[논문]항만 시스템의 자동화를 위한 시뮬레이션 방법론 : 컨테이너 터미널의 예

이장세

doi:10.5916/jkosme.2010.34.1.154

항만 시스템의 자동화를 위한 시뮬레이션 방법론 : 컨테이너 터미널의 예
Simulation Methodology for Automation of Port Systems : Example of Container Terminal 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.1, 2010년, pp.154 - 162

초록
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시뮬레이션 기법은 성능분석을 위하여 다양한 공학 분야에서 활용되는 유용한 방법 중의 하나이다. 항만 시스템의 자동화를 위하여 다양한 장비의 구성 및 운영 등의 효과를 분석할 수 있는 시뮬레이션이 요구된다. 본 논문에서는 항만 자동화를 위한 평가, 분석, 계획 등에 적용 가능한 시뮬레이션 방법론을 제안한다. 이를 위하여 모델링 및 시뮬레이션 환경으로서 이산사건시스템 형식론을 기반으로 한 SES/MB 프레임워크를 적용하여 항만 시스템의 구성원에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 수행한다. 제안된 방법론은 항만 시스템의 구성 및 운영 전략 등에 대한 시뮬레이션에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 갖는다. 사례연구를 통하여 제안한 방법론의 타당성을 검토한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A simulation technique is very useful method to analyze the performance on various engineering area. To automate port systems, we have need of simulation to analyze an effect of assigning and operating devices. Thus we propose simulation methodology to be applied to an analysis, evaluation, planning for port automation. To do this, we have adopted the discrete event system specification based system entity structure / model base framework for modeling and simulation environment. We have performed modeling and simulation on entities of port systems such as container crane, yard tractor, transfer crane, etc. The proposed methodology has an advantage being able to effectively simulate on alternatives of composition and operation strategy for port systems. Some case studies will show the validity of proposed simulation methodology.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

성능분석을 위하여 다양한 공학 분야에서 활용되는 유용한 방법 중의 하나인 시뮬레이션 기법은 항만 시스템의 자동화를 위하여 다양한 장비의 구성 및 운영 등의 성능분석을 위하여 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 항만 자동화를 위한 다양한 요소 및 운영에 대한 분석, 평가, 계획 등에 효과적으로 활용할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 방법의 제시를 주목적으로 하였다. 이를 위하여 SES/MB 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다.
따라서 본 논문은 항만 자동화를 위한 다양한 요소 및 운영에 대한 분석, 평가, 계획 등에 효과적으로 활용할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 방법의 제시를 주목적으로 한다. 이를 위하여 시뮬레이션 기반 환경으로 객체지향, 모듈러 특성을 갖는 SES/MB(System Entity Structure/Model Base) 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행한다.
항만 시스템 시뮬레이션은 앞 절의 SES에서 설명한 바와 같이 다양한 구성원 즉, Bar code, RFID, YT, AGV, RMGC, RTGC, CC, Generator, Transducer 등으로 구성된다. 따라서 이와 같은 SES의 단말 노드들에 대한 동역학적 모델링이 요구되며, 본 논문에서는 사례연구로서 CC, YT, TC, Generator, Transducer에 대한 양하작업[11]에 대한 DEVS모델링을 수행하였다.
본 논문에서는 그림 2의 계층적 접근을 토대로 그림 3과 같은 단계적 접근 방법론을 제안한다.

가설 설정

선석에 접안한 선박은 Post-Panamax급의 6,000TEU선박으로 설정하고, 3개의 CC를 사용하여 6개의 야드 블록으로 1500개의 컨테이너를 양하하는 시나리오를 가정하였다. CC당 YT의 수를 1, 2, 3, 4대로 늘리면서 총 작업시간의 변화를 평가하였다.
C#언어를 이용하여 구현된 DEVS 엔진을 이용하여 모델링과 시뮬레이션 수행하였다. 실험을 위한 구체적인 조건은 표 2와 같으며 하역시간과 작업시간은 각각 평균 112.8, 표준편차 31.2와 평균 87, 표준편차 19.3인 정규분포로 가정하였다.

제안 방법

CC당 YT의 수를 1, 2, 3, 4대로 늘리면서 총 작업시간의 변화를 평가하였다. C#언어를 이용하여 구현된 DEVS 엔진을 이용하여 모델링과 시뮬레이션 수행하였다. 실험을 위한 구체적인 조건은 표 2와 같으며 하역시간과 작업시간은 각각 평균 112.
선석에 접안한 선박은 Post-Panamax급의 6,000TEU선박으로 설정하고, 3개의 CC를 사용하여 6개의 야드 블록으로 1500개의 컨테이너를 양하하는 시나리오를 가정하였다. CC당 YT의 수를 1, 2, 3, 4대로 늘리면서 총 작업시간의 변화를 평가하였다. C#언어를 이용하여 구현된 DEVS 엔진을 이용하여 모델링과 시뮬레이션 수행하였다.
첫 번째 계층은 모델링 및 시뮬레이션을 위한 기반환경을 제공하는 계층으로서 SES/MB 프레임워크를 적용함으로써 객체지향적이고 계층구조적 모듈화된 모델링 및 시뮬레이션이 가능한 장점을 갖는다. 두 번째 계층인 항만 시스템 구성요소 모델링은 첫 번째 계층의 기반 환경으로부터 항만 자동화를 위한 시스템의 구성요소 즉 하역, 운송, 이송 장비 등에 대한 구조적 모델링과 동적 특성에 대한 DEVS 형식론 기반 모델링을 수행한다. 마지막 계층에서는 앞서 언급한 계층의 통합으로 항만 자동화를 위한 시뮬레이션을 수행한다.
본 절에서는 장비를 운영하는 방법에 따른 성능을 분석을 위하여 CC별로 YT를 고정 할당하여 운영하는 방법(Non-Pooling)과 모든 CC를 통합하고 YT를 공유하여 할당하는 방법(Pooling)에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위하여 운영방법에 따라 모델 간의 결합관계를 변경함으로써 쉽게 시뮬레이션을 할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 항만 자동화를 위한 다양한 요소 및 운영에 대한 분석, 평가, 계획 등에 효과적으로 활용할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 방법의 제시를 주목적으로 하였다. 이를 위하여 SES/MB 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 방법론은 객체지향, 모듈러 환경을 기반으로 항만 시스템의 구성 요소를 모델링 함으로써 항만 시스템의 다양한 구성 및 운영 전략 등에 대한 시뮬레이션에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 갖으며 선석운영시스템, 장치장운영시스템, 게이트운영시스템, 운영통제시스템의 계획, 운용, 모니터링 및 제어를 위한 응용 연구에 적용되어질 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 본 논문은 항만 자동화를 위한 다양한 요소 및 운영에 대한 분석, 평가, 계획 등에 효과적으로 활용할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 방법의 제시를 주목적으로 한다. 이를 위하여 시뮬레이션 기반 환경으로 객체지향, 모듈러 특성을 갖는 SES/MB(System Entity Structure/Model Base) 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행한다. 제안된 방법론은 항만 시스템의 구성 및 운영 전략 등에 대한 시뮬레이션에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 갖는다.
이를 위하여 시뮬레이션 기반 환경으로 객체지향, 모듈러 특성을 갖는 SES/MB(System Entity Structure/Model Base) 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행한다. 제안된 방법론은 항만 시스템의 구성 및 운영 전략 등에 대한 시뮬레이션에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 갖는다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다.
제안된 방법론의 적용 가능성을 검토하기 위한 사례연구로서 간단한 항만 시스템에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다.
항만 시스템의 자동화를 위한 시뮬레이션의 대표적인 요구인 장비구성에 대한 성능분석과 장비운영에 대한 성능 분석을 수행하였다.

대상 데이터

운송장비로 구성된다. 또한 실험틀은 선박의 양하작업을 발생시키는 Generator와 야드에 장치가 완료된 결과를 수집하는 Transducer로 구성된다.
항만 시스템 시뮬레이션은 앞 절의 SES에서 설명한 바와 같이 다양한 구성원 즉, Bar code, RFID, YT, AGV, RMGC, RTGC, CC, Generator, Transducer 등으로 구성된다. 따라서 이와 같은 SES의 단말 노드들에 대한 동역학적 모델링이 요구되며, 본 논문에서는 사례연구로서 CC, YT, TC, Generator, Transducer에 대한 양하작업[11]에 대한 DEVS모델링을 수행하였다.

이론/모형

앞서 언급한 MB를 구성하는 모델의 동역학적 행위의 표현을 위하여 본 논문에서는 Zeigler가 제안한 이산사건 시스템 형식론(DEVS : Discrete Event System Specification)을 기반으로 한다[7]. 이산 사건 시스템 형식론은 연속적인 시간상에서 이산적으로 발생하는 사건에 대한 시스템의 행위를 표현한다.

성능/효과

그림 12는 표 2에 대한 실험 결과를 나타낸다. 그림12에서와 같이 총 3대의 CC에 대하여 YT를 CC당 1대씩 구성할 때 보다 CC당 2대씩 구성할 경우 46%정도의 총 양하시간에 감소를 보였으며 CC당 YT를 3대, 4대로 증가시켰을 경우에는 총 양하시간의 변화가 비교적 미미한 감소를 보임으로써 CC당 YT 2대, TC 2대의 장비구성이 가장 효율적인 것을 알 수 있다.

후속연구

이를 위하여 SES/MB 프레임워크를 기반으로 요소들을 분석하고 해당 요소에 대한 이산사건 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 방법론은 객체지향, 모듈러 환경을 기반으로 항만 시스템의 구성 요소를 모델링 함으로써 항만 시스템의 다양한 구성 및 운영 전략 등에 대한 시뮬레이션에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 갖으며 선석운영시스템, 장치장운영시스템, 게이트운영시스템, 운영통제시스템의 계획, 운용, 모니터링 및 제어를 위한 응용 연구에 적용되어질 수 있을 것으로 기대된다.
향후 연구로는 제안된 방법론을 기반으로 다양한 구성요소에 대한 모델의 상세화 및 항만 자동화를 위한 설계, 운영, 의사결정 등에 직접적으로 활용할 수 있는 자동화 도구의 개발이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SES/MB의 구성요소는 무엇인가?	Zeigler에 의해 제안된 SES/MB 프레임워크[7,8]는 시스템의 구조와 행위에 대한 체계적인 모델링 방법을 제공한다. SES/MB는 시스템의 구조 모델링을 위한 수단을 제공하는 System Entity Structure(SES)와 시스템의 동역학적 특성을 나타내는 모델들로 구성되어 시스템을 구성하는 요소들에 대한 행위 모델링을 위한 수단을 제공하는 Model Base(MB)로 구성된다.
	항만 자동화란 무엇인가?	항만 자동화는 항만에서의 물류 공정에 있어서 자동화를 의미하는 것으로 컨테이너 터미널의 자동화가 대표적인 예이다. 자동화를 도입한 터미널의 경우 전체 운영비에 대한 인건비 비중이 재래식 터미널은 49%인데 반해 27%로 줄어든다고 보고된 바 있다[1].
	SES 구성의 multiple 모드에 대해 설명하시오.	Specialization은 엔티티의 분류로서 종류들을 나타낸다. Multiple은 같은 종류의 다수 엔티티의 집합을 나타낸다. SES로 표현되는 여러 가능한 구조 중에서 하나의 대안 구조를 선택하는 과정을 가지치기(pruning)라고 하며 이 결과로 Pruned Entity Structure(PES)가 생성된다.

참고문헌 (11)

한국 컨테이너 부두 공단, 항만 자동화, http://portal.kca.or.kr/kcaportal-idk r_info_9, 2009.
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Bernard P. Zeigler, Herbert Praehofer, and Tag Gon Kim, Theory of Modeling and Simulation(second edition), Academic Press, 2000.
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양창호, 최종희, 최용석, 하태영, "차세대 컨테 이너터미널 운영시스템의 기술개발 방향과 전략수립에 관한 연구", 한국 해양 수산 개발원기본연구 2003-03, 2003. 12.
하태영, 신재영, "컨테이너 터미널의 차세대 하역시스템 성능평가", 한국항해항만학회지, 제31권, 제3호, pp. 253-261, 2007.

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양창호, 최용석, 최상희, 최종희, "결합 생산성 분석 방법을 통한 항만시스템 취급능력 향상 방안", 한국 해양수산개발원 기본연구 2004-11, 2004. 12.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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