대한조선학회

	December, 2019
[관련 분야 S/W 소개] PLM 프로세스 디지털화, 해운업계의 미래 핵심 키워드

<글 : 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어, 얀 반 오스(Jan Van Os) 해양 산업 전략 부사장> 혁신을 보다 쉽게, 보다 합리적인 비용으로 구현하는 기술이 변화를 가속화한다. 2018년 4월, 해운업계는 국제해사기구(IMO)로부터 깜짝 놀랄 만한 소식을 듣게 된다. 해운업계의 해양 오염 방지, 안전, 보안을 책임지는 UN 전문기구인 IMO가 2050년까지 온실가스 배출량을 절반 수준(2008년 수준 대비)으로 줄인다는 규제를 채택한 것이다. 규제의 주요 내용은 다음과 같다. 1. 대기 배출량 감소 2. 해양 생물에 그 어떤 영향도 미치지 않도록 소음공해 최소화 3. 폐기물의 해양 방출 중단 4. 특히 민감한 해역에 대한 접근 제한 5. 책임 있는 선박평형수(ballast water) 관리 해운업계는 자동차 업계, 항공우주 업계의 혁신적인 관행으로부터 교훈을 얻는 편이 좋을 것이다. 이 두 업계는 혁신적인 제품 및 공정 애플리케이션 도입을 주도하고 있으며, 이를 통해 지속가능한 솔루션의 설계를 가속화하고 있다. 해운업계의 지속가능한 성장을 위한 기회 국제 무역에서 해상운송에 의한 무역의 비중은 90%에 이른다. 2018년 3월 1일 기준, 전 세계 94,300척의 상선이 운영 중이었으며, 3,500척의 상선이 추가 발주될 예정이었다(출처 : 클락슨리서츠). 해운업계에서 연간 9억3,800만 톤의 이산화탄소가 배출되는 가운데, 수천 척의 서비스, 정부, 군용 선박들도 이에 합세해 세계 선박 이산화탄소 배출량을 높이고 있다(출처 : IMO). 참고로 영국 내에서만 배출되는 이산화탄소량은 3억8천만 톤이다. 선박이 환경에 미치는 영향은 설계에 달린 경우가 종종 있다. 제품 수명 주기 관리(PLM, Product Lifecycle Management) 기술은 많은 기업이 연료가 적게 들고, 배기가스를 덜 배출하며, 물리적인 테스트나 자재가 덜 필요한 고성능 제품을 생산할 수 있도록 지원한다. 선박이나 기타 대형 기계들은, PLM 엔지니어링을 통해 현재 전력 단위당 운송할 수 있는 화물량을 늘려, 같은 에너지원으로 더 많은 산출량을 달성할 수 있다. 혹은 현재 적재량에 따른 연료 소모량을 줄여, 더 적은 에너지로 동일한 산출량을 달성할 수 있다. 설계를 중점적으로 개선하면 기름이 유출될 가능성을 최소화하고, 선박에 채워 넣는 평형수의 양을 줄이고, 해양 생물에 피해를 입히는 소음공해를 줄일 수 있다. <새로운 배기 가스 기준과 규제 충족을 위해 해운업계는 지속가능한 솔루션 개발을 앞당기도록 돕는 애플리케이션을 도입함으로써 도움을 받을 수 있다.> 보다 지속가능한 해운을 위한 비용 선박의 설계를 개선하면 효율성을 크게 높일 수 있지만, 큰 비용이 수반돼 선뜻 설계방식을 바꾸기가 어려운 실정이다. 해운업계는 보수적인 업계 특성상 기술이나 공정 개선을 우선시하지 않는 경우가 많다. 많은 선박회사에서는 여전히 축소 모형을 만들어 예인 수조 시험을 하는 낡고 오래된 방식이 이어져오고 있다. 이로 인해 발생하는 문제들은 다음과 같다. -높은 불확실성: 모형과 실제 선박의 크기가 다르기 때문에 물리적 특성도 다르다. 따라서 축소 모형을 통해 예상했던 선박의 성능이 실제로는 다를 가능성이 높다. -속도: 조건과 구성요소에 대한 시험이 따로 진행되기 때문에 이 두 가지를 결합하고 나면 문제가 생길 수 있다. -비용: 일련의 시험을 진행하려면 엔지니어링에 많은 시간이 소요되는데, 가장 많은 비용이 여기서 발생한다. 선박 설계자가 디지털 시뮬레이션이 포함된 설계 소프트웨어를 사용하면 실제 선박 규모와 실제 선박 운영 조건에 맞게 효율적으로 시뮬레이션을 할 수 있다. 설계자는 디지털 시뮬레이션을 통해 단일 환경에서 다양한 요소들(유체역학, 기체역학, 추진력 등)을 시험해 보고, 설계가 실제로 적용된 모습을 사실적인 이미지를 통해 전체적으로 미리 확인할 수 있다. 노르웨이 선박기술기업인 하브야드 그룹 ASA (Havyard Group ASA)의 사례를 살펴보자. 하브야드 그룹 ASA는 입찰을 위해 최소한의 연료를 사용해 20노트의 속도로 순항한다는 성능 조건을 지켜야 했다. 연료 소비량을 줄일수록 계약을 수주할 가능성이 커졌다. 하지만 해상 시운전에서 약속된 성능 조건을 충족하지 못할 경우 막대한 위약금을 물어야 했는데, 마감일이 촉박한 입찰이었기 때문에 예인 수조 시험도 현실적으로 불가능한 상황이었다. 그런데 하브야드 그룹 ASA가 지멘스의 Simcenter 포트폴리오를 사용하기로 하면서, 일주일도 채 되지 않아 상황이 180도 바뀌었다. 세 개의 설계 루프(design loop)가 설계 수준을 크게 끌어올린 것이다. 가상 시뮬레이션으로 물리적으로는 불가능한 업무 수행 설계자들은 실물 크기의 시뮬레이션에 제너레이티브 설계(generative design), 설계 자동화, 지능적 설계 탐구(intelligent design exploration) 기능을 추가해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있다. -단일 환경에서 다양한 요소(유체역학, 기체역학, 추진력 등) 시험 -조건과 구성요소에 대한 시험이 따로 진행되는 기존 방식과 달리, 설계가 실제로 적용된 모습을 사실적인 이미지를 통해 전체적으로 확인 -새로운 설계에 적용하는 경우에도 더욱 정확한 결과 도출 PLM은 시장 출시 속도를 높이고 설계 혁신 비용을 낮춰, 기업들이 지속가능성 목표를 달성하고 이윤을 높여 시장을 확대할 수 있도록 지원한다. 설계 엔지니어들은 이러한 디지털 시뮬레이션 기능을 이용해 수백 개의 기하학적인 형태들을 시험해보고, 앞으로 만들어질 선박에서 구현할 수 있는 최적의 성능을 확인할 수 있다. 선박의 유지보수를 지원하는 디지털 트윈 현재의 PLM기술을 사용하면 보다 효율적인 선박 관리를 통해 해운의 지속가능성을 개선할 수 있다. 선박과 그 디지털 트윈의 시스템에 대한 실시간 디지털 기록으로 선박의 계류 시간은 줄이면서, 동시에 선박 관리와 대대적인 정비, 선박 현대화는 빠르고 효과적으로 수행할 수 있다. 디지털 트윈은 수십 년 간 여러 차례의 개조를 거쳐 사용되는 선박에도 도움이 된다. 디지털 설계 툴을 사용하면 선박의 성능을 더 잘 이해할 수 있고 설계의 완성도도 크게 높일 수 있다. 예를 들어, 해운 시장에서 추진 시스템과 기타 장비를 제조, 서비스하는 핀란드 기업 바르질라(Wärtsilä)는 고급 PLM과 시뮬레이션 기술을 사용해 설계 초기에 어떤 성능이 구현될지 파악하고 성능을 향상시켰다. 바르질라는 엔진과 추진 시스템의 시스템 시뮬레이션을 선박의 실제 크기 CFD 모델과 결합해, 제안된 선박 설계안의 디지털 트윈을 사용한다. 이러한 방식으로 선박의 성능을 예측하고, 연료의 효율성을 높이고, 혁신을 도모할 수 있다. 지속가능한 선박 설계로 얻을 수 있는 사업적 이점 디지털화는 해운업계의 지속가능성 외에도 많은 기회를 창출하며, 향후 개별 기업과 해운업계 모두에 도움이 될 수 있다. 시장선점(First-to-market breakthroughs): 해운업계는 평형수가 없는 ‘밸러스트 프리 선박’ 등 새로운 디자인의 선박을 설계하고 또 기존의 선박을 개선, 개조해야 하는데 디지털화로 이 문제를 해결할 수 있다. 독일 선박 방향타 설계회사 베커 마린(Becker Marine)은 디지털화를 통해 혁신적인 에너지 절약 장치들을 설계하고, 기존 선박의 성능을 시스템 차원에서 개선했다. 화물 추적기능과 가시성: 공급망에서 지속가능한 관행에 대한 압력이 높아지면서, 해운업계는 화물 운송의 가시성과 추적기능도 개선되는 효과를 볼 것이다. 추적기능이 확보되면 서비스 향상을 위해 어떤 노력을 했는지 정확히 측정할 수 있으며, 문제의 근원을 확인하고 빠르게 해결해 개별 공급업체의 책임소재를 파악할 수 있다. 조선소 효율성 및 지속가능성 증대: 조선업계에서는 굉장히 많은 자원이 소비된다. 현재 기술을 잘 사용하면, 선박 수명 연장, 정비, 자재 회수, 재사용 등에 초점을 맞춰 선박 설계와 선박 건조 방식을 대대적으로 혁신할 수 있다. 해운업의 혁신 가속화 <해운업계의 미래는, 선박의 성능을 예측하고 최적화해, 더욱 저렴한 가격에 친환경적인 선박을 개발할 수 있는 디지털 설계 솔루션에 달렸다.> 해운기업들이 지속 가능한 목표를 달성하고 경쟁력을 높이기 위해서는 관련 규정에 부합하는 선박을 적극적으로 설계, 건조하고 유지해야 한다. 고급 PLM 기술을 이용하면 이와 같은 목표를 큰 비용을 들이지 않고 달성할 수 있다. 디지털 설계 솔루션을 사용하면 설계 초기에 선박의 성능을 예측하고 최적화해, 안전하고 품질 좋은 친환경 선박을 저렴하고 신속하게 개발할 수 있다. 해운업계는 이제 항로의 방향을 바꾸는 것 말고는 선택의 여지가 없다. 혁신하든지, 혁신하지 않고 그로 인한 불이익을 감수하고 공개조사를 받아야 한다. 현대적인 PLM 툴에 투자함으로써 해운업계 공급망에 포함된 업체들은 지속가능성 목표를 달성하는 데 필요한 비용 효율적인 전략을 갖추게 될 뿐 아니라, 제너레이티브 설계, 지능적 설계 탐구, 실제 운영 조건에 따라 실제 크기에 맞는 기능 최적화 등을 통해 경쟁력을 높일 수 있을 것이다.

<글 : 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어, 얀 반 오스(Jan Van Os) 해양 산업 전략 부사장>

혁신을 보다 쉽게, 보다 합리적인 비용으로 구현하는 기술이 변화를 가속화한다.

2018년 4월, 해운업계는 국제해사기구(IMO)로부터 깜짝 놀랄 만한 소식을 듣게 된다. 해운업계의 해양 오염 방지, 안전, 보안을 책임지는 UN 전문기구인 IMO가 2050년까지 온실가스 배출량을 절반 수준(2008년 수준 대비)으로 줄인다는 규제를 채택한 것이다.

규제의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 대기 배출량 감소
2. 해양 생물에 그 어떤 영향도 미치지 않도록 소음공해 최소화
3. 폐기물의 해양 방출 중단
4. 특히 민감한 해역에 대한 접근 제한
5. 책임 있는 선박평형수(ballast water) 관리

해운업계는 자동차 업계, 항공우주 업계의 혁신적인 관행으로부터 교훈을 얻는 편이 좋을 것이다. 이 두 업계는 혁신적인 제품 및 공정 애플리케이션 도입을 주도하고 있으며, 이를 통해 지속가능한 솔루션의 설계를 가속화하고 있다.

해운업계의 지속가능한 성장을 위한 기회

국제 무역에서 해상운송에 의한 무역의 비중은 90%에 이른다. 2018년 3월 1일 기준, 전 세계 94,300척의 상선이 운영 중이었으며, 3,500척의 상선이 추가 발주될 예정이었다(출처 : 클락슨리서츠). 해운업계에서 연간 9억3,800만 톤의 이산화탄소가 배출되는 가운데, 수천 척의 서비스, 정부, 군용 선박들도 이에 합세해 세계 선박 이산화탄소 배출량을 높이고 있다(출처 : IMO). 참고로 영국 내에서만 배출되는 이산화탄소량은 3억8천만 톤이다.

선박이 환경에 미치는 영향은 설계에 달린 경우가 종종 있다. 제품 수명 주기 관리(PLM, Product Lifecycle Management) 기술은 많은 기업이 연료가 적게 들고, 배기가스를 덜 배출하며, 물리적인 테스트나 자재가 덜 필요한 고성능 제품을 생산할 수 있도록 지원한다.

선박이나 기타 대형 기계들은, PLM 엔지니어링을 통해 현재 전력 단위당 운송할 수 있는 화물량을 늘려, 같은 에너지원으로 더 많은 산출량을 달성할 수 있다. 혹은 현재 적재량에 따른 연료 소모량을 줄여, 더 적은 에너지로 동일한 산출량을 달성할 수 있다.
설계를 중점적으로 개선하면 기름이 유출될 가능성을 최소화하고, 선박에 채워 넣는 평형수의 양을 줄이고, 해양 생물에 피해를 입히는 소음공해를 줄일 수 있다.

<새로운 배기 가스 기준과 규제 충족을 위해 해운업계는 지속가능한 솔루션 개발을 앞당기도록 돕는 애플리케이션을 도입함으로써 도움을 받을 수 있다.>

보다 지속가능한 해운을 위한 비용

선박의 설계를 개선하면 효율성을 크게 높일 수 있지만, 큰 비용이 수반돼 선뜻 설계방식을 바꾸기가 어려운 실정이다. 해운업계는 보수적인 업계 특성상 기술이나 공정 개선을 우선시하지 않는 경우가 많다. 많은 선박회사에서는 여전히 축소 모형을 만들어 예인 수조 시험을 하는 낡고 오래된 방식이 이어져오고 있다.

이로 인해 발생하는 문제들은 다음과 같다.
-높은 불확실성: 모형과 실제 선박의 크기가 다르기 때문에 물리적 특성도 다르다. 따라서 축소 모형을 통해 예상했던 선박의 성능이 실제로는 다를 가능성이 높다.
-속도: 조건과 구성요소에 대한 시험이 따로 진행되기 때문에 이 두 가지를 결합하고 나면 문제가 생길 수 있다.
-비용: 일련의 시험을 진행하려면 엔지니어링에 많은 시간이 소요되는데, 가장 많은 비용이 여기서 발생한다.

선박 설계자가 디지털 시뮬레이션이 포함된 설계 소프트웨어를 사용하면 실제 선박 규모와 실제 선박 운영 조건에 맞게 효율적으로 시뮬레이션을 할 수 있다. 설계자는 디지털 시뮬레이션을 통해 단일 환경에서 다양한 요소들(유체역학, 기체역학, 추진력 등)을 시험해 보고, 설계가 실제로 적용된 모습을 사실적인 이미지를 통해 전체적으로 미리 확인할 수 있다.

노르웨이 선박기술기업인 하브야드 그룹 ASA (Havyard Group ASA)의 사례를 살펴보자.
하브야드 그룹 ASA는 입찰을 위해 최소한의 연료를 사용해 20노트의 속도로 순항한다는 성능 조건을 지켜야 했다. 연료 소비량을 줄일수록 계약을 수주할 가능성이 커졌다. 하지만 해상 시운전에서 약속된 성능 조건을 충족하지 못할 경우 막대한 위약금을 물어야 했는데, 마감일이 촉박한 입찰이었기 때문에 예인 수조 시험도 현실적으로 불가능한 상황이었다. 그런데 하브야드 그룹 ASA가 지멘스의 Simcenter 포트폴리오를 사용하기로 하면서, 일주일도 채 되지 않아 상황이 180도 바뀌었다. 세 개의 설계 루프(design loop)가 설계 수준을 크게 끌어올린 것이다.

가상 시뮬레이션으로 물리적으로는 불가능한 업무 수행

설계자들은 실물 크기의 시뮬레이션에 제너레이티브 설계(generative design), 설계 자동화, 지능적 설계 탐구(intelligent design exploration) 기능을 추가해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있다.
-단일 환경에서 다양한 요소(유체역학, 기체역학, 추진력 등) 시험
-조건과 구성요소에 대한 시험이 따로 진행되는 기존 방식과 달리, 설계가 실제로 적용된 모습을 사실적인 이미지를 통해 전체적으로 확인
-새로운 설계에 적용하는 경우에도 더욱 정확한 결과 도출

PLM은 시장 출시 속도를 높이고 설계 혁신 비용을 낮춰, 기업들이 지속가능성 목표를 달성하고 이윤을 높여 시장을 확대할 수 있도록 지원한다. 설계 엔지니어들은 이러한 디지털 시뮬레이션 기능을 이용해 수백 개의 기하학적인 형태들을 시험해보고, 앞으로 만들어질 선박에서 구현할 수 있는 최적의 성능을 확인할 수 있다.

선박의 유지보수를 지원하는 디지털 트윈

현재의 PLM기술을 사용하면 보다 효율적인 선박 관리를 통해 해운의 지속가능성을 개선할 수 있다. 선박과 그 디지털 트윈의 시스템에 대한 실시간 디지털 기록으로 선박의 계류 시간은 줄이면서, 동시에 선박 관리와 대대적인 정비, 선박 현대화는 빠르고 효과적으로 수행할 수 있다.
디지털 트윈은 수십 년 간 여러 차례의 개조를 거쳐 사용되는 선박에도 도움이 된다. 디지털 설계 툴을 사용하면 선박의 성능을 더 잘 이해할 수 있고 설계의 완성도도 크게 높일 수 있다. 예를 들어, 해운 시장에서 추진 시스템과 기타 장비를 제조, 서비스하는 핀란드 기업 바르질라(Wärtsilä)는 고급 PLM과 시뮬레이션 기술을 사용해 설계 초기에 어떤 성능이 구현될지 파악하고 성능을 향상시켰다. 바르질라는 엔진과 추진 시스템의 시스템 시뮬레이션을 선박의 실제 크기 CFD 모델과 결합해, 제안된 선박 설계안의 디지털 트윈을 사용한다. 이러한 방식으로 선박의 성능을 예측하고, 연료의 효율성을 높이고, 혁신을 도모할 수 있다.

지속가능한 선박 설계로 얻을 수 있는 사업적 이점

디지털화는 해운업계의 지속가능성 외에도 많은 기회를 창출하며, 향후 개별 기업과 해운업계 모두에 도움이 될 수 있다.

시장선점(First-to-market breakthroughs): 해운업계는 평형수가 없는 ‘밸러스트 프리 선박’ 등 새로운 디자인의 선박을 설계하고 또 기존의 선박을 개선, 개조해야 하는데 디지털화로 이 문제를 해결할 수 있다. 독일 선박 방향타 설계회사 베커 마린(Becker Marine)은 디지털화를 통해 혁신적인 에너지 절약 장치들을 설계하고, 기존 선박의 성능을 시스템 차원에서 개선했다.

화물 추적기능과 가시성: 공급망에서 지속가능한 관행에 대한 압력이 높아지면서, 해운업계는 화물 운송의 가시성과 추적기능도 개선되는 효과를 볼 것이다. 추적기능이 확보되면 서비스 향상을 위해 어떤 노력을 했는지 정확히 측정할 수 있으며, 문제의 근원을 확인하고 빠르게 해결해 개별 공급업체의 책임소재를 파악할 수 있다.

조선소 효율성 및 지속가능성 증대: 조선업계에서는 굉장히 많은 자원이 소비된다. 현재 기술을 잘 사용하면, 선박 수명 연장, 정비, 자재 회수, 재사용 등에 초점을 맞춰 선박 설계와 선박 건조 방식을 대대적으로 혁신할 수 있다.

해운업의 혁신 가속화

<해운업계의 미래는, 선박의 성능을 예측하고 최적화해, 더욱 저렴한 가격에 친환경적인 선박을 개발할 수 있는 디지털 설계 솔루션에 달렸다.>

해운기업들이 지속 가능한 목표를 달성하고 경쟁력을 높이기 위해서는 관련 규정에 부합하는 선박을 적극적으로 설계, 건조하고 유지해야 한다. 고급 PLM 기술을 이용하면 이와 같은 목표를 큰 비용을 들이지 않고 달성할 수 있다. 디지털 설계 솔루션을 사용하면 설계 초기에 선박의 성능을 예측하고 최적화해, 안전하고 품질 좋은 친환경 선박을 저렴하고 신속하게 개발할 수 있다. 해운업계는 이제 항로의 방향을 바꾸는 것 말고는 선택의 여지가 없다. 혁신하든지, 혁신하지 않고 그로 인한 불이익을 감수하고 공개조사를 받아야 한다. 현대적인 PLM 툴에 투자함으로써 해운업계 공급망에 포함된 업체들은 지속가능성 목표를 달성하는 데 필요한 비용 효율적인 전략을 갖추게 될 뿐 아니라, 제너레이티브 설계, 지능적 설계 탐구, 실제 운영 조건에 따라 실제 크기에 맞는 기능 최적화 등을 통해 경쟁력을 높일 수 있을 것이다.

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