Development of a Batch-mode-based Comparison System for 3D Piping CAD Models of Offshore Plants

<응용논문> pISSN 1226-0606 eISSN 2288-6036

Aveva Marine과 SmartMarine 3D간의 해양 플랜트 3D 배관 CAD 모델의 배치모드 기반 비교 시스템 개발

이재선

¹

²

³

³

³

^1†

1

²

³

Development of a Batch-mode-based Comparison System for 3D Piping CAD Models of Offshore Plants

Jaesun Lee

¹

²

³

³

³

^1†

1

2

3

Marine Engineering Co., Ltd.

Received 9 November 2015; received in revised form 16 December 2015; accepted 17 December 2015

ABSTRACT

When a plant owner requests plant 3D CAD models in the format that a shipbuilding company does not use, the shipyard manually re-models plant 3D CAD models according to the owner’s requirement. Therefore, it is important to develop a technology to compare the re-modeled plant 3D CAD models with original ones and to quantitatively evaluate similarity between two mod- els. In the previous study, we developed a graphic user interface (GUI)-based comparison sys- tem where a user evaluates similarity between original and re-modeled plant 3D CAD models for piping design at the level of unit. However, an offshore plant consists of thousands of units and thus a system which compares several plant 3D CAD models at unit-level without human intervention is necessary. For this, we developed a new batch model comparison system which automatically evaluates similarity of several unit-level plant 3D CAD models using an extensi- ble markup language (XML) file storing file location and name data about a set of plant 3D CAD models. This paper suggests system configuration of a batch-mode-based comparison sys- tem and discusses its core functions. For the verification of the developed system, comparison experiments for offshore plant 3D piping CAD models using the system were performed. From the experiments, we confirmed that similarities for several plant 3D CAD models at unit-level were evaluated without human intervention.

Key Words: 3D CAD model, Aveva Marine, Batch mode, Offshore plant, Similarity evaluation, SmartMarine 3D

†Corresponding Author, [email protected]

©2016 Society of CAD/CAM Engineers

는 시스템의 개발이 필요하다.

3D 형상 비교 기술이 적용된 상업용 시스템으 로는 CADENAS사의 PARTSolutions

^[1]

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^[3]

이 시스템들은 일반적인 키워드 기반 검색 기능 외에도 스케치 기반 검색, 위상 기반 검색, 부분 형 상 검색 등의 형상 기반 검색 기능을 제공한다. 하 지만 플랜트 3D CAD 모델은 3D 형상(shape) 정 보뿐만 아니라 기자재 사양, 플랜트 논리적 구성, 포트 등의 비형상(non-shape) 정보도 다수 포함하 고 있기 때문에 상업용 시스템은 일반 기계 3D CAD 모델에는 적합하지만 플랜트 3D CAD 모델 에는 직접적인 적용이 어렵다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서 플랜트 3D CAD 모델의 형상 정보와 비형상 정보를 모두 고 려한 모델 비교 방법에 관한 연구

^[4]

이를 위해 비교 대상 유닛들의 3D CAD 모델 정 보를 XML(extensible markup language) 파일에 기 록한 후 별도의 사용자 개입없이 자동으로 여러 유닛들의 유사도를 일괄적으로 계산하는 배치 모 드 기반 비교 시스템을 개발하였다. 이 논문에서 는 배치 모드 기반 비교 시스템의 구조 및 세부 기 능들의 설계 결과를 설명한다. 그리고 설계에 따 라서 프로토타입 시스템을 구현한 후 이를 이용하 여 해양 플랜트 3D 배관 CAD 모델의 비교 실험 을 수행한 결과를 제시한다. 실험에 사용된 유닛

리고 6절에서는 배치모드 기반 비교 시스템의 활 용 방안을 제시하고 기대효과를 설명한다. 마지막 으로 7절에서 결론을 맺는다.

2. 관련 연구

두 개의 3D 형상 모델을 비교하기 위해서는 각 각의 3D 형상 모델로부터 형상에 관한 특징 정보 를 담고 있는 형상 디스크립터(shape descriptor)를 생성한 후 이 형상 디스크립터를 비교하여 3D 형 상 모델의 유사도를 계산한다

^[5]

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Paquet et al.

^[7]

Ramesh et al.

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^[9]

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^[11]

Hermann et al.

^[12]

^[13]

는 요소(element) 자체의 유사성 및 요소의 이웃에

대한 유사성을 계산하는 의미적(semantic) 유사도 측정 방법을 제안하였다. Alizon et al.

^[14]

^[15]

^[14]

히스토그램 기반 방법에서는 3D 모델에서 무작 위로 샘플 포인트를 선택하고 샘플링된 점들로부 터 특징을 추출하여 각 특징의 발생 빈도를 나타 내는 히스토그램 또는 분포를 생성한다. Osada et al.

^[16]

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^[18]

^[19]

^[20]

Osada et al.

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^[21]

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3. 배치모드용 입력모델 정의

3.1 해양 플랜트 3D 배관 CAD 모델 분석 국내 조선소가 사용하는 Aveva Marine

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과 SmartMarine 3D

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3.1.1 해양 플랜트 3D 배관 모델의 추출 방법 플랜트 3D CAD 시스템에서 3D CAD 모델 정 보를 추출하는 기능을 제공한다. Aveva Marine

^[24]

은 Datal, PML, API를 이용하여 3D CAD 모델 정 보를 추출할 수 있다. Datal은 Aveva Marine

^[24]

Datal을 이용하면 Aveva Marine

^[24]

API는 C# 또는 Python 기반의 애드인(add-in) 프 로그램에서 광범위한 모델 정보 추출 및 생성 기 능을 제공한다. SmartMarine 3D

^[25]

3.1.2 해양 플랜트 3D 배관 모델의 구성

Aveva Marine

^[24]

^[25]

국내 대형조선사인 ‘D’사로부터 제공받은 배관 3D CAD 모델의 구조를 살펴보면, Aveva Marine

^[24]

을 기준으로, 플랜트(plant), 에어리어(area), 유닛,

파이프(pipe), 브랜치, 및 피팅(fitting) 객체로 구성 되는 트리 구조를 갖는다. 플랜트 공정은 여러 개 의 유닛 오퍼레이션이라고 불리는 단계들로 구성 된다. 유닛 오퍼레이션을 통해 유체 또는 기체는 분리, 결정, 증발, 여과, 중합, 이성질화와 같은 물 리적 변화 또는 화학적 변이가 발생한다. 그리고 유닛 오퍼레이션은 개별 유닛에서 일어난다. 모델 비교를 위해서 국내 대형조선사인 ‘D’사로부터 제 공 받은 배관 3D CAD 모델은 플랜트 전체에 대 한 설계 정보를 담고 있는 것이 아니라, 데이터의 크기 및 검사 작업의 효율성을 고려하여, 유닛 단 위의 설계 정보를 담도록 하였다.

3.2 스펙 카탈로그 매핑 정보 모델

Aveva Marine

^[24]

^[25]

^[24]

code)와 대응되는 쇼트 코드(short code)와 옵션 코 드(option code)를 비교해야 한다. 매핑 정보 모델

생성 작업은 ‘D’사가 하였으며 생성 결과는 Fig. 2 와 같다. ReferenceItem은 Aveva Marine

^[24]

^[25]

3.3 배치모드용 입력모델 구조 정의

사용자 개입없이 자동으로 여러 유닛들의 유사 도를 일괄적으로 계산하기 위해서 비교 대상 유닛 들의 3D CAD 모델 정보를 식별하기 위해서 XML 형식의 입력 모델의 구조를 Fig. 3과 같이 정의하 였다. 그리고 정의한 입력 모델의 구조를 바탕으 Fig. 1 3D piping CAD model files

Fig. 2 Spec. catalog mapping file

Fig. 3 Structure of input XML file for the batch-mode- based comparison

Fig. 4 Input XML data for the batch-mode-based com- parison

로 샘플 입력 모델을 Fig. 4와 같이 생성하였다. 입 력 모델은 SpecCatalogMappingModel과 Plant3D- CADModelList로 구성된다. SpecCatalogMapping- Model은 스펙 카탈로그 매핑 모델의 경로를 속성 으로 가진다. Plant3DCADModelList는 여러 개의 Plant3DCADModel를 가진다. Plant3DCADModel 은 AMModel과 SM3DModel을 가진다. AMModel 은 원본 설계 결과인 Aveva Marine

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3.4 유사도 평가척도 정의

선행연구

^[4]

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g

ng

g

ng

(1) 단,

형상 정보의 유사도 계산을 위해서 비형상 정보 의 SAT 속성에 기록된 형상 파일(SAT 파일)을 찾 은 후 SAT 파일에 저장된 3D 형상 정보를 추출하 여 비교를 수행한다. 3D 배관 CAD 모델에서 형 상 파일은 브랜치 객체만이 가지고 있다. 이에 따 라 브랜치 객체를 기준으로 하위 객체의 경우에는 형상 정보의 유사도를 계산하지 않는다. 그리고 상 위 객체의 경우에는 형상 유사도를 아래의 식 (2) 와 같이 하위 객체들의 형상 유사도(S

g_si

(2)

비형상 정보의 유사도(S

ng

p

(S

ng_si

excel

비형상 유사도의 가중치(w

p

ng_si

과 같이 계산한다.

(3) 단,

속성 정보의 유사도(S

p

cat

geo

fn

inc

cat

geo

fn

inc

p

(4)

4. 배치모드 기반 비교 시스템 설계

4.1 배치모드 기반 비교 시스템의 요구사항 배치모드 기반 모델 비교 시스템의 설계를 위해 서 비교 시스템의 요구사항을 분석하였다. 시스템 의 요구사항은 비교 전처리 단계, 비교 실행 단 계, 비교 후처리 단계로 구분하여 요구사항을 분 석하였다.

비교 전 처리 단계는 해양 플랜트의 공종에 따 라서 비교 시에 고려해야 할 사항들이 달라지기 때문에 공종이 식별되어야 하고 비교 대상에 대한 3D CAD 정보를 입력 받아야 한다. 그리고 사용 자의 의도를 반영하여 모델을 비교하기 위해서 사 용자 입력 변수인 형상 및 비형상 정보의 가중치 와 치수 허용 오차를 입력 받아야 한다.

비교 실행 단계는 입력 받은 3D CAD 정보를 시 스템 내부 메모리에 저장해야 한다. 그리고 형상 정보와 비형상 정보에 대한 모델 비교 기능을 제 공해야 한다. 형상 정보 모델 비교 기능에는 폴리 곤 모델 생성 기능, 포인트 샘플링 기능, 형상 분 포 생성 기능을 제공해야 한다. 비형상 정보 모델 S=S

g

^g

ng

^ng

w

g

ng

S

g

1

n

g_si

=

S

ng

excl

^p

^p

ng_si

1

n

ng_si

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

=

w

p

ng_si

S

p

cat

--- *r Σ

^{1 r}

^cat

geo

--- *s Σ

^{1 s}

^geo

+

= w

fn

--- *t Σ

^{1 t}

^fn

inc

u--- *Σ

^{1 u}

^inc

+ +

비교 기능에는 식별 정보, 카탈로그 정보, 형상 정 보, 기능 정보, 연결 정보에 대한 비교 기능을 제 공해야 한다.

비교 후 처리 단계는 여러 유닛의 3D CAD 정 보에 대한 모델 비교 결과를 출력하는 기능을 제 공해야 한다. 그리고 모델 비교 과정 동안 발생하 는 문제를 파악하기 위해서 시스템의 로그 파일을 생성하는 기능을 제공해야 한다.

4.2 배치모드 기반 비교 시스템의 유즈 케이스 배치모드 기반 모델 비교 시스템을 개발하기 위 해서 시스템 유즈케이스(use case)를 정의하였다.

유즈 케이스는 Fig. 5과 같이, 공종 선택(discipline selection), 비교 대상 유닛들의 CAD 모델 정보 읽 기(XML file selection), 비교를 위한 추가 정보 입 력(additional data input), 모델 비교 실행(model comparison)로 구성된다. 선택 가능한 공종 (discipline)으로는 배관 이외에 지지대 및 장비가 있다. 그리고 추가 입력 정보로는 형상 및 비형상 유사도의 가중치와 형상 치수의 허용 오차가 있 다. 치수 허용 오차의 단위는 mm이다.

4.3 배치모드 기반 비교 시스템의 구조

앞 절에서 정의한 시스템 유즈 케이스를 바탕으 로 배치모드 기반 비교 시스템의 기능을 분류하고 시스템 구조를 정의하였다. 비교 시스템은 Fig. 6 와 같이 시스템 관리 모듈(Batch Mode Based Com- parison System), 해양 플랜트 모델 비교 모듈(Off-

shore Plant Model Comparer), 해양 플랜트 모델 관리 모듈(Offshore Plant Model Manager)로 구성 된다.

시스템 관리 모듈은 전체 시스템을 관리하고 사 용자가 입력한 정보를 내부 메모리에 저장하여 관 리하는 기능을 제공한다.

해양 플랜트 모델 비교 모듈은 형상 정보 모델 비교 모듈(Geometry Model Comparer), 비형상 정 보 모델 비교 모듈(Non-Geometry Model Comparer), 평가 척도 모듈(Measure Metrics)로 구성된다. 형 상 정보 모델 비교 모듈은 폴리곤 모델 생성 기 능, 포인트 샘플링 기능, 샘플링한 점들 간의 거리 를 계산하여 형상 분포를 생성하는 기능을 제공한 다. 비형상 정보 모델 비교 모듈은 비형상 정보 모 델의 카탈로그 정보, 형상 정보, 기능 정보, 연결 정보를 비교하는 기능을 제공한다. 평가 척도 모 듈은 형상 및 비형상 정보의 비교 결과를 정량적 인 수치로 계산하는 기능을 제공한다.

해양 플랜트 모델 관리 모듈은 사용자가 입력한 데이터를 관리하며 스펙 카탈로그 매핑 모델 관리 모듈(Spec Catalog Mapping Model Manager), Aveva Marine 모델 관리 모듈(Aveva Marine Model Manager), Smart-Marine 3D 모델 관리 모듈 (SmartMarine 3D Model Manager), 형상 정보 모 델 처리 모듈(ACIS Shape Modeler), 비형상 정보 처리 모듈(XML Parser), 로그 파일 지원 모듈 (Logger)로 구성된다.

4.4 배치모드 기반 비교 시스템의 상세 설계 배치모드 기반 모델 비교 시스템의 중요 모듈 Fig. 5 Use case diagram of a batch-mode-based com-

parison system

Fig. 6 System architecture of a batch-mode-based com- parison system

간의 관계를 UML 클래스 다이어그램으로 표현한 결과가 Fig. 7이다. 시스템 관리 모듈은 해양 플랜 트 모델 관리 모듈의 생명 주기(life cycle)에 관여 하기 때문에 합성 연관(composition) 관계를 가진 다. 그리고 해양 플랜트 모델 비교 모듈은 전체 시 스템 관리 모듈의 존재를 모르기 때문에 연관관계 (association)을 가진다.

중요 모듈 간의 실행 절차를 시퀀스 다이어그램 으로 표시한 것이 Fig. 8이다. 사용자가 모델 비교 를 실행하면 시스템 관리 모듈은 해양 플랜트 관 리 모듈로부터 입력 모델이 저장된 여러 개의 해 양 플랜트 3D CAD 모델 정보와 스펙 카탈로그 매핑 정보를 불러온다. 그리고 입력 모델에 저장 된 여러 개의 해양 플랜트 3D CAD 모델 정보를 순차적으로 모델 비교 관리 모듈에게 유닛 단위의 해양 플랜트 3D CAD 모델 정보를 매개 변수로 전달하여 모델 비교 함수를 호출한다. 모델 비교 함수를 호출 받은 모델 비교 모듈은 형상 정보와 비형상 정보 모델의 유사도를 각각 계산한 후 전

체 유사도를 계산한다.

5. 구현 및 실험

해양 플랜트 3D 배관 CAD 모델의 배치모드 기 반 비교 시스템의 설계 결과를 바탕으로 프로토타 입 시스템을 Fig. 9와 같이 구현하였다. 이 시스템 은 Window 7 플랫폼에서 C++ 언어로 구현하였 다. SAT 형식으로 저장된 형상 정보를 이용하여 Fig. 7 Class diagram of a batch-mode-based comparison system

Fig. 8 Sequence diagram of a batch-mode-based comparison system

Fig. 9 GUI of a batch-mode-based comparison system for 3D piping CAD models

형상 디스크립터를 생성하기 위해서 ACIS R25를 사용하였고 모델 비교 과정을 기록하기 위해서 Log4cxx를 사용하였다. 그리고 XML 형식으로 저 장된 비형상 정보 및 입력 정보를 읽기 위해서 MS XML 4.0을 사용하였다.

구현한 프로토타입 시스템의 유효성을 검증하 기 위해서 ‘D’사에서 제공한 유닛 단위의 3D 배 관 CAD 모델을 이용하여 모델 비교 실험을 수행 하였다. ‘D’사에서 제공한 유닛 단위의 3D 배관

CAD 모델은 Fig. 10와 같다. ‘D’사에서 제공한 유 닛 단위의 3D 배관 CAD 모델을 조건을 달리하여 Table 1와 같이 Unit 1(709), Unit 2(710), Unit 3(711)로 구성된 세 가지 실험 모델을 생성하였 다. Unit 1은 Aveva Marine

^[24]

^[25]

Unit 2와 Unit 3은 각각 Aveva Marine

^[24]

^[25]

여러 유닛으로 구성된 3D 배관 CAD 모델에 대 한 모델 비교 실험을 통하여 모델 비교 결과를 CSV 파일로 출력한 결과가 Fig. 11이다. Unit 1의 유사 도는 약 81%로 계산되었고 형상 정보 모델이 누 락된 Unit 2와 Unit 3의 유사도는 약 45%로 계산 되었다. Unit 1는 전반적으로 높은 유사도를 보였 다. 하지만 Unit 2와 Unit 3는 형상 정보 모델이 누 락되어서 형상 정보 모델의 유사도가 0이 되어 전 체 유사도가 낮았다.

Fig. 10 3D piping CAD models of Aveva Marine and SmartMarine 3D

Fig. 11 Model comparison results in the experiment

Table 1 Test cases for the experiment

Aveva Marine SmartMarine 3D

G NG G NG

Unit 1(709) O O O O

Unit 2(710) X O O O

Unit 3(711) O O X O

G: Geometry information, NG: Non-geometry information

유사도 평가 결과의 신뢰성을 검증하기 위해서 브랜치 단위의 객체를 임의로 추출하여 시스템을 이용하여 계산한 유사도와 수작업으로 계산한 유 사도를 비교하였다. 선택된 브랜치에 대해서 유사 도를 계산을 수행한 결과를 정리한 표가 Table 2 이다. 피팅류인 OLET과 ELBO 객체를 포함하고 있는 브랜치 객체의 전체 유사도는 선행 연구

^[4]

와 비형상 정보의 유사도 62.5%에 각각 가중치 0.5 를 곱한 값의 합으로 계산되었다. 형상 정보의 유 사도는 두 3D CAD 모델은 같지만 상세도가 다르 기 때문에 87.005%를 계산되었다.

그러나 비형상 정보의 유사도는 비교 대상인 SmartMarine 3D

^[25]

모델 비교 실험 동안 시스템의 실행 과정을 기 록한 로그 파일을 출력한 결과가 Fig. 12이다. 사 용자는 로그 파일에 기록된 정보를 통해서 시스템 이 실행하는 동안 주고 받은 메시지를 확인할 수

있으며 오류 발생 시에 오류 시점 및 내용을 파악 할 수 있다. 로그 파일에 출력되는 중요 정보는 시 스템 시작 및 종료 정보, 입력 모델 및 카탈로그 모델 로딩 정보, Aveva Marine

^[24]

^[25]

6. 배치모드 기반 비교 시스템의 기대 효과

6.1 해양 플랜트 모델간의 기존 비교 방식 수작업으로 재모델링된 SmartMarine 3D 모델의 Table 2 Similarity evaluation of a branch performed for verification of the comparison system

Object Sg (%) Sng (%) Soverall (%) Verification

BRAN

NAME 87.005 62.5 74.753 0.5*87.005 + 0.5*62.5 77.667

PSPE 100 100 100 100

HBOR 100 100 (100 + 100) / 2 100

TBOR 100

OLET

NAME - 50 50 (100 + 0) / 2 50

SPRE 100 100 100 100

POS 0 0 0 0

APOS 0

LPOS 0

ELBO

NAME - 0 0 0 0

SPRE 0 0 0 0

POS 0 0 0 0

APOS 0

LPOS 0

Fig. 12 Log file generated by a batch-mode-based com- parison system

정확도를 확인하기 위하여 담당 실무자는 상세 및 생산 설계 결과인 Aveva Marine 모델을 파이프 단 위로 DGN 파일을 생성한다. 그리고 SmartMarine 3D

^[24]

6.2 배치모드 기반 비교 시스템의 활용 방안 모델 검증 작업을 담당하는 실무자는 본 연구에 서 개발한 배치모드 기반 비교 시스템을 이용하여 야간에 배치 작업으로 모델 검증 작업을 수행하고 주간에 비교 결과 보고서(report)를 검토를 한다.

비교 결과 보고서에서 추가 검사가 필요한 모델을 선정한 후 시각적으로 추가 검사를 수행한다. 그 리고 수정이 필요한 모델에 대해서 수정 작업을 수행한다. 이와 같이 배치모드 기반 비교 시스템 을 활용하면 시간 및 경제적 효과를 얻을 수 있다.

7. 결 론

해양 플랜트의 경우 수천 개의 유닛으로 구성되 기 때문에 사용자의 개입없이 여러 개의 유닛들에 대해서 유사도를 평가하는 비교 시스템도 필요하 다. 이를 해결하기 위하여 비교 대상 유닛들의 3D CAD 모델 정보를 XML 파일에 기록한 후 별도의 사용자 개입없이 자동으로 여러 유닛들의 유사도

모델을 대상으로 비교 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 여러 개의 유닛들에 대해서 사용자의 개입 없이 유사도를 평가할 수 있음을 확인하였다.

감사의 글

이 논문은 대우조선해양 산학과제, 산업통상자 원부 산업핵심기술개발사업(과제번호: 10048341), 국토교통부 플랜트연구사업(과제번호: 14IFIP- B091004-01) 및 한국연구재단 기초연구사업(과제 번호: NRF-2014R1A1A1006181)의 지원으로 수행 된 연구 결과임을 밝힙니다.

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천 상 욱

1994년 한국과학기술원 산업공학과 학사

2002년 포항공과대학교 산업공학과 석사

2008년 한국과학기술원 기계공학과 박사

2008년~현재 대우조선해양 정보시 관심분야: Ship CAD, CAD/CAM스템담당

이 광

2009년 학점은행제 기계공학과 학사 2012년 인하대학교 조선해양공학과

석사

2012년~현재 대우조선해양 정보시 관심분야: IT Convergence, CAD/스템담당

CAM

2012년~현재 동아대학교 기계공학 과 조교수

관심분야: Feature-based and parametric design, CAD data exchange, geometric modeling

조 민 철

2000년 조선대학교 선박해양공학과 학사

2002년 조선대학교 선박해양공학과 석사

2008년 큐슈대학교 건설시스템공학 전공 박사(수료)

2008년~2012년 Tsuneishi Shipbuild- ing Co., Ltd. CAD Improvement Group

2013년~현재 대우조선해양 정보시 관심분야: Optimization Algorithm,스템담당 Optimal Design, Meshfree &

Particle Method, Simulation

문 두 환

1999년 고려대학교 기계공학과 학사 2001년 한국과학기술원 기계공학과

석사

2006년 한국과학기술원 기계공학과 박사

2006년~2010년 한국해양연구원 선임연구원

2010년~현재 경북대학교 정밀기계 공학과 부교수

관심분야: Computer-aided design, Industrial data standards for product data exchange, Product lifecycle management, Knowledge-based engineering, VR for Engineering Applications