[논문]해양자동관측용 해상 부이식 파고 시스템에 대한 연구

이원부; 박수홍

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.2.268

해양자동관측용 해상 부이식 파고 시스템에 대한 연구
A study on the Automatic ocean wave observation buoy system 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.2, 2011년, pp.268 - 273

이원부 (동서대학교 대학원 유비쿼터스IT공학과) , 박수홍 (동서대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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태풍 및 해상 악천후에 견디며 무중단 운영, 실시간 관측할 수 있는 고급 사양의 부이식 파고 관측부이 시스템 개발 시급한 상황이다. 본 연구에서 부이식 파고관측 시스템을 국산화 개발하여 실시간 관측(풍속, 기온, 기압)를 부이에 추가하여 해양에 설치하고 해양의 자료를 실시간으로 전송하는 시스템 개발 하였다. 개발된 부이식 파고관측 시스템을 통하여 매년 해상에 투하하는 해양기상부이(표류형 파향파고계)의 수요를 충족할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Withstanding the continuous treat from the typhoon and nasty weather from ocean, the development of the real time monitoring buoy such as ocean wave related monitoring buoy system becomes essential. In this research, the development of the ocean wave monitoring buoy system had been done domestically. The development including the data real-time monitoring (wind, temperature and pressure) added in the buoy, buoy mooring and real-time data communication system. The developed wave monitoring buoy system (drift type, wave direction and wave height type) is expected to meet the demands.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

구조 해석 시에 고려되어야 할 경계조건은 먼저, 해수면에 의한 buoy의 지지 효과이다. 이러한 경계조건을 적용하기 위해 해수면을 배수 체적, 즉 부력의 크기에 비례하는 Spring 으로 이상화 시키고, buoy는 이러한 다점의 spring위에 지지되어있는 상태로 가정하였다.

제안 방법

하부 내부에는 밧데리를 장착할 수 있는 공간을 별도로 마련하였고 이 공간은 외부 충격에도 부이를 보호하는 역할을 한다. 각 내부 장치는 해상에서 악기상 상황에서도 장비가 이탈되지 않게 각각의 장치대에 STOPPIN을 설치하였고, 수리 및 교체 시 탈부착이 용이하도록 구조물을 배치할 수 있도록 설계에 반영하였다.
현재 해양기상 관측의 가장 중요한 관측 요소인 파고를 측정하기 위한 센서와 이 센서에서 측정된 값을 이용하여 파고 스팩트럼을 분석하고 최대 파고, 유의 파고, 평균파고, 파주기 등의 값을 연산할 수 있는 센서를 개발 하였다. 개발과정은 데이터의 기준이 될 수 있는 현재 가장 많이 사용하고 있는 외국의 우수한 제품을 기준으로 분석하였고 6축 가속도 시뮬레이션 로봇을 통하여 결과를 검증하는 방법을 사용하였다. 개발된 파고센서는 MEMS 가속도 센서의 변위를 이용하여 개발 진행하였다.
개발과정은 데이터의 기준이 될 수 있는 현재 가장 많이 사용하고 있는 외국의 우수한 제품을 기준으로 분석하였고 6축 가속도 시뮬레이션 로봇을 통하여 결과를 검증하는 방법을 사용하였다. 개발된 파고센서는 MEMS 가속도 센서의 변위를 이용하여 개발 진행하였다. 가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하며 관성력, 전기변형, 자이로의 응용원리를 이용한 것이다.
현재 해상에서 운영 중인 부이는 거친 해상에서의 어려운 계류 방법과 이에 따른 높은 계류 비용이 부이 운영상의 문제점 중 가장 해결하기 힘든 애로점으로 나타나고 있다. 계류부이의 단점을 커버하고 최대한 저렴함 비용으로 높은 효율을 얻을 수 있는 표류부이를 설계하고 제작하였다..
구조해석에 사용된 각각의 풍력 계산(Wind Loads, Pw), 조류력(Current Loads, Pc),파력(Wave Loads, Ps), 하중 조합, 유한요소 모델 생성 및 해석을 수행하였다. [3]
x, y 축의 변위로는 파향을 얻을 수 있다. 또한 각속도 센서의 결과를 이용하여 오차를 보정한다. 단, 개발된 센서는 감도가 매우 높아 외란에 의한 노이즈가 존재하여 샘플링 하는데 여러가지 애로점을 가지고 있었고, 이는 좀 더 높은 수준의 처리 알고리즘으로 보완해야 할 사항으로 판단된다.
본 연구를 통해 개발된 “부이식 파고관측 시스템” 개발을 통하여 장비 제조 공정및 제품 상용화를 이루었다.
부이의 재질은 해양센서에 자기장 등의 영향을 주지 않고 해양 환경에 가장 적합한 아래와 같은 재질의 알루미늄과 시제품 제작에 알맞은 FRP을 선정하여 설계하였다. 특히 이번 과제에서는 저비용으로 제작이 가능하고 부분적으로 두께를 보강 할수 있는 FRP를 첫 번째로 선정하여 제작 진행하였다.
이 표류부이의 종류는 대부분 수온만 관측하는 표류부이 형태이며, 일부에서는 수온과 기압을 관측하고 있다. 악천후 및 태풍의 경우 무중단 파고, 기온, 풍속, 수온, 기압을 실시간 수신 가능한 파고부이를 개발하였다. [1]
그리고 통신 방식 또한 다양하다. 이에 멀티 통신 보드를 개발하여 각 서비스 지역에 가장 알맞은 통신 방식의 모듈로 교체함으로써 쉽게 데이터 전송이 가능한 시스템을 개발하였다. [5]
부이의 재질은 해양센서에 자기장 등의 영향을 주지 않고 해양 환경에 가장 적합한 아래와 같은 재질의 알루미늄과 시제품 제작에 알맞은 FRP을 선정하여 설계하였다. 특히 이번 과제에서는 저비용으로 제작이 가능하고 부분적으로 두께를 보강 할수 있는 FRP를 첫 번째로 선정하여 제작 진행하였다.
풍랑은 그 해역의 바람에 의하여 생긴 파도이며, 너울은 먼 바다에서 태풍이나 저기압 등에 의하여 생긴 파도가 관측 지점까지 도달한 것을 말한다. 현재 해양기상 관측의 가장 중요한 관측 요소인 파고를 측정하기 위한 센서와 이 센서에서 측정된 값을 이용하여 파고 스팩트럼을 분석하고 최대 파고, 유의 파고, 평균파고, 파주기 등의 값을 연산할 수 있는 센서를 개발 하였다. 개발과정은 데이터의 기준이 될 수 있는 현재 가장 많이 사용하고 있는 외국의 우수한 제품을 기준으로 분석하였고 6축 가속도 시뮬레이션 로봇을 통하여 결과를 검증하는 방법을 사용하였다.

성능/효과

기존의 2D 설계 툴보다 효율적인 CATIA V5를 이용한 3D Modeling 도구로 최대한 서로의 장치에 간섭이 생기지 않게 설계를 하여 추가 수정작업을 시간과 비용을 최대한 줄였다.

후속연구

또한 각속도 센서의 결과를 이용하여 오차를 보정한다. 단, 개발된 센서는 감도가 매우 높아 외란에 의한 노이즈가 존재하여 샘플링 하는데 여러가지 애로점을 가지고 있었고, 이는 좀 더 높은 수준의 처리 알고리즘으로 보완해야 할 사항으로 판단된다. [4]
해양 및 연안에서의 해난재해는 막대한 피해가 예상되는 재난으로 해상상태의 변화에 대한 잘못된 예측, 해상상태 예보의 정확도 저하 등 해상 상태 예보 기술의 부재 시에는 단 한 번의 해난 재해로 우리의 귀중한 영토와 산업 기반 시설의 피해를 초래하게 되고소중한 인명을 잃을 수 있다. 따라서 개발되는 기술은 기상청에 신속히 제공되어 보다 정확도 높은 예보에 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가속도 센서란 무엇인가?	가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하며 관성력, 전기변형, 자이로의 응용원리를 이용한 것이다. 가속도 센서는 물체의 운동 상태를 순시적으로 감지할 수 있으며, 자동차, 기차, 선박, 비행기 등의 각종 수송수단, 공장 자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 많이 사용되고 있는 소자이다. 종래에는 가속도 센서는 매우 가격이 높은 장비에 속하였지만, 근래에는 저가형 고정밀도의 센서 공급이 증대함에 따라, 이러한 MEMS 가속도센서를 이용하여 파고센서를 개발하게 되면 낮은 가격 및 소형이라는 이점을 살려 기존 시장의 대부분을 장악하고 있는 비교적 덩치가 크고 비싼 물리적 가속도 센서에 비하여 경쟁력이 커질 수 있다.
	MEMS 가속도 파고센서란 무엇인가?	MEMS 가속도 파고센서는 아래 그림과 같이 각각 x, y, z의 3축 방향으로 센서를 장착하여 z축의 속도와 시간을 적분하여 거리를 측정하고 Peak(최대치와 최소치)값을 소거 한 후 파고의 높이를 측정하는 것이다. x, y 축의 변위로는 파향을 얻을 수 있다.

참고문헌 (7)
타임라인 바로가기

박수홍, "원격모니터링을 통한 해양자동관측을 위한 해상부이식파고시스템", 지방기업주문형 인력양성사업 최종보고서, 교육과학기술부, 2008.
Soohong Park, "Electronics System Design of a Generic Meteorological Buoy," The Journal of the Korea Institute of Electronic Commuication Science, Vol. 5 , No. 1, pp. 51-57, Feb. 2010.
NaNa Sun, Soo-hong Park ,"Hull Structure Design of a small scale Oceanographic Buoy", The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 6, No. 1, pp. 130-135, Feb. 2011.
Ng Yin Yeo, Soohong Park "Ocean Wave Analysis using MATLAB," The Journal of the Korea Institute of Electronic Commuication Science", Vol. 5 , No. 3, pp. 281-287, Jun. 2010.
Chee-Cheong Lee, Soohong Park," Different Approaches to Design a Meteorological Buoy for Weather Monitoring Purposes," International Journal of KIMICS, Vol. 8, No. 3, pp. 301-306, 2010.
Ng Yin Yeo, Soohong Park," Development of Ship Data Acquisition Embedded System," International Journal of KIMICS, Vol. 8, No. 5, pp. 528-533, Oct. 2010.
Ng Yin Yeo, Soohong Park," Design and Development of Meteorological Data Logger," International Journal of KIMICS, Vol. 8, No. 6, pp. 671-676, Dec. 2010.

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