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안전성 통합을 통한 유도무기 비행시험 프로세스의 모델 기반 개선

Model-Based Improvement of Flight Test Process by Incorporating Safety for Guided Weapon Systems

초록/요약

대형복합 시스템의 개발은 국가전략을 기반으로 수행되는 사업인 경우가 많은데, 국방 무기체계, 고속 교통시스템, 원자력 발전소 등을 대형복합 시스템의 예로 들 수 있다. 일반적인 상용 시스템과는 달리 이러한 대형복합 시스템 들의 개발에서 개념 설계 및 시스템 개발 그리고 운용, 폐기까지 포함하는 총수명주기가 길어서 시험평가 및 운영기간을 포함하여 수 십 년에 달하고 있다. 총수명주기 중 대부분의 기간을 차지하는 운용기간에서 오류없이 시스템이 원활히 운영되기 위해서는 개발 및 시험평가 과정에서 품질 및 신뢰성을 확보하여 운영기간에서의 위험 요소를 최소화해야 하는 것이 중요한 과제이다. 무기체계 연구개발 과정에서 시험평가(Test & Evaluation)는 개발되는 무기 체계의 성능 검증과 요구사항 만족도를 확인하기 위하여 시행되는데, 무기체계 고유의 특성상 시험평가는 시스템 수준에서의 시험 방법인 비행시험 (Flight Test) 또는 실 사격시험 (Live Fire Test)이 가장 유용한 방법으로 사용되고 있다. 비행 시험을 수행하는 시험장 (Open Air Test Range)은 발사시설, 통제시설, 계측시설 외에 통신, 전기, 기상 등의 여러 기반 시설을 포함하므로 그 자체로서 복잡한 시스템으로 간주될 수 있다. 수행하는 시험 단계별로 폭발, 점화, 분리, 타격 등 물리적인 위해 요소가 발생하며, 비정상적인 상황 발생시 시험 시설에 대한 피해에서 인근 지역의 시설 및 인명 피해까지 야기할 수 있음으로 안전중시 시스템 (Safety Critical System)의 하나로 개발되어야 함을 알 수 있다. 시험장에서 수행하는 실 사격 시험 중에서 유도무기 비행시험은 사업 규모, 시험 기간, 비용, 사업 중요도 등을 고려할 때 대단위 시험 시설을 사용하여 장기간의 시험 준비를 거쳐서 수행되는 시험이다. 무기체계 연구개발 초기부터 비행시험 수행에 대한 고려와 준비가 선행되어야 되며, 시험 요구 사항을 기반으로 시험 설계부터 준비, 수행, 결과까지 시험 수행 프로세스에 의하여 시험 의뢰자가 요구하는 자료를 제공해야 한다. 그러나 무기체계의 성능이 정밀화, 고도화 됨에 따라서 시험이 복잡해지고 광대역 화되어 고려하지 않았던 잠재적 사고 요인들이 도출되어 시험 수행 프로세스의 개선과 미비한 안전조치의 보완이 요구되게 되었다. 본 연구에서는 위와 같은 문제점 들을 해결하기 위하여 기존의 문서 기반의 비행시험 수행 프로세스의 문제점을 개선하고, 또한 비행시험 수행 프로세스에 안전성을 확보하기 위한 조치를 추가하여 통합 비행시험 수행 프로세스를 도출하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 연구 목표를 달성하기 위하여 기존 비행시험 수행 프로세스를 모델 기반으로 설계해서 개선 방안을 제시하였다. 그리고 나서 비행시험 수행 프로세스 수행시에 안전성 확보를 위한 안전요구사항 도출 및 안전조치 사항 설계를 프로세스 모델 기반으로 수행하여 통합 비행시험 프로세스를 도출하였다. 도출된 통합 비행시험 프로세스를 Modeling and Simulation(M&S)을 통하여 안전성 평가를 수행하고 프로세스를 검증하였다. 구체적으로 비행시험에 대한 위험원 분석을 수행하고, 이를 기반으로 안전요구사항을 도출하였으며, 안전요구사항이 반영된 안전 조치 프로세스를 제시하였다. 안전 조치 프로세스는 전체 시험수행 프로세스에 반영되어 하나의 통합 프로세스로서 구현되었으며, 이를 통하여 시험요구조건으로부터 일관성을 확보하였다. 개선되고 새로이 안전조치가 반영된 프로세스 모델에 대한 검증을 위하여 검증요구조건을 식별하였으며, 검증을 위한 시뮬레이션 모델을 생성하여 개선된 비행시험 수행 프로세스와 안전조치 프로세스에 대한 타당성을 검증하였다. 본 연구를 통하여 시험요구조건과 안전 요구조건을 충족하는 비행시험 프로세스를 모델 기반으로 설계하고 검증하는 방안을 제안하였다. 이를 잘 활용하면, 잠재된 위험성이 높은 미래전을 대비한 신개념 무기체계나 항공기 무기체계 개발, 우주 발사체 등의 비행시험 수행에서 시험 요구조건 및 안전 요구조건을 충족하는 개선된 시험 수행 프로세스를 구축 및 적용에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

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목차

제 1 장 서 론 １
제 1 절 연구 배경 및 목표１
제 1 항 연구 배경 １
제 2 항 연구 목표 ３
제 2 절 연구 범위 와 방법 ５
제 1 항 연구 범위 ５
제 2 항 연구 방법 ６
제 3 절 연구 개발 공헌 및 논문의 구성 ８
제 1 항 연구 개발 공헌 ８
제 2 항 논문의 구성 ９
제 2 장 선행 연구 및 문제 정의 １０
제 1 절 Systems Engineering 과 T&E １０
제 1 항 무기체계 시험평가 １０
제 2 항 무기체계 연구개발 주기와 시험 종류 １３
제 3 항 시험평가의 환경 변화 １５
제 2 절 무기 체계의 비행 시험 １６
제 1 항 시험 수행 체계 １６
제 2 항 안전 중시 시스템 １７
제 3 항 실사격 수행 시스템(Live Fire Testing System) １８
제 4 항 시험 수행 프로세스의 시나리오 １９
제 5 항 비행 시험 중 안전 조치 기능 ２２
제 3 절 모델기반 시스템 구현 ２６
제 1 항 모델링 개요 ２６
제 2 항 N2 Chart ２７
제 3 항 IDEF ２８
제 4 항 EFFBD ３０
제 4 절 안전성 평가 ３１
제 1 항 MIL-STD-882 ３１
제 2항 위험원 분석 ３４
제 3 항 시험 위험원 분석[40] ３５
제 4 항 FTA and ETA ３９
제 5 항 AFD ４１
제 5 절 모델 기반의 시스템 공학 적용 ４３
제 1 항 비행시험 적용 사례 ４ 3
제 2 항 안전성을 고려한 무기체계 관련 연구 ４ 7
제 6 절 문제 정의 4 9
제 1 항 기존 프로세스의 한계 및 개선 방안 도출 4 9
제 2 항 시험시 안전 조치 분석 ５0
제 3 항 비행시험 수행 프로세스의 검증 방안의 필요성 ５1
제 3 장 모델 기반 수행 프로세스 구축 ５ 2
제 1 절 모델 기반의 시스템 설계 구성 ５ 2
제 1 항 시스템 설계 수행 방안 ５ 2
제 2 항 시스템 요구조건 정의 ５ 4
제 3 항 시스템의 운영 시나리오 구성 ５ 5
제 4 항 시스템의 기능 아키텍처 설계 ５ 7
제 5 항 시스템의 물리적 구조 설계 ５ 8
제 6 항 시스템의 제한 요구조건 및 목표 정의 5 9
제 2 절 시뮬레이션 구성 방안 5 9
제 1 항 시스템 시뮬레이션 개요 5 9
제 2 항 시뮬레이션 목적 및 시스템 도구 기능 ６ 0
제 3 항 시뮬레이션 모델 구현 ６ 2
제 4 항 시뮬레이션을 통한 시스템 설계 검증 방안 ６ 3
제 4 장 시험수행 프로세스 개발 및 적용 65
제 1 절 모델기반 비행시험 수행 프로세스 설계 66
제 1 항 시스템 Context 모델 구현 66
제 2 항 기존 비행시험 수행 프로세스에 대한 모델링 68
제 3 항 비행시험 수행 시스템 요구사항 69
제 4 항 유도무기 비행시험 수행시스템 물리적 아키텍처 73
제 5 항 개선된 비행시험 수행 프로세스 도출 75
제 2 절 비행시험에 대한 안전프로세스 설계 77
제 1 항 비행시험 위험원 분석 77
제 2 항 비행시험에 대한 안전 요구사항 도출 79
제 3 항 ETA를 활용한 안전조치활동 도출 81
제 4 항 안전요구사항이 반영된 안전조치 프로세스 도출 83
제 5 항 개선된 통합 프로세스의 도출 84
제 3 절 개선된 통합 프로세스 검증을 위한 시뮬레이션 구성86
제 1 항 시뮬레이션을 위한 검증 요구사항 생성 86
제 2 항 프로세스 검증을 위한 시뮬레이션 모델 생성 91
제 4 절 시뮬레이션 결과 분석 95
제 1 항 M&S를 이용한 프로세스 개선 검증(Case I) 95
제 2 항 안전조치 통합 비행시험 프로세스의 검증(Case II) 98
제 3 항 안전조치 통합 비행시험 프로세서의 검증(Case III) 103
제 4 항 안전조치 통합 비행시험 프로세서의 검증(Case IV) 107
제 5 항 시스템 검증 방안을 통한 설계 방안 도출 110
제 5 장 결론 112
제 1 절 연구결과: 무기체계 시험수행 프로세스 개선 112
제 2 절 공헌: 통합 프로세스에서의 안전 조치 검증 구축 114
참 고 문 헌 115
Abstract 118

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