[논문]선박 및 해양플랜트 환경에서 작업자 위치 모니터링 시스템 개발을 위한 시스템엔지니어링 접근 방법

박종희; 김한준; 윤재준; 김형민; 홍대근

doi:10.14248/jkosse.2020.16.1.068

선박 및 해양플랜트 환경에서 작업자 위치 모니터링 시스템 개발을 위한 시스템엔지니어링 접근 방법
A Systems Engineering Approach to Development of a Worker's Location Monitoring System in Ship and Offshore Plant 원문보기

시스템엔지니어링학술지 = Journal of the Korean Society of Systems Engineering, v.16 no.1, 2020년, pp.68 - 77

박종희 ((주)에이치랩) , 김한준 ((주)에이치랩) , 윤재준 ((주)에이치랩) , 김형민 ((주)에이치랩) , 홍대근 (포항공과대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The shipbuilding and offshore industry is a large and complex assembly industry, which causes many safety accidents. The major accidents in the shipbuilding and offshore industry workplaces are stenosis, falling objects, dust, fire, explosions, and gas poisoning. The accident by worker in this industry mainly has three factors: frequent movement, narrow work space, and increased use of subcontractors. To control these factors, it is necessary to monitor the worker's location and work status. In this paper, a worker location monitoring system using inaudible sound wave was designd that can be used in environments with many metal barriers. The process included deriving stakeholder requirements, transforming to system requirements, designing system architecture, and developing prototype. The prototype was validated by third-party testing agency. As a result, it satisfied the designed performance and verified its feasibility.

주제어

표/그림 (15)

그림 [Figure 1] The scope of researching life-cycle and SE process
그림 [Figure 2] System context
그림 [Figure 3] Operation scenario
그림 [Figure 4] Stakeholder's requirements
그림 [Figure 5] System requirements
그림 [Figure 6] MOP requirements by QFD method
그림 [Figure 7] System logical architecture
그림 [Figure 8] Logical-physical traceability table
그림 [Figure 9] System physical architecture
그림 [Figure 10] Inaudible sound wave transmitter
그림 [Figure 11] Worker location monitoring screen
그림 [Figure 12] Test bench
그림 [Figure 13] Prototype test scenario
그림 [Figure 14] Prototype test
그림 [Figure 15] Test result table

AI 본문요약
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문제 정의

이 운영 시나리오는 시스템이 작동하는 환경과 상황을 정의하고 외부 시스템과 인터페이스를 고려하여 설계하기 위해 필요하다. 본 논문에서는 선박 및 해양플랜트 건조 작업 중에 발생하는 문제들을 식별하는 과정에서 데이터의 획득 및 흐름, 그리고 활용 현황에 초점을 두고 문제 식별 및 운영 시나리오를 개발한다.
본 연구는 SE 방법론에 따른 접근 방식으로 작업자 위치 모니터링 시스템을 설계하고 이를 기반으로 비가청 음파를 이용한 프로토타입을 개발하였다. 이 작업자 위치 모니터링 시스템은 기존의 선박 및 해양플랜트 작업장 내 통신 및 측위 시스템의 문제점을 극복하고 안전 관리 업무의 생산성을 향상시킬 수 있는 방안이다.
본 연구에서는 국내 선박 건조 업체인 H사의 작업 현장에서 수행하기 위한 작업자 위치 모니터링 시스템 구축 프로젝트에 SE 설계 방법을 적용한 사례를 제시한다.
이는 TPM 척도에 따른 프로토타입 평가 결과로 그림 15와 같이 정리하였다. 이를 통해 시스템의 음파 송수신, 금속체 통신 및 위치 모니터링의 핵심 기능 수행 성능을 검증하는 목적을 달성하였다. 한편, 테스트 과정에서 안드로이드 기반 음파 수신기의 사양은 영향이 없음을 확인하였다.

가설 설정

5×4m의 크기를 가진 금속 차폐 환경이다. 두 컨테이너로 막힌 금속벽을 격벽으로 가정하고 바깥 벽에 금속 전도체 통신 송수신기를 설치해 네트워크를 구성한다. 40ft 컨테이너 안쪽 벽에 3.

제안 방법

두 컨테이너로 막힌 금속벽을 격벽으로 가정하고 바깥 벽에 금속 전도체 통신 송수신기를 설치해 네트워크를 구성한다. 40ft 컨테이너 안쪽 벽에 3.5m 간격, 1.5m 높이에 4개의 비가청 음파 발신기를 설치해 위치 추정 테스트를 진행하였다.
H사의 선박 건조 작업 현장에 이 시스템을 구축하기 위해, 무선 통신 네트워크를 기반으로 한 작업자 위치 모니터링 시스템의 프로토타입을 개발하였다. 프로토타입은 앞서 수행한 시스템의 논리 아키텍처의 정보 통신 부분과 음파 송신, 음파 분석, 작업자 위치 추정, 모니터링 부분을 포함하고 있다.
시스템 아키텍처는 시스템 논리 아키텍처와 시스템 물리 아키텍처, 내부 인터페이스로 나눌 수 있다. 논리 아키텍처는 IDEF0[14]와 eFFBD(enhanced Functional Flow Block Diagram)를 이용해 설계한다. 또한, HID(HIerarchy Diagram)를 활용해 하위 컴포넌트를 정의하고 IBD(Internal Block Diagram)을 활용해 각 컴포넌트 간의 인터페이스를 정의한다.
이해관계자 식별에는 컨텍스트 다이어그램(Context Diagram)을 이용한다. 두 번째는 개발과 관련된 전문가 인터뷰와 설문 방식을 통해 이해관계자 요구사항을 도출한다. 요구사항은 대상시스템(SoI, System of Interest)이 할 일을 정의한다.
따라서 본 연구는 조선소 작업 현장에 적합한 무선 네트워크 기반의, 격벽 이동에 대해 유연한 위치 추정 기술을 적용하여 작업자 위치 모니터링 시스템을 설계한다. 제안된 시스템의 핵심 기능을 포함한 프로토타입을 개발하고 제안된 시스템의 효과성과 현장 적용 가능성을 확인한다.
논리 아키텍처는 IDEF0[14]와 eFFBD(enhanced Functional Flow Block Diagram)를 이용해 설계한다. 또한, HID(HIerarchy Diagram)를 활용해 하위 컴포넌트를 정의하고 IBD(Internal Block Diagram)을 활용해 각 컴포넌트 간의 인터페이스를 정의한다.
프로토타입은 앞서 수행한 시스템의 논리 아키텍처의 정보 통신 부분과 음파 송신, 음파 분석, 작업자 위치 추정, 모니터링 부분을 포함하고 있다. 물리 아키텍처에서의 위치 추정과 통신 부분을 포함하고 있으며, 시험인증 기관인 KOIST를 통해 그 기능과 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 시스템 정의를 위한 이해관계자 요구사항을 50개 항목을 도출하였다. 도출된 요구 사항은 시스템 요구사항으로 추적해 관리했다.
이 과정을 통해 시스템의 사양을 결정하는 요구사항을 추적하고 누락 없는 형상 관리를 할 수 있었다. 본 연구의 시스템은 60개 항목의 시스템 요구사항과 300개 항목의 컴포넌트 요구사항을 도출하였다. 시스템 요구사항은 기능, 비기능으로 나누어 논리적, 물리적 구성요소에 반영되었다.
운영 시나리오를 바탕으로 작업자 위치 모니터링 시스템의 이해관계자 요구사항을 추출했다. 선박 및 해양플랜트 건조 작업 환경에서 필요한 요구사항은 작업자 인터뷰 및 설문지 방식, 문헌 조사를 통해 수집했다. 주요 이해관계자 요구사항은 다음 그림 4와 같다.
선박 및 해양플랜트 작업 현장과 비슷한 환경에서 네트워크 및 모니터링 시스템의 테스트를 진행한다. 테스트벤치는 그림 12와 같이 40ft와 20ft의 두 개의 컨테이너이며, 12×3.
시스템 요구사항과 논리 아키텍처를 바탕으로 비가청 음파를 활용한 작업자 안전 모니터링 시스템의 물리 아키텍처를 도출하였다. 두 아키텍처 사이의 연계 과정은 그림 8과 같이 TPM(Technical Performance Measurement)에 의한 추적 테이블을 따라 할당되었다.
시스템 요구사항과 운영 시나리오를 이용하여 시스템 논리 아키텍처 개발을 수행하였다. 시스템이 수행해야 하는 기능을 순차적으로 배치하고 각 기능을 물리적 구성 요소에 배분함으로써 이상 여부를 확인하기 위한 이 과정은 그림 7과 같이 IDEF0다이어그램을 활용하여 모델링하였다.
컴포넌트 수준으로 분해된 시스템은 각 기능 요구사항을 할당하여 MOP 성능을 기반으로 각 컴포넌트의 TPM(Technical Performance Measurements)을 도출한다. 시스템의 물리적 특성에 해당하는 비기능 요구사항도 각 컴포넌트에 할당하는 작업이 이루어진 후 요구사항과 아키텍처 간의 시스템 추적성을 검증한다[15].
시스템 요구사항과 운영 시나리오를 이용하여 시스템 논리 아키텍처 개발을 수행하였다. 시스템이 수행해야 하는 기능을 순차적으로 배치하고 각 기능을 물리적 구성 요소에 배분함으로써 이상 여부를 확인하기 위한 이 과정은 그림 7과 같이 IDEF0다이어그램을 활용하여 모델링하였다.
앞서 정리한 현장의 문제점을 분석함으로써, 작업자 위치 모니터링 시스템이 갖춰야 할 기능 및 비 기능 설계 고려사항들을 도출하였다. 도출한 시스템 요구사항은 다음 그림 5와 같다.
5m 이내의 작업자를 분당 20회 이상 추적하는 결과를 얻었다. 이를 통해, 작업자와 관리자, 그리고 사업주측면에서 기존 시스템에 비교한 장점을 확인하였다. 다만, 선박 모든 구역에 적용하려면 방수 및 방진 설계개선의 필요성이 있음을 확인하였다.
테스트벤치 적용을 위한 기술 개발 과정 중, 두 개의 비가청 음파 발신기의 신호가 모두 미수신되 거나 두 발신기의 신호가 모두 수신되는 영역에서의 신호처리가 문제되었다. 이를 해결하기 위해 모니터링 시스템의 작업자 이동 이력을 기반으로 경로를 예측하여 발신기의 음파 출력 값을 계산하는 알고리즘을 추가하였다. 이 절차는 국내 특허(10- 2019-0005720)로 출원되었다.
도출된 요구 사항은 시스템 요구사항으로 추적해 관리했다. 추적 관리된 이해관계자 요구사항은 일 년에 두 번 조정을 협의하여 20개 항목 가량의 변경하였다. 이 과정을 통해 시스템의 사양을 결정하는 요구사항을 추적하고 누락 없는 형상 관리를 할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서는 작업자 위치 모니터링 시스 템 설계하기 위해 SE 방법론을 적용한다. SE를 기반으로 한 일반적인 시스템의 생명주기를 그림 1과 같이 정의하고 타당성 조사로부터 기본설계 단계인 V-model 상의 Component Testing 일부까지를 본 연구 범위로 선정한다. 본 논문의 연구 결과는 IT 시스템으로써 소프트웨어 개발 프로세스의 MVP (Minimally Viable Product) 프로토타입 및 검증 과정을 도입한다.
테스트벤치는 그림 12와 같이 40ft와 20ft의 두 개의 컨테이너이며, 12×3.5×4m, 6×3.5×4m의 크기를 가진 금속 차폐 환경이다.

이론/모형

그리고 기능 요구사항에 대한 MOP(Measure of Performance)를 도출하고 평가 기준에 활용하였다. 대상 시스템과 상호작용하는 외부 시스템을 식별하고 그 사이에 존재하는 데이터 또는 신호를 DFD(Data Flow Diagram)으로 표현한다.
시스템 엔지니어링(SE, Systems Engineering) 은 새로운 시스템의 개발 시행착오를 줄이고 개발된 시스템의 형상을 관리하는 측면에서 장점이 있다[12]. 본 연구에서는 작업자 위치 모니터링 시스 템 설계하기 위해 SE 방법론을 적용한다. SE를 기반으로 한 일반적인 시스템의 생명주기를 그림 1과 같이 정의하고 타당성 조사로부터 기본설계 단계인 V-model 상의 Component Testing 일부까지를 본 연구 범위로 선정한다.
시스템 요구사항 도출은 본 사례연구에서 채택한 QFD(Quality Function Deployment) 방법에 의해 그림 6과 같이 진행하였다. 이는 MOP(Measure of Performance)에 의해 관리된다.
첫 번째는 대상 시스템(SoI)을 정의하고 개발에 직간접적으로 영향을 미치는 이해관계자를 식별하는 것이다. 이해관계자 식별에는 컨텍스트 다이어그램(Context Diagram)을 이용한다. 두 번째는 개발과 관련된 전문가 인터뷰와 설문 방식을 통해 이해관계자 요구사항을 도출한다.
프로토타입 테스트는 그림 13의 시나리오에 따라 수행되었다. 작업자가 휴대하는 안드로이드 기반 음파 수신기는 작업 공간에 설치된 음파 발신기의 음파 패턴을 금속체 통신 단말에 전송한다.

성능/효과

이를 통해, 작업자와 관리자, 그리고 사업주측면에서 기존 시스템에 비교한 장점을 확인하였다. 다만, 선박 모든 구역에 적용하려면 방수 및 방진 설계개선의 필요성이 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 구조와 환경 상의 문제로 인해 일반적인 RF 기반 무선 네트워크와 측위 기기의 사용이 힘든 곳에 응용할 수 있다.
SE를 기반으로 한 일반적인 시스템의 생명주기를 그림 1과 같이 정의하고 타당성 조사로부터 기본설계 단계인 V-model 상의 Component Testing 일부까지를 본 연구 범위로 선정한다. 본 논문의 연구 결과는 IT 시스템으로써 소프트웨어 개발 프로세스의 MVP (Minimally Viable Product) 프로토타입 및 검증 과정을 도입한다. 이는 비용 절감 및 개발 기간 단축을 위한 것이다.
본 연구에서 개발된 시스템은 H사의 도크를 모사한 테스트벤치에서 실증 시험을 진행하여 3.5m 이내의 작업자를 분당 20회 이상 추적하는 결과를 얻었다. 이를 통해, 작업자와 관리자, 그리고 사업주측면에서 기존 시스템에 비교한 장점을 확인하였다.
이에 비해 음파는 회절을 통해 격벽의 추가와 이동에 대한 대응성이 높았다. 이 시스템은 기술적인 효과를 제공할뿐 아니라 선박 및 해양플랜트 건조 비용에 대한 이점을 제공할 수 있기 때문에 작업자의 안전 사고 예방을 효율적으로 수행할 수 있었다.
따라서 본 연구는 조선소 작업 현장에 적합한 무선 네트워크 기반의, 격벽 이동에 대해 유연한 위치 추정 기술을 적용하여 작업자 위치 모니터링 시스템을 설계한다. 제안된 시스템의 핵심 기능을 포함한 프로토타입을 개발하고 제안된 시스템의 효과성과 현장 적용 가능성을 확인한다. 다양한 기술 대안중 제안 시스템에 적합한 기술을 선정하고 관리하기 위해 시스템엔지니어링 방법론에 따라 접근한다.
테스트 환경에서 수행된 비가청 음파 송수신 테스트는 그림 14처럼 위치 추정 정밀도 3.5m, 수신율 95%의 정량적 목표를 달성했다. 이는 TPM 척도에 따른 프로토타입 평가 결과로 그림 15와 같이 정리하였다.
이를 통해 시스템의 음파 송수신, 금속체 통신 및 위치 모니터링의 핵심 기능 수행 성능을 검증하는 목적을 달성하였다. 한편, 테스트 과정에서 안드로이드 기반 음파 수신기의 사양은 영향이 없음을 확인하였다.

후속연구

지하공사장, 터널 작업장과 같은 현장은 이 시스템을 작업 상황을 모니터링하고 응급 상황을 전파하는 솔루션으로 활용할 수 있다. 또한, 차후로 시스템 컨텍스트의 다른 시스템과 연계한 다양한 서비스를 개발할 수 있다. 환경 모니터링 컨텐츠와 연동하여 유해가스 및 폭발 감지 상황을 주변 작업자에게 알리는 서비스나 건강 모니터링 컨텐츠와 연동해 심박, 호흡에 이상이 발생한 작업자를 긴급 후송하는 서비스가 있다.
다만, 선박 모든 구역에 적용하려면 방수 및 방진 설계개선의 필요성이 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 구조와 환경 상의 문제로 인해 일반적인 RF 기반 무선 네트워크와 측위 기기의 사용이 힘든 곳에 응용할 수 있다. 지하공사장, 터널 작업장과 같은 현장은 이 시스템을 작업 상황을 모니터링하고 응급 상황을 전파하는 솔루션으로 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시스템 엔지니어링의 장점은 무엇인가?	시스템 엔지니어링(SE, Systems Engineering) 은 새로운 시스템의 개발 시행착오를 줄이고 개발된 시스템의 형상을 관리하는 측면에서 장점이 있다[12]. 본 연구에서는 작업자 위치 모니터링 시스 템 설계하기 위해 SE 방법론을 적용한다.
	조선소 안전 관리에서 작업자의 위치 정보가 중요한 이유는?	조선소 안전 관리에 있어서 가장 중요한 정보는 작업자의 위치 정보이다. 위치 기반 서비스를 통해 조선소 내 환경 및 공간적 특성으로 인한 사고를 방 지하고, 현장의 상황에 따라 작업자와 감독자가 필요한 조치를 신속하게 통보 및 대처할 수 있기 때문이다[5]. 그러나, 야외 작업자는 기존의 위성항법시스템(GPS; Global Positioning System)에 의한 위치 기반 서비스가 가능하지만, 실내 작업자의 경우는 작업자의 위치를 추정할 수 있는 측위 솔루션이 부족하다[6].
	대상 시스템이란?	대상 시스템은 실제 조선소에서 작업 중인 선박 내에 작업자의 위치를 추정하고 이를 관리자가 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 시스템이다. 이 환경에 관련된 내부 및 외부 시스템을 배열하면 그림 2와 같다.

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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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