[논문]함정 개념설계 프로세스 최적화를 위한 시스템엔지니어링 기반의 설계구조행렬 방법론 적용

박진원

doi:10.3744/snak.2019.56.1.001

Abstract ▼ AI-Helper

Naval ship design and related other activities can be characterized by the complexity of the interactions among products, activities, and disciplines. Such complexities often result in inferior designs, cost overrun, and late-delivery. Hence there exist tremendous interests in both improving the des...

Naval ship design and related other activities can be characterized by the complexity of the interactions among products, activities, and disciplines. Such complexities often result in inferior designs, cost overrun, and late-delivery. Hence there exist tremendous interests in both improving the design process itself and optimizing the interactions among design activities. This paper looks at the complexity of designing naval ships thereby leading to the innovation of current ship design practices using design structure matrix. It can be used to induce the optimal ordering of design activities as well as identify sources of complexities. The method presented here identifies coupled design activities useful for reducing the complexity of naval ship design as well as optimally reordering design activities. This paper recommends the use of design structure matrix method suitable for numerically optimizing the concept design process of naval ship, and reducing cost and time required in designing naval ships by modeling and analyzing the design activities and engineering tasks, defined in systems engineering planning documents.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 실제 함정획득 단계에서 수행되는 현행 개념설계 프로세스의 효율성 제고 차원에서의 최적 조정 가능성을 살펴보 고자 한다. 이를 위해 공학, 인문학, 경영학 등 여러 분야에서 활 용되어지고 있는 설계구조행렬 (design structure matrix) 이론을 이용하였다.

가설 설정

사업초기 관리계획 문서인 SEMP 부록의 WBS와 SOW를 이용하는 방법은 경험자의 어림 짐작에 의존하는 첫 번째 방법에 비해 더 객관적이며, 사업관리와 연계된 프로세스 재정립이 가능하다. 분석결과 필요에 따라서는 산출물이나 활동을 추가하거나 줄이거나 또는 병합하는 작업을 통해 설계는 물론 사업관리의 효율성도 얻을 수 있을 것이다. 이 방법을 적용할 경우 단순히 경험 있는 여러 명이 어림짐작으로 토의와 절충을 통해 어떤 수준에서 얻은 합의된 의견을 토대로 DSM 모델링을 하는 것보다 사업계획 단계에서 발주자, 계약자 그리고 이해관계자 사이에 공식적으로 합의된 WBS와 SOW를 직접 적용한다는 점에서 더 객관적이며, 분석결과를 통해 얻은 통찰력은 이해관계자 모두에게 사업관리와 기술관리가 별개의 것이 아니라는 점을 공감하는 기회를 제공해 준다.

제안 방법

특히 2010년 이후 미 해군수상전연구센터 (NSWC)를 중심으로 한 연구그룹의 성과가 두드러진다, Allen and Jeff Merlino (2010)는 2008년 상용 DSM S/W인 Plexus를 이용하여 함정 설계 전 단계의 프로세스 최적화 연구를 수행한바 있다. 뒤에서 다루겠지만 본 연구는 산출물 (products, 주로 보고서와 도면) 중심으로 DSM 요소를 모델링한데 반해, 이들은 공학활동 중심으로 DSM 요소를 모델링하여 프로세스 최적화 연구를 수행하였다. 양 국가 함정설계의 제도, 조직, 기술 등 다양한 환경 차이에서 기인한바 크다.
첫 번째 방법으로 ‘경험 기반의 DSM 모델링’을 위해 함정 개념설계 수행 경험이 있는 전문가 3명의 워크숍 결과를 이용하였다. 실제 개념설계를 여러 차례 직접 수행해 본 중급 기술자들이 모여 자신이 가진 경험과 지식을 토대로 목적문건 작업의 최적 순서를 브레인스토밍 하였다.

대상 데이터

더불어 우리 설계프로세스는 미 해군과 같이 실제 공학 활동이 아니라 보고서 또는 도면과 같은 산출물 중심으로 논의되기 때문에, 산출물마다의 작성 목적과 산출물 간의 전·후 관계가 상대적으로 더 복잡하므로 미 해군의 것과 동일한 연구 방법론을 적용하는 것은 현실적으로 어렵다고 본다. 본 연구에서는 실제 0000함 개념설계 산출물 50종 목록을 DSM 모델링하는데 이용하였다. DSM 모델링시 요소간의 초기 선후관계 정의를 위해 아래의 두 방법을 적용하였다.
경험에 의존 하는 첫 번째 방법과 달리 요소간의 선·후관계는 명문화된 업무 분할구조 (work breakdown structure)와 업무기술서 (statement of work)를 참고하였다. 본 연구에서는 실제 0000함 사업의 체계공학관리계획서 (systems engineering management plan) 부록에 포함된 WBS와 SOW를 이용하였다. 다음 장 Fig.
본 연구에서는 현행 우리 함정 개념설계 프로세스의 최적화 방안을 모색하기 위해 2012년 실제로 수행했던 0000함 개념설계 산출물 목록을 DSM 요소로 모델링하였다. DSM 요소 간 선후행관계를 정의한 후 파티셔닝을 통해 최적화된 개념설계 프로세스, 다시 말해 문건간의 피드백 반영 요구가 최소화되는 최적의 설계프로세스를 도출한다.

이론/모형

본 연구의 목적은 DSM 도구를 이용하여 최적 개념설계 프로세스의 재정립 가능성을 살펴보는 것이므로 분석도구로 이용한 DSM에 대한 수학적 이론을 깊게 다루지는 않는다. 본 연구를 위해 별도의 DSM S/W를 개발하지는 않았으며, MIT Sloan school의 Eppinger 교수 그룹에서 개발한 DSM program version 1.0을 이용하였다 (Wek, 2012). 이외에도 Lattics, Plexus, DeMAID 등의 상업용 DSM 분석 프로그램을 이용할 수도 있다.
현재 수행하고 있는 복잡한 개념설계 프로세스 내의 상호작용을 최소화하는 최적화 연구를 통해 문제 해결 가능성을 찾아보자는 것이 연구의 주목적이었으며 향후에는 탐색개발, 체계개발 등 함정 사업 전반에 관심을 확대하는 것을 고려한다. 본 연구에서는 전통적인 공학 이외에도 시장 분석, 부동산 분석, 제조공정 최적화 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 DSM 모델링 기법을 적용하였다.
본 연구는 실제 함정획득 단계에서 수행되는 현행 개념설계 프로세스의 효율성 제고 차원에서의 최적 조정 가능성을 살펴보 고자 한다. 이를 위해 공학, 인문학, 경영학 등 여러 분야에서 활 용되어지고 있는 설계구조행렬 (design structure matrix) 이론을 이용하였다. DSM은 활동 또는 요소들 간의 상관관계를 체계적으로 분석하는 도구로서 복잡성을 줄이는 프로세스 최적화에 유용하다.

성능/효과

현행 개념설계 산출물을 기준으로 SE 기반의 DSM 모델링 후 파티셔닝을 적용한 결과 복잡성과 비효율성을 초래할 수 있는 현행 설계 프로세스상의 피드백 요소를 상당 수준으로 제거할 수 있었다. 과거와 같이 조선소 또는 방사청 사업관리자의 주관적인 경험과 지식에만 의존하던ﾠ설계프로세스 계획보다는 최근 함정획득의 통합/동시공학적 설계와 사업 특성을 고려한 SE 관점에서의 체계적인 설계프로세스 계획을 위해 SE의 핵심 계획도구인 WBS와 SOW를 이용하여 DSM 모델링을 하는 것이 프로세스 최적화에 있어 더 효과적임을 정량적으로 확인하였다. 이 방법은 개인의 주관에 기인한 불확실성을 제거하는데 기여할 수 있을 것으로 보이며, 향후 함정설계 전 수명주기 단계뿐만 아니라 상업용 해양시추선 등 잠수함만큼의 시스템 복잡성을 가졌다고 평가되는 대형 해양시스템 설계 프로세스 최적화에도 적용할 수 있을 것이라고 기대된다.
두 DSM 모델링 방법 모두 초기 유사한 형태를 띠고 있으나 파티셔닝 결과 SE 기반의 방법이 훨씬 작은 크기의 클러스터를 얻을 수 있다. 식(1)에 따라 계산된 Fig.
두 DSM 모델링 방법을 적용하여 그 복잡도를 비교할 때 SE 기반의 방법 적용 시 경험에 기반 한 것에 비해 약 1/12 수준으로 낮은 복잡성을 가진 프로세스를 얻을 수 있었다. 다시 말해 동일 프로젝트 수행시 Fig.
9에서 볼 수 있는 바와 같이 WBS 04113에 따른 산출물은 ‘위험관리계획서’이며 관련 선행문건은 ‘체계공학관리계획서', 후행문건은 ’위험관리보고서‘임을 알 수 있다. 사업초기 관리계획 문서인 SEMP 부록의 WBS와 SOW를 이용하는 방법은 경험자의 어림 짐작에 의존하는 첫 번째 방법에 비해 더 객관적이며, 사업관리와 연계된 프로세스 재정립이 가능하다. 분석결과 필요에 따라서는 산출물이나 활동을 추가하거나 줄이거나 또는 병합하는 작업을 통해 설계는 물론 사업관리의 효율성도 얻을 수 있을 것이다.
현행 개념설계 산출물을 기준으로 SE 기반의 DSM 모델링 후 파티셔닝을 적용한 결과 복잡성과 비효율성을 초래할 수 있는 현행 설계 프로세스상의 피드백 요소를 상당 수준으로 제거할 수 있었다. 과거와 같이 조선소 또는 방사청 사업관리자의 주관적인 경험과 지식에만 의존하던ﾠ설계프로세스 계획보다는 최근 함정획득의 통합/동시공학적 설계와 사업 특성을 고려한 SE 관점에서의 체계적인 설계프로세스 계획을 위해 SE의 핵심 계획도구인 WBS와 SOW를 이용하여 DSM 모델링을 하는 것이 프로세스 최적화에 있어 더 효과적임을 정량적으로 확인하였다.

후속연구

과거와 같이 조선소 또는 방사청 사업관리자의 주관적인 경험과 지식에만 의존하던ﾠ설계프로세스 계획보다는 최근 함정획득의 통합/동시공학적 설계와 사업 특성을 고려한 SE 관점에서의 체계적인 설계프로세스 계획을 위해 SE의 핵심 계획도구인 WBS와 SOW를 이용하여 DSM 모델링을 하는 것이 프로세스 최적화에 있어 더 효과적임을 정량적으로 확인하였다. 이 방법은 개인의 주관에 기인한 불확실성을 제거하는데 기여할 수 있을 것으로 보이며, 향후 함정설계 전 수명주기 단계뿐만 아니라 상업용 해양시추선 등 잠수함만큼의 시스템 복잡성을 가졌다고 평가되는 대형 해양시스템 설계 프로세스 최적화에도 적용할 수 있을 것이라고 기대된다.
DSM은 본 연구의 동기와 같이 설계프로세스 최적화는 물론 각 설계 프로세스별 모델링과 분석을 통해 투입자원의 최적 배분과 안정된 일정 수립 그리고 사업성과관리의 기준선 (baseline) 최적화를 위한 계획 도구로도 활용할 수 있다. 향후 금번 연구처럼 산출물 기준이 아니라 미 해군과 같이 활동기반의 설계프로세스 분석과 최적화 연구 그리고 개념설계 이후의 획득단계 설계프로세스에도 DSM 연구를 확대 수행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정설계란 무엇인가?	함정설계는 조선공학 중심의 기본성능·구조·기계·전기/전자뿐만 아니라 상업용 선박과 달리 군사용 선박만이 가지는 무장·탐지·전투체계 등 여러 분야 간의 조합과 시스템 사이의 복잡한 상호작용을 다루는 다분야 종합공학이다. 함정설계시의 가장 큰 도전은 각 분야 최적 설계결과를 여러 조직과 기관 등 다양한 이해관계자 그리고 수많은 체계/부체계 내·외부 간의 복잡한 상호작용을 통해 주어진 기간과 예산 내에서 전투성능 충족이라는 궁극의 목표를 달성하기 위해 투입 자원을 최적 배분하는 등 관련된 노력을 통합하는 것이다.
	최근 함정설계 전략의 변화가 필요한 이유는 무엇인가?	조선공학의 전통적인 나선형 설계기법으로도 그 필요를 충분히 만족시킬 수 있었다. 반면 빠르게 발전하는 ICT기술로 인해 우리가 직면할 미래 전장의 주요 키워드는 네트워크중심전, 정밀타격무기와 무인무기로 설명되어야 할 것이며, 이를 위해 무기체계 획득프로세스 뿐만 아니라 함정설계 기술 내지 프로세스도 기술발전과 전장 환경 변화 추세에 부합하는 방향으로 한 발 빠른 변화를 대내·외적으로 요구받고 있다.
	함정설계시의 가장 큰 도전은 무엇인가?	함정설계는 조선공학 중심의 기본성능·구조·기계·전기/전자뿐만 아니라 상업용 선박과 달리 군사용 선박만이 가지는 무장·탐지·전투체계 등 여러 분야 간의 조합과 시스템 사이의 복잡한 상호작용을 다루는 다분야 종합공학이다. 함정설계시의 가장 큰 도전은 각 분야 최적 설계결과를 여러 조직과 기관 등 다양한 이해관계자 그리고 수많은 체계/부체계 내·외부 간의 복잡한 상호작용을 통해 주어진 기간과 예산 내에서 전투성능 충족이라는 궁극의 목표를 달성하기 위해 투입 자원을 최적 배분하는 등 관련된 노력을 통합하는 것이다.

참고문헌 (10)

Allen, G. & Merlino, J., 2010. Capturing the ship design process. In: NSRP SNAME Joint Panel Meeting. West Bethesda, MD, USA, September 29, 2010.
Browning, T.R.. Applying the design structure matrix to system decomposition and integration problems: a review and new directions. IEEE transactions on engineering management, vol.48, no.3, 292-306.

상세보기
Defense Acquisition Program Administration (DAPA), 2013. Systems engineering based ship research and development work manual (11-169000-001378-01), Seoul, South Korea: DAPA.
Doerry, N., 2009. Using the design structure matrix to plan complex design projects. In: ASNE Intelligent Ships Symposium 2009. Philadelphia, PA, USA, May 20-21, 2009, pp.1-15.
Kim, C.M., 2009. Improvements of the DSM method for PBS construction and schedule optimization. Ph.D. Suwon, South Korea: Ajou university.
Laverghetta USN, T., Brown USN, A.. Dynamics of Naval Ship Design: A Systems Approach. Naval engineers journal, vol.111, no.3, 307-323.

상세보기
Park, J.W., 2016. Recent early-phase naval ship systems engineering for Republic of Korea navy surface combatant design. Naval Engineers Journal, 128(3), pp.103-115.
Rogers, J., 1997. Reducing design cycle time and cost through process. In: International conference of engineering design 97. Tampere, Finland, August 19-21, 1997, 6p.
Sanaei, R. Otto, K.N. Otto, K.H. & Wood, K.L., 2016. Incorporating constraints in system modularization by interactive clustering of design structure of design structure matrices. In: ASME 2016 International Design Engineering Technical Conferences and Information in Engineering Conference IDETC 2016. Charlotte, North Carolina, USA, August 21-24, 2016, pp.1-13.
Wek, O.d., 2012. ESD.36J System & Project Management-design structure matrix. Massachusetts Institute of Technology: Cambridge, MA, USA.

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