[논문]기상 예보 및 내항성능을 고려한 최적 항로 평가 시스템의 도입

박건일; 최경순; 이진호; 김문성

문제 정의

본 논문에서는 운항 중 항해 보조 시스템으로서 객관적이고 디지털화된 접근 방법의 최적 항로 평가 시스템을 소개한다. 본 시스템의 역할은 선교에 탑재하여 항해 전 및 항해 중게 항해 사의 항해 판단을 객관화하여서 파랑 등의 외란에 의해 야기될 수 있는 운항 선박의 운동 안전성 및 항로의 효율성을 높이는 데 있다.
본 논문에서는 운항 중 항해 보조 시스템으로서 객관적이고 디지털화된 접근 방법의 최적 항로 평가 시스템을 소개한다. 본 시스템의 역할은 선교에 탑재하여 항해 전 및 항해 중게 항해 사의 항해 판단을 객관화하여서 파랑 등의 외란에 의해 야기될 수 있는 운항 선박의 운동 안전성 및 항로의 효율성을 높이는 데 있다. (Chen .
선박의 경제성에 대한 항로 계획의 영향을 분석한 연구에 의하면 운영비용(Operational Cost)만을 100%로 고려할 경우 연료 및 윤활유 등의 항해비용 (Sailing Cost) 이 차지 하는 비율이 40%를 차지한다(Meijers, 1980). 본 연구를 통해 운항 선박의 안전성 확보 및 이러한 항해비용을 줄이는데 기여 하고자 한다.
최적화의 목적함수로서 일반적으로 사용되어지는 파라미터는 운항 시간 및 연료 소모량을 둔다. 본 절에서는 이러한 파라미터의 계산 법을 선속저하 및 마력증가 추정법과 관련지어 설명하였으며, 최적항로 탐색 기법을 소개한다.
앞서 계산한 선박 운동 예측치, 선속저하를 고려한 도착예 정시간 및 마력증가에 의한 연료소모량을 목적 함수로 하는 최적 항로 탐색 기법을 소개한다. 기본적으로 8 point Dijkstra 및 DP방법 (Dynamic Programming)을 통해 최적의 항로를 추정하도록 한다.

가설 설정

7은 추정 알고리즘을 통해 개발된 과도 횡요 (Parametric Roll) 발생 예측 프로그램을 이용하여 7, 400TEU를 대상 선박으로 계산하였다. 선속이 12.3kts일때 선수각이 선수파인 가정 하에 주기 및 파고를 갖는 Regular wave로 가정하였으며 각각의 파고 및 주기에 따른 결과를 정 리하여 전체 계산 영역에서의 과도 횡요 발생 유무를 판별해 주는 차트이다. 횡축은 운항 해역 파랑 주기를 나타내며, 종축 은 해당 파고를 의미한다.

제안 방법

본 예측에는 앞 절에서 언급한 파랑 정보가 필요하며, 운항 흘수에 해당하는 선박의 부가 질량 계수 및 감쇄 계수의 동유 체력 계수를 3D 판넬법을 통해서 시스템 내 DB화해서 저장 한다. 또한, 시간 변화에 따른 GM값을 추정하기 위해, 저장된 해당 선박의 Hull Offset 데이터로부터 수선면적 및 배수량 변화, 수선면의 관성 모멘트를 계산한다. 선속 및 흘수 조건은 앞 절의 내항 성능 예측을 위한 정보와 동일한 조건을 사용한다.
기상 데이터 포맷방식은 기상정보의 유형 및 기상회사별로 상이하다. 본 시스템에서 기상파일에 운용하는 압축 유-딀리티는 기상데이터의 압축률과 에러를 최소 화한 arq 압축빙법을 사용하고 있으며, 파일들의 호출은 일자 형식으로 구성하였으며 GRIB 포맷으로 가공하여 바이너리 파일 로 구성되어져 있다. 본 최적 항로 평가 시스탬의 경우에도 해 양 기상 예보 건송 방식에 있어서 이러한 디지털 진송 방식을 통해 시스템을 구현시켜서 효율성을 높이려고 하, 고 있다.
본 시스템에서는 이러한 파라미터를 정량적으로 추정하기 위해서 파랑 중에서의 선속 저하, 마력 증가 계산법 및 최적 항로 탐색 기법(5절)을 도입한다.
아울러, 본 시스템을 통해 항해사는 침로 및 선속을 芝화시키 면서 내항 성능을 예측할 수 있으므로 항로 결정의 가이드 역할을 할 수 있다. 본 연구의 대상선박인 상선 선박 및 컨터이너선 형 선박의 상대위험도 D/B를 구축하기 위하여 적용한 나항성능 평가요소는 불규칙한 해상을 항해하는 선박의 운동으로브터 발생하는 평가 값으로서 선급이나 항해 관련 협회에서 저시하고 있는 내항 성능 Criteria와의 비교를 통해 위험 여부를 판단할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 내항성 이론의 설계에의 응용 에 수록된 Criteria 를 채택하였다(일본운동성능연구위원회, 1994).
본 예측에는 앞 절에서 언급한 파랑 정보가 필요하며, 운항 흘수에 해당하는 선박의 부가 질량 계수 및 감쇄 계수의 동유 체력 계수를 3D 판넬법을 통해서 시스템 내 DB화해서 저장 한다. 또한, 시간 변화에 따른 GM값을 추정하기 위해, 저장된 해당 선박의 Hull Offset 데이터로부터 수선면적 및 배수량 변화, 수선면의 관성 모멘트를 계산한다.
Cardone, 1998). 안전성 관점에서는 3D 판넬 법을 이용하여(전 등, 1998), (Kim . Ha, 2002) 자선의 운동 특성의 포텐셜 값을 DB화해서 제반 내항 성능 계산에 의한 운 항 선박의 안전성을 확보하며, 또한 대파고하에서 문지시되는 과도 횡요 현상(Parametric Roll) 의 발생 유무도 수치 계산을 통해 판단할 수 있도록 하였다. 운항 효율성 관점에서의 접근 방법은 운항 시간 및 연료 소모량을 정량적으로 계산하여 최적 항로 결정에 이용하도록 하였다.
앞 절의 최적 항로 탐색 기법의 유용성을 검증하기 위해서 기상을 활용한 User defined, 대권항로 및 본 기법에 의한 항 로별 비교 결과를 제시하고자 한다.
Ha, 2002) 자선의 운동 특성의 포텐셜 값을 DB화해서 제반 내항 성능 계산에 의한 운 항 선박의 안전성을 확보하며, 또한 대파고하에서 문지시되는 과도 횡요 현상(Parametric Roll) 의 발생 유무도 수치 계산을 통해 판단할 수 있도록 하였다. 운항 효율성 관점에서의 접근 방법은 운항 시간 및 연료 소모량을 정량적으로 계산하여 최적 항로 결정에 이용하도록 하였다. 이러한 파라미터는 파랑 중 자 선의 운동에 의한 선속 저하 및 마력증가량의 영향을 받으며, 부가 저항의 계산 및 자선의 저항, 자항 특성을 이용해서 추정 할 수 있다.
. 위험 한 상태를 화면상에 표시함으로써 항해사에게 알리고 시뮬레이션 기능을 채택하였다. Fig.
이상과 같이 시스템을 구현하면서 항로의 계획상 결정된 항해 정보들이 형식화된 문서로 자동으로 출력하는 기능을 추 가하였다.
입력된 파랑 정보로부터 진행 중인 침로의 응답상태를 파악 할 수 있을 뿐만 아니라, 0도에서 360도내의 전 구간에서의 응답을 파악하여 최소 응답을 나타내는 선박의 침로Heading)를 제시해 줄 수 있다. 주요 내항 성능치를 계산하고, 정하여진 내항 성능 Criteria를 초과한 경우에는 해당 항목의 경고를 디스플레이 할 수 있도록 하며, 다수의 운동 성능 평가 항목 중 한 항목 에 대해서 자세히 볼 수 있는 기능을 추가하였다. Fig.
즉, Roll, Pitch, Heave의 기본적인 선박의 운동 성능, 선 수 슬래밍, 갑판 침수, 프로펠러 레이싱의 발생 확률을 계산한다. 그 외에 선체 중앙 부분에서의 굽힘 모멘트 및 선수 가속 도의 값들을 모니터링하며, 과도 횡요 운동 추정이 포哲된다.
첫째, 선상 운항 보조 시스템으로서의 최적 항로 평가 시스템을 개발하였으며, 그 구성으로서 안전성 관점에서는 기상 예보 및 목측 데이터를 이용한 내항성 평가, 과도 횡요 예측 (Parametric Roll)을 수행하도록 하였으며, 효율성 관점에서는 파랑 중 선속 저화, 마력 증가 산정을 통한 도착 예정 시간 및 연료 소모량을 추정하도록 하였다.
14는 User defined에 의한 서향(West bound) 으로 항해중인 항로계획의 화면의 일부로서 기상예보 데이터를 이용하여 항해일자 범위를 설정한 후 DB화 되어 있는 항구코 드 (Port code) 의 출항항인 밴쿠버 항에서 도착항인 부산항을 호출한다. 항해사는 날짜별 기상데이터를 호출하여 항로상의 Unimak Pass와 각 변침점을 설정한 후, 계산된 내항성능 평 가요소 항목을 확인한다. 항정선에 표시되어 있는 각각의 숫 자는 변침점의 번호를 알려준다.
2002). 현재의 본 시스템에서 파랑 정보 획득 방법으로는 항해사가 직접 목측(Observation)한 데이터를 입력하는 방법과 기상예보데이터의 정보(Wind, Wave, Swell & Current)를 이용한 인터페이스 획득 방법을 사용한다. 최적 항로 계획에 있어서는 선박의 안전성과 경제적인 측 면을 고려하는 것으로서 출발지로부터 목적지까지의 최소 항 해 시간, 최소 연료 소모량 및 선박의 내항 계산 항목을 이용하여 항로를 탐색하는 것이다.

이론/모형

Fig. 1에서 보는 바와 같이 운항 선박 네에 본 시스템을 탑 재하여 항해사의 항헤 판단 보조 시스템으로서 그 기능을 수 행하도록 하며, 기본적으로 해양 기상 예보 정보는 INMARSAT라는 위싱통신 시스템을 이용한다.
본 연구의 대상선박인 상선 선박 및 컨터이너선 형 선박의 상대위험도 D/B를 구축하기 위하여 적용한 나항성능 평가요소는 불규칙한 해상을 항해하는 선박의 운동으로브터 발생하는 평가 값으로서 선급이나 항해 관련 협회에서 저시하고 있는 내항 성능 Criteria와의 비교를 통해 위험 여부를 판단할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 내항성 이론의 설계에의 응용 에 수록된 Criteria 를 채택하였다(일본운동성능연구위원회, 1994). Table 1 에서는 본 시스템에서의 내항 성능 Crieria표 를 나타내고 있으며, 사용자의 요구에 따라 한계치 (Lmiting Value) 값을 변경하여 입력할 수 있도록 한다.
과도 횡요의 발생 원인은 운항 선박의 선수미부의 형상에 따른 GM 변화랑, 횡요 주기 및 입사파 주기의 관계 및 입사 파의 파고 및 파장 등의 영향에 기인한다. 본 시스템에서는 이러한 과도 횡요 발생 유무를 판단해주는 기능을 선형 횡요 운동 방정식 알고리즘을 이용해서 추가하였으며 (Francescutto, 2001) 그 구성은 Fig. 6과 같다.

성능/효과

둘째, 4.250TEU 컨테이너선의 대양 항해 기록 결과와 기 상 예보 데이터를 근거로 한 본 알고리즘의 선속 저하 값을 도출하여 비교한 결고" 실적선과의 평균 선속 차이는 O.O₉kts 로서 근접한 결과를 유추할 수 있었다. 또한, 113K 탱커선의 시스템 계산법을 통한 선속, 기관 마력값 및 연료 소모량을 시운전 계측 값과 비교한 결과 근접한 결과를 도출하였다.
O₉kts 로서 근접한 결과를 유추할 수 있었다. 또한, 113K 탱커선의 시스템 계산법을 통한 선속, 기관 마력값 및 연료 소모량을 시운전 계측 값과 비교한 결과 근접한 결과를 도출하였다.
마지막으로, 최적 항로 탐색 기법을 통해 시스템에서 계산 되어진 최적항로는 항해사의 계획 항로 및 대권항로와 비교해 서 연료소모량의 절감 및 항해시간 단축의 결과를 보였다.
이 차트를 통해서 운항 해역의 파고, 주기에 따른 과도 횡 요 발생 가능성을 알 수 있고 Critical한 조건에서는 낮은 파 고일지라도 unstable 영역이 나타남을 확인할 수 있다.

후속연구

내항모니터링 획득방법의 경우 향후, 운항 중에 레이더를 이용하여 실시간으로 파도의 높이, 주기, 방향등의 정보를 획 득해서 선박의 운동 안전성을 평가할 수 있도록 할 것이다. (Hirayama et al.
본 시스템에는 항해사의 목측으로 얻어진 데이터를 이용하여 데이터를 입력하도록 되어 있지만, 야간의 경우에 있어서 는 시야의 제약을 받으므로 레이더의 파랑 계측 시스템을 도 입한 정보 획득이 필요하며, 향후 적용할 예정이다.
동일 조우파 주기 조건에서도 파고를 높게 설정할수록 선속 저하량 및 가력 증 가량이 커짐을 파악할 수 있다. 이상의 선속 저하 및 마력 증 가 추정량은 항로 계획에 있어서 운항 시간 및 연료 소모량 추정에 이용되어진다. 즉, 파랑에 의한 선속 저하량이 고려된 선속과 항해 거리를 기준으로 운항 시간을 산출하며, 연료 소 모량 또한, 선속 저하량에 따른 마력 증가분을 고려하여 산정 하여야 할 것이디.
향후, 파 방향성을 고려한 내항 응답을 계산하기 위해서는 Ochi-Hubble 스펙트럼에서 파 방향을 고려한 3차원 방향 스 펙트럼인 10 Parameter식의 도입이 필요하다고 사료된다. (Graham, 1993).
향후, 해류 및 바람에 의한 부가저항을 추가하여 선속 저하 계산법을 확립해야 할 것이며, 선상 탑재에 의한 선육간 기상 예보 정보의 송수신을 통한 항로 계획 및 평가가 수행되어져야 할 것이다.

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