[논문]선박 블록 조립 후 최적 정도 계산을 위한 알고리즘 연구

노재규

doi:10.7837/kosomes.2013.19.5.552

선박 블록 조립 후 최적 정도 계산을 위한 알고리즘 연구
An Algorithm for Optimized Accuracy Calculation of Hull Block Assembly 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.19 no.5 = no.58, 2013년, pp.552 - 560

노재규 (군산대학교 조선공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 기존의 블록 조립 후 정도 계산 절차와 블록 조립의 특성을 고려한 최적 정도 계산 알고리즘 개발을 위한 연구를 수행하였다. 여기서 제안된 알고리즘은 생산관리점들 중 특정한 관리점을 기준으로 생산관리점들의 설계와 측정 데이터 사이의 평균제곱근 오차의 합을 목적함수로 가진다. 생산관리점들은 접합면 상의 데이터와 그 외의 데이터로 구분하였으며, 구분된 데이터는 정합 과정에서 사용되어지는 6가지 자유도 조합 결정에 있어 다양한 제약조건 구성과 목적함수 계산에 사용하였다. 목적함수 및 제약조건과 함께 탑재공정을 고려하여 설계와 측정 계산 대상점들 간의 오차가 허용 오차 이내에 포함되는지를 확인하는 과정이 포함되는 점과 점 관계를 이용하는 변형 ICP 알고리즘과 sampling법을 혼합하여 최소 오차 범위를 계산하는 최적 정도 계산 알고리즘을 개발하였다. 실제 공정에서 확인된 블록 측정 데이터를 개발된 알고리즘에 적용한 결과에 따르면 최적 정도 계산의 대상점은 접합면 상의 점들만으로 계산을 수행하는 것보다 전체 점을 대상으로 계산하는 것이 더 작은 오차를 가지며 접합면의 한 점을 고정된 일치점으로 두고 모든 생산관리점들을 대상점으로 계산 하는 것이 최소 오차를 가지는 최적 정도 계산방법이라는 결론을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an optimization algorithm for the block assembly accuracy control assessment is proposed with consideration for the current block assembly process and accuracy control procedure used in the shipbuilding site. The objective function of the proposed algorithm consists of root mean square error of the distances between design and measured data of the other control points with respect to a specific point of the whole control points. The control points are divided into two groups: points on the control line and the other points. The grouped data are used as criteria for determining the combination of 6 degrees of freedom in the registration process when constituting constraints and calculating objective function. The optimization algorithm is developed by using combination of the sampling method and the point to point relation based modified ICP algorithm which has an allowable error check procedure that makes sure that error between design and measured point is under allowable error. According to the results from the application of the proposed algorithm with the design and measured data of two blocks data which are verified and validated by an expert in the shipbuilding site, it implies that the choice of whole control points as target points for the accuracy calculation shows better results than that of the control points on the control line as target points for the accuracy of the calculation and the best optimized result can be acquired from the accuracy calculation with a fixed point on the control line as the reference point of the registration.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 작업자의 경험에 의존하는 블록 조립 정도 관리 방법에 대한 대안으로 관리자의 경험과 숙련도에 의존하지 않고 조립된 블록의 오차에 대한 확신을 줄 수 있는 최적 정도 계산 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다. 개발된 알고리즘에서는 동일한 측정값에 대해서는 관리자의 숙련도와 관계없이 항상 동일한 결과를 제공하게 되고 관리자는 결과를 단지 선택하기만 하면 되도록 하였다.
본 연구에서는 측정된 3차원 좌표값과 설계점의 좌표값에 대한 정보만 있으면 이후에 관리자의 경험이 아닌 체계적이고 일관된 계산 방법으로 최적의 블록 조립 정도를 판단할 수 있는 알고리즘에 대해 연구를 수행하였다.
(2011)이 유전자 알고리즘을 사용하여 블록의 탑재 시에 측정된 여러 블록의 탑재면 사이의 비교를 통하여 최적탑재 자세를 결정할 수 있는 알고리즘을 연구한 바 있다. 이 연구는 조립된 블록들의 탑재 면에서의 측정값들을 서로 비교하여 탑재가 가능한 가에 대한 판단 기준을 제시하는 것으로 블록이 용접 변형으로부터 제어되어 설계된 치수대로 제작되었는지를 판단하는 가에 대한 연구 내용은 아니다. 블록 전체의 조립에 관한 것은 아니지만 설계값과 측정값 사이의 비교에 관한 연구로는 Kim et al.

가설 설정

4의 흐름도로 나타낼 수 있다. 먼저 생산 관리점에 관한 설계 데이터와 측정 데이터를 확보하였다고 가정한다. 생산관리점에 대하여 확보된 설계 데이터와 측정 데이터를 접합면 상의 데이터와 그 외의 데이터로 구분한다.

제안 방법

이중에서 본 연구의 대상이 되는 블록의 정도 계산을 위해서 사용되는 점의 개수가 많지 않아 면을 구성하기 어렵기 때문에 본 연구에서 점과 점의 관계를 이용하는 방법을 사용하였다. 마지막으로 측정점 군을 계산된 변환행렬을 이용해서 변환 시키고 다시 대응관계를 이용하여 설계점 군과 측정점 군사이의 거리를 구한 다음 블록 조립 정도 관리에서 허용하는 오차 범위 내의 값을 모든 점들이 만족하는 지를 확인한다. 이때 오차 범위내의 값을 만족하지 못하는 점이 존재하면 대응관계를 맺는 과정으로 다시 돌아가 과정을 반복하게 된다.
현장에서 사용하고 있는 이러한 일반적인 방법은 다음과 같다. 먼저 계측의 대상이 되는 조립 완료된 블록은 수평 상태를 나타내는 레벨이 맞추어진 상태에서 관리선 상에 있는 측정점들을 선정하고 측정을 수행한다. 측정할 때는 Fig.
블록의 조립 정도를 관리하는 과정이 단순히 모든 생산관리점을 단순하게 비교만 하는 과정으로 구성되어져 있지는 않고 조립된 블록이 다른 조립된 블록과 용접으로 새로운 블록을 만들어 나가는 공정으로 진행된다. 본 논문에서는 이를 고려하여 블록과 블록이 만나는 면을 관리하는 관리선(Control line)을 포함하는 접합면 상의 생산관리점과 접합면 이외의 생산관리점으로 생산관리점을 2분류로 나눈 다음 각각의 경우에 맞춰 정도 계산을 수행할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 제안하고 있는 블록 조립 최적 정도 계산 알고리즘을 검증하기 위하여 Fig. 5와 같이 2개의 실제 블록에 대한 데이터를 사용하여 알고리즘을 적용하였다. 실제 블록에 대한 데이터는 블록의 조립 정도가 허용범위 5 mm 내에 포함된다고 승인된 측정 데이터를 이용하였다.
이를 해결하기 위하여 기존의 블록 조립 정도 계산 방법을 분석하고 이를 통해 생산관리점들을 접합면 상의 점과 그 외 점으로 구분하고 계산에 필요한 자유도에 따라 ICP 알고리즘과 sampling 법을 혼합한 최적 정도 계산 알고리즘을 개발하였다.
이러한 변환 행렬에 대해서는 점과 점의 관계를 이용하는 방법(Horn, 1987), 점과 면의 관계를 이용하는 방법(Low, 2004), 변환행렬을 이루는 변수를 최적화하는 방법(Tucker and Kurfess, 2003) 등이 있다. 이중에서 본 연구의 대상이 되는 블록의 정도 계산을 위해서 사용되는 점의 개수가 많지 않아 면을 구성하기 어렵기 때문에 본 연구에서 점과 점의 관계를 이용하는 방법을 사용하였다. 마지막으로 측정점 군을 계산된 변환행렬을 이용해서 변환 시키고 다시 대응관계를 이용하여 설계점 군과 측정점 군사이의 거리를 구한 다음 블록 조립 정도 관리에서 허용하는 오차 범위 내의 값을 모든 점들이 만족하는 지를 확인한다.
먼저 가장 변형이 없을 것으로 예상되는 부재의 특징점들을 관리자의 경험을 기준으로 정한다. 이후 탑재면과 전체 치수를 표현할 수 있는 블록의 가장자리 점들에 대하여 측정 대상점들을 설정한 다음 3차원 레이저 측정기를 사용하여 측정하여 각 측정 대상점들의 3차원 좌표값을 획득한다. 측정된 특징점과 기타 측정점들을 모두 통틀어 생산관리점이라고 한다.
특히 단순히 ICP와 sampling을 단순히 적용하는 것이 아니라 블록 조립의 특성에 맞추어 허용 오차를 판단한 다음 목적함수인 오차 합을 판단하도록 알고리즘을 구성하였다.

대상 데이터

5와 같이 2개의 실제 블록에 대한 데이터를 사용하여 알고리즘을 적용하였다. 실제 블록에 대한 데이터는 블록의 조립 정도가 허용범위 5 mm 내에 포함된다고 승인된 측정 데이터를 이용하였다. 다만 허용범위는 대응점 간의 X, Y, Z축 각 각의 축 값 사이의 차이를 의미하는 것으로 대응점 간의 거리를 의미하는 것은 아니다.

이론/모형

본 연구에서 사용하는 ICP(Iterative Closest Point) 알고리즘은 다음과 같은 절차로 수행된다. 먼저 선택 절차이다.
본 연구에서는 자유도가 3과 6일 경우에는 3방향 회전과 3방향 평행이동 또는 3방향 회전을 수행하여야 하므로 ICP(Iterative Closest Point)알고리즘(Besl and McKay, 1992)을 적용하였다. 자유도가 1인 경우에는 오차거리의 합이 최소가 되는 축 회전각을 구하는 문제로 생각 할 수 있다.
이를 수치문제로 정리하면 0∼2 사이의 정의역 구간에서 설계점 군과 대응하는 측정점 군 사이의 거리의 총합을 목적함수로 하는 최소값을 찾는 최적문제로 정의할 수 있다. 이와 같이 정의역 구간이 주어진 문제에 적합한 해법으로 sampling법을 적용하였다. Fig.

성능/효과

개발된 알고리즘을 실제 블록에 적용하여 최적 정도 계산의 대상이 되는 점들에 대하여 접합면 상의 점들 만으로 정도 계산을 수행하는 것보다 전체 점을 계산 대상으로 하는 것이 좋으며 접합면의 한 점을 기준으로 계산 하는 것이 가장 좋은 결과를 낼 수 있는 방법임을 제시하였다. 그리고 개발된 알고리즘은 현재의 조선소 현장에서 이루어지고 있는 정도 계산에서 측정값과 설계값 만 있으면 쉽게 소프트웨어 화하여 적용할 수 있으므로 활용성이 높다고 사료된다.
결과적으로 한정된 접합면의 데이터만을 사용하여 최적 정도 계산을 수행하는 것보다 전체 데이터를 대상으로 하여 최적 정도 계산을 수행하는 것이 좋다. 전체 데이터를 대상으로 계산을 하는 경우에서는 접합면 상의 한 점을 기준으로 최적 정도 계산을 수행하는 것이 가장 좋은 정합 결과를낼 수 있다고 할 수 있다.
결과적으로 한정된 접합면의 데이터만을 사용하여 최적 정도 계산을 수행하는 것보다 전체 데이터를 대상으로 하여 최적 정도 계산을 수행하는 것이 좋다. 전체 데이터를 대상으로 계산을 하는 경우에서는 접합면 상의 한 점을 기준으로 최적 정도 계산을 수행하는 것이 가장 좋은 정합 결과를낼 수 있다고 할 수 있다.
dx는 X축 좌표 값들의 차를 의미하고 dy는 Y축 좌표값들의 차를 의미하며 dz는 Z축 좌표값 들의 차를 의미한다. 전체적으로 허용범위인 5mm 이하로 포함되어 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

개발된 알고리즘을 실제 블록에 적용하여 최적 정도 계산의 대상이 되는 점들에 대하여 접합면 상의 점들 만으로 정도 계산을 수행하는 것보다 전체 점을 계산 대상으로 하는 것이 좋으며 접합면의 한 점을 기준으로 계산 하는 것이 가장 좋은 결과를 낼 수 있는 방법임을 제시하였다. 그리고 개발된 알고리즘은 현재의 조선소 현장에서 이루어지고 있는 정도 계산에서 측정값과 설계값 만 있으면 쉽게 소프트웨어 화하여 적용할 수 있으므로 활용성이 높다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재의 블록 치수 비교 방법은 어떠한가?	현재의 치수 비교 방법은 다음과 같다. 먼저 가장 변형이 없을 것으로 예상되는 부재의 특징점들을 관리자의 경험을 기준으로 정한다. 이후 탑재면과 전체 치수를 표현할 수 있는 블록의 가장자리 점들에 대하여 측정 대상점들을 설정한 다음 3차원 레이저 측정기를 사용하여 측정하여 각 측정 대상점들의 3차원 좌표값을 획득한다. 측정된 특징점과 기타 측정점들을 모두 통틀어 생산관리점이라고 한다. 생산관리점과 대응하는 설계점의 3차원 직교좌표값의 예시를 Fig. 1에 나타내었다. 생산관리점 중 특징점은 설계된 좌표값을 가지는 설계점 중 대응점들과 일치시킨 다음 회전 변환하여 생산관리점과 대응되는 설계점 간의 좌표값 사이의 차이값인 오차를 계산한다. 모든 생산관리점의 계산된 오차가 모두 허용 치수 이내에 들어오면 블록이 정상적으로 조립되었다고 판단한다.
	도크의 회전율에 큰 영향을 미치는 주된 요인은?	선박을 건조하는 조선소의 생산성은 각 조선소가 보유하고 있는 도크의 회전율에 달려있다고 할 수 있다. 이러한 도크의 회전율에 큰 영향을 미치는 주된 요인으로 크레인의 용량을 들 수 있다. 최근의 조선소는 이러한 크레인 자체 용량의 크기를 극복하기 위하여 3000톤에 이르는 해상크레인을 활용하는 건조공법을 개발하고 있다.
	크레인 자체 용량의 크기를 극복하기 위해 무엇을 개발하고 있는가?	이러한 도크의 회전율에 큰 영향을 미치는 주된 요인으로 크레인의 용량을 들 수 있다. 최근의 조선소는 이러한 크레인 자체 용량의 크기를 극복하기 위하여 3000톤에 이르는 해상크레인을 활용하는 건조공법을 개발하고 있다. 무게는 많이 나가지만 많은 블록을 하나의 메가블록으로 도크 밖에서 조립한 다음 해상크레인을 이용하여 도크 내부로 이동시켜 도크 내에서의 탑재 작업 시간을 단축시켜 최종적으로 도크의 회전율을 높이기 위해서이다.

참고문헌 (13)

Besl, P. J. and N. D. McKay(1992), A Method for Registration of 3-D Shapes, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 14, No. 2, pp. 239-256.

상세보기
Han, K. H.(2006), Development of block assembly accuracy enhancement technique for small and mid-size ship, The Final Report of Regional Industry Promotion Program, Ministry of Commerce, Industry and Energy, pp. 84-146.
Horn, B. K. P.(1987), Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions, Journal of Optical Society of America, Vol. 4, No. 4, pp. 629-642.
Jang C. D. and C. H. Lee(2000), A Study on the Prediction and Control of Welding Deformations of Ship Hull Blocks, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 37, No. 2, pp. 127-136.
Kim, C. H, J. S. Yang and H. K. Kim(2007), A Study on the Deformation Control of Thin Plate Block by Applying the Tensioning Method, Journal of Korean Welding and Joining Society, Vol. 25, No. 6, pp. 59-63.

원문보기 상세보기
Kim, D. E.(2006), A Study on virtual assembly system for ship blocks based on 3D measurement, Ph.D. thesis, Pusan National University, pp. 21-86.
Kim, J., K. H. Ko, J. S. Park, J. G. Shin, C. M. Hyun and Y. C. Doh(2007), A study on completion assessment of curved plates in line heating process, Proceedings of The Joint Conference of the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies, pp. 1413-1423.
Kim, S. I.(2009), Control of Welding Distortion for Thin Panel Block Structure Using Plastic Counter-Deforming Method, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 2, pp. 87-91.
Lee, J. M. and J. G. Shin(2002), A Development of Measurement and Comparison Technique for Large Curved Hull Pieces, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 39, No. 2, pp. 28-33.

원문보기 상세보기
Low, K. L.(2004), Linear Least-Squares Optimization for Point-to-Plane ICP Surface Registration, Technical Report TR04-004, Department of Computer Science, University of North Carolina at Chapel Hill. pp. 23-54.
Roh, J. G. and J. G. Shin(1999), An Assembly Simulation of a Plane Block with Gravity and Welding Deformations, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 36, No. 3, pp. 122-133.
Shin, S. C., J. C. Lee and S. Y. Kim(2011), Study on Erection Block Positioning Using Genetic Algorithm, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 25, No. 5, pp. 76-81.

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Tucker, T. M. and T. R. Kurfess(2003), Newton method for parametric surface registration. Part I. Theory, Computer Aided Design, Vol. 35. No. 1, pp. 107-114.

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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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