선박 평형수는 해양 유기체와 함께 타 지역의 바다에 배출되며, 이는 해양 생태계 교란을 야기했다. 이 환경적 위험 요인을 제거하기 위하여 IMO에서는 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템(BWTS)의 장착을 의무화 하였다. 모니터링 시스템은 여러 해양에 흩어져 있는 선박으로부터 수집된 BWTS의 센서 정보를 분석함으로써 BWTS의 고장을 진단하고 예측한다. 본 논문은 위성 통신 비용을 고려한 BWTS 원격 모니터링 시스템의 통신 프레임웍에 대한 설계 및 구현을 제시한다. 본 연구에서는 랩뷰 프로그램에 의하여 안전하고 비용 절감을 위한 통신 모듈을 구현하였는데, 수집된 센서 정보는 RIO에서 수행되는 랩뷰 모듈을 통하여 암호화되고 압축되어 육지 통신 서버로 전송되며, 모니터링 가능하도록 복호화를 한다. 결과를 검증하기 위하여 수집된 센서 데이터를 모니터링 서버가 사용하기까지의 과정을 모니터링 하는 실험 모듈을 제작하였고, 모든 경위의 데이터 형식에 대하여 20번의 실험을 수행한 결과 기능성과 신뢰성에서 우수함을 증명하였다.
선박 평형수는 해양 유기체와 함께 타 지역의 바다에 배출되며, 이는 해양 생태계 교란을 야기했다. 이 환경적 위험 요인을 제거하기 위하여 IMO에서는 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템(BWTS)의 장착을 의무화 하였다. 모니터링 시스템은 여러 해양에 흩어져 있는 선박으로부터 수집된 BWTS의 센서 정보를 분석함으로써 BWTS의 고장을 진단하고 예측한다. 본 논문은 위성 통신 비용을 고려한 BWTS 원격 모니터링 시스템의 통신 프레임웍에 대한 설계 및 구현을 제시한다. 본 연구에서는 랩뷰 프로그램에 의하여 안전하고 비용 절감을 위한 통신 모듈을 구현하였는데, 수집된 센서 정보는 RIO에서 수행되는 랩뷰 모듈을 통하여 암호화되고 압축되어 육지 통신 서버로 전송되며, 모니터링 가능하도록 복호화를 한다. 결과를 검증하기 위하여 수집된 센서 데이터를 모니터링 서버가 사용하기까지의 과정을 모니터링 하는 실험 모듈을 제작하였고, 모든 경위의 데이터 형식에 대하여 20번의 실험을 수행한 결과 기능성과 신뢰성에서 우수함을 증명하였다.
The ballast water may be discharged into another sea area with marine organisms, it caused problems to disturb the marine ecosystem. So, in order to remove these environmental risk factors, the IMO has mandated the installation of BWTS to the all ships. Our monitoring system diagnose and predict a f...
The ballast water may be discharged into another sea area with marine organisms, it caused problems to disturb the marine ecosystem. So, in order to remove these environmental risk factors, the IMO has mandated the installation of BWTS to the all ships. Our monitoring system diagnose and predict a failure of BWTS by analyzing the sensor information of BWTS collected from which the ships scattered in the ocean of several. This paper presents the design and implementation of communication modules for BWTS remote monitoring considering the satellite communication charge fee. In the our study, we implemented the safety and cost-saving communication modules by LabVIEW program. The collected sensor informations is encrypted and compressed by LabVIEW modules running on RIO. Then they will be transfer to the land server and will be decrypt to enable monitoring in the land server. For the verification, we build the test modules which can verify from collecting the sensor data to consuming them in the monitoring server. We carried out 20 times for the data pattern in all of case. So, we verified the excellent functionality and reliability through the experimental result.
The ballast water may be discharged into another sea area with marine organisms, it caused problems to disturb the marine ecosystem. So, in order to remove these environmental risk factors, the IMO has mandated the installation of BWTS to the all ships. Our monitoring system diagnose and predict a failure of BWTS by analyzing the sensor information of BWTS collected from which the ships scattered in the ocean of several. This paper presents the design and implementation of communication modules for BWTS remote monitoring considering the satellite communication charge fee. In the our study, we implemented the safety and cost-saving communication modules by LabVIEW program. The collected sensor informations is encrypted and compressed by LabVIEW modules running on RIO. Then they will be transfer to the land server and will be decrypt to enable monitoring in the land server. For the verification, we build the test modules which can verify from collecting the sensor data to consuming them in the monitoring server. We carried out 20 times for the data pattern in all of case. So, we verified the excellent functionality and reliability through the experimental result.
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문제 정의
센서 데이터를 수집하는 선박 내 임베디드 네트워크에서 RIO를 추가적으로 활용하여 통신에 필요한 기능들을 구현하는 것은 BWTS 원격 모니터링 시스템의 개발·관리에 편의성을 증대시킬 것이다. BWTS와 관련된 기술 중에서 위성을 통한 원격 유지보수 및 모니터링 체계는 국내외 전무하므로, 본 연구를 통해서 이를 구현하고 개발 프레임웍을 확보하였다. 향후에는 이를 보다 확장 하여, 현재는 여러 기업 간 기술이 상이하여 표준화가 어려운 전체 선박 시스템을 기업 협력을 통해 하나로 통합하고, 선박 내 모든 주요 시스템에 대하여 종합적인 원격 모니터링을 수행하는 기술을 개발하여야 할 것이다.
본 논문에서는 BWTS 원격 모니터링을 위해 필요한 세부 요소 중에서 PLC-RIO, RIO-Monitoring Server 간의 통신에 대해 중점적으로 기술하며, 특히 본 저자가 이전 논문에서 확보한 통신 기법의 부족한 부분을 개선하고 추가적인 소프트웨어 모듈을 첨가하여 보다 향상된 통신 기법과 인터페이스를 보이고자 한다.
제안 방법
20개의 BWTS 센서 데이터 세트를 미리 PLC에 이식하였으며, 테스트 전송 주기를 1분으로 지정하여 1분이 경과할 때 마다 다음 데이터 세트를 재전송하였다. 각 데이터 세트는 매초 마다 32개의 센서를 측정한 것이며 측정 시간은 2시간 내외이다.
BWTS 센서는 데이터 발생의 원천으로, 본 연구에서는 전압, 전류, 염소 농도, 중화제 농도, 수소 가스 발생 여부 등을 측정하는 32가지의 센서들이 사용되었으며, 연구 환경에 적합하도록 BWTS 센서 데이터를 미리 PLC 메모리에 저장해두고 개발을 진행하였다.
그림 7은 RIO-Monitoring Server 통신에서 수신자의 역할을 수행하는 Server 측 통신 모듈을 LabVIEW로 구현한 것이다. TCP 리스너 관련 함수들과 TCP 고정 바이트 읽기 등을 통해 수신자 통신 기법을 응용한 사례를 보여준다.
국내외 BWTS 기술의 작동 방식은 주로 4가지의 형태로 개발이 진행되었으며, 본 연구에서는 간접 전기분해 방식의 BWTS가 적용되었다.
먼저 RIO는 PLC와의 초기 통신 설정을 위해 TCP 프로토콜 연결 열기를 수행한다. 그리고 양측이 시험 패킷을 주고받는 과정을 거친 후, PLC의 데이터 메모리 영역에 축적된 센서 데이터를 RIO로 읽어 들인다. RIO는 이전에 수집을 수행한 기록이 있다면, 마지막 수집 시간을 확인하여 신규 데이터를 판단하여 저장한다.
Server에서는 복호화와 압축 해제를 수행 후 데이터를 저장에 필요한 형태로 수집·처리하고 Server 내부의 DB로 전송한다. 사용자의 요구에 따라 센서 정보는 DB로부터 호출되어 패턴 그래프 및 통계 형태로 사용자에게 제공되며, 고장 예측과 진단을 위해서 대량의 데이터를 호출해 정보 분석을 정기적으로 수행한다. 알고리즘에 따라 센서에 문제가 발생한 것으로 판단되면 알람을 제공한다.
모바일 장치에는 육상원격지의 엔지니어가 이동 중인 환경에서도 센서 데이터를 손쉽게 확인할 수 있도록 전용 어플리케이션을 설치하게 된다. 안드로이드 플랫폼의 모니터링 기술을 응용하여 구성하였다[13].
대상 데이터
PLC(Programmable Logic Controller)는 선박 평형수 처리 시스템의 여러 센서로부터 계측되는 데이터를 일정 시간마다 지속적으로 수집하여 내부 메모리에 기록하는 역할을 하는 임베디드 장치로, 시리얼, 이더넷, USB 등을 통해 외부로 데이터를 전달할 수 있다. Omron 社의 CJ2M-CPU33 장치를 사용하였다[11].
시스템에 필요한 실물 환경 하드웨어 장치로는 BWTS 센서, PLC, RIO, Proface, 위성 접속 송수신 장치, Monitoring Server(PC), DB, Mobile 등으로 구성되며, 각 장치는 선박 측 장치와 육상 측 장치로 구별된다.
이론/모형
RIO(single-board Reconfigurable I/O)는 그래픽 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 통해 자유롭게 프로그래밍이 가능한 임베디드 장치로 BWTS 원격 모니터링 시스템에서 수행해야 할 선박 측 기능의 대부분이 이 장치에서 수행된다. NI 社의 sbRIO-9636 모델을 사용하였으며, 시리얼, 이더넷, USB 통신을 제공한다[12].
RIO-Monitoring Server 통신은 고가의 요금이 부과되는 위성을 사용하며, 무선 환경에 노출된다는 특성상압축 및 암호화 수행이 필요하다. 본 연구에서는 RSA 암호화 기법에 사용하는 일방향 함수의 수학적 특성을 활용하여 데이터를 암호화 하였고, 압축 기법은 가장 일반적인 ZIP 형식을 사용하였다. 전체 데이터가 모두 암호화 되기 때문에 그림 8에 해당하는 복호화 과정에 다소 시간이 필요하여 발신과 수신의 전체 통신 과정은 대략 20~40초 정도의 시간이 소요된다.
성능/효과
Monitoring Server에서 수신 데이터 크기 및 오류율을 분석한 결과, 모든 경우에 대하여 신뢰성 있는 통신이 이루어졌음을 확인할 수 있었으며 데이터 복호 및 압축해제도 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 RIO 측 전송 주기 시각의 정확성을 평가하는 테스트에서도 180회의 반복 전송 동안 1분의 전송 주기를 정확히 수행하여 오차를 발견할 수 없었다.
Monitoring Server의 사용자 디스플레이에서는 각 센서 데이터의 수치 그래프 출력과 세계 지도상의 선박의 위치 표시, 데이터 로그 등의 정보가 정상적으로 표현되었으며, 비정상 데이터 적용 시에는 알람이 표시됨이 확인되었다.
전기분해 방식에 대한 선박 평형수 처리 연구에서 3.0 ppm 보다 높은 NaOCl 농도는 99.99%의 박테리아를 사멸시키며, 99% 이상의 플랑크톤을 제거하는 것으로 나타나는 등 사멸 능력이 우수한 것으로 판명되었다. 그러나 평형수를 배출하는 Deballast 과정에서 염소를 중화시키는 처리가 필요하고, 수소 발생의 위험성이 존재하는 것이 단점이다[2][8].
후속연구
BWTS와 관련된 기술 중에서 위성을 통한 원격 유지보수 및 모니터링 체계는 국내외 전무하므로, 본 연구를 통해서 이를 구현하고 개발 프레임웍을 확보하였다. 향후에는 이를 보다 확장 하여, 현재는 여러 기업 간 기술이 상이하여 표준화가 어려운 전체 선박 시스템을 기업 협력을 통해 하나로 통합하고, 선박 내 모든 주요 시스템에 대하여 종합적인 원격 모니터링을 수행하는 기술을 개발하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모니터링 시스템의 역할은?
이 환경적 위험 요인을 제거하기 위하여 IMO에서는 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템(BWTS)의 장착을 의무화 하였다. 모니터링 시스템은 여러 해양에 흩어져 있는 선박으로부터 수집된 BWTS의 센서 정보를 분석함으로써 BWTS의 고장을 진단하고 예측한다. 본 논문은 위성 통신 비용을 고려한 BWTS 원격 모니터링 시스템의 통신 프레임웍에 대한 설계 및 구현을 제시한다.
선박 평형수의 배출은 무엇을 야기하는가?
선박 평형수는 해양 유기체와 함께 타 지역의 바다에 배출되며, 이는 해양 생태계 교란을 야기했다. 이 환경적 위험 요인을 제거하기 위하여 IMO에서는 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템(BWTS)의 장착을 의무화 하였다.
선박 평형수 배출로 인한 해양 생태계 교란을 막기 위해 무엇을 의무화 했는가?
선박 평형수는 해양 유기체와 함께 타 지역의 바다에 배출되며, 이는 해양 생태계 교란을 야기했다. 이 환경적 위험 요인을 제거하기 위하여 IMO에서는 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템(BWTS)의 장착을 의무화 하였다. 모니터링 시스템은 여러 해양에 흩어져 있는 선박으로부터 수집된 BWTS의 센서 정보를 분석함으로써 BWTS의 고장을 진단하고 예측한다.
참고문헌 (13)
Sutherland T.F., Levings C.D., Elliott C.C., and Hesse W.W., "Effect of a ballast water treatment system on survivorship of natural populations of marine plankton", Marine Ecology Progress Series, Vol. 210, pp. 139-148, 2001.
Eun-Chan Kim, Jeong-Hwan Oh, and Seung-Guk Lee, "Consideration on the Concentration of the Active Substances Produced by the Ballast Water Treatment System", Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 219-226, August 2012.
Chin-Hoon Kim, Wook-Jin Choi, Hwi-Min Choi, Chang-Yong Lee, Woo-Jin Choi, Kwang-Seob Lee, Byoung-Chul Kim, and Joo-Man Kim, "Development of embedded communication using LabVIEW in Ballast Water Treatment System", Proceedings of Fall Conference on IEMEK, Jeju, Korea, November 2013.
Goran Bakalar, Vinko Tomas, and Zeljko Sesar, "Remote monitoring of Ballast Water Treatment System quality by using flow cytometry and satellite communication technologies", Proc. of 54th International Symposium ELMAR-2012, Zadar, Croatia, September 2012.
Wook-Jin Choi, Chin-Hoon Kim, Hwi-Min Choi, Kwang-Seob Lee, Woo-Jin Choi, and Joo-Man Kim, "Trend Analysis and Diagnosis for BWTS Remote Monitoring", Journal of Institute of Embedded Engineering of Korea, Vol. 9, No. 3, pp. 127-135, June 2014.
Ministry of Oceans and Fisheries, Korea, July 2013.http://www.korea.kr/policy/pressReleaseView.do?newsId155909464
Efi Tsolaki and Evan Diamadopoulos, "Technologies for ballast water treatment: a review", Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 85, No. 1, pp. 19-32, January 2010.
Matousek R.C., Hill D.W., Herwig R.P., Cordell J.R., Nielsen B.C., Ferm N.C., Lawrence D.J., and Perrins J.C., "Electrolytic sodium hypochlorite system for treatment of ballast water", Journal of Ship Production, Vol. 22, No. 3, pp. 160-171, August 2006.
Sang-Gyu Cheon, Dae-Won Park, and Gyung-Suk Kil, "Development of an Ultra-Violet Lamp and a Ballast for Ship's Ballast Water Treatment", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 5, pp. 675-681, July 2011.
Se-Hyun Park and Seok-Ho Noh, "The Embedded Remote Monitoring Diagnosis for Integration Vessel System", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 2708-2716, November 2013.
Jin-Yeop Choi, Sang-Jeong Lee, and Byoung-Chan Jeon, "Home Network Application using Android Mobile Platform", Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 10, No. 4, pp. 7-15, August 2010.
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