바다에서 운항하는 선박은 바람과 파도 등의 외란 때문에 횡동요(Rolling), 종동요(Pitching), 상하동요(Heaving) 등의 운동을 하게 되며, 이러한 운동은 가속도 형태로 승객이 느끼게 된다. 따라서, 선박내의 특정 지점에서 좌우방향, 상하방향 가속도와 각속도 등을 계측하면 선원 또는 승객이 선박 운동에 어느 정도 피폭되었는가를 알 수 있다. 본 연구에서 개발한 운동 운항환경 모니터링 시스템은 4개의 가속도계와 가속도계, 자이로가 포함된 관성 자세계측장치, 데이터 취득장치를 포함한 계측 및 통신부, 중앙에서 데이터를 관리하고, 운항환경 지수를 계산하는 전산기로 구성되고, 계측된 가속도와 각속도를 이용하여 운항환경을 나타내는 정량적 지수인 뱃멀미 지수(Motion Sickness Incidence, MSI), 운동유발 작업방해회수(Motion Induced Interrupt, MII)를 실시간으로 계산한다. 개발된 시스템은 한국해양대학교 실습선인 한나라호의 부산-목포, 부산-제주 연안항해시 실선시험을 통하여 유효성을 확인하였다.
바다에서 운항하는 선박은 바람과 파도 등의 외란 때문에 횡동요(Rolling), 종동요(Pitching), 상하동요(Heaving) 등의 운동을 하게 되며, 이러한 운동은 가속도 형태로 승객이 느끼게 된다. 따라서, 선박내의 특정 지점에서 좌우방향, 상하방향 가속도와 각속도 등을 계측하면 선원 또는 승객이 선박 운동에 어느 정도 피폭되었는가를 알 수 있다. 본 연구에서 개발한 운동 운항환경 모니터링 시스템은 4개의 가속도계와 가속도계, 자이로가 포함된 관성 자세계측장치, 데이터 취득장치를 포함한 계측 및 통신부, 중앙에서 데이터를 관리하고, 운항환경 지수를 계산하는 전산기로 구성되고, 계측된 가속도와 각속도를 이용하여 운항환경을 나타내는 정량적 지수인 뱃멀미 지수(Motion Sickness Incidence, MSI), 운동유발 작업방해회수(Motion Induced Interrupt, MII)를 실시간으로 계산한다. 개발된 시스템은 한국해양대학교 실습선인 한나라호의 부산-목포, 부산-제주 연안항해시 실선시험을 통하여 유효성을 확인하였다.
A ship in a sea cruises with rolling, pitching, heaving etc because of environmental causes such as wind and wave. Those motions make crews or passengers feel inconvenience and they feel acceleration changes. Therefore, if lateral and vertical accelerations can be measured at a specific position in ...
A ship in a sea cruises with rolling, pitching, heaving etc because of environmental causes such as wind and wave. Those motions make crews or passengers feel inconvenience and they feel acceleration changes. Therefore, if lateral and vertical accelerations can be measured at a specific position in a ship, it can be known how discomfortable crews or passengers are. The motion monitoring system developed in this paper consists of measuring and communicating part including five accelerometers and gyro and a main computer which acquires measuring data and calculates motion indices. MSI(Motion Sickness Incidence) and MII(Motion Induced Interrupt) are calculated in real time using measured acceleration and angular rate. The validity of the developed system was confirmed through the real ship test of Hannara which is the school ship of Korea Maritime University.
A ship in a sea cruises with rolling, pitching, heaving etc because of environmental causes such as wind and wave. Those motions make crews or passengers feel inconvenience and they feel acceleration changes. Therefore, if lateral and vertical accelerations can be measured at a specific position in a ship, it can be known how discomfortable crews or passengers are. The motion monitoring system developed in this paper consists of measuring and communicating part including five accelerometers and gyro and a main computer which acquires measuring data and calculates motion indices. MSI(Motion Sickness Incidence) and MII(Motion Induced Interrupt) are calculated in real time using measured acceleration and angular rate. The validity of the developed system was confirmed through the real ship test of Hannara which is the school ship of Korea Maritime University.
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문제 정의
15 Hz 근방이 된다. 본 논문에서는 선박 내에 탑재되어 여러 위치에서의 가속도 수준을 계측하고, 이를 바탕으로 운동 운항환경 지수인 뱃멀미 지수(MSI), 운동유발 작업방해회수(MID를 계산할 수 있는 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 식(1)의 ISO 계산식을 기반으로 하여, 실제 샘플링된 가속도를 이용하여, 현재의 가속도 수준이 2시간 동안 유지된 경우와 승선시점부터 현재까지의 MSDVZ 계산 방법을 제시하기로 한다.
제안 방법
컴퓨터로 구성하였다. 4개의 가속도계는 선박 내 원하는 위치에서의 가속도 수준을 직접 계측하여 이더넷 통신을 통하여 주전산기로 결과를 송신하고, 주전산기는 가속도계가 없는 경우에도 관성 자세계측장치 만으로 MSI, Mil를 계산할 수 있도록 개발하였다. 개발한 시스템은 한국해양대학교 실습선인 한나라호의 연안항해시 실선시험을 수행하여, 직접 승선하여 느낀 체험 결과와 계측값을 바탕으로 한 계산 결과가 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
Fig. 3에서 가속도계는 선박 내 많은 위치에 설치할 수 있으므로, PC 대신 이더넷 통신이 가능하고, A/D 모듈이 내장된 마이콤(micom)을 사용하여 저가로 구성하였다. MSI, Mil 는 선박의 원점 근방에 설치되는 중앙처리용 주전산기에 직렬통신 방식으로 연결된 관성 자세계측장치를 통하여 계측된 값을 사용한다.
밀도를 구하여 제곱평균값을 계산한다. G陽의 상방향 영점 통과주기는 仁分의 파워 스펙트랄 밀도와 이에 대한 주파수에 대한 2차 모멘트와의 비를 통하여 계산한다.
시스템을 개발하였다. 개발된 시스템을 한국해양대학교 실습선인 한나로호(Table 1)에 장착하여 부산-목포, 부산-제주 간 연안 항해시 실선시험을 통하여 작동시험을 수행하고, 계측값에 기반한 MSI, Mil 계산 결과의 적정성을 확인하였다.
4.1 개요
개발한 운동 운항환경 모니터링 시스템의 성능 검증을 위한 실선시험을 한국해양대학교 실습선인 한나라호(Table 1)의 연안실습시 2회 수행하였다.
대푯값으로 나타내는 데 문제가 있다. 따라서 ISO에서는 MSI를 뱃멀미 유발값(Motion Siclmess Dose Value, MSDV) 개념을 도입하여 다음과 같이 제안하였다.
본 논문에서는 선박의 특정 위치에서의 가속도와 각속도, 자세각을 계측하여 이더넷(Ethernet) 통신 몇, 직렬(Serial) 통신을 통하여 중앙처리 컴퓨터에 전송 및 저장하고, 계측값들을 이용하여 MSI, Mil를 실시간으로 계산하는 운동 운항환경 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템을 한국해양대학교 실습선인 한나로호(Table 1)에 장착하여 부산-목포, 부산-제주 간 연안 항해시 실선시험을 통하여 작동시험을 수행하고, 계측값에 기반한 MSI, Mil 계산 결과의 적정성을 확인하였다.
운동값과 MSI, Mil에 대한 자세한계측 및 계측값에 기반한 계산 결과를 다음절에 나타낸다. 운동 계측은 4개의 가속도계와 관성 자세계측장치를 이용하여 수행하였다. 이때 가속도계는 파워선 통신의 제약 때문에 Fig.
대상 데이터
개발 시스템의 목적이 특정 위치에서의 가속도 계측, MSI, Mil의 계산 및 제공에 있으므로 계측장치는 3축 가속도계와 옆 방향 가속도를 계측할 수 있는 관성 자세계측장치로 구성하였다. 가속도계와 자이로는 Fig.
개발된 시스템은 4개의 3축 가속도계와 1개의 3축 가속도계가 내장된 관성 자세계측장치와 데이터 저장 및 MSI, Mil 계산용 컴퓨터로 구성하였다. 4개의 가속도계는 선박 내 원하는 위치에서의 가속도 수준을 직접 계측하여 이더넷 통신을 통하여 주전산기로 결과를 송신하고, 주전산기는 가속도계가 없는 경우에도 관성 자세계측장치 만으로 MSI, Mil를 계산할 수 있도록 개발하였다.
수미에는 상하방향 4g, 좌우에는 2g 용량의 CrossBow사 센서를 사용하였다. 관성 자세계측장치는 3개의 가속도계, 자이로, 마그네토메타로 구성된 nicrostrain사의 3DM-GX1 을 사용하였다.
가속도계는 상하운동이 큰 선 . 수미에는 상하방향 4g, 좌우에는 2g 용량의 CrossBow사 센서를 사용하였다. 관성 자세계측장치는 3개의 가속도계, 자이로, 마그네토메타로 구성된 nicrostrain사의 3DM-GX1 을 사용하였다.
데이터처리
본 논문에서는 계측값들과 식(5)를 이용하여 GZz 의 파워스펙트랄 밀도를 구하여 제곱평균값을 계산한다. G陽의 상방향 영점 통과주기는 仁分의 파워 스펙트랄 밀도와 이에 대한 주파수에 대한 2차 모멘트와의 비를 통하여 계산한다.
이론/모형
다음과 같은 顼7EZ?匸 계산식을 이용하여 계산한다.
일정시간 동안 티핑 발생회수에 대한 계산식은 Graliam (1992)이 제안하였고, 본 논문에서도 이를 기반으로 개발 시스템에 적용하였다.
성능/효과
10의 시계열 중에서 40~50초 데이터만을 시간축을 확대하여 도시하였다. 개략적인 동요 주파수는 6~7초 정도임을 볼 수 있고, 이러한 주파수는 앞서 언급한 인간이 가장 민감하게 느끼는 동요 주파수인 0.15 Hz 근방이라는 것을 확인할 수 있다.
4개의 가속도계는 선박 내 원하는 위치에서의 가속도 수준을 직접 계측하여 이더넷 통신을 통하여 주전산기로 결과를 송신하고, 주전산기는 가속도계가 없는 경우에도 관성 자세계측장치 만으로 MSI, Mil를 계산할 수 있도록 개발하였다. 개발한 시스템은 한국해양대학교 실습선인 한나라호의 연안항해시 실선시험을 수행하여, 직접 승선하여 느낀 체험 결과와 계측값을 바탕으로 한 계산 결과가 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
실선시험 중에 확인한 기상상황은 두 경우 모두 해상상태 1 정도로 매우 양호하였다. 운동값과 MSI, Mil에 대한 자세한계측 및 계측값에 기반한 계산 결과를 다음절에 나타낸다.
후속연구
개발한 시스템은 유비쿼터스(Ubiquitous) 기반 선박(이, 2006에 있어서, 선원 업무 분담 계획 및 승객 안락성 평가 등에 적용할 수 있고, 특정 위치에서의 가속도 계측 결과는 장비작동 환경을 모니터링 하는데 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
Bhattacharyya, R.(1978), "Dynamics of Marine Vehicles", John Wiley & Sons, pp. 171-182.
Graham, R., Baitis, A. E., and Meyers, W. G.(1978), "On the Development of Seakeeping Criteria", Naval Engineers Journal, Vol.104, No.4.
ISO.(1997), "Mechanical Vibration and Shock-Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration - Part 1: General Requirements", ISO-2631-1
Lewandowski, E. M.(2004), "The Dynamics of Marine Craft - Maneuvering and Seakeeping", World Scientific, pp. 320-326.
McCauley, M. E., Royal, J. W., Wylie, C. D., O'Hanlon, J. F., and Mackie, R. R.(1976), "Motion Sickness Incidence: Exploratory Studies of Habituation, Pitch and Roll, and the Refinement of a Mathematical Model". Human Factors Research Inc., Technical Report 1733-2
O'Hanlon, J. F. and McCauley, M. E.(1973), "Motion Sickness Incidence as a Function of the Frequency and Acceleration of Vertical Sinusoidal Motion", Human Factor Research Inc., Technical Memorandom 1973-1.
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