[논문]해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선박 통신 시스템 개발

강남선; 김지구; 이선호

doi:10.12673/jant.2015.19.5.354

해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선박 통신 시스템 개발
Development of Vessel Communication System for Integrated Management and Inter-exchange of Maritime Data 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.19 no.5 = no.74, 2015년, pp.354 - 362

강남선 (중소조선연구원 해양시뮬레이션 연구팀) , 김지구 ((주)일우인터내셔날) , 이선호 (현대유엔아이 물류사업팀)

초록
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본 논문에서는 선박운항에서 생성되는 데이터와 육상에서 안전운항, 선박관리 등을 위한 데이터를 통합 관리하고 상호 교환을 위하여 고효율의 압축 기술, 최소비용 알고리즘과 FBB 위성통신 자동접속 모듈을 적용하여 효율적인 해사통신 서비스를 위한 선박 통신 시스템을 설계하고 모듈별 기능을 구현하였다. 개발된 모듈을 KTsat 금산위성지구국에서 성능시험 한 결과 평균 전송속도가 7 kB/S로 기존 상용제품 5 kB/S에 비해 개선되었으며 현재 해상업무에서 가장 많이 사용되는 오피스 파일의 압축률과 전송성능이 기존대비 약 2배정도 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, for integrated management and inter-exchange of operational data generated by ships and land-side information on safe and business, a vessel communication system with modular functions was designed that applied high efficiency compression, least-cost algorithms and Inmarsat FBB connection automation system. Performance test at the KTsat Kumsan satellite earth station; system was found to delivered an average transfer speed of 7 kB/S, which was significant improvement from the existing commercial product's average speed of 5 kB/S. It also delivered twice the efficiency of the existing product in terms of compression rate and transfer of the most widely used office files in maritime businesses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 해상통신의 제한적인 통신량과 이용요금을 고려하여 다양한 통신장비 지원이 가능한 선박통신 통신을 위한 운용 프로그램과 데이터베이스를 개발하며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 FBB 장비의 통신방법 개선을 위한 자동 위성접속 프로그램을 개발한다. 또한 통신장비의 구축이 미흡한 연안선박과 선내위성통신장비의 고장 시 비상통신을 지원하기 위한 HF 디지털 통신 모듈을 개발하여 선박과 육상 간 통신 시스템을 그림 6과 같이 개발한다.
본 논문에서는 Inmarsat, VSAT, Iridium 등 해사위성통신을 중심으로 디지털 HF, wLAN, WCDMA/LTE 등 다양해지고 있는 해상 통신 장비를 지원하고 선박과 육상 또는 선박과 선박사이의 정보 공유 및 데이터 상호교환 서비스를 제공하며, 해사위성 사용으로 발생되는 높은 통신비용을 절감할 수 있도록 고효율의 압축 기술과 최소비용 (lest cost) 알고리즘을 적용하여 효율적인 해상 통신 서비스를 제공할 수 있는 선박 통신 시스템(VCS; vessel communication system)을 개발한다.
본 연구에서는 선박운항에서 생성되는 데이터와 육상에서 안전운항, 선박관리 등을 위한 데이터를 통합 관리하고 상호 교환을 위한 선박 통신 시스템(VCS)을 개발하기 위하여 시스템을 설계하고 개별 모듈에 대한 성능 시험을 다음과 같이 수행하였다.

제안 방법

육상용 시스템은 그림 11과 같이 통신 서비스와 어플리케이션 서비스로 구분하여 개발되었으며 선박용 시스템은 그림 12(a)와 같이 FBB 장비를 기반으로 그림 12(b)의 선박 서버와 윈도우 서비스를 개발하였다. 데이터 통신 운용프로그램을 통하여 그림 12(c), (d)와 같이 데이터를 송수신 하고 최소 비용 알고리즘을 기본으로 현재 이용 가능한 통신 수단 중 가장 통신비용이 적게 발생되는 장비를 이용하여 통신할 수 있도록 하고 사용자가 선호하는 통신장비를 우선적으로 사용할 수 있도록 통신 장비 우선순위 설정을 위한 기능을 구현하였다. 통신 환경 상태를 확인할 수 있도록 그림 12(e), (f)와 같이 터미널 로그 및 트래픽 로그를 조회 기능을 구현하였으며 그림 12(h)와 같이 FBB, AIS 등 VCS에 연동되는 장비의 상태 설정 및 모니터링 할 수 있으며 그림 12(g)의 백업 설정을 통해 시스템 백업을 위한 설정을 할 수 있다.
VCS framework는 육상서버, 선박 클라이언트 라이브러리, 공통 라이브러리로 구성되며 기능적으로는 communication service, server G/W application, client G/W application으로 구성된다. VCS framework은 일반적인 통신 프로그램과 달리 ISDN (integrated services digital network) 또는 PSTN (public switched telephone network) 방식의 Inmarsat 장비의 데이터 통신을 지원하기 위해 RAS (remote access server)에 접속하기 위한 DUP (dial up network)과 양방향 시리얼 모뎀 통신을 구현하고 그림 10과 같이 위성 세션 연결 및 해제를 별도의 접속 어플리케이션 실행 없이 핸들링 가능한 단말기 자동접속 기능 (auto connection management)과 장비의 위성세션 연결 및 해제를 스케줄에 의해 설정 가능한 단말기 접속 스케줄 기능 (connection scheduler), mobile (CDMA, GSM, LTE), WiFi, HF 등과 같은 다양한 통신 매체와 연결되어 통신 성능을 최적화 시킬 수 있는 환경을 구현하였다.
개발된 VCS 데이터 운용프로그램의 성능을 확인하기 위하여 그림 13과 같이 KTsat 금산 위성지구국에서 데이터 공유 및 전송 성능에 대한 시험을 수행하였다. 데이터 전송성능은 해운선사에서 사용되고 있는 국외 상용제품과 동일한 조건에서 데이터 압축률 및 전송시간에 대한 시험을 수행하였으며 사용된 데이터 파일은 선박에서 가장 많이 사용되는 오피스 파일과 그림파일, PDF 파일, 일반적인 압축파일 (zip)이다.
VCS는 제한된 해상 통신 인프라를 이용하여 선박과 육상에서 생성되는 대용량의 데이터를 효율적으로 관리하여야 하므로 표 2와 같이 데이터베이스를 구성하여 시스템을 운영한다. 관리의 효율성을 높이고 통신 사용량을 최소화하기 위하여 데이터 중복을 최소화하고 선박과 육상의 다양한 시스템과 사용자가 이용할 수 있도록 원하는 데이터에 다수의 사용자가 동시에 접근할 수 있도록 구성한다. 또한 데이터 간에 불일치가 발생하지 않도록 일관성을 유지하고 데이터베이스가 변동될 경우 유효성을 검사하여 데이터의 무결성을 유지하도록 한다.
데이터 통신 운용프로그램은 선박용과 육상용으로 구분되지만 고효율의 데이터 압축과 데이터베이스 관리, 선박통신의 데이터 송수신 등 동일한 기능의 수행이 필요하므로 이러한 공통 기능 수행을 위하여 표 3과 같이 framework 기반의 데이터 통신 운용 프로그램을 구현하였다. VCS framework는 육상서버, 선박 클라이언트 라이브러리, 공통 라이브러리로 구성되며 기능적으로는 communication service, server G/W application, client G/W application으로 구성된다.
데이터 통신 프로그램은 그림 7과 같이 데이터베이스를 기반으로 선박의 위치, 에너지 모니터링 등 각종 데이터와 육상에서 제공되는 해상 기상정보, 안전운항정보 등을 압축하여 해사위성, HF, Wi-Fi, mobile 등 다양한 통신 장비를 이용하여 TCP/IP 양방향 통신으로 데이터를 동기화하고 선박과 육상 간 운영에 필요한 정보 교환을 위하여 실시간 데이터를 송수신 한다.
둘째, 현재 수동으로 제조사 연결 프로그램을 사용해야하는 FBB 접속 방법을 개선하기 위해서 별도의 접속 어플리케이션 실행 없이 위성 세션 핸들링이 가능한 단말기 자동접속 기능과 스케줄에 의해 위성 세션의 연결 및 해제가 가능한 단말기 자동 접속 기능이 포함된 위성통신 자동접속 모듈을 개발하였다.
따라서 본 논문에서는 선박에 설치된 통신 장비를 활용하여 선육 간 데이터 통합관리와 데이터의 상호교환을 위한 통신시스템 기술을 제안하며 구성은 다음과 같다. 2장에서는 해상 통신 기술 현황을 분석하고, 3장에서는 해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선박 통신 시스템(VCS)에 대하여 기술한다.
관리의 효율성을 높이고 통신 사용량을 최소화하기 위하여 데이터 중복을 최소화하고 선박과 육상의 다양한 시스템과 사용자가 이용할 수 있도록 원하는 데이터에 다수의 사용자가 동시에 접근할 수 있도록 구성한다. 또한 데이터 간에 불일치가 발생하지 않도록 일관성을 유지하고 데이터베이스가 변동될 경우 유효성을 검사하여 데이터의 무결성을 유지하도록 한다.
따라서 본 논문에서는 해상통신의 제한적인 통신량과 이용요금을 고려하여 다양한 통신장비 지원이 가능한 선박통신 통신을 위한 운용 프로그램과 데이터베이스를 개발하며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 FBB 장비의 통신방법 개선을 위한 자동 위성접속 프로그램을 개발한다. 또한 통신장비의 구축이 미흡한 연안선박과 선내위성통신장비의 고장 시 비상통신을 지원하기 위한 HF 디지털 통신 모듈을 개발하여 선박과 육상 간 통신 시스템을 그림 6과 같이 개발한다.
해사위성통신 등 선박의 주요 네트워크의 이상 및 비상상황 발생 시 또는 위성통신 장비 등 외부 통신 인프라가 갖추어지지 못한 연안선박의 운항 안전을 위하여 주변 선박 및 원격지와 통신이 가능한 HF radio 데이터 통신 모듈을 그림 15와 같이 개발하였다. 선육 간 통신 시스템과의 연동과 향후 연안선박의 디지털 통신 지원을 위하여 TCP/IP 통신을 기반으로 파일을 전송하는 기능을 그림 16과 같이 구현하고 성능을 시험하였다. 시험결과 그림 17과 같이 150 kB 이하의 데이터 송수신은 100% 성공하였으며, 데이터 크기에 따른 송수신 시간은 그림 18과 같이 소요되는 것을 확인하였다.
현재 가장 많은 선박에 서비스되고 있는 Inmarsat사의 FBB 장비는 단말기 접속 자동화 시스템의 높은 편리성과 효율성에도 불구하고 해당 기능 API 공개에 대한 제조사들의 폐쇄적 정책과 프로그램 개발의 높은 난이도로 인해서 통신이 필요할 때마다 제조사에서 제공하는 연결 프로그램을 사용하여 수동으로 위성에 연결하고 있다. 이러한 통신방법을 개선하기 위하여 단말기에서 제공되는 TCP/IP 프로토콜의 텔넷(telnet) 제어서비스와 AT 명령어를 활용해 그림 10과 같이 단말 접속이 가능한 위성통신 자동 접속 모듈을 개발한다.
첫째, 고효율의 압축 기술과 최소비용 알고리즘을 적용하여 효율적인 해상통신 서비스를 제공할 수 있는 선박 통신 시스템(VCS)을 설계하였다.
해사위성통신 등 선박의 주요 네트워크의 이상 및 비상상황 발생 시 또는 위성통신 장비 등 외부 통신 인프라가 갖추어지지 못한 연안선박의 운항 안전을 위하여 주변 선박 및 원격지와 통신이 가능한 HF radio 데이터 통신 모듈을 그림 15와 같이 개발하였다. 선육 간 통신 시스템과의 연동과 향후 연안선박의 디지털 통신 지원을 위하여 TCP/IP 통신을 기반으로 파일을 전송하는 기능을 그림 16과 같이 구현하고 성능을 시험하였다.

대상 데이터

개발된 VCS 데이터 운용프로그램의 성능을 확인하기 위하여 그림 13과 같이 KTsat 금산 위성지구국에서 데이터 공유 및 전송 성능에 대한 시험을 수행하였다. 데이터 전송성능은 해운선사에서 사용되고 있는 국외 상용제품과 동일한 조건에서 데이터 압축률 및 전송시간에 대한 시험을 수행하였으며 사용된 데이터 파일은 선박에서 가장 많이 사용되는 오피스 파일과 그림파일, PDF 파일, 일반적인 압축파일 (zip)이다.

성능/효과

동일한 파일을 대상으로 전송 시간을 확인해 본 결과 그림 15, 표 14와 같이 PDF 파일은 기존제품대비 약 41.6%, JPG 파일은 약 33.4%, 일반적인 압축 파일 (zip 파일)은 34.2%의 성능이 개선되었다. 워드 파일은 상용제품은 50.
셋째, 개발된 VCS의 성능평가를 수행한 결과 평균 전송속도 7 kB/S로 기존상용제품 5 kB/S에 비해 전송속도가 개선되었으며 선박업무에서 가장 많이 사용되는 오피스 파일의 압축률과 전송성능이 기존대비 약 2배 정도 개선되어 효율적인 데이터 통신 및 관리가 가능함을 확인하였다.
선육 간 통신 시스템과의 연동과 향후 연안선박의 디지털 통신 지원을 위하여 TCP/IP 통신을 기반으로 파일을 전송하는 기능을 그림 16과 같이 구현하고 성능을 시험하였다. 시험결과 그림 17과 같이 150 kB 이하의 데이터 송수신은 100% 성공하였으며, 데이터 크기에 따른 송수신 시간은 그림 18과 같이 소요되는 것을 확인하였다.
9%로 전송 성능이 향상되었다. 엑셀 파일을 전송한 결과 상용제품은 5 S, 78.3 S, 272.3 S의 전송시간이 소요되었으며 개발된 VCS는 3 S, 18.6 S, 135.3 S로 기존제품 대비 66.7%, 321%, 101.3% 전송 효율이 향상되었다.
2%의 성능이 개선되었다. 워드 파일은 상용제품은 50.6 S, 184.3 S의 전송 시간이 소요되고 개발된 VCS는 32.6 S, 124.6 S로 기존제품 대비 55.2%, 47.9%로 전송 성능이 향상되었다. 엑셀 파일을 전송한 결과 상용제품은 5 S, 78.
5% 성능이 향상되었으며 이미 압축된 파일 (zip 파일)의 경우 상용제품과 개발된 VCS 모두 압축 효과가 개선되지 않음을 확인하였다. 텍스트와 표로 구성된 626 kB, 1 MB 워드 파일의 경우 상용제품은 251 kB, 963 kB로 압축되었으며 개발된 VCS 압축 모듈은 210 kB, 868 kB로 기존제품 대비 19.5%, 10.9%의 압축성능이 향상되었고, 일반적인 ablog 파일 크기인 10 kB, 텍스트 위주로 구성된 410 kB, 이미지 위주로 구성된 3.3 M의 엑셀 파일을 압축한 결과 상용제품은 1.6 kB, 406 kB, 1433.6 kB로 압축되었으며 개발된 VCS 압축 모듈은 1.29 kB, 136 kB, 847 kB로 기존제품 대비 24%, 198.5%, 69.3% 압축성능이 향상됨을 확인하였다.
파일 압축 성능시험을 수행한 결과 그림 14, 표 4와 같이 PDF 파일은 기존 제품대비 약 6%, JPG 파일은 약 2.5% 성능이 향상되었으며 이미 압축된 파일 (zip 파일)의 경우 상용제품과 개발된 VCS 모두 압축 효과가 개선되지 않음을 확인하였다. 텍스트와 표로 구성된 626 kB, 1 MB 워드 파일의 경우 상용제품은 251 kB, 963 kB로 압축되었으며 개발된 VCS 압축 모듈은 210 kB, 868 kB로 기존제품 대비 19.
해상 데이터 통합 관리 및 상호교환에 대한 검증은 선박용 시스템과 육상용 시스템의 공유 폴더에 새로운 데이터를 추가하고 개발된 단말기 자동접속 기능과 접속 스케줄 기능을 통하여 정해진 시간마다 데이터가 동기화되고 데이터베이스가 업데이트 되어 선박용 시스템과 육상용 시스템에서 동일한 데이터를 보유하고 있는 것을 확인하였다.

후속연구

앞으로 수행될 연구에서는 VCS framework을 기반으로 선박과 육상 시스템을 완성하고 육상과 실제 운항하는 선박에 개발된 시스템을 탑재하여 시험하고 기술을 보완하여 해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통신 시스템 개발을 완료하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	e-Navigation이란?	e-Navigation은 정보통신기술 (ICT; information and communication technologies)을 활용하여 선박의 항법시스템을 전자해도표시정보시스템 (ECDIS; electronic chart display & information system) 중심으로 자동화하고 육상의 원격 모니터링과 선박 관제를 통해 운항 미숙이나 과실에 의한 해양사고를 방지할 뿐만 아니라 선박 운항정보를 육상에서 실시간으로 공유함으로서 항만운영, 해운물류 및 운송효율을 향상시키기 위한 제도이다 [2],[3]. e-Navigation은 선박의 운항, 측위/항법/시각 (PNT; position, navigation, timing), 선박자동식별체계 (AIS; automatic identification system), 해상통신, 하드웨어/소프트웨어 아키텍쳐, 정보표현(potrayal)으로 구성되며 이를 실현하기 위해서는 해상에서의 디지털 통신 인프라 구축과 선박과 육상, 선박과 선박 사이에 필요한 정보교환과 다양한 서비스 제공을 위한 해상 디지털 통신기술 및 제품 개발이 반드시 필요하다[3],[4].
	VCS은 무엇을 활용하여 통신환경을 지원하는가?	VCS는 선박과 육상간의 통신 기능을 제공하기 위하여 해사 위성통신을 기본으로 HF, Wi-Fi, Mobile 등 비교적 요금이 저렴한 이용가능한 통신매체를 활용하여 통신환경을 지원한다. 현재 선박에서는 단문 메시지, 전자메일, 정오보고 (noon report)뿐만 아니라 강화되고 있는 국제 규제에 대응하기 위하여 선박의 온실가스모니터링, 에너지 효율 관리 및 원격 상태 모니터링 등 다양한 정보를 육상으로 보고하고 필요한 데이터를 제공받아야 하므로 VCS는 정보 공유를 위한 데이터베이스를 기반으로 다양한 통신 장비를 활용하여 선박과 육상(서버/클라이언트)간의 통신을 위해 해사위성통신을 기본으로 위성자동접속 모듈과 HF, Wi-Fi, mobile 등 비교적 요금이 저렴한 통신매체를 활용하는 데이터 통신 운용 프로그램으로 구성한다.
	효율적인 해사통신 서비스를 위한 선박 통신 시스템을 설계하고 모듈별 기능 구현을 통해 어떤 것을 확인 할 수 있었나?	본 논문에서는 선박운항에서 생성되는 데이터와 육상에서 안전운항, 선박관리 등을 위한 데이터를 통합 관리하고 상호 교환을 위하여 고효율의 압축 기술, 최소비용 알고리즘과 FBB 위성통신 자동접속 모듈을 적용하여 효율적인 해사통신 서비스를 위한 선박 통신 시스템을 설계하고 모듈별 기능을 구현하였다. 개발된 모듈을 KTsat 금산위성지구국에서 성능시험 한 결과 평균 전송속도가 7 kB/S로 기존 상용제품 5 kB/S에 비해 개선되었으며 현재 해상업무에서 가장 많이 사용되는 오피스 파일의 압축률과 전송성능이 기존대비 약 2배정도 개선됨을 확인하였다.

참고문헌 (14)

G. I. Lee and J. H. Park, "Convergent technology in e-Navigation and ship communication," Journal of Korea Information and Communication Society, Vol. 30, No.10, pp.46-52, Oct. 2013.
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S. H. Jung, G. S. Yang, D. K. Park and J. C. Kim, "The improvement of maritime data communication system for e-Navigation," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 15, No. 6, pp. 668-676, Dec. 2011.
S. H. Lee, J. H. Kim, K. D. Moon, K. I. Lee and J. H. Park, "Performance analysis on integrated ship area network," Journal of Korea Information and Communication Society, Vol. 38C, No. 3, pp. 247-253, 2013.

원문보기 상세보기
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D. H. Kim, Development of maritime digital wireless communication technology for e-Navigation, ETRI, 2013.
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S. H. Jung, G. S. Yang, G. R. Jeong, D. K. Park and J. C. Kim, "The improvement of maritime data communication system for e-Navigation," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 15, No. 6, pp. 939-945, Dec. 2011.
S. M. Mun, W. S. Jang, J. Y. Son and G. S. Yang, "Development of a 4S multiple media switching server and an information exchange system," Journal of Navigation and Port Research, Vol. 37, No. 3, pp. 275-281, June. 2010.
U. G. Kim, "A short discussion of smart ship strategy as a driving force behind e-Navigation," Journal of Korea Institute of Information Scientists and Engineers: computer system and theory, Vol. 31, No.1, pp.40-45, Jan. 2013.
Corporate Presentation Inmarsat plc, June. 2014.[Internet]. Available: http://www.inmarsat.com/wp-content.
Inmarsat plc Investor Day, inmarsat, 24. Sep. 2014.[Internet]. Available: http://www.inmarsat.com/wp-content.

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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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