1. 서론
1.1 연구 배경 및 목적
최근 들어 건설업 분야에서는 스마트 건설 시대를 맞이하 여 고질적인 생산성 저하 문제를 해결하고자 신기술을 바탕 으로 한 생산효율 극대화 방안의 도입을 다각적으로 모색하 고 있다(Son & Lee, 2019). 그중에서도 탈현장화(Off-Site Construction; OSC)는 현장에서 부재 제작과 시공을 함께 진행하는 전통적 건설 방식이 아닌 표준화된 공장에서 사전 에 제작한 부재를 공사현장으로 운송하여 시공하는 새로운 방식으로서, 2020년 포스트 코로나 보고서에서는 건설 산업 의 정체되어있는 낮은 생산성과 수익성, 지체된 디지털화 등 을 극복하기 위한 대표적 해결 방안으로 OSC를 제안하고 있
다(Biorck et al., 2020). McGraw Hill Construction (2011)은 OSC 기반의 전체 프로젝트 중 66%가 공기 단축 효과를, 그 리고 65%가 공사비 절감 효과를 거두었다고 분석하였으며, Southern (2016)은 향후 OSC 방식의 도입을 통해 총건설사 업비의 7% 정도를 절감할 수 있을 것으로 예상하였다.
이처럼 해외에서 OSC 방식의 도입이 가속되고 있는 것과 는 달리, 아직 국내에서는 낮은 공장 제작 비율, 미흡한 공 정 표준화, 생산관리 상의 경험 부족 및 방법론 부재로 인해 OSC 방식이 제대로 자리를 잡지 못하고 있는 형편이다. 이 에 정부에서는 이를 극복하기 위한 각종 정책을 수립 및 시 행하고 있으며, 이러한 노력의 일환으로 스마트 건설기술과 OSC 관련 공법의 개발 및 확대 적용을 통한 건설 산업의 혁 신을 적극적으로 꾀하고 있다(Kim, 2020).
OSC 방식은 짧은 공기, 높은 경제성, 부재 품질 균일성 담 보 등의 장점이 있을 뿐만 아니라, 다른 한편으로 향후 새롭 게 개발될 다양한 생산 자동화 기술의 도입을 위한 플랫폼 역할을 담당할 수 있다는 장점 또한 갖는다. 특히, OSC의 핵 심 구성요소인 공장제작 시스템은 기상 조건의 변화, 원자재
프리캐스트 콘크리트 공급사슬 관리를 위한 시뮬레이션 모형 개발
권현주1ㆍ전상원2ㆍ이재일3ㆍ정근채4*
1충북대학교 토목공학과 석사과정ㆍ2충북대학교 토목공학부 연구원ㆍ3충북대학교 토목공학과 석사과정ㆍ4충북대학교 토목공학부 교수
Development of a Simulation Model for Supply Chain Management of Precast Concrete
Kwon, Hyeonju1, Jeon, Sangwon2, Lee, Jaeil3, Jeong, Keunchae4*
1Graduate Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University
2Researcher, School of Civil Engineering, Chungbuk National University
3Graduate Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University
4Professor, School of Civil Engineering, Chungbuk National University
Abstract : In this study, we developed a simulation model for supply chain management of Precast Concrete (PC) based construction. To this end, information on the Factory Production/Site Construction system was collected through literature review and field research, and based on this information, a simulation model was defined by describing the supply chain, entities, resources, and processes. Next, using the Arena simulation software, a simulation model for the PC supply chain was developed by setting model frameworks, data modules, flowchart modules, and animation modules. Finally, verification and validation were performed using five review methodologies such as model check, animation check, extreme value test, average value test, and actual case test to the developed model. As a result, it was found that the model adequately represented the flows and characteristics of the PC supply chain without any logical errors and provided accurate performance evaluation values for the target supply chains. It is expected that the proposed simulation model will faithfully play a role as a performance evaluation platform in the future for developing management techniques in order to optimally operate the PC supply chain.
Keywords : Simulation, Model, Arena, Precast Concrete, Supply Chain Management
* Corresponding author: Jeong, Keunchae, School of Civil Engineering,
Chungbuk National University, Cheongju 28644, KoreaE-mail: [email protected]
Received August 6, 2021: revised-
accepted August 31, 2021
및 인력 수급의 불안정성 등 공사현장에서 발생하는 불확실 성 요소들로 인해 프로세스 최적화에 어려움을 겪었던 건설 업의 고질적인 문제를 해결할 수 있는 가장 효과적인 수단 이 될 수 있다. 이 시스템은 건설 현장에서 발생할 수 있는 불확실한 환경 요인들을 원천적으로 제거함으로써, 원자재 와 장비 및 제작공정에 대한 규격화와 표준화를 꾀하고 이 를 통해 더욱 체계적인 방식으로 건설 부재를 생산할 수 있 다.
OSC 방식의 대표 주자로 손꼽히는 프리캐스트 콘크리트 (Precast Concrete; PC) 공법은 콘크리트 건설 부재를 공장 에서 제작하여 현장에서 시공하는 방식으로 국외뿐만 아니 라 국내에서도 널리 이용되고 있다. Ahn and Kang (2020) 은 현장 시공 기술 발달과 현장 공급 인력 부족 등의 요인 으로 인해, PC 공법을 활용하는 건설 프로젝트에 대한 지속 적인 수요가 있을 것으로 예상하였다. 그러나 국내 PC 제작 공장에서는 표준 공정 및 체계적 관리 기법이 미처 확립되 지 못해, 공장 운영을 관리자의 경험에 지나치게 의존하고 있는 형편이다. 이로 인해, 공장의 가동률이 생산능력 대비 50~60% 수준에 머무르고 있으며, 이는 원가 상승의 주요 원 인으로 작용하고 있다(Shin et al., 2016). 결국, 이러한 생산 공정상의 저효율로 인해 아직까지 PC 공법이 크게 활성화되 지 못하고 있는 실정이다.
이는 공장제작 시스템으로 인해 원자재 공급, 공장 생산, 공장 야적, 부재 수송, 현장 야적, 현장 조립 등의 공정들이 새롭게 등장하면서 나타난 문제로, Kim et al. (2019)은 공 장제작 시스템이 기존의 전통적인 공법과 달리 제조업의 특 징이 가미되어있어 효율적인 건설관리를 위해서는 총체적 인 공급사슬에 대한 관리, 즉, 공급사슬관리(Supply Chain Management; SCM)가 필수 불가결하다고 언급하였다.
SCM이란, 제품의 생산 단계에서부터 소비자에게 최종적으 로 판매될 때까지의 모든 과정을 연결하여 종합적으로 관리 하는 것으로(Park et al., 2003), OSC 기반의 공장제작 시스 템이 효율적으로 활용되기 위해서는 건설 프로세스상의 모 든 구성요소를 연계하여 공급사슬을 구축한 후 이를 하나의 시스템으로 운영해야 한다(Son & Lee, 2019). 국토교통연구 기획사업의 연구보고서에 의하면, OSC 관련 연구는 주로 생 산체계 확산을 위한 의사소통 방안 수립, 다기능공 육성, 작 업분류체계 개발 등 공장제작 시스템의 기반을 다지는 연구 를 중심으로 진행되어왔을 뿐 공급사슬의 운영 효율화를 위 한 연구는 아직 본격적으로 진행되고 있지 못한 상황이다 (Ahn & Kang, 2020). 따라서 향후 건설업의 생산성 향상을 위해서는 이러한 기반 연구의 토대 위에서 공급사슬 전반에 대한 보다 효율적이고 효과적인 운영관리 기법을 개발하는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
이러한 운영관리 기법의 개발을 위해서는 새롭게 제안되 는 다양한 관리기법들의 성능을 정확하게 평가하는 과정 이 필수적으로 요구된다. 따라서, 향후 새로운 운영관리 기 법의 개발을 위해서는, 선제적으로 PC 공법 기반 건설공사 의 공급사슬에 적용될 각종 운영관리 기법의 성능을 평가할 수 있는 도구를 개발하는 것이 필요하다. 공급사슬에 적용 된 운영관리 기법에 대한 성능 평가 도구는 크게 수학적 도 구를 기반으로 한 분석적 모형과 대상 시스템에 대한 서술 적 묘사를 바탕으로 한 시뮬레이션 모형으로 크게 나눌 수 있다(Kelton et al., 2015). 그러나 분석적 모형은 일부 단순 한 공급사슬에 대한 성능 평가는 가능하지만, 공급사슬이 복 잡해지는 경우 모형 단순화를 위한 비현실적 가정의 적용으 로 인해 성능 평가 정확도가 급격하게 떨어진다. 이에 반해 시뮬레이션 모형은 복잡한 공급사슬에 대해서도 보다 사실 적인 묘사가 가능하며, 궁극적으로 정확도가 높은 성능 평가 예측치를 제공할 수 있다. 이에 본 연구에서는 공급사슬에 대한 운영관리 기법들의 성능 평가 도구로서 시뮬레이션 모 형을 이용한다.
건설 분야에서 운영관리 기법의 성능 평가를 위해 시뮬 레이션 모형을 활용한 대표적 연구들은 다음과 같다. Song and Choi (2015)는 주요 공종별 논리를 개발하여 부분적으 로 공정을 정의하고 이를 시뮬레이션 모형으로 제작한 후, 자원 배치의 최적화를 통해 효율적인 건설 공정계획 방안 을 수립하고자 했다. 그러나 이 연구에서는 단일 공정에 한 정된 시뮬레이션 모형을 제작함으로써, 전체 공정 간의 제 품 흐름을 고려하지 못했을 뿐만 아니라, 공정 시간에 대한 입력 데이터로 상숫값을 사용함으로써 건설업의 주요 특성 중 하나인 변동성을 반영하지 못하였다. Lee et al. (2010)은 Cyclone 기법을 활용하여 특정 건설공사 사례에 대한 시뮬 레이션 모형을 제작하고, 이를 통해 철골 계단 공법의 현장 적용성을 판단하기 위해 공사비를 산출하는 연구를 수행하 였다. 이 연구에서는 준비부터 마감 작업에 해당하는 전체적 인 작업 과정과 모든 작업자와 장비를 포함하는 시뮬레이션 모형을 제작함으로써 건설공사의 전반적인 요소를 고려하 였으나, 수요 및 작업 시간 등에 존재하는 변동성을 반영할 수 없는 확정적 시뮬레이션 모형으로 구축되었다는 한계점 을 갖는다. Son et al. (2007)은 5개의 건설 현장을 대상으로 중장비가 사용되는 공정을 선별하고, 각 중장비의 생산성과 단위 물량당 비용을 분석하기 위해 Stroboscope 시뮬레이션 을 사용한 모형을 제작하였다. 이 연구에서 제작한 시뮬레이 션 모형은 정규분포, 일양분포 등의 확률함수를 활용하여 공 정 변동성을 포함하였지만, 건설 현장 내의 중장비 운영에만 초점이 맞춰져 있어 공급사슬의 거동을 전체적으로 모사할 수 없다는 한계점을 갖는다. Ahn (2004)은 124층에 달하는
초고층 빌딩 공사에 필요한 대규모 작업 인력의 이동을 관 리하기 위해 Arena 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 모형 을 제작한 후, 작업자 이동에 대한 모의실험을 수행하고 이 를 바탕으로 운행 효율과 승하차 시간의 변화에 따른 민감 도를 분석하였다. 이 연구 역시 건설공사 중 작업자의 이동 계획 수립만을 위한 부분적 시뮬레이션 모형을 구축함으로 써, 전체적인 공급사슬의 성능을 종합적으로 평가하기 위한 도구로서의 역할은 수행할 수 없었다.
본 연구에서 관심을 가지고 있는 PC 공급사슬 운영관리에 대한 성능 평가 도구로서의 시뮬레이션 모형 관점에서, 기존 연구의 시뮬레이션 모형들을 살펴보면 다음과 같은 두 가지 측면에서의 한계점을 갖는다. 첫째, 앞서 언급한 시뮬레이션 모형들은 공장제작으로부터 현장 시공까지의 전체 공급사 슬이 아닌 이 중 일부 구성요소에 국한된 모형을 제작했기 때문에 전체 공급사슬에 대한 운영관리 기법의 성능 평가가 불가능하다는 점이다. 둘째, 시뮬레이션 모형이 확률 변수를 포함하지 않는 확정적 모형으로 구축되어 제품의 수요 및 작업 시간 등에 내재되어 있는 변동성을 반영할 수 없다는 점이다.
이러한 한계점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 PC 공법 에 기반한 건설공사의 공급사슬에 대해 원자재 공급으로부 터 현장 시공에 이르는 전체 구성요소를 포함시킴으로써 공 급사슬에 적용된 각종 운영관리 기법의 성능을 정확하게 평 가할 수 있는 종합적 시뮬레이션 모형을 개발하고자 한다.
또한, 건설 부재 다양화에 따른 다품종소량생산 특성에서 기 인하는 수요 및 공정 시간의 변동성을 충분히 표현할 수 있 도록 추계적 시뮬레이션 모형을 개발한다. 나아가 본 연구에 서는 공정의 흐름 논리와 속성 정보를 분리시킴으로써, 다양 한 형태의 PC 공법 기반 공급사슬에 대한 모의실험이 기본 모형에 단순히 특정 속성 정보를 입력하는 것만으로도 가능 한 유연적 시뮬레이션 모형을 구축한다. 본 연구에서 개발한 시뮬레이션 모형은 향후 후속 연구에서 제안할 다양한 공급 사슬 운영관리 기법들의 성능을 평가하고 현장 적용 가능성 을 검증하고 시험하기 위한 테스트베드로서의 역할을 충실 하게 수행하게 될 것이다. 또한, 향후 건설 분야의 다른 영역 에서 또 다른 시뮬레이션 모형을 개발하고자 하는 경우, 유 용하게 참고할 수 있는 참조모형으로서의 역할도 훌륭하게 수행할 수 있을 것으로 기대한다.
1.2 연구 범위 및 방법
PC 공법을 활용한 건설공사는 보급형 아파트, 지하 주차 장, 대형물류센터, 우수 저류조, 부두 등 건축이나 토목 분야 구조물의 유형에 따라 기둥, 보, 슬래브, 관, 맨홀, 측구, 옹벽 등 매우 다양한 종류의 부재를 사전에 제작하여 현장에서
시공한다. 본 연구에서는 이처럼 다양한 종류의 부재 가운 데 기둥, 보, 슬래브 형태의 부재를 활용하는 보급형 아파트, 지하 주차장, 대형물류센터, 우수 저류조, 부두 등의 PC 공법 기반 건설공사의 공급사슬을 대상으로 시뮬레이션 모형을 개발한다. 본 공급사슬은 원자재 공급으로부터 현장 시공까 지의 PC 공법을 활용한 건설공사의 전체 공정을 모두 포함 하여 구성된다.
<Fig. 1>은 본 연구에서 사용한 연구 절차 및 방법을 크게 3단계로 구분하여 보여주고 있다. 1단계, 시뮬레이션 모형 정의 단계에서는 PC 공급사슬에 대한 문헌 조사와 PC 제작 공장 방문을 통한 자료 조사를 바탕으로 PC 공급사슬을 정 의한 뒤, 이를 공급사슬의 흐름에 따라 세분화하여 개체, 자 원, 공정을 정의한다. 2단계, 시뮬레이션 모형 개발 단계에 서는 우선 시뮬레이션 모형의 입력, 처리, 출력에 대한 프레 임워크를 수립한다. 이후, 시뮬레이션 모형 개발 도구 중 하 나인 Arena 시물레이션 소프트웨어를 이용하여 앞서 정의 된 개체, 자원, 공정 자료를 바탕으로 입력과 출력 자료를 구 성하는 데이터 모듈, 공정의 흐름을 표현하는 플로차트 모 듈, 시뮬레이션의 거동을 시각적으로 나타내는 애니메이션 모듈을 구축해 나감으로써 시뮬레이션 모형을 완성한다. 3 단계, 시뮬레이션 모형 검증 단계에서는, 개발된 시뮬레이션 모형에 대해 총 다섯 가지의 논리성 검증 및 유효성 확인 방 법론을 적용해봄으로써 시뮬레이션 모형의 타당성을 검토 한다.
2. 시뮬레이션 모형 정의
2.1 공급사슬 정의
시뮬레이션 모형 개발을 위해서는 사전에 대상 시스템에 대한 면밀한 자료 조사를 통해 우선적으로 시뮬레이션 모형 을 정의해야 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 PC 공법에 기 반한 건설공사들에 대한 문헌 조사와 PC 제작공장 방문을
Fig. 1. Research steps and methods
통한 자료 조사를 통해 공장제작과 현장 시공으로 이루어 진 PC 공급사슬을 정의하였다. PC 공급사슬은 크게 프로젝 트 수주, 원자재 조달, PC 부재 제작, 공장 야적, 운송, 현장 야적, 현장 시공으로 세분할 수 있다. PC 공급사슬은 제작공 장에서 PC 건설공사 프로젝트를 수주하는 것으로부터 시작 된다. 이후, 기둥, 보, 슬래브 등 PC 부재 제작을 위해 필요한 원자재를 조달하는데, 골재와 철근 등 건설 자재의 특성상 실시간 재고 파악이 어려운 이유로 일정 주기 간격으로 예 상 수요량에 따른 원자재를 주문하는 것이 일반적이다. 원자 재가 수급되면, 생산계획에 따라 철골, 몰드(Mold), 콘크리 트 등 구성품을 생산하고 이어 PC 부재를 제작하는데, 보통 현장 시공 일정에 차질이 없도록 사전에 완성된 PC 부재를 공장의 야적장에 야적한 후 현장의 일정에 맞춰 현장으로 운송한다. 현장으로 운송된 PC 부재는 현장에서 야적되거나 야적 가용면적이 협소한 경우 즉시 사용되기도 한다.
프로젝트 수주로부터 공장 야적에 이르는 공정들은 PC 제 작공장에서 이루어지며, 운송 이후 공사현장에서 야적과 시 공 작업이 진행된다. <Fig. 2>는 공급사슬 상에서 공정들이 수행되는 작업 공간을 구획한 것으로, PC 제작공장과 공사 현장으로 나누어 나타낸 것이다. PC 제작공장의 작업 공간 은 ①사무실, ②철근 가공장, ③몰드 제작장, ④B/P (Batcher Plant), ⑤제작 라인, ⑥공장 야적장으로 구성되며, 공사현장 의 경우 ⑦현장 야적장과 ⑧현장 작업장으로 이루어진다. 작 업 공간 중 ②철근 가공장, ③몰드 제작장, ④B/P는 동시에 작업이 가능한 병렬 구조로 이루어져 있는 것이 특징이며, 이외의 작업 공간은 모두 순차적으로 작업이 진행되는 직렬 구조로 연결된다. PC 제작공장의 모든 작업이 완료된 후, PC 부재는 제작공장에서 공사현장으로 운송된다.
2.2 개체 정의
<Fig. 3>은 공급사슬을 흘러 다니는 개체(Entity)들을 분 류하여 작업 공간별로 나타낸 것으로, ①사무실에서의 프로 젝트 수주 이후 Ⓐ주문 정보, Ⓑ원자재, Ⓒ구성품, ⒹPC 부 재, Ⓔ구조물 순으로 개체 전환이 발생한다. 각 작업 공간에 대해 하위 개체의 형태로 입력되어, 공정이 진행된 후, 모든 공정이 완료됨과 동시에 상위 개체로 전환되어 다음 작업
공간으로 이동한다. 예를 들어, ②철근 가공장, ③몰드 제작 장, ④B/P 작업 공간에서는 Ⓑ원자재 형태로 투입되어 공정 이 진행된 후 Ⓒ구성품 형태로 빠져나가며, ⑤제작 라인 작 업 공간에서는 Ⓒ구성품 형태로 투입되어 공정이 진행된 후
ⒹPC 부재 형태로 빠져나가게 된다. 한편, 공장과 현장 야적 장에 대해서는 개체에 대한 물리적 변환이 발생하지 않기 때문에 입력과 출력 개체가 모두 PC 부재로 동일하다.
<Fig. 4>는 <Fig. 3>의 개체를 세부적으로 구분한 것으로, 시뮬레이션 모형 내부를 흘러 다니는 실질적인 개체를 표현 한다. 새로운 프로젝트가 수주되면 프로젝트 수행을 위해 필 요한 PC 부재들에 대해 종류(기둥, 보, 슬래브), 크기(가로, 세로, 높이), 수량 등의 자료로 구성된 Ⓐ주문 정보가 생성된 다. 본 시뮬레이션 모형에서는 PC 부재로 기둥, 보, 슬래브만 을 다루고 있으므로 Ⓐ주문 정보는 세부적으로 기둥, 보, 슬 래브에 대한 주문 정보로 구분될 수 있다. 이후, ①사무실에 서 기둥, 보, 슬래브에 대한 Ⓐ주문 정보는 각 부재 제작을 위해 소요되는 Ⓑ원자재 형태로 전환된다. Ⓑ원자재는 철근, 철강재, 골재, 시멘트로 구분되며, 철근은 ②철근 가공장으 로, 철강재는 ③몰드 제작장으로, 골재와 시멘트는 ④B/P로 이동하게 된다. 이동된 작업 공간에서 각 Ⓑ원자재는 대응하 는 Ⓒ구성품으로 전환된다. 즉, 철근은 철골로 전환되며, 철 강재는 몰드로, 골재와 시멘트는 콘크리트로 개체 변화가 이 루어진다. 이렇게 완성된 세 종류의 Ⓒ구성품은 각각 ⑤제작
Fig. 2. Work space for PC supply chain
Fig. 3. Input and output entities by work space
Fig. 4. Breakdown structure of the entities
라인으로 이동하여 ⒹPC 부재인 기둥, 보, 슬래브로 제작되 며, 이는 ⑥공장 야적장, ⑦현장 야적장을 거쳐 ⑧현장 작업 장에서 최종 개체인 ⒺPC 구조물로 전환된다.
2.3 자원 정의
각 작업 공간에서 개체 변환을 위해 사용되는 자원은 인 적 자원, 생산 장비, 운송 장비로 분류할 수 있으며, 인적 자 원의 경우 프로젝트 주문을 검토하고 계획하는 검토자와 공 장 및 현장에 배치된 작업인력으로 구분하였다. <Table 1>
은 각 작업 공간에서 사용되는 자원을 나타낸 것으로, 개별 PC 제작공장의 특성에 따라 사용하는 장비의 종류가 매우 다양하기 때문에 본 연구에서는 가장 보편적으로 활용될 수 있는 장비를 중심으로 모형을 정의하였다. 생산 장비 중 크
레인의 경우, 동일한 장비를 모든 작업 공간에서 공용으로 사용하는 것이 아니라 특정 작업 공간에 전용 장비를 고정 하여 사용한다. 또한, 운송 장비 중 트레일러는 모두 같은 이 름으로 명시되어 있으나 적재되는 자재에 따라 적합한 용량 의 트레일러가 구분되어 사용되며, 공장과 현장의 작업 공간 에 따라 분류하여 적합한 장비가 사용될 수 있도록 정의하 였다. 이러한 생산 장비와 운송 장비는 일반적으로 작동을 위해 인적 자원과 함께 사용된다.
2.4 공정 정의
<Fig. 5>는 PC 공법에 기반한 건설공사 수행을 위한 세부 공정을 공장 제작과 현장 시공의 작업 공간을 기준으로 구 분하여 나타낸 것이다. ①사무실에서는 건설 프로젝트가 수 주되면 해당 프로젝트의 물량을 검토하여 제작공장의 생산 계획을 수립하며, 이를 위해 소요되는 원자재를 관리하고 주 문하는 업무를 수행한다. ②철근 가공장과 ③몰드 제작장에 서는 ①사무실의 프로젝트 검토서에 따라 각 구성품을 제작 하며, 제작 완료된 철골과 몰드는 모두 ⑤제작 라인으로 이 동된다. 이중 몰드는 프로젝트마다 새롭게 제작하는 것이 일 반적이지만, 기존의 몰드를 수정·보완하여 일부 재활용하거 나 필요한 몰드를 외주를 통해 조달하는 경우도 있다. 콘크 리트를 제작하는 ④B/P의 경우, 생산하는 콘크리트의 특성 상 미리 제작하게 되면 콘크리트가 굳어버리는 문제가 있기 때문에, ⑤제작 라인의 콘크리트 타설 작업이 이루어지기 일 정 시간 전에 생산 개시 신호를 받아 콘크리트를 제작하며, 이는 즉시 ⑤제작 라인으로 운송된다. 일반적으로 ⑤제작 라 인은 제작하는 PC 부재 종류와 규모에 따라 필요한 작업 공 간과 시간상의 차이가 존재하기 때문에 부재별로 제작 라인 을 구별하여 사용한다.
⑤제작 라인으로 이동된 몰드, 철골, 콘크리트 등의 구성 품은 각각 기둥, 보, 슬래브 제작을 위한 몰드 설치, 철골 배 근, 콘크리트 타설 작업에 사용되며, 보와 슬래브의 경우 철
Fig. 5. Processes by work space Table 1. Resources by work space
Resource Work Space
Human Resource
Production Equipment
Transportation Equipment
① Office Reviewer
② Rebar Shop Factory Worker
• Welding Machine
• Cutter
• Crane
• Outsourcing
Trailer
③ Mold Shop Factory Worker
• Cutter
• Bending Machine
• Welding Machine
• Crane
Trailer
④ B/P Factory Worker • Concrete Mixer Tuckerbilt
⑤ Production
Line Factory Worker
• Tensioner
• Steam Curing
• Crane
Trailer
⑥ Factory Yard Factory Worker • Painting Workbench
• Crane Trailer
⑦ Field Yard Site Worker Trailer
⑧ Field
Workshop Site Worker
• Filling Machine
• Concrete Cast Machine
• Crane
Trailer
골 배근 이후 강선 매입과 인장 작업이 추가로 이루어진다.
또한, 콘크리트 타설 후 양생 작업이 진행되는데, 기둥은 1회 의 양생 작업을 진행하는 다른 부재와 달리 2회의 양생 작업 을 거친다. ⑤제작 라인에서 이루어지는 공정 진행에 있어, 슬래브는 다른 부재와 달리 작업 회전율이 높아 하루에 2회 이상의 작업 사이클 실행이 가능한 경우도 존재한다. 이렇게 각 PC 부재의 특성에 따라 ⑤제작 라인에서 다양한 공정이 진행되며, 모든 공정이 완료되면 사용된 몰드는 재활용 여부 를 확인하여 ⑤제작 라인에서 다시 사용되거나 폐기 처분된 다. ⑥공장 야적장에 도착한 PC 부재는 결함에 대한 검사와 마감 작업이 진행된다. 이후, PC 부재는 현장으로 운송되어
⑦현장 야적장에 적치되거나, 바로 현장 시공이 가능한 경우
⑧현장 작업장으로 이동하여 시공 작업에 사용된다. ⑧현장 작업장에서는 기둥, 보, 슬래브 순으로 PC 부재를 사용하며, 이를 구간별로 반복하는 공정을 통해 PC 부재를 설치하고, 이후 현장 양생 작업을 끝으로 구조물을 완성한다.
3. 시뮬레이션 모형 개발
3.1 모형 프레임워크
본 연구에서는 시뮬레이션 모형을 제작하기 위해 Arena 시뮬레이션 소프트웨어를 이용한다. Arena는 시스템의 연속 적이고 이산적인 변화 요소를 모두 표현할 수 있는 연속-이 산 혼합(Mixed Continuous-Discrete) 시뮬레이션 모형 개 발 도구로서, 다양한 형태의 제조 및 서비스 시스템의 거동 을 모사하기 위해 국내외적으로 널리 활용되고 있다. Arena 는 공급사슬과 같은 흐름 형태의 시스템 논리를 묘사하는 데 적합한 플로차트 모듈을 제공할 뿐만 아니라, 데이터 모 듈 제공을 통해 입력 및 출력 정보와 시스템 개체-자원 거 동 논리를 분리할 수 있는 체계를 제공한다. 또한, 건설업 분 야의 작업시간 변동성을 표현할 수 있는 다양한 형태의 확 률 분포를 제공할 뿐만 아니라, 복잡한 시스템의 경우 블록 (Block), 엘리먼트(Element) 및 사용자 코드 등 낮은 수준 (Low Level)의 모형화 도구를 제공함으로써 보다 상세한 표
현을 가능하게 한다. 시뮬레이션 모형을 새롭게 제작하는 것 만큼이나 중요한 사항은 제작한 모형에 대한 타당성을 사전 에 반드시 검토해야 한다는 점이다. 이를 위해, Arena는 시 뮬레이션 모형의 논리적 검증과 유효성 확인을 위한 모형 검토 및 애니메이션 모듈 등 다양한 형태의 타당성 검토 도 구를 제공하고 있다.
<Fig. 6>은 앞서 2장에서 정의한 PC 공급사슬의 개체, 자 원, 공정을 기반으로, 본 연구에서 개발하는 시뮬레이션 모 형의 프레임워크를 나타낸 것으로, PC 공급사슬의 개체, 자 원, 공정의 상세사항을 특정하기 위한 입력 정보, 한정된 자 원을 차지하기 위해 개체들이 경쟁하는 과정을 묘사한 시뮬 레이션 모형, 시뮬레이션 모형 수행을 통해 산출된 출력 정 보의 관계를 보여주고 있다. 이러한 프레임워크를 통해 사용 자는 특정 공급사슬에 대해 프로젝트 정보, 작업시간, 생산 비용, 자원 용량 등의 자료를 입력할 수 있으며, 시뮬레이션 모형은 해당 자료를 바탕으로 공급사슬에 대한 모의 거동 실험을 진행할 수 있다. 이후, 생산성, 생산소요시간, 장비 가 동률, 재공재고 수준, 대기 시간 등 공급사슬의 운영 성능을 평가하기 위한 자료를 출력할 수 있다.
Arena 시뮬레이션 소프트웨어에서 시뮬레이션 모형은 크 게 데이터 모듈, 플로차트 모듈, 애니메이션 모듈로 구분된 다. 데이터 모듈은 공정의 흐름을 정의하기 위한 자료들을 구조화하는 도구이며, 사용자가 직접 자료를 입력하고 출력 물을 지정할 수 있다. 플로차트 모듈은 시뮬레이션 모형에서 진행되는 작업에 대한 논리를 구현하는 도구로서, 연결선을 통해 공정의 순서와 흐름을 나타낼 수 있다. 이러한 플로차 트 모듈을 이용하면 사용자의 설정에 따라 작업 공간의 구 조와 순서를 임의로 조정할 수 있어 다양한 형태의 공정 흐 름을 표현할 수 있다. 애니메이션 모듈의 경우, 모형의 작동 논리에 직접적인 영향을 주지는 않지만, 시뮬레이션 상의 개 체 흐름을 시각적으로 표현해 줌으로써 PC 공급사슬의 거 동을 이해하는 데 도움을 주는 역할을 담당한다. <Fig. 7>은 Arena에서 제공하는 대표적인 데이터 모듈과 플로차트 모 듈들을 보여주고 있다.
Fig. 6. Simulation model framework Fig. 7. Data and flowchart modules
3.2 데이터 모듈 개발
속성, 개체, 대기행렬, 자원, 변수, 일정, 집합, 표현식 등으 로 이루어진 데이터 모듈은 다양한 방식으로 정의될 수 있 다. 데이터 모듈의 종류나 개체 흐름의 유형에 따라, 직접 값 을 설정하거나, 함수식을 적용하거나, 외부 파일을 로딩함으 로써 모듈의 논리를 설정할 수 있다. 이는 공정의 흐름에 대 한 논리와 조건을 플로차트 모듈과 분리하여 독립적으로 지 정할 수 있게 함으로써, 대상 시스템에 대한 세부사항이 변 경된 경우 플로차트 모듈의 수정없이 데이터 모듈의 수정만 으로 변화된 시스템에 대응하는 것을 가능하게 한다.
데이터 모듈은 입력과 출력 자료의 정의 부분으로 구분할 수 있는데, 입력은 거동 논리의 세부사항을 정의하기 위해 사용되며 출력은 대상 시스템의 운영 결과를 대표할 수 있 는 지표들을 정의하기 위해 사용된다. 이러한 입력은 <Fig.
6>의 입력 정보에 대응하는 프로젝트 정보, 작업시간, 생산 비용, 자원 용량 등을 구체적으로 정의하며, 출력은 출력 정 보에 대응하는 생산성, 생산소요시간, 장비 가동률, 재공재 고 수준, 대기 시간 등을 정의한다. <Fig. 8>은 데이터 모듈 에서 입력 자료를 정의한 것 중 일부로, 비용에 관한 변수 데 이터 모듈을 보여주고 있다. 변수 데이터 모듈에서는 변수에 대한 차원, 자료 유형, 초기값 등을 설정할 수 있다.
Arena 시뮬레이션 소프트웨어의 결과 보고서에 포함된 자료들은 데이터 모듈에서 정의한 출력 자료와 직결되는데,
<Fig. 9>는 <Fig. 8>의 비용 변수 입력 자료를 바탕으로 시뮬 레이션을 수행한 뒤 얻은 결과 자료 중 비용 관련 부분을 보 여주고 있다. 결과 자료는 시뮬레이션 실험 반복 횟수에 따 라 평균값, 95% 신뢰구간, 최소값, 최대값 등의 형태로 산출 되며, 사용자는 시뮬레이션 실험 시 원하는 결과 자료 항목 을 사전에 지정함으로써 원하는 내용을 포함한 결과 보고서 를 얻을 수 있다.
3.3 플로차트 모듈 개발
개체의 생성, 소멸, 공정 진행, 분기, 묶음 작업, 개체 분리, 할당, 기록 등으로 구성된 플로차트 모듈은 시뮬레이션 모형 의 작동 논리를 구현하고 공정의 흐름을 표현할 수 있으며, 시뮬레이션 모형의 물리적 외형과 직결된다. <Fig. 10>은 PC 공급사슬 거동의 모사를 위해 제작된 시뮬레이션 모형의 플 로차트 모듈들을 작업 공간별로 구획하여 나타낸 것이다. 이 는 앞서 <Fig. 5>에서 정의한 공정을 기준으로 구현되었으 며, PC 공급사슬의 거동을 규정하는 데 필요한 개체와 자원 에 관련된 모든 정보는 데이터 모듈에서 정의된 각종 입력 자료의 값을 설정함으로써 결정된다.
본 시뮬레이션 모형에서 플로차트 모듈은 ①사무실에서 특정 프로젝트의 주문을 접수하고, 프로젝트에 포함된 기둥, 보, 슬래브 제작을 위해 필요한 다양한 공정에 대한 속성값 을 할당하여 공정에 소요되는 원자재를 주문하는 것으로부 터 시작된다. 이후 원자재는 ②철근 가공장, ③몰드 제작장,
④B/P로 이동하며, 이중 ④B/P의 경우 앞서 언급한 바와 같 이 콘크리트가 굳는 것을 방지하기 위해 ⑤제작 라인에서 사용되기 일정 시간 전에 작업 개시 신호를 받아 제작하는 방식을 따르기 때문에 ⑤제작 라인 내에 ④B/P의 공정 논리 를 함께 구현하였다. ③몰드 제작장에서는 직접 제작, 외주 작업, 몰드 재활용 등의 정책에 따라 작업방식을 구분하여 공정을 진행하며, 이후 ②철근 가공장, ③몰드 제작장, ④B/
P에서 완성된 구성품을 사용하여 ⑤제작 라인에서 PC 부재 를 제작한 후, 품질검사 결과에 따라 폐기, 재작업, 합격 등으 로 구분하고, 합격한 경우에만 PC 부재를 ⑥공장 야적장으 로 이동시킨다. ⑦현장 야적장은 공정이 매우 간략하고 일부 PC 부재의 경우 ⑦현장 야적장을 거치지 않는 경우도 존재 하기 때문에 별도의 모형으로 구분하지 않고 ⑧현장 작업장 내에 논리를 함께 구현하는 방식으로 제작되었다.
3.4 애니메이션 모듈 개발
시뮬레이션 모형의 애니메이션 모듈은 PC 공급사슬에서 진행되는 공정을 시각적으로 표현함으로써 프로젝트의 진 행 상황을 쉽게 파악할 수 있도록 돕는다. 애니메이션 모듈 에서는 개체와 자원을 대표하기 위한 상징부호(Symbol)를 사용한다. 상징부호로 표현된 각 개체는 공정의 흐름에 따라 상위 개체로 전환되어 나타나며, 자원의 경우 인력 자원, 작 업 장비, 운송 장비로 구분되어 가동과 유휴 상태로 표시된 다.
<Fig. 11>은 개체와 자원들에 대한 상징부호들을 활용하 여 공급사슬 상에 존재하는 자원들을 작업 공간별로 배치한 것으로, 시뮬레이션이 진행됨에 따라 개체가 배치된 자원 사 이를 흘러 다니는 모습을 시각적으로 표현해 준다. 즉, 제작
Fig. 8. Example of input data in data modules
Fig. 9. Example of output data in result reports
③ Mold Shop
⑦ Field Yard - ⑧ Field Workshop
⑥ Factory Yard
④ B/P - ⑤ Production Line
② Rebar Shop
① Office
Fig. 10. Flowchart modules for PC supply chain
된 애니메이션 모듈을 통해, 공정이 진행됨에 따라 개체가 전환되고 자원이 점유되어 작업과 운송이 수행되는 모습을 시각적으로 확인할 수 있다. 시뮬레이션이 진행됨에 따라 각 개체의 특정 자원을 활용한 작업 시작과 종료시간이 결정되 며, 이들 정보를 이용하면 각 작업 공간에서 현재 작업 중인 개체의 수, 대기 중인 개체의 수, 작업 완료된 개체의 수 등 을 실시간으로 표출할 수 있다. 또한, 플롯(Plot) 등의 그래프 작성 기능을 이용하면 관심 있는 변숫값과 통계치에 대한 시계열 자료를 시각적으로 표출함으로써, 관찰 대상에 대한 연속적, 불연속적 변화를 실시간으로 파악할 수 있다.
4. 시뮬레이션 모형 검증
4.1 모형 검증 방법론
본 장에서는 시뮬레이션 모형이 PC 공급사슬의 거동을 올바르게 모사하고 있는지를 판단하기 위해 모형의 타당성 을 검토한다. 본 연구에서 사용된 타당성 검토 방법은 논리 성 검증(Verification)과 유효성 확인(Validation)으로 양분 될 수 있다(Sargent, 1984). 여기서, 논리성 검증은 시뮬레이 션 모형이 오류 없이 컴퓨터 프로그래밍 언어로 적합하게 구현되었는지를 검토하는 과정이며, 유효성 확인은 대상 시 스템에 대한 성능평가척도 값이 동일하게 시뮬레이션 모형 의 실험 결괏값으로 나타나는가를 점검하는 것이다(Kwon, 2017). 타당성을 확보한 시뮬레이션 모형을 이용하면, 가상 세계에서 모형을 이용하여 수행한 실험에서 좋은 성능평가 척도를 나타낸 의사결정 대안이 실세계 시스템에 대해서도 동일하게 우수한 성능평가척도 값을 제공한다는 것을 담보
할 수 있다. 따라서, 시뮬레이션 모형이 PC 공급사슬에 대한 다양한 운영관리 기법들을 평가하기 위한 도구로 활용되기 위해서는 모형의 타당성 확보가 필수적으로 요구된다.
본 연구에서는 논리성 검증과 유효성 확인을 위해 WSC (Winter Simulation Conference)에서 Sargent (2010)가 제 안한 검증 방법의 일부를 적용하였으며, 실제 PC 제작공장 에서 수집한 데이터를 활용하여 타당성 검토 과정을 수행하 였다. 논리성 검증의 경우, Arena에서 제공하는 모형 검토 기능, 애니메이션 검토, 극한치 검증의 세 가지 방법을 이용 하였으며, 유효성 확인의 경우, 평균치 검증과 실제 PC 공급 사슬 사례 검증의 두 가지 방법을 적용하였다.
4.2 PC 공급사슬 자료 조사
시뮬레이션 모형에 대한 타당성 검토에 앞서, 검토 과정에 서 활용하기 위한 실제 PC 공급사슬의 현장 자료를 조사하 였다. 이를 위해, 충청북도에 소재한 PC 제작공장을 방문하 여 PC 공법을 기반으로 한 건설공사에 대한 수행자료를 수
Fig. 11. Animation modules for PC supply chain (Snapshot at a specific time)
Fig. 12. Layout for a PC plant located at Chungcheongbukdo
집하였다. <Fig. 12>와 <Fig. 13>은 각각 해당 PC 제작공장 의 배치도와 주요 장비를 보여주고 있다. 이 공장의 배치와 사용 장비는 앞서 2장 시뮬레이션 모형 정의에서 언급한 전 형적인 PC 제작공장의 모습과 크게 다르지 않은 형태를 가 지고 있다.
해당 공장에서 생산관리 자료 열람, 생산관리자와의 면담, 제작 현장 방문 등의 자료조사 과정을 통해, 특정 건설공사 에서 소요되는 기둥, 보, 슬래브 등의 PC 부재 종류, 주문 개 수와 부피로 표시되는 부재 규격, 그리고 이들 부재를 제작 하고 시공하기 위한 공정의 소요 시간 등에 관한 자료를 수 집하였다. <Table 2>는 수집된 자료 중 주요 항목을 보여주 고 있다. 수집된 자료 중, 장비의 대수, 몰드의 수, 원자재 소 요량 등 변동성이 개입되지 않는 자료 항목들은 확정적인 상숫값을 이용하여 시뮬레이션 모형에 반영하였다. 반면, 건
설공사에 소요되는 부재의 수와 규격, 공정 소요 시간 등의 자료 항목들은 다양한 특성을 갖는 프로젝트의 변동성을 반 영하기 위해 확률적인 변숫값을 이용하여 시뮬레이션 모형 에 반영하였다.
자료의 변동성을 표현하기 위해서는 다양한 형태의 확률 분포를 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 <Table 2>와 같이 삼각분포(Triangle Distribution)를 주로 이용하였다. 이는 삼각분포가 표본의 크기에 크게 영향을 받지 않아 소수의 자료만으로 분포를 정의하는 것이 가능하기 때문이다(Jeong et al., 2010). 또한, 아직까지 대부분의 PC 공급사슬에서는 세부 공정에 소요되는 작업시간이 체계적으로 관리되고 있 지 않아, 공정 소요 시간의 추정을 위해서는 공정 담당자의 경험과 기억에 의존해야 하는 경우가 대부분이다. 따라서 자 료의 정의를 위해 공정 담당자에게 단지 최솟값, 최빈값, 최 댓값만을 조사하면 충분한 삼각분포를 활용하는 방식이 가 장 현실적이고 현장 적용성이 높은 해결책이 될 수 있다.
4.3 모형 검토
본 절에서는 타당성 검토의 첫 단계로 모형 검토를 수행 한다. Arena 시뮬레이션 소프트웨어는 제작된 시뮬레이션 모형 작동에 앞서 자료 정의 오류, 심볼 네임 오류, 블록 연 결 오류 등 다양한 형태의 논리 오류를 발견하기 위한 모형 검토 기능을 제공하고 있다. 본 연구에서는 PC 공급사슬 시 뮬레이션 모형의 데이터 모듈과 플로차트 모듈 작성을 마친 후, 모듈 내의 자료 항목과 논리 블록들에 대해 모형 검토 기 능을 사용하여 시스템 설정과 작동에 관한 오류가 있는지를 면밀하게 확인하였다. 확인 결과, 개발된 모형에 어떠한 논 리적 오류도 발견되지 않았다.
4.4 애니메이션 검토
모형 검토를 통해 시스템상에 논리적 오류가 없음을 확인 한 후, 데이터 모듈과 플로차트 모듈에 부합하게 작성된 애 니메이션을 모듈을 이용하여 자원 사이의 개체 흐름에 문제 가 없는지를 확인하였다. 앞서 애니메이션 모듈 개발에서 언 급한 <Fig. 11>은 수행 중인 시뮬레이션 모형의 특정 시점에 서 캡처한 애니메이션 장면을 보여주고 있다. 본 연구에서는 이러한 작동 장면들을 바탕으로 각 공정의 진행에 따라 개 체의 전환과 자원의 점유가 적절히 이루어지며 실시간으로 표시되는 각종 변수와 통계치의 값이 정확한가에 대한 확인 작업을 단계별로 수행하였다.
애니메이션 모듈에 대한 검토 결과, 모든 개체가 우선순위 규칙에 따라 정해진 순서대로 이동하고 필요한 자원을 적 절하게 점유함으로써 공정이 오류없이 진행됨을 확인하였 다. 예를 들어, <Fig 11>의 애니메이션에서는, 사무실의 경
Fig. 13. Equipment in the PC plant
Table 2. Actual data for the PC plant
Data Unit Column Beam Slab
Type of Parts EA TRIA(3, 4, 5) TRIA(4, 5, 6) TRIA(9, 10, 11) Number of Parts EA TRIA(15, 20, 25) TRIA(20, 25, 30) TRIA(27, 30, 35) Volume of Parts m3 TRIA(5, 7.41, 8.5) TRIA(5, 7.43, 8.5) TRIA(1.5, 2.83, 4)
Process Unit Process Time
Design Review Day TRIA(6, 7, 8)
Mold Making Day TRIA(5, 7, 10)
Mold Outsourcing Day TRIA(7, 10, 14) Frame Production Day TRIA(1, 1.5, 2) Mold Placement Hour TRIA(0.5, 1, 1.5) Frame Assembly Hour TRIA(0.5, 1, 1.5) Steel Wire Placement and Tension Hour TRIA(1, 1.5, 2)
Column Primary Curing Hour TRIA(1.5, 2, 2.5) Column Secondary Curing Hour TRIA(4.5, 5, 5.5) Column Painting Minute TRIA(30, 45, 60) Beam and Slab Curing Hour TRIA(6, 7, 8) Painting in Storage Yard Minute TRIA(30, 45, 60)
※ TRIA : Triangle Distribution
우 원자재의 수요와 공급에 따라 재고량이 실시간으로 변화 하는 모습이 좌측 상단부에 박스로 표시된 부분의 시계열 그래프를 통해 나타나고 있으며, 철근 가공장에서 대기 중 인 철근 개수 25개와 작업 중인 철근 개수 4개 등으로 재공 재고가 표시되어 인적 자원과 작업 장비에 따라 자원이 적 절하게 점유되는 것을 확인할 수 있다. 이후, 제작 라인에서 는 제작에 필요한 모든 구성품이 도착하고 난 후 개체가 인 력과 작업 장비를 점유함으로써 작업이 개시되는 것을 확인 할 수 있으며, 각 작업 장소에서 개체의 작업이 완료됨과 동 시에 운송 장비를 통해 다음 장소로 이동하는 것을 확인할 수 있다. <Fig. 11>의 중앙 하단부에 박스로 표시된 부분을 보면, 현재 제작 라인에서 기둥 8개, 보 13개, 슬래브 28개가 작업 중인 것을 확인할 수 있다. 또한, 야적장의 PC 부재 개 수의 경우 기둥 221개, 보 176개, 슬래브 597개가 보관 중인 것을 나타내고 있으며, 도장작업이 진행된 후 그 수가 한 개 씩 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 방식으로 시뮬 레이션 모형 수행 시점 곳곳에서 애니메이션 모듈의 스냅숏 (Snapshot)을 검토한 결과, 개발된 모형에 어떠한 논리적 오 류도 발견되지 않았다.
4.5 극한치 검증
극한치 검증은 시뮬레이션 모형에 매우 작은 값 또는 매 우 큰 값 등 극단적인 상황에 대응하는 값을 입력한 후, 이 상황에 이론적으로 상응하는 시뮬레이션 결과가 나타나는 지 확인하는 방법이다(Sargent, 2010). 본 연구에서는, 모든 원자재에 대한 재고량을 0개로 유지하거나, 특정 공정의 작 업시간을 매우 큰 값으로 입력하는 방식으로 시뮬레이션 모 형을 극한치로 설정한 후 실험을 진행하였다. 실험 결과, 제 작공장의 모든 생산량은 0개로 나타났으며, 원자재를 사용 하는 공정과 작업시간이 매우 큰 값으로 설정된 공정은 작 업이 전혀 진행되지 못하였다. 또한, 프로젝트에 대한 주문 은 작업 진행과 관계없이 계속해서 접수되기 때문에 진행되 지 못하는 공정에 대해 대기 중인 개체가 급격하게 증가하 였다. 다양한 원자재와 작업시간에 대해 이와 같은 검증 과 정을 반복적으로 수행함으로써, 시뮬레이션 모형에 오류가 존재하지 않는 것을 확인하였다.
4.6 평균치 검증
평균치 검증은 시뮬레이션 모형에서 변동성을 묘사하기 위해 사용되는 확률 변수들을 해당 확률 분포의 평균값으 로 대체한 후, 시뮬레이션 모형에서 산출되는 결과가 이론 적으로 계산한 값과 동일하게 나타나는지 확인하는 방법이 다(Sargent, 2010). 평균치 검증을 위해, 시뮬레이션 모형의 모든 작업이 일정하게 진행되도록 프로세스 블록 등의 작업
시간을 대응하는 확률 변수의 평균값에 해당하는 상수 형태 로 변경하여 설정하였다. 또한, 원자재의 부족으로 인해 장 비의 유휴 상태가 발생하여 산출 결과가 왜곡되는 것을 방 지하기 위해, 무한 공급을 통해 원자재의 품절이 발생하지 않도록 시뮬레이션 모형을 조작하였다. 이처럼 조작된 시뮬 레이션에서 PC 부재를 제작하는데 걸리는 총소요시간은 각 공정의 작업시간에 대한 평균값의 합계와 일치해야 한다. 시 뮬레이션 실험을 통해 PC 부재 중 기둥에 대한 총소요시간 을 예측한 결과 14.45일의 결과가 도출되었으며, 이는 각 공 정의 작업시간의 평균값의 합계 14.45일과 정확히 일치하였 다. 또한, 이러한 결과는 보와 슬래브에 대해서도 동일하게 나타났다. 이는 시뮬레이션 모형이 설계한 공정 논리대로 작 동함을 보여주는 결과로, 모형의 개체 흐름에 오류가 존재하 지 않는 것을 의미한다.
4.7 PC 공급사슬 사례 검증
마지막으로, 시뮬레이션 모형의 논리 구조가 PC 공급사슬 의 특성에 적합하게 구성되었는지 확인하기 위해, 실제 PC 건설공사 사례에 대한 검증을 진행하였다. 이를 위해 본 검 증에 앞서 방문한 충청북도 소재 PC 제작공장에서 수행되었 던 프로젝트에 대한 자료를 바탕으로 시뮬레이션 모형을 설 정하였다. 이후, 이 모형을 이용하여 모의실험을 진행하였으 며, 실험 결과를 실제 프로젝트의 수행 결과와 비교함으로써 본 모형의 타당성을 확인하였다. 사례 검증 대상 프로젝트는 48,893m3 규모의 PC 기반 지하 주차장 건설공사로서 PC 제 작공장에서 모든 부재를 제작하는데 대략 7개월(210일)의 기간이 소요되는 것으로 알려져 있다. 아래의 <Table 3>은 해당 프로젝트에 대한 주문 정보 중 일부로, 기둥, 보, 슬래브 등 PC 부재 별 생산량 규모, 주문 부재 개수, 사용 가능한 몰 드 수를 보여주고 있다.
Table 3. Actual data for PC construction case study
PC Parts Volume(m
3) Number of Parts Number of Molds
Column 14,125 1,907 8
Beam 18,220 2,453 13
Slab 16,548 5,851 30
시뮬레이션 모형을 통해 얻은 본 프로젝트에 대한 제작 기간, 즉, 모든 부재의 제작을 위한 총소요시간 예측치가 실 제 제작기간과 잘 일치하는가를 확인하기 위해, 해당 프로 젝트에 대한 주문 정보를 바탕으로 시뮬레이션 모형의 데이 터 모듈을 설정한 후, 총 100회에 걸친 반복 실험을 수행하 였다. 실험 결과, 본 프로젝트의 제작기간은 최소 190.03일, 최대 236.49일, 평균 209.05일로 추정되었다. 이 결과는 예측
오차율 0.45%(=100%×(210-209.05)/210)에 해당하는 수준 으로, 시뮬레이션 모형으로부터 얻은 제작기간 예측치와 과 거 PC 제작공장에서 실제 소요되었던 제작기간이 매우 유 사하게 나타났다. 이는 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 모형 이 PC 공급사슬의 공정과 특성을 적절하게 반영하고 있음을 보여주는 결과이다. 이상의 다섯 가지 검증 방법론의 적용을 통해, 본 연구에서 개발된 PC 공급사슬 시뮬레이션 모형이 충분한 타당성 확보하였으며, 궁극적으로 PC 공급사슬의 거 동을 매우 현실적으로 모사할 수 있음을 확인하였다.
5. 결론
공장 제작과 현장 시공으로 이루어진 PC 공법 기반 건설 공사의 생산성을 높이기 위해서는, 공급사슬의 최적화를 꾀 할 수 있는 우수한 성능의 생산관리 기법의 개발이 필요하 다. 더 나아가 이처럼 우수한 생산관리 기법을 개발하기 위 해서는 개발된 생산관리 기법을 현장에 적용하기 전에 그 성능을 정확하게 시험할 수 있는 평가 플랫폼의 마련이 필 수적으로 요구된다. 이에 본 연구에서는 향후 평가 플랫폼의 역할을 수행할 PC 공급사슬 시뮬레이션 모형을 개발하였다.
이를 위해, 먼저 PC 공급사슬에 대한 자료를 수집한 후, 시뮬 레이션 모형의 공급사슬, 개체, 자원, 공정을 정의하였다. 이 후, Arena 소프트웨어를 이용하여 프레임워크, 데이터 모듈, 플로차트 모듈, 애니메이션 모듈을 작성함으로써 PC 공급사 슬 시뮬레이션 모형을 개발하였다. 마지막으로, 개발된 시뮬 레이션 모형에 대해 다섯 가지의 논리성 검증과 유효성 확 인 방법을 적용하여 모의실험 결과를 검토함으로써 시뮬레 이션 모형의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 개발된 PC 공급사슬 시뮬레이션 모형은 향후 PC 공법 기반 건설공사의 최적 관리를 목적으로 개발되는 다양한 생산관리 기법을 현장에 적용하기 전에 미리 성능을 평가해 보기 위한 수단으로 활용될 것이다. 즉, 본 모형은 새 롭게 제안되는 생산관리 기법의 기대 성능을 사전에 평가하 고, 이미 적용되어 운영되고 있는 기법들에 대한 민감도를 다각적으로 분석하기 위한 일종의 의사결정지원시스템으로 서의 역할을 수행하게 될 것이다. 본 연구진은 현재 공장 제 작/현장 시공 체계의 생산성을 높이기 위한 다양한 연구를 진행 중이며, 본 시뮬레이션 모형의 개발이 그 연구의 시작 이라 할 수 있다. 향후, 본 연구에서 개발된 PC 공급사슬 시 뮬레이션 모형을 토대로, PC 공급사슬의 체계적 관리를 위 한 보다 효율적이고 효과적인 생산관리 기법을 개발하고 그 성능을 평가하는 연구를 지속적으로 수행할 예정이다. 이 과 정에서 본 시뮬레이션 모형은 성능 평가 플랫폼으로서의 역 할 수행을 통해, PC 공법 기반 건설공사에 대한 새로운 관리
기법의 현장 적용 관련 리스크를 줄임으로써, 체계적인 공급 사슬 관리를 확립하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대 된다.
감사의 글
이 논 문 은 정 부 ( 과 학 기 술 정 보 통 신 부 ) 의 재 원 으 로 한 국 연 구 재 단 의 지 원 을 받 아 수 행 된 연 구 임 (No.2020R1F1A1048256). 시뮬레이션 모델링을 위한 자료 수집에 도움을 주신 ㈜동서피씨씨 청안 공장 생산관리팀 유 승민 사원께 감사드립니다.
References
