Development of a System for Visualization of the Plant 3D Design Data Based on ISO 15926

<응용논문> pISSN 1226-0606 eISSN 2288-6036

ISO 15926 기반 플랜트 3D 설계 데이터 가시화를 위한 시스템 개발

전영준

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Development of a System for Visualization of the Plant 3D Design Data Based on ISO 15926

Youngjun Jeon

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Received 9 December 2014; received in revised form 14 February 2015; accepted 16 February 2015

ABSTRACT

ISO 15926 is an international standard for the sharing and integration of plant lifecycle informa- tion. Plant design data consist of logical configuration, equipment specifications, 2D piping and instrument diagrams (P&IDs), and 3D plant models (shape data). Although 3D computer-aided design (CAD) data is very important data across the plant lifecycle, few studies on the exchange of 3D CAD data using ISO 15926 have been conducted so far. For this, we analyze informa- tion requirements regarding plant 3D design in the process industry. Based on the analysis, ISO 15926 templates are defined for the representation of constructive solid geometry (CSG) – based 3D design data. Since system environments for 3D CAD modeling and Semantic Web technolo- gies are different from each other, we present system architecture for processing and visualizing plant 3D design data in the Web Ontology Language (OWL) format. Through the visualization test of ISO 15926-based 3D design data for equipment with a prototype system, feasibility of the proposed method is verified.

Key Words: 3D shape representation, Constructive solid geometry, Data sharing, Information inte- gration, ISO 15926, OWL; Plant lifecycle data, Template methodology

1. 서 론

프로세스 산업에서 경쟁력을 향상시키기 위한 주요 요소는 공급망에서의 비효율성을 제거하고 기업의 내부 효율성을 확보하는 것이다

^[1,2]

트 데이터를 효과적으로 관리하고 서로 다른 조직 들 간에 이 데이터를 적시에 공유하는 것이 중요 하다. 이와 같이 데이터의 상호운용성을 확보하는 일반적인 방법은 중립 데이터 모델을 정의하고 중 립 모델에 기반한 통합된 응용 시스템을 개발하는 것이다

^[3,4]

일반적인 플랜트 프로젝트에는 소유주, 시공사, EPC(engineering, procurement, and construction) 업체 및 공급사 등 다수의 조직이 참여하고 설계

†Corresponding Author, [email protected]

©2015 Society of CAD/CAM Engineers

데이터의 다양성으로 인해서 각 조직간 사용하는 엔지니어링 도구와 데이터의 포맷이 다를 수 있 다. 이러한 환경에서 참여 조직간에 데이터를 직 접 교환하게 되면 개발해야 하는 데이터 번역기의 수가 많아지게 되어 정보의 상호운용성이 떨어지 는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제는 참여 조직 이 많아질수록 더욱 가중된다. 따라서 데이터 공 유를 위한 중립 데이터 모델을 사용하게 되면 개 발해야 하는 번역기의 수를 줄일 수 있고 데이터 의 접근성 및 활용도를 높일 수 있다.

ISO 15926 “산업 자동화 시스템 및 통합 – 오일 및 가스 생산 설비를 포함한 프로세스 플랜트를 위한 생애주기 데이터의 통합”은 플랜트 생애주기 의 공유와 통합을 위한 국제 표준이다

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플랜트 설계 데이터는 논리적 구성, 기자재 사 양, 2D P&ID(piping and instrument diagram), 그 리고 3D 형상 데이터로 구성된다. 지금까지 논리 적 구성 및 기자재 사양에 관한 여러 연구들이 보 고되었다. 그러나 ISO 15926 기반 2D P&ID 및 3D 설계 데이터의 교환에 대한 연구는 많지 않 다. 특히 3D 형상 정보를 ISO 15926 기반으로 표 현하는 것은 ISO 15926 파트 3등에서 관련 정보 자원이 부족한 이유로 아직까지 어려움이 있다. 그 러므로 ISO 15926에 기반한 3D 설계 데이터의 표

현 및 교환을 위한 방법과 응용 도구의 개발이 필 요하다.

이 논문에서는 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터 의 표현 및 가시화를 위한 방법을 제안하고 시스 템 개발 결과를 설명한다. 이를 위해 플랜트 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 수립 한다. 정의된 요구사항에 따라 플랜트 3D 설계 데 이터를 표현하는 ISO 15926 기반의 정보 자원 (information resources)인 템플릿(template)을 개발 한다. 그리고 OWL 형식의 ISO 15926 기반 3D 설 계 데이터의 처리와 가시화를 위한 시스템 아키텍 처를 제안한다. 개발한 정보 자원 및 시스템 아키 텍처의 검증을 위해서 프로토타입 시스템을 개발 한 후 밸브 데이터의 가시화 실험을 수행한다.

2. 관련 연구

플랜트 생애주기 데이터의 상호운용성을 확보 하기 위해 ISO 15926 표준을 적용하는 많은 연구 들이 수행되었다. EU에서는 해양 플랜트 및 조선 및 플랜트 산업에 적용하기 위해서 각각 ISO 15926 과 ISO 10303 AP239에 기반한 기자재 카탈로그

시스템들

^[12,13]

산업 컨소시엄인 PCA(POSC Caesar Association) 는 웹 서비스를 통해 클라이언트에 참조 데이터를 제공하는 서비스인 RDS(reference data service)

^[14]

를 개발하였다. RDS는 참조 데이터의 사용을 위 한 엔드포인트(endpoint)와 참조 데이터의 SPARQL (SPARQL protocol and RDF query language)

^[15]

Noumenon Consulting 사는 XMpLant를 개발하 였다

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미국에 위치한 산업 컨소시엄인 Fiatech은 PCA 와의 협력 연구 프로그램인 IDS/ADI 프로그램을 통해 iRINGTools

^[17]

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은 iRINGTools을 활용한 플랜트 P&ID 데이터 교 환 실험을 통해 iRINGTools는 논리적 구성과 기 자재 사양 데이터의 교환이 가능하지만 2D P&ID 및 3D CAD 데이터에 포함된 형상 정보는 교환할 수 없다고 보고하였다. 형상 데이터 교환이 어려 운 이유는 기하 정보의 표현에 필요한 ISO 15926 템플릿이 아직 정의되지 않고 iRINGTools의 입력 데이터 형식이 RDB(relational database) 또는 엑 셀 시트와 같이 형상 데이터를 표현하기에 충분하 지 않은 형식으로 제한적이기 때문이다.

러시아의 TechInvestLab

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Jeon

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ISO 15926에 기반한 3D 형상 표현에 관하여 Geiza 등

^[21]

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관련된 템플릿을 정의하기 위한 3가지 접근법을 제안하였다. 접근법은 템플릿 작성 및 SPARQL 질 의의 난이도를 고려하여 템플릿의 작성은 쉽지만 질의가 어려운 방법, 질의는 쉽지만 템플릿의 작 성이 어려운 방법, 그리고 앞의 두 방법을 고려하 여 균형을 맞추는 방법을 제안하였다. Fiatech의 보고서에는 ISO 15926 파트 3

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3. ISO 15926 기반 3D 설계 데이터 표현

3.1 ISO15926 기반 3D 형상 표현 3.1.1 플랜트 3D 설계 데이터의 구조

플랜트 설계 시스템을 이용한 설계는 다음과 같은 과정으로 이뤄진다. 설계 초기 단계에서 미 리 정의된 기자재 라이브러리를 이용하여 배관, 기계, 제어, 구조, 전기, 그리고 HVAC(heating, ventilating, and air conditioning) 계통을 설계한 다. 계통도가 완성된 후에 각 계통에 대한 3D 설

Fig. 1 Plant item-centered data structure of plant 3D design

계를 수행한다. 3D 설계는 계통도에서 명세 된 기자재의 목록 및 기자재들 간의 포함 및 연결 관계에 따라 기자재를 3D 공간상에 배치하는 것 이다.

설계자가 플랜트 설계 시스템을 사용하여 설계 를 할 때 기자재에 대한 3D 형상을 직접 모델링 하는 것이 아니라 미리 정의된 모델링 라이브러리 에서 원하는 기자재에 해당되는 플랜트 아이템 서 식을 선택하여 사용한다. 사용자는 플랜트 아이템 서식을 선택한 후 형상 정의에 필요한 값들을 입 력하여 서식의 인스턴스(instance)를 생성한다. 그 리고 설계자는 생성된 서식 인스턴스를 2D 또는 3D 공간에 배치한다. 이러한 모델링 방법을 사양 중심 모델링(specification-driven modeling)이라고 부른다.

플랜트 3D 설계 모델은 Fig. 1과 같이 논리적 구 성, 플랜트 아이템의 사양, 그리고 플랜트 아이템 의 형상으로 구성되고 플랜트 아이템을 중심으로 데이터가 통합되는 구조를 가진다.

플랜트 아이템은 is_represented_by 관계에 의해 2D 또는 3D 형상과 연결된다. 플랜트 아이템은 또 한 is_assembled_from 관계에 의해 플랜트 시스템 또는 유닛 세그먼트 등의 상위 수준의 객체와 연 결된다. 플랜트 아이템이 가지는 포트(port)들은 is_connected_to 관계를 통해 다른 플랜트 아이템 의 포트와 연결된다. 포트는 하나의 기자재에서 다 른 기자재로 유체가 들어오거나 나가는 부분으로 써 기자재 간의 연결에 중요한 부분이다. 일반적 으로 노즐, 밸브, 및 덕트 등이 포트에 해당한다.

3.1.2 플랜트 3D 설계 데이터의 정보 요구 플랜트 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보요 구는 3D 형상 표현 방식, 3D 형상 데이터의 편집, 그리고 3D 형상과 플랜트 아이템과의 연계에 관 한 요구사항으로 구분된다.

첫째, ISO 15926은 3D 형상 표현을 위해 사용 되는 일반적인 데이터 모델인 CSG(constructive solid geometry) 및 B-rep(boundary representation) 을 지원해야 한다. CSG는 플랜트 3D CAD 시스 템에서 3D 형상을 표현하는 기본 방법이다. B-rep 은 다른 3D CAD 시스템에서 생성된 기자재 3D CAD 데이터를 입력 받아 사용할 때 주로 사용한 다. 같은 목적으로 폴리곤 모델(polygon model)이 사용되기도 한다.

둘째, ISO 15926은 3D 형상 데이터의 수정 기 능을 제공해야 한다. 예를 들어, 실린더 프리미티 브(primitive)의 길이 또는 반경의 수정이 가능해 야 한다. 이를 위해서는 매개변수, 수식, 치수 및 기하 구속조건을 이용한 파라메트릭 모델링 방법 의 지원이 필요하다.

셋째, ISO 15926은 플랜트 아이템과 플랜트 아 이템의 3D 형상과의 연결을 위한 정보 자원을 제 공해야 한다. 일반적인 플랜트 3D 설계 데이터 구조에서 플랜트 아이템은 Fig. 1과 같이 is_

represented_by 관계에 의해 2D 또는 3D 형상과 연결된다.

플랜트 아이템과 3D 형상이 연결되고 파라메트 릭 모델링 방법이 지원되면 Fig. 2와 같이 플랜트 아이템의 특성(property)을 이용하여 3D 형상의 제 어가 가능하다. 예를 들어, 파이프는 특성으로 외 경을 가진다. 파이프의 3D 형상은 큰 실린더와 작 은 실린더 간의 불리언 차(Boolean subtraction) 연 산에 의해 모델링이 된다. 실린더 프리미티브는 지 름 매개변수를 가진다. 파라메트릭 모델링을 통해 파이프의 외경 특성과 실린더의 지름 매개변수 간 에 수식을 정의하여 외경 특성 값을 변경하면 실 린더 지름의 변경이 가능하다. 그러나 본 논문에 서는 플랜트 설계 데이터 정보요구사항에서 3D 형 상 데이터의 수정 기능은 고려하지 않았다. 3D 형 상 데이터의 기능은 본 논문의 범위에 벗어나고 관련 정보자원의 지원 또한 제한적이기 때문이 다. 따라서 3D 형상 데이터를 수정하기 위한 정보 자원의 개발은 배제하였다.

3.1.3 ISO 15926 기반의 3D 형상 표현을 위한 정보 자원의 정의 방법

ISO 15926 파트 3은 플랜트 3D 형상의 기하 및 Fig. 2 Editing 3D data with parameters and equations,

and constraints

위상 표현을 위한 참조 데이터를 제공한다. 그러 나 ISO 15926 파트 3는 기하 및 위상 요소들 간의 여러 관계를 명시하는 참조 데이터는 제공하지 않 는다. 그리고 플랜트 아이템과 3D 형상 데이터의 연결을 위한 참조 데이터도 제공하지 않는다. 예 를 들어, ISO 15926 파트 3에 정의된 원(circle) 참 조 데이터는 3D 공간에서 원의 배치를 위해 사용 되는 좌표계 객체에 대한 속성을 가지고 있지 않다

^[26]

^[27]

라서 위에서 언급한 새로운 정보 자원은 ISO 15926 템플릿으로 개발해야 한다. 템플릿은 템플릿 공 리(axiom), 템플릿 서명(signature), 그리고 템플 릿에 대한 FOL(first order logic) 정의로 구성된 다

^[28]

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ISO 15926 템플릿은 Fig. 4와 같이 두 개의 다 른 템플릿인 하향 템플릿(lowered template)과 상 향 템플릿(lifted template)이 정의된다. 상향 템플 릿은 ISO 15926 파트 2를 사용하여 완전한 의미 를 가지는 정보의 일반적인 패턴을 정의한다. 하 향 템플릿은 상향 템플릿의 단축 버전에 해당되며 템플릿 정의에서 변수에 해당되는 엔티티만을 참 조한다. 일반적으로 ISO 15926 템플릿이라고 하 면 하향 템플릿을 의미한다. 템플릿 서명은 템플 릿 역할(role)의 지명된, 정렬된, 그리고 형식화된 목록이다. 템플릿 역할은 하향 템플릿이 참조하는 엔티티의 역할을 기술한 것으로 역할의 번호, 역 할의 이름, 역할의 엔티티 타입으로 구성된다.

Fig. 3 Definition of information resources in ISO 15926

Fig. 4 Lowered and lifted templates

3.2 3D 형상 표현을 위한 ISO 15926 템플릿 개발

3.2.1 플랜트 아이템과 3D 형상 표현의 연결 플랜트 아이템과 플랜트 아이템의 3D 형상 간 연결을 위해서 DefinitionOfShapeOfClassOfIndi vidual 템플릿을 Fig. 5와 같이 정의하였다. 이 템

플릿은 Fig. 1의 plant_item_shape과 동일한 목적 으로 사용된다. 이 템플릿에서 hasPossessor 역할 은 플랜트 아이템을 식별하고, hasGeometry DataSet 역할은 CSG와 같은 3D 형상 데이터를 표현한다.

3D 형상 표현 방식은 hasRepresentatio nForm 역 할에 의해 선언된다. 플랜트 아이템의 3D 형상 의 배치를 위해 참조 좌표계에 대한 3D 형상의 위치와 두 방향(x와 y 방향)을 명세해야 한다. 이 를 위해 hasShapeCoordinates 역할이 사용된다.

DefinitionOfShapeOfClassOfIndividual 템플릿 인 스턴스의 예가 List 1에 있다.

3.2.2 불리언 연산

불리언 연산인 합(union), 차(subtraction), 그리 고 교차(intersection)를 명세하기 위해서 Boolean Operation 템플릿을 Fig. 6과 같이 정의하였다. 이 템플릿은 입력 솔리드를 식별하기 위해 사용되는 List 1 Instance of DefinitionOfShapeOfClassOf Individual

template encoded in OWL

Fig. 5 DefinitionOfShapeOfClassOfIndividual template (lowered)

Fig. 6 BooleanOperation template (lowered)

두 개의 역할 hasOperand1과 hasOperand2를 가 진다. 두 개의 입력 솔리드에 대해서 불리언 연산 을 수행하여 생성되는 솔리드는 has Result 역할에 의해 표현된다. 불리언 연산의 타입은 hasOperation Type 역할에 의해 선언된다. 이 역할의 타입은 ISO 15926 파트 3에 정의된 참조 데이터로 선언되는데 불리언 합 연산의 경우 ISO 15926 파트 3의 union_

of_sub_metric _spaces를 타입으로 한다.

3.2.3 CSG 프리미티브

CSG 프리미티브의 경우 콘(cone), 구(sphere), 박 스(box), 실린더(cylinder), 접시(dish), 그리고 토러 스(torus)의 6가지 타입에 대해서 템플릿을 정의하 였다. 각 CSG 프리미티브 별로 필요한 속성을 식 별하기 위해서 ISO 10303 파트 42와 Fiatech의 보 고서

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그리고 실린더 객체의 높이와 반경은 각각 hasHeight 및 hasRadius 역할에 의해서 명세된다.

4. ISO 15926 기반 플랜트 3D 설계 데이 터 가시화를 위한 시스템 아키텍처

4.1 플랜트 3D 설계 데이터 가시화 절차 ISO 15926 기반의 플랜트 3D 설계 데이터는

OWL로 인코딩되어 있다. OWL 데이터의 읽기, 쓰기, 수정, 삭제를 위해서 Jena와 같은 OWL 도 구를 사용한다. 그리고 SPARQL을 지원하는 도구 의 사용도 필요하다. 현재까지 대부분의 OWL 관 련 개발 도구들은 Java 언어로 개발되었다. 반면 에 형상 모델링 커널 및 3D 그래픽스 엔진은 일반 적으로 C 또는 C++로 개발되어 있다. 그리고 대 부분의 경우 입력 데이터 형식으로 OWL을 지원 하지 않는다. 따라서 ISO 15926 기반 3D 설계 데 이터의 가시화 시스템은 이러한 제약사항들을 고 려하여 개발되어야 한다. 이를 위해서 Fig. 8과 같 이 두 단계의 절차를 통해 ISO 15926 기반 3D 설 Fig. 7 RightCircularSolidCylinder template (lowered)

Fig. 8 Two-step procedure for the visualization of ISO 15926-based 3D design data

계 데이터를 가시화하는 방법을 적용하였다. 각 단 계는 OWL 데이터를 XML 데이터로 변환하는 단 계와 변환된 XML 데이터를 형상 모델링을 거쳐 3D 가시화를 하는 단계로 구성된다.

4.2 플랜트 3D 설계 데이터 가시화 시스템 유즈 케이스

OWL 데이터를 XML 데이터로 변환하는 단계 에서는 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터를 읽어서 가시화용 입력 파일인 임시 XML 파일을 생성한 다. 3D 가시화를 하는 단계에서는 임시 XML 파 일을 읽어서 형상 모델링을 수행하고 그 결과를 화면에 가시화 한다.

ISO 15926 기반 3D CAD 데이터 가시화는 Fig.

9와 같이 세 가지 유즈케이스를 가진다. 세 가지 유즈케이스는 OWL에서 XML로의 변환, 변환된 XML 파일 읽기, 그리고 기자재 3D 설계 데이터 의 가시화이다. 기자재 3D 설계 데이터의 가시화 는 3D 형상(CSG) 데이터, 기자재 타입, 기자재 사

양, 그리고 기자재 포트의 4가지 하위 유즈케이스 로 세분화 된다. OWL에서 XML로 변환은 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 가시화를 위한 첫 번째 단계에 해당된다. 변환된 XML 파일 읽기와 기자재 3D 설계 데이터의 가시화는 가시화를 위 한 두 번째 단계에 해당된다.

4.3 플랜트 3D 설계 데이터 가시화 시스템의 주 요 기능 단위

ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 가시화를 위 한 시스템 기능 단위가 Fig. 10에 나타나 있다. ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 처리 및 변환을 위 해서 OWL 읽기 및 데이터 질의 그리고 비 형상/

형상 데이터의 변환 기능 단위가 필요하다. 또한 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 형상 모델링 및 3D 가시화를 위해서 XML 읽기 및 데이터 질 의, 데이터 관리, 형상 모델링, 그리고 3D 가시화 의 기능 단위가 필요하다.

4.4 플랜트 3D 설계 데이터 가시화 시스템의 구성 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 가시화를 위 한 시스템 아키텍처는 Fig. 11과 같다. ISO 15926 기반 플랜트 기자재 3D 설계 데이터 가시화 시스 템은 ISO 15926 데이터 변환기와 3D CAD 데이 터 가시화 도구의 두 서브 시스템으로 구성된다.

ISO 15926 데이터 변환기는 OWL 읽기 및 데이 터 질의 그리고 비 형상/형상 데이터 변환을 위한 서브시스템이다. ISO 15926 데이터 변환기는 Contents creator, Data manager, Query manager, Fig. 9 Use cases related to the visualization of ISO

15926-based 3D design data

Fig. 10 System function units for the visualization of ISO 15926-based 3D design data

OWL manager, 그리고 Plant 3D data structure로 구성된다. Contents creator는 서브시스템에서 하 위의 모든 구성요소들을 생성하는 상위 클래스이 다. Data manager는 ISO 15926 기반 3D 설계 데 이터의 처리 및 변환하기 위한 클래스로 OWL manager와 Query manager로 구성된다. OWL manager는 3D 설계 데이터인 OWL 파일을 시스 템 에서 관리하기 위한 온톨로지 모델 작성자이 다. Query manager는 OWL manager의 온톨로지 모델에 대해 SPARQL 질의를 수행하는 역할을 한

다. Plant 3D data structure는 SPARQL 질의한 결 과 데이터를 관리하는 클래스이다. Plant 3D data structure에 저장된 데이터는 Data manager에서 임 시 XML 파일을 작성하기 위해 사용된다.

3D CAD 데이터 가시화 도구는 XML 읽기 및 데이터 질의, 데이터 관리, 형상 모델링, 그리고 3D 가시화를 위한 서브시스템이다. 3D CAD 데이터 가시화 도구는 3D CAD data visualization manager, CSG handler, Equipment type/ specifications/ports handler. Equipment data reader, 그리고 Plant 3D data structure로 구성된다. 3D CAD data visualization manager는 시스템 GUI를 구성한다. CSG handler 와 Equipment type/specifications/ports handler 는 각각 ISO 15926 데이터 변환기를 통해 변환된 3D 설계 데이터의 형상 데이터와 비 형상 데이터를 모델링하고 가시화한다. Equipment data reader는 ISO 15926 data converter를 통해 변환된 XML 데 이터를 분석하여 Plant 3D data structure에 저장 한다.

4.5 기자재 대상 3D 설계 데이터 저장 구조 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터의 가시화를 위 한 시스템의 각 서브시스템에서 사용된 플랜트 3D Fig. 11 System architectures of Equipment 3D CAD

data visualizer and ISO 15926 data convertor

Fig. 12 3D CAD model classes of Equipment Viewer and ISO 15926 Data Convertor

설계 데이터 저장 구조(Plant 3D data structure)는 Fig. 12와 같다. PlantItem은 플랜트 기자재를 식별 하기 위한 고유의 아이디와 기자재의 타입을 관리 한다. ShapeData는 CSG 형상 데이터를 표현하기 위한 CsgSolid와 위상 정보를 위한 Placement를 포 함하는 DataSet을 관리한다. Properties는 기자재 의 물리적, 기능적 사양정보를 관리한다. PortItemList 는 플랜트 기자재와 다른 플랜트 기자재 또는 시 스템과의 연결을 위한 포트 정보를 관리한다.

Relationship WithOtherItems은 기자재의 분류를 표현하기 위한 Classification과 상/하위 클래스를 표현하기 위한 Specialization을 포함한다. ShapeData 는 형상 정보, Properties, PortItemList, 그리고 RelationshipWithOtherItem는 3D 설계 데이터에서 비 형상 정보로 분류된다.

5. 구현 및 실험

5.1 테스트 케이스: 밸브 기자재 3D 설계 데이터 가시화 실험을 위해 밸브 기자재의 데이터를 수 집하고 ISO 15926 기반의 3D 설계 데이터를 작성 하였다. 밸브는 프로세스 플랜트에서 흔히 사용되 는 기자재 중 하나이다. ISO 15926 표준의 정보 자원을 바탕으로 명세되는 기자재 정보는 기본 정 보, 사양 정보, 포트 정보, 그리고 3D 형상 정보로

구성된다. 밸브 기자재에 대한 샘플 데이터가 Fig.

13에 나타나 있다.

실험에 사용된 밸브 기자재의 기본 정보, 사양 정보, 포트 정보 그리고 3D 형상을 CSG로 모델링 할 때 사용한 CSG 프리미티브의 목록이 Table 1 에 나타나 있다. 기본 정보에는 기자재의 아이디, 타입, 분류 정보가 포함된다. 밸브의 아이디는 valveTypeA이다. 밸브의 타입과 분류 정보는 classification과 specialization에 명세 되어있다.

valveTypeA의 상위 클래스는 valve이고 하위 클래 스는 valveTypeAConfig1와 valveTypeA Config2이 다. 그리고 이 기자재는 valve equipment class로 분류된다. 포트는 기자재가 가지는 포트의 이름, 타입, 그리고 좌표 정보가 포함된다. 밸브가 가 지는 두 포트의 이름은 port1OfValveTypeA와 port2OfValveType, 타입은 nozzle, 그리고 좌표는 각 각 (215, 355, 383), (-215, 355, 383)이다. 사양은 기자재의 사양이 가지는 이름, 값, 그리고 단위 정 보가 포함된다. 밸브가 가지는 사양의 이름은 nominal diameter, 값은 200, 그리고 단위는 millimeter이다.

기자재의 3D 형상은 CSG 모델로 표현된다.

valveTypeA는 2개의 콘, 5개의 실린더, 그리고 1개 의 토러스로 구성된다. CSG 모델링 과정에서 8개 의 프리미티브에 대해서 불리언 합 연산과 차 연

Fig. 13 Test case: valve equipment

산이 사용되었다. 콘의 명세를 위해서 필요한 속 성으로 axis1_placement, height, radius, semi angle 이 있다. 실린더의 명세를 위해서 필요한 속성으 로 axis1_placement, height, radius가 있다. 토러스 의 명세를 위해서 필요한 속성으로 axis1_placement, major_radius, 그리고 minor _radius가 있다. 속성 axis1_placement의 origin과 direction은 참조 좌표 계에 대해서 정의된 한 점과 방향 벡터를 나타낸다.

5.2 프로토타입 시스템 구현 및 실험

제안된 정보 모델과 시스템 아키텍처를 검증하 기 위해서 ISO 15926 기반 3D 설계 데이터를 가 시화하는 프로토타입 시스템을 구현하고 미리 작 성한 밸브 기자재 3D 설계 데이터를 가시화하는 실험을 수행하였다. 프로토타입 시스템은 두 개의 서브시스템들- ISO 15926 데이터 변환기와 3D CAD 데이터 가시화 도구-로 구성된다.

프로토타입 시스템의 구현환경은 Fig. 14에 나 타나 있다. ISO 15926 데이터 변환기는 Java와 SWT를 사용하여 독립 어플리케이션으로 구현되 었다. 그리고 Jena와 SPARQL를 OWL 데이터를 읽고 질의하는데 사용하였다. 3D CAD 데이터 가 시화 도구는 C++와 MFC를 사용하여 독립 어플 리케이션으로 구현되었다. 형상 모델링을 위한 커 널로 ACIS, 그래픽스 엔진으로 HOOPS, XML 데 이터 처리를 위해서 MSXML을 사용하였다.

ISO 15926 형식의 밸브 기자재의 3D 설계 데이 터의 가시화 결과가 Fig. 15에 나타나 있다. 기자 재 아이디, 타입, 그리고 분류를 포함한 기본 정보 들은 프로토타입 시스템의 좌측에 보인다. 사양 데 이터는 프로토타입 시스템의 우측 상단에 보인

Fig. 14 Implementation environment Table 1 3D design data of test valve equipment

Primitive list cone1 axis1_placement

height radius semi_angle

origin direction

(0,-50,0) (0,1,0) 70 0 20 cone2 axis1_placement

height radius semi_angle

origin direction

(0,50,0) (0,-1,0) 170 0 20 cylinder1 axis1_placement

height radius

origin direction

(0,0,0) (0,0,1) 160 10 cylinder2 axis1_placement

height radius

origin direction

(70,0,0) (-1,0,0) 140 10 cylinder3 axis1_placement

height radius

origin direction

(0,70,160) (0,-1,0) 140 10 torus1 axis1_placement

major_radius minor_radius

origin direction

(0,0,160) (0,0,1) 70 10 cylinder4 axis1_placement

height radius

origin direction

(0,120,0) (0,-1,0) 240 15 cylinder5 axis1_placement

height radius

origin direction

(0,150,0) (0,0,1) 20 5 Basic information/ Specifications / Ports Basic

Info.

ID valveTypeA

specialization super type valve

sub type valveTypeAConfig2 valveTypeAConfig1 classification valve equipment class Ports name port1(2)OfValveTypeA

type nozzle

coordinates x 215 (-215)

y 355 (355)

z 385 (385)

Spec. name normal diameter

value 200

unit millimeter

다. 포트 데이터는 프로토타입 시스템의 우측 하 단에 보인다. 마지막으로 CSG로 모델링 된 기자 재 3D 형상은 프로토타입 시스템의 중앙에 보인 다. 실험을 통해서 ISO 15926 기반 3D 설계 데이 터가 기자재의 3D 설계 정보에 관해서 파라메트 릭 모델링 기능을 제외한 요구사항을 충족하고 프 로토타입 시스템이 이 데이터를 처리하고 가시화 하는데 필요한 기능들을 제공함을 알 수 있었다.

6. 결 론

이 논문에서는 ISO 15926 기반 플랜트 기자재 3D CAD 데이터의 표현과 가시화를 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 먼저 플랜트 3D CAD 데 이터의 표현을 위한 정보 요구사항을 분석하였 다. 그리고 분석된 정보 요구사항을 바탕으로 3D 설계 데이터의 CSG 표현을 위한 정보 자원인 ISO 15926 템플릿들을 정의하였다. 이 템플릿들은 CSG 프리미티브, 불리언 연산, 그리고 플랜트 아이템 과 플랜트 아이템의 형상 객체의 연결을 위한 것

이다. 마지막으로 ISO 15926 템플릿을 사용한 3D CAD 데이터를 처리하고 가시화하는 시스템 아키 텍처를 제안하고 프로토타입 시스템을 구현하였 다. 제안하는 정보 자원 및 시스템 아키텍처는 플 랜트에서 일반적으로 사용되는 밸브 기자재의 3D 설계 데이터를 프로토타입 시스템으로 가시화하 는 실험을 수행하여 검증하였다.

정보 모델 측면에서 앞으로 설계 데이터의 범 위, 3D 형상 표현법, 그리고 3D 형상의 수정 부문 에서 추가 연구가 필요하다. 현재는 기자재의 3D 설계 데이터의 표현을 위한 정보 자원만을 제공한 다. 그리고 3D 형상 표현법 중에서 CSG 모델만 지원된다. 또한 플랜트 3D 설계 데이터의 정보 요 구 중 하나인 3D 형상의 수정 요구를 충족시키지 못하고 있다.

시스템 구현 측면에서 앞으로 서로 다른 구현 환경하에서 개발된 두 개의 서브시스템들을 하나 의 시스템으로 통합하고 성능을 개선할 필요가 있 다. 특히 정보 요구 중 하나인 3D 형상의 수정을 위해서도 시스템의 통합이 필요하다.

Fig. 15 Visualization result of ISO 15926-based 3D design data for test valve equipment

감사의 글

이 논문은 산업통상자원부 산업핵심기술개발사 업(과제번호: 10048341)과 기술혁신사업(과제번 호: 2011T100200145)의 지원으로 수행된 연구 결 과임을 밝힙니다.

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전 영 준

2013년 경북대학교 정밀기계공학과 학사

2015년 경북대학교 정밀기계공학과 석사

2015년~현재 (주)코센 연구원 관심분야: Computer-aided design,

Industrial data standards, Product lifecycle management

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

김 병 철

2001년 고려대학교 기계공학과 학사 2003년 한국과학기술원 기계공학과

석사

2008년 한국과학기술원 기계공학과 박사

2008년 (주)부품디비 책임연구원 2009년~2012년 삼성중공업 산업기

술연구소 책임연구원

2012년~현재 동아대학교 기계공학 과 조교수

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