자율주행 자동차의 아키텍처와 도장공장 설비 자율운영

자율주행 자동차의 아키텍처와 도장공장 설비 자율운영

  조선소 개별 공정에서 스마트공장을 추진한다면 선행도장 공정이 일순위로 꼽힌다. 작업장 외형부터 공장의 형태이며 설비를 많이 쓰고 에너지 소모도 많다. 변동성이 큰 조선업에서 앞 공정의 모든 지연을 떠안고 일정을 만회해서 탑재 단계로 넘겨줘야 하는 중요한 역할을 수행한다. 병목 구간에 해당하므로 효과성을 높이면 선박건조 전체 VALUE CHAIN의 효율이 크게 좋아진다.

  도장공장 운영은 블록 생산 계획과 맞물려야 하므로 자동화나 자율운영을 검토하기에는 범위가 너무 크다. 우선 도장공장의 설비를 자율운영 하는 것으로 추진하는 것이 좋다. 도장공장의 주요 설비는 히터, 제습기, 집진기, 도어, 조명 등이 있다. 여러 장비를 어떻게 자율운영 수준으로 끌어올릴 건가 하는 질문에 자율주행자동차의 계획 및 제어 아키텍처는 많은 영감을 준다.

  다음은 자율주행자동차의 계획 및 제어 모듈에 대한 아키텍처이다. 좁은 의미에서는 동작결정/모션계획/피드백제어 이고 넓게 보자면 트래픽 예측, 경로계획을 포함한다.(출처: 자율 주행 자동차 만들기, 리우 샤오샨 외, 에이콘출판)

1. 그림의 개념 설명

 a. 트래픽 예측: 현재 감지된 개체의 가까운 미래의 동작 예측하는 역할 담당

• 예측결과와 시공간 궤적 지점들에 대한 세부 정보를 만들어 다운스트림 모듈에 전달

 b. 경로계획(Routing): 지점 A 에서 지점 B로 가는 경로를 찾는 역할

 c. 동작결정: 자동차 조작하는 명령 생성.

 예) 현재 차선에서 전방 자동차를 따라간다, 신호등 앞에 정지선에 멈춰서 보행자가 지나갈 때 까지 기다린다 등.

• 트래픽 예측 모듈과 경로 계획 모듈로부터 받은 값을 모두 입력 값으로 사용

 d. 모션계획: 계획한 경로나 궤적을 따라 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 방법을 찾는 역할

• 로컬경로 탐색하는 최적화 문제

     (동작결정 모듈의 출력 값을 제약조건으로, 경로 계획 모듈의 출력 값을 목표로 받음)

e. 피드백 제어: 궤적 지점 정보를 가져와서, 브레이크 / 스티어링 휠/ 스트롤을 좆가하기 위한 신호 계산

• 자동차 및 도로의 물리적 모델도 함께 고려
• 실제 자세와 사전 정의된 궤적상의 자세 간 오차를 추적

2. 계획 및 제어 모듈의 구현 방안 및 인공지능 알고리즘

 a. 트래픽 예측

• 분류를 이용한 시퀀스 예측
• 회귀 모델을 이용한 궤적 생성

 b. 경로계획

   데이크스트라 알고리즘

• 그래프 이론에서 대표적인 최단 경로 알고리즘

   AI 알고리즘

• 휴리스틱 기반의 탐색 알고리즘
• 일종의 가치 기반 또는 최적 우선 탐색 알고리즘

c. 동작결정

  기존에는 규칙 기반 접근

  최근 자동차의 동작을 베이지안 모델로 표현하는 방법이 인기를 얻음

• 마르코프 결정 과정, 부분 관찰 마르코프 결정 과정

d. 모션계획

   최적화

   최소 비용을 가진 최적 경로를 계산하기 위해 동적 프로그래밍 알고리즘 사용

e. 피드백 제어

    PID 기반 피드백 제어

f. 일반

    모션계획 및 제어 문제를 해결하기 위해 최적화 기반 접근법이 여전히 많이 사용됨

    학습 기반 접근법은 현재 한계는 있지만 사용이 늘어날 것이며 강화학습 주목 받음

3. 도장공장 설비 자율운영과 자율주행 자동차의 (좁은 의미) 계획 및 제어 모듈 비교

선행도장 공정의 부하 예측 .................................... 트래픽 예측

선행도장 공정의 실행계획 ..................................... 경로계획

단위 공장에 대한 운영 방안.................................... 동작결정

목표 온도/습도를 맞추기 위한 장비 제어방안 탐색...... 모션계획

설비 제어 SCADA/PLC제어................................... 피드백 제어

자율 운영 추진을 위해서는 복잡한 문제를 여러 개의 작은 문제로 나누는 방식이 좋다. 자동차 영역에서는 모듈화 및 병렬화를 통해 자율주행 소프트웨어 개발의 복잡도를 줄이고 효율성을 높일 것이라 한다. 도장공장 장비 자율운영을 위해 모듈로 나누고 자동제어 모듈과 같이 당장 실현 가능한 것은 추진하고, 계획영역은 데이터를 쌓아나가면서 준비해 나가자.

우선 장비 자율운영을 위한 시스템의 아키텍처를 어떻게 만들 것인지에 대한 유관 조직들 간의 논의와 합의가 필요하다.