VTS에서 AIS데이터를 활용한 정박선의 선회중심 추정에 관한 연구 A Study on the Estimation of Center of Turning Circle of Anchoring Vessel using Automatic Identification System Data in VTS원문보기
정박중인 선박의 안전을 위하여 항해사, 선장 및 해상교통관제사는 항상 선박이 주묘되고 있는가를 확인하여야 한다. 정박선의 주묘판별을 위하여 VTS 관제사가 선회권과 그 중심을 인지하는 것이 중요하다. VTS에서 정박선 주묘여부 감시는 레이더 및 AIS를 이용할 수 있다. 또한 이용가능하다면, CCTV 영상이나 육안에 의한 관측도 이루어 질 수 있다. 그러나 VTS 시스템은 AIS 및 ARPA Radar로부터 수집된 데이터만으로 정박선을 모니터링하고 있으므로 정박지내에서 정박선의 선회중심을 알기가 어렵다. 본 연구에서는 VTS에서 AIS에 의해 수집된 정박 선박의 선수방위각과 위치데이터를 활용하여 선회중심을 추정하는 알고리즘을 제시하고자 한다. 알고리즘의 유효성을 확인하기 위해, 실 환경에서 정박한 선박에 대한 실험연구를 수행하였다.
정박중인 선박의 안전을 위하여 항해사, 선장 및 해상교통관제사는 항상 선박이 주묘되고 있는가를 확인하여야 한다. 정박선의 주묘판별을 위하여 VTS 관제사가 선회권과 그 중심을 인지하는 것이 중요하다. VTS에서 정박선 주묘여부 감시는 레이더 및 AIS를 이용할 수 있다. 또한 이용가능하다면, CCTV 영상이나 육안에 의한 관측도 이루어 질 수 있다. 그러나 VTS 시스템은 AIS 및 ARPA Radar로부터 수집된 데이터만으로 정박선을 모니터링하고 있으므로 정박지내에서 정박선의 선회중심을 알기가 어렵다. 본 연구에서는 VTS에서 AIS에 의해 수집된 정박 선박의 선수방위각과 위치데이터를 활용하여 선회중심을 추정하는 알고리즘을 제시하고자 한다. 알고리즘의 유효성을 확인하기 위해, 실 환경에서 정박한 선박에 대한 실험연구를 수행하였다.
To ensure the safety for vessels anchored in stormy weather, duty officer and VTS operator have to frequently check whether their anchors are dragging. To judge dragging of the anchored vessel, it is important for VTS operator to recognize the turning circle and its center of the anchored vessel. Th...
To ensure the safety for vessels anchored in stormy weather, duty officer and VTS operator have to frequently check whether their anchors are dragging. To judge dragging of the anchored vessel, it is important for VTS operator to recognize the turning circle and its center of the anchored vessel. The judgement for the anchored vessel dragging can be made by using Radar and AIS. If it is available, CCTV or eye-sighting can be used to know the center of turing circle. However, the VTS system collects individual ship's dynamic information from AIS and ARPA radar and monitors of the anchored vessels, it is difficult for VTS operator not only to get the detailed status information of the vessels, but also to know the center of turning circle. In this study, we propose an efficient algorithm to estimate the center of turning circle of anchored vessel by using the ship's heading and position data, which were from AIS. To verify the effectiveness of the proposed algorithm, the experimental study was made for the anchored vessel under real environments.
To ensure the safety for vessels anchored in stormy weather, duty officer and VTS operator have to frequently check whether their anchors are dragging. To judge dragging of the anchored vessel, it is important for VTS operator to recognize the turning circle and its center of the anchored vessel. The judgement for the anchored vessel dragging can be made by using Radar and AIS. If it is available, CCTV or eye-sighting can be used to know the center of turing circle. However, the VTS system collects individual ship's dynamic information from AIS and ARPA radar and monitors of the anchored vessels, it is difficult for VTS operator not only to get the detailed status information of the vessels, but also to know the center of turning circle. In this study, we propose an efficient algorithm to estimate the center of turning circle of anchored vessel by using the ship's heading and position data, which were from AIS. To verify the effectiveness of the proposed algorithm, the experimental study was made for the anchored vessel under real environments.
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문제 정의
2장에서 서술한 VTS에서 정박선 관리 한계점을 보완하고 신속한 주묘확인을 위하여 수집되는 AIS정보를 토대로 정박선의 선회중심추정 알고리즘을 제안하고자 한다. VTS에서 선회중심추정을 위해 활용되는 AIS 정보는 위치정보, 속력, 침로, 선수방위, 선박길이이다.
본 연구에서는 VTS 관점에서 선박으로부터 수집되는 선박자동식별장치(AIS, Automatic Identification System)정보로부터 선회중심을 추정하는 알고리즘을 제시하고자 한다. 제안된 알고리즘의 유효성을 보여주기 위하여 실 해역에 제안된 선회중심 추정 알고리즘을 적용하였다.
정박선의 선수방위각은 선회중심을 기점으로 스윙하므로, 선회중심 방향을 벗어난 부정확한 선수 방위각에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 선회중심 방향의 선수 방위각값(hi)을 산출하기 위해 샘플 시간간격 동안 입력데이터의 평균값을 추출한다. ( 경도:xi, 위도:yi, 속력:vi, )
제안 방법
당시의 외력하에서는 주변 섬 등 지형물이 바람을 차폐하지 못하는 가운데 파랑에 의한 표류력도 영향을 미쳤을 것으로 보인다. VTS에서 수집된 대상 선박의 AIS 데이터와 345m의 가상 선수미선을 알고리즘에 적용하였다. 선박에서 입수한 최대선박선회반경(C선박 250m, D선박 230m)을 투묘중심 판별 기준으로 적용하였다.
해상기상은 풍랑주의보 상태였으며 풍향 서북서, 풍속은 약 14m/s이다. VTS에서 수집된 해당선박의 AIS 데이터와 265m의 가상 선수미선을 알고리즘에 적용하였다. A 선박은 총톤수 1,414톤, 선박길이 67m, 선폭 12m으로 화물선이며, B 선박은 예부선으로 예선은 총톤수 498톤, 길이 38m 선폭 9.
가상 선수미선의 교차점 분포를 x축 및 y축에 대하여 각각 N 등분 하였다. Fig.
이에 본 연구는 정박선 위치 및 선수미 방위각 정보를 활용하여 가상 선수미선간의 교차점을 산출하여, 교차점의 분포가 높게 나타나는 지점의 평균값을 정박선의 선회중심으로 추정하였다. 또한 추정된 선회중심과 선박으로부터 수집된 앵커체인 길이를 바탕으로, 실 해역 정박선에 대한 묘박 선회권을 설정하여 주묘여부를 분석하였다. 이는 VTS 및 정박당직을 수행하는 선박에서 투묘위치 파악을 소홀히 할 경우에 선박 주묘예방에 유용할 것이다.
이러한 가상 선수미선간 교차점을 산출하기 위해서 선박위치로부터 가상 선수미선의 직선성분을 산출하여야 한다. 본 알고리즘에서 가상 선수미선은 선박위치(xi,yi)로부터 선수미 방향으로 정박지 최대 선회반경(Korea Maritime and Port Adminstration, 1993)인, L 만큼 이동 후 종료위치(dx,dy)를 적용하였다. 정박지 최대 선회반경은 대상 해역의 수심 25m 및 평균적인 선박길이 100m를 적용하여 풍속 20m/s 이하는 265m, 이상에는 345m를 각각 적용하였다.
분석결과 C선박과 마찬가지로 초기의 투묘지점과 선박간 길이가 선회반경 길이 230m에 근접하였고, 초기 투묘지점을 추정하였다. 추정된 선회 중심지점으로부터 앵커체인의 산출량을 고려하여 묘박 선회권을 설정하였으며, 그 이후 선박이 주묘가 되었음을 확인하였다.
5m이며, 부선 총톤수는 약 2,000톤이다. 선박에서 입수한 앵커체인의 길이를 토대로 산출한 최대선박선회반경(A 및 B선박 약 230m)을 투묘지점 산출한 최대선박선회반경(A 및 B선박 약 230m)을 투묘지점 판별 기준으로 적용하여 계산하였다. 두 선박에 대하여 제안 알고리즘을 적용한 결과, Fig.
VTS에서 수집된 대상 선박의 AIS 데이터와 345m의 가상 선수미선을 알고리즘에 적용하였다. 선박에서 입수한 최대선박선회반경(C선박 250m, D선박 230m)을 투묘중심 판별 기준으로 적용하였다.
실험 2에서는 2012년 04월 03일 풍랑경보 발효 중에 대상 정박수역에서 주묘 되었던 정박선 C 및 D 선박을 대상으로 제안된 알고리즘을 적용하였다. 당시 풍향은 서남서, 풍속은 21m/s 이상이었다.
제안하는 알고리즘에서 활용하는 선수방위각은 선박이 선회권 중심을 기점으로 선회운동을 하고 있음을 고려하여, 선수방위각 변화값의 평균을 설정한다. 여기에서 AIS 데이터 중 편차가 큰 데이터는 제거하여 보다 신뢰할 수 있는 선수방위 각을 추정하였으며, 이러한 선수방위선의 교차점 빈도가 높은 위치를 찾음으로서 선회중심을 추정한다.
이에 본 연구는 정박선 위치 및 선수미 방위각 정보를 활용하여 가상 선수미선간의 교차점을 산출하여, 교차점의 분포가 높게 나타나는 지점의 평균값을 정박선의 선회중심으로 추정하였다. 또한 추정된 선회중심과 선박으로부터 수집된 앵커체인 길이를 바탕으로, 실 해역 정박선에 대한 묘박 선회권을 설정하여 주묘여부를 분석하였다.
본 연구에서는 VTS 관점에서 선박으로부터 수집되는 선박자동식별장치(AIS, Automatic Identification System)정보로부터 선회중심을 추정하는 알고리즘을 제시하고자 한다. 제안된 알고리즘의 유효성을 보여주기 위하여 실 해역에 제안된 선회중심 추정 알고리즘을 적용하였다. 그러나 정확한 투묘지점을 알 수 없으며 또한 AIS 데이터를 이용하기 때문에 데이터 수집을 위하여 소비되는 시간을 고려하면 제안한 알고리즘을 주묘판별에 적용하기에는 어려움이 남는다.
제안하는 알고리즘에서 활용하는 선수방위각은 선박이 선회권 중심을 기점으로 선회운동을 하고 있음을 고려하여, 선수방위각 변화값의 평균을 설정한다. 여기에서 AIS 데이터 중 편차가 큰 데이터는 제거하여 보다 신뢰할 수 있는 선수방위 각을 추정하였으며, 이러한 선수방위선의 교차점 빈도가 높은 위치를 찾음으로서 선회중심을 추정한다.
대상 데이터
2012년 01월 15일, 정박수역에 정상적으로 투묘가 이루어진 정박선 A 및 B호를 대상으로 적용하였다. 해상기상은 풍랑주의보 상태였으며 풍향 서북서, 풍속은 약 14m/s이다.
VTS에서 수집된 해당선박의 AIS 데이터와 265m의 가상 선수미선을 알고리즘에 적용하였다. A 선박은 총톤수 1,414톤, 선박길이 67m, 선폭 12m으로 화물선이며, B 선박은 예부선으로 예선은 총톤수 498톤, 길이 38m 선폭 9.5m이며, 부선 총톤수는 약 2,000톤이다. 선박에서 입수한 앵커체인의 길이를 토대로 산출한 최대선박선회반경(A 및 B선박 약 230m)을 투묘지점 산출한 최대선박선회반경(A 및 B선박 약 230m)을 투묘지점 판별 기준으로 적용하여 계산하였다.
C선박은 예부선으로 예선 총톤수 287톤, 길이 38m 선폭 9.5m이며, 부선 총톤수 2,242톤, 길이 76m, 선폭 25m이다. Fig.
D선박은 예부선으로 예선은 총톤수 498톤, 길이 38m 선폭 9.5m이며, 부선 총톤수는 약 2,000톤이다. Fig.
3마일 해상에 지정되어 운영되고 있다. 대상해역은 주로 중․소형 선박의 정박지로 활용되고 있으며, 완도 VTS에서 관할하여 운용하고 있다. Fig.
본 논문에서 제안한 선회 중심추정 알고리즘의 유용성을 나타내기 위하여 우리나라 남해안에 위치한 완도항 정박수역에서 묘박 중인 선박을 대상으로 선박으로부터 실제 수집된 AIS 데이터를 가지고 제안된 알고리즘을 적용하였다. 제 1 긴급대피 정박구역은 2007년부터 신지도-생일도 간 1.
정박 중 주묘여부 확인을 소홀하여 신속한 대응이 늦어질 경우 선박간 충돌, 좌초, 주변 시설물 파손으로 심각한 해양오염을 초래할 수 있다. 실례로 지난 2012년 8월 완도군 약산면 가사리 앞 해상에 좌초한 2,900톤급 화물선 카이싱(CAIXIN)호는 주묘여부를 철저히 감시하지 않아 주변 양식장의 시설 파손 및 해양오염을 야기 시켰다.
2012년 01월 15일, 정박수역에 정상적으로 투묘가 이루어진 정박선 A 및 B호를 대상으로 적용하였다. 해상기상은 풍랑주의보 상태였으며 풍향 서북서, 풍속은 약 14m/s이다. VTS에서 수집된 해당선박의 AIS 데이터와 265m의 가상 선수미선을 알고리즘에 적용하였다.
성능/효과
분석결과 대상선박의 선회중심-선박간 길이가 선회반경 길이 250m에 근접하여 초기 묘박 투묘지점이 추정되었다. 추정된 중심점을 기준으로 묘박 선회권을 설정하였으며, 이후 외력에 의해 해당 선박이 선회권을 벗어나 주묘가 되었음을 확인하였다.
분석결과 추정된 선회중심과 선박간 거리는 100～150m로 선회반경길이(230m)보다 적은 상황으로 주묘는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 즉 해저에 앵커체인이 펼쳐져 있다는 점을 고려하면 정박선의 선회중심은 투묘지점과 선박위치의 중간지점에 형성되는 것으로 판단된다.
분석결과 C선박과 마찬가지로 초기의 투묘지점과 선박간 길이가 선회반경 길이 230m에 근접하였고, 초기 투묘지점을 추정하였다. 추정된 선회 중심지점으로부터 앵커체인의 산출량을 고려하여 묘박 선회권을 설정하였으며, 그 이후 선박이 주묘가 되었음을 확인하였다. D선박의 경우 주묘 제진이 이루어지지 않고, 선회중심이 계속적으로 이동하는 것으로 나타났다.
후속연구
또한 정확한 선회중심에 기초한 주묘판별은 투묘지점의 참값을 알 수 없기 때문에 오차가 수반된다. 투묘지점 결정을 위한 해석적인 알고리즘과 주묘판별 기능의 구현은 향후 연구과제로 남는다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정박중인 선박에 작용하는 외력은 무엇인가?
정박중인 선박에 작용하는 외력은 풍압력, 표류력, 유압력이 있다. 바람에 의한 풍압력은 선체 풍압면적에 비례하며, 파랑에 의한 표류력은 파고 및 선체길이에 영향을 받는다.
VTS에서 수집된 데이터의 한계점은 무엇인가?
항적감시기능은 일정시간동안 선박의 항적을 나타내는 기능이며, 묘박 선회권(Anchor Circle) 기능은 정박선의 현위치에서 선회권을 설정하여 선박위치가 선회권에서 벗어나면 알람이 울리는 기능이다. 그러나 VTS에서 수집된 데이터는 앵커체인 산출량 및 투묘지점 등에 대한 구체적인 정박선정보를 이용할 수 없으므로, 개개 선박의 주묘상황을 파악하는데 한계가 있다.
항적감시기능 및 묘박 선회권 기능이란 각각 무엇인가?
완도VTS에서 운용중인 시스템의 경우 정박선의 주묘여부는 정박선 항적감시기능 및 묘박 선회권 설정을 활용하여 판별한다. 항적감시기능은 일정시간동안 선박의 항적을 나타내는 기능이며, 묘박 선회권(Anchor Circle) 기능은 정박선의 현위치에서 선회권을 설정하여 선박위치가 선회권에서 벗어나면 알람이 울리는 기능이다. 그러나 VTS에서 수집된 데이터는 앵커체인 산출량 및 투묘지점 등에 대한 구체적인 정박선정보를 이용할 수 없으므로, 개개 선박의 주묘상황을 파악하는데 한계가 있다.
참고문헌 (6)
IMO, Res. A. 857(20)(1997), "Guidelines for Vessel Traffic Services"
Im, N. G. et al.(2007), "A Study on Design of Emergency Anchorage at Adjacent Waters of Wan-do Port", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 14, No. 1, pp. 65-69.
Jung, C. H. and Kong, K. Y.(2009), "A Study on the Development of Anchoring Manual for T.S. HANBADA", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 15, No. 1, pp. 49-55.
Jung, C. H. et al.(2009),"Analysis on the Pattern of Dragging Anchor in Actual Ship", Journal of Navigation and Port Research, Vol. 33, No. 8, pp. 505-511.
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