표현하는 것을 의미한다.
따라서 디지털 트윈을 이용하여, 선박과 동일한 물리 법칙(6자 운동)으로 구동되는 디지털 모델과 실제 제품을 디지털화 하여 가상현실에서 미래를 예측할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공기 윤활 시스템(20)은 선박(10)의 선수측 저면에 하나 또는 다수 개가 설치된다. 공기 윤활 시스템(20)은 선미 방향으로 다수 개의 공기 방울을 배출하고, 공기 방울이 선체의 저면을 감싸게 되어, 해수와 선체 표면 사이의 마찰 저항이 감소된다. 결과적으로 선박(10)의 운항이 윤활하게 이루어질 수 있다.
공기 윤활 시스템(20)은 압축공기 생성부(21)와, 터보차저(22)와 분사부(23)과 제어부(200)를 포함한다.
압축공기 생성부(21)는 제1 압축공기를 생성한다. 압축공기 생성부(21)는 외부에서 공기를 흡입하여 제1 압축공기를 생성할 수 있다.
예를들어, 압축공기 생성부(21)는 에어 컴프레셔 또는 에어 블로워를 포함할 수 있다.
터보차저(22)는 엔진(11)의 배기가스를 이용하여 엔진(11)으로 공급되는 제2 압축공기를 생성한다. 엔진(11)은 추력을 제공하는 프로펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공한다.
엔진(11)의 배기가스는 터보차저(22)로 유입되고, 터보차저(22)는 유입된 배기가스의 압력을 이용하여 제2 압축공기를 생성한다.
터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기는 엔진(11)으로 유입된다. 이러한 터보차저(22)의 작동으로 인해 엔지(11)의 엔진 효율이 향상된다.
분사부(23)는 압축공기 생성부(21)로부터 제1 압축공기를 공급받아 선체(10)의 선저면으로 분사한다. 압축공기 생성부(21)로부터 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 전달되고, 분사부(23)는 선체의(10)의 저부에 형성된 챔버(미도시)를 포함할 수 있다.
챔버에는 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기가 유입되는 유입구와, 유입된 제1 압축공기를 선체(10)의 선저면으로 배출시키기 위한 다수의 배출구가 형성될 수 있다.
또한, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 일부는 분사부(23)로 공급될 수 있다.
공기윤활 시스템(20)이 구동되는 조건은, 제1 구동조건과 제2 구동조건에 따라 구동 될 수 있다.
먼저 제2 구동조건은 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기를 통해 분사되는 것 즉, 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되고, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기 일부는 분사부로 공급되지 않는 것을 의미하며, 제1 구동조건은 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기를 통해 분사되는 것 즉, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 일부는 분사부(23)로 공급되고 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되지 않는 것을 의미한다.
공기윤활 시스템(20)의 제어부(200)는 엔진(11)의 부하와 설정값과 디지털 트윈을 이용한 시뮬레이션 결과값을 비교한다. 이때, 제어부(200)는 엔진(11) 부하가 설정값 보다 같거나 큰지를 판단하다. 엔진(11)의 부하는 공지된 측정 장비 또는 방법으로 측정될 수 있다.
엔진(11)의 부하가 설정값 보다 작으면, 제어부(200)는 공기윤활 시스템(20)가 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기만이 분사부(23)로 공급되도록 하는 제2 구동조건으로 동작하도록 제어한다.
엔진 부하가 설정값보다 같거나 크면, 공기윤활 시스템(20)이 터보차저(22)에서 생성되는 제2 압축공기의 일부만이 분사부(23)로 공급되는 제1 구동조건으로 동작하도록 제어한다.
제어부(200)는 압축공기 생성부(21)를 온/오프 시키는 방식으로 공기윤활 시스템(20)이 제1 구동조건 또는 제2 구동조건으로 동작하는 것을 제어할 수 있다.
제어부(200)가 공기윤활 시스템(20)을 제1 구동조건 또는 제2 구동조건으로 동작시키기 위한 기준이 되는 설정값은 저장부(203)에 저장될 수 있다.
본 실시예에서, 엔진(11)의 부하가 설정값 보다 작으면, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 공기압이 분사부(23)에서 요구되는 공기압 보다 작아진다.
이때, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기가 분사부(23)로 전달되기 어렵다. 이경우, 제어부(200)는 공기윤활 시스템(20)이 제1 압축공기만이 분사부(23)로 공급되도록 제2 구동조건으로 동작하도록 제어한다.
그리고 엔진(11)의 부하가 설정값 보다 같거나 크면, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 공기압이 분사부(23)에서 요구되는 공기압보다 같거나 커진다. 이때, 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기가 분사부(23)로 전달될 수 있다.
이경우, 제어부(200)는 공기윤활 시스템(20)이 제2 압축공기의 일부만이 분사부(23)로 공급되는 제1 구동조건으로 동작하도록 제어한다.
또한, 압축공기 생성부(21)에서 생성되는 제1 압축공기를 사용하지 않고, 터보차저(22)에서 생성되는 제2 압축공기의 일부를 사용하여 선체(10)의 선저면에 공기층을 형성하여 마찰저항을 저감할 수 있다. 이에 따라 압축공기 생성부(21)를 작동하기 위해 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
도 2를 참조하면, 공기 윤활 시스템(20)의 제어부(200)는 선박 운동 정보 수집부(201)와 환경외력 정보 수집부(202)와 저장부(203)와 시뮬레이션부(205)와 비교판단부(210)로 구성될 수 있다.
선박 운동 정보 수집부(201)는 선박의 운항 정보와 선박의 운동을 계측하여 선박의 6자유도 운동(surge, roll, sway, pitch, heave, yaw)정보를 수신할 수 있다.
또한, 환경외력 정보 수집부(202)는 실시간 기상정보와 관련하여 바람, 해류, 파랑 정보 수신할 수 있다.
저장부(203)는 공기 윤활 시스템(20)의 운용을 위해 필요한 데이터를 저장할 수 있다.
저장부(203)는 선박의 운항 중에 발생하는 다양한 운항 정보를 선박 운동 정보 수집부(203)에 의해 수집되고 저장부(203)에 저장될 수 있다.
운항 정보 및 환경외력 정보는 공기 윤활 시스템에 마련되거나 선박에 추가로 마련되는 다양한 센서들 또는 회로들을 통해 수집될 수 있고, 또는 공기 윤활 시스템에 마련되거나 선박에 추가로 마련되는 통신 모듈에 의해 기상청 서버 등과 같은 외부로부터 정보가 수신될 수 있으며, 특히 데이터를 가공하여 수신된 것일 수 있다.
환경외력 정보는, 현재의 기상 정보뿐만 아니라 미래의 임의의 시점 및 이동 예상 경로에 따른 지점까지에 대한 기상 정보를 포함할 수 있다.
저장부(203)는 공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보로써, 공기 방울의 크기, 배출량, 다른 운항 정보로부터 판단되는 공기 윤활 시스템(20)의 이상 유무 등을 저장할 수 있다.
공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보는 연비와 관련된 정보로써, 선박 운항 연비, 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 전력 소모량, 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 선박의 연비 감소량 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보는 선박의 운항 정보를 기초로 결정되는, 기설정된 기간 동안 발생할 온/오프 전환 횟수를 더 포함할 수 있다.
상기한 정보들을 수집하기 위하여, 공기 윤활 시스템(20)은 적어도 하나의 센서를 포함하거나, 외부로부터 정보를 수신하기 위한 통신 모듈을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서 저장부(203)는 공기 윤활 시스템(20)의 온/오프를 제어하기 위한 제어 조건을 저장할 수 있으며, 제어 조건은 선박이 실제로 운항되는 동안 기설정된 주기에 따라 수집되는 실제 운항에 따른 운항 정보를 기초로 제어 조건을 주기적으로 재설정될 수 있다.
제어부(200)는 선박의 기설정된 초기 구동 시간 동안 수집되는 운항 정보를 기초로 공기 윤활 시스템(20)의 초기 구동 조건을 설정한다. 초기 구동 시의 운항 환경은 선박의 실제 운항 동안의 운항 환경과는 상이할 수 있기 때문에, 초기 구동에서 수집된 운항 정보를 기초로 설정된 초기 구동 조건은 실제 운항 환경을 반영하지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서, 제어부(200)는 초기 구동 조건을 설정한 이후에, 기설정된 주기마다(x분, x시간 마다) 해당 주기 동안 수집된 운항 정보 및 공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보를 기초로 제어 조건을 재설정 한다. 결과적으로 제어부(200)는 선박이 운항되는 동안 실시간으로 수집되는 운항 정보 및 공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보를 피드백 받고 이를 시뮬레이션부(205)에서 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션하여, 공기 윤활 시스템(20)의 구동 조건을 능동적으로 재설정할 수 있다.
제어 조건은 선박의 운동 정보 및/또는 환경외력 정보로부터 도출되는 적어도 하나의 파라미터에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다.
제어 조건은 연비 감소량에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다. 일반적으로, 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의해 선박의 운항 연비가 감소될 수 있다. 그러나 선체(10)의 마찰 저항이 크지 않은 경우, 즉 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 연비 절감 효과가 크지 않은 경우, 공기 윤활 시스템(20)의 잦은 온/오프 제어에 의해 공기 윤활 시스템(20)의 전력 소모량이 커지는 경우, 공기 윤활 시스템(20)을 구동함으로써 소모되는 전력 소모량이 연비 감소량 보다 더 클 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 제어부(203)가 공기 윤활 시스템(100)의 구동에 의한 전력 소모량을 연비로 치환한 값 및 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 연비 감소량을 종합적으로 판단하여 결정되는 전체 연비 감소량을 기초로, 제어 조건을 설정할 수 있다. 예를들어, 제어 조건은 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 전력 소모량의 연비 치환값이 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 연비 감소량보다 작은 조건을 포함할 수 있다. 여기서, 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의해 소모되는 전력 소모량은 공기 윤활 시스템(20)의 이상 상태 등에 의해 영향을 받을 수 있으므로, 이러한 제어 조건은 공기 윤활 시스템(20)의 이상 상태 등을 반영할 수 있다.
제어 조건은 기설정된 기간 내에 발생할 온/오프 전환 횟수에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제어 조건은 수집되는 운항 정보를 기초로 기설정된 기간 내에 기설정된 횟수를 초과하는 온/오프 전환이 몇 회 발생할 것인지에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다. 여기서 기설정된 기간은 온/오프 전환에 의한 전력 소모량이 연비 절감 효과 보다 크다고 판단될 만큼 충분히 짧은 기간일 수 있다.
또한, 여기서 운항 정보는, 예를 들어 미래의 시점에 대한 기상 정보가 포함될 수 있다. 즉, 이동 예상 경로에 따른 환경외력 정보를 포함할 수 있다.
공기 윤활 시스템(20)의 온/오프제어는 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 전력 소모량에 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 조건은 상기에서 기술한 전체 연비 감소량의 임계 범위에 대한 조건에 포함될 수 있다.
구동 조건은 공기 윤활 시스템(20)의 이상 발생 유무를 포함할 수 있다. 선박에 이상이 발생하여 효율이 과도하게 낮아지는 경우, 공기 윤활 시스템(20)을 구동하는 것은 오히려 선박의 연비를 감소시킬 수 있다. 따라서, 제어 조건은 선박의 이상 발생 유무를 포함하도록 설정될 수 있다.
제어부(200)는 상기와 같이 설정된 제어 조건을 기초로, 공기 윤활 시스템(20)의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어 조건을 만족한다는 것은 상술한 제어 조건들을 모두 만족하는 경우, 이들 중 적어도 일부를 만족하는 경우, 특정 하나를 만족하는 경우 중 어느 하나를 의미할 수 있다.
운항 정보가 구동 조건을 만족시키는 경우, 제어부(200)는 공기 방울 배출을 개시하도록(on 상태) 제어할 수 있다. 한편, 운항 정보가 구동 조건을 만족시키지 않는 경우, 제어부(200)는 공기 방울 배출을 중지하도록(off 상태) 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어부(200)는 판단된 전체 연비 감소량이 임계값 미만인 경우, 공기 방울 배출을 중지하도록(off 상태) 제어할 수 있다. 일 실시 예에서, 제어부(200)는 기설정된 기간 내에 발생할 온/오프 전환 횟수가 임계값을 초과하는 경우, 공기 방울 배출을 중지하도록(off 상태) 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어 조건은 복수 개가 설정될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 제어부(200는 수집된 운항 정보가 제어 조건을 만족시키는지 여부에 따라 공기 윤활 시스템(20)의 온/오프뿐만 아니라 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기가 공급되도록 하거나, 터보차저(22)에서 생성되는 제2 압축공기의 일부가 공급되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 공기 윤활 시스템(20)의 온/오프 뿐만 아니라 가동률을 제어할 수 있다.
예를들어, 제어부(200)는 운항 정보가 제1 구동 조건을 만족하지 않으면, 공기 윤활 시스템(20)을 오프(off)로 제어할 수 있다. 또는 제어부(200)는 운항 정보가 제1 구동 조건을 만족하고 제2 구동 조건을
만족하지 않으면, 공기 윤활 시스템(20)의 가동률을 일정 범위(30%미만)로 설정하여 온 상태로 터보차저(22)에서 생성되는 제2 압축공기의 일부가 공급되도록 제어할 수 있다.
또는 제어부(200)는 운항 정보가 제2 구동 조건을 만족하면, 공기 윤활 시스템(20)의 가동률을 일정범위(30% 초과)로 설정하여 온 상태로 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기가 공급되도록 제어할 수 있다.
다양한 실시예에서, 가동률은 공기 윤활 시스템(20)에 대한 전력 공급량, 분사부(23)의 공기 챔버(미도시)에서의 공기 방울 배출량, 및/또 는 분사부(23)에 형성된 분사를 위한 복수 개의 구멍들 중 개방되는 구멍의 비율을 의미할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어부(200)는 수집되는 운항 정보 및 공기 윤활 시스템(20)의 운용 정보를 기초로, 공기 윤활 시스템(20)의 이상 유무를 판단할 수 있다.
구체적으로, 제어부(200)는 공기 윤활 시스템(20)의 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 전력 소모량, 공기 윤활 시스템(20)의 구동에 의한 선박의 연비 감소량, 공기 방울 배출량 등을 기초로 공기 윤활 시스템(20)의 이상 유무를 판단할 수 있다. 공기 윤활 시스템(20)이 이상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 제어부(200)는 공기 윤활 시스템(20) 또는 선박 내에 별도로 마련되는 출력부(미도시) 등을 통해 공기 윤활 시스템(20)의 수리/정비 알림을 출력할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 공기 윤활 시스템(20)의 구성 요소는 상술한 것에 한정되지 않으며, 구현하기에 따라 더 많은 구성 요소가 포함되거나 일부 구성 요소가 생략 또는 통합될 수 있다.
시뮬레이션부(205)는 공기윤활 시스템(20)의 복수의 구동 조건을 선박의 현 상태 정보와 선박의 이동 예상 경로에 따른 선박의 운동정보와 환경외력 정보를 입력하여, 선박의 공기 윤활 시스템(20)을 구동하지 않는 오프(off) 상태로 운항하는 것이 연비에 좋은지, 선박의 공기 윤활 시스템(20)을 온(on) 상태로 구동하되, 제1 구동 조건으로 구동하는 것이 연비에 좋은지, 제2 구동 조건으로 구동하는 것이 연비에 좋은지 확인할 수 있도록 디지털 트윈을 이용하여, 시뮬레이션을 진행할 수 있다.
비교판단부(210)는 시뮬레이션부(205)에서 시뮬레이션 진행된 결과값을 저장부(203)에 저장된 설정값과 비교하여 판단할 수 있으며, 선박의 전력 소모 대비 연비 향상이 가장 좋은 하나의 구동 조건을 선택하여 공기 윤활 시스템을 제어할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 공기 윤활 시스템(20)은 제어부(200)에서 선박의 초기 구동 시 운항 정보를 수집한다. 운항 정보는 선박의 운동 정보와 환경외력 정보를 포함한다.
초기 구동 기간이 경과되면, 공기 윤활 시스템(20)은 초기 구동 시 수집된 운항 정보를 기초로 공기 윤활 시스템(20)의 초기 구동 조건을 설정할 수 있다.
또한, 제어부(200)에서 예상 이동 경로에 따른 선박의 운동정보와 환경외력 정보를 입력하여, 시뮬레이션부(204)에서 공기윤활 시스템의 복수개의 구동조건을 디지털 트윈을 이용하여 복수의 선체에 적용하여 시뮬레이션을 진행하여, 공기윤활 시스템(20)을 오프(off) 상태로 제어하는 것과 공기 윤활 시스템(20)이 온(on)상태에서 설정된 가동률 중 제1 구동조건 또는 제2 구동조건으로 제어하는 것과 공기 윤활 시스템(20)이 온(on) 상태에서 최고 가동률로 제어하는 것 중 어느 하나의 구동조건으로 설정할 수 있다.
이는 복수개의 구동조건 중 설정값과 결과값을 비교하여, 선박의 소모되는 전력보다 연비가 큰 경우로 최적화 될 수 있도록 제어한다.
즉, 선박의 복수의 예상 이동 경로를 공기 윤활 시스템(20)을 오프(off)한 상태로 운항되는 시뮬레이션(simulation) 결과값과, 공기 윤활 시스템(20)을 온(on)한 상태에서, 제1 구동조건으로 운항되는 시뮬레이션 결과값과, 공기 윤활 시스템(20)을 온(on)한 상태에서, 제2 구동조건로 운항되는 시뮬레이션 결과값을 비교하여, 선박에서 소모되는 전력 대비 연비가 가장 좋은 구동조건과 이동 경로로 운항하도록 최적화(optimization를 진행할 수 있다.
본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법은, 공기 윤활 시스템(20)은 제어부(200)의 선박 운동 정보 수집부(201)에서 기설정된 주기 동안 운항 정보 중 선박의 운동정보를 수집하는 단계.(S100)
제어부(200)의 환경외력 정보 수집부(202)에서 기설정된 주기 동안 운항 정보 중 선박의 예상 이동 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계.(S110)
선박의 예상 이동 경로에 따른 선박의 운동 정보와 환경 외력 정보를 입력하여, 제어부(200)의 시뮬레이션부(205)에서 복수개의 공기 윤활 시스템의 구동 조건으로 운항되도록 시뮬레이션 진행하는 단계.(S120)
시뮬레이션 진행 결과, 제어부(200)의 저장부(203)에 저장된 설정값과 시뮬레이션 결과값을 비교판단부(210)에서 비교하는 단계.(S130)
결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 작은 경우 제1 구동 조건 진행 준비 단계(S140)로 진행되고, 제1 구동 조건을 만족하는지 확인하는 제1 구동 조건 판단부(S141)에서 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않은 경우 공기 윤활 시스템의 구동을 정지하는 공기 윤활 시스템 오프(off) 단계(S142)로 진행되며, 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 제2 구동 조건 진행 준비 단계(S150)로 진행되고, 제2 구동 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 설정된 가동율로 구동하는 단계(S152)로 진행된다. 즉, 제1 구동 조건인 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 일부는 분사부(23)로 공급되고 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되지 않는 것으로 구동된다.
또한, 제2 구동 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 최고 가동율로 진행하는 단계(S153)로 진행된다. 즉, 제2 구동 조건인 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되는 것으로 구동된다.
또한, 전술된 결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 같거나 큰 경우 제2 구동 조건 진행 준비 단계(S150)로 진행되고, 제2 구동 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 설정된 가동율로 구동하는 단계(S152)로 진행된다. 즉, 제1 구동 조건인 터보차저(22)에서 생성된 제2 압축공기의 일부는 분사부(23)로 공급되고 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되지 않는 것으로 구동된다.
또한, 제2 구동 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 최고 가동율로 진행하는 단계(S153)로 진행된다. 즉, 제2 구동 조건인 압축공기 생성부(21)에서 생성된 제1 압축공기는 분사부(23)로 공급되는 것으로 구동된다.
또한, 시뮬레이션 결과값이 설정값 보다 작은 경우 공기 윤활 시스템(20)의 구동 여부를 제1 구동 조건 만족 여부와 제2 구동 조건 만족 여부로 한번 더 검증하여, 공기 윤활 시스템(20)의 온(on)상태로 구동하는 것을 검증하여, 전력 소모 대비 연비 향상이 진행되는 경우에만 공기 윤활 시스템(20)을 구동할 수 있도록 제어한다.
따라서, 공기 윤활 시스템(20)을 설정된 구동 조건 즉, 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우에 공기 윤활 시스템(20)을 온(on)하고 설정된 가동율 또는 최고 가동율로 구동하며, 구동 조건을 만족하지 않는 경우에 공기 윤활 시스템(20)을 오프(off)하는 것으로 온/오프를 제어하여, 실제 연비 절감 효과를 고려하여 공기 윤활 시스템을 구동함으로써, 효율적인 공기 윤활 시스템의 운용이 가능한 효과를 가진다.
또한, 공기 윤활 시스템의 동작을 가동율에 따라 선택적으로 제어함으로써, 공기 윤활 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과를 가진다.
지금까지 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 실시 변형이 가능함은 자명하다. 그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술 될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 선박 11: 엔진
20: 공기 윤활 시스템(Air Lubrication System) 21: 압축공기 생성부
22: 터보 차저 23: 분사부
200: 제어부 201: 선박 운동 정보 수집부
202: 환경외력 정보 수집부 203: 저장부
205: 시뮬레이션부 210: 비교판단부
20: 공기 윤활 시스템(Air Lubrication System) 21: 압축공기 생성부
22: 터보 차저 23: 분사부
200: 제어부 201: 선박 운동 정보 수집부
202: 환경외력 정보 수집부 203: 저장부
205: 시뮬레이션부 210: 비교판단부
Claims (7)
- 선박의 공기윤활 시스템 제어방법에 있어서,
운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계;
선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계;
상기 운항 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 공기 윤활 시스템의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 하는 단계;
상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 단계; 및
상기 공기 윤활 시스템을 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계를 포함하며;
상기 선택된 구동 조건은,
상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 전체 연비 감소량에 대한 비교 판단, 기설정된 기간 내에 발생할 상기 공기 윤활 시스템의 온/오프 전환 횟수에 대한 비교 판단 결과를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
상기 선박의 초기 운항 정보를 수집하는 단계;
상기 초기 운항 정보를 기초로 상기 선박의 운항 중 기설정된 주기 동안 수집된 선박의 운동 정보와 환경외력 정보를 피드백하여, 상기 기설정된 주기마다 상기 구동 조건을 재확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 전력 소모량 대비하여 연비 값이 상기 공기 윤활 시스템의 구동에 따른 연비 감소량보다 크면 상기 공기 윤활 시스템을 구동하지 않도록 하는 조건을 포함하여 비교판단하여 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
상기 운항 정보에 따라 상기 기설정된 기간 내에 발생할 것으로 예상되는 상기 공기 윤활 시스템의 상기 온/오프 전환 횟수가 기설정된 설정값을 초과하면 상기 공기 윤활 시스템을 구동하지 않도록 하는 조건을 포함하여 비교판단하여 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
시뮬레이션 결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 작은 경우 제1 구동 조건을 만족하는지 확인하고, 상기 제1 구동 조건을 만족하지 않은 경우 공기 윤활 시스템의 구동을 정지하며;
상기 제1 구동 조건을 만족하는 경우, 공기 윤활 시스템을 온(on)상태로 구동하며, 설정된 가동율로 구동하는 단계로 진행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 선택된 구동 조건으로 제어하는 단계는,
시뮬레이션 결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 같거나 큰 경우 제2 구동 조건을 만족하는지 확인하고, 제2 구동 조건을 만족하지 않는 경우, 터보 차저에서 생성된 제2 압축공기 중 일부가 분사부로 공급되는 제1 구동 조건으로 구동되며;
제2 구동 조건을 만족하는 경우, 압축공기 생성부에서 생성된 제1 압축공기가 분사부로 공급되는 제2 구동 조건으로 구동되는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 제어 방법.
- 선박의 공기 윤활 시스템에 있어서,
제1 압축공기를 생성하는 압축공기 생성부;
엔진으로 공급되는 제2 압축공기를 생성하는 터보차저;
상기 제1 압축공기 또는 상기 제2 압축공기를 공급받아 선체의 선저면으로 분사하는 분사부;
상기 제2 압축공기의 일부만이 상기 분사부로 공급되는 제1 구동 조건 또는 상기 제1 압축공기만이 상기 분사부로 공급되는 제2 구동 조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하며;
상기 제어부는,
운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 선박 운동 정보 수집부;
선박의 이동 예상 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 환경외력 정보 수집부;
선박의 초기 구동 정보 및 전력 소모 대비 연비를 설정한 설정값을 저장하는 저장부;
상기 선박 운동 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 공기 윤활 시스템의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 진행하는 시뮬레이션부; 및
상기 시뮬레이션부를 통해 복수의 구동 조건을 비교 및 판단하여 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 비교판단부를 포함하며;
상기 비교판단부에서 선택된 구동 조건으로 구동하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020200095377A KR102365367B1 (ko) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020200095377A KR102365367B1 (ko) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법 |
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|---|---|
| KR20220016348A true KR20220016348A (ko) | 2022-02-09 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020200095377A KR102365367B1 (ko) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 디지털 트윈을 이용한 선박의 공기 윤활 시스템 성능 예측 및 제어 방법 |
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| KR (1) | KR102365367B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102477783B1 (ko) * | 2022-06-02 | 2022-12-15 | 이안 주식회사 | 디지털 트윈에 기반한 메타버스를 제공하는 방법 및 시스템 |
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| KR102365367B1 (ko) | 2022-02-22 |
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