3.2 항해시스템 개선요소
3.2.1 항해시스템 구성
어, 데이터와 절차들 간에 다양한 관계를 가지고 있다. 출력물은 항해안전에 필 요한 정보(Information)로 디스플레이를 통해 결과물을 표현하거나, 선박 조종을 위한 의사결정에 해당된다.
Fig. 19 Behavioral Perspective of Navigational System
(1) 항해장비 구성
항해시스템의 명확한 목적은 안전항해 달성에 있으며, 이를 위해 기술발달에 따른 항해장비들이 개발되고 선박에 적용되어 왔다. 선박의 항해시스템은 안전 항해를 위해 다양한 항해장비들로 구성될 수 있지만 국제항해에 종사하는 선박 들은 국제적인 기준을 따라야 한다. 국제적 기준은 IMO에서 국가정부들의 논의 와 협력을 통해 협약(Convention), 규정(Code) 등으로 제시되며, 항해장비에 대 한 요건은 SOLAS 제5장(항해안전)에서 지정하고 있다. SOLAS 협약은 1914년 타이타닉 침몰의 영향으로 국제사회에서 그 필요성이 인정되어 채택되었다.
1929년, 1948년, 1960년에 개정이 이루어 졌지만, 협약의 최신화와 개정절차가 합리적이고 적절한 기간 내 발효되는 것이 불가능하였다. 이에 따라 1974년 IMO는 이전까지의 개정사항을 모두 포함하는 완전히 새로운 SOLAS 협약을 채 택하였고, 1980년 5월 25일 발효되어 현재 국제항해에 종사하는 화물운송선박 들에 적용되어 오고 있다. 국제항해에 종사하고, SOLAS 협약의 대상톤수 및 선 종에 해당되면 협약의 항해장비들이 요구되며 SOLAS ship 또는 Convention ship으로 표현한다. SOLAS 협약의 적용을 받지 않는 선박들은 기국이나 지역
규정에 따른 항해장비와 기준이 지정되어, 일괄적으로 정의하기 어렵다. 통상 Non-SOLAS ship은 SOLAS ship에 비해 규모가 작고, 요구되는 항해장비도 협약 요건을 상회하지 않기 때문에 SOLAS ship을 기준으로 구성을 조사하였다. 1970 년대에서 1980년대는 항해장비들이 선박의 상태확인(Status)을 위한 장비들이 주요하였으며, 이후 충돌회피를 위한 ARPA가 이용되었다. 선속(Ship speed) 측 정 장치는 Em-Log 등이 이용되어오다 도플러 방식을 적용한 선속계가 채택되 었다. 이후에도 항해장비들은 운항 상의 안전을 지원하기 위한 장비들이 지속 적으로 채택되었으나, 채택시기도 상이하고 적용되는 시기도 달라 선박의 항해 시스템은 장비들의 개별적인 성능기준과 구성으로 발전하게 되었다. 즉 다른 장비들과의 조화나 정보통합 및 체계적인 시스템의 확장이 아니었기 때문에 정 보 수집이 어렵고 숙련도에 따라 항해정보의 파악이 달라져 이를 통합하고 단 일 디스플레이에 표현하기 위해 ECDIS와 INS(Integrated Navigation Systems) 등 이 요구되었다. SOLAS의 장비구성요건은 선박 총톤수와 선종 및 건조시기에 따라 복잡하게 적용되고, 항해시스템적 특성에서 확인한 사항과 같이 항해장비 의 도입이 사용자의 인터페이스를 고려하여 이루어지고 있지 않아 이로 인한 문제들이 나타나고 있다. 이 때문에 IMO는 전자적 항해장비들의 통합과 조화를 기반으로 e-Navigation의 개념을 도입하였고, 인간중심설계(HCD; Human Centered Design)와 S-mode 가이드라인의 개발 등 많은 항해장비 도입으로 인 한 인터페이스 문제점 개선을 위한 노력을 기울이고 있다.
다음 Table 3은 SOLAS의 제5장 19조 2항에서 요구하는 항해장비들을 목록화 한 표이다. SOLAS의 제5장 19조 2항 외에도 20조의 VDR(Voyage Data Recorder)은 다양한 선박 센서들로부터 데이터를 수집하고 기록하는 시스템으 로, 목적은 사고조사를 위한 것이지만, 다양한 장비들의 정보를 통합 저장하는 기능 때문에 예방 유지보수, 성능 효율성 모니터링, 악천후 분석, 사고 예방 등 에 이용이 가능하여 자율운항선박 개발에 있어 중요 장비로 평가된다. SOLAS 의 제5장으로 구성이 강제된 항해장비는 아니지만 선박에 미치는 외력평가와 위험통보에 필요한 정보로 풍향 및 풍속을 측정하고 보고하기 위해 실선에는 Wind indicator도 항해시스템 주요장비로 구성되어 있다.
Paragraph Name of Equipment(or system) 19.2.1.1 Standard magnetic compass
19.2.1.2 Pelorus
19.2.1.3 Means of correcting headings/bearings to true 19.2.1.4 Nautical charts or ENC(Electric nautical charts) 19.2.1.5 Back up if ECDIS fitted
19.2.1.6 Global navigation satellite system receiver or terrestrial position finding equipment 19.2.1.7 RADAR reflector
19.2.1.8 Sound reception system(if bridge totally enclosed) 19.2.1.9 Telephone to emergency steering position(where fitted) 19.2.2.1 Spare magnetic compass
19.2.2.2 Day light signalling lamp
19.2.2.3 Bridge navigational watch alarm system(BNWAS) 19.2.3.1 Echo sounder
19.2.3.2 9GHz RADAR
19.2.3.3 Electronic plotting aid(EPA)
19.2.3.4 Speed and distance measuring equipment(SDME)
19.2.3.5 Transmitting Heading Device(THD) to RADAR, EPA and AIS 19.2.4 Automatic identification system(AIS)
19.2.5.1 Gyro compass
19.2.5.2 Gyro Repeater at emergency steering position 19.2.5.3 Gyro Repeater for bearings over 360° of horizon
19.2.5.4 Indicators for rudder angle, propeller thrust, pitch and revolutions 19.2.5.5 Automatic tracking aid(ATA)
19.2.6 Back up requirement for Paragraph 19.2.1.1, 19.2.1.2, 19.2.1.4 19.2.7.1 3GHz RADAR
19.2.7.2 Secondary ATA
19.2.8.1 Automatic Radar plotting aid(ARPA) 19.2.8.2 Heading or track control system(HCS/TCS) 19.2.9.1 Rate of turn(RoT) indicator
19.2.9.2 SDME(over the ground in the forward and athwartships direction) 19.2.10 Electronic chart display and information system(ECDIS)
20.1 Voyage data recorder(VDR) - Wind indicator(Anemometer)
Table 3 Shipboard Navigational Equipment according to SOLAS Chap. V
(2) 네트워크 구성
항해장비들을 연결하기 위한 선박 네트워크는 국제전기전자위원회(IEC;
International Electrotechnical Commission)의 기술위원회(Technical Committee) 80의 Working Group 6에서 제정된 규격을 국제표준화기구(ISO; International Standardization Organization)와 IMO가 따르도록 권고하고 있다(하연철, 2007).
IEC 61162 표준은 Digital interfaces for navigational equipment with in a ship 의 명칭으로, 선박 운항 정보들을 취득하기 위한 선박 내 각종 하위 장치나 시 스템들을 접속하기 위한 통신 프로토콜을 규정하고 있다. 항해장비만을 위한 표준은 없으며, 선내 항해, 무선 통신, 시스템 구성, 다양한 기기연결 등에 응용 하도록 Table 4와 같이 4개 표준으로 구성된다(박종원 등, 2011).
No. Title of Standards Remark
IEC 61162-1 Single talker and Multiple listeners NMEA 0183 IEC 61162-2 Single talker and Multiple listeners, high speed transmission -IEC 61162-3 Multiple talkers and multiple listeners-serial data instrument
network
NMEA2000 CAN network IEC 61162-4 Multiple talkers and multiple listeners-ship systems
interconnection
Ethernet TCP/IP, UDP Table 4 Standards of IEC 61162
IEC 61162-1은 시간, 위치, 방위 등의 정보를 전송하기 위한 NMEA 0183 규 격을 근간으로, 항해 및 통신장치와 시스템들의 단독으로 송신(Single talker)하 고, 다수의 장치들이 수신(Multiple listeners)하기 위한 디지털 인터페이스를 정 의하고 있다. 이 표준은 4.8kbps 전송속도로 1초 이상의 전송주기를 요구하는 단방향 직렬 데이터 전송을 위한 인터페이스와 문장구조, 송신장치 ID, 문장형 식자로 구성되는 메시지 형식도 정의하고 있다. IEC 61162-2는 최소 20ms 주기 를 가지고 전송을 요구하는 38.4kbps의 고속통신을 위해 제정되었으며, IEC 61162-1의 메시지 형식을 따르고 있다.
IEC 61162-3은 NMEA 2000 규격을 근간으로 하고 있다. NMEA 2000은 선박 장비들이 CAN(Controller Area Network)을 적용하여 선박 네트워크를 직렬데이 터 통신으로 구성하는데 용이하다. NMEA 2000 규격을 이용하여 IEC 61162-2보 다 향상된 250kbps의 전송속도로 네트워크를 구성할 수 있다. IEC 61162-4는 네트워크와 응용시스템 간 인터페이스 표준이며, 61162-3보다 고용량의 10Mbps 의 데이터 처리가 가능하고, 다른 프로토콜들을 보완하기 위해 제정되었다. 400 으로 표준번호를 구성해 400, 401, 410, 420 등 여러 관련 표준들이 제시되어 있으며, 400은 다수의 전송자와 다수 수신자간의 선박 시스템 연동에 대한 일 반적인 원리를 기술하고 있다.
다만 현존 선박의 네트워크 구성에는 항해장비와 센서 간에 직렬통신 RS232 나, RS422 인터페이스로 연결되고, 장비들 간에는 CAN network 구성이 많아, NMEA 규격이 아닌 IEC 61162-4의 적용은 많지 않았다. 때문에 IEC는 61162-4 가 실용화 되지 못하고 있는 문제를 해결하기 위하여 IEC 61162-450을 제안하 게 되었다. IEC 61162-450은 선박 항해통신 장비들의 선박 내 및 타 선박과 육 상과의 통신을 위한 요구사항과 테스트 방법을 정의하고 있다. Ethernet과 TCP/IP 프로토콜을 사용하며, UDP(User Datagram Protocol)의 멀티캐스트 프로 토콜을 사용한다. Binary image 데이터의 전송 방법을 규정하고, VDR 기록을 위한 RADAR 이미지 전송도 가능해 향후고용량의 데이터 처리와 통합이 요구 되는 자율운항선박 개발에 있어서 중요한 표준이 될 것으로 예상된다. 또한 2015년 우리나라 주도로 제정된 IEC 61162-460도 선박 네트워크의 보안 요구사 항에 대한 것으로 자율운항선박 개발에 있어 사이버 보안 이슈와 함께 주요한 표준으로 다루어 질 것이다.
1) NMEA Standards
NMEA(National Marine Electronics Association)는 선박 장비들 사이의 통신을 위한 전기적 인터페이스와 데이터 프로토콜을 정의하는 표준을 제정하고 있으 며, 특히 NMEA 0183은 현재 선박의 항해장비들을 기준으로 가장 폭 넓게 적용 된 인터페이스 표준이다. NMEA 0183 표준은 직렬통신의 한 방법으로 정의된
데이터 포맷에 따라 센서에서 정보를 발신하면 수신측 시스템이 표시하는 구조 로 간단하게 적용할 수 있는 신호 변환 기술이다. NMEA 0183은 IEC TC 80에 서 61162-1과 2로 채택됨으로써 IEC가 인정하는 선박 디지털 인터페이스의 표 준프로토콜이 되었다. NMEA 0183의 전송속도는 4.8kbps이며, 출력은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)의 RS 422의 표준을 따르 고 있다. NMEA 0183 이후 보다 향상된 전송속도와 다양한 항해장비들의 정보 를 Plug & Play 통신 구조로 구현하기 위해 NMEA 2000 표준이 제시되었다.
NMEA 2000은 화물선박보다 요트, 중소형 선박에서 더 많이 이용되고 있지만, 전송속도나 네트워크 구성이 중앙케이블, 즉 백본(Backborn)을 통해 간결하게 구성되는 장점이 있으며, IEC 61162-3의 표준으로 제안되었다. 다만 선박 대형 화에 따라 NMEA 2000의 최대 중앙케이블 길이에 제한될 수 있는 점에서 대형 화물선 네트워크 구성에는 부적절 할 수 있다(한국전자통신연구원, 2013).
2) CAN(Controller Area Network)
자동차의 제어부 네트워크 구성을 위해 개발된 CAN은 ISO 11898로 표준 제 정되었으며, 자동차뿐만 아니라 선박분야에서도 적용하게 되었다. CAN은 높은 데이터 전송률과 안정성을 제공하며 환경에 따라 다르지만, 최고 1Mbps의 데이 터 전송률과 CRC(Cycle Redundancy Check)를 이용한 오류 검출 등의 안정성을 제공을 통해 다수의 전자 장비를 상호 연결하는 실시간 제어 네트워크이다(이 현 등, 2010). 데이터의 집적도를 높이기 위하여 이진데이터를 사용하며, TCP/IP 방식에 비하여 헤더의 비트가 작고, 비트간격으로 충돌을 중재하여 충 돌자체가 일어나지 않는 장점이 있다. NMEA 2000과 같이 백본의 길이 제한과 연결되는 물리적 노드가 50개, 논리적 노드가 254개로 제한되어 대형선박 적용 에 문제가 있지만, 백본 간에 브릿지를 두어 개선할 수 있다(한국정보통신기술 협회, 2011).
3) SAN(Ship Area Network)
SAN은 한국전자통신연구원에서 현대중공업과 공동연구를 통해 선박장치들을
최적의 유무선 기술을 융합한 네트워크로, 선박 내 구축되어 제어명령, 상태 정 보, 문서 및 도면정보 등을 교환할 수 있도록 제공되는 백본 네트워크이다(이성 형 등, 2013). IEC의 61162-450 표준 기술을 적용하여 연결된 SAN은 화면을 통 해 제어할 수 있으며, 육상에서도 위성을 통해 원격으로 선박 모니터링과 제어 가 가능하다. 또한 선박 내 시스템과 소프트웨어 업그레이드 등 유지 보수까지 원격으로 가능할 것으로 예상되며, 향후 자율운항선박에 있어서도 다양한 부가 서비스를 지원할 수 있는 기반 기술로 평가된다(한경수 등, 2013). SAN의 주요 장치로 개발된 ISIG(Intra-Ship Integrated Gateway)를 통해 장비들의 정보는 ISM(Intra-Ship Messaging)으로 수집되고, 위성통신을 통해 육상사용자에게 전송 하기 위해 SSM(Ship to Shore Messaging)으로 전환된다. ISIG를 선박에 적용하면 기존 Port to Port 유형의 장비 간 연결 방식도 통합 Ethernet으로 구성되어 복 잡한 케이블 배선이 개선될 수 있다.