조선소 생산 환경 내 변동성 요소를 고려한 시뮬레이션 기반 생산계획 지원 시스템

Abstract

The shipbuilding industry is an ETO (engineer-to-order) industry, and it is very important to comply with the delivery time of products. The design and production is initiated by the order of customer. And the characteristics of design as well as production are unique according to the order. Due to the huge size of the products of shipyards, they are often divided into intermediate products called blocks, and the size of the block relies on the resources such as facility, space and labor held by a shipyard. In the case of a large merchant vessel, a vessel consists of an average of 300 assembly blocks and 1600 production activities, which inevitably complicates the production plan. In addition, the complexity of the production plan is further increased because a period of about one to two years is required from the start of the ship construction to the date the final product is delivered to the customer and the shipyard builds several such vessels at the same time. Production plans carried out at the shipyard are usually established by classifying the subjects of management because ships are considered as projects and WBS(Work breakdown structure) has been applied to shipyards which aims at managing projects hierarchically. Therefore, the shipyard's production plan also has a hierarchical structure and the plan at each level is centered on its production processes. Details are determined as the plan is descended and higher-level plan is the constrains for lower-level plan. However, even if the production is based on a hierarchical production plan, the compliance rate of production plans of a shipyard is still at a low level compared to other industries. Unlike the automobile, aviation, or semiconductor manufacturing industries, the shipbuilding industry has a low level of automation and relies heavily on manual labor. In addition, variability factors such as weather are not fully reflected during the planning and detailed production behaviors including variabilities are not considered which occur at the production site. Besides, daily complex logistics flows between production processes in a shipyard are not considered during production planning. Therefore, in order to improve the production plan, the above-mentioned variabilities in the production environment should be considered during the production planning. In the complex production environment such as shipyards, variability factors are difficult to predict and to solve these problems, this study aims to verify production plan and improve the quality of plan through discrete event simulation considering variability. Therefore, the shipbuilding production planning process is analyzed to derive relevant limitations and to identify variability factors in the production environment associated with the derived limitations. Then, identified variability factors are systematically classified and methods to consider defined variability factors in simulation are proposed. A production plan verification simulation system considering variability factors is proposed and developed. Besides, modeling and simulation methods in the proposed system are defined in detail. Lastly, in order to verify the performance of the system proposed in this study, simulations considering variability factors are carried out for various production plans such as assembly block schedule and erection block schedule using the actual data of shipyards. In addition, normal reflection of variability factors, the influence of each factor to simulation result and the combined effects of variability factors are confirmed during the result analysis. As a result, the effectiveness of the proposed system to verify and improve production plans is confirmed quantitatively.

조선 산업은 대표적인 ETO(Engineer-to-order) 수주형 산업으로써 제품의 납기를 준수하는 것이 매우 중요하다. 고객의 주문에 의하여 설계를 시작하고 생산을 수행하는데 주문 생산의 특성상 주문에 따라 설계 및 생산 특성이 상이하여 생산계획의 중요성이 매우 강조된다. 조선소에서 생산되는 제품의 거대한 규모로 인하여, 블록이라는 중간 제품으로 분할하여 생산하고 블록의 사이즈는 조선소가 보유한 설비, 공간 등의 자원에 따라서 결정된다. 대형 상선의 경우, 한척의 선박은 평균 300개의 조립 블록으로 구성되고 해당 블록들은 약 1600개의 생산 액티비티를 가져서 이를 위한 생산계획은 불가피하게 복잡해진다. 또한 선박이 건조되는 시작일부터 최종 제품이 고객에게 인도되는 날짜까지 약 1~2년의 기간이 필요하고 조선소에서는 동시에 이러한 선박들을 여러척 건조하기 때문에 생산계획의 복잡성이 더욱 증가한다. 조선소에서 수행되는 생산계획은 일반적으로 관리 대상을 분류하여 작성한다. 이는 선박을 프로젝트로 보고 프로젝트를 계층적으로 나누어 관리하는 WBS를 조선 생산에 적용하였기 때문이다. 따라서 조선소의 생산계획도 계층적 구조를 갖게 되고 계층별로 단위 생산 공정을 중심으로 계획을 수립하고 하위 계획으로 내려갈수록 세부적인 사항들이 결정되고 상위 단계의 계획은 하위 단계의 계획 수립을 위한 제약조건으로 활용된다. 그러나, 계층적 구조의 생산계획을 이용하여 생산해도 조선소의 생산계획 준수율은 다른 산업에 비하여 낮은 편인데 이는 생산계획에서 고려하지 못하는 다양한 요인으로 인한 결과이다. 조선 산업은 자동차, 항공, 반도체 등 기타 제조업과 달리 자동화 수준이 낮고 작업자의 수작업에 대한 의존도가 높다. 또한 날씨와 같은 변동적인 요소를 계획 수립 시에 충분히 반영하지 못하고 생산 현장에서 일어나는 변동적인 요소를 포함한 상세한 생산 거동들을 고려하지 못한다. 이 외에 매일 야드에서 일어나는 단위 생산 공정들 사이의 복잡한 물류 흐름도 생산계획 수립 시점에 고려하지 못하고 있다. 따라서 생산계획을 개선하기 위하여 위와 같이 언급된 생산 환경 내 변동성 요소들을 계획 수립 시 고려해야 한다. 조선소와 같은 복잡한 생산 환경 내에서 다양한 변동성 요소들은 예측하기 어렵고 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 변동성을 고려한 이산 사건 시뮬레이션을 통하여 생산계획을 검증하고 계획의 품질을 개선하고자 한다. 따라서 조선 생산계획 프로세스를 분석하여 이와 관련된 한계점을 도출하고, 도출한 한계점과 연관된 생산 환경 내 변동성 요소들을 식별하였다. 다음 식별한 변동성 요소들을 체계적으로 분류하고 시뮬레이션에서 고려할 수 있도록 개선 방안을 정의하였다. 이를 토대로 본 연구에서는 변동성 요소를 고려한 생산계획 검증 시뮬레이션 시스템을 제안하였고 해당 시스템 내에서 변동성 요소를 고려하기 위한 모델링 방법 및 시뮬레이션 방법도 정의하였다. 마지막으로 본 연구에서 제안한 시스템의 성능을 검증하고자 실제 조선소의 데이터를 활용하여 탑재 일정 계획, 블록 일정 계획 등 다양한 생산계획을 대상으로 변동성 요소들을 고려한 시뮬레이션을 수행하여 요소별 영향도 및 복수의 요소들을 결합한 결합 효과를 확인하였고 조선소 실적 데이터와 비교하여 결과를 분석하였다. 적용한 결과, 제안한 시스템을 이용하여 실제로 생산계획의 검증 및 개선이 가능한 것을 정량적으로 확인하였다.