조선해양 산업은 전통적으로 대형 구조물의 설계와 생산을 중심으로 발전해 왔지만, 최근에는 데이터, 인공지능, 가상 시뮬레이션 기술의 발전과 함께 설계, 생산, 운항 전 과정을 디지털화하려는 시도가 빠르게 확대되고 있다. 특히 복잡한 작업 환경을 가상 공간에서 미리 검증하고, 설계 및 생산 의사결정을 자동화하며, 운항 과정에서도 지능형 알고리즘을 활용하는 방향으로 산업 패러다임이 변화하고 있다. 

국립한국해양대학교 조선해양시스템공학부 이혜원 교수는 서울대학교 조선해양공학과에서 박사학위를 취득하고 2023년부터 스마트 설계 시스템 연구실(SMART Ship Design System Laboratory, SMARTLab)에서 선박과 조선소의 자동화 및 지능화 기술을 연구하고 있다. SMARTLab에서는 동역학 시뮬레이션을 중심으로 인공지능, 가상현실, 빅데이터 등 다양한 IT 기술을 융합한 통합 시뮬레이션 연구를 수행하고 있다. 연구실은 선박 및 조선소의 설계, 생산, 운용 과정에서 발생하는 다양한 문제를 예측하고 해결하는 것을 목표로 하며, 주요 관심 분야로는 생산 및 설치를 위한 동적 시뮬레이션, 선박 설계 및 생산 자동화, 가상현실 기반 시뮬레이션, 자율운항, 디지털 전환 등이 있다.

1. 다물체계 동역학 기반 생산 작업 시뮬레이션

SMARTLab의 첫 번째 연구 축은 다물체계 동역학(multibody dynamics) 기반의 시뮬레이션과 제어이다. 조선해양 산업에서는 크레인, 블록, 와이어, 이송장비 등 다수의 물체가 상호 연결된 상태에서 작업이 수행되는 경우가 많다. 이러한 시스템에서는 여러 물체가 연결된 상태에서 움직이며 외력과 제약조건의 영향을 동시에 받기 때문에, 작업 과정에서 발생하는 복잡한 동적 거동을 사전에 분석하고 검증하는 것이 중요하다. 연구실에서는 이러한 다물체 시스템의 운동을 해석하고 제어하는 기술을 조선 생산 및 해양 작업에 적용하고 있다. 특히 생산과 해상 작업 중 발생할 수 있는 거동을 동적 시뮬레이션으로 검증하고, 이를 기반으로 작업 가능 여부 판단, 안전 기준 수립, 생산 및 설치 절차의 신뢰성 확보를 목표로 하고 있다. 나아가 생산 자동화를 위해 다물체 시스템의 제어 기술도 함께 연구하고 있으며, 이를 통해 작업 효율과 안전성 향상에 기여하고자 한다. 

2. 조선해양 분야의 디지털 전환과 통합 시뮬레이션

두 번째 연구 축은 디지털 전환(Digital Transformation)이다. SMARTLab은 선박과 조선소의 전통적인 설계, 생산, 운용 업무를 보다 지능적이고 효율적인 시스템으로 전환하기 위해 다양한 IT 기술을 접목하고 있다. 핵심은 실제 현장에서 수행되던 설계 검토, 작업 검증, 모니터링, 의사결정 과정을 디지털 환경으로 옮기고, 이를 자동화 및 지능화하는 것이다.

연구실에서는 가상 현실 기반의 통합 시뮬레이션 환경을 구축하여 설계 검증과 작업 계획 수립을 보다 효과적으로 지원하고 있으며, 원격 협업과 실시간 검토가 가능한 디지털 기반 연구도 함께 수행하고 있다. 또한 선박 데이터베이스를 활용한 설계 업무 자동화, 도면 자동 인식, 자연어처리 기반 설계 검토 고도화, 조선소 모니터링 기술 등도 주요 연구 주제에 포함된다. 이러한 연구는 단순한 전산화를 넘어, 조선해양 산업 전반의 업무 흐름을 데이터와 소프트웨어 중심으로 재구성하는 방향으로 이어지고 있다.

3. 최적화 기반 의사결정

세 번째 연구 축은 최적화(optimization)이다. 조선해양 산업에서는 다양한 제약 조건 속에서 안전성과 효율성을 동시에 고려한 의사결정이 중요하다. SMARTLab은 이러한 관점에서 설계, 생산, 운항 과정에서 발생하는 다양한 최적화 문제를 연구하고 있다. 

연구실에서는 운항 경로 최적화, 전력 배치 최적화, 그리고 각종 선박 시스템 및 장비의 설계 변수 결정과 같은 문제를 연구하고 있다. 이러한 최적화 연구는 동적 시뮬레이션과 데이터 기반 분석을 함께 활용하여 수행된다. 이를 통해 실제 시스템의 거동과 다양한 제약 조건을 고려한 상태에서 보다 현실적인 의사결정을 지원하고자 한다. 최근에는 머신러닝을 활용한 기상 예측, 운항 데이터 기반 성능 추정, 데이터 기반 의사결정 지원 연구로까지 확장하여, 선박 운항과 관련된 다양한 문제에 적용하고 있다.

4. 자율운항 기술과 디지털 트윈 기반 시뮬레이션

SMARTLab은 조선소 생산과 설계 자동화 연구뿐 아니라 자율운항 시스템을 위한 알고리즘 연구도 수행하고 있다. 자율운항은 경로 계획, 상황 인식, 환경 예측, 충돌 회피, 성능 최적화 등이 결합된 복합적인 문제로, 이를 위해 시뮬레이션, 최적화, 제어 기법을 함께 활용하고 있다.

연구실에서는 운항 경로 최적화, 충돌 회피, 운항 중 의사결정 지원과 같은 문제를 중심으로 자율운항 알고리즘을 연구하고 있으며, 이러한 알고리즘은 디지털 트윈 기반 가상 시뮬레이션 환경에서 다양한 시나리오를 통해 검증되고 있다. 이를 통해 실제 해양 환경에서 발생할 수 있는 다양한 상황을 사전에 시험하고, 자율운항 기술의 안정성과 적용 가능성을 높이고 있다.

맺음말

SMARTLab은 조선해양 산업의 복잡한 시스템과 작업을 디지털 환경에서 모델링하고 예측하며, 그 결과를 설계, 생산, 운항 단계의 의사결정으로 연결하는 연구를 수행하고 있다. 연구실의 다양한 주제들은 시뮬레이션을 중심으로 최적화, 자동화, 인공지능, 자율운항 기술이 유기적으로 결합된다는 점에서 하나의 흐름으로 이어진다.

앞으로 조선해양 산업은 전통적인 설계 생산 기술에 더하여 데이터와 지능화 기술이 긴밀하게 결합되는 방향으로 발전할 것으로 예상된다. SMARTLab은 이러한 변화 속에서 공학적 해석과 디지털 기술의 접점을 넓혀가며, 조선해양 산업의 미래를 뒷받침할 수 있는 실용적이고 확장성 있는 연구를 지속해 나가고자 한다.