[논문]장바구니 분석을 이용한 노후 항공기 관리방안 연구

정치영; 이재영

문제 정의

정보기술의 발달은 다양한 분야에서 대규모 데이터 생성을 가능하게 하였다. 이에 따라 전통적인 통계기법을 이용하여 분석되어온 축적된 데이터에 대한 다양한 테스크들을 보다 편리하고 효과적으로 처리하기 위한 방안으로 데이터마이닝 기법이 개발되었다. 즉 데이터마이닝은 대규모 데이터베이스로부터 탐색과 분석을 통하여 의미있는 패턴이나 규칙을 찾아내는 과정으로, 여기에는 데이터의 군집화(clustering), 분류 (classification), 예측(prediction), 연관성 분석(affinity analysis) 등이 포함^[4]되며, 본 연구에서는 결함 간 규칙발견을 위해 연관성 분석기법을 사용하였다.
본 연구에서는 장기간 운용된 공군의 전투기는 결함 발생 시 일정한 패턴을 갖고 있을 것이란 예측을 기반으로 하여, 공군이 운영하는 노후 된 항공기인 F-5와 F-4를 대상으로 결함 연관성을 분석하였다. 분석방법으로는 항공기정비 정보체계인 AMMIS에 축적된 결함 관련 자료를 활용하고, 마케팅 분야에서 널리 사용되고 있는 데이터 마이닝 기법 중 하나인 장바구니 분석 기법을 적용하였다.

가설 설정

장기간 운용되어진 전투기는 일정한 결함발생 패턴을 갖는다고 가정할 수 있다. 이는 자체 설계특성, 항공기별 임무 및 기동형태의 상이함 등에 따라 특정부분에 주기적으로 결함이 발생하거나 특정한 계통에 결함이 발생했을 때 또 다른 어떤 계통에도 결함이 연쇄적 또는 동시적으로 발생하는 패턴이 있음을 의미한다.
이는 전투기 자체를 독립된 시장으로, 전투기 내에서 발생하는 결함 항목들을 구매상품으로 생각하는 business problem을 military problem으로 재해석함으로써 가능하다. 즉, F-5와 F-4 전투기에서 연료계통, 조종계통, 전기계통 등 여러 가지 계통들의 결함이 발생될 때 어떠한 계통이 어떤 계통을 동반하는가에 대한 특정한 연관성 규칙을 발견할 수 있다고 가정하는 것이다.

제안 방법

이와 관련하여 본 연구에서는 결함 발생의 특정한 연관성을 분석하여 노후 전투기에 대하여 드러난 결함뿐만 아니라 연쇄적으로 발생할 수 있는 잠재적 결함이 무엇인지에 대하여 분석함으로써 인지된 결함과 잠재적 결함을 동시에 해소시킬 수 있는 효율적인 항공기 관리방안을 제시하였으며, 연구 방법으로는 대량의 데이터 집합으로부터 의미 있는 패턴과 규칙을 발견하기 위해서 데이터를 탐색하고 분석하는 데이터마이닝 기법 중 장바구니 분석기법을 적용하였다. 이를 위해 2000년대 공군에서 구축한 항공기정비 정보체계(AMMIS : Aircraft Maintenance Management Information System)에 축적된 F-5 및 F-4 결함관련 대량의 data를 활용하였으며, 데이터 마이닝 도구인 SAS Enterprise Miner 9.
‘어떠한 event들이 동시에 발생 하는가’를 분석하여 상품진열, 교차판매, 판촉 등과 같은 기업 이윤추구를 위한 마케팅 전략 수립에 유용한 장바구니 분석기법은 군의 무기체계 운용, 특히, 결함과 관련된 분야와 접목시켜 분석할 수 있다. 본 연구에서는 한국 공군의 가장 노후 된 전투기 기종인 F-5 및 F-4의 결함과 접목시켜 연관성 분석을 수행하였다.
장바구니분석을 위해서는 다년간 거래 데이터와 같은 실질적 Data Base가 요구되는데, 본 연구에서는 항공기정비 정보체계인 AMMIS내에 축적된 항공기 결함 data를 활용하였으며, 전처리(preprocessing) 및 정제(cleaning)과정을 수행하여 연관성 분석을 위한 F-5 및 F-4 전투기 결함자료를 구축하였다.
1을 이용하여 분석하였다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 앞에서 설명한 기종별 결함 특성자료를 SAS E-miner에서 Input data로 하고 Insight 및 Association 노드를 활용하여 입력자료에 대한 분석과 연관성 규칙을 분석하였으며, Support 값 95% 이상, Confidence 값 100%, Lift 값 1 이상인 연관성 규칙만을 의미 있는 연관성 규칙으로 도출하여 분석하였다. 본 연구에서는 단순히 Support, Confidence, Lift 값이 기준 이상의 값을 제공하였다 하더라도, 명료하고 설득력 있는 분석 결과를 제공하기 위해 중복 또는 불피요한 일부 규칙을 통합 또는 삭제하였다.
1과 같이 앞에서 설명한 기종별 결함 특성자료를 SAS E-miner에서 Input data로 하고 Insight 및 Association 노드를 활용하여 입력자료에 대한 분석과 연관성 규칙을 분석하였으며, Support 값 95% 이상, Confidence 값 100%, Lift 값 1 이상인 연관성 규칙만을 의미 있는 연관성 규칙으로 도출하여 분석하였다. 본 연구에서는 단순히 Support, Confidence, Lift 값이 기준 이상의 값을 제공하였다 하더라도, 명료하고 설득력 있는 분석 결과를 제공하기 위해 중복 또는 불피요한 일부 규칙을 통합 또는 삭제하였다.

대상 데이터

F-5의 결함 연관성 분석을 위해 활용한 자료는 2004년부터 2008년까지 5년간의 결함자료이며, Table 1은 전처리 및 정제과정을 수행하여 분석에 적합한 형태로 구축한 F-5의 결함 데이터 형태로 X_{F5_i}는 항공기 일련번호(i = 1, ..., M), Y_{F5_j} 는 결함계통(j = 1, ..., 18)으로 비행조종계통, 기체계통, 유압계통 등이며, Z_{F5_k}는 결함내용(k = 1, ..., 16)으로 작동불량, 균열, 파손 등을 의미한다. 데이터 Size는 19742×3이고, Table 2는 세부적인 결함계통 및 결함내용이다.

데이터처리

본 절에서는 각 기종별 결함 발생 연관성을 SAS E-miner 9.1을 이용하여 분석하였다. 본 연구에서는 Fig.

이론/모형

이와 관련하여 본 연구에서는 결함 발생의 특정한 연관성을 분석하여 노후 전투기에 대하여 드러난 결함뿐만 아니라 연쇄적으로 발생할 수 있는 잠재적 결함이 무엇인지에 대하여 분석함으로써 인지된 결함과 잠재적 결함을 동시에 해소시킬 수 있는 효율적인 항공기 관리방안을 제시하였으며, 연구 방법으로는 대량의 데이터 집합으로부터 의미 있는 패턴과 규칙을 발견하기 위해서 데이터를 탐색하고 분석하는 데이터마이닝 기법 중 장바구니 분석기법을 적용하였다. 이를 위해 2000년대 공군에서 구축한 항공기정비 정보체계(AMMIS : Aircraft Maintenance Management Information System)에 축적된 F-5 및 F-4 결함관련 대량의 data를 활용하였으며, 데이터 마이닝 도구인 SAS Enterprise Miner 9.1을 사용하였다.
이에 따라 전통적인 통계기법을 이용하여 분석되어온 축적된 데이터에 대한 다양한 테스크들을 보다 편리하고 효과적으로 처리하기 위한 방안으로 데이터마이닝 기법이 개발되었다. 즉 데이터마이닝은 대규모 데이터베이스로부터 탐색과 분석을 통하여 의미있는 패턴이나 규칙을 찾아내는 과정으로, 여기에는 데이터의 군집화(clustering), 분류 (classification), 예측(prediction), 연관성 분석(affinity analysis) 등이 포함^[4]되며, 본 연구에서는 결함 간 규칙발견을 위해 연관성 분석기법을 사용하였다.
본 연구에서는 장기간 운용된 공군의 전투기는 결함 발생 시 일정한 패턴을 갖고 있을 것이란 예측을 기반으로 하여, 공군이 운영하는 노후 된 항공기인 F-5와 F-4를 대상으로 결함 연관성을 분석하였다. 분석방법으로는 항공기정비 정보체계인 AMMIS에 축적된 결함 관련 자료를 활용하고, 마케팅 분야에서 널리 사용되고 있는 데이터 마이닝 기법 중 하나인 장바구니 분석 기법을 적용하였다.

성능/효과

Table 6의 결과에서 규칙 1 및 2는 F-4항공기의 일반계통(Y_{F5_14})에 결함이 발생하면 장구계통(Y_{F5_16})이 그리고 그 역관계 또한 강한 연관성을 갖고 동시에 결함이 발생하는 강한 연관성 규칙을 보여주며, 규칙3부터 18은 규칙 1 및 2에 의거 사진계통(Y_{F4_8}), 산소계통(Y_{F4_10}), 영상장치계통(Y_{F4_12}), 통신계통(Y_{F4_18})을 제외한 모든 계통과 연관되면 반드시 일반 또는 장구계통이 결함이 발생한다는 규칙을 발견할 수 있었다.
본 연구에서는 Lift 값이 1이상인 규칙들 중 Support 95%이상, Confidence 100%인 규칙들만을 의미있는 규칙이라 가정하고 분석하였으나, Support, Confidence 값 제한을 낮춰 분석을 실시하면 보다 더 세밀한 연관성 규칙을 발견해 낼 수 있다.
제 3장의 실제 결함발생자료에 근거한 장바구니 분석결과를 보면, 각 항공기별로 결함 발생 시 if → then 형태의 결함계통별 강한 연관성 규칙이 존재한다는 것을 알 수 있는데, 이는 실제로 발생한 결함이 위 규칙에 따라 반드시 발생해왔다는 의미는 아니다.
연구결과, 항공기 결함간에는 특정한 연관성 규칙이 있다는 것을 발견하였으며, 이 결과를 활용하여 현 공군의 효율적인 항공기 관리방안을 제시하였다. 항공기는 전차 또는 함정과 같은 타 무기체계와는 달리 미미한 결함이라 할지라도 결함발생에 따른 파급효과가 매우 커서 정비의 중요성이 더욱 크므로.

후속연구

또한 이러한 정비수행 결과를 근간으로 보다 효율적인 항공기 정비를 위해 수시로 정비관련 회의를 열어 자주 발생하는 결함항목에 대한 점검항목 보완조치를 하여 ‘정비기술지시’를 작성하고 있다. 이와 관련해 본 연구에서 발견한 계통간의 특정한 연관성 규칙을 활용하면 보다 효율적인 항공기 관리가 가능할 것이다. 즉, 단순히 단일 계통별 자주 발생하는 결함에 대한 점검항목 추가 조치가 아니라, 인지된 결함계통내의 세부결함내용과 상관관계가 높은 결함계통의 세부결함을 동시에 고려하여 점검항목을 보완하면, 축적된 자료를 기반으로 한 잠재적 결함에 대한 통계적 분석이 반영된 정비기술지시를 작성할 수 있으므로, 효율적 항공기 관리에 기여할 수 잇을 것이다.
이와 관련해 본 연구에서 발견한 계통간의 특정한 연관성 규칙을 활용하면 보다 효율적인 항공기 관리가 가능할 것이다. 즉, 단순히 단일 계통별 자주 발생하는 결함에 대한 점검항목 추가 조치가 아니라, 인지된 결함계통내의 세부결함내용과 상관관계가 높은 결함계통의 세부결함을 동시에 고려하여 점검항목을 보완하면, 축적된 자료를 기반으로 한 잠재적 결함에 대한 통계적 분석이 반영된 정비기술지시를 작성할 수 있으므로, 효율적 항공기 관리에 기여할 수 잇을 것이다.
F-5 및 F-4와 같은 재래식 항공기는 조종사의 조종간 조작 힘이 유압으로 flap, rudder, elevator와 같은 flight control system에 전달되는 fly-by-linkage 형태로 항공기 자체가 상호 독립성이 강한 계통들의 결합체 성격을 띠고 있어 연관성 규칙이 간단하므로 연관성을 고려한 정비항목 추가조치는 과잉정비의 우려가 적다 할 수 있다. 따라서 이와 같은 연관성규칙을 기반으로 본 연구에서 제안하는 노후 전투기에 대한 효율적인 항공기 관리 방안은 정비항목 추가 검토시 단순히 단일 계통 및 단일 세부고장부품에 대한 빈도만 고려하는 것이 아니라 강력한 연관관계를 보이는 계통들간의 세부결함까지 연관지어 검토함으로써 잠재적 또는 연쇄적으로 결함발생 가능성을 최소화 시키는 것이다.
본 연구에서는 분석대상을 노후 기종인 F-5, F-4에만 국한하였으나, 장바구니 분석기법과 같은 데이터 마이닝 기법을 노후 항공기 외 타기종의 항공기 그리고 함정 및 전차와 같은 타 무기체계 그리고 넓게는 일반 산업분야에도 적용한다면, 결함이나 운용상의 특정한 연관성에 대한 통찰력을 얻게 되어 보다 효율적인 체계 운용 방안 도출할 수 있으며, 또한 수리부속 예측 등에 활용될 수 있을 것이다. 따라서 향후 F-15K와 같은 최신예 기종을 포함하여, 한국 공군이 운용 중인 모든 항공기에 대한 결함 발생 패턴을 분석할 필요가 있으며, 그러한 연구 수행 간 시행착오를 통한 경험은 타 무기체계 결함 관련 연구에 도움이 될 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구에서는 분석대상을 노후 기종인 F-5, F-4에만 국한하였으나, 장바구니 분석기법과 같은 데이터 마이닝 기법을 노후 항공기 외 타기종의 항공기 그리고 함정 및 전차와 같은 타 무기체계 그리고 넓게는 일반 산업분야에도 적용한다면, 결함이나 운용상의 특정한 연관성에 대한 통찰력을 얻게 되어 보다 효율적인 체계 운용 방안 도출할 수 있으며, 또한 수리부속 예측 등에 활용될 수 있을 것이다. 따라서 향후 F-15K와 같은 최신예 기종을 포함하여, 한국 공군이 운용 중인 모든 항공기에 대한 결함 발생 패턴을 분석할 필요가 있으며, 그러한 연구 수행 간 시행착오를 통한 경험은 타 무기체계 결함 관련 연구에 도움이 될 수 있을 것이라 판단된다. 한편, 본 연구에서 제시한 연관성 규칙에 따른 항공기 관리의 실효성을 입증할 필요가 있는데, 이는 본 연구에서 제시한 방안 적용 전·후의 임무 수행간 결함 발생 패턴과 빈도를 상호 비교해 봄으로써 가능하므로 추후 연구과제로 선정하여 분석할 필요가 있다.
따라서 향후 F-15K와 같은 최신예 기종을 포함하여, 한국 공군이 운용 중인 모든 항공기에 대한 결함 발생 패턴을 분석할 필요가 있으며, 그러한 연구 수행 간 시행착오를 통한 경험은 타 무기체계 결함 관련 연구에 도움이 될 수 있을 것이라 판단된다. 한편, 본 연구에서 제시한 연관성 규칙에 따른 항공기 관리의 실효성을 입증할 필요가 있는데, 이는 본 연구에서 제시한 방안 적용 전·후의 임무 수행간 결함 발생 패턴과 빈도를 상호 비교해 봄으로써 가능하므로 추후 연구과제로 선정하여 분석할 필요가 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전투기 도입의 한계점은?	수 많은 항공우주무기체계 중 가까운 미래의 공중위협에 대비하기 위한 무기체계의 핵심은 전투기라 할 수 있는데, 전투기는 최첨단 기술의 집약체로 도입가격이 고가일 뿐만 아니라 운영유지에 수많은 예산이 소요되므로 제한된 규모로 전력화될 수 밖에 없다. 따라서 전투기 전력화를 추진하는 국가는 신형 전투기를 도입하여 노후 된 전투기를 대체하거나 추가로 전력화하는 형태로 공중위협에 대비한다.
	전투기에서 군수 및 정비지원의 중요성이 큰 이유는 무엇인가?	이같은 실정에서 공중전력 유지를 위해 가장 중요한 요소는 완벽한 항공기 관리라 할 수 있는데, 전투기는 지상 및 해상 무기체계와 달리 군수 및 정비지원의 중요성이 비교할 수 없이 더 크다고 할 수 있다. 그 이유는 항공기는 임무를 수행하는 공간에서는 정비가 불가능하며 3차원공간에서 고난이도 기동을 통해 임무를 수행하기 때문이다. 이러한 전투기의 특성을 고려해 볼 때, 아무리 미미한 결함이라 할지라도 한번 결함이 발생하게 되면 치명적이고 막대한 결과를 초래할 수 있으며, 그 형태는 경미하게는 임무포기(abort)로부터 크게는 항공기와 조종사의 손실이다.
	연관성 분석기법이란?	연관성 분석기법은 ‘어떠한 event가 또 다른 어떠한 event를 동반 하는가’를 분석하는 기법으로 고객의 장바구니 안을 들여다봄으로써 상품 구매패턴을 분석한다하여 장바구니 분석(market basket analysis)이라고도 불린다. 장바구니 분석에 의한 연관성 규칙은 어떠한 상품이 또 다른 어떠한 상품과 함께 판매될 확률이 높은가를 보여주는 규칙으로 이는 기업의 마케팅 전력 수립에 활용된다[1,2].

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