조선 공정 계획의 수립 완성도 향상을 위한 이산 사건 및 이산 시간 혼합형 시뮬레이션 프레임워크 Combined discrete event and discrete time simulation framework for the improvement of shipbuilding process planning원문보기
본 연구에서는 조선 공정 계획의 수립 완성도 향상을 위한 다양한 시뮬레이션 시스템의 개발을 지원하는 시뮬레이션 프레임 워크(simulation framework)를 제안하였다. 그리고 제안된 시뮬레이션 프레임워크의 핵심 부분인 시뮬레이션 커널을 구현하였다. 구현된 시뮬레이션 커널은 이산 사건(discrete event)과 이산 시간(discrete time) 시뮬레이션뿐만 아니라 이들이 혼합된 형태의 시뮬레이션도 처리 가능하도록 하였다. 제안된 시뮬레이션 프레임워크의 효율성과 효용성을 평가하기 위해, 이를 조선 분야의 블록 탑재 공정(block erection process)에 적용하였다. 그 결과, 제안된 시뮬레이션 프레임워크가 조선 공정 계획을 위한 다양한 시뮬레이션 시스템을 개발하는데 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 조선 공정 계획의 수립 완성도 향상을 위한 다양한 시뮬레이션 시스템의 개발을 지원하는 시뮬레이션 프레임 워크(simulation framework)를 제안하였다. 그리고 제안된 시뮬레이션 프레임워크의 핵심 부분인 시뮬레이션 커널을 구현하였다. 구현된 시뮬레이션 커널은 이산 사건(discrete event)과 이산 시간(discrete time) 시뮬레이션뿐만 아니라 이들이 혼합된 형태의 시뮬레이션도 처리 가능하도록 하였다. 제안된 시뮬레이션 프레임워크의 효율성과 효용성을 평가하기 위해, 이를 조선 분야의 블록 탑재 공정(block erection process)에 적용하였다. 그 결과, 제안된 시뮬레이션 프레임워크가 조선 공정 계획을 위한 다양한 시뮬레이션 시스템을 개발하는데 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
In this study, a simulation framework, which can support developing various simulation systems for the improvement of process planning in shipbuilding such as the block erection, the block turn-over, and so on, is proposed. In addition, a simulation kernel, which is a key component of the simulation...
In this study, a simulation framework, which can support developing various simulation systems for the improvement of process planning in shipbuilding such as the block erection, the block turn-over, and so on, is proposed. In addition, a simulation kernel, which is a key component of the simulation framework, is implemented according to the concept of the combined discrete event and discrete time simulation. To evaluate the efficiency and applicability of the proposed simulation framework, it is applied to the block erection process in shipbuilding. The result shows that the proposed simulation framework can provide the consistent, integrated development environment for a simulation system, as compared with existing studies and commercial simulation systems.
In this study, a simulation framework, which can support developing various simulation systems for the improvement of process planning in shipbuilding such as the block erection, the block turn-over, and so on, is proposed. In addition, a simulation kernel, which is a key component of the simulation framework, is implemented according to the concept of the combined discrete event and discrete time simulation. To evaluate the efficiency and applicability of the proposed simulation framework, it is applied to the block erection process in shipbuilding. The result shows that the proposed simulation framework can provide the consistent, integrated development environment for a simulation system, as compared with existing studies and commercial simulation systems.
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문제 정의
이 연구에서는 선박 건조 공정을 제품(production), 공정(process), 설비(resource) 관점으로 분석한 후, 선박 건조 공정을 위한 시뮬레이션 모델을 IDEF(ICAM DEFinition)와 UML(Unified Modeling Language)을 이용하여 정의하였다. 또한 조선소의 기존의 일정 계획 정보를 시뮬레이션에 활용하려는 시도를 하였다. 하지만 개발된 시뮬레이션 프레임워크는 상용 시뮬레이션 툴을 기반으로 하기 때문에 상용 시뮬레이션 툴이 변경될 경우 시뮬레이션 프레임워크를 새로 개발해야하고, 조선소의 기존의 설계 및 생산정보 중 하나인 CAD 정보를 시뮬레이션에 활용하기가 어렵다는 단점이 있다.
본 연구에서는 Praehofer가 개발한 시뮬레이션 프레임워크와 유사하게 이산 사건과 이산 시간이 혼합된 시뮬레이션 대상을 처리할 수 있는 조선 공정용 시뮬레이션 프레임워크를 제안하였고, 이를 조선 블록탑재(block erection) 시뮬레이션에 적용해보았다. 즉, 제안한 시뮬레이션 프레임워크를 활용해 블록 탑재 공정 시 발생할 수 있는 문제점을 미연에 방지하고자 하는 것이 본 연구의 최종 목표이다.
시뮬레이션 모델은 계층적 모델구조를 정의하는 역할하며, 시뮬레이션 엔진은 모델간의 사건들을 관리(event scheduling)하고 처리(event handling)하는 역할을 한다. 본 연구에서는 이산 사건, 이산 시간 및 이들이 혼합된 시뮬레이션에 대해 위와 같은 기능을 수행할 수 있는 시뮬레이션 커널을 구현하였다.
예컨대 골리앗 크레인이 블록을 들고 이동할 때(골리앗 크레인과 블록은 와이어, 샤클(shackle), 러그(lug)로 연결됨, 그림 7 참조) 블록의 과도한 움직임에 의해 블록이 추락하거나(그림 8의 ①) 후행 탑재되는 블록이 도크 내에서 선행 탑재된 블록과 간섭이 발생(그림 8의②)하는 등의 문제가 발생하고 있다. 본 연구에서는 전자의 문제를 사전에 방지하기 위한 블록 탑재 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 즉, 이 프로그램은 골리앗 크레인이 블록을 들고 이동할 때 와이어와 러그 사이의 장력과각도(angle)를 계속 계산하면서 이 값이 각각 허용 장력(사용되는 와이어의 종류에 따라 다음)과 허용 각도(10도)를 초과하는지를 검사하게 된다.
본 연구에서는 조선 공정 계획의 수립 완성도 향상을 위한 다양한 시뮬레이션 요구에 대응하기 위해 시뮬레이션 시스템을 효과적으로 개발할 수 있는 통합 개발 환경인 시뮬레이션 프레임워크를 제안하였고 이의 프로토 타입을 구현하였다. 이를 위해 먼저 이산 사건과 이산 시간이 혼합된 시뮬레이션을 처리할 수 있는 시뮬레이션 커널을 구현하였다.
본 연구에서는 Praehofer가 개발한 시뮬레이션 프레임워크와 유사하게 이산 사건과 이산 시간이 혼합된 시뮬레이션 대상을 처리할 수 있는 조선 공정용 시뮬레이션 프레임워크를 제안하였고, 이를 조선 블록탑재(block erection) 시뮬레이션에 적용해보았다. 즉, 제안한 시뮬레이션 프레임워크를 활용해 블록 탑재 공정 시 발생할 수 있는 문제점을 미연에 방지하고자 하는 것이 본 연구의 최종 목표이다.
가설 설정
즉, 블록 탑재 일정에 따라 블록을 “Crane” 모델에 전달하는 역할을 하고, “Crane” 모델에 의해 탑재가 완료된 블록을 입력 받으며, 다음 탑재 일정에 따라 해당블록을 “Crane” 모델에 전달하는 역할을 한다. 본 연구에서는 블록 탑재 일정 즉, 블록 탑재 순서가 주어진 것으로 가정하였다. “Crane” 모델은 “Block Controller” 모델로부터 입력된 블록을 탑재하기 위해 해당 블록의 현재 지번(area code, 블록의 이동 전 위치)으로 이동한 후 블록과 연결을 한다.
제안 방법
따라서 단위시간마다 이산 시간 상태 변수(“Tension”과 “Angle”)을 계산하고 새로운 사건이 발생하였을 때 이를 처리하는 함수를 정의하였다(그림 12의 ⑦, ⑧, ⑨).
그 결과 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 커널의 성능이 보다 뛰어남을 확인하였다. 마지막으로 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 이를 조선 블록 탑재 공정에 적용하였다. 그 결과 블록 탑재 공정을 포함한 다양한 조선 공정에 활용 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 조선 공정 계획의 수립 완성도 향상을 위한 다양한 시뮬레이션 요구에 대응하기 위해 시뮬레이션 시스템을 효과적으로 개발할 수 있는 통합 개발 환경인 시뮬레이션 프레임워크를 제안하였고 이의 프로토 타입을 구현하였다. 이를 위해 먼저 이산 사건과 이산 시간이 혼합된 시뮬레이션을 처리할 수 있는 시뮬레이션 커널을 구현하였다. 개발된 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 기존에 개발된 이산 사건 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 커널과의 성능 비교를 수행하였다.
5 리터가 되었을 때 발생한다. 이상과 같이 음료 주입기 시뮬레이션은 사건에 따라(빈 음료수 병 입력, 음료수 주입 완료 등) 모델(음료주입기)의 상태를 변경시키며 시뮬레이션을 진행하며, 모델이 특정 상태(음료 주입기가 음료수 병을 채우는 상태)일 때는 단위 시간 마다 모델의 상태 변수를 계산하여 시뮬레이션을 진행한다. 따라서 이 시뮬레이션은 이산 사건 시뮬레이션과 이산 시간 시뮬레이션이 혼합된 시뮬레이션이라는 것을 알 수 있다.
이 놀이 기구의 운행시간은 3분으로 한번에 2명의 고객이 이용할 수 있다. 이용 요금이 고가인 대신 15초에 한 번씩 고객의 표정을 찍어 주는 서비스 전략을 세웠다. 따라서 사진을 잘 찍기 위해서는15초 마다 놀이 기구의 정확한 위치를 파악하여 고객의 얼굴을 선명하게 찍을 수 있게 카메라를 설치하는 것이 중요하였다.
즉, “Block Controller” 모델의 출력인 “block”을“Crane” 모델의 입력으로, “Crane” 모델의 출력인 “block”을 “Block Controller” 모델의 입력으로 설정하였다.
본 연구에서는 전자의 문제를 사전에 방지하기 위한 블록 탑재 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 즉, 이 프로그램은 골리앗 크레인이 블록을 들고 이동할 때 와이어와 러그 사이의 장력과각도(angle)를 계속 계산하면서 이 값이 각각 허용 장력(사용되는 와이어의 종류에 따라 다음)과 허용 각도(10도)를 초과하는지를 검사하게 된다.
데이터처리
이를 위해 먼저 이산 사건과 이산 시간이 혼합된 시뮬레이션을 처리할 수 있는 시뮬레이션 커널을 구현하였다. 개발된 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 기존에 개발된 이산 사건 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 커널과의 성능 비교를 수행하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 커널의 성능이 보다 뛰어남을 확인하였다.
이론/모형
우종훈(2005)은 상용 시뮬레이션 툴인QUEST(QUeuing Event Simulation Tool)를 기반으로 한 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고 이를 선박 건조 공정에 적용하였다. 이 연구에서는 선박 건조 공정을 제품(production), 공정(process), 설비(resource) 관점으로 분석한 후, 선박 건조 공정을 위한 시뮬레이션 모델을 IDEF(ICAM DEFinition)와 UML(Unified Modeling Language)을 이용하여 정의하였다. 또한 조선소의 기존의 일정 계획 정보를 시뮬레이션에 활용하려는 시도를 하였다.
그리고 구현된 시뮬레이션 커널의 성능을 검증하기 위해 조선 블록 탑재 블록 탑재 시뮬레이션 시스템(그림 5의 ⑤)를 구현하였다. 이때 응용 시뮬레이션 요소 중 역학 모듈(그림 5의 ③)과 충돌 검사 모듈(그림 5의 ④)은 공개용 프로그램인 ODE(Open Dynamic Engine)(2008)을 이용하였다.
성능/효과
개발된 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 기존에 개발된 이산 사건 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 커널과의 성능 비교를 수행하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 커널의 성능이 보다 뛰어남을 확인하였다. 마지막으로 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 이를 조선 블록 탑재 공정에 적용하였다.
마지막으로 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 커널의 효용성을 검증하기 위해 이를 조선 블록 탑재 공정에 적용하였다. 그 결과 블록 탑재 공정을 포함한 다양한 조선 공정에 활용 가능함을 확인하였다.
이상과 같이 음료 주입기 시뮬레이션은 사건에 따라(빈 음료수 병 입력, 음료수 주입 완료 등) 모델(음료주입기)의 상태를 변경시키며 시뮬레이션을 진행하며, 모델이 특정 상태(음료 주입기가 음료수 병을 채우는 상태)일 때는 단위 시간 마다 모델의 상태 변수를 계산하여 시뮬레이션을 진행한다. 따라서 이 시뮬레이션은 이산 사건 시뮬레이션과 이산 시간 시뮬레이션이 혼합된 시뮬레이션이라는 것을 알 수 있다. 이러한 시뮬레이션을 이산 사건과 이산 시간 혼합형 시뮬레이션(combined discrete event and discrete time)이라고 한다(Praehofer, 1991, 2000, 2001; Zeigler, 2006).
즉, 블록 탑재가 진행됨에 따라 와이어와 러그 사이에 걸리는 장력과 와이어와 러그 사이의 각도 변화를 각각 나타낸 것이다. 블록 탑재 도중 와이어와 러그 사이에 걸리는 장력이 허용 값을 초과하여 작업자가 골리앗 크레인의 이동가속도를 감소시켰고, 그 결과 장력의 변화율이 감소되었음을 알 수 있다.
최종 결과물인 응용 시뮬레이션 시스템은 시뮬레이션에 필요한 응용 모델을 생성하고, 필요에 따라 데이터베이스와 연결하거나 동역학 계산 및 충돌 검사를 할 수 있는 외부모듈을 추가하는 과정을 통해 구현될 수 있다. 예컨대, 블록 탑재 시 골리앗크레인이 블록을 들어 올릴 때 시간에 따른 블록의 움직임을 알고 싶을 경우, 동역학 계산을 할 수 있는 모듈이 필요하다.
후속연구
만약 적용분야에 구애 받지 않고, 기존의 설계 및 생산정보를 그대로 활용할 수 있는, 일관되고 통합된 시뮬레이션 시스템의 개발 환경(“시뮬레이션 프레임워크(simulation framework”)이 개발된다면 조기에 정확한 공정 계획을 수립할 수 있을 것이다.
향후에는 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 프레임워크의 모든 구성 요소(그림 4 참조)를 구현하고 다양한 조선 공정 분야에 적용하여 시뮬레이션 프레임워크의 효용성을 향상시키고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우종훈은 어떤 것을 기반으로 한 시뮬레이션 프레임워크를 개발하였는가?
우종훈(2005)은 상용 시뮬레이션 툴인QUEST(QUeuing Event Simulation Tool)를 기반으로 한 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고 이를 선박 건조 공정에 적용하였다. 이 연구에서는 선박 건조 공정을 제품(production), 공정(process), 설비(resource) 관점으로 분석한 후, 선박 건조 공정을 위한 시뮬레이션 모델을 IDEF(ICAM DEFinition)와 UML(Unified Modeling Language)을 이용하여 정의하였다.
이산 사건이란?
여기서 모델의 상태 변수를 변경시키는 외적 및 내적 요인을 각각 외부 사건(external event), 내부 사건(internal event)이라고 한다. 이러한 외부 및 내부 사건이 단속적으로 발생하는 것을 이산 사건(discrete event)라고 한다. 그리고 외부 및 내부 사건에 의해 모델의 상태 변수가 변화하는 과정을 도출하는 것, 즉 시간의 변화에 따라 상태 변수의 변화를 계산하는 것을 “시뮬레이션(simulation)”이라고 한다.
공정 계획 시뮬레이션을 자체적으로 개발하거나 상용 시뮬레이션 시스템을 이용하여 공정 계획을 수립하는 것의 문제점은 무엇인가?
이러한 노력의 일환으로, 현업에서는 공정 계획 시뮬레이션을 위한 시스템을 자체적으로 개발하거나 상용 시뮬레이션 시스템을 이용하여 공정 계획을 수립하고 있다. 그러나 이러한 방법은 적용 분야가 달라질 때마다 새로운 시스템의 개발에 따른 시간과 인력의 소비, 기존 시스템의 재사용의 어려움, 상용 시스템의 이용에 따른 현업의 다양한 요구 반영의 어려움 등의 측면에서 효율적이지 못하다. 또한 기존의 설계 및 생산정보(CAD 정보, 공정 및 일정계획정보 등)를 가공 없이 그대로 시뮬레이션에 활용하기가 어렵다. 만약 적용분야에 구애 받지 않고, 기존의 설계 및 생산정보를 그대로 활용할 수 있는, 일관되고 통합된 시뮬레이션 시스템의 개발 환경(“시뮬레이션 프레임워크(simulation framework”)이 개발된다면 조기에 정확한 공정 계획을 수립할 수 있을 것이다.
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