工學碩士學位論文 항해중인선박의내항성능평가를위한선체운동계측시스템개발 Development of A Hull Motion Measurement System for Evaluating the Seakeeping Performance of a ship 指導敎授 孔吉永 2006年 2月 韓國海洋大學校大學院 運航시스템工學科 金大楷
本論文을金大楷의工學碩士學位論文으로認准함. 委員長工學博士宋在旭 委員工學博士李允石 委員工學博士孔吉永 2006年 2月 韓國海洋大學校大學院
목 차 Abstract vi Nomenclature viii 제 1 장서론 1 1.1 연구의배경및목적 1 1.2 관련연구동향 3 제 2 장내항성능평가기술 5 2.1 내항성능평가요소및시스템적결합 5 2.2 파랑중의선체운동 8 2.3 해양파스펙트럼 10 2.4 내항성능평가치및위험도 12 2.4.1 평가치 12 2.4.2 위험도 13 2.4.3 최대위험도와상대위험도 13 2.5 내항성능평가지표 15 2.5.1 내항성능평가요소의변환평가치 15 2.5.2 내항성능지표의정의 17 2.6 임의의대표적인요소에의한내항성능평가 20 2.7 상하가속도를계측한내항성능평가 21 2.8 수치시뮬레이션 22 2.8.1 수치계산의평가방법 24 2.8.2 수치계산결과 24 -i-
제 3 장선체운동계측시스템의설계 32 3.1 선체운동계측시스템개요 32 3.2 선체운동계측시스템의설계 33 3.2.1 3 축가속도계(3-Dimensional Accelerometer) 36 3.2.2 2 축경사계(2-Dimensional Tilt Sensor) 38 3.2.3 변위계 (Displacement Sensor) 40 3.2.4 방위계 (Azimuth Sensor) 42 제 4 장선체운동계측시스템의개발 44 4.1 선체운동계측 해석시스템 44 4.2 선체운동계측시스템의하드웨어구성 47 4.2.1 신호처리절차 47 4.2.2 가속도계 (Accelerometer) 49 4.2.2.1 가속도계측이론 49 4.2.2.2 3 축가속도계(3-Dimensional Accelerometer) 51 4.2.3 2 축경사계(2-Dimensional Tilt Sensor) 53 4.2.4 DAQ Card (Data Acquisition Card) 55 4.2.5 단자대 (Terminal Plate) 57 4.2.6 전원공급장치 (Power Supply) 59 4.3 선체운동해석소프트웨어 61 4.4 선체운동계측시스템의특징 67 제 5 장결론 69 참고문헌 71 -ii-
List of Figures Fig. 2.1 Serial combination of factors for evaluating seakeeping performance 6 Fig. 2.2 Coordinate system 9 Fig. 2.3 Seakeeping performance index of T/S HANNARA' (Sea State 8, Fn=0.2) 26 Fig. 2.4 Seakeeping performance index of T/S HANNARA' (Sea State 8, Fn=0.272) 27 Fig. 2.5 Comparison of navigational safety of T/S HANNARA' considering and not considered speed loss (Sea State 8, Fn=0.2) 28 Fig. 2.6 Comparison of navigational safety of T/S HANNARA' considering and not considered speed loss (Sea State 8, Fn=0.275) 29 Fig. 2.7 Evaluation diagram of navigational safety of T/S HANNARA' (Fn=0.2) 30 Fig. 2.8 Evaluation diagram of navigational safety of T/S HANNARA' (Fn=0.275) 31 Fig. 3.1 Total safety evaluation system 32 Fig. 3.2 Configuration of measurement system 33 Fig. 3.3 Internal flow charts of hardware system 34 Fig. 3.4 Definition of 6-degree of freedom in right hand system 35 Fig. 3.5 3-Dimensional accelerometer 36 Fig. 3.6 2-Dimensional tilt sensor 38 Fig. 3.7 Displacement sensor 40 Fig. 3.8 Azimuth sensor 42 Fig. 4.1 Flow chart in measurement & analysis system 45 Fig. 4.2 Hull motion measurement system 46 Fig. 4.3 Hardware system of measuring device 48 Fig. 4.4 Real model of hardware system 48 Fig. 4.5 Accelerometer principle 49 Fig. 4.6 Dimensions of 3-dimensional accelerometer [Seika SW3] 52 - iii -
Fig. 4.7 Installation of 3-dimensional accelerometer 52 Fig. 4.8 Block diagram of 2-dimensional tilt sensor [Seika SB2I] 53 Fig. 4.9 Dimensions of 2-dimensional tilt sensor [Seika SB2I] 54 Fig. 4.10 Installation of 2-dimensional tilt sensor 54 Fig. 4.11 Arrangement of DAQ card 55 Fig. 4.12 Installation of DAQ card 56 Fig. 4.13 USB to RS-232 convertor [UTS2009] 57 Fig. 4.14 Installation of terminal plate 58 Fig. 4.15 Installation of USB to RS-232 convertor 58 Fig. 4.16 Block diagram of power supply [UP30DAE] 59 Fig. 4.17 Dimensions of power supply [UP30DAE] 60 Fig. 4.18 Installation of power supply 60 Fig. 4.19 Chart option screen 62 Fig. 4.20 File saving and sampling time setting 62 Fig. 4.21 Monitoring and analysis program 63 Fig. 4.22 Evaluation diagram of navigational safety by programming 64 Fig. 4.23 Block diagram of integrated seakeeping performance evaluation system 65 Fig. 4.24 Replay function of saved file 66 -iv-
List of Tables Table 1.1 Solutions for the safety of navigation 1 Table 2.1 Beaufort scale number and wave characteristics 22 Table 2.2 Principal particulars of T/S HANNARA 23 Table 3.1 3-Dimensional accelerometer specification 37 Table 3.2 2-Dimensional tilt sensor specification 39 Table 3.3 Displacement sensor specification 41 Table 3.4 Azimuth sensor specification 43 Table 4.1 Function of USB to RS-232 convertor 57 -v-
Development of A Hull Motion Measurement System for Evaluating the Seakeeping Performance of a Ship Dae-Hae Kim Department of Ship Operation System Engineering, Graduate School of Korea Maritime University ABSTRACT In order to evaluate the seakeeping performance at sea and the safety of mooring on berthing, it is necessary that the ship dynamic motion induced waveandwindshouldbemeasuredinrealtimedomainforthevalidityof theoretical evaluation method such as seakeeping performance and safety of mooring. The seakeeping performance can be evaluated by measuring only hull vertical acceleration of a ship. The seakeeping performance can be defined as the ability of a ship to go to sea, and to accomplish its missions successfully and safely even in adverse environmental conditions. In this paper, the basic design of sensors is discussed and the system configurations were shown. The developed system consists of 4 kinds of sensors, i.e. three dimensional accelerometer, two -vi-
-viidimensional tilt sensor, two displacement sensors and azimuth sensor. Using this Hull Motion Measuring System(HMMS), it can be obtained the 6 degrees of freedom of ship dynamic motions at sea and on berthing such as rolling, pitching, yawing, swaying, heaving and surging under the certain external forces. The Hull Motion Measuring System is useful to evaluate the seakeeping performance and the safety of mooring of a ship. The results are applied to develop the optimum ship route system and next generation voyage data recorder.
Nomenclature E Tc E Xi E Xic 내항성능평가요소의변환평가치선박시스템의내항성능변환평가치선박시스템의내항성능한계평가치내항성능평가요소의평가치내항성능평가요소의한계평가치 Fn Froude number ( = ) g 중력가속도 L N e N p Q Xic Q(X i ) ω χ θ 내항성능평가요소의응답함수 선박의길이 주기관의회전수 프로펠러회전수 내항성능평가요소의한계발생확률 내항성능평가요소의발생확률 Q(t) 내항성능평가요소인현상이최저 1회발생할확률 Q e Q p 주기의토크 프로펠러토크 Rayleigh 분포의 1차원확률밀도함수 P i P T R r S 내항성능평가요소의신뢰도함수내항성능신뢰도함수선체저항주기관과프로펠러의회전수비해면상태 ω χ 내항성능평가요소의스펙트럼 - viii -
-ixζ ω 장파정해양파스펙트럼 ζ ω θ 단파정해양파스펙트럼 T P t U V X i X ic 프로펠러추력추력감소계수프로펠러유입속도선박의속도내항성능평가요소내항성능평가요소의한계치내항성능평가요소의확률과정 w ΔN ΔR η t η R 반류계수 자연적감속 선체저항증가량 전달계수 프로펠러효율비 Λ 주기관의 1회전당연료주입량 σ σ 내항성능평가요소의표준편차 내항성능평가요소의분산치 μ 내항성능지표 (Seakeeping Performance Index) μ μ ω χ 내항성능평가요소의최대위험도내항성능평가요소의위험도해양파주파수선박과파와의만남각
제 1 장서론 1.1 연구의배경및목적 최근에건조되는선박은과학기술의발전에따라자동화, 대형화, 지능화및 고속화되어가고있다. 선박을운항하는해기사들은불규칙한해상에서바람, 파 랑등의외력에대응하여, 고도의안전성과신뢰성을유지하면서항해의목적을 달성하고해양사고를미연에방지하는것이주된임무이다. 해양사고의주요한유형은충돌, 기관손상, 화재ᆞ폭발, 좌초그리고전복ᆞ침몰사고등이다. Table 1.1에나타낸바와같이이러한해양사고를방지하기위한노력과선박자동화의일환으로기존의장비가보다최신화되고또한새로운장비가개발되고있다. Table 1.1 Solutions for the safety of navigation Objective Reducing the risk of collision Reducing the risk of grounding Reducing the risk of heavy weather damage Type of Information Traffic situation Sheltered waters Weather condition and operational limits Nautical Equipment Radar(ARPA) AIS GPS ECDIS Echo sounder Weather routing Ballasting system Automatic Operation System -1-
차세대를지향하는조선및항해기술의과제는선박이출항지에서의적화작 업으로부터기항지에서의하역작업까지고도의안전성과신뢰성을유지하면서, 최적의항로와속력을택하여가장경제적인해상수송을수행하는고신뢰도 지능화선박을연구ᆞ개발하는것이다. 고도의안전성및신뢰도를확보할수있는지능화선박의자동운항시스템을 개발하기위해서반드시해결해야할중요한과제는, 선박이어떤해상을항해함 에있어어느정도의운항속도로항해해야하는것인가와선박의종합적인내항 성능이어느정도인가를정량적으로판단하는것이다. 그리고만약어떤선박이 특정기상또는해상상태에서하역작업또는항해가위험하다고판단되는경우, 그위험상태가어떤요소로인해유발되었으며어떤조치를어떻게얼마만큼취 해야선박의안전을확보할수있는가하는것이다. 파랑중항해하는선박의항해안전성을평가하는방법으로내항성능평가를 이용한다. 내항성능(Seakeeping performance) 이란 선박이바람이나파랑 등의외력을받으며항행할경우유효한평균선속의저하를최소로하여안전 하고쾌적하게항해할수있는성질 또는 어떤해상상태에서예정속도를 유지하고선체의손상이나성능의저하없이항해가가능한성질 이라정의하 고있다. 내항성능의평가요소는한계발생확률이각각다르게제안되어져있기때문 에선박전체의내항성능을평가하기위해서는모든요소의계측을필요로한 다. 그러나, 모든요소에센서를설치하여평가한다는것은, 계측을위한센서 의설치가불가능한것도있고, 경제적인면에서도비용의과다로계측상문제 가있다. 이런계측상의어려움을해결할수있는평가방법으로, 임의의대표요소 의한내항성능평가즉, 선박운항자들이감각적인면에서정량화된평가요소 로채택하기쉬운상하가속도를계측하여종합적인내항성능을평가할수있는내항성능지표(SPI Seakeeping Performance Index) 가개발되어있다. 1) -2-
따라서본연구에서는그러한평가방법을실용화하여실해역을항해중인선 박에적용할수있는선체운동계측장치를제작하였다. 즉, 선박에하드웨어장 치인선체운동가속도계측 해석시스템을탑재하여실해역에서의상하및좌 우가속도를계측하고, 계측된데이터를해석및계산을통해선박안전성능을 평가하고, 그당시의항해위험도를컴퓨터화면상에화상처리함으로서시각적 으로쉽게항해안전성을평가할수있는있는선체운동계측시스템을개발하게 되었다. 본연구의최종적인목표는선박의내항성능과정박중인선박의계류안전성 평가에기초가되는, 외력에따른선체운동평가를위한선체운동계측시스템의 개발에있다. 1.2 관련연구동향 선박의내항성능은황천등과같은비교적거친해상상태에서특정항로에운 항중인선박의안전성을내항성능이론을이용하여평가하고있다. 또최근내 항성능관련연구 1-3) 는충분한이론적인연구성과를기초로기존내항성능평 가방법에대한문제점을개선ᆞ보완하여, 실선에서임의의대표한요소만을계 측하여선박전체의내항성능을평가하는항해안전성종합평가시스템을구축하 여본격적인실선실험을준비하고있다. 이러한항해안전성종합평가시스템 1) 은 그동안선박운항자의감각적인면에서정량화된평가요소로채택하기쉬운상 하가속도의 1/3 유의치를계측하여, 다른평가요소와의상관관계를도출함으로 서선박의종합적인내항성능을평가하는시스템 2,3) 이다. 한편계류안전성 4,5) 은특정부두에계류하여하역작업을수행하고있는선박 이파랑, 바람, 조류등과같은외력하에서수반되는선체의동적동요를해석하 여선체동요 4) 에따른한계하역치의설정및계류한계외력등을이론적방법 5) -3-
으로접근하여평가하는연구가진행되어져왔다. 최근계류안전성관련연구는 신항만신설이나전용부두의설계시에외력에따른계류선박의동적동요를해 석하여그결과를부두시설물이나방충재등의최대허용하중설계에이용하고 있다. 이러한내항성능및계류안전성평가에가장중요한요소는외력에따른선체 의동적동요를정량적인방법으로분석하여, 외력의크기와방향그리고선형에 따라일반화하는일이라할수있다. 그동안항해및계류안전성과관련하여이 론적인접근방식을기초로한수많은연구들이수치시뮬레이션또는수리모형 시험을중심으로진행되어져이론적인부분에서는어느정도가시적인성과가있 었다. 앞으로의과제는이러한이론적연구를실선에적용하여그연구결과를 검증한후선박의운항자가직접적으로활용할수있도록실용화하는작업이라할수있다. 따라서본연구는항행안전성과계류안전성평가에있어기본이되는특정조건하에서발생하는선체의동적동요를평가할수있는선박탑재용선체운동계측시스템을개발하는데있다. -4-
제 2 장내항성능평가기술 2.1 내항성능평가요소및시스템적결합 파랑중선박의내항성능에관한현재까지의연구에의하면, 불규칙한해상을 항행하는선박의인명, 선체, 화물의안전을고려하여파랑등의외력에대한 선박의내항성능을평가하기위해, 선체의운동으로부터발생하는다음과같은 현상을내항성능평가요소로하고있다. (1) (2) (3) (4) 선수갑판침수프로펠러레이싱슬래밍횡동요 (5) F.P. 의상하가속도 (6) S.S. 8½ 의좌우가속도 파랑중을항해하는선박에서각내항성능평가요소는주어진한계치를초과 할때에그현상이발생하고, 그발생확률이주어진한계발생확률을넘을때 선박은파랑중에서그기능을잃거나아니면위험하게된다. 이와같은각내 항성능평가요소의시스템적결합은 Fig. 2.1에나타낸바와같이직렬결합 (serial combination) 구조로서, 한개의요소라도그발생확률이한계발생확 률을초과하게되면선박은기능을잃게된다. 한편, 이들각내항성능평가요소들에대해일반적으로적용되고있는한계 치와한계발생확률은다음과같다. 여기에서각내항성능평가요소에대한한 계발생확률이각각다르게제안되어져있다. 이것은각요소에대한연구가각 각행하여져얻은결과이기도하고, 다른한편으로는내항성능평가시각요소 의중요도를달리부여한의미도있다. -5-
Fig. 2.1 Serial combination of factors for evaluating seakeeping performance (1) 선수갑판침수 선수갑판침수의한계치는모형시험결과에의해해석된정수중항주시의 수위상승을고려한선수수선(F.P.) 의유효건현이다. 한계발생확률은 2 10-2 이다. (2) 프로펠러레이싱 Nakamura, Naito 등의실험에의하면프로펠러상단이수면가까이왔을 때, 프로펠러특성상토크의급격한변화가일어난다. 따라서프로펠러레이싱 의한계치는정수중항주시의상대수위상승을고려하지않은상태에서프로 펠러반경의 ⅓이노출되는것이다. 한계발생확률은 10-1 이다. -6-
(3) 슬래밍 슬래밍의한계치는 S.S.8½ 에서의선저노출과동시에, 파에돌입할때의 선저의파면에대한상대속도가한계속도(threshold velocity) 를초과하는 것을한계치로한다. 여기에서한계속도는을채택한다. 한계발생확 률은 10-2 이다. (4) 횡동요 횡동요의한계치는정수중항주시선체중앙부 Weather Side의 Bulwark Top에해수가유입하는것을한계상태로하여흘수면에서 Bulwark Top까지 의높이이다. 한계발생확률은 10-3 이다. (5) F.P. 의상하가속도 선체 F.P. 에서작용하는상하가속도는 Aertssen이설계단계에서제안한 선박길이에따른가속도의한계치를이용한다. 한계발생확률은 10-3 이다. (6) S.S.8½ 의좌우가속도 항해하는선박에서인간은좌우가속도에대해민감하게반응한다는연구 결과를바탕으로, 한계치는조타실, 통신실등에서의운항자작업성을고려하여 0.6g 을적용한다. 한계발생확률은 10-3 이다. -7-
2.2 파랑중의선체운동 불규칙파랑중에서항행하는선박의선체운동응답치를해석하기위해서는 먼저규칙파에대한선체운동의응답함수가필요하다. 이러한규칙파중에서선 박이파로부터받는힘을명확히파악하고, 선체의여러가지운동과힘을측 정하기위해서주로 Strip 이론이널리사용되고있다. Strip 이론은선체를 2 차원단면(Strip) 을갖는다고가정하고, 선체를여러 개의 Strip으로나누어각각의 Strip에작용하는 2차원유체력들을선박의길 이방향으로적분함으로써 3차원인선체에작용하는유체력들을산정하는방 법이다. 그리고, 파랑중선체운동계산을위한좌표계는 Fig. 2.2 와같다. 즉, 정지공간좌표계 등속이동공간좌표계 원점을정지자유표면에놓은선체고정좌표계 원점을중심에놓은선체고정좌표계 선박은파의진행방향에대해 X 각도로이루어지는직선상을속도 V로서항 행을하고, 평균위치의주위에서무게중심 G가각각의축방향및축주위 로미소진폭의동요를한다고가정한다. 그리고, 위상각은파정이선체중앙의 중심선에있을때를기준으로하며위상전진을 ( +) 로정한다. -8-
Fig. 2.2 Coordinate system -9-
2.3 해양파스펙트럼 불규칙한해상상태를해석하기위하여, 일반적으로해양파를다음과같이 가정하고분석한다. (1) 일정한주기로측정된파고(wave elevation) 의분포는정규 분포이며, 그극치는 Rayleigh 분포를따른다. (2) 불규칙한파의파형은서로다른파장과파고를가진여러 규칙파의중첩(superposition) 이다. 상기의가정하에해양파의불규칙성은파스펙트럼으로해석할수있다. 론적인해양파스펙트럼은그동안많은해양학자들에의해제안되었으나, 이 일 반적으로몇가지가통용되고있다. 여기에서는국제선체구조회의(ISSC) 에서 채용한장파정해양파스펙트럼인개량 P-M (Pierson-Moskowitz) 형스펙 트럼을채택하였다. 해양파스펙트럼을 이라고하면다음과같다. π π ω π ω (2-1) 여기서, 평균파주기 유의파고 ω 파의원주파수 (circular frequency) 또한실제해상에가깝게표현되는파스펙트럼의방향성분포에관해서는 파의평균진행방향에대해 - π/2 π/2 의범위에서는방향성파의성분이 -10-
분포하고그이외의범위에서는 0 으로가정하면, 방향성분을고려한단파정 해양파스펙트럼은다음과같이표현된다. ζ ω θ π ω θ π θ π (2-2) 그밖의경우 여기서, 파의평균진행방향과요소파가이루는각도 선박이파도와의만남각(encounter angle) χ, 속도 V로서항행중일때선체 와파와의만남주파수 ( ω ) 와파도의원주파수( ω) 사이에는 ω ω ω χ 의관계가성립하므로, ω 로서표현된파의스펙트럼 ζ ω θ 은만남주파수 ω 로서표현된 ζ ω θ 로변형하여계산하며, 그식 은다음과같이유도된다. (2-3) 파도의원주파수 ω 와이에대응하는 ω 를갖는스펙트럼아래의면적은크 기가서로같아야하므로다음과같다. (2-4) -11-
따라서, 다음과같은식을유도할수있다. (2-5) 2.4 내항성능평가치및위험도 선박의내항성능평가는일반적으로각내항성능평가요소가그한계치를 초과하는발생확률로부터정의되는평가치, 위험도, 최대위험도, 상대위험도 를적용한다. 2.4.1 평가치 된다. 임의내항성능평가요소의극치분포는 Rayleigh 분포로서, 그발생확률을 라고하면, 임의내항성능평가요소의평가치는다음과같이정의 σ (2-6) 평가치가 0 이되면임의요소(X i ) 의신뢰도는1 이되고, 가무한 대가되면 X i 요소의신뢰도는 0 이된다. -12-
2.4.2 위험도 임의 X i 요소의주어진한계발생확률에관한한계평가치를 E Xic 로하고, 한 계평가치 E Xic 에대한평가치 E Xi 의비를 X i 요소의위험도 μ Xi 라정의한다. μ σ σ σ σ (2-7) 여기서, σ X i 가위험하게되는한계표준편차 위험도 μ Xi 는파에대한만남각( χ), 선속(V) 및해상상태(S) 에따라변 화한다. 여기에서 μ 인경우 X i 요소가위험하고, μ 인경우는 안전하다는것을나타낸다. 2.4.3 최대위험도와상대위험도 내항성능평가요소의위험도 μ Xi 에서최대치를최대위험도 μ m 이라정의한 다. μ χ μ χ (2-8) 이 μ 은어떤상황하에서 μ 의최고치인값으로서, 그값은각요소에대 한상대치로비교되는값이다. -13-
또한임의요소의위험도가 μ μ 인경우, 요소를기준으 로하여나타낸 X j 요소의위험도의비를요소에대한요소의상대 위험도 μ 라정의한다. μ μ μ α σ σ σ σ σ σ (2-9) 단, α σ σ 여기에서 μ 인경우는요소에비해요소가더위험하고, μ 인경우는그반대의의미를갖는다. 이러한상대위험도 μ ij 를계산함으로써기준요소인 X i 요소와임의 X j 요 소는상대적으로동등하게성능을평가할수있게된다. 그것은 X j 요소의한 계치를 α μ 배한값이 X j 요소의겉보기한계치 (X jc ) 로되기때문에기준 으로한 X i 요소로써임의의 X j 요소의상태를평가할수있다. -14-
2.5 내항성능평가지표 Fig. 2.1 에나타낸각내항성능평가요소에한계발생확률이주어져있는것 은동일한위험도를가지는요소는위험하게되는정도가같다는것을의미한 다. 이것은신뢰성공학에서시스템요소의고장발생확률이같은경우, 그고 장률이동일하게되는것과같은의미를가진다. 그러므로각내항성능평가요 소의위험도가같은경우, 그발생확률도같다는것으로변환하여계산하는 것으로선박시스템전체의항해안전성을평가할수있는내항성능지표가개 발되었다. 이내항성능지표는임의한개내항성능평가요소만을계측하여도 6 개내항성능평가요소전체의최대위험도를계산할수있다. 따라서 6개요소 를모두계측하지않아도전체선박시스템의항해안전성을평가할수있는 지표이다. 또한이지표는기존의 6개내항성능평가요소의위험도가모두 1보 다작은경우최대위험도를이용하면전체선박시스템이안전하게평가되는 부분을보완하여, 6개내항성능평가요소를종합하여보다항해안전을도모한 평가가가능하게한다. 6) 2.5.1 내항성능평가요소의변환평가치 현재까지연구되어진바에따르면, 파랑중을항해하는선박시스템의내항 성능을평가할수있는요소의한계발생확률이각각다르게설정되어있다. 따 라서한계발생확률이큰내항성능평가요소에비해서작은요소의위험도가전 체선박시스템의내항성능평가에서무시되어위험한상태가안전한상태로 평가되는경우가있다. 이것을보완하기위해서는각내항성능평가요소들이 한계발생확률에도달하면, 그위험도가한계발생확률이가장큰프로펠러레이 싱의한계발생확률 (Q Pc =10-1 ) 에도달하는것과같은값으로변환하여평가하 는것이다. 즉각내항성능평가요소의위험도가프로펠러레이싱의위험도와 -15-
같은경우, 그발생확률도프로펠러레이싱의발생확률과동일하게되는각 내항성능평가요소의평가치 (E i ) 에대한변환평가치( ) 를다음과같이계산한다. (1) 프로펠러레이싱에대한변환평가치 α (2-10) 여기서, 프로펠러레이싱의평가치 σ 프로펠러레이싱의변환평가치 프로펠러레이싱의한계평가치 σ (2) 프로펠러레이싱이외의임의요소에대한변환평가치 α μ α μ (2-11) 여기서, α 프로펠러레이싱과 i 요소의한계평가치의비 μ i 요소의위험도 -16-
식 2-10, 2-11 에서위험도가같은경우변환평가치도같아지며, 그발생 확률 ( ) 도같은값을가지게됨을알수있다. μ μ (2-13) 2.5.2 내항성능평가지표의정의 프로펠러레이싱에대한변환평가치를이용하여, N 개의내항성능평가요 소로구성되는선박전체시스템의변환평가치 ( ) 와한계평가치(E Tc ) 에 대한개념을분석하여내항성능평가지표 (μ T ) 를정의한다. 선박전체시스템의변환평가치 는다음과같이정리하여나타낼수 있다. (2-14) 여기서, 선박의내항성능평가요소의신뢰도함수 는다음과같이구할수있다. α α σ (2-15) α -17-
여기서, σ 그리고선박시스템의한계평가치 E Tc 는다음과같이나타낼수있다. (2-16) 여기서, σ (2-17) 내항성능신뢰도함수 각요소의한계발생확률 (Rayleigh 분포) 따라서선박시스템전체의내항성능을평가하기위해서는식 2-16의한계 평가치 ( E Tc ) 와식2-14 의변환평가치( ) 의비를내항성능평가지표 μ T 로정의하고, 다음과같이나타낸다. μ (2-18) 여기에서 μ 인경우선박시스템전체는위험하게되고, μ 인경우시스템은안전한것으로평가할수있다. -18-
또한이 μ T 는내항성능평가요소중한개의요소라도그위험도가 1보다 큰경우, μ T 도 1 보다크게되는성질을가지고있다. 따라서 μ T 는내항성능 평가요소의최대위험도와근사하는값이된다. 이것은한개의요소만을계측 하여모든내항성능평가요소의최대위험도의근사치를구할수있다. μ μ χ μ χ (2-19) -19-
2.6 임의의대표적인요소에의한내항성능평가 내항성능평가요소중대표적인요소한가지에의해선박전체의내항성능 을평가할수있다. 즉, 임의의대표적요소로서신뢰도함수 를다음과 같이구할수있다. 여기서, (2-20) X im 계측하는임의의내항성능평가요소 μ 임의 i 요소에대한임의 j 요소의상대위험도 α 프로펠러레이싱에대한임의요소의한계평가치의비 -20-
2.7 상하가속도를계측한내항성능평가 앞에서정의된내항성능지표 (μ T ) 는기존의내항성능평가요소중한개요 소만을계측하여선박전체의항해안전성을평가할수있는지표이다. 따라서 본장에서는기존내항성능평가요소중계측성이편리하고, 화물의안전과승 조원의작업성등에직접적인영향을주는상하가속도한개의요소만을계측 하여선박전체의항해안전성을평가한다. 식 2-15의 는상하가속도를 계측하여구할수있으며, 이것을이용하여내항성능지표 μ T 를다음과같이 계산할수있다. α β σ α α μ σ α μ σ μ σ (2-21) α μ 여기서, σ β α μ μ α 상하가속도에대한각요소의상대위험도 프로펠러레이싱에대한상하가속도의 한계평가치의비 -21-
그런데프로펠러레이싱과상하가속도의한계발생확률이각각 Q Pc = 10-1, Q AVc = 10-3 이므로, α 로되는값이다. 따라서식 2-21은 다음과같이간단히나타낼수있다. μ (2-22) 2.8 수치시뮬레이션 본연구에서수치계산에사용한선형은 의여객선형인실습선 HANNARA' 로서그주요목은 Table 2.2 에나타내고있다. 해상상태는 WMO의 CODE 1100 을이용하였으며, 유의파고및평균파주기는 Table 2.1 에나타낸다. Table 3.1 Beaufort scale number and wave characteristics (WMO CODE 1100) Beaufort No. Mean Wave Period (sec) Significant Wave Height H ⅓ (m) Wind Speed (kts) 1 1.2 0.1 1 4 2 1.7 0.2 4 7 3 3.0 0.6 7 11 4 3.9 1.0 11 17 5 5.5 2.0 17 22 6 6.7 3.0 22 28 7 7.7 4.0 28 34 8 9.1 5.5 34 41 9 10.2 7.0 41 48-22-
Lines and sheer profile of T/S HANNARA Table 2.2 Principal particulars of T/S HANNARA ITEMS DIMENSION Length P.P. Lpp (m) 93 Breadth B (m) 14.5 Depth D (m) 7 Mean Draft dm (m) 5.115 Displacement Volume (m 3 ) 4,274.82 Block Coefficient Cb 0.6028 Length-Breadth Ratio L/B 6.414 Breadth-Draft Ratio B/D 2.835 Height of C.G. KG (m) 5.033 Metacentric Height GM (m) 1.355 Rolling Period TR (sec) 13.142 Propeller Diameter DP (m) 3.55 Propeller Pitch Ratio p 0.751-23-
2.8.1 수치계산의평가방법 수치계산은실습선 HANNARA 의운항실적을토대로하여실제항해중 관측되어기록되었던기상정보와실선계측을통해얻은상하가속도값을이 용하여수치계산을하였다. 2.8.2 수치계산결과 Fig. 2.3, 2.4는식 2-22를식 2-15에대입하여계산한대상선박인실습 선 HANNARA 에대한내항성능지표(μ T ) 와내항성능평가요소의위험도 (μ i ) 를비교하여나타낸것이다. 그림에서 X 축은선박과파의만남각( χ) 으로, χ=180 o 은선수정향파, χ=90 o 은정횡파, χ=0 o 은선미추파를나타내고, Y 축은내항성능위험도를표시하였다. 그림의실선은내항성능지표를나타내며, 각점선은각내항성능평가요소의위험도를나타내고있다. Fig. 2.3, 2.4 에서보면, 선수파부근에서는상하가속도가, 횡파와선미추 파부근에서에서는좌우가속도가최대위험요소이다. 그림에서알수있는 바와같이해면상태나선속에관계없이내항성능지표와최대위험도가근사하 고있음을확인할수있다. 이러한사실은다른선속과해면상태에서도같은 경향을나타낸다는사실을확인할수있었다. Fig. 2.5 Fig. 2.8은대상선형인실습선이만재상태에서일정한속력으로 항해하는경우, 각해상상태에따른침로별내항성능지표(μ T ) 를이용하여내 항성능을나타낸평가도이다. 이평가도는컴퓨터화면이나레이다스코프상 에서화상처리하여편리하게사용할수있도록좌표의원점을위험도 0으로 하여시각적으로쉽게내항성능을판정할수있도록하였다. 그리고선박운항 -24-
자가이평가도를이용하여다음침로에대한내항성능을쉽게파악할수있 어, 다음침로결정에편리함을더해주고있다. 그림에서 χ=180 o 는선수정 향파, χ=90 o 는정횡파, χ=0 o 는선미추파를나타낸다. 그리고반원중 μ T =1.0 은내항성능지표의한계위험치를나타내고, 각침로별내항성능지표는 30 단위로표시한다. 그중내항성능지표가한계치인 μ T =1.0의반원을초과하는경우에그선박은위험하게된다. Fig. 2.5, Fig. 2.6은실습선이속력 Fn=0.2, Fn=0.275 로항해할때, 침로 별자연적감속을고려한경우와그렇지않은경우의내항성능지표 (μ T ) 를비 교하여나타낸것이다. 실습선은선수파에서자연적감속이많이발생함으로, 만남각 χ=180 o 당히작아지는것을알수있다. 120 o 에서자연적감속을고려하는경우내항성능지표가상 Fig. 2.7, Fig. 2.8은속력 Fn=0.2 Fn=0.275로항해하는실습선의내항성 능지표 (μ T ) 를자연적감속을고려한상태에서계산하여해상상태별로내항성 능을나타낸평가도이다. 해상상태 6 에서, Fn=0.2, Fn=0.275 실습선의내항성능지표가정횡파부 근에서 1 에접근하고있어서주의항해가요구되지만, 그밖의만남각에서는 안전한것으로평가된다. 해상상태 7에서는해상상태 6에비하여전반적으로 내항성능지표가크고, 특히 Fn=0.2 에서는 χ=100 50 o, Fn=0.275에서는 o χ=120 50 o 에서 1 을초과하여위험한상태가된다. 해상상태 8에서는 Fn=0.2, Fn=0.275 그위험범위가확대되어, Fn=0.2 에서는 χ=180 50 o, o Fn=0.275 에서는 χ=180 45 o 에서내항성능지표가 1을초과하여위험한상 태가된다. 해상상태 9에이르면 Fn=0.2, Fn=0.275 전만남각에서위험한 것으로평가된다. o o -25-
이상을종합해보면, 실습선은해상상태 7 이상이되면전반적으로위험하 고, 역시항해속력이 Fn=0.2(11.7kts) 이상이되면선속이높아질수록내항 성능지표의값이점점커지는사실을알수있다. 특히정횡파에서의위험도가 대단히높다는것에주의해야할것이다. Sea State 8 Fn=0.2(11.7kts) in still water Deck Wetness Propeller Racing 2.0 1.5 Slamming Rolling Vertical Acceleration Lateral Acceleration SPI Dangerousness 1.0 0.5 0.0 180 150 120 90 60 30 0 Encounter Angle (degree) Fig. 2.3 Seakeeping performance index of 'T/S HANNARA' (Sea State 8, Fn=0.2) -26-
Sea State 8 Fn=0.275(16.1kts) in still water Deck Wetness Propeller Racing 2.0 1.5 Slamming Rolling Vertical Acceleration Lateral Acceleration SPI Dangerousness 1.0 0.5 0.0 180 150 120 90 60 30 0 Encounter Angle (degree) Fig. 2.4 Seakeeping performance index of 'T/S HANNARA' (Sea State 8, Fn=0.275) -27-
Fig. 2.5 Comparison of SPI safety of 'T/S HANNARA' considering and not considered speed loss (Sea State 8, Fn=0.2) -28-
Fig. 2.6 Comparison of SPI safety of 'T/S HANNARA' considering and not considered speed loss (Sea State 8, Fn=0.275) -29-
Fig. 2.7 Evaluation diagram of SPI of 'T/S HANNARA' (Fn=0.2) -30-
Fig. 2.8 Evaluation diagram of SPI of 'T/S HANNARA' (Fn=0.275) -31-
제 3 장선체운동계측시스템의설계 3.1 선체운동계측시스템의개요 선체운동계측시스템은항해중인선박에탑재하여파랑, 바람, 조류에의해발생 하는선체운동을특정센서를이용하여실시간으로측정하고자하는시스템이 다. 선박의항해및계류안전성을종합적으로평가하기위해서는 Fig. 3.1과같 이정량적인외력을분석할수있는외력분석시스템, 항해또는정박중인선박 의상태에관한선박데이터베이스시스템, 그리고외력에의해발생하는선체 운동을계측하는운동평가시스템이갖추어져야한다. 선체운동계측시스템은 Fig. 3.1 의운동평가시스템에해당된다. Fig. 3.1 Total safety evaluation system -32-
본연구에서개발하고자하는선체운동계측시스템은다음과같은기능을수행 할수있는시스템이어야한다. 선내탑재가능한시스템 항해/ 정박중인선박의선체운동계측이가능한시스템 실시간영역에서데이터저장및디스플레이가가능한시스템 3.2 선체운동계측시스템의설계 선체운동계측시스템은 Fig. 3.2와같이선체운동이계측가능한센서를탑재 한 H/W와계측한데이터를자동저장및분석하는전용 S/W 로구성한다. 선내 에탑재할 H/W 장치는내항성능평가또는계류안전성평가에이용될수있도 록선체 6 자유운동과상하가속도, 좌우가속도, 전후가속도의계측이가능한센 서로구성한다. 저장및분석용전용 S/W는 H/W와연결되어계측데이터를 PC 에직접저장, 분석및디스플레이가가능해야한다. Fig. 3.2 Configuration of measurement system -33-
Fig. 3.3 Internal flow charts of hardware system 선체운동계측시스템의 H/W는 Fig. 3.3 의내부구성도와같이각종센서( 가속 도계, 경사계, 변위계, 방위계), 전원공급장치, 신호처리를위한 AD 컨버터로구 성되며 PC의전용분석 S/W 프로그램과데이터통신이가능하도록설계하였다. -34-
Fig. 3.4와같은외력에따른선체 6 자유도운동(Rolling, Pitching, Yawing, Surging, Swaying, Heaving) 과내항성능에활용되는가속도를계측하기위한 선체운동계측시스템개발에이용된센서는 3 축가속도계, 2 개의변위계, 2축경 사계와방위계이다. Fig. 3.4 Definition of 6-degree of freedom in right hand system -35-
3.2.1 3 축가속도계 (3-Dimensional Accelerometer) 3축가속도계는서로직교하는 3 축을동시에측정하는센서로서, 좌우방향의 가로축(X 축), 전후방향의세로축(Y 축), 그리고상하방향의수직축(Z 축) 을따 라선박이어떤가속도로움직이는지를측정한다. 3 축가속도계(SW3) 는 ±3g 의계측범위를가지며, 입력전압은 DC 5V, 12mA 이며, 출력전압은 2.5V를 기준으로 ±2V 의범위로출력된다. Fig. 3.5와 Table 3.1에 SW3 3축가속도 계의외형모습과사양을나타내었다. Fig. 3.5 3-Dimensional accelerometer -36-
Table 3.1 3-Dimensional accelerometer specification Item Specification Model Name Material Weight excluding sensors Weight including sensors Electrical connection Manufacture Range Sensitivity SW3 nickel-plated brass 78 gramms approx. 145 gramms cable or single wires SEIKA ± 3 g 1 V/g Performance Bandwidth Noise 125 Hz 1.5 mg Noise density Zero g-output 130 2.5 ± 0.15 mv Temperature Ranger -40 +85 Environmental Temperature Sensitivity Shock ± 3.5 % FS 2000 g Input Voltage 5 Vdc -37-
3.2.2. 2 축경사계 (2-Dimensional Tilt Sensor) 2축경사계는서로직교하는 2 축을동시에측정하는경사센서로서, 선박의 좌우방향의경사(Rolling) 와전후방향의경사(Pitching) 가생기는지를측정한 다. 2 축경사계(SB2I) 는 ±90 의계측범위를가지며, 입력전압은 DC 24V(+10V +30V), 12mA 이며, 출력신호는 4mA 20mA(12mA Zero point) 의범위로출력된다. Fig. 3.6과 Table 3.2에 2축경사계의외형모습과 성능사양을나타내었다. Fig. 3.6 2-Dimensional tilt sensor -38-
Table 3.2 2-Dimensional tilt sensor specification Item Specification Model Terminals Cable fixing Measuring range Measuring Resolution, etc. Scale Factor Band width Turn on Time Degree of protection Mounting orientation Measuring planes (N.. sensors) Measuring directions (B.., BD.. sensors) SB2I 6 x 1.5 mm2 M12 x 1.5 cable gland, clamping range 6mm 7.5mm ± 100 / sec 0.014 / sec 20 mv 100 Hz 1 sec IP65 any 3 main housing planes In X,Y,Z coordinate of housing Terminal voltage 10V 30V Minimum loop currents 2.5mA 3.5mA Maximum loop currents 22mA 26mA Output signal loop current Adjustable variables Maximum load resistances Low pass filter 4mA 20mA (12mA for zero position) zero point (12mA), amplification 500 Ohm (at 24 Volt supply voltage) Active, 3rd order, minimal ripple Operating temperature -40 C +85 C Manufacture SEIKA -39-
3.2.3 변위계 (Displacement Sensor) 변위계는위치변화를계측하는초음파변위측정센서로서, 선박이항해중 일경우파랑의상대파고를측정하고, 선박이계류중에는선체의좌우방향의 변위(Sway) 와전후방향의변위(Surge) 를측정한다. 변위계는 600 6000mm 의계측범위를가지며, 입력전압은 DC 24V(+20V +30V) 이고, 출력전류는 300mA 로출력된다. 무게는약 380g 이고, 변위계의운용온도범위는 -25 +70 에서정상적인동작을보장하고있다. 바이어스전류는일정온도에서 50mA 이다. Fig. 3.7와 Table 3.3에 VRTU 430 변위계의외형모습과성능 사양을나타내었다. Fig. 3.7 Displacement sensor -40-
Table 3.3 Displacement sensor specification Item Specification Operating range 600 6000 mm Ultrasonic frequency 80 khz Ultrasonic Spec. Opening angle 6 Resolution 1mm Timing Reproducibility Switching hysteresis Switching frequency Response time Delay before start-up ± 9mm 60mm 1 Hz 400ms 280ms Operating voltage U B 20 30 V DC Residual ripple ±10% of U B Electrical Bias current 50mA (without load) data Switching output Output current 2 PNP transistor 300mA Switching range adjustment potentiometer 270 Mechanical data Housing Weight Connection type Ambient temp. (operation/storage) metal / CuZn 380g M 12 connector, plastic, 5-pin -25 +70 / -40 +85 Environmental data Standards applied IEC 60947-5-2 Protection class IP 65 Fitting position any - Manufacture Leuze electronic -41-
3.2.4 방위계 (Azimuth Sensor) 방위계는방위변화를계측하는방위측정센서로서, 항해중인선박의 Heading 을계측하여선수동요(Yawing) 을측정한다. (Gyro Compass가장착 된선박은 Gyro 신호값을사용할수있다) 방위계는 0 360 의계측범위 를가지며, 입력전압은 DC 24V(+10V +32V) 130mA 이고, 출력신호는 RS-232 Serial 통신으로 NMEA 0183 을지원하다. 무게는약 270g 이고, 변 위계의운용온도범위는 -10 +55 에서정상적인동작을보장하고있다. Fig. 3.8과 Table 3.4 에방위계의외형모습과성능사양을나타내었다. Fig. 3.8 Azimuth sensor -42-
Table 3.4 Azimuth sensor specification Item Operating voltage range Power consumption 10 V to 32 V DC 130 ma (max) Specification Operating Conditions temperature range -10 C to 55 C relative humidity limit 80% water protection drip resistant when mounted vertically Storage Conditions temperature range -5 C to 60 C relative humidity limit 75% Dimensions Weight Inputs width 74 mm, height 74 mm, depth 39 mm 0.27 kg SeaTalk power service port (NMEA 0183 v2.3 in) Outputs NMEA 0183 v2.3 out Heading (HDM) 10 Hz at 0.1 resolution, accurate to ±2 NMEA Heading sentence HDM, SeaTalk (2Hz, including Heading at 0.5 resolution, accurate to ±2 ) Analogue Rate 22 mv/ /sec Heading error correction compensates for 1st and 2nd harmonic deviation errors eliminates northerly turning error -43-
제 4 장선체운동계측시스템의구성 4.1 선체운동계측 해석시스템 본시스템은가속도계측 해석시스템장치내에장착된 3개의고정도가속 도센서(Accelerometer), 2 축경사계(Tilt Sensor), 2개의변위계 (Displacement Sensor) 와방위계(Azimuth Sensor) 를이용하여, 복잡한선 체의 6 자유도운동에서얻어지는선체의좌우가속도(Sway), 상하가속도 (Heave) 및전후가속도(Surge) 와종동요(Rolling), 횡동요(Pitching), 선수 동요(Yawing) 을측정하여이를표시해주는자료취득시스템(Data Acquisition System) 이다. 여기서선체의좌우가속도를 X 축, 전후가속도를 Y 축, 상하가속도를 Z축으로 하여계측한, 선체가속도값의평균및분산값을컴퓨터를통해수집 통계처 리한다. 선체운동계측시스템은내항성능평가요소중계측이편리하고, 화물의안전 과승조원의작업성등에직접적인영향을주는상하가속도를계측하여그데 이터를분석하는선체운동계측및해석시스템이다. 선체운동계측시스템의기본적인 Flow Chart는 Fig. 4.1 과같으며, 계측장 치를장치한상황은 Fig. 4.2 에제시한다. -44-
Fig. 4.1 Flow chart in measurement & analysis system -45-
Fig. 4.2 Hull motion measurement system -46-
4.2 선체운동계측시스템의하드웨어구성 4.2.1 신호처리절차 선체운동계측시스템은 AC 85 264V 의전압이공급될때, 전원스위치가 이를제어, 센서전원공급장치를통해 DC ±24V 와 DC ±5V로변환시킨 다. 변환된전압이단자대를통해각센서에전원을공급한다. 이때, 선체의 움직임에따라발생하는 X 축( 좌우), Y 축( 전후) 및 Z 축( 상하) 의가속도량( 전기 적인 Analog 신호) 과횡동요와종동요를계측하는 2 축경사계의측정치, 변위 계와방위계의아날로그데이터를 AD 변환기(Analog-Digital Converter) 를 통해컴퓨터에서인식가능한 Digital 신호레벨로변환시켜직렬신호를보내 준다. 컴퓨터는이신호를받아계측되는가속도량을파일로저장하여데이터 를수집통계처리한다. 본계측장치의내부장치도는 Fig. 4.3과 Fig. 4.4에 제시한다. -47-
Fig. 4.3 Hardware system of measuring device Fig. 4.4 Real model of hardware system -48-
4.2.2 가속도계 (Accelerometer) 4.2.2.1 가속도계측이론 임의의진동계에대하여어떤진동상태에있는지를알려고할경우진동측정 기를사용한다. 그리고그진동측정기에서출력파형을보며어떤진동인가를 판단한다. 그러나진동상태를알기위해서는주파수, 진폭, 가속도를검출하여 야한다. 이러한것들을측정하기위해서진동수를측정하는진동수측정기진 동변위혹은가속도를측정하는진동변위계, 진동가속도계로분류된다. 진동계의기본요소는다음 Fig. 4.5에나타낸바와같이탄성지지상의질량 과 Base 의운동에대한상대운동에따라서가속도, 속도, 진폭등으로구성된 다. Fig. 4.5 Accelerometer principle Fig. 4.5에서나타낸것과같이스프링상수 K와질량 M 및감쇄계수 C로 이루어진변환기는피측정물표면과일체가되어운동을한다. 변환기의구조 -49-
는케이스양단고정의판스프링을설치하고중앙에추를단것이변환소자로 서작용한다. 탄성지지상의질량과 Base의운동에의한이계의운동방정식은 다음과같다. Newton의운동제 2 법칙에따라이계의운동방정식은다음과같다. (4-1) 질량과 Base의상대운동의변위 라놓고진동체의조화운동 을 라가정하면식 (4-1) 로부터다음의결과를얻을수있다. (4-2) 점성감쇠가있기때문에식 (4-2) 의해는다음과같다. 또한진폭(amplitude) Z 와위상각(phase angle) 는다음과같이구해진다. (4-3) -50-
여기에서진동계의고유원진동수를, 임계감쇠계수를, 감쇠비를 라하면식 (4-3) 은아래와같이쓸수있다. 4.2.2.2 3 축가속도계 (3-Dimension Accelerometer) 선체운동가속도계측 해석시스템에사용된가속도센서는세개의가속도 센서를설치하여좌우가속도를 X 축, 전후가속도를 Y 축, 상하가속도를 Z축방 향으로하여계측한다. 가속도계는바닥면(Base) 에대하여수직인방향의진동에대하여감도를고 려해보면주방향의감도가가장높다. 그러나실제로는가속도계바닥면에평 행한횡방향의진동에대해서도약간의감도를가지고있으며그크기는주방 향감도의 4% 이내이다. 따라서가속도계는측정방향과주감도축이일치하 도록부착되는것이가장좋다. 가장이상적인고정방법은 Fig. 4.7에나타낸바와같이평탄하고광이나 는표면에나사못을사용하여고정하는것이다. 이경우공진주파수는약 31kHz 로써고정면이완전히평탄하고매끈한곳에서교정해서얻어진공진주 파수 32kHz 와거의같다. Fig. 4.6은 3 축가속도계의외형치수이고, Fig. 4.7은가속도계를선체운동 계측시스템의하드웨어에장착한사진이다. -51-
Fig. 4.6 Dimensions of 3-dimensional accelerometer [Seika SW3] Fig. 4.7 Installation of 3-dimensional accelerometer -52-
4.2.3 2 축경사계(2-Dimension Tilt Sensor) 선체운동중횡동요(Rolling) 와종동요(Pitching) 를계측하기위해두개의 경사센서(Tilt Sensor) 를사용한다. 경사계는경사각또는교차하는두축사 이의가속도를측정하기위해두센서를수밀이가능한알루미늄케이스에조 합하였다. 각센서는각각의독립된신호조절기를가지며, 각각 4 20mA 출 력단과고전압차단기능이있다. 신호조절기는높은주파수를제거하기위한 저역필터(low pass filter) 와두센서가측정작업을하기위한설정시간을 조정할수있다. 그리고, 현재루프를단극접속을할수있도록Diode Bridge 와출력단의전류를제어할수있는 Noise Voltage Filter 를포함한다. Fig. 4.8 의블록다이어그램에서그기능을나타내었다. 접지전류에의한신호간섭 은각센서와각시그널조절기로부터전기적신호를분리하여제거할수있다. Fig. 4.9은 2 축경사계의내부와외형치수이고, Fig. 4.10은경사계를선체 운동계측시스템의하드웨어에장착한사진이다. Fig. 4.8 Block Diagram of 2-dimensional tilt sensor (Seika SB2I) -53-
Fig. 4.9 Dimensions of 2-dimensional tilt sensor [Seika SB2I] Fig. 4.10 Installation of 2-dimensional tilt sensor -54-
4.2.4 DAQ Card (Data Acquisition Card) DAQ 카드는각센서를통해감지된아날로그신호를디지털신호로변환 (AD Converting) 또는신호를컴퓨터로전송하여계측치를 S/W로분석가능 토록변환하는기능을가진것이특징이다. 외장형타입의 DAQ보드로구현되 어져전용드라이버없이사용이가능하며, 고속의직렬(Serial) 통신방식으로 PC 중심의범용적인데이터제어, 계측을할수있다. Fig. 4.11은 DAQ 카드의외부결선법이고, Fig. 4.12은 DAQ 카드를선체 운동계측시스템의하드웨어에장착한사진이다. Fig. 4.11 Arrangement of DAQ card -55-
Fig. 4.12 Installation of DAQ card -56-
4.2.5 단자대 (Terminal Plate) 단자대(Terminal Plate) 는선체의 6자유도연성운동의정도에따라발생하는 각종센서신호를전송하기위해외부기기와연결시켜준다. 신호처리방식은 각종센서와 DAQ 보드사이에는직렬통신(Serial) 을하고, USB TO RS-232 Convertor를통해 PC와는 USB 방식통신을채택하여선체운동계측기와외부 기기와의호환성을높였다. Fig. 4.13와 Table 4.1은 USB TO RS-232 Convertor [UTS2009] 의외형모습과기술사양이고, Fig. 4.14와 Fig. 4.15는 단자대와컨버터를선체운동계측시스템의하드웨어에장착한사진이다. Fig. 4.13 USB to RS-232 convertor [UTS2009] Table 4.1 Function of USB to RS-232 convertor Support both USB 1.1 & 2.0 interface Support wake-on-line & power management function No IRQ, DMA, I/O Address resources required Function Dual databuffers for upstream and downstream data flow RS-232 speed up to 115Kbps Hot-Swap Plug & Play -57-
Fig. 4.14 Installation of terminal plate Fig. 4.15 Installation of USB to RS-232 convertor -58-
4.2.6 전원공급장치(Power Supply) 전원공급장치는단자대의파워스위치를 On 하면외부로부터전원(AC 85V 264V) 을인가받아소정의전압레벨(DC 24V, 5V) 로변환시키기위한장 치이다. Fig. 4.16은 2 채널전원공급장치의블록다이어그램이고, Fig. 17은 내부와외형치수이며, Fig. 4.18은전원공급장치를선체운동계측시스템의하 드웨어에장착한사진이다. Fig. 4.16 Block diagram of power supply [UP30DAE] -59-
Fig. 4.17 Dimensions of power supply [UP30DAE] Unit=mm Fig. 4.18 Installation of power supply -60-
4.3 선체운동해석소프트웨어 선체운동계측시스템의선체운동해석 S/W는 RS232 단자대를통해 PC와 연결되어실시간으로수집된각종센서정보들을저장하거나분석한다. 본계 측시스템의선체운동해석 S/W 응용프로그램은 Visual Basic으로작성되었 으며, RS232 통신을위한수신부는 2개의채널로부터데이터를입력받을수 있도록구성되었다. 또한 AD Converter로부터수집된데이터의전송속도가 115200 Bps인데비해서방위신호는 4800 Bps(NMEA 0183) 의속도로데 이터를전송하므로이두채널간의데이터전송속도차가시스템의성능에영 향을미치지않도록비동기방식의 RS232 데이터수신부를구성하였다. 또한 계측시스템은 1개의 USB 포트로 PC와인터페이스되므로타장비또는소프 트웨어에사용되어질수있다. 그리고계측 H/W로부터수집된데이터는별도 의외부데이터로저장되므로이데이터를이용하여별도의프로그램을구성할 수도있으며, 타시스템에필요한자료를제공할수도있다. 선체운동해석 S/W 프로그램은우선환경설정파일(CFG File) 을사용하여 선체운동각계측센서의초기화( 각센서의영점조정) 를수행한다. 그리고초 기화가완료되면 AD 컨버터를통해변환된각센서들의디지털출력정보를 지정한특정파일에일정간격동안저장하면서동시에프로그램에의해설정 된최대치및최소치범위에상응하는값으로변환되어모니터화면상에시계 열데이터로서표시된다. -61-
Fig. 4.19 Chart option screen Fig. 4.20 File saving and sampling time setting 선체운동해석프로그램은초기환경설정을통해각센서별로계측환경을별도로지정하거나다른프로젝트로관리할수있다. 또한 Fig. 4.19, Fig. 4.20 과같이프로젝트명, Sampling Time, File Save Time 및시험항목설정 -62-
이가능하고, 챠트옵션을통해계측스코프의챠트스타일을설정하여사용자 와의 GUI(Graphical User Interface) 가용이하도록하였다. Fig. 4.20 에각센서로부터의출력된디지털정보를파일로저장또는샘플 링시간을설정하는아이콘화면을제시하고, Fig. 4.21에센서로부터계측된 각종계측치를표시하는프로그램화면을일례로제시한다. Fig. 4.21 Monitoring and analysis program Fig. 4.21 에나타낸시스템의프로그램은실시간으로가속도, 변위계, 경사 계, 방위계에대한계측치의표시는물론특정시간간격동안의평균치, 분산 치및 1/3 유의치를자동적으로분석하여각계측시간에대한계측치를파일 에저장할수있다. -63-
저장된실시간데이터를필요에따라차후에보다구체적인분석및현상해 석이가능하도록 Fig. 4.24와같이저장된데이터를불러내어각시간대별실 시간데이터파형만을원하는센서정보를선택하여확인할수있도록프로그 램을제작하였다. 또한비교적안정적으로계측된특정영역만을선택하여지 정된범위내의평균치, 분산치및유의치를제공하도록하는기능을추가하였 다. Fig. 4.24 Replay function of saved file Fig. 4.24의 Replay Window에서그래프조작및데이터확인하기위해 Cursor Operation Panel의기능을이용하면불러낸그래프에서 Zoom, Pan, Cursor 와같은다양한기능을이용할수있다. 그래프상에 Cursor가위치한 좌표의값은위의 Cursor1, Cursor2, 구간측정값에표시된다. 또한 Cursor Operation Panel에서 Cur2 버튼을누르면구간측정값을얻을수있는데, 이 때왼쪽 Shift 키를누른상태에서키보드의좌우이동버튼을이용하여구간 측정값을얻을수있다. -64-
Fig.4.22 Evaluation diagram of navigational safety by programming Fig. 4.22 는선박종합내항성능평가프로그램으로서, 정보를바탕으로항해위험도를판별하여나타낸화면으로, 센서들로부터얻은 계측된항목을운 항자가한눈에파악할수있도록설계한화면이다. 운항자는이화면을통해 서선체로부터 360 도방위에대한상하/ 좌우가속도, 변위등을파악함으로서 그당시선박의위험정도를알수있고또한침로및속력에따라위험정도 가얼마인지를보여준다. 따라서선박운항자는그당시선박이위험구역에가 까워지면침로나속력을변경해그위험상황을피할수있도록권고해준다. 또기상예측에따른임의의파고를입력하면앞으로선박에미칠위험정도를 미리파악할수있어그에대비할수도있다. -65-
Fig. 4.23 은선박종합내항성능평가시스템의흐름도이다. START 선형요소, 파랑조건, 운항요소 규칙파중선체운동응답함수및저항증가량계산 해양파스펙트럼 실선계측가속도값 실제해상에서의자연적감속계산 분산값이큰가속도의발생확률계산 내항성요소의확률과정특성계산 종합내항성능평가 STOP Fig. 4.23 Flow chart of integrated seakeeping performance evaluation system -66-
4.4 선체운동계측시스템의특징 본연구에서개발한항해또는정박중인선박의선체동요계측을위한선체 운동계측시스템은물리적센서부분과선체운동해석 S/W 로구성되며, 물리적 센서부분을선내에휴대하여간편하게설치할수있어서실용화가능성을높혔 다. 선체운동계측시스템의주요특징만을정리하면다음과같이요약할수있다. 1) 총 8개의 AD Channel 및그래프지원 AD 컨버터는외장형 DAQ 보드로구현하여, 고속의시리얼통신방식으로 최대 8 대까지멀티통신이가능하다. PC 중심의범용적인데이터제어및계 측시스템으로전용드라이버없이손쉽게시스템을구현할수있다. 장착된 8개의센서로부터계측된아날로그신호를디지털신호로변환하 여, 모니터상에그결과치를디지털데이터및그래프로표시하여사용자가 한눈에파악하기쉽도록구성하였다. 2) 총 4 종류의센서지원 가속도계, 변위계, 경사계, 방위계 선체 6자유도운동을디지털데이터로정량화하기위해 3 축가속도계, 2축 경사계, 2 개의변위계, 방위계를사용하여계측하여, 수집데이터의정밀도 및신뢰도를높였다. 3) 실시간통계치분석 최대값, 평균값, 1/3 유의치, 분산, 표준편차 선체운동해석프로그램은실시간으로가속도, 변위계, 경사계, 방위계에 대한계측치의표시는물론특정시간간격동안의평균치, 분산치및 1/3 유의치를자동적으로분석하여각계측시간에대한계측치를파일에저장할 수있다. -67-
4) USB 인터페이스를제공하여 PC와의인터페이스가용이 데이터처리방식은각종센서와 DAQ 보드사이에는직렬통신(Serial) 을하고, USB TO RS-232 Convertor를통해 PC와는 USB 방식통신을 채택하여선체운동계측기와외부기기와의호환성및범용성을높였다. 4) 외장형 AD 컨버터지원 외장형타입의 AD 컨버터를지원하는 DAQ 보드로구현되어져전용드 라이버없이사용이가능하며, 고속의직렬(Serial) 통신방식으로 PC 중심 의범용적인데이터제어, 계측을할수있다. 6) Replay 기능을통해과거History 조회가능 저장된실시간데이터를필요에따라보다구체적인분석및현상해석이 가능하도록저장된데이터를불러내어각시간대별실시간데이터파형만을 원하는센서정보를선택하여확인이가능하다. 7) 계측데이터의특정범위를설정하는영역설정지원을통해구간별통계치 및분석이가능 비교적안정적으로계측된특정범위를설정하는특정계측영역구역이선 택가능하여, 지정된범위내의평균치, 분산치및유의치를제공하는기능이 가능하다. 8) 모니터링그래프의 Zoom, Pan 기능및 2개의커서지원을통한다양한 Data 검출이가능 -68-
제 5 장결론 본논문에서는항해중인선박의선체운동을계측및해석할수있는선체 운동계측시스템을개발하였다. 개발된시스템을선박에탑재하여각계측센서 로부터선박의 6 자유도운동을계측하고, 측정된데이터를선박운항자가쉽게 알수있도록정량적인디지털데이터로출력하여, 종합내항성능평가기법을 통해선박의내항성능을평가하는시스템을구축하였다. 이상의연구수행을 통하여얻은결론은다음과같이요약할수있다. 1) 개발된선체운동계측시스템은항해또는정박중인선박의외력에의해 수반되는선체의동적동요에대한정량화된데이터수집이가능하다. 2) 최대치, 평균치, 분산치, 1/3 유의치등과같은통계분석방법을통해해 상과같은특수한환경하에서발생하는선체의동적동요에대한주요운 동특성을심층적으로분석및평가할수있다. 3) 실선계측자료는내항성능평가또는계류안전성평가에대한이론적 연구결과와상호비교검토가가능할것으로생각된다. 4) 단순한데이터수집이아니라사용자가설정한형태의데이터수집이가 능하므로, 관련데이터에대한가공및활용이자유로워다방면으로응용 이가능할것으로판단된다. 5) 항해안전성여부를한눈에파악할수있는평가도를프로그램화하여컴 퓨터화면에화상처리함으로서, 선체운동측정결과를계측과동시에모니 터화면에전시할수있는계기를마련하였다. -69-
향후과제로서, 개발된선체운동계측시스템을실제선박에탑재하여다양한 환경하에서계측을수행하고, 계측과정에서수반되는각종문제점을파악하 여성능개선이필요할것으로생각된다. 또한다양한계측결과를정량적통 계처리를수행하여관련이론연구결과와상호비교분석하는것이필요하 다. 그리고, 향후선체운동계측시스템을보다확장하여외력요소들을자동적으 로계측가능한외력분석시스템은물론선박 DB 시스템과연동하여종합항 해안전성평가시스템으로구축되어야할것으로판단된다. 개발된선체운동계측시스템은해상에서의전복사고분석, 선박출입항통제, 부두에서의하역작업통제, 조선소에서의내항성능및안전설계에있어서도적 용이가능하므로, 계속적으로선체운동계측시스템의성능향상과측정된데이 터를다양하게분석할수있는평가기법에대한연구가진행되어야할것이 다. -70-
참고문헌 (1) 공길영, 이상민, 김철승 선박탑재형내항성능평가시스템개발(I), 한 국항해항만학회지, 제28 권( 집), 제1 호, PP.1-8, 한국항해항만학회, 2004. (2) 김순갑, 이충로, 공길영 선박의종합내항성능평가정보제공시스템개발에 관한연구, 한국항해학회지, 제25 권( 집), 제3 호, PP.247-256, 한국항 해학회, 2001. (3) 김순갑, 김정만, 공길영 선박의적화상태별종합내항성능지표에의한항 해안전성평가, 해양안전학회지, 제4 권( 집), 제2 호, 한국해양안전학회, PP.43-52, 1998. (4) Kubo, M. and Sakakibara, S. Evaluation Method for Operation Efficiency of Cargo Handling and Advanced Safety Ship Mooring System, Bulletin of the 28th Permanent International Association of Navigation Congress, pp.99-105. 1994. (5) Ueda, S. and Shiraishi, S. The Allowable Ship Motions for Cargo Handling at Waves, Report of the Port and Research Institute, Japan, Vol.27, No.4, pp3-61, 1990. (6) 공길영 선박의항해중종합내항성능지표에관한연구, 한국항해학회지 제21권제2 호, 1997.6 (7) 조익순, 이충로, 김순갑 선박탑재용종합내항성능평가시스템개발을위 한기초적연구, 한국항해학회지, 2000. 6, pp 103-111 (8) 高石敬史 高利伊三夫 宮本武 ストリツプ法計算の比較と解析, 日本造船學會, 運動性能硏究委員會第 1 回シンボジウム, 1986.12 (9) 元良成三 船體と海洋構造物の運動學, 成山堂, 1992, P50 (10) Lewis E.V. The Status of Merchant Ship Seakeeping Reserch, -71-
Proc.19th ATTC, Vol.1, 1980.7 (11) Nakamura S. Hosoda R. A Method for Predicting the Power in a Seaway, Proc.14th ITTC, Vol.4, 1975 (12) 中村彰一 耐航性の諸要素, 第 1 回耐航性に關しるシンポジウム, 日本造 船學會,1969 (13) 細田龍介 黑井昌明 最適航法, 第 2 回耐航性に關するシンポジウム, 日本造 船學會,1977 (14) Bruce L Hutchison Joint Seakeeping Response Processes for Determining Structural Loads, Transaction of Society of Naval Architects and Marine Engineers, Vol.110, pp.189-214, 2002. 12 (15) Edward V. Lewis Principles of Naval Architecture, SNAME, 1989, pp. 137-159 (16) J. N. Newman Marine Hydrodynamics, MIT Press, 1980, pp. 328-373 (17) 김재열, 심재기, 오용훈 3 축진동가속도계의특성시험에관한연구, 동력자원연구소지, 93- Ⅱ호, PP.99-104, 조선대학교, 1993. (18) 양승일외 7 인 파랑중운동제어기술개발, 차세대선박핵심기술개발 최종연구보고서, PP.3-47, 과학기술처, 2001. 3-47 (19) 스트랩다운관성항법시스템성능평가시험, 항공우주기술, 제1 권, 제 1 호, PP.28-40, 한국항공우주연구원, 2000. -72-