스마트공장 등으로 변화하는 경쟁 환경 속에서 제조시스템의 현 수준을 측정하고 개선 목표와 과제를 도출, 추진하여 제조경쟁력의 수준을 높이는 것이 기업의 기본적 활동이 되고 있다. 그러나 기업의 미래 제조경쟁력을 갖추기 위한 구성요소 분석과 성숙도평가에 관한 연구는 부분적으로 진행되고 있고 초기단계에 있다. 본 연구는 제조시스템에 대한 다양한 관점의 모델, 개발프로세스, 프레임워크 등에 대한 기존 연구를 분석하였다. 또한 스마트공장 관련 성숙도평가 연구들을 통해 미래 제조시스템의 구성요소들을 도출하여 구조모델을 설계하였다. 평가모델, 변환모델까지 포함하는 메타모델을 설계하고 프레임워크 개발 프로세스를 도출하여 미래 제조시스템의 성숙도평가를 위한 통합적 프레임워크를 제안하였다. 또한 실제 스마트공장 평가에 적용하여 검증하였다. 제시된 프레임워크는 미래 제조시스템의 성숙도평가를 위한 기반 도구로 활용될 수 있을 것이다.
스마트공장 등으로 변화하는 경쟁 환경 속에서 제조시스템의 현 수준을 측정하고 개선 목표와 과제를 도출, 추진하여 제조경쟁력의 수준을 높이는 것이 기업의 기본적 활동이 되고 있다. 그러나 기업의 미래 제조경쟁력을 갖추기 위한 구성요소 분석과 성숙도평가에 관한 연구는 부분적으로 진행되고 있고 초기단계에 있다. 본 연구는 제조시스템에 대한 다양한 관점의 모델, 개발프로세스, 프레임워크 등에 대한 기존 연구를 분석하였다. 또한 스마트공장 관련 성숙도평가 연구들을 통해 미래 제조시스템의 구성요소들을 도출하여 구조모델을 설계하였다. 평가모델, 변환모델까지 포함하는 메타모델을 설계하고 프레임워크 개발 프로세스를 도출하여 미래 제조시스템의 성숙도평가를 위한 통합적 프레임워크를 제안하였다. 또한 실제 스마트공장 평가에 적용하여 검증하였다. 제시된 프레임워크는 미래 제조시스템의 성숙도평가를 위한 기반 도구로 활용될 수 있을 것이다.
In an environment transformed by smart factories, measuring the current level of the manufacturing system, deriving improvement targets and tasks and increasing the level of manufacturing competitiveness become the basic activities of the company. However, research on the component analysis and matu...
In an environment transformed by smart factories, measuring the current level of the manufacturing system, deriving improvement targets and tasks and increasing the level of manufacturing competitiveness become the basic activities of the company. However, research on the component analysis and maturity assessment to ensure the future competitiveness of the company is in progress and in the early stages. This study analyzed the existing research on various models, development process, and framework for manufacturing system. In addition, we designed a structural model by deriving the components of future manufacturing system through smart factory related maturity assessment studies. We designed a meta-model that includes an assesment model and a transformation model, and derived the framework development process to propose an integrated framework for the maturity assessment of the future manufacturing system. We verified it by applying it into an actual evaluation project of smart factory.
In an environment transformed by smart factories, measuring the current level of the manufacturing system, deriving improvement targets and tasks and increasing the level of manufacturing competitiveness become the basic activities of the company. However, research on the component analysis and maturity assessment to ensure the future competitiveness of the company is in progress and in the early stages. This study analyzed the existing research on various models, development process, and framework for manufacturing system. In addition, we designed a structural model by deriving the components of future manufacturing system through smart factory related maturity assessment studies. We designed a meta-model that includes an assesment model and a transformation model, and derived the framework development process to propose an integrated framework for the maturity assessment of the future manufacturing system. We verified it by applying it into an actual evaluation project of smart factory.
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문제 정의
그러나 이 모델로는 미래 제조시스템 성숙도 평가의 영역이 제한적이어서, 본 연구에서는 종합적이고 균형적인 성숙도평가를 수행할 수 있도록 프레임워크를 제시하고자 한다.
본 연구는 급변하는 제조현장의 미래를 효율적으로 대응할 수 있도록 제조시스템의 초기 진단을 위한 ‘미래 제조시스템의 성숙도평가를 위한 통합적 프레임워크(Framework for Assessing Maturity Of Future manufacturing system, 이하 FAMOF)’ 를 제시하고자 한다.
적용 과정에서 한국형 중소기업 제조혁신 방법론(Korean Production System, KPS)의 제조시스템 메타모델의 구조와 개발 프로세스 등을 참조하였다. 산학연 분야별 전문가 20명과 함께 시범적용 개념으로 개발한 구조모델과 평가모델은 20개 기업에 적용해 보았고[6], 본 절에서는 FAMOF 검증 차원에서 개발 과정과 적용 결과에 대해 서술한다.
제안 방법
4개 부문은 10개 모듈로 구분하였고, 구조모델의 각 구성요소별 핵심요구사항을 도출하여 46개 평가항목을 개발하였다. 평정기준 개발 시 성숙도를 기초로 수행도와 이해도 관점에서 세부 기준을 개발하였다.
FAMOF 설계를 위한 구체적 요구사항을 도출하기 위해 본 연구와 직접적으로 관련된 분야에서 프레임워크에 대한 기존 연구들을 찾아보았으나, 적절한 연구를 찾을 수 없어 차선책으로 소프트웨어공학 분야의 프레임워크에 대한 연구들을 살펴보았다. Johnson은 소프트웨어공학 관점에서 프레임워크의 구조를 “추상 클래스 집합과 인스턴스 간 상호작용하는 방식을 디자인하는 것”으로 정의하였다[4].
FMS 구조모델은 FMS 메타모델의 핵심이 되는 하위 모델로서 평가모델과 변환모델 개발의 기반이 되는 모델이다. FMS의 구조모델의 구성요소를 도출하기 위해 우선 4차 산업혁명 관련 성숙도평가모델에서 나타난 구성요소들을 정리하였다. 각 연구에서 나타나는 구성요소 및 평가영역들을 의미와 범위의 유사성에 따라 [Table 3]과 같이 7개의 그룹으로 분류하였다.
Pöppelbuß와 Röglinger의 디자인 원칙 및 요구사항[13]을 토대로 FAMOF 개발 프로세스를 위한 요구사항을 다음과 같이 정리하였고, 12개 프레임워크 설계원칙(R1～ R12)으로 설정하였다.
SFAM 구조모델의 구성요소를 선정하기 위해 제3.1절에서 설명한 FAMOF 구조모델의 구성요소를 재검토하였다. 개발 시간과 개발팀 구성 등을 고려하여 운영적 측면의 Principles, Activities 항목은 모델에서 제외하였고, 프로세스, 정보시스템, 설비자동화 영역에 대해서는 분야별 전문가 그룹에서 먼저 세부 구성항목을 도출한 뒤, 전체 검토회의를 통해 최종 선정하였다.
SFAM 평가체계는 [Figure 3]에 제시한 바와 같이 프로세스, 시스템&자동화, 리더십& 전략(경영), 성과의 4개 부문으로 구성되며, 프로세스와 시스템&자동화 부문에는 직접적으로 적용 가능하며, 리더십&전략 부문과 성과부문은 다른 성숙도모델과 함께 복합적으로 활용하여 적용하였다.
다음으로 Maier et al.[7] 이 제시한 개발 프로세스를 골격으로 FAMOF 개발 프로세스를 10단계(S1～S10)로 설계하였다. [Table 2]에 설계원칙과의 관련성도 함께 정리하였다.
[Table 4]에서 제시한 구성요소에 대한 계층 관계를 확인하고 FMS 평가모델의 계층구조를 설계하였다. 평가모델의 Dimension, Domain, Item을 도출할 때 구조모델의 구성요소가 기본적으로 활용된다.
FMS의 구조모델의 구성요소를 도출하기 위해 우선 4차 산업혁명 관련 성숙도평가모델에서 나타난 구성요소들을 정리하였다. 각 연구에서 나타나는 구성요소 및 평가영역들을 의미와 범위의 유사성에 따라 [Table 3]과 같이 7개의 그룹으로 분류하였다.
1절에서 설명한 FAMOF 구조모델의 구성요소를 재검토하였다. 개발 시간과 개발팀 구성 등을 고려하여 운영적 측면의 Principles, Activities 항목은 모델에서 제외하였고, 프로세스, 정보시스템, 설비자동화 영역에 대해서는 분야별 전문가 그룹에서 먼저 세부 구성항목을 도출한 뒤, 전체 검토회의를 통해 최종 선정하였다.
시스템&자동화 부문의 정보시스템, 설비자동화 모듈은 각각 5개씩 10개의 평가 항목을 도출하였다. 끝으로 성과 부문은 구조모델의 6개 KPI를 기준으로 하였으며, Delivery는 Lead time으로 지정하여 [Table 7]의 성과지표 항목을 도출하였다. 평가항목의 수는 다른 영역과의 균형과 중소기업 적용성 등을 고려하여 선정하였다.
둘째, 프레임워크의 실용성 및 재사용성을 높이기 위해 추상화, 모듈화 등의 개념을 적용하였으며, 프레임워크 품질을 높이기 위해 성숙도평가모델 개발 프로세스에 대한 주요 기존 연구들을 확인한 뒤, 개발 프로세스를 설계하고 각 단계별 요구사항 및 설계 원칙을 재구성하거나 새롭게 추가하였다.
본 연구의 성과로는, 첫째 제조시스템 구조, 성숙도 평가, 미래 방향 등 다양한 분야의 연구에 대한 입체적 분석을 통해 기존의 미래 제조 시스템 성숙도평가모델에 대한 연구의 한계와 개선의 방향을 도출하였으며, 이러한 한계를 해결하기 위한 미래 제조시스템 구축, 평가, 변환을 위한 메타모델과 개발 프로세스로 구성된 통합적 프레임워크인 FAMOF를 제시하였다.
성숙도는 Porter and Heppelmann[14]이 제시한 미래 스마트 제품의 4가지 기능요소를 제조시스템 관점에서 반영하고 ‘checking’의 기본 수준을 추가하여 5단계로 나누었다.
시스템&자동화 부문의 정보시스템, 설비자동화 모듈은 각각 5개씩 10개의 평가 항목을 도출하였다.
이러한 한계점을 개선하기 위해 제조시스템 구조, 제조시스템 성숙도평가, 미래 제조시스템 변환 관점에서 [Table 1]과 같이 기존 연구의 개선 방향을 도출하였다. 개선 방향들을 종합해 보면 FAMOF의 개발 방향은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.
평가모델의 Dimension, Domain, Item을 도출할 때 구조모델의 구성요소가 기본적으로 활용된다. 평가모델의 개발은 Assessment Item Model, Maturity Model, Maturity Matrix, Scoring System 순의 단계에 따라 진행한다.
4개 부문은 10개 모듈로 구분하였고, 구조모델의 각 구성요소별 핵심요구사항을 도출하여 46개 평가항목을 개발하였다. 평정기준 개발 시 성숙도를 기초로 수행도와 이해도 관점에서 세부 기준을 개발하였다. 실제 사례연구[6]에 제시한 [Table 7]은 도출된 10개 모듈과 46개 평가항목의 리스트를 나타낸다.
핵심기능의 세부항목은, 정부의 R&D 전략 및 선행연구 등을 토대로 사전에 도출된 5개 Goal과 8대 스마트 제조 기반기술을 활용하여 분야별 전문가 그룹들이 연구조사 및 회의 등을 통해 선정하였으며, 내용은 다음과 같다.
대상 데이터
‘Goal’은 미래 제조시스템을 통해 기업이 달성하고 싶은 바람직한 모습을 학술연구 분석과 기업 설문을 통해 5개 키워드로 정리하였고, 이를 토대로 6개의 표준 KPI를 선정하였다.
이론/모형
한국 중소제조기업의 스마트공장에 대한 자율적 확산기반 구축을 위해 정부 정책에 의해 추진했던 스마트공장 진단평가모델 개발 프로젝트(Smart Factory Assessment Model, SFAM)에 FAMOF를 적용하였다. 적용 과정에서 한국형 중소기업 제조혁신 방법론(Korean Production System, KPS)의 제조시스템 메타모델의 구조와 개발 프로세스 등을 참조하였다. 산학연 분야별 전문가 20명과 함께 시범적용 개념으로 개발한 구조모델과 평가모델은 20개 기업에 적용해 보았고[6], 본 절에서는 FAMOF 검증 차원에서 개발 과정과 적용 결과에 대해 서술한다.
평가모델은 Assessment Item Model, Scoring Model 등으로 구성되며, [Table 4]에 전체 구성요소를 정리하였다.
한국 중소제조기업의 스마트공장에 대한 자율적 확산기반 구축을 위해 정부 정책에 의해 추진했던 스마트공장 진단평가모델 개발 프로젝트(Smart Factory Assessment Model, SFAM)에 FAMOF를 적용하였다. 적용 과정에서 한국형 중소기업 제조혁신 방법론(Korean Production System, KPS)의 제조시스템 메타모델의 구조와 개발 프로세스 등을 참조하였다.
성능/효과
셋째, 본 연구에서 제시한 프레임워크가 실제 성숙도평가모델 개발 프로젝트에 어떻게 적용될 수 있는지를 제시하기 위해 실제로 스마트공장 진단평가모델 개발 프로젝트(SFAM)에 적용했던 사례 연구를 통해 연구의 실효성을 검증하였다.
후속연구
둘째, 프레임워크의 활용도를 높이고, 성숙도 수준 향상의 도구로 더 확산되기 위해서는 구조 모델, 평가모델, 변환모델의 작동원리를 더 구체화시키고, UML(Unified Modelling Language)과 같은 표준화된 모델링 도구를 활용하여 프레임워크를 더 정교하게 표현할 필요가 있다.
본 연구의 프레임워크와 적용사례는 향후 스마트 제조 시스템의 성숙도평가모델 개발을 추진하는 학계 및 산업계의 연구자들에게 개발전략 수립 및 개발기간 단축 등을 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제조 분야가 아닌 다양한 분야의 성숙도평가 관련 연구에도 모델에 대한 개념설계와 개발 프로세스에 대한 일반적 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구의 프레임워크와 적용사례는 향후 스마트 제조 시스템의 성숙도평가모델 개발을 추진하는 학계 및 산업계의 연구자들에게 개발전략 수립 및 개발기간 단축 등을 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제조 분야가 아닌 다양한 분야의 성숙도평가 관련 연구에도 모델에 대한 개념설계와 개발 프로세스에 대한 일반적 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다.
예를 들면 품질관리 프로세스에서 자동차업종에서의 기능안전(Functional Safety), 제약업종의 의약품안전(GMP), 식품업종의 식품안전(HACCP) 등의 평가항목을 직접적으로 다루지는 않고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 본 연구의 프레임워크를 바탕으로 업종별 특성을 반영한 핵심요구사항 도출 및 평가 항목 설계 등을 통해 업종별 프레임워크 개발을 진행할 수 있다.
앞서 살펴본 성숙도평가모델 개발 프로세스 관련 연구들은 개발 프로세스를 구체적으로 기술하고 있으나, 개발의 범위가 평가모델 혹은 성숙도의 단계 모델에 국한되어 있다. 이에 본 연구의 통합적 프레임워크 개발을 위해서는 기존 연구들이 제안한 프로세스에 수정이 필요하다. Pöppelbuß와 Röglinger의 디자인 원칙 및 요구사항[13]을 토대로 FAMOF 개발 프로세스를 위한 요구사항을 다음과 같이 정리하였고, 12개 프레임워크 설계원칙(R1～ R12)으로 설정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FMS 구조모델은?
FMS 구조모델은 FMS 메타모델의 핵심이 되는 하위 모델로서 평가모델과 변환모델 개발의 기반이 되는 모델이다. FMS의 구조모델의 구성요소를 도출하기 위해 우선 4차 산업혁명 관련 성숙도평가모델에서 나타난 구성요소들을 정리하였다.
스마트공장의 확산도 및성숙도를 바탕으로 5가지 단계의 정의는?
[1단계] 점검(Checking) 단계
· ICT를 아직 적용하지 않은 단계
· 체크시트, 작업일지 등을 수기로 관리함
· 상태를 단순 감지하며 외부시스템과 연계 되지 못함
[2단계] 모니터링(Monitoring) 단계
· ICT를 활용하여 실적 및 상태정보를 수집
· 눈으로 보는 관리가 가능하며 실시간 정보의 추적이 가능
· 감지결과를 외부 모니터링 시스템에 데이 터로 결과를 보여줌
[3단계] 제어(Control) 단계
· 수집 정보를 분석하여 이상 발견 및 조치
· 설비 및 기계를 유무선 네트워크를 통해 원격으로 제어 가능
[4단계] 최적화(Optimization) 단계
· 빅데이터 기술, 전문가시스템, 시뮬레이션 기법 등을 활용하여 사전대응시스템 구축
· 최적화기법(선형계획법 등)을 이용하여 도출된 결과를 의사결정에 활용
[5단계] 자율운영(Autonomy) 단계
· 모니터링, 제어, 최적화가 사람이 아닌 시스 템에 의해 자율 운영이 가능
· 무인화 공정이 확산되어 전체 공장 운영이 자율운영이 가능한 상태
· IoT, CPS 기술 등이 완벽이 통합되어 물리적 공장과 디지털 공장이 같아지는 이상적인 디지털 트윈(Digital Twin)을 구축
변환모델은 어떻게 구성되있는가?
변환모델은 제조성숙도의 현 수준과 목표수 준의 차이를 줄이기 위한 Toolbox, Roadmap, Manual & Examples 등으로 구성된다. 변환모 델은 평가모델의 평가항목에 1:1로 대응하여 Toolbox를 구성할 수 있으며, 전략적 차원에서 통합 Roadmap을 제시하거나 Manual & Examples 형태로 제시할 수 있다[5, 11].
![List of Assessment Items[6]](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/calsec/KJGRBH/2019/v24n2/KJGRBH_2019_v24n2_165_t0007.png "List of Assessment Items[6]")
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