[논문]네트워크 기반의 간이 선박조종 시뮬레이터 개발

최원진; 김효일; 전승환

doi:10.5394/kinpr.2019.43.6.403

[국내논문] 네트워크 기반의 간이 선박조종 시뮬레이터 개발
Development of the Ship Manoeuvring PC Simulator Based on the Network 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.43 no.6, 2019년, pp.403 - 412

최원진 (한국해양대학교) , 김효일 (오사카대학) , 전승환 (한국해양대학교 항해학부)

초록
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선박의 조종운동특성은 선종뿐만 아니라 같은 선박이라 할지라도 속도나 흘수에 의해서도 달라진다. 최근에 초대형선박이 크게 증가하고 있어 해양사고 발생 시 막대한 물적, 환경적 피해가 발생할 수 있으며, 이에 따라 선박조종의 중요성은 더욱 커지고 있다. IMO는 STCW 95 개정협약서를 통해서 해기사들이 시뮬레이터를 이용한 교육을 받도록 강제하고 있다. 그러나 Full Mission Ship Handling Simulator(FMSS)는 고가일 뿐만 아니라 사용하는 데에 제한이 많고, PC기반의 시뮬레이터는 서로 다른 사용자가 함께 시뮬레이션을 할 수 없다는 단점이 존재한다. 본 연구는 네트워크를 기반으로 두 사람이 각자의 PC를 이용하여 함께 시뮬레이션을 할 수 있도록 하여 FMSS와 PC기반의 시뮬레이터가 갖는 단점을 해결하고자 Nomoto 응답모델의 해석 및 수치계산과 레이더 기능 구현, 데이터통신 프로토콜 설계, Graphic User Interface(GUI) 구축 등을 통해 네트워크 기반의 시뮬레이터를 구현하였다. 그리고 개발된 시뮬레이터의 유효성을 검증하기 위해 한국선급, IMO의 선박조종성기준에 따라 시뮬레이션 결과와 한국해양대학교 한바다호의 실선시험결과를 비교·분석하였다. 항목별 시험결과를 정리하면 상대오차 범위는 0 ~ 32.1 %, 평균 13.7 % 이었으며, IMO 선박조종성기준을 모두 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of the manoeuvring motion of a ship are dependent on the ship type, as well as draft or speed in the same ship. In recent years, the number of extra-large vessels has increased significantly, which can cause enormous material and environmental damage in the event of a marine accident. Thus, the importance of ship maneuvering is increasing. The IMO has forced the officers to be trained in simulators through the STCW 95 amendment. However, FMSS is costly and difficult to access and the PC-based simulator has the disadvantage that only one person can engage in simulation. The purpose of this study was to solve the shortcomings of the FMSS and PC-based simulators by enabling multiple people to use their PCs to simulate based on a network. The simulator is implemented through the analysis and numerical calculation of the Nomoto model, Radar function mounting, data transfer protocol design, and GUI building. To verify the simulator, the simulation results were compared and analyzed with the test results of T.S. HANBADA according to the criteria of the Korean Register of Shipping(KR) and IMO standards for ship maneuverability. As a result, It showed a relative error of 0%~ 32.1% with an average of 13.7%, and it satisfied the IMO criteria for ship maneuverability.

Keyword

표/그림 (27)

그림 Fig. 1 Ship-fixed coordinate system
그림 Fig. 2 Comparison of numerical analysis
그림 Fig. 3 Calculation of ship coordinates
그림 Fig. 4 Algorithm for coordinates conversion
그림 Fig. 5 Comparison of turning circle
그림 Fig. 6 Display mode
그림 Fig. 7 DCPA and TCPA
그림 Fig. 8 Network of simulator
그림 Fig. 9 TCP/IP data transfer protocol
그림 Fig. 10 Program execution flowchart
그림 Fig. 11 Simulator hardware configuration
그림 Fig. 12 Screen capture of simulator(Server)
그림 Fig. 13 Screen capture of simulator(Client)
표 Table 1 Minimum specification of PC
표 Table 2 Manoeuvring indices of T.S. HANBADA
그림 Fig. 14 Steering gear test
표 Table 3 General particulars of T.S. HANBADA
표 Table 4 Time to follow rudder angle due to steering order
표 Table 5 Comparison of initial turning time (H: HANBADA, S: Simulator, Test speed: 13kn)
그림 Fig. 15 Turning circle test
그림 Fig. 16 10 °/10 ° Zig-zag test
그림 Fig. 17 20 °/20 ° Zig-zag test
그림 Fig. 18 Distance of new course(Starboard)
표 Table 6 Comparison of turning circle (Test speed: Stb'd 12.3 kn, Port 13.0 kn)
표 Table 7 Zig-zag test
그림 Fig. 19 Effect of sea current
표 Table 8 Distance of new course(starboard) (H: HANBADA, S: Simulator, Test speed: 13 kn)

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 기존의 PC 기반 선박조종 시뮬레이터는 네트워크가 연결되어 있지 않아 단독으로 조종 실습을 할 수밖에 없는 환경이었다. 본 연구에서는 FMSS와 PC기반의 시뮬레이터가 갖고 있는 문제점들을 해소하기 위하여, 네트워크 기반의 간이 시뮬레이터를 개발하고자 하였다. 선박조종 시뮬레이션에서 멀티유저(Multi-user)기능은 큰 의미를 갖는다.
(1998)의 연구를 들 수 있다. 본 연구를 통해서 개발하고자 하는 시뮬레이터는 조타동작에 따른 선박의 기본적인 조종운동특성을 이해하고, 안전한 항행을 위하여 여러 충돌위험상황에서 선박조종기술, 적절한 조타 시점과 타각을 익히기 위한 것이다.

가설 설정

지금까지의 결과를 기반으로, Nomoto 1차계 응답모델의 각 상수에 K = 0.1 sec-1, T = 10 sec, δ = 20°을 적용하고, 선박의 속력(u)은 10 m/sec로 일정하고, 선박의 초기좌표는 원점(0, 0)이며 진침로(TC)의 초기값은 000 °(N)라고 가정하여 시뮬레이션을 하였다.

제안 방법

본 연구의 시뮬레이터에서는 단독으로 조종연습을 할 수 있을 뿐 아니라, 상대선박을 실제 다른 사람의 의도에 따라 조종하게 함으로써 ‘국제해상충돌방지규칙’에서 중요하게 다루고 있는 여러 상황(Give-way vessel, Stand-on vessel, Head-on, Crossing, Overtaking 등)들을 연습해 볼 수 있다.
제4장에서는 구현한 시뮬레이터의 성능을 검증하였다. 이를 위해서 선급 및 강선규정(Korean Register, 2009)에서 정하고 있는 조타기 성능기준과 IMO에서 선박조종성표준(IMO, 1993)으로 정한 초기선회성능시험(Initial turning ability test), 정상선회성능시험(Normal turning ability test), 지그재그시험(Zig-zag test) 기준을 충족하는지 검증하였다. 이와 함께 국제공인기준은 아니지만 신침로거리시험(Distance of new course test), 외부환경시험을 통해서 시뮬레이터의 완성도를 확인하였으며, 아울러 Jung et al.
실제 선박에서는 스캐너를 통해 전파를 송수신하고, 반사되어 들어온 전파를 신호처리하여 상대선의 움직임을 화면상에 표시해준다. 그러나 본 시뮬레이터에서는 네트워크를 통해서 주고받은 본선과 상대선의 항행정보를 화면상에 보여주며, 또한 벡터계산을 통해 DCPA, TCPA 등의 기본적인 정보만을 계산한다.
본 연구에서 개발하고자 하는 시뮬레이터는 Single mode로 사용자 혼자서 시뮬레이션을 할 수 있을 뿐만 아니라 Fig. 8과 같이 둘 이상의 PC를 연결하는 스위칭허브(Switchinghub)를 통해 Multi mode로 두 사람 이상 동시에 시뮬레이션할 수 있다.
선박조종운동 모델로 비선형 방정식을 사용하며, 3차원 그래픽 처리로 인해 빠른 수치계산이 필요한 FMSS는 CPU와 GPU의 높은 연산능력이 요구되어 서버급의 고성능 PC와 그래픽 카드가 필수적이다. 반면 본 연구에서는 누구라도 쉽게 선박조종 시뮬레이션을 할 수 있는 장치를 구현하고자 하였고, 이를 위해 범용 PC를 이용하였다. Fig.
(2008)이 한국해양대학교 실습선 한바다호의 선회시험결과를 통해 계산한 조종성지수(K, T)값을 시뮬레이터에 적용하여 초기선회성능시험, 정상선회성능시험, Zig-zag 시험, 신침로거리시험을 시행하였으며, 그 결과를 실선시험결과와 비교·분석하였다.
(2008)이 한국해양대학교 실습선 한바다호의 선회시험결과를 통해 계산한 조종성지수(K, T)값을 시뮬레이터에 적용하여 초기선회성능시험, 정상선회성능시험, Zig-zag 시험, 신침로거리시험을 시행하였으며, 그 결과를 실선시험결과와 비교·분석하였다. 또한, 추가로 외부환경영향 시험을 실시하였다.
정상선회성능시험은 좌·우현의 전타각 35 °를 발령하여 선수방위가 360 ° 변할 때까지 시험하여 측정한 종거(Advance)와 선회반경(Tactical diameter)으로 선박의 조종운동특성을 평가한다.
신침로거리는 IMO에서 정한 선박조종성 표준척도는 아니지만 한바다호와의 비교 검증을 위해서 신침로가 30 °, 60 °,90 °인 경우에 대해서 시험하였고, Table 8에 정리하였다.
실제 해상선박은 해조류, 바람, 풍랑 등 외부환경의 영향을 받으면서 항해를 하게 된다. 따라서 외부환경요소를 감안하여 선박조종실습을 할 수 있도록 시뮬레이터를 설계하였으며, 본 연구에서는 외부환경요소 중 해류만을 고려하였다. Fig.
기존 Full Mission 선박조종 시뮬레이터의 접근용이성 저하와 PC기반 시뮬레이터의 멀티유저 동시실습 기능 미구현이라는 문제점을 해결하고자 TCP/IP통신을 이용한 네트워크기반의 선박조종 시뮬레이터를 개발하였다. 시뮬레이터의 선박조종운동 모델로 Nomoto 1차계 근사식을 적용하였고, 수치해석을 위해 4차 Runge-Kutta 법을 이용하였다.
시뮬레이터의 선박조종운동 모델로 Nomoto 1차계 근사식을 적용하였고, 수치해석을 위해 4차 Runge-Kutta 법을 이용하였다. 이를 통해 선박의 위치를 계산하였으며 선회권을 그려봄으로써 모델의 유용성을 검증하였다. RADAR 기능은 두 가지의 화면표시모드를 통해 구현하였고, DCPA와 TCPA를 계산하여 선박의 충돌위험을 판단할 수 있게 하였다.
이를 통해 선박의 위치를 계산하였으며 선회권을 그려봄으로써 모델의 유용성을 검증하였다. RADAR 기능은 두 가지의 화면표시모드를 통해 구현하였고, DCPA와 TCPA를 계산하여 선박의 충돌위험을 판단할 수 있게 하였다. 또한, TCP/IP 통신을 이용한 데이터통신 프로토콜을 설계하여 스위칭허브를 통해 서로 다른 사람과 선박조종 시뮬레이션을 할 수 있도록 하였다.
RADAR 기능은 두 가지의 화면표시모드를 통해 구현하였고, DCPA와 TCPA를 계산하여 선박의 충돌위험을 판단할 수 있게 하였다. 또한, TCP/IP 통신을 이용한 데이터통신 프로토콜을 설계하여 스위칭허브를 통해 서로 다른 사람과 선박조종 시뮬레이션을 할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

시뮬레이터의 하드웨어는 Fig. 11과 같이 데스크탑 PC, 랩탑 PC, Wide LCD모니터, 네트워크 구성을 위한 스위칭허브,조타기에 해당하는 Wheel Joystick, 키보드, 마우스 등으로 구성되었다. 소프트웨어는 그래픽컬 프로그래밍환경을 제공하는 NI사의 LabVIEW 2016을 이용하였다.

데이터처리

(2008)이 측정한 한국해양대학교 실습선 ‘한바다호’의 조종성능지수(K, T)를 본 논문에서 개발한 시뮬레이터에 적용하여 한바다호의 실제시험 결과와 비교하였다.

이론/모형

이러한 관점에서 Nomoto et al.(1957)이 제안한 응답모델은 타의 변화에 대한 회두각속도의 응답을 표시한 수학모델로 비교적 간단하며 선체의 조종운동을 유체력의 관점이 아니라 주어진 힘(타각의 변화)에 대한 선체의 응답(회두운동)의 관계로서 나타낸 모형으로 수식이 선형항으로만 표시되는 장점을 갖고 있어 본 연구의 선박조종운동을 위한 수학모델로 채택하였다. Nomoto의 응답모델은 Im(2003)의 연구에서도 적용된 바 있다.
Euler 법은 높은 정밀도를 유지하기 위해서 시간간격을 매우 작게 해야 하나 계산량을 증가시키는 단점이 있다. 그러나 Runge-Kutta 법은 각 구간의 중간점의 기울기 정보를 추가로 이용함으로써 상대적으로 정밀도를 높일 수 있어 상미분방정식의 해법으로 널리 쓰이고 있으므로 본 연구에서는 4차 Runge-Kutta 법을 이용하였다.
11과 같이 데스크탑 PC, 랩탑 PC, Wide LCD모니터, 네트워크 구성을 위한 스위칭허브,조타기에 해당하는 Wheel Joystick, 키보드, 마우스 등으로 구성되었다. 소프트웨어는 그래픽컬 프로그래밍환경을 제공하는 NI사의 LabVIEW 2016을 이용하였다. 선박조종에서 가장 중요한 조타기는 Wheel Joystick 또는 키보드의 좌우 방향키를 이용하여 조종할 수 있도록 하였다.
한바다호의 조타기 파라미터(TE, |δ max|)를 알 수 없어, 식(6)의 조타기 모델에 실선에서 많이 사용되고 있는 수치인 TE= 2.5 sec, |δ max| = 3.0deg/sec(Lee et al., 1998; Yeo andRhee, 2005)를 적용하여 시험하였으며, 그 결과를 Fig. 14에 나타낸다.
기존 Full Mission 선박조종 시뮬레이터의 접근용이성 저하와 PC기반 시뮬레이터의 멀티유저 동시실습 기능 미구현이라는 문제점을 해결하고자 TCP/IP통신을 이용한 네트워크기반의 선박조종 시뮬레이터를 개발하였다. 시뮬레이터의 선박조종운동 모델로 Nomoto 1차계 근사식을 적용하였고, 수치해석을 위해 4차 Runge-Kutta 법을 이용하였다. 이를 통해 선박의 위치를 계산하였으며 선회권을 그려봄으로써 모델의 유용성을 검증하였다.

성능/효과

이는 실선 선회시험에서는 선회를 함에 따라 선속이 감소하고 그에 따라 선회성지수(K)가 작아지며 그만큼 항적이 커지게 되나, 시뮬레이터는 선회시험 동안 선속의 변화가 없이 일정하여 선회성지수가 감소하지 않기 때문이다. 그러나 한바다호와 시뮬레이터 모두 IMO에서 정한 초기선회성능 규정인2.5L 미만을 만족하는 것으로 나타났다.
이는 초기선회성능시험에서와 같이 선회시험 동안 선속의 변화가 없이 일정하여 선회성지수가 감소하지 않기 때문이다. 그러나 정상선회성능시험도 IMO 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
한바다호 시험과 시뮬레이션 결과를 비교하였을 때 타각 35 °에 신침로 90 °에서 51 m 차이가 있었고, 타각 20 °에서는 3개 신침로 모두에서 49～95 m 차이가 나타났으나, 이를 제외하고는 최대 10 % 이내의 상대오차가 발생하였다.
시뮬레이터를 검증하기 위해 한바다호 조종성능시험과 비교한 결과, Zig-zag 시험과 정상선회성능시험에서는 최대 32%의 상대오차가 발생하였으며, 초기선회성능시험과 신침로거리시험에서는 타각 10 °에서 3 % 이내의 상대오차가 발생하여두 시험결과가 매우 근접하였으나 타각 20 °와 30 °에서는 최대 22 %의 상대오차가 발생하는 것으로 나타났다.

후속연구

끝으로 본 시뮬레이터는 IMO 선박조종성기준을 모두 만족하고, 네트워크를 이용해 두 명의 사용자가 동시에 시뮬레이션을 할 수 있으므로 국제해상충돌방지규칙에서 중요하게 다루는 Head-on, Crossing, Overtaking 등 다양한 상황을 연습해 볼 수 있어 일반인이나 항해사 교육을 받는 학생들이 선박 항해술을 익히는데 유용할 것이라 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	North-up mode란?	North-up mode는 북쪽(000 °)이 레이더화면의 상단 정면을 향하도록 표시해주는 것으로, 식(7)과 같은 벡터계산을 통해서 구할 수 있다.
	선박의 조종운동특성은 무엇에 따라 달라지나?	선박의 조종운동특성은 선종 및 크기에 따라 차이가 크며,같은 선박이라 할지라도 속력에 따라서도 달라진다. 특히, 발라스트 항해와 만선 항해의 선박조종운동특성은 확연히 차이가 난다.
	FMSS의 단점을 극복하기 위해 개발한 기존 PC 기반의 자립형 시뮬레이터의 한계는?	, 1995). 그러나 기존의 PC 기반 선박조종 시뮬레이터는 네트워크가 연결되어 있지 않아 단독으로 조종 실습을 할 수밖에 없는 환경이었다. 본 연구에서는 FMSS와 PC기반의 시뮬레이터가 갖고 있는 문제점들을 해소하기 위하여, 네트워크 기반의 간이 시뮬레이터를 개발하고자 하였다.

참고문헌 (16)

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원문보기 상세보기
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Yeo, D. J. and Rhee, K. P.(2005), "A Study on the Sensitivity Analysis of Submersibles' Manoeuvrability", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 42(5), pp. 458-465.

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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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