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조선해양 CAD 환경에서의 선박배관 자동배치 시스템 개발 : Development of an automatic pipe routing system on a shipbuilding CAD environment

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Authors

김신형

Advisor
양영순
Major
공과대학 조선해양공학과
Issue Date
2014-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Pipe routingAutomatic routingShipbuilding CAD-based systemPipe designdesign workloadNASA-TLX
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 조선해양공학과, 2014. 2. 양영순.
Abstract
2000년대 들어 국내 조선해양 산업은 세계 최고 수준의 경쟁력을 바탕으로 급격한 질적 양적 성장을 이루며 막대한 수출실적과 전후방 연관산업의 부흥 그리고 대규모 고용창출로 국가 경제 성장에 핵심적인 역할을 담당해 왔다. 산업규모의 확대에 따라 생산인력이 늘어나고 산업안전에 관한 인식과 제도가 강화되면서 생산측면의 근로환경은 향상되어 왔다. 하지만 인력공급이 탄력적이지 못한 설계 엔지니어의 업무부하는 꾸준히 증가되어 왔으며 이는 조선해양산업의 경쟁력을 약화 시킬 수 있는 잠재적인 위험요소가 되고 있다. 이에 설계 자동화 시스템 등의 개발과 도입으로 설계부하를 줄여 나가야 할 필요성이 제기되고 있다.
본 연구를 통해서 조선해양 현업CAD환경에서 운용하는 자동 배관배치 시스템을 개발했다. 새로운 배관배치 시스템의 목표는 전체적인 배관배치 설계업무 부하의 감소이며 이를 위해 현재 배관배치 업무의 체계적인 분석을 통해 개선된 설계 프로세스를 정의했다. 개선된 프로세스는 배치업무에 적합하게 고안된 그래프 기반 최적 배치 알고리즘을 사용한 배관 자동배치기능과 설계지원 기능을 가지고 있다.
배관배치 설계업무를 체계적으로 분석하기 위해서 과업수행 심성모델 구성기법인 GOMS(Goal, Operation, Method, Selection)를 적용했다. 이는 설계자가 CAD 시스템을 이용해서 수행하는 설계 행위를 사용자 - CAD시스템 사이의 인터페이스 작업의 관점으로 해석한 것으로 설계업무를 그 진행절차에 따라 기능들의 계층으로 분류하고 이를 다시 단위 기능업무로 나누는 식으로 분석했다. 분석된 단위 배관배치 설계 업무들은 GOMS 표현기법에 따라 각각Goal, Operation Method와 Selection 이 설정되어 있으며 계층구조를 이루고 진행순서에 따라 CAD 시스템상에서의 배관배치 업무절차를 기술하고 있다.
GOMS 표현기법에 따라 단위업무들로 분석된 배관배치 업무를 대상으로 주관적 업무부하 측정기법인 NASA-TLX 를 적용하여 정신적 업무부하 측정을 수행했다. 배관배치 중에 설계자의 직접 설문과 관찰을 통해 기존 배관배치 업무의 정신적 부하를 분석하였다.
이와 같은 업무부하 분석을 통해 기존의 배관배치 업무에서 주요한 정신적 부하작업은 주로 경로결정을 위한 공간 검토작업, 정리작업등으로 나타났다. 이를 경감시키는 방안으로서 배치자동화 기능 및 강화된 수정기능을 포함한 배관배치 설계절차를 정의 하고 이를 지원하기 위한 배관배치 자동화 시스템을 개발하였다.
배관배치 자동화 알고리즘은 그래프 최소비용 탐색 알고리즘인 A* 알고리즘을 이용했으며 A*알고리즘에서 휴리스틱 비용추정 부분의 동작 개선을 통해 벤딩 비용과 특정 공간의 배치선호도를 여부를 공간의 진행비용으로 계량화해서 고려할 수 있도록 했다. 임의 공간에 대한 비용정의는 자동배치 중에 기존 파이프 서포트/트레이 공유, 특정 장비로부터의 유격 유지, 특정 위치에서의 밸브 컨트롤 등 다양한 배관배치 설계 프렉티스를 결과에 반영에 쉽게 활용 할 수 있다.
배관배치 자동화 시스템은 조선해양전용 CAD 시스템인 Tribon M3의 API를 이용해서 구현되었으며 배관배치를 위한 모델정보 획득 및 자동배치 결과에 의한 배관모델 자동 생성 및 모델 수정 등이 CAD 시스템 내부에서 수행된다.
개발된 배관배치 자동화 시스템의 적용을 기반으로 구성된 새 업무절차에 대해 GOMS분석 모델링 하고 이들 단위 업무를 NASA-TLX를 적용하는 동일한 평가방식으로 정신적 업무부하를 측정했다. 결론적으로 배관배치 자동 시스템을 포함한 새로운 배관배치 설계 절차가 기존 배관배치 업무 대비 업무부하의 감소가 있었음을 확인 할 수 있었다.
In this research, an automatic pipe routing system operated in a shipbuilding CAD environment is developed.
The system is aimed to reduce total workload of pipe routing design. Workload estimation and analysis enable us to improve pipe routing design and consequently, diminish overall workload of the system under consideration. This new design process has a graph based optimization algorithm for pipe routing and design support functions.
The pipe routing design process is analyzed by employing a GOMS (Goal, Operation, Method, Selection) describing the design process in which designer need to carry out tasks on a CAD system.
This GOMS modeling of pipe design work consists of functional unit tasks. Each unit task has a different Goal, Operation, Method and Selection according to GOMS notation and the series of this unit task describes pipe routing design process on a CAD system.
A workload of pipe routing design is estimated by applying a NASA-TLX. The NASA-TLX is a kind of subjective measure for mental workload consisting of six subscales that represent independent aspect of workload: Mental, Physical, Temporal Demand, Frustration, Effort, and Performance. This NASA-TLX measurement is applied to the designer who is achieving unit pipe routing works of GOMS analysis. The sum of all workload measurement is the total workload of pipe routing design work.
The workload in this research means mainly mental load that occurs in interaction between designer and design task when resource and capacity is limited to achieve a goal.
Through NASA-TLX analysis, major workload tasks are identified among all unit design works. Those heavy workload tasks are mainly related to searching available space with narrow and complex constraint and manipulating view in a CAD system.
Having this workload analysis, a new pipe routing design process is designed to reduce workload. Compared to old process, the new routing process additionally has automatic routing sub-process and pipe routing modification process characterized by enhanced functions in a CAD system.
A main algorithm of automatic routing system is an A* graph algorithm. It is a path finding algorithm with the best-first search strategy and it uses a heuristic cost function that determines which node may visit from a certain node. A sophisticate modification is developed for the strategy of heuristic cost function and for its update rule. The pipe routing design knowledge and practices are considered in the heuristic strategy keeping the monotonic admissibility which (simultaneously) guarantees finding the optimum path in the network. In this modified cost function, a bending pipe which causes higher cost is considered, and space preference which represents design practices such as pipe support sharing, valve accessibility and so on.
This automatic pipe routing system is developed in the shipbuilding CAD using API (Application Program Interface) and integrated seamlessly in the pipe design system. This integrity also contributes reducing workload of pipe routing design.
To verify the effectiveness of this automatic routing system, the modified pipe routing design process is also modeled into unit design works by GOMS and is evaluated with NASA-TLX to estimated workload. The results show that there are significant reductions in the total workload and pipe routing time to fulfil the same quality of pipe routing output.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/120004
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