Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 10 pp. 426-431, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.10.426 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 안벽공정모니터링시스템의개념설계에관한연구 김호경 1*, 고대은 2 1 목포대학교조선해양공학과, 2 동의대학교조선해양공학과 A Study on the Conceptual Design of Quay Process Monitoring System Ho-Kyeong Kim 1*, Dae-Eun Ko 2 1 Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Mokpo National University 2 Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dong-Eui University 요약근래조선소의해양프로젝트비중이증가함에따라작업안전환경과공정모니터링에대한요구사항이강화되고있다. 이에주요조선소에서는 IT 기술을접목하여공정을실시간으로모니터링하고작업자의안전을위해작업환경을감지하기위한연구가진행되고있다. 조선소의안벽공정은진수후안벽에다수의선박을계류하고선박내부에서의장시스템등의마무리공사위주로진행되며, 동시에 1,000여명이상이투입되어진행되므로인원의관리와안전환경의관리에어려움이많다. 본연구에서는이러한안벽에서의안전작업을위한작업환경을모니터링하고공정진행상황을감지하기위한시스템의개념설계를수행하였다. 현장적용성을높이기위해초기투자비와유지운영비를고려하여 6가지구성요소로전체시스템을구성하였으며, 조선소현장의통신환경을고려하여 Wi-Fi 와 LoRa 통신을혼용하였고현장에서의데이터송수신기초실험을통해그적용성을확인하였다. 설계된시스템의적용을통해안벽에계류된선박의작업에투입된인원현황, 작업구역별안전현황을실시간으로감지하고이를기반으로위험상황발생시단계별알람을발생하여신속한대피및대처가가능하도록함으로써인명손실및피해를최소화할수있다. Abstract In quay processes in shipyards, it is difficult to manage workers and to maintain secure working environments because at least 1,000 people can occupy the quay at the same time. In this study, a system was designed to monitor the environment and processes of quay operation. In order to lower initial investments and the costs of maintenance and operation, the entire system consists of six connected components. Considering the communication environment of the shipyard site, Wi-Fi and the LoRa communication protocol were selected for the system. The feasibility of the communication protocols was verified by data transmission tests in the field. The designed system can provide real-time information about employees working in the quay area, the safety status of moored ships on the quay, and step-by-step alarms in dangerous situations based on the detected information. The system is expected to prevent or greatly reduce safety hazards. Keywords : Hazard, LoRa, Process monitoring system, Quay process for shipbuilding, Working environment for safety 1. 서론 근래해양플랜트물량비중의증가에따라주요조선 소들의작업장에서는안전및환경에대한각종요구사항이강화되고있다. 조선소의작업환경은옥외작업장이많아실제작업이수행되는곳과작업을관리하는공 이논문은 2016년정보통신산업진흥원의 2016~17년지역SW융합제품상용화지원사업의지원을받아수행된연구임 ( 정보통신산업진흥원 2016-(NIPA-지역 SW-16-02)-(S0417-16-1025)) * Corresponding Author : Ho-Kyeong Kim(Mokpo Univ.) Tel: +82-61-450-2736 email: crossho@mokpo.ac.kr Received September 9, 2016 Accepted October 7, 2016 Revised September 22, 2016 Published October 31, 2016 426
안벽공정모니터링시스템의개념설계에관한연구 간이분리되어있고대형강구조물을주로생산하고있어작업현장의정보수집이어렵고정보의정합성이낮다. 이로인해시수, 인력, 장비, 품질, 안전등의관리에많은어려움을겪고있다 [1]. 이에대응하기위하여주요조선사를중심으로 IT 기술을접목하여공정을모니터링하고작업환경을감지하기위한연구가진행중에있다 [2-5]. 대표적으로국내의 H 중공업은조선소작업장의생산성향상및작업환경개선을위해 WiBro (wireless broadband internet) 등무선통신과전자태그를이용하는 디지털조선야드기술 을개발하였으며시범적용중이다. 선박건조를위해작업장에흩어진수백톤의대형블록구조물들의위치를 RFID(radio frequency identification) 로실시간모니터링함으로써작업공정상의위치파악과이동을최적화할수있도록하였고조선소에 WiBro 인프라를구축하고작업자간협업이가능하도록그룹통신시스템과멀티미디어통합단말기를개발하여작업에활용함으로써생산성향상을추구하고있다. 그러나대형강구조물을주로생산하는조선소의현장상황에의해통신및 IT 기기의사용이원활하지못하며이러한한계를극복하기위해서는대규모투자가따라야하므로실용화에한계가있고특히중소형조선소에는적용이어려운실정이다. 본연구에서는중소형조선소의진수후공정관리능력향상을위해공정모니터링시스템의구축을위한설계방안을제시하였다. 본연구의주요목적은진수후안벽공정에서의안전환경개선에두었다. 이를위하여조선소안벽공정및작업환경을분석하고현장의요구사항을파악한후복잡한형상의대형강구조물인선박내부에서도원활히작동할수있는안벽공정모니터링시스템의개념설계안을제시하였다. 대의경우 floating dock를이용하여진수작업을수행한다. 선대에서탑재완료된선박을 floating dock로 rail 또는 module transporter를이용하여이동시킨후 floating dock를적절한수역으로이동시켜진수작업을수행하게된다. 2.2 안벽공정진수된선박은안벽으로이동접안하여의장등후행공정을수행하게된다. 경남에소재한 S 조선해양의안벽현황을모델링한 Fig. 1에서볼수있듯안벽에는조선소의생산공정과안벽용량에따라이중또는삼중계류까지도발생할수있다. 안벽에계류된선박은서비스타워또는브리지에의해육상과연결되어작업인원의통행이가능하다. 안벽공정을위하여투입되는작업인원들은서비스타워등을통해육상에서선박으로승선한후작업이이루어지는공간별로 door, manhole 등을통하여해당구역으로이동하여작업을수행하게된다. Fig. 1. Quay status in a shipyard 2. 작업환경분석본연구는조선소에서이루어지는진수이후의공정을대상으로한다. 2.1 진수공정조선소에따라 dry dock 또는선대에서탑재작업이수행된다. 탑재작업이완료되면 dry dock의경우는물을채우고 dock gate를개방하여선박을진수시킨다. 선 선박은엔진룸, 화물창, 평형수창등다수의구역으로나누어져있으며안벽공정은작업에따라이러한다양한구역내부에서주로수행된다. 작업구역은선종별로다양한형태로구성되어있으나크게분류하면화물이적재되는화물창영역, 평형수가적재되는 ballast water tank, 주요기기가배치되는엔진룸, 선원들의거주를위한 deckhouse 및기타공간으로분류할수있다. 한척의선박에도 50여개의작업구역이형성되고구역당접근을위한통로는최소 2개이상이배치된다. 427
한국산학기술학회논문지제 17 권제 10 호, 2016 3. 기업요구사항분석진수후공정관리를위한조선소의요구사항은크게작업에투입되는인원의관리와작업구역내위험발생상황의감지에대한사항이주를이룬다. 최대 3중계류까지활용될수있으므로가장바깥쪽에계류되는선박까지통신에문제가없어야한다. 3.1 안벽호선현황정보 Fig.1 에보인바와같이다수의선박이안벽에계류되어있으며수시로이안과접안이이루어져서계류상황이변화하게된다. 이에따라선대및안벽에계류된선박의정보와호선이동계획, 기상정보등의통합관리및표시가요구된다. 3.2 작업구역출입인원관리안벽작업을위해투입되는인원은조선소별로차이가있으나중형조선소의경우대략 1,000여명의인원이매일투입되어개별선박과구역에서작업을수행한다. 이에따라작업인원관리에어려움이있으므로사전출입신고서및출입허가절차관리, 출입용 Tag 관리, 실투입인원감지및관리등이요구된다. 3.3 위험상황정보표시허가받지않은작업자의출입이발생한구역이나유해가스등이감지된구역등의정보획득및해당수준에따라경보및관리자에게즉각적으로발생상황에대한전파가요구된다. 유해가스, 화재등과같은작업환경과더불어작업자안전상태 ( 전도, 추락 ) 등에대한탐지도요구되며, 사고발생시현황판에현재상황과사고처리및대피관련정보표시가능이추가적으로요구된다. 가스탐지센서는측정가스의특성에따라설치되는위치가달라야하므로작업구역의형상과발생가스의종류에따라적정위치가선정되어야한다. 주요탐지가스로는산소, 일산화탄소, 황화수소, 가연성가스등이있으며발생가스의농도측정도요구된다. 3.4 야드내무선네트워크구축최종서버가위치할사무실과실제공정이이루어지는야드안벽간에수집된안벽공정및작업환경정보의전달을위한무선네트워크구축이필요하다. 무선네트워크는 Fig. 2와같이최종적으로안벽구역전체를포괄할수있어야한다. 안벽은조선소건조상황에따라 Fig. 2. Required working area for wireless network 4. 모니터링시스템설계 환경분석과요구사항을기반으로진수후공정관리능력향상을위한통합관리시스템의개념설계를진행하였다. 전체시스템은 Table 1에나타낸것과같이크게 6개의요소로구성하였다. Table 1. System components list Component 1 Quay Monitoring System 2 Ship On Site Alarm (Ship OSA) 3 Bridge On Site Alarm (Bridge OSA) 4 compartment On Site Alarm (compartment OSA) 5 Sensors 6 Mobile App Description Installed on Main Server Information Management Installed at gates for moored ship at quay directly Detect access workers Display informations Installed at gates for double banking or triple banking ship Detect access workers Installed at each access of ship Detect access workers Display informations of compartment Fixed type: Installed inside of compartment Movable type: Placed at Compartment OSA Detect toxic gas and alarm Install on mobile phone Display informations Control eace compartment 4.1 안벽관제시스템사무실서버에설치되어안벽공정관리시스템의모든정보를취합하고관리하는메인프로그램으로현장에설 428
안벽공정모니터링시스템의개념설계에관한연구 치된다른구성요소들로부터필요한정보를전송받아정보를처리한후가공된정보를다시다른구성요소로전송한다. 와같이화면에표시하여준다. Fig. 3. Conceptual design of the system 4.2 호선 On Site Alarm( 호선 OSA) 호선 OSA는 Fig. 3에서볼수있듯이안벽에직접계류된선박의출입구 (service tower, bridge) 에해당호선의작업현황및환경정보를표시하고출입인원정보를파악하기위하여설치한다. 출입인원을확인하기위하여근접센서와 tag reader가각각설치된다. 근접센서는출입인원수만을감지할수있고 tag reader는작업자가출입 tag를가지고있을경우이를감지하여작업자의신원을확인할수있다. 근접센서에의해작업자의출입이확인되었음에도 tag reader에서 tag를감지할수없을경우허가된인원이아니므로경보를발생하고해당정보를안벽관제시스템으로전송한다. Tag reader 에서작업자의신원정보가정상적으로감지된경우호선 OSA는감지된출입인원정보를안벽관제시스템으로전송하고안벽관제시스템에서호선출입인원정보를수정하여호선 OSA에전송한다. 모든데이터의무결성을위하여데이터베이스는안벽관제시스템에서일원화하여관리하고다른구성요소에서는이결과를받아서단순히표시하여주는역할만을수행하도록설계하였다. 호선 OSA에서전송된출입인원정보가안벽관제시스템에서사전등록된작업신청서의허가인원정보에허용된인원이아닐경우안벽관제시스템은비상상황발생을해당호선 OSA에전송하여경보를발생하도록한다. 호선 OSA는해당호선의구역별작업인원현황과환경현황을안벽관제시스템으로부터전송받아 Fig. 4 Fig. 4. Design for display of ship on site alarm 4.3 Bridge On Site Alarm(Bridge OSA) 다중계류된선박의출입인원감지를위하여 Fig. 3 과같이 upper deck에설치되는 bridge에 bridge OSA를설치한다. 다중계류된선박의작업을위한작업자는일단안벽에서안벽에직접계류된선박으로승선하게되고 upper deck에설치된 bridge를통하여해당호선으로최종이동하게된다. 이에따라안벽에직접계류된선박의호선 OSA를통과할때에먼저출입이감지되고그호선의탑승인원으로감지관리된다. 그후작업자가실제목적하는작업호선으로 bridge를통하여이동하는순간 bridge OSA에서이를감지한다. Bridge OSA의인원감지장치는호선 OSA와같이근접센서와 tag reader로구성되어같은방식으로동작한다. Bridge OSA에서출입인원정보가감지되면다시안벽관제시스템으로정보가전송된다. 안벽관제시스템은출입허가된인원일경우안벽에직접계류된선박과이중계류된선박의출입인원정보를수정하여호선 OSA에정보를회신한다. 허용인원이아닌비상상황발생시에는 bridge OSA와호선 OSA에알람경보를발생하도록정보를전송한다. 이중계류된선박의정보역시안벽에서보는것이현장사용성이높으므로 bridge OSA는별도의화면표시기능을가지지않고다중계류된선박의구역별작업인원현황과환경현황정보등은안벽에직접계류되어연결된선박의호선 OSA에같이별도의화면으로표시한다. 429
한국산학기술학회논문지제 17 권제 10 호, 2016 4.4 구역 On Site Alarm( 구역 OSA) 안벽공정은작업에따라선박내부의다양한구역내부에서주로수행된다. 작업구역은선종별로다양한형태로구성되어있으나크게분류하면화물이적재되는화물창영역, 평형수가적재되는 ballast water tank, 주요기기가배치되는엔진룸, 선원들의거주를위한 deckhouse 및기타공간으로분류할수있다. 한척의선박에도 50여개의작업구역이형성되고구역당접근을위한통로는최소 2개이상이배치된다. 각구역별로환경과출입인원의감지를위하여구역별출입구 (access hole, door, manhole 등 ) 에구역 OSA 가설치된다. 구역 OSA는해당구역에출입하는인원의정보를감지하기위하여호선 OSA와같이근접센서와 tag reader 로구성되어같은방식으로인원을감지한다. 감지된정보는안벽관제시스템으로전송되고안벽관제시스템은구역출입인원정보를수정하여해당호선의호선 OSA 에전송하여표시한다. 또한구역 OSA는해당구역내부에존재하는환경탐지센서로부터정보를전송받아안벽관제시스템으로전송한다. 4.5 환경탐지센서환경탐지센서는고정용센서와이동용센서로구성된다. 작업구역내의상시적이고완전한위험상황감지를위해서는고정된위치에항시설치되어감지하는방식이유리하나수시로설치되고회수되어야하는운영경비면이나모든영역을감지하기위해필요한센서의초기투자를고려할경우고정용센서사용만으로현실적용성에한계가있다. 이에본연구에서는최소한의수량을고정형으로설치하고일부센서는이동형으로설계하여구역 OSA에거치하였다가작업구역에진입하는작업자가소지하고진입하도록하는방식으로전체시스템을설계하였다. 환경탐지센서는산소농도, 아황산가스등 4가지유해가스를감지하고위험상황발생시자체적으로알람을발생하여작업자에게정보를제공하고해당정보를상위구역 OSA에전송한다. 구역 OSA는비상상황발생정보가센서로부터수신되면자체적으로알람을발생하여추가로작업자가그구역에접근하는것을방지한후해당정보를안벽관제시스템으로전송한다. 안벽관제시스템은비상상황정보를호선 OSA 와호선담당관리자에게모바일앱으로통보한다. 4.6 모바일앱관리자및시스템사용자는휴대폰에모바일앱을설치하고현장에서모바일앱을통하여안벽관제시스템으로부터비상상황발생정보등안벽공정과관련된각종정보를전송받는다. 또한호선 OSA 등각종구성요소의현장설치시근거리통신을이용하여해당구성요소의관리및제어를수행한다. Fig. 5에전체 6개구성요소의주요기능과구성장치및구성요소간의통신연결을표시하였다. Fig. 5. Schematic diagram of the system 5. 데이터전송실험전체시스템을구성하는 6가지구성요소간에는정보교환을위하여무선통신이요구된다. 본연구에서는조선소의환경과적용대상구조물의형상을고려하여 Wi-FI와 LoRa(long-range sub-ghz module) [6] 통신을혼용하여설계하였다. LoRa는중장거리무선통신기술로최근다양한응용분야에적용되고있다 [7]. Fig. 5에파란색화살표로표시되어있듯이안벽관제시스템과직접정보를교환하는호선 OSA, bridge OSA, 구역 OSA 및모바일앱은비교적방해물이적은공간에서통신이이루어지는환경이므로 Wi-Fi 망을구성하여통신을수행한다. Fig. 5의녹색화살표와같이구역내부로들어가서통신이이루어져야하는환경탐지센서와구역 OSA 간의통신은 LoRa를적용하여설계하였다. 해당통신프로토콜의적정성을검증하기위하여기초실험을수행하였다. 실험은 Fig. 6에보인바와같이시스템이적용될상황과같이 upper deck의출입구에 LoRa gateway를설치하고구역 (cargo tank, ballast water tank) 내에 LoRa module을가지고이동하며통신품질과음영구역을확인하였다. 4척의다른선종에대하여다양한구역에대해실험한결과대부분의 430
안벽공정모니터링시스템의개념설계에관한연구 구역에서문제가없었으나대형선박의가장깊은위치인이중저중앙구역의일부에서음영구역이나타나는것을확인하였다. 이에대해서는추가연구를통하여음영구역의해소방안을보완할예정이다. Fig. 6. Communication Protocol Test [2] K.S. Han, S.C Han, J.H. Park, IT Convergence on Ocean Plant and Shipbuilding, Journal of the KSME, vol. 53, no. 11, pp. 48-53, 2013. [3] M.S. Hwang, Domestic Research Stasus on IT Convergence Technology on Shipbuilding, TTA Journal, no. 126, pp. 34-37. 2009. [4] D.Y. Cho, H.C. Song, J,H. Cha, Monitoring and Simulation of Block Logistics, Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 48, no. 4, pp. 24-29, 2011. [5] J.H. Yu, H.K. Kim, R.S Leem, H.J. Shin, A study on Development of Auto Steel-Plate Pile System Using Measurement System, Proceedings of the SAREK 2008 Winter Annual Conference, pp. 424-428, 2008 [6] http://lora-alliance.org/ [7] Y.D. Yoo, Y. S. Lee, The Design and Implementation for Smart Iot Device and Application Solution based on Long-Range wiress network technology, Proceedings of The Korean Institute of Communications and Information Sciences, vol. 57, pp. 105-106, 2015. 6. 결론 본논문은조선소야드에설치하여진수후공정을모니터링하기위한시스템의개념설계방안을제시하였다. 현장적용성 ( 초기투자비와유지운영비 ) 을고려하여 6가지구성요소로전체시스템을구성하였으며, 조선소현장의통신환경을고려하여 Wi-Fi와 LoRa 통신을혼용하였다. 또한, 현장에서데이터송수신기초실험을수행하여적용성을검토하였다. 본시스템을이용하면안벽에서이루어지는각종공정에투입되는인원의실시간관리가가능하고작업구역의안전환경탐지와비상상황발생시에빠른대응을위한정보제공이가능할것으로기대된다. 향후연구에서는센서배치등을위한위험도평가와, 시스템설치작업간소화를위한위치자동인식연구를수행할예정이며최종적으로본연구의성과에따라시스템을개발제작하여중형조선소의안벽공정에실적용할예정이다. References [1] H.S. Oh, D.J. Kim, S.R. Jang, A Development of HSE Management System based on Smartwork, Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 50, no. 2, pp. 38-43, 2013. 김호경 (Ho-Kyeong Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 선박생산자동화, 선박건조기술 1996 년 2 월 : 서울대학교공과대학조선해양공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 8 월 : 서울대학교공과대학조선해양공학과 ( 공학박사 ) 2003 년 8 월 ~ 2015 년 3 월 : STX 조선해양기술연구소 2016 년 3 월 ~ 현재 : 목포대학교조선해양공학과교수 고대은 (Dae-Eun Ko) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 서울대학교공과대학조선해양공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 8 월 : 서울대학교공과대학조선해양공학과 ( 공학박사 ) 2002 년 10 월 ~ 2008 년 2 월 : 삼성중공업 ( 주 ) 구조설계팀 2008 년 3 월 ~ 현재 : 동의대학교조선해양공학과교수 < 관심분야 > 선박및해양구조물구조설계, 용접변형및용접설계 431