[국내논문]DEVS 형식론 기반의 선박 항해 모델링 및 시뮬레이션 (I) : 항해 시뮬레이션 아키텍처 설계와 선박 핵심 장비 및 에이전트 모델링 Vessel and Navigation Modeling and Simulation based on DEVS Formalism : Design for Navigation Simulation Architecture with Modeling for Critical Systems and Agents of Vessel원문보기
최근, 선박의 항해 안전을 지원하기 위한 다양한 시스템이 개발되고 있다. 이러한 시스템의 유용성을 검증하기 위해서는 실제 선박에 탑재하여 운용해보는 것이 가장 이상적이나 현실적으로는 많은 어려움이 존재한다. 그 대안으로 모델링 및 시뮬레이션(M&S) 기법을 적용한 유용성 검증 방법이 요구된다. 현실과 가장 가까운 선박 조종 시뮬레이터(FMSS)는 구축비용이 수억에서 수십억에 달하는 등 매우 고가이고, 운용을 위한 전문 인력이 필요하다는 한계가 존재한다. 이러한 이유로, 본 논문에서는 이산사건 시스템 명세(DEVS) 형식론 기반의 선박 항해 모델링 및 시뮬레이션을 통한 항해 안전 지원 시스템을 검증하기 위한 방법을 제안한다. 그 첫 단계로 SES/MB 프레임워크를 기반으로 항해 시뮬레이션 아키텍처를 설계하고, DEVS 형식론을 기반으로 선박 핵심 장비 및 항해사 에이전트를 모델링하는 것에 관한 내용을 기술한다. 이러한 내용을 바탕으로 선박 항해 시뮬레이션 시스템을 구현하고, 다양한 시나리오를 통해 충돌회피 시뮬레이션 등과 같은 항해 안전 지원 요소의 효과도 평가가 가능할 것으로 판단된다.
최근, 선박의 항해 안전을 지원하기 위한 다양한 시스템이 개발되고 있다. 이러한 시스템의 유용성을 검증하기 위해서는 실제 선박에 탑재하여 운용해보는 것이 가장 이상적이나 현실적으로는 많은 어려움이 존재한다. 그 대안으로 모델링 및 시뮬레이션(M&S) 기법을 적용한 유용성 검증 방법이 요구된다. 현실과 가장 가까운 선박 조종 시뮬레이터(FMSS)는 구축비용이 수억에서 수십억에 달하는 등 매우 고가이고, 운용을 위한 전문 인력이 필요하다는 한계가 존재한다. 이러한 이유로, 본 논문에서는 이산사건 시스템 명세(DEVS) 형식론 기반의 선박 항해 모델링 및 시뮬레이션을 통한 항해 안전 지원 시스템을 검증하기 위한 방법을 제안한다. 그 첫 단계로 SES/MB 프레임워크를 기반으로 항해 시뮬레이션 아키텍처를 설계하고, DEVS 형식론을 기반으로 선박 핵심 장비 및 항해사 에이전트를 모델링하는 것에 관한 내용을 기술한다. 이러한 내용을 바탕으로 선박 항해 시뮬레이션 시스템을 구현하고, 다양한 시나리오를 통해 충돌회피 시뮬레이션 등과 같은 항해 안전 지원 요소의 효과도 평가가 가능할 것으로 판단된다.
Recently, various systems have been developed to support ship navigation safety. In order to verify the usefulness of such a system, it is most ideal to try it on a real vessel, but there are many difficulties. As an alternative, usability verification methods applied with modelling and simulation (...
Recently, various systems have been developed to support ship navigation safety. In order to verify the usefulness of such a system, it is most ideal to try it on a real vessel, but there are many difficulties. As an alternative, usability verification methods applied with modelling and simulation (M&S) techniques are required such as FMSS, which is closest to reality, is very expansive to construct, and there needs the specialized operator. For this reason, this paper proposes a method to verify the navigation safety support system by modeling and simulation techniques based on the Discrete Event System Specification (DEVS) formalism. As a first step, we designed the navigation simulation architecture based on the SES/MB framework, and details on modelling ship core equipment and navigator agents based on the DEVS. Through this, we are able to implement the navigation simulation system for vessels, and evaluate the effectiveness of navigation safety support elements such as collision avoidance, etc. using developed scenarios.
Recently, various systems have been developed to support ship navigation safety. In order to verify the usefulness of such a system, it is most ideal to try it on a real vessel, but there are many difficulties. As an alternative, usability verification methods applied with modelling and simulation (M&S) techniques are required such as FMSS, which is closest to reality, is very expansive to construct, and there needs the specialized operator. For this reason, this paper proposes a method to verify the navigation safety support system by modeling and simulation techniques based on the Discrete Event System Specification (DEVS) formalism. As a first step, we designed the navigation simulation architecture based on the SES/MB framework, and details on modelling ship core equipment and navigator agents based on the DEVS. Through this, we are able to implement the navigation simulation system for vessels, and evaluate the effectiveness of navigation safety support elements such as collision avoidance, etc. using developed scenarios.
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문제 정의
본 논문에서는 국제해사기구(IMO, International maritime organization) 해상인명안전협약(SOLAS, safety of life at sea)의해 의무탑재가 규정된 항해통신장비를 대상으로 주요 기능 및 특성을 분석하고 모델링한다. 해당 장비의 목록과 주요 기능 및 특성을 표 1에 정리하였다.
이러한 이유로 소프트웨어 기반 모델링 및 시뮬레이션 기법을 적용한 후, 항해 데이터를 모사 및 생성하여 특정 목적으로 활용하는 다양한 연구가 진행된바 있다[7-9]. 본 논문에서는 선박 항해 시뮬레이션을 위하여 SES/MB (system entity structure / model base) 프레임워크를 기반으로 시뮬레이션 아키텍처를 설계하고, 이를 구성하는 요소인 선박 핵심 장비와 항해 에이전트를 DEVS(discrete event system specification, 이산사건시스템명세) 형식론을 기반으로 모델링하는 것에 관한 내용을 다룬다. 본 연구는 보다 경량화 된 선박 항해 시뮬레이션을 위한 기반 연구가 되는 것으로, 각종 선박 및 항해 안전 요소의 유용성 평가 등 다양한 목적으로 활용 가능하다.
이를 위해서 ECDIS, HCS, GPS, 자이로 콤파스, 조타기의 연동을 고려한 모델링이 요구된다. 본 논문에서는 최근 활발하게 연구되고 있는 자율운항선박이나 충돌 회피 알고리즘의 검증을 위해서 TCS 및 관련 요소의 모델링에 상대적으로 큰 비중을 두었다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 본 논문에서는 모델링 및 시뮬레이션 기법의 적용을 통해 항해 안전 지원 시스템의 유용성을 검증하기 위한 접근 방법을 제시하였다. 그 첫 단계로, SES/MB 프레임워크를 기반으로 항해 시뮬레이션 아키텍처를 설계하였고, DEVS 형식론을 기반으로 선박의 주요 장비와 승무원의 특성을 고려한 모델링을 수행하였다.
제안 방법
SES/MB를 기반으로 선박 핵심 장비와 항해사 및 조타수 에이전트를 모델링을 수행하였고, 그림 4와 같이 항해 시뮬레이션을 위한 계층구조적 아키텍처를 설계하였다. 실험 틀(EF, experimental frame)의 경우, 시뮬레이션을 위한 기본적인 요소를 포함한다.
본 논문에서는 자선(own ship)과 타선(target ship) 3척, 총 4척의 선박 모델을 대상으로 항해 시뮬레이션을 수행하도록 하는 상황을 기준으로 동역학적 아키텍처를 설계한다. 가지치기 과정을 통해 PES를 도출하였으며, 도출된 PES를 구성하는 각 모델간의 포트 연결 과정을 통해 그림 5와 같은 동역학적 시뮬레이션 아키텍처를 도출하였다. 각 상위 모델의 정의와 가지치기 조건은 다음과 같다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 본 논문에서는 모델링 및 시뮬레이션 기법의 적용을 통해 항해 안전 지원 시스템의 유용성을 검증하기 위한 접근 방법을 제시하였다. 그 첫 단계로, SES/MB 프레임워크를 기반으로 항해 시뮬레이션 아키텍처를 설계하였고, DEVS 형식론을 기반으로 선박의 주요 장비와 승무원의 특성을 고려한 모델링을 수행하였다. 이를 통해, 컴퓨터 기반의 항해 시뮬레이션을 위한 토대를 마련하였으며, 현재, 이를 바탕으로 하는 항해 시뮬레이션 시스템을 구현하는 중에 있으며, 안전지원 시스템의 충돌 위험도 분석 및 회피 알고리즘 등을 검증하기 위한 시나리오를 개발한 후, 사례 연구를 통해 유용성을 확인할 예정이다.
또한, DEVS 모델은 대상으로 하는 시스템의 동작을 수학적으로 기술한 것으로 원자(atomic) 모델, 결합(coupled)모델로 구분되며, 이러한 두 모델을 사용하여 상태 전이에 대한 표현과 시스템 모델의 모듈화가 가능하다. 본 논문에서는 이 중, 원자 모델을 활용하여 시뮬레이션 아키텍처를 모델링하며, 원자 모델을 정리하여 표현하면 식 (1)과 같다[10].
본 논문에서는 자선(own ship)과 타선(target ship) 3척, 총 4척의 선박 모델을 대상으로 항해 시뮬레이션을 수행하도록 하는 상황을 기준으로 동역학적 아키텍처를 설계한다. 가지치기 과정을 통해 PES를 도출하였으며, 도출된 PES를 구성하는 각 모델간의 포트 연결 과정을 통해 그림 5와 같은 동역학적 시뮬레이션 아키텍처를 도출하였다.
마지막으로 추진조향장비는 선박의 방향을 제어하기 위한 조타기와 속력을 제어하기 위한 엔진으로 이루어진다. 본 논문에서는 편의상 각 모델(장비)의 수준(depth)을 한 단계 높여서 그룹화하여 표현한다. 예를 들어, TCS는 ECDIS와 HCS를 포함하는 개념이며, ESS는 GPS, 선속계, 자이로 콤파스를 포함하여 지칭한다.
설계한 시뮬레이션 아키텍처 내 각 구성요소는 고유의 기능을 수행하도록 모델링 및 설계하였으며, 각 모델의 주요 기능 정의와 의사코드는 다음과 같다. 상태(phase) 값에 따른 상태전이(hold-in) 및 다른 모델로 출력 값을 전달하여 시뮬레이션의 각 루프가 진행된다.
대상 데이터
요약하면 생성한 4척의 선박에는 각각 항해사와 조타수 에이전트가 포함되고, 항해통신장비로는 TCS, ESS, SIS 모델이 선택되었으며, 추진조향장비로는 조타기, 엔진 모델이 포함된다. 이때, 항해사와 조타수 에이전트는 지식베이스와 추론 엔진 모델을 기반으로 각 장비 모델에서 발생하는 데이터를 활용하여 위험 상황에 대해 침로 변경 등과 같은 의사결정을 수행한다.
후속연구
본 논문에서는 선박 항해 시뮬레이션을 위하여 SES/MB (system entity structure / model base) 프레임워크를 기반으로 시뮬레이션 아키텍처를 설계하고, 이를 구성하는 요소인 선박 핵심 장비와 항해 에이전트를 DEVS(discrete event system specification, 이산사건시스템명세) 형식론을 기반으로 모델링하는 것에 관한 내용을 다룬다. 본 연구는 보다 경량화 된 선박 항해 시뮬레이션을 위한 기반 연구가 되는 것으로, 각종 선박 및 항해 안전 요소의 유용성 평가 등 다양한 목적으로 활용 가능하다.
그 첫 단계로, SES/MB 프레임워크를 기반으로 항해 시뮬레이션 아키텍처를 설계하였고, DEVS 형식론을 기반으로 선박의 주요 장비와 승무원의 특성을 고려한 모델링을 수행하였다. 이를 통해, 컴퓨터 기반의 항해 시뮬레이션을 위한 토대를 마련하였으며, 현재, 이를 바탕으로 하는 항해 시뮬레이션 시스템을 구현하는 중에 있으며, 안전지원 시스템의 충돌 위험도 분석 및 회피 알고리즘 등을 검증하기 위한 시나리오를 개발한 후, 사례 연구를 통해 유용성을 확인할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SES/MB 프레임워크이란?
SES/MB 프레임워크는 각종 지식이 포함된 구조적 지식 표현 기법으로, 복잡한 시스템 구조의 설계 및 분석을 계층적으로 용이하게 하고, 계획-생성-평가(plangenerate-evaluate) 패러다임을 제공하는 M&S 환경이며, 기본적으로 그림 1과 같이 SES와 MB로 구성되어 시뮬레이션 아키텍처를 구성한다. SES는 복잡한 시스템의 구조를 체계적으로 표현할 수 있는 구조를 의미하며, 표현하는 모델의 구성 관계, 종류, 결합구조, 제약조건 등의 특정 형식으로 표현한 것으로 선언적 성격을 가진다.
선박 조종 시뮬레이터의 제약점은?
(1) 실제 선박을 활용한 검증은 개발 시스템의 탑재 및 테스트 지원이 가능한 선박을 모색하는 것이 매우 어려울 뿐 아니라 막대한 비용이 소요된다. (2) 선박 조종 시뮬레이터(FMSS, full-mission ship-handling simulator)의 경우에는 상대적으로 비용은 저렴하나 교육 등의 목적에 특화되어 있기 때문에 항해 데이터 연동에 제약점을 가진다. 또한, (3) 항해 관련 지식을 가지고 있지 않은 경우에는 선박 조종 시뮬레이터를 활용한 검증에 많은 어려움이 있다[4-8].
해양 사고의 원인은 무엇인가?
9% 증가한 것으로 나타났다. 이러한 사고는 경계 소홀과 같은 인적과실(human error)이 원인으로, 과거부터 이를 저감하기 위한 항해 안전 지원 시스템의 필요성이 대두되었다. 이러한 이유로 인적과실을 예방하고 이를 통해 해양사고를 감소시키기 위하여 선박 충돌 위험에 대한 항해 의사결정 지원이나 위험 상황 경고를 제공하는 시스템 개발 등 여러 연구가 진행되고 있다[2-5].
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