A Study on the Development of Object-oriented Route Planning Technique for Smart Navigation based on Risk Contours

Abstract

해상 교통에서 적절한 항로 계획, 선정은 다양한 해상 환경에서 안전하고, 효율적이며 스마트한 항해 달성을 위해 필수적이다. 기존의 항로들은 주로 효율성 측면에 초점을 맞추어, 경험적이고 정성적인 방법에 기반하여 운항자들에 의해 계획되었다. 본 연구에서는 운항자의 의도, 목적에 따라 객관적이고, 정량적인 방법으로 항로를 설정할 수 있도록 등리스크 곡선 기반 객체 지향 항로 설정 기술을 제안하였다.

첫째로, 선박의 항로 상 해상교통 리스크를 대표 선박을 활용하여 정량적으로 평가하였다. 둘째로, 항로 설정 기술의 기본 단계로서 절대요소, 위험요소, 영향요소로 데이터를 구조화하여 등위험도 곡선 개념 도입을 통해 입체화, 시각화 하였다. 마지막으로 안전성, 효율성, 편리성, 항해 요구능력성의 네 가지 항로 설정 파라미터를 고려하여 객체 지향 항로 선정 기술 모델을 개발하였다. 본 기술에서 각각의 목적 객체를 단위 거리당 누적 위험성, 항정 거리, 변침점의 수, 선택항로의 리스크 경도력이라는 요소 분석을 통해 평가한다. 따라서, 본 기술의 제안된 알고리즘과 등리스크 곡선 기반 항로 작도, 참조지점의 조합을 통하여 객체 지향 항로를 제시한다. 해당 기술을 검증하기 위하여 한국 서해안 실험해역에서 수치 시뮬레이션, AIS data에 기반한 통계적 평가 및 뉴질랜드 연안을 포함한 항로 기인 해상교통사고의 사례적 평가를 수행하였다. 연구의 결과로, 제안된 항로 선정 기술은 운항자의 의도에 따른 객체 지향 항로를 제시할 뿐만 아니라 현재 선박들이 사용하고 있는 항로 및 해상교통 사고 원인을 정량적으로 평가하는 데 활용할 수 있음을 확인하였다. 그러므로 본 기술은 항로 설정 방법을 더욱 체계적이고, 정량적인 방법으로 개선하여 사용자의 목적과 미래의 자율운항선박의 항해를 위한 스마트 항해 실현에 기여할 것으로 기대된다.

본 논문은 5개의 장으로 구성되어 있으며 각각은 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경, 목적, 범주 및 방법에 대한 도입을 언급하였다. 제 2장에서는 관련 선행 연구를 분석하여 체계적 방법으로 분류를 통해 종래의 항로 설정 방법들의 경향 및 초점을 파악하였고, 본 연구에서 제안된 기술의 필요성과 연구 범주에서 당위성을 확인하였다. 제 3장에서는 항로 설정의 기본 기술로서, 실험해역에서 실험선박을 활용하여 해상교통 위험요소 데이터를 구조화하여 해상교통 리스크 평가 및 등리스크 곡선을 시각화 하였다. 제 4장에서는 본 연구의 핵심 장으로서, 객체 지향 항로 기술을 네 가지 목적 객체를 사용하여 개념화되었고, 다양한 항로 옵션을 제공하기 위해 등위험도 곡선 상에서 알고리즘을 개발하였다. 제 5장에서는 제안된 기술을 통한 수치 시뮬레이션과 활용도 분석을 통해 연구 결과를 평가하였다. |Route planning in maritime transportation is a key to safe, efficient, and smart navigation in different environments. Conventionally, routes have been planned by operators using empirical and qualitative methods mainly focusing on efficiency. This study proposes an object-oriented route planning technique to objectively and quantitatively determine the routes of vessels in accordance with an operator’s intentions.

First, the navigational traffic risk is assessed based on a model of a ship. Next, a risk contour map is visualized by structuring the navigational traffic risk’s data consisting of absolute danger, hazard factors, and influential factors, which is a framework of the route planning. Finally, the object-oriented route planning could be modeled with the use of the safety, the efficiency, the convenience, and the ability of navigation as main objects of route planning. The proposed technique assesses each object by making an analysis of cumulative risk per distance, total distance, the number of waypoints, and risk gradient of derived routes. The technique proposes object-oriented routes by utilizing its algorithm, projecting routes based on contour lines, and combining reference points. To verify the proposed technique, this paper carried out numerical simulation case studies, actual AIS data evaluation of model ships, and analysis of navigational traffic accidents not only on the west coast of Korea, but also on the coast of New Zealand. The result of this study shows that the proposed technique can suggest object-oriented routes depending on a user’s purposes, and quantitatively assess the focused objects of the current routes used by vessels and the cause of the previous navigational traffic accidents. Therefore, the object-oriented route planning technique can improve the existing method to be more systematic and quantitative, which contributes to smart navigation based on the user’s intentions and the future autonomous navigation.

Accordingly, this study is composed of five sections and each section is structured as follows. Section 1 covered introduction including the background, purpose, scope and method of this study. In section 2, the related works and studies were analyzed in a systematic categorization so that the trend and focus of previous methods can be understood, thus bringing about the necessity and the scope of the proposed technique in this study. In section 3, Risk contour mapping frame work was carried out by structuring the essential data and visualizing the risk contour map based on the experimental area and ship. In section 4, as a core part of this study, the object-oriented route planning technique was conceptualized by introducing four main object of the route planning. Then, the algorithm was developed on the risk contour mapping, so that the proposed technique can derive various options. In section 5, the result of numerical simulations and applications of the proposed technique was suggested for the sake of verification.