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문제 정의
- 본 연구는 국내 무기체계 선행연구단계에서 개선되어야 할 획득대안 분석의 발전적 적용 방안을 MTS 함정 신규 건조 및 획득사업을 대상으로 국내 최초로 시범 적용한 것이다.
- 본 연구는 연구개발 무기체계의 선행연구단계(개념설계, 사업분석 등 수행)에서의 요구능력 및 기능 분석, 설계 조합을 기반으로 효과도, 비용, 위험도를 종합적으로 고려한 다목표 의사결정 환경에서의 획득대안 분석을 통한 국내 적용 방안을 제시하고 실증적 사례 분석을 통해 개선된 방법론에 대한 평가를 수행하였다.
- 이러한 설계 과정의 핵심은 대상 획득사업의 제약조건 (성능, 비용, 일정) 내에서 다양한 획득대안들에 대한 비교분석을 실시하고, 실행 가능한 영역(feasible area) 내에서 설계 개념을 최적화하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 1단계 개념탐색 단계에서는 MTS 함정 개념설계 및 사업분석 결과를 통해 초기 설계개념을 설정하고, 2단계 개념정제 단계에서는 작전운용성능(안)을 기반으로 효과도 모델을 개발하여 설계조합의 범위를 식별한 후, 1단계 개념설계 및 사업분석 결과와 비교를 통해 설계조합의 범위를 압축함으로써 실험 횟수 및 시간을 보다 줄이는 방법으로 효과도, 위험도, 비용에 대한 종합적인 분석을 수행하였다.
- MOE 수준(Level 2)에서의 3가지 항목에 대한 가중치는 관련 전문가의 의견을 수렴하여 AHP 도구인 Expert Choice를 활용하여 3가지 항목에 대하여 그림 5와 같이 쌍대비교를 통해 가중치를 도출하였다.
- MOP 수준(Level 3)은 수준 2의 3가지 요구능력을 충족시키는데 필요한 항목으로 대공전훈련(AAW_TR : Anti-Air Warfare Training), 대수상함전훈련(ASuW_TR : Anti-Surface Ship Warfare Training) 등 11개 항목으로 분류하여 계층적 모델을 생성하였다.
- 공학적 추정의 경우 함 건조비는 MOP의 기준치와 목표치 범위 내에서 달성수준에 따른 설계 변수 및 소요기술의 설계조합 결과를 반영하여 설계 대안들에 대한 획득 비용을 추정하였다.
- 대안별 효과도는 함정 선체 재질의 변화에 따른 함정 배수량의 변화, 이에 따른 함 최대속력 및 소요마력의 충족을 위한 탑재 추진체계 및 가용 기술의 검토, 소요마력의 변화 등에 따른 관련 설계변수 간의 설계조합을 통해 산출하였다.
- 또한 전산모델(PRICE 모델 사용)에 의한 추정은 SWBS를 기반으로 비용분할구조도(EBS : Estimating Breakdown Structure)를 작성하여 함정 체계 분할구조(선체 100그룹, 추진체계 200그룹 등)에 대한 중량 추정, 제조복잡도(MCPLXS) 추정 등을 실시하였으며, 전산 모델로 작성한 비용분할 구조도는 그림 7과 같다.
- 본 연구에서 수행한 연구방법은 그림 2와 같이 기존 국내 선행연구 프로세스를 1단계 프로세스로 정의하고, 이를 확장한 2단계 개념정제 프로세스를 추가적으로 확장하여 적용한 것이다.
- 본 연구에서는 다목표 의사결정 환경에서의 획득대안 분석을 위한 실증적 연구를 위해 해상에서의 각종 훈련을 지원하는 다목적 훈련지원함(MTS : Multi-purpose Training Ship)을 시범대상으로 선정하여, 효과도, 비용, 위험도를 종합적으로 고려한 획득대안 분석 방법를 적용하였다.
- 비용 추정은 각 대안별 설계변수들의 선택 및 조합에 따라 달라지는 소재, 탑재장비의 변화를 비용분할구조에 반영하여 함 중량의 증감을 반영하여 건조비 및 운영유지비(유류비 중점)를 비교 분석하였고, 선행연구단계 사업분석 결과를 토대로 공학적 추정과 전산모델 추정의 2가지 방법을 병행하여 사용함으로써 미 해군의 단일 비용 추정 방식 보다 개선된 추정 방법을 사용하였다.
- 비용추정 방법은 공학적 추정과 전산모델 추정을 병행하여 분석함으로써 2가지 추정 결과 간 상호 보완을 통해 추정값의 신뢰도를 높였다.
- 상기 가중치를 반영한 전체 효과도(OMOE)는 Alan J. Brown이 적용한 효과도 목적함수인 수식(1)을 사용하였고, 11개 MOP 항목별 VOP(Value of Performance)는 표 2에 제시된 설계변수들인 DVs(Design Variables)의 달성도(attained value)를 표 1 및 표 2에 제시된 대안별 조합 범위에 따라 지수화(Low=0, Medium=0.5, High=1.0)하여 적용하여 수식 (1)에 적용함으로써 획득대안별 효과도를 산출하였다.
- 상기 표 3은 미 국방부 위험도 관리지침에 따라 위험의 종류(risk type)는 성능(performance), 비용(cost), 일정 (schedule) 3가지로 분류하고 이와 관련된 설계 변수들 (DVs)을 식별한 후, 위험도 관리 지침상의 적용기준인 5단계 척도(0.1∼0.9)를 활용하여 Pi와 Ci를 평가한 것으로 본 MTS 사업 참여 전문가들의 의견 수렴, 기 검증된 미해군 함정 개념설계보고서상의 유사 설계변수들에 대한 위험도 평가 결과 등을 고려하여 평가한 것이다.
- 설계 대안별 비용 추정은 SWBS(Ship Work Breakdown Structure)를 기반으로 공학적 방법과 전산모델 추정 방법을 병행한 2가지 방법으로 총 사업비 추정을 실시하였다.
- 수식 (3)에 있는 Wpef, Wcost, Wsched은 성능, 비용, 일정 각각에 대한 가중치(weight)로 미 해군 각종 함정들에 대한 분석 시 일반적으로 적용하고 있는 기준인 0.5, 0.3, 0.2를 각각 적용하였다.
- 위험도는 선정된 위험요소의 성능, 비용, 일정의 3가지 관점에서 위험도 목적 함수에 따라 위험도 평가 기준을 설정하여 위험도를 산출하였다.
- 초기 설계개념 및 각종 대안들에 대한 분석 범위는 국내 선행연구단계에서의 연구 산출물(개념설계, 사업분석 연구결과)을 활용하였으며, 시스템공학 프로세스를 기반으로 초기에 설정한 운영개념을 확인하여 임무 시나리오를 분석하였다.
- 총 사업비 및 함 건조비는 유사 실적함들에 대한 노무공수 비교 분석 등 공학적 비용 추정 방법론에 따라 국·내외 유사 실적함을 비교분석하여 재료비, 노무비, 경비 등을 추정하였다.
- 함 운영유지비는 선체 재질들에 대한 대안 선택에 따른 함정 배수량, 소요마력, 탑재 추진체계 간의 설계조합을 실시하였고, 설계조합 결과 도출된 각각의 대안에 대하여 탑재 엔진 기종별 연료소모율을 분석하여 함 수명 주기 동안 소요되는 유류비를 정량적으로 추정하였다.
- 효과 분할 구조도(OMOE)는 본 MTS 함정의 임무 및 운용개념을 기반으로 미 해군 함정들에 통상적으로 적용하고 있는 분류 방식을 참조하여 그림 4와 같이 MOE 수준(Level 2)은 전투훈련능력(War Fighting Training), 기동 능력(Mobility), 생존능력(Survivability) 3가지로 분류하였다.
- 효과도 모델은 초기에 설정된 작전운용성능에 대하여 계층적 모델을 활용하여 체계적으로 분류하고, 이에 대한 임무 및 효과도를 설정하기 위해본 사업분야 전문가들의 의견 수렴을 기반으로 AHP(Analytical Hierarchy Process) 기반의 전산도구를 활용하여 가중치를 설정하였다.
이론/모형
- 상기 이론들은 1976년 Reed가 함정 설계를 위해 최초로 개발한 설계조합 모델인 함정 설계조합 모델(Ship Synthesis Model)에 응용되었으며, 이를 기반으로 MIT에서 Thomas와 Alan J. Brown이 20년 이상 연구 및 발전시켜 1990년대에는 OMOE(Overall Measure of Risk) 기반의 ASSET(Advanced Ship Synthesis Evaluation Tool)에 적용되었다.
- 위험도 목적함수로는 Mierzwicki와 Alan J. Brown이 제시한 수식 (3)을 적용하였다.
성능/효과
- 6은 Dgn. 11에 비해 소요되는 비용은 많으나 효과도는 유사하며 위험도는 오히려 증가됨을 정량적인 방법으로 비교 분석할 수 있었다.
- 3가지 항목에 대한 상대적 비교 결과 가중치 순위는 그림 5의 하단에 도시된 3가지 막대그래프의 크기(가중치)에서와 같이 전투훈련능력, 기동능력, 생존능력 순으로 도출되었으며, 본 MTS 함의 임무가 전투함이 아닌 훈련지원함 임을 고려시 임무별 가중치는 타당한 결과로 분석된다.
- MOP 수준(Level 3)에서의 가중치는 본 사업분야 전문가들의 의견을 기반으로 쌍대비교 및 시뮬레이션 결과 그림 6와 같이 막대그래프의 크기(가중치)로 도출되었다.
- 또한, 실행가능 영역 및 비지배해에 대한 확장된 탐색을 통해 기존 선행연구를 통해 도출된 초기 획득대안들보다 우월한 획득 대안을 도출할 수 있음을 알 수 있었다.
- 이번 연구에서는 효과도, 위험도, 비용과 같은 다목표 의사결정 환경에서의 획득 대안에 대한 비교 평가를 수행하고, 실행 가능한 영역에서 기존 보다 우월한 해를 추가적으로 도출함으로써 향후 본 연구방법이 신규 무기체계 분석 시 보다 과학적인 획득대안 분석 및 의사결정 방법론으로 유용하게 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 총 11개 MOP 항목에 대한 가중치 순위는 대함사격, 어뢰 회수, 전자전, 대공전 훈련 분야가 타 분야 대비 상대적으로 높으며, 생존성 분야인 레이더 반사 단면적 (RCS : Radar Cross Section), 적외선(IR : Infra Red) 등의 분야는 본 MTS 함이 비전투함임에 따라 가중치가 상대적으로 낮게 도출되어 전반적으로 타당한 결과가 산출된 것으로 분석된다.
후속연구
- 9, Dgn. 3은 실행 가능 영역에는 존재하나, 이번 연구결과를 통해 보다 우월한 제3의 대안들이 존재함을 알 수 있고, 이러한 결과는 향후 유사 함정 및 무기체계 획득대안 분석시 본 연구 방법을 적용함으로써 보다 향상된 분석결과를 제시할 수 있음을 알 수 있다.
- MTS 함정 시범 연구 등을 통해 제시된 개선된 획득대안 분석 방법 및 성과물은 향후 유사 무기체계 획득 사업에 활용함으로써, 다목표 의사결정 환경에서 보다 과학적이고 합리적인 의사결정을 위한 수단으로 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
- 그러나, 작전운용성능이 타당하다고 하더라도 설계 변수의 선택에 따라 제한된 예산 혹은 비용 범위 내에서 그 이상의 효과가 있는 다양한 획득 대안들이 존재할 수 있으며, 이러한 대안들은 효과지수와 더불어 비용, 위험도와의 상호 절충 및 비교를 통해 최적의 대안을 도출할 필요가 있다.
- 또한, 기존 개념설계 및 사업분석을 통해 도출되는 함정 획득 대안은 실행 가능한 영역 내부에 존재할 수 있는 단일 획득 대안 위주로 분석 및 검증하는 제한점이 있으며, 따라서 부체계 및 구성품 수준에 존재하는 다양한 후보 대안들에 대한 설계조합을 통해 설계공간 탐색을 확장하고, 효과도, 위험도, 비용을 종합적으로 평가하여 실행 가능한 영역에서 상대적으로 우월한 대안들 또는 비 지배해(non-dominated frontier)들의 존재 여부를 확인할 필요가 있다.
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