Assembly Planning Automation in the Production Design Process of the Piping

Abstract

본 논문에서는 생산설계에서 설계자가 조선 CAD를 활용하여 배관을 3D 모델링 한 뒤, BOM 생성을 위한 assembly를 구성하기 위하여 배관을 이루는 각 부재들이 속한 block과 생산 시 조립되는 stage를 결정하는 assembly planning 작업을 자동화하는 방안에 대해 연구하였다. 조선 설계 프로세스 중 생산 설계는 생산에 필요한 정보를 작성하는 과정으로, 조선소의 생산일정, 도크의 상황, 블록을 탑재하기 위한 crane의 용량, 물량 정보 등을 고려하여 선체 및 의장 모델을 설계한다. 현재 국내 대부분의 조선소는 생산 설계를 위한 3차원 모델 설계에 AVEVA社의 Tribon M3와 AVEVA Marine, Intergraph 社의 Smart Marine 3D 등의 조선 전용 3차원 CAD를 사용하고 있다. 조선 설계 프로세스 중 가장 많은 공수가 투입되는 생산 설계를 자동화하기 위하여 많은 조선소들이 In-house 프로그램을 개발하여 조선 CAD에 적용하고 있으며, 많은 부분이 자동화 되어 개선되고 있다. 하지만, 의장 생산 설계 중 assembly planning 작업은 설계자의 경험에 의존하여 수작업으로 진행되고 있으며, 이에 대한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 생산 설계 프로세스 중 assembly planning 작업의 자동화 방안에 대해 제안하고자 한다. 수많은 block을 조립하여 완성하는 선박 건조의 특성상 어떤 부재가 어느 block에서 어느 stage(시점)에 조립되어야 한다는 것은 매우 중요한 정보이다. 이러한 정보를 활용하여 생산에서는 각 block 별로 인원을 배정하고 적절한 시점에 자재를 쓸 수 있도록 자재를 발주하는 등 생산 계획을 수립한다. 생산 설계 프로세스 중 assembly planning 작업에서는 이러한 생산 정보를 결정한다. 생산 설계자는 모델링 된 부재들을 CAD 화면상에서 육안으로 확인하고 각각의 위치와 relation 및 block의 공법 정보 등을 고려하여 해당 block과 stage를 결정한다. 이러한 작업은 설계자의 공수가 소요될 뿐만 아니라 모델링이 끝난 뒤에 진행되기 때문에 생산 정보의 생성 시점이 늦어져 중량 산출, lifting 일정 등의 생산 계획 수립 시점이 늦어지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 assembly planning을 자동화하는 방안에 대해 연구하였다. Assembly planning을 자동화하기 위해 가장 먼저 선행되어야 할 것은 input data 분석이다. 본 연구에서는 현업 설계자들과의 인터뷰를 통해 logic을 수집하고, input data를 파악, 분석하였다. Input data는 대상 부재 관련 data와 인접 block 관련 data로 나뉜다. 대상 부재 관련 data는 spool의 방향, 길이, 지름, plate penetration 여부, deck와의 위치 관계, 다른 spool과 경계면의 weld type이 있다. 인접 block 관련 data는 인접 block의 개수, 단독 탑재 여부, turn over plan, engine room의 최상부 여부, 중조/대조 여부가 있다. 본 논문에서는 이들 input data를 분석하여, 구하는 방법을 파악하였다. Input data 분석을 바탕으로, 대상 부재의 인접 plate를 찾는 방법을 제안하였다. 우선 인접 plate를 찾기 위해 필요한 relation data의 종류를 특성에 따라 분류하고, volume 간섭 체크로 CAD에서 제공하지 않는 relation data를 생성하는 방법을 제안하였다. 생성된 relation data에서 대상 부재의 인접 plate를 찾는 문제를 부재들을 node로, 부재간의 연결관계를 edge로 하는 graph 탐색 문제로 가정하였고, BFS 알고리즘을 사용하여 인접 plate를 찾는 방법을 제안하였다. 또한, 설계자의 logic에 맞도록 assembly planning 적용 시점에는 존재하지 않는 spool에 대한 data를 AP spooling을 통하여 임시적으로 생성하는 방법을 제안하였다. 연구 내용을 바탕으로 프로그램을 구현하였고, 실제 CAD data를 사용하여 test를 수행하였다. 4개 block의 모든 pipe 및 pipe support에 대해 test를 수행하였으며, 실제 설계자가 수작업 한 결과와 비교하여 구현한 프로그램을 검증하였다. 연구 대상으로 선택한 조선 전용 3차원 CAD는 삼성중공업에서 사용하는 Intergraph 社의 SmartMarine3D이다.

This research addresses the design process before assigning the relevant block and stage to pipes by automating the hitherto manual assembly planning process. The implementation of this research is expected to reduce design time and enhance the efficiency of shipbuilding, thereby advancing the production schedule. Production design is a process for generating the information needed to build a ship. A production designer designs the hull and outfitting model of the ship considering the production schedule of a shipyard, the dock environment, crane capacity for block erection, and supply information. Most domestic shipyards use private 3-dimensional (3D) computer-aided design (CAD) software for shipbuilding such as AVEVAs AVEVA Marine and Tribon M3 or Intergraphs Smart Marine 3D to create 3D models of the production design. To automate the production design process, which requires the most man hours (MH) among various ship design subprocesses, many shipyards have developed in-house CAD programs for shipbuilding, and many parts of the design process have been improved. However, the assembly planning (AP) process for outfitting production design is still manual, and there has been little research in this area. The present study proposes a method for assembly planning automation (APA). Because a ship is composed of many blocks, it is important to decide which parts should be installed in which block and at what stage of the building process. Using this information, a production schedule, which includes assigning workers and ordering materials for delivery at the appropriate time, is created in the production department. A production designer determines this production information (block and stage of an outfitting part) in the process of assembly planning and production design. The production designer uses a 3D CAD model to divide the design into relevant blocks and stages for assembling the parts according to their relative positions and construction methods of adjacent blocks. This process uses a large number of MH for the designers, and production plans such as the lifting schedule, lug design, estimating amounts of materials, etc., are delayed because production information is generated only after finishing the 3D modeling. Therefore, the automation of assembly planning was studied to resolve these problems. An analysis of input data from the assembly planners should precede any planning for automated assembly. For this research, input from ship designers was gathered by interview, and the resulting data were analyzed. Input data were divided according to whether they were related to a target pipe or to an adjacent block. The data related to a target pipe is comprised of the spool direction, length, diameter, plate penetration, location on or under the deck, and weld type for the spool end. The data related to an adjacent block are comprised of the block number, solo erection, the turn over plan, whether it is the top block of the engine room, and whether it is a block or a sub-block. In this study, these input data were analyzed, and based on this analysis, a method for searching an adjacent plate for searching an adjacent block by a target pipe was proposed. At first, a type of relational data needed for searching the plate was classified by its attributes. Then, a method for generating certain relational data, which is not provided in the CAD system, using volume interference, was proposed. We assumed that searching a plate using this relational data is equivalent to searching a graph in which a ship part is represented by a node and a relationship between the ship parts is represented by an edge. Therefore, a method for searching a plate adjacent to a target pipe using the breadth first search (BFS) algorithm was proposed. A new method of generating data for the spool assembly planning (AP) process was suggested. A program was developed based on this research and applied to real CAD data. All of the data about pipes and pipe supports for four blocks was used to test this program. The results of this test were verified by comparing them with the result of the ship designer. SmartMarine3D from Intergraph, which is also used by Samsung Heavy Industries, was used for the test.