국방획득체계에서 SysML 기반 M&S 기법을 활용한 기본 설계 및 설계 사양의 최적화
Basic System Design and Design Specifications Optimization Using SysML-Based M&S Methods for the National Defense Acquisition System
초록/요약
본 학위논문은 국방획득체계를 준수하는 무기체계 개발에서 기본 설계 절차의 개선에 관한 주제를 다르고 있다. 구체적으로 시스템 모델링 언어인 SysML (Systems Modeling Language)을 활용하는 M&S (Modeling and Simulation) 접근법을 통하여, 무기체계 시스템의 기본 설계 및 설계 사양의 결정 방법에 대하여 연구하였다. 국방획득체계에서의 체계개발 단계 중 기본 설계는 시스템공학 개념으로 볼 때 개념 설계 단계와 상당히 부합한다. 기본 설계의 각 단계별 수행 목표는 규정에서 명시화 되어 있지만, 그에 따른 산출물 작성에 필요한 활동 들은 실제로 수행되어온 무기체계 개발 프로젝트에서 성숙된 수준에 도달하지 못하고 있는 것이 현실이다. 시스템의 개념 설계 절차는 요구사항의 도출, 이에 근거한 기능 아키텍처의 설계 및 물리 아키텍처의 설계를 거쳐 물리 구성품 들에 대한 설계 사양의 확정으로 진행되게 된다. 그러나 설계 사양의 결정 방법이 체계적이지 못하여, 결정된 사양이 요구사항을 만족하지 못하는 경우가 발생하거나 또는 오버 스펙을 초래하곤 하였다. 따라서 본 학위논문 연구에서 모델기반 방법으로 무기체계의 기본 설계 및 설계 사양의 최적화 문제에 대한 해결책을 제시하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 연구 내용으로서는 기본 설계에서 개별 활동을 SysML을 기반으로 수행하였다. 구체적으로 이해당사자 요구사항의 생성은 Use Case Diagram (uc), 시스템 요구사항 의 도출은 Requirement Diagram (req)으로 처리하였다. 시스템 요구사항으로부터 도출된 기능 들은 거동을 표현할 수 있는 Activity Diagram (act) 으로, 전체적인 기능 수행 구조는 State Machine Diagram (stm)으로 모델링 하였다. 기능 들을 수행하기 위한 물리적 구성품 들을 도출하고 Block Definition Diagram (bdd)으로 모델링 하였다. 모델링에 의한 설계 결과는 기본 설계 산출물에 반영함으로써 체계적인 관리가 이루어 지도록 하였다. 다음 단계는 물리 구성품 들의 설계 사양의 확정에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 개별 물리 구성품 들을 분석하여 설계에 필요한 파라미터 들을 식별하여 정리하였다. 설계 사양의 최적화를 수행하기 위하여, 식별된 설계 파라미터 들을 변수로 설정하고, 또한 변수 들을 이용하여 관련 목적 함수 및 제약 사항 들을 수학적으로 표현하였다. 앞에서 얻어진 SysML 물리 아키텍처 모델에서 디자인 변수를 제약 변수(Value property)으로 하여 Parametric Diagram 으로 표현한 모델을 생성하였다. 또한 최적화를 위한 수학적 표현을 SysML 모델로 변환한 후, 이 들의 모델 통합을 수행함으로써 M&S 모델을 완성하였다. M&S 전산 도구로서 No Magic 사의 Magic Draw와 Phoenix사의 Model Center를 활용하여 SysML 모델링 및 시뮬레이션을 수행하여 최적의 설계 파라미터 값 들을 결정하였다. 사례 연구로서 표적 탐지 시스템을 대상 시스템으로 하여 연구결과 적용 사례로 제시하였다. 본 연구의 공헌은 다음과 같이 정리할 수 있다. 먼저, 국방획득체계의 체계개발 단계에서 기본 설계의 수행에 대해 모델기반 방법론으로 제시하고, 설계 산출물을 SysML 모델로 작성할 수 있도록 하였다. SysML 모델 산출물 들은 전산지원 도구를 통해 체계적인 관리를 할 수 있기 때문에, 추적성 관리 및 설계 변경에 대한 대응이 용이하게 된다. 다음으로, 설계 파라미터 값 들을 M&S 기반 최적화 방법을 통하여 결정하게 함으로써 시스템 설계 사양 결정을 체계적으로 수행할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 연구 결과 들을 사례 연구에서 적용해 봄으로써, 실제 무기체계 개발 프로젝트에서의 적용 가능성을 보였다.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 1 절 연구의 배경 및 연구 목표 1
제 1 항 연구 배경 1
제 2 항 연구 목표 3
제 2 절 연구 범위와 방법 4
제 1 항 연구 범위 4
제 2 항 연구 방법 및 절차 5
제 3 절 연구 공헌 및 논문의 구성 7
제 1 항 연구 공헌 7
제 2 항 논문의 구성 8
제 2 장 선행 연구 및 문제정의 10
제 1 절 국방획득체계 분석 10
제 1 항 미국의 국방획득체계 프로세스 10
제 2 항 한국의 국방획득체계 프로세스 12
제 2 절 모델 기반 설계 13
제 1 항 모델 기반 설계 접근의 중요성 13
제 2 항 SysML 개요 및 특징 17
제 3 절 시스템 공학적 관점에서 설계 프로세스와 SysML 연관성 20
제 1 항 V모델과 SysML과의 관계 20
제 2 항 시스템 공학 표준과 MBSE와의 관계 21
제 4 절 문제의 정의 27
제 1 항 국방획득체계의 프레임워크 및 산출물 생성의 모호성 27
제 2 항 경험치 및 유사 장비를 통한 설계 사양 값 결정 29
제 3 항 연구 개선 목표 29
제 3 장 모델 기반 시스템 기본 설계 30
제 1 절 모델 기반 기본 설계 프레임워크 30
제 2 절 시스템의 요구사항 모델 생성 30
제 3 절 시스템의 기능 아키텍처 모델 생성 31
제 4 절 시스템의 물리 아키텍처 모델 생성 34
제 5 절 시스템의 설계 사양 도출 35
제 6 절 국방획득체계에서의 산출물 생성 35
제 4 장 설계 사양 최적화를 위한 모델 생성 37
제 1 절 M&S를 이용한 최적화 수행을 위한 절차 37
제 2 절 물리 아키텍처 구성품의 설계 변수 할당 39
제 3 절 설계변수를 통한 최적화 목적함수 및 제약함수 정의 40
제 4 절 M&S를 통한 최적화 수행을 위한 Parametric 모델 생성 41
제 5 장 사례 연구 42
제 1 절 대상 시스템 개요 : 표적 탐지 시스템 42
제 2 절 대상 시스템의 기본 설계 43
제 1 항 기능 및 성능 요구사항 43
제 2 항 기술적 부수적 기능 요구사항 44
제 3 항 제약 요구 사항 45
제 4 항 시스템 요구사항 모델 45
제 5 항 시스템 기능 아키텍처 47
제 6 항 물리 아키텍처 53
제 3 절 대상 시스템의 설계 사양 모델 생성 54
제 1 항 설계 사양 생성 54
제 2 항 설계 사양의 설계 변수 후보값 56
제 4 절 대상 시스템의 최적화 설계 수학 모델 정의 60
제 5 절 M&S 시뮬레이션을 위한 Parametric 모델 61
제 1 항 무게 모델 61
제 2 항 비용 모델 63
제 3 항 설계 변수 값 확정을 위한 통합 모델링 64
제 6 절 시뮬레이션 결과 및 분석 65
제 1 항 무게 시뮬레이션 65
제 2 항 비용 시뮬레이션 66
제 3 항 무게 요구 사항을 만족하는 모델 67
제 4 항 비용 요구 사항을 만족하는 모델 68
제 5 항 무게 및 비용 제약 사항을 동시에 만족하는 모델 69
제 7 절 최적화 모델 도출 70
제 1 항 최소 비용을 만족하는 최적화 모델 70
제 2 항 최소 무게를 만족하는 최적화 모델 71
제 3 항 최대 탐지 거리를 만족하는 최적화 모델 72
제 4 항 목적 함수에 따른 모델의 Trade-Off 73
제 6 장 결론 및 공헌 74
참 고 문 헌 76
부 록 80
Abstract 82
