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문제 정의
- 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행할 때, 특성에 맞는 가정과 절차를 따라 엔진-추진기 토오크 평형식을 다르게 적용하였다. 각각의 기준값과 적용 방법에 따라 계산된 운항 시뮬레이션 결과를 분석하여, 각각의 계산 방법이 갖는 특징을 정리하고자 했다.
- (2017)은 파랑 중 부가저항으로 인한 선박의 연료 소모량 증가를 추정하기도 하였다. 본 저자는 선박의 실선 성능을 추정하고, 그 추정 결과를 기반으로 선박의 설계를 개선하는 연구를 수행해왔다. 특히, 선체, 추진기, 타 등의 기계적인 요소뿐 아니라, 바람, 파도와 같은 환경 하중을 고려하여 선박의 분당회전수(RPM), 동력(Power), 경제 운항속도, 에너지효율운항지수(EEOI) 등을 추정한 바 있다 (You et al.
- 스마트 선박을 어떻게 정의하는지에 대해서는 기업, 기관에 따라 다소 차이가 있다. 선주(또는 운항자), 조선소, 장비업체들은 향상된 IoT를 기반으로 각각의 필요에 맞추어 관련 기술을 개발하고 있어, 각각의 기능과 역할을 살펴보고자 했다 (Ando, 2017). 첫째, Maersk, Shell, BW gas 등과 같은 선주 그룹은 선대의 충원, 운용계획의 수립, 운용, 관리 등의 기능을 수행하는 주체이며, 스마트선박을 통해 효율성, 안전성을 높임으로써, 더 많은 이익을 기대할 수 있다.
- 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 각각 기준으로 시뮬레이션 했을 때, 실선 운항데이터에 기록된 값, 매 순간 시뮬레이션에서 명령했던 값, 계산된 값을 비교함으로써 시뮬레이터의 타당성을 살펴보고자 했다. Fig.
제안 방법
- 식 (7)은 풍하중을 구하기 위한 수식을 보여주고 있고, 식 (8)은 풍하중 계산에 필요한 상대 속도, 상대 입사각 계산식이다. 각각의 계수는 풍동 시험 결과로부터 획득하였으며, 매 순간 선박의 운동 정보와 바람의 정보를 고려하여 풍하중을 추정하였다. 식 (9)는 파랑 하중을 추정하기 위한 수식을 보여주고 있다.
- 본 연구에서 주어진 속도를 기준으로 한 운항 시뮬레이션을 할 때 룩업테이블 방식을 엔진-추진기 토오크 평형 방식으로 수정했기 때문에, 분당회전수 증감량 결정 부분에 회색 음영과 흰색 음영으로 나란히 표시하였다. 또한, 기록된 분당회전수를 추종하거나 기록된 동력을 추종할 때, 분당회전수 증감을 결정함에 차이가 있다고 판단하여 흰색 음영으로 별도 표시하였다.
- 5와 같이 수행되었다. 먼저, 실선 운항데이터에서 획득한 초기조건에 맞추어 초기화를 하고, 주어진 상태변수를 이용하여 조종 운동 방정식을 풀이한다. 위치, 속도, 가속도 등을 업데이트하고, 도착 위치에 도달했는지를 판단하였다.
- 본 논문에서는 조선소, 모형시험소, 선주의 요구에 대응하기 위해 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항시뮬레이션을 수행하는 방법을 각각 제안하였다. 특히, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블(look-up table) 방식의 분당회전수 증감에서 벗어나, 엔진-추진기 토오크 평형을 고려하였다.
- 본 논문에서는 조선소, 모형시험소, 선주의 요구에 맞추어 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행하는 방법을 각각 제안하였다. 특히, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블(look-up table) 방식의 분당회전수 증감에서 벗어나, 선박 추진 체계 동특성을 고려한 엔진-추진기 토오크 평형을 적용하였다.
- 선행연구에서 룩업테이블 방식을 이용했을 때, 운항 시뮬레이션을 수행한 절차는 회색 음영으로 표시한 것과 같다. 본 연구에서 주어진 속도를 기준으로 한 운항 시뮬레이션을 할 때 룩업테이블 방식을 엔진-추진기 토오크 평형 방식으로 수정했기 때문에, 분당회전수 증감량 결정 부분에 회색 음영과 흰색 음영으로 나란히 표시하였다. 또한, 기록된 분당회전수를 추종하거나 기록된 동력을 추종할 때, 분당회전수 증감을 결정함에 차이가 있다고 판단하여 흰색 음영으로 별도 표시하였다.
- 이러한 관계는 식 (11)의 엔진-추진기 토오크 평형식을 통해 쉽게 이해할 수 있다. 본 연구에서는 이전 연구에서 적용되었던 경험적인 분당회전수 증감 방식 대신, 식 (11)을 적용하여 추진기 분당회전수를 추정하고자 했다.
- 운항 시뮬레이션을 수행하는데 선체, 추진기, 타, 바람, 파랑 등을 고려한 조종 운동방정식을 이용하였다. 식 (1)에서 X, Y, N 3자유도 조종 운동방정식임을 확인할 수 있으며, 선체, 추진기, 타, 바람, 파랑 다섯 가지 요소를 하첨자로 표시하였다.
- 먼저, 실선 운항데이터에서 획득한 초기조건에 맞추어 초기화를 하고, 주어진 상태변수를 이용하여 조종 운동 방정식을 풀이한다. 위치, 속도, 가속도 등을 업데이트하고, 도착 위치에 도달했는지를 판단하였다. 도달하지 않았다면 기록된 선박의 위치를 경로점으로 가정하여 추종하는데 필요한 타각을 계산하고 입력한다.
- 식 (13)은 주어진 분당회전수를 기준으로 분당회전수 증감을 결정하기 위한 수식을 보여주고 있다. 주어진 분당회전수에서 엔진으로부터 전달된 토오크(QE(given RPM))와 현재 분당회전수에서 필요한 토오크(QP)는 현재 운동상태를 통해 얻은 KQ(JP)를 이용하여 계산하였다.
- 특히, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블(look-up table) 방식의 분당회전수 증감에서 벗어나, 선박 추진 체계 동특성을 고려한 엔진-추진기 토오크 평형을 적용하였다. 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행할 때, 특성에 맞는 가정과 절차를 따라 엔진-추진기 토오크 평형식을 다르게 적용하였다. 각각의 기준값과 적용 방법에 따라 계산된 운항 시뮬레이션 결과를 분석하여, 각각의 계산 방법이 갖는 특징을 정리하고자 했다.
- , 2018a)에서 AIS 또는 실선 운항데이터에 기록된 운항 속도를 기준으로 운항 시뮬레이션 수행하는데, 매 순간의 추진기 작동 상태(분당회전수)의 추정이 중요했다. 즉, 운항자가 항해 하는 동안 시시각각 명령하는 분당회전수, 동력 등을 모르는 상태에서 (특히, AIS 데이터만 제공되는 경우), 겉으로 드러난 선박의 속도, 경로, 선수각 등의 정보로부터 분당회전수, 동력, 연료 소모량 등을 추정하고자 했다. 따라서, 분당회전수의 증감을 결정하기 위해 경험적으로 구성된 룩업테이블이 필요했다.
- 본 논문에서는 조선소, 모형시험소, 선주의 요구에 맞추어 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행하는 방법을 각각 제안하였다. 특히, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블(look-up table) 방식의 분당회전수 증감에서 벗어나, 선박 추진 체계 동특성을 고려한 엔진-추진기 토오크 평형을 적용하였다. 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행할 때, 특성에 맞는 가정과 절차를 따라 엔진-추진기 토오크 평형식을 다르게 적용하였다.
- 본 논문에서는 조선소, 모형시험소, 선주의 요구에 대응하기 위해 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 운항시뮬레이션을 수행하는 방법을 각각 제안하였다. 특히, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블(look-up table) 방식의 분당회전수 증감에서 벗어나, 엔진-추진기 토오크 평형을 고려하였다. 본 연구를 통해 세 가지 결론을 얻을 수 있었다.
- 선박의 실선 운항성능 추정과 관련된 연속적인 연구를 수행하면서, 실선 운항성능과 직접적으로 관련된 선사, 모형시험소 등의 비교, 검증 요구에 대응할 필요가 있었다. 특히, 선박의 설계속도 (혹은 운항속도)를 기준으로 장비의 용량, 비용, 성능 등을 제시하거나 비교, 검증하는 조선소와 달리, 분당회전수를 기준으로 자유 항주 시험을 수행하고 결과를 분석하는 모형시험소, 동력을 기준으로 세팅된 항해 장비의 운용을 고려하여 운항 계획을 수립해야 하는 선주(또는 항해자)에게 필요한 분석 결과를 제공해야 했다. 이상적으로 추정된 실선 운항성능은 기록된 속도, 분당회전수, 동력이 모두 정확하게 일치해야 한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 대상 선박이 2010년 11월 22일 09시부터 2010년 12월 06일 09시까지 약 14일간 운항했던 기록을 따라 운항 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 3과 같이 대만 인근에서부터 마다가스카르 인근까지 운항하였다. 저장장치의 운용에 따라 일부 계측 간격이 달라진 경우가 있지만, 대체로 10분 간격으로 기록되어 있었다.
- 본 연구에서는 대상 선박이 2010년 11월 22일 09시부터 2010년 12월 06일 09시까지 약 14일간 운항했던 기록을 따라 운항 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 선행 연구(You et al., 2017a; You et al., 2017b; You et al., 2018a)에서 활용되었던 148K 단축(Single–screw) 천연가스운반선(LNGC)을 이용하였고, 이전 연구에서 검토되었던 실선 운항데이터 상의 운항 경로와 바람 및 파랑 조건을 기준으로 운항 시뮬레이션을 수행하였다.
- 저장장치의 운용에 따라 일부 계측 간격이 달라진 경우가 있지만, 대체로 10분 간격으로 기록되어 있었다. 운항 시뮬레이션에 이용한 정보는 시간(UTC), 경위도 좌표, 침로(COG), 대지속도(SOG), 선수미 흘수, 분당회전수, 동력, 계측된 바람의 상대속도, 상대 입사각, 계측된 파도의 유의파고, 평균파주기, 상대 입사각 등이다.
이론/모형
- 식 (2)는 선체 하중을 추정하기 위한 수학모형을 보여주고 있다. Kijima et al. (1990)의 경험식을 이용하여, 각각의 유체력미계수를 추정하였다. 식 (3)은 추진기에서 발생하는 추력을 계산하기 위한 수식을 보여주고 있고, 표시된 주요 계수는 추진기 단독 시험 결과에서 획득하였다.
- 먼저, 식 (12)는 주어진 속도를 기준으로 분당회전수 증감을 결정하기 위한 수식을 보여주고 있다. 주어진 속도를 기준으로 엔진으로부터 전달된 토오크(QE(given speed))를 유추하기 위하여, 설계된 선박의 속도-분당회전수 곡선 (Speed-RPM curve)를 이용하였다. 즉, 주어진 속도, 현재 속도를 알고 있을 때, 속도-분당회전수 곡선으로부터 예상되는 분당회전수를 각각 찾고, 현재 운동상태를 통해 얻은 KQ(JP)를 고려하여 토오크를 계산할 수 있다.
- 식 (9)는 파랑 하중을 추정하기 위한 수식을 보여주고 있다. 평균파랑표류력 QTF는 HYDROSTAR를 이용하여 계산하였다. 계산 결과 및 계산과정에 대해서는 이전 연구에서 상세히 기술되어 있다 (You et al.
성능/효과
- 15는 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 시뮬레이션했을 때 시간에 따라 계산된 분당회전수와 실선 운항데이터에 기록된 분당회전수를 비교한 것이다. 기록된 분당회전수와 비교할 때, 주어진 속도를 기준으로 시뮬레이션한 경우 분당회전수의 편차가 매우 크게 나타남을 알 수 있다. 이것은 기록된 속도와 운항 시뮬레이션 기법의 특징과 관련이 있다.
- 8일에 해당하는 기간의 비교 결과를 보여주고 있다. 대체로 두 방법 모두 기록된 운항속도를 잘 추종하는 것으로 보였으나, 엔진-추진기 토오크 평형식을 이용했을 때 더 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다. Fig.
- 첫째, Maersk, Shell, BW gas 등과 같은 선주 그룹은 선대의 충원, 운용계획의 수립, 운용, 관리 등의 기능을 수행하는 주체이며, 스마트선박을 통해 효율성, 안전성을 높임으로써, 더 많은 이익을 기대할 수 있다. 둘째, 현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업 등을 포함한 조선소 그룹은 인도한 선박의 운항 데이터 분석을 통해 향상된 선박 설계를 추구하며, 설계된 선박의 실제 성능에 대한 경험적 지식과 기술을 획득할 수 있다. 셋째, ABB, Rolls-Royce, NAPA 등을 포함한 장비업체 그룹은 선박의 운항에 이용되는 장비의 개발 및 공급 주체이며, 제품의 상태를 감시하고 발생한 문제를 빠르게 진단하고 대처할 수 있다.
- 13에서는 그 원인을 명확히 설명할 수 있다. 먼저, 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션할 때, 4일 차, 7일차 부근에서 기록된 속도에 비해 계산된 속도가 느림을 확인할 수 있다. 따라서, 같은 거리를 이동하는데 더 많은 시간이 소요된다.
- 본 연구를 통해, 조선소, 모형시험소, 선주의 필요에 따라 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 실선운항성능을 각각 추정할 수 있음과 각각의 방법에서 주의해야 하는 사항을 확인하였다. 추후, 조선소, 모형시험소, 선주 등에서 요구되는 실선 성능 추정 목적에 따라 합리적인 결과를 제공하는데 효용성이 있을 것으로 기대한다.
- 8일 차에 오차가 집중적으로 있었다. 본 연구에서 엔진-추진기토오크 평형식을 적용함으로써, Fig. 6, 7에서 볼 수 있는 것처럼 속도의 오차가 뚜렷하게 감소하였다.
- 10은 주어진 속도를 기준으로 시뮬레이션한 경우 비교 결과이다. 세 값 모두 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 전체 14일 동안의 시뮬레이션을 했고, 약 10분 이내의 오차로 도착점에 도달했다.
- 둘째, 현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업 등을 포함한 조선소 그룹은 인도한 선박의 운항 데이터 분석을 통해 향상된 선박 설계를 추구하며, 설계된 선박의 실제 성능에 대한 경험적 지식과 기술을 획득할 수 있다. 셋째, ABB, Rolls-Royce, NAPA 등을 포함한 장비업체 그룹은 선박의 운항에 이용되는 장비의 개발 및 공급 주체이며, 제품의 상태를 감시하고 발생한 문제를 빠르게 진단하고 대처할 수 있다. 앞에서 기술된 스마트선박 관련 기술은 Table 1과 같이 정리할 수 있다 (표를 발췌함에 일부 역할을 재구성하였다(Ando, 2017)).
- 셋째, 주어진 분당회전수, 동력을 기준으로 시뮬레이션을 수행할 때 시간 촉진 또는 지연이 발생함을 확인했다. 이와 같은 시간축계의 지연효과는 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션했을 때 저속구간에서 가장 뚜렷하게 나타났다, 동력을 기준으로 시뮬레이션했을 때는 시간 촉진 또는 지연효과가 작기는 하지만, 나타나고 있음을 확인했다.
- 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 한 각각의 시뮬레이션 결과 실선 운항데이터에 기록된 선박의 위치와 일치함을 확인할 수 있었다. Fig.
- 11은 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션한 경우 비교 결과이다. 여기서 계측된 값에 비해 명령값, 계산값의 시간이 4일 차부터 약 0.5일간 지연되었고, 7일 차에는 약 0.8일 정도 지연된 것을 볼 수 있다. 본 연구에서 이용된 운항 시뮬레이션 기법은 기록된 선박의 위치를 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 따라 운항하는 선박을 모사한 것이다.
- 특히, 선박의 설계속도 (혹은 운항속도)를 기준으로 장비의 용량, 비용, 성능 등을 제시하거나 비교, 검증하는 조선소와 달리, 분당회전수를 기준으로 자유 항주 시험을 수행하고 결과를 분석하는 모형시험소, 동력을 기준으로 세팅된 항해 장비의 운용을 고려하여 운항 계획을 수립해야 하는 선주(또는 항해자)에게 필요한 분석 결과를 제공해야 했다. 이상적으로 추정된 실선 운항성능은 기록된 속도, 분당회전수, 동력이 모두 정확하게 일치해야 한다. 하지만, 다양한 장비의 운용, 건조된 선박의 상태, 계측된 운항 상태의 불확실성, 시뮬레이션에 이용된 수학 모형과 실제 선박의 차이 등으로 인해, 추정된 속도, 분당회전수, 동력이 계측값과 동시에 일치할 수 없음을 확인한 바 있다 (You et al.
- 셋째, 주어진 분당회전수, 동력을 기준으로 시뮬레이션을 수행할 때 시간 촉진 또는 지연이 발생함을 확인했다. 이와 같은 시간축계의 지연효과는 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션했을 때 저속구간에서 가장 뚜렷하게 나타났다, 동력을 기준으로 시뮬레이션했을 때는 시간 촉진 또는 지연효과가 작기는 하지만, 나타나고 있음을 확인했다. 따라서, 주어진 분당회전수 또는 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션에 이용된 수학모형이 갖는 제한 사항과 적용 가능 범위를 반드시 확인할 필요가 있으며, 경로점 또는 이동 거리를 기준으로 운항성능을 직접 비교할 때 유용할 것으로 생각된다.
- , 2008). 전체 14일 동안의 시뮬레이션을 했을 때 약 20시간 정도 늦게 도착점에 도달했으며, 약 6% 정도의 시뮬레이션 시간의 증가했다.
- 속도가 매우 낮은 구간이기 때문에 시간의 증가는 뚜렷하게 나타났고, 그 영향으로 시간 지연이 나타났음을 알 수 있다. 주어진 동력을 기준으로 시뮬레이션할 때, 1일 차, 3일 차 부근에서 계측된 속도에 비해 계산된 속도가 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 이 구간에서 기록된 시간보다 더 빠르게 이동했음을 알 수 있다.
- 첫째, 기존에 제안된 운항 시뮬레이션 연구에서 경험적으로 구성했던 룩업테이블 방식의 분당회전수 증감 제어에서 벗어나, 선박 추진기 계통의 동특성을 고려한 엔진-추진기 토오크 평형을 적용함으로써, 더 작은 속도 오차로 운항 시뮬레이션이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 이를 통해, 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션을 수행할 때는 시간에 따른 비교, 시간에 따른 평균값을 기준으로 비교, 분석하는데 주의해야 한다. 대신, Fig. 14와 같이 공간상의 위치, 또는 이동 거리를 기준으로 자유항주 시험 결과와 직접 비교하는 데 유용할 것으로 생각한다.
- 이와 같은 시간축계의 지연효과는 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션했을 때 저속구간에서 가장 뚜렷하게 나타났다, 동력을 기준으로 시뮬레이션했을 때는 시간 촉진 또는 지연효과가 작기는 하지만, 나타나고 있음을 확인했다. 따라서, 주어진 분당회전수 또는 동력을 기준으로 운항 시뮬레이션에 이용된 수학모형이 갖는 제한 사항과 적용 가능 범위를 반드시 확인할 필요가 있으며, 경로점 또는 이동 거리를 기준으로 운항성능을 직접 비교할 때 유용할 것으로 생각된다.
- 먼저, 분당회전수 증감 방식의 변화에도 불구하고 운항 시뮬레이션이 잘 수행되었는지 확인할 필요가 있었다. Fig.
- 선박의 실선 운항성능 추정과 관련된 연속적인 연구를 수행하면서, 실선 운항성능과 직접적으로 관련된 선사, 모형시험소 등의 비교, 검증 요구에 대응할 필요가 있었다. 특히, 선박의 설계속도 (혹은 운항속도)를 기준으로 장비의 용량, 비용, 성능 등을 제시하거나 비교, 검증하는 조선소와 달리, 분당회전수를 기준으로 자유 항주 시험을 수행하고 결과를 분석하는 모형시험소, 동력을 기준으로 세팅된 항해 장비의 운용을 고려하여 운항 계획을 수립해야 하는 선주(또는 항해자)에게 필요한 분석 결과를 제공해야 했다.
- 식 (6)은 타의 하중을 계산하기 위한 수식을 보여주고 있으며, Fujii and Tsuda (1961, 1962)의 경험식을 기반으로 양력 계수의 기울기를 추정하였다. 수학모형을 구성하는데 모형시험 결과 및 경험식을 혼용하였기 때문에, 구성된 조종 운동방정식 및 유체동역학적 특성이 잘 모사되는지 검증할 필요가 있었다. 선행연구에서 검증한 모델을 동일하게 이용하였고, Fig.
- Table 6에서도 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션할때, 평균 동력이 매우 작아지는 문제를 볼 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼, 주어진 분당회전수를 기준으로 시뮬레이션을 수행할 때는 경로점이나 이동 거리를 기준으로 자유항주 시험 결과와 비교하는 것이 더 적절한 비교가 될 수 있다고 생각한다. 주어진 동력을 기준으로 시뮬레이션이 수행된 경우는 주어진 속도를 기준으로 계산된 경우와 유사한 정도의 시계열을 보여주지만, 시간 촉진 또는 지연에 주의해야 한다.
- 선주(또는 운항자), 조선소, 장비업체들은 향상된 IoT를 기반으로 각각의 필요에 맞추어 관련 기술을 개발하고 있어, 각각의 기능과 역할을 살펴보고자 했다 (Ando, 2017). 첫째, Maersk, Shell, BW gas 등과 같은 선주 그룹은 선대의 충원, 운용계획의 수립, 운용, 관리 등의 기능을 수행하는 주체이며, 스마트선박을 통해 효율성, 안전성을 높임으로써, 더 많은 이익을 기대할 수 있다. 둘째, 현대중공업, 대우조선해양, 삼성중공업 등을 포함한 조선소 그룹은 인도한 선박의 운항 데이터 분석을 통해 향상된 선박 설계를 추구하며, 설계된 선박의 실제 성능에 대한 경험적 지식과 기술을 획득할 수 있다.
- 본 연구를 통해, 조선소, 모형시험소, 선주의 필요에 따라 주어진 속도, 분당회전수, 동력을 기준으로 실선운항성능을 각각 추정할 수 있음과 각각의 방법에서 주의해야 하는 사항을 확인하였다. 추후, 조선소, 모형시험소, 선주 등에서 요구되는 실선 성능 추정 목적에 따라 합리적인 결과를 제공하는데 효용성이 있을 것으로 기대한다.
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