[논문]선박 에너지 효율 모니터링 시스템 설계 및 구현

김용대; 윤현규; 강남선

doi:10.12673/jant.2016.20.5.408

선박 에너지 효율 모니터링 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of Ship Energy Efficiency Monitoring System 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.20 no.5 = no.80, 2016년, pp.408 - 416

김용대 (마린전자상사 연구소) , 윤현규 (창원대학교 산업조선해양공학부) , 강남선 (마린웍스 기술연구소)

초록
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본 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템과 해상 데이터 통합관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통합 시스템을 활용한 선박 에너지효율 모니터링 시스템을 설계하였다. 선박 에너지효율 모니터링 시스템은 윈도우 기반의 응용프로그램으로 file base EDI 통신을 이용하도록 구성하였다. 주요기능으로 연료소모량 최소화를 위한 항로 계획, 에너지 소모 및 배출가스 배출 모니터링, 선박 에너지 효율 분석 및 분석데이터 분석을 구현하고 실 운항선박에 적용하여 시스템의 정상 동작을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study designed a ship energy efficiency monitoring system based on a ship application system that provides maritime services by utilizing data collected onboard, and a ship-land integration system for integrated management and exchange of maritime data. The ship energy efficiency monitoring system was developed as a Windows application program and designed to use file based EDI communications. Its main functions include route planning to minimize fuel consumption, monitoring of energy consumption and gas emissions, analysis of ship energy efficiency and other data analysis. The system has been successfully implemented in actual ships.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 국제 해사기구의 온실가스 규제현황에 적합하고 기개발된 EMS에 대한 개선사항을 반영하여 SEEMS에 대한 요구조건을 도출하였다.
따라서, 본 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템을 활용하여 수집 데이터에 대한 유효성을 확보하며, 해상 데이터 통합관리 및 상호교환을 위한 선육간 통합 시스템을 활용하여 해사위성 기반의 선육간 통신구간의 데이터 신뢰성을 확보한다.
본 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템과 해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통합 시스템을 활용한 선박에너지 효율 모니터링 시스템(SEEMS)을 개발하기 위하여 시스템을 설계하고 모듈을 구현하였다.
앞서 논의된 SEEMS의 운영목적과 필요의 충족, 데이터 신뢰성 및 유효성 확보와 best practice 정립이 가능한 SEEMS 개발을 위하여 다음과 같은 요구조건을 도출하였다.

제안 방법

ENIRAM은 그림 2와 같이 해양에너지 관리시스템 Eniram performance^TM을 개발하였다. Eniram performance^TM은 실시간데이터 플랫폼을 사용하여 선박의 성능과 연료소비량을 측정하고 있으며, 수집된 데이터와 구축된 데이터베이스를 활용하여 선박의 최적 트림, 최적 속도 등을 지원한다.
Monitoring 기능은 그림 10과 같이 선박 성능, 연료유 성능, 선체 성능, EEOI, 에너지 효율 모니터링의 세부 기능으로 구성된다. 선박 성능 모니터링은 그림 10 (a)와 같이 엔진 성능, 추진, 조타 등 엔진과 관련된 성능 지표를 시간에 따라 모니터링하며, 속도, RPM 등 선박 KPI 대비 현재 상태와 최적 트림(trim)과 리스트(list) 대비 현재 상태를 실시간 비교 할 수 있도록 하였다.
Passage plan은 목표 시각(Target ETA)을 기준으로 port-to-port way point를 설정할 수 있으며, 각 waypoint 별로 에너지 효율을 시뮬레이션 하여 최적 속도와 항로 (optimal speed & route)를 결정할 수 있도록 기능을 구현하였다.
Planning & optimization, monitoring 등의 데이터를 활용하여 일별, 항차별 에너지 최적화 요소를 분석하고 선박의 에너지 효율 및 각종 에너지 사용량과 영향 요소에 대한 분석 기능을 제공한다.
SEEMS는 기상 데이터를 기반으로 선박 최적항로를 도출하는 일반적인 선박 에너지 효율 관리 시스템과 달리 SaS를 활용하여 선내 각종 기기의 실시간 계측 데이터기반의 에너지 효율 및 성능을 분석하여 데이터의 신뢰성과 유효성을 확보할 수 있도록 하였다.
SEEMS를 위하여 연료소모량 최소화를 위한 항로 계획을 위한 planning & optimization, 에너지 소모 및 배출가스 배출 주요원을 확인하고 운항 시 각종 기기의 에너지 사용에 미치는 영향을 분석하기 위한 monitoring, 일별, 항차별 에너지 최적화 요소를 분석하고 선박 에너지 효율 분석을 위한 analysis, 분석 데이터를 보고서 형식으로 출력 또는 육상으로의 보고를 위한 reporting 기능을 개발하였다.
에너지 소모 및 배출가스 배출 주요원을 확인할 수 있도록 SaS에서 수집된 기기별 연료소모량을 모니터링할 수 있도록 정보를 제공한다. SEEMS의 monitoring 기능은 기존의 선박 에너지 관리 시스템의 단순한 연료유소모량과 EEOI 값 전시 뿐 아니라 메인엔진, 발전기, 보일러의 온도 및 습도 모니터링, 선박의 속력, 파워, 토크 데이터를 분석하여 운항 시 각종 기기의 에너지 사용에 미치는 영향을 분석하여 효율적인 운항을 지원할 수 있도록 기능을 설계하였다.
하지만 대부분의 운항선박은 대역폭과 데이터 사용량이 적은 Inmarsat FBB 및 하위 버전 통신을 사용하고 있어 데이터 사용량 최적화가 가능한 통신방법이 필요하다. 따라서, SEEMS는 해상위성으로 사용되는 높은 통신비용 절감이 가능한 고효율의 압축기술과 최소비용 알고리즘을 적용하여 효율적인 해상 통신 서비스를 제공할 수 있는 선육 간 통신시스템(VCS)을 활용하여 file base EDI (electronic data interchange) 통신을 이용하도록 구성하였다.
따라서, 본 논문에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템 (SaS; ship application system)과 해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통신 시스템 (VCS; vessel communication system)을 활용하여 데이터의 유효성과 무결성을 확보하였다[7],[8]. 또한 사용자 편의성 향상이 가능한 선박 에너지 효율 모니터링 시스템 (SEEMS; ship energy efficiency monitoring system) 기술을 제안하며 구성은 다음과 같다.
또한 실시간 수집 데이터를 선박 운항 KPI (key performance index)와 비교하여 KPI 준수 여부를 실시간으로 모니터링하며, 일정 기준 이상의 오차가 발생하면 알람을 발생하여 선박 내부의 운항관리자와 육상의 운항관리자에게 알릴 수 있는 기능을 제공한다.
모니터링된 데이터를 일별, 항차별로 구분하여 에너지 최적화 요소와 선박의 에너지 효율 및 각종 에너지 사용량을 분석할 수 있으며, 분석된 데이터를 보고서 형식으로 출력하거나 육상으로 보고될 수 있도록 기능을 설계하였다.
Monitoring 기능은 그림 10과 같이 선박 성능, 연료유 성능, 선체 성능, EEOI, 에너지 효율 모니터링의 세부 기능으로 구성된다. 선박 성능 모니터링은 그림 10 (a)와 같이 엔진 성능, 추진, 조타 등 엔진과 관련된 성능 지표를 시간에 따라 모니터링하며, 속도, RPM 등 선박 KPI 대비 현재 상태와 최적 트림(trim)과 리스트(list) 대비 현재 상태를 실시간 비교 할 수 있도록 하였다.
선박과 육상의 데이터 상호 교환을 위하여 해상 데이터 통합 관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통신시스템(VCS)을 활용하였다. 선박과 육상 간 공유된 데이터를 비교하여 데이터 신뢰성을 확인하였으며 VCS를 통해 공유된 선박의 SaS 데이터를 활용하여 육상용 SEEMS의 planning & optimization, monitoring, analysis, reporting 기능이 정상적으로 동작함을 확인하였다.
에너지 소모 및 배출가스 배출 주요원을 확인할 수 있도록 SaS에서 수집된 기기별 연료소모량을 모니터링할 수 있도록 정보를 제공한다. SEEMS의 monitoring 기능은 기존의 선박 에너지 관리 시스템의 단순한 연료유소모량과 EEOI 값 전시 뿐 아니라 메인엔진, 발전기, 보일러의 온도 및 습도 모니터링, 선박의 속력, 파워, 토크 데이터를 분석하여 운항 시 각종 기기의 에너지 사용에 미치는 영향을 분석하여 효율적인 운항을 지원할 수 있도록 기능을 설계하였다.
에너지 최적화 요소와 선박의 에너지 효율 및 각종 에너지 사용량에 대하여 일별, 항차별로 구분하여 분석된 데이터를 육상으로 보고하거나, 육상 또는 선박내에서 그림 12, 13과 같이 일일보고(daily report)와 항차보고(voyage report)로 정형화 된 보고서로 출력할 수 있도록 기능을 구현하였다.
에너지 효율 모니터링은 연료사용량, 전력 소모량, 엔진 효율 등 선박의 에너지와 관련되어 모니터링 되는 데이터를 시계열로 분석하여 트렌드를 확인하도록 하였다.
연료소모량 최소화가 가능한 항로계획 (route plan) 및 최적 속도와 항로(route)선택 등의 기능을 제공하기 위하여 해도(charts)에 선박의 위치, 속도, 기상 등의 데이터에 대한 과거 운항 정보, 계획 정보, 선박에서 수집된 실시간 데이터를 표시하여 항로를 선택할 수 있도록 기능을 설계하였다.
축적된 데이터베이스를 활용하여 속도에 대한 연료소모량 및 배출가스 배출량을 정량화하고 이를 기준으로 속도 변화에 따른 연료 소모량을 예측할 수 있도록 기능을 설계하였다. 이를 위해 SaS를 통해서 수집된 CO₂, SO_X, NO_X 등 배출 가스 배출량을 예측값과 운항계획 대비 실적으로 실시간 평가할 수 있도록 기능을 제공한다.
축적된 데이터베이스를 활용하여 속도에 대한 연료소모량 및 배출가스 배출량을 정량화하고 이를 기준으로 속도 변화에 따른 연료 소모량을 예측할 수 있도록 기능을 설계하였다. 이를 위해 SaS를 통해서 수집된 CO₂, SO_X, NO_X 등 배출 가스 배출량을 예측값과 운항계획 대비 실적으로 실시간 평가할 수 있도록 기능을 제공한다.

대상 데이터

개발된 SEEMS를 그림 14와 같이 Hyundai Faith 선박에 설치하여 시스템 운용 테스트를 실시하였다. SEEMS에 필요한 항해, 기관, 연료유 사용량, 항로 관련 데이터 수집을 위해 그림 14(a), (b)의 AMS와 VDR, 그림 14 (c)의 플로우 미터 등 선박의 센서 및 장비 데이터를 수집하고 통합 관리를 지원하는 선박 어플리케이션 시스템(SaS)를 활용하였다.
SEEMS는 그림 6과 같이 선박용 시스템과 육상용 시스템으로 구성되며 선박용 시스템은 SsS를 활용하여 선박 내부에 설치된 각종 계측 시스템의 운항 정보를 수집한다. 수집된 데이터는 선내에 설치된 선박용 SEEMS를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있으며, VCS를 통해 육상 시스템으로 데이터를 전송한다. 육상용 시스템은 VCS를 통해 선박으로부터 수신된 데이터를 분석하고 기상, 영업데이터를 활용하여 종합적인 운항계획을 수립한다.

성능/효과

(d)와 같이 선박에 설치된 SEEMS의 planning & optimization, monitoring, analysis 기능이 정상적으로 동작함을 검증하였다.
선박과 육상 간 공유된 데이터를 비교하여 데이터 신뢰성을 확인하였으며 VCS를 통해 공유된 선박의 SaS 데이터를 활용하여 육상용 SEEMS의 planning & optimization, monitoring, analysis, reporting 기능이 정상적으로 동작함을 확인하였다.

후속연구

앞으로 수행될 연구에서는 선박의 에너지 효율 관리를 위한 육상 시스템과 연동하여 시스템을 완성하고, 실운항 선박에 탑재된 SEEMS 데이터베이스를 활용하여 연료절감과 SEEMS 운영을 위한 데이터셋에 대한 유효성을 검증하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 선박 에너지효율 모니터링 시스템은 어떻게 구성되는가?	본 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템과 해상 데이터 통합관리 및 상호교환을 위한 선육 간 통합 시스템을 활용한 선박 에너지효율 모니터링 시스템을 설계하였다. 선박 에너지효율 모니터링 시스템은 윈도우 기반의 응용프로그램으로 file base EDI 통신을 이용하도록 구성하였다. 주요기능으로 연료소모량 최소화를 위한 항로 계획, 에너지 소모 및 배출가스 배출 모니터링, 선박 에너지 효율 분석 및 분석데이터 분석을 구현하고 실 운항선박에 적용하여 시스템의 정상 동작을 확인하였다.
	한국선주협회의 온실가스 모니터링 시스템의 장점은 무엇인가?	한국선주협회는 협회에 가입된 해운선사의 전 선박으로부터 발생하는 온실가스 배출량과 에너지 효율 수준을 파악하여 국제 온실가스 규제에 대응하고 국가 정책을 개발하기 위하여 그림 3과 같이 온실가스 모니터링 시스템을 개발하였다. 한국선주협회의 온실가스 모니터링 시스템은 Web기반 서비스로 각 해운선사에서 별도의 시스템을 구축하지 않고 이용할 수 있는 장점이 있다. 하지만 항차별 화물량, 거리, 선속, 연료 소모량 등의 정보를 각 회원사에서 매 항차 종료 시 또는 매월 일괄 입력하도록 시스템이 구성되어 있어, 입력되는 항차데이터 유효성과 신뢰성 확보가 어렵다.
	선박 에너지효율 모니터링 시스템의 주요기능은 무엇인가?	선박 에너지효율 모니터링 시스템은 윈도우 기반의 응용프로그램으로 file base EDI 통신을 이용하도록 구성하였다. 주요기능으로 연료소모량 최소화를 위한 항로 계획, 에너지 소모 및 배출가스 배출 모니터링, 선박 에너지 효율 분석 및 분석데이터 분석을 구현하고 실 운항선박에 적용하여 시스템의 정상 동작을 확인하였다.

참고문헌 (13)

W. C. Boo, "A study on korean countermeasures for controls on greenhouse gas emissions from ship," International Trade & Regional Studies Graduate School of Business Administration Inha University, Incheon, Korea, 2015.
International chamber of shipping, preliminary ICS comments on draft EU regulation on MRV, ICS, pp. 1-15, October, 2013.
Plan and research report on greenhouse gas monitoring and reduction technologies for shipping companies using EEOI and MRV systems, Korean Register, pp. 4-28, 2013.
European union regulation on monitoring, reporting and verification of carbon dioxide from ships - A Lloyd's register summary EU MRV, Lloyd's Register Marine, pp. 1-8. May 2015.
Study on the optimization of energy consumption as part of implementation of a ship energy efficiency management plan(SEEMP), IMO, pp. 1-24, 2016.
R. T. Poulsen, and H. Johnson, "The logic of business vs. the logic of energy management practice : understanding the choice and effects of energy consumption monitoring system in shipping companies," Journal of Cleaner Production, Vol. 112, Part 5, pp. 3785-3797, Jan. 2016.

상세보기
N. S. Kang, Y. D. Kim, S. Y. Kim, and B. S. Lee, " Design and implementation of ship application system for maritime service utilizing onboard ship collected data," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 20, No. 2, pp. 116-126, Apr, 2016.

원문보기 상세보기
N. S. Kang, J. G. Kim, and S. H. Lee, "Development of vessel communication system for integrated management and inter-exchange of maritime data," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 19, No. 5, pp. 354-362, Oct, 2015.

원문보기 상세보기
ClassNK-NAPA_GREEN brochure, ClassNK, [Internet]. Available: http://www.classnkcs.co.jp/en/napa_green/pdf.
Eniram $performance^{TM}$ brochure, [Internet]. Available: http://www.eniram.fi/product/eniram-performance/.
Korea ship owners' association, user manual on greenhouse gas monitoring system, Ver. 0.1, pp.1-28, 2013.
World Fleet Statistic, IHS Fairplay 2014.
Q. Meng, Y. Du, and Y. Wang, "Shipping log data based container ship fuel efficiency modeling," Transportation Research Part B: Methodological, Vol. 83, pp. 207-229, Jan, 2016.

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저자의 다른 논문 :

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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