충돌비율을 이용한 선박충돌회피 알고리즘의 개발

Abstract

해상에서의 충돌로 인한 선박의 손상은 선체구조의 안전과 관련된 문제 일뿐만 아니라 인명과 재산의 손실, 기름 유출로 인한 환경오염과 같은 문제를 일으킬 수 있기 때문에 그 위험성이 매우 크다. 따라서 선박의 안전 운항을 지원할 수 있는 시스템에 대한 요구가 높아져왔으며, 이와 같은 사회적인 요구에 부응하기 위하여 충돌회피알고리즘에 대한 연구가 이루어져왔다. 본 논문에서는 기존의 연구에서 제안되었던 여러 이론과 연구결과를 바탕으로 충돌회피알고리즘을 구성하였다. 본 연구에서 개발된 충돌회피알고리즘은 기존 연구에서 인식되었던 문제점을 해결하는 것과 충돌과 관련된 다양한 인자를 고려하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 다음의 네 가지 목표를 구상하였다. 첫째, 자선의 조종성능을 고려할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 바람과 조류 같은 환경인자가 조종성능에 미치는 영향까지도 고려할 수 있어야 한다. 둘째, 자선과 타선의 속도 비율에 따른 차이를 고려할 수 있어야 한다. 셋째, 피항 행동을 수행할 수 없는 타선과 조우하는 조건을 임계충돌조건이라고 하는데, 임계충돌조건을 고려할 수 있어야 한다. 넷째, 임계충돌조건 중에서 자선에 비해 상대적으로 빠른 타선과 조우하는 경우에 나타난 운항안전성에 관한 문제를 저속선박의 난제라고 하는데, 저속선박의 난제를 해결할 수 있어야 한다. 구성된 충돌회피알고리즘은 크게 세 가지 부분으로 구분된다. 첫째, 다른 선박을 비롯한 각종 장애물을 감지하고, 그 위험성을 객관적인 지수로 평가한다. 본 연구에서는 선박 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS)과 선박 자동 레이더 플로팅 장치(Automatic Radar Plotting Aids, ARPA)에서 획득 가능한 정보를 이용하여 충돌위험을 평가하는 지수로써 충돌비율이 제안되었다. 충돌비율은 자선이 선택 가능한 전체 피항 침로 중에서 충돌이 예상되는 침로의 비율로 정의된다. 충돌비율을 계산하는 과정에서 자선과 타선의 위치, 속도, 선수각, 국제해상충돌예방규칙, 조종성능, 환경인자 등이 고려되었다. 둘째, 자선의 안전과 운항계획의 효율성을 고려하여 충돌회피 계획을 수립하고, 계획에 따라 충돌회피 행동을 수행한다. A* 탐색법이 최적 회피 경로를 탐색하기 위하여 이용되었다. A* 탐색을 위한 비용함수는 현재 위치에서 임의의 위치까지 도달하기 위하여 소모된 비용과 임의의 위치에서부터 최종 위치까지 도달하기 위하여 예상되는 비용의 합으로 정의되었으며, 경험적으로 추론되는 충돌위험도의 시간적분값을 비용함수로 이용하였다. 결정된 피항 계획을 수행하기 위한 제어명령은 퍼지제어(fuzzy control)를 이용하여 수행하였다. 이 과정에서 자선의 동적 특성을 고려하기 위하여 조종운동방정식을 풀이하였다. 셋째, 자선의 충돌 위험이 사라졌을 때, 본래 경로에 복귀한다. 만약 또 다른 선박에 의한 충돌 위험이 발생하지 않는다면, 충돌회피 행동을 시작하기 이전의 계획에 의거하여 자동운항을 수행하도록 알고리즘이 구성되었다. 구성된 충돌회피알고리즘을 검증하기 위하여 몇 가지 충돌 시나리오를 구상하였다. 이 시나리오에 대하여 타선에 대한 자선의 충돌회피 궤적, 계산된 충돌비율의 시 계열 자료, 자선과 타선의 상대거리 시 계열 자료를 분석하였다. 또한 충돌비율을 이용한 충돌회피알고리즘과 충돌위험도를 이용한 충돌회피알고리즘의 결과 비교를 통하여, 새롭게 제안된 충돌 비율의 특성을 비교•정리하였다. 본 연구를 통해 충돌비율을 이용한 선박충돌회피알고리즘 개발을 수행하였다. 설계된 충돌회피알고리즘은 국제해상충돌예방규칙을 준수하고 있다. 또한 자선의 조종성능을 고려하여 충돌회피 행동의 시작 시점을 결정하였고, 임계충돌조건 및 저속선박의 난제를 해결하였다.