워크샘플링

왜 배우는가: 작업 표준시간과 여유율을 정하는 기본 도구라서 배운다. 실무에서는 사이클이 긴 작업의 시간 구성을 파악할 때 쓰고, 시험에서는 관측 횟수 계산과 절차, 장단점을 묻는 문항으로 3개 회차 기출에 나왔다.

출제 이력: 제121회 3교시 3번, 제103회 4교시 4번, 제100회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

워크샘플링은 무작위로 고른 순간마다 작업 상태를 관측하여 각 작업이 차지하는 시간 비율을 통계적으로 추정하는 작업측정 기법이다.

핵심 키워드

• 무작위 순간 관측
• 작업 비율
• 관측 횟수
• 신뢰수준
• 절대 허용오차
• 표준시간
• 여유율

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 작업자를 하루 종일 따라다니며 시간을 재는 대신, 아무 때나 불시에 현장을 한 번씩 들여다보는 방법이다. 들여다볼 때마다 작업자가 주 작업을 하고 있는지, 대기·이동·휴식 같은 여유 상태인지 기록한다. 기록이 많이 쌓이면 상태별 비율이 나오고, 그 비율로 작업 시간을 추정한다.

작업측정은 표준시간을 정하려고 작업을 관찰하고 재는 활동 전체를 가리킨다. 그 가운데 워크샘플링(Work Sampling)은 작업 공정이나 작업자의 활동을 무작위로 고른 많은 순간에 관측하여, 각 활동이 차지하는 시간 비율을 통계적으로 추정하는 방법이다. 이 방법을 순간관측법이라고도 부른다. 관측 대상은 사람뿐 아니라 기계도 된다.

관측 시각을 정하는 방식은 둘로 나뉜다. 무작위 관측은 난수로 시각을 정해 관측자의 습관이 끼어드는 것을 막는다. 정기 관측은 일정한 간격으로 보므로 계획하기는 쉽지만, 주기적으로 반복되는 작업과 간격이 맞으면 비율이 한쪽으로 치우친다. 그래서 통계적 추정에서는 무작위 관측을 원칙으로 삼는다.

워크샘플링이 쓰이는 곳은 제조 공정만이 아니다. 근거로 본 자료는 인간-컴퓨터 상호작용 테스트, 애플리케이션 사용성 테스트, 웹사이트 사용성 테스트에서도 같은 방식으로 작업량과 오류율의 대표값을 얻는다고 설명한다.

원리는 두 가지다. 첫째, 무작위로 뽑은 순간의 상태 비율은 전체 시간의 상태 비율과 같은 기댓값을 가진다. 둘째, 관측 횟수가 늘수록 추정치의 흔들림이 줄어든다. 두 원리가 합쳐져 짧은 관측으로도 긴 시간의 비율을 추정할 수 있다.

가상의 예로, 작업자 한 명을 무작위 시각에 40회 관측했더니 주 작업 상태가 28회 기록되었다면 주 작업 비율은 28 ÷ 40 = 70%다. 관측이 40회뿐이면 이 70%도 실제 값과 차이가 날 수 있다. 얼마나 더 봐야 하는지는 관측 횟수 식으로 정한다.

표준시간은 평균 숙련도를 가진 작업자가 표준 방법으로 정상 속도에 맞춰 일할 때 한 단위 작업을 끝내는 데 필요한 시간이다. 여기에 피로, 용무, 불가피한 지연을 보충하는 여유율을 더해 최종 값을 만든다.

관측 횟수는 다음 식으로 구한다.

$$ n = \frac{z^2 p(1-p)}{\varepsilon^2} $$

n 은 필요한 관측 횟수, z 는 신뢰수준에 대응하는 표준정규분포 값, p 는 작업 비율의 추정치, ε 은 절대 허용오차다. 신뢰수준 95%에서 z = 1.96을 쓴다. p(1−p) 는 p 가 0.5일 때 가장 커서, 비율이 반반에 가까운 작업일수록 관측 횟수가 많이 필요하다. 허용오차가 절반이 되면 관측 횟수는 네 배가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

시간연구는 스톱워치로 한 사이클의 시간을 연속해서 잰다. 사이클이 짧고 반복이 많은 작업에서는 측정이 정확하다. 그러나 사이클이 길거나 작업 내용이 자주 바뀌는 작업에서는 연속 관측이 어렵고 비용이 많이 든다. 정비 작업, 간접 업무, 여러 기계를 함께 맡은 작업자의 활동이 그 예다.

이런 한계 때문에 현장 전체를 통계로 훑는 방법이 필요해졌다. 근거로 본 학술 자료도 작업의 사이클이 짧지 않거나 반복률이 높지 않을 때 통계적 샘플링이 필요하다고 설명한다. 관측자는 현장을 연속으로 지키지 않아도 되므로 노력과 시간이 줄어든다. 여러 작업자를 같은 시각에 관측해 현장 전체의 상태를 한 번에 파악할 수도 있다.

워크샘플링은 시간연구와 달리 개별 작업자의 시간 기록을 남기지 않고 상태의 비율을 남긴다. 그래서 정밀도는 관측 횟수로 조절해야 한다. 정확성 면에서는 목표 정밀도를 먼저 정하는 것이 출발점이다. 정밀도를 정하지 않고 관측하면 얼마나 더 봐야 하는지 판단할 수 없다.

현장 개선은 무엇에 시간이 가장 많이 드는지 알아야 시작할 수 있다. 워크샘플링은 그 질문에 답한다. 대기가 많은지, 이동이 많은지, 주 작업이 얼마나 되는지를 비율로 보여 주므로 개선할 대상을 먼저 고를 수 있다.

표준시간을 정하는 방법은 여러 가지다. 워크샘플링 외에 시간연구, 표준자료법, 미리 정한 동작시간 기법이 같은 목적에 쓰인다. 어느 방법을 고를지는 작업의 사이클 길이, 반복 정도, 관측 비용으로 정한다. 워크샘플링은 긴 사이클과 비반복 작업에서 특히 쓸모가 있다. 여유 시간을 정하는 방법은 여유시간 산정법 절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

워크샘플링은 다섯 가지 구성요소로 이루어진다. 각 요소의 역할을 알면 절차와 계산이 자연스럽게 이어진다.

신뢰수준 계수는 관측 횟수의 크기를 직접 바꾼다. 허용 오차는 제곱으로 들어가므로 작은 값을 목표로 하면 관측 횟수가 급격히 늘어난다.

워크샘플링의 원리는 세 가지다. 무작위성은 관측 시각이 작업 주기와 무관하게 정해져야 한다는 뜻이다. 독립성은 한 번의 관측이 다음 관측에 영향을 주지 않아야 한다는 뜻이다. 대표성은 뽑힌 표본이 전체 근무 시간의 상태 비율을 대신할 수 있어야 한다는 뜻이다. 세 원리 가운데 하나라도 깨지면 추정값은 편향된다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 관측 목적과 대상 범위(작업자·설비·공정)를 정한다.
• 작업 요소를 주 작업과 여유 상태로 분류한다.
• 예비관측을 수행하여 상태 비율 p 의 첫 추정치를 얻는다.
• 예비관측 결과를 대입해 필요한 관측 횟수 n 을 계산한다.
• 난수로 정한 무작위 시각에 관측하여 상태를 기록한다.
• 상태별 비율을 계산하고 목표 정밀도를 충족하는지 점검한다.
• 얻은 비율에 여유율을 반영하여 표준시간을 산정한다.

도식의 되먹임 화살표는 정밀도가 모자랄 때 관측을 늘리는 경로다. 그래서 6단계의 정밀도 점검이 절차의 핵심이다. 관측 횟수 식은 앞 절의 식을 그대로 쓰되, p 에는 예비관측의 값을 넣는다.

예비관측 비율이 0.5에 가깝고 허용 오차가 작을수록 필요한 관측 횟수가 커진다. 예비관측을 충분히 하지 않으면 p 의 추정이 흔들리고, 그 흔들림이 관측 횟수 계산에 그대로 들어간다. 그래서 예비관측은 작업의 주기와 변동이 담기도록 시간대를 나눠 수행한다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 절의 법 조문은 워크샘플링을 직접 지정하지 않는다. 다만 근골격계부담작업을 하는 현장에서는 작업 시간과 자세의 비율을 재는 도구로 쓸 수 있다. 근골격계부담작업의 사업주 의무는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제12장 제2절에 있다.

근골격계부담작업의 범위는 노동부 고시로 정하며, 처음 제정된 것은 2003년 7월 15일이다. 같은 규칙 제657조는 유해요인 조사의 주기와 사유를 정한다. 기준값은 아래 표와 같다.