Development of Integrated System for Safety Assessment of Damaged Ship

(1)

손상선박의 안전성 평가를 위한 통합시스템 개발

이순섭*, 이동곤**

Development of Integrated System for Safety Assessment of Damaged Ship

Soonsup Lee* and Dongkon Lee**

ABSTRACT

The number of marine accidents have been decreased since various equipments for navigation control have been introduced to the marine vessels. However, disastrous marine accidents such as ship col- lisions are occurred more frequently. Therefore, IMO(International Maritime Organization) is enforcing the design requirement of structural strength for marine vessel. Also EU countries are developing new design methodologies and design tools to suggest the design guidance which can minimize the damage of commercial vessels in case of marine collision accidents. In this study, an integrated design system for the safety assessment has been presented to enhance the safety of damaged ships in marine collision accidents. The architecture of system is described by use-cases and IDEF functional analysis. Then an integrated system for safety assessment of damaged ship which is considering both damage stability and structural safety has been developed to support the ship design in early stage.

Key words :Information modeling, Damaged ship, Damage stability, Safety assessment system, Structural safety assessment

1. 서 론

첨단기술의발달과더불어위성항법장치

,

^전자해

도

,

자동항법장치및항해자료기억장치등의도입으 로해양사고는매년점차줄어들고있는추세이지만

,

대형유조선에의한기름유출사고와대형여객선의 전복에의한수천명의인명사고와같은대형사고가 계속적으로 발생하여 국제해사기구

(International

Maritime Organization, IMO)

^에서는^{해양사고를}^원천

적으로예방하기위한선박자체의안전은물론운항

상의안전과관련된규정을강화하고있다^[1,2]

.

유럽을중심으로기존의선박설계프로세스및이를 지원하는시스템으로는이러한대형해양사고를근본 적으로해결할수없다는사실을깨닫고새로운설계 방법론및이를지원하는시스템개발을추진하고있 으며

,

^이를^통해서^유럽의^{조선산업을}^비롯한^해양산

업의경쟁력을강화하려고하고있다^[3-5]

.

특히

,

^최근

IMO

^에서는^선박의^안전성을^획기적으

로향상시키기위한전략적인과제로“목표기반선박

안전성기준

(Goal Based Standard, GBS)

^”의^개발에

착수함에따라

,

유럽국가들은

IMO

를중심으로한해 사법규를통하여해양산업의지속적인주도권장악을

목적으로“

LeaderSHIP2015

”계획에안전및환경관

련분야계획을대폭강화하고

,

기술적기반을구축하 기위한프로젝트로

Safer EURORO

^[3]

, SAFEDOR

^[4]

를추진하고있다

.

^이들^{프로젝트에서는}^기존의^설계

방법론인규칙

(rule)

^에^기반을^둔^수동적^안전의^개념

에서탈피하여

,

^{시뮬레이션}^및^성능기반^설계를^위한

핵심기술을개발하고현재의안전성기준인정수중 에서의계산과이에여유를주는방식이현실을반영 하지못하고있음을인식하고실제해상상태를손상 안전성평가에도입함으로서파도중에서의손상선박 의움직임

,

^{손상구조의}^현상파악^및^이를^기반으로^한

새로운개념의설계방법론을개발하고있다

.

손상선박의안전성향상을위한설계지원시스템은 선박이사고로인하여손상을받았을경우해수의침 수로인한선박의침하

,

횡경사

,

선체의구조적인안 전성평가

,

해상상태

(

파고

,

파장

,

풍속등

)

에의한선박

**교신저자, 정회원, 한국해양연구원해양시스템안전연구소

**한국해양연구원해양시스템안전연구소

-논문투고일: 2008. 04. 09 -심사완료일: 2008. 04. 15

(2)

의자세변화

(

^계속적인^침하^및^경사

)

^예측^및^전복과

침몰과같은

2

^차^사고^발생여부^등을^선박설계^단계

에서미리기술적으로해석하고종합적으로평가하여

주는시스템을말한다^[6-8]

.

^따라서^{손상선박의}^안전성

향상을위한설계지원시스템을통해서손상된선박이 손상초기상태에서

2

^차^사고

(

^전복

,

^침몰^등

)

^로^전개

되는과정및소요시간을정확하게해석함으로서

,

^선

박설계단계에서선박의안전성향상방안즉선박사 고를발생시키는 위해요소를저감시키기 위한여러

가지방안을취할수있다^[9,10]

.

본논문에서는실제해상상태에서손상선박의거동 을정확하게예측할뿐만아니라파랑중에서의선박 의구조적인결함여부를나타내는구조안전성평가 등을수행할수있는시뮬레이션기반의설계지원시 스템을개발하였다

.

개발시스템은손상선박에대한선 형

,

구획및구조부재형상을신속하게모델링할수 있는형상모델링시스템

,

손상선박의유체정역학적특 성을계산하는기본계산시스템

,

파랑중손상선박의 거동을예측하는시스템및파랑에의한선체구조부 재들에대한안전성평가시스템으로구성되어있다

.

또한개발시스템의설계

,

^구현^및^{유지보수를}^위해

모든데이터들의정확성과일관된표현이가능한정 보모델링에의한시스템분석및설계를수행하였다

.

2. 시스템 분석 및 설계

시스템의정보모델링이란개발대상시스템에대하 여정확하고일관된표현을바탕으로분석단계에서 부터설계

,

구현및유지보수에이르기까지의전과정 을가시화하고

,

설계자

,

개발자

,

사용자등시스템에 관여하는모든사람들간의커뮤니케이션수단을제 공하는방법론이다

.

또한정보모델링은전체시스템과 서브프로그램사이의정보일관성유지

,

기능테스트 및시뮬레이션등을위한기초자료를제공한다

.

^시스

템의기능분석과 설계를위한정보모델링과 관련된 대표적인 방법론은 구조적 기법을 토대로 한

IDEF(Integration DEFinition Methods Overview)

^[11]

와객체지향개념을기초로한

UML(Unified Modeling

Language)

^[12]^이^많이^사용된다

.

본논문에서는손상선박의안전성향상을위한설계 지원시스템에대한요구사항분석및설계과정의일 관성과정보모델링작업의편의성을위해서

IDEF

^방

법론과

UML

^방법론을^병행하여^{사용하였다}

.

IDEF

^방법론은^현실^세계

(as_is)

^의^시스템을^분석하

고새로운

(to_be)

^시스템을^설계하기^위한^{방법론에서}

시작하여정보모델링방법론으로발전되었으며

,

^이^방

법론의가장큰특징은주어진문제나시스템에대해 다양한분석

,

^설계

,

^실험^등의^시각을^{제공한다는}^것

과의사소통이나이해할수있는표준방식을제공한 다는것이다

.

^본^{논문에서는}

IDEF

^방법론^중에서도

기능분석모델링기법을사용하여시스템의기능분석 을수행하였다

.

Fig. 1

^은

IDEF

^방법론에^의한^{손상선박의}^안전성향

상을위한설계지원시스템의기능분석을위한

activity

diagram

의예이다

.

그림에서보는바와같이개발시스

템은선박의사고사례

,

손상선박의주요제원및선박

의사고정보등을입력

(input)

으로하여손상선박의생

존가능시간및안정성향상대안을출력

(output)

한다

.

이때법규및규칙과실험결과데이터등이고려되어

야하며

(control

혹은

constraints),

이일을수행하는

설계전문가들이사용하는컴퓨터프로그램및수행하

는 주체 등이 자원

(mechanism)

이다

.

또한

activity

diagram

은손상선박의선형

/

구획

/

구조부재형상을모

델링하는형상모델링

(A1),

^{손상선박의}^{유체정역학적}

특성을계산하는기본계산

(A2),

^사고로^인한^선박의

손상부위를정의하는손상부위정의

(A3),

^파랑^중에

서손상선박의거동해석을수행하는파랑중거동해

석

(A4)

^및^{손상선박의}^{최종강도를}^계산하는^구조^안

전성평가

(A5)

^등

5

^개^서브

activity diagram

^으로^구성

되어져있다

.

^각^서브

activity diagram

^은

2~3

^단계까

지더세분화하면서기능또는활동과관련된

ICOM (Input, Constraint, Output, Resource)

^이^정의된다

.

UML

^은^개발^중인^시스템을^정의하고^가시화

,

^문서

화하기위한언어로서오늘날객체지향분석및설계

를위한

de-facto standard

^이며

,

^처음부터^{정보시스템}

개발을목적으로출발하여현실세계의분석에필요한 Fig. 1. 개발시스템의기능분석.

(3)

기능을확장한방법론이다

.

^본^{논문에서는}^시스템^설

계업무만을 수행하기 때문에

use case diagram

^및

sequence diagram

^만을^{사용하였다}

.

^또한^시스템의^일

관성있는분석및설계를위해

activity diagram

^들을

통해서기능들을바탕으로

UML

^을^이용하여^시스템

설계하였다

.

Fig. 2

^에서는^{손상선박의}^{안전성평가}^{통합시스템}^전

체에대한

use case diagram

^을^{나타내었다}

.

^안전성평

가통합시스템을구성하고있는주요기능인선형모 델링

,

구획모델링

,

구조모델링

,

기본계산

,

파랑중거 동해석및구조안전성평가들을

use case

로정의하였 으며

,

이들간의관계는화살표를이용하여나타내었

다

.

또한

use case

로표현된정보들은기능분석모델

링의

activity

모델로부터도출하였다

.

Fig. 3

에서는

UML

에의해설계되어진손상선박의

안전성향상을위한설계지원시스템전체에서수행되

는동적행위를기술한

sequence diagram

을나타내었

다

.

종좌표축으로시간개념을도입하여시간의진행 에따라개발시스템에서일어나는행위를표현하였으

며

,

^횡^{좌표축으로는}^시스템을 ^이루고^있는^기능들

즉

,

^객체들을^나열하여^객체들^사이에서^일어나는^상

호작용들을알수있도록하였다

. 3. 주요 요소기술

3.1 구조손상을고려한확률론적손상안전성판정법 본논문에서는손상선박의안전성을판정하기위해 손상복원성과구조안전성을동시에고려하였으며

,

^안

전성을판정하는방법으로확률론적기법을기반으로 한생존확률계산식을이용하였다

.

손상복원성은침 수확률과생존확률을고려하여안전성을평가하며

,

구 조안전성평가에서는선박의초기설계단계에서

2

차 원중앙횡단면형상에의해결정되는단면계수

(Z)

를 이용하여손상선박의초기구조안전성을평가하는기 능과기본설계단계에서주요종부재들을모두모델 링한후손상선박의최종강도를계산하는기능두가 지를이용하여평가한다

.

전자의경우에는선급에서요구하는단면계수

(Zreq),

설계단계에서계산된단면계수

(Zcal)

^및^{손상선박의}

단면계수

(Zdam)

^를^이용하여^초기^{구조안전성을}^평가

하는방법으로설계의초기단계즉

,

^{구획설계시}^손상

복원성을계산하는단계에서선박의복원성뿐만아 니라구조안전성을함께고려하여손상선박의안전성 을개략적으로평가한다

.

^선박에^{구조손상이}^발생한

경우에도

Zdam

^의^값이

Zreq

^의^값보다^클^경우에는

안전하다고판단하며

,

^{구조손상은}^선저

,

^선측^및^갑판

(deck)

^의^손상율로^{정의하였다}

.

^특히^이^방법은^계산

의정도를향상시키기위해실적선데이터를이용하 였다

.

후자의경우에는항해중선박에구조손상이발 생하여화물창이침수되고선박이경사된상태에서도 Fig. 2. 개발시스템의 use case diagram.

Fig. 3.개발시스템의 sequence diagram. Fig. 4. 선박의초기안전성평가절차.

(4)

선체구조에정수중및파랑중굽힘모멘트가작용할 경우손상부재를포함한잔여구조부재가선체에작 용하는종굽힘모멘트에견딜수있는지여부를평가 한다

.

Fig. 4

^는^선박의^초기설계^단계에서^{손상복원력과}

2

^차원^{단면형상에}^의해^결정되는^{단면계수를}^이용한

구조안전성평가결과를이용하여선박의초기안전성 을판정하는절차를나타내었다

.

3.2 시스템인터페이스

개발시스템은여러개의서브프로그램들로구성되 어져있으며

,

각서브프로그램들도단위프로그램들 로개발되어져있기때문에이들사이에데이터를교 환하는방법으로본논문에서는인터페이스방법중 가장간단한형태를채택하였다

.

이방법은임의의응 용프로그램에서필요한데이터를다른임의의응용 프로그램에서모두제공할수있는경우에만사용되 는방법으로데이터의교환은데이터파일을사용하 였다

.

Fig. 5

^는^{개발시스템}^내에서^공유

/

^교환되는^정보들

을나타내었다^[9]

.

그림에서보듯이개발시스템을이루고있는서브프 로그램사이에서필요로하는모든데이터들

(

선박기 본정보

,

손상정보

,

거동정보등

)

을다른서브프로그램 에서모두제공할수없기때문에먼저

,

^각각의^서브

프로그램에서타서브프로그램에필요한정보들을데 이터파일로출력하였다

.

^또한^각^{서브프로그램에서}

는필요한데이터를수록한파일을읽어들여해당정

보를

GUI

^화면상에^{가시화하도록}^하였으며

,

^없는^정

보는사용자가

GUI

^상에서^직접^{입력하도록}^하였다

.

Fig. 6

^은^파랑^중^{손상선박의}^{거동해석을}^수행하기

위해필요한손상선박의선형즉

,

^{외판형상을}^나타내

는옵셋정보를선형모델로부터추출한결과를나타낸 것이다

.

^선박의^설계속도

,

^길이

,

^폭

,

^흘수 ^등과^같은

정보는개발시스템에서선박의일반적인특성을정의 하는부분에서읽어오며

,

^선미^추진기축^중심과^선수

벌브끝단의선저로부터의상하거리등과같은정보 는

3

^차원^{선형정보로부터}^{자동적으로}^계산되어^출력

되도록하였다

.

4. 시뮬레이션 기반의 설계지원시스템

4.1 시스템구성도

Fig. 7

^에서는 ^{개발시스템의}^구성도를 ^{나타내었다}

.

그림에서보듯이개발시스템은선박의외판형상

,

^구

Fig. 5. 세부프로그램사이의인터페이스.

Fig. 6. 인터페이스되는선형정보들.

Fig. 7. 개발시스템구성도.

(5)

획및구조부재를모델링하는형상모델링

,

^유체정역

학적제계산

,

^용적계산

,

^비손상

/

^{손상복원력을}^계산하

는기본계산및손상선박에대한파랑중거동해석과 구조안전성평가등으로구성하였다

.

^또한^세부^프로

그램들은파일단위의데이터베이스및그래픽사용자 인터페이스를통해서서로연관되어수행되며

,

^개발

시스템의효율적인관리및유지보수를위해서모든 프로그램들은모듈화하였다

.

4.2개발환경및도구

손상선박의안전성향상을위한 설계지원시스템의 개발환경및개발도구를

Table 1

에나타내었다

.

손상안전성을평가하기위해서는선박의선형

,

^구

획및구조설계정보를표현하고다룰수있는형상 모델링시스템이필요하며

,

^{개발시스템의}^실용화^및

모델링 결과의 신뢰성

/

^정확성을 ^위해 ^검증된 ^상용

CAD

시스템이필요하다

.

본논문에서는손상선박의

선형및구획형상모델링을위해상용

CAD

시스템인

EzShip

^[13]를 사용하였다

.

구조모델링은 손상선박의

2

차원단면형상과부재형상을모델링하도록하였다

.

유체정역학적제계산

,

파랑중손상선박의거동해석 등과같은응용프로그램들은자체적으로개발된프 로그램을이용하였고특히

,

^파랑^중^{손상선박의}^구

조안정성 평가를 위해서는 한국해양연구원에서 개

발한

LSAP

^시스템^[8]^을^{사용하였다}

.

^그리고^파랑^중

손상선박의 거동해석 결과들의 가시화를 위해서는 상용 그래픽 가시화 프로그램인

TECPLOT

^[14] ^및

GRAPHER

^[15]^을^{사용하였다}

.

4.3 주요결과들

Fig. 8

^에서는^{손상선박의}^선형^및^구획을^모델링한

결과를나타내었다

.

^{모델링결과의}^정확성^및^타^시스

템과의인터페이스를고려하여상용

CAD

^시스템을

이용하여모델링하였다

.

Fig. 9

는선박의손상된범위

,

손상형태및손상크기

를정의하는과정을나타내었다

.

그림에서보듯이손 상범위는길이방향

,

^폭^방향^및^깊이^방향으로^정의하

며

,

^폭^방향의^{손상범위는}^{형폭으로부터}^시작하여^선

내중심으로정의하도록하였다

.

^또한^{‘손상구획}^보기’

를선택하면입력된손상범위에속하는구획들의형 상이

3

^차원^그림으로^{가시화된다}

.

본논문에서는손상부위의형태에따라크기를정 의하는방법을달리하였으며

,

^{손상형태도}^‘○’

,

^‘□’^및

‘ ’형태로구분하여정의하도록하였다

.

Fig. 10

^은^{손상범위에}^포함된^{손상구획들을}^가시화

한것으로

,

^본^{논문에서는}

Fig. 9

^에서^정의한^손상범

위에포함되는모든구획들을손상구획으로정의하여 가시화하였다

.

▽0

Table 1. 개발환경및도구

구분 개발환경및도구

Platform PC(Pentium III 이상) Operating System Window NT/2000, XP Language Visual C++, Python

GUI Visual C++/MFC

Graphic Library Visual C++/MFC, OpenGL, GLUT Modeling System EzShip

구조해석 시스템 LSAP ver.2(자체개발 프로그램)

해석결과 가시화 TECPLOT, GRAPHER

거동해석 시스템 자체개발프로그램

시스템인터페이스 자체개발프로그램

Fig. 8. 손상선박의형상모델링.

Fig. 9.손상부위정의.

(6)

본논문에서는 파랑 중손상선박의 거동해석 즉

,

heave, roll, surge

등과 같은

6

자유도운동을해석하

기위해시간영역에서

2

차원

strip

이론을이용하는방

법과주파수영역에서

3

차원

panel method

를이용하

는방법모두를사용하였다

.

^전자의^경우에는^주어진

시간내에실제해상상태와같은해상조건에서손상 선박의거동상태를파악하기위해사용하며

,

^후자의

경우에는

3

^차원^해석을^통한^정도의^향상^및^침수구

획내슬로싱유동의영향을고려할경우에사용한다

.

Fig. 11

^은

3

^차원

panel method

^에^의한 ^파랑^중^손

상선박거동해석을수행하기위해생성된선형그리드 정보를가시화하였다

. 3

^차원

panel method

^를^이용한

파랑중손상선박의 거동해석을수행하기위해서는

선박의주요제원

,

^자유표면

,

^파

(wave)

^뿐만^아니라^선

형및손상구획에대한

3

^차원^그리드^정보가^필요하

다

.

^또한^실제해상^상태를^표현하는^파^정보와^침수구

획내의유동물의자유표면에대한정보가추가로필 요하다

.

본논문에서는형상모델

,

손상부위정보및경

험식들을이용하여거동해석을위한해석모델을생성 하였다

.

Fig. 12

^에서는^{손상선박의}^파랑^중^{거동해석을}^수행

하는과정을가시화하였다

.

^그림에서^보듯이^계산과

정에서주어진기준을넘어갈경우에는경고음이울 리고가시화되는그림의색깔도노란색으로변경되도 록하였다

.

Fig. 13

^에서는^{손상선박에}^대한^초기^{구조안전성}^계

산결과를나타낸것으로요구단면 계수는선급에서 제시한기준이고계산단면계수는실제조선소의구 조설계단계에서사용하는실적선값을나타내었다

.

또한부위별손상에따른단면계수값들의변화는유 사실적함의손상에따른단면계수감소율을적용하 여계산한손상단면계수값들을나타내었다

.

^그림에

서보듯이선저

,

^선측^및^갑판의^손상율을

10%

^에서

50%

^까지^{변화시켰을}^경우의^{단면계수의}^값^변화를^나

타내었다

.

본 논문에서는 손상시 단면계수의 값이

Rule

에서요구하는단면계수값보다적을경우에는안

전하다고판단한다

.

Fig. 10. 손상구획의가시화.

Fig. 11. 3차원선형그리드.

Fig. 12.손상선박의거동해석과정.

Fig. 13.초기구조안전성평가.

(7)

Fig. 14

^에서는^{손상선박에}^대한^{구조안전성}^평가를

수행하기위한주화면을가시화하였다

.

^그림에서^보

듯이본논문에서는 손상선박의구조안전성 평가는 선박이항해중선박에구조손상이발생하여화물창 이침수되고선박이경사된상태에서도선체구조에 정수중및파랑중굽힘모멘트가작용할경우손상부 재는최소한의강도를가지면서잔여구조부재가선 체에작용하는종굽힘모멘트에견딜수있는지여부 를평가하였다

.

^개발^{프로그램에서는}^{손상선박에}^작

용하는실제하중

(

정압력에의한부력및파도에의한 파랑하중

)

의크기가선체구조부재가갖고있는강도 의

90%

를넘으면위험한것으로간주하고경고메시 지를가시화하였다

.

안전성향상방안은선박설계단계에서여러가지 원인들에의해서선박이손상을입은후안전성평가 즉

,

^복원성^또는^구조^안전성^측면에서^불안전한^것으

로판명되었을경우에안전성을향상시키기위한방 법들을말하며

,

본논문에서는구획형상을변경시키

는방법을제공하고있다

.

Fig. 15

^에서는^{손상선박의}^{구획형상을}^변경하기^위

해서구획을이루고있는단면형상들을수정하는과 정을나타내었다

.

^구획의^{단면형상을}^변경하는^경우

에는특정범위혹은구획에의해서안전성평가결과 가나쁘게나타난경우이며

,

^{단면형상을}^이루고^있는

주요점들을이동시켜구획형상을변경시킨다

.

^또한^구

획의단면형상을변경시켰을경우에이와관련된모 든구획들도자동적으로변경되도록하였다

.

5. 결 론

해양사고를예방하기위해안전에대한기준은보

다강화되고있으며

,

설계지원도구도

rule

기반에서

벗어나성능예측혹은시뮬레이션기반의도구의개 발및사용에대한요구가증가되고있다

.

안전이란명제는이제경제성을포함하는개념으로 형성되고있으며

,

삶의수준향상과의식변화에따라

필연적인요소가될것이다

. EU

^의

Safer-EURORO I,

Safe-EURORO II

^및

SafeDOR

^등과^같이^선박^안전

에관한장기적이고계획적인연구프로젝트는안전 이라는적절한명분과

EU

^의^조선^산업^경쟁력^향상

을목표로두고있다

.

^따라서

IMO

^에서^큰^영향력을

행사하는

EU

^국가의^{연구결과는}

IMO

^에^반영될^가능

성이매우높으며

,

^현재^진행^중인^안전관련^협약^등

에도영향을미칠것으로판단된다

.

이러한배경을바탕으로본논문에서는선박의손 상안전성을실제파도에의한영향을고려하여평가 하고

,

손상안전성을향상시키기위한시스템을개발 하였다

.

개발된시스템은먼저정보모델링기법을이 용하여시스템분석및설계를수행하였고

3

차원형 상모델을중심으로구조손상을고려한확률론적손상 안전성판정법

,

시뮬레이션기반의파랑중손상선박 의거동해석및구조안전성평가시스템등을통합하 였다

.

^또한^{손상선박의}^안전성^향상을^위해^손상구획

용적을줄여복원성을향상시키는구획형상변경방법 을개발하였다

.

향후에는개발된시스템의실용화를위해조선소와 협력하여현업에서사용가능하도록개발시스템을계 속수정·보완해나갈예정이다

.

후 기

본논문의내용은한국해양연구원해양시스템안전

연구소

(MOERI)

^에서^{지식경제부}^{차세대신기술개발사}

Fig. 14.구조안전성평가를위한주화면.

Fig. 15.구획형상변경.

(8)

업으로수행하고있는 “선박손상안전성향상설계 기술개발” 과제결과의일부분임을밝힙니다

.

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이 순 섭

1989년 부산대학교 조선공학과 학사 1991년 부산대학교 조선공학과 석사 2005년 부산대학교 조선공학과 박사 1991년~현재 한국해양연구원 해양시스템

안전연구소 책임연구원 관심분야: 안전설계, 안전성평가, 제품모

델링, 동시공학 기술

이 동 곤

1981년 부산대학교 조선공학과 학사 1983년 부산대학교 조선공학과 석사 1995년 부산대학교 조선공학과 박사 1983년~현재 한국해양연구원 해양시스템

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