기계/자동차/부품

Nikkei Robotics_2018.6 Case Study (p18~21)

선박 안을 비행하는 드론
화물선이나 탱커의 법정 점검에서 선박 안을 자동 촬영

선박점검회사 TECHNOS MIHARA(이하, 테크노스)의 무카이다(向田) 사장은 “선박 업계는 앞으로 자동점검 방향으로 진행될 것이다”라고 말한다. 테크노스는 길이 220m나 되는 거대 화물선 내부의 점검에 드론을 선구적으로 도입한 기업이다. 조선업이 활발한 히로시마현에 본사를 두고 있으며 약 4년전부터 드론에 주목해 왔다. 선박 내부 점검을 드론으로 실시하는 구체적인 전망이 섰다. 육상의 인프라 점검 등에서 점점 활용도가 높아지고 있는 드론. 그 드론의 활약 장소가 드디어 바다에 떠 있는 선박 내부로까지 확산되기 시작하였다.

선박에는 국내에서만 운항하는 내항선과 외국으로도 가는 외항선이 있다. 테크노스는 이번에 외항선 점검을 드론으로 시행하였다. 철광석이나 곡물 등의 원재료를 운반하는 산적화물선의 화물실과 원유를 운반하는 탱커 내부를 드론으로 촬영하였다. 이들은 교량이나 댐과 같은 토목 인프라 설비에 필적하는 거대 건조물이다. 점검해야 할 곳도 많다. 선박 안을 벽에 접근해서 비행하면서 부식이나 크랙 등을 조사하였다.

예전에는 화물실이 여러 개인 대형 선적화물선을 점검할 때, 사람이 고소작업차를 타고 높이 30m의 위치에 있는 부재 등을 육안으로 점검했었다. 드론을 도입하면서 이러한 위험한 작업이 불필요하게 되었다. 또한 기존에는 고소작업차에서는 보기 어려웠던 구조물의 뒤쪽 등도 확인할 수 있는 등 점검 범위도 넓어졌다.

본지는 테크노스의 선진적인 드론 활용 사례로서 2회에 걸쳐서 소개한다. 이번에는 전편으로서 테크노스가 드론에 주목하게 된 경위, 선박 점검의 구조, 선박 특유의 구조로 인한 드론 활용의 어려움에 대해 설명한다.

-- 5년에 1번의 정기점검이 의무 --
외항선은 자동차 점검과 같은 법률에 의해 선박 소유자에게 점검을 의무화하고 있다. 빈도는 5년에 1번. 선박 소유자인 해운회사 등의 선주가 선박의 관리를 위탁하고 있는 선박관리회사를 통해 검사를 신청해서 검사를 받는다. 외항선의 경우는 이 검사에 합격하지 못하면 실질적으로 선박을 운항시킬 수 없다. 구체적으로는 검사를 받는데 있어서 선박의 사양이나 성능에 대한 국제적인 등급인 ‘선급 증서’를 경신할 필요가 있다. 자동차로 말하면 ‘차량검사증’과 같은 것이다. 선박은 수선하면서 약 20년간 사용할 수 있는데다 원유 등이 새어 나온다면 심각한 해양오염이 발생한다. 이 때문에 안전확보나 환경보전의 관점에서 이상이 있는 곳을 찾아내는 검사는 중요하다.

이러한 외항선의 점검업무는 정부에게서 권한을 부여 받은 세계 각국의 ‘선급협회’라는 조직이 감독한다. 선급협회는 선박의 안전기준이나 기술기준 등을 독자적으로 규정하고 있으며 선급증서도 이 기준에 따라 발행한다. 법정 점검도 이 기준에 따라 실시한다. 또한 선박의 국적에 해당하는 ‘선적’이 어디인지에 관계없이 선주가 자유롭게 각국의 선급협회를 고를 수 있다.

테크노스는 일본의 선급협회인 일본해사협회(ClassNK)와 함께 미국과 영국 등의 선급협회로부터 검사사업소 인정을 취득하였기 때문에 이들 선급협회들로부터 의뢰를 받아 실제 점검업무를 시행한다. 구체적으로는 선체의 판(板)재료 두께가 기준치를 충족하고 있는지를 측정하거나 초음파를 사용하여 화물실의 해치커버의 누설 시험 등을 실시한다.

테크노스는 5년에 1번의 정기점검에서 2종류의 단계로 드론을 활용한다. 하나는 선박관리회사로부터 의뢰를 받아 실시하는, 수선에 대한 예산 견적을 뽑기 위한 사전 조사다. 다른 하나는 선급협회가 감독하는 정기검사를 지원하는 업무다. 일본 국적의 외항선은 200척 정도로 많지 않지만 테크노스는 각국의 선급협회로부터 인정을 받고 있기 때문에 담당하고 있는 안건은 많다. 일본의 ClassNK가 선급을 발행하여 검사 대상으로 하는 선박만 약 8,000척에 달한다. 이 중의 일부를 테크노스가 검사하고 있다.

-- GPS전파가 수신할 수 없는 환경 --
무카이다 사장이 드론에 주목하게 된 것은 2014년 무렵이다. 테크노스는 선박뿐 아니라 같은 거대 구조물인 교량 등도 점검한다. 그 부서에서 드론의 존재를 듣고 선박의 점검에도 사용할 수 있을 것으로 직감하였다고 한다.

그 후에 중국 DJI사의 민간용 드론 ‘Phantom3’나 Luce Search의 산업용 드론 ‘SPIDER’를 구입하여 히로시마현의 쓰네이시조선과 아이치현의 이와기조선의 협력을 얻어 선박 안에서 이들 드론을 테스트 비행한 결과 의외의 일이 일어났다. “이륙한 후에 비행이 불안정해지면서 추락하여 점검을 할 경황이 아니었다”(무카이다 사장). 테크노스는 드론에 기대를 걸었던 만큼 크게 낙담했다고 한다.

드론은 왜 선박 안을 비행하지 못했을까? 뜻밖에도 선박 특유의 구조가 드론 비행을 어렵게 만들었다. 드론이 안정 비행하는데 불가결한 GPS전파를 수신하기 어려웠다는 점이 가장 큰 원인이었다.

테크노스가 2015년 무렵에 드론을 사용하여 점검한 선적화물선은 1개의 화물실 크기가 세로∙가로∙깊이가 각각 30m로 거대한 창고와 같았다. 일반적으로 화물을 적재하고 있을 때는 철광석 등의 운반물 투입구인 화물실의 천장 부분은 개폐식의 문이 닫혀 있다. 점검할 때는 이 천장의 문을 열고 화물실 안은 빈 상태로 한다.

천장이 열려 있는 상태에서는 화물실 안에서 하늘도 보이기 때문에 언뜻 옥외와 같다. GPS전파도 수신할 수 있다고 생각할지도 모른다. 그러나 화물실 전체는 아가리가 오므라진 항아리와 같은 모양을 하고 있다. 드론이 점검하는 것은 철로 만든 화물실 내부의 벽이다. 이 벽의 상부는 천장이 돌출되어 있어 GPS전파 수신 상황은 옥내에 가까운 환경이 된다. 드론이 공중에서 안정적으로 호버링하기 위해서는 최소한 4개 이상의 GPS위성으로부터 전파를 수신하여 정확한 위치정보를 취득할 필요가 있다.

옥외의 경우도 교량의 주형(Main Girder) 밑을 점검하는 드론이 상부의 주형에 방해를 받아 GPS전파를 수신하지 못해 비행하지 못하는 것과 같은 이유다.

이상의 이야기는 자율비행 때만 아니라 수동으로 조종할 때도 마찬가지다. 드론을 수동 조종할 때 GPS전파를 수신하지 못하게 되면 예기치 못한 움직임이 발생하는 경우가 있다. 때문에 드론 중에는 GPS전파를 수신할 수 없게 되었을 때도 안정적으로 비행할 수 있도록 초음파센서나 거리이미지센서 등을 탑재함으로써 벽이나 바닥 등과의 거리를 측정할 수 있도록 하여 용장성(Redundancy)을 갖게 한 기체도 있다. 가속도센서와 자이로센서만으로 자세를 제어하는 경우에는 바람에 날려 고도도 불안정하게 된다. 테크노스가 최초에 도입한 드론은 이러한 GPS의 기능을 하는 용장센서가 불충분했다고 볼 수 있다.

-- 철판에 둘러싸인 화물실 내부 --
선내에서 드론 비행이 안정적이지 못했던 다른 원인은 자성 간섭이다. 일반적으로 드론은 기체가 전후∙좌우의 어느 쪽을 향하고 있는지를 검출하기 위해 전자컴퍼스를 탑재하고 있다. 지자기를 보고 있기 때문에 근처에 강한 자성체가 있으면 계측 결과가 틀리게 된다. 이 전자컴퍼스가 정상적으로 교정되지 못한 상태로 비행하는 경우에는 비행이 불안정하여 사고가 발생할 가능성이 있다.

선적화물선은 원래 철로 구성된 구조물로 철판에 둘러싸여 있다. 때문에 전자컴퍼스가 자성 간섭을 받아 비행이 안정적이지 못했다고 보여진다.

테크노스가 당시 사용한 것은 Phantom3지만, 그 후계기로 초음파센서나 스테레오카메라 등 각종 센서를 풍부하게 탑재한 ‘Phantom4 Pro’조차도 사용자 매뉴얼에는 비행 환경 요건으로서 “옥외에서만 비행하세요. 높은 건조물이나 거대 금속제 건조물은 기체에 탑재되어 있는 컴퍼스나 GPS시스템의 정밀도에 영향을 미칠 수 있습니다”라고 명기하고 있을 정도다.

-- 신형 드론으로 점검에 활로 --
드론 활용을 포기할 수 없었던 테크노스는 GPS에 의존하지 않고도 비행할 수 있는 드론은 없는지 끊임없이 모색하였다. 그리고 2015년에 개최된 ‘인터내셔널 드론 엑스포’에서 자율제어시스템연구소(ACSL, 지바현)의 자율비행 드론을 만났다.

  -- 끝 --