Ship collision accidents not only endanger the safety of ships and personnel, but also may cause serious marine environmental pollution. To solve this problem, advanced technologies have been developed and applied in the field of intelligent ships in recent years. In this paper, a novel path planning algorithm is proposed based on particle swarm optimization (PSO) to construct a decision-making system for ship's autonomous collision avoidance using the process analysis which combines with the ship encounter situation and the decision-making method based on ship collision avoidance responsibility. This algorithm is designed to avoid both static and dynamic obstacles by judging the collision risk considering bad weather conditions by using BP neural network. When the two ships enter a certain distance, the optimal collision avoidance course and speed of the ship are obtained through the improved collision avoidance decision-making method. Finally, through MATLAB and Visual C++ platform simulations, the results show that the ship collision avoidance decision-making scheme can obtain reasonable optimal collision avoidance speed and course, which can ensure the safety of ship path planning and reduce energy consumption.

본 연구의 목적은 과거 12년(2010~2021년)간 발생한 상선의 충돌사고 668건을 조사하여 충돌의 원인요인을 조사하고 이를 통계 적으로 분석하여 항해사의 인적과실 예방 충돌회피(HEPCA) 모델을 제안하는 것이다. 중앙해양안전심판원의 통계연보 및 충돌사건 재결서 를 조사하여 상선의 충돌 원인요인 데이터를 수집하고 통계분석 도구인 SPSS를 이용하여 빈도분석을 수행하였다. 1단계 분석으로 상선 충 돌사고 668건을 대상으로 충돌원인을 분석하였고, 2단계 분석에서는 식별된 최대빈도 원인요인을 세부적으로 분석하였다. 분석결과, 충돌 원인은 항해사의 인적과실이 98 %인 것으로 식별되었으며, 빈도 높은 요인 순서는 경계소홀 〉항행법규위반 〉조선 부적절 순이었다. 경계 소홀의 원인 요인은 주로 상대선 초인 후 지속감시 소홀이었으며 상대선박의 존재를 인식하지 못한 원인은 주로 당직시간에 다른 작업을 한 요인이었다. 분석결과를 적용하여 인적과실 예방을 위한 HEPCA 모델을 제안하였고, 이를 재결서의 충돌사건에 적용해보았다. 본 연구결과는 해기사 교육기관 및 실무에서 항해사의 인적과실로 발생하는 충돌사고를 방지하기 위한 교육 자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

중앙해양안전심판원(2019)에서 발표한 최근 5년의 해양사고통계자료에 따르면 충돌사고의 대부분은 20톤 미만의 어선에서 발 생하고 있으며 전방 부주의, 경계 소홀 등의 운항과실로 인한 사고가 주요 원인으로 나타나고 있다. 이러한 사고 방지를 위해 운항자를 대상으로 훈련 및 교육을 강화하고 있지만 충돌사고는 빈번히 발생되고 있으며 충돌 사고를 줄이기 위한 기술적인 방안 또한 지속적으로 개발중에 있다. 본 연구에서는 고속 활주형 소형 선박에 WAVE 통신 기술을 적용하여 선박 간 거리, 속도, 방위에 기반한 조우 상황을 고 려하여 충돌 회피 동작이 가능한 제어 알고리즘을 개발하였으며, WAVE 통신-제어기를 결합하여 충돌 회피 시스템을 구축하였다. 그리고 충돌 회피 동작의 검증을 위해 두 소형 선박간의 정면, 추월, 교차의 3가지의 조우 시나리오에 대해서 시뮬레이션을 수행하고 실선 시험 을 통해서 충돌 회피 알고리즘을 검증하였다.

Robots for a wide range of purposes have been developed along with the rapid industrialization. On the basis of higher convenience, the robots have been creating new industrial environment. The robots are generally classified into service robots and industrial robots. Robots in various shapes have been developed on the basis of the autonomous mobile robots. The autonomous mobile robots have the possibility to crash against any object in their moving range. This paper suggests a collision avoidance method to prevent collision of robots. The collision avoidance method analyzes the road context data and makes a robot move to a safe area. The collision avoidance method proposed in this paper converts the road context data into the information value. The collision avoidance method analyzes the present risk on the basis of the converted information value. The collision avoidance method makes a robot move to a safe area when crash is estimated by the information analysis.

최근 4년 간 발생한 해양사고 통계자료(중앙해양안전심판원, 2018)에 의하면 충돌사고의 대부분이 어선을 포함한 소형선에서 발생하고 있으며 경계소홀, 항행법규 미준수 등의 인적 요인이 충돌사고의 주요 원인이 되고 있다. 이에 따라 사고 예방을 위해 교육, 훈련을 확대 강화하고 있지만 소형선에 대한 사고는 여전히 일어나고 있는 실정이며 인적 요인으로 유발되는 사고를 줄이고자 기술적 방안 이 지속적으로 개발되고 있다. 본 연구에서도 상대적으로 고속인 소형선에 송·수신 주기가 빠른 WAVE 통신기술을 적용하여 충돌 회피시스템 구성하므로 인적 요인으로 인해 발생하는 사고를 감소시키고자 하였다. 그에 따라 통신 범위의 적정성 판단하고 회피동작 시간과 범위를 설정하였으며 그 것을 토대로 제어 알고리즘 고안 하였다. 그리고 통신단말기-제어기-조타장치를 구성하고 충돌회피 모의 시뮬레이션을 수행하므로 경보신호 발생 시 회피동작의 정상 구현을 확인하였다.

Even if only two ships are encountered, a collision may occur due to the mistaken judgment of the positional relationship. In other words, if an officer does not know a target ship’s intention, there is always a risk of collision. In this paper, the experiments are conducted to investigate how the intention affects the action of collision avoidance in cooperative and non-cooperative situations. In non-cooperative situation, each ship chooses a course that minimizes costs based on the current situation. That is, it always performs a selfish selection. In a cooperative situation, the information is exchanged with a target ship and a course is selected based on this information. Each ship uses the Distributed Stochastic Search Algorithm so that a next-intended course can be selected by a certain probability and determines the course. In the experimental method, four virtual ships are set up to analyze the action of collision avoidance. Then, using the actual AIS data of eight ships in the strait of Dover, I compared and analyzed the action of collision avoidance in cooperative and non-cooperative situations. As a result of the experiment, the ships showed smooth trajectories in the cooperative situation, but the ship in the non-cooperative situation made frequent big changes to avoid a collision. In the case of the experiment using four ships, there was no collision in the cooperative situation regardless of the size of the safety domain, but a collision occurred between the ships when the size of the safety domain increased in cases of non-cooperation. In the case of experiments using eight ships, it was found that there are optimal parameters for collision avoidance. Also, it was possible to grasp the variation of the sailing distance and the costs according to the combination of the parameters, and it was confirmed that the setting of the parameters can have a great influence on collision avoidance among ships.

충돌 피항 동작은 선박 간 끊임없이 영향을 주고받는다. 특히 다수의 선박이 조우하는 경우, 상대 선박의 피항 의도를 파악하고 서로에게 얼마나 영향을 미치는 지를 파악하는 것은 어려운 일이다. 이를 위해 분산 확률 탐색 알고리즘이 제안되었다. 분산 확률 탐색 알고리즘은 이웃 선박과 반복적인 메시지 교환을 통해 비용을 가장 크게 낮출 수 있는 코스를 탐색 후 확률과 제한 조건에 따라 기존의 코스를 유지할지 아니면 새로운 코스를 선택할지를 결정한다. 그러나 분산 확률 탐색 알고리즘에 사용된 파라미터가 충돌 피항에 어떠한 영향을 미치는지 증명되지 않았다. 본 논문에서는 분산 확률 탐색 알고리즘의 파라미터와 가중치가 충돌 피항에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 또한 타선과의 피항 거리를 조절하기 위한 충격 흡수 영역을 소개한다. 실험 방법은 두 선박이 조우할 수 있는 세 가지 상황, 즉 정면에서 조우하는 상황, 횡단하는 상황, 추월하는 상황에 파라미터와 가중치의 변수들을 조합하여 실험을 진행하였다. 각 상황 당 8,000회, 총 24,000회의 실험이 진행되었다. 실험 결과 모든 실험에서 한 건의 충돌도 발생하지 않았다. 선박이 목적지에 큰 가중치를 줄 경우, 즉 이기적인 행동을 할 경우, 비용은 증가함을 보였다. 타선의 움직임을 더 길게 예측할수록 항행 거리, 메시지 교환 횟수는 작아지는 경향을 보였다.

다수의 선박이 조우하였을 경우, 충돌 피항을 위해 상대 선박의 의도를 파악하는 것은 매우 중요한 문제이다. 또한 다수의 선박의 의도를 동시에 고려하여 충돌 피항 계획을 세우는 것은 항해사에게 큰 부담이 될 수 있다. 이를 위해 분산 알고리즘이 제안 되었다. 분산 알고리즘은 각각의 선박이 다수의 상대 선박과 정보 교환을 통해 안전한 코스를 탐색할 수 있도록 한다. 본 논문에서는 분산 알고리즘의 하나인 분산 확률 탐색 알고리즘을 선박 충돌 피항에 적용하였다. 분산 확률 탐색 알고리즘에서 선박은 비용 감소가 가장 큰 코스와 기존의 코스를 확률과 제한 조건에 따라 선택한다. 분산 확률 탐색 알고리즘은 확률과 제한 조건에 따라 다섯 가지 종류로 나눠진다. 본 논문에서는 다섯 가지 종류의 분산 확률 탐색 알고리즘을 선박 충돌 피항을 위해 적용하였으며 선박 충돌 피항에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 어떠한 분산 확률 탐색 알고리즘이 충돌 피항에 적합한지를 실험하였다. 실험 결과 다섯 가지 버전의 분산 확률 탐색 알고리즘에서 A와 B방식이 효과적으로 선박 충돌 피항을 수행하였다. 본 알고리즘은 분산 시스템 환경에서 선박 충돌 방지를 위해 적용 가능할 거라 기대된다.

The proportion of collision in the total marine accidents is high. The main causes of collisions are navigation rule violation, safety speed violation, neglected watch-keeping and improper collision avoidance action. There are two main ways of avoiding collision situations during maritime navigation: the method of altering course and reducing ship’s speed. The purpose of this study is to analyze the result of the collision avoidance action of the reserve officer in case of encountering a multiple number of ships using the ship handling simulator. Full-mission ship handling simulator was used to experiment the situation scenarios that encountered multiple ships. After the experiment, the questionnaire about the experiment was investigated. A total of 50 subjects were participated in the experiment. Experimental results showed that the number of the experimenters who used the engine was 11 and the number of the experimenters who did not use the engine was 39. In the case of using the engine, there were 0 collision accident, 1 grounding accident, and 10 no accidents. However, when the engine was not used, there were 28 collision accidents, 2 grounding accidents, and 9 no accidents. The causes of these results can be found in the survey results. 74 % of the non used engine participants said they were hesitate to use the engine. As can be seen from these results, the reserve officer are hesitant to use the engine and need a way to get correct of it. Maritime course subject can emphasize the importance of using ship’s engines and case study also can be it. So, It is considered that various case study scenario will need to developed by various tools in the future.

본 연구에서는 단거리 영역 내에서 대상물표의 정확한 위치를 파악하여 물표와의 충돌을 방지하기 위한 시스템을 개발하였다. 이를 위해 먼저 물표를 속도 모델과 가속도 모델로 표현하여 초기위치로부터의 움직임을 프로세스 잡음과 측정 잡음이 있는 상태에서 위치, 속도 및 가속도를 추정하였다. 추정기법으로는 칼만필터를 적용하였고 시뮬레이션을 통해 제안기법의 유용성을 확인하였다. 다음으로는 레이저센서를 적용하여 이동하는 물표와의 거리를 계측할 수 있는 시스템을 제작하여 물표의 이동 정보를 검출하였다. 이동 물표를 대상으로 속도 모델과 가속도 모델을 적용하여 실험을 수행하였고, 각각의 실험을 통해 불연속적인 측정데이터가 필터링을 통해 매끄럽고 연속적인 측정값으로 얻어지는 것을 확인하였다. 또한 물표 데이터의 계측과 디스플레이를 위한 UI를 구축하였으며, 물표가 일정거리 영역이내에 접근했을 경우 시각, 청각적인 경보를 울릴 수 있는 기능을 부가하였다. 본 연구결과를 통해 저가의 장비로 물표 위치의 추정 성능이 뛰어난 시스템을 구축할 수 있었다.