[논문]HILS를 위한 시뮬레이션 프로그램 설계 기법

박해리; 전인수; 송창준

doi:10.9766/kimst.2013.16.4.435

HILS를 위한 시뮬레이션 프로그램 설계 기법
A Design Method of the Simulation Program for HILS 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.4, 2013년, pp.435 - 440

박해리 (국방과학연구소) , 전인수 (국방과학연구소) , 송창준 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design method of the simulation program for HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation) system is proposed. The present method consists of definition of requirements for HILS, development of specifications, and implementation of the program to satisfy the specifications. In the implementation of the program, the application of hardware interface and the concept of structural modularization are proposed to satisfy the specifications. The concepts of CSCI(Computer Software Configuration Item) and encapsulation are used for structural modularization. The proposed method was practically applied to the development of the simulation program for the efficient operation in HILS of an anti-ship missile system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 HILS 시스템에서 HILS 대상 장비(이하 대상 장비)가 속한 체계의 운용 환경을 모델링한 시뮬레이션 프로그램(이하 HILS 시뮬레이션 프로그램)은 HILS 시스템의 공통적인 필수 구성 요소이다. HILS의 목적이 대상 장비로 하여금 실제로 운용하지 않고도 유사한 환경을 제공하여 개발 시험을 수행하는 것이므로, HILS의 목표는 대상 장비로 하여금 실제로 운용되고 있지 않으나 운용되고 있는 것과 동일한 상황을 만들 어주는 것이다. 따라서 HILS 시뮬레이션 프로그램이 체계를 포함한 운용 환경을 얼마나 잘 모의하는가, 그리고 이 프로그램을 활용하여 HILS 시스템을 얼마나 잘 구축하였는가가 HILS의 질을 좌우하는 요소 중의 하나이다.
본 논문에서는 HILS를 위한 시뮬레이션 프로그램의 체계적인 개발 기법을 제안한다. 먼저 관련된 요구 사항을 분석하고, 이로부터 설계 사항을 도출하며, 도출된 설계 사항을 구현하기에 적합한 설계 기법을 제안한다.
본 논문에서는 HILS에 적용하는 체계 시뮬레이션 프로그램을 구축하는 방법으로 요구 사항 분석, 설계 사항 도출의 과정을 통하여 목적에 부합하도록 하는 설계 기법을 제안하였다.

제안 방법

각 구조체의 멤버 변수명은 신호명을 고려하여 결정함으로써 변수명만으로도 어떤 신호인지 식별이 용이하도록 하였다.
각 부체계 모델의 인터페이스는 본 논문에서 제안한 설계 기법을 적용하여 하드웨어 인터페이스 구조와 규약에 따라 구현하였다. 신호의 종류에 따라 구조체를 다르게 선언하였으며, 구현 내용은 다음과 같다.
두 번째 설계 방법으로 객체 지향 프로그래밍의 클래스의 개념을 도입하여 각 CSCI를 초기화 함수, 종료 함수, CSCI 내부 함수들과 인터페이스 함수, 메인 함수로 구성할 것을 제안한다. 초기화 함수는 클래스의 생성자 함수와 같은 기능을 갖고 종료 함수는 소멸자 함수의 역할을 한다.
두 번째 설계 사항인 “하드웨어 인터페이스 구조적용”을 만족하기 위한 설계 방법으로, 앞서 제안한 방법으로 설계된 모듈의 인터페이스를 클래스의 인터페이스 개념과 하드웨어 인터페이스 구조 및 규약을 적용하여 설계할 것을 제안한다.
본 논문에서는 HILS를 위한 시뮬레이션 프로그램의 체계적인 개발 기법을 제안한다. 먼저 관련된 요구 사항을 분석하고, 이로부터 설계 사항을 도출하며, 도출된 설계 사항을 구현하기에 적합한 설계 기법을 제안한다. 제안한 설계 기법은 구조적 모듈화와 하드웨어 인터페이스 구조적용이며, 이 프로그램 개발 기법으로 체계 시뮬레이션 프로그램을 개발하면 프로그램 개발 후 HILS 시스템에 적용 시 프로그램의 큰 변경 없이 적용 가능하다.
본 논문에서 제안한 설계 기법을 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램 개발에 적용하였다. 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램의 HILS 대상 하드웨어는 유도조종장치(GCU), 관성항법장치(INS), 구동기(ACT), 구동기 제어기(DSC)이며, 다음 Fig.
CSCI는 구성요소로서 다수의 CSC(Computer Software Component)를 포함하고, CSC는 다수의 CSU (Computer Software Unit)로 구성된다. 본 설계 기법에서는 형상항목 개념을 프로그램의 구조를 설계하기 위하여 적용한다.
본 프로그램에서는 전역 변수의 사용 금지를 원칙으로 하고 예외 없이 2개 이상의 CSCI가 공통 사용하는 전역 변수를 제거함으로써 모듈화를 구현하였다. 그러나 각 CSCI내에서는 불가피한 경우 전역 변수를 사용할 수 있도록 일부 허용했다.
HILS에는 HILS 대상 장비가 운용되는 전체 시스템 및 환경을 수학적으로 모델링한 시뮬레이터와 HILS 대상 장비가 포함된다. 시뮬레이터는 실시간으로 HILS 대상 장비의 운용 환경을 모의하는 역할을 하며, HILS를 통하여 실제 운용 환경에 가까운 실시간 모의 운용 환경에서 HILS 대상 장비를 시험한다. 임베디드 시스템을 개발하는 가장 정확한 방법은 임베디드 시스템이 속한 전체 시스템 및 실제 환경에서 시험하여 개발하는 방법이므로, 실제 환경과 유사한 시험 환경을 제공하는 HILS는 효과적인 방법이다.
그리고, 이 부체계 모델 중에는 HILS 대상 부체계가 포함된다. 앞절에서 설명한 설계 사항 중 첫 번째 사항인 구조적 모듈화를 만족하기 위한 첫 번째 설계 방법으로 다음 Fig. 4와 같은 형상항목(CSCI : Computer Software Configuration Item) 구조를 제안한다. CSCI는 소프트웨어 공학의 형상 관리 분야에서 사용되는 개념으로 형상항목이란 형상 관리 대상으로 지정되는 항목을 말한다.
이와 같은 구조로 구현된 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램은 사업 기간 중 HILS에 적용되었고, 업무 효율화, HILS 준비 시간 단축의 성과를 이루어냈다.
제안된 설계 기법에서는 구조적 모듈화를 위하여 형상항목 구조 설계 방법 도입을 제안하였고, 객체 지향 프로그래밍의 클래스 개념을 적용하였으며, 하드웨어 인터페이스 구조적용을 위하여 모듈 인터페이스 설계시 하드웨어 인터페이스 구조 및 규약을 반영하였다.
한 CSCI가 인클루드하는 헤더 파일은 한 CSCI 내의 함수 및 파일에 한정하도록 하였고, 공통 인클루드 파일을 최소화하고 타 CSCI의 함수에서 해당 CSCI의 함수나 변수 선언문을 참조하는 경우를 명확히 선별하였다. 또한 부체계 모델의 헤더 파일이 다른 부체계 모델에 인클루드되는 경우는 모두 제거하였고, ‘SYS’, ‘동역학’ 그리고 ‘MSL’ CSCI에 속한 헤더 파일만 다른 CSCI에 인클루드가 허용된다.
본 논문에서 제안한 설계 기법을 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램 개발에 적용하였다. 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램의 HILS 대상 하드웨어는 유도조종장치(GCU), 관성항법장치(INS), 구동기(ACT), 구동기 제어기(DSC)이며, 다음 Fig. 7과 같은 형상항목 구조를 설계하였다.

성능/효과

또한, 신호 사양에 대한 각 부체계 및 체계 간 확인및 수정이 HILS 시작 이전부터 이루어질 수 있었고, HILS 수행을 완료하면서 설계 변경 및 결정되는 인터 페이스 규약이 시뮬레이션 프로그램에 동일하게 구현됨으로써 인터페이스 규약 관리 업무의 효율성을 높일 수 있었다.
본 설계 기법으로 함대함 유도탄 시뮬레이션 프로그램을 개발, 적용함으로써 HILS 준비 시간 단축, 업무 효율화, 프로그램의 실제에 더 근접한 모델링의 성과를 이루어 낼 수 있었으며, 결과적으로 체계 개발 기간 중 HILS 수행 일정에 있을 수 있는 일정 지연 위험 요소를 줄이는 성과도 얻을 수 있었다.
시뮬레이션 프로그램과 HILS의 결과 차이에 대한 주요 원인 중 하나는 하드웨어 간 통신 딜레이이다. 본 설계기법으로 구현된 프로그램은 하드웨어 인터페이스 구조를 따르고 있으므로 하드웨어 포함 시 발생하는 이러한 현상을 쉽게 모델링할 수 있었고 HILS 결과를 검증하는데 용이하였다.
6과 같이 A 모듈이 하드웨어로 교체되고 A를 제외한 시뮬레이션 프로그램의 모듈이 모두 HILS 컴퓨터에서 구동되면, B 모듈에서는 하드웨어에서 송수신하는 정보 이외의 변수에 접근할 수 없다. 위에서 제안한 하드웨어 인터페이스 규약을 적용한 설계 기법을 적용하면 이와 같은 프로그램 개발 중 실수 할 수 있는 인터페이스 오류 문제를 프로그램 구현 시에 발견하여 해결할 수 있으므로, 프로그램 개발 시간 및 HILS 준비 시간을 단축시키며, 결과적으로 체계 개발 시 일정 지연, 오류 수정 비용 발생 등의 위험 요소를 줄여준다.
먼저 관련된 요구 사항을 분석하고, 이로부터 설계 사항을 도출하며, 도출된 설계 사항을 구현하기에 적합한 설계 기법을 제안한다. 제안한 설계 기법은 구조적 모듈화와 하드웨어 인터페이스 구조적용이며, 이 프로그램 개발 기법으로 체계 시뮬레이션 프로그램을 개발하면 프로그램 개발 후 HILS 시스템에 적용 시 프로그램의 큰 변경 없이 적용 가능하다. 본 논문에서 제시한 구체적인 사례는 함대함 유도무기체계 HILS 관련 사례로 국한하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HILS란 어떤 기술인가?	HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)는 복잡한 실시간 임베디드 시스템의 개발과 시험에 사용되는 기술이다. HILS에는 HILS 대상 장비가 운용되는 전체 시스템 및 환경을 수학적으로 모델링한 시뮬레이터와 HILS 대상 장비가 포함된다.
	설계 및 성능 분석을 목적으로 체계 시뮬레이션 프로그램을 HILS를 위해서 사용할 시 고려할 점은 무엇인가?	따라서 체계 설계 및 성능 분석을 목적으로 개발된 체계 시뮬레이션 프로그램은 HILS를 위해서도 사용될 수 있다. 그러나, 체계 시뮬레이션 프로그램은 체계 개발의 초기 단계에서부터 개발 및 운용되는 반면, HILS는 체계 설계 후 관련 장비의 개발 및 시험 단계에서 수행되므로, 체계 시뮬레이션 프로그램이 HILS 시스템의 구성 요소로 운용되기 위해서는 프로그램 개발 단계에 서부터 이를 고려하여야 추후 프로그램의 전체 구조및 코드 등을 수정하는 큰 작업을 줄일 수 있다. 즉, 체계 시뮬레이션 프로그램이 개발 단계에서부터 HILS 시스템에의 적용을 고려하여 해당 요구 조건에 적합하 도록 개발될 필요가 있다.
	HILS를 이용한 임베디드 시스템이 효과적인 까닭은 무엇인가?	시뮬레이터는 실시간으로 HILS 대상 장비의 운용 환경을 모의하는 역할을 하며, HILS를 통하여 실제 운용 환경에 가까운 실시간 모의 운용 환경에서 HILS 대상 장비를 시험한다. 임베디드 시스템을 개발하는 가장 정확한 방법은 임베디드 시스템이 속한 전체 시스템 및 실제 환경에서 시험하여 개발하는 방법이므로, 실제 환경과 유사한 시험 환경을 제공하는 HILS는 효과적인 방법이다. 그뿐 아니라 HILS는 실제 환경 및 실제 시스템에서 시험하는 것보다 비용 절감의 효과가 크고, 안전 등의 문제로 실제 환경에서 수행하지 못하는 시험의 일부를 HILS에서 시험할 수 있으므로 장비 개발의 시험 방법으로서 가치가 높다.

참고문헌 (13)

Jie, X., Feng, W., Yongguang, Y. D. Z. and Qiang, G., "An Application of Real-time Engine Model in HILS Simulation and Testing Platform Based on SIMULINK", International Conference on Digital Manufacturing & Automation/IEEE, pp. 176-180, 2010.
Kim, S. P., Park, M. H., Lim, J. H. and Kim, E. T., "HILS of Flight Control System for Unmanned KARI Airship", Korea Institute of Military Science and Technology 2005 Annual Conference, pp. 562-564, 2005.
Kim, Y. D., Park, K. H., Chung, S. K. and Ha, D. H., "Rotational Angle Control of Smart Munition Using HILS", Korea Institute of Military Science and Technology 2002 Annual Conference, pp. 281-284, 2002.
Kim, C., U., Kim, M., J., Rhee, E., J., Lee, K., H. and Woo, K., J., "A Study on the Application of Semi-Active Supension Units for a Combat Vehicle by Using HILS", Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 13 No. 6, pp. 967-975, 2010. 12.
Hwang, A. R., Yoon, S., I., Choi, C., H. and Cho, H., J., "Verification of the Underwater Vehicle Control Algorithm with MEMS Inertial Sensor based on Hardware in the Loop Simulation", Korea Institute of Military Science and Technology 2009 Annual Conference, pp. 1988-1991, 2009.
Jeon, J. H., Kim, J. Y., Kim, S. K., Ahn, O. B., Park and J. H., "Development of HILS(Hardware In-Loop Simulation) System for MMS(Microgrid Management System) by using RTDS, the 13th International Power Electronics and Motion Control Conference(EPE-PEMC 2008), pp. 2492-2497, 2008.
Ersal, T., Brudnak, M., Stein, J. L., Fathy and H. K., "Statistical Transparency Analysis in Internet-Distributed Hardware-in-the-loop Simulation", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 17, No. 2, pp. 228-238, April 2012.

상세보기
Kim, W. S., Yang, T. S. and Kim, S. H., "A Simulation Technique of the Shipboard INS Transfer Alignment Environments using Hardware-In-the-Loop Simulation", Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 14 No. 2, pp.181-188, 2011. 4.

원문보기 상세보기
Hwang, H. S., Jang, I. G., Seo, I., Park, J. H., Jeon, J. W. and Hwang, S. H., "Development of HILS System for Testing Embedded System of the BCU for HEV", IEEE/ASME International Conference on Mechatronics and Embedded Systems and Applications, pp. 286-291, 2008.
Sanada, K., "A Study on HILS of Fluid Switching Transmission", SICE-ICASE International Joint Conference, pp. 4668-4671, 2006. 10.
Jeon, J. H., Kim, J. Y., Kim, H. M., Kim, S. K., Cho, C., Kim, J. M., Ahn, J. B. and Nam, K. Y., "Development of Hardware In-the-Loop Simulation System for Testing Operation and Control Functions of Microgrid", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, No. 12, pp. 2919-2929, 2010. 12.

상세보기
Park, B. J., Kim, S. P. and Ju, G. H., "Development of HILS Software for KARI Unmanned Airship", Korea Institute of Military Science and Technology 2003 Annual Conference, pp. 154-157, 2003.
Herbert Schildt저, 우진운/유해영 역(1988.1), "알기 쉽게 해설한 C++".

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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