컨테이너 물동량 증가와 컨테이너선의 대형화에 따라서 항만 하역장비는 지속적으로 변화하고 있다. 본 연구는 항만 하역장비 가운데 컨테이너크레인의 기계적 생산성을 상세히 평가하기 위해 개발된 시뮬레이션 모델을 소개한다. 모델은 컨테이너크레인의 메커니즘으로 싱글 및 듀얼트롤리 방식을, 스프레더 유형으로 싱글, 트윈, 탠덤 방식을 고려하고 컨테이너크레인의 규모와 속도 등에 관련된 세부 사양을 입력받아 기구학적 특성을 구현한다. 또한 외부의 물리적 제약으로 선박의 크기, 컨테이너의 적재위치와 무게를 고려한다. 본 모델은 다양한 입력변수가 파라미터 (parameter)로 분리되어 실험 조건을 편리하게 설정할 수 있으며, 객체 지향적으로 설계 개발되어 향후 새롭게 개발되는 장비 유형이나 기존 장비의 변화를 유연하게 수용할 수 있다.
컨테이너 물동량 증가와 컨테이너선의 대형화에 따라서 항만 하역장비는 지속적으로 변화하고 있다. 본 연구는 항만 하역장비 가운데 컨테이너크레인의 기계적 생산성을 상세히 평가하기 위해 개발된 시뮬레이션 모델을 소개한다. 모델은 컨테이너크레인의 메커니즘으로 싱글 및 듀얼 트롤리 방식을, 스프레더 유형으로 싱글, 트윈, 탠덤 방식을 고려하고 컨테이너크레인의 규모와 속도 등에 관련된 세부 사양을 입력받아 기구학적 특성을 구현한다. 또한 외부의 물리적 제약으로 선박의 크기, 컨테이너의 적재위치와 무게를 고려한다. 본 모델은 다양한 입력변수가 파라미터 (parameter)로 분리되어 실험 조건을 편리하게 설정할 수 있으며, 객체 지향적으로 설계 개발되어 향후 새롭게 개발되는 장비 유형이나 기존 장비의 변화를 유연하게 수용할 수 있다.
According to the increase of container flows and the appearance of large-sized container vessels, the container handling equipment in ports is evolving continuously. This research introduces the simulation model for evaluating in detail the mechanical productivity of container cranes. The model cons...
According to the increase of container flows and the appearance of large-sized container vessels, the container handling equipment in ports is evolving continuously. This research introduces the simulation model for evaluating in detail the mechanical productivity of container cranes. The model considers a single trolley and dual trolleys as the mechanism of a container crane and a single lift, a twin lift, and a tandem lift as the spreader type of it. Additionally, the detail specifications such as the dimension and the speed of a container crane are inputted and the kinematic characteristics of it are simulated. The model also considers the size of a vessel, the storage position of containers in the vessel, and the weight of containers as external physical constraints. Experimental conditions can be configured conveniently because various parameters in the model are separated. Moreover, the model can accommodate flexibly new equipment types and the changes of the existing equipment because it is designed and developed in object-oriented concept.
According to the increase of container flows and the appearance of large-sized container vessels, the container handling equipment in ports is evolving continuously. This research introduces the simulation model for evaluating in detail the mechanical productivity of container cranes. The model considers a single trolley and dual trolleys as the mechanism of a container crane and a single lift, a twin lift, and a tandem lift as the spreader type of it. Additionally, the detail specifications such as the dimension and the speed of a container crane are inputted and the kinematic characteristics of it are simulated. The model also considers the size of a vessel, the storage position of containers in the vessel, and the weight of containers as external physical constraints. Experimental conditions can be configured conveniently because various parameters in the model are separated. Moreover, the model can accommodate flexibly new equipment types and the changes of the existing equipment because it is designed and developed in object-oriented concept.
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문제 정의
이러한 기능은 컨테이너 터미널의 생산성을 결정짓는 1차적인 요인이 되므로 안벽장비의 성능 향상은 항만 전체 성능 향상의 기반이 된다. 본 연구에서는 대표적인 안벽장비인 컨테이너크레인의 개별 성능평가에 대해서 논한다. 즉, 다른 장비와의 연계는 고려하지 않는다.
본 연구 이전까지 이루어졌던 컨테이너크레인의 개별 성능평가에서는 장비의 규모와 기구학적인 사양만이 사용되어 그 성능은 확정적인 값으로 계산되었다. 본 연구에서는 선택된 시나리오에 따라서 컨테이너의 크기, 무게, 적재계획(stowage plan) 등을 다양하게 생성하여 성능을 평가해보고자 한다. 시나리오는 컨테이너크레인의 메커니즘, 스프레더의 유형, 대상 선박의 크기 등의 조합으로 이루어진다.
시나리오는 컨테이너크레인의 메커니즘, 스프레더의 유형, 대상 선박의 크기 등의 조합으로 이루어진다. 이러한 시나리오에 따른 다양한 상황에서 성능을 평가하는 도구로 시뮬레이션을 선정하여, 컨테이너크레인 성능평가용 시뮬레이션 모델을 개발하고자 한다.
<표 2>는 시뮬레이션 모델의 주요 입력 항목들을 사양과 작업 조건으로 구분하여 나타낸다. 컨테이너크레인의 사양만으로도제한적인 기계적 생산성의 도출이 가능하지만 본 모델에서는 작업 조건을 물리적 제약으로 반영하여 작업 환경에 따른 성능 변화를 분석할 수 있도록 하였다. 이후에서는 사양 관련 입력 정의, 작업 조건 관련 입력 정의, 작업 절차 정의, 작업 진행 모니터링 방식 정의, 산출 통계량 정의 순으로 상세히 설명된다.
지금까지 컨테이너크레인의 이론적 성능을 정밀 하게 평가하기 위한 시뮬레이션 모델과 구현된 시스템에 대하여 살펴보았다. 본 시뮬레이션 모델은 최근에 부각되고 있는 컨테이너크레인의 메커니즘 유형과 스프레더 유형을 다양하게 반영하고 있으며 컨테이너 크기 분포, 컨테이너 무게 분포, 선박 적재계획, 작업 선박 규모 등의 물리적 제약들을 현실적으로 반영하였다.
가설 설정
(2007)은 탠덤 스프레더가 적용된 컨테이너크레인의 구조, 생산성, 운영 관련 이슈, 사양, 구성 요소 등을 논하였다. 생산성 분석에서는모든 컨테이너의 크기를 40피트로 가정하고 모든 취급에서 40피트 두 개를 동시에 처리할 수 있다고 가정하여, 컨테이너크레인의 생산성을 기존 생산성의 2배로 제시하였다. 이에 비해 본 연구는 컨테이너의 크기와 탠덤 스프레더의 처리 제약 등을 변동 가능한 요인으로 다루었다.
제안 방법
모델은 컨테이너크레인의 고장을 반영했고 대기행렬 모델이 포함되어 있다. 실험을 통해 선박 및 야드 트랙터의 대기 시간, 컨테이너크레인의 활용도, 선석 점유율 등을 산출하여 분석하였다. 이 연구는 터미널 전체의 성능평가에 초점을 두어 본 연구와 같이 컨테이너크레인의 상세한 기구학적 특징과 물리적 제약이 반영되지는 못했다.
하태영ㆍ최용석(2005)은 네 가지 유형의 컨테이너크레인에 대한 하역 생산성을 평가했다. 분석 대상이 된 유형은 싱글 트롤리, 듀얼 트롤리, 더블 트롤리, 수직 순환식이다. 각 유형에 대하여, 작업 메커니즘을 분석하여 기계적 생산성을 계산하고 시뮬레이션 모델을 통해 순 생산성을 산출했다.
분석 대상이 된 유형은 싱글 트롤리, 듀얼 트롤리, 더블 트롤리, 수직 순환식이다. 각 유형에 대하여, 작업 메커니즘을 분석하여 기계적 생산성을 계산하고 시뮬레이션 모델을 통해 순 생산성을 산출했다. 기계적 생산성을 계산하기 위하여 유형별로 메커니즘을 구분․분석한 점에서는 본 연구와 유사하지만, 본 연구는 컨테이너의 크기 및 무게 분포, 선박의 적재계획, 멀티 리프트 적용, 선박의 크기 변화 등 컨테이너크레인의 성능에 영향을 주는 물리적 제약을 추가적으로 고려하였다.
각 유형에 대하여, 작업 메커니즘을 분석하여 기계적 생산성을 계산하고 시뮬레이션 모델을 통해 순 생산성을 산출했다. 기계적 생산성을 계산하기 위하여 유형별로 메커니즘을 구분․분석한 점에서는 본 연구와 유사하지만, 본 연구는 컨테이너의 크기 및 무게 분포, 선박의 적재계획, 멀티 리프트 적용, 선박의 크기 변화 등 컨테이너크레인의 성능에 영향을 주는 물리적 제약을 추가적으로 고려하였다.
생산성 분석에서는모든 컨테이너의 크기를 40피트로 가정하고 모든 취급에서 40피트 두 개를 동시에 처리할 수 있다고 가정하여, 컨테이너크레인의 생산성을 기존 생산성의 2배로 제시하였다. 이에 비해 본 연구는 컨테이너의 크기와 탠덤 스프레더의 처리 제약 등을 변동 가능한 요인으로 다루었다.
원승환․최상희(2007)는 싱글 스프레더가 적용된 컨테이너크레인의 성능을 가정한 후, 트윈 스프레더와 탠덤 스프레더의 적용 효과를 분석적인 방법에 의해 제시하였다. 트윈 리프트 적용률과 취급 횟수 감소비율을 인자(factor)로 정의한 후, 다양한 수준에서 생산성을 분석하였다. 그러나 컨테이너 크레인의 생산성에 영향을 미치는 근원적인 인자를 통해 생산성이 도출되지 못한 한계를 가진다.
시뮬레이션 모델의 설계는 입력 사항 정의, 작업 절차 정의, 작업 진행 모니터링 방식 정의, 산출 통계량 정의 순으로 이루어졌다. <표 2>는 시뮬레이션 모델의 주요 입력 항목들을 사양과 작업 조건으로 구분하여 나타낸다.
선박의 크기가 증가하면 컨테이너크레인의 작업 사이클이 증가되므로 단위 시간당 처리 개수는 줄어든다. 모델에서는 최근의 초대형선 개발 동향을 반영하여 선박 유형을 4개 중에서 하나 선택하도록 하였다. 선택 가능한 선박 유형은 6,600 TEU(16열), 10,100 TEU(18열), 13,300 TEU(20열), 16,000 TEU(24열) 이다.
시뮬레이션 모델에서는 컨테이너크레인의 운동을 수직(호이스트)과 수평(트롤리)으로 구분한다. 각 운동은 구간이 충분한 경우에는 가속, 등속, 감속의 과정을 거치며, 운동 구간이 짧은 경우에는 가속, 감속의 과정만 거친다.
또한, 작업 진행 상황을 수치적으로 확인하기 위하여 컨테이너 처리량, 트롤리 이동 사이클 횟수, 리프트 유형별 처리횟수 등을 누적하여 표현한다.
컨테이너 크기 분포는 40피트 60%, 20피트 40%로 하고, 무게 분포는 의 값을 사용 하였다.
작업 리스트를 만들기 위하여, 컨테이너 크기 및 무게 분포를 사용하여 적재계획을 임의로 생성 하였다. 컨테이너 크기 분포는 40피트 60%, 20피트 40%로 하고, 무게 분포는 <표 3>의 값을 사용 하였다.
메커니즘 변화에 따른 생산성 향상 효과를 파악 하기 위하여 시나리오 1∼12와 13∼24의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다.
마찬가지로 탠덤 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 9∼12, 13∼16과 21∼24의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다.
트윈 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 5∼8, 13∼16과 17∼20의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다.
추가적인 실험을 위해 컨테이너크레인의 메커니즘 2종류, 적용 스프레더 유형 3종류, 선박 크기 4종류를 조합하여 총 24가지의 시나리오를 구성하였다. <표 7>은 조합된 시나리오를 나타낸다.
각 시나리오별로 10회씩 반복 실험하여 생산성(박스/시간)을 산출해보았다. <표 8>은 각 시나리오별 생산성의 평균과 표준 편차를 나타낸다.
지금까지 컨테이너크레인의 이론적 성능을 정밀 하게 평가하기 위한 시뮬레이션 모델과 구현된 시스템에 대하여 살펴보았다. 본 시뮬레이션 모델은 최근에 부각되고 있는 컨테이너크레인의 메커니즘 유형과 스프레더 유형을 다양하게 반영하고 있으며 컨테이너 크기 분포, 컨테이너 무게 분포, 선박 적재계획, 작업 선박 규모 등의 물리적 제약들을 현실적으로 반영하였다. 개발된 시뮬레이션 시스템은 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공하므로, 컨테이너크레인의 규모와 사양, 작업 조건들을 쉽고 빠르게 변화시킬 수 있다.
<그림 8>은 싱글 트롤리 메커니즘의 양하 작업을 나타낸다. 먼저 선박 내에서 작업해야 할 컨테이너의 위치를 확인한 후, 트롤리가 해당 위치로 이동하기 위해 상승(①), 수평(②), 하강(③) 운동을 수행한다. 컨테이너 위치에 도착하면 컨테이너를 집기 위하여 정확한 위치를 잡고 컨테이너를 집어서 고정한다(④).
마지막으로 각 시나리오별 생산성의 표준 편차를 살펴본다. 싱글 스프레더(시나리오 1∼4, 13∼16)의 경우에는 랜덤하게 생성된 적재계획에 따른 생산성의 차이가 시간당 0.
대상 데이터
모델에서는 최근의 초대형선 개발 동향을 반영하여 선박 유형을 4개 중에서 하나 선택하도록 하였다. 선택 가능한 선박 유형은 6,600 TEU(16열), 10,100 TEU(18열), 13,300 TEU(20열), 16,000 TEU(24열) 이다. <그림 6>은 4가지 선박 유형의 단면도를 나타낸다.
<표 3>은 컨테이너 무게 분포의 예를 나타낸다. 데이터는 P 컨테이너 터미널의 3개월 처리 실적을 통해 수집되었다. 컨테이너의 표준 무게는 ‘적’ 컨테이너 기준으로 20피트는 20.
시뮬레이션에 사용되는 데이터는 대화창을 통해 입력된다. <그림 12>는 싱글 트롤리 컨테이너크레인의 데이터 입력창을 나타낸다.
데이터처리
시뮬레이션을 통해 산출되는 통계량으로는 컨테이너 총 처리량, 생산성, 트롤리 move당 평균 처리량, 트롤리 사이클 타임, 리프트 유형별 누적 처리횟수와 비율 등이 있다. <표 4>는 산출 통계량의 세부 항목을 나타낸다.
이론/모형
또한, 컨테이너 터미널 전체의 성능평가 모델에서는 컨테이너 크레인의 규모, 사양, 메커니즘 등을 직접 고려하지 않고 경험적인 시간의 분포를 사용하기도 하였다(윤원영 등, 2001). 컨테이너크레인의 성능 관련 변수를 가장 상세하게 다루었던 하태영ㆍ최용석(2005)의 모델은 본 논문의 모델에서 고려한 변수 가운데 장비 규모, 기구학적 사양, 메커니즘의 다양화까지를 포함 하였다.
시뮬레이션 시스템은 Windows를 기반으로 Tecnomatix의 Plant Simulation 8.1을 사용하여 구현하였다. Plant Simulation에는 모델링과 인터페이스를 위한 기본 라이브러리, 보다 상세한 모델링을 위한 객체지향 언어(SimTalk)가 포함되어 있고, 이를 통한 계층적인 모델링이 가능하므로 객체지향적인 클래스 라이브러리를 지속적으로 구축해 갈 수 있다.
성능/효과
본 연구 이전까지 이루어졌던 컨테이너크레인의 개별 성능평가에서는 장비의 규모와 기구학적인 사양만이 사용되어 그 성능은 확정적인 값으로 계산되었다. 본 연구에서는 선택된 시나리오에 따라서 컨테이너의 크기, 무게, 적재계획(stowage plan) 등을 다양하게 생성하여 성능을 평가해보고자 한다.
본 논문에서 제시하는 시뮬레이션 모델의 가장 큰 특징은 컨테이너크레인의 성능에 영향을 미치는 요소들 중 기존의 모델에서 고려하지 않은 여러 요소들을 상세히 반영하였다는 점이다. <표 1>은 기존의 모델에서 다루었던 변수와 본 논문의 모델에서 다루는 변수를 비교하여 나타낸다.
메커니즘 변화에 따른 생산성 향상 효과를 파악 하기 위하여 시나리오 1∼12와 13∼24의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다. 듀얼 트롤리 메커니즘은 싱글 트롤리에 비해 약 8%의 생산성 향상 효과가 있었다. 트윈 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 5∼8, 13∼16과 17∼20의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다.
트윈 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 5∼8, 13∼16과 17∼20의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다. 트윈 스프레더는 싱글 스프레더에 비해 약 27%의 생산성 향상 효과가 있었다. 마찬가지로 탠덤 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 9∼12, 13∼16과 21∼24의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다.
마찬가지로 탠덤 스프레더 적용에 따른 생산성 향상 효과를 파악하기 위하여 시나리오 1∼4와 9∼12, 13∼16과 21∼24의 평균 생산성을 각각 비교해 보았다. 탠덤 스프레더는 싱글 스프레더에 비해 약 149%의 생산성 향상 효과가 있었다.
선박 크기가 커지면 트롤리의 운동 거리가 길어지므로 생산성은 떨어지게 된다. 6,600TEU 선박에 비해 16,000TEU 선박의 처리 생산성은 약 10% 감소하였다. 따라서 초대형선이 일반화 될 경우, 컨테이너크레인의 기존 생산성을 유지하기 위해서는 장비의 기능 개선이나 운영 효율화가 필요함을 알 수 있다.
본 시뮬레이션 모델은 최근에 부각되고 있는 컨테이너크레인의 메커니즘 유형과 스프레더 유형을 다양하게 반영하고 있으며 컨테이너 크기 분포, 컨테이너 무게 분포, 선박 적재계획, 작업 선박 규모 등의 물리적 제약들을 현실적으로 반영하였다. 개발된 시뮬레이션 시스템은 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공하므로, 컨테이너크레인의 규모와 사양, 작업 조건들을 쉽고 빠르게 변화시킬 수 있다. 이를 통해 장비의 성능을 정확하고 신속하게 평가할 수 있으므로, 장비의 설계 변수 선정에 유용하게 활용될 수 있다.
후속연구
본 연구는 시뮬레이션 모델 설계, 시스템 구현 및 검증에 초점을 맞추었으므로 다양한 실험을 수행하지는 못하였다. 후속 연구에서는 모델이 고려하는 다양한 입력 사항을 활용하여 여러 가지 의미 있는 결과를 도출할 수 있을 것이다.
본 연구는 시뮬레이션 모델 설계, 시스템 구현 및 검증에 초점을 맞추었으므로 다양한 실험을 수행하지는 못하였다. 후속 연구에서는 모델이 고려하는 다양한 입력 사항을 활용하여 여러 가지 의미 있는 결과를 도출할 수 있을 것이다.
또한 본 연구의 모델을 기반으로 컨테이너 터미널 전체의 운영 상황을 반영하는 모델이 개발된다면, 컨테이너크레인의 성능을 보다 현실적으로 추정할 수 있을 것이다. 이를 통해 장비의 설치 이전에 가상의 환경에서 터미널의 생산성을 예측할 수 있으며, 컨테이너 터미널의 운영에 관련된 여러 규칙들을 평가할 수 있는 테스트베드로도 활용될 수 있을 것이다.
또한 본 연구의 모델을 기반으로 컨테이너 터미널 전체의 운영 상황을 반영하는 모델이 개발된다면, 컨테이너크레인의 성능을 보다 현실적으로 추정할 수 있을 것이다. 이를 통해 장비의 설치 이전에 가상의 환경에서 터미널의 생산성을 예측할 수 있으며, 컨테이너 터미널의 운영에 관련된 여러 규칙들을 평가할 수 있는 테스트베드로도 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
항만을 둘러싼 물류 환경변화가 급속하게 일어나는 원인은 무엇인가?
국가 간의 교역규모가 증가함에 따라 항만을 둘러싼 물류 환경변화가 급속하게 일어나고 있다. 2008년 세계 컨테이너 물동량은 5억 4천만 TEU(twenty-foot equivalent unit)로서 2000년의 2억 3천만 TEU에 비해 2.
컨테이너크레인의 메커니즘 중 듀얼 트롤리의 장점은 무엇인가?
<그림 3>은 컨테이너크레인의 두 가지 메커니즘을 나타낸다. 듀얼 트롤리는 작업 사이클을 둘로 나누므로 싱글 트롤리에 비해 사이클 타임을 줄이는 장점이 있다. 그러나 실제 적용에서는 생산성 측면의 효과보다, 트롤리의 작업 구분에 따른 자동화 측면이 부각된다.
해상 운송업계는 어떤 일이 일어나고 있는가?
3배 성장하였으며, 2013년까지 연평균 9% 내외의 성장률을 달성할 것으로 예측되고 있다(Drewry Shipping Consultants, 2008). 이에 따라 해상 운송업계에서는 시장지배력의 확대를 위한 선사간의 합종연횡을 통해 메가 캐리어(megacarrier)가 등장했으며, 해상 운임에 대한 경쟁력을 확보하기 위해 경쟁적으로 10,000 TEU급 이상의 초대형선 확보에 막대한 투자를 지속하고 있다.
참고문헌 (11)
원승환, 천봉경, 전수민, 이병권, 장동원, 조환규, 김갑환, "컨테이너 터미널 설계를 위한 의사결정 지원시스템", 한국지능정보시스템학회논문지, 12권 4호(2006), 91-107.
Lind, D., J. K. Hsieh and M. A. Jordan, "Tandem-40 dockside container cranes and their impact on terminals", PORTS Conference, American Society of Civil Engineers, 2007.
이 논문을 인용한 문헌
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