[논문]EcoHILS를 활용한 효율적인 CPS 시험에 관한 연구

김민조; 강성주; 전인걸; 김원태

doi:10.14372/iemek.2014.9.4.211

EcoHILS를 활용한 효율적인 CPS 시험에 관한 연구
A Research on Effective Cyber-Physical Systems Tests Using EcoHILS 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.9 no.4, 2014년, pp.211 - 217

김민조 (ETRI) , 강성주 (ETRI) , 전인걸 (ETRI) , 김원태 (ETRI)

Abstract ▼ AI-Helper

Cyber-Physical Systems(CPS) that mostly provides safety-critical and mission-critical services requires high reliability, so that system testing is an essential and important process. Hardware-In-the-Loop Simulation(HILS) is one of the extensively used techniques for testing hardware systems. However, most conventional HILS has problems that it is difficult to support a distributed operating environment and to reuse a HILS platform. In this paper, we introduce EcoHILS(ETRI CPS Open Human-Interactive hardware-in-the-Loop Simulator) in order to test CPS effectively. Moreover, feasibility tests and performance tests of EcoHILS are performed to confirm its effectiveness.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

CPS의 응용 범위가 우주항공, 자동차, 로봇, 스마트 그리드, 국방 등 매우 넓으므로, EcoHILS는 다양한 시스템에 일반적으로 사용될 수 있도록 고안 되었다. 따라서 본 논문에서는 EcoHILS가 다양한 CPS 시험에 효율적으로 활용 가능함을 검증하기 위해 AR.Drone을 목표 시스템으로 하는 EcoHILS를 구축하여 실현 가능성을 확인한다. 또한 EcoHILS에서 발생할 수 있는 시간지연 측정을 통한 성능 평가 결과와, 이를 통해 HILS 수행 시 목표 시스템에서 테스트 가능한 데이터양을 측정하는 방법을 제시한다.
Drone을 목표 시스템으로 하는 EcoHILS를 구축하여 실현 가능성을 확인한다. 또한 EcoHILS에서 발생할 수 있는 시간지연 측정을 통한 성능 평가 결과와, 이를 통해 HILS 수행 시 목표 시스템에서 테스트 가능한 데이터양을 측정하는 방법을 제시한다.
본 논문에서는 다양한 CPS 시험에 효율적으로 활용 가능한 EcoHILS를 소개하고, 동작 시험 및 정량적 성능 평가를 수행하였다. AR.

가설 설정

위 수식을 적용하는 예제를 찾아보기 위해 목표 시스템을 UAV로 가정하였다. 표 3은 UAV용 자동항법장치들의 데이터 갱신 주기를 나타낸다[10-13].

제안 방법

Drone을 제어하기 위한 EcoHILS를 구축하여 테스트를 수행한다. 그다음으로 EcoHILS에 포함된 HSI로 인해 발생할 수 있는 시간지연을 측정하여, 시뮬레이션에 주는 영향에 대해서 평가한다.
Drone 제어 EcoHILS 테스트를 통해 EcoHILS가 다양한 시스템에 사용될 수 있는 실현 가능성을 확인하였고, 시간 지연 측정 테스트를 통해 EcoHILS가 일정한 성능부하를 가짐을 볼 수 있었다. 또한 성능 평가 결과로부터 목표 시스템에서 테스트 가능한 데이터양을 측정하는 방법을 제시하였다. 이를 통해 테스트 대상이 되는 목표 시스템에서, 신뢰성 있는 HILS가 수행 가능한 테스트 조건을 사전에 수립할 수 있다.
Drone은 전달받은 데이터를 기반으로 비행하고, 비행 중 생성되는 자세, 고도, 배터리양 등의 센서 값을 EcoSIM으로 전달한다. 마지막으로 EcoSIM이 전달받은 센서 값을 시뮬레이션을 통해 디스플레이 장치로 전달하고, 디스플레이 장치는 전달받은 센서 값을 출력하여 사용자에게 보여준다. 테스트에서는 시나리오에 맞게 AR.
본 논문의 3장에서 설명한 구성요소를 기반으로 AR.Drone을 제어하기 위한 EcoHILS를 구축하였다. 구성 요소를 보면 목표 시스템으로는 압력 센서, 초음파 센서, 3축 자이로스코프, 가속도, 지자계센서 그리고 Brushless inrunner 모터 등으로 이루어진 AR.
본 장에서는 EcoHILS의 동작 시험을 위해 AR.Drone을 제어하기 위한 EcoHILS를 구축하여 테스트를 수행한다. 그다음으로 EcoHILS에 포함된 HSI로 인해 발생할 수 있는 시간지연을 측정하여, 시뮬레이션에 주는 영향에 대해서 평가한다.
테스트 시나리오는 다음과 같다. 사용자가 EcoPOD를 이용해 HILS 환경 설정을 한 후, 조이스틱 조종을 통해 EcoSIM에 조종 입력 값을 전달한다. EcoSIM은 이 입력 값을 가지고 시뮬레이션을 수행하여, 생성된 기체 제어 데이터를 AR.
그림 8은 HSI 사용으로 인해 발생할 수 있는 시간지연을 측정 하는 방법이다. 시간지연은 HSI를 통해 어플리케이션에서 데이터를 주고받는 4가지 경우 (A+B+C , A+B+D) 중 가장 큰 시간 값과 HSI 사용 없이 어플리케이션에서 데이터를 주고받는 2가지 경우(E) 중 가장 작은 시간값의 차이를 측정하였다. 테스트는 ARM 보드의 CPU가 무부하, 부하 40%, 부하 80%인 3가지 경우와 데이터 크기가 1KB, 10KB, 100KB인 3가지 경우에 따라 9가지 조건에서 이루어진다.
HILS 환경 설정기에서 환경 설정을 하고자 하는 목표 시스템의 IP 주소를 입력하면, 해당 시스템에 포함된 HILS 설정이 가능한 인터페이스 정보가 HSI로부터 전달되어 화면에 표시된다. 이 정보를 바탕으로 사용자가 목표 시스템에 데이터 경로 및 샘플링 주기를 설정해준다. 시뮬레이션은 경로 설정이 끝나면 시작된다.
시간지연은 HSI를 통해 어플리케이션에서 데이터를 주고받는 4가지 경우 (A+B+C , A+B+D) 중 가장 큰 시간 값과 HSI 사용 없이 어플리케이션에서 데이터를 주고받는 2가지 경우(E) 중 가장 작은 시간값의 차이를 측정하였다. 테스트는 ARM 보드의 CPU가 무부하, 부하 40%, 부하 80%인 3가지 경우와 데이터 크기가 1KB, 10KB, 100KB인 3가지 경우에 따라 9가지 조건에서 이루어진다. 테스트에 사용된 ARM 보드의 사양은 표 1과 같다.
마지막으로 EcoSIM이 전달받은 센서 값을 시뮬레이션을 통해 디스플레이 장치로 전달하고, 디스플레이 장치는 전달받은 센서 값을 출력하여 사용자에게 보여준다. 테스트에서는 시나리오에 맞게 AR.Drone이 제어되는지와 HSI에서의 데이터 흐름을 확인한다.

이론/모형

뿐만 아니라 주로 안전 필수(safety-critical) 및 임무 필수(mission-critical)적인 서비스를 제공하는 CPS의 오작동은 사람들의 목숨 및 재산상에 큰 위험요소로 이어질 수 있기 때문에, CPS 개발 시 철저한 시스템 테스트를 필요로 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 일반적으로 소프트웨어를 포함한 하드웨어 시스템을 테스트하는데 많이 사용되고 있는 방법 중 하나인 Hardware-In-the-Loop Simulation(HILS)을 이용한다. 그러나 기존 HILS 방법은 CPS의 분산 운영 환경 지원과 HILS 플랫폼 재사용 측면에 문제가 있다.

성능/효과

본 논문에서는 다양한 CPS 시험에 효율적으로 활용 가능한 EcoHILS를 소개하고, 동작 시험 및 정량적 성능 평가를 수행하였다. AR.Drone 제어 EcoHILS 테스트를 통해 EcoHILS가 다양한 시스템에 사용될 수 있는 실현 가능성을 확인하였고, 시간 지연 측정 테스트를 통해 EcoHILS가 일정한 성능부하를 가짐을 볼 수 있었다. 또한 성능 평가 결과로부터 목표 시스템에서 테스트 가능한 데이터양을 측정하는 방법을 제시하였다.
이를 정리하면 목표 시스템에서 CPU 부하 80%일 때 HSI를 사용하여 10KB의 데이터를 18개 사용하여도 최대 허용 데이터 전달 시간지연을 넘지 않음을 말한다. 따라서 수식을 통해 계산한 결과를 이용하면 목표 시스템의 테스트를 위한 EcoHILS를 구축할 때, HSI의 데이터 처리 시간지연이 목표 시스템의 데이터 갱신 주기에 영향을 주지 않으면서 테스트 가능한 센서 및 액추에이터의 개수를 구할 수 있다.
테스트 결과를 통해서 EcoHILS가 다양한 시스템의 HILS를 위해서 사용될 수 있는 실현 가능성을 확인하였다. 또한 테스트 환경 구축에 있어, HSI를 범용적으로 사용하여 목표 시스템을 분산 환경에 적용하기 용이하였다. 뿐만 아니라 HILS 환경 설정기를 통해서 시뮬레이션 데이터의 경로 및 샘플링 주기 관리를 편리하게 할 수 있었다.
하드웨어 연동기는 하드웨어와 HILS 데이터 관리자 간의 데이터를 디바이스 드라이버를 이용하여 교환하며, 시스템 환경 설정기는 HILS 환경 설정기와 연동하여 하드웨어 인터페이스 정보를 전달하고, 데이터 경로 및 샘플링 주기 정보를 받아 HILS 데이터 관리자에 저장한다. 마지막으로 HILS 데이터 관리자는 다양한 환경 설정에 따라 분산 시뮬레이터 연동기, 어플리케이션 연동기, 하드웨어 연동기 사이에서 데이터 경로 관리 및 샘플링 주기 조절 기능을 제공한다.
또한 테스트 환경 구축에 있어, HSI를 범용적으로 사용하여 목표 시스템을 분산 환경에 적용하기 용이하였다. 뿐만 아니라 HILS 환경 설정기를 통해서 시뮬레이션 데이터의 경로 및 샘플링 주기 관리를 편리하게 할 수 있었다.
4라는 값을 얻을 수 있다. 이를 정리하면 목표 시스템에서 CPU 부하 80%일 때 HSI를 사용하여 10KB의 데이터를 18개 사용하여도 최대 허용 데이터 전달 시간지연을 넘지 않음을 말한다. 따라서 수식을 통해 계산한 결과를 이용하면 목표 시스템의 테스트를 위한 EcoHILS를 구축할 때, HSI의 데이터 처리 시간지연이 목표 시스템의 데이터 갱신 주기에 영향을 주지 않으면서 테스트 가능한 센서 및 액추에이터의 개수를 구할 수 있다.
Drone, (D)는 디스플레이 장치에서 HSI를 통해 교환되는 데이터를 나타낸다. 테스트 결과를 통해서 EcoHILS가 다양한 시스템의 HILS를 위해서 사용될 수 있는 실현 가능성을 확인하였다. 또한 테스트 환경 구축에 있어, HSI를 범용적으로 사용하여 목표 시스템을 분산 환경에 적용하기 용이하였다.
표 2는 HSI 사용으로 인해 발생하는 함수 호출 1회당 평균데이터 처리 시간지연을 나타낸다. 표 2 를 참고하면 HSI 사용 시 데이터 크기가 1KB에서 10KB로 증가하면 시간지연은 평균 2.8배, 10KB에서 100KB로 증가하면 시간지연은 평균 9.1배로 CPU 부하별로 비슷한 비율로 증가함을 확인할 수 있다. 마찬가지로 HSI를 사용하여 같은 크기의 데이터를 전송 시 CPU 사용률이 무부하에서 부하40%으로 증가할 때 시간지연은 평균 1.

후속연구

향후 연구에서는 개발하고자 하는 목표 시스템을 선정하여 EcoHILS를 구축하고, 동작 검증 및 성능 평가를 할 예정이다. 이를 통해 본 논문에서 제시한 EcoHILS의 신뢰성을 확보하고, 개선할 점들을 보완할 것이다.
향후 연구에서는 개발하고자 하는 목표 시스템을 선정하여 EcoHILS를 구축하고, 동작 검증 및 성능 평가를 할 예정이다. 이를 통해 본 논문에서 제시한 EcoHILS의 신뢰성을 확보하고, 개선할 점들을 보완할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CPS란?	임베디드 컴퓨팅과 하드웨어 기술 그리고 통신 기술들의 발전은 Cyber-Physical Systems(CPS) 라는 새로운 패러다임을 제시했다. CPS는 시스템의 운용 목적을 달성하기 위해 물리적인 프로세스와 상호작용을 하는 센서, 액추에이터, 제어기 등의 물리적인 요소와 이를 제어하기 위한 컴퓨팅 요소가 결합된 시스템이다 [1]. CPS는 네트워크를 통해 다수의 이종 시스템들이 상호작용하고 각각의 시스템은 복잡한 물리 환경에서 운용되므로, 예측 불가능하고 불확실한 상황을 처리할 수 있는 고신뢰성을 필요로한다 [2].
	CPS에서 고신뢰성이 필요한 이유는?	CPS는 시스템의 운용 목적을 달성하기 위해 물리적인 프로세스와 상호작용을 하는 센서, 액추에이터, 제어기 등의 물리적인 요소와 이를 제어하기 위한 컴퓨팅 요소가 결합된 시스템이다 [1]. CPS는 네트워크를 통해 다수의 이종 시스템들이 상호작용하고 각각의 시스템은 복잡한 물리 환경에서 운용되므로, 예측 불가능하고 불확실한 상황을 처리할 수 있는 고신뢰성을 필요로한다 [2]. 뿐만 아니라 주로 안전 필수(safety-critical) 및 임무 필수(mission-critical)적인 서비스를 제공하는 CPS의 오작동은 사람들의 목숨 및 재산상에 큰 위험요소로 이어질 수 있기 때문에, CPS 개발 시 철저한 시스템 테스트를 필요로 한다.
	기존 Hardware-In-the-Loop Simulation의 문제는?	이를 위해, 본 연구에서는 일반적으로 소프트웨어를 포함한 하드웨어 시스템을 테스트하는데 많이 사용되고 있는 방법 중 하나인 Hardware-In-the-Loop Simulation(HILS)을 이용한다. 그러나 기존 HILS 방법은 CPS의 분산 운영 환경 지원과 HILS 플랫폼 재사용 측면에 문제가 있다. 따라서 이전 연구에서는 이 문제를 해결하고 체계적인 CPS 개발 단계에 HILS를 적용하기 위해 EcoHILS(ETRI CPS Open Human-Interactive hardware-in-the-Loop Simulator)를 제안하였다[3].

참고문헌 (13)

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