서론
광산에서 운반시스템을 효율적으로 설계하고 운영하는 것은 매우 중요하다. 운반시스템의 설계와 운영 방법에 따라 채광비용이 크게 달라질 수 있기 때문이다(Awuah- Offei, 2016). 이를 위해 오늘날 광산현장에서는 운반시스템에 대한 다양한 시뮬레이션 기법들이 사용되고 있다(Farid and Koning, 1994; Knights and Bonates, 2007; Eriksson, 2014; Coronado and Pablo, 2014; Shelswell and Labrecque, 2017). 최근까지 해외에서는 노천광산의 운반시스템에 투입될 장비들의 성능과 수를 최적화할 수 있는 이산 사건 시뮬레이션 기법들이 다수 개발되었으며(Tarshizi, 2014; Ali, 2015; Ibarra, 2015), 지하광산을 대상으로 한 시뮬레이션 기법들도 활발히 연구되고 있다(Salama and Greberg, 2012; Fioroni et al., 2014; Salama et al., 2014; Tarshizi et al., 2016; Mahieu, 2017).
국내에서도 트럭의 성능, 배차방식, 고장발생 가능성, 파쇄기의 처리용량 등의 요인들을 복합적으로 고려하여 노천광산 쇼밸-트럭 운반시스템을 시뮬레이션할 수 있는 기법들이 개발되었다(Choi, 2011; Park and Choi, 2013; Park et al., 2014a). 또한, 지하광산 트럭-로더 운반시스템을 시뮬레이션할 수 있는 기법들도 다수 연구되었다(Park et al., 2014b; Park et al., 2016). 이러한 시뮬레이션 기법들은 노천광산이나 지하광산 현장에서 사용될 수 있도록 프로그램으로 개발되었다(Park et al., 2014; Choi et al., 2016). 그러나 기존에 개발된 프로그램들은 운반시스템의 전체적인 효율성을 나타내는 주요 지표 값만을 시뮬레이션 결과로서 제공하기 때문에, 시간의 흐름에 따라 어떠한 사건들이 운반시스템에서 발생했는지 사용자가 직관적으로 확인할 수 없는 한계가 있었다.
이 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 지하광산 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션 결과를 애니메이션을 통해 직관적으로 확인할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. GPSS/H 시뮬레이션 언어(Banks et al., 2003; Choi, 2011)를 이용하여 운반시스템을 시뮬레이션한 후 그 결과를 PROOF5 애니메이션 프로그램(Henriksen, 1999)에 입력 가능한 파일형식으로 출력하여 시뮬레이션과 애니메이션을 결합할 것이다. 또한, 국내 석회석 지하광산을 대상으로 이 방법을 적용해보고자 한다. 본 연구는 지하광산 트럭-로더 운반시스템의 시뮬레이션과 애니메이션을 결합하는 것에 중점을 두었기 때문에, 시뮬레이션 모델의 검증은 연구의 범위에 포함되지 않는다.
연구지역 및 자료
본 연구에서는 강원도 삼척시 신기면 대평리에 위치한 ㈜대성MDI 동해사업소를 연구지역으로 선정하였다(Fig. 1). 연구지역에서는 지하채광 방법으로 연간 약 150만 톤의 고품위 석회석을 생산하고 있다. 연구지역에 관한 설명은 Park et al.(2016)에 상세하게 제시되었다.
2017년 현장조사 당시 연구지역에서는 540갱 작업장에만 광석이 생산되었으며(Fig. 2), 이를 기준으로 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션에 필요한 시간인자 값들을 Table 1과 같이 정리하였다. 광석 적재지점과 투하지점에서 트럭의 단위작업과 관련된 시간인자 값들은 Park et al.(2014b)를 참고하여 20회 반복 측정결과를 평균±표준편차 형태로 표현하였으며, 갱내외 운반도로 주요지점(station)간의 트럭 이동시간은 Jung and Choi(2017)를 참고하여 4회 측정결과의 평균값으로 결정하였다.
연구방법
시뮬레이션 모델 설계
연구지역 트럭-로더 운반시스템에서는 트럭이 지정된 운반도로를 따라 이동하면서 시간의 흐름에 따라 사건이 발생한다. 본 연구에서는 식(1)과 같이 트럭순환이론에 근거하여 시뮬레이션 모델을 설계하였다.
TCT=STL+LT+TL+STD+DT+TE+AD (1)
여기서 TCT는 트럭순환시간(truck cycle time), STL은 로더 근처로 트럭이 접근하는 시간(spotting time at the loader), LT는 적재작업시간(loading time), TL은 트럭이 투하지점으로 이동하는 시간(travel time of the loaded truck), STD는 투하지점 근처로 트럭이 접근하는 시간(spotting time at the dumping point), DT는 투하작업시간(dumping time), TE는 투하작업을 끝낸 트럭이 다시 적재장으로 이동하는 시간(travel time of the empty truck), AD는 평균 지연시간(average delay time)을 의미한다. 트럭-로더 운반시스템에서 발생하는 지연시간에는 운반갱도에서 마주 오는 트럭을 회피하기 위한 시간, 적재지점이나 투하지점에서 트럭의 대기행렬 발생으로 인한 대기시간, 계근대에서 트럭에 적재한 광석의 중량을 확인하기 위한 시간 등이 포함된다. 트럭순환이론에 대한 자세한 설명은 Choi(2011)에 제시되었다.
Fig. 3은 연구지역 540갱 작업장을 대상으로 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션 모델을 설계한 결과를 보여준다. 현장조사 당시 540갱 작업장에는 4대의 트럭이 고정 배차방식으로 운영되었다. 또한, 로더는 1대, 파쇄기는 2대(200 tph)가 운영되었다. 파쇄장 또는 덤핑장에서 투하작업을 완료한 트럭은 공차상태로 적재지점으로 이동한다. 이때 Table 1에 정리된 것과 같이 운반도로를 6개 구간으로 나누어 구간별로 측정된 TE 값들이 시뮬레이션 시간인자로 입력되도록 모델을 설계하였다.
적재지점에 도착한 트럭은 로더의 이용가능 여부에 따라 바로 로더로 접근할 것인지 대기할 것인지를 선택한다. 만약 로더의 이용이 가능하다면 STL이 발생하며, 이용이 불가능하다면 대기행렬에서 먼저 AD가 발생한 후 STL이 발생한다. 트럭에 로더가 광석을 적재할 때에는 LT가 발생한다. 실차상태의 트럭은 다시 6개 구간으로 나누어진 운반도로를 따라 이동하며 TL이 발생한다. 투하지점에 도착한 트럭은 파쇄기의 상태에 따라 파쇄기로 접근할지 야적장으로 갈지 결정한다(STD, DT). 이때에도 파쇄기를 사용하고 있는 트럭이 있다면 대기시간(AD)이 발생할 수 있다. 투하작업을 끝낸 트럭은 설정된 시뮬레이션 시간에 따라 적재지점으로 다시 이동할 것인지 아니면 시뮬레이션을 종료할 것인지를 결정한다.
GPSS/H를 이용한 시뮬레이터 구현
연구지역의 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션 모델을 프로그램으로 구현하기 위해 GPSS/H를 사용하였다. GPSS/H는 이산적인 사건들로 구성된 시스템을 유연하게 모델링할 수 있으며, 광업 분야뿐만 아니라 다른 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 코드를 간결하게 작성할 수 있으며, 연산속도가 빠른 장점이 있다. GPSS/H에 관한 자세한 설명은 Choi(2011)을 참고하길 바란다.
PROOF5를 이용한 애니메이션 구현
본 연구에서는 트럭-로더 운반시스템의 애니메이션 구현을 위해 PROOF5 프로그램을 사용하였다. PROOF5는 복잡한 시스템을 2D 또는 3D로 가시화하여 도식적으로 표현할 수 있다. PROOF5를 이용하여 애니메이션을 구현하기 위해서는 Layout파일과 Trace파일이 필요하다. Layout 파일은 애니메이션을 구성하는 객체들과 객체들의 이동경로 등을 정의한다. Layout 파일은 PROOF5에서 사용자가 직접 도면을 그리거나, CAD 파일을 변환하여 생성할 수 있다(Fig. 4). Trace 파일은 애니메이션 중 발생하는 동적인 사건들을 정의한 코드들로 구성된다. 시간의 흐름에 따라 애니메이션 상에서 나타나고, 움직이고, 사라지는 것들을 Trace 파일에서 지정할 수 있다(Henriksen, 1999).
시뮬레이션과 애니메이션의 결합
지하광산 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션 결과를 애니메이션으로 확인할 수 있도록 GPSS/H로 구현된 시뮬레이터와 PROOF5 프로그램을 결합하는 방법을 Fig. 5과 같이 제시하였다. 시뮬레이터가 트럭-로더 운반시스템의 주요 지표 값들(.CSV file)뿐만 아니라 PROOF5 프로그램에 입력되는 Trace 파일(.ATF file)까지 함께 출력할 수 있도록 GPSS/H 코드(.GPS file)를 작성하였다. 또한, 시뮬레이터로부터 생성된 Trace 파일과 사용자가 작성한 Layout 파일(.LAY file)을 PROOF5 프로그램에 입력하여 애니메이션을 실행할 수 있도록 하였다.
연구결과 및 토의
연구지역 지하광산 트럭-로더 운반시스템의 시뮬레이션 결과로서 생성된 Trace 파일을 Fig. 5에 제시된 방법에 따라 PROOF5 프로그램에 입력하였다. 그 결과 시간의 흐름에 따라 나타나는 사건들을 애니메이션을 통해 확인할 수 있었다(Fig. 6). Fig. 6(a)는 공차 상태의 첫 번째 트럭이 파쇄장으로부터 출발하여 S2-갱구 구간을 지나고 있을 때 두 번째 트럭이 파쇄장으로부터 출발하고 있는 모습을 보여준다. Fig. 6(b)는 시뮬레이션 시작 후 약 16분이 경과했을 때의 모습이다. 4대의 트럭이 모두 투입되어 운반작업을 수행하고 있으며, 첫 번째 트럭이 적재지점에 도착했을 때의 로더의 사용률, 트럭의 대기시간 등의 지표 값들이 화면에 표시되었다. Fig. 6(c)는 시뮬레이션을 시작한지 약 41분을 경과하여 두 번째 트럭이 광석을 실고 파쇄장에 도착했을 때의 모습을 보여주며, 이때 파쇄기의 이용률, 트럭의 대기시간 등이 함께 화면에 표시되었다. 애니메이션을 통해 운반시스템의 주요 지표 값들이 트럭들의 어떤 단위 작업에 영향을 받고 있는지 확인할 수 있었다.
트럭들이 운반경로의 주요 지점들에 도착한 시간들을 Fig. 7에 나타내었다. 4대의 트럭 모두 구간별 이동시간을 동일하게 설정하여 시뮬레이션을 수행했기 때문에 파쇄장을 출발하여 로더에 도착할 때까지 주요 지점들에 동일한 시간에 도착했다. 그러나 트럭별로 적재지점에서 적재작업 시간과 지연시간이 다르게 발생했기 때문에 실차상태의 각 트럭들이 파쇄장에 돌아올 때에는 주요 지점들에 도착한 시간들이 달라진 것을 알 수 있다. 기존 연구에서는 시뮬레이션 결과 트럭의 총 이동시간만 알 수 있었으나, 본 연구에서는 애니메이션을 통해 각 구간별로 트럭 이동시간이 어떻게 달라지고 있는지 확인할 수 있었다.
최근 국내에서도 일부 지하광산에 ICT 기반 실시간 위치추적시스템이 설치되어 작업장 내의 장비나 작업자의 위치를 대시보드를 통해 파악할 수 있다(Fig. 8). 본 연구에서 제시한 시뮬레이션과 애니메이션의 결합 방법을 ICT 기반 실시간 위치추적시스템이 도입된 현장에 적용한다면, 애니메이션을 통해 표현되는 시뮬레이션 결과와 대시보드를 통해 표현되는 실시간 위치추적 결과를 비교하여 시뮬레이션 결과의 직접적인 검증이 가능할 것이다. 이를 위한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
결론
본 연구에서는 GPSS/H 시뮬레이션 언어를 이용하여 지하광산 트럭-로더 운반시스템을 시뮬레이션한 후, 그 결과를 PROOF5 애니메이션 프로그램을 통해 직관적으로 확인할 수 있는 방법을 제시하였다. 국내 석회석 지하광산을 대상으로 이 방법을 적용한 결과 시간의 흐름에 따라 트럭-로더 운반시스템에 나타나는 사건들을 애니메이션을 통해 한 눈에 확인할 수 있었다. 결론적으로 시뮬레이션과 애니메이션의 결합을 통해 운반시스템의 전체적인 효율성 지표 값만을 제공할 수 있었던 기존 시뮬레이션 프로그램들의 한계를 극복할 수 있었다.
본 연구는 시뮬레이션과 애니메이션을 결합하는 것에 목적을 두었기 때문에, 시뮬레이션 모델 자체는 단순하게 설계하였고 보다 다양한 조건인 장비 고장, 여러 갱에서의 동시 채굴 상황 등에 대해서는 고려하지 않았다. 향후 연구에서는 보다 다양한 조건들을 시뮬레이션에 반영해야 할 것이다. 또한, 본 연구에서 제시한 방법을 이용한다면 애니메이션을 통해 시뮬레이션 진행과정을 확인할 수 있으므로, 향후 연구로서 ICT 기반 실시간 위치추적시스템이 도입된 현장에 제시된 방법을 적용한다면 지하광산 트럭-로더 운반시스템 시뮬레이션 결과의 직접적인 검증도 가능할 것이라 판단된다.
