본 논문에서는 사이버-물리 시스템의 모델링 및 시뮬레이션 도구인 EcoSuite를 기반으로 지능화, 복잡화되고 있는 사이버-물리 시스템 형태의 무기체계를 개발 및 시험하는 프레임워크를 제시한다. EcoPOD를 이용한 무기체계의 모델링과 타 무기체계 모델들과 연동하여 구성 (Constructive) 시뮬레이션 환경 기반의 전장을 제공하는 EcoSIM이 소개된다. LVC 연동 개발을 위해서는 시뮬레이션 모델 연동 구조와 연동 기술에 순응(compliant)하는 인터페이스 기술, 그리고 시뮬레이션 모델과 실제 시스템(Live), 그리고 사용자와 상호작용하는 시스템(Virtual)의 연계 기술의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 LVC 연동 개발을 통한 모델의 검증 및 시스템의 기능을 시험하는 아키텍처와 적용 사례가 제시된다.
본 논문에서는 사이버-물리 시스템의 모델링 및 시뮬레이션 도구인 EcoSuite를 기반으로 지능화, 복잡화되고 있는 사이버-물리 시스템 형태의 무기체계를 개발 및 시험하는 프레임워크를 제시한다. EcoPOD를 이용한 무기체계의 모델링과 타 무기체계 모델들과 연동하여 구성 (Constructive) 시뮬레이션 환경 기반의 전장을 제공하는 EcoSIM이 소개된다. LVC 연동 개발을 위해서는 시뮬레이션 모델 연동 구조와 연동 기술에 순응(compliant)하는 인터페이스 기술, 그리고 시뮬레이션 모델과 실제 시스템(Live), 그리고 사용자와 상호작용하는 시스템(Virtual)의 연계 기술의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 LVC 연동 개발을 통한 모델의 검증 및 시스템의 기능을 시험하는 아키텍처와 적용 사례가 제시된다.
In this paper, we present a development framework for acquiring intelligent but complex cyber-physical weapon systems based on modeling and simulation development tools for cyber-physical systems, EcoSUITE. We introduce EcoPOD that models weapon systems and EcoSIM that provides constructive simulati...
In this paper, we present a development framework for acquiring intelligent but complex cyber-physical weapon systems based on modeling and simulation development tools for cyber-physical systems, EcoSUITE. We introduce EcoPOD that models weapon systems and EcoSIM that provides constructive simulation environment for interoperating the weapon model to be developed with other weapon models. To develop cyber-physical weapon system based on LVC interoperation, an interoperation architecture and an interface technique for a live and a virtual system that is compliant with the interoperation architecture. By expanding EcoSuite, we provide LVC-based development framework for interoperating a real system, a human-interactive interface system, and simulation models and validate it with a case study.
In this paper, we present a development framework for acquiring intelligent but complex cyber-physical weapon systems based on modeling and simulation development tools for cyber-physical systems, EcoSUITE. We introduce EcoPOD that models weapon systems and EcoSIM that provides constructive simulation environment for interoperating the weapon model to be developed with other weapon models. To develop cyber-physical weapon system based on LVC interoperation, an interoperation architecture and an interface technique for a live and a virtual system that is compliant with the interoperation architecture. By expanding EcoSuite, we provide LVC-based development framework for interoperating a real system, a human-interactive interface system, and simulation models and validate it with a case study.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 M&S 기반의 사이버-물리 시스템 개발 도구인 EcoSuite를 확장하여 실제 시스템(Live)과 사용자와 상호 작용하는 모델(Virtual) 및 기존 이종 무기체계나 주변 환경에 대한 시뮬레이션 모델들(Constructive)과의 연동 시뮬레이션 환경을 제공하는 LVC 기반의 사이버-물리 무기체계 개발 프레임워크를 제시한다.
본 논문에서는 사이버-물리 시스템 개발 프레임워크인 EcoSuite를 확장한 사이버-물리 무기체계 획득을 위한 LVC 연동 개발 프레임워크를 제시하였다. 본 개발 프레임워크는 무기체계를 개발함에 있어서 실제 시스템 운용 상황과 모델 또는 실제 시스템을 운용하는 사용자의 운용 패턴, 그리고 이종 무기체계 모델들과의 연동 시 나타나는 현상들을 종합적으로 고려해 모델 및 시스템 검증을 하는데 그 목적이 있다. 기술적으로 고려되어야 할 사항은 합성 전장 환경을 기반으로 구성(Constructive) 시뮬레이션 모델들과 실제(Live) 시스템 및 사용자 상호작용 인터페이스(Virtual)의 연동을 위한 구조의 결정, 그리고 연동 구조에 순응하는 인터페이스의 개발이다.
본 논문에서는 사이버-물리 시스템 개발 프레임워크인 EcoSuite를 확장한 사이버-물리 무기체계 획득을 위한 LVC 연동 개발 프레임워크를 제시하였다. 본 개발 프레임워크는 무기체계를 개발함에 있어서 실제 시스템 운용 상황과 모델 또는 실제 시스템을 운용하는 사용자의 운용 패턴, 그리고 이종 무기체계 모델들과의 연동 시 나타나는 현상들을 종합적으로 고려해 모델 및 시스템 검증을 하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 논문에서는 M&S 기반의 사이버-물리 시스템 개발 도구인 EcoSuite를 확장하여 실제 시스템(Live)과 사용자와 상호 작용하는 모델(Virtual) 및 기존 이종 무기체계나 주변 환경에 대한 시뮬레이션 모델들(Constructive)과의 연동 시뮬레이션 환경을 제공하는 LVC 기반의 사이버-물리 무기체계 개발 프레임워크를 제시한다. 본 프레임워크를 통해 지능화, 복잡화 된 사이버-물리 무기체계 획득에 소요되는 기간과 비용을 단축하고, 획득에 수반되는 위험을 최소화할 수 있는 개발 방법론을 제공할 수 있다.
이 장에서는 EcoSuite 기반의 LVC 연동 개발 프레임워크를 제시한다. 본 프레임워크에서는 각 체계를 시뮬레이션 환경에 참여시키고 데이터를 공유하기 위한 인터페이스를 제공하는 것을 핵심으로 한다. 구체적으로는 LVC 연동 개발 프레임워크의 아키텍처 제시 및 실제 시스템과 사용자 상호작용 인터페이스를 기존 EcoSuite 기반의 시뮬레이션 환경과 연동하기 위한 HSI(HW-SW Interconnctor)의 설계가 주 내용이다.
가설 설정
(c) 시뮬레이션 환경 연동기는 시뮬레이션 데이터 관리자와 시뮬레이션 연동 구조를 통해 프레임워크의 다른 구성 요소들과 데이터를 주고받기 위해서, 연동 구조와 인터페이스 할 수 있는 기능을 제공 한다. (d) 시뮬레이션 데이터 관리자는 응용 연동기와 디바이스 연동기 그리고 시뮬레이션 환경 연동기 사이에서 미리 설정된 정보에 따라 데이터 경로를 관리한다.
제안 방법
EcoSuite 기반 LVC 연동 개발 프레임워크를 이용해 사이버-물리 무기체계를 개발하는 방법의 효용성을 검증하기 위해 쿼드로터 무인기 개발 과정에 본 프레임워크 기반의 개발 방법을 적용하였다.
기술적으로 고려되어야 할 사항은 합성 전장 환경을 기반으로 구성(Constructive) 시뮬레이션 모델들과 실제(Live) 시스템 및 사용자 상호작용 인터페이스(Virtual)의 연동을 위한 구조의 결정, 그리고 연동 구조에 순응하는 인터페이스의 개발이다. EcoSuite 기반의 LVC 연동 개발 프레임워크는 이와 같은 고려 사항을 만족시키고, 쿼드로터 모델 및 AR.Drone용 응용 개발에 이를 적용하였다.
그림 8는 EcoSuite 기반 LVC 연동 개발 프레임 워크 적용 시스템의 구성도를 보여준다. LVC 연동 개발을 위한 시뮬레이션 연동 구조는 EcoSIM이 지원하는 HLA/RTI를 사용하였으며, Live, Virtual 요소를 위한 HSI는 HLA/RTI에 순응하도록 개발하였다.
LVC 연동 개발의 목표인 Constructive 요소인 ECML 모델의 출력과 Live 요소인 실제 시스템의 움직임 비교를 통해 ECML 모델의 검증 및 실제 시스템의 응용에 탑재된 기능의 시험을 위한 첫 번째 실험은 쿼드로터의 ECML 모델이 계산한 자세 값과, 실제 AR.Drone이 각 축으로 움직이기 위해 로터를 회전시켜 이동하는 동안 AR.Drone의 자세 센서를 통해 획득한 기체의 자세 값(roll, pitch, yaw)을 비교하는 것이다.
두 번째 실험은 실제 시스템의 운용 중에 기체의 GPS 장치가 고장 난 상황(실제 AR.Drone 2.0에는 GPS 장치가 미장착 되어있음)을 가정하고 이를 극복하는 응용 프로그램 기능을 시험하는 것이다. 우선 AR.
쿼드로터의 구성(Constructive) 시뮬레이션 모델은 그림 1과 그림 2에 도시된 바와 같이 ECML의 CPS 구조 모델(CSM)과 행위 모델(CBM) 형식으로 모델링되었으며, EcoPOD의 시뮬레이션 코드 생성 기능을 통해 C++코드로 생성되어 EcoSIM에 탑재되었다. 또한 합성 전장 환경 및 쿼드로터와 연동되어 전투에 참여할 타 시뮬레이션 모델(탱크, 헬리콥터 등)도 모델링 되었다.
쿼드로터 모델은 가로 300, 세로 300, 높이 30 크기의 정육면체 공간 내에서 비행하였다. 시뮬레이션인 진행됨과 동시에 시뮬레이션 모델에 연동된 AR.Drone은 본 연구팀의 실험실의 가로 3m, 세로 3m, 높이 3m 크기의 공간에서 유사한 궤적으로 비행하도록 하였다.
0에는 GPS 장치가 미장착 되어있음)을 가정하고 이를 극복하는 응용 프로그램 기능을 시험하는 것이다. 우선 AR.Drone의 응용에서는 비행 이력(내부 제어 함수들의 호출 이력)을 통해 비행 중 기체의 실험실 공간상에서의 추정 좌표를 유지하도록 하였다. 그리고 사용자 상호작용 인터페이스를 통해 귀환 명령 시 출발 위치로 회귀하는 방법이 구현되었다.
쿼드로터의 구성(Constructive) 시뮬레이션 모델은 그림 1과 그림 2에 도시된 바와 같이 ECML의 CPS 구조 모델(CSM)과 행위 모델(CBM) 형식으로 모델링되었으며, EcoPOD의 시뮬레이션 코드 생성 기능을 통해 C++코드로 생성되어 EcoSIM에 탑재되었다. 또한 합성 전장 환경 및 쿼드로터와 연동되어 전투에 참여할 타 시뮬레이션 모델(탱크, 헬리콥터 등)도 모델링 되었다.
표 2는 가로 3m, 세로 3m 크기의 실험실 내 비행 공간(본 실험에서는 30x30으로 가상 좌표 할당)에서 비행 중인 AR.Drone을 관찰하다가 특정 시점에 사용자 상호작용 인터페이스를 통해 초기 위치로 회귀 명령을 내려 회귀 기능 실행 후 착륙한 지점과 실제 초기 이륙 위치(0, 0)와의 비교를 통해 응용의 기능을 시험하였다. 수 차례 시험의 결과에 연관성은 보이지 않았지만 본 실험은 사용자 상호작용 인터페이스와 실제 시스템과의 연동, 그리고 첫 번째 실험과 연계해 실제 시스템에 탑재된 응용의 기능을 보완할 수 있는 적용 사례이다.
대상 데이터
Drone을 관찰하다가 특정 시점에 사용자 상호작용 인터페이스를 통해 초기 위치로 회귀 명령을 내려 회귀 기능 실행 후 착륙한 지점과 실제 초기 이륙 위치(0, 0)와의 비교를 통해 응용의 기능을 시험하였다. 수 차례 시험의 결과에 연관성은 보이지 않았지만 본 실험은 사용자 상호작용 인터페이스와 실제 시스템과의 연동, 그리고 첫 번째 실험과 연계해 실제 시스템에 탑재된 응용의 기능을 보완할 수 있는 적용 사례이다.
연동 시뮬레이션이 이루어지는 합성 전장 환경의 크기는 가로 950, 세로 1163, 높이 271 크기의 정육면체 구조이다. 쿼드로터 모델은 가로 300, 세로 300, 높이 30 크기의 정육면체 공간 내에서 비행하였다.
연동 시뮬레이션이 이루어지는 합성 전장 환경의 크기는 가로 950, 세로 1163, 높이 271 크기의 정육면체 구조이다. 쿼드로터 모델은 가로 300, 세로 300, 높이 30 크기의 정육면체 공간 내에서 비행하였다. 시뮬레이션인 진행됨과 동시에 시뮬레이션 모델에 연동된 AR.
이론/모형
Live 체계와 Virtual 체계는 기본적으로 시뮬레이션 목적으로 제작된 체계가 아니므로 Constructive 체계와 연동 시뮬레이션을 위해 시뮬레이션 구조와의 인터페이스를 위한 별도의 모듈이 필요하다. 이를 위해 실제 시스템 및 사용자 상호작용 인터페이스에 공통으로 적용할 수 있는 HSI(HW-SW Interconnector)를 사용한다. HSI의 블록 다이어그램은 그림 7과 같다.
성능/효과
(b) 디바이스 연동기는 디바이스 드라이버를 이용하여 디바이스와 시뮬레이션 데이터 관리자 간의 데이터를 전달한다. (c) 시뮬레이션 환경 연동기는 시뮬레이션 데이터 관리자와 시뮬레이션 연동 구조를 통해 프레임워크의 다른 구성 요소들과 데이터를 주고받기 위해서, 연동 구조와 인터페이스 할 수 있는 기능을 제공 한다. (d) 시뮬레이션 데이터 관리자는 응용 연동기와 디바이스 연동기 그리고 시뮬레이션 환경 연동기 사이에서 미리 설정된 정보에 따라 데이터 경로를 관리한다.
Drone의 응용에서는 비행 이력(내부 제어 함수들의 호출 이력)을 통해 비행 중 기체의 실험실 공간상에서의 추정 좌표를 유지하도록 하였다. 그리고 사용자 상호작용 인터페이스를 통해 귀환 명령 시 출발 위치로 회귀하는 방법이 구현되었다.
마지막으로 MILS는 실제 시스템과 시뮬레이션 모델을 연결하여 모델을 개발하고 검증하기 위한 기법이다. 이상의 세 가지 기법은 하드웨어, 소프트웨어, 시스템 모델 각각을 검증하기 위한 테스팅 기법이지만 다수의 이종 모델이 연동되어 상호작용하는 시뮬레이션 환경과 개발하고자 하는 하드웨어 및 소프트웨어를 연동해 모델과 시스템을 통합 검증하기에는 부족함이 있다.
후속연구
향후 연구 방향은 체계 운용중 사용자의 입력을 모델과 실제 시스템의 입력으로 연동시키고, 실제 시스템의 출력 값을 기반으로 모델의 출력 값을 보정하는 등 L-V, V-C, L-C의 입출력 간의 세부적인 연동이다. 다만 개발 도구를 이용해 실제 체계를 개발하는 것은 해당 분야의 전문 지식(예를 들어, 항공역학)이 필요한 부분이며, 분야별 요구사항을 일반화된 개발 도구에서 모두 지원하는 것은 한계가 있으므로 사이버-물리 시스템 형태의 무기체계에 대한 지속적인 정의 및 이에 대한 실제적인 적용을 하는 것이 향후 연구 과제이다.
향후 연구 방향은 체계 운용중 사용자의 입력을 모델과 실제 시스템의 입력으로 연동시키고, 실제 시스템의 출력 값을 기반으로 모델의 출력 값을 보정하는 등 L-V, V-C, L-C의 입출력 간의 세부적인 연동이다. 다만 개발 도구를 이용해 실제 체계를 개발하는 것은 해당 분야의 전문 지식(예를 들어, 항공역학)이 필요한 부분이며, 분야별 요구사항을 일반화된 개발 도구에서 모두 지원하는 것은 한계가 있으므로 사이버-물리 시스템 형태의 무기체계에 대한 지속적인 정의 및 이에 대한 실제적인 적용을 하는 것이 향후 연구 과제이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사이버-물리 시스템이란?
사이버-물리 시스템은 컴퓨팅 요소와 물리 프로세스가 강결합되어 하나의 서비스를 제공하는 시스템이다. 사이버 영역인 컴퓨팅 시스템 및 네트워크는 피드백 제어 루프(feedback control loop)를 통해 물리 영역인 기계, 주변 환경 등의 상태를 모니터링하고 제어한다[2].
EcoSuite 기반의 LVC 연동 개발 프레임워크의 핵심 목표는 무엇인가?
이 장에서는 EcoSuite 기반의 LVC 연동 개발 프레임워크를 제시한다. 본 프레임워크에서는 각 체계를 시뮬레이션 환경에 참여시키고 데이터를 공유하기 위한 인터페이스를 제공하는 것을 핵심으로 한다. 구체적으로는 LVC 연동 개발 프레임워크의 아키텍처 제시 및 실제 시스템과 사용자 상호작용 인터페이스를 기존 EcoSuite 기반의 시뮬레이션 환경과 연동하기 위한 HSI(HW-SW Interconnctor)의 설계가 주 내용이다.
사이버-물리 시스템의 예는 무엇이 있는가?
사이버 영역인 컴퓨팅 시스템 및 네트워크는 피드백 제어 루프(feedback control loop)를 통해 물리 영역인 기계, 주변 환경 등의 상태를 모니터링하고 제어한다[2]. 기존에 인간이 조종하던 기계 시스템인 비행체에 컴퓨팅 요소가 더해진 무인 비행체(Unmanned Aereal Vehicle, UAV)와 같은 하이브리드 시스템이나 다수의 무기체계를 연동해 다양한 임무를 수행하는 시스템들의 시스템인 C4ISR 체계[3] 등이 사이버-물리 시스템의 대표적인 예이다.
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