어선의 안전조업을 위한 항해통신 및 어탐기의 통합시스템 구현

Realization on the Integrated System of Navigation Communication and Fish Finder for Safety Operation of Fishing Vessel

Abstract

어선의 경계소홀에 의한 해난사고는 어선 운용자의 고령화에 따른 문제와 어선에서 협소한 조타실 내부에 설치되는 항해, 통신 및 어로장비 등 여러 개의 단말기와 모니터는 조타실의 해상시야를 방해하는 상태로 설치된다. 또한 복수의 장비에 표시되는 각각의 디스플레이 정보를 확인해야 하는 혼란으로 운용자의 정보인식 능력을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서 장비들을 간결하게 통합해야 한다는 요구가 제기되어 왔으며, 통합시스템은 전자해도, 통신 및 어군탐지 등으로 다양하게 어선에서 구비해야 하는 장비와 모니터를 하나로 통합하는 것이다. 본 연구는 어선의 협소한 조타실에 설치되는 GPS 플로터, AIS, VHF- DSC, V-pass, 어군탐지기를 하나의 함체에 구성하고, 하나의 MFD (multi function display)에 의하여 운용을 간편화하는 과제이며, 항해중에 데이터통신을 자동운용하는 AIS 와 V-pass 모듈은 실증실험을 통하여 그 성능을 확인하였다. 어선에서 여러 개의 단말기를 통합하여 하나의 화면으로 모든 정보를 제공하고 운용하는 시스템은 해상안전과 어업환경을 크게 개선시킬 수 있다.

The problem of maritime accidents due to the carelessness of fishing vessels, which is affected by the aging of fishing vessel operators. And there is navigation, communication and fish finder that is installed inside the narrow bridge of a fishing vessel. Therefore these system are monitors as many as of each terminal, which is bad influence on obscuring view of front sea from a fishing vessel bridge. In addition a large problem, it is occurs to reduce of the information recognition ability due to the confusion, which is can not check the display information each of screen equipments. Therefore, there has been demand to simply integrated the equipment, and it has wanted the integrated support system of these equipment. The display must be provided on a fishing vessels such as electronic charts, communications equipments and fish detection into one case. In this paper, the integrated system will be installed the GPS plotter, AIS, VHF-DSC, V-pass, fish finder and power supply in the narrow wheelhouse on a fishing vessel, which is configured in one case and operated by multi function display (MFD). The MFD is integrated to simplify for several multi terminals and provided necessary information on a single screen. This integration fishery support system will has improved in sea safety operation and fishery environment of fishing vessels by this implementation.

Ⅰ. 서론

어촌 인구의 감소와 고령화가 가속됨에 따라 어선 해난사고는 증가하고 있다. 2014년부터 2018년까지 해양안전심판원의 재결을 받은 어선사고는 2014년 1,290건 대비 2018년 2,013건으로 4년 만에 2배나 급증하였다. 이러한 사고는 대부분 운항과실 (77%)에 있었으며, 운항과실은 경계소홀 (51%), 안전수칙 미준수 (19%), 불량 및 결함 (18%) 순으로 경계문제가 과반인 것으로 나타났다[1]. 국내의 어선설비기준 관련법령을 보면 어선의 충돌사고 예방 등을 위하여 총톤수 10톤 이상 어선에 선박 자동식별장치 (AIS)를 설치하도록 하였고, 2톤이상의 어선은 초단파무선통신장비 (VHF-DSC)의 탑재가 의무화되어 있다. 여기에 항해용 radar와 GPS 플로터 그리고 입출항신고용 V-pass와 어군탐지기는 어선에서 필수장비로 된다. 이러한 모든 장비는 그림 1과 같이 모두 조타실에 설치, 운용되므로 협소한 조타실에서 전면이 각종 장비와 모니터에 의하여 시야를 가리는 환경으로 된다. 어민들을 대상으로 조타실 환경에 대한 설문조사에 의하면 협소한 공간, 설치장비 과다 및 시야 차단 등의 응답이 70% 이상이었다. 그러므로 이러한 문제를 개선하고 어선의 환경에 적합한 통합장비의 요구가 계속되어 왔다.

그림 1. 어선의 조타실 환경

Fig. 1. Condition of bridge in fishing vessel.

본 연구는 그림 2와 같이 GPS 플로터, 어군탐지기, AIS, VHF-DSC 및 V-pass의 5개 장비를 통합하여 하나의 모니터에서 모든 장비의 정보취득과 운용을 간편화 시키므로써 해상안전과 어로작업 환경을 대폭 개선시키는데 목적을 두고 있다.

그림 2. 통합시스템의 개요도

Fig. 2. Schematic of integrated system.

Ⅱ. 통합시스템 설계와 제작

그림 3은 통합시스템의 전체적인 구성도이다. 우선 항해와 조업에 필요한 GPS 플로터와 어군탐지기를 하나의 모니터로 통합하며, AIS, VHF-DSC 및 V-pass의 송수신 보드를 하나의 케이스에 실장하고, NMEA 인터페이스 IEC 61162-2 표준을 통하여 통합모니터에 연결하며, 5가지 장비에 대한 MFD의 운용화면을 설계한다[2]. 즉, 항해, 통신 및 어로정보를 하나의 MFD에서 기능을 전환하며 운용하므로 조타실의 시야 확보는 물론 경계 혼란에 따른 사고를 사전에 방지하는 효과가 있다.

그림 3. 통합시스템의 구성도

Fig. 3. Diagram of integrated system.

그림 4는 블록도 및 인터페이스의 데이터흐름을 나타낸 것이다. GPS 플로터와 어군탐지기는 통합모니터에 직접 연결되며, AIS, VHF-DSC 및 V-pass의 통신보드는 IEC 61162-2 인터페이스 표준을 통하여 통합모니터에 데이터를 제공한다.

그림 4. 블록도와 인터페이스

Fig. 4. Block diagram & interface

IEC 61162-2는 직렬통신 프로토콜의 문장구조로 해양산업 기술에 많이 사용되는 IEC 61162-1의 NMEA 0183과 비교하여 전송속도가 4,800 bps에서 38,400 bps로 진보된 NMEA 0183-HS 인터페이스이며, AIS, VHF-DSC, V-pass 모듈에 이 인터페이스를 통하여 데이터를 교환할 수 있는 회로를 설계하였다[3].

VHF 통신의 음성신호는 ITU-T 표준으로 음성을 8 kbps 로압축하고, 인코딩타임 (compression delay)은 10ms 의 성능으로 VoIP 에 보편화 되어 있는 G.729 codec 을 사용하였다[4].

표 1은 ITU-R의 권고기준에 따라 통합시스템의 통신장비에 대한 성능 목표치를 제시한 것으로 국산화된 기존의 장비와 동등한 성능을 충족하면 된다[5].

표 1. 통신장비의 성능 목표치

Table 1. Performance target of communication equipment.

모든 장비는 각각 모듈화 된 PCB로 설계하였으며, 어군탐지기, 핸드셑 및 Hub 모듈에 대한 설계 사항은 다음과 같다.

2-1 어군탐지기 모듈

그림 5는 어군탐지기의 블록도이다. 초음파 트랜스듀서를 중심으로 송파부 (Tx)는 600 W/1 KW의 가변형이며, 수파부(Rx)와 신호처리부를 통하여 처리된 수신데이터는 인터페이스를 통하여 모니터의 메인보드로 연결된다.

그림 5. 어군탐지기의 H/W 블럭도

Fig. 5. H/W block diagram of fish finder.

그림 6은 신호처리 과정으로 수신신호는 4단 Log 앰프로 증폭하여 A/D변환을 한다. 임계값 설정으로 데이터를 정형한 후, 50/200 kHz 듀얼빔 BPF를 거친 후, 포락선을 검출하는 데이터를 생성하여 모니터로 전송한다. 수중 스캔에 의한 수직/수평 데이터에서 일정한 임계치를 초과하는 데이터 부분은 어군으로 판별하고, 듀얼빔에 의한 물표강도 (TS; target strength)로 어류군집의 크기를 계산한다[6]. 그림 7은 어군을 표시하고 있는 화면으로 맨 윗부분은 수면을 나타내고, 아래에서 경사로 표시되는 부분은 해저의 지면이며, 두 부분 사이의 공간에 표시되는 물표는 어군에 해당된다. 또한 GPS 플로터와 연계하여 지나온 어탐기록을 시간대별로 손쉽게 확인가능하며, 어탐화면은 스크린 터치 동작으로 GPS 플로터와 좌우로 연동된다.

그림 6. 어군탐지의 신호처리 과정

Fig. 6. Signal processing of fish finding.

그림 7. 어군표출 및 GPS 플로터와 연계

Fig. 7. Display of fish shoal & GPS plotter link.

2-2 VHF-DSC용 핸드셑 모듈

VHF-DSC의 운용은 핸드셑에 의하며, 전용 프로세서를 사용하여 조난 및 기능버튼의 동작을 처리한다. 핸드셑 버튼의 입력데이터는 hub를 통하여 VHF 송수신 보드로 전송되고, VHF 송수신기의 통신상태 정보는 buffer와 hub를 통하여 핸드셑의 LCD 화면에 실시간으로 표시된다. VHF 송수신 음성신호는 VoIP 모듈의 codec에서 디지털로 변환되어 Hub의 이더넷 포트를 통하여 전달된다. 그림 8은 핸드셑의 구성도이며, 그림 9는 핸드셑의 운용과 제작된 모듈을 보인 것이다.

2-3 어선용 HUB 모듈

VHF-DSC의 음성과 제어신호를 핸드셑에 연결하기 위하여 EVB-KSZ9897 보드에 의한 어선용 Hub 모듈을 설계하였다.

그림 8. 핸드셑의 구성도

Fig. 8. Block diagram of hand set.

그림 9. 핸드셑의 운용도와 시제품

Fig. 9. Operation diagram & module of hand set.

그림 8과 그림 9는 Hub 모듈의 구성도와 운용 S/W 설계도이며, 여기에는 6개의 이더넷과 1개의 USB 포트를 연결할 수 있다[7]. 그림 10은 제작된 Hub 모듈로 AIS, V-pass, GNSS 및 원격제어기 Wi-Fi 모듈 등이 모두 여기에 연결된다. 그림 11은 AIS, VHF-DSC, V-pass 및 GNSS 모듈을 어선용 Hub에 연결하여 하나의 시스템으로 제작한 통합 통신시스템의 사진이다.

그림 10. 어선용 Hub 모듈

Fig. 10. Hub module using fishing vessel.

그림 11. AIS, VHF-DSC, V-pass 및 GNSS의 통합시스템

Fig. 11. Integrated system of AIS, VHF-DSC, V-pass & GNSS.

Ⅲ. MFD 모듈 및 운용화면 설계

MFD용 모니터의 규격은 13.3인치/IPS (광각) LCD/실외 시인성 유리와 필름처리/1920x1080 이며, 내장된 프로세서는 32-bit ARM Cortex-A17 기반으로 보조 RISC 프로세서와 비디오 및 3D 그래픽용 하드웨어 가속의 쿼드코어로 크롬북 및 저전력 기기에 많이 적용되는 Rock chip의 Core-3288J를 사용하였다[8]. 그림 12는 실장된 MFD의 PCB 보드이며, 표 2는 내장된 프로세서의 성능으로 항해용 장비인 GPS 플로터 네비게이션의 운용 S/W도 여기에서 동시에 처리되고 실행된다.

그림 12. MFD의 PCB 보드

Fig. 12. PCB board of MFD.

표 2. MFD용 core-3288J 프로세서의 성능

Table 2. Performance of MFD core-3288J processor.

그림 13은 메인화면으로 GPS 수신상태, VHF, AIS, V-pass 데이터 송수신 상태, 무선리모컨의 Wi-Fi 연결상태, 보조배터리 상태 등을 표시하며, 여기에서 조난신호 송수신 및 DSC 호출명령으로 메뉴를 터치하므로 이동이 가능하며, VHF 채널변경 및 AIS 타겟의 변경도 터치동작으로 쉽게 운용할 수 있다.

그림 13. 메인화면의 설계

Fig. 13. Design of main screen.

그림 14는 VHF-DSC의 메인메뉴와 DSC의 설정화면으로 조난시 조난상황과 시간을 입력하고 전송버튼을 눌러 조난호출을 실행하며, 조난상황에는 UNDEFINED, FIRE, FLOODING 등으로 8건이 입력되어 있다. 설정화면에서는 자선의 MMSI 코드와 경위도로 위치를 설정할 수 있고, 현재의 VHF 운용채널명, 사용유무, 태그설정 등의 확인도 가능하다. 화면터치 또는 핸드셑의 조작으로 채널을 변경하며 음성통신을 수행한다.

그림 14. VHF-DSC의 메인메뉴와 DSC 설정

Fig. 14. Main menu & DSC setting of VHF-DSC.

그림 15와 같이 VHF-DSC는 채널16번과 DSC 기능에 의하여 조난 메시지를 관련법규에 따라서 정해진 간격으로 송신할 수 있으며, 그림 16에서는 조난통신의 가상적인 운용으로 VHF-DSC 조난상태 진입과 확인 및 조난호출 응답, 조난호출 취소 등으로 시나리오의 수행이 가능하도록 설계하였다.

그림 15. 조난메세지 송신 및 확인

Fig. 15. Transmission & confirm of distress message.

그림 16. VHF-DSC의 조난호출과 응답수신 시나리오

Fig. 16. Scenario of distress call & response receive.

그림 17에서는 장비의 오조작에 의한 조난호출을 취소시키고 안내 메시지를 나타내는 기능을 부가하여 선원이 미숙으로 송신하게 된 조난호출을 즉시 취소할 수 있도록 설계하였다.

그림 17. 오조작에 의한 조난취소와 안내 메세지

Fig. 17. Distress cancellation and information message by erroneous operation.

그림 18의 AIS 메인화면에서 수신메시지는 날짜와 시간, 형태 (방송, 개별), 송신선박 등을 문자로 표출하며, MMSI 및 IMO 번호, 선명, 호출부호 등을 설정한다. 해도상의 화면에서 임의의 선박을 터치하면 선박관련 정보를 표시하게 된다.

그림 18. AIS의 메인메뉴와 설정

Fig. 18. Main menu & setting of AIS.

또한, V-pass의 주요 기능인 어선의 항포구 자동입출항 신고는 물론, 그림 19의 메뉴에서 주변 선박에 대한 경계를 설정하면 300 m 이내에서 3 knot 이상의 속도로 접근하는 항해선박이 존재하는 경우, 이것을 판별하여 경보를 발생하도록 하였다.

그림 19. V-pass의 메인메뉴와 설정

Fig. 19. Main menu & setting of V-pass.

그림 20은 시스템을 업데이트 시키는 화면으로 모니터의 SD 카드 슬롯을 통하여 장비별로 초기설정, 운용화면 갱신 및 유지보수를 위한 S/W를 손쉽게 업데이트할 수 있도록 하였다.

그림 20. SD 카드에 의한 시스템의 업데이트

Fig. 20. System update using SD card.

Ⅳ. 현장 실증 실험

4-1 거리에 따른 송수신 확인 실험

그림 21은 통합시스템 단말기의 시제품이며, 기본 성능을 점검하기 위한 실험을 하였다. 어선에서 주로 단거리 데이터통신에 사용되는 AIS 와 V-pass 모듈을 해안국과 선박국의 환경으로 배치하고 송신과 수신되는 상태를 확인하였다.

그림 21. 통합시스템 단말기의 시제품

Fig. 21. Prototype of integrated system terminal.

◦ 삼영ENC 본사를 해안국으로 설정하고, 선박국은 오륙도, 대변항, 간절곶으로 점차 멀리 이동하며 송수신 상태 확인

◦ 해안국용 장비를 삼영ENC 본사 옥상에 설치

- SI-70A (Class A AIS) 1식, MMSI : 442666666

- SPA-1200 (함정용 V-pass) 1식, 해안국 ID : 23810006

◦ 선박국용 모듈을 오륙도, 대변항, 간절곶으로 이동함

- 선박용 안테나 및 MFD 1식

- 통합단말기용 AIS 모듈 1식, MMSI : 442667788

- 통합단말기용 V-pass 모듈 1식, 선박 ID : 36309338

그림 23의 실험환경에서 AIS 모듈은 약 21 km 거리의 대변항까지 양측에서 송수신 신호가 양호하게 확인되었고, V-pass 모듈은 약 5 km 거리의 오륙도 선착장에서 삼영ENC의 신호를 수신하였나, 삼영ENC 에서 오륙도 선착장의 신호는 수신되지 않았다. 다음은 대변항에서의 현장실증 화면으로 그림 24는 AIS의 수신상태이며, 그림 25는 V-pass의 수신상태를 보인 것이다.

그림 22. 실험용 장비

Fig. 22. Equipment of laboratory.

그림 23. 현장실증 실험환경

Fig. 23. Environment of field test.

그림 24. AIS의 수신상태 확인

Fig. 24. Confirmation of AIS receiving status.

그림 25. V-pass의 수신상태 확인

Fig. 25. Confirm of V-pass receiving status.

그림 26은 개발된 AIS 와 V-pass 모듈이 기존의 장비와 거리에 따른 통신상태의 실험결과를 도시한 것이다. 해안선을 전파경로로 취한 환경에서 AIS는 충분한 성능을 발휘하였으며, V-pass는 UHF 대역의 소출력 장비로써 해상용 안테나의 LOS(line of sight) 영역에서 운용되고 있는 성능으로 평가되었다.

그림 26. AIS와 V-pass 모듈의 Tx/Rx 상태 확인

Fig. 26. Confirm on Tx/Rx status of AIS & V-pass module.

4-2 통신성능 확인 실험

시제품의 다수 선박에 대한 통신성능을 확인하기 위하여 그림 27과 같이 AIS 와 V-pass 모듈 그리고 MFD를 해발 346 m의 금련산 KT 중계소 부근에 설치하였다.

그림 27. 통신성능 실험용 세트

Fig. 27. Communication performance test set.

- AIS 수신거리 및 수신 선박수 확인

- V-pass 수신거리 및 네트워크 연동 확인

- MFD 정상 동작 확인

- AIS 와 V-pass 모듈, MMSI: 442667788, 선박 ID: 36309338

AIS 와 V-pass 모듈의 통신성능 실험에서는 그림 28과 같이 AIS 모듈의 최대수신거리 약 110 km 및 수신선박 수 672개를 확인하였고, V-pass 모듈의 최대수신거리 약 40 km 및 기지국 네트워크와 링크 ID 13300024로 연동함을 확인하였다. 그리고 모든 동작상태는 MFD 를 통하여 약 1시간 동안 선박수신 프로그램을 에러없이 정상적으로 수행함을 확인하였다.

그림 28. 통신성능 확인실험

Fig. 28. Communication performance check test.

Ⅴ. 결론

어선용 항해통신 및 어로장비의 통합화 연구를 통하여 시제품을 개발하였고, 어선의 해상안전에 가장 중요한 기능으로서 데이터통신을 자동 운용하는 AIS 와 V-pass 의 두 가지 모듈에 대한 통신실험으로 그 성능을 확인하였다. 결과적으로 주변선박의 위치정보를 충실하게 수신하였고, 충돌예방 관련 알람을 정확하게 제공할 수 있으므로 항상 해상사고에 노출되어 있는 어선 및 소형선박의 안전을 충분히 도모할 것으로 평가된다.

또한 항해통신 장비의 간소화 및 통합화로 구성한 시스템은 긴급상황 발생시에 장비간의 연계성이 완벽하므로 안전 및 해난사고를 최소화시키는 부가적인 해난대응 S/W를 융통성 있게 설치할 수 있는 용이한 장점이 있다. 특히, 레저보트 시장이 발달한 유럽은 MFD를 앞세워 항해통신 장비의 통합모델을 선도하고 있는 상황에서 MFD에 대한 연구개발은 국내에서 처음 시도된 선진기술이며, 조타실이 협소하고 장비설치 조건이 열악한 상황은 모든 나라의 소형어선에서 동일한 상태이다.

즉, 어선의 안전과 효율적인 조업을 위한 통합운용시스템은 그 필요성에 의하여 시장성과 경쟁력이 충분한 분야이므로 지속적인 연구와 지원으로 기술을 성장시켜 나가야 할 것이다.