우리나라 조선해양산업은 고부가 신제품 개발, 최적화 설계, 고효율 생산기술을 기반으로 중국 등의 후발 경쟁국보다 기술적인 경쟁 우위를 지속해야 세계 1위의 주도권을 유지할 수 있다. 이러한 전략 중의 하나로서 고효율 생산기술의 개발이 대두되고 있으며, 조선해양 생산 시뮬레이션 분야도 그 중 하나이다. 이러한 연구는 조선해양산업에 특화된

시뮬레이션 시스템의 개발을 목표로 하고 있으며 신 건조공법의 검증 및 최적화된 생산 흐름을 지원하고자 한다.

여러 가지 조선해양산업의 특수성으로 인해 조선해양 산업에 특화된 생산 시뮬레이션을 요구하고 있으나 이에 대한 시뮬레이션 도구의 부족으로 인해 그 한계를 나타내고 있는 실정이며 이를 위해 지식경제부의 “시뮬레이션 기반의 선박 및 해양플랜트 생산기술 개발”과제가 진행되고 있다. 본고에서는 이러한 생산 시뮬레이션 시스템을 개발하기 위해 도입된 조선해양 생산 시뮬레이션 프레임워크에 대한 설계 및 분석에 관한 과정(프로세스)을 다루고자 한다.

조선해양산업에서의 시뮬레이션은 수요 부서의 필요에 의해 국부적으로 개발되고 있으며 각기 다른 구조를 띄고 있어 재활용 및 모듈의 재사용성 측면에서 취약한 상황이다. 이러한 문제를 해결하고 확장성을 보장할 수 있는 방안으로 시뮬레이션 시스템 및 모듈의 통합 관점에서의 표준 프레임워크를 설계/구성하고자 하며, 이를 기반으로 각 적용 분야에 대한 시뮬레이션 응용시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 소프트웨어 공학 개념을 도입하여 요구도 도출 및 분석을 통한 고객의 요구 사항을 충실히 반영하는 설계 및 분석 기법을 활용하였다. 도출된 요구사항 및 개발기능에 대한 체계적인 분석을 통해 개발기능의 확인을 위해 대표 시나리오의 구성 및 이를 기반으로 하는 더미 GUI 프로그램을 개발하여 사용자와의 소통을 원활히 하고자 하였다.

서 론

조선해양산업이 우리나라의 주력 기간산업임은 의심할 여지가 없을 뿐만 아니라 전·후방 산업 연관효과가 크고 기술적인 파급효과가 큰 산업적 특징을 가지고 있다. 이러한 조선해양산업은 고부가 신제품 개발, 최적화 설계, 고효율 생산기술을 기반으로 중국 등의 후발 경쟁국보다 기술적인 경쟁 우위를 지속해야 세계 1위의 주도권을 유지할 수 있다.

이러한 전략 중의 하나로서 고효율 생산기술의 개발이 대두되고 있으며, 현재 우리나라 조선해양산업체에서는 새로운 생산기술 및 신 건조공법을 개발 적용하는 연구를 많이 진행하고 있다. 2000년대 초반부터 국내 대형 조선 3사는 블록 조립 공법, 탑재 공법 및 신규 설비 계획에 시뮬레이션을 일부 적용하였으나 시뮬레이션에 필요한 시스템의 제약과 선박 건조 생산에 필요한 전용 기능의 부족, 시스템 사용의 어려움 등으로 인하여 전면적인 활용이 부족하다.

여러 가지 조선해양산업의 특수성으로 인해 조선해양 산업에 특화된 생산 시뮬레이션을 요구하고 있으나, 이에 대한 시뮬레이션 도구의 부족으로 인해 그 한계를 나타내고 있는 실정이며 이를 위해 지식경제부의 “시뮬레이션 기반의 선박 및 해양플랜트 생산기술 개발”과제가 진행되고 있다. 본고에서는 이러한 생산 시뮬레이션 시스템을 개발하기 위해 도입된 조선해양 생산 시뮬레이션 프레임워크 연구개발에 대한 내용을 다루고자 한다.

조선해양 생산 시뮬레이션 기술

조선해양산업에서의 모델링 및 시뮬레이션(Modeling & Simulation, M&S) 기술은 다양한 분야 및 단계에서 개발/적용되고 있으며 선박 및 해양플랜트의 생산설계 및 건조 단계에서는 여러 공정에 대해서 시뮬레이션 기술을 필요로 하고 있다.

“시뮬레이션 기반의 선박 및 해양플랜트 생산기술”은 다양한 디지털 가상 시뮬레이션 기술들로 구성된 통합 시뮬레이션 표준 프레임워크를 기반으로 선박 및 해양플랜트의 생산 공정 및 공법 검증, 설비 및 배치의 최적화 및 검증, 생산 관리의 최적화 등의 모사를 실행할 수 있는 조선해양 전용의 통합 시뮬레이션 시스템 기술이다.

여기서 “통합 시뮬레이션 표준 프레임워크”는 조선해양산업체의 전통적 생산기술과 연계되어 다양한 디지털 가상 시뮬레이션을 기반으로 사전 검증, 작업 중 의사결정, 사후 관리를 지원하기 위한 통합 프레임워크로 정의하였다.

이는 국내 조선소의 요구사항을 기반으로 특정 조선소에 국한되지 않는 독립된 형태로 개발되며 각 조선소는 이러한 통합 프레임워크를 기반으로 각자의 환경에 맞는 응용 프로그램을 개발하도록 구성할 예정이며, 이러한 환경은 국내 중소형 조선소에서도 모두 활용이 될 수 있도록 개발될 예정이다.

조선해양 통합 생산 시뮬레이션 프레임워크

조선해양 통합 생산시뮬레이션 프레임워크는 여러 가지 디지털 가상 시뮬레이션 기술들로 구성을 위해 도입된 개념으로 선박 및 해양플랜트의 생산 공정 및 공법 검증, 설비 및 배치의 최적화 및 검증, 생산 관리의 최적화 등의 모사를 실행할 수 있는 조선해양 전용의 통합 시뮬레이션 시스템 기술이다.

이는 조선해양산업체의 전통적 생산기술과 연계되어 다양한 디지털 가상 시뮬레이션을 기반으로 사전 검증, 작업 중 의사결정, 사후 관리를 지원하기 위해 개발하는 것이며, 모든 조선소에 적용이 가능한 독립된 형태로 개발할 예정이며 각 조선해양산업체는 이를 기반으로 각자의 환경에 맞는 응용 프로그램으로 개발하도록 하여 대형 조선해양산업체 및 중소형 조선해양산업체에서 모두 활용 가능하게 지원할 예정이다.

조선해양산업에서의 시뮬레이션은 수요 부서의 필요에 의해 국부적으로 개발되고 있으며 각기 다른 구조를 띄고 있어 재활용 및 모듈의 재사용성 측면에서 취약한 상황이다. 이러한 문제를 해결하고 확장성을 보장할 수 있는 방안으로 시뮬레이션 시스템 및 모듈의 통합 관점에서의 표준 프레임워크를 설계/구성하고자 하며 이를 기반으로 각 적용 분야에 대한 시뮬레이션 응용시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

이를 위해 소프트웨어 공학 개념을 도입하여 요구도 도출 및 분석을 통한 고객의 요구 사항을 충실히 반영하는 설계 및 분석 기법을 활용하였다. 도출된 요구사항 및 개발기능에 대한 체계적인 분석을 통해 개발기능의 확인을 위해 대표 시나리오의 구성 및 이를 기반으로 하는 더미 GUI 프로그램을 개발하여 사용자와의 소통을 원활히 하고자 하였다.

시뮬레이션 프레임워크 설계 및 분석

이러한 시뮬레이션 프레임워크를 설계하고 분석하기 위해서는 체계적인 개발 방법론을 적용할 필요가 있으며, 이는 최종 사용자인 조선소의 현장 관계자의 요구사항들을 어떤 방식으로 개발기관의 개발자들이 반영해야 할지를 나타낸 것이다. 그림 2는 이러한 과정을 도식화하여 표현한 것이며, 3.1절부터 3.7절까지는 각 단계에 대한 분석 내용을 서술한 것이다. 이를 통해 그림 3과 같은 시뮬레이션 엔진 및 관련 커널들에 대한 명세 및 흐름을 파악할 수 있다.

(1)고객 요구사항 분석

조선해양 생산 시뮬레이션 응용 시스템의 고객(Customer)인 참여 조선소의 요구사항(Customer Requirements)을 분석하여 명세하는 단계이다. 요구사항 정의 단계에서는 참여 조선소의 현장 관계자와의 인터뷰를 통한 회의록, 요구분석서의 요구사항 정의/분석 문서로 고객의 요구사항을 파악하고 있다.

이를 위해 분석 및 설계 단계에서는 유즈케이스(Use Case) 설계서를 통하여 더욱 구체적으로 파악하고 이러한 고객의 요구사항을 통해 응용 시스템이 가져야 할 최종사용자(End User)의 운용 개념을 분석하고 파악하게 된다.

이 과정에서 사용자 관점에서의 개발 우선순위를 명기하여, 연구개발 중 우선적으로 개발되어야 할 기능을 명세한다. 이는 시뮬레이션 기능의 개발에 대한 가중치의 하나로 활용된다.

(2)기능 요구사항 분석

분석된 고객의 요구사항을 기반으로 하여 해당 요구사항 항목을 만족시키기 위한 구현 기능인 기능 요구사항(Functional Requirements)를 정의하는 단계이다. 기능 요구사항은 고객의 요구사항을 구현하여 만족시키기 위한 기능으로 정의되며, 해당 기능항목이 구현되면 고객 요구사항을 만족하는 것으로 평가된다.

이러한 기능 요구사항에서 고려해야 할 요소 기술들을 파악하였으며 하나의 고객 요구사항을 만족시키기 위해서는 여러 항목 기능 요구사항이 도출되며, 이를 1:N 매핑을 통해 분석하였다.

이 과정에서 개발자 관점에서의 개발 난이도를 명기하였으며 개발 우선순위가 높더라도 개발이 어렵거나 기간이 소요되는 항목에 대한 구분을 하여 명세하였다. 이는 시뮬레이션 기능의 개발에 대한 가중치의 하나로 활용된다. 기능 평가방법을 부여하여, 해당 기능 요구사항이 개발 후에 이를 평가하기 위한 수단으로 활용할 예정이며, 이를 통해 요구사항 만족에 대한 여부를 판단할 지표를 마련하였다.

(3)개발 커널 및 컴포넌트 분석

이와 같이 반복적 사이클을 거쳐 정제된 기능 요구사항들을 기반으로 하여 각 기능 항목들의 유사도 및 관련성을 가지고 그룹핑하는 작업을 하는 단계이다. 그룹핑 작업을 통해서 여러 기능 요구사항 항목들은 체계화 되며, 이를 커널(Kernel) 혹은 컴포넌트(Component)로 정의한다. 커널 및 컴포넌트들은 수학적 계산이나 시뮬레이션 기능적 요소들로 구성된다.

이러한 커널 및 컴포넌트의 요소들의 결합을 위해 각 커널 간의 인터페이스를 정의해야 한다. 이러한 인터페이스들은 향후의 확장성을 고려하여 표준화된 형태로서 공유하고자 한다. 또한 커널 및 컴포넌트들의 인터페이스를 취합하여 통합 DB의 구성을 위한 기초자료로 활용할 것이다.

(4)개발 커널 및 컴포넌트 설계

조선해양 생산 시뮬레이션의 응용 분야에서 공통적으로 적용될 가시화 관련 엔진 및 시뮬레이션 분석 관련 엔진에 대한 연구동향 및 관련 요구사항을 분석하는 단계이다. 가시화 엔진은 3D 관련 가시화 요구사항을 도출하고, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 공개용/상용 3D 가시화 엔진에 대한 조사 및 각 요구사항에 대한 엔진 별 기능을 분석하였다. 가시화 대상에 대한 형상 설계 방안을 정립함으로써 향후 응용 시스템이 사용자 관점에서 동일한 뷰(관점)으로 표현될 수 있도록 하는 기능을 개발할 예정이다.

시뮬레이션 분석 엔진은 분석 결과에 대한 표현 기능을 제공하는 커널 및 엔진에 대한 분석을 목표로 하였으며, 시뮬레이션 커널에서 계산된 결과물들을 중립적인 형태의 출력 데이터로 활용할 예정이며 이를 통해 참여 조선소의 사용자들은 각 응용 시뮬레이션 시스템의 결과물을 동일한 뷰로 확인함으로써 유사한/동일한 시스템이라고 인식하게 할 예정이다.

(5)개발기능 체크리스트

고객 요구사항 및 기능 요구사항에는 개발 우선순위와 개발 난이도를 명세하는 단계이다. 이는 구현 기능이 시급한 것인지 개발하기 어려운 것인지를 판단하기 위한 기초 자료로 활용되며 이때 요구사항의 개발 수위 결정을 위하여 시뮬레이션 응용 시스템의 중요한 품질요소를 결정하기 위한 구현 기능의 평가항목을 추가하였다.

우선순위를 가지는 품질요소를 통하여 요구사항에 대한 작업우선순위를 결정하게 되며 전체 시스템 프레임워크에 해당 요구사항의 변경이 얼마만큼 영향을 미치는지도 결정할 수 있다.

(6) 구현기능 대표 시나리오

구현기능에 대한 대표 시나리오는 구현기능 요구사항에 대한 예제를 통해 보다 구체화된 표현으로 시나리오를 작성하는 단계이다. 응용 분야 별로 대표 시나리오를 작성하였으며 사용자 입장에서의 문제점 및 개발자 입장에서의 방법론을 표현하기 위한 수단으로 활용하였다. 이는 문제 해결을 위한 프로세스 및 사용자 처리 과정을 서술함으로써 보다 직관적인 절차를 확인할 수 있는 장점이 있다.

(7)더미 GUI(Dummy GUI) 프로그램

더미 GUI 프로그램 개발은 사용자 관점에서 대표 시나리오를 기반으로 운용 환경을 직접적으로 확인할 수 있는 방법의 하나로서 활용하였다. 조선소의 사용자들은 응용 시뮬레이션의 운용 개념 및 환경을 직접 프로그램을 통해 가시적으로 확인할 수 있었다.

또한 대표 시나리오를 기반으로 하여 시스템 사용 프로세스를 직접적으로 확인할 수 있으며 이에 대한 피드백을 통해 개발자로 하여금 사용자의 환경에 맞는 프로세스를 구축할 수 있는 장점을 가지고 있다.

결 론

우리나라 조선해양산업의 세계 1위 주도권 유지를 위해 생산성 향상을 위한 많은 노력과 연구가 진행되고 있으며, 이러한 목표를 달성하기 위한 기술 중의 하나가 조선해양 시뮬레이션 생산기술이며, 이는 우리나라 조선분야의 차세대 성장동력의 원천기술이 될 것으로 전망된다.

이는 대외적인 해외 벤더들의 움직임으로부터 가늠할 수 있으며, 만일 해외 벤더들에 의해 잠식당하고 여기에 막대한 맞춤화(Customizing) 비용을 지불해야 한다면 조선해양산업의 경쟁력은 저하될 수밖에 없을 것이다. 더욱 문제가 되는 것은 이러한 과정에서 직간접적인 최첨단 생산기술의 유출로 인해 후발국과의 기술격차가 점차 줄어들 것이 예상되며 빠른 기간 내에 조선해양산업의 주도권을 뺐길 수 있다는 점을 명심해야 할 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 연구로서 “시뮬레이션 기반의 선박 및 해양플랜트 생산기술”은 조선해양산업에 특화된 시뮬레이션 시스템의 개발을 목표로 하고 있으며, 신 건조공법의 검증 및 최적화된 생산 흐름을 지원하고자 한다.

이를 위해 기존의 수요 부서의 필요에 의해 국부적이고 산발적으로 개발되던 체계를 재활용성 및 모듈 및 커널의 재사용성 측면과 확장성을 고려한 통합화를 위해 조선해양 통합 생산 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고자 하며 이를 위해 소프트웨어 공학 개념을 도입하여 요구도 도출 및 분석을 통한 고객의 요구 사항을 충실히 반영하는 설계 및 분석 기법을 활용하였다.

또한 최종 사용자(End User)가 응용 시스템을 사용하는데 있어 동일한 뷰(관점)로 접근할 수 있도록 가시화 및 분석 엔진에 대한 분석을 수행하였으며 응용 시스템이 현장 친화적이 될 수 있도록 지원할 예정이다.

이러한 설계 및 분석 프로세스를 통해 시스템의 최종 사용자의 요구도 및 의견을 충실히 반영할 수 있었으며 여러 가지 기술문서를 통해 시뮬레이션 프레임워크의 단위 커널 및 모듈, 컴포넌트들의 개발을 위한 체계를 구성하였다. 이를 기반으로 각 단위 모듈들을 개발할 예정이며 체크리스트 및 평가 방법을 통해 개발기능들이 충실히 개발/구현되었는지를 판단할 것이며 향후 구현기능에 대한 보다 체계적인 평가를 위한 연구를 진행하고자 한다.

이러한 연구개발은 세계적인 조선강국의 IT 국산화 개발을 통해 해외 벤더에 의한 국내시장이 잠식되는 것을 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라 우리나라 조선소들의 공기단축, 비용절감, 신건조공법 개발/적용 등의 생산성 향상에 따른 막대한 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상되며 이는 우리나라 조선해양산업의 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

또한 조선해양산업과 IT산업의 융합을 통한 새로운 시장을 개척하여 일자리 창출 등의 사회적 기여를 할 수 있으며, 원천기술의 국산화 확보를 통해 우리 기술의 직간접적인 유출을 사전에 차단하여 국가경쟁력을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.