질의 기반 디지털 트윈을 이용한 선박 실시간 모니터링

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확장요약문

1. 서론

선박에서 기계류 진동은 받침대와 선체를 지나 소음으로 방사되므로, 운용 중에 알고 싶은 것은 지금 어느 받침에 얼마의 힘이 들어오고 그 힘이 만드는 소음은 얼마인가이다. 그러나 기존의 디지털 트윈은 수학적 정의 없이 구성되는 경우가 많아, 실물과 맞추기 어렵고 신뢰 범위를 말하기도 어렵다. 이 연구는 트윈을 모사 모델이 아니라 수학적 질의 인터페이스로 정의한다. 즉 답할질문의목록, 측정에서 답으로 가는 보정된 사상, 운용범위, 검증 기록을 함께 선언한 것이 트윈이며, 이로써 예측 범위와 한계가 함께 정의된다.

2. 답할 수 있는 질문의 조건

입력 위치를 아는 선형 시스템에서는, 센서에 보이지 않는 입력 성분이 그 질문에도 무관할 때에만 답이 유일하게 정해진다. 소음 질의 역시 힘을 먼저 복원한 뒤 전달경로로 보내 답한다. 따라서 트윈은 답할 수 있는 질문만 선언하고 그 범위에서만 답한다.

3. 실험및모델보정

실험은 한국기계연구원 선박 목업( 반원통강재셸, 반경0.45 m, 길이1.2 m) 에서수행하였다. 갑판의기계받침3 개에후보 가진점12 개를두고, 가속도계40, 마이크로폰11, 로드셀2 채널을8,192 Hz 로100 초씩 계측하였으며 해석 대역은100~1,200 Hz이다. 단일가진12 개 기록으로 안정한 유리함수 전달 연산자를 보정하고, 역변환 전에 계측값과 비교해 검증하였다(위상오차중앙값구조3.2°, 음향7.6°).

4. 결과

보정된 트윈은 학습에 쓰지 않은2 점동시가진13 개 기록으로 검증하였다(Table 1). 가속도만으로 두 힘을 복원한 결과 로드셀 기준 복소 상대오차 중앙값은0.48, 선언한 진폭 범위 안의6 개기록에서는0.38이었으며, 음압질의는0.50이었다. 실시간성 또한충분하여1 초 창의 인과적 재생에서125 ms 갱신에1.9 ms 가걸렸으며, 창 길이는 계산량이 아니라 추정 정확도가 정한다.

5. 결론

이상에서 유한요소 모델 없이 계측만으로 가진력과 그 소음을 실시간으로 답하는 트윈이 실물에서 성립함을 확인하였다. 그 절차는질문선언, 답가능성증명, 연산자보정, 검증, 선언 범위 내 사용으로 요약된다. 이 트윈은 능동 제어의 기반이 되며, 앞으로 함정 수중방사소음 모니터링으로 확장할 계획이다.