[논문]유압 윈치를 이용한 선박 자동 계선법

허정규; 양경욱

doi:10.7839/ksfc.2013.10.4.014

유압 윈치를 이용한 선박 자동 계선법
Proposition of Automatic Ship Mooring Using Hydraulic Winch 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.10 no.4, 2013년, pp.14 - 21

허정규 (Department of Power System Engineering, Chonnam National University) , 양경욱 (School of Marine Technology, Chonnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The numerical analysis of the automatic ship mooring system which was equipped in the ship for trying to berth at the pier was performed in this study. The automatic ship mooring using hydraulic winch was a new method that had not need to change the existing devices and to help a pilot ship of outside. The numerical results of the proposed mooring system including ship motion were that the speed and rolling phenomenon of ship was affected by changing in the ship weight and affected the slope maintenance and yaw degree of ship if there has a trim of stern. Also, a static force of ship at the initial movement was important to calculate the mooring power. The moving force and inertial force of ship on the vertical direction was confirmed for the mooring stability. Therefore, the power and velocity of hydraulic mooring winch should be determined by considering the significant characteristics such as weight, velocity, inertial force and moving force of ship.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

1[m/s]이하)로 선박을 계선시키므로 선박에 가해지는 파도의 영향이 미미하며, 선박의 이동은 좌 또는 우현으로만 이동하고 선박의 상하 운동은 거의 발생되지 않는 특성을 가지고 있다. 따라서, 이 연구에서는 횡동요, 선수동요, 좌우동요만을 고려하여 선박 운동 특성을 수치 해석하였다. Fig.
이 연구에서는 계선 선박에 장착되어 있는 유압 윈치를 이용하여 외부의 예인 선박의 도움 없이 스스로 부두에 계선시키는 새로운 방법을 제시하며, 계선에 사용되는 유압 윈치와 계선되는 선박의 동특성을 수치 해석 하였다. 이 제안한 방법의 유효성을 확인하려는 목적으로 본드 선도를 이용하여 모델링 하였으며, 유압 윈치와 선박의 동특성에 대한 수치 시뮬레이션을 통하여 선박 계선시 작용되는 계선력과 선박의 선수 및 선미의 계선 거리를 실시간으로 계산할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 완성하였다.

가설 설정

- 계선줄의 방향, 두께 및 장력은 선박에 영향을 미치지 않는다.
- 선박에 작용하는 파도의 영향은 무시한다.
- 선박의 수직 방향 운동은 고려하지 않는다.
- 유압 관로에서 발생되는 저항은 무시한다.
- 유압 장치에 공급되는 압력은 일정하며, 내부 누설은 없다.

제안 방법

연구는 선박 계선 안정성을 확보하는 방법으로 선박의 상갑판에 위치한 유압 윈치를 이용하는 방법을 제안하였으며, 제안한 선박 계선 장치를 시뮬레이션 하였다.
이 연구에서는 3포트 2위치 고속 전자(high speed on-off solenoid) 밸브를 이용하며, 구동 신호로는 펄스 폭 변조법(pulse width modulation: PWM)을 사용하여 유압 밸브의 개도를 조절하고 여기서 나오는 유량을 이용하여 유압 모터의 구동 속도를 제어한다. Fig.
이 연구에서는 계선 선박에 장착되어 있는 유압 윈치를 이용하여 외부의 예인 선박의 도움 없이 스스로 부두에 계선시키는 새로운 방법을 제시하며, 계선에 사용되는 유압 윈치와 계선되는 선박의 동특성을 수치 해석 하였다. 이 제안한 방법의 유효성을 확인하려는 목적으로 본드 선도를 이용하여 모델링 하였으며, 유압 윈치와 선박의 동특성에 대한 수치 시뮬레이션을 통하여 선박 계선시 작용되는 계선력과 선박의 선수 및 선미의 계선 거리를 실시간으로 계산할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 완성하였다.
제안한 선박 자동 계선 장치는 보편적으로 선박의 상갑판 위에 설치되어 있는 유압 윈치만을 이용하여 선박을 이동시키며, 유압 장치와 기계 장치로 이루어져 있다. 선박의 위치는 선박의 선수와 선미에 설치된 위치 센서에 의하여 계측되며, 이 계측된 신호를 파악하여 유압 장치에 있는 유압 밸브의 개도를 조정한 후 여기서 나오는 유량을 가지고 유압 윈치 내 유압 모터를 회전시킨다.
제안한 선박 자동 계선 장치는 선박 상갑판선수 및 선미에 위치한 유압 윈치를 이용한다. 이 유압 윈치는 유압 펌프, 밸브, 유압 모터와 감속 기어 및 회전통으로 구성되어 있으며, 회전통과 부두 사이에 있는 계선줄의 길이 변화에 따라 선박의 동적 운동 특성이 나타난다.
제안한 선박 자동 계선 장치에 따른 계선 선박의 특성 즉, 선박 무게 중심의 변화와 선박의 흘수 변화 등을 변화시키면서 선박의 동특성과 유압 장치의 물리적 변화를 시뮬레이션 하였다. Table 1에 시뮬레이션에 사용한 주요 변수 값을 나타내었다.
유압 밸브의 동특성은 선박의 계류 속도가 매우 느리기 때문에 시스템 전반에 거의 영향을 미치지 않는다. 하지만 유압 밸브는 제어를 담당하는 주요 장치이므로 그 특성을 포함하여 수치 해석을 수행한다. 유압밸브에 관한 자세한 연구는 기존의 연구에서 기술하였다.

이론/모형

선박 자동 계선 장치에 대한 모델링은 본드선도 모델링⁶⁾ 기법을 이용하였으며, Fig. 4에 본드 선도를 나타내었다.

성능/효과

1,2) 자동 운항 시스템의 제어 기술은 GPS 개발로 비교적 정확한 거리 계측이 가능하게 됨으로써 선박 자신의 운항 궤적이 원하는 위치에 도달하게끔 하는 방법으로, 다양한 제어기법^1-3)들을 적용하여 꾸준히 성능을 개선하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 항만 내에서 선박이 저속으로 운항할 경우만을 산정하여 이론적 연구를 진행한 것으로 직접 선박의 계선 방법에는 적용되지 않고 있는 실정이다.
보통 선박 항해시에는 이 6가지 운동이 동시에 발생될 수 있으나, 선박에 작용되는 외부 여건에 따라 주요 선박 운동과 이 운동 상호간의 간섭 현상만을 고려하여 선박 동적 특성을 해석하기도 하며 그 해석 결과도 상당히 양호한 것으로 알려져 있다.^4,5)대상으로 하는 선박은 파도가 잔잔한 항 내에서 비교적 느린 속도(0.1[m/s]이하)로 선박을 계선시키므로 선박에 가해지는 파도의 영향이 미미하며, 선박의 이동은 좌 또는 우현으로만 이동하고 선박의 상하 운동은 거의 발생되지 않는 특성을 가지고 있다. 따라서, 이 연구에서는 횡동요, 선수동요, 좌우동요만을 고려하여 선박 운동 특성을 수치 해석하였다.
유압밸브에 관한 자세한 연구는 기존의 연구에서 기술하였다.⁶⁾ 노드 8과 노드 28의 R 인자는 관로 마찰에 의한 손실을 나타내고, 노드 43의 R 인자는 탱크로 귀환되는 유량을 표현한 것이다. 고유의 특성방정식을 갖는 변환 계수인 TF는 장치간의 역학적 변환 관계를 나타낸다.
시뮬레이션을 통하여 선박 무게의 증감이 계선 속도와 횡동요 현상에 영향을 주고, 선미 종경사가 발생했을 경우에는 선박 평행 유지와 선수 동요 현상에 영향을 미치며, 계선 시점에서는 선박의 정지 마찰력 영향을 고려해야 함을 밝혔다. 균등한 선박 무게의 증가도 초반부의 계선력 크기에 영향을 미치지만, 선박 관성(타력)이 발생하기 시작하면 유체 저항력은 상쇄된다는 것도 확인할 수 있었다. 또한, 선박 계선 안정성에 크게 영향을 미치는 횡동요와 선수동요 현상은 종경사 상태에서 관성모멘트의 영향으로 심화될 수 있기 때문에 초기 계선력 결정에 유의해야 할 것으로 판단된다.
7은 선미측에 무게를 증가하여 선박의 종경사(trim)가 발생했을 때의 위치와 계선력을 나타낸 것이다. 선박의 위치 특성은 비슷한 기울기를 나타내고 있지만, 확대 그림을 보면 시간이 지날수록 각 부분별 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 선수가 보다 빠른 응답 특성을 나타내는 것은 종경사로 인한 선수의 침수 표면적이 감소되었기 때문이고, 상대적으로 중앙과 선미의 응답 특성이 미세한 것은 종경사로 인한 세로 경심 높이(longitudinal meta-center height)에 따라 무게 중심이 선미측으로 이동했기 때문이다.
시뮬레이션을 통하여 선박 무게의 증감이 계선 속도와 횡동요 현상에 영향을 주고, 선미 종경사가 발생했을 경우에는 선박 평행 유지와 선수 동요 현상에 영향을 미치며, 계선 시점에서는 선박의 정지 마찰력 영향을 고려해야 함을 밝혔다. 균등한 선박 무게의 증가도 초반부의 계선력 크기에 영향을 미치지만, 선박 관성(타력)이 발생하기 시작하면 유체 저항력은 상쇄된다는 것도 확인할 수 있었다.
3의 좌표계에 따라 이동 방향을 나타낸다. 응답 특성은 전반적으로 비선형성을 나타내었다. 그림에서 0～13[s]을 보면, 거리의 응답 특성은 정체되어 있으며, 계선력의 응답 특성은 이 시간 동안 (-)에서 (+)으로 역전되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이것은 흘수 및 종경사가 선박과 안벽과의 평행을 위한 선박자세와 계선 안정성에 가장 큰 영향을 주기 때문이다. 또한, 초기 계선력의 크기가 횡현상에 영향을 미치므로 계선 초기와 타력이 발생되는 시점에 따라 적절히 계선력이 조절되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동 운항 시스템의 제어 기술은 어떤 방법인가?	최근에는 선박 자동화 추세에 따라 항해에서 사용하는 자동 운항 시스템(autopilot)의 기능을 확대하여 선박 자동 접안 기술에 일부 접목시키기 시작하였다.1,2) 자동 운항 시스템의 제어 기술은 GPS 개발로 비교적 정확한 거리 계측이 가능하게 됨으로써 선박 자신의 운항 궤적이 원하는 위치에 도달하게끔 하는 방법으로, 다양한 제어기법1-3)들을 적용하여 꾸준히 성능을 개선하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 항만 내에서 선박이 저속으로 운항할 경우만을 산정하여 이론적 연구를 진행한 것으로 직접 선박의 계선 방법에는 적용되지 않고 있는 실정이다.
	선박 위치 확보 시스템은 어떻게 구성되는가?	이러한 선박을 일정한 위치로 이동시키는 것은 선박 이동시 안전 사고와 바로 직결되는 사항이다. 일반적으로 사용하고 있는 선박 위치 확보 시스템은 계측 시스템, 제어 시스템, 동력 시스템 등으로 구성되며, 이것들을 이용하여 선박 위치를 조절한다.
	자동 운항 시스템의 제어 기술의 한계는 무엇인가?	1,2) 자동 운항 시스템의 제어 기술은 GPS 개발로 비교적 정확한 거리 계측이 가능하게 됨으로써 선박 자신의 운항 궤적이 원하는 위치에 도달하게끔 하는 방법으로, 다양한 제어기법1-3)들을 적용하여 꾸준히 성능을 개선하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 항만 내에서 선박이 저속으로 운항할 경우만을 산정하여 이론적 연구를 진행한 것으로 직접 선박의 계선 방법에는 적용되지 않고 있는 실정이다. 다만, 외부의 예인 선박의 위치를 파악하여 계류 선박의 위치를 조정하는 방법이 제시된 바가 있다.

참고문헌 (6)

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R. Burns, "The use of artificial neural networks for the intelligent optimal control of surface ships", Oceanic Engineering, IEEE Journal, Vol. 20, No. 1, pp.65-72, 1995.

상세보기
N. Khaled, N. Chalhoub, "A self-tuning guidance and control system for marine surface vessels" Nonlinear Dyn., Vol. 1, No. 10, 2013. doi:10.1007/s11071-013-0840-9

상세보기
A. B. Birn, Ship Hydrostatics and Stability, Elsevier Butterworth-Heinemann, UK, pp.23-70, 121-156, 2005.
S. K. Das, S. N. Das,"Modeling and analysis of coupled nonlinear oscillations of a floating body in two degrees of freedom", Acta Mechanica, Vol. 181, No.1-2, pp.31-42, 2006. doi:10.1007/s00707-005-0277-4

상세보기
K. U. Yang, J. G. Hur, "Numerical Analysis of Proportional Pressure Control Valve using Bondgraph", Journal of KOPSE, Vol.12, No.2, pp.62-70. 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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