[논문]조선 선체 생산설계 일정 계획을 위한 상세 이산사건 모델링기반 비즈니스 프로세스 시뮬레이션

손명조; 김태완

doi:10.7315/cadcam.2013.224

조선 선체 생산설계 일정 계획을 위한 상세 이산사건 모델링기반 비즈니스 프로세스 시뮬레이션
High-level Discrete-event Modeling-based Business Process Simulation for the Scheduling of the Ship Hull Production Design 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.18 no.3, 2013년, pp.224 - 233

손명조 (서울대학교 해양시스템공학연구소) , 김태완 (서울대학교 해양시스템공학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

For the scheduling and the job assignment of the ship hull production design which is a process-based work, we suggest the simulation-based scheduling using the discrete-event-based business process simulation. First, we analyze the ship hull production design process from the perspective of a job assignment to make it into the simulation model using DEVS (Discrete Event System Specification) which is the representative modeling method for a discrete-event simulation. Based on the APIs of the open-source discrete-event simulation engine, we implement the simulation using the Groovy script. We develop the scenario generator in which the user defines detail information of the construction drawing and its member blocks, and design engineers information, and the various setting for the simulation including the job assignment strategy. We use the XML files from this scenario generator as inputs of simulation so that we can get simulation result in forms of Gantt chart without changes of the simulation model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 대표적으로, ‘Design Manager Process’에 대해서 자세히 살펴보기로 한다.
본 논문에서는 이산사건 시뮬레이션에서 표준처럼 가장 널리 사용되는 DEVS^[12]을 이용하여, 조선 선체 생산설계 일정계획과 같은 복잡한 시뮬레이션을 상세하게 모델링하고자 한다.
본 논문에서는 이산사건 시뮬레이션을 이용하여, 비즈니스 프로세스를 시뮬레이션하고자 한다. 비즈니스 프로세스의 업무(task)와 업무간의 전환/이동(transition)은 이산사건시스템의 상태(state)와 이벤트(event)로 각각 모델링이 가능하다.

가설 설정

즉, 구조도 분석과 작업할당을 위한 의사결정은 모두 이루어진 것으로 가정하고, ‘JOB_ASSIGNMENT’상태에서는 BPM 시스템을 통한 할당 결과 통보를 하는 것으로 모델링하였기 때문에, 설계자 atomic 모델을 할당된 블록 정보와 함께 인스턴스화하는 기능을 ‘Assignment’로 설계하였고, 이때의 시간 진행은 모두 동시에 이루어지는 것으로 가정하였기 때문에, 미소시간 진행을 선택하였다.
총 3개의 구조도가 일정 시간 간격을 두고, 연속적으로 출도될 때, 4명의 설계자에게 작업을 할당하여, 생산설계의 일정계획을 시뮬레이션하는 시나리오를 가정한다. 각 구조도는 4개의 블록들을 포함하고 있다.
4에 보이는 것처럼, 선체 상세 설계 부서에서, ‘S02-Main Deck Construction’, ‘S02-Stern Construction’, ‘S02-Bow Construction’을 출도한다. 출도 순서는 위의 표기 순이며, 각각의 도면은 시간 간격을 각각 0일, 30일, 30일의 간격으로 출도된다고 가정한다. 즉, ‘S02-Main Deck Construction’은 시뮬레이션이 시작되자마자, 출도가되고, ‘S02-Stern Construction’은시뮬레이션시간으로 30일 뒤에 출도가 된다.

제안 방법

4. API를 기반으로, Groovy로 시뮬레이션을 구현하였다. 구현한 시뮬레이션 모델의 변동없이, 구조도와 소속 블록 정보, 참여 설계자 정보, 그리고 할당방법을 비롯한 시뮬레이션 설정을 정의할 수 있는 시나리오 생성기를 구현하고, 생성되는 XML 파일을 시뮬레이션 입력값으로 사용하여, 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.
시뮬레이션 종료시간은 모든 설계 작업이 종료되는 시간을 의미한다. 가시화 결과인 Gantt 차트는 일, 주, 월, 분기 단위로 나타낼 수 있고, 본 논문에서는 주 단위로 결과를 정리하였다.
관리자의 작업할당 방법을 FIFO 방법과, 모든 할당의 경우에 대해서 총 소요시수의 합이 최소가 되는 할당 결과를 찾아내는 BFO(Brute-Force Optimum)를 사용하여, 그 결과를 비교하기로 한다. Fig.
5는 FIFO로 할당하였을 경우의 결과이다. 구조도 구성 블록 오른쪽에는 담당자가 표시 되어 있고, 시뮬레이션 결과는 시뮬레이션 종료 시간과 총 소요시수를 측정하였다. 아래쪽은 시뮬레이션 결과를 Gantt 차트(시간순, 설계자순)로 정리하여 보여주고 있다.
선체 생산설계 프로세스는 세 개의 atomic 모델이 조합된 하나의 coupled 모델로 구성하였다. 구체적으로, 블록 난이도를 평가하고, 설계자에게 할당하는 역할을 하는 설계관리자 프로세스(Design manager process), 할당 받은 블록을 정형화된 생산설계 프로세스에 따라 설계를 수행하는 설계자 프로세스(Design engineer process), 시뮬레이션 반복 회수, 설계관리자 할당방법 설정, 모니터링 데이터 취합을 통한 결과 가시화를 담당하는 시뮬레이션 조정자(Simulation coordinator)으로 구성된다. 이를 atomic 모델인 구조설계 프로세스(Hull design process)와 연계하여 전체시뮬레이션 coupled 모델을 구성하였다.
이럴 때는 시뮬레이션 모델과는 독립적으로, 시나리오를 변경할 수 있는 기능이 있으면, 시뮬레이션 사용자 입장에서는 유용하다. 본 논문에서는 선체 생산설계 프로세스 시뮬레이션에서 중요한 입력값이면서, 시나리오와 연동되어 자주 바뀌는 항목을 생산설계자, 블록, 그리고 일반적인 시뮬레이션 설정으로 구분하였다.
본 논문에서는 프로세스형 업무인 조선 선체 생산설계의 특성을 반영하여, 이산사건기반 비즈니스 프로세스 시뮬레이션을 활용하여, 생산설계 일정계획을 시뮬레이션하였다. 이를 위해, 조선 선체 생산설계 프로세스를 업무 할당 관점에서 분석하고, 이를 이산사건 상세표현 방법인 DEVS를 이용하여, 모델링을 표현하였다.
같은 블록을 설계하더라도, 설계자에 따라 소요되는 시간 또한 다르다. 본 논문은 블록별 난이도를 평가하기 위해, 블록의 격벽의 개수, 블록 부피, 개구부 개수, 경사 격벽 개수, Turn-over lug 설치 여부, 족장 설치 여부를 입력을 받아, 각 항목이 생산설계 업무에 미치는 영향을 가중치로 환산하여 표준 설계 시수를 계산하였다. 설계자는 근속연수, 블록 실적 건수, 동일 블록 설계 유무와 같은 경험적인 부분과 최근 5건에서의 재검도 유무와 오작 유무와 같은 정교함을 반영하여 가용시수를 계산하였다^[4].
선체 생산설계 프로세스는 세 개의 atomic 모델이 조합된 하나의 coupled 모델로 구성하였다. 구체적으로, 블록 난이도를 평가하고, 설계자에게 할당하는 역할을 하는 설계관리자 프로세스(Design manager process), 할당 받은 블록을 정형화된 생산설계 프로세스에 따라 설계를 수행하는 설계자 프로세스(Design engineer process), 시뮬레이션 반복 회수, 설계관리자 할당방법 설정, 모니터링 데이터 취합을 통한 결과 가시화를 담당하는 시뮬레이션 조정자(Simulation coordinator)으로 구성된다.
본 논문에서는 대표적으로, ‘Design Manager Process’에 대해서 자세히 살펴보기로 한다. 설계관리자는 출도된 구조도를 분석하여, 몇 개의 블록으로 구성이 되어 있는지를 파악하여, 각각의 난이도를 3장에서 설명한 블록 표준 설계 시수에 의해 평가한다. 또한, 가용한 설계자의 가용시수를 계산하여 시뮬레이션 시나리오 가운데 하나로 입력되는 할당전략에 따라 작업 할당을 수행하는 역할을 한다.
본 논문은 블록별 난이도를 평가하기 위해, 블록의 격벽의 개수, 블록 부피, 개구부 개수, 경사 격벽 개수, Turn-over lug 설치 여부, 족장 설치 여부를 입력을 받아, 각 항목이 생산설계 업무에 미치는 영향을 가중치로 환산하여 표준 설계 시수를 계산하였다. 설계자는 근속연수, 블록 실적 건수, 동일 블록 설계 유무와 같은 경험적인 부분과 최근 5건에서의 재검도 유무와 오작 유무와 같은 정교함을 반영하여 가용시수를 계산하였다^[4].
구체적으로, 블록 난이도를 평가하고, 설계자에게 할당하는 역할을 하는 설계관리자 프로세스(Design manager process), 할당 받은 블록을 정형화된 생산설계 프로세스에 따라 설계를 수행하는 설계자 프로세스(Design engineer process), 시뮬레이션 반복 회수, 설계관리자 할당방법 설정, 모니터링 데이터 취합을 통한 결과 가시화를 담당하는 시뮬레이션 조정자(Simulation coordinator)으로 구성된다. 이를 atomic 모델인 구조설계 프로세스(Hull design process)와 연계하여 전체시뮬레이션 coupled 모델을 구성하였다. 자세한 구성도와 메시지 연결은 Fig.
또한, 가용한 설계자의 가용시수를 계산하여 시뮬레이션 시나리오 가운데 하나로 입력되는 할당전략에 따라 작업 할당을 수행하는 역할을 한다. 할당전략으로는 FIFO(First-In First Out), LIFO(Last-In First Out), Random, 할당 가능한 대안중 가장 난이도가 높은 블록을 우선 할당하는 최대소요시수 우선할당, 그 반대인 최소소요시수 우선할당, 투입된 현재 상태에서 모든 할당의 경우를 계산하여 그 가운데 총 소요시수가 최소가 되는 경우를 찾는 Brute-force 방법에 의한 최적할당 등을 상세 모델링하였다.

이론/모형

이를 위해서, Gantt 차트를 가시화 도구로 채택하였고, 향후 웹기반으로 사용되는 BPM 시스템과의 연계를 위해, 웹기반 가시화 방법을 사용하였다. 본 논문에서는 S. Gantz and B. Twidt이 개발한 Java 기반의 공개용 Gantt 차트 가시화 형식인 jsGantt 1.2 사용하였다. 시뮬레이션 결과는 BPS 종료 후, Groovy의 ‘Xml.
시뮬레이션 엔진은 Java기반 공개용 이산사건 엔진 및 라이브러리인 Simkit 1.4^[15]를 이용하였다. Simkit은 Event graph 모델링에 특화되어 개발되었으며, DEVS의 coupled 모델의 개념과 같이, 여러 단위 모델을 조합할 수 있는 기능을 ‘source/listener’ 기능을 제공한다.
본 논문에서는 프로세스형 업무인 조선 선체 생산설계의 특성을 반영하여, 이산사건기반 비즈니스 프로세스 시뮬레이션을 활용하여, 생산설계 일정계획을 시뮬레이션하였다. 이를 위해, 조선 선체 생산설계 프로세스를 업무 할당 관점에서 분석하고, 이를 이산사건 상세표현 방법인 DEVS를 이용하여, 모델링을 표현하였다. 이를 공개용 이산 사건 시뮬레이션 엔진인 Simkit 1.
BPS 특징으로, 정해진 프로젝트 기간 동안, 어떠한 설계자가 어떠한 블록을 언제 시작해서 끝냈는지를 한 눈에 볼 수 있는 가시화 기술이 필요하다. 이를 위해서, Gantt 차트를 가시화 도구로 채택하였고, 향후 웹기반으로 사용되는 BPM 시스템과의 연계를 위해, 웹기반 가시화 방법을 사용하였다. 본 논문에서는 S.
이산사건 시스템을 상세하게 표현하고 모델링 하기 위해 본 논문은 DEVS를 적용하였다.

성능/효과

3장의 프로세스 모델의 업무와 업무간의 전이가 4장의 상세 이산사건 시뮬레이션 모델링에 의해 각각 상태와 이벤트로 변환되었고, 그 결과 시뮬레이션 진행에 따른 각 이벤트만을 모니터링하여, Fig. 5와 같이 Gantt 차트로 결과를 손쉽게 생성할 수 있다. 또한, 본 시뮬레이션의 시나리오와 같이 긴 시뮬레이션 시간을 이산시간 시스템으로 시뮬레이션을 할 경우, 설정한 시간진행 값에 영향을 받기는 하지만, 1회 시뮬레이션에 오랜 시간이 소요된다^[5].
API를 기반으로, Groovy로 시뮬레이션을 구현하였다. 구현한 시뮬레이션 모델의 변동없이, 구조도와 소속 블록 정보, 참여 설계자 정보, 그리고 할당방법을 비롯한 시뮬레이션 설정을 정의할 수 있는 시나리오 생성기를 구현하고, 생성되는 XML 파일을 시뮬레이션 입력값으로 사용하여, 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.
본 시뮬레이션을 활용하면, 관리자는 다양한 상황에서, 할당방법과 사용자를 변경해가며, 그에 따른 도면 출도 일정을 실시간으로 얻을 수 있다. 또한, 본 시뮬레이션을 통해, 총 소요시수 최소, 시뮬레이션 시간 최단화를 목적으로 하는 최적할당 결과도 얻을 수도 있어, 최적 작업할당을 위한 관리자 의사결정지원도구로서의 활용도 가능하다.

후속연구

본 시뮬레이션을 활용하면, 관리자는 다양한 상황에서, 할당방법과 사용자를 변경해가며, 그에 따른 도면 출도 일정을 실시간으로 얻을 수 있다. 또한, 본 시뮬레이션을 통해, 총 소요시수 최소, 시뮬레이션 시간 최단화를 목적으로 하는 최적할당 결과도 얻을 수도 있어, 최적 작업할당을 위한 관리자 의사결정지원도구로서의 활용도 가능하다.
즉, 정확한 입력이 있어야 의미 있는 결과가 도출되기 때문이다. 조선소의 일정은 생산일정이 가장 중요하기 때문에, 이를 고려하여, 중일정 계획을 반영하는 설계작업할당 알고리즘도 추후 연구할 계획이다.
향후 연구로는, 현업에서 사용할 수 있도록 블록의 난이도를 표현하는 블록 표준설계 시수 평가법을 고도화하고, 작업자 가용시수 평가법도 정교화하는 연구가 필요하다. 즉, 정확한 입력이 있어야 의미 있는 결과가 도출되기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박설계는 어떤 설계 단계를 거치는가?	선박설계는 기본설계, 상세설계, 생산설계의 각 설계 단계를 거치며, 설계는 정교해지고 더욱 구체화되어, 최종설계 단계인 생산설계의 산출물은 생산을 할 수 있을 정도의 정확도를 지니게 된다. 선체 생산설계는 상세설계의 산출물인 구조도를 바탕으로, 각 블록을 설계 단위로 하여, 생산이 가능할 정도로 정교한 공작도, 철판과 보강재 등의 치수와 절단, 마킹방법을 기술한 절단도, 블록의 전체 구성 부품과 수량, 재질, 부품간의 관계 등을 포함하는 M-BOM(Manufacturing-BOM) 등을 생성하는 작업이다.
	선체 생산설계란?	선박설계는 기본설계, 상세설계, 생산설계의 각 설계 단계를 거치며, 설계는 정교해지고 더욱 구체화되어, 최종설계 단계인 생산설계의 산출물은 생산을 할 수 있을 정도의 정확도를 지니게 된다. 선체 생산설계는 상세설계의 산출물인 구조도를 바탕으로, 각 블록을 설계 단위로 하여, 생산이 가능할 정도로 정교한 공작도, 철판과 보강재 등의 치수와 절단, 마킹방법을 기술한 절단도, 블록의 전체 구성 부품과 수량, 재질, 부품간의 관계 등을 포함하는 M-BOM(Manufacturing-BOM) 등을 생성하는 작업이다. 생산설계는 조선소의 생산설비와 공정과 밀접한 관계가 있기 때문에, 조선소별로 설계 표준이나 방법이 다르다.
	생산설계업무는 왜 워크플로우 또는 비즈니스 프로세스 측면에서 접근한다면, 업무 개선이나 생산성 향상이 기대되는가?	생산설계는 기본설계나 상세설계와 비교하여, 소요시수와 산출물이 많고, 프로세스기반의 업무이다. 여기서, 프로세스기반의 업무란, 일련의 프로세스 안에, 선후관계에 종속적인 다양한 업무가 존재하고, 그 업무별로 다양한 산출물이 있는 것으로 정의한다. 또한 생산설계의 프로세스는 “표준화된 프로세스 모델”을 개발할 경우, 호선별, 블록별, 생산설계자별 인스턴스화를 통해, 반복적 실행이 가능한 정형화된 프로세스이다. 이러한 특징으로 인해, 생산설계업무는 워크플로우 또는 비즈니스 프로세스 측면에서 접근한다면, 업무 개선 또는 생산성 향상이 기대된다.

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표제어: PCR

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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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