선박과 해양플랜트의 통신 시스템 환경 개선을 위한 e-TMS와 슈퍼 Wi-Fi

Abstract

Telecom systems for ships and offshore plants used to be a simple tool for distance communication. In contrast to land-based telecom systems technology today that has been rapidly evolving, telecom systems for ships and offshore plants are far from being used as administration tools for safety, control and operation. Unlike other systems, telecom systems for ships and offshore plants have not been systematized by the IMO(International Maritime Organization). Telecom systems developed decades ago are still installed on ships and in offshore plants. However, to meet the increasing demand for marine accident prevention and operation cost saving, a wide range of technologies based on telecom systems have been emerging. Thus, telecom systems will play pivotal roles in controlling and administering all systems for ships and offshore plants.

At the end of the 1990s, the NORSOK proposed the TMS for administering the telecom systems for offshore plants. Yet, the TMS for offshore plants fails to meet the technical standard proposed by the NORSOK due to the diversity of telecom systems. The high installation cost thwarts the applicability and scalability of the TMS for offshore plants. This paper proposes a method of redefining and systematizing the telecom systems installed on ships and in offshore plants with intent to address the challenges relevant to the TMS for offshore plants. Systematization of the telecom systems would add to their scalability as well as compatibility with other systems operated on ships and in offshore plants.

This paper proposes an improved e-TMS(enhanced-TMS) based on the systematized telecom systems for ships and offshore plants, and experimentally demonstrates the performance of the proposed e-TMS in terms of its data processing time and operation cost.

The scales and the structural complexity of ships and offshore plants continue to increase. With the operation and administration of ships and offshore plants drawing increasing attention, they need to process ever larger volumes of data. Next-generation ships and offshore plants including unmanned ships, unmanned offshore plants, remote-controlled ships and smart ships should be fitted with scalable and compatible systems capable of processing large volumes of data in real time, which calls for the installation of a wireless network environment that ensures ubiquity and mobility. The wireless network environment for ships and offshore plants features the real-time administration and control over not only communication but also status information, fault diagnosis, safety control, location tracking and accident prevention. Yet, ships and offshore plants characterized by steel structures have Wi-Fi networks installed in limited onboard areas. Using shared frequency band, a Wi-Fi network provides a short radio propagation range, which is limited to short-range transmissions. Internationally travelling ships and offshore plants require a long-range radio propagation and a method of using shared frequency band as private frequency band.

This paper analyzes the factors precluding the full implementation of wireless networks on ships and in offshore plants, experimentally verifies the attributes as well as the strengths and weaknesses of UHF, TETRA and Wi-Fi frequencies widely used for ships and offshore plants, and also analyzes the radio propagation range and radio transmittance of super Wi-Fi using the TV white space. Finally, this paper proposes implementing a super Wi-Fi environment using the UHF system of TMS, and experimentally tests the performance of an implemented wireless network environment using the super Wi-Fi on ships and in offshore plants.

|과거 선박과 해양플랜트에서 통신 시스템은 원거리 의사소통을 위한 단순 통신도구였다. 지금까지도 선박과 해양플랜트에서의 통신 시스템은 안전, 관리, 운영과는 거리가 멀다. 국제해사기구는 통신 시스템에 대한 체계를 확립하지 않고 있다. 수십 년 전에 개발되어 기술적인 발전이 없는 통신 시스템이 선박과 해양플랜트에 설치된다.

오늘날 해양 사고와 경제성 향상을 위한 비용 절감의 요구가 높아지면서 통신 시스템을 기반으로 한 다양한 차세대 기술들이 나타나고 있다. 곧 선박과 해양플랜트의 모든 시스템들은 통신 시스템에 의해 관리와 통제를 받게 될 것이다. NORSOK은 1990년대 말 통신 시스템의 관리를 위해 해양플랜트용 TMS를 제안하였다. 하지만 당시의 해상용 통신 시스템의 기술적인 한계와 높은 설치 비용으로 인해 만족도가 낮아졌고 결국 확장에 실패한다. 해양플랜트용 TMS가 실패한 원인을 분석하고 통신 시스템의 재정의를 통해 선박과 해양플랜트를 위한 개선된 TMS가 필요하다.

선박과 해양플랜트는 육상보다 훨씬 높은 안정성과 다양성이 필요하다. 선박과 해양플랜트에서 검증되지 않은 통신 시스템을 사용하면 해양 사고와 같은 심각한 부작용을 초래한다. 통신 시스템은 기능을 재정의하고 체계화해야 한다. 통신 시스템의 체계화는 선박과 해양플랜트의 시스템 간 통일성과 확장성을 가져온다. 체계화된 통신 시스템을 바탕으로 선박과 해양플랜트를 위한 개선된 e-TMS를 제안한다. 제안하는 e-TMS가 처리 시간과 시스템의 운영 비용 면에서 우수하다는 것을 실험을 통해 증명한다.

최근 들어 선박과 해양플랜트는 규모가 커지고 구조는 더 복잡해지고 있다. 이와 함께 다양한 시스템들이 추가되어 과거에 비해 많은 양의 데이터 처리를 필요로 한다. 무인 선박, 무인 해양플랜트, 인공지능 선박과 같은 차세대 기술들은 대규모의 데이터를 처리해야 한다. 선박과 해양플랜트도 육상에서처럼 전 구역에 무선 네트워크를 구축하여 장소와 시간에 제약 없이 실시간 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 선박과 해양플랜트에서의 무선 네트워크 환경은 단순 통신수단을 넘어 상태 정보, 고장 진단, 위치 추적, 사고 예방, 안전 관리에 대한 실시간 관리와 통제를 할 수 있게 한다. 현재 선박과 해양플랜트는 Wi-Fi를 설치하여 부분적으로 무선 네트워크를 구축한다. 공용 주파수를 사용하는 Wi-Fi는 전파 전달 범위가 좁아 복잡한 철 구조물인 선박과 해양플랜트에는 적합하지 않고 사용 범위도 극히 제한적이다. 지금까지 선박과 해양플랜트의 무선 네트워크 환경 구현에 대한 실패 원인과 UHF, TETRA, Wi-Fi의 주파수 별 특성과 장단점을 실험을 통해 확인한다.

해상을 이동하는 선박과 해양플랜트는 전파 전달 범위가 넓어야 하고 공용 주파수를 사설 주파수와 같이 사용할 수 있어야 한다. TV 화이트 스페이스를 이용하며 Wi-Fi보다 전파 전달 범위, 투과율이 모두 우수한 슈퍼 Wi-Fi에 대해 실험하고 분석한다. 실험 결과를 바탕으로 UHF 시스템을 이용한 슈퍼 Wi-Fi 환경을 구현하는 것을 제안한다. 마지막으로 선박과 해양플랜트에 슈퍼 Wi-Fi를 이용한 무선 네트워크 환경을 구현하는 것을 실험을 통해 증명한다.