1.서 론

해양 산업의 비중이 높아지면서 해양 프로젝트의 거시적 인 형상에 대한 파악이 점차 중요해지고 있다. 해양 프로젝 트의 형상을 파악하기 위해서는 현존하는 해양 프로젝트 사 업의 전체 수명주기에 대한 분석이 필수적이다. 최근 조선 업계의 사업구조가 기존의 상선 건조 중심에서 해양 구조물 (드릴쉽, FPSO, FSRU 등)으로 이동이 급속화 되고 있음에도 불구하고, 국내조선소는 해양 구조물의 선체 부분 이외의 구조물에 대한 자체 건조 노하우가 부족하여 해당 부문의 생산관리에 어려움을 겪고 있다. 국내 조선소의 입장에서는 수익이 최대화 될 수 있도록 기존의 상선 중 고부가가치 선 박과 해양 구조물에 대한 효율성 있는 생산관리 기반이 필 요하다. 이를 위해서는 해양플랜트 개발 및 건조 전체 범주 에 대하여 상선 건조 방식과 플랜트 구축 방식을 융합하여 기존 시스템에 대한 재설계를 통해 기존 조선소의 선박건조 관리 기반과 플랜트 구축 관리에 대한 기술 융합이 요구된 다. 일반적인 제품 수명주기는 특정 제품에 해당하는 마켓 세그먼트의 탄생부터 시작하여 성장기, 성숙기를 거쳐 퇴화 해가는 과정을 의미한다. PLM(Product Lifecycle Management) 에서의 수명주기는 마케팅부터 시작하여 개념설계, 기본설 계, 상세설계, 구매, 시공, 시운전, 운영 및 유지보수에서 제 품의 폐기까지의 전 과정을 의미한다.

플랜트 업종의 제품의 수명주기는 잠재고객의 니즈를 충 족시키기 위한 필요한 역량에 대한 인지로부터 시작하여 연 구개발, 생산, 운송을 거쳐 최종적으로 제품의 소멸에 이르 는 과정으로 요약될 수가 있고, 수명주기 모델에 대한 관리 역량 극대화를 위해서는 수명주기 모델을 가시화 할 수 있 는 시뮬레이션 환경이 요구된다. 해외 선진업체에서는 이미 관련 기술을 소프트웨어의 형태로 패키징하여 상용화 수준 으로 마케팅을 진행하고 있지만, 국내 관련 업체에서는 이 에 대한 노하우를 획득하기가 어렵다. Kim and Mun(2013)의 분석에 따르면 기존의 일반적인 제조 산업에서는 상당부분 PLM을 적용 중에 있지만 국내 조선분야는 현재 상용화된 PLM 솔루션을 이용하여 기업에 맞는 PLM 시스템을 물색 하거나 기업에 맞춰 시스템을 확장해 나가고 있는 PLM 도 입의 초기단계에 해당한다고 할 수 있다.

본 연구에서는 범용 CAD인 CATIA와 공정 시뮬레이션 어 플리케이션인 DELMIA를 사용하여 해양플랜트 제품의 수명 주기모델을 가시화하고 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 조 선 산업의 설계에서는 설계중심으로 2차원적 CAD 프로그램 인 Tribon이 주류로 사용되어 왔다. 시제품을 만들 수 없는 조선 산업의 특성상 종래의 2차원 환경의 설계에서는 제품 의 구체적인 형상을 파악하는 것에 한계가 발생한다. 따라 서 개발된 수명주기 모델에 대한 이해도의 극대화를 위해 수명주기 모델을 가시화하고 시뮬레이션 할 수 있는 환경이 요구된다.

3차원 환경에서의 DMU(Digital Mock-up)를 이용한 설계는 디자인 자료만으로 확인할 수 없는 문제점을 사전에 파악할 수 있고, 전문적인 공학지식이 없는 개발관계자의 이해와 협업을 돕는 역할을 수행한다. 이로 인해 설계단계에서 파 악하기 힘든 부품 간 간섭이나 생산시설과의 연계 등 물리 적인 문제를 사전에 파악할 수 있는 수단이 되고 건조단계 와 연계되어 DMU모델 데이터를 활용함으로써 설계검증의 효율을 증가시키고 효율적인 건조 방법을 제시할 수 있다. 또한, 설계로부터 건조시뮬레이션까지의 데이터 연계뿐만 아니라 작업자 모델을 이용한 시뮬레이션을 실시하여 작업 자의 자세를 인간공학적 분석을 통해 작업자세의 개선을 도 모할 수 있고, 작업자 이동시뮬레이션으로 작업자의 시선으 로 수명주기모델을 확인하여 이전에 발견하지 못하였던 설 계오류를 추가적으로 발견할 수 있다.

2.선행연구

Lee et al.(2004)의 연구에서 DMU모델 기반 설계가 아닌 2차원 Tribon을 사용한 설계에서 Tribon 데이터를 3차원 CADMATIC 데이터로 변환하여 DMU모델을 생성하여 블록 탑재과정의 애니메이션화가 수행된 바 있으며 Oh et al.(2011) 의 연구에서는 DMU모델 중심으로 레저선박 설계를 수행하 여 설계프로세스를 정립하고 이를 기반으로 제원 추적 및 성능검토를 통해 DMU모델 기반 설계의 효용성에 관한 연 구가 수행된 바 있다.

작업자 시뮬레이션과 관련된 연구로 Kim et al.(2007)은 현업의 작업을 인간공학 전문가와 작업자 모델을 이용한 인간공학적 분석을 비교하여 가상환경에서 작업자 자세 분 석의 신뢰성에 관한 연구를 수행하였으며 Chang(2007)은 조 선업에서 행해지는 대표적인 10개의 공정을 선정하고 디지 털 휴먼을 이용해 작업자 분석을 실시하여 조선업에서 디 지털 휴먼을 이용한 작업 자세평가의 사용가능성에 관해 연구하였다.

3.해양플랜트 가치사슬 및 수명주기

전형적인 자원 개발의 수명주기는 Fig. 1과 같이 탐사, 시 추, 설계, 건조, 운반, 설치, 운영으로 구분된다. 해양에서 원 유 및 천연가스를 생산하는 해양플랜트의 공급에 대한 가치 사슬을 보면, 우선 해양플랜트를 설치하고 운용할 지역에 대한 타당성 조사 및 예비탐사를 통해 원유 및 천연가스의 매장여부를 판단한다. 그 다음 매장지역의 시추를 통한 경 제성 평가 등을 통해 해양플랜트의 제작 여부를 판단한다. 해양플랜트의 제작여부가 결정되면, 환경조건 및 각종 고려 해야할 설계변수를 기반으로 설계를 하고 건조하여 해당지 역으로 운반, 설치하고 시운전을 통해 생산을 할 수 있도록 한다. Table 1에서는 이러한 수명주기 각 단계에 대한 설명 과 각 단계에서 대표적으로 이용되는 설비들에 대한 설명을 기술하였다.

3.1.Drill Ship의 수명주기 및 가치사슬

드릴링 유닛은 해양의 원유 및 천연가스를 생산하기 위한 공급사슬 중 사전적으로 탐사 시추 및 생산 시추에 사용되 는 모든 시설, 장비를 의미한다. 드릴링 유닛의 가치사슬은 탐사, 설계, 건조, 조달 등 일반 제조업의 전형적인 가치사슬 유형을 따르고 있으며, 특이점은 선급의 교섭력과 운용사의 교섭력이 타 제조업에 비하여 강하다고 할 수 있다. 드릴링 유닛 가격은 선가대비 35 ~ 55 %를 차지하고 있는데, 우리나 라는 EU, 미국, 일본 등 선진국에 비해 상당한 격차가 존재 하는 진입기에 있으며, 이들 선진국에 비해 제품의 차별적 기술, 신뢰도, 납품실적 등의 측면에서 상대적으로 열위인 것으로 분석된다. Table 2에서는 이러한 드릴링 유닛의 수명 주기에 대한 각 단계에서의 가치사슬 분석을 보이고 있다.

3.2.FPSO 수명주기 및 가치사슬

해양플랜트는 석유가스 및 해양에너지, 해양자원의 개발 을 위한 탐사, 시추, 생산, 저장 및 분배에 이르는 상류 및 하류의 전 과정을 수행하는 생산플랫폼으로 가치사슬 측면 에서 전 세계 에너지 수급의 중심에 서 있는 오일 메이저사 들이 가치 사슬의 정점에 위치한다. 최근 심해 시추의 급증 으로 인해 시추 및 탐사 관련 업체 및 관련 기자재 시장은 소수 지배 업체에 의한 독과점 성격이 강하며, 아울러 시장 진입장벽이 높은 반면에 해상 생산플랜트의 설계 엔지니어 링 및 건조시장은 상대적으로 많은 기업들이 시장점유를 경 쟁하는 대표적 글로벌 마켓이다.

기술난이도는 해상 생산플랫폼에 비해 URF(Umbilicals, Risers & Flowlines), 해저 생산시스템, Top-side 플랜트 분야가 상대적으로 높기 때문에 이에 대한 기술자립도가 경쟁력의 관건이라고 할 수 있다.

Table 2에서는 드릴쉽, Table 3에서는 FPSO의 수명주기에 대한 각 단계에서의 가치사슬을 보이고 있다. 수명주기 부 분에 있어 타 제조업과 특이할 만한 부분은 설치 및 시운전, 그리고 운영 및 유지보수 부분의 중요도라고 할 수 있는데, FPSO의 경우 한 번 계류가 되면 해당 유정의 자원이 소진될 때 까지 십 수 년 ~ 수십 년간 운용이 되어야하기 때문에 제 품 자체의 성능뿐만 아니라 운영 체계에 대한 중요도가 대 단히 높다고 할 수 있다. 이러한 특성은 FPSO 뿐만 아니라 유사한 기능을 수행하는 해양플랜트 생산 플랫폼에 동일하 게 적용될 수 있는 특성이라고 할 수 있다.

4.시뮬레이션 연구

3장에서 분석한 바와 같이 플랜트 업종의 제품의 수명주 기는 잠재고객의 니즈를 충족시키기 위한 필요한 역량에 대 한 인지로부터 시작하여 연구개발, 생산, 운송을 거쳐 최종 적으로 제품의 소멸에 이르는 과정으로 요약될 수가 있다. 이러한 수명주기에 대한 이해도의 극대화를 위해 수명주기 모델을 가시화 할 수 있는 환경이 요구된다. 본 논문에서는 해양플랜트 수명주기 중 건조와 관련된 가치사슬의 모델을 대상으로 하여 시뮬레이션하고 가시화 할 수 있는 연구를 수행하였다. 해양플랜트의 여러 제품 군 중 현재 우리나라 의 주력 제품인 드릴쉽과 FPSO의 DMU 모델을 구성해 가시 화 하였으며 가시화 한 수명주기 모델 중 드릴쉽 모델은 야 드 모델을 구성하여 크레인을 이용한 탑재시뮬레이션을 수 행하였고 FPSO모델은 작업자모델을 이용하여 작업자의 이 동에 따른 설계오류 확인 시뮬레이션을 수행하였다.

4.1.Product 모델

DMU(Digital Mock-Up)모델을 이용한 데이터 연계에서 같 은 포맷을 사용하여 프로그램으로 설계 시 작성된 DMU모 델을 건조 시뮬레이션까지 사용하는 것이 가장 이상적인 방법이지만 설계와 검증에서 다른 포맷을 이용하는 경우도 발생한다. 본 연구에서는 모델링과 시뮬레이션이 상이한 포 맷형식을 사용하는 3D CAD 프로그램간의 연계를 실시하였 으며 드릴쉽 모델의 경우 DMU 모델 생성에는 3dm형식의 포맷을 사용하는 3D캐드 프로그램인 Rhino를 이용하여 모 델링 하였고 가시화 환경을 통해 시뮬레이션을 구현하는 DELMIA에서는 3dm형식을 사용할 수 없기 때문에 모델 생 성 후 포맷변환의 과정을 거쳐 시뮬레이션을 수행하였다. Rhino를 이용한 DMU 모델 생성에서는 일반적인 드릴쉽의 형상을 참조하여 모델을 생성하였고 선체 내부는 별도의 모 델링을 하지 않고 선체 단일 모델을 생성 하였으며 Topside 에 탑재되는 모듈은 구성에 따라 DMU모델을 생성 하였다. 수명주기모델은 실 사이즈 모델링을 하였으며 기본 제원은 Table 4와 같고 Fig. 2의 형상을 가진다.

Rhino 프로그램에서는 하나의 모델파일에 Layer 기능을 이용해 모듈 또는 장비를 구분한다. CATIA에서 사용하기 적 합한 형식으로 변환하기 위해서는 장비 별로 구분된 각 Layer를 표준 중립 모델인 IGES(Initial Graphics Exchange Specification) 파일로 변환하여 부품 별로 파트파일을 생성하 고 CATIA의 어셈블리 기능을 이용하여 파트간의 구속조건 을 정의해 드릴쉽 모델을 재구성 하였다. FPSO모델은 CATIA를 이용하여 생성된 모델을 이용하였으며 기본 제원 은 Table 5와 같고 Fig. 3와 같은 형상을 가진다.

4.2.Context 모델

탑재시뮬레이션의 주변 환경을 가시화하기 위하여 D조 선소의 야드를 참조하여 모델링 하였으며 길이 530 m, 폭 131 m, 깊이 14.5 m의 제원을 가진 Dry dock을 모델링하여 골 리앗 크레인 1기와 LLC (Level Luffing jib Crane) 6기를 배치 하였다(Fig. 4).

4.3.Resource 모델

탑재시뮬레이션을 위한 Resource모델로 골리앗 크레인과 LLC 2기를 사용하였다. Resource 모델의 운동은 골리앗 크레 인은 3T운동을 하고(Fig. 5) LLC는 2T, 2R운동을 하여(Fig. 6) 탑사이드 모듈 탑재를 진행한다.

5.시뮬레이션

DELMIA는 3차원 디지털 매뉴팩쳐링 솔루션을 제공하는 프로그램으로 다양한 제조 산업을 대상으로 공정계획에서 부터 일반 조립 프로세스와 공장 시뮬레이션에 이르는 종 합 솔루션을 제공한다. 본 연구에서는 제품, 공정, 자원을 PPR 구조로 연결하여 가상의 공정 환경을 구성하였고, 제품 에는 드릴쉽 모델을 적용하고 자원에는 Context 모델과 설 비 모델, 공정에는 탑재 시나리오를 액티비티로 구성하였 다. 시뮬레이션 시나리오를 통해 계획되어있는 액티비티를 분석하여 설계오류를 찾고 효율적인 공정을 계획하는 목적 으로 사용하였다. 본 연구에서의 시뮬레이션 모델링은 Fig. 7 의 순서에 따라 실행하였다.

5.1.탑재시뮬레이션

구성되어 있는 드릴쉽을 탑재모듈 별 액티비티를 생성하 여 드릴쉽의 분해공정을 구성하고 탑재 공정으로 치환하여 시뮬레이션을 수행하였다. 액티비티는 탑재모듈을 기준으로 하여 해당 모듈의 모든 이동을 하나의 액티비티로 정의 하 였으며 하나의 액티비티에는 하나의 모듈만 포함 되도록 구 성하였다. 이를 통해 공정의 구성요소를 재정의 하지 않고 액티비티의 배치만으로 공정을 정의할 수 있다.

대상 공정은 PERT(Program Evaluation and Review Technique) 차트를 이용하여 액티비티의 순서를 정의하고 정의된 순서에 따라 시뮬레이션이 진행되게 된다. 일반적인 경우 전체 공정 의 구간을 액티비티로 묶는 것이라 할 수 있는데 이와 같은 경우 M-BOM을 기반으로 하여 공정을 구성하게 되어도 탑 재 모델간의 간섭이 발생하면 액티비티간의 관계 및 각 제 품이나 설비들의 위치를 고려하여 해당 액티비티의 전후 액 티비티까지 수정해야 하는 경우가 발생한다.

또한 액티비티의 순서변경이 필요할 시에는 더 많은 수 정작업을 요한다. 이를 개선하는 방법으로 액티비티에 하나 의 탑재장비만 포함하고 장비의 이동에 사용되는 설비들이 해당 액티비티내에서의 초기포지션과 최종포지션이 일치시 키는 방법을 고안하였다.

Fig. 8과 같이 액티비티에서 설비들의 초기 포지션과 최종 포지션을 같도록 하면 각 액티비티간의 공통된 연결점이 생 기고 이 연결점으로 인해 PERT 차트에서 액티비티 순서를 재배열하는 것이 자유로워져서 액티비티 배치에 따라 새로 운 공장을 구성하는 것이 가능해 진다.

하지만 액티비티의 재배열에 따른 공정들이 모두 가용한 것은 아니다. 인접하고 있는 모듈간에 상관관계가 발생하게 되는데 모듈의 위치에 따라 선행탑재가 요구되는 경우가 발 생한다. 이러한 경우 탑재 순서를 임의로 하게 되면 탑재 과 정에서 모듈간의 간섭이 발생하게 된다(Fig. 9). 시뮬레이션 에서 간섭이 발생한다는 것은 현업에서 탑재 시 충돌이 발 생하는 것으로 재작업을 요하게 된다. 이러한 모듈간의 간 섭을 시뮬레이션을 통해 사전에 검토하여 공정 최적화를 진 행한다. 본 연구에서는 탑재 모듈 및 장비에 따라 26개의 액 티비티를 생성하고 액티비티에 사용되는 장비들의 운행 속 도는 장비의 구분에 따라 통일된 값을 설정하여 구성하여 각 액티비티별 시간은 Table 6과 같은 값이 도출되었다.

시뮬레이션은 골리앗 크레인 1기와 LLC는 좌현과 우현 각각 1기씩 2기를 사용하여 드릴쉽의 선수에서부터 선미방 향으로 탑재를 진행하는 초기 공정에서 시뮬레이션을 실시 해 Workflow에 따라 공정 최적화를 진행하였다. 초기의 공정 은 선행작업을 고려하여 액티비티들이 일렬로 나열되는 순 차적인 공정을 생성하였다.

사이클타임을 단축시키기 위해서는 액티비티간의 병행 작업이 필요하다. 크레인의 회전반경을 확인하고 각 크레인 의 작업간 간섭의 가능성을 분석하여 간섭이 발생하지 않는 액티비티간의 병행 작업 가능 여부를 검토한 결과 LLC의 Jib 이 골리앗 크레인의 레일의 내부를 향하는 경우에는 LLC와 골리앗 크레인의 Leg와의 충돌은 발생하지 않아 LLC와 골리 앗 크레인의 병행작업이 가능하나 골리앗 크레인으로 모듈 이동 시 이동 중인 모듈과 LLC의 Jib과의 간섭이 발생 할 수 있어 골리앗 크레인과 LLC의 병행 작업은 모듈의 이동경로 와 중첩되지 않는 Port쪽 LLC를 사용하여 병행 작업을 할 수 있도록 하였다. LLC 2기의 병행작업은 크레인의 이동을 고 려하여 크레인의 작업반경의 중첩되는 부분이 없는 경우에 한해서 가능하다. 각 크레인이 운용되는 리프팅 객체에 따라 액티비티를 분류하고 Fig. 10처럼 운용되는 장비에 따라 1행 은 골리앗 크레인, 2행은 LLC(Starboard), 3행은 LLC(Port)에 해당되는 액티비티를 선행 작업을 고려하여 PERT chart에서 배치한 뒤 병행작업을 고려해 공정을 재구성하였다.

5.2.작업자 시뮬레이션

Ergonomics Simulation은 가상의 환경을 구현하여 평가도구 를 사용해 작업자세의 문제점을 분석하고 분석한 내용을 토 대로 시스템 최적화를 하게 되는데, 분석기법으로는 RULA (Rapid Upper Limb Assessment), OWAS (Ovako Working posture Analyzing System), REBA(Rapid Entire Body Assessment) 등이 있으며 DELMIA에서는 RULA기법을 이용하여 작업자 모델 의 자세를 분석하는 것이 가능하다. RULA는 어깨, 팔목, 손 목, 목 등의 상지(Upper Limb)에 초점을 맞추어서 작업자세 로 인한 작업부하를 평가하기 위하여 만들어진 기법(Fig. 12) 으로 작업 시 각 부분의 위치에 대한 점수로 평가하여 자세 의 교정 필요여부를 판단한다(Table 7).

이러한 자세 분석은 작업 시의 자세를 분석하여 작업자 세 교정의 필요여부 판단에 사용되고 협소한 공간에서의 작 업자의 자세분석을 통해 공간개선의 여건을 마련 할 수도 있다. 또한 작업자 이동시뮬레이션을 통해 작업자의 동선을 확인하여 제약사항을 파악하거나 작업자의 시선을 이용하 여 파악하지 못한 설계 오류를 파악 할 수 있다. 작업자 이 동 시뮬레이션은 FPSO 모델에서 실시하였으며 선수의 터렛 의 선미 방향으로의 이동경로를 설정하여 시뮬레이션을 실 시하였다.

5.3.시뮬레이션 결과

공정 최적화 결과 Fig. 11과 같은 산출물이 작성되었으며 사이클타임은 268.28s 의 값이 나왔다. 초기의 액티비티를 일렬로 나열 하였을 때의 사이클타임이 354.23s인 것을 감안 하면 약 25 %의 사이클타입이 감소되었다.

FPSO의 작업자 이동시뮬레이션을 통해 수명주기 모델을 확인한 결과 Fig. 13과 같은 설계오류를 발견하였다. 원유 이 송파이프로 인해 작업자의 불편사항이 발생하거나 이동이 불가한 경우가 있었다. 이러한 사항들을 시뮬레이션을 통해 사전에 검증하고 오류 수정이 가능하다.

자세 분석에서도 작업자에게 유해한 요소들이 발견되었다. Fig. 14의 (a)는 용접 또는 사상 작업에서 작업자들이 많이 취 하는 자세로 낮은 작업위치로 인해 다리와 허리, 목에 많은 부하가 발생하며 최종점수가 7점으로 작업자세를 즉시 바꿔 야 한다는 평가가 나왔고 (b)의 경우 최종점수가 6점으로 작 업전환 고려가 나왔지만 이와 같은 경우는 협소한 공간으로 인해 발생하는 것이기 때문에 설계의 수정으로 자세의 개선 이 가능하다. (c)의 경우 보수작업의 예이며 작업 위치가 높 고 팔에 가해지는 하중으로 인해 최종점수가 7점으로 작업자 세를 즉시 바꿔야 한다는 평가가 나왔다. 이 역시 설계 변경 등의 방법으로 충분히 자세의 개선이 가능하다.

6.결 론

본 연구에서는 해양플랜트 산업에 대한 수명주기 및 가 치사슬에 대한 연구와 수명주기를 가시화 시킬 수 있는 시 뮬레이션 연구를 수행하였다.

드릴쉽 및 FPSO의 DMU모델을 구현하였고, 시뮬레이션 가시화 환경을 통해 해양플랜트 탑사이드 탑재시뮬레이션 및 작업자 시뮬레이션을 수행하였다.

세부적으로는 조선소를 모델링하여 주변 환경을 가시화 하고 설비모델로 골리앗 크레인과 LLC를 이용하여 모듈 및 장비를 탑재시뮬레이션을 통해 탑재 프로세스 최적화를 수 행하였다. 또한 작업자모델을 이용하여 작업 자세 분석을 통해 개선가능 여부를 탐색하고 이동시뮬레이션을 통해 작 업자의 시선을 통한 수명주기 모델을 분석 하였다.

탑재시뮬레이션의 경우 운용 장비의 상세 정보 및 공정 의 세부사항이 적용되지 않아 사이클타입의 신뢰도가 부족 하지만 공정 최적화를 통해 사이클타입 감소의 가능성은 충 분하며 현업의 데이터를 이용하여 공정 설계의 신뢰도를 높 이는 추가적인 연구가 필요하다. 작업자시뮬레이션은 작업 자 모델을 이용해 작업자세를 분석하여 작업자세의 개선 가 능성을 분석하고 작업자 모델의 시선으로 수명주기 모델을 사전에 분석하여 설계오류의 발생 빈도를 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다.