1. 서 론

2017년부터 우리나라는 65세 이상의 노인 인구가 14% 가 넘어감에 따라 고령사회로 진입하게 되었다[1]. 이에 따라 노인복지에 대한 관심과 지원의 필요성이 점점 증가 하고 있으며, 그 중 거동이 불편한 고령자나 장애인 및 노 숙자들을 직접 찾아가 목욕 서비스를 제공하는 이동식 목 욕차량의 수요도 또한 증가하고 있다. 본 연구는 시뮬레이 션 분석을 통하여 이동식 목욕차량 탑박스 판넬 조립공장 시스템의 생산능력 및 프로세스 설계의 적정성을 분석하기 위한 것이다. 이를 위해 시뮬레이션 모델화 및 실험을 이용 한 사전 검증작업으로 설계된 시설의 레이아웃, 시설, 물류 프로세스, 인원투입 방법을 시뮬레이션 모델로 만들어 실 험을 통해 설계시스템의 적정성을 평가하고자 한다[5].

시뮬레이션을 통한 가상제조분석은 최소한 두가지 관 점에서 살펴볼 수 있다. 첫 번째는 생산성에 관한 것이며, 두 번째는 프로세스 가동의 적정성에 관한 것이다[7]. 최 근 복잡한 제조시스템에서의 다양한 시뮬레이션 분석에 대한 시도가 이루어지고 있다[1, 3, 8, 10, 12]. 이는 신제 품 개발이나 새로운 장비의 개발 및 새로운 제조시스템 개발에 시뮬레이션 분석이 매우 유용한 도구로서 활용이 가능하기 때문이다[2, 9, 11]. 본 연구에서는 고령사회에 서 거동이 불편한 취약계층에 그 활용성이 증대되고 있는 이동식 목욕차량의 조립시스템에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 다양한 정보를 파악할 목적으로 시뮬레이션 분석을 실시하였다.

본 연구의 목적은 첫째, 설비투자의 적정성 및 처리능 력 검토이다. 이를 위하여 본 연구에서는 계획된 설비 및 프로세스 사양을 기준으로 이동식 목욕차량 탑박스 판넬 조립공정 운영 시 목표 생산량 달성 여부를 분석한다. 둘 째, 탑박스 판넬 조립공정 프로세스 적정성 검증이다. 이 를 위하여 목표 생산량을 달성하기 위한 소요장비 및 인 원의 수량을 산정하고 프로세스 구성에 따른 효율 적정 성을 검토한다. 본 연구에서 사용하는 시뮬레이션 모델 화 방법으로는 이산사건 기반의 시뮬레이션 소프트웨어 인 WITNESSⓇ[11]를 사용하여 단순 통계적(static)인 방 법의 단점을 극복하고 시간 경과에 따른 프로세스의 진 행과정을 동적(dynamic)으로 묘사하여 분석결과를 이동 식 목욕차량 탑박스 판넬 조립공장의 실행계획을 수립하 기 위한 의사결정에 활용하고자 한다.

2. 모델화 범위 및 방법

2.1 연구의 범위

본 연구에서 적용하는 시뮬레이션 분석을 위한 대상 및 범위는 다음과 같다. 모델화의 범위는 신차입고 및 검 사에서부터 고객인도까지로 한정하였고, 모델의 상세화 수준은 생산량 달성을 위한 공정의 적정성 검토를 중심 으로 각 공정에는 처리능력, 인원 등의 데이터를 반영하 고 또한 처리시간과 고장발생 정보를 입력변수로 처리하 였다.

2.1.1 모델화 범위

2.1.2 상세화 수준

2.1.3 시뮬레이션 분석 수행 항목

시뮬레이션의 분석 수행 항목으로는 수요에 원활한 대 응 여부에 관한 생산능력(capacity)에 관한 분석, 생산시간 에 관한 리드타임 분석, 재공량(work in process) 비율에 관한 분석, 인원, 장비의 가동률이 최적인지에 대한 분석, 그리고 각 입력변수에 관한 민감도 분석을 수행한다.

2.2 개발방법 및 절차

본 연구의 추진을 위하여 우선 시뮬레이션 분석을 위 한 계획수립 및 조사를 바탕으로 레이아웃, 장비특성 및 운영기준 검토 등 시뮬레이션 모델화 대상을 검토한다. 다음으로 주요 평가방법에 따른 핵심지표(KPI)를 결정하 고, 이를 통한 시뮬레이션 모델화 작업을 진행한다. 모델 화를 위한 세부 검토 사항을 요약하면 다음과 같다.

최종적으로 이를 바탕으로 실험계획 및 실험을 진행 한다.

2.3 시뮬레이션 분석을 통한 기대효과

본 연구의 시뮬레이션 분석을 통한 기대효과는 다음 과 같다.

설계 레이아웃, 물동량 및 설비처리 능력이 반영된 시 뮬레이션 모델을 기반으로 다양한 시나리오(scenario) 구 성에 따른 시스템의 처리능력을 객관적으로 검증한다.

생산프로세스 및 처리시간 분포를 반영한 각 공정의 가동률 및 생산성 관련 보고서와 도표를 활용하여 가시 적인 시뮬레이션 결과를 분석한다.

인터랙티브한 모델의 구성으로 그래픽을 이용한 현실 감 있는 모델을 구성 실험함으로써 사용자의 의사결정에 활용한다.

3. 모델화 대상 및 시뮬레이션 조건

3.1 공정흐름의 조건

각 공정별 작업에 투입되는 작업자는 일반 작업자와 각 공정 작업에 필요한 자격증을 소지한 숙련 기술자로 구분되며, 각 작업자에 필요한 소요인력 중 필수적으로 필요한 숙련 기술자의 소요량은 다음 <Table 1>에서와 같이 괄호 안에 표시하였다. 예를 들어, S6 스커드 장착 공정의 경우 3(1)로 표시하였는데, 필요한 작업자는 3명 이나 이중 1명은 숙련기술자의 투입이 필요하다는 의미 를 갖는다. 각 공정별 작업에 필요한 소요시간은 작업자 의 수작업에 의존하는 관계로 변동성이 적용되며, 측정 결과 적용시간은 구간별 적용비율(%)을 곱한 값을 소요 시간으로 적용하였다. 예를 들어, S6 스커드 장착에 소요 되는 평균시간은 4시간이나 각 이벤트 수행시 적용되는 시간은 다음 <Table 2>의 분포를 기준으로 경험치를 바 탕으로 적용비율을 반영하여 산정된 값을 적용하였다.

<Table 2>의 분포는 실제 작업시간을 측정한 경험치 를 기준으로 작성되었다. 스테이션 번호(No.)는 공정 그 룹을 나타내며, 물리적으로 동일공간에 배정되어 수행되 어야 하는 공정들을 각 스테이션 No.로 그룹화 하였다.

3.2 운전조건

3.2.1 공정처리 기준용량

이동식 목욕차량 조립시스템 시설의 공정처리 목표 생산 량은 8시간/일, 240일/년, 작업기준 120대로 설정되었으며, 이를 수용하기 위한 적정시설과 운용인원을 산정하면 다음 <Table 3>과 같다. <Table 3>은 대상 공정의 연간 단위 작업 계획 및 운영계획을 나타내고 있다. 필요시 조립라인의 추 가증설은 가능하나 제한된 예산과 운용장비의 효율을 위하 여 공용설비인 크레인의 운용조건은 1대로 제한하였다.

사전검토 결과 고정식 도크(dock) 조립방법을 적용시 이론적으로 최소 7개의 도크의 설치 및 운용이 필요한 것 으로 파악되었으나 각각의 도크에 관련 장비를 이송하기 위한 이동경로, 장비운영공간 및 테스트에 필요한 배관시 설의 설치와 같은 제약사항이 있는 관계로 프로세스 진행 단계에 따라 차량이 스테이션을 따라 이동하는 방식의 라 인구성을 기본설계로 채택하였다.

3.2.2 장비조건

조립공정에는 CO₂ 용접기, 오버헤드 크레인, 테스터기 장비가 각각 1대 그리고 TIG 용접기는 2대가 운영되는 것 으로 계획되어 있으며, 각 공정에서 필요로 하는 장비의 명칭 및 주요 수량은 다음 <Table 4>와 같다.

3.2.3 공정처리 특성의 반영 항목

3.3 실험조건

3.3.1 핵심지표 설정 및 시나리오 구성

과업의 목표인 설비투자의 적정성, 처리능력검토 및 이동식 목욕차량 탑박스 판넬 조립공정 적정성 검증을 위하여 다음과 같은 핵심지표를 설정하였다

이는 생산량 증대에 따른 설비 확장을 계획하고 있는 단계로, 설비의 증설에 따른 필요 스테이션의 증가에 따 라서 공장 부지를 확장해야 하는지 여부를 분석한다, 또 한 업계 관행상 도장업체와 연간단위의 소요시트를 사전 에 계약해야하는 관계를 적정한 소요시트의 산정을 위한 자료로서의 사용과 증산에 따른 작업인원을 추가로 선발 해야 하는지를 알아보기 위함이다[5].

핵심 지표의 달성 여부를 효과적으로 파악하기 위하 여 다음과 같은 단계로 시나리오를 구성하고 실험을 통 하여 결과를 분석한다.

3.3.2 신뢰구간의 설정 및 Warm Up Period

초기 신뢰구간의 설정[6]은 이동식 목욕차량 조립시스 템 분석모델의 공정 특성상 공정이 안정화 단계에 도달하 는 시점을 산출하여 적용한다. 초기 12일(warm up period) 의 시뮬레이션 수행결과는 분석대상에서 제외한다.

3.3.3 실험기간

이동식 목욕차량 조립시스템 운전계획에 따라 초기 운 용시점에서부터 초기 안정화 기간(warm up period) 이후 연간 작업 일수인 240일 간의 운영결과를 기준으로 산출 하며, 운영설비와 작업인원에 대하여 8시간/일의 작업시간 계획을 적용한다. 또한 실험 목적상 Warm Up Period 이후 의 실험기간에 대해서는 휴일이나 휴식시간, 연간 보수계 획 등의 계획정지 기간 반영을 제외하고 운영되는 작업시 간을 기준으로 연속하여 가동되는 조건으로 실험한다.

3.3.4 입출력 조건

조립공정에 필요한 부품은 부족함 없이 항상 필요한 시 점에 공급되는 조건(non-starving)이며, 또한 작업이 완료 된 목욕차량은 지정된 시간에 출고되는 조건(non-blocked) 이다.

3.3.5 확률적 분포의 적용

장비의 고장(breakdown)과 관련된 고장시간 간격은 음의 지수분포(negative exponential distribution)를 적용하며, 수 리시간에 대하여는 얼랑분포(Erlang distribution, k = 2)를 적용한다. 일반적으로 시뮬레이션 실험에서는 MTBF(평균 고장간격)는 지수분포를 적용하고 MTTR(평균수리시간) 은 얼랑분포를 적용함을 따랐다[4, 6]. 지수분포는 단일 파 라메터로 평균 도착시간 간격만을 사용하며, 얼랑분포는 평균값 및 그래프 봉우리의 기울기 정도를 나타내는 k값을 사용하는데 일반적으로 k = 2를 사용하는 것을 표준으로 채택한다[4, 6, 9, 11].

3.3.6 실험횟수

Warm Up Period +연간 작업일수 240일의 기간을 5회 반복하여 실험한 평균값을 실험의 결과로 채택한다.

4. 실험 결과 및 분석

4.1 시나리오 분석

4.1.1 베이스 모델 구성 및 스테이션 수량 산정

인원투입 및 도장공정의 능력한계에 따른 제약을 배 제한 조건에서 이동식 목욕차량의 공정순서 및 가동능력 을 반영한 베이스 모델을 구성하고 각 스테이션 수량의 증감에 따른 목표 생산량 달성 여부를 파악한다.

WITNESS 기반의 이동식 목욕차량 조립시스템 운전 베이스 모델의 구성 후 목표 생산량 달성을 위한 스테이 션 수량은 다음과 같이 산정되었다.

베이스 모델의 구성은 기존 공장의 레이아웃 및 경험적 공정 특성을 반영한 프로세스를 기반으로 구성한 것으로 인원투입 및 도장공정의 능력한계를 배제한 상태에서 기 존 실제 시스템의 실적과 비교하여 베이스 모델의 타당성 (validation)을 수행하였다. 시나리오 1이 기존의 시스템을 구현한 베이스 모델을 나타내고 있다. 시나리오 15가 적용 된 베이스 모델에서는 인원 및 투입장비의 제약 없이 가동 할 경우에 최대 147.2개로 분석되었다. 여기에 사이클 타 임 100%, 인원 및 투입장비의 제약사항을 반영하면 최대 124.8대로 나타났다. 추가로 민감도 분석을 위하여 각 공 정의 사이클 타임을 1%씩 감소시키면서 측정하면 85%의 사이클 타임에서 147.6개가 가능한 것으로 분석되었다.

4.2 공정분석

4.2.1 리드타임 분석

확정된 시나리오를 기준으로 신차입고 후 고객인도까 지 전체공정의 리드타임은 평균 201.7시간으로 분석되었 다. 이는 각 공정별 소요시간의 합인 151.0시간(도장공정 포함)에 비하여 50시간이 초과된 값으로 작업자의 할당 지연 및 이동시간, 고장발생 및 공정대기로 인한 정체를 반영한 결과이다.

4.2.2 재공량 분석

생산기간 중 평균 재공량은 13.4대로 계획공정 수량인 14개 이하로 유지하며, 공정간에 이동중인 경우와 작업 대기 상태를 포함하는 것으로 분석된다.

또한 각 스테이션별 재공량 및 합계 수량을 매 24시간 마다 관측한 결과를 기록한 재공량 추이는 다음과 같다.

4.2.3 가동률 분석

이동식 목욕차량 조립시스템 분석모델을 240일간 운전 시 각 스테이션별 상태의 결과를 시간비율로 분석하면 다 음과 같다.

이동식 목욕차량 조립시스템 분석모델을 240일간 운전 시 인원 및 투입장비의 가동률을 분석하면 다음과 같다.

4.2.4 민감도 분석

향후 생산공정의 안정화 및 작업인원의 숙련도 향상에 따라 각 공정별 소요 사이클 타임의 단축이 가능할 것으 로 예상된다. 사이클 타임의 단축과 생산능력 증가의 상 관관계를 사전에 검토하여 향후 생산성 향상을 위한 수립 시 참고자료로 활용할 수 있다.

사이클 타임 감축에 따른 실험결과는 다음 <Table 7> 과 같으며 계획된 시스템에서 동일한 장비 및 인원을 기준으로 공정 사이클 타임을 현행 대비 85%로 감축 할 경우 연간 147대 까지 증산이 가능할 것으로 분석 되었다.

4.2.5 사용자 인터페이스

시뮬레이션 실행과정에서 공정분석과 관련된 사항을 관찰할 수 있도록 관련 그래프를 개발하여 확인할 수 있 도록 하였다.

시뮬레이션 실행과정을 3D 환경에서 관찰할 수 있도 록 3D 모델을 구현하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 시뮬레이션 분석을 통하여 이동식 목 욕차량 탑박스 판넬 조립공정 시스템의 생산능력 및 프 로세스 설계의 적정성을 분석하였다. 이를 위해 시뮬레 이션 모델화 및 실험을 이용한 사전검증 작업으로 설계 된 시설의 레이아웃, 시설, 물류 프로세스, 인원투입 방 법을 시뮬레이션 모델로 만들어 실험을 통해 설계시스템 의 적정성을 평가하였다.

이 실험을 통해 도출된 결론은 다음과 같다.