KR980010454A - 선박의 운항중 선체운동과 해상상태 계측시스템 및 이에 의한 항해지원시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거친 파랑중에 운항하는 선박의 안전운항을 위하여 운항중인 해상의 해상상태 및 선박의 운동상태를 실시간으로 계측하고, 계측된 데이터를 이용하여 선박의 안전상태를 실시간으로 판정하고 최적항해조건을 제공하는 운항중 선체운동과 해상상태의 계측시스템 및 이에 의한 항해지원 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 선체의 선수에서 초음파 거리계측센서를 이용하여 상대파도를 실시간으로 계측하고, 관성항법센서를 이용하여 얻어지는 선체의 운동데이터에 기초하여 선수의 상대운동을 연산하여, 선수에서의 실제파도를 계측하는 기능을 가지며, 이러한 기능이 실시간으로 이루어지도록 고속의 디지털 신호처리전용 프로세서(DSP) 및 다중처리(Multi-tasking) 전용 프로세서에 의하여 구현되어지는 것을 특징으로 한다. 또한 항해지원을 위한 최적지침을 생성하기 위하여 선체운동과 파도신호계측 외에도 기상조건 및 선박의 운항조건을 입력받는 장치를 인터페이스하는 것을 특징으로 하며, 선박성능 해석과 복원력 해석을 위한 프로그램 및 데이터베이스의 용이한 이식을 위하여 통상의 개인용 컴퓨터에 의하여 사용자 인터페이스되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 운항중 선체운동과 해상상태 계측시스템 및 이에 의한 항해지원시스템

본 발명은 거친 파랑중에 운항하는 선박의 안전운항을 위하여 운항중인 해상의 해상상태 및 선박의 운동상태를 실시간으로 계측하고, 계측된 데이터를 이용하여 선박의 안전상태를 실시간으로 판정하는 안전 운항지원 시스템에 관한 것이다.

해상에서 운항되는 선박은 해상상태 및 운항조건에 따라 선체가 6 자유도로 운동하게 되므로, 거친 해상에서는 선박의 운항이 곤란해지며 심한 해상상태에서는 선박이 전복되는 사고가 발생할 수가 있다. 또한 사람들이 많이 승선하는 여객선이나 군함, 특수목적의 해상적업을 수행하는 해양조사선, 자동위치확보(DSP) 선박 등의 경우에는, 승선원의 쾌적한 여행, 안전 및 목적하는 작업을 성공적으로 수행하기 위하여 정확하게 해상상태를 계측하고 선박의 운동상태를 정밀하게 계측할 필요가 있다.

일반적으로 해상에서 운항하는 선박의 운동계측은 관성항법장치(INS), 선체운동계측장치 등을 이용하여 선체의 운동상태를 기록하고 있으며, 선장이 기상청의 기상예보 및 목측에 의한 파도의 진행방향을 근간으로 운항조건을 판단하고 있는 실정에 있다. 또, 선박의 안전한 운항을 위해서 갖추어진 기존의 시스템은 기상청에서 예보하는 기상예보에 따라 선박의 출항이 통제되고 있으며, 운항중에는 기상데이터를 근간으로 선장의 자의에 의하여 운항조건을 결정하고 있다.

그러나, 선박이 운항하는 실제 해상의 기상상태는 기상예보와는 다른 경우가많으며 국부적으로 해상조건이 변화할 수 있고 선장의 자의에 의한 운항조건 판단은 경험에 의존하므로 객관적으로 판단기준이 미흡한 현실이다. 따라서, 선박의 안전운항을 위해서는 선박의 운동특성을 정확하게 파악하고 운항중인 선박의 운동 및 해상상태를 정밀하게 계측할 필요가 있으며, 이를 근간으로 최적의 운항조건을 표시할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.

현재 통상적으로 시판되고 있는 운항중 선체의 운동 계측시스템은 선체의 육자유도 운동계측에 주된 목적이 있다.

해상상태를 계측하는 시스템으로는 풍향, 풍속, 선속, 선박의 위치등을 계측할 수 있는 장치가 널리 쓰이고 있으며, 고정위치에서 파고를 계측하는 시스템은 이미 개발되어 있으나, 이동중인 선박에서 실시간으로 직접 관측할 수 있는 장치는 현재 개발되어 있지 않다.

또한 해상 상태에 대한 선체운동 응답 특성에 대한 분석 및 운항지침을 제시하는 시스템은 개발되어 있지 않다.

따라서 본 발명은 실 해역에서 실시간으로 파고를 계측하여 파고의 동적인 특성을 파악하는 시스템을 구현하고, 종래의 범용 계측장치들을 이용하여 얻어지는 선박의 운동상태 및 기상상태를 실시간으로 신호처리하는 시스템을 구축하여 파도특성과 연계된 운항상태를 기록하며, 데이터 베이스화된 선박의 운동특성 및 복원력의 특성을 이용하여 선박의 안전운항을 위한 최적화된 운항지침을 제시함에 그 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 발명의 목적을 달성하기 위하여는 선체의 선수에서 초음파 거리센서를 이용하여 상대파도를 실시간으로 계측하고, 관성항법센서를 이용항여 얻어지는 선체의 운동데이터에 기초하여 선수의 상대운동을 연산하여 선수에서의 실제파도를 계산하는 방법으로 운항중인 선박의 실해역 파도를 계측하는 기능을 가지며, 이러한 기능이 실시간으로 이루어 지도록 고속의 신호처리 전용 프로세서(DSP) 및 다중처리(Multi-Tasking) 전용프로세서에 의하여 구현되어지는 것을 특징으로 한다. 또, 항해지원을 위한 최적지침을 제시하기 위하여 기상조건 및 선박의 운항조건을 입력받는 장치를 인터페이스하는 것을 특징으로 하며, 기존의 선박 성능해석과 복원력 해석을 위한 프로그램 및 데이터베이스의 용이한 이식을 위해 통상의 개인용컴퓨터(PC)에 의해 사용자 인터페이스되는 것을 특징으로 한다.

제1도는 본 발명의 항해지원 시스템의 개략도.

제2도는 본 발명의 항해지원 시스템의 배치도.

제3도는 본 발명의 항해지원 시스템의 하드웨어(H/W) 구성도.

제4도는 본 발명의 항해지원 시스템의 소프트웨어(S/W) 흐름도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실선운동계측 프로세서 2 : 파고신호처리 프로세서

3 : 안전운항해석 컴퓨터 4 : 초음파신호발생장치

5 : 초음파 파고센서 6 : 위성위치추적장치(GPS)

73 : 축 서보가속도계 및 앰프 83 : 축 자이로 및 앰프

9 : 마그네틱컴파스 및 경사센서 10 : 풍향풍속 센서

11 : 선속센서 12 : 운항상태표시 및 경보시스템

13 : 씨리얼 통신보드 14 : ADC 신호변환보드

15 : VME 버스 16 : 이더냇 카드

17 : DI/O 디지털신호 출력보드

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 항해지원시스템의 개략을 그림으로 도시한 것으로써, 전체 시스템은 센서 및 앰프부, 파고 및 실선운동 계측시스템부, 데이터 베이스를 포함하는 안전운항 항해지원시스템부 및 운항상태 표시 및 경보시스템부로 구성된다.

제2도는 해상에서 운항중인 선박에 장착된 항해지원시스템의 각 부시스템의 배치도이다. 본 발명의 파고계측장치(5)는 선수에 설치되고, 관성계측센서 및 신호처리 마이크로 프로세서(1)(2)는 정밀한 운동계측을 위하여 선박의 회전운동 중심에 설치하고, 마그네틱 컴파스(9)는 자장의 영향을 최소화하기 위하여 외부에 설치되며 기상관측센서(10) 및 GPS(위성위치 추적장치)센서(6)도 외부에 설치한다. 최적운항지침을 제시하는 표시장치 및 사용자 인터페이스를 위한 항해지원 해석시스템(3)은 선장실에 배치한다.

제3도는 운항중 선체운동 및 해상상태 계측에 의 항해지원 시스템의 하드웨어 개략도로서, 시스템 각 부분의 작용을 설명한다.

파고의 계측은 초음파 센서(5)에의하여 이루어지며 단일센서로 송수신을 구현할 수 있는 초음파 신호발생장치(4)에 의하여 초음파센서 신호구동 및 신호수신이 이루어지며, 디지털신호처리프로세서(DSP)(2)를 이용하여 외부의 교란신호에 강인한 디지털 시스템으로 구성된다. VME 버스(15)를 이용하여 신호처리된 파도 데이터가 실시간으로 운동계측시스템에 전달될 수가 있다.

선체 운동계측은 3축 서보가속도 센서(7)를 이용하여 x, y, z 방향의 운동가속도를 측정하고, 3축의 광화이버 자이로(8)를 이용하여 선체의 종방향(pitch)운동, 횡방향(roll)운동 및 선수(yaw)운동을 측정하고, 마그네틱 컴파스(9)를 이용하여 지구좌표계에 대한 선체의 선수rkr(yaw)를 측정하는 방식으로 구현된다.

선박이 운항하는 해상의 기상조건을 계측하는 풍향속계(10), 선박의 운항위치를 나타내는 GPS(6) 및 선박의 속도계(11) 등이 안전운항을 위한 보조센서로 사용된다.

이들 센서의 신호는 AD 신호변환기를 통하여 얻어지며, GPS로 수신된 위치신호는 CPU가 내장된 씨리얼 통신보드에 의해 실선운동계측용 프로세서로 전달된다. 센서를 이용하여 얻어진 선체의 6 자유도 운동은 센서의 자체특성 및 외란에 의해 부정확한 운동생태를 나타내므로 이의 수정보완을 실시간으로 수행하는 프로세서가 필요하다.

따라서 실선운동계측을 위한 컴퓨터는 여러 가지 방식으로 입력되는 다중의 신호를 실시간으로 동시에 처리하는 기능이 요구되므로, VME 버스기능을 갖추고 다중작업을 수행할 수 있는 다중처리(Multi-Tasking) 마이크로 프로세서(MVME162)를 이용하여 계산이 수행된다.

안전운항을 위한 대용량의 데이터베이스 및 해석용 소프트웨어를 구동하기 위하여 통상의 개인용 컴퓨터를 이용하며, 실시간으로 얻어진 운동계측 및 파고계측 데이터는 선장실의 안전운항해석 컴퓨터에 고속으로 전송되어야 하므로 이더넷(Ethernet) 카드(16)를 통하여 이루어진다. 운동상태, 행상상태의 모니터링 및 안전운항 최적조건의 표시는 컴퓨터의 모니터를 이용한다. 운항상태 및 경보시스템 발생장치가 이 컴퓨터에 별도로 연결되어, 중요 해상정보, 선박의 운항상태 및 안전운항 조건을 만족하지 않을 때에는 경보신호가 발생되어 선박의 조종자가 쉽게 운항정보를 관측할 수 있도록 한다.

제4도는 본 발명 소프트웨어의 기능별 흐름도를 나타내는 도면이다.

초음파 신호처리 소프트웨어는 DSP 프로세서에 내장되고, 기타의 계측신호의 처리, 신호퓨전 및 파도의 커블링 운동보정은 다중처리 프로세서에서 수행된다. 파고 특성계산, 선체운동 특성계산, 복원력 특성계산, 데이터 베이스, 운항상태 판정 및 종합안정도 평가는 범용 개인용 컴퓨터에서 이루어 지도록 구성된다.

이와 같이 본 발명은 해상에서 운항하는 선박의 선체운동 및 해상상태를 계측하는 시스템을 구성하고 계측되는 데이터 및 선박의 운동특성 데이터베이스를 이용하여 선박의 운항상태를 판별하는 시스템을 구축하므로서, 운항중인 선박의 안전운항을 위한 객관적이며 정량적인 데이터를 제공하고 선박의 운동특성에 적합한 최적 운항조건을 제시하는 항해지원을 위한 시스템으로 활용될 수 있다. 정확한 해상상태의 계측, 정밀한 선체운동계측 및 선박의 특성에 최적한 운항조건을 제시하므로서, 본 발명의 시스템은 해난사고의 예방은 물론이고 보다 거친 해상에서 선박이 안전하게 항해할 수 있는 지원시스템으로 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 해상에서 운항하는 선체의 선수에서 초음파 거리계측센서를 이용하여 상대파도를 실시간으로 계측하고, 관성항법센서를 이용하여 얻어지는 선체의 운동데이터에 기초하여 선수의 상대운동을 연산하여, 선수에서의 실제 파도를 계산하는 방법으로 운항중인 선박의 실해역 파도를 계측하는 선체운동과 해상상태 계측시스템.
2. 항해지원을 위한 최적지침을 제시하기 위하여 선체운동 및 해상상태 계측시스템으로부터의 데이터, 기상조건 및 선박의 운항조건을 입력받는 장치를 인터페이스하여, 선박 성능해석과 복원력 해석을 위한 프로그램과 데이터베이스를 이용한 운항상태 판정, 종합 안전도 평가 및 최적 안전운항 지침을 생성하는 항해지원 시스템.
3. 제1항에 있어서, 초음파 센서와 초음파 신호발생장치를 이용한 선수의 상대파고를 계측하는 운항중 선체운동과 해상상태 계측시스템.
4. 제1항에 있어서, 기능이 실시산으로 이루어지도록 고속의 디지털 신호처리 전용 프로세서(DSP) 및 다중처리(Multi-tasking) 전용프로세서에 구현되어지는 운항중 선체운동과 해상상태 계측시스템.
5. 제1항에 있어서, 센서퓨전을 위한 보조센서로써, 선체속도센서, 풍향풍속센서, 마그네틱 컴파스, 경사센서 및 GPS를 이용한 운동보정이 이루어지는 운항중 선체운동과 해상상태 계측시스템, 경사센서 및 GPS를 이용한 운동보정이 이루어지는 운항중 선체운동 과 해상상태 계측시스템.

   ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.