선박 내 배관의 자동 라우팅을 위해 다양한 연구들이 경로 탐색 알고리즘을 적용해 왔다. 조선 및 해양 산업의 특성상, 배관이 설치되는 설계 공간은 수백 세제곱 미터에 이를 정도로 크다. 하지만 이와 같은 거대한 공간에서 허용되는 오차는 수 밀리미터에 불과해, 고도의 정밀함이 요구된다. 이러한 이유로, 전통적인 방식인 동일 간격의 격자 생성 방법을 사용하여 설계 공간을 설정하고 경로를 탐색하는 것은 효율적이지 않다. 동일 간격 격자는 대규모 설계 공간에서 경로 탐색 시 계산 시간이 지나치게 오래 걸리거나, 메모리 부족으로 인해 성능에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해서는 더 효율적인 설계 공간 결정 방법이 필요하다.

그림 1. 본 연구의 목표

이와 함께, 선박 내 설계 공간에는 선체 구조물과 같은 다양한 장애물들이 존재하기 때문에, 이 장애물들을 경로 탐색에 적절히 반영하는 것도 매우 중요하다. 이를 반영하지 않을 경우, 배관이 장애물과 충돌하거나 비효율적인 경로를 선택할 위험이 있다. 그러므로 설계 공간을 최적화하고 경로 탐색의 효율성을 높이기 위해서는, 장애물을 포함한 다양한 환경적 요소를 반영하는 정교한 방법론이 요구된다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 설계 공간을 효율적으로 관리하고 경로 탐색의 성능을 개선할 수 있는 방법을 제안한다. 먼저, 불필요한 공간까지 세밀하게 나누는 기존 방식의 한계를 극복하기 위해, octree 기반의 격자 생성 방법을 적용하였다. Octree 구조는 설계 공간을 필요에 따라 계층적으로 분할하여, 경로 탐색이 필요한 구역은 세밀하게 분할하고, 불필요한 구역은 분할을 최소화할 수 있다. 이로 인해 메모리 사용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 경로 탐색에 필요한 계산 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.

그림 2. Octree 구조

더불어, 설계 공간 내 장애물을 효과적으로 반영하기 위해 장애물 주위 공간을 세분화하고, 장애물 내부의 경로를 비활성화하여 배관이 자연스럽게 장애물을 회피하도록 하였다. 이러한 방식은 배관이 장애물과 충돌하지 않도록 보장하면서도, 경로 탐색의 효율성을 유지하는 데 기여한다. 장애물 처리 과정에서 중요한 것은 배관이 통과할 수 없는 영역을 정확하게 반영하면서도, 경로 탐색의 복잡도를 최소화하는 것이다. 이를 위해 장애물 근처의 격자는 세밀하게 나누고, 장애물과 무관한 영역은 덜 세밀하게 처리하여 메모리와 시간 자원을 절약하였다.

한편, 선박에서 배관은 대체로 선체의 갑판 하부에 배치되는 경향이 있다. 이 점을 고려하여, 경로 탐색 과정에서 갑판 하부를 선호하는 방향으로 배관이 배치되도록 하였다. 이를 위해 갑판 하부에 높은 점수를 부여하는 가중치 기반 경로 탐색 방법을 도입하였으며, 이로 인해 배관은 자연스럽게 갑판 하부를 따라 라우팅되었다. 이는 공간 활용성을 극대화하고, 배관 설치의 실용성을 높이는 데 기여하였다.

그림 3. 갑판 하부로의 배관 배치 필요성

이 연구에서 제안된 방법론을 실제 선박 설계 과정에 적용한 결과, 복잡한 선체 구조 내부에서도 짧은 시간 안에 배관 경로를 효율적으로 탐색할 수 있었다. 또한, 경로 탐색의 정확성과 성능이 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다. Octree 기반의 격자 생성 방법과 장애물 반영 기법, 갑판 하부 선호 경로 탐색 전략을 조합한 본 연구의 결과는 조선·해양 산업의 배관 설계 자동화에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.