[논문]ISO 15926 기반 플랜트 3D 설계 데이터 가시화를 위한 시스템 개발

전영준; 김병철; 문두환

doi:10.7315/cadcam.2015.145

ISO 15926 기반 플랜트 3D 설계 데이터 가시화를 위한 시스템 개발
Development of a System for Visualization of the Plant 3D Design Data Based on ISO 15926 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.20 no.2, 2015년, pp.145 - 158

전영준 (경북대학교 정밀기계공학과) , 김병철 (동아대학교 기계공학과) , 문두환 (경북대학교 정밀기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ISO 15926 is an international standard for the sharing and integration of plant lifecycle information. Plant design data consist of logical configuration, equipment specifications, 2D piping and instrument diagrams (P&IDs), and 3D plant models (shape data). Although 3D computer-aided design (CAD) data is very important data across the plant lifecycle, few studies on the exchange of 3D CAD data using ISO 15926 have been conducted so far. For this, we analyze information requirements regarding plant 3D design in the process industry. Based on the analysis, ISO 15926 templates are defined for the representation of constructive solid geometry (CSG) - based 3D design data. Since system environments for 3D CAD modeling and Semantic Web technologies are different from each other, we present system architecture for processing and visualizing plant 3D design data in the Web Ontology Language (OWL) format. Through the visualization test of ISO 15926-based 3D design data for equipment with a prototype system, feasibility of the proposed method is verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 표현 및 가시화를 위한 방법을 제안하고 시스템 개발 결과를 설명한다. 이를 위해 플랜트 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 수립한다.
이 논문에서는 ISO 15926 기반 플랜트 기자재 3D CAD 데이터의 표현과 가시화를 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 먼저 플랜트 3D CAD 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 분석하였다.

가설 설정

파라메트릭 모델링을 통해 파이프의 외경 특성과 실린더의 지름 매개변수 간에 수식을 정의하여 외경 특성 값을 변경하면 실린더 지름의 변경이 가능하다. 그러나 본 논문에서는 플랜트 설계 데이터 정보요구사항에서 3D 형 상 데이터의 수정 기능은 고려하지 않았다. 3D 형상 데이터의 기능은 본 논문의 범위에 벗어나고 관련 정보자원의 지원 또한 제한적이기 때문이다.

제안 방법

그리고 Jena와 SPARQL를 OWL 데이터를 읽고 질의하는데 사용하였다. 3D CAD 데이터 가시화 도구는 C++와 MFC를 사용하여 독립 어플리케이션으로 구현되었다. 형상 모델링을 위한 커널로 ACIS, 그래픽스 엔진으로 HOOPS, XML 데이터 처리를 위해서 MSXML을 사용하였다.
CSG 프리미티브의경우콘(cone), 구(sphere), 박스(box), 실린더(cylinder), 접시(dish), 그리고 토러스(torus)의 6가지 타입에 대해서 템플릿을 정의하였다. 각 CSG 프리미티브 별로 필요한 속성을 식별하기 위해서 ISO 10303 파트 42와 Fiatech의 보고서^[22]를 참조하였다.
14에 나타나 있다. ISO 15926 데이터 변환기는 Java와 SWT를 사용하여 독립 어플리케이션으로 구현되었다. 그리고 Jena와 SPARQL를 OWL 데이터를 읽고 질의하는데 사용하였다.
그리고 OWL 형식의 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 처리와 가시화를 위한 시스템 아키텍처를 제안한다. 개발한 정보 자원 및 시스템 아키텍처의 검증을 위해서 프로토타입 시스템을 개발한 후 밸브 데이터의 가시화 실험을 수행한다.
정의된 요구사항에 따라 플랜트 3D 설계 데이터를 표현하는 ISO 15926 기반의 정보 자원(information resources)인 템플릿(template)을 개발한다. 그리고 OWL 형식의 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 처리와 가시화를 위한 시스템 아키텍처를 제안한다. 개발한 정보 자원 및 시스템 아키텍처의 검증을 위해서 프로토타입 시스템을 개발한 후 밸브 데이터의 가시화 실험을 수행한다.
이를 위해 먼저 플랜트 3D CAD 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 분석하였다. 그리고 분석된 정보 요구사항을 바탕으로 3D 설계 데이터의 CSG 표현을 위한 정보 자원인 ISO 15926 템플릿들을 정의하였다. 이 템플릿들은 CSG 프리미티브, 불리언 연산, 그리고 플랜트 아이템과 플랜트 아이템의 형상 객체의 연결을 위한 것이다.
이 템플릿들은 CSG 프리미티브, 불리언 연산, 그리고 플랜트 아이템과 플랜트 아이템의 형상 객체의 연결을 위한 것이다. 마지막으로 ISO 15926 템플릿을 사용한 3D CAD 데이터를 처리하고 가시화하는 시스템 아키텍처를 제안하고 프로토타입 시스템을 구현하였다. 제안하는 정보 자원 및 시스템 아키텍처는 플랜트에서 일반적으로 사용되는 밸브 기자재의 3D 설계 데이터를 프로토타입 시스템으로 가시화하는 실험을 수행하여 검증하였다.
플랜트 설계 시스템을 이용한 설계는 다음과 같은 과정으로 이뤄진다. 설계 초기 단계에서 미리 정의된 기자재 라이브러리를 이용하여 배관, 기계, 제어, 구조, 전기, 그리고 HVAC(heating, ventilating, and air conditioning) 계통을 설계한다. 계통도가 완성된 후에 각 계통에 대한 3D 설계를 수행한다.
설계자가 플랜트 설계 시스템을 사용하여 설계를 할 때 기자재에 대한 3D 형상을 직접 모델링하는 것이 아니라 미리 정의된 모델링 라이브러리에서 원하는 기자재에 해당되는 플랜트 아이템 서식을 선택하여 사용한다. 사용자는 플랜트 아이템 서식을 선택한 후 형상 정의에 필요한 값들을 입력하여 서식의 인스턴스(instance)를 생성한다.
이 논문에서는 ISO 15926 기반 플랜트 기자재 3D CAD 데이터의 표현과 가시화를 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 먼저 플랜트 3D CAD 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 분석하였다. 그리고 분석된 정보 요구사항을 바탕으로 3D 설계 데이터의 CSG 표현을 위한 정보 자원인 ISO 15926 템플릿들을 정의하였다.
이 논문에서는 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 표현 및 가시화를 위한 방법을 제안하고 시스템 개발 결과를 설명한다. 이를 위해 플랜트 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 수립한다. 정의된 요구사항에 따라 플랜트 3D 설계 데이터를 표현하는 ISO 15926 기반의 정보 자원(information resources)인 템플릿(template)을 개발한다.
따라서 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 가시화 시스템은 이러한 제약사항들을 고려하여 개발되어야 한다. 이를 위해서 Fig. 8과 같이 두 단계의 절차를 통해 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터를 가시화하는 방법을 적용하였다. 각 단계는 OWL 데이터를 XML 데이터로 변환하는 단계와 변환된 XML 데이터를 형상 모델링을 거쳐 3D 가시화를 하는 단계로 구성된다.
연구에 따르면 Geiza 등은 3D 형상 표현과 관련된 템플릿을 정의하기 위한 3가지 접근법을 제안하였다. 접근법은 템플릿 작성 및 SPARQL 질의의 난이도를 고려하여 템플릿의 작성은 쉽지만 질의가 어려운 방법, 질의는 쉽지만 템플릿의 작성이 어려운 방법, 그리고 앞의 두 방법을 고려하여 균형을 맞추는 방법을 제안하였다. Fiatech의 보고서에는 ISO 15926 파트 3^[23]와 ISO 10303 파트 42^[24]를 기반으로 단순 기하 요소의 명세를 위한 템플릿들이 정의되어 있다.
이를 위해 플랜트 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 수립한다. 정의된 요구사항에 따라 플랜트 3D 설계 데이터를 표현하는 ISO 15926 기반의 정보 자원(information resources)인 템플릿(template)을 개발한다. 그리고 OWL 형식의 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 처리와 가시화를 위한 시스템 아키텍처를 제안한다.
제안된 정보 모델과 시스템 아키텍처를 검증하기 위해서 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터를 가시화하는 프로토타입 시스템을 구현하고 미리 작성한 밸브 기자재 3D 설계 데이터를 가시화하는 실험을 수행하였다. 프로토타입 시스템은 두 개의 서브시스템들- ISO 15926 데이터 변환기와 3D CAD 데이터 가시화 도구-로 구성된다.
마지막으로 ISO 15926 템플릿을 사용한 3D CAD 데이터를 처리하고 가시화하는 시스템 아키텍처를 제안하고 프로토타입 시스템을 구현하였다. 제안하는 정보 자원 및 시스템 아키텍처는 플랜트에서 일반적으로 사용되는 밸브 기자재의 3D 설계 데이터를 프로토타입 시스템으로 가시화하는 실험을 수행하여 검증하였다.

대상 데이터

가시화 실험을 위해 밸브 기자재의 데이터를 수집하고 ISO 15926 기반의 3D 설계 데이터를 작성하였다. 밸브는 프로세스 플랜트에서 흔히 사용되는 기자재 중 하나이다.
실험에 사용된 밸브 기자재의 기본 정보, 사양 정보, 포트 정보 그리고 3D 형상을 CSG로 모델링할 때 사용한 CSG 프리미티브의 목록이 Table 1에 나타나 있다. 기본 정보에는 기자재의 아이디, 타입, 분류 정보가 포함된다.
플랜트 설계 데이터는 논리적 구성, 기자재 사양, 2D P&ID(piping and instrument diagram), 그리고 3D 형상 데이터로 구성된다.

이론/모형

CSG 프리미티브의경우콘(cone), 구(sphere), 박스(box), 실린더(cylinder), 접시(dish), 그리고 토러스(torus)의 6가지 타입에 대해서 템플릿을 정의하였다. 각 CSG 프리미티브 별로 필요한 속성을 식별하기 위해서 ISO 10303 파트 42와 Fiatech의 보고서^[22]를 참조하였다. 예를 들어 실린더의 표현을 위한 템플릿 RightCircularSolid Cylinder은 Fig.
3D CAD 데이터 가시화 도구는 C++와 MFC를 사용하여 독립 어플리케이션으로 구현되었다. 형상 모델링을 위한 커널로 ACIS, 그래픽스 엔진으로 HOOPS, XML 데이터 처리를 위해서 MSXML을 사용하였다.

성능/효과

둘째, ISO 15926은 3D 형상 데이터의 수정 기능을 제공해야 한다. 예를 들어, 실린더 프리미티브(primitive)의 길이 또는 반경의 수정이 가능해야 한다.
셋째, ISO 15926은 플랜트 아이템과 플랜트 아이템의 3D 형상과의 연결을 위한 정보 자원을 제공해야 한다. 일반적인 플랜트 3D 설계 데이터 구조에서 플랜트 아이템은 Fig.
마지막으로 CSG로 모델링 된 기자재 3D 형상은 프로토타입 시스템의 중앙에 보인다. 실험을 통해서 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터가 기자재의 3D 설계 정보에 관해서 파라메트릭 모델링 기능을 제외한 요구사항을 충족하고 프로토타입 시스템이 이 데이터를 처리하고 가시화하는데 필요한 기능들을 제공함을 알 수 있었다.
첫째, ISO 15926은 3D 형상 표현을 위해 사용되는 일반적인 데이터 모델인 CSG(constructive solid geometry) 및 B-rep(boundary representation)을 지원해야 한다. CSG는 플랜트 3D CAD 시스템에서 3D 형상을 표현하는 기본 방법이다.

후속연구

정보 모델 측면에서 앞으로 설계 데이터의 범위, 3D 형상 표현법, 그리고 3D 형상의 수정 부문에서 추가 연구가 필요하다. 현재는 기자재의 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 자원만을 제공한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랜트 설계 데이터는 어떻게 구성되는가?	플랜트 설계 데이터는 논리적 구성, 기자재 사양, 2D P&ID(piping and instrument diagram), 그리고 3D 형상 데이터로 구성된다. 지금까지 논리적 구성 및 기자재 사양에 관한 여러 연구들이 보고되었다.
	Fiatech가 개발한 iRINGTools이 형상 데이터 교환이 어려운 이유는?	Jeon[18] 등은 iRINGTools을 활용한 플랜트 P&ID 데이터 교환 실험을 통해 iRINGTools는 논리적 구성과 기자재 사양 데이터의 교환이 가능하지만 2D P&ID 및 3D CAD 데이터에 포함된 형상 정보는 교환할 수 없다고 보고하였다. 형상 데이터 교환이 어려운 이유는 기하 정보의 표현에 필요한 ISO 15926 템플릿이 아직 정의되지 않고 iRINGTools의 입력 데이터 형식이 RDB(relational database) 또는 엑셀 시트와 같이 형상 데이터를 표현하기에 충분하지 않은 형식으로 제한적이기 때문이다.
	ISO 15926는 무엇인가?	ISO 15926 “산업 자동화 시스템 및 통합 – 오일 및 가스 생산 설비를 포함한 프로세스 플랜트를 위한 생애주기 데이터의 통합”은 플랜트 생애주기의 공유와 통합을 위한 국제표준이다[5]. ISO 15926 을 포함한 산업 데이터 표준들은 주로 EXPRESS 언어로 개발되었다.

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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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