[논문]KS 표준을 활용한 압력용기 설계 검증 시스템 프레임워크

이재철; 김익준; 임채호; 황진상; 문두환

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.3.291

KS 표준을 활용한 압력용기 설계 검증 시스템 프레임워크
Design Verification System Framework of Pressure Vessels Using Korea Industrial Standards 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.3, 2015년, pp.291 - 301

이재철 (경북대학교 정밀기계공학과) , 김익준 (한국원자력연구원 원전제염해체기술개발부) , 임채호 (한국생산기술연구원 e-Design 센터) , 황진상 ((주)부품디비) , 문두환 (경북대학교 정밀기계공학과)

초록
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제품 규정에는 제조사가 준수해야 하는 제품에 관한 다양한 지침 및 규제사항이 담겨 있다. 이 연구에서는 KS 표준을 활용하여 압력용기의 설계 결과를 검증하는 시스템 프레임워크와 구성 요소들을 제안한다. 그리고 기간 시스템으로부터 설계 템플릿 데이터를 생성하는 방법과 규정 지식베이스를 구축하는 방법을 제시한다. 마지막으로 압력용기 설계 검증 시스템을 구현하고 테스트 데이터를 활용한 실험을 통해 시스템 프레임워크를 검증한 결과를 논의한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Product regulations specify requirements or constraints for products that manufacturers must comply with across the entire product lifecycle, from design and manufacture, through operation and maintenance, to recycling and disposal. This paper suggests a system framework and its essential components for the verification of a pressure vessel design using the industrial standards of Korea. The authors also present methods to generate design template data from legacy design systems and to construct a regulation knowledge base. The proposed framework is demonstrated through experiments involving pressure vessel design verification using a prototype system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 데이터 추출기는 여러 엔지니어링 시스템에서 필요한 데이터를 추출하여 설계 템플릿에 저장한다. 이 연구에서는 CATIA V5 R18 로부터 설계 템플릿 데이터 생성에 필요한 데이터를 추출하는 데이터 추출기를 개발하였다. 데이터 추출기는 C++ 기반으로 개발되었고 CATIA 에서 제공하는 오토메이션(automation)API(application programming interface)를 사용하였다 비형상 데이터의 경우 3D CAD 모델 내에 파라미터로 별도로 정의하여 사용자가 직접 입력하도록 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 KS 표준을 활용하여 압력용기의 설계 결과를 검증하는 시스템 프레임워크를 제안한다. 그리고 시스템 프레임워크를 구성하는 요소기술의 개발 결과를 설명한다.
그리고 입력 정보로부터 계산을 할 수 있는 정보는 사용자의 입력 없이 자동으로 계산한다. 이 연구에서는 Visual C++를 기반으로 설계 템플릿 데이터 생성을 위한 독립 시스템을 개발하였다. 대상 제품은 지식베이스 구축 범위와 동일하게 일반 압력용기로 하였다.

제안 방법

3.2 절에서 제안하는 규정 지식베이스의 구축 절차에 따라 압력용기에 대한 규정 지식베이스를 구축하였다. 구축 범위는 다음과 같다.
그리고 제안된 프레임워크를 기반으로 압력용기에 관한 KS 규정에 따라 일반 압력용기의 설계 결과를 검증하는 환경을 구현하였다. 구현된 환경을 이용하여 압력용기 설계 데이터의 생성 및 검증 실험을 하였다.
규정 지식베이스의 구축을 위한 첫 번째 단계는 규정 문서를 분석하여 제품, 제품 분류, 속성 단위 등을 식별하는 것이다. 규정 문서는 엑셀형식으로 정리하여 일반 엔지니어가 용이하게 작성할 수 있도록 한다. 두 번째 단계는 제품 온톨로지를 생성하는 것으로 분석서 엑셀 파일이 작성이 되면 자동으로 생성할 수 있다.
⁽¹⁵⁾ 제품 설계 검증 서비스의 제공 측면에서는 이와 같은 개별 제품에 특화된 제품 온톨로지의 정의 방법은 확장성에 있어 한계가 있다. 그래서 이 연구에서는 특정 제품에 국한되지 않고 여러 제품들에 공통적으로 적용 가능한 제품 관련 정보를 분석한 후 W3C 에서 개발 한 온토롤지 언 어인 O W L( we b o n t o l o g y language)⁽¹⁶⁾을 이용하여 제품 온톨로지를 정의하였다. 제품 온톨로지를 OWL 을 이용하여 정의한 이유는 OWL 이 여러 제품에 대한 설계 검증 서비스의 제공, 설계 검증 서비스의 구조적 변경 및 확장 최소화, 3D CAD 시스템 등의 제품 설계 시스템과의 자동 연계에 적합하기 때문이다.
시스템 프레임워크는 크게 규정 지식베이스, 설계 템플릿 데이터 생성기, 규정 검증 서비스로 구성된다. 그리고 제안된 프레임워크를 기반으로 압력용기에 관한 KS 규정에 따라 일반 압력용기의 설계 결과를 검증하는 환경을 구현하였다. 구현된 환경을 이용하여 압력용기 설계 데이터의 생성 및 검증 실험을 하였다.
이 연구에서는 CATIA V5 R18 로부터 설계 템플릿 데이터 생성에 필요한 데이터를 추출하는 데이터 추출기를 개발하였다. 데이터 추출기는 C++ 기반으로 개발되었고 CATIA 에서 제공하는 오토메이션(automation)API(application programming interface)를 사용하였다 비형상 데이터의 경우 3D CAD 모델 내에 파라미터로 별도로 정의하여 사용자가 직접 입력하도록 수 있도록 하였다. 위와 같은 방법은 사용자에게 친숙한 시각화 환경으로부터 설계 데이터를 추출하기 때문에 사용자 측면에서는 중복입력 작업을 막을 수 있으며 데이터의 수정이 용이하다는 장점이 있다.
설계 시스템은 설계요구사항, 설계 사양, 계산 및 해석 결과, 3D 형상 정보 등의 설계 데이터를 생성한다. 생성된 설계 데이터 중 검증에 필요한 데이터를 추출기를 이용하여 자동적으로 추출하고 설계 검증 서비스가 필요한 형식으로 변환한다. 3D CAD 시스템의 경우 상세한 형상 정보를 담고 있어 설계 검증에 필요한 정보-파라미터(parameter), 제약조건(constraint), 수식, 골격 모델(skeleton model)⁽¹²⁾를 별도로 추출한다.
압력용기 설계 검증 실험을 위해서 먼저 데이터추출기와 설계 템플릿 생성 시스템을 이용하여 설계 템플릿 데이터를 생성하였다. 데이터 추출기의 경우 여러 가지 제품에 적용할 수 있는 장점이 있다.
압력용기에 대한 설계 템플릿 데이터가 생성되면 서비스 클라이언트를 이용하여 이 데이터를 서버로 보내 설계 결과의 규정 준수 여부를 확인한다. 규정 기반 설계 검증 환경을 이용하여 압력 용기 설계 데이터의 규정 준수 여부를 확인한 결과가 Fig.
압력용기의 규정 지식베이스를 구축하기 위해서 규정 분석서를 엑셀 파일에 작성하였다. 규정 분석서에는 압력용기 공통 용어, 제품분류, 제품구조, 속성타입, 단위, 변수타입, 표준화 기관, 기관별 규격, 규정타입, 설계 속성, 규정 항목 분석이 기재된다.
이 연구에서 제안된 시스템 프레임워크는 규정 지식베이스로부터 제품의 관한 설계 변수가 포함된 설계 템플릿을 자동으로 생성시킨다. 하지만 설계 템플릿의 골격 모델 요소 중 복잡한 형상을 갖는 스케치나 스플라인(spline)의 자동 생성에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
그러나 제품 규칙의 함수 이름 및 함수 인자와 같은 함수 선언에 관한 정보는 제품 온톨로지에 저장된 정보와 동일하게 명세하였다. 이를 통해 제품 관련 규정 목록 및 규정별로 사용되는 설계 파라미터 목록을 제품 온톨로지를 검색하여 찾은 후 설계 템플릿으로 입력 받은 정보를 사용하여 관련된 제품 규칙 함수들을 동적으로 호출하여 실행한다.
제품 관련 규정을 활용하여 설계 결과를 검증하는 시스템 프레임워크를 제안하였다. 시스템 프레임워크는 크게 규정 지식베이스, 설계 템플릿 데이터 생성기, 규정 검증 서비스로 구성된다.

대상 데이터

이 연구에서는 Visual C++를 기반으로 설계 템플릿 데이터 생성을 위한 독립 시스템을 개발하였다. 대상 제품은 지식베이스 구축 범위와 동일하게 일반 압력용기로 하였다.
제품 설계(Product design) 과정에서 3D CAD 시스템, PDM 시스템 등이 사용된다. 설계 시스템은 설계요구사항, 설계 사양, 계산 및 해석 결과, 3D 형상 정보 등의 설계 데이터를 생성한다. 생성된 설계 데이터 중 검증에 필요한 데이터를 추출기를 이용하여 자동적으로 추출하고 설계 검증 서비스가 필요한 형식으로 변환한다.
엔티티 standard_organization 은 적용 대상 규정 정보를 저장한다. 설계 정보는 비형상정보(parameter_element)와 형상정보(skeleton_element)로 구성된다. 형상정보의 경우 B-rep(boundary representation) 모델과 제품의 상세 형상을 담고 있는 것이 아니라 골격 모델⁽¹²⁾을 사용하여 제품의 형상 레이아웃 정보를 저장하도록 하였다.

이론/모형

이를 위해서 서로 다른 엔지니어링 시스템들간의 데이터 교환 기술이 적용된다.⁽³⁾CAD 시스템에서 생성하는 객체의 추상화 수준과 설계 검증 목적에 필요한 객체의 추상화 수준이 서로 달라 규정에 기반하여 파라미터와 제약조건을 정의한 후 이를 CAD 시스템 객체와 연계하여, 형상 정보를 추출하거나 형상을 제어하는 방법⁽⁷⁾을 사용한다. 혹은 규정 객체를 CAD 시스템의 기하 객체와 직접 연동한 사례⁽⁸⁾도 보고되었다.
규정 분석(Regulation analysis)에서는 규정 문서의 내용을 컴퓨터가 처리할 수 있도록 구조화하여 명세하기 위해서 규정 메타 모델을 이용한다. 규정메타 모델에는 규정 지식베이스를 정의하는데 필요한 규정 문서의 구조, 구성 요소, 구성 요소들간의 관계가 정의된다.
설계 검증 서버의 구성 모듈들은 하드웨어 플랫폼에 독립적이고 코드의 이식성이 우수한 JAVA 언어를 기반으로 구현되었다. 웹서비스의 구동을 위해서 Apache Axis 2 를 사용하였고 온톨로지 데이터의 처리는 JENA 를 사용하였다. 규정 지식베이스 및 관련 데이터는 관계형 데이터베이스인 MySQL 에 저장된다.
설계 정보는 비형상정보(parameter_element)와 형상정보(skeleton_element)로 구성된다. 형상정보의 경우 B-rep(boundary representation) 모델과 제품의 상세 형상을 담고 있는 것이 아니라 골격 모델⁽¹²⁾을 사용하여 제품의 형상 레이아웃 정보를 저장하도록 하였다.

성능/효과

그리고 시스템 프레임워크를 구성하는 요소기술의 개발 결과를 설명한다. 개발된 요소 기술로는 규정 지식베이스(regulation knowledgebase) 메타 모델, 규정 지식베이스 구축 방법, 설계 데이터추출기, 규정 검증 서비스가 있다.

후속연구

하지만 설계 템플릿의 골격 모델 요소 중 복잡한 형상을 갖는 스케치나 스플라인(spline)의 자동 생성에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 제안하는 시스템 프레임워크의 활용도를 높이기 위해서는 다양한 제품에 대한 설계 검증이 가능해야 한다. 이와 관련하여 정보 모델 측면에서는 여러 제품의 규정 지식베이스를 구축하여 통합적으로 관리해야 하기 위해서 규정 지식베이스 메타 모델을 계층적 온톨로지 모델링(layered ontology modeling) 기법을 활용하여 정의할 필요가 있다.
이 연구에서 제안된 시스템 프레임워크는 규정 지식베이스로부터 제품의 관한 설계 변수가 포함된 설계 템플릿을 자동으로 생성시킨다. 하지만 설계 템플릿의 골격 모델 요소 중 복잡한 형상을 갖는 스케치나 스플라인(spline)의 자동 생성에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 제안하는 시스템 프레임워크의 활용도를 높이기 위해서는 다양한 제품에 대한 설계 검증이 가능해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제조업체들이 치열한 경쟁에서 살아남기 위해 어떠한 점에서 노력을 하는가?	제조업체들은 치열한 경쟁 환경에서 살아남기 위해서 제품의 품질 향상, 원가 절감, 그리고 개발 기간 단축을 위해서 노력하고 있다. 제품 개발 기간 단축을 위해서는 제품 개발 초기 단계에서부터 잠재적으로 발생 가능한 문제를 사전에 식별하여 해결하는 것이 중요하다.
	제품의 설계 결과가 관련 규정들을 준수하는지 검증하는 것이 필요한 이유는?	제품 개발 기간 단축을 위해서는 제품 개발 초기 단계에서부터 잠재적으로 발생 가능한 문제를 사전에 식별하여 해결하는 것이 중요하다. 제품 관련 규정들에는 제품의 설계, 재료, 제작, 및 시험에 관한 다양한 지침 및 규제사항이 담겨 있기 때문에 제품의 설계 결과가 관련 규정들을 준수하는지 검증하는 것이 필요하다.
	제품의 설계 결과가 관련 규정을 반영하는 것이 어려운 이유는?	하지만 제품의 설계, 제조, 운영, 유지보수, 재활용 및 폐기 등 제품의 전 생애주기에 걸쳐 수많은 관련 규정들이 존재하여 설계자가 모든 규정을 숙지하여 설계에 반영하는 것은 매우 힘들다. 예로,압력용기의 경우 직접적으로 연관된 KS 표준(Korea industrial standards)이 약 20 건이 있으며 분량으로는 수천 페이지가 된다.

참고문헌 (20)

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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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