KR20240028971A - 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해양 공학 및 가상 시뮬레이션 기술 분야에 응용되며, 각 서브시스템에 통신 인터페이스를 제공하기 위한 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템; 시뮬레이션 과목을 생성하고 발표하는 종합 관리 및 평가 서브시스템; 조작 명령을 생성하는 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템; 과목의 파라미터 및 조작 명령을 수신하여, 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 운동 시뮬레이션 서브시스템; 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태에 대한 실시간 시뮬레이션을 삼차원으로 디스플레이하는 비주얼 시뮬레이션 서브시스템을 포함하는 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법을 개시한다. 본 발명은 인간-컴퓨터 상호작용성을 갖추고 있어, 해상 예인 작업인원의 협동 훈련과 기능 훈련에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자켓의 예인 설치 시뮬레이션 예행연습과 계획의 검증을 구현할 수도 있어, 작업인원과 장비의 안전성을 효과적으로 보장하고, 해상 작업의 위험을 감소시키며, 작업 효율을 높일 수 있으며, 뚜렷한 경제적 효과와 사회적 이익을 구비한다.
Description
본 발명은 해양 공학 및 가상 시뮬레이션 기술 분야에 관한 것으로서, 특히 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법에 관한 것이다.
자켓은 전형적인 해상 플랫폼의 하나로서, 비싼 건설 원가, 높은 예인 난이도, 큰 운송 위험 등의 특징을 지니며, 대륙붕 부근 해역의 석유 개발에 광범위하게 응용되고 있다. 통상적으로 자켓은 육지의 부두에서 건조된 후, 다시 목표 유전으로 운송되는데, 습식 예인(wet towing)이란 자켓이 입수된 후, 부력챔버를 설치하거나 또는 부표를 묶어 자켓이 부유하는 상태로 예인선이 직접 예인하는 운송 방법으로서, 진수(launching)와 어펜딩(upending) 사이에서 단거리 탁송 및 설치를 위해 사용되며, 위험성이 높으나 경제성이 양호한 특징이 있다. 해상 설치 작업에서 소홀히 할 수 없는 요소는 복잡다변한 자연 환경에 있으며, 자켓을 습식 예인하는 과정에서 조류 변화 및 풍향 변화도 피할 수 없이 겪어야 하므로, 어떻게 기상 변화가 가져오는 영향을 극복하고, 안전하고 신뢰할 수 있는 습식 예인 계획을 보장할 것인가가 자켓의 습식 예인이 직면한 최대 난제이다. 따라서 실제 해상 시공작업 전 해상 습식 예인 운송 방안에 대해 시뮬레이션 예행 연습을 실시하여, 해상 작업의 위험을 사전에 예측하고 계획적으로 회피하며, 운송 계획의 타당성을 검증하는 것이 해상 시공작업의 안전을 보장하고 시공 효율을 높이는 데 중요한 의미가 있다.
이를 위해, 실제 해상 시공작업 전 해상 습식 예인 운송 계획에 대해 시뮬레이션 예행 연습을 실시하여, 해상 작업의 위험을 사전에 예측하고 계획적으로 회피하며, 운송 계획의 타당성을 검증하고, 해상 시공작업의 안전을 보장하고 시공 효율을 높일 수 있는 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법을 어떻게 제공할 것인가가 당업자가 시급히 해결해야 할 과제이다.
이러한 관점에서, 본 발명은 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법을 제안한다. HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 채택함으로써, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템을 각각 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템의 5가지 서브시스템으로 나누었으며; 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 페더레이션 구성요소에 통신 인터페이스를 제공하고, 종합관리 및 제어 서브시스템은 훈련 과목을 발표함과 아울러, 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하며, 운동 시뮬레이션 서브시스템은 네트워크를 통해 훈련교관이 송신하는 자켓의 초기 상태 및 예인선의 초기 상태, 예인줄의 속성 파라미터 등을 수신함과 동시에, 윈치 콘솔 및 예인선 콘솔로부터 온 제어 명령을 수신하여 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 데이터를 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템으로 전송하여 비주얼 로밍 및 데이터 분석을 실시하며; 구축된 6자유도 운동 모델을 기반으로 하여, 예인 상태에서 동적 해황을 고려한 자켓, 예인선 및 예인줄의 실시간 운동 상태를 정확하게 시뮬레이션하고, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 결합하여 자켓의 예인작업 과정의 충돌 간섭과 작업 위험 지점을 직관적으로 피드백할 수 있다. 본 발명은 인간-컴퓨터 상호작용성을 갖추고 있어, 해상 예인 작업인원의 협동 훈련과 기능 훈련에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자켓의 예인 설치 시뮬레이션 예행연습과 계획의 검증을 구현할 수도 있어, 작업인원과 장비의 안전성을 효과적으로 보장하고, 해상 작업의 위험을 감소시키며, 작업 효율을 높일 수 있으며, 뚜렷한 경제적 효과와 사회적 이익을 구비한다.
위의 목적을 구현하기 위하여, 본 발명은 하기와 같은 기술방안을 채택한다:
자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템으로서, 이는 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합 관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템을 포함한다.
분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 서브시스템에 통신 인터페이스를 제공하기 위해 사용된다.
종합 관리 및 평가 서브시스템은 시뮬레이션 과목을 생성하고 게시하기 위해 사용된다.
조작 제어 시뮬레이션 서브시스템은 조작 명령을 생성하기 위해 사용된다.
운동 시뮬레이션 서브시스템은 시뮬레이션 과목의 파라미터 및 조작 명령을 수신하여, 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하기 위해 사용된다.
비주얼 시뮬레이션 서브시스템은 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태의 실시간 시뮬레이션을 삼차원으로 디스플레이하기 위해 사용된다.
선택적으로, 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 구체적으로: HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 기반으로 하여, RTI 인터페이스를 이용하여 각 페더레이션 구성요소에 대해 통신을 수행하고, 페더레이션 운행 모니터링 모듈을 통해 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링한다.
선택적으로, 종합 관리 및 평가 서브시스템은 해양 환경 파라미터, 자켓의 초기 위치 및 예인선의 초기 위치, 예인줄의 물리적 속성 파라미터를 설정하고 시뮬레이션 훈련 과목을 생성 및 발표하며, 시스템 시뮬레이션의 시작과 중지를 제어함과 동시에 운동 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 시뮬레이션 데이터를 기록하고 가시적으로 디스플레이하기 위한 훈련교관 콘솔 및 종합 관리 평가 기능을 포함한다.
선택적으로, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템은 예인선 콘솔 및 윈치 콘솔을 포함하며, 예인선 콘솔은 예인선의 항로 방향, 항속 기본 조작 파라미터를 설정하고, 윈치 콘솔은 예인줄의 회수 및 푸는 속도를 설정한다.
선택적으로, 운동 시뮬레이션 서브시스템은 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델을 포함하며, 종합 관리 및 평가 서브시스템에서 생성된 유속, 흐름 방향, 파랑 방향의 해양 환경 파라미터, 예인선의 초기 위치 및 자켓의 초기 위치, 예인줄의 직경, 건조 중량, 습중량 초기 파라미터, 및 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 목표 항로 방향, 항속, 윈치 속도 조작 명령의 수신을 통해, 자켓의 6자유도 운동 데이터 및 예인선의 6자유도 운동 데이터, 예인줄의 형태 및 장력을 실시간으로 해를 구하고, 시뮬레이션 데이터를 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템에 제공한다.
선택적으로, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템은 자켓 예인 작업 삼차원 모델 라이브러리 및 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어를 포함하며, 모델 시뮬레이션 데이터를 통해 삼차원 비주얼을 구동하고, 자켓의 운동 상태 및 예인선의 운동 상태, 예인줄의 형태, 해양 환경을 실시간으로 렌더링한다.
본 발명은 또한 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법을 더 제공하며, 다음을 포함한다:
단계 (1): 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템을 가동하여, 각 서브시스템의 소프트웨어와 하드웨어 통신을 보장하고, 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링하는 단계;
단계 (2): 종합 관리 및 평가 서브시스템을 응용하여, 시뮬레이션 훈련 과목을 선택하고 해황 조건 및 자켓의 초기 위치, 예인선의 초기 위치, 예인줄의 초기 파라미터를 설정하며, 파라미터의 설정이 완료된 후 운동 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하고, 네트워크를 통해 시스템의 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하는 단계;
단계 (3): 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 시뮬레이션 요구 사항에 따라, 조작 핸들 및 제어 소프트웨어를 통해 윈치의 속도 및 예인선의 조종 명령을 설정하고, 운동 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 단계;
단계 (4): 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델을 포함하는 운동 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 종합 관리 및 평가 서브시스템과 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템이 전송한 제어 명령에 따라 6자유도 운동 시뮬레이션 모델을 구동하고, 커플링 시스템의 운동 상태를 실시간으로 결산함과 동시에, 시뮬레이션 데이터를 종합 관리 및 평가 서브시스템과 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 단계;
단계 (5): 비주얼 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 종합 관리 및 평가 서브시스템이 발표한 해양 환경 데이터 및 운동 시뮬레이션 서브시스템이 계산한 시뮬레이션 데이터를 기초로 하여, 훈련 장면 및 작업 장비를 실시간으로 렌더링하여 삼차원으로 디스플레이하는 단계.
선택적으로, 단계 (4)에서, 예인줄의 자켓에 대한 작용력 및 예인선에 대한 작용력을 각각 자켓 및 예인선 운동 방정식에 입력하여 계산하며, 예인줄 말단을 자켓에 고정 연결되는 것으로 간주하고, 상단을 예인줄에 고정 연결되는 것으로 간주하여, 해를 구하는 과정에서 예인줄 말단과 상단의 노드 속도 및 공간 위치를 각각 자켓과 예인선의 노드 속도 및 공간 위치와 일치되도록 유지하고, 자켓, 예인선, 예인줄을 하나의 완전체로 간주하여 커플링하고 해를 구한다.
자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인선의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 모두 해양 환경의 작용력 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델에 의해 생성된 인장력을 고려한다.
선택적으로, 단계 (4)에서, 예인줄 운동 시뮬레이션 모델은 종합 관리 및 평가 서브시스템에 의해 설정된 예인줄 초기 파라미터를 통해 모델로 하여금 해를 구하도록 한다.
선택적으로, 단계 (4)에서, 자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같다:
여기서: 는 관성력이고; 는 예인력이며; 는 부력이고; 는 부가 질량이다.
예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같다:
여기서 는 선박의 질량 매트릭스와 부가 질량 매트릭스를 포함하는 예인선의 시스템 관성 매트릭스이고; 는 예인선 댐핑 매트릭스이며; 는 중력, 부력에 의해 야기되는 힘과 모멘트의 벡터이고; 는 코리올리 원심력 매트릭스이며; 는 예인선이 받는 추력이다.
예인줄 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같다:
여기서: 는 노드 i의 질량 매트릭스이고; 는 노드 i의 부가 질량 매트릭스이며; 는 노드 장력이고; 는 노드 내부 댐핑력이며; 는 단위 길이 순 부력이고; 는 노드 부위의 횡방향 댐핑력이며; 는 노드 부위의 접선 방향 댐핑력인 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법.
위의 기술방안을 통해, 본 발명은 종래 기술과 비교하여, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법을 제안하였음을 알 수 있다. HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 채택함으로써, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템을 각각 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템의 5가지 서브시스템으로 나누었으며; 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 페더레이션 구성요소에 통신 인터페이스를 제공하고, 종합관리 및 제어 서브시스템은 훈련 과목을 발표함과 아울러, 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하며, 운동 시뮬레이션 서브시스템은 네트워크를 통해 훈련교관이 송신하는 자켓의 초기 상태 및 예인선의 초기 상태, 예인줄의 속성 파라미터 등을 수신함과 동시에, 윈치 콘솔 및 예인선 콘솔로부터 온 제어 명령을 수신하여 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 데이터를 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템으로 전송하여 비주얼 로밍 및 데이터 분석을 실시하며; 구축된 6자유도 운동 모델을 기반으로 하여, 예인 상태에서 동적 해황을 고려한 자켓, 예인선 및 예인줄의 실시간 운동 상태를 정확하게 시뮬레이션하고, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 결합하여 자켓의 예인작업 과정의 충돌 간섭과 작업 위험 지점을 직관적으로 피드백할 수 있다. 본 발명은 인간-컴퓨터 상호작용성을 갖추고 있어, 해상 예인 작업인원의 협동 훈련과 기능 훈련에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자켓의 예인 설치 시뮬레이션 예행연습과 계획의 검증을 구현할 수도 있어, 작업인원과 장비의 안전성을 효과적으로 보장하고, 해상 작업의 위험을 감소시키며, 작업 효율을 높일 수 있으며, 뚜렷한 경제적 효과와 사회적 이익을 구비한다.
본 발명의 실시예 및 종래 기술 중의 기술방안을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하 실시예 또는 종래 기술에 대한 설명에서 사용할 필요가 있는 도면에 대해 간단히 소개하며, 아래의 설명 중의 도면은 단지 본 발명의 실시예일 뿐, 당업자에게 있어서, 창조적인 노동을 하지 않는다는 전제 하에, 제공된 도면에 따라 다른 도면을 획득할 수도 있는 것으로 자명하다.
도 1은 본 발명의 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템의 구조 설명도이다.
도 2는 본 발명의 자켓 예인 작업 시뮬레이션 모델의 해를 구하는 계략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어 설계의 계략적인 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템의 구조 설명도이다.
도 2는 본 발명의 자켓 예인 작업 시뮬레이션 모델의 해를 구하는 계략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어 설계의 계략적인 흐름도이다.
이하 본 출원 실시예의 도면을 결합해 본 출원 실시예에서의 기술방안에 대해 명확하고 완전하게 설명할 것이며, 이하 설명할 실시예는 단지 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 모든 실시예는 아니다. 본 발명의 실시예를 바탕으로, 당업자가 창조적인 노동 없이 획득한 모든 다른 실시예는 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다.
실시예 1:
본 발명의 실시예 1은 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템을 개시하였으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합 관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템을 포함한다.
분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 서브시스템에 통신 인터페이스를 제공하기 위해 사용되며, 구체적으로: HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 기반으로 하여, RTI 인터페이스를 이용하여 각 페더레이션 구성요소에 대해 통신을 수행하고, 페더레이션 운행 모니터링 모듈을 통해 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링한다.
종합 관리 및 평가 서브시스템은 시뮬레이션 과목을 생성하고 발표하기 위해 사용되며, 이는 해양 환경 파라미터, 자켓의 초기 위치 및 예인선의 초기 위치, 예인줄의 물리적 속성 파라미터를 설정하고 시뮬레이션 훈련 과목을 생성 및 발표하며, 시스템 시뮬레이션의 시작과 중지를 제어함과 동시에 운동 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 시뮬레이션 데이터를 기록하고 가시적으로 디스플레이하기 위한 훈련교관 콘솔 및 종합 관리 평가 기능을 포함한다.
조작 제어 시뮬레이션 서브시스템은 조작 명령을 생성하기 위해 사용되며, 이는 예인선 콘솔 및 윈치 콘솔을 포함하며, 예인선 콘솔은 예인선의 항로 방향, 항속 기본 조작 파라미터를 설정하고, 윈치 콘솔은 예인줄의 회수 및 푸는 속도를 설정한다.
운동 시뮬레이션 서브시스템은 시뮬레이션 과목의 파라미터 및 조작 명령을 수신하여, 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템으로 전송하기 위해 사용되며, 이는 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델을 포함하며, 종합 관리 및 평가 서브시스템에서 생성된 유속, 흐름 방향, 파랑 방향의 해양 환경 파라미터, 예인선의 초기 위치 및 자켓의 초기 위치, 예인줄의 직경, 건조 중량, 습중량 초기 파라미터, 및 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 목표 항로 방향, 항속, 윈치 속도 조작 명령의 수신을 통해, 자켓의 6자유도 운동 데이터 및 예인선의 6자유도 운동 데이터, 예인줄의 형태 및 장력을 실시간으로 해를 구하고, 시뮬레이션 데이터를 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템에 제공한다.
비주얼 시뮬레이션 서브시스템은 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태의 실시간 시뮬레이션을 삼차원으로 디스플레이하기 위해 사용되며, 이는 자켓 예인 작업 삼차원 모델 라이브러리 및 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어를 포함하며, 모델 시뮬레이션 데이터를 통해 삼차원 비주얼을 구동하고, 자켓의 운동 상태 및 예인선의 운동 상태, 예인줄 형태, 해양 환경을 실시간으로 렌더링한다.
실시예 2:
본 발명의 실시예 2는 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법을 제공하며, 다음을 포함한다:
단계 (1): 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템을 가동하여, 각 서브시스템의 소프트웨어와 하드웨어 통신을 보장하고, 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링하는 단계.
단계 (2): 종합 관리 및 평가 서브시스템을 응용하여, 시뮬레이션 훈련 과목을 선택하고 유의 파고, 흐름 방향, 유속을 포함하는 해황 조건 및 자켓의 초기 위치, 예인선의 초기 위치, 예인줄의 길이, 직경, 건조 중량, 습중량, 강도의 초기 파라미터를 설정하며, 파라미터의 설정이 완료된 후 운동 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하고, 네트워크를 통해 시스템의 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하는 단계.
단계 (3): 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 훈련 참가자가 시뮬레이션 요구 사항에 따라, 조작 핸들 및 제어 소프트웨어를 통해 윈치의 속도 및 타각(rudder angle), 추진기 백분율, 목표 항로 방향, 목표 항속을 포함하는 예인선의 조작 명령을 설정하고, 예인줄 운동 시뮬레이션 모델 및 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델로 전송하는 단계.
단계 (4): 도 2에 도시된 바와 같이, 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델을 포함하는 운동 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 훈련교관 콘솔 및 윈치, 예인선 콘솔이 송신하는 제어 명령에 따라 6자유도 운동 모델을 구동하고, 커플링 시스템의 운동 상태를 실시간으로 결산함과 동시에, 시뮬레이션 데이터를 종합 관리 및 평가 서브시스템과 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 단계.
자켓의 6자유도 운동 모델은 모리슨 방정식을 기초로 하여, 해류력, 해풍력, 관성력, 부력, 예인력, 부가 질량 등을 고려하고, 예인선의 6자유도 운동 모델은 6자유도 미분방정식을 기초로, 예인선의 관성 매트릭스, 댐핑 매트릭스, 코리올리 원심력 매트릭스 등을 고려하는가 하면, 예인줄의 운동 모델은 집중질량법을 기초로 하여 예인줄에 대한 공간 이산을 수행하여, 전체 예인줄을 N+1개의 노드를 통해 N개 구간으로 이산시키고, 예인줄 말단을 0번째 노드로서 자켓과 연결하고, 상단을 N+1번째 노드로서 예인선과 연결하여, 각 노드의 좌표 및 장력을 각각 계산한다.
예인줄의 자켓에 대한 작용력 및 예인선에 대한 작용력을 각각 자켓 및 예인선 운동 방정식에 입력하여 계산하며, 예인줄 말단을 자켓에 고정 연결되는 것으로 간주하고, 상단을 예인줄에 고정 연결되는 것으로 간주하여, 해를 구하는 과정에서 예인줄 말단과 상단의 노드 속도 및 공간 위치를 각각 자켓과 예인선의 노드 속도 및 공간 위치와 일치되도록 유지하고, 자켓, 예인선, 예인줄을 하나의 완전체로 간주하여 커플링하고 해를 구한다.
자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인선의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 모두 해양 환경의 작용력 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델에 의해 생성된 인장력을 고려한다.
예인줄 운동 모델은 훈련교관 콘솔을 통해 예인줄의 직경, 건조중량, 습중량, 길이, 축방향 강도의 기본 파라미터를 설정하여 모델로 하여금 해를 구하도록 한다.
습식 예인 과정에서 자켓의 유체역학 모델은 모리슨 방정식을 기초로 하여, 파랑 속에서 자켓이 받는 힘에 대한 문제를 고려하며, 자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같다:
여기서: 는 관성력이고; 는 예인력이며; 는 부력이고; 는 부가 질량이다.
모리슨의 관성력은 가속도와 관련이 있으며, 두 부분을 포함하는데, 첫 번째 부분은 유체의 압력과 관련이 있고, 두 번째 부분은 구조물의 유체에 대한 파괴와 관련이 있다.
모리슨의 예인력은 주로 점성 저항이며, 점성 저항은 유체의 구조물 사이에서의 상대 속도의 제곱과 정비례 관계를 이룬다:
모리슨의 부력은 배출되는 물의 질량으로 계산한다:
구조물이 물에서 부가 질량을 발생시키는 것에 대한 모리슨 계산:
예인선 동역학은 6자유도 미분방정식으로 설명할 수 있으며, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같다:
여기서 는 선박의 질량 매트릭스와 부가 질량 매트릭스를 포함하는 예인선의 시스템 관성 매트릭스이고; 는 예인선 댐핑 매트릭스이며; 는 중력, 부력에 의해 야기되는 힘과 모멘트의 벡터이고; 는 코리올리 원심력 매트릭스이며; 는 예인선이 받는 추력이다.
예인줄은 질량집중법을 동역학의 기본 모델로 하며, 집중질량법의 계산 모델은 내부 축방향 장력과 댐핑력, 중력, 부력, 모리슨 방정식으로 계산한 유체동역학을 결합한 것으로, 단위 예인줄 길이의 작용력 계산 공식은 다음과 같다:
여기서: 첫 번째 항은 프루드-크릴로프 힘(froude-krylov force)이고, 두 번째 항은 부가 질량력이며, 세 번째 항은 예인력이다. D는 케이블의 단면 직경이고; ρ는 유체 밀도이며; CM=1+CA――관성력 계수이고; CA는 부가 질량 계수이며; CD는 예인력 계수이고; u와 는 각각 유체 입자의 속도와 가속도이며; 는 부유체의 운동 속도이다.
예인줄 운동 시뮬레이션 모델, 즉 각 노드의 완전한 운동 계산 공식은 다음과 같다:
여기서: 는 노드 i의 질량 매트릭스이고; 는 노드 i의 부가 질량 매트릭스이며; 는 노드 장력이고; 는 노드 내부 댐핑력이며; 는 단위 길이 순 부력이고; 는 노드 부위의 횡방향 댐핑력이며; 는 노드 부위의 접선 방향 댐핑력인 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법.
위의 식 중의 2계 상미분방정식은 1계 상미분 방정식으로 변경될 수 있으며, 연속 시간 단계의 2계 룽게-쿠타법(Runge-Kutta)을 통해 적분 계산을 수행한다.
단계 (5): 도 3에 도시된 바와 같이, 종합 관리 및 평가 서브시스템이 발표한 해양 환경 데이터 및 운동 시뮬레이션 서브시스템이 계산한 자켓의 6자유도 운동 데이터, 예인선의 6자유도 운동 데이터 및 예인줄의 노드 좌표를 기반으로 하여, 삼차원 비주얼 시뮬레이션을 구동하고, 훈련 장면 및 작업 장비를 실시간으로 렌더링하여 삼차원으로 디스플레이하는 단계.
실시예 3:
본 발명의 실시예 3은 이하 몇 단계를 포함한다:
단계 1: 실시예의 선택 및 작업 조건 설정
특정 회차의 다인 협동 예인 작업에 지회관 A, 훈련교관 B, 양묘기 조작원 C 및 네 명의 예인선 조종사 D1-D4를 포함하는 총 7명의 인원이 참여하며, 훈련 사례는 다음과 같다: 자켓이 슬라이딩하여 진수한 후 설치 위치로부터 1400m 거리를 두고, 설치선이 두 가닥의 앵커 호저(anchor hawser) 메인 예인줄과, 별도로 네 가닥의 예인선 보조 예인줄을 제공하며, 앵커 호저는 예인 과정에서 회수를 통해 주요 예인력을 제공하고, 네 가닥의 예인줄은 협동하여 자켓의 항로 방향을 제어하여 항로 이탈을 방지한다.
| 인원 | 시스템 포지션 | 역할 소개 |
| 지휘관 A | 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 | 조작 명령을 발표하고, 충돌 간섭을 점검함 |
| 훈련교관 B | 종합 관리 및 평가 서브시스템 | 훈련 과목을 발표하고, 시뮬레이션의 시작 및 정지를 제어함 |
| 양묘기 조작원 C | 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템―양묘기 콘솔 | 명령에 따라 메인 예인줄을 회수 및 풀음 |
| 예인선 조종사 D1-D4 | 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템―예인선 콘솔 | 1-4호 예인선의 협동 조종에 따라 자켓의 항로 방향을 유지함 |
| 환경 조건 | 유의 파고 | 파랑 방향 | 흐름 방향 | 유속 |
| 단위 | m | deg | deg | m/s |
| 수치 | 1 | 135 | 135 | 0.5 |
| 작업 조건 | 자켓 항로 방향 | 자켓 거리목표 지점 거리 | 윈치 속도 | 예인선 평균 항속 |
| 단위 | deg | m | m/min | m/s |
| 수치 | 315 | 1472 | 20 | 0.25 |
단계 2: 명확한 임무 목표 및 초기 파라미터 설정
자켓의 예인 계획 및 선택된 예인줄의 속성에 따라 해양 환경 파라미터, 자켓의 물리적 속성 파라미터 및 예인선의 물리적 속성 파라미터, 초기 위치 및 선수 방향, 예인줄과 자켓 및 예인선의 연결위치, 예인줄의 물리적 속성 파라미터, 케이블 노드의 수량 등을 설정한다.
자켓 예인 계획에 따라 구현예의 임무를 다섯 개의 임무 목표로 나눈다:
임무 목표 1: 각 포지션에 훈련 참가자가 제자리에 있으면, 훈련교관이 작업 플랜에 따라 작업 해황 및 시뮬레이션 과목 정보를 성공적으로 발표한다.
임무 목표 2: 자켓 예인줄 걸기에 성공한 후, 네 개의 예인선은 명령 대기 상태를 유지하며, 윈치 조작원은 명령에 따라 훈련교관이 예인줄은 팽팽하게 당긴지 확인될 때까지 케이블을 회수한다.
임무 목표 3: 각 예인선 조종사는 지휘관의 조작 명령에 따라 예인선의 선수 방향을 조정하고 목표 위치로 예인을 시작하며, 예인 과정에서 항속을 유지하고 자켓의 항로 방향을 협동 제어한다.
임무 목표 4: 자켓이 지정된 설치 위치에 도달하기 직전에, 윈치 조작원은 지휘관의 명령에 따라 케이블 회수를 중지하고, 각 예인선은 항로 방향을 조정하여 자켓이 감속하도록 보조한다.
임무 목표 5: 자켓이 지정 위치에 도달한 후 자켓의 운동 상태를 안정적으로 유지하고, 각 조작 포지션은 명령 대기 상태를 해제하며, 훈련을 종료한다.
단계 3: 자켓 예인 실전 훈련
임무의 기설정 목표에 따라 각 훈련 참가자는 소속 포지션에 도착하여 시뮬레이션 훈련을 수행한다.
먼저, 지휘관은 분산형 시뮬레이션 소프트웨어를 가동하여, 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 검사하고, 각 서브시스템의 원활한 통신을 확보하며, 훈련교관은 종합 관리 및 평가 소프트웨어를 통해 시뮬레이션 초기 파라미터를 설정하고 시뮬레이션 과목을 각 시뮬레이션 포지션으로 발표하며, 포지션 모니터링을 통해 훈련 참가자의 제자리 있는지 여부, 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어의 정상 작동 여부를 점검하고, 준비가 완료되면, 지휘관은 시물레이션 명령을 발표하여 훈련을 시작한다.
양묘기 조작원은 지휘관의 명령에 따라 윈치 제어 소프트웨어를 통해 메인 예인줄을 회수하고, 지휘관은 삼차원 실사화면을 통해 예인줄의 상태를 관찰하며, 훈련교관이 시뮬레이션 데이터를 모니터링하여 예인줄이 탱탱하게 당긴지 확인된 후, 예인선 조작원은 순차적으로 명령에 따라 핸들 및 조작 소프트웨어를 통해 예인선의 선수를 돌려 배를 이동하기 시작하며, 이동 과정에서 지휘관 및 훈련교관은 각자 포지션에서 각 작업 장비의 운동 상태 및 충돌 간섭 상황을 관찰하고, 자켓의 항행 상태에 따라 조작 명령을 내린다.
자켓이 지정 위치에 도달하기 직전에, 지휘관은 명령을 내리고, 윈치 조작원은 케이블 회수를 중지하며, 자켓 상단부에 위치한 1호, 4호 예인선 조종사는 배를 감속하여 정지시키고, 자켓 바닥부에 위치한 2호, 3호 예인선은 감속하고 항로 방향을 조정하여 자켓이 지정 위치로 도달할 때까지 감속하도록 보조한다.
시뮬레이션 과정에서, 시뮬레이션의 종료는 두 가지 상황을 포함한다: 첫째, 훈련 임무가 순조롭게 진행되어, 자켓이 목표 위치까지 성공적으로 예인되는 상황; 둘째, 훈련 과정에서 예인선과 자켓에 심각한 충돌 간섭이 발생하거나, 또는 여러 가닥의 케이블이 끊어져 예인 작업을 계속 진행할 수 없는 경우, 훈련 임무를 종료하도록 자체적으로 결정하는 상황.
본 발명의 실시예는 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템 및 모델링 방법을 개시하였다. HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 채택함으로써, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템을 각각 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템의 5가지 서브시스템으로 나누었으며; 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 페더레이션 구성요소에 통신 인터페이스를 제공하고, 종합관리 및 제어 서브시스템은 훈련 과목을 발표함과 아울러, 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하며, 운동 시뮬레이션 서브시스템은 네트워크를 통해 훈련교관이 송신하는 자켓의 초기 상태 및 예인선의 초기 상태, 예인줄의 속성 파라미터 등을 수신함과 동시에, 윈치 콘솔 및 예인선 콘솔로부터 온 제어 명령을 수신하여 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 데이터를 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 종합 관리 및 평가 서브시스템으로 전송하여 비주얼 로밍 및 데이터 분석을 실시하며; 구축된 6자유도 운동 모델을 기반으로 하여, 예인 상태에서 동적 해황을 고려한 자켓, 예인선 및 예인줄의 실시간 운동 상태를 정확하게 시뮬레이션하고, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 결합하여 자켓의 예인작업 과정의 충돌 간섭과 작업 위험 지점을 직관적으로 피드백할 수 있다. 본 발명은 인간-컴퓨터 상호작용성을 갖추고 있어, 해상 예인 작업인원의 협동 훈련과 기능 훈련에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자켓의 예인 설치 시뮬레이션 예행연습과 계획의 검증을 구현할 수도 있어, 작업인원과 장비의 안전성을 효과적으로 보장하고, 해상 작업의 위험을 감소시키며, 작업 효율을 높일 수 있으며, 뚜렷한 경제적 효과와 사회적 이익을 구비한다.
본 명세서 중 각 실시예는 점진적인 방식으로 기술하였으며, 각각의 실시예에서 중점적으로 설명된 것은 모두 다른 실시예와 다른 점이며, 각 실시예 간의 동일하고 유사한 부분은 서로 참조하면 된다. 실시예에 개시된 장치의 경우, 실시예에 개시된 방법과 서로 대응되기 때문에, 설명이 비교적 간단하며, 관련 부분은 방법 부분의 설명을 참조하면 된다.
개시된 실시예에 대한 위의 설명은 당업자가 본 발명을 구현하거나 사용할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 실시예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 있어서 자명할 것이며, 본원에 정의된 일반 원리는 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 한, 다른 실시예에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 제시된 이러한 실시예에 의해 제한되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합하여야 한다.
Claims (10)
- 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템으로서, 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템, 종합 관리 및 평가 서브시스템, 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템, 비주얼 시뮬레이션 서브시스템 및 운동 시뮬레이션 서브시스템을 포함하며;
상기 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 각 상기 서브시스템에 통신 인터페이스를 제공하기 위해 사용되고;
상기 종합 관리 및 평가 서브시스템은 시뮬레이션 과목을 생성하고 발표하기 위해 사용되며;
상기 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템은 조작 명령을 생성하기 위해 사용되고;
상기 운동 시뮬레이션 서브시스템은 상기 시뮬레이션 과목의 파라미터 및 상기 조작 명령을 수신하여, 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태를 실시간으로 시뮬레이션하고 상기 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하기 위해 사용되며;
상기 비주얼 시뮬레이션 서브시스템은 상기 자켓, 예인선 및 예인줄의 운동 상태의 실시간 시뮬레이션을 삼차원으로 디스플레이하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템은 구체적으로: HLA 분산형 시뮬레이션 아키텍쳐를 기반으로 하여, RTI 인터페이스를 이용하여 각 페더레이션 구성요소에 대해 통신을 수행하고, 페더레이션 운행 모니터링 모듈을 통해 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 종합 관리 및 평가 서브시스템은 해양 환경 파라미터, 자켓의 초기 위치 및 예인선의 초기 위치, 예인줄의 물리적 속성 파라미터를 설정하고 시뮬레이션 훈련 과목을 생성 및 발표하며, 시스템 시뮬레이션의 시작과 중지를 제어함과 동시에 상기 운동 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 시뮬레이션 데이터를 기록하고 가시적으로 디스플레이하기 위한 훈련교관 콘솔 및 종합 관리 평가 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템은 예인선 콘솔 및 윈치 콘솔을 포함하며, 상기 예인선 콘솔은 예인선의 항로, 항속 기본 조작 파라미터를 설정하고, 상기 윈치 콘솔은 예인줄의 회수 및 푸는 속도를 설정하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 운동 시뮬레이션 서브시스템은 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델을 포함하며, 종합 관리 및 평가 서브시스템에서 생성된 유속, 흐름 방향, 파랑 방향의 해양 환경 파라미터, 예인선의 초기 위치 및 자켓의 초기 위치, 예인줄의 직경, 건조 중량, 습중량 초기 파라미터, 및 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템에서 생성된 목표 항로 방향, 항속, 윈치 속도 조작 명령의 수신을 통해, 자켓의 6자유도 운동 데이터 및 예인선의 6자유도 운동 데이터, 예인줄의 형태 및 장력을 실시간으로 해를 구하고, 시뮬레이션 데이터를 상기 비주얼 시뮬레이션 서브시스템과 상기 종합 관리 및 평가 서브시스템에 제공하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 비주얼 시뮬레이션 서브시스템은 자켓 예인 작업 삼차원 모델 라이브러리 및 비주얼 시뮬레이션 소프트웨어를 포함하며, 모델 시뮬레이션 데이터를 통해 삼차원 비주얼을 구동하고, 자켓의 운동 상태 및 예인선의 운동 상태, 예인줄 형태, 해양 환경을 실시간으로 렌더링하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 시스템. - 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법으로서,
단계 (1): 분산형 협동 시뮬레이션 서브시스템을 가동하여, 각 서브시스템의 소프트웨어와 하드웨어 통신을 보장하고, 각 페더레이션 구성요소의 운행 상태를 모니터링하는 단계;
단계 (2): 종합 관리 및 평가 서브시스템을 응용하여, 시뮬레이션 훈련 과목을 선택하고 해황 조건 및 자켓의 초기 위치, 예인선의 초기 위치, 예인줄의 초기 파라미터를 설정하며, 파라미터의 설정이 완료된 후 운동 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하고, 네트워크를 통해 시스템의 시뮬레이션 프로세스의 시작과 중지를 제어하는 단계;
단계 (3): 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 시뮬레이션 요구 사항에 따라, 조작 핸들 및 제어 소프트웨어를 통해 윈치의 속도 및 예인선의 조종 명령을 설정하고, 운동 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 단계;
단계 (4): 자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델, 예인선의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인줄의 운동 시뮬레이션 모델을 포함하는 상기 운동 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 상기 종합 관리 및 평가 서브시스템과 상기 조작 제어 시뮬레이션 서브시스템이 전송한 제어 명령에 따라 상기 6자유도 운동 시뮬레이션 모델을 구동하고, 커플링 시스템의 운동 상태를 실시간으로 결산함과 동시에, 시뮬레이션 데이터를 상기 종합 관리 및 평가 서브시스템과 비주얼 시뮬레이션 서브시스템으로 전송하는 단계;
단계 (5): 상기 비주얼 시뮬레이션 서브시스템을 응용하여, 상기 종합 관리 및 평가 서브시스템이 발표한 해양 환경 데이터 및 상기 운동 시뮬레이션 서브시스템이 계산한 시뮬레이션 데이터를 기초로 하여, 훈련 장면 및 작업 장비를 실시간으로 렌더링하여 삼차원으로 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법. - 제7항에 있어서,
단계 (4)에서, 예인줄의 자켓에 대한 작용력 및 예인선에 대한 작용력을 각각 자켓 및 예인선 운동 방정식에 입력하여 계산하며, 예인줄 말단을 자켓에 고정 연결되는 것으로 간주하고, 상단을 예인줄에 고정 연결되는 것으로 간주하여, 해를 구하는 과정에서 예인줄 말단과 상단의 노드 속도 및 공간 위치를 각각 자켓과 예인선의 노드 속도 및 공간 위치와 일치되도록 유지하고, 상기 자켓, 예인선, 예인줄을 하나의 완전체로 간주하여 커플링하고 해를 구하며;
자켓의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델 및 예인선의 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 모두 해양 환경의 작용력 및 예인줄 운동 시뮬레이션 모델에 의해 생성된 인장력을 고려하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법. - 제7항에 있어서,
단계 (4)에서, 상기 예인줄 운동 시뮬레이션 모델은 상기 종합 관리 및 평가 서브시스템에 의해 설정된 예인줄의 초기 파라미터를 통해 모델로 하여금 해를 구하도록 하는 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법. - 제7항에 있어서,
단계 (4)에서, 상기 자켓 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같으며:
여기서: 는 관성력이고; 는 예인력이며; 는 부력이고; 는 부가 질량이며;
상기 예인선 6자유도 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같으며:
여기서: 는 선박의 질량 매트릭스와 부가 질량 매트릭스를 포함하는 예인선의 시스템 관성 매트릭스이고; 는 예인선 댐핑 매트릭스이며; 는 중력, 부력에 의해 야기되는 힘과 모멘트의 벡터이고; 는 코리올리 원심력 매트릭스이고; 는 예인선이 받는 추력이며;
상기 예인줄 운동 시뮬레이션 모델은 다음과 같으며:
여기서: 는 노드 i의 질량 매트릭스이고; 는 노드 i의 부가 질량 매트릭스이며; 는 노드 장력이고; 는 노드 내부 댐핑력이며; 는 단위 길이 순 부력이고; 는 노드 부위의 횡방향 댐핑력이며; 는 노드 부위의 접선 방향 댐핑력인 것을 특징으로 하는, 자켓 예인 작업 지능형 시뮬레이션 방법.
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