GT2017-EU08 2017. 10. 12 글로벌기술협력기반육성사업 (GT) 심층분석보고서 유럽의스마트선박기술및정책동향
목 차 주요내용요약 1 Ⅰ. 스마트선박 2 1. 스마트선박의개요 2. 스마트선박의등장배경 3. 스마트선박의이점 4. 스마트선박의미래 5. 스마트선박의당면과제 6. 스마트선박기술적용분야 Ⅱ. 자율운항선박 13 1. 용어의정의 2. 타분야의자동화기술 3. 조선 / 해양분야에서이미사용되고있는자동화기술 4. 자율운항선박의역사 5. 자율운항선박의이점 Ⅲ. 디지털트윈 21 1. 개요 2. 디지털트윈에대한주요인사들의발언 3. 디지털트윈의등장 4. 디지털트윈의활용분야 Ⅳ. 선박연결성 27 1. 개요 2. 선박연결성을위한기술들 3. 선박연결성의활용분야 Ⅴ. 유럽의주요무인선박프로젝트 37 1. EU MUNIN Project 2. DNV-GL ReVolt Project 3. AAWA Project 4. SIMAROS Project 5. ROMAS Project 6. AUTOSEA Project Ⅵ. 결론 68
주요내용요약 스마트선박 o 제4차산업혁명의영향으로조선해양산업에도다양한디지털기술과자동화기술들이활용되고있으며, 선박에사용되는이러한기술의발달로인해자동화시스템, 시스템모니터링, 시스템관리및데이터통신기능을갖춘선박인이른바 스마트선박 의개념이등장하였음. 자율운항선박 o 자율운항선박은자동화된내비게이션과의사결정을내릴수있는로직시스템및통합센서시스템을탑재하여선박주변의상황을스스로인식하고자율적으로운항하는선박을의미하며, 자율운항선박의이점은다음과같음. - 거주구의제거로인한화물적재공간 / 중량증가, 저항감소, 전력소모감소 - 선원의인건비가소요되지않기때문에경제적인저속운항가능 - 악천후나해적의위협으로부터선원의안전보장 디지털트윈 o 실제선박의모든시스템을가상의공간에재현한디지털사본인디지털트윈은선박건설이전뿐만아니라선박의수명주기전반에걸쳐선박및시스템의안전성과성능등선박의모든측면을을평가할수있는가상의테스트벤치를제공함. 선박연결성 o 통신기술발달로인한선박의연결성을통해육상의전문지식과향상된계산능력을이용한데이터분석을지원함으로써선박에필요한의사결정을지원할수있고해안에서선박의기능을원격으로제어할수있는가능성도제공함. 유럽의주요무인선박프로젝트 o EU MUNIN Project (2012년 ~ 2015년 ) o DNV-GL ReVolt Project o 핀란드의 AAWA Project (2015년 ~ 2017년 ) o 노르웨이의 SIMAROS Project (2017년 ~ 2019년 ) o 노르웨이의 ROMAS Project (2017년 ~ 2019년 ) o 노르웨이의 AUTOSEA Project (2015년 ~ 2019년 ) 스마트선박의개발을위해서는디지털기술뿐만아니라다음과같은기존의전통적인 조선해양공학분야의연구도동시에수반되어야함. - 1 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 I 스마트선박 1) 1. 스마트선박의개요 스마트선박은조선해운업계의차세대기술혁명으로널리논의되고있음. o 제조산업에서 제 4 차산업혁명 이라는용어는기계의관리, 최적화및제어를위해 스마트장치 가사람의역할을대체하는방법을의미함. o 소비자기술분야에서는이를 The Internet of Things (IoT) 라고부르며센서와디지털기술을사용하여개인의행동과습관을매핑하고자동화하여각개인의일상생활을개선하기위해사용됨. 이러한맥락에서스마트선박은센서, 로봇, 빅데이터, 첨단소재, 통신및위성과같은기술을활용하고개발하는포괄적인의미로해석할수있음. - 2 -
미국선급협회 (American Bureau of Shipping, ABS) 에서는스마트선박을 상당한수준의 자동화시스템, 시스템모니터링, 시스템관리, 데이터통신을갖춘선박 으로정의함. o 완전자동화되어있는선박, 혹은사람의개입없이자율적으로작동할수있는선박모두 스마트선박의일종으로분류하고있음. 최신선박관련기술을소개하는 Ship Efficiency Review 매거진의저널리스트인 Fiona Macdonald 는스마트선박을구성하는 10 가지의요소를다음과같이정의함. o 상태모니터링 (Condition Monitoring) 상태모니터링은고정된기간에무조건유지관리를수행하는것이아니라 데이터를기 반으로시스템의상태를분석하여유지관리의일정을최적화하는것임 o 스마트센서 스마트센서를통해수집된정보는전문가에게전달되어분석하거나 혹은향후사용을 위해클라우드에저장할수도있음 o 지속적인배기가스모니터링 배기가스를절감하기위한세정기 혹은선택적촉매환원 시스템의지속적인모니터링을통해배기가스절감시스템의기능에대한실시간디지털피드백을제공하여 항상최고의효율성을구현함 o 자동평형수처리시스템. 선박의평형수처리시스템 (Ballast Water Treatment System, BWTS) 이최적의효율을 낼수있도록몰의흐름과기타조건들을자동으로조정하여선원의개입을최소화함. o 위성통신 위성통신은선박과육상간의실시간데이터전송을가능하게함. 위성통신을통한선박내인터넷사용은선원의복지를향상시킬뿐만아니라, 선원의교육과훈련에도이용할수있음. o 사이버보안관리 선박으로부터수집 전송되는다양한데이터는업계에큰이익을가져다주지만사이버해커들에게는공격을당할위험이있음. 따라서스마트선박에는이러한사이버위협에대처할수있는시스템이필요함 o 날씨모니터링 선원의개입없이스마트선박스스로기상조건을모니터링하고정기적인업데이트를 - 3 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 통해선박의항로에맞는최적화된경로를결정함 o 추진시스템모니터링 추진시스템의진동에영향을미치는미세한변화를모니터링하여프로펠러의진동을 최소화할수있는작동조건을결정함 o 스마트브리지기술 스마트선박의통합브리지시스템은모든시스템을결합하여선박에서이루어지는다양 한작업을중앙에서모니터링하고각각의시스템의효율성을극대화함 o 빅데이터 선박의성능과운영과관련된모든데이터의수집과분석기술은향후선박을설계하고 운영하는방식에혁명을일으킬수있음 - 4 -
2. 스마트선박등장배경 논란의여지가있지만, 거시적인관점에서스마트선박의개념은약 1 세기전으로거슬러 올라갈수있음. 디젤엔진을장착한선박은석탄을연료로하는선박보다더 스마트 하다고할수있는 데, 이는용광로에석탄을공급하는 firemen 이라는선원이디젤엔진을장착한선박에 는더이상필요없기때문임. 현재의자동화 / 무인화기술은선박성능모니터링또는기상루팅과같은데이터기반서비 스를가능하게하였는데, 이로인해본격적인의미의스마트선박이등장함. o 사람과기계는언제어디서나연결되며 작은구성요소하나하나가각각고유한 주소를 가지기때문에인터넷을통해통신하고제어할수있음 저렴하고작은사이즈의센서의 개발을통해보다광범위한모니터링이용이해짐 o 디지털기술의사용을통해인적오류를피하고새로운운영방식 사용자편의성및효과 적이고능률적인서비스의제공이가능함 하지만, 디지털기술과자동화의많은이점중에아직선박에적용되지않은부문이있음. o 과거에비해훨씬더효율적인엔진을보유하고있어보다큰선박을건조할수있음. o 반면, 선박을관리, 운영및유지하는방식은아직디지털기술과자동화의모든이점을적용하지않고있음. 선박시스템은점점더복잡해지고있으며 선박의운항사들은이러한복잡한선박시스템을관리하기위한기술이부족하게될것을우려하고있음 선박운항사들은아직까지도계속해서증가하고있는각종서류와데이터처리에어려움을겪고있음 스마트선박은이러한문제점들을해결하고디지털기술과자동화의이점을선박에적용시 키는것을주목적으로하고있으나, 이미자동차, 우주항공및가전제품에서주류로간주 되고있는기술디지털 / 자동화기술들은아직선박에거의적용되지않고있는실정임. 스마트선박이등장하게된배경은크게다음의세가지로정리할수있음. o 관련기술의발전 - 스마트선박개발에필요한비용대비효율적인기술들은이미존재하고있음. - 크기는지갑정도이고가격은 200 달러미만인스마트폰은이미가속도계, 자이로스코프, - 5 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 자기나침반, GPS, 기압계, 온도계, 습도계등의센서들과완벽하게연결되어있는하나 의컴퓨터임. - 상업용항공기는이미조종사의개입없이자율적으로비행가능함. o 조선 / 해양관련기술자및선원의부족현상 - 현재지구상에는 104,000 개가넘는해양상선이있으며, 고도의자격을갖춘선박선원의부족에대한우려가커지고있음. - 특히, 환경관련규제로인해선박이더욱복잡해짐에따라이러한기술인력의부족현상이더욱심화되고있음. - 예를들어, 가스관련엔지니어의부족은선박의연료를가스로전환하는데있어서가장큰장애중의하나로지적되고있음. - 스마트선박은단순히선박에서선원들을없애는것이아니라, 선박의선원들을지상에있는다양한전문가들과효과적으로연결시켜주는것임. - 지상전문가들은스마트선박을통해선박의선원들에게적절한지원을제공할수있게되고, 결과적으로선원들은지상전문가들의도움을바탕으로적절한의사결정을내릴수있음. o 물리적인선박기술의한계 - 선박의물리적기술 ( 엔진, 선체, 추진등 ) 을통해향상시킬수있는효율은이미한계에다다랐을가능성이있음. - 스마트선박기술은물리적인선박기술이제공할수없는더높은효율성을제공할수있는잠재력을가지고있음. - 앞으로건조될선박의약 10% 정도가스마트선박이될것임. 3. 스마트선박의이점 스마트선박의개발로인한이점은아래의그림과같이크게 10 가지로정리할수있음. (1) 디지털화, 빅데이터의수집및분석, 향상된통신기술등으로인해선박의관리에필요한자원과인력의감소 (2) 스마트선박과관련된새로운서비스산업의창출과새로운시장개척기회 (3) 새로운형태의선박운영에적합한합리적이고능률적인선박의규정신설 (4) 선박의운영중실시간으로사실기반의의사결정지원가능 (5) 빅데이터의수집 / 분석을통해선박의설계및건조에선박운항데이터활용 (6) 효율적인선박의컴플라이언스모니터링과시행이가능해짐에따라, 직접선박에승선하여검사할필요성이감소함 (7) 인적오류의최소화를통한위험관리 - 6 -
(8) 상태기반모니터링을통한선박의유지 / 보수최적화 (9) 조선 / 해양분야에서의새로운커리어의전문가가등장하고, 조선 / 해양업계가이러한새로운세대의전문가들과함께기술의격차를줄임 (10) 선박성능데이터및주변환경데이터를이용한선박운영최적화 4. 스마트선박의미래 스마트선박의미래는크게단기적인측면과중장기적인측면으로예측할수있음. o 단기적측면 - 디지털선박에서지능형선박으로진화 - 발전된통신기술을통해빅데이터를수집하고이를분석하기위한분석기술개발 - 분석된빅데이터를활용하여선박의설계, 운영및유지보수에지능형 / 실시간의사결정시스템을도입 o 중장기적측면 - 지능형선박에서자율적인선박으로진화 - 선박의선원을대체하기위한센서및로봇공학기술의이용 - 7 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 반자동선박 ( 예를들어, 선원이필요하지않은자동화된엔진룸 ) 운항 - 원격제어선박혹은완전자율운항선박의운항 5. 스마트선박의당면과제 사이버보안 (Cybersecurity) o 선박운영및관리와관련된모든정보를원격으로전송하고시스템을원격으로조종하면 현재의상업용선박운항이부적절한사이버보안위험에노출될수있음. o 선박운영의기술, 재무, 평판및규제관련위험은다음으로부터발생할수있음 - 주요한기계, 유지보수계획, 상업및규제관련데이터의노출 - 원격으로작동되는선박의장비 ( 또는선박 ) o 규제당국은이분야의모든이해관계자에게지원을제공하는데중요한역할을담당하 여사이버보안의위험을미연에예방해야함. - 8 -
일자리창출또는일자리손실 o 스마트선박관련신기술은새로운기술에대한수요를창출하게될것이지만, 한편으로는자동화기술의효율성으로인해다른기술발전과마찬가지로일부조선 / 해양관련일부직업들이사라질수있음. 스마트선박의데이터그리드엔지니어, 원격자동화엔지니어, 육상지원전문가또는사이버공격전문가등의직업에대한새로운수요가예상됨. o 스마트선박으로인해결과적으로조선 / 해양분야의일자리가전체적으로증가할지감소할 지는아직예측하기어려우나, 스마트선박관련새로운기술들의개발과적용은이미피 할수없는상황임. - 9 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 보수주의 o 서류작업이왕 인조선 / 해양산업에서디지털혁명은저항에부딪힐수있으나, 조선 / 해양전문가들과경영진에새로운 스마트폰세대 가등장하면서디지털혁명으로의변화가더자연스러워질것으로예상됨. 스마트선박기술은조선 / 해양산업내에서많은관료적인프로세스와절차를개선할수있음. 역동적인선박의운항은새로운운영의접근법을필요로함. o 스마트선박기술의실제적용을가능하게하기위해서는모든이해관계자들이디지털화 와자동화에대한새로운인식을가질필요가있음. 규제프레임워크 o 선박의설계, 건조및운항에관한규정의관점에서볼때조선해양업계는디지털혁명에적합하지않아보일수도있음. 선박규정의발전은리드타임이굉장히길고, 종종기술개발을이끌기보다는오히려기술의개발에끌려가기도함. 따라서자율운항선박이나사이버보안과관련한규정에대한논의는쉽지않을것으로예상됨. o 스마트선박과연관된여러이해관계자들이다음과같은노력을통해이러한문제를해결할수있음. 전문가위원회와패널등을창설하여지속적인논의를진행하고, 국제기구를통한스마트선박기술개발에대한법률적지원을제공해야함. 6. 스마트선박기술적용분야 2) 스마트선박기술적용분야는크게다음의 6 가지로구분할수있음. o Data to value - 선박운항에서발생하는빅데이터를수집하고분석하여선박의설계 / 건조에활용 o Integrated transport systems - 육상과해상운송을하나의통합된시스템으로관리 고문헌 : Rolls-Royce (2016), Smart Ships of the Future - 10 -
o Transparent business performance - 정보통신기술을활용한투명한비즈니스성과공개 o Automated and Streamlined functions - 디지털기술과인공지능등을활용한선박시스템의무인화및자동화 o Personnel management - 정보통신기술을활용한효율적인인력관리 o Health and performance - 센서및통신기술을활용한상태기반유지보수 본보고서에서는위의스마트선박관련기술분야중최근가장활발하게연구가진행중 인 Automated and Streamlined functions 과관련된다음의세가지기술에대해더욱 상세한조사를수행하였음. o 자율운항선박 (Autonomous ship) 각종센서와자동운항시스템을통해인간의개입없이스스로정해진임무를수행하는 선박 o 디지털트윈 (Digital twin) - 사이버공간에실제선박과동일한가상의선박을구현하여선박의초기설계부터건조, 운영에이르는수명주기전반에걸쳐활용 - 11 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 o 선박연결성 (Ship connectivity) - 센서, 통신기술, 데이터분석기술등의발달로인해상태기반모니터링, 지상으로부터 의의사결정지원, 선박의원격조정등이가능 - 12 -
II 자울운항선박 3) 1. 용어의정의 자율운항선박 (Autonomous ship) o 아래의시스템과기능을갖추어사람의개입없이스스로작동할수있는선박 (ABS) 을의미함. - 자동화된내비게이션시스템, 추진시스템및보조시스템 - 예정된임무를수행하기위한의사결정을내릴수있는로직시스템 - 주변환경감지기능 - 감지된주변환경에맞게스스로임무를재조정 자율성 (Autonomy) o 외부의통제나영향으로부터자유롭게스스로통제할수있는능력 ; 독립성을의미함. o 영국의로이드선급협회 (Lloyd s Register) 에서는선박의자율성을아래와같이총 7개의단계로구분함. - 자율성 0 단계 : 자율기능없음. 사람이모든작업을직접수행하고의사결정또한사람에의해직접이루어짐. - 자율성 1 단계 : 선박의내부에서모든의사결정과정이이루어짐. 모든의사결정은사람에의해서이루어지지만, 선박에설치된시스템들이각종정보를제공하여사람의의사결정에영향을미침. - 자율성 2 단계 : 선박내부와외부에서의사결정과정이이루어짐. 모든의사결정은사람에의해서이루어지며, 선박에설치된시스템뿐만아니라육상의시스템 / 전문가들이의사결정에영향을미칠수있는정보를제공함. - 자율성 3 단계 : 인간의감독하에작업과의사결정이이루어짐. 의사결정에필요한정보는선박의내부와외부에서모두제공함. - 자율성 4 단계 : 인간의감독하에선박이스스로작업과의사결정을수행함. 영향력이큰의사결정은사람이중재하거나무효화할수있음. - 자율성 5 단계 : 완전자율. 시스템에의해모든작업과의사결정이전적으로이루어지며, 사람의감독이거의필요하지않음. - 자율성 6 단계 : 완전자율. 사람의개입이전혀없이선박스스로임무를수행함. 3) 참고문헌 : DNV-GL (2013), Towards Unmanned Ships / Rolls-Royce (2016), Autonomouse Ships / ABS (2016), Autonomous Vessels: ABS Classification Perspective / Kongsberg (2016), Autonomi i havrommet / Rolls-Royce (2016), Autonomous ships: The next step - 13 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 2. 타분야의무인화기술 조선 / 해양이외의여러분야에서이미다양한자동화 / 무인화기술이개발되고있음. 자율주행자동차 o 1939년 : 세계박람회 (GM 파빌리온 ) 에서자동화된고속도로모델공개 o 1997년 : 캘리포니아의지능형고속도록프로토타입시스템개발 o 1994년 ~2001년 : Ernst Dickmanns 교수의보는시각을갖춘자동차 (seeing car) 개발 o 2014년 : Google 사의무인자동차개발 - 14 -
무인전투기 (Unmanned Combat Aerial Vehicle, UCAV) o 2001년부터프로토타입개발을시작하여아래와같은기능을보유함. - 인공지능을통한자율비행 - 이륙과착륙모두자동화 - 인공지능을통해스스로편대비행가능 - 새로운시나리오를감지하고평가 3. 조선 / 해양분야에서이미사용되고있는무인화기술 자율운항선박에대한논의가이루어지기이전에이미조선 / 해양분야에서는다양한자동 화및무인화기술이사용되고있음. o 수중로봇 (Underwater robots) 수중로봇은작동수심이나주변환경에따라원격조종이불가능한경우도있기때문에일부분자동화기술이적용되어왔음. 수중로봇과선박의차이점중하나는선박은 3 자유도운동을하는반면, 수중로봇은 6자유도운동을한다는점임. 또한수중로봇은타선박혹은구조물과의충돌위험이거의없기때문에국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO) 의 COLREG (Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea) 적용대상이아님. 수중로봇의대대분의임무는몇시간이내의단기적인임무이기때문에유지보수의자동화는필요하지않음. - 15 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 수중로봇은크게다음의두가지부류로분류됨. ROV: Remotely Operated Vehicle AUC: Autonomous Underwater Vehicle o Unmanned Surface Vessel(USV) 해양학에서연구용으로사용하는 USV의경우아래와같은특징을보유하고있음. 다른선박과의충돌을피하기위해매우느린속력으로이동함 엔진혹은추력시스템이없음 임무수행기간이매우길지만유지보수는자동으로이루어지지않음. 따라서유지보수의간격이매우긴편임 군용으로사용하는 USV는아래와같은특징이있음. 주로수시간이내의단기임무를수행하기때문에유지보수에문제가없음 센서및컴퓨터설치를위한공간에제약이많음 국제해사기구의규정이적용되지않음 일반화물선보다속도가빠르고조작이용이함 - 16 -
o 세일링로봇 로봇요트는인간의통제또는개입없이임의의주어진목표물을자율적으로탐색할수있으며, 고도로역동적인해상환경에서운항해야하기때문에끊임없이변화하는환경조건에신속하게대응하여선박을자동으로제어함. 컴퓨터, 파워및센서를위한중량제한이매우코고, 레이더와같은표준해상장비를사용할수없다는특징이있음. - 17 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 4. 자율운항선박의역사 1980 년 2010 년대 o 일본의지능형선박프로젝트 선원의도움없이작동할수있는지능형선박개발을목표로하였으며, 부분적으로의 미있는성과를이룸. o 1994년 : Kai Levander 교수 연안선박운항에선원없는선박개념소개. GPS 체인을이용하여육상의관제소에서선박을유도하면선상에는선원이없이도선박의운항이가능함을강조. 선박이항구에접근할때에는주변선박과의충돌방지를위해기존과같이도선사가승선하여선박을조종하는개념소개. o 1996년 : Bertam & Kaeding 인공지능과원격조종을결합한무인선박의개념을소개. 기술적으로는선박조종의무인화가가능했으나, 선박의운항도중발생할수있는유지보수의문제등으로인해경제적으로큰이점이없었음. 2010 년 현재 o 2012년 : MUNIN 프로젝트 유럽연합에서무인선박개발을위해 Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks (MUNIN) 프로젝트를수행. 무인상선의운영기술을개발하고기술적, 경제적및법적타당성을평가함. o 2013 년 : Oskar Levander (Rolls-Royce) 인공지능과원격조종기술을결합하여무인컨테이너선박개발을목표로함. 적용되는기술이새로울뿐, 기본적으로는 1994 년과동일한개념을적용. o 2014년 : Revolt 프로젝트 DNV-GL에서노르웨이해역에서운항할무인컨테이너선박개발프로젝트를개시함. 현존하는무인화및자동화기술들을활용하면무인컨테이너선박의건조와운영에는문제가없을것임을강조함. o 2015 년 : AAWA 프로젝트 - 18 -
핀란드에서는자동화선박개발을위해 Advanced Autonomous Waterborne Applications Initiative (AAWA) 프로젝트에착수. 선박의내비게이션, 추진시스템및선상의모든운영시스템의자율운영및원격조종에대한기술개발을목표로함. o 2017 년 : SIMAROS 프로젝트, ROMAS 프로젝트, AUTOSEA 프로젝트등이진행중임. 5. 자율운항선박의이점 선박의무인화및자동화를이룰경우얻을수있는이점들은크게경제적인측면과안전 의측면으로나눌수있음. o 경제적인측면에서의이점 - 선원의거주구역이필요하지않기때문에선박의무게를줄일수있고화물의적재량도늘릴수있음 ( 약 700 ~ 1,000톤의중량감소 ). - 거주구역을제거함으로써선박이받는공기저항감소 ( 전체선박저항의약 1% 감소 ). - 선원의생활을위한시스템이필요하지않기때문에전력소모가줄어듦 ( 약 200 ~ 270kW 감소 ). - 20,000dwt의일반상선을무인화하면전체적으로약 22% 의운항비를절감할수있음. - 19 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 o 안전측면 - 악천후등위험한환경에서의선박운항에사람이직접적으로노출되지않으며, 사람의실수로인한대형사고를예방할수있음. - 또한무인선박은해적으로부터공격을당했을때인명피해가발생하지않으며, 해적이선원을인질로하여인질의몸값을요구하는상황이발생하지않음. - 20 -
III 디지털트윈 4) 1. 개요 디지털트윈 (Digital Twin) 이란? o 디지털트윈은실제선박의모든시스템을가상의공간에재현한디지털사본임. o 디지털트윈을통해선박건설이전뿐만아니라선박의수명주기전반에걸쳐시스템의 안전성과성능등선박의모든측면을평가할수있는가상의테스트벤치를구축할수 있음. o 디지털트윈은선박의라이프사이클전반에걸쳐선박에서사용가능한모든정보와선박의모델을결합함. 디지털트윈환경에서는시스템설계, 효율적인보증및검증서비스, 시뮬레이터기반테스트및가상시스템통합, 심층통찰력및예측의생성등이론적으로끝없는다양한작업을수행할수있음. o 디지털트윈에는다양한디지털모델과선박에관련된정보및프로세스모델이포함됨. 선박의데이터는 3D 모델, 동적및이산시뮬레이션모델, 가상화된제어시스템및통신네트워크, 분석모델, 데이터모델, 센서데이터, 관계데이터, 프로세스데이터및문서화된보고서와같은디지털정보의형태로생성됨. o 이러한데이터를공급받은디지털트윈은의사결정권자가다양한의사결정옵션을미리시험해볼수있는시뮬레이션을제공할수있으며, 현실세계에서더많은경험적증거가축적됨에따라디지털트윈의모델은보다예측력이높아져위험을미리피하고수익성을극대화하는데기여할수있게됨. 4) 참고문헌 : DNV-GL (2017), DIGITAL TWINS AT WORK IN MARITIME AND ENERGY Rolly-Royce (2017), DIGITAL TWINS - 21 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 2. 디지털트윈에대한주요인사들의발언 Rolls-Royce 사의 Digital & Systems 이사인 Asbjørn Skaro는 이디지털트윈플랫폼을통해실제선박의디지털사본을구축할수있게되었으며, 이는새로운조선해양시스템의개념을설계, 건설, 검증및운영하는참신한방법의기초를형성하게될것입니다. 라고언급함. DNV-GL의사장겸 CEO 인 Remi Eriksen은디지털트윈기술에대해다음과같이평가하였음. 우리는점점더많은 IT 기술이선박에적용되는새로운시대로들어서고있습니다. 정보흐름의디지털화는안전및환경성능에긍정적인영향을미치고있으며, 가상환경에서선박및선박기술을재현함으로써짧은시간내에새로운아이디어와기술을구현하고테스트할수있습니다. 이와같은플랫폼은미래의선급서비스를위한기반을형성할수있습니다. NTNU의 Hans Petter Hildre 교수는 디지털트윈을사용하면시뮬레이션기반의작업방식을통해최종솔루션을선택하기전에여러개념을쉽게테스트할수있습니다. 또한전체가치사슬에서디지털모델을재사용하면비용절감에도기여할것입니다. 라고디지털트윈을평가하였음. SINTEF Ocean의 Henning Borgen 사장은 디지털트윈은디지털기술이우리의가장중요한해양공간산업을보다효율적으로만드는데어떻게기여할수있는지를보여주는매우구체적인예입니다. 저는우리가이산업혁명에기여하는데필요한지식과자료를갖고있으며, 이새로운기술의일부가되기를기대합니다. 라고언급함. 3. 디지털트윈의등장 디지털트윈은새로운개념이아님. o 미공군과마세라티와같은자동차제조사는장비및부품조달에서부터설계, 제조및운 영에이르기까지비용과시간을줄이기위해디지털트윈을사용해왔음. o GE (General Electric) 와같은장비제조업체는핵심비즈니스프로세스를수행하는데있어 디지털트윈에점점더의존하고있음. o 독일의규정에따르면풍력터빈의설치이전에사전시뮬레이션이의무화되어있으며, 풍 력발전소인증프로세스에서디지털트윈의사용을의무화하고있음. - 22 -
새로개발된기술의국제표준및국가표준준수여부를입증하기위한디지털트윈의잠 재력은이미여러다른산업에서확인되었음. 디지털혁명의일환으로조선해양산업은소프트웨어중심의사이버물리적시스템에점 점더의존하게되었으며, 이러한발전의연장선상에서자동차산업의자율주행자동차개 발은조선해양업계의무인선박개발에까지영향을미치고있음. 사이버물리적시스템이많이사용되는선박의경우, 도면이나문서를검토하는것만으로는 안전성, 안정성또는가용성과같은주요속성을확인할수없으며, 개별구성요소및하 위시스템을분석한이후그결과를통합하여선박전체의상태를확인할수도없음. o 구성요소와하위시스템이통합되어상위시스템을형성할때발생하는새로운특성을 파악하기위해서는새로운검토시스템이필요함. o 디지털트윈은시뮬레이션된환경에서광범위한테스트와검증이가능한시스템이므로, 이러한새로운검토시스템으로사용될수있음. 디지털트윈의리스크모델과데이터분석을결합하는예비작업은이미완료되어있음. - 23 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 4. 디지털트윈의활용분야 향상된보안및안전성 o 디지털트윈은사이버물리적시스템의적용이증가하고선박의연결성이증대됨에따라사이버보안위협에대한높은수준의우려를해결하는데도움이될수있음. 기업 IT 및 OT 시스템은각기업의사물인터넷을통해더많은외부네트워크에노출되고있으며더많은자산이원격으로감독, 제어및유지관리되고있음. o 의도적인사이버공격과같은외부사이버보안위협과시스템의복잡성으로인해발생하는통합시스템내의내부사이버위협을관리하는데디지털트윈이사용될수있음. - 프로젝트초기단계에서위험을관리하고, 선박의건조및운영중에위험이노출되는것을방지하기위해, 사전에시뮬레이션을기반으로테스트하고검증하면이러한위협을사전에관리할수있음. o 디지털트윈이많은산업분야에서중요한공장, 장비, 제어시스템및프로세스에사용되 는데에는그리오래걸리지않을것으로예상됨. 조선분야에서디지털트윈의활용가능성 o 10 년이내에가상선박은선박및선박시스템의시운전, 설계, 운영및유지관리하는표 - 24 -
준방법이될것임. - 선박제어시스템은디지털트윈에서사용가능한하나의응용프로그램임. - 실제제어시스템소프트웨어는가상통합, 테스트및검증을위해실제선박과동일하게디지털트윈선박에설치할수있음. - 가상선박은모든선상의장비및기계장치, 네트워크및제어시스템을포함하는시뮬레이터이며, 이모든것이실제물리적인공간에서와동일하게사이버공간에통합되어있음. - 디지털트윈의제어시스템은현실과동일한조건에서선박의성능을테스트하고시뮬레이션할수있음. o 선박의라이프사이클전반에걸쳐제어시스템소프트웨어에디지털트윈을사용하면불필요한비용의지출을피하고위험을일찍예방할수있음. 또한디지털트윈은선박에새로운시스템을적용하거나시스템상호운용성을개선하여시스템성능을향상시키는데에도사용될수있음. o 제어시스템소프트웨어이외에도디지털트윈은선박의시스템과각구성부품, 그리고선박선체에도사용될수있음. - 예를들어, 선박의선체에설치된센서가선박이항해하는동안다양한기상조건에서선체의데이터를디지털트윈으로전송하여실제선박과디지털트윈간의선체를서로상호연결시킬수있음. - 이렇게디지털트윈에구현된선박의선체모델을이용하여다양한기상조건에서선박이운행되는방식을운영자가개선할수있고, 경우에따라서는선박의운영을제한해야하는이유와방법을시뮬레이션할수있음. - 25 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 해양분야에서디지털트윈의활용가능성 o 가상현실세계에 30,000 톤짜리의거대하고역동적인선박을완벽하게묘사하는것은쉽 지않은일이나, 최근 IT 기술의발전은이를가능하게하고있음. o 컨셉개발에서부터설계, 건조, 운송, 설치, 후크업및시운전, 운영및최종해체로이어지 는해양플랫폼의전체라이프사이클에서디지털트윈은여러이점을제공함. o 디지털트윈은사물인터넷 (IoT) 기술을통해수집된정보를분석하여선박의작동상태에대해쉽게이해할수있는동적이고업데이트된정보를제공함. - 가상세계에구현된해양플랫폼은물리적구조물, 건조검사및인수테스트, 플랫폼운영프로세스상태, 생산수요내역및예측, 위험수준, 잔여수명예측및구조적신뢰성과같은모든자산정보를제공할수있음. - 여러정보소스의실시간정보를디지털트윈에포함시키면, 동적베리어관리, 안전관리의단계적개선및값비싼검사및유지관리일정의최적화를지원할수있음. - 또한문서의분실이나불완전한문서등과같은석유산업의일반적인문제도디지털트윈을통해해결할수있음. o 디지털트윈은기업자산관리및설계소프트웨어에대한사업자의기존시스템을활용 하여이들의정보에직접연결하고최신정보를업데이트하는방식으로안전하게실행됨. o 해양플랫폼의운용을예상치못하게중단하는경우하루에대략 200만 ~ 500만달러의손실이발생하는데, 디지털트윈을해양플랫폼에사용하면이러한경제적손실을방지하고이윤을높일수있음. - 해양플랫폼에서발생하는사고의약절반은디지털트윈을사영하여조기경보시스템을제공하면예방할수있는종류의기계고장으로인한것임. - DNV-GL의환경리스크관리부서기술리더인 Øyvind Endresen에의하면불충분한해양플랫폼의정보관리로인해불필요하게발생하는비용은전체플랫폼운영예산의약 5분의 1을차지함. - 현재낮은석유가격으로인해해양플랫폼의운영에압박이가해지면이러한불필요한비용이플랫폼운영에치명적으로작용할수있음. o 온실가스배출감축에대한높은목표를가진파리협정은모든산업분야에서온실가스의배출량을저감할것을요구하고있음. - 디지털트윈은다양한온실가스절감기술중에서가장비용효율적인전략을식별하고평가하는데사용될수있음. - 자산의라이프사이클전반에걸쳐온실가스배출량에대한이해를향상시킴으로써기업들은온실가스관련리스크를보다효율적으로관리할수있음. - 26 -
IV 선박연결성 5) 1. 개요 전통적으로배가항구를떠난후에는해안과의통신으로부터격리되었음. 이러한현상은 20 세기초반에선박에무선통신장비가도입될때까지유지되었으며, 그이후로해안간통 신의수용력과적용범위가점진적으로발전함. 선박간통신의초기기능은항해및안전목적으로사용되었으며음성, 모스및텔렉스로제한되었음. 이러한시스템의기능과적용범위는 20세기동안점진적으로발전했으며 1990 년대에는 GMDSS (Global Maritime Distress Safety System) 가조난경보를지원하기위해위성통신및간단하면서도효과적인디지털메시징을도입하였음. 디지털통신의초기기능은제한적이었지만완전히다른기술의등장으로인해전례없는 통신기능의향상을이끌었으며, 위성광대역시스템은다양한상업적및레저용도로점점 더많이사용되고있음. 선박의연결성은선박간의의사소통뿐만아니라, 선박으로부터전송되는데이터를포함하는개념임. 현재선박에는방대한양의다양한데이터가여러소스로부터생성되고있음. 선상시스템의대부분은선박의일상운항중의사결정을위한중요한보조장치로서, 데이터를수집하고선원에게이를제공하기위한목적으로설계되었음. 5) 참고문헌 : DNV-GL (2015), Ship Connectivity - 27 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 센서, 통신및데이터분석분야에서의혁명의결과로, 현재우리는선상에서생성되고있 는데이터를육상으로전달할수있는통신인프라를구현할수있게되었으며, 결과적으로 연결된선박 을보유하게되었음. 선박의연결성을통해육상의전문지식과향상된계산능력을이용한데이터분석을지원 함으로써선박에필요한의사결정을지원할수있고해안에서선박의기능을원격으로제 어할수있는가능성도제공함. 우리는현재선박의위치와관계없이상당한속도로선박에서해안으로그리고역방향으로정보를전송할수있는디지털신호를사용한선박통신분야의단계적인변화를경험하고있음. 선박연결의시대는이미우리눈앞에펼쳐져있으며, 향후선박운영에극적인영향을미칠것임. 2. 선박연결성을위한기술들 통신중개시스템 (Communication Broker) o 조선해양산업에서다양한통신옵션을사용할수있게됨에따라다양한기능과특성을지닌여러통신시스템으로부터처리되는정보를통합하고관리하는통신중개응용시스템이필요함. - 통신중개시스템은통신의가용성, 비용, 대역폭, 대기시간, 데이터의크기, 긴급성, 우선순위등과같은항목을평가하여어느통신망을사용할지를자동으로선택함. - 예를들어, 통신중개시스템은용량이작고긴급한데이터메시지는이용가능한통신망을이용하여즉시전송하고, 긴급하지않으며용량이큰데이터의경우이용가격이저렴한광대역통신망이사용가능해질때까지데이터의전송을연기할수있음. o 중개시스템의기능에는다양한애플리케이션에사용가능한광대역용량의일부를예약하는것과같은리소스관리기능이포함됨. - 안전과관련된중요한응용프로그램에는예약된대역폭의통신슬롯을제공. - 긴급한용도로추가대역폭이필요할경우덜중요한응용프로그램의트래픽을억제하거나거부하여원활한긴급통신을구현. o 따라서선박통신사용자는끊임없이변화하는통신환경속에서도스위칭시스템, 안테나 포인팅등을걱정할필요없이각통신시스템을원활하게사용할수있음. o 앞으로는선박에더욱다양한종류의통신시스템이사용될것이기때문에, 비용효율성, 사용용이성및안정성을개선하기위해통신중개시스템의사용이늘어날것임. - 28 -
새로운위성안테나기술 o 선박에사용되는위성안테나플랫폼의가격이비싸고시스템이복잡한주된원인은안테 나를인공위성을향해지속적으로유지하는데필요한안정화및조향기술때문임. o 위상배열안테나는다양한요소에서로다른위상의신호를적용하여지향성을변경할수있는안테나요소의복합체 ( 배열 ) 임. - 이개념은안테나로브의전자조종을가능하게하고, 모터와같이움직이는부품을필요로하지않기때문에선박에사용하기적합함. - 예를들어, Kymeta Corporation에서개발한새로운 MTenna 제품은큰피자상자크기의얇고평평한안테나에서새로운전자기메타물질기술을사용하여빔을조종함. - 29 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 위성영상처리 o 영상감시는사회의많은부분에서점점더논란이되고있는응용프로그램이며, Google 은 Google Earth 및 Google Street View 를통해사진의정보가치를입증했음. o 많은인공위성이이미영상정보수집에사용되고있지만, Satellogic과같은회사는 50kg 크기의나노위성네트워크를사용하여위성영상을보다저렴하고효과적이며접근하기쉽도록만들계획임. - Satellogic의비전은지구상의모든지점을몇분간격으로이미지화하고이미지데이터에쉽고저렴한비용으로액세스하여다양한모니터링을가능하게하는것임. o 이와비슷한예로는 2014년 8월 Google에서구입한 Skybox Imaging이있음. - Skybox는작고저렴한위성을사용하여고해상도위성이미지와비디오및분석서비스를제공함. - 위성에서촬영되는이미지와비디오의해상도는충분히높기때문에지형, 자동차및컨테이너선박등과같은세계경제에영향을미치는물체를관찰할수있음. - Skybox의위성은초당 30프레임으로최대 90초의비디오클립을캡처할수있음. o Satellogic 및 Skybox와같은시스템은선박통행모니터링, 해적추적또는충돌회피와같은해상애플리케이션에사용될수있음. - 예를들어기존 AIS 시스템은선박에서전송되는데이터에만의존하지만 Satelloic 이나 Skybox에서제공하는이미지데이터를활용하면보다효과적이고직접적으로선박의위치와속도, 상태를확인할수있음. o 또다른잠재적인응용분야는위성이미지에서바람이나파도와같은환경정보를추출하는것임. 현재위성기반고도측정에서유의파고를계산하기위한지속적인연구가진행되고있으며, 이는기존의선박기반측정의대안이될수있음. - 30 -
3. 선박연결성의활용분야 새로운통신기능과사용가능한대역폭의증가는선박에서해안으로그리고해안에서선 박으로상당한양의데이터를실시간으로전송할수있게해주며, 이로인해다음과같은 새로운시스템혹은서비스가가능. 상태모니터링 o 지금까지선박의유지관리는주로미리계획된시간을바탕으로이루어지고있음. - 유지보수계획은선박의시스템과그구성요소들이각기정해진수명을가지며일정수명이후에는고장률이증가한다는가정에기반. - 하지만시스템및그구성요소들의라이프사이클전체에걸친고장률의추산은불확실하며실제적으로고장률패턴은장비의연령에관계없이무작위적이경향이있음. o 이를위해신뢰성중심의유지보수프레임워크가필요함. - 신뢰성중심의유지보수프레임워크에서는시스템구성요소의실제조건을모니터링하고이를바탕으로유지관리작업을최적화함으로써보다효과적이고비용효율적인유지관리를수행할수있음. o 상태기반모니터링시스템은선택된구성요소또는시스템의고장모드증상을감지하 는데적합한센서 ( 온도, 진동, 압력등 ) 를배치하는것을기반으로함. - 센서에서수집된정보는선박에서저장 / 분석되어육상의데이터센터로보내짐. - 31 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 o 상태모니터링은지난수십년동안항공산업에서광범위하게사용되어왔으며, 지난 20 년 동안여러산업분야의안전개선에핵심적으로기여하였음. o 해상에서사용되는장비및자동화시스템공급업체중다수가이미상태모니터링시스 템을구축하고있음. - Rolls-Royce 의 Hemos/ Wärtsila 의 Propulsion Condition Monitoring/ ABB 의 RDS 시스템등 o 조선해양산업에서상태기반모니터링이다른산업에서보다효과적임이입증되었지만, 실제로는아직널리사용되지못하고있었음. - 주된이유는많은센서에서수집된고용량의데이터를처리하고전송하는데기존의통신시스템의용량이부족했기때문임. - 하지만대역폭을늘린향상된선박연결성은상태모니터링과같이대역폭을많이소비하는서비스사용을증진시키는원동력이될것임. 원격유지보수 o 앞서살펴본대로의사결정지원도구로상태모니터링시스템을사용하면보다지능적 이고효율적인유지관리가가능하며, 다른한편으로는선박의연결성을통해원격진단도 가능하고선상의여러구성요소및시스템을원격으로유지관리할수도있음. o 원격유지보수를통해유지보수의비용을절감할수있을뿐만아니라선박의다운타 임도줄일수있기때문에선박운영자는전체적인수익성의향상을기대할수있음. o 서비스엔지니어가사무실에서직접시스템의문제를진단하고해결할수있기때문에보 다효율적이고신속한유지보수업무가가능해짐. o 하드웨어고장과같은일부문제를해결하기위해서는사람이직접적절한조치를취해야하는경우도있을수있음. - 이러한경우에는선박에탑승중인선원이대화식비디오시스템을이용하여육상의서비스엔지니어의지시를받아유지보수업무를수행할수있음. - Google Glass와 DAQRI의스마트헬멧과같은증강현실기술이이러한원격유지보수에사용될수있음. - 32 -
에너지효율최적화 o 선주들의주요관심사중하나는선박운영비용의많은부분을차지하는연료비절감이며, 각선급들도에너지효율성에많은관심을가지고있음. o 따라서선주들이연료비를절약할수있도록다수의업체들이이미솔루션과자문서비스를제공하고있음. - DNV-GL은최근항해, 선체, 프로펠러, 엔진및시스템성능을포함한선박성능관리를위한 ECO Insight를출시함. - 에너지최적화서비스는 Rolls Royce 및 Wärtsila와같은엔진제조업체와시스템통합업체들도제공하고있음. - 또한다양한종류의데이터분석을제공하기위해많은업체들이시장에진입하고있는데, 예를들어 Marorka는연료소비, 속도, 날씨등 500 개이상의데이터를저장, 추적및분석하기위한모니터링시스템을출시함. o 위의모든연료절약시스템들의공통점은선박연결성에의존하여선박의상태데이터를정기적으로육상으로전송한다는점임. - 선박과육상간의연결성향상으로상태모니터링의정확도가향상되고고급분석알고리즘과높은데이터해상도를사용하여보다진보되고정확한에너지효율최적화서비스가가능해짐. - 33 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 환경모니터링 o 해상운송으로인한온실가스배출량은약 10억톤인데, 이는전세계온실가스배출량의 3% 를차지함. 따라서해상운송으로인한 CO2, NOx 및 SOx 배출량을줄이기위한강력한국제적압력이있음. - EU 및 IMO는현재 MRV (Monitoring, Reporting and Verification) 체제에대한새로운규정및가이드라인을수립하기위해노력하고있음. - EU 항구를사용하는모든대형선박 (5,000 톤이상 ) 은검증된배기가스배출량을보고해야함. - IMO는또한표준화된 EEOI (Energy Efficiency Operational Indicator) 지침뿐아니라모든선박에필수적인선박에너지효율관리계획 (SEEMP) 을작성하였음. - 미국도배기가스배출방지에중점을두고있으며미국해안경비대 (USCG) 와환경보호국 (EPA) 의입법을통해미국해역에진입하는선박에추가적인배기가스배출관련규제를적용하고있음. o 선박연결성을통해선박이항구에입항할때관련기관에배기가스관련정보를자동으로보고하는것이가능해짐. - 선박의통신시스템을사용하면관련기관에시기적절하게신뢰할수있는배기가스배출데이터를전송하는자동측정및보고시스템의구현이가능. o 선박연결성의또다른잠재적인환경적사용방안은선박을이동식기상관측소로사용하는것임. - 고급기상관측장비가선박에설치되어있는경우, 관련데이터의추가분석또는공유를위해육상데이터센터에정기적으로전송할수있음. - 많은선박이이러한데이터수집에참여하는경우, 여러지역의기상데이터를지속적으로공급하는네트워크가구축될것이며, 이러한데이터를사용하여기상모델을보정하고일기예보를향상시키는데사용될수있는기상빅데이터서비스를구축할수있음. 선박안전시스템에적용 o 선박의안전시스템의설계를검증하고분석하기위해서는관련선급이나각국에서많은노력을기울이고있으나, 안전시스템의운영에있어서는선박의선장과선원에게많은책임이부여되고있음. - 사람의실수가모든해상사고의 85% 를유발하는현상황에서선주, 선급협회및당국은선박의운항데이터를사용하여안전을감시하고개선하기위해노력해야함. - 34 -
o 선박연결성은선박의운영데이터를기반으로하는새로운안전시스템의원동력이될수있으며그예제는다음과같음. - 안전시스템의실시간모니터링 : 다양한안전시스템의상태를실시간으로육상에서확인할수있음. 예를들어일부화재감지기의접속이끊어졌거나일부수밀문이너무자주열리거나 ECDIS (Electronic Chart Display & Information System) 가오래된버전의지도를사용하고있는경우, 이러한정보를해안에있는분석센터로전송하면해안의전문가가관련데이터를분석하여문제를조기에발견하고해결할수있음. - 응급서비스 : 비상사태및수색 / 구조작업중에적절한지원과안내를제공받을수있음. 예를들어, 내비게이션시스템및안전시스템의상태, 선박의안정성정보, 그리고선박의위치등을육상의제어센터와공유하며최적의구조활동을수행할수있음. - VDR-in-the-cloud: VDR (Voyage Data Recorder) 는사고이후분석을위해보존해야할필수안전관련데이터를각선박의블랙박스에저장함. 그러나사고이후 VDR이발견되지않는경우를대비하여안전관련데이터를정기적으로해안으로전송하면더욱안정적인데이터의보존이가능함. 항공분야에서도이미비슷한사항이고려되고있음. 전자내비게이션및해상클라우드 o 전자내비게이션의개념은초기에 IMO 가도입하여데이터조직을개선하고선박과해안 간데이터교환및통신을개선함으로써상업용선박의안전과보안을강화하였음. o 최근에승인된전략실행계획에서우선순위가부여된다섯가지전자내비게이션솔루션중다음의세가지가통신과직접관련됨. - S2 : 표준화되고자동화된보고. - S4 : 통신장비를통해수신된사용가능한정보를그래픽디스플레이에통합표시. - S9 : VTS 서비스포트폴리오의개선된커뮤니케이션. o DMA (Danish Maritime Authority) 는최근해양클라우드를디지털커뮤니티의표준인프라프레임워크로제안하여해상커뮤니티의이해관계자간의정보교환을보장하였음. - 해양클라우드는서비스기능및관련제공업체에대한정보를보유한 Maritime Service Portfolio Registry 와해상신원의인증, 무결성및기밀성을위한기본방법을제공하는 Maritime Identity Registry 로구성됨. o 해상클라우드는전자내비게이션포럼에서상당한관심과지원을받았으며미래의연결 응용프로그램에중요한역할을할수있음. o 원활한선박의통신기능은전자내비게이션서비스에필수적이며, 따라서선박의연결성 은이러한새로운서비스를시행하는데반드시필요한기술요소임. - 35 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 원격조종및자율운항선박 o 선박통신의신뢰도와전송가능한데이터의양이증가하는등몇가지요건이충족되면해안에서선박의기능을제어할수있음. 선박의원격제어를위한통신시스템의요구사항은다음과같음. - 충분한양의정보를육상운영자에게전달하고선박으로되돌려보낼수있도록광대역연결이필요. - 선박과의통신두절은곧선박의제어능력상실을의미하기때문에, 통신시스템의신뢰성이높아야함. - 예기치못한돌방상황에대응할수있도록적절한통신응답시간이중요함. o 자율운항선박은원칙적으로어떠한제어통신도필요로하지않을수있지만, 대부분의 자율운항선박개념은여전히일정수준의선박모니터링및해안으로부터의원격조종 을포함하고있음. o 따라서원격조종및자율운항선박은신뢰할수있는통신시스템이뒷받침되어야실현가능함. 통신의가용성을최대화하기위해여러가지독립적인통신시스템을사용할수있으며, 페일-세이프 (fail-safe) 개념을적용하여통신두절이발생했을경우, 통신이복원될때까지자율시스템이선박을가능한가장안전한상태로유지하는시스템의구현이가능함. - 36 -
V 유럽의주요무인선박프로젝트 스마트선박의여러분야중에서현재가장연구가활발하게이루어지고있는무인선박과 관련된유럽의주요프로젝트는아래와같음. 1. EU MUNIN Project 6) 프로젝트개요 o 주관 o 예산 유로 o 기간 년 월 일 년 월 일 o 참여기관 독일 노르웨이 스웨덴 독일 노르웨이 독일 아이슬란드 아일랜드 o 홈페이지 프로젝트목표 o MUNIN 연구프로젝트의주목표는무인상선의운영을위한기술을개발하고기술적, 경제적및법적타당성을평가하는것임. - 보다구체적으로본프로젝트의목표는, 최첨단의사결정지원시스템과원격혹은자율운항기술을갖춘선박을개발하고, 이를위해한기반기술로써모듈형제어시스템과통신기술을개발하여선박의무선모니터링및제어를가능하게하는것임. 프로젝트범위 o 본프로젝트에서는대륙간화물을운송하는컨테이너선박을연구대상선종으로택하였 으며, 원양항해중무인선박의자율적인운행만을그범위로하였음. 6) 참고문헌 : MUNIN (2016), MUNIN Final Brochure: Research in Maritime Autonomous Systems Project Results and Technology Potentials - 37 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 혼잡한항구인근등과같이선박의운항이제한적인지역에서의자율운항은본프로 젝트에의범위에포함되지않음. 프로젝트기술요소 o 본프로젝트에서는선박이새로개발된자동화시스템에의해자율적으로운영되는개념을제안하며, 다음의기술요소들을정의하였음. - 첨단센서모듈 : 주간및적외선카메라이미지와통합레이더및 AIS와같은기존탐색시스템의센서데이터를지속적으로수집 / 분석 / 융합하여선박의주변상황을모니터링. - 자율내비게이션시스템 : 일정한자유도내에서사전에정의된항해계획에따라여러주변상황을고려하여선박이자율적으로경로를조정. - 자율엔진모니터링및제어시스템 : 첨단의고장감시및처리시스템을통해엔진의최적의효율을유지하면서선박의엔진룸및추진시스템을자동화. 해안제어센터 : 육상의숙련된항해장교및기술자가자율운항선박을지속적으로감시하고제어함. - 해안제어센터오퍼레이터 : 육상의통제센터에서여러자율운항선박의안전한운항을감시하고항해계획을수정하거나자율운항시스템의작동범위를조정하는등의고차원적인조작을수행. - 해안제어센터엔지니어 : 선상에서기술적인문제가발생한경우선원과해안제어센터의오퍼레이터를지원하고, 상태기반유지관리시스템을기반으로선박의유지보수계획을담당. - 해안제어센터상황실팀 : 특정한상황에서선박을직접적으로원격조종하여위험한상황을회피하고선박의안전한운항을보장. 비용편익분석 (Cost-Benefit Analysis) o 본프로젝트에서개발된자율운항선박의재무분석을수행하였으며, 그결과기존의유 인선박과비교하여자율운항선박이특정상황에서상업적으로실행가능함을증명 o MUNIN 자율운항선박은기존의유인선박과비교하여선박이수명을다하는 25 년동안 총 7,000,000 USD 의가치를향상시키는것으로확인되었음. o 이외에도항구및해안제어센터의지상기반서비스의효율성향상으로인한비용절 감과선박의거주구제거로인한화물적재량증가등의선박설계변경요인들도경제적 으로이익을안겨줄것으로예상됨. o 본프로젝트에서개발된자율운항개념은아직개발초기단계이고프로젝트의한정된 범위로인해여전히높은수준의불확실성이있으나, 본비용편익분석결과는자율운항 - 38 -
선박이해운회사의수익성을높일수있는잠재력을가지고있음을보여줌. 안전및보안분석 o 무인선박은수익성뿐만안전성또한유인선박보다뛰어남. - 2005년에서 2014년사이에선박사고로발생한인적 / 물적손실의약 50% 는선박의충돌혹은좌초로인한것이었음. - 또한인간의실수는대부분의해상사고의가장중요한근본원인임. - MUNIN 컨셉트선박에대한충돌및좌초시나리오를분석하고적절한운영및견고성테스트를실시한결과, 유인선에비해약 10 배의충돌및좌초위험감소가가능하다는사실이확인되었음. - 적절한이중화 (redundancy) 가구현되고개선된유지보수및모니터링계획을수립하면무인선박의엔진과기타시스템고장의위험도역시낮아질것으로예상됨. o 선박의사고에있어서화재및폭발은상대적으로적은비중을차지하지만, 완전히밀폐된 공간에서보다효율적인소화시스템을사용할수있는무인선박은유인선박에비해화 재를훨씬더빠르게진화할수있음. o 무인선박에는사이버공격의위험이존재하지만, 무인선박의소프트웨어를이러한공격 에대비하여효과적으로설계하고구축하면사이버공격의위험을예방할수있을것으로 예상됨 o 무인및자율운항선박이은행과같은다른시설에비하여사이버공격의대상으로충분 - 39 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 히매력적인지에대해서도의견이분분한상황임. 법률및책임분석 o 무인선박이적어도유인선박만큼안전하게작동할수있다고합리적으로확신할수있다면, 그기능상법적체계가해상운송에서자율운항선박을허용할수있을것으로예상됨. - 선박의자율내비게이션과선원탑승의여부가주요관심사인데, 두경우모두에서무인선박이현행규정에상당한영향을줄것이며, 이는선박의건조, 설계및장비의기준까지포함할것임. - 전반적으로무인선박의법적인문제는극복할수없는장애물이아니라고결론내릴수있음. o 한편, 아직법적으로해결해야할문제가많이있음. - 예를들어, 선박운항의책임측면에서가장큰문제는기존선박의업무와책임을새로운무인선박에서는누구에게어떻게얼마만큼귀속시키는지에대한것임. - 이법적인역할의전환이해안제어센터오퍼레이터와선원간에개인적으로이루어져야하는지, 혹은해안제어센터라는단일주체가선박운항에대한전반적인책임을져야하는지에대해서는아직의견이분분한상황임. - 따라서이에대해서는더많은연구가필요함. 자율운항자동차와자율운항선박 o 자율적인또는지능적인자기조종로봇에대한아이디어는컴퓨터출현의이후뿐만아니라그이전에도꾸준히있어왔음. 최초의현대적인시도는 1980년대에육지에서부터시도되었으며, 이후수중에서도자율적이고지능적인자기조종로봇기술이개발되었음. 최근에는지상, 하늘과해수면은물론이고우주에도자율운행기술이적용되고있음. ( 운전자가없는지하철 / 철도시스템은이미전세계여러도시에서운영되고있음 ) o 하지만대형무인상선은, 사고의결과가너무심각하기때문에, MUNIN 프로젝트가진행되기이전까지는심각한가능성으로여겨지지않고있었음. 2007년 Waterborne TP 전략연구에서는무인선박의개발을주요한연구개발의아젠다중하나로설정하였으나, 이는무인선박자체의개발보다는향상된자동화기술과센서를개발하는데중점을두고있었음. 2007년에설정된이아젠다는결국 2012년 MUNIN 프로젝트의출발점이되었음. o 본프로젝트에서는대형상선이일반선박보다높은안전성을유지하면서부분적으로또 는완전히무인으로운영될수있는기술에대해조사함. - 40 -
무인선박의시스템구성요소 o 무인선박은국제해운업을관장하는많은국제협약및규정에위배되는것처럼보이기 때문에개발이나운영이쉽지않으며, 무인선박이현실화되기위해서는개발해야할몇 가지기술요소들이있음. o MUNIN 프로젝트에서조사된무인선박개념의주요구성요소는다음의그림과같음. o 위의그림에소개된무인선박의주요구성요소는 D4 ~ D10까지의코드를부여받아 MUNIN 프로젝트에서조사 / 개발되었음. - D4 : 통합선박데이터네트워크의선박및선박통신, 안전, 보안및신뢰성을포함한 ICT 인프라. 이는서로다른기능이구현된인프라에도해당됨. - D5 : 선박의자율적인운항을위해서는센서시스템, 원격항해조종시스템, 선내내비게이션시스템, 그리고해안제어센터의지원이필요함. - D6 : 사람의개입없이몇주동안장기적으로선박의추진및기계시스템을가동하기위한시스템및절차. 환경을보호하고및경제적으로지속가능성을높이기위해서는선박엔진의고효율운전이필요함. 이를위해자율적인엔진모니터링및제어시스템과에너지효율시스템및유지보수기능이필요함. - D7 : 무인선박을자율적으로운용하기위해서는새로운유형의모니터링및제어설비 - 41 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 를갖춘지속적인관리가가능한해안제어센터가필요함. 다른선박과상호작용과조 난선박에대한수색및구조작업도센터의업무에포함됨. o 위의기술적및운영상의문제외에도법령, 책임, 보험및계약문제에관한연구도다음과같은영역에서수행되었음. - D8 : 개념증명시험 (Proof of concept trials) - D9 : 비용편익분석 (Cost-benefit analysis) - D10 : 대체자율운항개념 (Alternative autonomous concepts) MUNIN 프로젝트에서확인된자율운항선박의이점 o 본프로젝트의초기목표중하나는느린선박의속도에대비하여높은선원유지비용을줄이는것이었으며, 이것이 MUNIN 프로젝트의경제적인근거였음. - 전형적인중형벌크선의경우, 선박의속도를약 30% 감소시키면늘어나는항해일수를고려하더라도전체적인연료소모를 50% 절감할수있음. - 하지만늘어나는항해일수로인해증가되는선원의임금은이러한연료소모절감으로발생하는이익의대부분을상쇄함. 또한낮은선속으로인한길고느린대륙횡단항해는선원들의작업환경에도좋지않은영향을미침. o 대체연료를사용하는무인선박은배기가스배출량을획기적으로줄일수있기때문에 - 42 -
환경보호에긍정적인기여를할수있음. - 첨단의자동에너지관리시스템과향상된라우팅및내비게이션으로무인선박을이전 에비해더욱효율적으로운영할수있음. o 선박의거주구역제거로인해화물적재공간과중량이늘어나고, 에너지소비를줄일수 있으며선박의저항이줄어드는등다양한방면에서선박의효율성이크게상승함. o 오늘날선박사고의대부분의희생자는선박의선원들이지만, 무인선박에서는선원의피 해가전혀발생하지않음. 또한, 인적오류는많은해상사고의주요요인인데, 자동탐색 및충돌회피시스템을통해이러한인적오류를획기적으로줄일수있음. o 자율주행선박의졍제적이익은다양한기술적해결책의선택의여부와연료유가격및선박이관여하는무역유형등에의해크게좌우되지만, 본프로젝트에서수행한케이스스터디결과일정환경에서는자율주행선박이경제적으로도이점이있는것으로확인되었음. o 무인선박은신뢰성있고독립적인운영이가능한새로운기술과시스템이필요하고, 이로인해선박의건조및운영비용이증가할것임. - 예를들어, 무인선박에서는선박연료유의선상처리를금지하고더비싼종류의연료를사용하도록요구하고있음. - 선박의엔진신뢰성향상을위한이중화 (redundancy) 구성은선박운영에있어자본비용을증가시킬수있으나, 숙박시설제거와에너지소비감소및보다효율적인추진시스템의운용은전체적인선박의운영비용을감소시킴. MUNIN 프로젝트에서확인된자율운항선박의한계 o 이연구의주된결론은무인선박이보다안전하고경제적으로적용될수있다는것이며, 연구결과선박의무인화는기존선박을개조하여적용하기보다는신조선박에적용하는 것이더욱효과적인것으로확인되었음. o 본프로젝트의연구결과확인된자율및무인선박개념을특징짓는중요한설계요소및그한계는다음과같음. - 해안통제 : 해안제어센터와는완전히독립적인무인선박의개발을고려할수도있으나, 이는오늘날대부분의경우비용효율적이지않은선상항해시스템및기술을필요로함. - 운영사례 : 무인선박운영에영향을미치는다음의몇가지요소를해결해야함. 배는출항및도착항양쪽모두에운영인프라가필요하기때문에 tramp operation 은바람직하지않음. 항구인근에서는조밀한선박교통량으로인해선박운항은직접모니터링기능을통해서만가능할것임. 가까운미래에무인선박의운영허가는관련국가간의 - 43 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 합의에따라달라질수있음. - 새로운선박설계 : 무인선박은상층부또는거주구역이필요하지않기때문에처음부터새롭게설계되어야함. 이를통해선박운영비용및에너지소비는물론선상유지보수의필요성을줄일수있음. - 모니터링및제어 : 선원이탑승하지않는무인선박에서는선박시스템및화물의상태를모니터링하고고장을감지하며무단탑승을감시하는시스템이필요하며, 감지된사항들에대해적절한조치를취할수있어야함. MUNIN 프로젝트핵심기술 (1) 첨단센서모듈 - 무인선박에서는센서및센서데이터의처리가당직선원의인식을대체하기때문에자율운항을실현하는중요한요소임. - 첨단센서모듈은물체감지및분류와환경인식을담당하여, 구명뗏목, 표류중인물체또는항해에대한위험을식별하고선박통행, 장애물감시및선박주변의환경조건등을감시. - 적외선및시각스펙트럼카메라의입력데이터와레이더및 AIS (Automatic Identification System) 데이터를사용하여물체를탐지하고선박에위험한지또는물체를더조사해야하는지의여부를결정함. - 또한자율운항시스템은내비게이션, 기상및안전센서의데이터를수집하고평가하여 - 44 -
잠재적위험에대한로컬지도를구축. - 여러센서의데이터를수집하고융합하여전반적인불확실성을줄이고센서의품질과무결성을향상시킴. - 이센서모듈로부터수집 / 분석된정보는특정한상황에서적절한조치를취하기위한기초적인데이터로활용됨. - 센서정보는주로선박의자율운항시스템에의해사용되지만, 해상통제센터의통합상황디스플레이에도동시에표시됨. (2) 자율원양항해시스템 - 자율원양항행시스템은선박이계획된운항루트에서허용되는편차이내에서운항할수있도록선박을제어하는시스템임. - 기상조건이악화되거나복잡한교통상황이발생할경우이를피하기위해계획된운항루트에서일정수준이내의편차를가지고운항할수있도록자율성부여. - 따라서선박의현재위치, 기술적조건, 날씨및교통상황이고려됨. - MUNIN 프로젝트는선원이없는무인선박의항해를위해다음과같은원양항행시스템을도입하였음. - 45 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 1 다른선박에대한 COLREG (Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea) 의무를결정하고자율운항선박을규칙에따라기동. 2 기상예측을기반으로대양횡단항해계획을최적화. 3 IMO (International Maritime Organization) 기상유도기준에따라혹독한기상조건에서안전하게선박을운행. - 원양항해시스템은완전히자율적으로작동할수있으며, 또한해안제어센터의운영자가개입하여선박을원격으로제어할수도있음. (3) 원격조종지원시스템 - 해안제어센터및원양항해시스템의보조장치로써원격조종지원시스템을개발. - 원격조종은수로나항구와같이선박의운항이제한적이고충돌위험이큰지역에서선박의안전한운항을보장하기위함임. - 원격조종시스템은아래의그림과같이예상되는선박의궤도를미리제공함으로써안전하고효율적인무인선박운용에필수적으로사용됨. - 이시스템은특정환경에서선박의방향타또는엔진에가해지는다양한명령으로인한선박의모션예측도제공함. - 원격조종지원시스템은선박조종능력이제약적인상황에서선박의이동을계산하여그결과를화면에그래픽으로표시해줌. - 이시스템은제한된용량의통신환경에서도사용될수있으며, 계획된선박조종명령들을미리검증하는일종의시뮬레이션으로활용될수있기때문에선박의복잡한조작을사전에시험 / 검증할수있음. - 이러한선박의모션예측을통해정확한자율운항및원격조종이가능해짐. - 46 -
(4) 엔진모니터링및제어시스템 - 엔진모니터링및제어시스템은기존의선박자동화및제어시스템을개선한것이며, 본프로젝트에서의주목표는향상된상태모니터링기능을추가하는것임. - 상태모니터링외에도해안제어센터에디지털인터페이스를추가하는것은엔진룸및기타선박시스템의자율적운전혹은무인운전을실현하는데필수적인기술임. - 원양항해중오작동과고장을방지하기위해서는중요한선박시스템을지속적으로모니터링하는것이중요함. - 또한지속적인선박시스템의모니터링은유지관리계획의수립 / 개선에도필수임. - 선박의전반적인기술적 / 환경적성능은선박시스템의정확한진단에달려있음. - 이러한엔진모니터링및제어진단시스템은피스톤링의파손, 손상, 마모등은물론이고실린더라이너의열적과부하도감지할수있음. - 선박시스템을원격으로효과적으로모니터링하고제어하려면의사결정지원정보를여러단계로나누어수집해야하는데, 이러한다단계정보수집을통해통신대역폭의감소와성능추세의추적이가능해지며, 매우컴팩트한정보를해안제어센터로보낼수있게됨. (5) 유지보수상호작용시스템 - 선박의유지보수는무인선박에있어서가장어렵고복잡한문제중하나임. - 오늘날대부분의유인선박시스템은선원의편의를염두에두고설계 / 제작되었음. - 따라서무인선박의시스템은선원의유지보수활동없이장기간정상적으로작동할수있도록시스템을재설계해야하거나새로운공정을마련해야함. - 본프로젝트에서적용되는유지보수전략에는선박시스템의재설계와새로운유지보수상호작용시스템개발이모두포함됨. - 유지보수시스템의사용자인터페이스는해안제어센터에통합되지만무인유지보수를위해서는새로운선내기능이필요하며, 위성통신대역폭을최소화하기위한확장장비모니터링및상태집계기능역시필요함. - 본프로젝트에서는기존선박의유지보수기술시스템을분석하였고, 해안제어센터의향상된모니터링시스템과유지보수지원시스템의필요성을지적하였음. (6) 에너지효율시스템 - 무인및자율운항선박의에너지효율성최적화에는여러가지가능성이있음. - 이중대부분은기존의유인선박에도적용할수있지만, 자율운항선박의향상된계측및자동화된제어의증가는이러한가능성을더욱높여줌. - 무인및자율운항선박의엔진및추진시스템은기존유인선박과는그구성에다소차이가있음. - 가장중요한차이점중하나는높은이중화 (Redundancy) 요구사항임. - 47 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 엔진, 추진, 조향시스템및디젤 전기시스템의이중화구성이필요함. - 거주구역의제거및선내중유처리시스템의제거도새로운유형의에너지관리전략을가능하게함. - MUNIN의에너지효율시스템은선박의전력수요를분석하여에너지관리및연료소비를최적화하고이를바탕으로엔진을제어함. - 또한에너지효율시스템은폐열회수및기타가용에너지원을활용. - 에너지효율시스템은해안제어센터의오퍼레이터에게연료소비량, 배기가스배출량및선박의성능에대해주기적으로정보를제공함. (7) 해안제어센터 - 해안제어센터에는자율운항선박의감시및통제를위해상시적으로사람이상주함. - 대부분의경우, 자율운항선박은해안에서개입할필요없이스스로작동하며, 해안제어센터는선박의자율운항시스템이상황을안전하게처리할수없는경우에한하여제한적으로개입하여문제를해결함. - 해안통제센터에서자율운항선박에명령을실행하면선박시스템이원격제어모드로변경됨. - 해안제어센터의개입이필요한상황과그렇지않은상황은사전에자율운항선박운영자가정의할수있으며, 가시성, 파도높이및교통량과같은요소들을바탕으로사람의개입여부를판단함. - 법적인관점에서볼때, 이제어센터는선박의선장혹은수석기술자의책임중일부를담당할것으로예상되며, 해안제어센터의오퍼레이터가담당할업무로는 VHF (Very High Frequency) 통신, VTS (Vessel Traffic Service) 보고, 선상의에너지관리, 상 - 48 -
태모니터링및유지보수계획등이있음. - MUNIN이개발한자율운항개념은선박의자율운항시스템을선박의충돌위험이적은원양에서만사용하고, 항구와같이복잡한상황에서는해안제어센터에서선박을제어하는것임. - 이는기술의복잡성과경제적합리성사이에서적절한균형을이루고있는, 실현가능성이높은컨셉임. 프로젝트참여기관및역할 o MUNIN 프로젝트에참여한기관의기관명, 홈페이지, 대표연락처및담당기술개발분야 는아래의그림과같음. 2. DNV-GL ReVolt Project 7) 프로젝트배경 o 유럽의육상도로망은이미만성적인교통체증으로고통받고있음. - 그러나화물운송을위한도로사용량은꾸준히증가하고있으며, 도로의마모도더심해지고있고, 교통사고역시증가하고있으며배기가스의배출도증가하고있음. - 앞으로수십년동안예상되는유럽내도시지역의인구증가로인해운송수단의수 7) 참고문헌 : DNG-GL (2014), The Next ReVolt - 49 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 요가오늘날의도로용량을초과할것이라는사실에는의심의여지가없음. o 이러한문제를완화하기위해 EU 전역의정부는화물량의일부를도로에서수로및철도 로이동하려고시도하고있으나, 인근해역의선박을이용한화물운송은에너지소모및 운영비용이높기때문에이윤폭이크지않은상황임. o 이러한배경을바탕으로 DNV-GL에서는화물의운송을육상의도로에서인근해역으로전환하기위해혁신적인선박컨셉인 ReVolt를개발하였음. - ReVolt는인근해의단거리항로운항을위한무인 / 무공해선박이며, 유럽의단거리항로운항을위한요구사항을모두적용하였음. - 50 -
- 이개념은유럽뿐만아니라전세계의다른해안지역에서구현될수있음. 프로젝트개요 o 운영조건정의 - ReVolt의운영조건은 2012년노르웨이경제구역 (NEZ) 에서운영되는선박의자동식별시스템 (AIS) 데이터를분석하여설정하었음. - AIS 분석에서평가된선박의평균서비스속도는 8.7 노트였으나, ReVolt 프로젝트에서는요구되는속도를 6 노트로줄여서보다효율적인추진솔루션을제공하기로결정. - 선박의속력이낮아지는결과로전체물류체인이새로이설계되어야함. o 디자인특성 - ReVolt 선박의선체는추진효율을최적화하고모든적용가능한안전및작동요구사항을충족시키며평형수없이작동할수있도록설계되었음. - 배의느린순항속도에서선체에작용하는저항력은주로선체마찰과때때로선박에작용하는외력으로구성되며, 파도로인해발생하는저항은큰영향을미치지않음. - 따라서선박의선수부분을직선적이고수직인형태로선체를설계하여전체적인저항을최소화하였음. - 위의선형에대한 CFD (Computational Fluid Dynamics) 계산결과정온수역에서는 50kW, 평균기상상태에서는 132kW라는낮은저항을보였는데, 이는각각 Toyota Yaris 와 BMW 5 시리즈자동차의저항과비슷한수준임. - 51 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 한편, 낮은순항속도로인한파도와바람의추가저항은선박의전반적인저항에비교 적큰부분을기여하는것으로나타났는데, 해당경로의해상조건을토대로한저항계 산결과평균 120kW 의저항이확인되었음. - 복합재료의사용가능성에대한조사도수행되었는데, 경량의재료는일반철강과비교했을때젖은표면을감소시키지만, 드래프트감소로인해더작은직경의프로펠러를사용해야하기때문에전체적으로선박의추진효율을저하시키는것으로조사되었음. - 따라서가격이저렴한강철선체가 ReVolt 선박의추진효율면에서도최상의솔루션으로확인되었음. - 낮은순항속도로인해일반적인프로펠러설계의제약조건이 ReVolt 선박에는적합하지않기때문에 ReVolt 선박의운항조건에최적화된프로펠러를새로설계하였음. - 낮은선속에서는캐비테이션의영향을무시할수있기때문에, 프로펠러블레이드의수는 2개로줄일수있었고, 이로인해프로펠러의점성손실또한상당량감소시킬수있었으며, 최종설계결과 76% 의추진효율이달성되었음. - ReVolt 선박은조종성능이뛰어나기때문에예인선이필요하지않음. - 선체형상에맞게종래의샤프트추진방식이아닌포드형추진시스템이선택되었으며이로인해선박의회전부품수를줄일수있었음. - ReVolt 선박에는주추진장치로 2 개의선미포드가장착되었고, 선박의조종을위해 1 개의리트렉터블선수트러스터가적용되었음. - 에너지효율을극대화하고, 배기가스를없애고, 유지보수가필요한회전부품수를줄이기위해본프로젝트는배터리로전원이공급되는솔루션을선택하였음. - 동급의디젤엔진을장착한선박은최대 85% 의에너지손실이발생하는반면, 본 - 52 -
ReVolt 선박은프로펠러로의에너지손실이약 40% 로매우낮을것으로추정됨. - 또한재생에너지를사용하여배터리를충전하면 ReVolt는배기가스를전혀방출하지않는선박이됨. - 배터리는가능한한인간의간섭을거의받지않도록설계되었으며, 이는자율운항선박을위한유지관리가적은솔루션임. 프로젝트주요개념 o 단순성을통한자율성 - 현재해상운송부문의안전기록은비교적낮은편으로, 평균약 900 명의사망자가발생하는데이는비교가능한육상기반산업보다 90% 정도더높은수치임. - 연구에따르면선박사고의 85% 는사람의실수로인한것임. - DNV-GL은이해상운송의사망자수를육상의산업수준으로줄이겠다는목표를세움. - 이러한목표를달성하기선박운항의자동화를도입하는등의방법을통해인간의실수로인한사고의발생을줄여야함. - 선박정비작업은선박승무원활동의주요업무임. - 따라서선원이없이선박을운항하기위해서는필요한유지보수노력을최소화하기위한노력이필요하며, ReVolt 선박은이러한사항을고려하여설계되었음. - 기계적인고장이가장많이발생하는장비는회전하는기계이기때문에 ReVolt 선박에는회전부품을최소화하기위해노력하였고, 그결과 ReVolt 는평형수없이운항가능하며배터리로구동되는무인선박으로개발되었음. - 선상에있는유일한회전기계는선미의추진포드시스템과선수의트러스터와관련된구성요소가전부이며, 이들은모두선체의외부에위치함. - 53 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 자율항법의관점에서, ECDIS (Electric Chart Display and Information System), GPS, 레이더, 카메라, LIDAR (Light Detection and Ranging) 및기타감각장비를포함하는통합시스템은선박주변의상황을완전하게인식할수있는가능성을제공. - 무인선박이현실화되기위해서는상태및센서기반모니터링과더욱향상된항법지원시스템및원격조종시스템과같은많은중간개발단계의수행이필수적임. o 운영및비용효율성 - ReVolt 선박은상대적으로느린속도로항해하기때문에항구에서시간낭비를피하는것이필수적임. - 그립-암 (grip-arm) 기술과진공을이용한계류와같은최첨단자동계류시스템을사용하면, 수동보조및정기유지보수에크게의존하는로프와윈치가없이도선박을신속하게계류할수있음. - 선체측면과셀가이드를전체컨테이너스택높이까지올리면화물취급을가속화할수있으며동시에항만노동자와수동래싱이필요없음. - 선박에서다른운송수단으로화물을신속하게옮길수있도록항구의해안시설은매우효율적이어야하는데, 이는트럭이선박에쉽게접근할수있는전용터미널을구축함으로써가능해짐. - ReVolt는안전및환경면에서독보적인성능을보이지만, 이모든것이경제적으로타당한지를확인하기위한경제성연구를수행하였음. - ReVolt의자율기능은승무원시설, 선루및보조기계의필요성을현저히줄이거나없애기때문에화물을적재하기위한공간을증가시킴. - 하지만 ReVolt의배터리팩의가격은상당히높으며, 대략 1kWh 당 1,000 US 달러의비 - 54 -
용이소요됨. - 또한시간에따른배터리의성능저하로인해선박의예상수명인 30년동안두번의배터리팩교체가필요함. - 노르웨이의 NOx 기금 8) 과같은지역인센티브프로그램을고려할때, ReVolt의 CapEx (Capital Expenditure) 는동등한화물용량을가진기존선박의 CapEx와동일하다고평가됨. - ReVolt 무인선박의진정한강점은저렴한운영비용에있음. - ReVolt 선박의에너지소모, 유지보수및선원의인건비는디젤엔진을장착한선박에비해상당히낮은편인데, 정확한운영비용의차이는자율운항을가능하게하는해안의기반설비에따라달라질수있음. - 경제석분석결과, ReVolt는운항첫날부터수익을올릴수있는것으로확인되었음. - 선박의예상수명인 30년동안, ReVolt 선박은기존의선박에비해총 3400만달러의운영비용을절감할수있음. 8) 1kg 의질소산화물배출에대해 0.5~1.4 유로의펀드를모아질소산화물배출감소지원에사용 - 55 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 향후배기가스배출감축과관련한노르웨이정부의인센티브로인해 ReVolt의경제적이익은더욱증가할것으로예상됨. - ReVolt 선박의자율운항성능을입증하고다른설계기능을테스트하기위해 1:20 스케일의모델선박을제작하였음. - DNV GL은이스케일모델을사용하여자율주행의어려움과기회에대해배우고해상에서더나은안전을보장하는자율운항선박의개발을주도할계획임. 3. AAWA Project 9) 프로젝트배경 o Rolls-Royce Marine 사장인 Mikael Makinen 은자율운항선박에대해다음과같이언급함 자율운항선박은해양산업의미래입니다. 스마트선박은스마트폰만큼혁신적이기때 문에선박의설계와운영에혁명을일으킬것입니다. o 2014년까지만해도지능형선박은많은사람들에게미래의환상으로여겨졌지만, 원격으로조종하는선박의상용화는 2020년이내에실현될것으로전망됨. 이를위한센서기술, 원격조종기술, 자율운항기술은이미존재하고있으며, 이들을최적으로결합하는것이현재풀어야할중요한과제임. 9) 참고문헌 : Rolly-Royce (2016), Remote and Autonomous Ships The next steps - 56 -
o 무인선박은선박의설계와운영에있어새로운기회를제공할것임. - 선박에사람이거주하지않으면선박의배치에많은제약이제거됨. - 예를들어, 선박의거주구역을없애면선박의건조비용이절감되고, 거주구역의무게와공간이줄어든만큼더많은화물을운송할수있음. o 미래의선박에서는선박과선박혹은선박과운영자사이의연결성이증대될것이며, 이러한연결성을통해실시간으로선박을모니터링할수있고운영및유지보수일정을최적화하여자산을효율적으로관리할수있음. 결국선주는선단의운항을최적화하고이익을극대화할수있음. 프로젝트개요 o Advanced Autonomous Waterborne Applications (AAWA) 프로젝트는핀란드의 Tekes (Finnish Funding Agency for Technology and Innovation) 로부터 660만유로의자금을지원받아차세대의선박솔루션을개발하는프로젝트이며, 2015년 3월에시작되어 2017 년말까지진행될예정임. o 본프로젝트의주목표는대학, 선박설계업체, 장비제조업체및선급협회가경제적, 사회적, 법적, 규제적및기술적요인을탐구하여자율운항선박을실현하는것임. 이프로젝트에는핀란드의 Tampere University of Technology의연구원, VTT 기술연구센터, Åbo Akademi University; Aalto University, the University of Turku 그리고 Rolly-Royce, DNV GL, Inmarsat, Deltamarin, NAPA, Brighthouse Intelligence, Finferries 및 ESL Shipping 의전문가들이참여. o 원격조종및자율운항선박을실현하기위해서는다음의질문에해답을찾아야함. - 무인선박에는어떠한기술들이필요하며, 이러한기술들을어떻게효율적으로통합하고운영할수있는가? - 어떻게하면무인선박이기존의선박만큼안전할수있는가? 기존의선박에있던위험중에서무인선박에는적용되지않는위험은어떤것이며, 무인선박에새로발생하는위험에는어떤것이있는가? - 선박의소유자와운영자가무인선박을도입할때얻을수있는이익은무엇인가? - 자율적인선박은합법적가? 그리고사고발생시누구에게책임이있는가? o 본프로젝트의첫단계는무인선박의현재상태를조사하고, 무인항공기, 무인자동차, 스마트폰등다른산업분야에서배울수있는점을연구하는것임. 또한본프로젝트는 자율운항선박의기술, 안전, 법적및경제적측면도연구하였음. o AAWA 프로젝트의의다음두단계는첫단계에서얻은결과를토대로 2017 년말까지자 율운항선박의기술적, 안전적, 법적사양을확정하는것임. - 57 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 AAWA 프로젝트에서개발중인기술 (1) 상황인식을위한센서및센서통합 - 실시간주변상황인식 (Situational Awareness, SA) 를위해다양한센서를이용하여선박의주변을감시함. - 각각의센서는서로다른장단점이있기때문에이를고려한센서의통합이필요함. - 가시광선카메라 : 해상도가높아물체를식별하기용이하며가격이저렴하다는장점이있지만, 어두운시간대나악천후상에서는사용이어렵다는단점이있음. - 적외선 LWIR (Long-Wave Infrared) 카메라 : 어두운시간대와악천후에서도사용이가능하다는장점이있지만, 해상도가낮기때문에물체의식별이까다로우며가격이높다는단점이있음. - 58 -
- 레이다 : 모든기상조건에서사용이가능하며탐지거리가길다는장점이있지만, 물체를식별하는능력은많이떨어짐. - LIDAR: 주변상황을 3D 지도로표현할수있으며어두운상황에서도사용가능하고날씨의영향도적게받으나가격이매우높음. - AAWA 프로젝트에서계획하고있는상황인식시스템의개념은아래의그림과같음. (2) 자율운항을위한주변매핑 - 안전한운항을위해항로주변의지형및물체들의모델을생성함. - 광역매핑 : 전자내비게이션차트와 GNSS (Global Navigational Satellite System) 을사용하여넓은지역을매핑함. - 국소매핑 : 상황인식시스템으로인해발견된물체들을매핑함. - 동적으로변화화는상황에서도완벽한매핑이가능해야함. (3) 선박의상태정의 - 가상의선장 (Virtual Captain, VC) 은선상시스템의상태를모니터링하고자율운항, 원격조종, 안전모드등무인선박의운영모드를결정함. - 상황인식시스템의상태, 통신상태, 선박의주요시스템의상태등의정보가가상의선장에게제공됨. (4) 선상통신 - 선박의위치와기상조건에따라사용가능한데이터통신의용량은달라질수있음. - 59 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 각상황에따라필요한데이터통신용량의정보를제공하고필요에따라서는통신대역폭의업스케일링수행. - 선박의상황인식시스템데이터를처리하고그결과만을우선적으로가상의선장에게전송하는등의데이터용량을줄이기위한연구가필요함. - 60 -
프로젝트중간결과 o 원격조종또는자율운항이독자적으로사용되기보다는선박의유형과기능에따라선박의원격조종과자율운항을적절히조합하여사용하는것이효율적임. - 원격조종및자율운항선박을실현하기위해필요한기술들은이미존재하고있으며, 중요한것은이기술들을효율적으로결합할수있는최적의방법을찾는것임. - 선박의자율운항시스템을개발하는것은광범위한테스트와시뮬레이션을포함한점진적이고반복적인프로세스임. o 원격조종및자율운항선박은기존의유인선박만큼안전하게될것임. - 무인선박은사람의실수를줄일수있지만동시에새로운유형의위험이발생할수있기때문에이에대한면밀한연구가필요함. - 원격조종및자율운항선박의실현을위해서는법적제도적개선노력이필요하며, IMO에서는무인선박관련규정개정을고려해야함. AAWA 프로젝트의다음단계 o 시뮬레이션과해상테스트를활용하여자율운항선박에필요한기술을개발함. - Korpo와 Houtskär 사이에서운영되는 FinFerry 소속의 Stella 선박에서다양한센서기술을최적으로조합하기위한일련의테스트가수행될예정임. - 무인선박의새로운기술로인해기존의유인선박과비교하여달라지는위험혹은새로발생하는위험을연구하고, 이를해결하기위한새로운접근방법을개발함. - 시범선박의건설및운영에관한법적문제를국가차원에서연구하고, 이와동시에 IMO의무인선박관련법규변경을고려함. - 이해관계자의입장에서무인선박의비용 / 수익모델을개발함. - 61 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 o 원격조종및자율운항선박의기술적, 법적, 안전적인사양을 2017 년말까지개발완료 하고, 2020 년까지원격조종선박의상업적이용을실현할계획임. 4. SIMAROS Project 10) 프로젝트개요 o 프로젝트정보 - 프로젝트명 : Safe Implementation of Autonomous and Remote Operation of Ships. - 예산후원 : 노르웨이연구위원회 (NFR) - 기간 : 2017년 ~ 2019년 - 예산 : 총 18,000,000 NOK ( 한화약 26억원 11) ) - 참여기관 : DNV-GL, KONGSBERG, FJELLSTRAND, MSubs Ltd, Inmarsat 및 Norwegian Maritime Authority o 대상선박 : Hrönn offshore vessel - Hrönn 은해상에너지, 과학, 해양지리및근해어류양식업에서비스를제공하는자율 운항다목적선박임. - 본선박은과학연구와 ROV (Remotely Operated Vehicle) 및 AUV (Autonomous Underwater Vehicle) 의런칭및회수, 가벼운물자운송, 해상양식장지원등에사용될 수있음. - 본선박은또한유인선박과함께해양플랫폼의화재진화에사용될수도있음. 10) 참고문헌 : DNV-GL (2017), Autonomi, fjern-operasjon og konnektivitetsdrevne 11) 2017 년 9 월 28 일환율기준 (1 NOK = 1,147.50 원 ) - 62 -
- Hrönn 은처음에는 Man-in-the-Loop 제어모드에서원격조종으로선박을주로작동하 지만, 선박의제어알고리즘이개발됨에따라선박의운항이점차자동화되고궁극적으 로는완전한자율운항으로전환될예정임. 프로젝트목표 o 본프로젝트의주목표는원격조종및자율운항을통해완전한무인해양선박을안전 하게구현하기위한기술과프레임워크를개발하고, 개발된컨셉에대한상업적이익을 검증하는것임. o 이목표를위해프로젝트는다음의 10가지워크패키지로구성됨. - 프로젝트관리및정보공유 - 무인선박의작동원리개발 - 선박설계및일반배치도개발 - 선박제어및내비게이션시스템개발 - 해안통제센터개념개발 - 통신시스템개발 - 위험과신뢰성관리 - 테스트및검증수행 - 규칙및규정연구 - 조종및시운전 - 63 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 5. ROMAS Project 12) 프로젝트개요 o 프로젝트정보 - 프로젝트명 : Remote Operation of Machinery and Automation Systems - 예산후원 : 노르웨이연구위원회 (NFR) - 기간 : 2017년 ~ 2019년 - 예산 : 총 9,500,000 NOK ( 한화약 14억원 13) ) - 참여기관 : DNV-GL, Fjord1, HOGLUND Marine Automation AS, 및 Norwegian Maritime Authority o 프로젝트배경 - 선박은점차복잡해지는반면, 선박에승선할엔지니어의수는부족해지고있음. - 선박의디지털화및선박과육상간의연결성이향상되고있음. 12) 참고문헌 : DNV-GL (2017), Autonomi, fjern-operasjon og konnektivitetsdrevne 13) 2017 년 9 월 28 일환율기준 (1 NOK = 1,147.50 원 ) - 64 -
- 다른산업분야에서자동화와원격조종이점점더많이사용되고있음. 프로젝트목표 o 선박의엔진제어실 (Engine Control Room, ECR) 을해안의엔진제어센터 (Engine Control Centre, ECC) 로이동하는것이본프로젝트의주목표임. o 이를위한세부목표는선박기계및자동화시스템의원격 ( 해안기반 ) 운영에대한규정, 규칙및검증방법의프레임워크를수립하여선박운영의안전을손상시키지않으면서운영및비용효율성을향상시키는것임. o 이러한목표를위해본프로젝트는다음의 8가지워크패키지를수립함. - 비즈니스및사용자요구사항파악 - 위험및신뢰성관리 - 운영데이터분석 - 규칙및규정연구 - 새로운원격제어컨셉의확인및승인 - 새로운원격제어컨셉의실행 - 파일럿및데모시스템제작 - 프로젝트관리및결과의전파 - 65 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 6. AUTOSEA Project 14) 프로젝트개요 o 프로젝트정보 - 예산후원 : 노르웨이연구위원회 (NFR) - 기간 : 2015년 ~ 2019년 - 예산 : 총 11,000,000 NOK ( 한화약 16억원 15) ) - 참여기관 : NTNU 16), DNV-GL, KONGSBERG, MARITIME ROBOTICS o 프로젝트배경 - 조선해양산업의안전과신뢰성에대한관심은꾸준히증가해왔음. - 하지만여전히해상에서적지않은사고가발생하고있으며, 연구결과에따르면이러한사고들의대부분은사람의실수로인한것임. - 최근개발되고있는자율주행자동차나기타자동화시스템들은첨단센서와독자적인자동화알고리즘을통해고도의상황인식과자율성을달성할수있음을입증함. - 이러한기술을선박에적용하면, 사람의실수로인한사고를줄일수있음. 프로젝트목표 o AUTOSEA 프로젝트는자율운항선박간의충돌위험을줄이기위해센서융합을통한자동상황인식시스템개발을목표로하고있음. - 소형물체에대한탐지능력을향상시키고근거리에있는물체를보다효과적으로인식하기위해 AUTOSEA 프로젝트는기존해상레이더외에도카메라, 적외선및 LIDAR와같은해상분야에서일반적으로사용되지않는센서들도활용할예정임. 주요연구분야 o AUTOSEA 프로젝트의주연구분야는센서융합, 충돌회피, 시스템아키텍처및실험의 네가지영역으로나뉘어있음. - 센서융합 : 이미징센서를사용하여선박의운항중에움직이는물체를탐지및추적. - 충돌회피 : 능동적방법과반응방법모두조사. - 시스템아키텍처 : 신뢰성, 잘못된데이터처리, 자동차및항공우주산업의전략검토. - 실험 : 개발된시스템이 COLREGs 를준수하는지검증하고다른센서를세용하여개발된 시스템의탐지능력을평가. 14) 참고문헌 : NTNU (2017), Autonomous Shuttle Ferry 15) 2017 년 9 월 28 일환율기준 (1 NOK = 1,147.50 원 ) 16) 노르웨이과학기술대학교, Norwegian University of Science and Technology - 66 -
DNV-GL의선임연구원인 Øystein Engelhardtsen은 AUTOSEA 프로젝트는상황인식및충돌회피기술에대한독립적인제3자검증을위한견고한토대를제공할것이며, 규제당국과사용자그룹구성원사이에서선박의자율운항에대한지식과의식을높이는것을목표로할것입니다또한이프로젝트의결과는조선해양산업을넘어선다양한산업계의관심의대상이될것입니다. 라고언급함. - 67 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 VI 결론 유럽은이미스마트선박의개발을위한본격적인프로젝트를 2015 년부터시작하여다양한 기술분야에대해꾸준히연구를수행하고있음. 스마트선박의개발을위해서는디지털기술뿐만아니라다음과같은기존의전통적인조 선해양공학분야의연구도동시에수반되어야함. o 선박선체 - 자율주행선박의경우선원의거주구역이필요하지않기때문에선체구조의근본적 인변화가수반되며, 새로운형상의선체의구조강도, 진동등에대한연구가필요함. o 선박저항및조종성 - 자율주행선박은에너지효율을극대화하기위해기존선박보다훨씬느린저속으로운항하기때문에저속운항에최적화된새로운형상의선형개발이필요함. - 저속운항에서선박의조종성확보역시연구되어야할분야임. o 무인유지보수를고려한선박시스템설계 - 현재선박시스템은전부선원에의한유지보수를기초로하여설계되어있으나, 무인선박에서원격으로시스템을유지보수하기위해서는새로운개념의시스템설계가필요할수있음. 보고서내용요약 o 스마트선박 - 제4차산업혁명의영향으로조선해양산업에도다양한디지털기술과자동화기술들이활용되고있으며, 선박에사용되는이러한기술의발달로인해자동화시스템, 시스템모니터링, 시스템관리및데이터통신기능을갖춘선박인이른바 스마트선박 의개념이등장하였음. - 단기적으로스마트선박은디지털선박에서지능형선박으로진화하여발전된통신기술을바탕으로빅데이터를활용하여선박의설계, 운영및유지보수에실시간 / 지능형의사결정시스템을도입하게될것임. - 장기적으로는지능형선박에서자율적인선박으로진화하게되어완전자율운항선박이등장하게될것임. o 자율운항선박 - 자율운항선박은자동화된내비게이션과의사결정을내릴수있는로직시스템및통 - 68 -
합센서시스템을탑재하여선박주변의상황을스스로인식하고자율적으로운항하는선박을의미함. - 자율운항선박의이점은다음과같음. 거주구의제거로인한화물적재공간 / 중량증가, 저항감소, 전력소모감소 선원의인건비가소요되지않기때문에경제적인저속운항가능 악천후나해적의위협으로부터선원의안전보장 o 디지털트윈 - 실제선박의모든시스템을가상의공간에재현한디지털사본인디지털트윈은선박건설이전뿐만아니라선박의수명주기전반에걸쳐선박및시스템의안전성과성능등선박의모든측면을을평가할수있는가상의테스트벤치를제공함. o 선박연결성 - 통신기술발달로인한선박의연결성을통해육상의전문지식과향상된계산능력을이용한데이터분석을지원함으로써선박에필요한의사결정을지원할수있고해안에서선박의기능을원격으로제어할수있는가능성도제공함. - 선박의연결성을위한기술들로는통신중개시스템, 위성안테나기술, 위성영상처리등이있으며, 선박연결성은상태모니터링, 원격유지보수, 에너지효율최적화, 환경모니터링, 전자내비게이션및해상클라우드, 원격조종및자율운항선박등에활용될수있음. o 유럽의무인선박프로젝트 - EU MUNIN Project (2012년 ~ 2015년 ) 무인상선의운영기술을개발하고기술적, 경제적및법적타당성을평가. 첨단센서모듈, 자율항해시스템, 원격조종지원시스템, 엔진모니터링및제어시스템, 유지보수상호작용시스템, 에너지효율시스템, 해안제어센터를개발. - DNV-GL ReVolt Project 6 노트의속도로자율적으로운항하는연안화물선을개발하는프로젝트. 배터리를사용하여추진하는 ReVolt 선박은선형, 프로펠러및추진장치의최적화를통해기존의유인선박대비절반수준으로운영비를절감. 현재 1:20 스케일의모델선박을제작하여테스트중임. - 핀란드의 AAWA Project (2015년 ~ 2017년 ) 무인선박을위한기술들은이미모두개발되어있으며, 중요한것은이러한기술들을효과적이고효율적으로통합하는시스템을개발하는것이라고주장. 상황인식을위한센서통합시스템, 자율운항을위한주변매핑시스템, 선박의상태를정의하기위한시스템, 선상통신시스템을개발. - 69 -
유럽의스마트선박기술및정책동향 - 노르웨이의 SIMAROS Project (2017년 ~ 2019년 ) 완전한무인해양선박을안전하게구현하기위한기술과프레임워크를개발하고개발된컨셉에대한상업적이익을검증. - 노르웨이의 ROMAS Project (2017년 ~ 2019년 ) 선박기계와자동화시스템의원격운영에대한기술과규정을개발하여선박의엔진제어실을해안의엔진제어센터로이동시킴으로써선박운영의비용효율성을증가시키는것이목표임. - 노르웨이의 AUTOSEA Project (2015년 ~ 2019년 ) 자율운항선박간의충돌위험을줄이기위해센서융합을통한자동상황인식시스템개발에중점을두고있으며, 소형물체에대한탐지능력을향상시키고근거리에있는물체를보다효과적으로인식하기다양한센세를활용. - 70 -
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