[논문]안벽크레인 시뮬레이터 원격운전 시스템 개발

강성호; 이상진; 추영열

doi:10.5302/j.icros.2015.14.0112

문제 정의

본 논문에서는 안벽크레인의 무인화를 위한 기반 기술로써 안벽크레인 시뮬레이터를 원격 조종하는 컨트롤러를 개발하고 성능을 테스트 하였다. 또한 안벽크레인에 적용하기 위한 네트워크를 제안하고 이에 대한 성능을 테스트 하였다. IEEE802.
본 논문에서 원격운전을 위해 그림 3과 같이 IEEE 802.11g Wi-Fi를 기반으로 사람이 휴대 가능한 원격운전 단말을 개발하였다. 그림 1의 RCC에 해당하는 부분으로서 안벽크레인 외부에서 크레인을 조종할 수 있는 이동형 컨트롤러로서 개발하였다.
전 세계적으로 구현의 어려움으로 인해 무인화 및 원격 시스템이 구축되지 않은 안벽크레인은 컨테이너터미널에서 가장 중요한 장비 중 하나이다. 본 논문에서는 안벽크레인의 무인화를 위한 기반 기술로써 안벽크레인 시뮬레이터를 원격 조종하는 컨트롤러를 개발하고 성능을 테스트 하였다. 또한 안벽크레인에 적용하기 위한 네트워크를 제안하고 이에 대한 성능을 테스트 하였다.
본 연구에서는 실제 안벽크레인 원격운전에 적용하기 위한 전 단계로써 안벽크레인 시뮬레이터에 대해 무선 네트워크를 이용한 원격운전시스템을 개발하고 이에 대한 성능 평가를 수행하였다. II 장에서는 원격운전 시스템의 구성과 시뮬레이터의 원격 컨트롤러에 대해, III 장에서 개발된 컨트롤러의 성능평가를 기술한다.
제어정보는 용량은 작으나 오류 및 전송지연에 민감하고, 영상정보는 용량은 크나 상대적으로 오류에는 덜 민감한 성질이 있으며 따라서 무선 LAN을 기반으로 크레인을 원격 운전할 경우, 가장 중요한 성능지표는 데이터의 전송대역폭(Throughput)과 전송지연, 전송지연의 변화(jitter) 이다. 본 장에서는 기존 유선, 무선, 스마트 컨트롤러의 전송지연을 측정하여 비교함으로서 개발된 컨트롤러가 안벽크레인 시뮬레이터의 제어에 적합한지를 알아본다.
본 장에서는 실제 안벽크레인 원격운전을 위해 요구되는 구성과 이를 대체하여 테스트를 위한 안벽크레인 시뮬레이터 및 개발된 컨트롤러에 대해 기술한다.

제안 방법

지연시간 테스트의 경우 TCP는 컨트롤러의 지연시간 측정과 같은 방법으로써 서버의 데이터 수신시 ack를 클라이언트로 바로 전송하여 Turn around 시간을 2로 나눈 시간을 측정하였다. UDP의 경우 영상 데이터로써 지연시간의 간격 즉 지연시간의 표준편차, Jitter 시간을 측정하였다. 그림 10의 그래프는 TCP지연 시간을 나타낸다.
각 테스트는 15m, 30m, 50m, 70m 거리별로 학교 내 운동장에서 전송률을 측정하였다. 전송률 측정은 6.
그림 1의 RCC에 해당하는 부분으로서 안벽크레인 외부에서 크레인을 조종할 수 있는 이동형 컨트롤러로서 개발하였다. 개발된 컨트롤러는 적용하고자하는 시뮬레이터의 인터페이스가 시리얼임에 따라 Wi-Fi신호를 시리얼로 변환하기 위한 무선송수신기를 제작하여 시뮬레이터와 컨트롤러 간의 데이터를 송수신한다. 기존 컨트롤러의 복잡한 버튼들을 축약하고 크레인 운전을 위해 필수적으로 필요한 기능만을 축약하여 제작하였으며 사용된 조이스틱 및 스위치의 기능은 표 1과 같다.
11g Wi-Fi를 기반으로 사람이 휴대 가능한 원격운전 단말을 개발하였다. 그림 1의 RCC에 해당하는 부분으로서 안벽크레인 외부에서 크레인을 조종할 수 있는 이동형 컨트롤러로서 개발하였다. 개발된 컨트롤러는 적용하고자하는 시뮬레이터의 인터페이스가 시리얼임에 따라 Wi-Fi신호를 시리얼로 변환하기 위한 무선송수신기를 제작하여 시뮬레이터와 컨트롤러 간의 데이터를 송수신한다.
개발된 컨트롤러는 적용하고자하는 시뮬레이터의 인터페이스가 시리얼임에 따라 Wi-Fi신호를 시리얼로 변환하기 위한 무선송수신기를 제작하여 시뮬레이터와 컨트롤러 간의 데이터를 송수신한다. 기존 컨트롤러의 복잡한 버튼들을 축약하고 크레인 운전을 위해 필수적으로 필요한 기능만을 축약하여 제작하였으며 사용된 조이스틱 및 스위치의 기능은 표 1과 같다.
이러한 명령어가 수행되기 전에 우선 원격 컨트롤러는 시뮬레이터와 네트워크 접속이 수립되어야 한다. 네트워크가 접속되었는지 확인하기 위한 절차로써 Initialize 명령어가 수신되었을 때만 제어가 가능하게 하였으며 또한 유선 컨트롤러와의 호환성을 위해 기존 프로토콜을 변경 없이 원격 컨트롤러 상에 구현하여 동시 작업이 가능하게 시스템을 구축하였다. 그림 4에 동작명령이 수행되는 과정을 도시하였다.
둘째, 두 대역을 단일 장비로 사용할 때 최대한의 성능을 알아보기 위해 노트북을 이용하여 Throughput과 지연을 측정한다. 두 개의 인터페이스를 하나의 장치에서 동시에 사용하기 위해 이더넷 포트에 무선 라우터를 연결하고 USB를 통해 무선 NIC를 연결한다. 제어데이터는 용량이 작은 대신 전송의 신뢰성이 요구되므로 2.
첫 째, 기존 원격 컨트롤러의 MCU의 인터페이스로는 단일 장비에서 다수의 NIC (Network Interface Card)의 사용이 불가하여 1GHz Dual Core MCU가 장착된 임베디드 컴퓨터를 사용하여 Throughput과 지연시간을 측정한다. 둘째, 두 대역을 단일 장비로 사용할 때 최대한의 성능을 알아보기 위해 노트북을 이용하여 Throughput과 지연을 측정한다. 두 개의 인터페이스를 하나의 장치에서 동시에 사용하기 위해 이더넷 포트에 무선 라우터를 연결하고 USB를 통해 무선 NIC를 연결한다.
이를 위해 스마트폰을 단말로 하는 컨트롤러를 개발하였다. 스마트 컨트롤러는 안드로이드 기반으로 제작되었으며 원격 컨트롤러의 기능을 모두 구현하였다. 스마트 컨트롤러는 원격 컨트롤러의 조이스틱, 스위치 같은 직접적으로 크레인을 제어할 수 있는 인터페이스와 융합된다면 개발된 원격 컨트롤러를 대체할 수도 있을 것이다.
시뮬레이터는 조종장치와 운전자의 조종에 따른 크레인의 동작을 보여주는 모니터로 구성된다. 조종장치는 조이스틱과 다양한 기능의 버튼으로 구성되어 있다.
93Gbit/s를 지원함으로써 카메라 한 대당 요구되는 대역폭은 기존 IPTV에서 제공하는 최대 1080p 화질인 10Mbps로써 산정하여도 안벽크레인 한 대에 설치되는 최소 6대 이상의 카메라 대역폭을 충분히 만족할 것으로 예상된다. 시스템으로서는 노트북 및 32 비트 CPU를 장착한 내장형 컴퓨터를 가지고 무선 LAN의 성능평가를 진행하였다.
크레인 원격 컨트롤러 적용 시 발생할 수 있는 제어 오류를 보완할 수 있는 보조적인 조종 도구는 개발된 시스템의 안전성을 제고할 수 있다. 이를 위해 스마트폰을 단말로 하는 컨트롤러를 개발하였다. 스마트 컨트롤러는 안드로이드 기반으로 제작되었으며 원격 컨트롤러의 기능을 모두 구현하였다.
실제 안벽크레인에서는 컨테이너의 각 모서리의 영상 4개, 크레인의 하부 야드 트랙터(Yard Tractor)의 위치 및 높이 정보를 획득하기 위한 영상 2개 이상 등 통상 12개 정도의 카메라에서 영상 데이터가 운전자에게 전송된다. 이에 따라 안벽크레인의 원격운전을 위한 무선 네트워크로 2013년 11월 Draft7.0이 통과되어 시제품이 출시되고 있는 IEEE802.11ac(5GHz)를 사용하여 영상 데이터를 수신하고 IEEE802.11ac(2.4GHz)대역을 사용하여 제어 데이터를 송신하도록 설계하여 성능평가를 수행하였다. 이렇게 함으로써 제어 데이터와 영상 데이터 간의 주파수의 충돌 및 간섭을 줄여 크레인에 대한 제어데이터를 송신함에 있어 통신의 신뢰성을 높일 수 있으며 안벽크레인 한대에 단일 네트워크로써 동작하게 하는 장점이 있다.
지연시간 테스트의 경우 TCP는 컨트롤러의 지연시간 측정과 같은 방법으로써 서버의 데이터 수신시 ack를 클라이언트로 바로 전송하여 Turn around 시간을 2로 나눈 시간을 측정하였다. UDP의 경우 영상 데이터로써 지연시간의 간격 즉 지연시간의 표준편차, Jitter 시간을 측정하였다.
트롤러를 대상으로 각 디바이스의 통신 지연시간을 측정한다. 지연시간의 측정방법은 그림 6과 같이 시뮬레이터 측에서 초기화 데이터(0x0210001003)를 컨트롤러에게 송신하고 이를 컨트롤러가 수신하면 컨트롤러는 현재 상태 메시지(0x0200EE00EE00DC03)를 시뮬레이터로 전송하고 이때 걸린 시간을 2로 나눈 시간을 지연시간으로 하였다. 각 테스트는 1000번 반복하였으며 원격 및 스마트 컨트롤러는 안벽크레인 시뮬레이터를 가시거리에서 조종 가능한 20m거리에서 측정하였다.
네트워크의 성능 평가는 다음과 같은 방법으로 수행하였다. 첫 째, 기존 원격 컨트롤러의 MCU의 인터페이스로는 단일 장비에서 다수의 NIC (Network Interface Card)의 사용이 불가하여 1GHz Dual Core MCU가 장착된 임베디드 컴퓨터를 사용하여 Throughput과 지연시간을 측정한다. 둘째, 두 대역을 단일 장비로 사용할 때 최대한의 성능을 알아보기 위해 노트북을 이용하여 Throughput과 지연을 측정한다.

대상 데이터

지연시간의 측정방법은 그림 6과 같이 시뮬레이터 측에서 초기화 데이터(0x0210001003)를 컨트롤러에게 송신하고 이를 컨트롤러가 수신하면 컨트롤러는 현재 상태 메시지(0x0200EE00EE00DC03)를 시뮬레이터로 전송하고 이때 걸린 시간을 2로 나눈 시간을 지연시간으로 하였다. 각 테스트는 1000번 반복하였으며 원격 및 스마트 컨트롤러는 안벽크레인 시뮬레이터를 가시거리에서 조종 가능한 20m거리에서 측정하였다. 유선 및 원격 컨트롤러는 MSP430 MCU 기반의 시스템이며 스마트 컨트롤러는 ARM Cortex A9 MCU가 사용된 단말을 이용하였다.
각 테스트는 1000번 반복하였으며 원격 및 스마트 컨트롤러는 안벽크레인 시뮬레이터를 가시거리에서 조종 가능한 20m거리에서 측정하였다. 유선 및 원격 컨트롤러는 MSP430 MCU 기반의 시스템이며 스마트 컨트롤러는 ARM Cortex A9 MCU가 사용된 단말을 이용하였다.성능평가는 유선 기반의 컨트롤러와 원격운전 컨트롤러 및 모바일 기반의 스마트 컨
2MByte 크기의 패킷을 5분 동안 송신하여 받은 실제 받은 데이터의 양을 통해 계산한다. 테스트 시 검색되는 AP는 2.4GHz 대역이 약 80여개가 검색이 되었고 5GHz 대역은 10개미만의 AP가 검색되었다.

성능/효과

부산항에서 사용되는 안벽크레인의 경우 높이가 약 75m에 이르고 운전실까지 높이는 약 50m이다. TCP의 경우 15m일 때에 비해 Notebook은 약 32%, Embedded system의 경우는 약 58%의 성능 감소를 보였다. 전술한 바와 같이 USB 인터페이스의 성능이 이러한 차이의 주요 원인으로 파악되고 거리에 따른 성능의 차이가 큼을 확인 할 수 있다.
카메라 영상 전송을 가정한 UDP에서의 jitter 값도 최대 7ms 이내로 이는 영상을 재생함에 있어 육안으로 식별할 수 없는 수치이다. 따라서 32비트 CPU와 USB 3.0 이상을 갖춘 시스템에서는 무선통신을 이용한 안벽크레인의 원격운전이 충분히 가능함을 확인할 수 있다. 다만, 항만 환경에서 주파수 충돌로 인한 패킷손실 등을 줄이기 위해서는 주파수의 충돌이 감지되면 충돌가능성이 작은 다른 채널을 동적으로 할당하는 방법 등의 적용이 필요할 것으로 생각된다[11].
모든 컨트롤러가 평균 10ms 이하의 지연시간을 보였다. 유선이 약 6ms으로써 가장 작은 지연을 보였으며 원격 컨트롤러가 평균 10ms으로 가장 지연이 컸다.
11ac는 제품이 생산 된지 1년이 체 지나지 않은 네트워크로써 향후 장비의 안정성 및 링크속도가 보다 향상되면 전송지연은 감소하고 대역폭은 더 확장될 것으로 예상된다. 본 연구를 통해 무선으로 안벽크레인을 원격 조정하는 것은 기술적으로 충분히 가능함을 확인하였다. 또한 개발된 컨트롤러는 시뮬레이터에서 사용되는 것은 충분하나 실제 안벽크레인에 적용할 경우 앞에서 언급한 것처럼 CPU등 시스템의 더 높은 성능의 시스템으로 확대되는 것이 필요하며 본 연구는 이에 유용한 바탕으로 활용될 것이다.
반면, UDP는 15m와 70m에서의 측정값을 비교할 때 상대적으로 거리에 의한 영향이 9% 정도로 크지 않았다. 성능평가 결과 180Mbps의 UDP 전송률은 카메라 당 10Mbps의 용량을 요구한다 해도 약 18개의 고화질 영상을 송신할 수 있으며 이는 크레인의 원격운전에 충분한 용량이다. 사람이 크레인을 제어할 경우 응답시간은 1초 이내 정도로서 TCP (Embedded system)의 경우 최대 23ms로 이는 실제 운전 중인 작업자가 크레인을 동작 상태를 확인하며 제어함에 있어 충분히 포용할 수 있는 값이다.
모든 컨트롤러가 평균 10ms 이하의 지연시간을 보였다. 유선이 약 6ms으로써 가장 작은 지연을 보였으며 원격 컨트롤러가 평균 10ms으로 가장 지연이 컸다. 이는 원격 컨트롤러의 MCU가 스마트 컨트롤러의 MCU보다 성능이 낮아 Wi-Fi 칩셋의 송수신 버퍼를 처리하는 성능이 낮음으로 인해 발생하는 차이이다.
TCP의 경우 15m일 때에 비해 Notebook은 약 32%, Embedded system의 경우는 약 58%의 성능 감소를 보였다. 전술한 바와 같이 USB 인터페이스의 성능이 이러한 차이의 주요 원인으로 파악되고 거리에 따른 성능의 차이가 큼을 확인 할 수 있다. 반면, UDP는 15m와 70m에서의 측정값을 비교할 때 상대적으로 거리에 의한 영향이 9% 정도로 크지 않았다.
안벽크레인을 운용함에 있어 크레인의 외부에서 컨테이너의 위치를 조정하고 작업 상태를 알려주는 신호수가 항시 크레인 운전수와 협업하여 작업을 진행한다. 크레인 원격 컨트롤러 적용 시 발생할 수 있는 제어 오류를 보완할 수 있는 보조적인 조종 도구는 개발된 시스템의 안전성을 제고할 수 있다. 이를 위해 스마트폰을 단말로 하는 컨트롤러를 개발하였다.

후속연구

본 연구를 통해 무선으로 안벽크레인을 원격 조정하는 것은 기술적으로 충분히 가능함을 확인하였다. 또한 개발된 컨트롤러는 시뮬레이터에서 사용되는 것은 충분하나 실제 안벽크레인에 적용할 경우 앞에서 언급한 것처럼 CPU등 시스템의 더 높은 성능의 시스템으로 확대되는 것이 필요하며 본 연구는 이에 유용한 바탕으로 활용될 것이다.
스마트 컨트롤러는 안드로이드 기반으로 제작되었으며 원격 컨트롤러의 기능을 모두 구현하였다. 스마트 컨트롤러는 원격 컨트롤러의 조이스틱, 스위치 같은 직접적으로 크레인을 제어할 수 있는 인터페이스와 융합된다면 개발된 원격 컨트롤러를 대체할 수도 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안벽크레인 시뮬레이터는 무엇인가?	안벽크레인 시뮬레이터는 작업자의 교육 훈련을 위해 제작된 시뮬레이터로 RMQC (Rail Mounted Quay Crane)의 운전실의 시각으로 크레인을 조종 가능하게 3D로 제작된 소프트웨어이다[10].
	안벽크레인 시뮬레이터는 무엇으로 구성되는가?	시뮬레이터는 조종장치와 운전자의 조종에 따른 크레인의 동작을 보여주는 모니터로 구성된다. 조종장치는 조이스틱과 다양한 기능의 버튼으로 구성되어 있다.
	안벽크레인은 어떤 작업을 담당하는가?	컨테이너터미널의 경쟁력은 얼마나 신속하게 컨테이너를 처리할 수 있는가에 달려있으며 이는 컨테이너선의 접안 시 선박에 적재된 컨테이너를 양하하거나 야드에 적재된 컨테이너를 선박에 적하하는 작업을 담당하는 안벽크레인과 이 과정에서 컨테이너를 운송하는 장비의 처리능력에 의해 결정된다. 컨테이너의 신속한 처리를 위해 항만내의 크레인 및 운송 장비의 자동화에 관련된 많은 연구들이 수행되고 있으며 컨테이너 야드에서는 원격 및 무인화가 개발되어 운용중이다[2-5].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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