[논문]실습선 나라호의 추진력 상실에 따른 동적위치제어시스템의 성능 분석

이준호; 공경주; 정봉규

doi:10.3796/ksfot.2018.54.2.181

실습선 나라호의 추진력 상실에 따른 동적위치제어시스템의 성능 분석
Performance analysis of dynamic positioning system with loss of propulsion power of T/S NARA 원문보기

수산해양기술연구 = Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology, v.54 no.2, 2018년, pp.181 - 187

이준호 (부경대학교 실습선 나라호) , 공경주 (부경대학교 실습선 나라호) , 정봉규 (부경대학교 실습선 나라호)

Abstract ▼ AI-Helper

In order for the probe to perform ocean exploration and survey research, it is necessary to adjust the position of the ship as desired by dynamic positioning system. The dynamic positioning system of T/S NARA is applied to K-POS dynamic positioning system of Kongsberg, which makes maintaining the ship's position, changing position and heading control possible. T/S NARA is not capable of dynamic positioning if one or more propulsive forces are lost with DP Level One. However, it is predicted that dynamic positioning can be achieved even at the time of missing one thrust in a good sea condition. Therefore, we want to analyze the effect of each propulsion on the performance of dynamic position system. When one of the bow thruster and azimuth thrusters lost their propulsion, maintaining the ship's position, changing position and heading control performance were compared and analyzed. If the situation occurred disable from using the bow thruster, they can not maintain ship's position. Azimuth thruster was influential for the ship's position control and bow thruster was influential in heading control. The excellent dynamic positioning performance can be achieved, considering the propulsion power that will have a impact on each situation in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DP Level 1은 하나 이상의 추진기가 사용불가 할 경우 동적위치제어가 불가능하다. 그러나 나라호의 경우 주 추진기 2기가 선미추진기(Azimuth Thruster)로 요잉(Yawing)에 작용하는 힘을 크게 사용할 수가 있으므로 양호한 해상상태에서는 하나의 추진력을 상실해도 동적위치제어가 가능하다고 예상되어 추진력 상실에 따른 동적위치제어시스템의 성능을 알아보고자 본 연구를 진행하게 되었다(Asgeir, 2011).
또한 추진력이 상실하였을 때 자기위치유지, 자동위치제어, 선수방위제어가 불가능한 경우는 선박의 운항을 통해 예측이 가능하다. 하지만 각 추진기가 동적위치제어에 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 동적위치제어가 불가능한 경우라도 동적위치제어가 불가능하게 되는데 걸리는 시간, 벗어난 각도 등을 비교하여 성능에 대하여 고찰하여 보았다.
하나의 추진력을 상실했을 때 동적위치제어가 가능한 경우들은 예측가능하다. 하지만 동적위치제어가 불가능한 경우 어느 정도의 추가된 성능이 있을 경우 DP Level 1의 성능이 가능할 지 혹은 추가 설비를 하여 DP Level 2가 가능할지 평가하는 자료를 얻고자 본 연구를 진행하였다.

제안 방법

국내 해양탐사 실습선에 처음 적용된 동적위치제어시스템을 사용하여 추진력 상실에 따른 동적위치제어성능을 분석해 보았다.
그러므로 추진력 상실에 따른 동적위치제어시스템의 성능평가는 실제 동적위치제어가 운용되는 시스템과 동일하게 하여 K-POS 시스템의 시뮬레이션을 가동하였으며 자기위치유지, 자동위치제어, 선수방위제어 성능을 비교하였다.
나라호에 작용하는 외력은 바람과 조류를 기준으로 3기의 추진기 중 1기가 성능을 상실하는 경우에 따라 K-POS Dynamic Positioning System의 시뮬레이터 시스템을 이용하여 성능을 분석하였다.
선수방위제어 실험은 외력이 작용하지 않는 상태에서 선수방위가 000°에서 180°까지 회전하는데 걸리는 시간을 비교하였다.
성능분석은 선박의 동적위치제어시스템을 사용함에 있어서, 추진기가 작용할 때의 효율을 서로 비교해보고,자기위치유지, 자동위치제어, 선수방위제어에 대해 각 추진기의 추진력이 상황에 따라 상실되었을 경우를 실험하였다(Kongsberg, 2015).
1은 추진기의 작동상태 및 해상상태에 따라 분류하였다. 실험은 자기위치유지, 자동위치제어, 선수방위제어의 세 가지 경우로 나누어 하였으며, 각 추진기의 최대출력은 실제 선박에서 사용가능한 출력의 85%까지 사용하도록 입력하였다.
그 후 설정된 자기위치로 돌아오는데 걸리는 시간은 216초였다. 이 결과를 기준으로 각 추진기가 추진력을 상실하였을 때 자기위치유지의 성능을 비교하였다.
자기위치유지 실험은 선박이 자기위치를 유지한 상태에서 풍향·풍속은 090°, 4 knots, 유향·유속은 090°, 1 knot의 외력이 작용하기 시작하였을 때, 설정된 선박의 위치에서 최대로 벗어난 거리 및 원래의 위치로 돌아와 자기 위치를 유지하는데 걸리는 시간을 기준으로 비교하였다.
자동위치제어 실험은 자기위치를 유지한 상태에서 풍향·풍속은 090°, 4 knots, 유향·유속은 090°, 3 knot의 외력을 받으며 선박이 지정된 항로를 따라서 가도록 하였다.
자동위치제어 실험은 자기위치를 유지한 상태에서 풍향·풍속은 090°, 4 knots, 유향·유속은 090°, 3 knot의 외력이 작용하기 시작하였을 때, 선수방향으로 1,000 m 전진하도록 하여 설정된 항로와 시뮬레이션으로 움직인 항로를 비교하였다.
추진력 상실의 조건은 선수추진기(Bow Thruster) 1기 및 선미추진기(Azimuth Thruster) 2기 중 1기가 사용 불가능할 경우로 하였으며, 선박에 작용하는 외력은 바람과 조류로 한정하였다.
2에 나타내었다(Kongsberg, 2015). 확장 칼만 필터를 사용하여 컨트롤러를 통해 실습선의 추진력을 계산한다. 이는 해류와 파도의 영향을 추정하는 알고리즘을 포함하여 확장 칼만 필터링 기법을 이용하여 연속적으로 보정된다(Kim et al.

대상 데이터

지정된 항로는 선수방위인 000° 방향으로 1,000 m 전진이다.

성능/효과

각 추진기가 추진력을 상실한 경우를 실험한 결과, 선미추진기는 어느 1기가 사용 불가능하더라도 자기위치유지가 가능하였으나, 선수추진기가 사용 불가능한 경우에는 자기위치유지가 불가능하였다. 그러므로 선수추진기가 선미추진기에 비하여 선박의 위치제어를 제어하는데 더 큰 역할을 한다고 할 수 있다.

후속연구

그러므로 추후 동적위치제어시스템을 적용 할 해양탐사 실습선 건조와 함께 고려할 사항으로 먼저, 선박의 자동 서지(surge) 유지 및 자동 스웨이(sway) 유지에 대한 추진력의 영향에 대한 분석이 필요하고, 다음으로 선박의 6자 유도운동을 고려해서 추진기 및 추진력을결정할 필요가 있다. 특히, 자기위치유지 및 선수방위제어를 주로 사용하는 선박이라면 선수추진기의 높은 출력이 필요하고, 자동위치제어를 주로 사용하는 선박이라면 선미추진기의 높은 출력이 필요하다.
또한 나라호의 동적위치제어시스템은 국내 실습선에 처음으로 적용되었으므로 추후 실습선에 이 시스템을적용하는데 필요한 추진기의 성능을 예측하여 실습선 건조의 제작규격 성능에 대한 평가 지표로 활용해보고자 한다.
추후 연구방향으로는 해상환경에 따른 동적위치제어시스템의 추진력 변화와 선체저항과의 관계, 항해장비와의 연동을 통한 연속적인 위치에서의 시스템의 운용 및 활용방안 등의 연구가 계속적으로 필요할 것 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 시뮬레이션을 이용한 동적위치제어시스템의 성능 평가의 한계점은 무엇인가?	특히, 수심이 깊고 해상상태가 나쁠수록 실시간으로 추진력을 발생시켜 실험위치를 유지하기 위해 동적위치제어시스템을 이용하는 것이 필요하다(Samsung SHI, 2000). 국내에서 시뮬레이션을 이용한 동적위치제어시스템의 성능 평가는 시행되고 있지만, 부유식 해양구조물을 대상으로 시행되었으며 실습선을 대상으로 성능 평가가 시행된 경우는 없다(Lee, 2017). 그리고 선박 또는 부유식 해양구조물에 동적위치제어시스템이 사용된다면 이에 대한 성능 평가는 필수적으로 행해지고 있다(Serraris, 2009).
	하나의 추진력을 상실했을 때 동적위치제어가 불가능한 경우 어떠한 사실을 도출하기 위해 본 연구를 수행하였는가?	하나의 추진력을 상실했을 때 동적위치제어가 가능한 경우들은 예측가능하다. 하지만 동적위치제어가 불가능한 경우 어느 정도의 추가된 성능이 있을 경우 DP Level 1의 성능이 가능할 지 혹은 추가 설비를 하여 DP Level 2가 가능할지 평가하는 자료를 얻고자 본 연구를 진행하였다.
	동적위치제어시스템의 사용 목적은 무엇인가?	해양탐사선에서 탐사 및 조사 작업을 위해서는 험한 해상상태를 견디고 자기 위치를 유지하여 원하는 위치로 정확하게 이동하면서 작업할 필요가 있다. 특히, 수심이 깊고 해상상태가 나쁠수록 실시간으로 추진력을 발생시켜 실험위치를 유지하기 위해 동적위치제어시스템을 이용하는 것이 필요하다(Samsung SHI, 2000). 국내에서 시뮬레이션을 이용한 동적위치제어시스템의 성능 평가는 시행되고 있지만, 부유식 해양구조물을 대상으로 시행되었으며 실습선을 대상으로 성능 평가가 시행된 경우는 없다(Lee, 2017).

참고문헌 (7)

Asgeir J. Sorensen. 2011. A survey of dynamic positioning control systems. Annual Reviews in Control 35, 123-136

상세보기
Jorrit-Jan Serrais. 2009. Time domain analysis for DP simulations. ASME International Conference on Ocean, OMAE Conference, Honolulu
Kim JM, Kim YT and Kim SS. 2008. Indoor localization for mobile robot using extended Kalman Filter. Korean Institute of Intelligent Systems 18(5), 706-711

원문보기 상세보기
Kongsberg. 2015. Kongsberg K-Pos DP-11 and cJoy technical manuals, 17-24, 252-254
Lee JY. 2017. Development of a framwork for evaluating time domain performance of a floating offshore structure with dynamic positioning system. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society 18(11), 718-724
Samsung Heavy Industries. 2000. Development of ship dynamic positioning system, 6-15
Tannuri EA and Morishita HM. 2006. Experimental and numerical evaluation of a typical dynamic positioning system. Applied Ocean Research 28, 133-146

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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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