[논문]ISO 19847/19848 기반 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 개발

우윤태; 황훈규; 김배성; 신일식; 정희석; 박민식; 이장세

doi:10.6109/jkiice.2018.22.12.1577

ISO 19847/19848 기반 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 개발
A Development of Data Management Platform for Shipboard Machinery Equipment to Share Maritime Field Data Exchange based on ISO 19847/19848 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.12, 2018년, pp.1577 - 1588

우윤태 (Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 황훈규 (Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 김배성 (Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 신일식 (Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 정희석 (eMarine Co. Ltd.) , 박민식 (eMarine Co. Ltd.) , 이장세 (Korea Maritime and Ocean University)

초록
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최근, 선박에 탑재된 장비로부터 수집되는 정보를 분석하여 운항 및 유지보수 지원 목적으로 활용하기 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 항해통신장비의 인터페이스의 경우 상대적으로 표준화가 잘 이루어져 있으나 선박 기관부 및 기타 장비부의 인터페이스는 여러 이유로 인해 표준화가 되어있지 않아 데이터 교환 및 관리에 많은 한계가 존재한다. 이러한 문제를 극복하기 위한 목적으로 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 데이터 서버에 관한 표준인 ISO 19847과 선박 기계 장비부 데이터 표준인 ISO 19848이 현재 제정 막바지 단계로 최근 공표를 앞두고 있다. 본 논문에서는 이러한 두 가지 국제표준의 DIS 버전을 기반으로 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼을 개발하고, 이를 기반으로 필드 데이터 교환에 관한 실험을 수행하는 것에 관한 내용을 다룬다. 이를 위해서 관련연구 및 ISO 19847/19848의 요구사항을 분석하고, 요구사항을 충족하는 선박 데이터 플랫폼 아키텍처를 설계하며, 각 구성요소를 개발하여 유용성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many researches are progressing to support the operation and maintenance works of vessels using analyzed result based on various information of equipment. The interfaces of communication equipment are standardized very well, but the interfaces of machinery and other parts are not standardized yet. For that reason, there has limitations for data exchange and management. To solve the problem, the ISO is establishing new standards which are ISO 19847 for shipboard data servers th share field data at sea and ISO 19848 for standard data for shipboard machinery and equipment. In this paper, we developed a data management platform for shipboard machinery equipment, and tested the field data exchanging using the developed platform based on the standards. To do this, we analyzed the requirements of the standards and related researches, and designed an architecture of shipboard data platform that satisfied the requirements. Also, we developed components of the designed platform architecture and verified the effectiveness for it.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1 The concept model of ISO 19847/19848
표 Table. 1 Categorization of requirements in ISO 19847
그림 Fig. 2 Function block diagram of shipboard data server
표 Table. 2 Shipboard data server performance
그림 Fig. 3 Channel ID structures (a) Universal ID, (b) Local ID
그림 Fig. 4 Relationship between data set and time series data
표 Table. 3 Categorization of requirements in ISO 19848
그림 Fig. 5 Logical structure of data model (a) Data channel list, (b) Time series data
그림 Fig. 6 Designed system (platform) architecture based on ISO 19847/19848 (DIS)
그림 Fig. 7 IEC 61162-450 message generator
그림 Fig. 8 Data management software (main UI)
그림 Fig. 9 Data management software (setting UI)
그림 Fig. 10 Developed web server for request-response data
그림 Fig. 11 Test scenarios for system verification
표 Table. 4 Features of QOS (quality of service)
표 Table. 5 Features of retain
그림 Fig. 12 Test results of data input/output performance (a) generation data, (b) receiving data
그림 Fig. 13 System resource monitoring result (a) no traffic, (b) receiving data
그림 Fig. 14 Test result of data channel list
그림 Fig. 15 Test results of streaming data transfer (a) setting for streaming data transfer, (b) data transfer, (c) receiving data
그림 Fig. 16 Test results of request-response data transfer
그림 Fig. 17 Test result of file data transfer

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 그림 1의 상단 부분(2)은 ISO 19848 개념 모델로 입력 데이터는 IEC 61162-1/2 센텐스, ISO 19848의 정형화된 데이터, 파일을 입력받고, 출력 데이터는 IEC 61162-450 포맷, ISO 19848 형식, 파일 형식으로 출력하며 각 표준에서 정의한 형식을 준수하여 데이터를 송수신한다. 본 논문에서는 이 두 가지 표준 요구사항을 분석한 후, 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 개발에 관한 내용을 다룬다.
2016년 DIS(draft international standard)가 공개되었으며, 2018년 하반기에 정식 표준이 공표될 예정이다. 본 논문에서는 이러한 국제표준인 ISO 19847/19848 기반 선박 기관부 통합 데이터 관리 플랫폼의 개발에 관한 내용을 다룬다.
본 논문에서는 현재 표준화가 진행 중인 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 데이터 서버에 관한 표준인 ISO 19847과 선박 기계 장비부 데이터 표준인 ISO 19848의 DIS 버전의 요구사항을 분석하였다. 또한 이들 표준 요구사항을 만족하는 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 아키텍처 및 구성요소를 개발하고, 시나리오를 기반으로 데이터 모사 소프트웨어를 활용하여 필드 데이터의 교환에 관한 유용성을 검증하였다.

제안 방법

개발한 시스템의 유용성을 검증하기 위해 그림 11과 같이 테스트 시나리오를 작성하여 결과를 확인하였으며, 테스트는 선박 데이터 서버와 데이터 출력으로 나누어 수행한다. 선박 데이터 서버의 경우, ISO 19847에서 제시한 데이터 입·출력 성능, 데이터 채널리스트 관리 및 시스템 자원의 상태 등을 검증하였으며, 데이터 출력의 경우, 실시간, 요청-응답 및 파일 전송 데이터를 어플리케이션에서 정상적으로 수신하는지 검증하였다.
데이터 출력기능의 검증을 위해서 입력 데이터를 실시간으로 전송하는 기능, 요청하는 데이터에 대해 응답하는 기능 및 파일 전송 기능을 테스트하였고, 이에 대한 결과는 그림 15~17과 같다. 이를 통해 정상적으로 데이터의 교환이 가능함을 확인하였다.
둘째, 데이터 입출력 기능은 크게 다섯 가지 기능으로 구성되는데, ① 입력 기능은 IEC 61162-1/2 데이터 형식과 ISO 19848에 의해 정의된 파일 형식을 준수하여 데이터를 수신해야하고 입력 데이터가 UTC 타임스탬프를 가지고 있지 않을 때 각각의 입력 데이터에 시스템 시간의 타임스탬프를 추가하는 기능 등을 수행한다. ②출력 기능은 IEC 61162-1/2 및 ISO 19848에 의해 정의된 데이터 혹은 파일 형식을 준수하여 데이터를 전송하는 기능을 한다.
본 논문에서는 현재 표준화가 진행 중인 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 데이터 서버에 관한 표준인 ISO 19847과 선박 기계 장비부 데이터 표준인 ISO 19848의 DIS 버전의 요구사항을 분석하였다. 또한 이들 표준 요구사항을 만족하는 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 아키텍처 및 구성요소를 개발하고, 시나리오를 기반으로 데이터 모사 소프트웨어를 활용하여 필드 데이터의 교환에 관한 유용성을 검증하였다. 이를 통해 그 동안 데이터 교환을 위한 인터페이스 및 관리에 관한 표준이 존재하지 않아 장비의 제조사마다 상이하던 데이터 교환 및 관리 방법에 관해 일관성이 확보될 것으로 판단된다.
플랫폼 내 통합 데이터 관리 모듈과 유용성 검증을 위한 기관부 장비 데이터 생성 소프트웨어의 경우에는 Microsoft Visual Studio 2015를 사용하여 C# 기반으로 개발하였고, 데이터 서버의 경우에는 PostgreSQL 10을 사용하여 구축하였다. 또한, MQTT 프로토콜은 Mosquito라이브러리를 사용하여 구현하였고, REST API는 Microsoft Visual Studio 2015를 활용하여 ASP.Net을 기반으로 개발하였다.
선박 데이터 서버의 경우, ISO 19847에서 제시한 데이터 입·출력 성능, 데이터 채널리스트 관리 및 시스템 자원의 상태 등을 검증하였으며, 데이터 출력의 경우, 실시간, 요청-응답 및 파일 전송 데이터를 어플리케이션에서 정상적으로 수신하는지 검증하였다.
설계한 내용을 바탕으로 시스템의 각 구성요소를 개발하였다. 특히, 그림 7과 같이 실제 센서에서 발생하는 데이터를 모사하여 실험실 수준의 유용성 검증을 수행하기 위한 기관부 장비 데이터 생성 소프트웨어를 개발하였다.
앞서 3장에서 설명한 ISO 19847/19848(DIS)을 준용하여 해상 필드 데이터 공유를 위한 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼을 설계하였으며, 이를 그림 6에 나타냈다. 설계한 아키텍처 내 데이터 관리 플랫폼은 데이터를 처리하고 전달하는 통합 데이터 관리 모듈(integrated data management module)과 처리된 데이터를 저장하는 데이터 서버로 구성되어 있다.
우선 선박 데이터 서버의 검증을 위해 메시지 생성기에서 IEC 61162-450 포맷의 메시지를 생성한 후, 선박 데이터 서버로 전송하여 데이터 입출력 성능 및 시스템 자원의 변화에 대해 확인하였으며, 그 결과는 그림 12~14에 나타냈다. 그림 12는 데이터 입출력 성능에 대한 결과로 그림 12의 (a)는 메시지 생성기에서 데이터 송신하는 화면이며, 그림 12의 (b)는 데이터 관리 소프트웨어에서 데이터를 수신받은 화면이다.
그림 17은 파일 전송 기능 테스트 결과로 선박 데이터 서버의 FTP 서버로 접속 시 각 센서로부터 저장된 파일을 다운로드 가능하다. 이를 통해 ISO 19847/19848의 요구사항을 만족하는 데이터의 관리 및 상호 교환에 관한 유용성을 검증하였다
설계한 내용을 바탕으로 시스템의 각 구성요소를 개발하였다. 특히, 그림 7과 같이 실제 센서에서 발생하는 데이터를 모사하여 실험실 수준의 유용성 검증을 수행하기 위한 기관부 장비 데이터 생성 소프트웨어를 개발하였다. 최근에는 IEC 61162-450을 기반으로 선박 내에 탑재되는 장비들간의 데이터를 교환하기 때문에 이 소프트웨어는 해당 표준에서 요구하는 형식으로 데이터를 생성한다.

대상 데이터

데이터 생성 소프트웨어의 사용자 인터페이스(user interface)는 소켓 설정부, 메시지 설정부 및 메시지 출력부로 구성되어 있으며, UDP(user datagramprotocol) 기반 IEC 61162-450 메시지를 생성한다. 소켓 설정부는 소켓을 열거나 닫는 역할을 하며, IP와 포트는 IEC 61162-450에서 정의하는 일반 데이터(센텐스) 그룹인 MISC에 해당하는 239.192.0.1과 60001번을 사용한다. 또한 메시지 설정부에서는 전송하고자 하는 메시지를 설정하는 기능을 제공하며, IEC 61162-1/2에서 정의하는 센텐스 형식을 따르는 데이터를 추가, 수정, 삭제가 가능하다.

데이터처리

본 논문에서 다루는 플랫폼의 개발 환경은 다음과 같다. 플랫폼 내 통합 데이터 관리 모듈과 유용성 검증을 위한 기관부 장비 데이터 생성 소프트웨어의 경우에는 Microsoft Visual Studio 2015를 사용하여 C# 기반으로 개발하였고, 데이터 서버의 경우에는 PostgreSQL 10을 사용하여 구축하였다. 또한, MQTT 프로토콜은 Mosquito라이브러리를 사용하여 구현하였고, REST API는 Microsoft Visual Studio 2015를 활용하여 ASP.

이론/모형

③ 요청-응답 데이터 전송 서비스 기능은 시 간 순서대로 배열된 데이터를 처리하는 기능을 제공하고 프로토콜은 REST API를 사용하여 요청된 데이터 등을 교환한다. ④스트리밍 데이터 전송 서비스 기능은 하나 또는 그 이상의 선상 장비 및 시스템에 가장 최근의 데이터를 전송하는 기능을 제공하고 프로토콜은 M QTT(message queueing telemetry)를 사용한다. ⑤ 파일 전송 서비스 기능은 파일 형식의 데이터 교환 기능을 제공하고, HTTP(hyper text transfer protocol)/FTP(file t ransfer protocol)를 사용하며 파일 저장 시, HTTP의 경우 GET 메서드, FTP의 경우 PUT 메서드을 사용한다.

성능/효과

② 사용자 정의 별칭 기능은 특정 데이터를 대체하여 정의하고, 대체 이름으로 데이터를 전송하기 위해 사용자 정의 별칭을 만드는 기능을 한다. 넷째, 데이터 연산 기능은 ISO 19848에 명시된 구조에 따라 계산된 데이터를 기록하는 기능을 포함해야 한다. 다섯째, 로그 관리 기능은 데이터 접근, 변경 이력 시간을 기록해야하며, 최소 30일 동안 저장되어야 한다.
넷째, 데이터 연산 기능은 ISO 19848에 명시된 구조에 따라 계산된 데이터를 기록하는 기능을 포함해야 한다. 다섯째, 로그 관리 기능은 데이터 접근, 변경 이력 시간을 기록해야하며, 최소 30일 동안 저장되어야 한다.
셋째, 별칭 기능은 간략화 된 이름을 사용함으로서 데이터 접근이 용이하도록 하는 것이 목적이며, 두 가지 형태의 별칭 기능을 가져야한다. ① 공통 별칭 기능은 공통의 별칭을 정의하며 선내 장비 및 시스템에 공통 데이터 이름으로 데이터를 전송하는 기능이다.
둘째, 환경의 경우에는 저장, 인터페이스, 상태 모니터 링, 데이터 백업과 복구 등 소프트웨어 측면의 요구사항과 전원 공급, 진동 감내, 전자기 노이즈 방지 등의 물리적 요구사항에 관해 정의하고 있으며, 이는 선박 전자기기 설치에 관한 표준인 IEC 60092를 따르도록 요구하고 있다. 셋째, 설치의 경우에는 장비 제조사의 매뉴얼에 의해 설치 환경 및 공간 등이 정의되어야 하고, 선박 데이터 서버와 연결되는 네트워크의 보안은 선박 통신 네트워크 설치 가이드라인에 관한 표준인 ISO 16425를 만족하도록 규정하고 있다.
데이터 출력기능의 검증을 위해서 입력 데이터를 실시간으로 전송하는 기능, 요청하는 데이터에 대해 응답하는 기능 및 파일 전송 기능을 테스트하였고, 이에 대한 결과는 그림 15~17과 같다. 이를 통해 정상적으로 데이터의 교환이 가능함을 확인하였다. 그림 15는 스트리밍 데이터 전송 및 수신 결과에 대한 그림이며, MQTT 프로토콜을 기반으로 데이터를 교환한다.
첫째, 데이터 관리 기능은 크게 세 가지 기능으로 구성되는데, ①시스템 시간 관리 기능은 데이터에 정확한 타임스탬프를 추가하기 위해 UTC(universal time coordinate d)로 동기화 되어야하고 시간 편차는 1시간당 1초 이상 나지 않아야 한다. ② 데이터 채널 리스트 관리 기능은 데이터 입출력 기능에 의해 등록, 수정 및 삭제가 되어야하고 동시에 날짜, 시간 및 바뀐 정보를 기록해야한다.
타임스탬프를 통해 입력된 데이터 수는 1초당 42개로 선박 데이터 서버의 요구사항인 “30 데이터/초”의 충족을 확인하였다.

후속연구

또한 이들 표준 요구사항을 만족하는 선박 기관부 데이터 관리 플랫폼 아키텍처 및 구성요소를 개발하고, 시나리오를 기반으로 데이터 모사 소프트웨어를 활용하여 필드 데이터의 교환에 관한 유용성을 검증하였다. 이를 통해 그 동안 데이터 교환을 위한 인터페이스 및 관리에 관한 표준이 존재하지 않아 장비의 제조사마다 상이하던 데이터 교환 및 관리 방법에 관해 일관성이 확보될 것으로 판단된다. 이에 따라 선박 기관부 및 기타 장비부의 데이터에 접근이 쉬워지기 때문에 다양한 분석을 통해 의미있는 결과를 도출하고, 선박 탑재 장비의 유지보수 및 정비 지원, 효율 향상 등 여러 목적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이를 통해 그 동안 데이터 교환을 위한 인터페이스 및 관리에 관한 표준이 존재하지 않아 장비의 제조사마다 상이하던 데이터 교환 및 관리 방법에 관해 일관성이 확보될 것으로 판단된다. 이에 따라 선박 기관부 및 기타 장비부의 데이터에 접근이 쉬워지기 때문에 다양한 분석을 통해 의미있는 결과를 도출하고, 선박 탑재 장비의 유지보수 및 정비 지원, 효율 향상 등 여러 목적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
향후, ISO 19847/19848 정식 버전이 공표되면 이를 비교 분석하여 최신 요구사항 충족하도록 플랫폼 각 구성요소의 업데이트를 수행할 예정이며, 개발 플랫폼을 실제 선박 다섯 척에 적용하여 실증 시험을 실시할 계획에 있다. 또한, 머신러닝을 기반으로 여러 척의 선박으로부터 수집된 데이터를 교차 활용하기 위한 연구도 함께 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ISO 19847의 데이터 입출력, 관리 요구사항은 어떻게 구성되는가?	데이터 입출력 및 관리 요구사항은 (1) 데이터 관리, (2) 데이터 입출력, (3) 별칭, (4) 데이터 연산, (5) 로그 관리의 다섯 가지 기능으로 구성되며, ISO 19847에서 제시한 선박 데이터 서버의 구성도를 그림 2에 나타냈다
	일본, 유럽 등에서 선박 내 통합 데이터 관리 플랫폼을 개발하게 된 배경은?	한편, 항해통신장비는 IEC 61162 시리즈를 기반으로 국제 표준화가 되어 있기 때문에 상호 데이터 교환을 위한 인터페이스가 가능하지만, 기관 및 자동화 관련 장비들은 상대적으로 표준화가 잘 이루어져있지 않고, 독립적(stand-alone)형태로 되어 있기 때문에 인터페이스 및 통합 관리의 어려움이 존재한다. 이러한 선박 기관 및 자동화 관련 장비의 원격 유지보수 혹은 고장예측 진단을 위해서는 선박에 탑재되는 수많은 장비 및 센서로부터 획득된 데이터가 확보되어야 하는데, 이를 위해서는 선박 내 통합 데이터 관리를 위한 플랫폼이 요구된다. 이러한 필요성으로 인해 일본, 유럽 등은 2012년부터 선박 내 통합 데이터 관리 플랫폼을 개발하고 있다.
	ISO 19847는 무엇에 대한 표준인가?	ISO 19847은 해상에서 필드 데이터 공유를 위한 선박 데이터 서버에 대해 정의한 국제표준으로 선박 장비 및 시스템에서 발생된 데이터를 저장하고, 저장된 데이 터를 육상으로 전달하는 데이터 서버에 대한 성능, 기능, 서비스 및 안전 요건 방법을 제시한다. 또한, ISO 19848은 선박 기계류 장비의 데이터 교환에 관한 표준이며, 선박에서 데이터를 교환하고 처리하는 것을 용이하도록 하는 목적으로 탑재된 기계 및 장비를 구분할 수 있는 식별자 및 데이터 구조의 규칙을 정의한다.

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