[논문]선체의 소자 장비 고장 시 재소자 성능 분석

최낙선; 정기우; 김동욱; 양창섭; 정현주; 김동훈

doi:10.5370/kiee.2012.61.10.1426

[국내논문] 선체의 소자 장비 고장 시 재소자 성능 분석
Performance Analysis for Optimizing Degaussing Coil Currents in Ships with a Breakdown in Parts of Degaussing Devices 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.10, 2012년, pp.1426 - 1431

최낙선 (경북대학교 전기공학과) , 정기우 (경북대학교 전기공학과) , 김동욱 (경북대학교 전기공학과) , 양창섭 (국방과학연구소) , 정현주 (국방과학연구소) , 김동훈 (경북대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes re-degaussing performances of various breakdown conditions of degaussing coils in a ship to reduce underwater magnetic field anomaly due to the hull magnetization induced under the Earth's magnetic field. To achieve this, first, it is implemented to optimize degaussing coil currents by a magnetomotive force sensitivity formula combined with the coil effects. The re-degaussing processes are then executed when a breakdown occurs in degaussing coils, one by one. Finally, the re-degaussing performances are examined with the results of normal degaussing and coil breakdown conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 선체 내에 설치된 소자 코일의 최적 소자 전류치를 도출하기 위하여 해석적인 기자력 민감도식과 주어진 시스템의 선형성을 이용한 효율적인 소자 기법을 제안하였다. 또한 선체 내 설치된 소자 코일 고장 시 발생하는 수중 자기장 신호의 크기의 증가 즉 소자 성능 저하 정도와 이를 바탕으로 재소자를 수행한 수 소자 성능 향상정도를 비교 분석 하였다.
본 논문에서는 우선 소자 코일을 구성하는 각 코일별 고장이 발생하였을 경우의 수중 자기장 신호 크기를 정상 소자의 신호와 비교하였다. 이를 바탕으로 소자 코일 고장 시 발생하는 상대적으로 큰 수중 자기장 신호를 최소화하기 우해 기자력 민감도식(magnetomotive force sensitivity)과 코일효과(coil effect)를 이용한 재소자 과정을 수행한 후, 이를 정상소자 성능과 비교 분석하였다.

가설 설정

도출된 기자력 민감도는 역문제 해석의 효율성을 높이기 위하여 기자력 벡터 #를 소자코일 전류 #와 선형으로 가정한다.
소자 장비의 고장은 고장 소자 코일에 전류가 흐르지 않는 상황이므로 코일의 전류를 0으로 인가하여 모델링 하였다. 또한 한 개의 소자 코일에 고장이 발생한 상황을 가정하였으며, 고장 발생 유무에 따른 소자 결과와 고장 후 재소자를 수행하여 소자 결과의 개선 정도를 확인하였다.

제안 방법

3.1절에서와 같이 소자 장비의 운용 중 고장으로 인해 해당 소자 코일이 성능을 수행하지 못할 경우, 고장 코일로 인해 급격히 저하된 소자 성능을 최대한 보상하기 위하여 나머지 정상 코일을 이용하여 재소자를 수행한 후 그 결과를 분석하였다.
소자는 선체에 의한 자기장을 감소시키기 위해 각 코일별로 최적 소자 전류치를 찾는 것으로 이를 위해서는 반복 계산이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 보다 효율적인 최적 소자 전류를 도출하기 위하여 최적화 과정에서 3차원 전자기 해석 도구 대신 식 (1)과 같은 주어진 시스템의 선형성을 이용한다. 전류가 흐르는 개별 소자 코일에 의해 특정 관측선에 발생하는 수중 자기장 분포를 코일 효과라고 하며, 이를 이용하여 임의의 소자 코일 전류에 대한 수중 자기장을 중첩의 원리를 이용하여 예측하게 된다.
본 논문에서는 선체 내에 설치된 소자 코일의 최적 소자 전류치를 도출하기 위하여 해석적인 기자력 민감도식과 주어진 시스템의 선형성을 이용한 효율적인 소자 기법을 제안하였다. 또한 선체 내 설치된 소자 코일 고장 시 발생하는 수중 자기장 신호의 크기의 증가 즉 소자 성능 저하 정도와 이를 바탕으로 재소자를 수행한 수 소자 성능 향상정도를 비교 분석 하였다.
본 논문에서는 수심 24 m에서 x축 방향으로 –200 m에서 200 m까지의 결과들을 정리하였다.
소자 장비에 고장이 발생한 경우의 소자 성능을 분석하기 위해 세 가지 모의시험을 수행하였다. 첫째, 소자 장비가 정상적인 경우, 둘째, 소자 장비 운용 중 소자 장비에 고장이 발생한 경우, 마지막으로 소자 장비 고장 발생 후 능동적으로 대처하기 위해 나머지 정상적인 소자 장비만을 이용한 재소자를 수행한 경우이다.
첫째, 소자 장비가 정상적인 경우, 둘째, 소자 장비 운용 중 소자 장비에 고장이 발생한 경우, 마지막으로 소자 장비 고장 발생 후 능동적으로 대처하기 위해 나머지 정상적인 소자 장비만을 이용한 재소자를 수행한 경우이다. 소자 장비의 고장은 고장 소자 코일에 전류가 흐르지 않는 상황이므로 코일의 전류를 0으로 인가하여 모델링 하였다. 또한 한 개의 소자 코일에 고장이 발생한 상황을 가정하였으며, 고장 발생 유무에 따른 소자 결과와 고장 후 재소자를 수행하여 소자 결과의 개선 정도를 확인하였다.
소자 성능에 이상이 발생하면 고장 코일을 검출하고 고장이 발생한 코일의 전류를 설계 변수에서 제외시키고 나머지 정상 코일들의 전류를 이용하여 재소자를 수행한다. 소자 전류 최적화를 수행하여 나온 각 코일의 전류를 그림 6의 유한 요소 모델에 적용하여 그 결과를 검증하였다.
본 논문에서는 우선 소자 코일을 구성하는 각 코일별 고장이 발생하였을 경우의 수중 자기장 신호 크기를 정상 소자의 신호와 비교하였다. 이를 바탕으로 소자 코일 고장 시 발생하는 상대적으로 큰 수중 자기장 신호를 최소화하기 우해 기자력 민감도식(magnetomotive force sensitivity)과 코일효과(coil effect)를 이용한 재소자 과정을 수행한 후, 이를 정상소자 성능과 비교 분석하였다.

성능/효과

2.2절에서 유도된 해석적인 기자력 민감도를 이용하여 소자 코일 별 기자력에 대한 목적함수의 1계 미분 정보를 얻을 수 있다. 따라서 기자력 민감도을 계산하기 위해서는 그림 3에 제시된 주 시스템과 보조 시스템으로 구성된 듀얼 시스템에 대한 해석이 선행되어야 한다.
표 2에는 재소자 수행 시 각 소자 코일별 기자력을 각 코일별 정상 소자의 기자력에 대해 정규화한 수치를 제시하였다. 각 정상 소자 기자력에 비해 고장 발생 시 인접한 코일에서 고장 코일의 기자력을 보상하기 위해 기자력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 고장 부분을 보상하기 위해 증가한 기자력 크기는 소자 장비의 전원부 용량을 결정에 고려되어야 한다.
제시된 결과로부터 재소자를 수행한 경우에는 고장 시 발생하는 자기장의 최대값이 감소하는 효과가 나타난다. 그러나 고장 코일 주위의 자기장 신호들도 정상 상태의 소자 된 자기장 크기에 비해 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 고장 코일로 인해 수행한 재소자 후에 고장 코일 주변의 코일 기자력이 정상 상태 소자에 비해 커지기 때문에 발생한다.
일반적으로 소자의 성능은 소자 수행 후 수중 자기장의 최대값에 의해 결정된다. 따라서 제시된 결과들로부터 소자 코일에 고장이 발생한 경우, 재소자 과정을 통하여 고장으로 인해 급격히 저하된 소자 성능을 제한적이지만 향상시킬 수 있다는 사실을 추론할 수 있다.
V 코일의 경우는 그림 1(a)의 V3 코일에 고장이 발생한 경우 수중 자기장의 크기 증가가 가장 크며 정상 소자 상태에 비해 최대 1300% 정도 커진다. 또한 V 코일 고장 후 재소자를 수행한 결과는 고장 시 발생하는 수중 자기장 크기에 비해 약 5%~20% 까지 자기장의 크기를 감소시키는 것을 확인할 수 있다. A 코일의 경우, 그림 1(b)의 A1 코일에 고장 발생 시 수중 자기장 크기가 정상 소자 상태의 크기에 비해 450% 정도 증가하며, 재소자를 수행한 후에도 자기장 크기 감소효과가 상대적으로 작게 나타난다.
제시된 모든 자기장 신호는 고장 발생 시 나타나는 최대값을 기준으로 값으로 정규화한 값이다. 제시된 결과로부터 각 방향별 소자 코일에 고장이 발생한 경우에는 각 소자 코일이 위치하는 부위에서 소자 성능이 정상 소자에 비해 급격히 저하됨을 확인할 수 있다.
그림 내 범례 중 ‘Redegaussing of V₁ coil’은 V1 코일에 고장이 발생한 경우 나머지 코일을 이용하여 재소자를 수행한 결과이다. 제시된 결과로부터 재소자를 수행한 경우에는 고장 시 발생하는 자기장의 최대값이 감소하는 효과가 나타난다. 그러나 고장 코일 주위의 자기장 신호들도 정상 상태의 소자 된 자기장 크기에 비해 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피탐지 기술이 중요한 이유는?	임의의 형태의 신호를 보다 정확하게 탐지하기 위한 탐지 기술은 정확한 정보를 획득하기 위한 필요 기술이라면, 이를 회피할 수 있는 피탐지 기술은 정보를 보호하기 위한 핵심 기술이다. 피탐지 기술이 중요한 이유는 정치, 경제, 군사 등 다양한 분야에서 중요 정보가 노출되는 것은 결국 어떠한 형태로든 정보 소장 기관에게 바람직하지 못한 결과를 초래하는 경향이 있기 때문이다. 특히 군사적인 측면에서 아군의 정보 노출은 국가적인 안보가 걸린 중대 사안에 해당한다[1,2].
	소자 장비 고장 시에 정상 소자상태의 함정에 비해 비교적 큰 수중 자기장이 발생하게 되는데, 이를 보상하기 위해 어떤 작업이 요구되는가?	소자 장비 고장 시에는 정상 소자상태의 함정에 비해 비교적 큰 수중 자기장이 발생하게 된다. 따라서 이를 보상하기 위해 나머지 정상 운전이 가능한 소자 코일들이 활용하여 재소자 즉 각 소자코일에 할당되는 최적 소자 전류 크기를 다시 산정해 주어야 하는 작업이 요구된다.
	소자(degaussing) 기술이란?	작전 수행 중인 함정은 다양한 요인에 의해 여러 가지 형태의 정보가 노출되며 이렇게 노출된 정보에 대해 능동적으로 대처하지 못할 경우 함정의 안전성은 저하된다. 함정의 기밀성과 안정성을 향상시키기 위해 지구 자기장 환경 하에 강자성체인 선체에 의해 발생하는 수중 자기장 변화를 최소화하고자 하는 기술이 소자(degaussing) 기술에 속한다. 일반적으로 선체 내부에 수직 방향(V : vertical), 횡축 방향(A : athwartship), 종축 방향(L : longitudinal)으로 소자코일이 설치되어 함정 선체에 의해 발생하는 수중 자기장과 반대 방향의 자기장을 발생시켜 전체 수중 자기장의 크기를 최소화 한다.

참고문헌 (6)

David S. Alberts, "정보시대 전쟁의 이해", 국방대학교 안보문제연구소, 2004.
양창섭, "함정에서 발생되는 수중 전자기장 신호 특성 예측 기법". 경북대학교 대학원, 2008.
John J, Holmes "Reduction of a Ship's Magnetic Field Signatures (1st Edition)", Morgan & Claypool., 2008.
D. H. Kim, et al., "A novel scheme for material updating in source distribution optimization of magnetic devices using sensitivity analysis," IEEE Trans. Magn., vol. 41, no. 5, pp. 1752-1755, 2005.

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K. Lee, et. al., "Implementation of material sensitivity analysis for determining unknown remanent magnetization of a ferromagnetic thin shell," IEEE Trans. Magn., vol. 45, no. 3, pp. 1478-1481, 2009.

상세보기
N. S. Choi, et. al., "Efficient Methodology for Optimizing Degaussing Coil Currents in Ships Utilizing Magnetomotive Force Sensitivity Information," IEEE Trans. Magn., vol. 48, pp. 419-422, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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