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문제 정의
- 본 논문에서는 해상 부이를 보호하고 선박 사고를 예방하기 위한 목적으로 트레일 카메라 및 AIS를 활용한 능동감시 및 접근경보 시스템의 개발에 관한 내용을 다루었다. 이를 위하여 기존 국내외 연구 및 유사 시스템 개발 사례를 분석하고 개선 요구사항을 도출하였으며, 도출된 내용을 바탕으로 시스템을 설계하였다.
- 이러한 이유로 본 논문에서는 해상 부이 보호 및 선박 사고 예방을 위하여 트레일 카메라와 AIS(선박자동위치식별장치)가 연계된 능동형 감시 및 접근 경보 시스템을 개발하는 것에 관한 내용을 다룬다. 개발하는 시스템은 접근 선박에 탑재된 AIS로부터 송신되는 신호를 기반으로 거리를 계산하여 특정 범위 내에 선박이 진입하는 경우, 혼(horn)과 경광등을 통한 단계별 경보를 제공함과 동시에 트레일 카메라를 활성화하여 영상을 촬영하고, 위성 통신 혹은 이동통신망을 통해 촬영된 영상을 육상으로 전송하는 기능을 한다.
제안 방법
- 우리나라 기상청의 경우, 해상 부이 파손으로 인한 피해를 예방하고자 지자체 및 어촌계 등을 대상으로 그림 2와 같이 캠페인 등 홍보 활동을 진행하고 있으나, 그 효과가 미미하고 사고 발생 시 가해 선박의 검거에는 현실적인 어려움이 존재하였다. 이를 해결하기 위하여 그림 3의 (a)와 같이 주기적으로 영상을 촬영하고 저장하는 블랙박스 시스템을 해상 부이에 탑재하여 정비 등을 위하여 인력이 접근하였을 때, 저장된 영상을 회수하여 확인하는 방식을 적용하였다. 그림 3의 (b)는 포항의 기상청 해상 부이에 탑재된 블랙박스 시스템에 의해 촬영 및 기록된 충돌 영상이다.
- 이러한 이유로 본 논문에서는 해상 부이 보호 및 선박 사고 예방을 위하여 트레일 카메라와 AIS(선박자동위치식별장치)가 연계된 능동형 감시 및 접근 경보 시스템을 개발하는 것에 관한 내용을 다룬다. 개발하는 시스템은 접근 선박에 탑재된 AIS로부터 송신되는 신호를 기반으로 거리를 계산하여 특정 범위 내에 선박이 진입하는 경우, 혼(horn)과 경광등을 통한 단계별 경보를 제공함과 동시에 트레일 카메라를 활성화하여 영상을 촬영하고, 위성 통신 혹은 이동통신망을 통해 촬영된 영상을 육상으로 전송하는 기능을 한다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다.
- 그림 5의 각 구성요소에서 실선은 본 논문에서 개발을 다루는 부분이고, 점선은 상용 혹은 기존 제품을 나타낸다. 개발한 시스템은 해상 부이 측의 트레일 카메라, 트레일 카메라 제어 모듈, 이미지 저장 및 전송 모듈, 선박 접근 거리 계산 모듈, 알람 제어 모듈과 육상 측의 이미지 수신 및 표시 모듈, 이미지 처리 및 경보 모듈로 구성된다.
- 다섯째, 열화상 카메라 적용의 경우, 야간 혹은 시계가 좋지 않은 상황에는 기존 카메라의 특성상 근접하지 않거나 충분한 조명 없이는 촬영 등 영상 확보가 어려운 한계가 존재하는데, 이를 해결하기 위하여 본 논문에서 다루는 시스템에는 열화상 카메라를 적용함으로써 야간 감시의 단점을 부분적으로 극복할 수 있도록 한다. 기타 기본적인 레이더 반사기와 같은 안전 장비나 태양광 및 풍력 발전과 같은 전원 생산·공급 장비는 기존 해상 부이 탑재 장비와 간섭이 없으면서 호환이 가능한 형태로 차용 혹은 부분 개선한다.
- PCB의 설계는 Altium 17을 사용하였고, 메인 칩셋은 ARM Core7 STM32F407ZGTb를 채택하였으며, 펌웨어는 Keil C를 활용하여 개발하였다. 또한, 육상 수신 및 처리 소프트웨어의 경우, Microsoft Visual Studio 2017을 사용하여 C++/MFC를 기반으로 개발하였고, OpenCV 라이브러리를 활용하여 영상처리를 구현하였으며, 해상 부이와 육상 간 통신은 GPRS 모뎀 , CDMA (LTE) 모뎀, VHF 모뎀, Inmarsat 모뎀을 활용하였다.
- 먼저, 트레일 카메라는 약 100도의 촬영 범위를 가지는 렌즈를 3개 배열하는 형태로 설계하였으며, 렌즈를 제어하는 보드 등으로 구성된다. 또한, 가혹한 해양 환경에 노출되는 해상 부이의 특성상 기본적으로 방수성능이 확보되어야 한다.
- 본 논문에서 다루는 시스템은 기존 시스템 혹은 유사 연구의 개선점을 도출하고, 차별성을 확보하기 위해 (1) AIS와 트레일 카메라 연계형 능동 감시, (2) 단계별 선박 접근 경보, (3) 거리에 따른 영상 전송 통신매체 변경 적용, (4) 육상 전송 영상의 처리를 통한 선박 식별 및 경보 제공, (5) 열화상 카메라 적용의 크게 5가지 항목에 주안점을 두어 설계하였다.
- 분석한 요구사항을 기반으로 AIS 및 트레일 카메라 연계형 능동감시 및 접근경보 시스템의 아키텍처를 설계하였으며, 이를 그림 5에 나타냈다. 그림 5의 각 구성요소에서 실선은 본 논문에서 개발을 다루는 부분이고, 점선은 상용 혹은 기존 제품을 나타낸다.
- 알람 제어 모듈은 그림 10과 같이 경광등과 혼을 제어할 수 있는 형태로 개발하였으며, 버튼을 통해 수동으로 알람 발생이 가능하도록 하였다. 그림 10의 (a)는 개발한 알람 제어 모듈, 그림 10의 (b)는 장착 예정인 청색과 황색의 경광등을 나타냈다.
- 이를 위하여 기존 국내외 연구 및 유사 시스템 개발 사례를 분석하고 개선 요구사항을 도출하였으며, 도출된 내용을 바탕으로 시스템을 설계하였다. 이때, AIS와 트레일 카메라 연계형 능동 감시, 선박 접근에 대한 단계별 경보, 거리에 따른 선택적 통신매체 적용, 영상 처리를 통한 선박 식별 및 경보 제공, 열화상 카메라의 적용 등 크게 다섯 가지에 주안점을 두었다. 또한, 설계된 내용을 바탕으로 시스템을 개발하였으며, 실험실 및 필드 수준의 시험을 통해 개발한 시스템의 유용성을 검증하였다.
- 본 논문에서는 해상 부이를 보호하고 선박 사고를 예방하기 위한 목적으로 트레일 카메라 및 AIS를 활용한 능동감시 및 접근경보 시스템의 개발에 관한 내용을 다루었다. 이를 위하여 기존 국내외 연구 및 유사 시스템 개발 사례를 분석하고 개선 요구사항을 도출하였으며, 도출된 내용을 바탕으로 시스템을 설계하였다. 이때, AIS와 트레일 카메라 연계형 능동 감시, 선박 접근에 대한 단계별 경보, 거리에 따른 선택적 통신매체 적용, 영상 처리를 통한 선박 식별 및 경보 제공, 열화상 카메라의 적용 등 크게 다섯 가지에 주안점을 두었다.
- 5G), WCDMA(3G), LTE(4G)를 기반으로 데이터를 전송하고, 이동통신망의 사용이 불가능 혹은 불안정한 경우에는 위성 혹은 VHF 통신을 활용하여 데이터를 전송해야 한다. 이에 본 논문에서 다루는 시스템은 해상 부이가 설치되는 지역에 따라 통신 모뎀만을 선택적으로 변경 적용하면, 영상 전송이 가능하도록 모듈화하여 설계하며, 이때 사용하는 통신에 따라 해상도 및 전송주기의 설정을 변경할 수 있도록 한다[10].
- 트레일 카메라는 그림 8과 같이 원통형 전용 방수 케이스 내부에 3개의 렌즈 모듈 등이 장착될 수 있도록 높이 94mm 직경(지름) 94mm로 최적화·소형화하여 개발하였으며, 방수방진 시험을 수행하여 IP67의 등급을 확보하였다.
- 알람 제어 모듈은 선박 접근 거리 계산 모듈로부터 선박 접근 정보를 수신하여 접근 위험도에 따라 단계별 알람을 발생함으로써 주변 선박에게 경각심을 주는 기능을 한다. 표 1에 나타낸 것과 같이 혼을 비롯하여 청색 및 황색의 두 가지 색의 경광등을 이용하여 경보를 제공한다.
- 알람 제어 모듈과 관련된 요소는 방수성능 시험을 실시한 후, 해상 부이에 탑재하여 필드 테스트를 진행할 예정이다. 표 2에 국외 및 국내의 유사 시스템[1-2,4]과 본 논문에서 다루는 시스템의 주요 특징을 비교하여 나타냈다.
대상 데이터
- 본 논문에서 다루는 시스템의 개발 환경은 다음과 같다. PCB의 설계는 Altium 17을 사용하였고, 메인 칩셋은 ARM Core7 STM32F407ZGTb를 채택하였으며, 펌웨어는 Keil C를 활용하여 개발하였다. 또한, 육상 수신 및 처리 소프트웨어의 경우, Microsoft Visual Studio 2017을 사용하여 C++/MFC를 기반으로 개발하였고, OpenCV 라이브러리를 활용하여 영상처리를 구현하였으며, 해상 부이와 육상 간 통신은 GPRS 모뎀 , CDMA (LTE) 모뎀, VHF 모뎀, Inmarsat 모뎀을 활용하였다.
성능/효과
- 넷째, 육상 전송 영상의 처리를 통한 선박 식별 및 경보 제공의 경우, 육상에서 해상 부이로부터 수신된 영상을 처리한 결과, 영상 내 선박으로 인식되는 물체의 탐지 시 육상 관제 모니터링 서버에서 경보를 제공함으로써 운용·관리 인력이 위험 수준을 확인하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 지원하는 기능이다.
- 둘째, 단계별 선박 접근 경보의 경우, 기존 시스템에는 고려되지 않던 것으로 단계에 따라 혼과 경광등을 기반으로 소리 및 광원을 통해 복합적 위험 경보를 제공하는 기능이다. 이때, 청각적 위험 인지를 위하여 혼은 120dB 이상으로 소리를 제공하고, 야간이나 안개 등 시계가 제한된 상황에서의 시각적 위험 인지를 위하여 청색과 황색의 두 경광등을 선택적으로 활용한다.
- 이때, AIS와 트레일 카메라 연계형 능동 감시, 선박 접근에 대한 단계별 경보, 거리에 따른 선택적 통신매체 적용, 영상 처리를 통한 선박 식별 및 경보 제공, 열화상 카메라의 적용 등 크게 다섯 가지에 주안점을 두었다. 또한, 설계된 내용을 바탕으로 시스템을 개발하였으며, 실험실 및 필드 수준의 시험을 통해 개발한 시스템의 유용성을 검증하였다.
- 셋째, 거리에 따른 영상 전송 통신매체 변경 적용의 경우, 해상 부이는 3G 혹은 LTE 등 이동통신이 불가한 구역에 설치될 수 있기 때문에 통신 도달 범위가 고려되어야 한다. 즉, 연안에 설치되어 이동통신망의 사용이 가능한 경우에는 GPRS(2.
- 첫째, AIS와 트레일 카메라 연계형 능동 감시의 경우, 기존 시스템의 주기적 혹은 접근·충돌시 영상 촬영 방법을 일부 개선하고, 해상 부이의 저전력 소모 요구를 충족하기 위한 기능이다.
후속연구
- 2016년 기준 기상청 해상부이 17개 중 2개에만 탑재되어 있던 트레일 카메라 및 영상 전송 시스템은 그 필요성이 인정되어 2018년 현재 16개로 적용이 확대된 상태이다. 나아가 더 많은 부이 혹은 해상 시설물에 설치되어 여러 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 이처럼 수집된 영상 데이터는 부이의 보호 목적 뿐 아니라, 육상에서 먼 바다의 해상 상태를 영상으로 확인하여 기상 예보에 참고하는 등 다양하게 활용될 수 있기 때문에 이를 기반으로 하는 여러 파생 연구를 진행할 예정에 있다.
- 향후 연구로는 카메라의 추가 등을 통해 개발한 시스템이 가지는 약 60도의 음영구역을 없애기 위한 연구를 진행 중에 있다. 또한, 접근 경보 및 열화상 카메라와 관련된 요소들의 방수성능 공인인증 시험, KC 인증 등을 통해 신뢰성을 확보한 후, 해상 부이에 탑재하여 필드 테스트를 진행할 예정이다. 2016년 기준 기상청 해상부이 17개 중 2개에만 탑재되어 있던 트레일 카메라 및 영상 전송 시스템은 그 필요성이 인정되어 2018년 현재 16개로 적용이 확대된 상태이다.
- 단계별 접근 경보를 위한 알람 제어 모듈과 혼, 경광등은 실험실 수준의 테스트를 완료하였으며, 나머지 구성요소는 실제 해상에서 테스트를 완료하였다. 알람 제어 모듈과 관련된 요소는 방수성능 시험을 실시한 후, 해상 부이에 탑재하여 필드 테스트를 진행할 예정이다. 표 2에 국외 및 국내의 유사 시스템[1-2,4]과 본 논문에서 다루는 시스템의 주요 특징을 비교하여 나타냈다.
- 향후 연구로는 카메라의 추가 등을 통해 개발한 시스템이 가지는 약 60도의 음영구역을 없애기 위한 연구를 진행 중에 있다. 또한, 접근 경보 및 열화상 카메라와 관련된 요소들의 방수성능 공인인증 시험, KC 인증 등을 통해 신뢰성을 확보한 후, 해상 부이에 탑재하여 필드 테스트를 진행할 예정이다.
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