[논문]선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템 설계 및 구현

강남선; 김용대; 김상용; 이범석

doi:10.12673/jant.2016.20.2.116

선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of Ship Application System for Maritime Service Utilizing onboard Ship Collected Data 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.20 no.2 = no.77, 2016년, pp.116 - 126

강남선 (중소조선연구원 해양시뮬레이션 연구팀) , 김용대 (마린전자상사 연구소) , 김상용 (현대유엔아이 물류사업팀) , 이범석 (현대유엔아이 물류사업팀)

초록
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본 논문에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하는 선박과 육상의 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합관리를 위한 선박용 어플리케이션 시스템을 설계하고 모듈을 구현하였다. 선박용 어플리케이션 시스템은 선내 수집 데이터를 활용하는 선박과 육상의 서비스를 지원하고 개별 장비간 원활한 연동 서비스를 제공하기 위하여 IALA에서 논의되고 있는 데이터 공유 시스템 모델과 ISO 16425의 XML 구조를 적용하였으며, 시스템 운영을 위한 공통 모듈과 데이터 수집 및 통합관리를 위한 윈도우 서비스, 관리를 위한 웹서비스 모듈을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, has designed the ship application system for efficient data integration management of onboard ship and shore application/service utilizing data collected onboard ship, and has implemented the module. In order to supports onboard ship and shore service utilizing onboard ship collected data and provide a easy to access among individual devices, the ship application system applied the XML structure of ISO 16425 and the data sharing system model discussed in IALA, and the common module for system operation, a windows service for data collection/integral management, and web service module for management has been implemented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해양 데이터 통합 관리 기술은 아직 초기 개발 단계이기 때문에 기술진입장벽이 비교적 낮고 선박에서의 IT기술, 특히 정보통신 기술과 융합에 대한 중요성과 관련 기술 및 제품의 개발이 증가하면서 수요와 중요성이 강조되고 있는 핵심 요소기술 이기 때문에 기술력 확보가 반드시 필요하다[13],[16]-[18]. 따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 IALA에서 논의되고 있는 데이터 공유 시스템 모델을 기반으로 선내 수집데이터를 활용하는 선박과 육상의 서비스를 지원하고 개별 장비 간 원활한 연동 서비스를 제공하기 위하여 다양한 통신 방식과 데이터 정의 방식을 지원하는 개방형 구조의 선박용 어플리케이션 시스템(SaS; ship application system)을 그림 8과 같이 개발한다.
따라서 본 논문에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하는 선박 및 육상 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합관리를 위한 선박용 어플리케이션 기술을 제안하며 구성은 다음과 같다. 2장에서는 해양 데이터 통합관리 기술동향에 대하여 분석하고, 3장에서는 선박용 어플리케이션 시스템 (SaS; ship application system)에 대하여 기술한다.
본 논문에서는 VDR, AMS (alarm monitoring system), AIS 등 선박 내부에 설치된 항해통신 및 기관 장비와 ECDIS, SEEMS와 같은 선박용 어플리케이션 시스템을 연동하고 수집되는 정보를 데이터베이스화하여 선박에서 발생되는 해상 데이터를 통합 관리하고 선내 서비스 기술을 지원하며, 해사위성통신을 활용하여 선내 수집데이터를 활용하는 육상 서비스를 위한 데이터베이스 기반의 정보공유 및 데이터 상호교환 서비스 제공이 가능한 SaS를 개발한다. SaS는 선박과 육상간 통신시 해사 위성 사용으로 발생되는 높은 통신비용의 부담을 줄이기 위해서 그림 8과 같이 선행연구를 통해 개발된 고효율 압축 기술과 최소비용 알고리즘이 적용된 선박 통신 시스템 (VCS; vessel communication system)을 활용하여 데이터베이스 기반의 통신을 한다.
본 연구에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하는 선박 및 육상 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합 관리를 위한 선박용 어플리케이션 시스템(SaS)을 개발하기 위하여 시스템을 설계하고 모듈을 구현하였다.

제안 방법

CAN (NMEA 2000, IEC 61162-3) 통신은 그림 15의 데이터 구조를 가지며 IEC 61162-1/2/450과 달리 CAN Part B (29bit identifier) BUS를 사용하여 ethernet 환경에서 실시간 데이터 처리가 어렵기 때문에 그림 16의 CAN to ethernet converter (상용 제품 ZSC-100)를 이용하여 UDP 데이터로 변환하였다. CAN 통신 프로토콜을 이용하는 장비와 SaS의 연동은 그림 17과 같이 구성되며 CAN thread를 통해 그림 18과 같이 이루어진다.
EEMS도 ECDIS 및 다른 어플리케이션과 동일하게 송수신 채널을 독립적으로 구성하여 데이터 처리를 위한 지연이 발생되지 않도록 하였으며 선박과 육상간 통신을 위한 독립된 추가 채널을 정의할 수 있도록 구성하였다.
SaS_Service는 별도의 화면을 구성하지 않고 윈도우 서비스 형식으로 구현하였으며 SaS_Manager를 이용하여 SaS와 연동 장비의 환경설정, SaS_Service의 상태 및 동작을 확인하도록 하였다. SaS_Manager는 표 5와 같이 overview, service, configuration, device, master code로 구성된다.
선내 장비와 SaS의 연동은 그림 11과 같이 각 장비를 독립적으로 관리하는 쓰레드(thread)를 생성하여 SaS_Manager에 정의된 환경설정에 입력된 값을 기준으로 해당 장비를 관리한다. SaS는 연동되는 선내장비에서 수집/생성되는 데이터 수집을 목적으로 하며 시스템 운용 및 항해에 영향을 미치지 않도록 장비의 제어 기능은 이용하지 않기 때문에 장비에서 출력되는 데이터 수신을 기본으로 하며 필요에 따라 선내 장비에 필요한 데이터를 요청할 수 있도록 송신 기능을 별도로 구현하였다. 수집된 데이터는 선박 및 육상 어플리케이션/서비스의 데이터 공유및 자료교환을 위하여 메모리, 문장, 파일 등 다양한 형태로 SaS_DB에 저장한다.
SaS는 인터넷 기반의 연동을 기본으로 하며, 필요에 따라 송/수신 채널을 확장할 수 있도록 설계하여 장비 및 어플리케이션을 추가할 수 있도록 구성하였으며, 선박에 설치된 각종 장비에서 전송되는 데이터의 수집/저장/관리 및 어플리케이션에서 처리되는 자료의 송/수신을 위해 기능에 따라 그림 9와 같이 서비스 (SaS_Service)와 매니저 (SaS_Manager)로 구성하였다.
는 1일 1회 정보가 업데이트 되어 동일한 주기로 선육간 데이터 통신을 할 경우 해사위성통신 요금이 높아지거나 제한된 데이터 량으로 통신에 제약을 받는 문제점이 발생한다[20]. 따라서 SaS는 선내 장비 및 어플리케이션/서비스 데이터 송수신 채널과 해상기상 데이터 송수신 채널을 분리하고 데이터 수집 주기를 다르게 지정하여 해상데이터의 선육간 통신으로 발생되는 비용을 줄일 수 있도록 하였다.
이러한 다양한 기능을 수행하기 위하여 FMS는 SEEMS와 동일하게 표 4의 선내 데이터 뿐 아니라 육상에서 제공되는 관련기관 및 기업의 해상기상정보, 육상의 영업 및 화물 정보 등이 필요하다. 따라서 SaS에서는 선내에서 수집된 데이터를 육상으로 전송하고 육상 서비스의 해상기상, 운항 등의 정보를 선박으로 수신하기 위하여 다중매체 통신을 지원하는 선박과 육상간 통신 시스템 VCS를 통해 주기적으로 선박과 육상간 데이터 공유 및 자료상호교환을 하도록 구성하였다.
SEEMS는 선박 내 각종 계측 장비 및 시스템의 정보를 수집/모니터링하고 분석하여 선박의 에너지 사용 패턴을 파악하고 에너지 사용량을 줄임으로서 친환경적이고 경제적인 운항을 지원하기 위한 시스템으로 표 4와 같이 다양한 형태의 수많은 데이터가 필요하다. 따라서 시스템 구현의 용의성과 확장성을 고려하여 표 4에 정의된 JSON, DB 형식의 데이터를 SEEMS thread에서 socket통신을 이용하여 TCP/IP, UDP 방식으로 SaS로 전송한다.
현재 선박에서는 AIS, VDR, AMS, GPS (global positioning system), ECDIS 등 다양한 선내 장비의 데이터 수집이 이루어 지고 있으며 SEEMS, PMS등과 같이 선내 수집 데이터를 활용하는 수많은 선박 및 육상 서비스가 있으나 본 논문에서는 수집 데이터의 중복성 및 선박과 육상 서비스의 연동 범위를 고려하여 선내 수집 장비는 AMS, VDR, 유량계 (flow meter) 등 NMEA 0183, 2000을 사용하는 표준 장치를 대상으로 한다. 선내 어플리케이션은 ECDIS, SEEMS, 육상 서비스는 SEEMS, 기상예보시스템 (maritime meteorological information system)과 선대관리시스템 (fleet management system)을 대상으로 수집된 데이터를 통합 관리하고 선박과 육상 서비스의 데이터 공유 및 상호교환을 위하여 그림 10과 같이 SaS 데이터베이스 (SaS_DB)를 설계하였다. SaS_DB는 그림 5의 이전 해양 데이터 통합 시스템과 달리 중복되지 않는 공통된 저장구조를 가지며, AIS, AMS, flow meter, VDR 등 데이터 상호 교환이 필요하지 않은 장비는 출력되는 데이터를 SaS_DB에 저장하고 ECDIS, SEEMS 등 선내 수집 데이터와 육상 서비스 데이터를 활용하는 선내 어플리케이션의 경우 수집된 데이터와 연산된 데이터를 SaS_DB에 저장하고 육상 서비스에서 전송된 데이터를 SaS를 통해 수집한다.
선박용 어플리케이션 시스템은 IALA에서 논의되고 있는 데이터 공유시스템 모델과 ISO 16425의 XML 구조를 적용하였으며, 시스템 운영을 위한 공통모듈과 선내 데이터 수집 및 통합관리를 위한 윈도우 서비스 기반의 SaS_Service, 선박에 설치된 장비/어플리케이션과 SaS_Service의 환경설정, SaS_Service의 상태 및 동작 모니터링을 위한 웹서비스 기반의 SaS_ Manager를 구현하였다.
ECDIS 데이터는 IMO규정에 따라 TCP/IP 또는 IEC 61162-1 통신을 이용하며 데이터를 송수신 하도록 규정되어 있기 때문에 ECDIS Thread는 socket통신을 이용하여 TCP/IP, UDP 방식으로 표 3의 데이터를 SaS로 전송한다. 표 3의 ECDIS 개별 데이터 송수신은 채널을 독립적으로 구성하여 다른 데이터 처리를 위한 지연이 발생되지 않도록 하였으며 SaS에 자동으로 업데이트 되는 데이터가 아닌 별도의 정보를 육상으로 요청하는 경우에 대비하여 추가로 선박과 육상간 통신을 위한 독립 채널을 정의할 수 있도록 구성하였다.

대상 데이터

선내 어플리케이션은 ECDIS, SEEMS, 육상 서비스는 SEEMS, 기상예보시스템 (maritime meteorological information system)과 선대관리시스템 (fleet management system)을 대상으로 수집된 데이터를 통합 관리하고 선박과 육상 서비스의 데이터 공유 및 상호교환을 위하여 그림 10과 같이 SaS 데이터베이스 (SaS_DB)를 설계하였다. SaS_DB는 그림 5의 이전 해양 데이터 통합 시스템과 달리 중복되지 않는 공통된 저장구조를 가지며, AIS, AMS, flow meter, VDR 등 데이터 상호 교환이 필요하지 않은 장비는 출력되는 데이터를 SaS_DB에 저장하고 ECDIS, SEEMS 등 선내 수집 데이터와 육상 서비스 데이터를 활용하는 선내 어플리케이션의 경우 수집된 데이터와 연산된 데이터를 SaS_DB에 저장하고 육상 서비스에서 전송된 데이터를 SaS를 통해 수집한다. 육상 서비스는 VCS를 통해 동기화된 데이터베이스를 활용하여 선내의 항해/통신/기관 장비의 상태 정보와 선박의 위치, 수정된 항로 등에 대한 데이터를 수집하며, 선박의 안전운항과 효율성 향상을 위하여 해상 기상정보와 최적항로 등에 대한 정보를 선내 SaS_DB로 전송한다.
현재 선박에서는 AIS, VDR, AMS, GPS (global positioning system), ECDIS 등 다양한 선내 장비의 데이터 수집이 이루어 지고 있으며 SEEMS, PMS등과 같이 선내 수집 데이터를 활용하는 수많은 선박 및 육상 서비스가 있으나 본 논문에서는 수집 데이터의 중복성 및 선박과 육상 서비스의 연동 범위를 고려하여 선내 수집 장비는 AMS, VDR, 유량계 (flow meter) 등 NMEA 0183, 2000을 사용하는 표준 장치를 대상으로 한다. 선내 어플리케이션은 ECDIS, SEEMS, 육상 서비스는 SEEMS, 기상예보시스템 (maritime meteorological information system)과 선대관리시스템 (fleet management system)을 대상으로 수집된 데이터를 통합 관리하고 선박과 육상 서비스의 데이터 공유 및 상호교환을 위하여 그림 10과 같이 SaS 데이터베이스 (SaS_DB)를 설계하였다.

이론/모형

SaS는 window service, 공통모듈, 관리를 위한 웹서비스로 구현되었으며 현재 메이커 고유의 프로토콜을 사용하여 인터페이스 표준이 정의되지 않은 수많은 선박 장비의 데이터 공유를 위하여 ISO 16425에 XML 형식의 자료교환을 수행할 수 있도록 정의됨에 따라 해상 데이터의 통합관리를 위해 SaS 데이터 구조를 XML 형식을 적용하였다.

성능/효과

구현된 SaS의 성능을 검증하기 위하여 시뮬레이션 환경에서 시험한 결과 시스템간 호환성, 이식성, 연속성 제공이 가능한 연동 프로토콜 및 데이터 구조 설계와 세부 기능 및 시스템 간 교환되는 정보와 자원의 통합 관리 기능이 정상적으로 동작함을 확인하였다.

후속연구

앞으로 수행될 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템을 완성하고 육상과 실제 운항하는 선박에 개발된 시스템을 탑재하여 시험하고 기술을 보완하여 시스템 개발을 완료하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 선박은 무엇인가?	디지털 선박은 해사위성통신을 이용하여 육상으로부터 해상기상정보를 주기적으로 수신하고 선박에서 수집된 정보를 실시간으로 송신하여 육상에서 선박의 상태를 모니터링 할 수 있는 원격지원체계가 갖추어진 선박을 의미한다. 디지털 선박은 그림 1과같이 통합 정보 시스템을 구축하고 선박내에 설치된모든장비와시스템을정합장치를 통해 통합 시스템에 인터페이스하며 데이터베이스와 서버시스템을 이용하여 수집된 데이터를 관리하고 육상으로 전송한다[8].
	표준 프로토콜보다 메이커 고유의 프로토콜을 선호하여 선박을 운용할 시 나타나는 문제점은 무엇인가?	하지만 선박에서는 표준 프로토콜보다 메이커 고유의 프로토콜을 선호하여 장비마다 필요한 정보체계를 수립하고 독립된 데이터베이스를 구축/운용하고 있어 동일한 데이터를 반복적으로 수집하고 있으며 자료의 공유와 상호교환이 매우 어려워 해상데이터의효율적인 운영이 이루어지지 못하고있다[1],[4],[6].
	개방형 구조의 선박용 어플리케이션 시스템을 개발하려는 배경은 무엇인가?	해양 데이터 통합 관리 기술은 아직 초기 개발 단계이기 때문에 기술진입장벽이 비교적 낮고 선박에서의 IT기술, 특히 정보통신 기술과 융합에 대한 중요성과 관련 기술 및 제품의 개발이 증가하면서 수요와 중요성이 강조되고 있는 핵심 요소기술 이기 때문에 기술력 확보가 반드시 필요하다[13],[16]-[18]. 따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 IALA에서 논의되고 있는 데이터 공유 시스템 모델을 기반으로 선내 수집데이터를 활용하는 선박과 육상의 서비스를 지원하고 개별 장비 간 원활한 연동 서비스를 제공하기 위하여 다양한 통신 방식과 데이터 정의 방식을 지원하는 개방형 구조의 선박용 어플리케이션 시스템(SaS; ship application system)을 그림 8과 같이 개발한다.

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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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