[논문]자원제약을 고려한 조선 대조립 공정의 통합 프로세스 기반 모델 설계

정은선; 정동수; 서윤호

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.107

자원제약을 고려한 조선 대조립 공정의 통합 프로세스 기반 모델 설계
Design of Integrated Process-Based Model for Large Assembly Blocks Considering Resource Constraints in Shipbuilding 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.107 - 117

정은선 (고려대학교 산업경영공학과) , 정동수 (고려대학교 산업경영공학과) , 서윤호

초록
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조선업은 한정된 자원을 사용하는 single-product production방식이며, 리소스를 효율적으로 관리하여 선박 공정의 생산성을 극대화 시킬 수 있는 생산관리기술이 중요하다. 때문에 많은 조선사에서는 모델링 및 시뮬레이션을 적용함으로써 현장 내 다양한 제약 조건이 고려된 선박 생산계획 및 공정에 대한 연구를 수행하고 있다. 하지만 기존 연구들은 갑작스런 일정 및 공정변경 시 정확한 생산계획을 제공하기 어려우며, 블록을 생산하는 각 공정 간의 상호연관성 파악이 어렵다. 뿐만 아니라, 블록의 세부 공정 및 일량을 고려하지 못하였기 때문에 생산계획과 현장계획에 많은 차이가 발생한다. 본 연구에서는 조선 내업공정 내 스케줄 된 전체 블록의 공정작업 순서 및 설계정보, 그리고 자원 제약을 고려하는 모델링 방법인 통합 프로세스 기반 모델 설계 방법을 제시한다. 통합 프로세스 기반 모델을 통해 사용자는 내업공정 내 블록 간의 조립관계, 정반정보 및 조립공정의 선후관계 파악이 용이하다. 또한 조선 내업공정에서 공유하는 리소스의 일량을 고려하여 부하 평준화를 진행하기 때문에 별도의 시뮬레이션 및 리소스의 모델링 절차 없이 리소스 효율을 최대화 할 수 있는 전체 생산계획을 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because shipbuilding is single-product production with limited resources, production management technology is essential to manage the resources effectively and maximize the productivity of ship-process. Therefore, many shipbuilding companies are conducting research on ship production plan and process considering various constraints in the field by applying modeling and simulation. However, it is difficult to provide accurate production plan on sudden schedule and process changes, and to understand the interconnectivity between the processes that produce blocks in existing research. In addition, there are many differences between the production planning and field planning because detailed processes and quantity of blocks can not be considered. In this research, we propose the integrated process-based modeling method considering process-operation sequences, BOM(Bill of materials) and resource constraints of all the scheduled blocks in the indoor system. Through the integrated process-based model, it is easy for the user to grasp the assembly relationship, workspace and preliminary relationship of assembly process between the blocks in indoor system. Also, it is possible to obtain the overall production plan that maximizes resource efficiency without the separate simulation and resource modeling procedures because resource balancing that considers the amount of resource quantity shared in the indoor system is carried out.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Production process of the BLKs
표 Table 1. Detailed description of the production process for the shipbuilding
그림 Fig. 2. Workflow modeling patterns
그림 Fig. 3. Timed Petri-net of work flow primitives
그림 Fig. 4. Concept of the Integrated Process-based Modeling
그림 Fig. 5. Bill of materials(BOM) of BLK TT1
그림 Fig. 6. Structure of the unit models
그림 Fig. 7. Conversion BOM into Workflow
그림 Fig. 8. Procedure of integrated process-based modeling
그림 Fig. 9. Flow chart of resource balancing
표 Table 2. Quantity information by resource types
표 Table 3. Activity data of the BLK TT1
표 Table 4. Results of resource balancing
그림 Fig. 10. Calculation of resource allowance (BLK　TT1)
그림 Fig. 11. Result of resource balancing (BLK　TT1)
그림 Fig. 12. User interface for integrated process-based modeling

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대조립 블록의 세부 공정 시간을 모델링하기 위하여 워크플로우 모델링을 시간형 페트리네트로 확장하였다. 페트리네트는 워크플로우 프로세스를 모델링하고 분석하는데 사용될 수 있는 기법으로, 병렬적인 변화와 동기화된 행위를 가지는 시스템을 모델화하고 분석하는 도구로서 사용 된다(Han and Kim, 2002).
이에 선박 생산 시 변경된 생산 일정 및 자원을 효과적으로 사용할 수 있도록, 생산에 필요한 공정, 일정 및 자원을 확인하여 효율적인 생산 계획을 제시할 수 있는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 대조립 공장에서 사용되는 정반, 장비와 같은 자원들과 생산 공정 및 일정 계획을 기반으로 효율적인 선박 생산을 설계하는 통합 프로세스 기반 모델을 제시한다.
본 연구에서는 조선 내업공정 전체 일정계획을 검증하기 위한 모델링 방법을 프로세스 측면에서 제안하였다. 기존 블록의 조립 단계 중심의 모델링 방법의 한계를 개선하여 자원제약을 고려한 부하 평준화 알고리즘과 블록 공정의 작업 순서 중심의 모델링 방법을 제시하였다.
이에 본 논문에서는 기존의 연구에서 제안한 방법들과 더불어 대조립 내업 공장을 대상으로 블록 생산에 필요한 자원 제약을 고려하여 블록의 부하 평준화를 진행하였으며, 현장의 생산 일정 변경을 반영할 수 있도록 대조립 정반, 블록 설계, 생산 공정 및 일정이 결합된 통한 프로세스 기반 모델 설계 안을 제시한다.

가설 설정

∙ 특정 BLK이 BOM에 따라 바로 조립되지 않을 시에는 정반을 차지하는 날짜에 대한 간접비용이 발생한다(각 정반 당$75/day).
본 연구에서는 블록의 종류에 따라 사용되는 리소스를 구분한다. 평 블록 공정에서는 일반 용접기를, 곡 블록 공정에서는 디지털 용접기를 사용하는 것을 가정한다. 또한 모든 세부공정을 반영하기에는 복잡도가 크고, 공정의 표준화가 쉽지 않기 때문에 Fig.

제안 방법

Table. 2의 리소스 별 처리 물량 정보를 이용하여 일별리소스의 사용량(Resource Usage; RU)과 허용치(ResourceAllowance; RA)를 계산한다. 이 때, 같은 기간과 정반에 스케줄 된 블록은 물량 계산의 용이성을 위하여 블록의 종류에 따라 하나로 합쳤으며, 대조립 블록 TT1에 대한물량 정보 및 작업시간, 블록의 스케줄 변경에 대한 1일 비용(Daily crashing cost)은 Table.
본 연구에서는 조선 내업공정 전체 일정계획을 검증하기 위한 모델링 방법을 프로세스 측면에서 제안하였다. 기존 블록의 조립 단계 중심의 모델링 방법의 한계를 개선하여 자원제약을 고려한 부하 평준화 알고리즘과 블록 공정의 작업 순서 중심의 모델링 방법을 제시하였다. 이를 통해 사용자는 조선소 전체 내업공정 내 블록 간의 조립 관계, 각 블록이 작업되는 정반과 작업의 선후관계를 한 번에 파악 할 수 있다.
둘 째, 단위모델 데이터베이스를 만들고, 워크플로우 모델과 매핑시켜 프로세스 기반 모델을 생성한다. 셋 째,제약사항(정반, 스케줄)을 반영시켜 통합 프로세스 기반 모델을 생성 한다.
곡가공은 선박의 건조과정에서 일정한 각도로 휘어진 부재들을 용접기로 가공하는 작업을 일컫는다. 본 연구에서는 블록의 종류에 따라 사용되는 리소스를 구분한다. 평 블록 공정에서는 일반 용접기를, 곡 블록 공정에서는 디지털 용접기를 사용하는 것을 가정한다.
둘 째, 단위모델 데이터베이스를 만들고, 워크플로우 모델과 매핑시켜 프로세스 기반 모델을 생성한다. 셋 째,제약사항(정반, 스케줄)을 반영시켜 통합 프로세스 기반 모델을 생성 한다. 이후 블록과 리소스의 일량을 고려한리소스 밸런싱을 진행하여 통합 프로세스 기반 모델에 작업일정 변경 사항을 반영시킨다.
셋 째,제약사항(정반, 스케줄)을 반영시켜 통합 프로세스 기반 모델을 생성 한다. 이후 블록과 리소스의 일량을 고려한리소스 밸런싱을 진행하여 통합 프로세스 기반 모델에 작업일정 변경 사항을 반영시킨다.
4의 세 단계과정을 거쳐 이루어진다. 첫 째, 통합하고자 하는 블록의 정보를 각 블록의 설계정보에 요구되는 공정정보를 상호참조할 수 있도록 통합한 형태의 자료구조인 통합데이터로부터 검색하여 워크플로우(Workflow)모델을 생성한다.

대상 데이터

본 연구에서 제시하는 모델링 방법의 효용성을 확인하기 위해 I사에서 제공한 대조립 블록 TT1 정보를 이용하였다. 입력 값으로 대조립 블록 TT1의 BOM정보(Fig.
본 연구에서 제시하는 모델링 방법의 효용성을 확인하기 위해 I사에서 제공한 대조립 블록 TT1 정보를 이용하였다. 입력 값으로 대조립 블록 TT1의 BOM정보(Fig. 5)와 공정(Activity)정보의 통합 데이터, 조선소 각 정반(Work space) 별 블록의 스케줄 정보를 사용하였다. 또한 I사에서 실제 사용하고 있는 작업 지시 정보를 바탕으로 물량, 스케줄, 정반 정보 등을 확인 할 수 있다.

데이터처리

또한 부하 평준화 알고리즘을 거친 모델링 방법이기 때문에 별도의 리소스 모델링과시뮬레이션 과정을 거치지 않고도 최소 비용으로 리소스의 효율을 극대화 할 수 있는 전체 블록의 일정계획을 얻을 수 있다. 통합 프로세스 기반 모델링에 대한 타당성을 검증하기 위해 XML기반의 페트리네트 툴인 QPnet을 이용하였으며, 프로그램은 MySQL과 프로그래밍 언어(C#)를 사용하여 만들었다.

이론/모형

Han은 M&S를 기반으로 한 IDEF0(Integration Definition for Function Modeling) 방법론을 이용하여 조선 패널 블록 조립라인을 계층적으로 모델링하였으며, 생산성과 작업관리 효율성을 높이는 일정계획을 얻기 위해 시뮬레이션을 수행 하였다(Han, et el.,2008).

성능/효과

두 개 이상의 프로세스가 동기적으로 진행되는 경우에는 (b)Paralleloperation을, 특정 프로세스의 선택을 나타내는 경우에는(c)Choice operation을 사용한다. (d)Synchronized operation은 선행 공정이 모두 완료되었을 시에만 후행 공정으로 진행될 수 있다. (e)Join/merge operation은 여러 선행공정 중 하나의 공정만 완료되면 후행공정으로 진행할 수 있는 경우에 사용한다(Kim, et el.
(c)Choice operation은 하나의 place로부터 다수의 transition이 분기되어 후행공정이 비동기적으로 진행될 수 있도록 한다. (e)Join/merge operation은 여러 선행공정 중 하나의 transition만 점화되어도 후행 공정이 진행될 수 있도록 한다.
4는 대조립 블록 TT1 공정 전체 스케줄에 대한부하 평준화를 진행한 결과에 대한 비용 및 수정된 스케줄 정보이다. Fig.11에서도 확인할 수 있듯이, $945의 비용으로 기존 Fig. 10에서 44일이 소요되던 전체 프로젝트 기간을 34일로 총 10일 줄일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 Fig.

후속연구

향후 연구에서는 통합 프로세스 기반 모델을 토대로 워크플로우페트리네트 모델간의 매핑관계와 페트리네트 등의 시뮬레이션 툴을 이용한 정량적 분석에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한 실제 조선소의 통합데이터 분석을 통한 단위 작업 공정 및 자원의 표준화 연구와 가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
이와 같이 구현된 통합 프로세스 기반 모델링 시스템은 최종적으로 조선 내업공정 전체에서 공유하는 리소스의 부하를 평준화 시킨 통합 프로세스 기반 모델을 페트리네트로 도출한다. 이는 사용자에게 리소스의 효율을 최대로 하는 내업공정 전체 일정 계획을 제공하는 동시에,전체 블록 프로세스의 조립관계, 작업의 선후 관계 등을 확인할 수 있도록 함으로써 사용자에게 보다 효율적인 의사결정에 도움이 될 것으로 기대 된다.
이에 선박 생산 시 변경된 생산 일정 및 자원을 효과적으로 사용할 수 있도록, 생산에 필요한 공정, 일정 및 자원을 확인하여 효율적인 생산 계획을 제시할 수 있는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 대조립 공장에서 사용되는 정반, 장비와 같은 자원들과 생산 공정 및 일정 계획을 기반으로 효율적인 선박 생산을 설계하는 통합 프로세스 기반 모델을 제시한다.
통합 프로세스 기반 모델링 방법을 통해 조선소 내업공정 일정계획을 관리하는데 리소스 투자비용의 절감과 생산성 확보 등의 이점이 있을 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 통합 프로세스 기반 모델을 토대로 워크플로우페트리네트 모델간의 매핑관계와 페트리네트 등의 시뮬레이션 툴을 이용한 정량적 분석에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한 실제 조선소의 통합데이터 분석을 통한 단위 작업 공정 및 자원의 표준화 연구와 가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조선업에서 중요한 기술은 무엇인가?	조선업은 한정된 자원을 사용하는 single-product production방식이며, 리소스를 효율적으로 관리하여 선박 공정의 생산성을 극대화 시킬 수 있는 생산관리기술이 중요하다. 때문에 많은 조선사에서는 모델링 및 시뮬레이션을 적용함으로써 현장 내 다양한 제약 조건이 고려된 선박 생산계획 및 공정에 대한 연구를 수행하고 있다.
	조선업의 특징은?	조선업은 한정된 자원을 사용하는 single-product production방식이며, 리소스를 효율적으로 관리하여 선박 공정의 생산성을 극대화 시킬 수 있는 생산관리기술이 중요하다. 때문에 많은 조선사에서는 모델링 및 시뮬레이션을 적용함으로써 현장 내 다양한 제약 조건이 고려된 선박 생산계획 및 공정에 대한 연구를 수행하고 있다.
	조선 생산관리 기술을 제대로 이행하지 못하였을 때 생길 수 있는 문제는 무엇인가?	, 2013). 그러나 급작스런 공정 계획 변경, 정반의 작업량 과부하, 자원의 불균형 등으로 인해 생산 현장의 제약조건들을 충분히 고려하지 못하고 있으며, 공정 계획과 현장 계획의 불일치로 인해 선박 생산 지연, 추가 장비 사용, 생산 비용 초과와 같은 문제들을 발생 시켰다(Lee, et el., 2007).

저자의 다른 논문 :

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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