A Study on the Method of Simultaneous Determination of Path and Speed for Ship Route Planning

Abstract

선박 항로 계획은 해운회사의 경영 악화 문제, 오염 물질에 대한 국제 규정의 강화 그리고 운항 중의 항로의 안전성 문제 등의 최근의 직면한 여러 문제들에 대해 좋은 해결책이 될 수 있다. 하지만 현재 선박 항로 계획은 항해사의 경험 또는 단순한 매뉴얼 등의 비정량적 방법으로 결정된다. 또한 항로 계획에 사용되는 알고리즘 역시 대부분 경로만을 계획하는 방법들이 많으며 속도를 항로에 포함하여 동시에 계획하는 방법은 충분히 연구되지 않았다. 본 연구에서는 선박 항로 계획을 연구하기 위한 프레임워크를 제안하고, 이를 바탕으로 항로와 속도를 동시에 최적화하는 선박 항로 계획 방법을 제안하였다. 먼저 선박 항로 계획 문제를 최적화 문제로 풀이하기 위한 정식화 과정을 제안하고, 이 정식화된 식들로 항로를 구성하는 모델을 제안하였다. 이를 위해 항로를 선박의 경로 (선수각)와 속도 (엔진 rpm)의 집합이라고 정의하여 실제 선박의 운항 모습을 최대한 모사하였다. 해당 항로를 평가하기 위하여 크게 연료 소모량, 이동거리, 내항성능 그리고 육지 회피를 대상으로, 이를 평가 할 수 있는 모델을 이론과 규정 등을 활용하여 제안하였다. 또한 항로를 최적화하는 모델으로써 초기해를 제공하고 관리하는 초기해 유전자 알고리즘 (Seed genetic algorithm)을 제안하였다. 앞선 3가지 모델을 바탕으로 다층구조를 구현한 프로그램을 개발하였으며, 6가지의 검증예제와 3가지의 적용예제를 통해 제안한 3가지 모델과 구현된 프로그램의 우수성과 적용가능성을 확인하였다. 제안된 선박 항로 계획 방법은 기존의 항로계획 방법과 상용 프로그램보다 우수한 항로를 산출하였다. 또한 제안된 최적화 모델, 성능평가 모델, 항로탐색 모델 그리고 프로그램의 효용성 역시 확인 할 수 있었다.

Ship-route planning is a good solution to some problems facing recent issues such as the problem of financial difficulty of shipping companies, the strengthening of international regulations of pollutants and the safety of operating ship etc. However, the current ship-route planning is determined by non-quantitative methods such as chief mates experience and simple manuals. In addition, algorithms used for ship-route planning are also mostly conducted only for path planning, and the method of simultaneously optimizing to include the speed planning was not sufficiently studied. In this study, a framework for studying ship-route planning is proposed, and based on this framework, a ship-route-planning method that simultaneously optimizes path and speed is also proposed. First, the optimization model is proposed to formulate the ship-route-planning problem as the optimization problem and to construct a route with this formulated element. For this, the route is defined as a set of path (heading angle) and speed (engine rpm), thereby maximally describing the actual appearance of ship. Second, in order to evaluate this route, targeting fuel oil consumption, distance, seakeeping and land avoidance, the performance-evaluation model is proposed using theory and regulations. Third, a seed genetic algorithm is proposed to provide and manage initial solution as the route-finding model to optimize route. A program that implements multilayer structure is developed based on three previously proposed models, the excellence and applicability of three models is confirmed through six verifications and three applications. The proposed ship-route-planning method provides better routes than the existing ship-route-planning method and commercial program. Moreover, the utility of the proposed optimization model, performance-evaluation model, route-finding model and program are confirmed.