Optimal Arrangement Method of Equipment and Pipes in the Engine Room of a Ship

Abstract

선박 기관실의 배치 설계는 기관실에 배치된 장비와 배관의 간섭, 설계 규칙 및 실적선 데이터, 전문가 지식 등의 다양한 요소들을 고려해 수행되어야 한다. 복잡하고 관습적인 영역이 많은 선박의 배치 설계 과정은 과거 선박 데이터와 전문가의 설계 경험이나 노하우에 의존하고 있다. 이러한 특징 때문에, 선박의 배치 설계는 기존 선박의 설계와 전문가에 의존하는 경직된 설계가 주로 이뤄진다. 본 연구에서는 전문가가 다양한 배치 설계를 시도하고, 최적화된 배치 설계를 제안할 수 있는 배치 설계 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 기존의 선박 배치 설계 방법을 보완하고 전문가 지식을 체계화할 수 있는 전문가 시스템을 구성하고, 이를 최적화 기법과 연계한 배치 설계 방법을 제안하였다. 전문가들의 전문가 지식을 구체화하고 이를 체계적으로 전산화하기 위해 배치 템플릿 모델 (Arrangement Template Model)을 구성해 자료 구조를 표현했으며, 배치 평가 모델 (Arrangement Evaluation Model)을 통해 전문가 지식을 평가했다. 배치 평가 모델을 통해 평가된 배관 라우팅 결과는 배관 라우팅 최적화 문제의 목적 함수로 활용했다. 배관 라우팅 및 장비 배치 안에 대한 여러 대안을 짧은 시간 내에 검토하고 최적화된 설계 안을 도출하기 위해 최적화 기법을 전문가 시스템과 연계하고 이를 이용한 최적화 문제를 정식화하였다. 본 연구에서는 기관실에 대한 최적 배치 설계를 효과적으로 수행하기 위해, 2단계로 이뤄진 다단계 최적화 방법을 제안하였다. 1단계에서는 기관실 내 갑판의 위치와 장비의 위치와 설치 방향에 대한 최적 배치를 수행했다. 1단계 최적 배치 설계에서는 기관실에 배치되는 장비들이 차지하는 공간 최소화, 배관 및 덕트의 길이와 굽힘 최소화, 공간 가용성 최대화, 전문가 지식의 적합성 최대화를 목적 함수로 설정했다. 특히, 선박의 배관 배치 설계 결과를 장비 배치에 반영하기 위해, 선박의 장비 배치 단계에서 배관 배치를 함께 고려할 수 있는 최적 장비 배치 방법을 제안했다. 또한, 배치 설계에 대한 전문가의 지식과 경험을 효과적으로 활용하기 위해 전문가 시스템을 활용해 전문가 지식의 적합성을 계산했다. 제약 조건으로는 장비의 설치 가능 여부와 전문가 지식의 일부를 검토했다. 최적화 알고리즘으로는 다양한 전역 최적화 방법을 비교·분석하고, 가장 적합한 알고리즘을 선택해 최적 배치를 수행했다. 기관실의 배치 설계 2단계에서는 1단계에서 배치된 장비들을 연결하는 배관 및 덕트의 배치 최적화를 수행했다. 2단계에서는 기관실의 배관 및 덕트의 길이와 굽힘 최소화, 공간 가용성 최대화, 전문가 지식의 적합성 최대화를 목적 함수로 설정했다. 마찬가지로 배관 배치에 대한 전문가의 지식과 경험을 효과적으로 활용하기 위해 전문가 시스템을 활용했다. 제약 조건으로는 배관의 설치 가능 여부와 전문가 지식의 일부가 검토됐다. 경로 생성 알고리즘으로 다양한 경로 생성 알고리즘을 검토했으며, 본 연구의 예제에서 더 나은 결과를 보인 JPS (Jump Point Search) 알고리즘을 활용해 최적 배관 배치를 수행했다. 본 연구에서 제안한 선박 기관실의 장비 및 배관 최적 배치 방법을 활용해 초기 배치 설계를 위한 프로그램을 개발했다. 개발된 프로그램을 통해 재화 중량 320,000톤 대형 원유 운반선 (VLCC)의 기관실의 최적 배치를 수행해 제안한 방법의 효용성을 확인했다. 향후에는 주요 장비만을 고려한 본 연구의 한계점을 보완하고자, 고려된 주요 장비 외의 장비들에 대한 배치 설계를 추가로 수행하고자 한다. 배관 배치 과정에서도 다양한 최적화 방법과 경로 탐색 방법의 검토를 통해 배관 배치 과정에 소요되는 계산 시간을 개선하고 검토하지 못했던 목적 함수를 최적화하는 방법을 연구하고자 한다. 또한, 다양한 굽힘 각도를 고려한 배관 배치 방법을 연구하고, 각 배관의 특징 (유량, 분기 배관등 ) 등을 고려한 다양한 전문가 지식을 추가로 확보하고, 배치 결과에 대한 검증작업을 수행해 완성도 있는 배치 설계 방법을 제안하고자 한다.

The arrangement design of a ships engine room must consider various factors, including interference from equipment and pipe located in the engine room, design rules, previous ship data, and expert knowledge. The arrangement design process for ships with many complex and customary areas relies on previous ship data and experts design experience or know-how. During the pipe routing design process, pipe routing relies on experts design experience and know-how. In order to complement the pipe routing of ships that rely on experts, this study propose a pipe routing optimization method by constructing an expert system that can systematize expert knowledge and combine it with optimization techniques. An Arrangement Template Model is constructed to represent the data structure, and an Arrangement Evaluation Model is used to evaluate the expert knowledge of real experts and computerize it systematically. The optimal arrangement results evaluated by the Arrangement Evaluation Model are used as the objective function of the optimization problem. For deriving an optimized design proposal by reviewing multiple designs in a short time, the optimization technique is combined with the expert system, and the optimization problem is formulated using it. This study proposes a two-stage optimization method to perform the optimal arrangement design for the engine room effectively. The 1st stage performs the optimal arrangement of the deck's height and the equipment's location and orientation. In the 1st stage, objective functions are set to minimize the volume occupied by the equipment arranged in the engine room, minimize the length and bends of pipes and ducts, maximize the space availability, and maximize the feasibility of expert knowledge. In particular, to consider the results of the pipe routing design in the 1st stage, the optimal arrangement method is proposed that can consider pipe routing results together during the equipment arrangement stage of the ship. In addition, to effectively utilize the expert's knowledge and experience in the arrangement design, an expert system is used to calculate the feasibility of the expert's knowledge. As constraints, the installation availability of the equipment and a subset of the expert knowledge are considered. Various global optimization methods were compared for the optimization algorithm, and the most suitable algorithm to perform the optimal arrangement was selected. The 2nd stage optimizes the routing of the pipes and ducts connecting the arranged equipment. In each step, the objective function is set to minimize the volume occupied by the equipment arranged in the engine room, minimize the length and bends of pipes and ducts, maximize the space availability, and maximize the feasibility of expert knowledge. As a route generation algorithm in the 2nd stage, various route generation algorithms were examined, and the Jump Point Search (JPS) algorithm was utilized to perform pipe routing in this study. To verify the effectiveness of the proposed method, the optimal layout of the engine room of a 320,000-ton deadweight very large crude carrier (VLCC) was performed. The results showed that the proposed method could derive the optimal arrangement for the decks, equipment, and pipes inside the ships engine room. In future work, to improve the limitations of this study, which considers only major equipment, additional arrangement designs for equipment other than the major equipment will be considered. In the pipe routing process, various optimization methods and route generation methods will be evaluated to improve the calculation time. In addition, pipe routing methods that consider various bending angles will be studied, and additional expert knowledge that considers the characteristics of each pipe (flow rate, branch pipes, etc.) will be further developed.