[논문]지상무기체계 교전 모의를 위한 에이전트 기반 시뮬레이션 시스템 아키텍처 설계 연구

함원경; 정용호; 나재호; 박상철

doi:10.9709/jkss.2012.21.4.081

지상무기체계 교전 모의를 위한 에이전트 기반 시뮬레이션 시스템 아키텍처 설계 연구
A Study on Agent based Simulation System Architecture for the Engagement of Ground Weapon Systems 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.21 no.4, 2012년, pp.81 - 90

함원경 (아주대학교 산업공학과) , 정용호 (아주대학교 산업공학과) , 나재호 (LIG넥스원 M&S연구센터) , 박상철 (아주대학교 산업공학과)

초록
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본 논문은 지상무기체계 교전을 모의하기 위한 시뮬레이션 시스템 구축에 관한 연구이다. 본 논문에서는 에이전트 시뮬레이션 설계 방법론에 기반하여 시뮬레이션 시스템 아키텍처를 제안한다. 제안된 아키텍처의 각 개체는 에이전트 기반으로 모듈화된 컴포넌트들을 조합하여 구성된다. 이와 같은 개체 구성 방법은 개체의 재사용성과 조합성을 향상시키고, 결과적으로 시뮬레이션 시스템의 개발에 투입되는 시간, 비용, 및 노력을 감소시킨다. 지상무기체계 교전의 모의는 환경의 영향을 반영하는 것이 매우 중요하다. 제안된 아키텍처의 합성전장환경은 전장의 환경 데이터를 가지며 시뮬레이션 시스템의 전투개체와 계속적으로 상호작용한다. 이러한 아키텍처를 기반으로 구축된 시뮬레이션 시스템은 목적에 따라 다양한 지상무기체계 교전 시나리오의 신속한 모의가 가능하고, 개체들의 행위 수행에 환경 영향이 반영되어 신뢰성 있는 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있다. 본 논문은 제안된 아키텍처를 기반으로 예제 시스템을 구축하여 그 효용성을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Presented in this paper is a study for construction of a simulation system for the engagement of ground weapon systems. This paper proposes architecture for the simulation system based on agent simulation design methodology. Every entity of the proposed architecture is developed by assembling modularized agent components, and it enhances the reusability and composability of the entity. Consequently, time, costs, and efforts that are required to develop a new simulation system is able to be reduced by the enhancement. In the case of ground engagement simulation, it is very important to reflect environmental effects. Synthetic battlefield of the proposed architecture has environmental data of the battlefield and interacts with entities in the simulation system. The proposed architecture based simulation system can build swiftly various simulation models by the objectives and derive reasonable results from behaviors of entities that include environmental effects. This paper contains the construction of an example system based on the proposed architecture to verify the advantages of the architecture.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문의 최종 목적은 지상무기체계를 에이전트 기반의 전투개체로 설계하여 조합성을 향상시키고, 지상 교전이 발생하는 지형의 합성전장환경을 VPG(Virtual Proving Ground)를 지원하도록 구축하여 환경 영향을 시뮬레이션에 반영할 수 있는 시스템의 아키텍처 구축에 있다. VPG에 대한 내용은 2장에서 다루도록 하겠다.
본 연구는 시뮬레이션 모델을 구축함에 있어서, 위와 같은 국방 M&S의 요구사항을 만족시키는 시스템의 구축 방안을 제시하기위해 교전급 시뮬레이션 시스템의 아키텍처를 제안하였다.
본 연구에서는 기존 시뮬레이션 도구의 한계를 극복하고 교전급 M&S의 요구사항을 만족시키는 시뮬레이션 시스템을 위해 전투개체의 에이전트 기반 설계와 합성전장환경 구축을 수행한다.
그러나 기존의 연구들에서 에이전트의 조합성에 관한 연구는 개념 및 사례연구에 집중되며 전투개체의 조합성에 관련된 시뮬레이션 시스템 아키텍처의 연구는 부족하다. 본 연구에서는 에이전트의 특성 중 자율성은 제외하며 기능 컴포넌트들의 조합을 통한 전투개체 생성 및 합성전장환경 상에서 생성된 전투개체와 환경의 상호작용 모의가 가능한 시뮬레이션 시스템 아키텍처 설계에 그 중점을 둔다.
따라서 교전급 시뮬레이션에서 전투개체는 자체 특성과 다양한 행위를 조합하여 구성할 수 있어야 시나리오에 따른 신속한 전투개체를 생성할 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 전투개체의 특성을 반영하기 위해 에이전트 기반의 전투개체를 설계한다.
본 연구에서는 지상 교전을 모의하기 위한 시스템의 구현에 제안한 아키텍처를 적용하여 시뮬레이션 모델 구축의 예를 들었으며 구현한 시스템으로 간단한 시나리오를 시뮬레이션 하여 교전급 M&S 요구사항의 만족 여부를 확인하였다.

제안 방법

3장에서 설계된 에이전트 기반의 시뮬레이션 시스템 아키텍처를 기반으로 예제 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 사용자에게 전투개체의 Core 부분에 입력되는 기본 및 제원 특성 변수를 입력받아 전투개체를 생성한다.
제안된 아키텍처는 시뮬레이션 개체들을 Core/Shell로 구분해서 Core에는 개체의 특성 데이터, Shell에는 에이전트 기반의 컴포넌트가 연동될 수 있도록 구성하였다. 각 컴포넌트들은 Core 부분을 참조하며 다양한 행위를 수행할 수 있도록 모델링하였다. Core/Shell로 구분하여 모델링된 개체를 통해 조합성을 가지며, 그에 따른 생성된 에이전트 컴포넌트의 재사용성과 개체의 확장성 및 유연성을 가짐을 확인할 수 있었다.
앞서 언급되었듯이 실제 전장에서 임무를 수행하는 전투개체들은 자신의 제원 특성뿐만 아니라 환경적 영향 또한 임무 수행에 있어서 큰 역할을 한다. 따라서 지상 교전급 시뮬레이션에서의 전투개체 및 전투개체에 의해 사용되는 무기개체들의 임무수행에 환경적 요인을 반영하기 위해 지상 합성전장환경을 구축한다. 지상 교전 시뮬레이션 개체들과 상호작용하는 환경 객체는 대표적으로 지형과 대기가 있다.
, 2004). 본 연구에서는 전투개체에 에이전트 컴포넌트들을 연동하여 신속한 구축 및 확장/변경에 용이하도록 설계하기 위해 Park(2005)이 제안한 Core/Shell로 개체를 구분하여 설계하는 방법을 전투개체 설계에 적합하도록 수정해서 적용한다. Fig.
이와 같은 결과는 지상군의 교전을 모의하는 예제 시스템의 구축을 통해서 확인할 수 있었다. 생성된 개체는 합성전장환경 상에서 시뮬레이션을 수행하며 합성전장환경은 개체의 행위 수행에 영향을 주는 환경 데이터를 갖도록 하였다. 시뮬레이션 수행 중 개체들 사이의 상호작용 및 개체들과 환경과의 상호작용은 시뮬레이션 관리자에 속해있는 관리자들에 의해 이루어진다.
예제 시뮬레이션 시스템은 C++ 기반으로 구현되었으며 MFC(Microsoft Foundation Class) 라이브러리를 통해 UI(User-Interface)를 구축하였고, OGRE3D (Object-oriented Graphics Rendering Engine 3D) 엔진을 사용하여 3D 가시화를 수행하였다. 다음은 구현 결과로서 Fig.
시뮬레이션 수행 중 개체들 사이의 상호작용 및 개체들과 환경과의 상호작용은 시뮬레이션 관리자에 속해있는 관리자들에 의해 이루어진다. 예제 시스템은 이러한 시뮬레이션 관리자를 두어 합성전장환경의 환경 데이터가 시뮬레이션에 반영될 수 있도록 하였고, 개체들 사이에서 공격, 탐지 및 방어 등이 수행될 수 있도록 구축되어 아키텍처의 유효성을 확인하였다.
제안된 아키텍처는 시뮬레이션 개체들을 Core/Shell로 구분해서 Core에는 개체의 특성 데이터, Shell에는 에이전트 기반의 컴포넌트가 연동될 수 있도록 구성하였다. 각 컴포넌트들은 Core 부분을 참조하며 다양한 행위를 수행할 수 있도록 모델링하였다.
설명된 에이전트 컴포넌트의 기본 특성을 갖는 차량 전투개체의 기동, 탐지, 화력, 방어 컴포넌트는 다음과 같이 설계된다. 첫째, 기동 에이전트 컴포넌트는 Core 부분의 상태 특성 변수 중 현재위치와 목표위치를 비교한다. 비교 결과가 다를 경우에는 현재 전투개체의 행위 수행 상태가 이동 상태로 전이된다.

성능/효과

다양한 시나리오에 대해 신속한 전투실험을 위해 교전급의 시뮬레이션 시스템은 다음과 같은 요구를 받는다. 1) 복잡한 무기체계를 각각의 구성 시스템 별로 조합하여 현실에 근접하게 표현할 수 있는 모델링 기법, 2) 모델링된 전투개체의 다양한 전장 시나리오에 맞춰 신속히 확장/변경을 통한 재사용, 3) 합성전장환경과 전투개체의 상호작용을 통한 환경의 영향(Effect)와 환경에 영향(Impact)의 모의 등이 있다. 이러한 요구사항을 만족하기 위해서는 복잡한 무기체계와 수많은 연동인자들이 각각의 모듈로 모델링되어야 하며 구축된 모듈들의 조합으로 쉽고 빠르게 전투개체의 생성이 가능한 조합성(Composability)과 재사용성(Reusability)이 높은 시스템을 구축해야 한다.
각 컴포넌트들은 Core 부분을 참조하며 다양한 행위를 수행할 수 있도록 모델링하였다. Core/Shell로 구분하여 모델링된 개체를 통해 조합성을 가지며, 그에 따른 생성된 에이전트 컴포넌트의 재사용성과 개체의 확장성 및 유연성을 가짐을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 지상군의 교전을 모의하는 예제 시스템의 구축을 통해서 확인할 수 있었다.
지형의 높낮이와 지질에 대한 데이터에 의하여 이동 속도가 변하도록 구현되었다. 강수량과 연무량의 데이터는 전투개체 사이의 탐지에 영향을 주며 강수량과 연무량의 데이터 수치가 높으면 탐지거리가 짧아지도록 구현되었다. 또한 무기개체도 강수량과 연무량의 영향을 받아 정확성이 변하여 피격 지점이 달라지도록 구현되었다.
셋째, 화력 에이전트 컴포넌트는 상태 특성 변수의 현재 목표가 존재하면 컴포넌트 특성 변수로 갖는 사거리, 유효발사각, 포탄 수 및 장전 시간 등을 이용해 발사 가능 여부를 판단한다. 발사 이벤트가 발생하면 준비 상태에서 장전 시간이 지난 후 발사하고, 발사 후 전투개체의 상태 특성의 소음 수준을 일정시간 동안 증가시킨다.

후속연구

본 연구에서는 지상 교전을 모의하기 위한 시스템의 구현에 제안한 아키텍처를 적용하여 시뮬레이션 모델 구축의 예를 들었으며 구현한 시스템으로 간단한 시나리오를 시뮬레이션 하여 교전급 M&S 요구사항의 만족 여부를 확인하였다. 추후 연구로는 개체와 에이전트 컴포넌트의 세부적인 모델링을 수행하고, 합성전장환경과 개체 모델의 데이터를 기반으로 계산되는 공학급 모델을 포함하여 가상 테스트 환경의 구축 및 실험을 수행한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 시뮬레이션 도구들이 M&S 시스템에서 요구하는 것들에 제약적인 이유는?	기존에 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 도구는 범용적인 목적을 가지고 제작된 도구와 전투 시뮬레이션을 위해 제작된 도구가 있다. 범용적인 도구는 ARENA, AnyLogic, EMPlant 등이 존재하며 전투 시뮬레이션을 위한 도구로는 VBS2, Half-Life 등이 있다(Phongsak, 2004). 범용적인 도구는 전투 시뮬레이션의 수행에만 한정되지 않고 다양한 목적에 적용이 가능하다는 장점이 있지만 모델링에 많은 노력이 필요하고, 전투 시뮬레이션을 위한 도구는 쉽게 시뮬레이션 모델을 구축할 수 있지만 한정적인 접근만 가능하여 범용성이 부족하다(Park, Seong, 2010). 또한 범용 및 전투 시뮬레이션 도구, 둘 다 환경의 영향을 시뮬레이션에 반영하는데 제한적이다. 따라서 기존의 시뮬레이션 도구들은 교전급 M&S 시스템에서 요구하는 다양한 전투 시나리오의 생성, 전투개체의 모델링, 전투개체에 대한 환경의 영향 및 생성된 전투개체의 재사용 등에 크게 제약적이다.
	제한적인 국방 가용자원으로 어떤 체계를 요구하게 되는가?	무기체계의 발전에 따른 미래 전장환경 및 전쟁 패러다임의 변화로 인하여 군은 새롭고 다양한 작전적 요구에 직면하게 되었다. 그러나 이러한 요구에 비해 제한적인 국방 가용자원은 무기체계의 전력화 과정에서 최소의 비용으로 최적의 성능을 발휘하는 체계의 획득을 필요로 한다. 이에 따라 모델링 및 시뮬레이션(M&S, Modeling and Simulation)을 소요정의, 개념개발, 시제생산, 시험평가, 생산배치, 운용유지 및 후속 군수지원의 7단계로 구성되는 무기체계 획득의 전 순기(Acquisition Cycle)에 적용하는 SBA(시뮬레이션 기반 획득, Simulation-Based Acquisition)에 대한 중요성이 높아지고 있다.
	국방 분야의 M&S는 어떻게 구분이 가능한가?	국방 분야의 M&S는 표현 정도에 따라 전구, 임무/전투, 교전, 공학급으로 구분할 수 있는데, 그 중 본 논문의 목적인 교전급 M&S는 전투 개체의 행위와 각 무기체계의 기능을 자세히 묘사하며 적의 위협이나 작전 형태는 부분적으로 모델링한다(Cha, 2007). 또한 시뮬레이션의 시간은 몇 분에서 몇 시간 정도의 단일 작전을 대상으로 한다(Hill, McIntyre, 2001).

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