KR20050079912A - 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법 - Google Patents

생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법 Download PDF

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KR20050079912A
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Abstract

본 발명은 건설 구조물의 최적 설계를 위한 주요한 의사결정에 있어서, 생애주기비용 방법 및 가치분석 방법을 고려한 다단계 설계 의사결정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법은, a) 건설 구조물을 위한 원설계안 및 적어도 하나의 예비안에 대해 정성적 가치분석 방식으로 비교형식을 선정하는 예비 분석 단계; b) 선정된 비교형식에 대하여 불확실성을 고려한 확률적 생애주기비용 분석에 근거한 위험도 가치분석 방식으로 최적 대안을 선정하는 1차 분석 단계; c) 원설계안과 최적 대안에 대하여 각각 구체화 설계를 수행하고, 상기 건설 구조물의 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석 및 이를 기초로 한 신뢰성 생애주기비용에 근거한 위험도 가치분석 방식으로 최적 형식을 선정하는 2차 분석 단계; 및 d) 선정된 최적 형식에 대하여 생애주기비용 최적 설계를 수행하고, 건설 구조물의 부재 형상 및 치수에 따른 상세 설계를 수행하여 최종적인 설계안을 채택하는 3차 분석 단계를 포함하되, a) 내지 c) 단계에서의 의사결정 표시의 신뢰도를 확보하기 위해 의사결정 신뢰성 해석을 각 단계별로 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법{A METHOD FOR LCC-BASED MULTI-STAGE DECISION MAKING FOR DESIGN}
본 발명은 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 건설 구조물의 최적 설계를 위한 주요한 의사결정에 있어서, 생애주기비용 방법(Life Cycle Cost: LCC) 및 가치분석(Value Analysis: VA) 방법을 고려한 다단계 설계 의사결정 방법에 관한 것이다.
건설 시장의 낙후된 건설 기술을 선진화 및 합리화하고, 건설 사업 진행 과정의 예산낭비 요인과 비효율을 제거하여 생산성을 향상시키며, 또한, 건설 사업의 효율성을 제고하기 위한 대안으로서, 생애주기 전반의 원가절감 측면을 고려한 가치공학(Value Engineering: VE)이 주목받고 있다.
이러한 가치공학(VE)은 건설 구조물을 위한 소정의 성능, 신뢰성 및 안전성을 만족하거나 품질을 보다 향상시켜 가면서 최소의 생애주기비용(Life Cycle Cost: LCC)으로 필요한 기능을 확보하기 위해서 발주처 또는 건설업체의 직원에 의해 행해지는 조직적인 개선 활동을 말한다.
다시 말하면, 가치공학(VE)은 비용의 절감, 생산성의 향상 및 품질의 개선을 도모하기 위한 유효한 수단으로서, 보다 적은 비용으로 같은 기능을 얻거나, 같은 비용으로 기능을 개선 및 증가시키거나, 또는 불필요한 기능과 비용을 없애고 운영비용이나 수익을 최적화하기 위한 대체안을 개발하게 된다.
이러한 가치 공학(VE)은 설계 VE 및 시공 VE를 포함할 수 있는데, 여기서, 설계 VE는 계획(Concept), 기본설계(Planing) 및 실시 설계(Design) 단계에서 발주자가 당초 설계시에 계획이나 설계 등에 종사하지 않은 사람들로 하여금 새로이 VE 검토팀을 구성함으로써, 해당 프로젝트의 생애주기비용(LCC)을 절감하기 위하여 당초 설계를 재검토하여 대체안을 작성하는 것을 말한다.
한편, 정부는 최근 형식적으로 이루어지고 있는 공공사업의 타당성 조사에 대한 객관성과 중립성을 확보하고 내구성 있는 신소재 및 신공법의 실제 적용을 활성화하기 위하여 대규모 공공사업에서는 사업계획 수립 전에 반드시 생애주기비용(LCC)을 도입한 타당성 조사를 시행하도록 제도화하였다. 예를 들어, 건설교통부의 예산 절감을 위한 "공공 건설사업 효율화 종합대책"의 일환으로서, 설계 단계에서 가치공학(VE)의 적용을 위한 실무 시행령에 의한 설계 VE가 법제화되었고, 이러한 설계 VE 검토시 생애주기비용(LCC) 검토를 의무화하고 있다. 따라서, 공공사업의 경제적인 설계, 시공 및 유지관리를 도모할 수 있도록, 기본계획 및 설계시에 생애주기비용(LCC) 분석이 필요한 실정이다.
또한, 미래 비용을 추정하기 위해 내재되어 있는 다양한 불확실성에도 불구하고, 전술한 LCC 분석 기법은 건설 시스템에 대한 선택대안 중 비용 효율적인 방안에 대한 의사결정을 위해서 미국, 유럽 등 선진국으로 중심으로 다양한 구조물에 적용 및 검토되고 있다
여기서, 생애주기비용(LCC)은 프로젝트의 투자비용을 투자비용뿐만 아니라 구조물 생애주기(Life Cycle) 동안의 총 비용을 말한다. 이러한 LCC는 건설을 위한 초기공사비 외에 구조물의 수명기간에 걸친 유지관리 비용까지를 포괄하는 개념으로, LCC 분석과 관련된 기본 개념은 비교적 간단하지만, 신뢰도 있는 LCC 분석을 위해서는 LCC 분석에 포함된 각종 비용항목을 얼마나 신뢰도 있는 근거 데이터에 기초하여 추정하였는가 여부가 주요 관건이 된다.
따라서, 이론과 경험을 토대로 확립된 기법을 체계적으로 사용하여 설계자에 의하여 작성된 프로젝트의 설계를 설계자 이외의 사람들이 그 프로젝트 또는 그 프로젝트의 구성요소가 요구하는 기능과 비용의 관점에서 분석함으로써 소요의 기능을 확보하면서, 또한, 생애주기비용(LCC)이 가장 저렴한 변경안을 도출하고, 이를 정리한 후 VE 제안(Value Engineering Proposal)에 의해 실제 건설 구조물 설계에 반영하게 된다.
한편, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 종래 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법의 동작 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법은, 먼저, 분석대상인 비교 대안을 도출하고(S110), 다음으로, 정성적 평가(S120) 및 정량적 평가(S130)를 수행하게 된다. 이후, 상기 정성적 평가(S120) 및 정량적 평가(S130)가 이루어진 후, 대안별 가치점수(VI)를 평가하고(S140), 이에 따른 설계 제안을 하게 된다(S150). 이하, 표 1 내지 표 6을 참조하여 보다 구체적으로 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정을 위한 평가지표는 표 1과 같이 주어질 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법은, 분석대상인 비교 대안을 도출한다(S110).
예를 들어, 분석대상은 "00 멀티테크노 밸리 제O 공구 조성공사"의 "외곽 O-O 간선교"로 선정하였고, 이때, 도출된 비교대안은 대상교량의 최적 교량형식 선정으로서, 그 비교대안에 대한 일반 사항은 예를 들어, 도 2와 같이 주어질 수 있다.
도 2는 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정을 위한 원안 및 여러 대안을 예시하는 도면으로서, 예를 들어, 원안설계로는 스틸 박스 합성형(210), 대안 설계 1로는 일면로제 아치교(220), 대안 설계 2로는 Plat 아치교(230), 대안 설계 3으로는 V각 강라멘교(240)가 주어질 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 분석대상인 비교 대안을 도출한 후, 정성적 평가(S120) 및 정량적 평가(S130)를 각각 수행하게 된다.
상기 정성적 평가(S120)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 발주처는 입찰안내서를 준비하고, 설계팀은 설문 조사를 수행하는 등 평가 기준항목을 설정하는데(S121), 이때, 자료 및 문헌조사가 이루어진다. 예를 들어, 최적의 교량형식 선정을 하기 위한 성능평가 기준항목은 시공성, 내구성, 구조안정성, 기초안정성, 친환경성, 유지관리성, 경관조화성 및 기능편의성으로 분류하고, 그 성능에 대한 정의를 표 2에 나타내었다.
다음으로, 상기 평가 기준항목을 설정한 후, Matrix 기법 또는 AHP(Analytic Hierarchy Process) 기법 등의 품질 모델(가중치: Dr)을 산정한다(S122).
상기 표 2의 성능평가 기준에 대한 품질모델(가중치) 산정을 위하여, 설계자가 대상사업 현황에 대한 설명을 수행하며, 이에 따라 전문가 및 VA 분석자를 대상으로 설문조사가 수행되었다. 이와 같이 수행된 설문조사 분석결과를 바탕으로 AHP 기법을 사용하여 다음의 표 3과 같은 가중치를 산정할 수 있다.
또한, 상기의 AHP 분석 결과의 일관성 검증은 Satty가 제안한 일관성 비율(consistency ration: C.R.)로 검증할 수 있으며, 여기서, C.R의 값이 10% 이내인 경우, 신뢰 있는 결과라고 할 수 있다. 따라서, 표 3에서 알 수 있듯이, C.R. 값이 0.0074로 분석 결과가 일관성을 유지하고 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상기 품질모델(가중치)을 산정한 후, 대안별 등급점수(RI)가 평가되고(S123), 이때, 대안별 장단점이 분석되며, 또한, 설계팀 및 자문팀의 설문 조사가 이루어질 수 있다.
즉, 각 성능평가 항목에 대한 대안별 등급점수(RI)의 산정은, 우선 설계자가 전문가 및 VA 분석자를 대상으로 하여 설계 현황을 설명하고, 이에 설문 대상자는 각기 대안들에 대한 장점 및 단점 분석을 통하여 등급점수를 부여하였다. 성능평가 기준 항목별에 따라 상기 표 3의 품질모델 가중치와 각 설문자가 부여한 등급을 도 1에 제시한 신뢰도를 강조한 의사결정 방법의 절차에 따라 대안별 성능평가를 수행하게 되며, 그 결과는 표 4와 같이 주어질 수 있다.
표 4에 도시된 바와 같이, 대안설계 1의 성능점수가 90.3점으로 가장 높게 분석되었으며, 성능향상지수가 10.5로 분석되었다. 또한, 대안설계 3 및 대안설계 2의 성능점수가 각각 84.0점(PII=2.8), 83.3점(PII=1.9)으로 모든 대안설계안이 원설계안보다 성능면에서 우위를 보이고 있다.
다음으로, 대안별 성능점수(PI) 평가가 이루어진다(S124). 이때, 성능점수(PI)는 PI=∑(Dr×RI)/10 로 구해지고, 성능향상지수(PEI)는 PEI=(PIalt. - PIari.) / PIari.로 구해질 수 있다.
한편, 상기 정량적 평가(S130)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 할인율, 분석기간 등의 기본 가정사항 및 원칙을 제시한다(S131). 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정에서, 적용대상 교량은 하천을 횡단하며, 기온은 보통지역, 적설량은 보통지역, 통행량은 많은지역, 지형은 해안지역에 해당된다고 할 때, 그 분석을 위한 가정사항 및 분석원칙을 정리하면 표 5와 같다.
다음으로, 자료 수집 및 분석이 수행되는데(S132), 이때, 비용 및 주기 관련 자료, 대상지 주변상황 조사 및 교통관련 자료 등이 수집된다. 여기서, LCC 분석을 위한 기본적인 데이터인 비교안별 유지관리 물량은 개략 설계된 대안에 대하여 물량을 산출하여 분석하였으며, 단위 유지관리 비용 및 각종주기 관련 데이터는 2003년도 한국도로공사의 데이터를 활용하였다.
다음으로, 확정적 LCC 결과(LCCmean) 산정, 확정적 누적 LCC 분포, 확률적 LCC 발생분포(PDF) 및 확률적 LCC 빈도분포(CDF) 등의 확률적 LCC 분석이 이루어진다(S133).
다음으로, 대안별 상대 LCC(CI) 평가가 이루어진다(S134). 이때, 상대 LCC 지수(CI)는 CI alt. = LCC mean alt. / LCC mean ari.로 주어진다.
한편, 전술한 정성적 분석(S120) 및 정량적 분석(S130)이 이루어진 후, 대안별 가치점수(VI)를 평가하게 된다(S140). 이때, 원안 및 대안에 대해 VI=∑(PI/CI)가 구해지며, 또한, 가치향상지수(VEI)는 VEI=(VI alt.-VI ari.)/VI ari.로 구해지며, 결국, 상기 가치점수(VI) 및 가치향상지수(VEI)에 따른 설계 제안이 이루어지게 된다(S150).
종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정에 대한 분석결과로서, 전술한 교량의 LCC 모델에 따라 확률적 LCC 분석이 수행되었고, 이와 같이 수행된 확률적 LCC 분석에 의한 확정적 LCC 결과값을 나타내면 다음의 표 6 및 도 3과 같다. 표 6은 대안별 LCC 분석 결과를 나타내며, 도 3은 종래의 기술에 따른 도 2의 각 대안별 연도별 누적 생애주기비용(확정적 모델)을 나타내는 도면이다.
또한, 도 3에서 알 수 있듯이, 분석대상 교량이 모두 강교량으로 구성되어 있기 때문에, 유지관리비용의 증가 경향이 거의 유사함을 알 수 있으며, 아래의 표 6의 분석결과에서 대안설계 3안이 378.2억원으로 가장 경제적인 대안으로 원안설계에 비하여 대략 3%의 절감효과가 있는 것으로 분석되었고, 대안설계 1안이 382.1억원(C.I=1.01), 대안설계 2안이 383.5억원(C.I=1.02), 원안설계가 388.4억원(C.I=1.03)의 순으로 분석되었다.
한편, 도 4는 종래의 기술에 따른 도 2의 각 대안별 누적 비용발생 분포(확률적 모델)를 나타내는 도면이다.
도 4는 50,000회의 Monte Carlo Simulation을 통하여 산정된 확률적 LCC 분석결과로서, 발생확률 이력에 대해 산출된 각 대안별 비용은 발생비용의 범위 값으로서 다음과 같이 해석될 수 있다.
도 4에서 보여진 80% 발생확률에 대해 살펴볼 때, LCC가 각각 원안설계가 412.90억원, 대안설계 1안이 404.26억원, 대안설계 2안이 406.90억원, 대안설계 3안이 402.36억원보다 낮게 나올 확률이 80%인 것을 의미한다. 또한, 각 대안의 최소 및 최대값이 각각 원안설계가 290.46억원과 579.06억원, 대안설계 1안이 294.84억원과 577.60억원, 대안설계 2안이 290.21억원과 552.75억원, 대안설계 3안이 280.49억원과 554.70억원으로 산출되었으며, 여기서, 변동계수는 결과값의 변동성을 보여주는 지표로서 각각 0.14, 0.13, 0.13, 0.14로 분석되었다.
한편, 도 5는 종래의 기술에 따른 도 2의 대안별 가치점수 및 가치향상지수를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 가치점수가 대안설계 1, 대안설계 3, 대안설계 2 및 원설계안의 가치점수가 각각 90.3점, 84.0점, 82.5점, 79.3점 순으로 분석되었으며, 또한, 가치향상지수는 원설계안 대비 대안설계 1안이 13.8%, 대안설계 3안이 5.9%, 대안설계 2안이 4.0% 향상된 것으로 분석되었다.
그러나, 전술한 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법은, 설계단계별 설계안의 상세화를 무시한 채 단순히 형식적인 VE/LCC 분석만 수행한다는 문제점이 있고, 또한, 의사결정에 대한 신뢰 수준을 고려하지 못하고 있다는 문제점이 있다.
또한, 전술한 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법은, 대부분의 토목 구조물은 외적하중, 특히 자연하중에 대해 노출되어 있는데, 이러한 고려를 포함하고 있지 않다는 문제점이 있다. 또한, 전술한 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법은, 비록 신뢰도를 향상하기 위하여 LCC 분석시 확률적 해석을 수행하지만, 지배적인 정성적 항목(전문가 직관)에 대한 불확실성을 충분히 고려하지 못하고 있고, 또한, 설계 가치분석(VA)과 확률적 모델과의 상관성에 관한 규명이 불명확하다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 설계단계별 설계안의 상세화를 고려하고, 의사결정에 대한 신뢰 수준을 고려함으로써, 의사결정시 오류를 최소화할 수 있는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 각 설계단계마다 설계데이터의 상세도 등의 차이에 따른 각 단계의 특성에 적합한 의사결정에 적용할 수 있는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 정성적 항목에 대한 불확실성을 충분히 고려하고, 설계 가치분석(VA)과 확률적 모델과의 상관성에 대해 명확하게 규명할 수 있는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 생애주기비용(Life Cycle Cost: LCC)에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법은,
a) 건설 구조물을 위한 원설계안 및 적어도 하나의 예비안에 대해 정성적 가치분석 방식으로 비교형식을 선정하는 예비 분석 단계;
b) 상기 선정된 비교형식에 대하여 불확실성을 고려한 확률적 생애주기비용(LCC) 분석에 근거한 위험도 가치분석(Value Analysis: VA) 방식으로 최적 대안을 선정하는 1차 분석 단계;
c) 상기 원설계안과 최적 대안에 대하여 각각 구체화 설계를 수행하고, 상기 건설 구조물의 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석 및 이를 기초로 한 신뢰성 생애주기비용(LCC)에 근거한 위험도 가치분석(VA) 방식으로 최적 형식을 선정하는 2차 분석 단계; 및
d) 상기 선정된 최적 형식에 대하여 생애주기비용(LCC) 최적 설계를 수행하고, 상기 건설 구조물의 부재 형상 및 치수에 따른 상세 설계를 수행하여 최종적인 설계안을 채택하는 3차 분석 단계를 포함하되,
상기 a) 내지 c) 단계에서의 의사결정 표시의 신뢰도를 확보하기 위해 의사결정 신뢰성 해석을 각 단계별로 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법을 설명한다.
전술한 바와 같이, 생애주기 전반의 원가절감 측면을 고려한 VE(Value Engineering)기 주목받고 있지만, 국내의 경우, 발주자, 설계자 및 시공자 등의 전반적인 인식의 부재와 설계 VE를 위한 실질적인 운용기법, 구체적인 절차의 부재로 인하여 개선효과가 큰 설계 단계에서의 VE 활동이 제대로 이루어지지 못하고 있다.
이러한 분위기에 따라 설계 VE 활동의 미약함을 인지하여 국내에서도 건설교통부 건설기술관리법 시행령에 의거 총 공사비 500억원 이상인 공공발주공사에 대하여 생애주기비용(LCC)으로 “설계의 경제성 등 검토(설계 VE)"를 시행하도록 의무화하였다. 이에 따라 설계 VE 및 LCC 분석기법이 공공사업의 설계단계에서부터 적용하도록 하는 건교부의 세부지침이 마련되었다.
그러나, 이러한 관계법령에도 불구하고, 턴키(설계/시공 일괄입찰방식: TK) 설계, 대안설계, 민간투자사업 설계 등의 다양한 설계용역에서 설계 VE을 수행함에 있어, 최적형식을 선정하기 위한 대안 선정시 체계적인 분석에 의해 수행하지 않으며, 설계데이터의 상세 등을 고려하지 않고 단순히 전문가의 경험과 직관에 의존하여 최적 대안을 선정하여 원안설계와의 VE 분석을 통하여 최적 형식을 선정하고 있는 실정이다.
이에 대해 본 발명의 실시예는 건설 구조물로서, 최적의 항만구조물(컨테이너 터미널 안벽구조물)의 설계를 위하여 몇 단계의 주요한 의사결정을 다양한 생애주기비용 방법 및 가치분석 방법을 적절히 고려한 네 단계의 다단계 의사결정 방법을 개시한다.
여기서, 상기 다단계 설계 개념은 여타 다른 분야와 마찬가지로 점진적으로 발전하게 되는 통상의 설계 과정의 특성을 반영하고 있다. 이러한 다단계 의사결정방법은 각 설계 단계에서 설계 데이터의 상세도 등의 차이에 따른 각 단계의 특성에 적합한 의사결정 방법에 의거하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예는 항만 안벽구조물의 의사결정의 신뢰도를 확보하기 위하여 다단계 의사결정 방법을 제시함으로써, 설계 단계에서의 합리적인 의사결정을 도모하게 된다.
일반적인 항만 안벽구조물은 해저 사석마운드로부터 일정 해수면 위까지 건설되기 때문에 안벽구조물이 자연재해, 즉, 지진 및 해일 등의 강력한 파력에 직접 노출되는 특징을 가지고 있다. 이러한 항만 안벽구조물의 본래의 기능성을 만족스럽게 확보하기 위해서는 여러 가지 파손모드에 대한 안전성이 특히 요구되어지고 있으며, 그 기능성을 위협하는 가장 대표적인 파손모드로는 안벽구조물의 활동, 전도 및 사석마운드의 지지력 부족 등의 외적안정 조건을 들 수 있다.
따라서, 최근 이러한 안벽구조물을 비롯한 여러 항만 구조물들을 설계할 때, 안전성은 물론 기능성과 경제성이 동시에 고려될 수 있는 기법들이 다각적으로 연구되고 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법의 개략적인 동작 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다단계 의사결정 방법, 예를 들어, 대표적 항만구조물인 컨테이너 터미널의 안벽구조물의 설계의사 결정 과정은, 1) 예비분석을 통한 비교형식 선정(S610), 2) 1차 분석을 통한 최적대안 선정(S620), 3) 2차 분석을 통한 최적형식 선정(S630), 및 4) 3차 분석을 통한 구조부재의 형상 및 치수 선정(S640)으로 구성되며, 이때, 상기 S610 단계 내지 S630 단계에서의 의사결정 표시의 신뢰도를 확보하기 위해 의사결정 신뢰성 해석을 각 단계별로 수행하고, 이러한 4 단계를 통하여 최종적인 설계안을 선정하게 된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법은, 먼저, 원안과 여러 대안의 비교 형식 선정을 위한 예비 분석을 수행한다(S610). 즉, 원안과 적용 가능한 다양한 형식의 여러 대안에 대하여 불확실성을 고려한 정성적 가치분석 방법에 의해 1차 스크린 작업을 수행하여 비교형식을 선정하게 된다.
이후, 최적 대안 선정을 위한 1차 분석을 수행한다(S620). 즉, 선정된 비교형식에 대하여 불확실성을 고려한 확률적 LCC 분석에 근거한 위험도 가치분석 방법에 의해 2차 스크린 작업을 수행하여 최적 대안을 선정한다.
다음으로, 최적 형식 선정을 위한 2차 분석을 수행한다(S630). 즉, 원설계안과 도출된 최적 대안에 대하여 각각 구체화 설계를 수행한 이후, 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석을 수행하고, 이를 기초로 한 신뢰성 LCC에 근거한 위험도 가치분석 방법을 통하여 최적 형식을 선정하게 된다.
마지막으로, 구조 부재의 형상 및 치수 선정을 위한 3차 분석을 수행한다(S640). 즉, 최종 단계로서 이전 단계에서 선정된 최적형식에 대하여 LCC 최적 설계를 수행하여 부재의 형상 및 치수 등의 상세 설계를 수행하여 최종의 설계안을 채택하게 된다.
이러한 예비 분석 내지 3차 분석까지의 다단계 설계 개념은 여타 다른 분야와 마찬가지로 점진적으로 발전하게 되는 통상의 설계 과정의 특성을 반영하고 있다. 또한, 이러한 다단계 의사결정 방법은 각 설계단계에서 설계데이터의 상세도 등의 차이로 인하여 각 단계의 특성에 적합한 의사결정방법에 의거하여야 할 것이다.
또한, 각 의사결정 단계에서의 의사결정시 전문가의 경험과 직관, LCC 분석시의 모든 입력변수들을 무작위변량으로 고려하여 불확실 변수에 대한 신뢰도를 향상시키기 위하여 정성적 및 정량적 분석 모두에 대하여 확률적 분석을 수행하며, 매 단계의 의사결정시 신뢰성 해석을 수행하여 의사결정의 신뢰도를 확보하게 된다.
이하, 도 7을 참조하여, 보다 구체적인 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법을 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 보다 구체적인 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법은, 기본조건 분석 단계(S610-1), 예비 분석 단계(S610-2), 1차 분석 단계(S620), 2차 분석 단계(S630), 3차 분석 단계(S640-1) 및 설계 제안 단계(S640-2)로 이루어질 수 있다.
먼저, 최초의 예비분석(S610-1, S610-2) 시에는 개략적인 항만 안벽구조물 형식에 대하여 불확실성을 고려한 정성적 성능분석 방법에 의하여 비교 형식을 선정하도록 하였으며, 이는 기본설계 이전의 다양한 항만 안벽구조물에 대한 개념적 설계를 기반으로 하여 전문가들의 경험에 의한 의견을 확률 분포로 고려하여 합리적인 성능 분석이 가능하도록 하였다.
먼저, 기본조건 분석 단계(S610-1)에서는, 입찰 안내서 등 검토를 통한 발주처 요구사항 분석, 주민설문조사 결과 검토를 통한 사용자 요구사항 분석 및 설계도서 등 문헌 검토를 통한 기술적 요구사항 분석을 수행하고, 다음으로, 예비 분석 단계(S610-2)는 기본조건 분석에 근거한 예비 형식 도출 및 분석, 불확실성을 고려한 정성적 VA 분석을 수행하는데, 이때, 예비 형식별 정성적 평가가 이루어지고, 원설계안을 배제한 채, 후술할 1차 분석을 위한 비교형식을 선정하게 된다.
다음으로, 1차 분석 단계(S620)는 예비 분석 선정 비교형식별 특성 조사 및 분석하고, 불확실성을 고려한 확률적 설계 VA/LCC 분석을 수행하는데, 이때, 비교형식별 정성적 평가, 비교형식별 정량적 평가 및 비교형식별 가치 평가가 이루어지고, 원설계안을 배제한 채, 후술할 2차 분석을 위한 최적 대안을 선정하게 된다.
즉, 1차 분석시에는 예비분석에 의해 도출된 비교형식에 대하여 항만 안벽구조물의 개략적 기본설계를 확률적 생애주기비용을 고려한 가치분석 방법을 적용할 수 있으며, 여기서 정량적인 결과인 생애주기비용과 정성적인 결과인 성능 모두를 확률분포로 고려하여 합리적인 가치분석이 가능하도록 하였다.
다음으로, 2차 분석 단계(S630)는, 1차 분석 선정 최적대안별 특성 조사 및 분석, 외적 안정 및 불확실성을 고려한 신뢰성 기반 설계 VA/LCC 분석을 수행하는데, 이때, 비교대안별 정성적 평가, 비교대안별 신뢰성 해석, 비교대안별 정량적 평가 및 비교대안별 가치 평가가 이루어지고, 원설계안을 포함하여 후술할 3차 분석을 위한 최적형식을 확정하게 된다.
즉, 2차 분석시에는 1차 분석에 의해 도출된 최적 대안에 대하여 기본설계를 수행하고, 원설계안을 포함한 항만 안벽구조물의 외적 안정성에 대한 신뢰성 해석을 통하여 신뢰성에 근거한 생애주기비용 분석방법을 이용하도록 하였으며, 이는 자연재해의 위험에 노출되어 있는 항만 안벽구조물에 대한 파손 확률을 고려하여 항만 안벽구조물의 형식을 결정되도록 하였다.
다음으로, 3차 분석 단계(S640-1)는, 2차 분석 선정 최적 형식에 대한 최적 설계조건 분석, 원설계안 단면 분석 및 LCC 최적 설계를 수행하는데, 이때, 설계변수, 목적함수 및 계약조건 정의가 이루어지고, 또한, 결과 분석 및 최적 단면 선정이 이루어진다.
즉, 3차 분석은 2차 분석에 의해 결정된 항만 안벽구조물의 형식에 대하여 구조부재의 형상 및 치수 선정을 위한 상세 설계시에 생애주기비용을 고려한 최적화 설계기법을 적용하여 최적단면 설계가 이루어지도록 하였으며, 여기서, 추가적으로 원설계안에 대하여도 LCC 최적설계를 수행하여 원설계안과 설계대안과의 재검토를 수행하여 설계의 완성도를 높일 수 있도록 하였다.
마지막으로, 설계 제안 단계(S640-2)는, 대상 구조물의 최적 형식 및 대상 구조물의 최적 단면을 제안하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계의사 결정 방법에서의 최적형식 선정 단계인 2차 분석 단계(S630)까지에서 단계별 의사결정 문제에서 성능(performance) 및 가치(value)에 대한 불확실성을 효율적이며 합리적으로 고려하여야 한다.
한편, 도 8a 내지 도 8c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 신뢰성 해석의 필요성 및 그 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 대안별 가치분석 결과에서 누적확률분포(Cumulative Distribution Function; CDF)의 누적확률에 따른 A와 B의 가치가 누적확률이 60% 이상에서는 B가 A보다 가치 지향적이며, 발생확률이 60% 이하에서는 A가 B보다 가치 지향적임을 알 수 있다. 이와 같은 경우 두 대안 중에서 임의 대안의 상대적 우수성을 평가하기에는 다소 무리가 있다.
따라서, 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 신뢰성 해석 개념을 도입하여 A와 B가 무작위변량(random variable)인 경우, 상대적 우위성은 역시 무작위변량인 안전여유(safety margin) Z=B-A로 표현되며, Z>0일 때 대안 B가 상대적 우위성을 가지며, Z≤0일 때 상대적 우위성을 상실한 상태가 되어 A가 상대적 우위성을 가지게 됨을 알 수 있으며, 이러한 신뢰성 해석 개념을 도입한 의사결정을 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정성적 가치 분석 방법에 의한 예비 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정성적 가치 분석 방법에 의한 예비 분석 절차는, 성능평가 항목 선정(S611), 성능평가 기준 선정(S612), 예비안 도출(S613), 예비안 등급지수 선정(S614), 의사결정을 위한 신뢰성 해석(S615) 및 비교형식 선정(S615) 절차를 거치게 된다.
구체적으로, 예비 분석은 전술한 바와 같이, 도출된 예비안들에 대한 개념적 설계를 기반으로 하여, 예비안들에 대한 성능(performance)에 대한 전문가들의 경험에 의한 다양한 의견을 확률분포로 가정하여 보다 합리적인 의사결정을 수행하게 된다.
상기 예비분석은 대상프로젝트 특성을 고려하여 발주자, 사용자 등의 요구분석을 통하여 성능평가 항목 및 성능평가 기준을 선정하게 되며(S611, S612), 이후, 원안설계 분석을 통하여 예비안을 선정하게 된다(S613). 여기서는 개념 설계를 바탕으로 분석을 수행하게 됨에 따라 LCC 분석을 수행하지 않기 때문에 성능평가 기준항목 선정시 경제성 기준을 반드시 포함하여야 한다.
상기 성능평가 기준 분석은 비교적 간편한 Matrix 기법을 적용하여 성능평가 기준(Weights of Criteria: WC)을 수립하게 되며, 이후, 비교형식별 등급지수를 선정하는데(S614), 상기 비교형식별 등급지수(Rank Index, RI)는 10점 평가등급기준으로 각 예비안별로 성능평가항목에 대하여 전문가 설문에 의하여 평가등급을 부여하게 되며, 각 전문가에 의하여 부여된 평가등급에 대한 불확실성을 저감하기 위하여 RI를 삼각형분포로 가정하여 통계분석을 수행하여 적용하게 된다.
이후, 의사결정을 위한 신뢰성 해석(S615)시의 성능(performance) 한계상태함수는 수학식 1과 같으며, 다양한 예비안 각각에 대한 기준(basis) 예비안대비 성능 의사결정 신뢰도 수준을 측정을 통하여 의사결정을 수행하게 된다. 여기서, 성능변수를 무작위변량(random variable)으로 고려하게 된다.
g(.) = PI alt.2 - PI alt.1 = [∑(WC×RI alt.2) - ∑(WC×RI alt.1)]
여기서,
PI alt.1, PI alt.2 =기준(Basis)예비안 및 비교 예비안의 성능지수 분포값
WC =예비안분석을 위한 성능평가기준(품질모델)의 분포값
RI alt.1, RI alt.2 = 기준(Basis)예비안 및 비교 예비안의 등급지수 분포값
상기 수학식 1의 한계상태함수가 상관성이 없는 정규변량의 선형 함수인 경우, 신뢰성 해석 방법은 FORM(First Order Reliability Method)과 MCS(Monte Carlo Simulation)를 이용하는 방법이 있다.
상기 FORM 방법은 성능함수의 테일러급수 근사치를 근거로 하여 랜덤변량의 2차 모멘트의 통계치(Mean, Covariance)만을 사용하는 것이고, 상기 Monte Carlo 시뮬레이션 기법은 많은 수의 입력 데이터 결합의 평균치로서 초과확률을 표현할 수 있는 비교적 단순한 방법이다. 여기서, 상기 MCS의 장점은 컴퓨터 프로그램에 적용하기에 쉬우며 만족스러운 결과를 도출할 수 있다는 것이며, 임의의 랜덤변량의 분포에 있어서도 한계상태함수의 제한이 없다는 것이다.
따라서, PIalt.1, PIalt.2,WC, RIalt.1, RIalt.2는 정규분포, 로그분포 및 삼각형분포와 같은 형태의 랜덤변량이며, 각 분포에 따른 확률 특성치, 즉, 평균(mean)과 변동계수(Coefficients of Variation, COV), 최소값, 최빈값, 최대값 등으로 표현된다.
상기 수학식 1에서와 같이 제안된 성능 한계상태함수에 대한 신뢰성 해석은 비교 예비안의 성능지수(Performance Index: PI)가 기준 예비안의 성능지수보다 더 높게 산정될 확률로 정량화할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 예비분석 방법은 성능지수 산정값의 불확실성과 변동성을 고려하여 분석하는 것이 가능하게 된다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 불확실성을 고려한 확률적 VA/LCC 분석 방법에 의한 1차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 전술한 예비분석 단계에서 선정된 비교 형식들에 대한 개략적 기본설계를 수행한 후(S610), 본 발명의 실시예에 따른 1차 분석은, 이를 기반으로 하여 정성적 평가(performance)와 정량적 평가인 LCC 분석을 수행하게 된다. 즉, 불확실성을 고려한 정성적 평가 과정(S621), 확률적 LCC 분석 과정(S622)과 신뢰성 해석에 의한 의사결정 과정(S623)으로 구분된다.
이러한, 1차 분석시 모든 변량에 대한 불확실성을 고려하여 분석결과에 대한 신뢰도를 향상하기 위하여 모든 변량을 무작위변량으로 고려하였으며, 정성적 및 정량적 특성을 고려한 신뢰성 해석에 의한 가치평가를 통하여 의사결정을 수행하게 된다.
상기 정성적 평가 과정(S621)은 성능 평가항목 및 성능 평가기준 선정(S621-1), 가중치에 따른 성능 평가기준 산정(S621-2), 비교 형식별 등급지수 부여(S621-3) 및 비교 형식별 성능지수 평가(S621-4)로 이루어진다.
구체적으로, 상기 정성적 평가 과정(S621)은 전술한 예비분석 단계에서와 달리 LCC 분석을 분리하여 수행하게 됨에 따라 경제성 기준을 반드시 배제하여야 하며, 또한, 성능평가기준 선정시 전문가 설문을 통하여 조사된 평가기준 항목에 대한 쌍대비교 중요도는 Saaty의 판단기준을 적용하며, 이에 대한 불확실성을 고려하기 위하여 통계 분석을 수행하여 분석결과의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 통계 분석된 쌍대비교 중요도는 AHP(Analysis Hierarchy Process) 분석 기법을 통하여 WC를 산정하게 되며(S621-2), 이때, 상기 AHP 분석은 그 분석결과에 대한 일관성 검증은 Saaty가 제안한 일관성 비율(Consistency Ratio: C.R.)로 검증할 수 있으며, Saaty는 C.R.값이 0.1 이내인 경우에 쌍대비교 중요도 산정에 무리가 없으며 신뢰 있는 결과로 간주하고 있다.
그리고, 비교형식별 RI는 10점 평가등급기준으로 각 비교형식별로 평가항목에 대하여 전문가 설문에 의하여 평가등급을 부여하게 되며(S621-3), 각 전문가에 의해 부여된 평가등급에 대한 불확실성을 저감하기 위하여 통계분석을 수행하여 등급지수를 결정하게 된다(S621-4).
다음으로, 상기 확률적 LCC 분석 과정(S622)인 정량적 분석 과정은, 비용 모델 개발 및 데이터 수집(S622-1), 기본 가정사항 및 원칙 제시(S622-2) 및 확률적 LCC 분석(S622-3)으로 이루어진다.
상기 정량적 분석 과정(S622)에서는 비용 모델 개발 및 데이터를 수집하고(S622-1), 기본 가정사항 및 원칙을 제시(S622-2)한 후에, LCC 분석을 위한 모든 입력변수들을 무작위 변량, 즉, 통계데이터가 부족한 주기관련 데이터는 삼각형 분포, 통계 데이터가 다소간 존재하는 비용관련 데이터는 정규분포로 간주하여 확률적 LCC 분석(Probabilistic Life Cycle Cost: PLCCA)을 수행하게 되며(S622-3), 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 안벽구조물에 대한 LCC 분석을 위한 비용모델을 수학식 2～4와 같이 나타내었다.
[E(C OMR (x, T))]
여기서, E [ LCC Total(x, T)]= 생애주기비용의 현재가치
C INI = 초기비용
E(C OMR(x, T) = 유지관리비용의 현재가치
C INI = C DES + C CSV + C CON + C ISI
여기서, C DES = 계획/설계비용 C CSV = 설계/시공감리비용
C CON = 시공비용 C ISI = 정기점검/정밀점검/정밀안전진단비용
C OMR = C MAI + C REH + C DIA-I + C DIA-II + C DIA-III
여기서, C MAI = 보수비용
C REH = 보강비용
C DIA-I-II-III = 점기점검/정밀점검/정밀안전진단비용
다음으로, 의사결정 과정(S623)은 신뢰성 해석을 위한 가치 평가(S623-1) 및 최적 대안 설정(S623-2)으로 이루어진다.
상기 의사결정 과정(S623)에서, 의사결정을 위한 신뢰성 해석시의 가치(value) 한계상태함수는 수학식 5와 같으며, 다양한 비교형식 각각에 대한 기준(basis) 비교형식 대비 가치향상 신뢰도 측정을 통하여 의사결정을 수행하게 된다. 여기서, 상기 가치분석(VA)을 위한 PI 및 LCC 모두를 무작위변량(random variable)으로 고려하게 된다.
g(.)=VI alt.2 - VI alt.1 = [PI alt.2 / LCC alt.2 ] - [PI alt.1 / LCC alt.1 ]
여기서,
VI alt.1, VI alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 가치지수 분포값
PI alt.1, PI alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 성능지수 분포값
LCC alt.1, LCC alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 LCC 분포값
따라서, VIalt.1, VIalt.2, PIalt.1, PIalt.2, LCCalt.1, LCCalt.2 는 정규분포, 로그분포 및 삼각형분포와 같은 형태의 랜덤변량이며, 각 분포에 대한 특성치로 표현된다. 수학식 5에서와 같이 제안된 가치한계 상태함수에 대한 신뢰성 해석은 비교 형식안의 가치지수가 기준 비교형식의 가치지수보다 더 높게 산정될 확률로 정량화할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석에 의한 위험도 VA/LCC 분석 방법에 의한 2차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 2차 분석은 원설계안 및 최적 대안인 분석 대상이 정해지면(S620), 정성적 평가(performance)와 정량적 평가인 LCC 분석을 수행하게 된다. 즉, 불확실성을 고려한 정성적 평가 과정(S631), 확률적 LCC 분석 과정(S632)과 신뢰성 해석에 의한 의사결정 과정(S633)으로 구분된다.
상기 2차 분석은 원안설계와 가치적 특성치를 비교하기 위하여 전술한 1차 분석 단계(S620)에서 선정된 최적 대안에 대한 기본설계를 수행한 이후, 이를 기반으로 하여 1차 분석 단계와 동일하게 정성적 평가(S631)와 정량적평가인 LCC 분석(S632)을 수행하게 된다.
이러한 LCC 분석시 모든 변량에 대한 불확실성을 고려하며, 2차 분석 단계에서 특이한 사항은 대상 구조물의 외적안정에 대한 신뢰성 해석을 통하여 대상 구조물의 파손확률을 산정하여 구조물의 안전도를 고려할 수 있는 방법으로서, 지진, 태풍, 해일 등의 자연재해 위험에 노출되어 있는 안벽구조물에 대한 파손확률, 즉, 구조물의 안전도를 LCC 분석시 고려하도록 하였다.
또한, 의사결정 과정(S633)은 상기 정성적 및 정량적 특성을 고려한 신뢰성 해석에 의한 가치평가(S633-1)를 통하여 의사결정을 수행한 후, 최적 형식을 확정하게 된다(S633-2).
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 2차 분석은 1차 분석에서와 유사하게 크게 3과정인 정성적 평가 과정(S631), 정량적 평가 과정(S632), 의사결정 과정(S633)으로 동일하게 구분할 수 있다.
상기 정성적 평가 과정(S631)은 신뢰성 해석을 통한 안전성을 추가적으로 고려하게 됨으로 안전성 기준을 추가적으로 반드시 배제하여야 하며, 이후의 과정은 1차 분석에서와 동일하게 수행된다.
상기 정량적 평가 과정(S632)에서는 LCC 분석을 위한 모든 입력변수들을 무작위변량으로 간주하고, 안벽구조물에 대한 외적안정에 대한 신뢰성설계 결과를 포함하는 신뢰성기반 LCC 분석(Reliability-based Life Cycle Cost: RLCCA)을 수행하게 된다. 여기서, 신뢰성기반 RLCCA는 의사결정을 위한 가치지수(Value Index: VI)에 대한 신뢰성 해석과는 상이하며, 이러한 안벽구조물의 LCC 분석을 위한 비용모델을 수학식 6～8과 같이 나타내었다. 여기서의 신뢰성 설계를 통한 외적 안정 검토를 수행하여 대표 파손확률을 산정하고, 이를 다시 년등가 파손확률로 변환하여 LCC를 산정할 수 있다.
상기 수학식 8에서와 같은 년등가 파손확률은 실제 모든 구조물의 파손발생 시점을 산정한다는 것은 거의 불가능하므로, 이러한 구조물의 파손확률을 고려할 경우에는 파손발생 시점을 년등가의 개념을 토대로 파손시를 대비하여 예비비 즉, 파손시 복구비용과 복구시 발생되는 운영수입 손실비용 등을 비축하여야 구조물 파손에 대한 위험에 대응할 수 있다.
[E(C OMR(x, T)) + E(C FAIR(x, T))]
여기서, E [ LCC Total(x, T)]= 생애주기비용의 현재가치
C INI = 초기비용
E(C OMR(x, T) = 유지관리비용의 현재가치
E(C FAIR(x, T) = 파손비용의 현재가치
C FAIR = C FLC · [ C FREH + C OIL ]
여기서, C FLC = 구조물 생애주기 파손확률 경계치의 최대값
C FREH = 파손복구비용의 현재가치
C OIL = 파손시 운영손실비용의 현재가치
C FAIR/AN = 1 - (1 - C FAIR/LC ) 1/L
여기서, C FAIR/AN = 생애주기 파손확률
C FAIR/LC = 년 등가 파손확률
L = 생애주기
일반적인 구조 신뢰성은 내용기간 동안 설계 목적상의 기능 및 안전성을 확보할 수 있는 능력, 즉, 내용기간 동안 발생 가능한 모든 재해 환경으로 인한 악조건으로부터 파손 또는 공용 불가한 상태가 되지 않고 안전성을 확보할 수 있는 확률로서 정의할 수 있으며, 이러한 구조 신뢰성 설계를 위한 안정성 검토 방법은 표 7과 같이 구분할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 Level-3의 시뮬레이션 방법과 생애주기비용을 산정하는 Level-4 방법을 적용하였으며, 그 시뮬레이션 기법으로는 전술한 MCS 기법을 사용하였다. 또한, 안정성 검토는 다양한 하중조건, 즉, 상시, 지진시, 태풍시에 대하여 활동, 전도, 지반반력에 대한 안정성 검토를 수행하여야 하며, 대표 파손확률 산정을 위하여 Uni-modal Bound 방법을 활용한 신뢰성 기법을 적용하였다. 또한, 산정된 구조물의 파손확률은 위험비용의 산정 이외에도 구조물의 안전도의 판정기준으로도 사용될 수 있다.
일반적으로 항만구조물의 신뢰성 해석에 있어서의 항만기준의 중요도 및 현행설계법의 안전성 수준을 다음의 표 8과 표 9에 나타내었다.
또한, 일반적인 구조물의 구조 신뢰성 해석시의 파손확률 산정을 위한 한계상태함수는 항만구조물의 외적 안정조건, 즉, 활동, 전도, 지반반력에 대한 신뢰성 해석에 의한 안정성 검토를 수행하며, 신뢰성 해석을 위한 주요 시뮬레이션 기법으로 응답면 기법(Response Surface Method: RSM), 중요도 표본추출기법(Importance Sampling Technique: IST), Latin Hypercube Sampling 기법 등의 다양한 시뮬레이션 기법이 존재한다.
그러나, 임의의 랜덤변량의 분포에 있어서도 한계상태함수의 제한이 없으며 기본확률변수의 밀도함수로부터 직접 표본을 취하여 파손확률을 구하기 때문에 파괴 영역에서 표본이 추출될 확률이 거의 계산된 파손확률과 일치될 수 있는 기법인 MCS 기법이 주로 사용되고 있다. 전술한 구조 신뢰성 해석을 위하여 상용 소프트웨어로 @Risk(Palisade 2002)를 사용하였으며, RELSYS(Estes1997)와의 비교 검토를 통하여 신뢰성 해석 결과의 신뢰도를 검토하였다.
반면에, 의사결정 과정에 있어서는 의사결정을 위한 신뢰성 해석시의 가치(value) 한계상태함수는 전술한 수학식 5와 같으며, 다양한 비교형식 각각에 대한 기준(Basis) 비교형식대비 가치의사결정 신뢰 수준의 측정을 통하여 의사결정을 수행하게 된다. 여기서, 가치분석을 위한 성능지수(PI) 및 LCC 지수(CI) 모두를 무작위변량(random variable)으로 고려하여 @Risk를 사용하였으며, 전술한 구조 신뢰성 해석에 비해 단순화된 형태의 해석으로서 보다 편리하다고 할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LCC 최적 설계 방법에 의한 3차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차 분석은 기본 가정사항 및 데이터 수집(S641-1), 최적 설계를 위한 정식화(SS641-2), LCC 최적 설계(S641-3) 그리고 최적 단면 및 의사결정(S641-4) 과정으로 이루어진다.
상기 3차 분석은 마지막 설계의사결정 단계로서, 전술한 2차 분석(S630)에 의해 결정된 항만 구조물의 최적형식에 대하여 구조부재의 형상 및 단면치수 선정을 위한 상세 설계시에 생애주기비용을 고려한 구조최적화 설계기법을 적용하여 최적단면의 설계가 이루어지도록 하였으며, 원설계안에 대하여도 LCC 최적설계를 수행하여 원설계안과 최적형식과의 경제적이며 안정적인 측면에서 재검토를 수행하여 의사결정의 완성도를 높일 수 있다.
또한, 상기 3차 분석은 구조 최적화 문제로서 귀결될 수 있으며, 구조최적화는 부여된 제약조건을 만족하면서 목적함수를 최소화시키는 설계변수를 찾아내는 것으로 최적화 문제의 일반적인 형태는 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Find Vector X
Minimize F(X)
Subject to g i(X)≤ 0 i = 1,2 ......ni
h j(X)= 0 j = 1,2 ......ni
X l k ≤ X k ≤ X u k
여기서, X = 설계변수
F(X) = 비용함수(LCC)
gi(X) = 0 을 초과할 수 없는 제약조건
Xq = X q-1 + a*q ·Sq
여기서, X = 설계변수벡터
a = 반복횟수
S = 설계공간상의 방향벡터
a*q = 계약조건을 위해하지 않은 범위 안에서 목적함수가 최소화되 기 위한 S 방향으로의 이동거리
이러한 구조 최적 설계에서 F(X)와 gi(X)≤0은 일반적으로 비선형 함수의 형태로 이루어져 있으므로, 이 방정식을 풀기 위해서는 비선형 최적화 기법이 필요하며, 특정한 최적화 기법이 모든 비선형 최적화 문제에 대해 절대적인 최적해를 주지는 못하지만, 국부최적화 기법의 일반적인 해법에 의해 다음의 수학식 10을 반복적으로 풀어가면서 최적해를 구하는 과정이 보편적인 방법으로 사용되고 있다.
구체적으로, 상기 수학식 10에서 방향벡터 S 가 구해지면 최적화 문제는 설계변수 X에 대해서 하나의 변수 a로 변환되며, a는 일방향의 선탐색 방법에 의해 구할 수 있고, 이로부터 개선된 설계변수의 값을 얻을 수 있다.
최적해로 구해진 Xq는 제약조건을 만족하여야 하는데, 이에 대해서 최근에 많은 현대적인 최적화 기법들이 수치적인 프로그래밍 방법으로 개발되었으며, 이러한 기법들은 제약 조건을 무제약 조건 문제로의 변환 여부와 관련하여 직접법(primal method)과 간접법(transformation method)의 두 가지 형태로 분류할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 최적화는 간접법의 한 방법인 최적해의 신뢰성 면에서 우수한 ALM(Argument Lagrange Multiplier Method) 방법을 이용하였다.
상기 ALM 방법을 이용하여 제약조건이 있는 문제를 무제약 조건 문제로 변환하면, 다변수 무제약 최소화 기법을 사용할 수 있으며, 또한, 무제약 최소화 기법은 목적함수의 경사도의 사용유무에 따라 Direct Search 방법과 Descent 방법으로 분류할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 다양한 Descent 방법 중에서 Variable Metric 방법인 Broydon-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS) 방법을 사용하였다. 또한, BFGS 방법을 사용하여 방향탐색이 끝나면 선탐색을 수행하게 되는데, 다양한 선탐색 방법 중에서 본 발명의 실시예에서는 황금분할법(Golden Section Method)을 사용하였다.
상기에서 언급한 최적화 방법을 사용하기 위하여 최적화 프로그램인 ADS를 사용하여, 항만안벽 구조물의 최적설계를 수행하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 최적의 항만구조물(컨테이너 터미널 안벽구조물)의 설계를 위하여 몇 단계의 주요한 의사결정을 다양한 생애주기비용 방법 및 가치분석 방법을 각 설계 단계에서 설계 데이터의 상세도 등의 차이로 인하여 각 단계의 특성에 적합하도록 합리적으로 고려한 네 단계의 다단계 의사결정 방법을 제안하였다.
본 발명의 실시예에 따른 의사결정 방법은 대표적 항만구조물인 컨테이너 터미널의 안벽구조물에 대하여 예비분석을 통한 비교형식 선정, 1차 분석을 통한 최적대안 선정, 2차 분석을 통한 최적형식 선정, 3차 분석을 통한 구조부재의 형상 및 치수 선정단계로 최종적인 설계안을 도출하도록 구성하였다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 항만안벽 구조물의 설계 VE 업무를 수행하여 설계안을 도출함에 있어서, 다단계 설계 의사결정 방법에 의해 가치 지향적인 건설 구조물 설계 형식의 선정 및 구조부재의 형상 설계시 크게 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 여타 다른 분야의 설계 단계에서의 생애주기비용과 가치분석에 기초한 다단계 설계 의사결정시 합리적으로 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정 방법의 동작 흐름도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 생애주기비용에 기초한 설계 의사결정을 위한 원안 및 여러 대안을 예시하는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 도 2의 각 대안별 연도별 누적 생애주기비용(확정적 모델)을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 도 2의 각 대안별 누적 비용발생 분포(확률적 모델)를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 도 2의 각 대안별 가치점수 및 가치향상지수를 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법의 개략적인 동작 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법의 구체적인 동작 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 신뢰성 해석의 필요성 및 그 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정성적 가치 분석 방법에 의한 예비 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 불확실성을 고려한 확률적 VA/LCC 분석 방법에 의한 1차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석에 의한 위험도 VA/LCC 분석 방법에 의한 2차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LCC 최적 설계 방법에 의한 3차 분석 절차를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
S610-1: 기본조건 분석단계 S610-2: 예비분석단계
620 : 1차 분석단계 630 : 2차 분석단계
S640-1: 3차 분석단계 S610-2: 설계 제안단계

Claims (16)

  1. 생애주기비용(Life Cycle Cost: LCC)에 기초한 설계 의사결정 방법에 있어서,
    a) 건설 구조물을 위한 원설계안 및 적어도 하나의 예비안에 대해 정성적 가치분석 방식으로 비교형식을 선정하는 예비 분석 단계;
    b) 상기 선정된 비교형식에 대하여 불확실성을 고려한 확률적 생애주기비용(LCC) 분석에 근거한 위험도 가치분석(Value Analysis: VA) 방식으로 최적 대안을 선정하는 1차 분석 단계;
    c) 상기 원설계안과 최적 대안에 대하여 각각 구체화 설계를 수행하고, 상기 건설 구조물의 외적 안정을 고려한 신뢰성 해석 및 이를 기초로 한 신뢰성 생애주기비용(LCC)에 근거한 위험도 가치분석(VA) 방식으로 최적 형식을 선정하는 2차 분석 단계; 및
    d) 상기 선정된 최적 형식에 대하여 생애주기비용(LCC) 최적 설계를 수행하고, 상기 건설 구조물의 부재 형상 및 치수에 따른 상세 설계를 수행하여 최종적인 설계안을 채택하는 3차 분석 단계를 포함하되, 상기 a) 내지 c) 단계에서의 의사결정 표시의 신뢰도를 확보하기 위해 의사결정 신뢰성 해석을 각 단계별로 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계는 상기 건설 구조물 형식에 대하여 불확실성을 고려한 정성적 성능분석 방식으로 비교형식을 선정하되, 상기 건설 구조물에 대한 개념적 설계를 기반으로 하여 전문가들의 경험에 의한 의견을 확률 분포로 고려하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계는 성능평가 항목 및 성능평가 기준을 선정하고, 상기 원설계안 분석을 통하여 예비안을 선정하되, 상기 성능평가 기준항목 선정시 경제성 기준을 포함하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 a) 단계는, 각각의 예비안에 대해 기준(basis) 예비대안대비 성능 의사결정 신뢰도 수준을 측정하여 의사결정을 수행하며, 상기 의사결정을 위한 신뢰성 해석시의 성능 한계상태함수는 다음의 수학식,
    g(.) = PIalt.2 - PIalt.1 = [∑(WC×RIalt.2) - ∑(WC×RIalt.1)]
    여기서,
    PIalt.1, PIalt.2 =기준(Basis)예비안 및 비교 예비안의 성능지수 분포값
    WC =예비안분석을 위한 성능평가기준(품질모델)의 분포값
    RIalt.1, RIalt.2 = 기준(Basis)예비안 및 비교 예비안의 등급지수 분포값
    으로 주어지는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계 및 b) 단계는 상기 원설계안을 배제한 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계는 불확실성을 고려한 확률적 설계 가치분석(VA)/생애주기비용(LCC) 분석을 수행하되, 정량적인 결과인 생애주기비용과 정성적인 결과인 성능 모두를 확률분포로 고려하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 b) 단계의 가치분석(VA)/생애주기비용(LCC) 분석시, 비교형식별 정성적 평가, 비교형식별 정량적 평가 및 비교형식별 가치 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 b) 단계는 상기 LCC 분석을 분리하여 수행함으로써, 경제성 기준을 배제하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 b) 단계는 다양한 비교형식 각각에 대한 기준(basis) 비교형식 대비 가치향상 신뢰도 측정을 통하여 의사결정을 수행하되, 상기 의사결정을 위한 신뢰성 해석시의 가치(value) 한계상태함수는 다음의 수학식,
    g(.)=VI alt.2 - VI alt.1 = [PI alt.2 / LCC alt.2 ] - [PI alt.1 / LCC alt.1 ]
    여기서,
    VI alt.1, VI alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 가치지수 분포값
    PI alt.1, PI alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 성능지수 분포값
    LCC alt.1, LCC alt.2 = 기준(Basis)비교형식안 및 비교형식안의 LCC 분포값
    으로 주어지는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계 및 c) 단계는 상기 LCC 분석시의 모든 입력변수들을 무작위변량으로 고려하여 불확실 변수에 대한 신뢰도를 향상시키도록 정성적 분석 및 정량적 분석 모두에 대하여 확률적 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 원설계안을 포함시켜 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 선정된 최적 대안별 특성 조사 및 분석, 외적 안정 및 불확실성을 고려한 신뢰성 기반의 설계 가치분석(VA)/생애주기비용(LCC) 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 c) 단계의 가치분석(VA)/생애주기비용(LCC) 분석시 비교대안별 정성적 평가, 비교대안별 신뢰성 해석, 비교대안별 정량적 평가 및 비교대안별 가치 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 최적 대안에 대하여 기본설계를 수행하고, 상기 원설계안을 포함한 건설 구조물의 외적 안정성에 대한 신뢰성 해석을 통하여 신뢰성에 근거한 생애주기비용을 분석하되, 상기 건설 구조물에 대한 파손 확률을 고려하여 상기 건설 구조물의 형식을 결정하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계는 상기 원설계안에 대하여 상기 LCC 최적 설계를 수행하여 원설계안과 설계대안과의 재검토를 수행하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계는 상기 선정 최적 형식에 대한 최적 설계조건 분석 및 상기 원설계안 단면을 분석하고, 상기 LCC 최적 설계를 수행하여, 그 결과로서 상기 건설 구조물의 최적 형식 및 최적 단면을 제안하는 것을 특징으로 하는 생애주기비용에 기초한 다단계 설계 의사결정 방법.
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