선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- (2015)의 논문에선 유연관 부력재의 배치 설계를 위해 변수추정(Parameter iteration) 기법을 이용한 설계 방법론을 발표하였는데, 이는 설계 변수 개수의 제약과 시뮬레이션 횟수의 제한으로 설계 문제와 결과 도출에 대한 한계성이 존재하였다. 본 연구에서는 상기 논문의 문제점을 개선하고 유연관 부력재의 최적 배치 설계를 위한 설계 기법을 일반화시키기 위한 방법을 고찰하였으며, 기법 검증을 위해 Oh et al.(2015)가 사용한 심해저 통합 채광 시스템의 유연관 부력재 배치 설계 문제에 이를 적용하였다.
- 유연관 부력재의 최적 배치 문제는 상용 부력재 설치 개수의 최소화 및 구조적 안정성을 위한 변형 에너지 최소화를 하면서 모든 설계 조건을 만족하는 설치 위치를 찾는 것을 목적으로 한다. 설계 정식화는 Table 2, 3과 같다.
제안 방법
- 유전자 알고리즘 특성 상 변이와 교배 확률에 의해 유전자 변이의 특성이 달라지고, 최적 해의 값이 다르게 도출된다. 따라서 Problem 1에 대해 변이 확률, 교배 확률의 값에 따른 설계 안을 분석하고 그 특성의 고찰하였으며. 사용된 변이율, 교배율은 Table 5와 같다.
- 하지만 이를 이중 구조화시켜 순차적으로 목적 값을 찾는 방법을 사용하면 민감도 분석이 어려운 경우라도 모든 목적 함수를 만족하는 해를 찾을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이중 목적함수를 다단 목적함수로 구성하여 Problem 1을 해결 후 Problem 2의 해결을 통해 모든 설계 조건을 만족하는 방법을 사용하였다.
- 또한 이전 연구에서 사용된 변수추정 기술의 문제점인 가정을 통한 변수 선정에 따른 변수 개수의 제약과 시뮬레이션 횟수의 제한이 유전자 알고리즘을 이용한 최적 설계 기법을 통해 해결할 수 있었다. 유연관 수치해석 시뮬레이션 모델은 다물체 동역학 S/W를 이용하여 개발하였고, 부력재의 수량 및 위치에 대한 최적값은 전역 최적 설계 알고리즘인 유전자 알고리즘을 시뮬레이션에 적용하여 시뮬레이션 기반 설계 방법을 적용 및 개발하였다. 유전자 알고리즘은 전역 최적 해를 찾아주는 방법이지만 본 논문에서 확인할 수 있듯이 설계 모델과 유전자 제원에 따라 최적 값이 달라짐을 알 수 있으며, 특정 설계 모델에 맞는 제원들을 선정하여 설계에 활용하여야 원하는 최적 해가 도출됨을 확인하였고, 해의 수렴 과정은 Fig.
- 유연관에 부력재의 배치 설계를 모사하기 위하여 개발된 시뮬레이션 모델 중 유연관의 모든 질점에 벡터 힘을 적용하여 부력재에 의한 부력을 온오프 방식으로 구현하여 부력이 유연관에 적용되도록 하였다. 사용된 부력재는 해양플랜트 분야에서 현재 사용되고 있는 Trelleborg에서 제작한 해상 라이저용 부력재(Fig.
- 9에서 최적 해가 도출되었으며, 그 결과는 최소 7개의 부력재를 유연관에 설치하면 유연관 설치 시 S 형상을 유지한다는 것이다. 이와 같은 고찰을 바탕으로 유전자 알고리즘의 특성을 분석하였으며, 부력재 배치 설계에 적용할 수 있는 방법을 고안, 유연관의 부력재 배치 설계를 위한 시뮬레이션 기반 설계 기법을 개발하였으며, 예제를 통해 검증하였다. 하지만 본 연구는 기계적인 측면에서는 결론을 도출하였지만 아직 해류, 저항력, VIV 등과 같은 해양환경이 고려되지 않았기 때문에 실제 해역에서 사용 가능하다고는 할 수 없다.
대상 데이터
- 해저 광물자원을 채광하는 심해저 통합 채광 시스템(Fig. 1)에서 사용되는 라이저는 집광 로봇에서 중간 저장소인 버퍼까지 연결하는 유연관과 버퍼에서 채광선까지 연결하는 강관으로 구성되어 있다. 그 중 유연관은 시스템의 안정성을 위해 버퍼와 집광 로봇의 거동을 분리해야 하며, 그 방법으로는 Fig.
- , 2015). 모델은 버퍼, 유연관, 로봇으로 구성되어 있고, 버퍼와 로봇은 상호간의 위치 제어를 통해 둘 사이의 변위가 크게 발생하지 않으므로 움직임이 없는 고정 물체로 정의하였다. 유연관은 물과 광물의 이송관의 역할 뿐만 아니라 버퍼와 집광 로봇의 상호거동에 영향을 미치지 않는 역할을 수행한다.
- 유연관에 부력재의 배치 설계를 모사하기 위하여 개발된 시뮬레이션 모델 중 유연관의 모든 질점에 벡터 힘을 적용하여 부력재에 의한 부력을 온오프 방식으로 구현하여 부력이 유연관에 적용되도록 하였다. 사용된 부력재는 해양플랜트 분야에서 현재 사용되고 있는 Trelleborg에서 제작한 해상 라이저용 부력재(Fig. 4)이고, 부력은 약 2200N 이다.
- 시뮬레이션 모델에 적용된 유연관은 현재 심해저 통합 채광 시스템에서 사용되는 상용 제품을 적용하였으며, 제원은 Table 1과 같다. 유연관의 전체 길이는 총 100m로 10m 단위 모듈 10개가 볼트에 의해 체결되어 있으며, 100m 유연관는 운용을 위해 Fig.
데이터처리
- 또한, 같은 변이와 교배 확률을 같더라도 초기 값인 Seed에 따라 결과가 다르게 도출되므로 Seed에 따른 특성 고찰도 중요하다. 본 연구에서는 Seed에 대한 결과를 분석하기 위해 20개의 랜덤 값을 적용하여 최적화를 수행하였다.
이론/모형
- 기존의 변수추정 알고리즘에 전역 최적화 알고리즘인 유전자 알고리즘(Genetic algorithm, GA)를 연동하고 설계 변수를 유전자 알고리즘에 의해 결정되도록 하였다. 결정된 변수는 라이저의 동역학 모델에 인가되고 그에 의한 결과로 목적 값의 만족 여부를 판별하고 부적합 시 다시 유전자 알고리즘에 의해 설계 변수가 재결정되어 최종적으로 목적 값을 만족하는 최적 해를 도출하도록 하였다.
- 연구에 사용한 유연관 동역학 모델은 Oh et al.(2015)의 연구에서 개발된 모델이며, 기 개발된 동역학 시뮬레이션 모델은 Fig. 3과 같다(Oh et al.
- , 2015)을 이용하여 개발되었으며, 이 모델을 최적화 알고리즘에 연동하여 최적 배치 설계에 적용하였다. 유연관 부력재의 배치 설계는 위상 최적화 문제로써 여러 해가 존재할 수 있기 때문에 유전자 알고리즘과 같은 전역 최적화 알고리즘의 사용이 본 문제에 가장 적합하여, 이를 본 연구에서 적용하였다.
- 유연관 부력재의 배치 설계를 위해서 시뮬레이션 기반 설계 기법에 최적화 알고리즘인 유전자 알고리즘을 도입하였다. 유연관 시뮬레이션 모델은 다물체 동역학 상용 소프트웨어 DAFUL(Virtual Motion, Inc.
- 유연관 부력재의 배치 설계를 위해서 시뮬레이션 기반 설계 기법에 최적화 알고리즘인 유전자 알고리즘을 도입하였다. 유연관 시뮬레이션 모델은 다물체 동역학 상용 소프트웨어 DAFUL(Virtual Motion, Inc., 2015)을 이용하여 개발되었으며, 이 모델을 최적화 알고리즘에 연동하여 최적 배치 설계에 적용하였다. 유연관 부력재의 배치 설계는 위상 최적화 문제로써 여러 해가 존재할 수 있기 때문에 유전자 알고리즘과 같은 전역 최적화 알고리즘의 사용이 본 문제에 가장 적합하여, 이를 본 연구에서 적용하였다.
- 초기 집단에 대한 각 해의 적합도(Fitness)를 판별하고 한 세대(Generation)에서 다음 세대로 전해질 부모 해를 선택하게 된다. 이 때 일반적으로 알려진 룰렛 휠 선택(Roulette wheel selection) 기법(Jin, 2010)을 사용하여 적합도가 클수록 넓은 영역, 즉 높은 확률로 선택될 수 있도록 한다. 부모 해를 선택한 후 부모의 특징을 부분적으로 결합한 하나의 새로운 해를 만들어 내는 교배(Crossover)와 부모 해가 가지지 않은 특징을 자식 해에 부여하는 변이(Mutation)를 적용하여 집단의 해를 향상시키게 된다.
성능/효과
- 결과적으로 유연과 라이저의 설치 설계에서는 변이율 0.9 또는 0.5, 교배율 0.9 또는 0.5, Seed는 200으로 하여 최적화를 수행 시 최적 값을 잘 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 그러나 유연관 부력재의 설치 문제는 전역 최적 값을 경험, 직감, 변수 선별 기법 등을 이용하여 찾는다는 것은 쉽지 않다. 따라서 전역 최적 해를 찾을 수 있는 최적화 알고리즘을 시뮬레이션에 연동하여 최적 해를 찾는 방법이 가장 효과적이다.
- 본 연구에서는 유연관의 형상 유지 및 안정적인 운용을 위한 부력재의 수량 및 위치 결정을 시뮬레이션 기반 설계 기법으로 가능하다는 것을 보였으며, 적용 예제를 통해 기법을 검증하였다. 또한 이전 연구에서 사용된 변수추정 기술의 문제점인 가정을 통한 변수 선정에 따른 변수 개수의 제약과 시뮬레이션 횟수의 제한이 유전자 알고리즘을 이용한 최적 설계 기법을 통해 해결할 수 있었다. 유연관 수치해석 시뮬레이션 모델은 다물체 동역학 S/W를 이용하여 개발하였고, 부력재의 수량 및 위치에 대한 최적값은 전역 최적 설계 알고리즘인 유전자 알고리즘을 시뮬레이션에 적용하여 시뮬레이션 기반 설계 방법을 적용 및 개발하였다.
- 9일 때, 반복 횟수가 가장 많고 목적함수가 최소화됨을 통해서도 이와 같은 사실을 추론할 수 있다. 본 연구에서 다룬 심해저 통합 채광 시스템의 유연관 부력재 배치 설계에선 초기 Seed가 200일 때, 변이율 0.5, 교배율 0.5와 변이율 0.9, 교배율 0.9에서 최적 해가 도출되었으며, 그 결과는 최소 7개의 부력재를 유연관에 설치하면 유연관 설치 시 S 형상을 유지한다는 것이다. 이와 같은 고찰을 바탕으로 유전자 알고리즘의 특성을 분석하였으며, 부력재 배치 설계에 적용할 수 있는 방법을 고안, 유연관의 부력재 배치 설계를 위한 시뮬레이션 기반 설계 기법을 개발하였으며, 예제를 통해 검증하였다.
- 유연관의 형상 유지 및 안정적인 운용을 위해서는 부력재 설치가 필수적이다. 본 연구에서는 유연관의 형상 유지 및 안정적인 운용을 위한 부력재의 수량 및 위치 결정을 시뮬레이션 기반 설계 기법으로 가능하다는 것을 보였으며, 적용 예제를 통해 기법을 검증하였다. 또한 이전 연구에서 사용된 변수추정 기술의 문제점인 가정을 통한 변수 선정에 따른 변수 개수의 제약과 시뮬레이션 횟수의 제한이 유전자 알고리즘을 이용한 최적 설계 기법을 통해 해결할 수 있었다.
- 유전자 알고리즘은 민감도 기반의 설계 알고리즘이 아니기 때문에 목적 함수의 수렴을 위한 진동이 많이 발생함을 알 수 있고, 변이율이 증가함에 따라 최적화 반복 횟수의 증가, 변이의 증가에 따른 좋은 유전자 발견 과정을 거쳐 결국 최적 값에 도달함을 알 수 있다. 변이율이 0.
- 유연관 수치해석 시뮬레이션 모델은 다물체 동역학 S/W를 이용하여 개발하였고, 부력재의 수량 및 위치에 대한 최적값은 전역 최적 설계 알고리즘인 유전자 알고리즘을 시뮬레이션에 적용하여 시뮬레이션 기반 설계 방법을 적용 및 개발하였다. 유전자 알고리즘은 전역 최적 해를 찾아주는 방법이지만 본 논문에서 확인할 수 있듯이 설계 모델과 유전자 제원에 따라 최적 값이 달라짐을 알 수 있으며, 특정 설계 모델에 맞는 제원들을 선정하여 설계에 활용하여야 원하는 최적 해가 도출됨을 확인하였고, 해의 수렴 과정은 Fig. 12와 같다.
후속연구
- 변이율과 교배율이 증가함에 더 좋은 유전자를 선별하여 목적 값이 좋아질 것으로 생각되지만, 그렇지 않은 이유는 유전자 알고리즘의 특성 상 확률적으로 전역 최적 값을 잘 도출하는 것이지, 100% 좋은 답을 도출해 주는 것은 아니기 때문이다. 따라서 설계 문제에 따라 변이율과 교배율이 클수록 무조건 좋은 것은 아니며, 그 문제에 적합한 확률을 연구를 통해 추정하여 최적화에 적용해야 한다.
- 하지만 본 연구는 기계적인 측면에서는 결론을 도출하였지만 아직 해류, 저항력, VIV 등과 같은 해양환경이 고려되지 않았기 때문에 실제 해역에서 사용 가능하다고는 할 수 없다. 따라서 향후에는 본 설계 기법에 해양환경을 추가하여 유연관과 부력재의 해양 모사 수치 실험을 통한 설계 기술을 개발하고, 도출된 최적설계 결과를 적용한 실험을 수행하여 실험결과와 비교⋅검증을 수행할 예정이다.
- 유연관 및 해양라이저 설치에 있어 부력재는 반드시 필요하나, 부력재 설치에 따른 작업시간 증가, 부력재에 의한 운동저항성 증가, 그리고 수심에 따른 부력재 비용 증가 등 여러 가지 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 설계자 및 운용자의 경험 및 실험적 접근방법 대신 본 논문에서 제안하는 방법을 적용하면 보다 효율적으로 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이와 같은 고찰을 바탕으로 유전자 알고리즘의 특성을 분석하였으며, 부력재 배치 설계에 적용할 수 있는 방법을 고안, 유연관의 부력재 배치 설계를 위한 시뮬레이션 기반 설계 기법을 개발하였으며, 예제를 통해 검증하였다. 하지만 본 연구는 기계적인 측면에서는 결론을 도출하였지만 아직 해류, 저항력, VIV 등과 같은 해양환경이 고려되지 않았기 때문에 실제 해역에서 사용 가능하다고는 할 수 없다. 따라서 향후에는 본 설계 기법에 해양환경을 추가하여 유연관과 부력재의 해양 모사 수치 실험을 통한 설계 기술을 개발하고, 도출된 최적설계 결과를 적용한 실험을 수행하여 실험결과와 비교⋅검증을 수행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.