선형 시-불변 시스템을 이용한 선체운동 전달모델 모델링에 관한 연구

Abstract

The estimation of ship motion is a essential element for safety of vessels. Therefore, the assumption of it is bit difficult. In this study,‘Ship Motion Transfer’model has been set up using Linear-Time Invariant(LTI) system which is defined in discrete signal processing area. A roll motion of 153,000m3 class LNG vessel has been secured by applying certain ocean wave using ship motion simulation and applied to‘Ship Motion Transfer’model as input/output. Transfer function is represented by the characteristic of‘Ship Motion Transfer’model. It has been estimated using state space model which is one of the system identification method. The effectiveness of model and stability of transfer function which is built through comparison of apparent motion in regard to the estimated result, pole-zero interpretation, and frequency reply analysis has been examined. As a result, the percental of estimation between ship motion characteristic secured through the simulation and another one estimated through the model as 79.5%. Also, the model’s accuracy has been differed by order of state variables. This study has ended in estimation of transfer fraction of Linear-Time Invariant(LTI) system which is under single input single output(SISO) condition, using vessel’s roll motion acquired under certain ocean wave environment. The next study about assumption of system transfer function under multiple input multiple output(MIMO) condition which enables multiple output of six degrees of freedom has been left as another assignment and hoped to be conducted under a ocean wave environment of various conditions.|선체운동의 추정은 선박의 안전에 중요한 요소이다. 하지만 선체운동은 복잡한 환경에서 발생한다. 따라서 그의 추정은 다소 난해하다. 본 연구에서는 이산신호처리(discrete signal processing) 분야에서 정의된 선형 시-불변(Linear Time-Invariant, LTI) 시스템을 이용하여 선체운동전달 모델을 구축하였다. 선체운동 시뮬레이션을 이용해 임의의 해양 파를 입사한 153,000m3급 LNG 선박에 대한 롤(Roll) 운동 값을 확보하여 선체운동전달 모델의 입출력으로 적용하였다. 선체운동전달 모델의 특성은 전달함수로 대표된다. 이를 시스템 식별법의 하나인 상태 공간 모델을 이용하여 추정하였다. 추정한 결과에 대한 시운동(apparent motion) 비교, 극 영점 해석과 주파수 응답 분석을 통해 구현한 전달함수의 안정성과 모델의 유효성을 평가하였다. 평가 결과 시뮬레이션을 통해 획득한 선체운동 특성과 모델을 통해 추정한 선체운동 특성사이의 추정율은 79.5% 임을 알 수 있었다. 또한 상태 변수의 차원에 따라 모델의 정밀도가 변함을 확인하였다. 본 연구에서는 임의의 해양 파 환경 하에서 획득한 선체의 롤 운동 값을 이용해 단일입력-단일출력 조건하의 선형-시 불변 시스템의 전달함수 추정에 그치고 말았다. 향후 다양한 조건의 해양 파 환경 하에서 6자유도 운동이 다중출력되는 다중입력-다중출력 조건하의 시스템 전달함수의 추정에 관한 연구를 향후의 과제로 남기고자 한다.