조선 생산 계획 시뮬레이션의 통합 및 확장을 위한 PPR3-S 기반의 중립 정보 모델 및 시스템 연구

Abstract

2013년 현재, 국내의 조선 산업은 글로벌 경제위기와 신흥 조선국의 성장으로 수요는 줄어들고 공급은 증가하는 샌드위치 형상의 어려움에 빠져있다. 이로 인해 경쟁력이 부족한 조선소들이 통폐합되는 등 많은 변화를 겪고 있다. 경쟁에서 살아남은 조선소 역시, 생산성 확보 및 고부가가치 제품 수주를 통한 위기 대처 능력 강화에 힘을 기울이고 있는 추세이다. 조선 산업은 현존하는 단일 생산품 중 가장 복잡하고 거대한 구조물인 선박과 해양플랜트를 생산하며, 노동 집약 및 장치형 산업의 성격을 갖고 있다. 또한, 주문형 제품을 생산하는 탓에 까다로운 선주의 요구사항과 선급의 품질요구를 반영하기 위한 조선소 고유의 생산 관리 노하우를 보유하고 있으며 이는 각 조선소의 생산 문화 혹은 전략으로서 영향력을 발휘한다. 이러한 생산 문화와 노하우는 조선소마다 보유하고 있는 조선 생산 관리 시스템을 통해 실제 생산 현장에 반영되며, 이러한 생산 관리 시스템은 유연하고 효율적인 조선소 야드의 생산 환경을 구축하는 근간이 된다. 일반적으로 생산이라 함은 선박 설계 프로세스 이후부터 선박 인도까지의 과정을 의미하며, 제품의 설계가 결정된 이후의 조선소 생산성은 잘 정제된 공정, 효율적으로 활용되는 자원 그리고 정확성 높은 일정에 의해 결정된다. 오늘날 조선소의 공정과 일정 요소는 고도의 생산 관리 시스템을 통해 잘 관리되고 운영 중에 있으나 설비, 공간, 작업자 등과 같은 자원 요소에 대한 관리는 다소 미흡한 상태이다. 조선소의 자원 요소는 해양플랜트 비중이 점차 높아지고 있는 현재 조선소의 다양한 프로덕트 믹스 환경을 고려한다면, 앞으로 조선소가 생산성 향상을 위해 가장 중점적으로 관리하여야 할 요소 중 하나라 할 수 있다. 이와 같이 조선소 생산 관리 시스템은 조선소의 공정, 설비, 공간, 작업자, 일정을 관리하는 것을 목적으로 하고 있으나, 실제로는 주로 공정 관리와 일정 관리를 중심으로 운영되고 있으며 복잡하고 광범위한 생산 활동을 계획하고 통제하기 위한 지원 도구로서 역할을 수행하고 있다. 현재까지 개발되고 공개된 조선 생산 관리 시스템의 상황을 살펴보면 타 산업분야가 주로 상용의 솔루션에 기반한 커스터마이징 시스템을 사용하고 있는 것에 반해 대부분 조선소에서 자체적으로 개발한 시스템(Legacy system) 형태를 사용하고 있으며, 이러한 자체 개발 시스템은 해당 조선소의 생산 문화와 이슈들을 반영해가며 함께 발전되어 왔다. 특히 최근에는 해양플랜트 시장이 높은 부가가치를 갖게 됨에 따라 선박을 중심으로 한 생산 시스템의 기능들이 해양플랜트의 특성에 맞추어 업그레이드되어야 하는 상황에 처해있다. 이에 PLM(Product Lifecycle Management), M&S(Modeling and Simulation) 등 생산 시스템의 기능을 향상하기 위한 다양한 IT(Information Technology) 응용 기술들이 연구되고 있다. 여기서 M&S는 새로운 제품을 생산하기 위한 설비, 공간, 일정을 결정하는 과정에서 수립되는 생산 계획을 사전에 시뮬레이션하고 결과를 분석함으로써(Plan-Do-Check-Act Cycle) 의사결정을 지원할 수 있는 현존하는 기술 중 가장 합리적인 대안이자 적합한 솔루션의 하나로 알려져 있다. 본 연구에서 제안하는 조선소 시뮬레이션 정보 모델은 그동안 조선소에서 수행되었던 다양한 시뮬레이션 프로젝트들을 표준화하고 특성화하기 위한 체계적인 정보 구조로서 조선소 생산 정보와 시뮬레이션 정보의 특성을 모두 반영한 조선 생산 시뮬레이션 분류 체계 역할을 수행하는 중립 데이터 모델이다. 조선소 시뮬레이션 정보 모델은 조선소의 생산 정보 기준 분류 체계인 WBS(Work Breakdown Structure)를 기반으로 생산 정보의 설계 및 분석을 수행하였으며, 이기종 시뮬레이션 소프트웨어 간의 모델 정보 교환 연구의 시뮬레이션 정보 구조 분석 결과를 바탕으로 기본 시뮬레이션 정보 구조를 정의하였다. 이러한 정보 모델은 조선소의 시뮬레이션 모델링뿐만 아니라 시뮬레이션 기반 시스템을 구축하는데 필요한 중립적인 시뮬레이션 모델 표현 및 관리에 사용 가능하며, 제품, 공정, 설비, 공간, 작업자, 일정에 대한 정보 구조(Product, Process, Facility-resource, Space-resource, Labor-resource and Schedule Information)를 갖고 있다. 이러한 구조를 PPR3-S라 정의하였고 조선소 시뮬레이션 정보 모델의 활용성은 본 논문에서 사례로 구현한 시뮬레이션 기반 시스템을 통해 확인할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 기반 시스템은 생산 계획(일정)을 가상의 조선소 설비와 공간 정보가 반영된 시뮬레이션 모델을 통해 최적의 의사결정을 지원하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 논문에서는 조선소 생산 시스템의 고도화 및 생산 시뮬레이션 기술의 체계화를 위한 정보 모델의 개념을 정의하고 이를 XML(eXtensible Markup Language) 형태로 구현함으로써 중립적인 데이터 모델로 실현하였다. 이를 바탕으로 조선소 생산 계획 프로세스에 시뮬레이션을 적용할 수 있는 시스템을 설계하였으며, 실제 조선소 업무 환경을 고려한 시스템 아키텍처인 서비스 지향 아키텍처(Service-Oriented Architecture)에 기반을 둔 유연한 시스템 구조를 제안하고 사례를 구현함으로써 이에 대한 효용성을 검증하였다. 본 논문의 조선소 시뮬레이션 정보 모델은 조선소 생산 시뮬레이션을 위한 정보 기준의 참조 체계로서 유연하고 재사용 가능한 구조를 갖고 있어 다양한 목적으로 확장 가능한 개념이다. 또한, 서비스 지향 아키텍처 기반의 시스템은 기존의 조선소 IT 시스템과의 유연한 통합을 가능한 형태를 가진 시스템으로서 현장 시뮬레이션 시스템의 설계, 구축 단계에서 실효성 있는 구조를 보이고 있다. 일련의 연구 결과는 모두 확장과 통합에 유연하다는 특징을 갖고 있기 때문에, 향후 조선소 생산성 향상을 위한 시뮬레이션 연구들의 규범적 모델이자 참조 사례로서 활용되기를 기대한다.

The shipbuilding industry is facing the multifaceted problem of less demand and oversupply owing to the global economic crisis and the increase in shipbuilding countries. Because of these difficulties, the industry is experiencing various changes such as the merger of uncompetitive shipyards. The surviving shipyards are making every effort to strengthen their ability to handle crises via higher productivity and winning contracts for high-value vessels. The productivity of a shipyard is determined by its process, facility, space, personnel, and scheduling. Among these factors, the facility, space, and scheduling are limited resources and are the key parameters in productivity improvement. To accommodate the fastidious demands of ship-owners and classification societies, each shipyard possesses its own management knowledge, which exists as part of each companys culture of production. This knowledge is reflected in production through the shipyard production management systems of each company, which help establish flexible and efficient production environments. Shipyard production is a general term that describes the process from a concept design of ships to a final delivery. And the productivity of a shipyard depends on how efficiently and systematically its limited resources are managed and utilized. Korean shipyards, the most competitive in the world, have developed and operate their own production management systems to attain high productivity, each of which reflects the unique characteristics of a specific company. However, shipyard management systems are insufficient to manage facility, space, personnel resources. These resource factors are the most important element to attain continuous productivity growth. Shipyard production management systems aim to manage facilities, space, and scheduling, and are support tools developed to plan and control various complicated production activities. The existing shipyard production management systems are legacy systems that were independently developed by individual shipyards. Each system was developed reflecting the culture and issues of the shipyard. Offshore plants have recently increased in value, and these systems are being upgraded from ship-focused functions to be more relevant for offshore plants. Various supporting technologies are being studied, such as IT (information technology), PLM (product lifecycle management), and M&S (modeling and simulation). M&S is the most suitable solution for determining the facility, space, and schedule for producing new products, and can support decision making through plan-do-check-act cycles. This study proposes a shipyard simulation information model (S-SIM). S-SIM is a data model that standardizes and specializes various simulation projects that have been implemented in shipyards thus far. As a classification system data model, it reflects all the necessary characteristics of information regarding a shipyards production and simulation. As an information model, it serves as a basis for designing shipyard information based on the Work Breakdown Structure (WBS) and for defining a basic simulation information structure by analyzing a simulation software information structure. An information model can be used for not only modeling a simulation but also presenting and managing a simulation model that is neutral to building a simulation-based system. In addition, information structure of the model is comprised of product, process, facility-resource, space-resource, labor-resource and schedule factors (PPR3-S). The simulation-based system implemented as an example in this study aims to support optimal decision-making for production plans (scheduling) through a simulation model that reflects virtual shipyard equipment and spatial information. This study defined the concept of an information model for the simulation of a shipyard production system, which was implemented through eXtensible Markup Language (XML). This also involved designing a system that enables a simulation to be applied to the shipyard production plan process. Furthermore, this study suggested a flexible system structure and successfully tested it by implementing it based on a Service-Oriented Architecture (SOA) that takes into account the actual field environment in shipyards. The S-SIM is an information-based reference system for shipyard production simulation. It can be expanded for various purposes as its structure is flexible and reusable. As the SOA-based system can be flexibly integrated into the shipyards existing IT system, a practical structure is being suggested at the design and establishment stages of the onsite simulation system. A series of study results has consistently demonstrated that all of them flexibly enable expansion and integration. It is therefore expected to be used as a standard model and reference case of simulation studies to improve a shipyards production in the future.