시뮬레이션 시스템은 감성 공학적으로 접근하여 사용자 편의 중심으로 설계하였다. 따라서 항해 지식을 모르는 비전문가도 다양한 시뮬레이션 환경을 쉽게 운용할 수 있다. 설계한 시스템은 Figure 1과 같이 시나리오 편집기 모듈, 항해환경 3차원 시각화 모듈, 3차원 지형 시각화 모듈 및 항해기기 2차원 시각화 모듈, 기록기로 구성된다.

시나리오 편집기 모듈은 시뮬레이션을 위하여 선박의 이름, 종류, 크기, 항로 등을 설정을 통한 시나리오 작성 기능을 제공하며, 시나리오 파일을 생성한다. 3차원 지형 시각화 모듈은 전 세계 항구 및 위험한 협수로에 대한 정밀한 지형과 수심정보 및 내항 항로표지시설을 3차원 이미지 파일로 생성한다. 항해환경 3차원 시각화 모듈은 생성된 시나리오 파일을 이용하여 해상상태와 다양한 종류의 선박이 항해하는 항해공간을 3차원으로 재현한다. 이 모듈은 선박 항해 시각화 부분, 해상환경 시각화 부분으로 구성된다. 항해기기 2차원 시각화 모듈은 항해환경에서 발생하는 상호작용을 전자해도표시시스템(ECDIS), 선박자동식별장치(AIS), 레이더(Radar)와 같은 주요항해기기를 표출한다[4]. 기록기는 시뮬레이션에 대한 전반적인 상황을 기록한다.

시스템은 가상 객체를 통하여 시뮬레이션을 수행한다. 먼저 가상 객체를 정의한 후 시나리오 편집기를 통하여 객체의 세부 속성을 설정하고 시나리오를 생성하여 시뮬레이션을 수행하도록 구성되어 있다. 따라서 시뮬레이션 시스템의 목적에 맞는 시각화에 관련한 가상 객체의 정의가 필요하다. 본 시스템은 선박의 항해를 통하여 MSP를 평가하므로 선박의 항해와 관련한 가상 객체가 필요하다. 4가지의 가상 객체를 정의하였으며 객체에 필요한 세부 속성 정보는 Table 1와 같다. 세부 속성은 시뮬레이션을 위한 기본정보로써 사용자는 시나리오 편집기 모듈로부터 각 객체에 대한 속성을 설정할 수 있다.

시나리오 편집기 모듈에서 생성된 시나리오를 항해환경 3차원 시각화 모듈에서 이용하기 위하여 Table 2와 같이 시나리오 교환 데이터 형식을 정의하였다. 이때, 데이터 처리의 효율성 및 확장성을 위하여 NMEA 0183[5]의 Sentence 형식을 준용하였다. 정의한 데이터 형식은 크게 세 가지로 선박 데이터, 부표 데이터, 환경 데이터가 있다[6].

선박 데이터 형식에서 Time은 시뮬레이션 진행 시간(초), Name은 선박의 이름, Type은 선박의 종류, Longitude와 Latitude는 선박의 현재 위치의 경도 및 위도, Heading은 선수의 방향(도), Breadth는 선박의 폭(m), Height는 선박의 높이(m), Length는 선박의 길이(m), Weight는 배수톤수(t)를 의미하는 필드이다. 또한 부표 데이터 형식에서 Name은 부표의 이름, Type은 부표의 종류, Longitude는 경도, Latitude는 위도, Size는 부표의 크기, Weight 배수톤수(t)를 의미하는 필드이다. 마지막으로 환경 데이터 형식은 해상상태와 관련된 TRI와 시간/위치와 관련된 SIL의 두 가지로 나누어 정의하였다. TRI의 SeaLevel은 해상상태(보퍼트 풍력계급[7] 기준), WindDirection은 바람(파도)의 방향을 의미하는 필드이고, SIL의 Year는 년, Month는 월, Day는 일, Hour는 시, Minute는 분, Second는 초, TimeZone은 런던 그리니치와의 시차, Longitude와 Latitude는 시뮬레이션 시작 중심 위치의 경도 및 위도를 의미하는 필드이다[6]. 본 논문에서 다루는 시스템은 조류 및 조류 방향은 고려하지 않는다.

시나리오 편집기 모듈은 선박 및 부표의 이름, 종류, 폭, 높이, 길이, 배수톤수, 속도, 선박회두 특성 등을 설정하여 선박을 추가하는 기능과 Google Map을 기반으로 해당 선박의 항로를 설정하고 시나리오를 생성하여 텍스트 파일로 출력하는 기능을 한다. 시나리오 편집기 모듈은 Figure 2와 같이 선박/부표 관리(ship/buoy management) 모듈, Google Map(customized Google Map) 모듈, 선박회두 특성에 기반한 위치 보간(position interpolation) 모듈, 시나리오 생성(scenario creation) 모듈로 구성되어 있으며, 각 모듈들의 기능은 다음과 같다[6].

Figure 2: 
Block diagram of scenario editor module

- 선박/부표 관리 모듈: 선박/부표의 속성을 설정하여 추가하거나 삭제할 수 있는 기능 및 Google Map 모듈과 시나리오 생성 모듈에 관련 데이터를 전달한다. Google Map은 웹 프로그래밍 언어인 Java Script를 기반으로 하고 있는데, 기본적으로 웹 프로그래밍 언어는 보안상의 이유로 인하여 로컬 메모리에 직접적인 접근이 불가능하다. 따라서 선박/부표 관리 모듈에서 추가된 선박/부표 값을 Google Map으로 직접 전달하지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 선박/부표 관리 모듈과 Google Map 모듈간의 데이터 교환에는 XML (extensible markup language) 파일을 이용한다.

- Google Map 모듈: 선박/부표 관리 모듈로부터 전달받은 선박 및 부표 관련 XML파일을 로드한 후, Google Map에 선박의 항로(변침점) 및 부표의 위치를 설정하고, 해당 위치의 경도 및 위도를 추출하는 기능을 한다. 추출된 경도 및 위도 데이터는 선박 회두 특성을 부여하기 위하여 위치 보간 모듈로 전달된다.

- 위치 보간 모듈: 보다 정확한 3차원 재현을 위하여 설정된 선박의 예정항로와 선박 시운전시 제공되는 선박의 회두특성을 기반으로 특정 시간의 선박 위치(경위도)를 보간 한다. 이때, 점장도법(Mercator’s projection)을 구현 및 적용하여 보간된 위치 기반의 항로를 도출한다.

- 시나리오 생성 모듈: 3차원 시각화 모듈에서 재현할 수 있도록 선박의 속성 및 보간된 항로, 부표의 속성 및 위치, 해상 환경에 관한 데이터를 처리하여 정의된 시나리오 형식의 텍스트 파일로 출력한다.

항해환경 3차원 시각화 모듈은 시나리오 편집기 모듈을 통해 생성된 시나리오 파일을 기반으로 해양환경, 선박항해 등과 같은 항해환경을 3차원으로 실현하는 기능을 제공한다. 항해환경 3차원 시각화 모듈의 구조는 Figure 3과 같다[8].

Figure 3: 
Block diagram of the navigation environment 3D visualization module

시나리오 편집기로부터 생성된 시뮬레이션 데이터 파일을 읽고 데이터의 파싱 과정을 통하여 그 값을 필요로 하는 각 관리 프로그램으로 할당시킴으로써 항해환경 3차원 시각화 시스템을 실행한다. 항해환경 3차원 시각화 모듈은 파일 관리(file management) 모듈, 운용 관리(operating management) 모듈, 환경 관리(environment management) 모듈, 오브젝트 관리(object management) 모듈을 통해 동작하고, 시스템을 구성하는 각 모듈들의 기능은 다음과 같다.

- 파일 관리 모듈: 시나리오 편집기 모듈을 통해 생성된 시나리오 파일을 정해진 시간 간격으로 불러오고 그 데이터를 운용 관리 모듈로 보낸다.

- 운용 관리 모듈: 이 모듈은 시뮬레이터의 환경요소, 오브젝트 요소, 카메라 등 시각화 시스템 전체를 관리한다. 파일 관리 모듈로부터 입력 받은 데이터를 처리하여 환경 관리 모듈과 오브젝트 관리 모듈로 구분하여 전달한다.

- 환경 관리 모듈: 운용 관리 모듈로부터 전달받은 데이터에 따라 해상 환경의 요소들을 설정하고 제어한다. 해상

환경은 Unity Asset인 Triton과 SilverLining에 의해 제어된다. Triton에서 풍향, 풍속과 같은 바람의 상태를 설정하면 입자 기반의 분무 효과와 평면반사, 거품과 파도의 세기 등을 통해 보퍼트 풍력계급의 상태를 모델링 할 수 있다.

- 오브젝트 관리 모듈: 운용 관리 모듈로부터 전달받은 데이터에 따라 선박의 종류와 크기, 부표 종류와 모양 등의 오브젝트를 생성한다. 생성된 선박 오브젝트에게 시나리오에서 정해진 시간 간격에 따른 위치 및 선수각에 관한 데이터를 전달하여 선박을 항해하게 한다. 시나리오 수정으로 인해 시뮬레이션 데이터 파일이 변경될 때는 파일 관리 모듈에서 일정시간 간격으로 반복적인 읽기 기능을 제공함으로써 변경사항을 확인하고 이를 실시간으로 반영하여 항해환경 3차원 시각화 시스템에 적용시킬 수 있다. 또한, 시간 및 지역(위․경도)에 따라 달라지는 주/야간 효과를 부여하였고 카메라 위치를 자유롭게 이동할 수 있어 사용자가 원하는 다양한 관점에서의 시각화가 가능하다.

복잡한 항구 및 위험한 협수로에서 유용한 MSP개발을 위해서는 정밀하고 현실세계와 유사한 지형이 구현되어야 한다. 실제 항해환경과 유사한 3차원 지형 시각화 환경을 구현하기 위해서는 Figure 4와 같이 고도정보(elevation data), 수심정보(bathymetric data)와 항로표지정보(AtoN data)를 포함해야 한다. Global Mapper 도구를 이용하여 전자해도(ENC)로부터 수심정보와 항로표지정보를 획득 하였고 3차원 항구의 지형을 구현하기 위한 고도정보(elevation data)는 NASA의 SRTM v4.1 디지털 고도 지도 데이터베이스에서 획득하였다. Unity Terraland Earth Asset을 이용하여 수심지형과 고도지형을 병합하고 위성영상을 중첩하였다. 항로표지시설은 3차원 지형 시각화 모듈 또는 시나리오 편집기에서 전자해도에 따라 배치된다. 시뮬레이션이 항구 또는 협수로 등과 같은 지형이 필요한 내항에서 수행할 경우 3차원 지형 시각화 모듈에서 사전 등부표의 시설이 전자해도에 표시된 것과 같이 배치된다. 마지막으로 현실 세계와 유사한 지형 구현을 위하여 건물, 다리, 자동차, 항만 크레인과 같은 객체를 Unity TerraCity Asset을 이용하여 배치한다. Figure 5는 3차원 지형 시각화 모듈을 이용하여 구현된 3차원 부산항 지형 모델이다[9].

Figure 4: 
Block diagram of 3D terrain visualization module

Figure 5: 
Busan port made by the 3D terrain visualization module

항해기기 2차원 시각화 모듈은 선박에 탑재되는 주요 항해 장비인 레이더, 전자해도표시시스템의 모델링을 위해 설계하였다. 전자해도표시시스템은 항해용 센서들로부터 데이터를 입력받아서 전자해도를 기반으로 하여 선박의 위치와 정보를 표시한다. 레이더는 전파를 발신하여 물체로부터 반사파를 수신하는 방식으로 물체를 탐지하고, 그 방향 및 거리를 알아내는 장비이다. 항해기기 2차원 시각화 모듈은 Figure 6에서 보는바와 같이 항해환경 3차원 시각화 모듈에서 시뮬레이션에 참여하는 선박의 수와 위치 정보를 XML 파일형식으로 입력을 받고 Google Map에 표시한다. 레이더는 선박오브젝트와 Google Map지형을 실제 레이더파가 반사하는 모양으로 묘사하여 나타내고 전자해도표시시스템은 본선 또는 타선의 과거 및 현재 항적의 정보를 표시한다. Figure 7과 Figure 8은 구현된 항해기기의 전자해도표시시스템과 레이더의 2차원 시각화 모듈이다.

Figure 6: 
Block diagram of the navigation equipment 2D visualization Module

Figure 7: 
Creation of the ECDIS 2D visualization module

Figure 8: 
Creation of the Radar 2D visualization Module

시스템의 개발 환경은 Figure 9와 같다. Microsoft Windows 7 Professional의 운영체제에서 시나리오 편집기 모듈은 Visual Studio 2008을 이용하여 C# 및 Google Map API를 기반으로 개발하였으며, 3차원 시각화 모듈은 Unity 3D Pro 4 및 Unity 전용 개발도구인 MonoDevelop를 이용하여 개발하였다. Unity 3D는 3차원 게임제작을 위한 도구지만 다양한 기능을 제공하고 있어 시뮬레이션 시스템의 개발 엔진으로 사용하기에 적합하다. 특히, Asset Store를 활용하면 지형, 바람, 파도와 같은 특수효과도 좋은 품질의 3차원 그래픽 작업이 쉽게 가능하다. 3차원 해상상태 및 시간/위치에 따른 환경 변화를 구현하기 위해 Sundog사에서 개발한 Unity Asset인 Triton 및 SilverLining을 이용하여 3차원 시각화 시스템을 구현하였다. 끝으로 시뮬레이션에 포함되는 다양한 선박의 가시화 그래픽과 등부표시설등은 Autodesk사의 3ds Max 2013을 이용하여 모델링하였다.

Figure 9: 
Development environments

선박의 모델링은 항해환경 3차원 시각화 모듈에서 실제 선박과 유사한 3차원 시각화를 위한 그래픽과 선박의 동적운동 모델링으로 구분할 수 있다. 본 시스템에서는 컨테이너선, 일반화물선, 유조선, 여객선, 소형선등에 대하여 대/중/소 선박을 구분하여 3차원 시각화를 위한 그래픽을 구현하였다. Unity Asset Triton을 통해 Unity 3D에서 기본적으로 파도와 같은 해상환경을 구현할 수 있다. 파도에 의해 해수면에 대한 mesh 높이 값을 획득하여 선박의 부력 표현이 가능하기 때문에 파도의 높이차를 이용하여 선박의 Roll, Pitch의 표현이 가능하다. 본 시스템에서는 시뮬레이션에 참여하는 선박의 외력에 따른 동적운동 모델링은 항해 경험이 풍부한 항해사의 경험과 의견을 통하여 적용하였으며, 선박의 회두 특성은 시운전시 선박에 주어지는 선박 회두 특성 그래프를 사용하여 구현하였다.

설계한 내용을 기반으로 시스템을 구성하는 각 모듈을 구현하였다. 먼저, 시나리오 편집기 모듈의 사용자 인터페이스는 C#을 기반으로 Figure 10과 같이 구성하였으며, 전자해도 파일로부터 추출한 수심정보, 항로표지정보 등을 Google Map을 통해 표현하였다. 시나리오 편집기 모듈은 환경 설정 메뉴, 시나리오에서 선박 및 부표의 추가 설정을 위한 선박/부표 설정 및 추가부, 선박의 항로 설정 및 부표의 위치 설정부, 시나리오 데이터의 전송시간 설정을 위한 시간 간격 설정 및 시나리오 생성 버튼, 선박의 변침점 출력부, 생성된 시나리오 출력부 등으로 이루어져있다. 반면에 항해환경 3차원 시각화 모듈 및 3차원 지형 시각화 모듈은 시나리오의 시각화 및 지형의 시각화와 관련한 기능을 담당하기 때문에 별도의 사용자 인터페이스를 가지지 않는다.

Figure 10: 
Creation of simulation scenario using the scenario editor module

시나리오 편집기 모듈을 이용하여 Figure 10과 같이 4척의 선박을 설정 및 추가한 후, 자선(흑색선)은 남서쪽 방향으로 진행하도록 항로를 설정하고, 나머지 3척의 선박(갈색/녹색/연두색선)은 북동쪽 방향으로 진행하도록 항로를 설정하여 자선과 3척의 배가 교차하는 상황이 발생하도록 하였다. 또한 이를 기반으로 10초 간격으로 시나리오를 생성하였으며 생성된 시나리오 파일 중 자선에 관한 데이터는 Table 3와 같다. 각 라인은 ‘$’로 시작하며 시뮬레이션 진행 시간(시간 간격 : 10초), 선박 이름(ownShip), 선종(0 – 컨테이너선), 선박의 위치인 경도 및 위도, 선수방향, 폭(40m), 높이(45m), 길이(300m), 배수톤수(90000t)등이 지정된다. Figure 11는 이러한 과정을 통해 생성된 시나리오를 이용하여 3차원으로 재현한 후 카메라를 여러 관점으로 전환한 화면이다. 이를 통해 항해중 항해사가 견시를 통하여 항해정보를 획득하는 효과와 유사하게 구성하였다.

Figure 11: 
Visualization of simulation using the 3D visualization module