LAN Based MFD Interface for Integrated Operation of Radio Facilities using Fishery Vessel

어선용 무선설비의 통합운용을 위한 LAN 기반 MFD 인터페이스

Abstract

In the reality that the fishing population is decreasing and the single-man fishing vessels is increasing, mandatory equipment for navigation and radio equipments for the safety of fishing boats has continued to be added. Therefore, many equipment such as navigation, communication and fishing are installed in the narrow steering room, so it is very confusing and a number of monitors are placed in the front, which is a factor that degrades the function of maritime observation. To solve this problem, we studied an interface that integrates and operates to major radio facilities such as very high frequency-digital selective calling equipment (VHF-DSC), automatic identification system (AIS) and fishing boat location transmission device (V-pass) into one multi function display (MFD) based on LAN. In addition, IEC61162-450 UDP packets and IEC61162 sentence were applied to exchange data through link between MFD and radio equipments, and additional messages needed for each equipment and function were defined. The integrated MFD monitor is easily operated by the menu method, and the performance of the interface was evaluated by checking the distress and emergency communication functions related to maritime safety and the message transmission status by equipment.

어업인의 감소와 단독조업 어선이 증가되는 현실에서, 어선의 해상안전을 위한 항해 및 무선설비의 의무장비는 계속 증가되어 왔다. 따라서 협소한 조타실에는 항해, 통신, 어로 등의 많은 장비가 설치되므로 혼잡한 상태이며, 다수의 모니터가 전면에 배치되므로 해상견시 능력을 저하시키는 요인으로 된다. 문제의 해결책으로 디지털선택호출-초단파대무선설비(VHF-DSC), 선박자동 식별장치(AIS), 어선위치발신장치(V-Pass) 등의 무선설비를 LAN 기반으로 하나의 MFD(multi function display)에 통합하여 운용하는 인터페이스를 구현하였다. 또한, MFD와 무선설비들 간의 연동으로 데이터의 교환을 위하여 IEC61162-450의 UDP 패킷과 IEC61162 센텐스를 적용하였고, 장비와 기능별로 필요한 메시지를 추가로 정의하였다. 통합된 MFD 모니터는 메뉴방식으로 쉽게 조작되며, 해상안전 관련 조난 및 긴급통신 기능과 장비별 메시지전송 상태의 확인으로 인터페이스 성능을 평가하였다.

Ⅰ. 서론

어촌 인구의 감소와 고령화에 따라 어업 인력이 부족한 실정에서 1인 조업 형태의 어업이 증가되고 있다. 따라서 해상에서 안전사고의 예방이 소홀해질 수 있으며,정부는 어선의 해상안전을 위한 항해, 통신장비의 법적 의무화를 계속해서 보강하여 왔다. 어선설비기준 관련법령을 보면 어선의 충돌사고 예방을 위하여 총톤수 10톤이상 어선에 AIS를 설치를 의무화하였고, 2톤이상의 어선은 VHF-DSC의 탑재가 의무화되어 있다. 여기에 항해용 Radar와 GPS 플로터, V-pass 및 어군탐지기 등은 어선에 필수장비이므로 그림 1과 같이 협소한 조타실에 모두 설치되므로 운용자의 혼란함과 해상견시 기능을 저하시키게 된다. 이러한 여건에서 수협중앙회 어선안전조업국은 어민들을 대상으로 조타실 환경에 대한 설문조사에서 장비운용 및 해상 안전 실무상 70% 이상의 불만으로, 어선환경에 적합한 통합장비의 요구를 나타내었다. 본 논문은 VHF-DSC, AIS 및 V-pass 정보를 LAN 기반으로 통합하여 하나의 MFD 모니터에서 운용할 수 있는 인터페이스를 구현하였다[1].

그림 1. 기존 어선의 조타실 환경

Fig. 1. Steering room condition on exist fishing vessels.

Ⅱ. MFD 인터페이스의 표준

선박 장치들의 인터페이스로 적용하는 표준은 NMEA 0183이며, 이 표준은 다른 기계 장치들 간의 인터페이스에서도 널리 사용되고 있다[2]. IMO의 SOLAS 규정을 충족하기 위한 장비는 대부분 NMEA 0183을 준용하는 IEC 61162-1의 표준에 따르며, 디지털 인터페이스, 해상항법 및 무선통신 장비에 대한 시스템의 표준으로 적용된다. IEC 61162-1은 RS 232와 RS 422 시리얼 라인을 통해 정보를 전송하는 표준을 기반으로 하나의 송신자(talker)와 10개까지의 수신자(listener)를 지원한다[3]. IEC 61162-1은 ASCII형태의 정보를 지원하며, 최대 82자까지의 자료를 한번에 전송할 수 있다. IEC 61162-2는 IEC 61162-1의 고속 전송을 지원하기 위한 표준으로서, 물리계층을 제외하고는 IEC 61162-1과 동일하다[4],[5].

어선의 주요 무선설비 VHF-DSC, AIS 및 V-pass 등을 인터페이스 버퍼를 구현하고, MFD(multi function display) 모니터에 통합하여 연동하면 하나의 시스템 형태로 운용할 수 있다.

즉, 3개의 무선설비를 1개의 MFD 모니터를 사용하여 운용하는 간결한 상태로 구성되고, 모니터의 통합은 조타실의 해상 견시 환경을 극대화할 수 있다.

그림 2는 MFD와 무선설비들 간의 LAN 기반 인터페이스에 대한 개통도이다. VHF-DSC, AIS 및 V-pass의 송수신기는 IEC 61162 표준 인터페이스를 사용하므로 인터페이스 버퍼를 통하여 LAN 기반의 메시지로 정형화한 후, 데이터 허브를 경유하여 MFD에 연결된다. 인터페이스 버퍼는 IEC 61162 표준의 메시지와 LAN 기반 메시지를 상호 변환하는 버퍼이다.

그림 2. MFD 인터페이스의 구조

Fig. 2. Schematic of MFD interface.

VHF-DSC의 음성통신은 핸드셑을 이용하여 운용하며, 송수신되는 음성신호는 코덱을 사용하여 음성 및 데이터로 상호 변환되고, 여기에서 데이터는 다시 LAN 기반의 메시지로 정형화되어 데이터 허브를 경유하게 된다. 데이터 허브에서 코덱으로 연결되는 포트는 모두 PoE(power over ethernet) 기능을 제공하여 코덱과 핸드셑에는 데이터허브에서 전용 전원이 공급된다.

선박에서 NMEA 0183 또는 IEC 61162-1 센텐스들을 LAN 기반으로 전송하기 위한 표준으로는 IEC 61162-450이 있으며, 통신은 UDP(user datagram protocol) 멀티캐스트 통신프로토콜로 수행한다. 일반적인 데이터는 NMEA 0183 Ver.4의 메시지 형식인 태그 및 센텐스를 사용하여 송수신하며, 구성요소인 NF(network function block)와 SF(system function block)를 통해서 데이터의 상호교환 및 메시지 처리가 이루어진다. 특징으로는 수신된 패킷에 대해 트랜스포트의 ACK 처리가 없으므로 통신속도가 매우 빠르게 된다[6].

Ⅲ. 데이터 허브의 설계

3.1 데이터 허브 보드의 설계

그림 3은 Gbit 급으로 7포트 이더넷 스위치로 데이터허브의 기능을 갖는 Microchip Technology의 KSZ9897R 디바이스의 블록 다이어그램이며, MFD에서 IP 기반의 LAN 통신을 수행하도록 UDP 패킷을 생성하는 기능의 프로세서이다.

그림 3. KSZ9897R의 블록 다이어그램

Fig. 3. Block diagram of KSZ9897R.

LAN 시스템은 유선 케이블을 사용하여 다른 장치에 static IP 주소로 연결되며, 속도 10/100/1000 Mbps의 IEEE 802.3 준수하는 이더넷 물리계층 트랜시버 KSZ9031R을 사용하였고, LAN 포트에 전원을 공급하는 PoE 칩셋으로 PD69101을 이용하였다. 그림 4는 KSZ9897R 을 중심으로 구현한 데이터 허브 보드와 코넥터이며, AIS, VHF-DSC, V-pass 및 GNSS 모듈 등의 다른 항해, 통신관련 장비도 부가하여 연결할 수 있다[7].

그림 4. 구현된 데이터 허브 보드와 커넥터

Fig. 4. Implemented data hub board & connector.

3.2 UDP 데이타그램의 설계

UDP를 적용하는 IEC 61162-450 프로토콜의 구조는 그림 5와 같이 헤더와 메시지 부분으로 구성되고, MFD는 UDP 프레임에 의한 LAN 기반 통신으로 데이터를 입출력하게 된다. IEC 61162-450은 UDP 멀티캐스팅에 의하여 원하는 장치에서 원하는 정보의 수신을 가능케 하는 매우 간단한 구조를 지니므로 IEC 61162-450을 LWE(light-weight ethernet)라고도 한다.

그림 5. IEC 61162-450의 프로토콜 구조

Fig. 5. Protocol layer of IEC 61162-450.

그림 6은 IEC 61162-450 데이터그램의 구조이며, IP 헤더에는 멀티캐스트 주소 그리고 UDP 헤더에는 2진의 포트번호가 정의되며, 메시지 영역의 데이터는 1,472 byte를 초과할 수 없다.

그림 6. IEC 61162-450 데이타그램의 구조

Fig. 6. Schematic of IEC 61162-450 datagram.

UDP 메시지에는 IEC 61162의 센텐스가 그대로 적용되며, 본 연구에서는 운용하는 무선설비의 상태, 설정 및 제어 등에 필요한 연동의 기능을 부가하는 센텐스를 추가로 개발하였다.

Ⅳ. 연동 메시지 설계

그림 2의 구성도에서 상호 연동으로 운용되는 장비의 종류는 MFD, AIS, VHF-DSC, V-pass, 핸드셑 및 GPS 수신칩이 있다. 이러한 장비간의 연동으로 운용하기 위하여 LAN 기반의 UDP 메시지를 사용하므로 각각 장비에 대한 ID가 필요하다.

IEC 61162-450의 표준에서 UDP 메시지는 UDP 멀티캐스트의 IP 주소 또는 포트넘버를 사용하도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 표 1과 같이 간단한 포트 넘버로 ID를 지정하였다.

표 1. 장비별 ID의 지정

Table 1. Designation of equipments ID.

4.1 AIS 연동 메시지

표 2는 IEC 61162에서 AIS와 MFD의 연동에 주로 사용되는 커맨드의 종류와 기능에 대하여 보인 것으로 이에 대한 센텐스는 IEC 61162에 명확하게 정의되어 있다.

표 2. AIS 연동에 사용되는 센텐스

Table 2. Sentence for AIS link.

IEC 61162의 센텐스는 UDP의 메시지에 그대로 적용하여 사용한다. 그러나 본 연구에서는 표 2의 커멘드에 의한 센텐스외에도 AIS 운용에 필요한 상태의 확인 및 설정을 위하여 다음과 같은 3개의 센텐스를 유저용으로 개발하여 적용하였다.

1) Electronic positioning system (EPS)

AIS 송수신기에 설치된 전자위치시스템의타입을 설정하기 위한 센텐스이며, MFD에서 AIS로 전송하여 설정된다. 

②항에서 Value 1의 값에 따른 설정 내용은 다음과 같다,

0 : GPS Only 1 : GLONASS Only

2 : Beidou Only 3 : Galileo Only

4 : Beidou 5 : Galileo

③항에서 Value 2 값에 따른 설정 내용은 다음과 같다.

0 : Undefined 1 : GPS

2 : GLONASS 3 : combined GPS/GLONASS

4 : Loran-C 5 : Chayka

6 : Integrated navigation system

7 : Surveyed 8 : Galileo

9-14 : Not used 15 : Internal GNSS

2) AIS Information Request(AIQ)

AIS의 송수신 상태에 대한 정보를 요청하는 센텐스로 AIS로 부터 현재의 송수신 상태에 대한 정보를 응답받을 수 있으며, 상태 정보를 얻기 위하여 MFD에서 AIS로 전송된다. 

②항에서 정보요청에 관한 메시지의 종류는 다음과 같다

SBA : SBAS 설정 상태 요청

SIL : Receive Only 모드 사용 여부

EEPS : 외부 GPS 정보 사용 여부

EHDG : 외부 HDG 정보 사용 여부

EROT : 외부 ROT 정보 사용 여부

SSA : SSA 유저키 요청

LR1 : Long Range CH-1 설정값 질의

LR2 : Long Range CH-2 설정값 질의

CLR :: Long Range Info 질의

VER : AIS Version 질의

PWR : TX Power 모드 질의

ALR : 지정한 범위의 알람 요청

006 : AIS IMO 질의

010 : AIS MMSI 질의

3) Set GNSS Data(SGD)

AIS 송수신기에서 GNSS 데이터 이용에 대한 상태를 설정하기 위한 센텐스이며, MFD에서 AIS로 전송하여 설정된다. 

4.2 VHF-DSC 연동 메시지

표 3은 VHF-DSC와 MFD의 연동에 사용되는 센텐스의 종류와 동작을 나타낸 것으로 이것도 IEC 61162의 센텐스로 정의되어 있다. 이것도 UDP 메시지에 그대로 적용하게 된다.

표 3. VHF-DSC 연동에 사용되는 센텐스

Table 3. Commend of sentence for VHF-DSC link.

위의 IEC 61162 센텐스 외에도 VHF-DSC 운용에 필요한 상태의 확인, 설정 및 기능을 위하여 본 연구에서는 다음과 같은 4개의 센텐스를 유저용으로 개발하여 적용하였다.

1) VHF-DSC State Information(VSI )

시스템의 동작과 동시에 자동으로 VHF-DSC에서 현재의 송수신기 상태를 MFD 및 핸드셑으로 전달하는 메시지이다. 

선박의 MMSI, 무선송수신상태, 채널지역(ITU,USA,CAN), 수신주파수 타입, 송신출력(25W/1W), 신호감도, 채널번호, 채널명등의 정보에 변경이 있을시 MFD로전송한다.

해당 메시지를 수신한 MFD는 화면에는 현재의 채널정보, 송수절환 PTT, 송신출력 등의 상태가 표시되며, 핸드셑에는 LCD를 통하여 VHF-DSC의 음성통신 운용에 필요한 채널 및 송수신 상태정보를 확인할 수 있다.

2) VHF-DSC Channel Set-up(VCS)

MFD에서 VHF-DSC로 전송하여 채널상태를 설정하는 메시지이다. 채널타입, 태그상태, 사용유무, 채널명 등을 변경할 때 사용되어 VHF-DSC 송수신 채널에 대한 형식을 설정한다.

3) VHF-DSC Function Command(VFC)

MFD에서 VHF-DSC로 전송되는 메시지이며, 채널스캔, 채널태그, 송신출력, 방향전환, PTT, 스켈치, Mute(음소거) 등의 동작 수행을 위한 명령의 형식에 따라서 VHF-DSC는 해당 기능을 수행하게 된다.

③항에서 기능명령에 대한 종류는 다음과 같다.

1: Dual Scan 2: Tri Scan

3: Scan Enable 4: Tag Scan

5: 채널 Tag 설정 6: ITU Channel

7: USA Channel 8: CAN Channel

9: WX Channel 10: Clear

11: Hi/Low 12: 16/9

13: Up Key 14: Down Key

15: Enter Key 16: Direct Change Channel

17: PTT 18: Distress

19: Left Key 20: Right Key

21: Squelch 22: Mute

4) Hand Set VoIP(VPN)

핸드셑에는 VoIP 방식이 적용되며 여기에는 음성코덱이 사용된다. 핸드셑과 VHF-DSC 간의 음성신호 전달을 위하여 양측에서 마이크와 스피커 입출력 단자에 코덱이 설치되며, 상호 간에는 고정회선 형태의 구조와 센텐스를 가지며, 상호간에 메시지를 전송하므로써 음성데이터를 교환한다.

핸드셑에는 LCD Display Panel, 마이크와 스피커, PTT, 스켈치, 조난버튼 및 볼륨버튼으로 구성되며, 화면의 UI는 MMSI, 채널타입, 전송방식, 채널, 채널명, 송수신 상태, 출력강도, 위, 경도 좌표, UTC 시간 등을 표시하도록 하였다.

4.3 V-pass 연동 메시지

V-pass의 기본동작은 TTAK.KO-06.0281/R2의 “해양경비안 전망을 위한 무선 데이터 통신프로토콜” 표준을 준용해야 하며, 커멘드는 단순하게 1byte의 16진수로 정의되어 있다.

본 연구는 TTA의 표준을 준용하였으며, 근거리 통신방식의 V-pass가 음영해역 또는 서비스 범위를 벗어난 해역에 있는 경우, 쉽게 인식되도록 MFD 화면상에 통신불능 문자를 표시하며, SOS 조난 및 호출의 전파송신 외에는 V-pass에 수신된 정보를 MFD로 취득하는 4개의 기능이 있다. 메시지의 각 항목별 데이터는 TTAK.KO-06.0281/R2의 인덱스에 명시되어 있다[8].

1) 자선 V-pass의 상태정보

커멘드는 숫자 9이며, 선박에 탑재된 V-pass 송수신기의 상태정보를 초당 1회씩 MFD로 전달한다.

2) 수신된 다른 어선 정보

통신권의 해역내에 있는 다른 어선의 V-pass로부터 수신된 메시지는 모두 MFD로 전달한다. 자선으로부터 반경 300m이내의 범위에서 3노트 이상으로 이동하는 위치발신 장치의 어선이 존재하는 경우에는 알람 부져를 울리도록 설정하였다.

3) 해양기상 정보

V-pass에 수신된 해양기상 정보는 MFD로 전달되며, 이때에 사용되는 센텐스는 다음과 같다.

4) SMS 단문 정보

V-pass에 수신된 SMS 및 기타의 메시지를 MFD로 전달하는 센텐스이다.

5) SOS 조난호출 메시지

조난발생 및 호출 상황에서 MFD의 조작에 의하여 V-pass로 전달되어 유일하게 전파로 송신되는 센텐스이다.

Ⅴ. UDP의 운용 평가

5.1 조난 및 호출 모드의 평가

조난 발생시 MFD의 조난 버튼을 3초이상 누르면 조난 프로세스가 발생한다. MFD에서 발생된 조난신호는 VHF-DSC의 Distress 메시지와 V-pass의 SOS 메시지 신호를 Broad Cast 형태로 동시에 발생시킨다. 메시지의 송신후에 시스템은 응답대기 상태로 되며, 타 선박이나 해안국으로부터 응답 메시지가 정상적으로 수신되면, 응답 메시지를 MFD 화면에 표시한다.

응답 메시지는 4분 30초까지 수신을 대기하며, 응답 메시지의 수신이 없으면 재전송 프로세스로 조난신호를 재송한다. 그림 7은 조난 및 호출 모드의 운용프로세스를 보인 것이다.

그림 7. 조난 및 호출 운용모드의 프로세스

Fig. 7. Flowchart of operation mode for distress & calling.

그림 8은 MFD의 조난신호 송신모드 및 송신확인 화면을 보인 것으로 확인시에는 전체 화면이 적색 플리커를 나타낸다.

그림 8. 조난 메세지의 송신 및 확인

Fig. 8. Transmission & confirm of distress message.

5.2 MFD 연동 메시지의 전송 평가

그림 9는 AIS, VHF-DSC, V-pass 및 GPS의 장치로부터 각각 MFD로 전송되는 UDP 데이터그램을 PC 화면의 메시지로 수신되는 상태를 확인하였다. (a)는 AIS에서 수신된 정보를 확인할 수 있었고, (b)는 VHF-DSC 송수신기의 상태정보를 정상적으로 전달하는 모습을 보였다. (c)는 V-pass에서 수신된 정보를 전달하는 상태이며, (d)는 GPS 수신모듈에서 수신된 위치정보를 전달하는 모습이 확인되었다. 이로써 IEC61162-450의 UDP를 사용하는 LAN 기반의 인터페이스가 구현됨을 확인하였다.

그림 9. MFD의 메시지 수신상태 확인

Fig. 9. Confirm of message receiving state in MFD.

Ⅴ. 결론

어선의 통신장비에 IEC61162-450의 표준과 UDP 데이터그램을 적용하여 통합운용을 목표로 LAN 기반 인터페이스를 개발하였고, 데이터가 연동되는 상태를 확인하였다. 장비의 통합화로 구성된 시스템은 긴급상황 발생시 장비간의 연계성이 용이하므로 해상에서의 안전확보 및 해상사고 최소화에 대응하는 S/W를 융통성 있게 설계하고 운용할 수 있는 장점이 있다.

해상안전에 대비하는 설비가 부족한 어선에서 통신은 해상사고에 대응하는 유일한 수단이며, AIS와 V-pass가 자동적으로 주변선박의 정보를 제공하므로 MFD에서 충돌사고의 예측경보를 통하여 사전에 경계를 미리 확보하는 방안은 어선 및 소형 선박의 안전사고 예방에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

소형선박용 LAN 기반 MFD에 대한 연구는 국내에서 처음 시도된 기술이며, 협소하고 열악한 조타실의 환경 및 항해, 통신 설비의 운용 상태를 개선할 수 있는 효과적인 방안이다.

해상안전과 어업환경 개선에 대한 과제는 정부의 현안해결 지원분야로 계속적인 기술개발이 필요하며, 동시에 관련 제품의 표준화를 통하여 호환성을 확보하는 연구도 동시에 추진되어야 할 분야라고 평가된다.