선박 기관실의 배치 설계는 기관실의 장비의 위치와 방향, 그리고 배관의 경로를 결정해 배치하는 설계 과정이다. 이 과정은 배치된 장비와 배관의 간섭, 설계 규칙 및 과거 선박 데이터, 전문가 지식 등의 다양한 요소들을 고려해 수행된다. 하지만 기관실의 배치 설계 과정은 복잡하고 관습적인 영역이 많아 과거 선박 데이터와 전문가의 설계 경험, 그리고 노하우에 의존하고 있다. 이러한 특징 때문에 선박의 배치 설계는 기존 선박의 설계와 전문가에 의존하는 경직된 설계가 주로 이뤄지고, 최적화된 배치 안을 찾는 데 어려움을 겪게 한다. 배치 자동화를 통해 이를 보완하려던 여러 시도들이 있었지만, 장비 배치 단계에서 배관 배치를 고려하지 않거나, 장비 사이의 거리 만을 단편적으로 고려하는 경우가 대부분이었다. 이 글에서는 전문가 시스템을 활용해 전문가의 지식과 노하우를 녹여내고, 장비 배치 단계에서 배관 배치를 함께 고려한 최적 배치를 통해 자동화된 배치 설계를 시도한 연구를 소개하고자 한다.

  기관실에 대한 최적 배치 설계는 많은 설계 변수와 넓은 설계 공간이 존재하기 때문에 이를 자동화할 경우 많은 계산 시간이 소요된다. 이를 보완하기 위해 이 연구에서는 2단계로 이뤄진 다단계 최적화 방법을 활용했다. 1단계에서는 기관실 내 갑판의 위치와 장비의 위치와 설치 방향에 대한 최적 배치를 수행한다. 1단계 배치 설계에서는 기관실에 배치되는 장비들이 차지하는 공간 최소화, 배관 및 덕트의 길이와 굽힘 최소화, 공간 가용성 최대화, 전문가 지식의 적합성 최대화를 목적으로 최적화를 진행한다. 특히, 선박의 배관 배치 설계 결과를 장비 배치에 반영하기 위해, 선박의 장비 배치 단계에서 배관 배치를 함께 고려할 수 있는 방법을 제안했다. 최적화를 위해 배관 배치를 함께 검토하고 이 결과를 장비 배치에 반영하는 방법은 높은 정확도로 배치 설계 안을 제안할 수 있다는 장점이 있지만, 많은 계산 시간이 요구된다는 단점이 함께 존재한다. 그림 1은 이러한 단점을 보완하고자 활용한 방법을 표현한 것으로, 주변 장애물 유무에 따라 동적으로 변화하는 배관 배치 격자를 설명한 그림이다.

그림 1 주변 장애물 유무에 따라 변화하는 격자 간격

  그림 1에서 배관의 시작점과 도착점 근처에서는 최대 격자 간격 (Maximum grid space)를 활용하지만, 장애물주변에서는 더 좁은 새로운 격자 간격을 활용한다. 이와 같이 주변 장애물 유무를 판단하고 이를 고려해 설계 공간의 격자를 동적으로 변화시키는 방식을 활용하면, 정확도를 유지하면서 계산 속도를 향상시킬 수 있다. 이러한 방법을 통해 전체 설계 과정에서 여러 번 수행되는 배관 배치 과정을 빠르게 수행할 수 있었다. 또한, 배치 설계에 대한 전문가의 지식과 노하우를 적용하기 위해 아래 그림 2와 같은 형태로 모든 전문가 지식들을 표현 하고 이에 대한 정량적인 평가를 통해 전문가 지식의 적합성을 계산했다. 

그림 2. 전문가 지식 예시

  그림 2는 ABS (The American Bureau of Shipping)의 가이드라인 중 하나로, 제어가 필요한 배관의 권장 높이를 제안하는 내용의 전문가 지식이다. 이를 그림 2의 표와 같은 형태로 표현하고, 배치 설계 결과를 정량적으로 평가하기 위해 사용한다.

  기관실의 배치 설계 2단계에서는 1단계에서 배치된 장비들을 연결하는 배관 및 덕트의 배치 설계를 수행한다. 이 과정에서는 기관실의 배관 및 덕트의 길이와 굽힘 최소화, 공간 가용성 최대화, 전문가 지식의 적합성 최대화를 목적으로 배치 설계를 수행한다. 마찬가지로 배관 배치에 대한 전문가의 지식과 경험을 효과적으로 활용하기 위해 전문가 시스템을 활용한다. 경로 생성 알고리즘으로 다양한 경로 생성 알고리즘을 검토했으며, 기관실 배관 배치 예제에서 가장 좋은 결과를 보인 경로 생성 알고리즘을 활용해 배치를 수행했다. 이 연구에서 제안된 방법의 효용성을 확인해보기 위해 재화 중량 320,000톤 대형 원유 운반선 (VLCC)의 기관실의 최적 배치를 수행하고 이를 기존 설계 안과 비교해 검증했다. 

  소개한 연구를 포함해 여러 시도들이 수행되고 있지만, 완전 자동화된 배치 설계까지 도달하기에는 보완해야 할 점들이 여럿 있다. 이 연구에서는 일정 크기 이하의 장비들을 고려하지 못했으며, 배관의 굽힘 각도를 90도로 제한해 배관 배치를 수행했다. 각 배관의 특징 (유량, 분기 배관 등)을 고려한 다양한 전문가 지식의 확보와 배치 결과에 대한 검증 작업을 수행도 추가로 필요하다. 그러나 앞으로 이러한 연구들이 계속해서 이뤄지고, 최적 배치 설계 방법과 설계 자동화의 완성도가 높아져 이를 설계 과정에서 본격적으로 활용할 수 있게 된다면 설계자들에게 많은 도움이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

  ¹Jisang Ha, Myung-Il Roh, Ki-Su Kim, Jin-Hyeok Kim, Method for pipe routing using the expert system and the heuristic pathfinding algorithm in shipbuilding, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Volume 15, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2023.100533.

  ² The American Bureau of Shipping (ABS), Guidance Notes on the Application of Ergonomics to Marine Systems, 2013, (Updated 2018).