우리나라는 기상 악화 속에서 감항성이 확보된 선박만이 항해할 수 있도록 선박출항을 해사안전법에 근거하여 통제하고 있으 나 통제 대상선박 지정에 대한 과학적 평가 결과 및 정량적 근거가 미비하여, 항행안전의 확보와 합리적 출항통제 운영을 위한 개선 의견 이 제기되고 있다. 본 연구는 풍랑 주의보 발효 시 주요 통제대상 선종인 예인선의 실선계측을 통해, 현행 출항통제 기준의 적정성을 평 가하고 현실성 있게 개선될 수 있도록 정량적 근거를 제시하는 것에 연구 목적이 있다. 이를 위해 예인선에 선박의 3축 운동과 선체가속 도를 측정하는 Sensor를 설치하여 유의파고 3m인 해역 내에서 운항하여 선체운동 성능을 계측하였고, 계측된 수치를 내항성능 평가요소 및 한계 값 기준을 바탕으로 비교 분석하였다. 실측 선박은 톤수에 따른 현행 통제기준에서 제외되었으나, 분석 결과 Pitch 값이 Operation 기준을 넘어 항행안전에 위험성이 존재하였다. 본 연구 결과는 선박 출항통제 대상에 대한 검토와 다양한 선종 및 제원을 대표할 수 있는 추가적 실측연구가 필요함을 시사한다.

In this study, a ship motion control system design method is introduced for autonomous ships. Some related research results and technologies for autonomous ships have already been developed and applied to testing ships. Recently, the Norwegian Maritime Authority and the Coastal Administration have signed an agreement and started to test autonomous ships in the defined area. Considering recent technology trends and background, in this paper, the authors also try to develop autonomous ship control technologies. In the designed control system, an observer is introduced to estimate unmeasurable system states. Based on the servosystem with state estimator, ship motion control experiment is performed to evaluate control performance using a model ship in water basin.

In this study, a ship motion control system design method is introduced for autonomous ships. Some related research results and technologies for autonomous ships have already been developed and applied to ships. For example, the Norwegian Maritime Authority and the Coastal Administration have signed an agreement that allows to test of autonomous ships in the defined area (port to port). Many countries and industries are pursuing to realize the autonomous vessel in the real world. In this paper, the authors try to develop related technology. As basic research, a ship model of the pilot vessel is developed and physical parameters are identified by experiment and simulations. Using the mathematical ship model, a control system is designed and control performance is evaluated by simulations.

본 연구의 목적은 가까운 미래의 선박운동정보를 이용하는 피드포워드 제어알고리즘과 FPSO 운동 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 시뮬레이션을 통하여 제어알고리즘의 성능을 검증하는 것이다. 본 논문에서는 조류, 바람, 파력 등의 환경하중에 의하여 발생한 선체운동의 미래 예측치를 활용한 피드포워드 제어력을 추가적으로 가지는 Dynamic Positioning System에 대하여 연구한다. 먼저, 조류력, 풍력 및 파력에 대한 수학모델을 선정하여 환경하중에서의 선체운동을 계산하고, 현재의 선체운동 값과 Brown 지수평활 예측모형을 활용하여 미래 선체운동 값을 예측하였다. 또한 위치 유지와 Heading angle 제어를 위한 제어력을 PID(Proportional-Integral-Derivative)이론을 이용하여 결정한 피드백 제어기와 미래 선체운동 값을 이용하여 결정한 피드포워드 제어기로 구성하였다. 그리고 각 Thruster에 요구되는 추력은 라그랑지승수법을 활용하여 분배하였다. 마지막으로 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)의 운동과 Dynamic Positioning System에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 선박의 위치 및 Heading angle 제어에 관한 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 피드백 제어기와 피드포워드 제어기를 동시에 가지는 제어시스템의 성능을 평가하였다. 본 연구의 결과, 피드백 및 피드 포워드 제어기가 적용된 DPS 제어시스템이 기존의 피드백 제어기보다 위치유지 및 헤딩각 유지 능력에서 개선되었고 각 Thruster에 요구되는 평균 제어력 및 최대 제어력의 크기도 감소함을 보였다. 이에 따라 DPS에 요구되는 동력 감축과 Azimuth Thruster 용량의 감소로 인하여 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

일점계류된 선박의 외력에 의한 불안정 거동을 경감시키는 방법에 대하여 검토하였다. 계류된 선박의 수치계산 시뮬레이션을 위해 조종운동방정식을 사용하였고, 선박에 가해지는 외력으로는 풍력과 파강제력이 고려되었다. 파강제력은 3차원특이점분포법에서 얻어진 주파수전달함수로부터 시간영역해석법을 적용하였고, 풍력은 OCIMF(1994)에서 제시한 값을 사용하였다. 계류된 선박의 안전대책으로 바우스러스터를 이용한 제어방법, 두 번째 묘를 이용한 굴레(Birdle)를 씌우는 묘박법이 검토되었다.