Design and Implementation of Ship Application System for Maritime Service Utilizing onboard Ship Collected Data

http://dx.doi.org/10.12673/jant.2016.20.2.116

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Received 23 March 2016; Revised 28 March 2016 Accepted (Publication) 7 April 2016 (30 April 2016)

*Corresponding Author; Bum-seok Lee Tel: +82-2-2072-6133

E-mail: [email protected]

선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템 설계 및 구현

Design and Implementation of Ship Application System for Maritime Service Utilizing onboard Ship Collected Data

강 남 선

· 김 용 대

· 김 상 용

· 이 범 석

1중소조선연구원 해양시뮬레이션 연구팀

2마린전자상사 연구소

3현대유엔아이 물류사업팀

Nam-seon Kang

· Yong-dea Kim

· Sang-yong Kim

· Bum-seok Lee

1Marine Simulation Research Team, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding, Busan 618-270, Korea

2R&D Center, MECys, Busan 92110, Korea

3Logistics Business Team, Hyundai Ubiquitous & Information Technology, Seoul 03127, Korea

[요 약]

본 논문에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하는 선박과 육상의 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합관리를 위 한 선박용 어플리케이션 시스템을 설계하고 모듈을 구현하였다. 선박용 어플리케이션 시스템은 선내 수집 데이터를 활용하는 선 박과 육상의 서비스를 지원하고 개별 장비간 원활한 연동 서비스를 제공하기 위하여 IALA에서 논의되고 있는 데이터 공유 시스 템 모델과 ISO 16425의 XML 구조를 적용하였으며, 시스템 운영을 위한 공통 모듈과 데이터 수집 및 통합관리를 위한 윈도우 서비 스, 관리를 위한 웹서비스 모듈을 구현하였다.

[Abstract]

In this study, has designed the ship application system for efficient data integration management of onboard ship and shore application/service utilizing data collected onboard ship, and has implemented the module. In order to supports onboard ship and shore service utilizing onboard ship collected data and provide a easy to access among individual devices, the ship application system applied the XML structure of ISO 16425 and the data sharing system model discussed in IALA, and the common module for system operation, a windows service for data collection/integral management, and web service module for management has been implemented.

Key word :

Ⅰ. 서 론

해상위성통신 환경의 개선과 선박 항해통신장비의 다양화, 고도화 및 디지털선박의 출현으로 선박과 육상에서 수많은 데 이터가 발생・수집되고 있으며 단순히 수집된 장비 내의 활용 뿐 아니라 장비간, 시스템간의 데이터 상호교환이 필수적으로 요구되고 있다[1],[2]. 또한 국제해사기구 (IMO; International Maritime Organization)에서 선박의 안전운항을 도모하고 선박 의 탑재된 장비의 운용을 체계화하여 선박의 노후화 지연을 목 적으로 한 선박 예방정비시스템 (PMS; planned management system)과 각종 해상 운항정보를 디지털화, 표준화하여 선박 운 항자 맞춤형 해상안전 정보를 실시간으로 제공하기 위한 e-Navigation을 채택함에 따라 해상에서 사용되는 데이터 수가 급속히 증가하고 있다 [3],[4].

이처럼 해상에서 발생되는 대용량 데이터의 중요성이 높아 지면서 IMO 항해안전전문위원회 (NAV; sub-committee on safety of navigation)에서는 제 53차 회의를 통해 사용자의 의사 결정 및 작업 부하관리를 용이하게 하고 안전 및 보안이 확보된 운항을 지원하기 위하여 선박에서 발생되는 데이터의 통합 관 리의 필요성을 강조하였으며 국내・외 산학연에서는 선박 종 합정보시스템 (integrated system of ship’s information)을 중심 으로 선박에서 발생되는 데이터를 통합 관리하고 상호 교환할 수 있는 방법에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다[5],[6].

하지만 선박에서는 표준 프로토콜보다 메이커 고유의 프로 토콜을 선호하여 장비마다 필요한 정보체계를 수립하고 독립 된 데이터베이스를 구축/운용하고 있어 동일한 데이터를 반복 적으로 수집하고 있으며 자료의 공유와 상호교환이 매우 어려 워 해상 데이터의 효율적인 운영이 이루어지지 못하고 있다[1], [4],[6].

따라서 본 논문에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하 는 선박 및 육상 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합 관리를 위한 선박용 어플리케이션 기술을 제안하며 구성은 다 음과 같다. 2장에서는 해양 데이터 통합관리 기술동향에 대하 여 분석하고, 3장에서는 선박용 어플리케이션 시스템 (SaS;

ship application system)에 대하여 기술한다. 4장에서는 구현된 모듈을 제시하고 5장에서 결론 및 향후 방향을 제시한다.

Ⅱ. 해양 데이터 통합 관리 기술 동향

2-1 해양 데이터 통합 관리 기술

디지털 선박, PMS, e-Navigation, 선박 에너지효율 및 온실가 스 모니터링시스템과 같이 선박과 육상의 융합된 정보와 관제, 해상 기상 등에 대한 정보를 함께 모니터링하여 해양오염・안 전사고 방지와 효율적인 운항을 지원하기 위한 기술을 위하여 선박에서 수집되는 정보와 해사위성통신을 활용하여 육상의 다양한 정보를 융합하는 연구가 수행중이나 선박에서 수집・

운용되는 다양한 형태의 대량 정보를 효율적으로 저장, 이용, 관리하는 방법에 대한 연구가 부족한 상황이다[7].

디지털 선박은 해사위성통신을 이용하여 육상으로부터 해 상기상정보를 주기적으로 수신하고 선박에서 수집된 정보를 실시간으로 송신하여 육상에서 선박의 상태를 모니터링 할 수 있는 원격지원체계가 갖추어진 선박을 의미한다. 디지털 선박 은 그림 1과 같이 통합 정보 시스템을 구축하고 선박 내에 설치 된 모든 장비와 시스템을 정합 장치를 통해 통합 시스템에 인터 페이스하며 데이터베이스와 서버시스템을 이용하여 수집된 데 이터를 관리하고 육상으로 전송한다[8]. e-Navigation은 그림 2 와 같이 선박의 출발항부터 도착항의 부두접안에 이르는 전 과 정의 안전과 보안을 위한 관련 서비스 및 해양환경 보호 증진을 위해서 선박과 육상 관련 정보의 수집, 통합, 교환, 표현 및 분석 을 융합하고 통일하여 수행하는 체계를 일컬으며 이를 위해 기 존의 선내 전자장비 및 데이터 통합관리 뿐 아니라 육상의 해상 기상, 안전운항 정보 등을 실시간으로 송수신하여야 한다[6].

PMS는 선박 내 기관장비의 상태를 최선의 상태로 유지하여 선

그림

1. 디지털 선박 개념도[1]

Fig. 1. Digital ship concept map.

그림

2. IALA의 e–Navigation 개념도[9]

Fig. 2. IALA e–Navigation architecture.

그림

3. 선박 예방정비시스템 구성도[10]

Fig. 3. Planned management system.

령 연장 및 안전운항을 도모하며 궁극적으로는 해양생명, 재산 및 환경을 보호하기 위하여 선박 내 기관장비의 예방정비제도 를 지원하는 시스템이다. PMS는 그림 3과 같이 선박 내 주 기 관, 보조기관, 추진 장치, 화물, 제어, 경고, 안전시스템에 대한 세부 데이터를 기록하고 보관하는 기능을 수행하며 기록된 결 과에 따라 정비일정이나 이상상태를 선박과 육상에 알려주는 기능을 제공한다. 선박 온실가스 및 에너지효율 모니터링시스 템 (EEMS; energy efficiency monitoring system)은 IMO와 EU의 실연비데이터보고제도 (MRV; monitoring/reporting/verification) 규제, IMO의 온실가스 규제 등에 대응하기 위한 시스템으로 선 박에너지효율관리계획서 (SEEMP; ship energy efficiency management plan)에 따라 선박제조연비지수 (EEDI; energy efficiency design index), 에너지효율운항지표 (EEOI; energy efficiency operational indicator), 연료 EEDI, EEOI 모니터링을 지원한다. 최근 친환경/고효율 선박과 해양환경에 대한 관심이 높아지면서 선주, 화주, 단체 등 요구사항이 다양해짐에 따라 SEEMS (ship energy efficiency monitoring system)는 온실가스 모니터링의 기본 기능에 더불어 기관성능 모니터링 , 최적운항 지원 등 부가적인 기능을 함께 제공하고 있다. SEEMS는 선박 내부의 기관장비와 선박자동식별장치 (AIS; auto identification system), 선박항해기록장치 (VDR; voyage data recorder), 전자 해도표시정보시스템 (ECDIS; electronic chart display &

information system) 등 주요 항해 장비를 통합 시스템과 연동과 선내 통합시스템 , 육상 정보 시스템과의 정보 공유 및 데이터 상호교환이 요구되고 있다.

2-2 선내 통신 프로토콜

선박은 특수한 운용 환경으로 인해 육상과 달리 사고 발생 시 신속한 대처가 어렵고 다수의 인명피해 발생과 대형사고로 이어질 가능성이 높아 장비 운용의 신뢰성 확보와 2차 사고 방 지를 위하여 다른 시스템과 정보를 교환하지 않고 단독으로 운 영하는 전통적인 방법을 고집하고 있다 . 이로 인해 디지털 선 박, e-Navigation 등 해상 통신 인프라의 디지털화, 정보의 공유 화에 대한 기술과 법규가 발표됨에도 불구하고 다른 시스템들 과 정보를 공유하도록 설계된 시스템이 극소수에 불과하다. 또 한 해상에서는 아직까지 3,4세대 해사위성통신을 많이 사용하 고 있어 제약된 통신환경으로 소프트웨어 기반의 시스템을 활 용하더라도 다른 장비로부터 데이터를 자동으로 입력 받는 시 스템은 거의 없어 해상 데이터의 통합과 육상과 정보 공유 및 상호교환을 위한 시스템 구축에 큰 장애가 되고 있다[3],[11].

그러나 최근 디지털 기반의 5세대 해사위성통신 서비스가 출시되어 수요가 점차 늘어나고 있으며 e-Navigation 실현을 위 해 디지털 통신환경으로의 전환이 요구되는 등 해상통신인프 라의 개선과 해상 데이터 공유와 상호교환을 위한 기술개발 및 통신 프로토콜의 표준화작업이 수행되고 있다. 특히, 2019년 협약이 발표되는 e-Navigation에서 데이터의 통합관리가 필요 하다고 결정됨에 따라 국제항로표지협회 (IALA; International

Association of Lighthouse Authorities)를 중심으로 MiTS (maritime information technology standard)와 같이 선박에서 발 생되는 다양한 형태의 데이터를 통합관리하고 상호 교환하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다[12].

선박 장치간 인터페이스 표준은 표 1과 같이 IEC 61162-1/2/

3/4로 구성되며 IEC 61162-1/2 (NMEA0183)이 가장 널리 사용 되어왔다. IEC 61162-1은 항해 장비만을 대상으로 ASCII 형태 의 최대 82자의 자료를 전송 가능하며 IEC 61162-2는 IEC 61162-1의 고속 전송을 지원하기 위한 표준이다. IEC 61162-3 은 CAN (controller area network) 표준에 기반 하여 최대 250 kbps를 지원하며 실시간 전송 및 장치들의 통합을 위한 목적으 로 개발되었으나 50개의 물리적 장치 연동과 대형선박과 같은 복잡한 통합 네트워크 구성이 어려운 단점이 있다 [2],[12]. 이 와 같이 IEC 61162-1/2/3은 높은 안정성과 신뢰성을 제공하지 만 최근 선박에 도입되고 있는 전자장치들의 양방향 통신과 대 용량 네트워크에는 적용이 어렵기 때문에 최근 선박 장치에 널 리 사용되고 있는 이더넷 기반의 IEC-61162-450이 발표되었다.

IEC-61162-450은 TCP/IP와 UDP 방식을 이용하기 때문에 원하 는 정보를 손쉽게 수집할 수 있는 매우 간단한 구조와 선박의

Standard Characteristics Note

IEC 61162-1

- Ship asynchronous 4800 bits/s - ASCII form, uni-directional

transmission

NMEA 0183

IEC 61162-2 - Ship asynchronous - IEC 61162-1,

high speed communication

IEC 61162-3

- Multiple transmission and reception function communication - 250k bits/s, ISO 11898 standard

NMEA 2000 CAN

IEC 61162-4 - System access communication standard, 10M bits/s

TCP/IP, UDP

1. 선내 표준 통신 프로토콜[12],[13]

Table 1. Standard communication protocol.

그림

4. IALA에서 논의되고 있는 ‘e-Navigation’ 데이터 공유

Fig. 4. Data sharing system model is now being discusses

(a) 시험 선박 Testbed(Ferry).

(b) 시험 장비 데이터 입출력 Testbed input & output

and test application.

(c) 마스터 서버 시스템(브릿지) Master database server in a bridge.

(d) 운용 서비스

Test application services.

다양한 정보들을 종합적으로 제공할 수 있는 장점을 가지고 있 어 해상데이터 통합 관리가 필요한 다양한 장비와 어플리케이 션에 활용되고 있다.

2-3 해양데이터 통합 관리 기술 표준 동향

최근 해상 데이터의 통합관리 기술 및 해상 데이터를 사용하 는 시스템과 어플리케이션의 기술 수요가 증가함에 따라 유럽 에서는 국가 연합의 차원에서 새로운 분야의 기술개발에 대하 여 인정하고 그 결과를 표준화함으로서 정보를 공유해 가고 있 다. 해상 데이터의 체계적인 관리와 교환을 위하여 국제수로기 구 (IHO; International Hydrographic Organization)에서는 UHDM (universal hydrographic data model)으로 해상 지리적 데 이터를 관리하기 위한 표준을 준비하고 있으며, IMO e-Navigation 정책을 뒷받침하기 위한 사실표준화기구인 IALA 에서는 UMDM (universal marine data model)로 해상 데이터 관 리 표준과 육해상 데이터 교환 프로토콜 , 육해상 지원 소프트웨 어의 통일된 인터페이스 통일을 위한 프레임워크 등을 연구하 여 관련된 기술 정보와 테스트베드 및 시험결과 등을 e-Navigation 포탈에 공시하고 있다 [11]-[13],[15].

JSMEA (Japan Ship Machinery and Equipment Association)에 서는 해양 데이터 통합관리의 근본이 되는 그림 4의 IALA의 데 이터 공유 시스템 모델의 기술적 검증과 기술표준 선점을 위하 여 SSAP (smart ship application platform) 프로젝트를 수행하 고 있다. SSAP는 트림, 성능모니터링, 엔진 모니터링, 선체와 화물 상태 모니터링, 원격 유지보수시스템 등 선박에서 수집되 는 데이터를 선박용 마스터 데이터베이스에 저장하여 그림 5와 같이 개별적으로 데이터를 수집 /관리/선박과 육상의 공유되고 있는 현재 시스템을 그림 6과 같이 개선하고 선육간 통신을 통 해 육상의 데이터 서버와 공유하여 육상의 해운선사, 선주, 조 선소, 장비 제조사 등 선박에서 수집된 데이터를 활용하는 어플 리케이션 공급자에게 제공한다. JSMEA는 SSAP 시스템을 그 림 7 (b),(c),(d)와 같이 구성하고 그림 7 (a)의 여객선 ‘Sunflower shiretoko’에 적용하였으며 2017년 3월까지 SSAP 프로젝트를 통해 기술적 검증을 완료할 계획이다[15].이처럼 국외에서는 산업계에서 국제 표준화 활동에 적극적으로 참여하여 표준과 개발을 동시에 진행함으로서 조선 기자재 산업에서의 시장 지 배력을 강화해가고 있는 반면 국내의 경우는 표준이 제정된 후 이를 준수하는 장치를 개발하는 전통적인 방법을 고수하고 있 어 조선 기자재 산업의 경쟁력 강화에 많은 어려움을 겪고 있다 [16].

해양 데이터 통합 관리 기술은 아직 초기 개발 단계이기 때 문에 기술진입장벽이 비교적 낮고 선박에서의 IT기술, 특히 정 보통신 기술과 융합에 대한 중요성과 관련 기술 및 제품의 개발 이 증가하면서 수요와 중요성이 강조되고 있는 핵심 요소기술 이기 때문에 기술력 확보가 반드시 필요하다[13],[16]-[18]. 따 라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 IALA에서 논의되고 있는 데 이터 공유 시스템 모델을 기반으로 선내 수집데이터를 활용하

그림

5. 현재 선내 주요 장비의 데이터 수집 및 활용 방법[15]

Fig. 5. Image of onboard application installation(now).

그림

6. 스마트쉽 어플리케이션 플랫폼(일본)에 따른 선내 주요

Fig. 6. Image of onboard application installation(future).

그림

7. 스마트쉽 어플리케이션 플랫폼 프로젝트 시험 환경[15]

Fig. 7. Smart-ship application platform project.

는 선박과 육상의 서비스를 지원하고 개별 장비 간 원활한 연동 서비스를 제공하기 위하여 다양한 통신 방식과 데이터 정의 방 식을 지원하는 개방형 구조의 선박용 어플리케이션 시스템 (SaS; ship application system)을 그림 8과 같이 개발한다.

Ⅲ. 선박용 어플리케이션 시스템

3-1 SaS 시스템 구성

본 논문에서는 VDR, AMS (alarm monitoring system), AIS 등 선박 내부에 설치된 항해통신 및 기관 장비와 ECDIS, SEEMS 와 같은 선박용 어플리케이션 시스템을 연동하고 수집되는 정 보를 데이터베이스화하여 선박에서 발생되는 해상 데이터를 통합 관리하고 선내 서비스 기술을 지원하며, 해사위성통신을 활용하여 선내 수집데이터를 활용하는 육상 서비스를 위한 데 이터베이스 기반의 정보공유 및 데이터 상호교환 서비스 제공 이 가능한 SaS를 개발한다. SaS는 선박과 육상간 통신 시 해사 위성 사용으로 발생되는 높은 통신비용의 부담을 줄이기 위해 서 그림 8과 같이 선행연구를 통해 개발된 고효율 압축 기술과 최소비용 알고리즘이 적용된 선박 통신 시스템 (VCS; vessel communication system)을 활용하여 데이터베이스 기반의 통신 을 한다.

SaS는 인터넷 기반의 연동을 기본으로 하며, 필요에 따라 송/

수신 채널을 확장할 수 있도록 설계하여 장비 및 어플리케이션 을 추가할 수 있도록 구성하였으며, 선박에 설치된 각종 장비에 서 전송되는 데이터의 수집/저장/관리 및 어플리케이션에서 처 리되는 자료의 송/수신을 위해 기능에 따라 그림 9와 같이 서 비스 (SaS_Service)와 매니저 (SaS_Manager)로 구성하였다.

SaS_Service는 SaS의 메인 프로그램으로 윈도우 서비스로 구성되어 동작하며, SaS와 연동되는 장비 및 어플리케이션에 대한 환경설정과 송수신되는 데이터를 관리한다. SaS_Service 는 선내 수집데이터를 활용하는 선박 및 육상 서비스를 위해 반 드시 선행으로 실행되어야 하고 시스템 운영환경을 고려하여 선내, 육상 등 원격지에서 프로그램의 설치, 설정이 가능해야하 므로 프로그램의 실행 여부 및 에러 확인을 위해서 웹서비스로 구성된 SaS_Manager를 개발하여 SaS_Service의 설치와 모니터 링 및 연동된 장비, 어플리케이션의 환경 설정 및 상태 모니터 링을 지원하도록 구성하였다.

현재 선박에서는 AIS, VDR, AMS, GPS (global positioning system), ECDIS 등 다양한 선내 장비의 데이터 수집이 이루어 지고 있으며 SEEMS, PMS등과 같이 선내 수집 데이터를 활용 하는 수많은 선박 및 육상 서비스가 있으나 본 논문에서는 수집 데이터의 중복성 및 선박과 육상 서비스의 연동 범위를 고려하 여 선내 수집 장비는 AMS, VDR, 유량계 (flow meter) 등 NMEA 0183, 2000을 사용하는 표준 장치를 대상으로 한다. 선 내 어플리케이션은 ECDIS, SEEMS, 육상 서비스는 SEEMS, 기

그림

8. 선박용 어플리케이션 시스템 구성도 Fig. 8. Ship application system diagram.

그림

9. 선박용 어플리케이션 시스템 주요 기능 Fig. 9. Ship application system functions.

그림

10. 선박용 어플리케이션 시스템 데이터베이스 구성

Fig. 10. Ship application system database.

상예보시스템 (maritime meteorological information system)과 선대관리시스템 (fleet management system)을 대상으로 수집된 데이터를 통합 관리하고 선박과 육상 서비스의 데이터 공유 및 상호교환을 위하여 그림 10과 같이 SaS 데이터베이스 (SaS_DB)를 설계하였다. SaS_DB는 그림 5의 이전 해양 데이 터 통합 시스템과 달리 중복되지 않는 공통된 저장구조를 가지 며, AIS, AMS, flow meter, VDR 등 데이터 상호 교환이 필요하 지 않은 장비는 출력되는 데이터를 SaS_DB에 저장하고 ECDIS, SEEMS 등 선내 수집 데이터와 육상 서비스 데이터를 활용하는 선내 어플리케이션의 경우 수집된 데이터와 연산된 데이터를 SaS_DB에 저장하고 육상 서비스에서 전송된 데이터 를 SaS를 통해 수집한다. 육상 서비스는 VCS를 통해 동기화된 데이터베이스를 활용하여 선내의 항해/통신/기관 장비의 상태 정보와 선박의 위치, 수정된 항로 등에 대한 데이터를 수집하 며, 선박의 안전운항과 효율성 향상을 위하여 해상 기상정보와 최적항로 등에 대한 정보를 선내 SaS_DB로 전송한다.

3-2 선내 장비 연동

그림

11. 선내 device와 SaS의 연동 구성도

Fig. 11. Onboard ship device and SaS link diagram.

그림

12. AMS와 SaS의 통신

Fig. 12. AMS and SaS

그림

13. AMS와 SaS의 통신

Fig. 13. AMS and SaS

선내 장비와 SaS의 연동은 그림 11과 같이 각 장비를 독립적 으로 관리하는 쓰레드(thread)를 생성하여 SaS_Manager에 정의 된 환경설정에 입력된 값을 기준으로 해당 장비를 관리한다.

SaS는 연동되는 선내장비에서 수집/생성되는 데이터 수집을 목적으로 하며 시스템 운용 및 항해에 영향을 미치지 않도록 장 비의 제어 기능은 이용하지 않기 때문에 장비에서 출력되는 데 이터 수신을 기본으로 하며 필요에 따라 선내 장비에 필요한 데 이터를 요청할 수 있도록 송신 기능을 별도로 구현하였다. 수집 된 데이터는 선박 및 육상 어플리케이션/서비스의 데이터 공유 및 자료교환을 위하여 메모리, 문장, 파일 등 다양한 형태로 SaS_DB에 저장한다.

1) AMS 장비 연동

AMS와 SaS의 연동은 그림 12와 같이 구성되며 AMS thread 를 통해 이루어진다. AMS 데이터는 대부분 장비 메이커 고유 의 프로토콜을 사용하고 있기 때문에 해당 장비에 대한 프로토 콜 분석을 그림 14와 같이 선행하였다. AMS Thread는 그림 13 과 같이 AMS에서 생성되는 여러 종류의 데이터를 하나의 파일 로 생성하고 전송된 내용이 정상적으로 파일로 생성되는 지를 판단하여 ethernet network를 통해 네트워크 장비 또는 UNC

그림

14. AMS 데이터 (Konsberg 제품) Fig. 14. AMS data (Kongsberg).

Recode data Interface protocol sources Date & time IEC 61162-1 EPFS

Ship’s position IEC 61162-1 EPFS

Speed(STW/SOG) IEC 61162-1 Speed log Heading IEC 61162-1 Gyro compass

Bridge audio Analog Microphone

Communication audio Analog VHF radio Radar

(post-display selection) Analog(R/G/B/V/H) Radar

Depth IEC 61162-1 Echo sounder

Main alarms IEC 61162-1 Alarm system Rudder order & response IEC 61162-1 Autopilot Engine order & response IEC 61162-1 Engine controller

Bow thruster IEC 61162-1 Bow thruster Wind speed & direction IEC 61162-1 Anemoneter

2. VDR 수집 데이터

Table 2. VDR collection data.

(united nations charter)로 SaS_DB에 직접 접속하여 파일을 저 장한다.

2) VDR 장비 연동

VDR과 SaS의 연동은 VDR thread를 통해 이루어지며 그림 11과 같이 다른 선내 장비와 동일한 방식으로 구성/운용된다.

VDR은 IMO 성능 표준 A.861에 따라 정해진 표 2의 데이터를 수집하므로 VDR thread는 SaS_DB에 직접 접속하여 정해진 주기에 따라 VDR에서 수신되는 표 2의 데이터를 파일 형태로 저장한다.

그림

15. CAN (NMEA 2000) 문장 구조 Fig. 15. CAN (NMEA 2000) syntax structure.

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16. CAN to ethernet 변환 장비 (ZSC-100) Fig. 16. CAN to ethernet converter (ZSC-100).

그림

17. CAN 프로토콜

Fig. 17. CAN protocol-use

equipment communi- cation diagram.

그림

18. CAN 프로토콜

Fig. 18. CAN protocol-use

equipment communi- cation flow.

3) CAN 통신을 이용하는 장비의 연동

CAN (NMEA 2000, IEC 61162-3) 통신은 그림 15의 데이터 구조를 가지며 IEC 61162-1/2/450과 달리 CAN Part B (29bit identifier) BUS를 사용하여 ethernet 환경에서 실시간 데이터 처 리가 어렵기 때문에 그림 16의 CAN to ethernet converter (상용 제품 ZSC-100)를 이용하여 UDP 데이터로 변환하였다. CAN 통신 프로토콜을 이용하는 장비와 SaS의 연동은 그림 17과 같 이 구성되며 CAN thread를 통해 그림 18과 같이 이루어진다.

CAN컨버터는 GPS, compass 등 데이터를 수신하여 ethernet 데 이터로 변환한 후 socket통신을 사용하여 UDP 방식으로 CAN thread로 전송한다. CAN thread는 데이터가 수신되고 있는지를 지속적으로 모니터링하여 UDP 데이터가 수신되면 그림 15와 같이 ID 4 byte, DLC 1 byte, data 8 byte 총 13 byte로 구성된 수 신 데이터를 연동 장비 데이터 포맷과 일치시키기 위하여 Hex 값 변환 및 2 byte padding 후 SaS로 전송한다.

3-3 선박 및 육상의 어플리케이션 서비스 연동

선내에 설치된 어플리케이션/서비스 또는 육상의 서비스와 SaS의 연동을 위하여 그림 19와 같이 시스템을 구성하고 각 장 비를 독립적으로 관리하는 thread를 생성하여 SaS_Manager에 정의된 환경설정에 입력된 값을 기준으로 해당 장비를 관리한 다. 어플리케이션/서비스 연동은 선내 장비 연동과 달리 데이터 의 송수신 개수에 대하여 제한을 받지 않고 구성할 수 있으며 수집된 데이터는 선박 및 육상 어플리케이션/서비스의 데이터 공유 및 자료교환을 위하여 메모리, 문장, 파일 등 다양한 형태 로 SaS_DB에 저장한다.

1) 선내 ECDIS 연동

선내에 설치된 ECDIS와 SaS의 연동은 그림 19와 같이 구성 되며 SaS_Manager에 정의된 환경설정 값을 기준으로 ECDIS thread를 생성하여 관리한다. ECDIS 데이터는 IMO규정에 따라 TCP/IP 또는 IEC 61162-1 통신을 이용하며 데이터를 송수신 하 도록 규정되어 있기 때문에 ECDIS Thread는 socket통신을 이용 하여 TCP/IP, UDP 방식으로 표 3의 데이터를 SaS로 전송한다.

표 3의 ECDIS 개별 데이터 송수신은 채널을 독립적으로 구성 하여 다른 데이터 처리를 위한 지연이 발생되지 않도록 하였으 며 SaS에 자동으로 업데이트 되는 데이터가 아닌 별도의 정보 를 육상으로 요청하는 경우에 대비하여 추가로 선박과 육상간 통신을 위한 독립 채널을 정의할 수 있도록 구성하였다.

2) 선내 SEEMS 연동

선내에 설치된 SEEMS와 SaS의 연동은 ECDIS 등 다른 어플

리케이션과 동일하게 SaS_Manager에 정의된 환경설정 값을 기

준으로 SEEMS thread를 생성하여 관리한다. SEEMS는 선박 내

각종 계측 장비 및 시스템의 정보를 수집/모니터링하고 분석하

여 선박의 에너지 사용 패턴을 파악하고 에너지 사용량을 줄임

으로서 친환경적이고 경제적인 운항을 지원하기 위한 시스템

으로 표 4와 같이 다양한 형태의 수많은 데이터가 필요하다. 따 라서 시스템 구현의 용의성과 확장성을 고려하여 표 4에 정의 된 JSON, DB 형식의 데이터를 SEEMS thread에서 socket통신 을 이용하여 TCP/IP, UDP 방식으로 SaS로 전송한다.

SEEMS도 ECDIS 및 다른 어플리케이션과 동일하게 송수신 채널을 독립적으로 구성하여 데이터 처리를 위한 지연이 발생 되지 않도록 하였으며 선박과 육상간 통신을 위한 독립된 추가 채널을 정의할 수 있도록 구성하였다.

3) 육상의 FMS 연동

FMS는 현재 운항중인 선박의 실시간 상태 모니터링과 선박 의 에너지 및 온실가스 관리 , 운항 정보 등을 원격지에서 모니 터링하고, 해상 기상예보 정보를 수집/처리하여 육상과 선박에 공유하며 육상의 선박관리, 영업 시스템과 연동하여 항로 계획, 안전운항 지원, 운항 평가 등에 활용할 수 있도록 개발된 시스 템이다. 이러한 다양한 기능을 수행하기 위하여 FMS는 SEEMS와 동일하게 표 4의 선내 데이터 뿐 아니라 육상에서

그림

19. 선박용 어플리케이션 시스템 연동 구성도 Fig. 19. Ship application system link diagram.

Recorede data Interface protocol sources ECDIS route TCP/IP, IEC 61162-1 ECDIS Tracking TCP/IP, IEC 61162-1 SEEMS

Weather TCP/IP, IEC 61162-1 FMS

Opt-route TCP/IP, IEC 61162-1 SEEMS

3. ECDIS 입출력 데이터

Table 3. ECDIS input/output data.

Recorede data Interface protocol sources

ECDIS route JSON ECDIS

Tracking JSON SEEMS

Weather JSON FMS

Opt-route JSON SEEMS

Machinery Data DB SaS

표

4. SEEMS 입출력 데이터 Table 4. SEEMS input/output data.

제공되는 관련기관 및 기업의 해상기상정보, 육상의 영업 및 화 물 정보 등이 필요하다. 따라서 SaS에서는 선내에서 수집된 데 이터를 육상으로 전송하고 육상 서비스의 해상기상, 운항 등의 정보를 선박으로 수신하기 위하여 다중매체 통신을 지원하는 선박과 육상간 통신 시스템 VCS를 통해 주기적으로 선박과 육 상간 데이터 공유 및 자료상호교환을 하도록 구성하였다.

선박과 육상의 위성통신은 일정한 데이터를 사용할 수 있는 정액요금과 사용 데이터량에 따라서 요금을 부과하는 방법을 사용하고 있다[19]. 선내에서 수집되는 장비 및 어플리케이션/

서비스의 데이터 생성 주기와 달리 해상기상예보는 tropical cyclone은 1일 4회, pressure, significant wave hight, swell direction/height, wind는 1일 2회, sea surface temp.는 1일 1회 정 보가 업데이트 되어 동일한 주기로 선육간 데이터 통신을 할 경 우 해사위성통신 요금이 높아지거나 제한된 데이터 량으로 통 신에 제약을 받는 문제점이 발생한다[20]. 따라서 SaS는 선내 장비 및 어플리케이션/서비스 데이터 송수신 채널과 해상기상 데이터 송수신 채널을 분리하고 데이터 수집 주기를 다르게 지 정하여 해상데이터의 선육간 통신으로 발생되는 비용을 줄일 수 있도록 하였다.

Ⅳ. 선박 어플리케이션 시스템 구현 및 검토

그림

20. SaS장비 환경설정에 따른 동작 방식

Fig. 20. Operation method according to SaS equipment

그림

21. SaS 및 장비 환경설정 (XML)

Fig. 21. SaS equipment configuration (XML).

그림

22. 장비 수신 데이터 맵핑 (Master code)

Fig. 22. Equipment reception data mapping (master code).

Item Main screen Function

overview

SaS main service status monitoring

service

- Service management - Start command after installation, it automatically restarts even if the system is rebooted

con- figration

Esecute tasks for SaS main service configuration

device

Esecute configuration tasks for the divice managed in SaS

master code

Manage the code mecessary to generate data transmitted to land

5. SaS_Manager 메뉴

Table 5. SaS_Manager menu.

SaS는 window service, 공통모듈, 관리를 위한 웹서비스로 구현되었으며 현재 메이커 고유의 프로토콜을 사용하여 인터 페이스 표준이 정의되지 않은 수많은 선박 장비의 데이터 공유 를 위하여 ISO 16425에 XML 형식의 자료교환을 수행할 수 있 도록 정의됨에 따라 해상 데이터의 통합관리를 위해 SaS 데이 터 구조를 XML 형식을 적용하였다.

SaS_Service는 별도의 화면을 구성하지 않고 윈도우 서비스 형식으로 구현하였으며 SaS_Manager를 이용하여 SaS와 연동 장비의 환경설정 , SaS_Service의 상태 및 동작을 확인하도록 하 였다. SaS_Manager는 표 5와 같이 overview, service, configu- ration, device, master code로 구성된다.

Overview 메뉴는 SaS_Service의 상태 및 동작을 확인하기 위한 기능이며 Service메뉴는 SaS_Service 관리를 위하여 SaS_Service 프로그램 설치/제거, 시작/중지의 4가지 작업을 수 행한다. SaS_Service는 선내 데이터를 활용하는 선박 및 육상 어플리케이션/시스템을 위하여 반드시 선행되어야 하므로 프 로그램이 설치된 후에는 시스템이 재부팅 되더라도 자동으로 재시작 될 수 있도록 하였다. Configuration은 SaS_Service에 대 한 환경을 설정하고 device 메뉴는 SaS와 연동되는 장비/어플 리케이션/서비스에 대한 환경을 설정할 수 있도록 그림 20, 21 과 같이 구현하였다. Master code는 원격지(육상)으로 전송되는 데이터를 생성할 때 필요한 코드를 관리하기 위한 메뉴이다.

Master codes는 원격지에서 관리되는 모든 선박에서 사용되는 공통된 코드이기 때문에 변경이 필요하지 않지만 특정 선박 또 는 선사에서 원격지 관리 master code와 선박의 code가 불일치 하여 식별이 불가능한 경우를 고려하여 상호간 코드를 일치할 수 있는 기능을 그림 22와 같이 구현하였다.

구현된 SaS의 성능을 검증하기 위하여 시뮬레이션 환경에서 시험한 결과 시스템간 호환성, 이식성, 연속성 제공이 가능한 연동 프로토콜 및 데이터 구조 설계와 세부 기능 및 시스템 간 교환되는 정보와 자원의 통합 관리 기능이 정상적으로 동작함 을 확인하였다.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 선내에서 수집되는 데이터를 이용하는 선박 및 육상 어플리케이션 서비스의 효율적인 데이터 통합 관리를 위한 선박용 어플리케이션 시스템(SaS)을 개발하기 위하여 시 스템을 설계하고 모듈을 구현하였다.

선박용 어플리케이션 시스템은 IALA에서 논의되고 있는 데 이터 공유시스템 모델과 ISO 16425의 XML 구조를 적용하였 으며, 시스템 운영을 위한 공통모듈과 선내 데이터 수집 및 통 합관리를 위한 윈도우 서비스 기반의 SaS_Service, 선박에 설치 된 장비/어플리케이션과 SaS_Service의 환경설정, SaS_Service 의 상태 및 동작 모니터링을 위한 웹서비스 기반의 SaS_

Manager를 구현하였다.

앞으로 수행될 연구에서는 선내 수집데이터를 활용하는 선 박 및 육상 서비스를 위한 선박용 어플리케이션 시스템을 완성 하고 육상과 실제 운항하는 선박에 개발된 시스템을 탑재하여 시험하고 기술을 보완하여 시스템 개발을 완료하고자 한다.

감사의 글

본 연구는 2014년도 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업 (4S 다중매체 통신기반 선박 원격 상태모니터링과 최적, 안전 운항지원 시스템 개발)의 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.

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강 남 선 (Nam-seon Kang)

2005년 2월 : 목포해양대학교 기관시스템공학과 (공학석사) 2005년 6월 ~ 2007년 11월 : 한국해양과학기술원 연구원 2007년 12월 ~ 2008년 12월 : 대한조선 조선기본성능연구소 2009년 3월 ~ 현재 : 중소조선연구원 선임연구원

※ 관심분야 : 해사위성통신, 제어계측

김 용 대 (Yong-dae Kim)

2005년 6월 ~ 현재 : 마린전자상사 부사장

※ 관심분야 : 해사위성통신, 선박 자동화, 선박조종성능, 시뮬레이터

김 상 용 (Sang-yong Kim)

2003년 2월 : 충북대학교 전기전자공학부 정보통신공학 전공 (공학사) 2002년 10월 ~ 2004년 1월 : 현대정보기술 상선IT팀

2004년 1월 ~ 2006년 1월 : 현대상선 상선 IT팀 2006년 2월 ~ 2012년 1월 : 현대유엔아이 기술연구소 2013년 1월 ~ 현재 : 현데유엔아이 물류사업팀

※ 관심분야 : 해사위성통신, 선박운항자동화, 위치관제

이 범 석 (Beom-seok Lee)

※ 관심분야 : 해사위성통신, 선박관리