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문제 정의
- 이러한 수명주기에 대한 이해도의 극대화를 위해 수명주기 모델을 가시화 할 수 있는 환경이 요구된다. 본 논문에서는 해양플랜트 수명주기 중 건조와 관련된 가치사슬의 모델을 대상으로 하여 시뮬레이션하고 가시화 할 수 있는 연구를 수행하였다. 해양플랜트의 여러 제품 군 중 현재 우리나라의 주력 제품인 드릴쉽과 FPSO의 DMU 모델을 구성해 가시화 하였으며 가시화 한 수명주기 모델 중 드릴쉽 모델은 야드 모델을 구성하여 크레인을 이용한 탑재시뮬레이션을 수행하였고 FPSO모델은 작업자모델을 이용하여 작업자의 이동에 따른 설계오류 확인 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 연구에서는 해양플랜트 산업에 대한 수명주기 및 가치사슬에 대한 연구와 수명주기를 가시화 시킬 수 있는 시뮬레이션 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 제품, 공정, 자원을 PPR 구조로 연결하여 가상의 공정 환경을 구성하였고, 제품에는 드릴쉽 모델을 적용하고 자원에는 Context 모델과 설비 모델, 공정에는 탑재 시나리오를 액티비티로 구성하였다. 시뮬레이션 시나리오를 통해 계획되어있는 액티비티를 분석하여 설계오류를 찾고 효율적인 공정을 계획하는 목적으로 사용하였다. 본 연구에서의 시뮬레이션 모델링은 Fig.
제안 방법
- Rhino 프로그램에서는 하나의 모델파일에 Layer 기능을 이용해 모듈 또는 장비를 구분한다. CATIA에서 사용하기 적합한 형식으로 변환하기 위해서는 장비 별로 구분된 각 Layer를 표준 중립 모델인 IGES(Initial Graphics Exchange Specification) 파일로 변환하여 부품 별로 파트파일을 생성하고 CATIA의 어셈블리 기능을 이용하여 파트간의 구속조건을 정의해 드릴쉽 모델을 재구성 하였다. FPSO모델은 CATIA를 이용하여 생성된 모델을 이용하였으며 기본 제원은 Table 5와 같고 Fig.
- 본 연구에서는 모델링과 시뮬레이션이 상이한 포맷형식을 사용하는 3D CAD 프로그램간의 연계를 실시하였으며 드릴쉽 모델의 경우 DMU 모델 생성에는 3dm형식의 포맷을 사용하는 3D캐드 프로그램인 Rhino를 이용하여 모델링 하였고 가시화 환경을 통해 시뮬레이션을 구현하는 DELMIA에서는 3dm형식을 사용할 수 없기 때문에 모델 생성 후 포맷변환의 과정을 거쳐 시뮬레이션을 수행하였다. Rhino를 이용한 DMU 모델 생성에서는 일반적인 드릴쉽의 형상을 참조하여 모델을 생성하였고 선체 내부는 별도의 모델링을 하지 않고 선체 단일 모델을 생성 하였으며 Topside에 탑재되는 모듈은 구성에 따라 DMU모델을 생성 하였다. 수명주기모델은 실 사이즈 모델링을 하였으며 기본 제원은 Table 4와 같고 Fig.
- LLC 2기의 병행작업은 크레인의 이동을 고려하여 크레인의 작업반경의 중첩되는 부분이 없는 경우에 한해서 가능하다. 각 크레인이 운용되는 리프팅 객체에 따라 액티비티를 분류하고 Fig. 10처럼 운용되는 장비에 따라 1행은 골리앗 크레인, 2행은 LLC(Starboard), 3행은 LLC(Port)에 해당되는 액티비티를 선행 작업을 고려하여 PERT chart에서 배치한 뒤 병행작업을 고려해 공정을 재구성하였다.
- 구성되어 있는 드릴쉽을 탑재모듈 별 액티비티를 생성하여 드릴쉽의 분해공정을 구성하고 탑재 공정으로 치환하여 시뮬레이션을 수행하였다. 액티비티는 탑재모듈을 기준으로 하여 해당 모듈의 모든 이동을 하나의 액티비티로 정의 하였으며 하나의 액티비티에는 하나의 모듈만 포함 되도록 구성하였다.
- 해양에서 원유 및 천연가스를 생산하는 해양플랜트의 공급에 대한 가치사슬을 보면, 우선 해양플랜트를 설치하고 운용할 지역에 대한 타당성 조사 및 예비탐사를 통해 원유 및 천연가스의 매장여부를 판단한다. 그 다음 매장지역의 시추를 통한 경제성 평가 등을 통해 해양플랜트의 제작 여부를 판단한다. 해양플랜트의 제작여부가 결정되면, 환경조건 및 각종 고려해야할 설계변수를 기반으로 설계를 하고 건조하여 해당지역으로 운반, 설치하고 시운전을 통해 생산을 할 수 있도록 한다.
- 드릴쉽 및 FPSO의 DMU모델을 구현하였고, 시뮬레이션 가시화 환경을 통해 해양플랜트 탑사이드 탑재시뮬레이션 및 작업자 시뮬레이션을 수행하였다.
- 세부적으로는 조선소를 모델링하여 주변 환경을 가시화하고 설비모델로 골리앗 크레인과 LLC를 이용하여 모듈 및 장비를 탑재시뮬레이션을 통해 탑재 프로세스 최적화를 수행하였다. 또한 작업자모델을 이용하여 작업 자세 분석을 통해 개선가능 여부를 탐색하고 이동시뮬레이션을 통해 작업자의 시선을 통한 수명주기 모델을 분석 하였다.
- DMU(Digital Mock-Up)모델을 이용한 데이터 연계에서 같은 포맷을 사용하여 프로그램으로 설계 시 작성된 DMU모델을 건조 시뮬레이션까지 사용하는 것이 가장 이상적인 방법이지만 설계와 검증에서 다른 포맷을 이용하는 경우도 발생한다. 본 연구에서는 모델링과 시뮬레이션이 상이한 포맷형식을 사용하는 3D CAD 프로그램간의 연계를 실시하였으며 드릴쉽 모델의 경우 DMU 모델 생성에는 3dm형식의 포맷을 사용하는 3D캐드 프로그램인 Rhino를 이용하여 모델링 하였고 가시화 환경을 통해 시뮬레이션을 구현하는 DELMIA에서는 3dm형식을 사용할 수 없기 때문에 모델 생성 후 포맷변환의 과정을 거쳐 시뮬레이션을 수행하였다. Rhino를 이용한 DMU 모델 생성에서는 일반적인 드릴쉽의 형상을 참조하여 모델을 생성하였고 선체 내부는 별도의 모델링을 하지 않고 선체 단일 모델을 생성 하였으며 Topside에 탑재되는 모듈은 구성에 따라 DMU모델을 생성 하였다.
- 본 연구에서는 범용 CAD인 CATIA와 공정 시뮬레이션 어플리케이션인 DELMIA를 사용하여 해양플랜트 제품의 수명 주기모델을 가시화하고 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 조선 산업의 설계에서는 설계중심으로 2차원적 CAD 프로그램인 Tribon이 주류로 사용되어 왔다.
- DELMIA는 3차원 디지털 매뉴팩쳐링 솔루션을 제공하는 프로그램으로 다양한 제조 산업을 대상으로 공정계획에서부터 일반 조립 프로세스와 공장 시뮬레이션에 이르는 종합 솔루션을 제공한다. 본 연구에서는 제품, 공정, 자원을 PPR 구조로 연결하여 가상의 공정 환경을 구성하였고, 제품에는 드릴쉽 모델을 적용하고 자원에는 Context 모델과 설비 모델, 공정에는 탑재 시나리오를 액티비티로 구성하였다. 시뮬레이션 시나리오를 통해 계획되어있는 액티비티를 분석하여 설계오류를 찾고 효율적인 공정을 계획하는 목적으로 사용하였다.
- 세부적으로는 조선소를 모델링하여 주변 환경을 가시화하고 설비모델로 골리앗 크레인과 LLC를 이용하여 모듈 및 장비를 탑재시뮬레이션을 통해 탑재 프로세스 최적화를 수행하였다. 또한 작업자모델을 이용하여 작업 자세 분석을 통해 개선가능 여부를 탐색하고 이동시뮬레이션을 통해 작업자의 시선을 통한 수명주기 모델을 분석 하였다.
- 시뮬레이션은 골리앗 크레인 1기와 LLC는 좌현과 우현 각각 1기씩 2기를 사용하여 드릴쉽의 선수에서부터 선미방향으로 탑재를 진행하는 초기 공정에서 시뮬레이션을 실시해 Workflow에 따라 공정 최적화를 진행하였다. 초기의 공정은 선행작업을 고려하여 액티비티들이 일렬로 나열되는 순차적인 공정을 생성하였다.
- 구성되어 있는 드릴쉽을 탑재모듈 별 액티비티를 생성하여 드릴쉽의 분해공정을 구성하고 탑재 공정으로 치환하여 시뮬레이션을 수행하였다. 액티비티는 탑재모듈을 기준으로 하여 해당 모듈의 모든 이동을 하나의 액티비티로 정의 하였으며 하나의 액티비티에는 하나의 모듈만 포함 되도록 구성하였다. 이를 통해 공정의 구성요소를 재정의 하지 않고 액티비티의 배치만으로 공정을 정의할 수 있다.
- 시뮬레이션에서 간섭이 발생한다는 것은 현업에서 탑재 시 충돌이 발생하는 것으로 재작업을 요하게 된다. 이러한 모듈간의 간섭을 시뮬레이션을 통해 사전에 검토하여 공정 최적화를 진행한다. 본 연구에서는 탑재 모듈 및 장비에 따라 26개의 액티비티를 생성하고 액티비티에 사용되는 장비들의 운행 속도는 장비의 구분에 따라 통일된 값을 설정하여 구성하여 각 액티비티별 시간은 Table 6과 같은 값이 도출되었다.
- 또한 액티비티의 순서변경이 필요할 시에는 더 많은 수정작업을 요한다. 이를 개선하는 방법으로 액티비티에 하나의 탑재장비만 포함하고 장비의 이동에 사용되는 설비들이 해당 액티비티내에서의 초기포지션과 최종포지션이 일치시키는 방법을 고안하였다.
- 또한 작업자 이동시뮬레이션을 통해 작업자의 동선을 확인하여 제약사항을 파악하거나 작업자의 시선을 이용하여 파악하지 못한 설계 오류를 파악 할 수 있다. 작업자 이동 시뮬레이션은 FPSO 모델에서 실시하였으며 선수의 터렛의 선미 방향으로의 이동경로를 설정하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 탑재시뮬레이션의 주변 환경을 가시화하기 위하여 D조선소의 야드를 참조하여 모델링 하였으며 길이 530 m, 폭 131 m, 깊이 14.5 m의 제원을 가진 Dry dock을 모델링하여 골리앗 크레인 1기와 LLC (Level Luffing jib Crane) 6기를 배치하였다(Fig. 4).
- 해양플랜트의 여러 제품 군 중 현재 우리나라의 주력 제품인 드릴쉽과 FPSO의 DMU 모델을 구성해 가시화 하였으며 가시화 한 수명주기 모델 중 드릴쉽 모델은 야드 모델을 구성하여 크레인을 이용한 탑재시뮬레이션을 수행하였고 FPSO모델은 작업자모델을 이용하여 작업자의 이동에 따른 설계오류 확인 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
- 대상 공정은 PERT(Program Evaluation and Review Technique) 차트를 이용하여 액티비티의 순서를 정의하고 정의된 순서에 따라 시뮬레이션이 진행되게 된다. 일반적인 경우 전체 공정의 구간을 액티비티로 묶는 것이라 할 수 있는데 이와 같은 경우 M-BOM을 기반으로 하여 공정을 구성하게 되어도 탑재 모델간의 간섭이 발생하면 액티비티간의 관계 및 각 제품이나 설비들의 위치를 고려하여 해당 액티비티의 전후 액티비티까지 수정해야 하는 경우가 발생한다.
- 탑재시뮬레이션을 위한 Resource모델로 골리앗 크레인과 LLC 2기를 사용하였다. Resource 모델의 운동은 골리앗 크레인은 3T운동을 하고(Fig.
이론/모형
- CATIA에서 사용하기 적합한 형식으로 변환하기 위해서는 장비 별로 구분된 각 Layer를 표준 중립 모델인 IGES(Initial Graphics Exchange Specification) 파일로 변환하여 부품 별로 파트파일을 생성하고 CATIA의 어셈블리 기능을 이용하여 파트간의 구속조건을 정의해 드릴쉽 모델을 재구성 하였다. FPSO모델은 CATIA를 이용하여 생성된 모델을 이용하였으며 기본 제원은 Table 5와 같고 Fig. 3와 같은 형상을 가진다.
성능/효과
- 사이클타임을 단축시키기 위해서는 액티비티간의 병행작업이 필요하다. 크레인의 회전반경을 확인하고 각 크레인의 작업간 간섭의 가능성을 분석하여 간섭이 발생하지 않는 액티비티간의 병행 작업 가능 여부를 검토한 결과 LLC의 Jib이 골리앗 크레인의 레일의 내부를 향하는 경우에는 LLC와 골리앗 크레인의 Leg와의 충돌은 발생하지 않아 LLC와 골리앗 크레인의 병행작업이 가능하나 골리앗 크레인으로 모듈 이동 시 이동 중인 모듈과 LLC의 Jib과의 간섭이 발생 할 수 있어 골리앗 크레인과 LLC의 병행 작업은 모듈의 이동경로와 중첩되지 않는 Port쪽 LLC를 사용하여 병행 작업을 할 수 있도록 하였다. LLC 2기의 병행작업은 크레인의 이동을 고려하여 크레인의 작업반경의 중첩되는 부분이 없는 경우에 한해서 가능하다.
후속연구
- 이로 인해 설계단계에서 파악하기 힘든 부품 간 간섭이나 생산시설과의 연계 등 물리적인 문제를 사전에 파악할 수 있는 수단이 되고 건조단계와 연계되어 DMU모델 데이터를 활용함으로써 설계검증의 효율을 증가시키고 효율적인 건조 방법을 제시할 수 있다. 또한, 설계로부터 건조시뮬레이션까지의 데이터 연계뿐만 아니라 작업자 모델을 이용한 시뮬레이션을 실시하여 작업자의 자세를 인간공학적 분석을 통해 작업자세의 개선을 도모할 수 있고, 작업자 이동시뮬레이션으로 작업자의 시선으로 수명주기모델을 확인하여 이전에 발견하지 못하였던 설계오류를 추가적으로 발견할 수 있다.
- 탑재시뮬레이션의 경우 운용 장비의 상세 정보 및 공정의 세부사항이 적용되지 않아 사이클타입의 신뢰도가 부족하지만 공정 최적화를 통해 사이클타입 감소의 가능성은 충분하며 현업의 데이터를 이용하여 공정 설계의 신뢰도를 높이는 추가적인 연구가 필요하다. 작업자시뮬레이션은 작업자 모델을 이용해 작업자세를 분석하여 작업자세의 개선 가능성을 분석하고 작업자 모델의 시선으로 수명주기 모델을 사전에 분석하여 설계오류의 발생 빈도를 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다.
- 탑재시뮬레이션의 경우 운용 장비의 상세 정보 및 공정의 세부사항이 적용되지 않아 사이클타입의 신뢰도가 부족하지만 공정 최적화를 통해 사이클타입 감소의 가능성은 충분하며 현업의 데이터를 이용하여 공정 설계의 신뢰도를 높이는 추가적인 연구가 필요하다. 작업자시뮬레이션은 작업자 모델을 이용해 작업자세를 분석하여 작업자세의 개선 가능성을 분석하고 작업자 모델의 시선으로 수명주기 모델을 사전에 분석하여 설계오류의 발생 빈도를 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다.
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