제 4 장 COLREGs 기반 항해 시뮬레이션
본 장에서는 COLREGs 기반 항해 시뮬레이션 사례 연구를 통하여 앞서 제안된 핵심 선박장비 및 에이전트 모델링 및 시뮬레이션 시스템에 대해 검증을 한다. 이를 위해 본 논문에서는 COLREGs에서 정의하는 항법 관 계인 Head-On, Crossing, Overtaking 상태를 1:1 회피 상황으로, 그리고 다중 선박 충돌위험 상태를 1:3 회피 상황으로 테스트 및 검증을 수행하 였다. 단, 네 가지로 나뉠 수 있는 Crossing 상태는 본선 피항과 유지의 두 가지로 검증하였다. 이를 통해, 제안하는 모델링 및 시뮬레이션 시스 템이 다음을 검증한다. 첫째, 항해 시뮬레이션을 위한 실제 선박에 탑재 되는 핵심 선박장비의 묘사가 가능하며, 둘째, COLREGs 기반 에이전트의 지식으로 충돌위험 상황 회피를 위한 사용자 개입이 없는 항해 시뮬레이 션이 가능함을 검증한다.
본 논문에서는 이를 위해 (재)중소조선연구원 “선박ICT 융합장비 시험 인증센터”의 FMSS(full mission ship simulator)를 활용하였다. 이는 선박 제원에 따른 운동, 조종 등 각종 시험을 거친 결과 데이터를 이용해 선박 의 동역학 움직임을 실제와 유사하게 모사하므로, 시뮬레이션 선박의 선 수방위 선회율 도출을 위한 선회 시험(turning test)을 수행하기에 적절하 다.
(1) 시뮬레이션 선박 설정 및 선회 시험 방법
시뮬레이션 선박은 “M/S Fantasy”이며 재원은 Table 4.1과 같다. 해상인 명안전협약의 선박장비 강제 탑재 규정에 따라, 본 시뮬레이션 선박은 500톤급 이상의 여객선으로 본 논문에서 제안하는 항해 시뮬레이션의 구 조 모델링과 핵심 선박장비의 구현을 위해 적절하다.
M/S Fantasy
Summary
Class and type Cruise ferry
Tonnage 75,027 GT (gross tonnage)
Length 223.70 m
Beam 35.00 m
Draft 6.80 m
Speed 22.0 knots (40.744 km/h) Table 4.1 General characteristics of the simulation ship
시뮬레이션 선박의 선회 시험은 총 9번을 수행하였고 각 시험은 속도와 타각에 따른 선수방위를 (0 ~ 360)°까지 기록하였으며, 그 결과를 Fig 4.1 과 같이 그래프로 나타내었다.
(a) Velocity: 5 kn, Rudder angle: 5°, 10°, 15°
(b) Velocity: 10 kn, Rudder angle: 5°, 10°, 15°
(c) Velocity: 15 kn, Rudder angle: 5°, 10°, 15°
Fig. 4.1 Turning test for the simulation ship
Fig 4.1의 (a)는 속도가 5 kn이고 타각이 5°, 10°, 15°일 때 선수방위의 변화를 그래프로 나타내었다. (b)와 (c) 또한 속도 10 kn, 15 kn일 때의 그 래프를 나타내었으며, 속도가 빠르고 타각이 클수록 선수방위의 변화가 빨리 일어나는 것을 알 수 있다.
시험 결과를 Table 4.2에 정리하였으며, (a)는 각 시험 동안 선수방위 변 화의 총 시간(total time)을 나타내었고 (b)는 각 시험의 선수방위 선회율 (heading ROT)을 나타내었다. 선수방위 선회율은 초당 선수방위의 변화를 나타내는 것으로서, 360°를 각 시험의 총 시간으로 나누어 계산하였다. 시 뮬레이션 중 실시간으로 변하는 속도와 타각에 따른 선수방위 선회율은 보간법을 적용하여 계산하였다.
Total Time
Rudder angle (°)
5 10 15
Velocity(kn)
5 4817.2 sec 2430.1 sec 1624.2 sec
10 2123.8 sec 1231.7 sec 824.9 sec
15 1423.4 sec 738.4 sec 525.5 sec
(a) Total time for each turning test
Heading ROT
Rudder angle (°)
5 10 15
Velocity(kn)
5 0.0747 °/s 0.1481 °/s 0.2216 °/s
10 0.1695 °/s 0.2922 °/s 0.4727 °/s
15 0.2529 °/s 0.4875 °/s 0.6850 °/s
(b) Heading ROT (rate of turn) for each turning test Table 4.2 ROT calculation by the turning test
(2) 선회율 보간 방법
Table 4.2의 (b)는 해당 속도와 타각일 때 선수방위 선회율을 나타낸 것 으로서, 과 같은 다변수 함수(multivariate function)로 나타낼 수 있다. 여기서 와 는 각각 속도와 타각이며, 시뮬레이션 중 실시간으로 수신되는 시간 의 값에 따라 선수방위 선회율, 즉 을 도 출하여 의 위치를 계산하고 갱신하여야 한다.
이를 위해, 본 시뮬레이션 시스템에서는 다변수 함수에 대한 연속적인 2차원 보간법인 Newton의 전진차분 보간다항식(Newton’s optimal difference interpolation polynomial)을 Fig 4.2와 같이 적용한다. Newton의 전진차분 보간다항식은 Fig 4.2의 (a)와 (b)같이 다음의 두 단계로 나누어 최종적인 값을 도출한다. 첫째, x축을 고정으로 y축 방향에 대한 보간을 수행한다. 둘째, 첫 번째 단계에서 보간된 값들을 이용하여 y축을 고정으 로 x축 방향에 대한 보간을 수행하여 Fig 4.2의 (b)와 같은 최종적인 값을 도출한다.
(a) Step 1 of interpolation (b) Step 2 of interpolation Fig. 4.2 Newton’s optimal difference interpolation polynomial
for multivariate function
Ÿ Step 1 : 축 방향에 대한(고정) Newton의 전진차분 보간다항식
(4.1)
(4.2)
(4.3)
Ÿ Step 2 : 축 방향에 대한(고정) Newton의 전진차분 보간다항식
(4.4)
(3) 검증을 위한 시나리오 설정(Case Ⅰ - 1:1 충돌회피 )
본 선박(OS, own ship)과 대상 선박(TS, target ship)의 항로 계획에 따른 침로 유지 및 에이전트에 의한 충돌회피 판단에 대한 수행 결과를 검증한 다. 이를 위해, 시뮬레이션의 초기조건으로는 Fig 4.3에서 보는 바와 같이 1:1 상황에 대한 COLREGs의 항법 관계별로 구성하였으며, 세부 설명은 다음과 같다.
(a) Crossing(OS avoidance) : OS과 TS가 횡단하는 상태이며, OS가 TS의 좌현 즉, 홍등을 바라보고 있기 때문에 OS가 우현으로(좌현대 좌현) 피항 의무를 가진다(TS 유지, Fig 4.3 참조).
(b) Crossing(TS avoidance) : OS와 TS가 횡단하는 상태이며, TS가 OS의 좌현 즉, 홍등을 바라보고 있기 때문에 TS가 우현으로(좌현대 좌현) 피항 의무를 가진다(OS 유지, Fig 4.3 참조).
(c) Head-On(OS, TS avoidance) : OS와 TS가 정면으로 마주치는 상태이 며, 모두 상대 선박의 선수 즉, 마스트 정부등을 바라보고 있기 때문에 OS와 TS 모두 우현으로(좌현대 좌현) 피항 의무를 가진다. (Fig 4.3 참조)
(d) Overtaking(OS avoidance) : OS는 15 kn로 항해, TS는 5 kn로 항해 하여 추월하는 상태이며, OS는 TS의 선미 즉, 선미등을 바라보고 있기 때 문에 OS가 우현 또는 좌현으로의 피항 의무를 가진다(TS 유지, Fig 4.3 참 조).
(a) Crossing (OS avoidance) (b) Crossing (TS avoidance)
(c) Head-On (OS, TS avoidance) (c) Overtaking (OS avoidance) Fig. 4.3 The initial situation of
COLREGs-based 1:1 navigation simulation
(4) 검증을 위한 시나리오 설정(Case Ⅱ - 1:3 충돌회피)
본 선박과 다중 대상 선박의 항로 계획에 따른 침로 유지 및 에이전트 에 의한 충돌회피 판단에 대한 수행 결과를 검증하기 위하여 시뮬레이션 의 초기조건으로는 Fig 4.4에서 보는 바와 같이 1:3 상황을 구성하여 COLREGs에 따른 다중 선박 충돌회피를 검증한다.
Fig. 4.4 The initial situation of COLREGs-based multiple ship (1:3) navigation simulation