[논문]DEVS 형식론 기반의 Dynamic Reliability Block Diagram과 GPU 가속 기술을 이용한 신뢰도 분석 방법

하솔; 구남국; 노명일

doi:10.9709/jkss.2013.22.4.109

DEVS 형식론 기반의 Dynamic Reliability Block Diagram과 GPU 가속 기술을 이용한 신뢰도 분석 방법
GPU-accelerated Reliability Analysis Method using Dynamic Reliability Block Diagram based on DEVS Formalism 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.22 no.4, 2013년, pp.109 - 118

하솔 (서울대학교 공학연구소) , 구남국 (서울대학교 해양플랜트창의인재양성사업단) , 노명일 (서울대학교 조선해양공학과 및 해양시스템공학연구소)

초록
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전통적으로 신뢰도 분석에 사용되는 Fault Tree Analysis의 경우 관련 분야의 전문가가 필요하고 작성자의 판단에 따라 신뢰도 분석 결과가 달라진다. 반면, Reliability Block Diagram의 경우 시스템 구성도나 Process Flow Diagram (PFD), Piping and Instrument Diagram (P&ID)을 기반으로 하기에 작성에 필요한 비용과 시간이 절감되는 장점이 있다. 본 논문에서는 Dynamic Reliability Block Diagram과 이산 사건 시뮬레이션에 널리 사용되는 DEVS 형식론을 이용하는 신뢰도 분석 방법을 제안한다. 또한 시스템 모델링 방법론 중 하나인 System Entity Structure/Model Base의 개념을 도입함으로써 다양한 설계 대안에 대한 신뢰도 분석 모델을 자동으로 생성할 수 있도록 하였다. 그리고 Reliability Block Diagram을 이용한 신뢰도 분석 시 오래 소요되는 계산 시간을 단축시키기 위해 GPU 가속 기술을 신뢰도 분석 시뮬레이션에 접목하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper adopts the system configuration to assess the reliability instead of making a fault tree (FT), which is a traditional method to analyze reliability of a certain system; this is the reliability block diagram (RBD) method. The RBD method is a graphical presentation of a system diagram connecting the subsystems of components according to their functions or reliability relationships. The equipment model for the reliability simulation is modeled based on the discrete event system specification (DEVS) formalism. In order to make various alternatives of target system, this paper also adopts the system entity structure (SES), an ontological framework that hierarchically represents the elements of a system and their relationships. To enhance the calculation time of reliability analysis, GPU-based accelerations are adopted to the reliability simulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 Markov chain이나 몬테칼로 방법을 이용하여 신뢰도(고장 확률)를 계산하기에 Bayesian network를 이용하는 FT에 비해서 계산 시간이 다소 오래 걸린다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 GPU 가속 기술을 3장에서 설명한 DEVS 기반의 신뢰도 분석 시뮬레이션 방법과 접목하여 몬테칼로 방법을 이용한 계산 방법의 계산 소요 시간을 단축시키고자 하였다.
FT는 시스템의 고장 원인을 단위 사건의 조합으로 나타냄으로써 시스템의 여러 가지 고장 요소를 분석하고 시스템의 취약 부분을 분석하는 것에 도움을 주는 장점이 있다. 또한 고장이 발생했을 때 고장 원인을 단시간 내에 찾아내고 이에 대해 적절히 대처할 수 있는 일종의 기준을 제시한다. 그러나 FT를 구성하는 주요 항목 중 하나인 게이트는 논리 연산자로서의 기능만을 수행하기에 동적인 상태의 시스템 고장 확률을 분석하기에는 다소 무리가 있다.

제안 방법

4가지 기능은 DEVS 형식론 기반의 단위 모델(atomic model)로 구성하였으며, 본 논문에서는 이 중에서 다음의 3가지 기능을 소개한다.
각각의 하위 시스템은 다수의 하위 장비와 여분의 장비로 구성되며, 일부 장비들은 의존적인 관계를 가지고 있기에 dynamic FTA나 DRBD를 이용하여 신뢰도를 분석하였다. 시스템의 신뢰도를 분석한 결과는 Table 2와 같다.
본 논문에서 제안한 방법의 효용성을 검증하기 위해 다음의 2가지 예시에 대해 제안한 방법을 적용하였다. 그리고 GPU 가속 기술을 적용하였을 때의 개선 사항을 분석하기 위해 적용 전과 적용 후의 계산 시간을 비교 분석하였다.
FT를 생성한 후 최하위 노드에 위치한 고장 원인의 발생 여부(operating or failure)를 조합하여 다수의 상태를 만든다. 그리고 각각의 상태에 대해 FT를 이용하여 작동 여부를 판단하고, Markov chain의 계산 결과와 조합하여 시스템의 고장 확률을 계산한다. 그러나 이 방법은 FT와는 별개로 다시 Markov chain을 생성해야 하기에 FT와는 다소 연계성이 떨어진다.
RBD의 작성과 여러 가지 설계 대안에 대한 신뢰도 분석을 지원하기 위해 이산 사건 시뮬레이션에서 사용되는 DEVS 형식론과 시스템을 모델링하는 방법론인 SES/MB의 개념을 채용하였다. 그리고 신뢰도 분석을 위한 4개의 DEVS 단위 모델을 제안하였다. 또한 RBD를 이용한 신뢰도 분석 시 단점이 되는 계산 시간의 향상을 위해 GPU 기반의 가속 기술을 도입하였다.
그리고 신뢰도 분석을 위한 4개의 DEVS 단위 모델을 제안하였다. 또한 RBD를 이용한 신뢰도 분석 시 단점이 되는 계산 시간의 향상을 위해 GPU 기반의 가속 기술을 도입하였다. 그리고 일부 예시에 대해서 적용하여 FT 방법과의 계산 시간 비교를 통해 GPU 가속 기술 도입의 효용성을 확인하였다.
본 논문에서는 시스템의 구성을 그대로 사용할 수 있는 RBD 방법을 사용하였으며, 신뢰도 분석 시뮬레이션을 효율적으로 구성하기 위해 이산 사건 시뮬레이션에 널리 사용되는 형식론인 이산 사건 시스템 형식론(Discrete Event System Specification; DEVS)과 시스템 모델링 방법론인 System Entity Structure/Model Base (SES/MB) 개념을 도입하였다. 또한 RBD에서 단점이 되는 계산 시간을 단축하기 위해 GPU 기반의 가속 기술을 신뢰도 분석 시뮬레이션에 적용하였다.
(2000)은 이산 사건 시뮬레이션을 효율적으로 구성할 수 있는 형식론이 이산 사건 시스템 명세(Discrete Event System Specification; DEVS)를 제시하였다. 또한, 모의 대상인 시스템을 하위 시스템의 구조적인 연결 관계를 나타내는 system entity structure (SES)와 동적인 행동을 담당하는 model base(MB)로 분할하여 표현하는 방법을 제시하였다. 본 논문에서는 DEVS 형식론과 SES/MB 모델링 방법론을 RBD와 연계하여 신뢰도 분석 시뮬레이션에 적용하였다.
본 논문에서 제안한 방법의 효용성을 검증하기 위해 다음의 2가지 예시에 대해 제안한 방법을 적용하였다. 그리고 GPU 가속 기술을 적용하였을 때의 개선 사항을 분석하기 위해 적용 전과 적용 후의 계산 시간을 비교 분석하였다.
또한 시스템 구성도와 하위 시스템 간의 연결 관계를 기반으로 하기에 하위 장비들 간의 인과 관계도 FT보다 명확하게 정의할 수 있다. 본 논문에서는 RBD를 정의하는 방법으로써 구조적 모델을 표현하는 System Entity Structure (SES)와 행위 모델을 표현하는 Model Base (MB)를 도입하였다.
GPU를 이용한 병렬 처리 기술로는 대표적으로 nVIDIA에서 개발 중인 CUDA (Compute Unified Device Architecture)와 AMD에서 개발 중인 CTM (Close To the Metal)이다. 본 논문에서는 신뢰도 분석 시뮬레이션의 속도 개선을 위해 GPU를 이용한 병렬 처리 기술인 CUDA를 적용하였다.
시스템의 신뢰도를 분석하기 위한 방법으로 fault tree analysis (FTA)와 reliability block diagram (RBD)이 있다. 본 장에서는 2가지 방법을 이용하여 대상 시스템의 신뢰도를 분석하는 방법에 대해 간략히 설명하고 장단점에 대해 분석하였다.
단위 시간 동안의 시뮬레이션에는 DEVS 형식론에 따라 각 모델의 output function을 먼저 실행한다. 이에 의해 발생한 출력을 처리하기 위해 다음으로 external transition function과 병렬 처리 시 발생하는 입출력, 상태의 충돌을 처리하기 위한 confluent transition function을 실행한다. 그리고 마지막으로 internal transition function을 실행함으로써 단위 시간의 시뮬레이션을 마치게 된다.

이론/모형

본 논문에서는 Zeigler et al.(2000)이 제안한 시스템의 모델링 방법론을 이용하여 RBD를 모델링하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. Zeigler et al.
RBD의 작성과 여러 가지 설계 대안에 대한 신뢰도 분석을 지원하기 위해 이산 사건 시뮬레이션에서 사용되는 DEVS 형식론과 시스템을 모델링하는 방법론인 SES/MB의 개념을 채용하였다. 그리고 신뢰도 분석을 위한 4개의 DEVS 단위 모델을 제안하였다.
먼저 주어진 시스템을 분석하여 FT를 작성한다. 그리고 작성한 FT를 기반으로 Binary Decision Diagram (BDD), Markov chain, Bayesian network 등의 방법을 이용하여 시스템의 신뢰도(고장 확률; failure probability)을 계산한다.
또한, 모의 대상인 시스템을 하위 시스템의 구조적인 연결 관계를 나타내는 system entity structure (SES)와 동적인 행동을 담당하는 model base(MB)로 분할하여 표현하는 방법을 제시하였다. 본 논문에서는 DEVS 형식론과 SES/MB 모델링 방법론을 RBD와 연계하여 신뢰도 분석 시뮬레이션에 적용하였다.
본 논문에서는 시스템의 구성을 그대로 사용할 수 있는 RBD 방법을 사용하였으며, 신뢰도 분석 시뮬레이션을 효율적으로 구성하기 위해 이산 사건 시뮬레이션에 널리 사용되는 형식론인 이산 사건 시스템 형식론(Discrete Event System Specification; DEVS)과 시스템 모델링 방법론인 System Entity Structure/Model Base (SES/MB) 개념을 도입하였다. 또한 RBD에서 단점이 되는 계산 시간을 단축하기 위해 GPU 기반의 가속 기술을 신뢰도 분석 시뮬레이션에 적용하였다.
본 논문에서는 주어진 시스템의 신뢰도를 분석하기 위해 reliability block diagram (RBD)을 도입하였다. Fault tree (FT)를 이용한 방법의 경우 FT 작성을 위해 관련 분야의 전문가가 필요하며, 작성 시간과 결과도 전문가의 판단에 의존되는 경향이 많다.

성능/효과

Table 2에서 볼 수 있듯이 RBD를 이용한 방법으로는 신뢰도 분석을 위한 계산 시간이 많이 소요되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 GPU 가속 기술을 도입하였을 때는 10배 정도의 성능 향상이 있으며, FTA를 이용한 방법과 비교할 때도 계산 시간이 크게 차이나지 않는 것을 확인할 수 있다.
또한 RBD를 이용한 신뢰도 분석 시 단점이 되는 계산 시간의 향상을 위해 GPU 기반의 가속 기술을 도입하였다. 그리고 일부 예시에 대해서 적용하여 FT 방법과의 계산 시간 비교를 통해 GPU 가속 기술 도입의 효용성을 확인하였다. 향후에는 다양한 예제에 대해서 제안한 방법을 적용하여 보다 상세한 검증을 시도할 예정이며, RBD를 구성하는 장비들을 DEVS 형식론이 아닌 다른 모델링 기법을 도입하여 계산 시간 향상을 도모할 예정이다.

후속연구

그리고 일부 예시에 대해서 적용하여 FT 방법과의 계산 시간 비교를 통해 GPU 가속 기술 도입의 효용성을 확인하였다. 향후에는 다양한 예제에 대해서 제안한 방법을 적용하여 보다 상세한 검증을 시도할 예정이며, RBD를 구성하는 장비들을 DEVS 형식론이 아닌 다른 모델링 기법을 도입하여 계산 시간 향상을 도모할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Reliability Block Diagram의 장점은?	전통적으로 신뢰도 분석에 사용되는 Fault Tree Analysis의 경우 관련 분야의 전문가가 필요하고 작성자의 판단에 따라 신뢰도 분석 결과가 달라진다. 반면, Reliability Block Diagram의 경우 시스템 구성도나 Process Flow Diagram (PFD), Piping and Instrument Diagram (P&ID)을 기반으로 하기에 작성에 필요한 비용과 시간이 절감되는 장점이 있다. 본 논문에서는 Dynamic Reliability Block Diagram과 이산 사건 시뮬레이션에 널리 사용되는 DEVS 형식론을 이용하는 신뢰도 분석 방법을 제안한다.
	reliability block diagram의 단점은?	RBD를 이용한 방법은 FTA와는 달리 시스템의 구성도를 그대로 채용한다는 장점이 있다. 그러나 신뢰도 분석 시 Markov chain이나 몬테칼로 방법을 사용하기 때문에 계산 시간이 다소 오래 소요된다는 단점이 있다.
	시스템의 신뢰도 분석 방법에는 무엇이 있는가?	시스템의 신뢰도 분석은 항공, 우주, 원자력, 철도, 선박 등의 다양한 분야에서 필요로 하고 있다. 시스템의 신뢰도 분석에는 전통적인 방법인 fault tree analysis (FTA)를 비롯하여 Petri-Nets, reliability block diagram (RBD) 등의 여러 가지 방법이 있다(Shin & Seong, 2008).

참고문헌 (8)

Bobbio, A., Portinale, L., Minichino, M. and Ciancamerla, "Improving the analysis of dependable systems by mapping fault trees into Bayesian networks", Reliability Engineering & System Safety, Vol. 71, No. 3, pp. 249-260, 2001.3.

상세보기
Ha, S., Ontological Modeling for Process and Reliability Simulation of LNG FPSO Liquefaction Cycle based on the DEVS formalism considering Ship Motion Effect, Ph.D Thesis, Seoul National University, 2013.
Kim, S.T., Quantitative Reliability Analysis of Ship Machinery Systems using Dynamic Fault Trees and Bayesian Networks, Master Thesis, Seoul National University, 2012.
Nguyen, H., GPU Gems 3: Programming Techniques for High Performance Graphics and General-Purpose Computation, Addison-Wesley Education Publishers, Inc., 2007.
Shin, S.K. and Seong, P.H., "Review of various dynamic modeling methods and development of an intuitive modeling method for dynamic systems", Journal of Korean Nuclear Society, Vol. 40, No. 5, pp. 375-386, 2008.

원문보기 상세보기
Stamatelatos, M., Fault Tree Handbook with Aerospace Applications Version 1.1, 2002.
Vesely, W.E., Goldberg, F.F., Roberts, N.H. and Haasl, D.F., Fault tree handbook, NUREG-0492, US Nuclear Regulatory Commission, 1981.
Zeigler, B.P., Praehofer, H. and Kim, T.G., Theory of modeling and simulation, Academic press New York, NY, 2000.

저자의 다른 논문 :

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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