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1 2014 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 5 월 22 일 ( 목 )~5 월 23 일 ( 금 ) 부산벡스코 (BEXCO) 선박통합정보모니터링프레임워크연구 이현진 ( 대우조선해양 ), 박광필 ( 대우조선해양 ), 조성남 ( 에이드 ), 조아라 ( 대우조선해양 ), 손세훈 ( 에이드 ), 조유경 ( 대우조선해양 ) Study on Integrated Information Monitoring Framework for Ships Hyun Jin Lee(DSME), Kwang Phil Park(DSME), Seong Nam Cho(AID), A Ra Jo(DSME), Se Hoon Son(AID), Yoo Kyung Jo(DSME), 요약 유가상승에의한운항연비증가와선박에탑재된장비의예상치못한고장때문에발생하는사고는선주에게막대한경제적손실을입히고있다. 이러한문제에대처하기위한방안중하나로, 선박의운항과성능에관한데이터를통합수집한후이를실시간모니터링하는시스템이도입되고있다. 이시스템은경제적운항을위한각종정보분석을가능하게해주며, 주요기기의성능저하를사전에발견하여고장전에적절한조치를취할수있게해준다. 본연구에서는선박정보통합모니터링과관련된국내외동향을살펴보고, 이러한모니터링에필요한기능을분석하여시스템의프레임워크 (framework) 를제시하였다. 또한, 프로토타입 (prototype) 시스템을개발하여이러한프레임워크의개념을보이고적용가능성을검토하였다. Keywords: 운항효율, 장비성능, 실시간모니터링, 선박통합정보모니터링시스템 1. 서론 고유가시대가지속됨에따라연료비가증가하게되었고, 이로인해연료비절감이선주들에게중요한문제가되었다. 이에따라선박의연비향상을위해운항효율을개선하려는노력들이시도되고있다 (Bjorn K Haugland, 2014). 또한, 예상치못한장비의고장이나성능저하로인해경제적손실이발생하고있어장비의실시간성능모니터링을통해고장전조치를취하려는움직임이나타나고있다. 본연구에서는선박운항효율과장비성능의실시간모니터링위한선박통합정보모니터링 (integrated information monitoring) 시스템프레임워크를도출하였다. 선박통합정보모니터링시스템은각시스템별로분산되어있던선박의운항효율, 장비성능과관련된정보들을하나의통합된화면상에서모니터링함으로써선박의항해성능개선을달성할수있게해준다. 2장에서는선박정보모니터링과관련된국내외동향을살펴보고, 3장에서는선박통합정보모니터링시스템이갖추어야할기능요구사항을분석하였다. 기능요구사항분석을바탕으로설계한프레임워크와프로토타입시스템을 4장과 5장에각각소개하였다. 6장에서는향후연구방향과함께결론을맺는다. 2. 국내외동향 미해군에서함정운용인력과유지보수비용을절감하기위해선박통합정보모니터링시스템개념을도입하였다. 적은인력과적은비용으로함정을효과적으로운용할수있도록당직, 정비유지, 자동화기술분야의개선을도모하게되었고이를위해원격제어및감시체계를개발하였다 (The Society of Naval Architects of Korea, 2012). Maersk Line 에서는구상선수에초점을맞추어이를제거하는것이경제적으로타당성이있는지검사하기위해각선박의항해패턴정보를모니터링하여각선박등급에맞는사례를개발하고있다 (The Korea Ship News, 2012). 일본해사협회 (ClassNK) 에서는조선소, 엔진생산업체와함께실제모니터링정보를이용하여선박장비유지보수시스템을개발하였고, 이를활용한선박생애주기관리서비스를제공하고있다 (gcaptain, 2012). NAPA 에서는 navigation system과 machinery automation system, tank level gauging system 으로부터획득된정보를모니터링하여연료소비및온실가스배출감소등과같은선박운항효율개선을위한시스템을개발하였고, 현재시운전을통해시스템검증을수행하고있다 (Motor Ship, 2013).

2 Kongsberg 에서는자사의선박자동화시스템으로부터데이터를수집한후이를선내와육상센터에서이용가능하도록지원해주는 K-IMS(Kongsberg Information Management System) 을개발하여다양한유형의선박에탑재하고있다 (Digital Ship, 2014). 국내에서는해운업체와조선소를중심으로정부, R&D 기관, 중소업체가참여하여선박통합정보모니터링시스템에대한개발을추진해왔다. 현대중공업에서는자제적으로개발하고있는엔진과제어기, 각종기관으로부터얻은정보를위성을통해육상에서실시간으로모니터링하고원격진단및제어할수있는차세대선박을도입하고있으며, 선박원격유지보수및엔진진단자동화서비스를개발중에있다 (Young-Sik Jang, 2013). 삼성중공업에서는해운업체와협력하여연료비절감을위한모니터링관리시스템을개발하여선박연료소모량을최대 15% 절감하는것을목표로하고있다 (EDAILY, 2012). 3. 기능요구사항분석 3.1 선박통합정보모니터링시스템구성기존에는시스템별로거리상멀리떨어진각기다른화면에서해당영역에대한정보만을모니터링하는경우가많았다. 하지만선박에탑재되는장비와시스템들은점차서로연동되어가고있으며, 이들이다루는데이터의양또한급속히증가하고있다. 이를시스템별로나누어모니터링하는것은비효율적이며정보간불일치로판단의오류가발생할수있다. 따라서선박기관이나장비로부터획득되는모든데이터들을하나의데이터베이스로취합하고, 주요한데이터를하나의통합된화면에서모니터링하는것이필요하다. 특히, 장비성능과운항효율은선박운항시가장중요한항목들이므로장비성능모니터링과운항효율모니터링을통합하여구성하는것이필요하다. 선내에위치한모니터링시스템의경우개별선박만을대상으로모니터링을수행하기때문에선주나해운사에서필요한선단의운항데이터를제공할수없다. 또한, 선박내에서처리하기힘든많은양의데이터분석작업을수행할수없다. 따라서선내데이터베이스로부터데이터를받아이러한서비스를제공해줄수있는육상모니터링시스템이필요하다. 육상데이터모니터링시스템의경우데이터를선내데이터베이스로부터전달받기때문에선박과육상센터와의원활한통신인프라는필수적이라할수있다. 이와같은필요에따라본연구에서는선박통합정보모니터링시스템을 Fig. 1과같이구성한다. Fig. 1 Overall configuration of integrated information monitoring 3.2 선박내통합모니터링시스템기능 장비성능모니터링 (Machinery Performance Monitoring) 기능선박내통합모니터링시스템을구성하는화면중장비성능모니터링은선내에탑재된시스템, 장비들의상태를실시간으로확인가능해야하기때문에, 화면상에서시스템해당리스트를확인할수있어야한다. 또한, 장비의운영상태확인이가능하도록 2D 미믹 (mimic) 화면과성능곡선 (trend graph) 표시기능이포함되어야한다. 해당시스템, 장비의 3D 모델화면의경우장비의위치와배치형상을직관적으로파악하는데용이하다. 장비의고장및주변상황을판단하기위해서는 CCTV 화면지원기능도필요하다. 장비의상세정보와관련문서들은장비운영상태화면상에서열람이가능하도록하여필요할때바로확인할수있어야한다. 통합된화면의경우확인해야할정보의양이증가할수있기때문에성능데이터의변화를지속적으로확인하기어렵다. 따라서장비에문제가발생하였을경우즉각적인인지가가능한별도의알림창을제공할필요가있다. 선내에서발생한문제에대해선원이나육상에위치한엔지니어와협업을통해해결할수있도록메신저, 화면공유, 사진전송등통합커뮤니케이션 (UC: Unified Communication) 기능이요구된다. 장비성능모니터링에서필요한기능을정리하면 Table 1과같다. Table 1 Functional requirements of machinery performance monitoring 필요성기능장비별성능구분시스템및장비리스트장비성능진단 2D mimic 화면, 성능곡선장비형상확인 3D model View

3 장비의실제모습확인 CCTV 화면지원장비에서발생한문제원인확인관련문서열람장비성능저하에따른신속한알람창제공대처선원, 엔지니어와의협업메신저, 화면공유, 사진전송 항해성능모니터링 (Navigation Performance Monitoring) 기능선박내통합모니터링시스템을구성하는화면중항해성능모니터링은선박의운항제반에관한정보를실시간으로제공해야한다. 운항과관련있는정보들로는경로점의온도, 조류, 풍속, 풍향을포함하는날씨정보와선수각 (heading angle), 횡경사 (heel), 종경사 (trim), 속도등을포함한운항정보가있다. 이정보들은직접적인운항효율을나타내는수치들은아니지만속도에따른연료소모량과밀접한관계를가지며, 운항속도와경로를결정하는데중요한데이터이다. 또한, 총연료소모량, 항해시간, 그리고전체운항경로점마다예상연료소모량이화면상에표시되어야운항효율성을계획과비교하여판단할수있다. 마지막으로예측되는환경상태를고려하여현재운항경로외에추천경로를화면상에보여주는기능이요구된다. 항해성능모니터링에서필요한기능을정리하면 Table 2와같다. Table 2 Functional requirements of navigation performance monitoring 필요성기능운항속도및경로결정날씨정보, 운항정보표시운항계획, 실제연료소모량운항효율체크표시운항경로수정추천경로표시 3.3 육상데이터모니터링시스템육상데이터모니터링시스템은선박내통합모니터링시스템으로부터정보를받아데이터베이스에저장하고육상에위치한지원인력이정보를활용할수있어야한다. 그러므로육상센터가지원하는선단에포함되어있는모든선박의현재위치를지도상에보여줄수있어야하며, 표시된선박들에대해항해, KPI, 장비유지보수 (maintenance) 정보를확인할수있는기능이포함되어야한다. 항해정보는선박의현재속도, 위치, 운항경로이며, KPI 는선박항해시간에따른엔진효율, 연료소모량이다. 장비유지보수정보는장비의성능저하나 고장에대한엔지니어의원격지원이력을저장해주는기능이다. 이때센터에위치한엔지니어가협업을통해문제를해결할수있도록장비성능모니터링과동일한통합커뮤니케이션기능이필요하다. 마지막으로선주가자신의선박에대해리포트 (report) 를요청하였을경우항해분석리포트를자동으로생성하여선주에게보내는기능도필요하다. 항해분석리포트의경우에는선박의운항효율을판단할수있도록항차별, 경로별연료소모량과 EEOI(Energy Efficiency Operation Indicator) 정보를포함해야하며, 장비의성능진단내용도포함하여장비에서발생할수있는문제들을사전에파악할수있도록지원해야한다. 육상데이터모니터링시스템에서필요한기능을정리하면 Table 3과같다. Table 3 Functional requirements of support center monitoring 필요성기능선단의운항정보모니터링항해, KPI 정보표시선박에서발생한장비고장문제장비유지보수이력정보표시해결선장, 선원과의협업메신저, 화면공유, 사진전송선주의항해리포트요청항해분석리포트자동생성 3.4 선주지원모니터링시스템선주지원모니터링시스템의경우에기본적인화면구성및기능은육상데이터모니터링시스템과동일하다. 다만, 육상데이터모니터링시스템의경우에는육상센터에서모니터링하는모든선박의정보를볼수있으나선주지원모니터링시스템은선주가보유한선박에대한정보만을화면상에보여주면된다. 또한선주는선박의모든정보를다볼필요가없기때문에선주가보고자하는중요정보만을화면상에보여줄수있도록시스템을구성되어야한다. 그리고선주가자신이보유한선박에대한주요정보들을장소의제약없이모니터링할수있도록모바일기기모니터링을지원해야한다. 선주지원모니터링시스템에서필요한기능을정리하면 Table 4와같다. Table 4 Functional requirements of ship owner support monitoring 필요성기능선주가보유한선박의운항정보선주가보유한선박에대해모니터링항해, KPI 일부정보표시장소제약없는모니터링모바일기기모니터링제공

4 4. 선박 정보 통합 모니터링 프레임워크 본 연구에서는 선박 통합 정보 모니터링 시스템을 Fig. 2와 같이 크게 선박 내 통합 모니터링 시스템(ship)과 육상 데이터 모니터링 시스템(onshore support center, office)으로 구성하였다. 선박 내 통합 모니터링 시스템은 MAPS(Maneuvering Aids and Positioning System), CAMS(Control and Monitoring System), CCTV와 같은 하위 시스템이나 장비로부터 운항 효율과 장비 성능에 관련된 정보를 실시간 데이터베이스로 수집한 뒤 이를 보여주는 장비 성능 모니터링과 항해 성능 모니터링 화면으로 구성된다. 또한, 선내 통신망에서 사용되는 모바일 기기에 통합 커뮤니케이션을 포함하였다. 실시간 데이터베이스는 3D viewer와 조기 경보 시스템(early warning system)과 연동된다. 육상 데이터 모니터링 시스템은 육상 센터에서 운항 선박의 정보를 모니터링 할 수 있도록 화면을 구성한다. 선주 지원 모니터링 시스템의 경우에는 육상 센터에 위치한 데이터베이스로부터 선주가 보유한 선박에 대한 정보를 화면 상에서 확인할 수 있도록 하였다. 엔터프라이즈 매니지먼트(management)로 구성된다. 프레젠테이션 영역(presentation tier)은 수집된 데이터를 모니터링 하는 부분으로 선박 내 통합 모니터링 시스템(ship) 부분과 육상 데이터 모니터링(center) 부분으로 구성된다. Fig. 3 Integrated information monitoring framework for ships 5. 선박 정보 통합 모니터링 프로토타입 선박 정보 통합 모니터링 프로토타입 개발 시 실선 적용을 위해 실제 선박 데이터를 취득하였다. 취득한 데이터는 성능 계산 기능 구현에 사용되었다. 데이터는 Fig.4의 블록수송선 메가패션(Mega Passion)호를 대상으로 총 5회에 걸쳐 MAPS, CAMS 데이터 및 연료 사용량 보고서를 수집하였다. Fig. 2 Integrated information monitoring diagram for ships 3절에서 분석한 기능을 기반으로 본 연구에서 제시하는 선박 통합 정보 모니터링 프레임워크는 Fig. 3과 같다. 데이터 영역(information tier)은 데이터베이스에 저장되는 모든 데이터들에 해당되는 부분으로 운항(operation) 및 성능(performance) 관련 데이터와 엔터프라이즈(enterprise) & 성능 지표(KPI, key Performance Index) 관련 데이터로 구분 된다. 플랫폼 영역(platform tier)은 통합 커뮤니케이션(unified communication), 장비의 성능을 계산하고 결과를 분석해주는 응용프로그램(application management)을 포함하고 있다. 또한, 응용프로그램의 보안 및 관리를 담당하는 엔터프라이즈 포탈(portal)과 Fig. 4 Mega Passion(block carrier) 3절에서 분석한 기능을 기반으로 개발한 선박 정보 통합 모니터링 프로토타입의 전체 모습은 Fig. 5와 같다. 좌측부터 각각 항해 성능 모니터링, 장비 성능 모니터링, 육상 데이터 모니터링, 선주 지원 모니터링의 화면이다.

5 데이터베이스로정보를전송하는기능, 5 자기위치유지 Fig. 5 Prototype of integrated information monitoring 5.1 선박내통합모니터링시스템 시스템관련장비의성능지표추이를확인하는기능항목이있어선택시해당기능을사용할수있게구성하였다. 중앙상단에는해당장비에대한 2D 미믹, 3D 모델, CCTV 화면연동기능을구현하였고, 중앙하단에는시스템의성능지표와환경변수, 장비성능과관련된수치들을표시한다. 본연구에서는자기위치유지시스템 (DPS, Dynamic Positioning System) 을대상으로관련장비및제어부의성능, 연료소모량등을고려하여새롭게제안된성능지표를적용하였고 (A Ra Jo et al., 2013), 프로토타입구현모습은 Fig. 7과같다 장비성능모니터링프로토타입 3.2.1에서분석한기능을기반으로개발한장비성능모니터링의프로토타입은 Fig. 6과같다. Fig. 7 Prototype of dynamic positioning system performance monitoring Fig. 6 Prototype of machinery performance monitoring system 좌측상단에서는선박의하위시스템을볼수있도록트리화면 (tree view) 를구성하였다. 본프로토타입에서는하위시스템중엔진 (engine), 발전기 (generator), 모터 (motor), 스러스터 (thruster) 를포함하는자기위치유지시스템 (dynamic positioning system) 을대상으로하였다. 좌측하단에는관련문서가링크되어있다. 화면상단은모니터링모드 (monitoring mode) 선택부분으로, 장비성능모니터링과항해성능모니터링사이의화면을전환한다. 우측상단에는 1 장비성능에문제가생겼을경우자동으로 alarm 을내주는기능, 2 화면공유및메신저기능, 3 선박내에서장비의성능저하나고장이발생했을때육상센터에원격지원을요청하는기능, 4 선박내설치된데이터베이스로부터육상센터에위치한 항해성능모니터링프로토타입 3.2.2에서분석된기능을바탕으로개발한항해성능모니터링의프로토타입은 Fig. 8과같다. 지도상에서는현재선박의위치및이동경로, 경로점의날씨정보와도착예정시간, 남은운항거리, 연료소모량등을볼수있다. 화면하단에서는선박의항해정보인선수각, 횡경사, 종경사, 속도, 위도 / 경도위치정보를실시간으로표시한다. 우측상단에는 1 선박항해정보를보여주는기능, 2 화면공유및메신저기능, 3 장비의성능저하나급격한날씨변화가발생했을경우이를알려주고, 이력을관리해주는기능, 4 항해계획과경로를보여주고현재날씨상태를고려하여추천경로를표시해주는기능, 5 운항효율과관련된성능지표를실시간으로표시해주는기능, 6 날씨정보를표시해주는기능항목이있어선택시해당기능을사용할수있게구성하였다.

6 5.3 선주지원모니터링시스템 Fig. 8 Prototype of navigation performance monitoring 3.4 에서분석된기능을바탕으로개발한선주지원모니터링시스템의프로토타입은 Fig. 10 과같다. 전체모습은육상데이터모니터링시스템과같은구조를하고있으며, 해당선주가권한이있는선박에대해서만일부정보를모니터링할수있도록지원하고있다. 특히, 선주지원모니터링시스템은선주가장소의제약없이모니터링할수있도록모바일기기에서도모니터링기능을지원하도록개발하였다. 5.2 육상데이터모니터링시스템 3.3 에서분석된기능을바탕으로개발한육상데이터모니터링시스템의프로토타입은 Fig. 9와같다. 지도상에는육상센터에서모니터링하는모든선박의현재위치와이동경로, 경로점마다날씨정보를표시한다. 지도상에표시된특정선박을선택했을경우에는선박메뉴 (ship menu) 창이나타나 1 선박의기본정보확인기능, 2 운항효율과관련된성능지표를실시간으로표시해주는기능, 3 선박으로부터원격지원요청이왔을경우유지보수수행및작업이력관리기능, 4 선박내통합정보모니터링화면공유기능, 5 해당선박의이동경로를표시해주는기능, 6 선박내설치된데이터베이스로부터육상센터에위치한데이터베이스로정보가전송되었을경우이를알려주는기능, 7 선주로부터리포트작성요청이왔을경우이를알려주고작성을지원해주는기능들을사용할수있게해준다. 우측상단에는앞서설명한기능들에대해모든선박을대상으로이력을표시해준다. Fig. 10 Prototype of ship owner support monitoring: (a) Monitoring view (b) Mobile view 6. 결론 본연구에서는선박통합정보모니터링시스템이갖추어야할기능분석을바탕으로설계한시스템의프레임워크를제안하였다. 또한, 프로토타입시스템을개발하여개념을보이고적용가능성을검토하였다. 이러한프레임워크를적용함으로써기존에분산되어있던정보들을통합된하나의화면에서모니터링가능하며, 이를통해선박의경제적이며효율적인운항을지원할수있을것이라기대된다. 감사의글 본연구는산업통상자원부조선해양IT 융합혁신센터융합협력과제의세부연구과제인 선박위치제어장치모니터링, 진단시스템기술개발 ( 과제번호 : I ) 의연구내용임을밝히는바이며연구수행에도움을주신관계자여러분께감사드립니다. Fig. 9 Prototype of support center monitoring 참고문헌

7 A Ra Jo, Kwang Phil Park, Jin Woo Choi, Study on Key Performance Index of Dynamic Positioning System Autumn Conference of Society of Naval Architects of Korea, Ulsan, Republic of Korea, 7-8 November Bjorn K Haugland, The Sustainability Revolution. 11th Annual Digital Ship Scandinavia Conference, Bergen, Norway, 5-6 March Digital Ship, kongsberg-information-management-system-onallure EDAILY, &SCD=DC15&DCD=A00205 gcaptain, ce/ Motor Ship, extends-use-of-classnk-software The Korea Ship News, ection=sc2&section2= 종합 The Society of Naval Architects of Korea, Warship. Textbooks. Young-Sik Jang, Smart Ships: Economic, Eco-Friendly, Safe and Efficient. 12th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Changwon, Republic of Korea, October 2013.