†Corresponding author : 종신회원, 1. 서 론
선박은 추진과 조타를 통해 조종되는데, 조타의 경우 일정한 침로 유지를 위해 끊임없이 타를 사용하게 된다. 선박 자동조타시스템은 자동조타를 위한 제어장치를 의미하는 것으로, 자이로 스코프에서 측정된 회두각을 사용하고, 출력으로 선박을 제어하기 위한 조타각을 생성하는 장치이다(Kim et al., 2019). 자동조타시스템은 수동 조타자의 피로를 감소시키고 인적오류를 예방할 수 있으며, 국제해사기구 SOLAS 협약에 근거하여 총 톤수 1만톤 이상의 국제항해 선박은 설비가 의무화 되어 있다(IMO, 2002). 항해 시 선박 조종에 주요한 장비인 자동조타시스템은 국내 제조사들도 개발 및 상용화하여 건조 선박에 탑재하고 있으나, 세계 시장 점유율은 일본의 TOKYO KEIKI 社, Yokogawa 社가 70% 이상을 차지하고 있고 그 외 미국, 유럽, 중국 등의 제조사들이 뒤따르고 있다(Nabtesco, 2022). 소형 선박에는 국산 자동조타시스템들도 탑재 실적을 다수 보유하고 있으나, 전 세계 약 7만척에 해당하는 총톤수 500톤 이상의 중대형 선박에 탑재되는 자동조타시스템은 대부분 외산 기자재로 국산 기자재 실적은 매우 미비한 실정이다(EQUASIS, 2022). 우리나라는 세계 선박 제조 점유율 1위의 조선 강국으로(KOSME, 2019), 필수 기자재가 충분한 사용실적(Track Record)이 확보되어 국산화될 경우 세계 시장 진입뿐만 아니라 향후 점유율 경쟁에 뛰어들 수 있는 유리한 인프라를 보유하고 있다. 또한 2019년 일본의 백색국가 목록에서 우리나라가 제외되었던 이슈는 국내 선박용 항해장비 개발 필요성을 인식시키는 계기가 되었고 국내 항해통신 기업들을 중심으로 항해장비들의 기술개발이 진행되었다(Kim et al., 2023).
자동조타시스템에 대한 국내 개발현황 조사결과, 성능기준을 만족하는 제품 개발은 개발사들을 통해 진행되고 있거나 완료되었지만, 소형 어선 이외에 자동조타시스템을 선박에 직접 탑재하여 수행한 해상 실증 사례가 없고, 사용성 평가보다 제품인증을 위한 기술 개발이 주요하였다. 사용성 평가란 특정 그룹의 이용자가 특정의 환경에서 특정의 과업을 성취하는데 있어서의 효과성(effectiveness), 효율성(efficiency) 및 만족도(satisfaction)를 측정하는 것으로 새로운 시스템 및 장비 웹사이트 디자인 등에서 적용된다. 사용성이 높은 제품은 사용자의 선택 의사를 높이므로 개발 장비의 상용화에 중요한 요소이다. 이미 상용화되어 앞선 기술을 보유한 기존 제품들을 목표로 하는 경우 사용실적(Track Record) 확보와 제품 상용화를 위한 선박 환경에서의 실제 사용 및 검증도 중요하다(Kim et al., 2023). 실제 선박에 탑재한 실증은 안전상의 문제와 제약이 따르기 때문에 Hwang(2020)은 선박 운항 시뮬레이터(FMSS, full mission ship-handling simulator)와의 연계를 통해 자동조타시스템의 개선 요소 도출을 위한 평가를 수행하였다. 그러나 시뮬레이션이 가지는 실제 선박과의 차이, 해상 환경에서의 구동 등에 대한 명확한 연구 한계점을 가지고 있었다.
이에 본 연구는 국내 개발사에서 제품인증을 완료한 선박 자동조타시스템에 대해 해상실증을 통한 사용성 평가와 검증을 수행하였다. 이를 통해 기존의 사용실적 확보 및 검증을 위해 시뮬레이터를 이용하거나 소형선박을 대상으로 국내 연안항해에 제한되었던 기존 연구의 한계점을 총톤수 6천톤 이상 선박을 이용하여 국제항해 해상실증 함으로써 실제 항해센서들과 통합된 환경에서 해상 적응력 및 성능 측면의 향상된 결과를 확보하는 것에 연구 목적이 있다. 또한 다수의 항해사들이 참여하여 사용성 평가를 수행하고 제품 상용화에 도움이 될 수 있는 개선요소를 도출하고자 하였다.
2. 연구방법
연구방법으로 자동조타시스템의 사용성 향상과 상용화를 위해 실증 대상선박에 탑재하고, 요구되는 항해계획 및 실증 절차와 시나리오를 수립하였다. 해상실증 고려사항과 절차에 대해 세부적으로 설계하였고, 사용성 평가를 위한 평가항목 도출과 참여 대상 설정을 바탕으로 연구를 수행하였다.
2.1 실증선박 자동조타시스템 탑재
해상실증 대상 선박은 국내연안 및 국제항해가 가능한 총톤수 6천톤 이상인 한국해양대학교 실습선 한바다호(T/S HANBADA)를 이용하였으며, 제원 상세는 Table 1과 같다.
2.2 해상실증 항해계획
항해계획의 시간적 범위는 국내 연안 항해 24시간 이상, 원양 항해 72시간 이상으로 총 운항 시간 96시간 내외의 사용성 평가가 가능하도록 수립하였다. 장비의 기능적 특성상 선박 조종에 직접적인 영향 주기 때문에, 항행안전이 확보되고 다양한 테스트가 가능한 구간에서 평가를 실시하도록 계획하였다. Table 3과 같이 해상실증 항해계획이 수립되었으며, 1차는 국내 연안항해로 부산-제주 왕복 운항 시간 중 24시간 이상, 2차 원양항해 시 부산-다낭(베트남) 항해 중 24시간 이상, 3차 자카르타(인도네시아)-프린세사(필리핀) 항해 중 48시간 이상 Sub system의 실증을 목표로 설정하였다.
2.3 해상실증 고려사항 및 절차
자동조타시스템의 해상 실증은 항행안전에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이와 관련한 Table 4의 표준, 규정 및 협약 사항들을 분석하였다. 분석 결과 실증의 주요 고려사항은 4가지로 구분하였다.
첫 번째 고려사항은 통합 운영능력으로 정의하였다. 자동조타시스템은 선박의 Actual Heading, Rudder 등 필수 항해센서값을 기반으로 Preset 값과 비교 분석을 통해 PID 제어가 이뤄지므로 선박 필수 센서(Gyro, GPS, Speed Log, Steering System 등)와의 실시간 정상 연동이 가능해야 한다. 이를 위해 실제 센서에서 측정한 값이 실시간으로 자동조타시스템으로 시간 지연없이 수신되는지 평가하기 위한 시나리오 구성을 수행하였다. 또한, 자동조타시스템에서 발생하는 Power fail, Off heading 및 Rudder limit, Lost heading, Low speed 등의 Alert이 상황에 맞게 정상 제공되며 선박 내 선교경보관리시스템(Bridge alert management system, BAMS)과 연동되어 처리 가능한지를 확인하였다. Alert 확인의 경우 전원 오류, 센서 값 오차 연출 등이 필요하므로 안전을 위해 선박이 정박된 상태에서 상황을 시나리오로 작성하여 확인하고자 하였다.
두 번째 고려사항은 동작 성능이다. 제품인증을 완료한 시스템이나 운항 중 항해센서에서는 다양한 Noise가 발생되며 실제 선박 기동성에 대응하여 안전하고 효율적인 조타 처리 능력이 요구된다. 성능 확인을 위해 기본적으로 요구되는 Steering mode 변환 능력과 Rudder limit/PID 설정 능력을 사전 점검하여 기본 성능을 점검한 뒤 운항 중 HC(Heading control) mode로 변환하여 Course를 일정 시간 유지하거나 Course를 5°/10°/15° 등 Zigzag 상황을 연출하여 시스템 내 로그 기록을 통해 선수방향 안정성 및 선회 안정성을 확인할 수 있도록 계획하였다.
세 번째 고려사항은 해상환경에 대한 변수 대응 능력이다. 자동조타시스템은 파고, 조류 등에 따라 조타 성능에 지대한 영향을 받으므로 WMO(World meteorological organization) Sea state 및 실증 대상 선박의 제원을 기반으로 요구되는 성능 수준을 정의하였고 실증을 수행하며 오차범위 이내로 선수방향 및 선회 성능을 준수하는지 확인하였다.
네 번째 고려사항은 운영기록 확보이다. 신규 장비의 상용화와 고도화를 위해서는 체계화된 절차를 통해 다양한 항해구간을 계획하여 항로 및 Sea state 별 사용실적 기록이 반드시 필요하다. 이를 위해 실증 절차를 정의하였고 절차별 도출 및 기록되어야 하는 산출물을 정의하였다.
실증 절차는 먼저 선박 제원에 따른 PID 값 초기 설정을 위하여 선박 제원을 분석하고 해상날씨, 항적에 존재하는 Object, AIS 밀집률 등의 분석을 통해 실증 항로를 계획하였다. 그 후 항로 계획 기반 실증 시나리오 및 절차서를 설계하고 한 번에 모두 확인할 수 없는 시나리오를 항해구간별로 구분하여 항해구간별 실증 계획서를 작성하였다. 실증 계획서에는 선박/개발사 등과 실증환경(날씨, 항해구간 요약, 예상시간, 등), 당직항해사, 계획 항로, 실증 수행 내용을 사전 협의 및 공유를 통해 실증 변수를 최소화하였다. 또한 실증을 수행하며 항해구간별 실증 기록지에 실시간 결과를 판단 기준에 따라 기록하도록 계획하였다. 해당 기록을 기반으로 실증 수행 후 항해구간별 실증 결과서 작성 및 공유하고 항해구간별 실증 결과서에는 실증환경(Waypoint 별 시정 및 해상상태, 항해구간 및 운항 기록 등), 수행자 및 역할, 실증 시나리오별 결과, Raw data, 제약사항, 예외사항 등을 문서화하고자 하였다. 해당 결과서는 항해구간이 종료된 시점에 개발사에 피드백하여 자동조타시스템을 Fine Tuning 할 수 있도록 하고 모든 항해구간이 종료된 후 항해구간별 실증 결과를 종합하여Track record로써 의미를 가질수 있도록 설계하였다.
2.4 사용성 평가
신규 개발된 자동조타시스템에 대한 사용자들의 사용성 평가를 위해 항해 중과 정박 중의 구분된 사용성 평가를 계획하였다. 조선소의 시운전 시 테스트 항목과 자동조타시스템의 성능규정에 기반하여 항해 중에는 해상교통량이 적고 항행안전이 확보된 해역에서 Sub system으로 완전 전환하여 수동 및 자동조타 사용성 및 비교평가를 수행하도록 하였다. 항해당직 전반에 거쳐 Main system과의 비교 평가 항목으로 대응 타각 및 외력에 따른 영향과 변침 타각(10도) 반응 비교, Hardware(Panel 및 Steering wheel 포함) 관련 사용성 비교를 수행하도록 점검표를 항해 당직자에게 제시하고 기록하도록 하였다.
정박 중 제품의 인터페이스 및 조타 편의 여부에 대한 설문에는 31명의 항해사들이 참여하여 제품 상용화에 도움이 될 수 있는 개선요소를 식별하도록 하였다. 시나리오 기반 Sub system와 Main system 간 교차사용 후 만족도 평가와 함께 수동 조타 시의 편의, 자동 조타 시의 편의, Heading 및 타각 정보의 가시성, Dimmer 설정에 대해 직접 조작하고 응답할 수 있도록 평가 계획을 수립하였다. 설문조사는 Main system 대비 Sub system에 대한 평가로 리커트 5점 척도를 제시하고 각 문항별 선택 이유 및 사용성에 대한 의견을 수렴하였다.
3. 해상실증 결과
자동조타시스템에 대한 해상실증은 3번의 계획 항해구간별로 진행되었으며, Waypoint 별 연출 가능한 시나리오를 설계하여 평가하는 형태로 진행하였다. 실증 수행 시 항해센서 및 견시로 기록한 해상날씨는 Table 5와 같이 다양한 해양기상과 조우하였다. 실증 대상장비는 시뮬레이터를 통해 성능기준 만족과 제품 인증을 모두 완료한 제품으로 Steering mode 변환, PID/Limit setting, Alert 제공, Course keeping/Changing 등 성능기준 구현에 문제는 없었다. 그러나, 해상에서 실제 센서의 비정상적인(null, noise) 값 수신에 대해 처리되지 못하여 값을 표시하지 않거나 부적절한 Alert이 발생하는 문제를 발견하였고 해상날씨 및 선박 제원에 따라 다르게 대응되는 선박 자동 조타 성능에 대해 발견하고 장비 특성에 맞게 PID, Limit, Offset 등을 진단하여 미세조정 및 반복 확인을 통해 Fine Tunning을 실증기간 동안 완료하였다.
Course changing 및 Keeping 시 선수방향 및 선회 안정성 확인을 위해 HC Mode로 Fig. 2와 같이 216°에서 236°로 계획된 변침을 선속 15.2 knots, Sea State 3(Wave height 0.5 ~1.25 m)에서 수행하였다. Rudder는 Starboard(STBD) 15.9°까지 사용되었고 Sea state와 발생 선회각을 고려하였을 때 Overshoot 및 외력 등으로 인해 생긴 오차로 Limit를 정상 유지한다고 볼 수 있었다. 이는, 동일 상황에서 실증선박의 Main system과 동일 수준의 성능으로 확인되었다. 변침 시 자동조타장치의 Rudder limit는 15°로 설정하였고 PID 값은 각각 LOAD BLST, Weather 0, Rudder Ratio 6.8, Count Rudder 5.8로 파라미터를 적용하였다.
그러나, 선회 시, Rate of turn(ROT)가 Fig. 3과 같이 우현으로 58.7°까지 증가하여 선속을 고려하였을 때 선회 Radius는 약 800m이므로(선회까지 약 21초 소요), 자선 기동성 및 안정성을 고려하였을 때 해당 성능은 과선회로 평가되었다. Radius가 약 1,600m 이내에 이루어지고 선박의 경사 발생도 감소되도록 ROT 30° 이내 제어 가능한 PID 값으로의 재설정 필요성이 식별되었다. 또한 장비가 구동되는 동안 반응속도를 측정하였고 주요 기능에 대해서는 응답시간이 적절하였으나 듀플렉스(Duplex) 시스템의 한계로 기존 설치된 HCS에서 Rudder feedback signal을 NMEA 0183으로 수신받아 Signal converter를 통해 전압 신호에서 Dry contact 신호로 변환하는 과정에서 시간 딜레이가 발생하여 선수방향 추종성능이 저하되는 현상도 확인 되었다.
4. 사용성 평가 결과
4.1 항해 중 사용성 평가
총 3회의 실증 항해계획에 따라 96시간 이상의 운용 기간 중, 당직 항해사 3명을 대상으로 신규 개발장비인 Sub system 운용을 경쟁사 제품인 Main system과 비교하여 다음 결과를 식별하였다.
사용자 관점에서 대응 타각 및 외력에 따른 영향과 변침 타각(10도) 반응 비교에 있어 ROT에 대한 개선요구가 가장 많았다. ROT에 있어 Main system 대비 제어에 소요되는 시간이 길고, ROT 감소를 위해 사용되는 타각의 Sensitivity control이 미흡하여 제어 횟수 증가와 5° 이상의 타각 사용이 상대적으로 많았던 것으로 나타났다.
Hardware(Panel 및 Steering wheel 포함) 관련 사용성 비교 평가 사항으로는 Sub system의 Display panel이 작고 Touch로 조작하게 되어 Display 고장 시 대응을 위한 별도 조작 방법이 없어 개선이 요구된다. 또한 설정된 Limit 값들이 직관적으로 Display에 나타나 있지 않아 한눈에 확인하기 어려운 부분도 Main system과 차이가 있었다. Sub system은 Hand mode에서 Steering wheel이 Handle을 놓으면 중앙 위치로 Turn back하기 때문에, 조타명령에 따른 5°/10°/15° 등의 특정 조타 각에서 타각을 유지하기 위해서 계속 Handle을 잡고 있어야 하는 것에 많은 피로감을 느낀 것으로 나타났다. 또한 Hand mode를 사용할 때 사용자는 타각의 1° 단위 변화만 확인하는데 Sub system은 소숫점까지 표시하는 것에 편의성을 느끼기보다 불필요한 상세정보로 인식하였다.
4.2 정박 중 사용성 평가
정박 중 31명의 항해사들이 참여한 시나리오 기반의 Autopilot 성능 및 사용성 평가 결과 Fig. 2와 같이 선수방위 및 타각 정보 가시성(Q1)에 있어 긍정(54.8%), 보통(25.8%), 부정(19.4%)로 응답하였다. Q1에 대한 추가적인 개선요소 제시 사항으로 터치 감도와 렉 발생, 타각 표시에 있어 3자리수의 표현방법 등이 있었다. Dimmer 설정(Display, Button)에 대한 질의(Q2)에는 긍정(45.2%), 보통(35.5%), 부정(19.4%)로 응답하였고 조작부 Display가 작아 사용상 어려움에 대해 의견을 제시하였다. 수동 조타 시의 편의(Q3)에 있어서는 보통(58.1%), 긍정(29.1%), 부정(12.9%)로 가장 긍정적인 응답이 적었다. 특히 타각 수치가 너무 민감하게 변경되어 조작이 까다롭다는 의견과 우현, 좌현을 색으로 표시하는 것은 좋지만 표시면을 좀 더 크게하여 인식이 쉽도록 개선될 필요성을 식별하였다. 자동 조타 시의 편의(Q4)에 대한 설문에서는 보통(51.6%), 긍정(35.5%), 부정(12.9%)로 Heading setting 편의성 향상에 대한 추가적 의견이 있었다.
5. 결 론
본 연구는 국산 선박 자동조타시스템의 실제 해상 환경에서의 성능과 사용성을 평가하고, 상용화를 위한 개선점을 도출하는 데 목표를 두었다. 6,000톤급 실습선을 활용하여 해상실증을 수행하고, 다수의 항해사를 대상으로 사용성 평가를 진행하였다.
주요 연구 결과는 다음과 같다. 성능 평가부분에서는 시뮬레이션 환경에서의 성능 검증 결과와 유사하게, 실제 해상 환경에서도 기본적인 조타 기능은 정상적으로 작동하였다. 하지만 해상 환경의 변화에 따른 노이즈 발생 시 시스템 반응이 예상과 다르게 나타나는 경우가 확인되었다. 특히, Course changing 시 과도한 선회 현상이 발생하여 PID 값 조정 등 추가적인 세팅이 필요한 것으로 나타났다. 사용성 평가에서 항해사들은 시스템의 반응 속도가 느리고, 디스플레이 크기가 작아 터치 조작에 대한 불편함, Heading setting이 더 쉽게 개선될 것을 지적하였다. 이외에도 제조사가 인터페이스 및 조작 부분에서 개선할 수 있는 사용성 향상 요소들을 다수 식별하였다.
실증 결과와 사용성 평가 결과를 기반으로 해상 환경과 선박의 제원 및 선속 변화에 적합한 ROT 제어 수준의 개선과 Hardware 중 디스플레이 크기 확대, 터치 반응 개선, 중요 정보의 가시성 향상이 요구된다. 또한 조작 편의성 향상을 위해 조타각 설정의 정밀도 조절 기능 추가, 조작 버튼의 배치 개선 등도 필요하다. 해상 환경 적응성 강화를 위해 노이즈에 대한 내성을 높이고, 다양한 해상 상태에서의 성능을 향상시켜야 하며 본 연구와 같이 듀플렉스 모드로 실증이 이뤄질 경우 Rudder feedback signal의 실시간 계측 및 변환 장치로 시간 딜레이를 감소시킬 수 있다. Feedback signal에 칼만 필터 등을 적용하여 Rudder control 신호와 오차를 줄이는 방법 등도 추후 연구 시 적용하여 검증할 필요성이 있다.
본 연구를 통해 국산 선박 자동조타시스템의 상용화를 위한 현실적인 문제점과 개선 방향을 제시할 수 있었다. 연구 결과는 해상 실증과 사용성 평가를 통해 시스템의 성능과 사용성을 개선하기 위한 방법론을 제공하고, 국내 자동조타시스템들의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 기초 연구자료가 될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 연구의 한계점으로 사용성 평가 과정에 사용된 시나리오와 평가 설문 구성이 제한된 연구진의 전문성에 한정되어 있어 추후 연구에서는 다수의 전문가들의 전문적 검토가 요구된다. 또한 자동조타시스템의 설비가 국제협약으로 강제되는 1만톤급 이상 선박에서의 해상실증을 수행한다면 본 연구에서 확인하지 못한 추가적 요소들도 도출할 수 있을 것으로 예상된다.
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