고장-기능 간 관계도를 이용한 다 기능 무기체계의 동시조달수리부속 최적화 연구 Study to Optimize the Concurrent Spare Parts of Multiple Function Weapon System using Failure-Function Matrix원문보기
무기체계 개발 시 종합군수지원 측면에서 중요한 것 중 하나가 동시조달수리부속 산출이다. 동시조달수리부속은 무기체계 가용도 향상 측면에서 매우 중요한 것으로, 이에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 연구는 하부 구성품의 고장이 무기체계의 다양한 기능에 미치는 세부 영향들을 고려하지 못하고 있다. 즉 하부 구성품의 고장이 무기체계의 특정 기능에 미치는 영향이 미비하면, 구성품 교환과 같은 정비가 필요 없다는 점을 고려하지 못한다. 그래서 본 연구에서는 고장-기능 간 관계도를 이용하여, 하부 구성품의 고장이 무기체계의 다양한 기능에 미치는 세부 영향을 고려한 동시조달수리부속 산출 방법을 기술하였다. 본 연구 절차는 다음과 같다. 첫째, 무기체계의 운용 및 정비 시스템을 분석한다. 둘째, 고장-기능 간 관계도를 개발한다. 셋째, 수집된 자료를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 설계 한다. 마지막으로, 시뮬레이션과 메타 휴리스틱 모형인 진화 전략을 통해 동시조달수리부속 최적 수량을 선정한다. 해당 연구는 동시조달수리부속 산출 연구에 새로운 방향을 제시하였다.
무기체계 개발 시 종합군수지원 측면에서 중요한 것 중 하나가 동시조달수리부속 산출이다. 동시조달수리부속은 무기체계 가용도 향상 측면에서 매우 중요한 것으로, 이에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 연구는 하부 구성품의 고장이 무기체계의 다양한 기능에 미치는 세부 영향들을 고려하지 못하고 있다. 즉 하부 구성품의 고장이 무기체계의 특정 기능에 미치는 영향이 미비하면, 구성품 교환과 같은 정비가 필요 없다는 점을 고려하지 못한다. 그래서 본 연구에서는 고장-기능 간 관계도를 이용하여, 하부 구성품의 고장이 무기체계의 다양한 기능에 미치는 세부 영향을 고려한 동시조달수리부속 산출 방법을 기술하였다. 본 연구 절차는 다음과 같다. 첫째, 무기체계의 운용 및 정비 시스템을 분석한다. 둘째, 고장-기능 간 관계도를 개발한다. 셋째, 수집된 자료를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 설계 한다. 마지막으로, 시뮬레이션과 메타 휴리스틱 모형인 진화 전략을 통해 동시조달수리부속 최적 수량을 선정한다. 해당 연구는 동시조달수리부속 산출 연구에 새로운 방향을 제시하였다.
To develop weapon system, Concurrent Spare Parts(CSP) is one of the important somethings in terms of Intergrated Logistics System(ILS). CSP is very important to improve the availability of weapon system, and various research about CSP are performed. However, most of the research does not consider th...
To develop weapon system, Concurrent Spare Parts(CSP) is one of the important somethings in terms of Intergrated Logistics System(ILS). CSP is very important to improve the availability of weapon system, and various research about CSP are performed. However, most of the research does not consider the effects between sub-item's failure and weapon system's multiple function. In other words, if sub-item's failure does not seriously influence weapon system's specific function, the point, not necessarily to replace sub-item, is not considered. Therefore, the method to calculate CSP based on above consideration is written by failure-function matrix in this paper. The study follows the procedure below. First, it's to define the operation and maintenance procedure of weapon system. Second, failure-function matrix is developed. Third, simulation model is desinged by input data. Finally, The quantity of CSP is calculated by simulation and evolution strategy, meta-model. This study suggests new research direction to calculate CSP.
To develop weapon system, Concurrent Spare Parts(CSP) is one of the important somethings in terms of Intergrated Logistics System(ILS). CSP is very important to improve the availability of weapon system, and various research about CSP are performed. However, most of the research does not consider the effects between sub-item's failure and weapon system's multiple function. In other words, if sub-item's failure does not seriously influence weapon system's specific function, the point, not necessarily to replace sub-item, is not considered. Therefore, the method to calculate CSP based on above consideration is written by failure-function matrix in this paper. The study follows the procedure below. First, it's to define the operation and maintenance procedure of weapon system. Second, failure-function matrix is developed. Third, simulation model is desinged by input data. Finally, The quantity of CSP is calculated by simulation and evolution strategy, meta-model. This study suggests new research direction to calculate CSP.
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문제 정의
본 실험에서는 μ = 3, λ = 7μ, R = (μ+λ), 최대 반복 횟수는 30번으로 정의하며, 목적 함수(Φ)는 종속 변수인 운용가용도의 평균을 최소화하는 것으로 목표한다.
본 연구는 동시조달수리부속(Concurrent Spare Parts, CSP) 수량 최적화 연구를 한 것이다. 동시조달수리부속은 무기체계가 전력화 후 3년 간 필요한 주요 수리부속을 전력화 시점에 같이 납품 되는 것으로, 본 품목 선정에 따라 행정적 소요시간을 최소화할 수 있기 때문에 운용가용도에 미치는 영향이 크다.
본 연구에서는 고장-기능간 관계도를 이용하여 다 기능 무기체계의 동시조달수리부속 최적 안 산출 연구를 제시하였다. 그 절차는 무기체계 운용 및 정비 절차를 분석하고 고장-기능 간 관계도를 정의한 후, 시뮬레이션 모델을 설계한다.
가설 설정
그 가정은 ‘무기체계 하부 구성품 중 일부가 고장이면, 무기체계 전체가 고장이다.
무기체계 운용 및 정비 분석 후 시뮬레이션 모델 설계를 한다. 시뮬레이션 설계를 위해 가정을 우선 정의한다. 이 가정은 시뮬레이션 모델 알고리즘을 작성할 시 적용한다.
제안 방법
본 연구에서는 고장-기능간 관계도를 이용하여 다 기능 무기체계의 동시조달수리부속 최적 안 산출 연구를 제시하였다. 그 절차는 무기체계 운용 및 정비 절차를 분석하고 고장-기능 간 관계도를 정의한 후, 시뮬레이션 모델을 설계한다. 그리고 진화전략을 통해 동시조달수리부속 최적화를 한다.
이렇게 설계 될수록 가정이 최소화 되어 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다. 그리고 설계된 시뮬레이션 모델을 메타모델로 정의하여, 유전자 알고리즘을 바탕으로 둔 메타 휴리스틱 방법인 진화 전략(Evolution Strategy, ES)을 이용하여 비용 제약 내 해당 무기체계의 동시조달수리부속 최적 수량을 결정한다.
고장-기능 간 관계도는 무기체계 하부 구성품들의 고장 사례 별 다양한 기능에 미치는 영향을 정량적으로 측정한 자료이다. 그리고 이러한 자료를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 설계 한다. 시뮬레이션 모델의 대상 범위는 무기체계의 운용 및 정비 시스템 모두를 동시에 고려한다.
그 절차는 무기체계 운용 및 정비 절차를 분석하고 고장-기능 간 관계도를 정의한 후, 시뮬레이션 모델을 설계한다. 그리고 진화전략을 통해 동시조달수리부속 최적화를 한다.
김경록(2012)등은 시뮬레이션과 다중 회귀모형을 이용하여 동시조달수리부속의 최적 수량을 산출하였다[1]. 기존 수리적 분석 연구에 비해, 본 연구처럼 운용과 정비 절차를 각 구성품 단위로 시뮬레이션 모델링을 설계 후 이를 다중 회귀를 통해 산출된 메타 모델을 목적 함수로 하여, 개발 단계 중 수시로 변화되는 단가 등의 자료 적용을 신속하게 할 수 있게 하였다. 그러나 이 방법론은 본 연구에서 고려한 ‘하부 구성품 고장이 무기체계 기능 불가로 항상 이어지지는 것은 아니다.
먼저, 무기체계의 운용과 정비에 대한 내용을 분석 후 시뮬레이션 설계를 위해 필요한 입력 자료를 정리 한다. 이때, 본 연구의 중점이라 할 수 있는 고장-기능 간 관계도를 정의한다.
무기체계 운용 및 정비 분석 후 시뮬레이션 모델 설계를 한다. 시뮬레이션 설계를 위해 가정을 우선 정의한다.
시뮬레이션 모델과 진화전략이라는 최적화 기법을 이용하여 특수 조건 하에서 동시조달수리부속의 최적 수량을 산출하였다. 이때 특수 조건은 앞서 언급한 것처럼, 하부 구성품의 고장이 무기체계의 기능 불가로 바로 이어지는 것은 아니라는 조건을 말한다.
위에서 언급한 가정 및 입력자료와 고장-기능간 관계도를 바탕으로 시뮬레이션 모델링을 하였으며, 이후 정확성(Verification) & 타당성(Validation) 검증 절차를 통해 최종 완성하였다.
변수는 정비 계단 간 이동시간, 정비 계단 별 행정적 소요시간(Administrative and Logistic Delay Time, ALDT), 임무 별 계획 운용 주기, 임무 별 비 계획 운용 주기, 그리고 임무 내 세부 절차 별 소요 시간을 Table 3 에서 정의하였다. 이 중 임무 별 비 계획 운용 주기는 교전 등 불 확실한 상황 발생 시 수행된 연간 임무 빈도를 확률적으로 고려하였다. 그 외 이동시간, 행정적 소요 시간, 세부 절차 별 소요 시간은 위 가정에서 정의한 대로 정규분포를 따른다.
이러하듯 기존 연구에서 한계로 지적되어온 점을 본 연구에서 설명하는 ‘고장-기능간 관계도’를 이용한 시뮬레이션 방법론을 통해 해결하였다.
정성적 자료는 운용 절차, 정비 절차가 있으며, 정량적 자료는 임무 시간, 정비 시간 등이 있다. 이렇게 정의된 가정과 입력 자료를 이용하여 시뮬레이션 모델을 설계 및 구현한다.
본 연구에서 사용한 최적화 기법으로는 메타휴리스틱 중 진화 전략이다[4]. 이를 위해 시뮬레이션 모델을 목적 함수의 실험 대상으로 기준하고, 동시조달수리부속 최적수량을 산출한다. 진화 전략을 사용 시 필요한 설정 조건은 Table 5과 같다.
종료 조건(γ)으로는 최대 세대는 50세대이며, 30세대 이후, 5% 미만으로 개선(Δσ)되어 그 효과가 미비하면 종료하도록 하였다.
대상 데이터
이때 발생되는 하부 구성품 들의 고장은 고장-기능간 관계도를 기준으로 정비 유/무가 결정된다. 본 사례 연구의 무기체계 하부 구성품은 모듈 단위로 총 5개, 기능은 총 3개로 이루어진 것으로 한다.
고장-기능간 관계도는 무기체계 하부 구성품의 고장 경우 별 각 기능의 미치는 영향을 표로 정량화한 것이다. 본 사례는 5개 하부 구성품의 고장 경우 수는 2^5인 32개이다. 이처럼 각 경우의 수를 모두 구별한 이유는 각 하부 구성품의 고장이 각 기능에 미치는 영향도가 서로 독립적인 것이 아닌, 상호작용까지 고려하기 위한 것이다.
본 연구의 시뮬레이션 설계를 위해 필요한 정성적 자료로는 운용 절차, 정비 절차가 있다.
이론/모형
본 연구를 위해 시뮬레이션 모델 설계는 AutoMOD라는 3D 시뮬레이션 SW를 이용하였다. 위에서 언급한 가정 및 입력자료와 고장-기능간 관계도를 바탕으로 시뮬레이션 모델링을 하였으며, 이후 정확성(Verification) & 타당성(Validation) 검증 절차를 통해 최종 완성하였다.
본 연구에서 사용한 최적화 기법으로는 메타휴리스틱 중 진화 전략이다[4]. 이를 위해 시뮬레이션 모델을 목적 함수의 실험 대상으로 기준하고, 동시조달수리부속 최적수량을 산출한다.
성능/효과
(6) 정비 시 소요되는 이동 시간, 행정적 소요시간, 교환시간, 수리시간은 정규 분포를 가진다고 정의하고, 이때 편차는 평균값의 10%로 정의한다.
(7) 운용 시 소요되는 임무 시간은 정규 분포를 가진다고 정의하고, 이때 편차는 평균값의 10%로 정의한다.
(8) 무기체계 하부 구성품들의 MTBF는 지수분포를 따른다고 정의한다.
실험 결과, 최대 운용가용도 96%를 만족하는 동시조달수리부속 은 하부 구성품(A) 5개, 하부 구성품(B) 4개, 하부 구성품(C) 1개, 하부 구성품(D) 6개, 하부 구성품(E) 1개로 최적해가 산출되었다.
후속연구
특히, 이 연구의 효과는 관련 조건을 고려해야 하는 위와 같은 사례의 무기체계에서 동시조달수리부속 선정 시, 수량을 최소화하여 비용 절약에도 큰 영향을 줄 것으로 판단한다.
향후 추가 연구로는 모듈 단위 이하로 구성품을 고려하여 보다 세분화된 연구를 수행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
목표 운용가용도는 무엇인가?
무기체계 개발 시 중요 한 것은 기능 요구사항 충족여부와 더불어 목표 운용가용도를 만족하는 것이다. 목표 운용가용도란 무기체계의 총 수명주기 동안 임무를 수행할 수 있는 상태를 백분율(%)로 정량화 한 것으로, 이를 만족하기 위해서는 신뢰도를 높이고, 정비도를 낮추는 분석을 해야 한다. 신뢰도를 높이는 행위 중 대표적인 것이 해당 무기체계의 설계를 변경하는 것으로, 이중화 설계, 고사양 부품 탑재, 회로도 구조 변경 등이 있다.
무기체계의 운용은 어떻게 나뉘어서 수행되는가?
무기체계는 전체 수명 주기 동안 운용과 정비 절차가 서로 간 교차되어 있다. 무기체계의 운용은 작전운용형태 및 임무유형(Operational Mode Summary/Mission Profile, OMS/MP)을 기준으로 정의한 계획 운용과 교전, 전시 등의 상황을 통해 발생되는 비계획 운용으로 나뉘어 수행된다. 이렇게 운용이 수행된 후 하부 구성품 들의 고장 판단 및 정비 업무는 규정된 정비절차 및 정비 계단(부대-야전-창)에 따라 처리 된다.
기존의 연구에서 동시조달수리부속 산출을 분석할 때 무엇을 가정했는가?
그러나 대부분의 연구가 특정 가정을 바탕으로 연구된 것이다. 그 가정은 ‘무기체계 하부 구성품 중 일부가 고장이면, 무기체계 전체가 고장이다.’라는 것으로, 이는 모든 무기체계 개발사례에 어울리는 것은 아니다.
참고문헌 (10)
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Schwefel, H.P., Evolution and Optimum Seeking, pp. 15 - 300, NewYork, John Wiley & Sons., 1991.
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