본 연구에서는 운전 시뮬레이션을 사용하여 자율주행 환경을 구현한 후 3-수준 자율주행 조건에서 자율주행 차량 (automated vehicle: AV)으로부터 운전자에게 전달되는 제어권 인수 요구(takeover request: TOR) 정보의 양상(시각, 청각 및 시각+청각) 및 도로 형태(직선도로와 곡선도로)에 따라 운전자의 제어권 인수 시간(takeover time: TOT) 및 정신적 작업부하(제어권 인수 이후에 운전자들이 경험한 주관적 작업부하와 심장박동수에서의 변화)가 어떻게 차별 화되는지 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 먼저, AV로부터 TOR이 제시된 이후 실험참가자들 이 보인 TOT에 대한 분석 결과, TOR 정보양상의 측면에서는 시각 정보가 가장 빠른 TOT를 이끌어 낸 반면 청각 정보 조건에서 가장 느렸고, 도로 형태 측면에서는 직선도로 조건에 비해 곡선도로 조건에서의 TOT가 유의하게 더 느렸으며, 특히 청각 정보 조건에서 도로 형태에 따른 TOT에서의 차이가 가장 컸다. 둘째, 정신적 작업부하에 대한 분석 결과, TOR 정보가 시각 혹은 시각+청각적으로 제시된 조건에 비해 청각적으로 제시된 조건에서 주관적 작업부 하 측정치와 심장박동수 변화 크기 모두 전반적으로 더 낮았고 특히, 심장박동수 변화의 경우 이러한 경향은 곡선도 로 조건에서만 관찰되었다. 이러한 결과는 TOR 정보의 양상과 도로 형태에 따라 운전자의 TOT와 정신적 작업부하 수준이 달라질 수 있고, 특히 TOT가 빠를수록 정신적 작업부하 수준은 상대적으로 더 높아질 수 있음을 시사한다.

4차 산업이 발전함에 따라 해상운송 분야에서도 자율운항선박의 연구가 진행되고 있다. 현재 2, 3단계의 자율운항선박이 운항 을 하고 있으며 육상에서 원격조종의 장비로 감시하며 상황에 따라 운항에 개입하는 육상원격제어사가 이미 활용되고 있다. 하지만 이들 의 교육과정이 국제적으로 정립되지 않아 부적격한 육상원격제어사에 의한 사고 위험성이 높아지고 있다. 본 논문에서는 육상원격제어사 에 필요한 교육을 기존의 해기사 교육 중 육상원격제어사에게 필요한 교육과 원격제어환경에서 필요한 교육으로 구성하였고 효과적인 교육의 활용을 위해 비기술적 역량교육을 포함하였다. 이러한 교육과정은 신속하게 활용될 수 있으며 역량평가를 통한 해사안전에 부합 하는 신규 육상원격제어사를 배출할 수 있다. 그리고 기존의 선원들도 육상원격제어사로 전직할 수 있는 교육을 제공할 수 있다.

자율운항선박(MASS : Maritime Autonomous Surface Ships)은, 고도의 자율도를 가지고, 계획된 경로를 따라 자율 운항하지만, 필요시 육상원격제어센터(SRCC : Shore Remote Control Center)에서 선박의 운항에 직접 개입할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 자율운항 선박의 운항을 육상에서 모니터링하고 유사시 원격제어하는 역할을 담당할 육상원격제어사(SRCO : Shore Remote Control Officer)의 교육 훈련에 필요한 시뮬레이터 시스템의 운용개념과 이를 가능하게 하기 위한 요구기능에 대해 검토하였다. 육상원격제어 시뮬레이터 시 스템은, 다수의 자율운항선박의 운항상황을 모니터링하는 Monitoring Station, 유사시 특정 선박의 운항에 직접 원격개입하는 Control Station의 기능을 모의하도록 하였고, 시뮬레이션 종합통제실, 자율운항선박 운항상황 모의 시뮬레이터, 그리고 주변의 유인선 운항을 모의하기 위한 통항선 시뮬레이터 등으로 구성하였다. 기능적으로는, 육상에서 선박을 직접 제어하기 위하여 원격으로 개입하는 ESRC(Emergency Situation for Remote Control) 상황을 정의하여 이러한 상황을 모의할 수 있도록 하였다.

경로추종 제어는 대양에서 선박의 자율운항을 위한 가장 기본적인 연구 중에 하나로 여겨진다. 본 연구는 선수미방향, 횡방향 및 회두방향으로 외력이 작용하는 경로추종 제어를 다룬다. 가상의 선박에서 발생하는 항로를 자선이 추종하는 문제를 해결하기 위해서 유도 원리와 백스테핑 기법을 활용하였다. 경로추종 제어에서 가장 중요한 기술 중에 하나는 오차 동역학에 관한 것으로서, 이 개념은 선박의 자동 충돌 회피 및 자동 접안 제어 등과 같은 연구 영역에서도 활용이 가능하다. 유도 원리와 오차 변수의 알고리즘은 수치 시뮬레이션을 통해 증명하였다. 그 결과, 회두각의 오차를 제외한 대부분의 오차 변수는 제어기를 통하여 제로 값으로 수렴하였다. 기존에 근거리 통항선박의 간섭력을 고려한 안전통항거리의 값보다 두 선박 간의 경로추종 제어의 트래킹 오차의 값이 더 작은 점이 가장 흥미로운 결과 중에 하나로 여겨진다. 또한 프로펠러, 핀이나 러더와 같은 엑츄에이터의 손상을 줄이기 위해서는 수렴의 성능과 선박의 안전을 절충하여 적합한 제어 파라미터를 결정할 필요가 있다.

4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 첨단기술이 산업 전반에 사용됨에 따라 자율운항선박기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 본 연구에서는 자율운항선박에 대한 기초 연구로써 모형 선박을 제작하고 드론에 사용되는 아두파일럿(Ardupilot)을 적용시켜 자율운항 제어 시스템을 구축하였다. 구축된 모형선을 활용하여 다양한 항해계획을 실행함으로써 자율운항 선박의 운항 자동제어 가능성을 확인하였다. 침로안정성 실험에서는 모형선이 정해진 침로를 똑바로 따라가지 못하고 지그재그(S자 형태)로 항행하면서 침로에서 최대 5.4 m(4.5 L) 이탈하였으며, 매개변수를 수정하여 이탈거리를 최대 1.8 m(1.5 L)까지 감소시켰다. 선회성능 실험에서는 선회권의 직경이 최대 약 9.3 m(7.8 L) 로 나타났는데 매개변수를 수정하여도 큰 변화를 확인할 수 없었다. 하지만 WP 도착 전 감속하도록 실험한 결과 선회권의 직경이 최대 약 3.2 m(2.7 L)로 감소된 것을 확인할 수 있었다. 정지성능을 평가하기 위해 모든 실험의 마지막 정지 예정 위치와 실제 모형선이 정지한 위치를 상호 비교하였으며, 정지 예정 위치로부터 최소 0.4 m(0.3 L), 최대 6.2 m(5.2 L) 떨어진 지점에서 모형선이 정지하였음을 확인할 수 있었다. 추후 다양한 매개변수의 수정·보완을 통한 성능 향상이 이루어진다면 자동제어를 통한 자율운항선박의 자동접안을 위한 연구를 진행할 계획이다.

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.