[국내논문]시계열 데이터를 이용한 선박용 디젤엔진 통합 감시 및 진단 시스템의 개발 A development of integrated monitoring and diagnosis system for marine diesel engine using time-series data원문보기
선박용 디젤엔진의 상태 감시 및 이상 경보에 대한 신속하고 적절한 조치는 선박 운항에 있어서 안전성 및 경제성을 위해서 매우 중요하다. 만약 유지보수 업무를 담당하는 엔지니어의 고장원인에 대한 진단 오류 등으로 인하여 적절한 조치를 취하지 못하게 되면 이는 곧 대형 사고로 이어질 수 있다. 따라서 선박용 디젤엔진의 객관적인 진단에 도움을 주는 통합 감시 및 진단 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 실시간으로 측정된 시계열 데이터를 분석한 후, 분석된 데이터의 상태 및 변화 추이를 감시하고 이를 기반으로 진단에 도움을 주기 위한 목적을 가진 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이러한 감시 및 진단을 수행함으로써 이상이 발생하면 신속하게 경보를 제공하여 적절한 조치를 취할 수 있게 되어 선박용 디젤엔진의 안정성이 향상된다.
선박용 디젤엔진의 상태 감시 및 이상 경보에 대한 신속하고 적절한 조치는 선박 운항에 있어서 안전성 및 경제성을 위해서 매우 중요하다. 만약 유지보수 업무를 담당하는 엔지니어의 고장원인에 대한 진단 오류 등으로 인하여 적절한 조치를 취하지 못하게 되면 이는 곧 대형 사고로 이어질 수 있다. 따라서 선박용 디젤엔진의 객관적인 진단에 도움을 주는 통합 감시 및 진단 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 실시간으로 측정된 시계열 데이터를 분석한 후, 분석된 데이터의 상태 및 변화 추이를 감시하고 이를 기반으로 진단에 도움을 주기 위한 목적을 가진 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이러한 감시 및 진단을 수행함으로써 이상이 발생하면 신속하게 경보를 제공하여 적절한 조치를 취할 수 있게 되어 선박용 디젤엔진의 안정성이 향상된다.
The monitoring and abnormality warning of marine diesel engine are important to take appropriate responses for safety navigation. If maintenance engineers do not take appropriate response because of diagnosis mistakes, it will occur a nasty accident. Therefore, we need integrated monitoring and diag...
The monitoring and abnormality warning of marine diesel engine are important to take appropriate responses for safety navigation. If maintenance engineers do not take appropriate response because of diagnosis mistakes, it will occur a nasty accident. Therefore, we need integrated monitoring and diagnosis system for supporting a diagnosis objectively. In this paper, we analyze time-series data which measured by real-time, monitor the changing of conditions and trends of the analyzed data. Furthermore, we design and implement a monitoring and diagnosis system for objective supporting of real-time diagnosis. When the integrated monitoring and diagnosis system is adopted, it can help to improve stability of marine diesel engine by providing abnormality warning alarm with appropriate responses.
The monitoring and abnormality warning of marine diesel engine are important to take appropriate responses for safety navigation. If maintenance engineers do not take appropriate response because of diagnosis mistakes, it will occur a nasty accident. Therefore, we need integrated monitoring and diagnosis system for supporting a diagnosis objectively. In this paper, we analyze time-series data which measured by real-time, monitor the changing of conditions and trends of the analyzed data. Furthermore, we design and implement a monitoring and diagnosis system for objective supporting of real-time diagnosis. When the integrated monitoring and diagnosis system is adopted, it can help to improve stability of marine diesel engine by providing abnormality warning alarm with appropriate responses.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 선박용 디젤엔진 상태 감시 및 진단 시스템의 취약한 부분을 개선한 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이를 위해 선박용 디젤엔진으로부터 실시간으로 측정된 시계열 데이터를 3분법 알고리즘을 이용하여 분석하고, 분석된 데이터를 기반으로 상태 및 변화 추이를 감시하여 전문가 시스템 기반의 진단 기법을 제안한다.
본 논문에서는 디젤엔진을 대상으로 시계열 데이터를 이용한 통합 감시 및 진단 시스템을 설계 및 구현하였으며, 그 유용성을 검증하였다. 향후 원격지에서 임베디드 관제시스템을 통합 관리 할 수 있는 시스템 개발이 필요하며, 미국 NMEA(National Marine Electronics Association)에서 제정한 선박 내 표준 프로토콜 NMEA2000을 기반으로 하여 구현함으로써 타 시스템과 이식성이 용이 할 수 있도록 확장할 필요가 있다.
가설 설정
또한 변화가 느린 데이터는 8회 연속 변화가 있으면 추이 진단 데이터로 사용하고, 4∼7회 연속 변화는 비교 판단하며, 3회 연속 변화는 추이 진단 데이터로 사용하지 않는다. 비교 판단의 경우, 알람 경계 값과 현재 값을 비교 하여 알람 경계 값의 90% 이상인 경우 추이 진단 데이터로 사용하게 되고, 90% 미만인 경우에는 추이 진단 데이터로 사용하지 않는 것으로 가정한다.
제안 방법
먼저 Java 클래스에서 JESS를 사용하기 위해서는 Rete 클래스를 이용한다. Rete 클래스의 executeCommand 메소드를 이용하여 JESS의 명령을 수행할 수 있으며, Fact 의 구조를 정의할 때 사용하는 Template과 디젤엔진용 진단 Rule을 clp 스크립트 파일에 작성하고 이 파일을 batch 메소드를 이용하여 읽어 excuteCommand 메소드를 이용하여 작업 메모리(working memory)를 초기화 한다. 초기화가 끝나면 batch 메소드를 이용하여 Fact를 Assert 시킨다.
감시 대상은 아날로그형 운전 인자와 디지털형 경보 인자로 구분하여 아날로그 데이터를 나타낼 수 있는 운전 인자의 수를 84개, ON/OFF 상태를 확인할 수 있는 경보 인자의 수를 61개로 설정하였다. 감시 모듈의 GUI 화면 구성은 디젤엔진 운전 중 감시되어야할 중요 인자를 중심으로 실제 도면에 따라 구현하였다. 디젤엔진의 감시되는 인자들은 실시간으로 DDE 시뮬레이터로부터 획득한다.
데이터 전송 모듈을 대신하여 선박용 디젤엔진 에서 측정되는 것과 유사한 데이터를 생성하기 위하여 DDE(Dynamic Data Exchange) 통신을 이용한 계측 데이터 생성 시뮬레이터를 개발하였다. DDE 는 복수 어플리케이션 간의 정보를 동적으로 주고받을 수 있도록 개발된 통신 프로토콜이다.
전문가 시스템을 이용하여 진단 시스템을 구축하기 위한 과정은 Figure 1과 같다. 먼저 진단 대상을 선정한 후, 진단 대상의 전문가와 협의에 의해서 진단 지식을 추출한다. 전문가로부터 추출된 진단 지식을 컴퓨터가 인식할 수 있도록 표현하기 위해서는 진단 대상에 대한 클래스화와 인과관계를 정의하여야 한다.
추이 진단 데이터는 Increase, Steady, Decrease로 분류되며, 이 세 가지 추이 진단 데이터를 생성하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 변화가 빠른 데이터는 5회 연속 보정 데이터를 이용하고, 변화가 느린 데이터는 10회 연속 보정 데이터를 이용한다. Table 2는 추이 진단 데이터 판단 여부의 기준을 나타내고 있는데, 변화가 빠른 데이터는 5회 연속 변화가 있으면 추이 진단 데이터로 판단하고, 3∼4회 연속 변화는 비교 판단하며, 2회 연속 변화는 추이 진단 데이터로 사용하지 않는다.
생성된 진단 데이터는 JESS 기반의 진단 모듈을 통해 진단에 관한 결과를 추론한다. JESS(Java Expert System Shell)는 자바로 개발된 지식 기반 전문가 시스템 개발 환경이다.
DDE 는 복수 어플리케이션 간의 정보를 동적으로 주고받을 수 있도록 개발된 통신 프로토콜이다. 실제로는 선박용 디젤엔진 통합 감시 및 진단 시스템의 계측 모듈은 현장의 각 센서로부터 직접 통신라인을 거쳐 전송받아야 하지만, 실험을 위하여 실시간 상태 데이터를 가상으로 생성하기 위하여 DDE 시뮬레이터를 개발하였다.
디젤엔진의 감시되는 인자들은 실시간으로 DDE 시뮬레이터로부터 획득한다. 아날로그 신호가 입력되는 운전 인자는 실시간으로 숫자, 바, 트렌드 형태로 표시되도록 구현하고, 알람 발생은 디젤엔진 전문가가 제시하는 한계값을 기준으로 알람이 발생할 수 있도록 구현하였다. 또한 경보 인자는 각 계통에 ON/OFF 작동만으로 정보를 감시 모듈에 실시간으로 전달하는 경보 인자를 의미한다.
본 논문에서는 기존 선박용 디젤엔진 상태 감시 및 진단 시스템의 취약한 부분을 개선한 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이를 위해 선박용 디젤엔진으로부터 실시간으로 측정된 시계열 데이터를 3분법 알고리즘을 이용하여 분석하고, 분석된 데이터를 기반으로 상태 및 변화 추이를 감시하여 전문가 시스템 기반의 진단 기법을 제안한다.
대상 데이터
감시 대상은 아날로그형 운전 인자와 디지털형 경보 인자로 구분하여 아날로그 데이터를 나타낼 수 있는 운전 인자의 수를 84개, ON/OFF 상태를 확인할 수 있는 경보 인자의 수를 61개로 설정하였다. 감시 모듈의 GUI 화면 구성은 디젤엔진 운전 중 감시되어야할 중요 인자를 중심으로 실제 도면에 따라 구현하였다.
이론/모형
본 논문에서는 실시간 성능을 유지하기 위하여 이동평균법을 이용한다. 이동평균법은 기준 시점과 인접한 n개의 관측값의 평균을 의미하며, 이동평균을 이용하여 불규칙변동이나 계절변동을 제거할 수 있다.
후속연구
본 논문에서는 디젤엔진을 대상으로 시계열 데이터를 이용한 통합 감시 및 진단 시스템을 설계 및 구현하였으며, 그 유용성을 검증하였다. 향후 원격지에서 임베디드 관제시스템을 통합 관리 할 수 있는 시스템 개발이 필요하며, 미국 NMEA(National Marine Electronics Association)에서 제정한 선박 내 표준 프로토콜 NMEA2000을 기반으로 하여 구현함으로써 타 시스템과 이식성이 용이 할 수 있도록 확장할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
통합 감시 및 고장 진단 시스템은 어느 부분에 활용되는가?
통합 감시 및 진단 시스템이란 대상 설비로부터 데이터를 계측하여 이를 실시간으로 표시하고, 이상이 발생하거나 발생 가능성이 있는 경우 계측 항목과 기기간의 인과관계로부터 이상의 원인을 찾아내어 경보를 제공하는 시스템을 말한다[1]. 통합 감시 및 고장 진단 시스템은 산업용 설비의 관리를 위한 유용한 정보를 제공해주며, 발전소 설비 고장 진단, 통신망 고장 진단, 전력계통 고장 진단, 선박용 엔진 고장 진단 등에 활용되고 있다[2]-[5].
국내의 대표적인 선박용 엔진 통합 감시 및 고장 진단 시스템 HiPDS의 장단점은?
대표적인 선박용 엔진 통합 감시 및 고장 진단 시스템으로는 국내의 경우, 현대중공업에서 개발한 HiPDS가 있으며, 국외의 경우, Man Diesel and Turbo사에서 개발한 CoCoS EDS이 있다. HiPDS는 감시 측면에는 취약하나 이상 발생 시 진단 및 조치 기능, 날짜별 이력 검색 및 관리 기능에 강점이 있지만 가격이 비싸고 메인 디젤엔진용으로만 구현되어 있다는 한계가 있다. 또한 CoCoS EDS 는 선형 그래프, 바 그래프, 성능 곡선을 통해 실시간 상태 감시, 진단, 분석 측면에서 강점을 지니고 있으나 성능 진단에 국한되어 있으며, 운항 중의 진단 목적으로 사용하기에는 부족함이 있다.
통합 감시 및 진단 시스템은 무엇인가?
통합 감시 및 진단 시스템이란 대상 설비로부터 데이터를 계측하여 이를 실시간으로 표시하고, 이상이 발생하거나 발생 가능성이 있는 경우 계측 항목과 기기간의 인과관계로부터 이상의 원인을 찾아내어 경보를 제공하는 시스템을 말한다[1]. 통합 감시 및 고장 진단 시스템은 산업용 설비의 관리를 위한 유용한 정보를 제공해주며, 발전소 설비 고장 진단, 통신망 고장 진단, 전력계통 고장 진단, 선박용 엔진 고장 진단 등에 활용되고 있다[2]-[5].
참고문헌 (7)
J. K, Lee, Principle and Development of Expert System, Bubyoungsa, Korea, 1996 (in Korean).
K. J. Mo, C. W. Jung, K. B. Lee, and I. S. Yoon, "Development of operation aided system for fault diagnosis of chemical process," Journal of the Society of Expert System, vol. 2, no. 1, pp. 11-26, 1996.
H. Y. Jung, H. S. Park, "Development of diagnosis system based on alarm processing," Journal of the Society of Expert System, vol. 4, no. 1, pp. 103-113, 1998.
J. I. Park, K. S. Rhyu, D. H. Kim, and S. W. Park, "A study on monitoring and diagnosis system of standby diesel generators," Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, pp. 241-242, 2008.
K. S. Rhyu, S. W. Park, J. I. Park, and D. H. Seo, "A study on integrated monitoring and diagnosis method using trend of time-series data," Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering Fall Conference, pp. 249-249, 2012.
W. H. Choi, A Study on the Development of a Ship Engine Diagnosis Expert System using Hybrid Knowledge Representation, M.S. Thesis, Department of Control Engineering, Korea Maritime University, 1999.
W. W. Lee, Time-series Data Analysis : Statistical Methods for Prediction, Freedom Academy, Korea, 2009(in Korean).
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