[논문]Live-Virtual 시뮬레이터 모의특성 보정에 관한 연구 : 중력가속도에 따른 조종사의 기동제한 특성 기반

박명환; 유승훈; 설현주; 김천영; 홍영석

doi:10.11627/jkise.2014.37.4.212

Live-Virtual 시뮬레이터 모의특성 보정에 관한 연구 : 중력가속도에 따른 조종사의 기동제한 특성 기반
A Study on the Calibration of Simulation Characteristics of Live-Virtual Simulator System : To Impose Restrictions on a Maneuverability of a Simulated Aircraft Due to Pilot's G-force 원문보기

Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering = 한국산업경영시스템학회지, v.37 no.4, 2014년, pp.212 - 217

박명환 (공군사관학교) , 유승훈 (공군사관학교) , 설현주 (공군사관학교) , 김천영 (국방과학연구소) , 홍영석 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, Korea Air Force has been facing a lot of problems in its pilot training system such as training time shortage due to the expensive gas price, noise pollution and difficulties in finding airspace for training. To tackle these problems, a new training system (called L-V training system) using both aircraft and its simulator has been suggested. In the system, a data link is established between aircraft and simulator to exchange their flight information. Using the flight information of simulator, aircraft can perform various air missions with or against imaginary aircraft (i.e., simulator). For this system, it is crucially important that fair fighting condition has to be guaranteed between aircraft and simulator. In this paper, we suggested an approach to impose a maneuvering restriction to simulator in order to provide fair fighting condition between aircraft and simulator.

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문제 정의

본 연구에서는 항공기 탑승 조종사와 시뮬레이터 탑승 조종사간의 공정한 교전환경 제공을 위하여, 위에서 설명한 두 번째 방안인 시뮬레이터의 기동에 제한을 가하는 방안을 구현하였다. 항공기 탑승 조종사들이 중력가속도로 인해서 기동에 제한을 받는 정도를 분석하기 위해서, 조종사들의 중력가속도 내성 소모율과 회복율을 실험과 설문조사를 통하여 계산하였다.
항공기와 시뮬레이터간의 기동성 차이에 의한 불공정한 훈련조건을 해결하기 위하여, 시뮬레이터에 중력가속도의 효과를 부여하는 방안을 제안하였다. 이 방안은 전투기 탑승 조종사의 중력가속도 효과를 중력가속도 내성(소모율, 회복율, 균형 중력가속도)으로 모델링하였고, 중력가속도 내성을 측정하기 위하여 설문조사와 실험을 병행하였다.

가설 설정

본 연구에서는 중력가속도가 일정했을 때 중력가속도의 소모율과 회복율은 일정하다고 가정한다. 가령, 조종사가 일정한 중력가속도에 노출되어 있을 때, 10초 동안에 10%의 중력가속도 내성을 소모했으면, 초당 1% 비율로 소모되었다고 가정한다. 높은 중력가속도에서는 조종사의 중력가속도 내성이 소모되겠지만, 낮은 중력가속도에서는 조종사의 중력가속도 내성이 회복될 것이다.
중력가속도 소모율은 시간(초)당 중력가속도 내성 소모량을 의미하며, 중력가 속도 회복율은 시간(초)당 중력가속도 내성 회복량을 의미한다. 본 연구에서는 중력가속도가 일정했을 때 중력가속도의 소모율과 회복율은 일정하다고 가정한다. 가령, 조종사가 일정한 중력가속도에 노출되어 있을 때, 10초 동안에 10%의 중력가속도 내성을 소모했으면, 초당 1% 비율로 소모되었다고 가정한다.
실험 직전의 조종사 중력가속도 내성을 1로 가정하고, black-out 직전(즉, 주변시력 상실)의 상태를 중력가속도 내성 0으로 가정하였다. 해당 중력가속도에서의 중력가 속도 내성 소모율은 식 (1)과 같이 100을 해당 중력가속도에서 버틴 시간(t1)으로 나누어 계산한다.

제안 방법

조종사의 신체특성(키, 몸무게, 체지방 등)이나 생리특성(혈압, 심박 수 등)은 중력가속도 내성에 통계적으로 유의할 만큼의 영향을 주지는 않는다는 것이 많은 문헌에서 발표되어 있다[4, 5]. 따라서 본 연구에서는 조종사의 중력가속도 내성을 중력가속도 내성 소모율과 중력가속도 내성 회복율이라는 두 가지 요소를 사용하여 측정한다.
3G였기 때문이다. 따라서 실험에 참여한 조종사들중 F-4 및 F-5 조종사들은 공군의 중력가속도 훈련과 본 연구의 실험을 병행하여 수행하였다. 실험에 참여한 다른 기종 조종사들은 중력가속도 훈련을 끝내고 충분한 휴식을 거친 이후에 실험을 수행하였다.
실험만을 통하여, 공군 조종사들의 중력가속도 내성 소모율을 측정하는 것이 가장 정확한 방법이나, 모든 중력가속도(가령, 9G, 8G, 7G, 6G, 5G 등)에서의 내성 소모율을 실험으로 측정하기에는 비용 및 연구기간 고려 시 현실적으로 불가능하였다. 따라서 실험을 통한 중력가속도 내성 소모율 측정은 7.3G에서만 수행하였고, 나머지 중력가속도는 조종사들의 설문으로 조사하였다.
항공기 탑승 조종사들이 중력가속도로 인해서 기동에 제한을 받는 정도를 분석하기 위해서, 조종사들의 중력가속도 내성 소모율과 회복율을 실험과 설문조사를 통하여 계산하였다. 또한, 이 자료들을 사용하여 중력가속도 효과로 인해 기동이 제한되는 항공기 시뮬레이터의 프로토타입을 구현하였다.
실험은 [Figure 2](붉은 박스 부분)와 같은 절차로 수행하였다. 먼저 실험참여 조종사들은 7.3G([Figure 2]의 g3)까지 초당 평균 2.3G 속도로 가속하여 g3까지 도달하고, AGSM 기법을 사용하여 중력가속도를 견디다가 주변시야를 상실한 상태가 되면 실험을 중지하고 초당 평균 1.6G 속도로 ATFS-400 장비의 기본 G인 1.4G(g1)까지 감속하였다.
설문조사는 각 중력가속도(9G, 8G, 6G, 5G)에서 GLOC에 빠지기 전까지 버틸 수 있는 시간을 질문하였다. 4G 이하에서는 일반적으로 G-LOC에 빠지지 않기 때문에 설문조사에서 제외하였다.
실험에 들어가기 전에 모든 조종사에게는 gray-out, black-out, G-LOC의 증상을 설명하였으며, 필요시 조종간을 조절하여 실험을 중지할 것을 설명하고 실험에 대한 동의를 구하였다. 실험 시 모든 상황은 녹화장비에 의해 녹화되고 장비의 가속률, 감속률, 중력가속도의 변화 등이 저장되어 분석 자료로 활용되었다.
중력가속도의 내성 소모율과 회복율은 실험 및 설문에 참여한 조종사들의 측정 값 및 응답 값의 평균으로 구하였다. 이 계산된 값들을 사용하여, 중력가속도로 인한 시뮬레이터의 기동을 제한하는 프로그램을 구현하였다.
항공기와 시뮬레이터간의 기동성 차이에 의한 불공정한 훈련조건을 해결하기 위하여, 시뮬레이터에 중력가속도의 효과를 부여하는 방안을 제안하였다. 이 방안은 전투기 탑승 조종사의 중력가속도 효과를 중력가속도 내성(소모율, 회복율, 균형 중력가속도)으로 모델링하였고, 중력가속도 내성을 측정하기 위하여 설문조사와 실험을 병행하였다. 중력가속도의 내성 소모율과 회복율은 실험 및 설문에 참여한 조종사들의 측정 값 및 응답 값의 평균으로 구하였다.
전투기 조종사들의 중력가속도에 대한 내성 소모율과 회복율을 계산하고, 그 값들을 사용하여 전투기 조종사가 중력가속도로 인해서 제한되는 기동의 양만큼 시뮬레이터에도 동일한 수준으로 기동을 제한할 수 있는 프로그램을 구현하였다. 이 프로그램은 조이스틱을 사용하여 항공기의 기동과 추력을 조절하고 중력가속도를 증감시킬 수 있다.
이 장비는 현재 공군 항공의학 적성 연구원에서 도입하여 운용중인 지상용 실습장비로서 전투기 작전을 그대로 조종석에서 재현할 수 있다. 좌석 내에서 Anti G-suit 착용 및 좌석각도 조절이 가능하고, 심전도, 심박동수 등의 측정이 가능하도록 설계되었다. 가속기 조종석 내부는 조종사에게 항공기와 똑같은 좌석내의 가상 상황을 제공할 수 있는 조종간과 계기판, 목표물 시현 장비가 있어서 조종사는 가상 적기의 움직임에 따라 조종간을 이용하여 중력가속도의 증가와 감소를 스스로 조절할 수 있다.
따라서, 시뮬레이터 탑승 조종사는 중력가속도 내성이 0이 되지 않는 상태에서만 기동을 수행할 수가 있다. 중력가속도 내성의 증가와 소모는 앞에서 수행한 실험 결과인 조종사의 중력가속도 내성 소모율과 회복율을 사용하였다.
증력가속도 내성 소모율 측정은 실험과 설문조사를 병행하여 실시하였다. 실험만을 통하여, 공군 조종사들의 중력가속도 내성 소모율을 측정하는 것이 가장 정확한 방법이나, 모든 중력가속도(가령, 9G, 8G, 7G, 6G, 5G 등)에서의 내성 소모율을 실험으로 측정하기에는 비용 및 연구기간 고려 시 현실적으로 불가능하였다.
본 연구에서는 항공기 탑승 조종사와 시뮬레이터 탑승 조종사간의 공정한 교전환경 제공을 위하여, 위에서 설명한 두 번째 방안인 시뮬레이터의 기동에 제한을 가하는 방안을 구현하였다. 항공기 탑승 조종사들이 중력가속도로 인해서 기동에 제한을 받는 정도를 분석하기 위해서, 조종사들의 중력가속도 내성 소모율과 회복율을 실험과 설문조사를 통하여 계산하였다. 또한, 이 자료들을 사용하여 중력가속도 효과로 인해 기동이 제한되는 항공기 시뮬레이터의 프로토타입을 구현하였다.

대상 데이터

조종사들은 중력가속도에 노출될 때, G-suit를 착용하였고, L-1 AGSM (Anti-G Straining Maneuver) 기법[6]을 사용하였다. 또한, 조종석 좌석이 직각으로 유지된 F-15 타입의 cockpit에서 실시하였다.
본 실험에서는 최신 모의비행 훈련 장비인 ATFS-400을 이용하였다. 이 장비는 현재 공군 항공의학 적성 연구원에서 도입하여 운용중인 지상용 실습장비로서 전투기 작전을 그대로 조종석에서 재현할 수 있다.
실험 및 설문 참여 대상자들은 공군의 전투기를 조종하는 조종사들로서, 실험 당시 공군의 중력가속도 훈련을 수행 중이었고, 이들 중 자원자들을 대상으로 실험 및 설문조사를 수행하였다. 실험에 참여한 조종사들은 평균 732시간의 비행경험을 보유하고 있었다.
실험에 들어가기 전에 모든 조종사에게는 gray-out, black-out, G-LOC의 증상을 설명하였으며, 필요시 조종간을 조절하여 실험을 중지할 것을 설명하고 실험에 대한 동의를 구하였다. 실험 시 모든 상황은 녹화장비에 의해 녹화되고 장비의 가속률, 감속률, 중력가속도의 변화 등이 저장되어 분석 자료로 활용되었다. 조종사들은 중력가속도에 노출될 때, G-suit를 착용하였고, L-1 AGSM (Anti-G Straining Maneuver) 기법[6]을 사용하였다.

데이터처리

이 방안은 전투기 탑승 조종사의 중력가속도 효과를 중력가속도 내성(소모율, 회복율, 균형 중력가속도)으로 모델링하였고, 중력가속도 내성을 측정하기 위하여 설문조사와 실험을 병행하였다. 중력가속도의 내성 소모율과 회복율은 실험 및 설문에 참여한 조종사들의 측정 값 및 응답 값의 평균으로 구하였다. 이 계산된 값들을 사용하여, 중력가속도로 인한 시뮬레이터의 기동을 제한하는 프로그램을 구현하였다.

이론/모형

실험 시 모든 상황은 녹화장비에 의해 녹화되고 장비의 가속률, 감속률, 중력가속도의 변화 등이 저장되어 분석 자료로 활용되었다. 조종사들은 중력가속도에 노출될 때, G-suit를 착용하였고, L-1 AGSM (Anti-G Straining Maneuver) 기법[6]을 사용하였다. 또한, 조종석 좌석이 직각으로 유지된 F-15 타입의 cockpit에서 실시하였다.

성능/효과

실험 및 설문에 참여한 전투기 조종사들의 평균 중력가속도 내성 소모율은 [Table 4]와 같다. 설문에 참여한 조종사들은 9G에서는 평균 13초면 조종사들이 주변시력이 상실되고, 8G에서는 20초에 주변시력이 상실될 것으로 예측하였다. 또한 7.
증력가속도 내성 소모율 측정은 실험과 설문조사를 병행하여 실시하였다. 실험만을 통하여, 공군 조종사들의 중력가속도 내성 소모율을 측정하는 것이 가장 정확한 방법이나, 모든 중력가속도(가령, 9G, 8G, 7G, 6G, 5G 등)에서의 내성 소모율을 실험으로 측정하기에는 비용 및 연구기간 고려 시 현실적으로 불가능하였다. 따라서 실험을 통한 중력가속도 내성 소모율 측정은 7.
실험 및 설문 참여 대상자들은 공군의 전투기를 조종하는 조종사들로서, 실험 당시 공군의 중력가속도 훈련을 수행 중이었고, 이들 중 자원자들을 대상으로 실험 및 설문조사를 수행하였다. 실험에 참여한 조종사들은 평균 732시간의 비행경험을 보유하고 있었다.

후속연구

다시 말하면, 조종사가 중력가속도에 지속적으로 노출되고 또, 회복되었을 때 피로가 점점 쌓이게될 것이다. 이로 인한 중력가속도 내성 소모율과 회복율, 그리고 균형 중력가속도의 변화는 향후 깊게 연구되어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조종사의 중력가속도 내성이란?	조종사의 중력가속도 내성(G-force tolerance)은 조종사가 중력가속도에 노출되었을 때 의식을 상실하지 않고 버틸 수 있는 에너지를 의미하는데, 이를 측정하기 위해서는 우선 조종사의 중력가속도 내성에 영향을 주는 요소를 식별할 필요가 있다. 조종사의 신체특성(키, 몸무게, 체지방 등)이나 생리특성(혈압, 심박 수 등)은 중력가속도 내성에 통계적으로 유의할 만큼의 영향을 주지는 않는다는 것이 많은 문헌에서 발표되어 있다[4, 5].
	균형 중력가속도란?	균형 중력가속도는 앞에서 설명한 것처럼 조종사의 중력가속도 내성이 소모되지도 않고, 회복되지도 않는 상태의 중력가속도를 의미한다. 이 균형 중력가속도는 중력가속도 소모율과 회복율을 구할 때 사용한 그래프[Figure 4]를 사용하여 계산하였다.
	항공기와 시뮬레이터 연동 훈련체계를 활용한 훈련의 성과를 향상시키기 위해서 두 체계 탑승 조종사가 대등한 상황에서 훈련에 임할 수 있도록 하는 방안은?	따라서, 항공기와 시뮬레이터 연동 훈련체계를 활용한 훈련의 성과를 향상시키기 위해서는 두 체계 탑승 조종사가 대등한 상황에서 훈련에 임할 수 있도록 하는 방안이 필요하다. 첫 번째 고려할 수 있는 방안은 시뮬레이터에 기동효과를 부여하여 시뮬레이터 탑승 조종사에게도 실제 항공기 탑승 조종사와 동일한 중력가속도를 느끼게 하는 방법이 있다. 현재 이런 기능을 가진 비행 시뮬레이터가 개발되어 있다. 하지만, 이런 종류의 시뮬레이터는 비행훈련을 목적으로 개발된 것이 아니라, 조종사의 중력가속도 적응훈련을 위해 개발된 것이기 때문에, 시뮬레이터의 구현충실도(Fidelity)가 비행훈련 목적으로 개발된 시뮬레이터에 비해 많이 부족하다. 또한, 이런 시뮬레이터는 회전운동만을 제공하기 때문에, 3차원 공간에서 기동하는 항공기의 운동효과를 완전히 구현하지 못하고 있는 실정이다. 두 번째로 고려할 수 있는 방안은 시뮬레이터에 기동을 부과하지는 않지만, 중력가속도로 인해서 항공기 탑승 조종사가 기동에 제한을 받는 양만큼 시뮬 레이터 조종사에게도 동일하게 기동에 제한을 가하는 방법이 있을 수 있다. 이 방법은 기존에 개발되어 운영하고 있는 비행훈련 목적의 시뮬레이터에 소프트웨어 수정만으로 그 기능을 구현할 수 있기 때문에 기존 시뮬레이터의 구현충실도를 회손하지 않으면서 비용측면에서 경제적으로 구현할 수 있는 방안이다. 하지만, 이 방안을 적용하기 위해서는 조종사가 중력가속도로 인해서 얼마만큼 기동에 제한을 받는지에 대한 정확한 데이터가 필요하다.

참고문헌 (8)

Baek, Y.J., Analysis of G-LOC episode in fighter pilots. Korean Journal of Aerospace Medical Center, 2004.
Balldin, U.I., Werchan, P.M., French, J., and Self, B., Endurance and performance during multiple intense high +Gz exposures with effective anti-G protection. Aviation Space Environmental Medicine, 2003.
Burtton, R.R., Leverett, S.D., and Michaelson, E.D., Man at high-sustained Gz acceleration : A review, Aerosp Med, 1974.
Gillingham, K.K. and Fosdick, J.P., High-G training for fighter aircrew. Aviation Space Environmental Medicine, 1988.
Hrebien, L. and Hendler, E., Factors affecting human tolerance to sustained acceleration. Aviation Space Environmental Medicine, 1985.
Jeffrey, R.D., Robert, J., Jan, S., and Jennifer, A.F., Fundamentals of aerospace medicine, Wolter Kluwer, 2008.
Miller, H., Riley, M.B., Bondurant, S., and Hiatt, E.P., The duration of tolerance to positive acceleration, Aviation Medicine, 1959.
Tong, A., Balldin, U.I., Hill, R.C., and Dooley, J.W., Improved Anti-G protection boosts sortie generation ability, Aviat Space Environ Med, 1998.

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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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