Gaussian Mixture Model을 이용한 선박 메인 엔진 빅데이터의 이상치 탐지

김동현(Dong Hyun Kim),이상봉(Sang Bong Lee),이지환(Ji Hwan Lee) 한국자료분석학회 2020 Journal of the Korean Data Analysis Society Vol.22 No.4

선박 메인 엔진은 선박의 추진 동력을 제공하는 핵심 장비로써 고장 예방을 위한 주기적인 정비와 모니터링이 요구된다. 최근 선박에 부착된 센서를 이용하여 선박 메인 엔진의 상태를 실시간으로 측정할 수 있게 되면서, 수집된 빅데이터를 바탕으로 엔진의 이상 징후를 조기에 발견할 수 있는 체계가 마련되었다. 본 연구는, 7개월 이상 수집된 선박 메인 엔진 데이터를 학습하여 선박 메인 엔진의 이상 징후를 조기에 파악할 수 있는 방법론을 제안한다. 학습을 위해 전문가 인터뷰 및 상관계수 분석을 통해 중요 변수를 추출하였고, 데이터 전처리 기법을 통해 학습에 필요한 변수만을 추출하였다. 다수의 정상적인 메인 엔진 상태 데이터로부터 이상치를 분리하기 위하여 비지도 학습(unsupervised learning) 기반의 이상치 탐지 기법인 Gaussian Mixture Model을 적용하였다. 또한, 이상치 값들에 대한 사후적인 분석을 하여 선박 메인 엔진 이상치의 특성과 관련된 정보들을 파악했다. 이를 통해 선박 빅데이터를 활용하여 실시간으로 이상치를 탐지할 수 있는 의사결정 체계를 구축하고, 선박 유지 보수의 효율성과 경제성을 높이는데 이바지할 수 있을 것으로 예상한다. The ship s main engine is a key equipment that provides power for propulsion of the ship, and requires regular maintenance and monitoring to prevent failure. Recently, the health state of the ship s main engine can be measured in real time using a sensor attached to the ship, enabling an user to detect abnormal signs of the engine early on the basis of the collected big data. This study proposes a methodology for early identification of abnormal signs of the ship main engine by learning the ship main engine data collected for more than 7 months. For learning, important variables were extracted through expert interviews and correlation coefficient analysis, and only important variables were extracted through data pre-processing techniques. To separate outliers from a number of normal main engine state data, the Gaussian Mixture Model, an unsupervised learning-based outlier detection technique, was applied. In addition, by comparing the distribution of the outliers and the normal distribution, the characteristics of the ship s main engine outlier was analyzed. Through this, it is expected to build a decision-making system that can detect outliers in real time using ship big data and contribute to improving the efficiency and economics of ship maintenance.

선박용 디젤엔진의 전기집진기 효율 개선을 위한 평판형 집진 챔버에 대한 연구

방일호(Il-Ho Bang),염정국(Jeong-Kuk Yeom) 대한인간공학회 2021 대한인간공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

Objective: 본 연구의 목적은 선박용 디젤엔진의 미세먼지 저감장치 연구와 선박 배기 후처리 장치를 통해 대기 오염 저감 실현을 위한 선박용 디젤엔진의 전기집진기 챔버의 연구를 하는 것이다. Background: 국내 해양대기 규제가 엄격해지고 규제에 대응할 수 있는 선박용 미세먼지 저감을 위한 후처리 기술이 전무한 상황에서 정부의 이동 오염원에 대한 미세먼지 관리 대책은 육상 차량과 산업체에서 발생하는 미세먼지에 집중되어 있다. 정부의 미세먼지 저감 종합대책인 미세먼지 배출량 30% 감축을 실현하기 위해서는 선박에서 배출되는 대기오염 물질을 저감하기 위한 연구가 반드시 필요하다. Method: 선박용 디젤엔진의 배기 특성을 분석하여 챔버 설계를 수행하고, ISO8178 E3 Mode의 실험 조건을 통해 수치해석과 엔진실험의 챔버 검증을 수행한다. Results: 전기집진기 챔버는 엔진유량 실험 조건에서 균일한 유동장을 형성했고, 엔진 실험 조건 11Case에대한 챔버 내부 온도 변화와 속도장 변화에 대해서 수치해석 결과와 엔진실험 결과를 도출했다. 이를 통해 전기집진기의 최적 챔버 형상과 엔진 유량에 따른 내부 유속 값을 확인했다. Conclusion: 본 연구에서 제시된 챔버 설계 기술의 체계화와 설계변수 인자가 확인되었으며, ISO8178 E3 Mode에 따른 챔버 유속 변화를 통해 최적 조건의 챔버 개발 기술을 확보할 수 있었다. 추가적으로 미세먼지 포집 성능 및 코로나 방전 특성에 대한 연구가 필요하다. Application: IMO MEPC 75차에서 규정된 블랙카본의 중장기 감축 목표 실현을 위해 고온 배기가스의 미세먼지 저감 기술의 챔버 성능을 확인했으며, 선박용 스크러버 및 SCR 시스템과 호환이 되는 장치 개발로 이어져 국내 해양대기 오염 방지 기술 등에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

선박메인엔진 냉각수를 활용한 선박폐열발전-담수화 시스템 성능평가 시뮬레이션

임승택,김현주,문정현,이호생 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.9

The demand for high efficiency vessels is increasing due to the problems of international marine environments and rising ship oil prices. As a result, research on power generation methods that utilize waste heat from ships has begun. In this study, organic Rankine cycle (ORC)-based waste heat power is designed using engine cooling water of a 58MW ship and is compared through simulation with the desalination capacity of a desalination plant that uses cooling water of 80 °C passed through a waste heat power. The power output and heat transfer performance are assessed by applying various refrigerants to select the working fluid for ship waste heat recovery, and then the performances of new refrigerants are compared to identify one with a low global warming potential. The study also compared the output of a ship waste heat recovery system with generated waste heat discharged to the sea by applying various types of engine types and cooling water flow rates. The power output and thermal power are compared when engine coolant is supplied at temperatures of 80 °C, 85 °C, and 90 °C. Finally, the optimal operating conditions of the ship waste heat–desalination system are determined by comparing the evaporation temperature and fresh water production rate based on the evaporation pressure of the ship desalination plant. The waste heat recovery–desalination system using a 90 °C heat source from the 10S90ME 58MW ship confirmed a pure water output of 564.4 kW and fresh water production of 1.278 kg/s when the R245fa working fluid was applied, and a reduction of 35%. 국제적 해양 환경문제와 선박유의 가격상승으로 고효율 선박의 수요가 증가하고 있으며, 선박에서 발생하는 폐열을 활용한 발전 방식의 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 58MW급 선박의 엔진 냉각수를 활용하여 ORC를 기반으로한 폐열발전을 시뮬레이션을 통해 설계하였으며, 폐열발전을 통과한 80℃의 냉각수를 활용한 담수화 설비의 담수생산량을 비교하였다. 선박폐열발전의 작동유체의 선정을 위한 다양한 냉매를 적용하여 발전출력과 열전달 성능을 비교하였으며, 저 GWP 냉매를 적용하기 위하여 신냉매의 성능을 비교하였다. 다양한 선종의 엔진타입과 냉각수 유량을 적용하여선박폐열발전의 출력과 바다로 배출되는 폐열 발생을 비교하였으며, 엔진 냉각수 온도가 80℃, 85℃, 90℃로 공급될 때발전 출력과 페열량을 비교하였다. 또한, 선박 담수화 설비의 증발압력의 변화에 따른 담수 생산량과 증발 온도를 비교하여 선박폐열발전-담수화 시스템의 최적 운전조건을 도출하였다. 10S90ME의 58MW급 선박의 90℃ 열원을 활용한 폐열발전-담수화 시스템은 R245fa 작동유체를 적용하여 564.4kW의 순수 발전출력과 1.278kg/s의 담수생산량을 확인하였으며, 기존 폐열 발생량 대비 35%의 감소량을 확인하였다.

소형 선박용 디젤엔진에서 엔진초기화 세팅을 통한 연소성능 및 배기배출물 개선에 관한 연구

류영현,정균식,남정길 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.7

Tugboats that sail along a coast may experience poor engine combustion performance due to frequent entry and departure and frequent change of the ship’s speed. Decrease in combustion performance may cause an increase in specific fuel consumption and an increase in harmful exhaust emissions. Consequently, the engine maintenance cycle may be shortened, and its maintenance cost may increase. An initialization method that returns a small marine diesel engine to the state of a new engine needs to be employed to improve the combustion performance and reduce exhaust emissions. This method involves adjusting the matching of the exhaust turbocharger initialization, fuel injection timing, and fuel injection amount. By using this method, it is possible to optimize the engine by considering its future load range. This study measured and diagnosed the combustion condition of a small ship (tugboat) equipped with a 4-stroke diesel engine, which is currently operated. The methods to improve combustion performance and reduce exhaust emissions were then suggested. When the engine performance was improved through engine initialization, the maximum compression pressure increased by 34.9%, maximum explosion pressure by 24.7%, indicated mean effective pressure by 10.9%, engine output by 20.0%, and specific fuel consumption by 4.2%. Additionally, the exhaust gas temperature decreased by an average of 39.2 °C. The result of exhaust emission measurement revealed that particulate matter decreased by 55.8%, carbon dioxide known as greenhouse gas by 12.5%, carbon monoxide by 74.4%, and nitrogen oxide by 4.4%. 연안을 항해하는 소형선박(Tug boat)은 잦은 입·출항과 잦은 선속 변경으로 엔진의 연소성능이 저하될 수 있다. 연소성능의 저하는 연료 소비율 증가 및 유해 배기배출물 증가의 원인이 될 수 있다. 또한 그러한 이유로 엔진정비 주기가 짧아질 수 있어 엔진정비 비용이 증가될 수 있다. 소형 선박용 디젤엔진의 연소성능 및 배기배출물을 개선하기 위하여 제시된 방안으로 엔진을 신조시의 상태로 돌려보내는 초기화 방법으로 배기 과급기 초기화 매칭, 연료분사시기 및연료분사량을 조정하는 것이며, 이 방법을 이용하여 향후 엔진의 사용부하영역을 고려한 최적화도 가능하다. 본 연구에서는 현재 운항되고 있는 4행정 디젤엔진이 탑재된 소형선박(Tug boat)의 연소상태를 계측하여 진단하였으며, 연소성능개선 및 배기배출물 저감 방안을 제시하였다. 엔진초기화를 통해 엔진성능이 개선된 후에 최고압축압력은 34.9%, 최고폭발압력은 24.7%, 도시평균유효압력은 10.9%, 엔진 출력은 20.0% 증가하였으며, 연료소비율도 4.2% 향상되었다. 또한, 배기가스 온도는 평균 39.2 ℃ 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 배기배출물의 계측결과, Dust(PM)는 엔진성능 개선 후에55.8% 감소하였으며 GHG(Green House Gas)로 알려진 이산화탄소는 12.5%, 일산화탄소는 74.4% 감소하였고 질소산화물도 4.4% 감소되는 결과를 얻었다.

선박 운항 시뮬레이션 가시화를 위한 그래픽 렌더링 엔진 기술의 개선 방향

황호진(Ho-Jin Hwang),문두환(Duhwan Mun) 한국항해항만학회 2010 한국항해항만학회지 Vol.34 No.3

시뮬레이션 가시화 기술은 시뮬레이터 사용자가 직접적으로 접하게 되는 기술이며, 사용자들은 보다 빠르고, 보다 현실적이며, 보다 직관적인 시뮬레이션 영상을 요구하고 있다. 컴퓨팅 기술 및 영상장비 기술 등의 하드웨어는 우수한 성능으로 발전된 반면, 현재 일반적으로 선박 운항 시뮬레이터에 사용되고 있는 그래픽 렌더링 엔진은 그 한계를 나타내고 있다. 또한 이러한 배경에서 본 논문에서는 선박 운항 시뮬레이션 시스템의 가시화를 위해 필요한 요구사항을 도출하였다. 가시화 요구사항들을 반영할 수 있는 상업용 및 공개용 그래픽 렌더링 엔진에 대해 조사/검토하며, 시스템 요구사항을 만족시키기 위한 그래픽 렌더링 엔진의 장단점을 분석하였다. 이를 통해 선박 운항 시뮬레이션 가시화에 대한 그래픽 렌더링 엔진으로서 OGRE3D의 활용가능성을 평가하였으며, 예부선 운항 시뮬레이션 가시화를 대상으로 OGRE3D 엔진의 타당성을 검토하였다. Simulation visualization technology is an important constituent through which users directly interact with simulators. Simulator users have a needs for more fast, realistic and intuitive visualization. Though hardware-related performances such as computing power and visual equipment have been grown, the limits have existed in graphics rendering engines generally used in marine simulator up to now. This paper has focused on the review of graphic rendering engines available for simulation visualization. We had deduced system requirements for visualization of ship handling simulation, had surveyed graphic rendering engines as commercial and open source, and analyzed strengths and weakness of them. The feasibility study for simulation visualization of tug-barge transportation with an open source graphics rendering engine(OGRE3D) has been demonstrated.

선박용 디젤엔진의 진동해석 모델링 방안 및 축계 비틀림 진동에 의한 엔진 본체 연성진동에 관한 연구

김상진,박종훈,김정렬,이기수 한국마린엔지니어링학회 2018 한국마린엔지니어링학회지 Vol.42 No.4

A low-speed diesel engine which is used as the main propulsion engine for a ship is the main source of ship vibration. Therefore, it is necessary to predict the excitation force of the engine and vibration during the design stage to improve or avoid the unexpected vibration in order to secure vibration quality of the hull and engine. In this study, we proposed a method to generate an analytical model for engine vibration of 6G60ME-C type with ultra-long stroke of MAN Diesel & Turbo, which is being recently applied to the ship. The engine-body vibration analysis was carried out considering the coupled effect with being recently crankshaft torsional vibration and the validity of the analytical model was verified through comparison with the measured results. 선박용 주 추진기관으로 적용되는 저속 디젤엔진은 선박의 주요 기진원으로 양호한 선체 및 엔진 진동 품질 확보를 위해서는 사전에 엔진 기진력 및 진동을 예측하고 진동감소를 위한 개선방안을 수립하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 최근 선박에 주로 적용되는 초장행정 엔진인 MAN Diesel & Turbo의 6G60ME-C Type 엔진 본체진동해석을 위한해석 모델생성 방안을 제안하고 생성된 해석모델을 활용하여 비틀림 진동과 연성된 엔진 본체진동해석을 수행하고 이를측정결과와 비교/검증함으로써 해석 모델의 정합성을 확인하였다.

디지털 선박의 추진제어시스템 플랫폼 개발

김옥수,김정환,김종덕,김명광 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

디지털 선박의 추진시스템 플랫폼은 항해를 위해 추진기관으로 사용되는 선박주기 엔진의 원격운전및 제어 담당하는 시스템으로, 안전하고 신뢰성 있는 운전 및 속도와 동작 상태에 따르는 원격제어, 운항 중에 발생하는 각종 위험요소에 대한 실시간 감시 및 제어 운용을 담당하는 선박 추진과 엔진제어에 필수적인 중요한 시스템 플랫폼이다. 본 연구의 최종 목표는 대양을 운항하는 선박의 항해를 위해 추진기관으로 사용되는 주기엔진의 원격운전 및 제어를 담당하는 시스템의 국산화 개발을 수행하는 것으로, 안전하고 신뢰성 있는 운전 및 속도와 동작 상태에 따르는 원격제어 및 위험요소에 대한 감시 및 제어를 담당하는 선박 추진과 엔진제어에 필수적인 추진제어 시스템을 개발하는 것이다.

선박 디젤유 및 선박 디젤유 에멀젼을 이용한 자동차용 디젤엔진의 연소특성

박진규(Jin Kyu Park),오정모(Jung Mo Oh),김형익(Hyung Ik Kim),이창희(Chang Hee Lee),이기형(Ki Hyung Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.9

물 에멀젼 연료는 연소과정 중 물의 기화에 따른 증발잠열 흡수로 인한 연소온도 저하와 급격한 증발에 의한 미소폭발로 인하여 연료가 미립화되어 NOx 와 Soot 의 동시 저감이 가능하고, 전처리 및 후처리 기술과 달리 추가적인 장치가 필요하지 않으며, 별도의 개조 없이 기존 디젤엔진에 사용 가능하므로 이에 관한 연구가 주목 받고 있다. 또한 국제유가가 상승함에 따라 기존에 사용되는 연료보다 저등급의 연료를 엔진에 사용하기 위한 적용가능성에 대한 연구가 요구되고 있다. 따라서 본 연구는 기존의 경유보다 저 등급인 선박 디젤유와 물과 선박 디젤유를 혼합한 유중수적형(W/O:water in oil)의 선박디젤유 에멀젼 연료를 자동차 디젤엔진에 적용하여 기본 연소특성 및 배기특성을 파악하였다. A water emulsion fuel can be used to reduce soot and NOx emissions simultaneously because it has a lower combustion temperature and better fuel atomization owing to the evaporative latent heat and microexplosion of water. Moreover, it can be used without making special modifications to conventional diesel engines. Therefore, this fuel has attracted considerable research attention. In addition, lower-grade fuels are being considered for use in conventional engines because of an increase in oil prices. In this study, we investigated the combustion and exhaust characteristics of MDO (marine diesel oil), which has a lower grade than common diesel oil, and ME (MDO water emulsion) under various test conditions in an automotive diesel engine.

중형 선박엔진의 커넥팅 라드 강도 검토를 위한 작용하중 모델링에 대한 연구

함주혁 한라대학교 2007 論文集 Vol.10 No.-

개발용 선박 중형엔진의 피스톤 연결봉에 대한 강도 해석을 위한 작용하중들을 고찰하고 선박중형엔진 연결봉의 작용하중을 모델링하여 보았다. 본 구조물 해석 검토의 근본적인 목적은 제시된 선박 중형엔진의 피스톤과 크랭크축을 잇는 연결봉에 대한 최대인장, 압축하중 및 조립하중에 대한 구조적 신뢰성 및 내구성을 확보함에 있으며 중형엔진 개발을 위한 기술축척의 일환인 중형엔진의 구동부에 대한 구조물의 해석의 한 수행 항목이다. 1000 rpm에서의 구동부의 왕복질량에서 야기되는 관성력에 기인한 인장력과 연소실의 150bar에 달하는 최대 개스 폭발압력에 따른 압축력에 대한 하중, 볼트 체결력 및 부시(Bush)하중 등을 고려한 정적하중 해석을 수행하여 이들의 응력 및 변위량을 확인하고 피로분석을 행하기 위한 하중을 설정키 위한 연구이다, 이들 결과치는 엔진개발을 위한 중요한 기준자료로 활용될 수 있다.

이벤트 기반 지능형 선박엔진 결함분석

이양지(Yang-Ji Lee),김덕영(Duck-Young Kim),황민순(Min-Soon Hwang),정영수(Young-Soo Cheong) 한국산업정보학회 2012 한국산업정보학회논문지 Vol.17 No.4

본 논문은 운항중인 선박에서 기록되어지는 운항정보 및 엔진 가동정보 등을 실시간으로 모니터링하고, 문제 발생 시에 그 근본원인을 찾아내어 민첩하게 대응할 수 있는 일련의 결함원인 분석 및 예방시스템 개발을 목적으로 한다. 결함분석을 위해서는 선박엔진의 주요기관에 부착된 센서들로부터 장기간 수집된 정보를 사용하게 되는데, 이 양이 매우 방대하며, 잡음 및 중복정보(Redundancy)가 너무 많이 포함되어, 수집된 센서 데이터를 바로 고장분석에 사용하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 방대한 양의 데이터 중, 정보의 손실을 최소화하고 중요한 정보만을 추출하기 위해 "Equal-frequency binning"과 "Entropy" 기반의 데이터 필터링 방법에 관해 연구하였다. 실제로 시험운용 중인 선박엔진 데이터를 개발된 선박엔진 고장분석 소프트웨어를 이용하여 결함분석을 수행하여, 제안된 방법의 효용성을 검증한다. This paper aims to develop an event-driven failure analysis and prognosis system that is able to monitor ship status in real time, and efficiently react unforeseen system failures. In general, huge amount of recorded sensor data must be effectively interpreted for failure analysis, but unfortunately noise and redundant information in the gathered sensor data are obstacles to a successful analysis. This paper therefore applies "Equal-frequency binning" and "Entropy" techniques to extract only important information from the raw sensor data while minimizing information loss. The efficiency of the developed failure analysis system is demonstrated with the collected sensor data from a marine diesel engine.