Introduction of Innovation Trend for Digital Transformation in Steel Outfitting Design of Ship/Offshore Plant

선박/해양플랜트 철의장 설계분야 디지털 전환 기술개발 동향 소개

Abstract

In this paper, we introduce domestic development trends in digital conversion technology. These advancements aim to address the decline in skilled design personnel by enhancing design quality and overall productivity in the marine field. This research and development consists of the following four topics: First, we are developing a system to systematically integrate structured and unstructured data into a cohesive knowledge base. Second, a system is being developed to perform automated design by verifying the consistency of designed drawings. Third, a digital collaboration platform is currently under development. Its goal is to enhance the design process by enabling real-time communication and promptly incorporating improvements among engineering teams and partner companies. Finally, we are working on a system for automating ship outfitting design processes by leveraging advanced digital technologies. This research aims to strengthen industry competitiveness by enhancing technological autonomy, improving quality, and supporting the sustainable growth of Korea's shipbuilding industry.

1. 서론

21세기 들어 세계 경제는 기술 혁신과 디지털 전환의 급격한 변화를 겪고 있다. 특히, 4차 산업혁명으로 대변되는 첨단기술의 발전은 산업 구조와 생산 방식을 근본적으로 변화시키고 있다. 이러한 기술적 전환은 조선산업에서도 새로운 패러다임을 요구하고 있으며, 주요 국가들은 이를 기반으로 조선업의 경쟁력을 강화하기 위해 다각적인 노력을 기울이고 있다.

조선산업은 단순한 제조업이 아니라 철강, 기계, 전자, 화학 등 다양한 산업과 긴밀히 연관된 종합산업으로, 한국 경제에서 중추적인 역할을 담당하고 있다. 그러나 최근에는 인력 감소, 기술 의존성 증가, 외산 소프트웨어 종속 등의 문제가 한국조선산업의 지속 가능성을 위협하고 있다. 한국 조선산업은 오랜 기간 세계 시장에서 기술적 우위를 유지하며, 후방연쇄효과와 네트워크 효과를 통해 국가 경제를 이끌어왔다. 그러나 경쟁국들은 국가 차원의 대대적인 투자를 통해 첨단기술을 도입하고 있다. 독일의 Meyer 사는 무재고, 무결함, 무사고, 무지체, 무낭비의 "5무" 생산체계를 통해 40%의 생산성 향상을 이루었고, 유럽연합(EU)은 SMART Yards 프로젝트를 통해 3D 설계 소프트웨어 간의 데이터 일관성을 강화하여 오류를 감소시키고 있다. 일본은 Information Technology (IT), Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) 기술을 생산 공정에 접목함으로써 고비용 및 인력 부족 문제를 해결하고 있다. 반면, 한국은 2014년 이후 조선산업의 설계와 생산 인력이 급격히 감소하고 있으며, 2027년까지 설계 및 연구 인력수요가 14,000명에 이를 것으로 예상되나 이에 대응할 체계적인 인력 양성이 어려울 것으로 보이기에 설계분야에 자동화 기술의 도입이 시급하다.

설계자동화를 통한 생산성 향상을 위해 인포겟 시스템은 디지털 데이터 기반의 맞춤형 선박의장품 생산용 제작 설치 정보 지원 플랫폼 기술 개발을 통해 선박의장품들의 3D 도면을 자동을 생성하고 시각화를 지원하는 시스템을 구축했다.[1] 또한 글로벌에스이는 CAD 모델 표준 교환 포맷 기반 조선해양 제조산업 3D 제작도면 생성 디지털 전환 플랫폼 개발을 통해 3D 경량모델 기반의 제작정보 자동생성 S/W를 개발하여[2] 3차원 경량모델 뷰어를 위한 기반 기술을 확보했다. 그리고 Suk-su Kim, Song JAE HO 는 설계도면 작성기준의 최적화 방안에 관한 연구[3]를 수행한바 있다. 그러나 상기 연구들은 부품 단위 제작 정보를 생성하거나 도면의 일부를 최적화하는 것으로 선박 내 의장품들의 배치 자동화보다 다소 낮은 단계의 자동화로서 선박설계과정에서의 생산성을 획기적으로 향상시키는데는 한계가 있어 전선 설계에 적용할 수 있는 자동화 및 디지털전환 기술의 개발이 요구된다.

조선산업의 지속 가능한 경쟁력을 확보하기 위해서는 스마트 기술을 활용한 생산성 향상과 비용 절감이 필수적이다. 특히, 선박 설계는 조선 공정의 핵심 단계로, 설계복잡도와 업무 부하를 줄이는 것이 생산단가 절감의 중요한 과제가 되고 있다. 친환경 선박의 경우 도면의 90%가 의장도면으로 구성되며, 관련 문서가 25만 페이지에 달해 설계 업무의 효율성을 높이는 디지털 전환이 반드시 요구된다.

디지털 전환은 단순히 생산성을 향상시키는 기술 도입을 넘어 조선산업 전반의 경쟁력을 강화할 수 있는 중요한 전략적 접근 방식이다. 국내 중대형 조선소를 대상으로 한 연구에 따르면, 스마트 기술 도입을 통해 약 35%의 생산성 향상과 13%의 납기 경쟁력 제고가 가능하다는 결과가 도출되었다.[3] 이러한 기술을 적절히 활용할 경우 한국 조선산업은 기술적 격차를 유지하고 글로벌 시장에서 지속적인 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 디지털 전환은 외산 소프트웨어의 독점 구조를 탈피하고 국산 설계 플랫폼을 구축함으로써 설계 품질을 향상시키고 기술 비용을 절감할 수 있는 기회를 제공한다. 이는 조선산업의 미래성장 가능성을 높이는 동시에 국내 경제 전반에 긍정적인 영향을 미치게 된다.

이러한 조선 설계분야 디지털 전환을 위해서는 다음과 같은 세가지 핵심기술이 요구된다. 첫 번째는 설계관련 데이터들을 체계적인 지식베이스로 구축하는 일이며, 두 번째는 이를 활용해 설계 수행의 결과물들을 자동화된 과정으로 검증하는 일이다. 세 번째는 지식베이스를 기반으로 설계 자동화 알고리즘에 따라 설계가 수행되는 것이다. 본 연구에서는 설계분야 디지털 전환과 관련된 상기 세가지 기술에 대해, 최근 국내에서 연구되고 있는 사례들을 소개하고자 한다.

2. 디지털 지식베이스

2.1 의장설계 데이터정보시스템의 표준화 및 지식베이스 구축

친환경 선박의 의장계열 설계 지식베이스를 확보하기 위해 선박의 주요 의장부인 Fuel Gas Supply System (FGSS), Ballast Water Treatment System (BWTS), Cargo system 을 대상으로 선정했다. LNG 운반선을 기준으로 볼 때 상기 3개 의장부는 선박 전체 도면의 50% 수준을 차지하는 핵심 부품으로 전체 설계 시간에서도 이에 해당하는 수준의 중요도를 차지한다. 설계에 활용하기 위한 지식베이스는 도면 외에도 건조 과정에서 발생하는 선주 코멘트와 선급 Rule, 설계매뉴얼, 건조사양서, 지침 등이 있다. 본 연구에서는 한국조선해양기자재연구원에서 건조 중인 17K 벌크선 설계데이터를 중심으로 도면 15,000여건, Arrangement & Routing 31만여건, 선주 코멘트 16만 4천여건 등을 지식베이스로 확보했다. 다만 Cargo system의 경우 벌크선에 해당되지 않는 의장부이기에 별도의 50K 급 화학제품 운반선으로부터 도면을 확보했다. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 호선의 일반배치도를 나타낸 것이다.

Fig. 1 General arrangement of 17K bulk carrier

2.2 지능형 검색플랫폼 개발

친환경 스마트 선박 의장설계를 효율적으로 수행하기 위해서는 단순 질의에만 대응할 수 있는 기존의 검색 플랫폼보다 자연어, 도면 등의 특성을 복합적으로 고려하여 현 배치 및 설계 상태의 검증이 가능한 고도화된 기술이 추가로 필요하다. Choi, Y. S., Nguyen, Minh Duc, Kerr & Thomas N[4] 은 원자력 발전소 설계에 있어서 자연어 기반의 구문적, 의미적 패턴 분석을 통해 정보를 추출하는 기법을 통해 설계 효율성을 높일 수 있음을 연구했다. 플랜트 설계와 유사성이 높은 조선해양 의장 설계에 있어서도 디지털 전환을 통한 설계 효율성을 제고하기 위해 복합 질의에 대해 문장 수준의 정보를 추출할 수 있고 자연어 알고리즘이 적용된 지능형 검색 플랫폼의 개발이 요구된다. 이를 위해 정형화된 Structured Query Language (SQL)와 인공지능 자연어 등 의장설계 검색에 최적화된 방법을 적용한 지능형 질의응답 알고리즘 모델의 개발이 필요하다.

전 단계에서 확보된 지식베이스 자료들 중 선급 Rule, 건조사양서 등은 시맨틱 질의분석을 통해 자연어 처리가 가능한 데이터모델로 생성되고 설계 규정집, 설계 통합매뉴얼, 분야별 기술문서 등은 의장 Generative Pre-trained Transformer (GPT) 언어모델로 구성된다.

또한 상기 데이터들을 바탕으로 Rule 기반의 질의분석을 통해 질의 시나리오 Database (DB)로 구성된다. 이러한 과정을 통해 구축된 지식베이스 자료들은 후술될 별개의 개발 모델인 정합성 검증 시스템을 통해 작성된 도면들의 검도를 위해 사용된다. Fig. 2에는 지식베이스에서 구축된 데이터들로 지능형 챗봇을 개발되는 흐름을 나타냈다.

Fig. 2 Interface of intelligent chatbot and complex query search flow

3. 정합성 검증

3.1 도면/문서 디지털 전환 기술 개발

선박을 비롯한 모든 설계에서는 설계 결과물이 기술적 요구사항을 충족하고 설계요소간의 일관성을 확보하고 있는가를 확인하는 정합성 검증 과정이 필수적으로 요구된다. 현재는 숙련된 설계자의 지식에 기반한 검토에 의해 이러한 과정이 수행되나, 향후에는 디지털 전환과 인공지능기술의 도입을 통해 자동화된 방식으로 수행될 수 있으며, 이를 통해 설계오류를 검출해내는 시간을 단축시키고 정확도를 높여 궁극적으로는 설계분야 생산성을 향상시킬 수 있다.

설계 결과의 정합성을 자동화된 방식으로 검증하기 위해서는 설계에 사용되는 도면과 문서 등의 데이터를 디지털로 전환할 수 있는 기술 개발이 필수적이다. Jeong, D. Y., Park, K. P., Lim, D. B. & Chung, H. [5] 는 piping and instrumentation diagram (P&ID) 로부터 객체 위치 기반의 연결정보 인식 기법을 연구하고 이를 사용해 작성된 P&ID 도면의 정합성을 검증하는데 활용할 수 있는 가능성이 있음을 보였다. 본 연구에서는 이미지 형식의 의장설계 문서와 도면을 자동으로 인식해 구조화된 메타 정보를 가진 표준 형식으로 저장하며, AI 기술을 이용해 기호와 선 등의 객체 인식 및 메타 데이터 구조 추출의 자동화를 구현하고 이를 지식베이스에 저장해 의장설계 3D 모델의 정합성 검증에 사용하는 플랫폼을 개발 중이다.

예를 들어, 대상 호선의 냉각수 시스템을 설계한다고 가정했을 때, 해당 시스템이 설계 rule 과의 정합성을 만족하는지를 확인하기 위해서는 P&ID 에 나타나는 지시선, 각종 스펙, 구성 부분품들의 기호와 명칭으로부터 실제 설계될 시스템의 구성 요소들과 공정 흐름을 추정할 수 있어야 한다. 즉, 도면과 문서들을 사람이 이해하는 방식으로 읽어내기 위해서는, 기호의 인식기술과 이를 사람이 이해하는 논리로 구성할 수 있는 인공지능의 개발이 필수적으로 선행되어야 한다. Fig. 3에는 17K급 벌크선에 설치되는 냉각 시스템의 P&ID 으로부터 이를 인공지능이 읽고 이해하는 사례를 소개했다.

Fig. 3 P&ID reading from automatic recognition of symbols

3.2 정합성 검증기술

의장 설계의 정합성 검증을 위해 설계 기준 정보 표준 데이터를 구성해 공정별 rule library를 구축 및 관리하고 이를 기반으로 상용 3D CAD 설계환경에서 의장설계정보의 정합성을 자동으로 확인 후 report 하는 기술을 개발하고 있다. 해당 기술은 의장(기장, 선장, 선실, 전장) 설계기준 및 조선소별 standard practice를 기준으로 현재 보급된 주요 설계 소프트웨어인 아비바 마린, 헥사곤, Timetec Modeler (TTM) 등에서 배관 라우팅, 배관제 및 서포트류 배치, 장비 배치 적합성을 검증하는 것을 목표로 한다. 이러한 자동화된 설계 검증 기술이 보편화되는 시점에서는 의장품들의 설치시 재작업이 획기적으로 줄어들고 선박 운항 중 운용, 유지보수, 성능에 문제가 발생할 수 있는 가능성도 설계단계에서 최소화할 수 있게 된다. Fig. 4에는 장비 배치시의 적합성을 자동으로 검증하는 절차를 나타냈다.

Fig. 4 Consistency validation process in equipment layout design

4. 철의장 설계자동화

디지털 지식베이스로 구축된 데이터를 바탕으로 배관의 자동배치, 설치/교체/유지관리를 고려해 fitting/밸브 배치와 서포트, 철의장 설계 등을 자동으로 생성할 수 있는 플랫폼이 필요하다. Jeong, S. Y., Roh, M. I. & S hin H. K.[6] 는 부유식 해양플랜트 탑사이드 설계에서 공간적인 제약을 고려한 다층 구조 설계의 최적화에 수학적 모델링을 사용할 수 있음을 연구했고 Lee, J. B., Roh, M. I. & Oh, M. J. [7]와 Lee, S. H., Roh, M. I., Oh, M. J. & Kim, K. S. [8] 는 해양 구조물의 배관 경로 설계시 공간 가용성을 고려한 배관 경로 최적화 알고리즘을 연구했다. 본 연구에서는 철의장 배관 및 장비류들의 최적 배치를 위해 수학적 모델링 대신 높은(20mm 이하) 해상도의 voxelization을 통한 routing 과 전용 CAD 파일(RVM, REV, STEP, IGES 등) 변환을 통한 import 기능 등을 바탕으로 다음과 같은 알고리즘을 고려해 개발하고 있다. 기본적인 알고리즘은 선체 및 기배치 배관들이 의장품을 회피하도록 하는 것이며, 이 외에도 배관 routing 알고리즘에는 의장설치/유지/재료 비용 등을 고려한 장비 위치 최적화 기능이 함께 고려되어야 한다. 상기의 기능으로 배관 auto-routing 이 수행되는 과정은 다음과 같다. 먼저 P&ID로 부터 배관 데이터와 branch fitting 및 연결부 정보를 추출하고, 선택된 목적함수로 auto-routing 을 실행한다. Fig. 5에는 목적함수 중 하나가 되는 배관 꺾임을 최소화 하는 강화학습 과정을 담았다. 배관 꺾임을 최소화 하고자 할 때, 최단 거리를 기반으로 배관 생성시 작은 보상, 배관 꺾임이 최소일 때 큰 보상을 설정하고 장비들 간의 간섭과 배치 공간의 경계를 넘어가지 않도록 설정했다.

Fig. 5 Consistency validation process in equipment layout design

5. 결론

선박 의장설계의 디지털 전환을 위해서는 다양한 기반 기술의 개발이 필요하다. 지식베이스 구축을 통해 체계화된 디지털 데이터를 확보하는 것을 시작으로 설계된 결과물이 요구되는 사양과 규정에 부합하는지의 여부를 자동화된 기술로 확인하는 정합성 검증을 거쳐, 최종적으로는 주어진 선박에 설치될 의장품들의 설계를 알고리즘을 통해 효율적으로 수행할 수 있는 설계 자동화 기술이 필요하다. 향후 예상되는 국내 산업인력의 고령화와 경쟁국들의 추격으로부터 선도적인 지위를 유지하기 위해서 뿐 아니라 국내 설계기술의 외산 기술 의존성을 낮추기 위해서도 의장설계 분야의 디지털 전환을 위한 기술 개발이 요구된다.

본 연구가 완료되는 시점에서는 선박 설계와 관련된 지식베이스를 자동화된 방법으로 구축하여 저숙련 설계자들이 지능형 챗봇을 통해 설계정보를 효율적으로 획득해 설계에 반영하는 기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 작성된 도면을 정합성 검증이라는, 자동화 검도과정을 통해 높은 정확도와 효율로 처리할 수 있게 되며, 배관 등 의장품의 경우 최적화된 배치안을 자동화된 알고리즘을 통해 도출함으로 설계비용을 획기적으로 줄이고 생산성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다.