FMECA 기반 위험도를 활용한 전차의 구성 부품별 취약성 분석 프로그램의 개발 A Development of Component Vulnerability Analysis Program for Armored Fighting Vehicle using Criticality based on FMECA원문보기
전투 시스템은 목적에 따라 각기 다른 특성을 가지는데, 주요 목적과 관련된 기능을 하는 부품이 다른 기능과 관련된 부품보다 중요하다. 또한 이러한 부품의 피격 확률은 면적에 비례한다고 볼 수 있다. 따라서 부품의 중요도 및 피격 확률을 모두 고려하여 취약성 분석이 이루어져야 하며, 전투 시스템의 설계 단계에서부터 분석된 결과를 반영하여야 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 관련 연구를 바탕으로 FMECA 기반의 위험도를 적용하고, 전차의 구성 부품별 위험도를 도출하기 위한 방법과 계산 기준을 정의하며, 통합 위험도를 이용한 부품별 취약성 분석 방법을 제안한다. 추가적으로, 제안한 기법을 자동화해주는 위험도 기반의 취약성 분석 프로그램을 개발하고, 그것을 활용하여 제안한 기법의 유용성을 실험한다.
전투 시스템은 목적에 따라 각기 다른 특성을 가지는데, 주요 목적과 관련된 기능을 하는 부품이 다른 기능과 관련된 부품보다 중요하다. 또한 이러한 부품의 피격 확률은 면적에 비례한다고 볼 수 있다. 따라서 부품의 중요도 및 피격 확률을 모두 고려하여 취약성 분석이 이루어져야 하며, 전투 시스템의 설계 단계에서부터 분석된 결과를 반영하여야 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 관련 연구를 바탕으로 FMECA 기반의 위험도를 적용하고, 전차의 구성 부품별 위험도를 도출하기 위한 방법과 계산 기준을 정의하며, 통합 위험도를 이용한 부품별 취약성 분석 방법을 제안한다. 추가적으로, 제안한 기법을 자동화해주는 위험도 기반의 취약성 분석 프로그램을 개발하고, 그것을 활용하여 제안한 기법의 유용성을 실험한다.
The combat system has a different purpose depending on its mission. All functions of combat system are important, but, the components that related main functions for the purpose, are important than other components. Also, the hit probability of component is proportional to area of the component. The...
The combat system has a different purpose depending on its mission. All functions of combat system are important, but, the components that related main functions for the purpose, are important than other components. Also, the hit probability of component is proportional to area of the component. Therefore, when we analyze vulnerability of combat system, to consider the importance and hit probability of component. Thus to improve reliability of combat system, we apply the analyzed result to design combat system. In this paper, we develop a vulnerability analysis program based on criticality which calculated from importance and hit probability of components by related researches. To do this, we propose a methodology to apply criticality of components, and define classification rates for calculating criticality based on FMECA. Additionally, we propose a technique of vulnerability analysis using criticality of components, and apply the proposed technique to develop and test the vulnerability analysis program for automation of analysis.
The combat system has a different purpose depending on its mission. All functions of combat system are important, but, the components that related main functions for the purpose, are important than other components. Also, the hit probability of component is proportional to area of the component. Therefore, when we analyze vulnerability of combat system, to consider the importance and hit probability of component. Thus to improve reliability of combat system, we apply the analyzed result to design combat system. In this paper, we develop a vulnerability analysis program based on criticality which calculated from importance and hit probability of components by related researches. To do this, we propose a methodology to apply criticality of components, and define classification rates for calculating criticality based on FMECA. Additionally, we propose a technique of vulnerability analysis using criticality of components, and apply the proposed technique to develop and test the vulnerability analysis program for automation of analysis.
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문제 정의
기존의 연구에서 중요도는 시스템 수준(system level)의 취약성을 분석하기 위한 목적을 가지고 있었으며, 다중 관통선 기반의 피격 확률은 기능 수준(function level)의 취약성을 분석하기 위해 활용되었다. 반면에 본 논문에서 다룬 위험도는 부품 수준(component level)의 취약성을 분석하기 위한 목적을 가지고 있으며, 정적인 요소와 동적인 요소를 함께 고려하기 때문에 보다 통합적인 취약성 분석이 가능하다. 향후에는 전면 및 측면뿐만 아니라, 30° 혹은 45° 등의 단위별 회전에 따라 달라지는 다양한 피격 면에 대한 취약성 분석에 관한 연구와 직선이 아닌 대각선이나 포물선(곡선)의 관통선 설정 등 피격 각도가 고려된 취약성 분석 등 전투 시스템 취약성 분석의 신뢰도를 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 선행 연구를 바탕으로 FMECA 기반의 위험도를 활용한 부품별 전차 취약성을 분석하는 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 부품별 위험도를 적용하기 위한 계산 기준을 정의하고, 이를 활용한 취약성 분석 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 선행 연구를 바탕으로 FMECA(failure mode, effectiveness and criticality analysis)[7] 기반의 위험도(criticality)를 활용하여 전투 시스템을 구성하는 부품별 취약성을 분석하는 프로그램을 개발한다. 전투시스템의 설계 시에 우선적으로 고려되어야 하는 부품을 선정하기 위한 도구로써 전투 시스템의 신뢰성 분석에 도움을 주는 것을 목적으로 한다.
본 논문에서는 여러 전투 시스템 중 전차 모델을 기준으로 위험도를 적용하기 위한 방법을 제안하며, [2] 의연구에서 도출된 전차를 구성하는 부품의 중요도를 재구성하여 심각도로 이용한다. 또한 [4] 의 연구에서 도출된 전차의 전면 및 측면에 대한 부품별 피격 확률을 재구성하여 발생도로 이용한다.
전투시스템의 설계 시에 우선적으로 고려되어야 하는 부품을 선정하기 위한 도구로써 전투 시스템의 신뢰성 분석에 도움을 주는 것을 목적으로 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
가설 설정
위험도를 활용한 부품별 취약성 분석 프로그램의 동작 과정을 그림 1에 나타내었으며, 선행 연구를 통해 분석된 중요도와 피격 확률에 관한 데이터가 존재한다고 가정한다. 먼저, 표 1과 같은 부품의 중요도 및 피격 면에 대한 피격 확률에 관한 데이터를 불러온 후 처리한다.
제안 방법
또한, 표 2와 표 3에서 정의한 기준을 설정하여 기준에 따라 각 값을 점수로 변환하고, 전면과 측면의 위험도를 계산하여 출력해준다. 끝으로 전면의 위험도와 측면의 위험도를 이용하여 부품별 평균 위험도를 계산하고, 계산의 결과에 따라 내림차순으로 출력해준다. 프로그램의 개발 환경으로 운영체제는 Windows 7, 개발도구는 Visual Studio 2012, 프로그래밍 언어는 C#을 이용하였다.
따라서 점수 기준을 정의하는 것이 필요한데[10], 본 논문에서는 위험도의 계산을 위해서 중요도 및 피격확률의 각 기준을 표 2 및 표 3과 같이 선정한 부품의 수를 고려하여 임시적으로 정의하였으며, 이를 이용하여 전차를 구성하는 각 부품의 위험도를 계산한다. 이에 따라 식 (2) 는 식 (3) 과 같이 다시 정의된다.
이를 위해 부품별 위험도를 적용하기 위한 계산 기준을 정의하고, 이를 활용한 취약성 분석 방법을 제안하였다. 또한 제안한 내용을 적용하여 부품별 취약성 분석 프로그램을 개발하였으며, 실험을 통해 그 유용성을 검증하였다. 개발한 프로그램을 활용하면 전차를 구성하는 부품별 중요도를 도출할 수 있으며, 이를 통해 전차의 설계 시에 우선적으로 고려되어야 하는 부품을 선정할 수 있다.
먼저, 표 1과 같은 부품의 중요도 및 피격 면에 대한 피격 확률에 관한 데이터를 불러온 후 처리한다. 또한, 표 2와 표 3에서 정의한 기준을 설정하여 기준에 따라 각 값을 점수로 변환하고, 전면과 측면의 위험도를 계산하여 출력해준다. 끝으로 전면의 위험도와 측면의 위험도를 이용하여 부품별 평균 위험도를 계산하고, 계산의 결과에 따라 내림차순으로 출력해준다.
본 논문에서 제안한 취약성 분석 방법을 자동화하기 위하여 위험도를 활용한 부품별 전차 취약성 분석 프로그램을 개발하였으며, 프로그램의 동작 화면은 그림 2 와 같다. 그림 2의 왼쪽에 이 과정을 나타낸 것과 같이 화면의 가장 상단에 중요도 및 피격 확률을 불러오고, 점수 기준을 설정하기 위한 메뉴가 있다.
이에 따라 식 (2) 는 식 (3) 과 같이 다시 정의된다. 본 논문에서는 선정한 부품의 수를 고려하여 점수 기준을 정의하였다. 하지만, 대상이 되는 부품의 수가 많아지게 되면 점수 기준이 점점 낮아지게 되는데, 이는 향후 국방 분야의 전문가 등에 의한 재정의가 필요할 것이다.
부품별 위험도 계산을 위하여 표 1의 중요도 및 피격확률에 표 2와 표 3의 점수 기준을 적용하였으며, 전면과 측면에 대한 부품별 위험도를 계산하였다. 이때, 부품의 분류에 따라 F-Kill, M-Kill, A-Kill, S-Kill, C-Kill을 고장 모드로 설정하고, 이에 따라 공격 기능 상실, 이동 기능 상실, 방어 기능 상실, 탐지 기능 상실, 통신 기능 상실로 정의하였으며, FMECA 결과를 표 4에 정리하였다.
측면에 대한 부품별 위험도를 계산하였다. 이때, 부품의 분류에 따라 F-Kill, M-Kill, A-Kill, S-Kill, C-Kill을 고장 모드로 설정하고, 이에 따라 공격 기능 상실, 이동 기능 상실, 방어 기능 상실, 탐지 기능 상실, 통신 기능 상실로 정의하였으며, FMECA 결과를 표 4에 정리하였다. 결과를 보면 상대적으로 위험도가 높은 부품 (위험도 30 이상)은 전면의 경우, 엔진, 장갑(하), 장갑 (상), 사격 통제 장치 순으로 나타났으며, 측면의 경우, 장갑(하), 주포, 장갑(상), 엔진, 무한궤도(좌), 무한궤도 (우)의 순으로 나타났다.
고려가 필요하다. 이를 위하여 본 논문에서는 전면 및 측면 위험도의 평균값을 이용한다. 전면과 측면 위험도의 평균값을 구한 후에 이를 기준으로 내림차순으로 정렬하였으며, 이를 표 5에 나타내었다.
개발하였다. 이를 위해 부품별 위험도를 적용하기 위한 계산 기준을 정의하고, 이를 활용한 취약성 분석 방법을 제안하였다. 또한 제안한 내용을 적용하여 부품별 취약성 분석 프로그램을 개발하였으며, 실험을 통해 그 유용성을 검증하였다.
또한 [4] 의 연구에서 도출된 전차의 전면 및 측면에 대한 부품별 피격 확률을 재구성하여 발생도로 이용한다. 표 1에 전차를 구성하는 부품의 분류와 부품 명을 비롯하여 계산된 부품별 중요도 및 피격 확률을 정리하였다. 여기서 중요도는 정적인 요소가 되고, 피격 확률은 전면 및 측면에 따라 변화하기 때문에 동적인 요소가 된다.
이론/모형
또한 [4] 의 연구에서는 3차원 CAD를 기반으로 설정한 다중 관통 선과 전차를 구성하는 부품의 교차 여부를 검사하는 방법으로 피격면에 대한 전체 유효 피격 횟수 중에 해당 부품의 피격 횟수를 통해 피격 확률을 계산하고, FTA를 기반으로 취약성을 분석하였다. 본 논문에서는 [4] 의 연구에서 분석한 전면 및 측면에 대한 부품의 피격 확률 참조하여 위험도 계산을 위한 요소 중 하나인 발생도로 이용한다.
중요도를 계산하기 위해서는 먼저, 전투 시스템을 구성하는 부품을 기능별로 분류하고, 분류된 각각의 부품에 가중치를 부여해야 한다. 부여된 가중치를 이용하여 중요도를 계산하게 되는데, 본 논문에서는 [2] 의 연구에서 도출한 부품의 중요도를 참조하여, 이를 위험도 계산을 위한 요소 중 하나인 심각도로 활용한다.
성능/효과
이때, 부품의 분류에 따라 F-Kill, M-Kill, A-Kill, S-Kill, C-Kill을 고장 모드로 설정하고, 이에 따라 공격 기능 상실, 이동 기능 상실, 방어 기능 상실, 탐지 기능 상실, 통신 기능 상실로 정의하였으며, FMECA 결과를 표 4에 정리하였다. 결과를 보면 상대적으로 위험도가 높은 부품 (위험도 30 이상)은 전면의 경우, 엔진, 장갑(하), 장갑 (상), 사격 통제 장치 순으로 나타났으며, 측면의 경우, 장갑(하), 주포, 장갑(상), 엔진, 무한궤도(좌), 무한궤도 (우)의 순으로 나타났다. 예를 들어, 사격 통제 장치의 위험도는 측면의 경우보다 전면의 경우에 높게 나타났으므로 사격 통제 장치는 측면보다 전면의 취약성에 많은 영향을 끼친다.
후속연구
또한 그림 2는 중요도 및 피격 확률이 저장되어 있는 파일을 불러온 후, 이를 설정한 기준에 따라 점수를 부여하여 중요도, 전면 피격 확률, 측면 피격 확률 목록 창에 출력하고, 전면, 측면, 평균 위험도를 계산하여 전면, 측면, 평균 위험도 목록창에 위험도를 기준으로 내림차순으로 출력한 화면이다. 개발한 프로그램을 이용하면, 선행 연구에서 분석된 중요도 및 피격 확률을 기반으로 부품별 위험도를 도출할 수 있으며, 전차의 설계 시에 우선적으로 고려되어야 하는 부품을 확인하고 그 결과를 전차의 취약성 분석에 활용할 수 있다.
본 논문에서는 선정한 부품의 수를 고려하여 점수 기준을 정의하였다. 하지만, 대상이 되는 부품의 수가 많아지게 되면 점수 기준이 점점 낮아지게 되는데, 이는 향후 국방 분야의 전문가 등에 의한 재정의가 필요할 것이다.
반면에 본 논문에서 다룬 위험도는 부품 수준(component level)의 취약성을 분석하기 위한 목적을 가지고 있으며, 정적인 요소와 동적인 요소를 함께 고려하기 때문에 보다 통합적인 취약성 분석이 가능하다. 향후에는 전면 및 측면뿐만 아니라, 30° 혹은 45° 등의 단위별 회전에 따라 달라지는 다양한 피격 면에 대한 취약성 분석에 관한 연구와 직선이 아닌 대각선이나 포물선(곡선)의 관통선 설정 등 피격 각도가 고려된 취약성 분석 등 전투 시스템 취약성 분석의 신뢰도를 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
참고문헌 (10)
W. E. Baker, J. H. Smith and W. A. Winner, “Vulnerability/Lethality Modeling of Armored Combat Vehicles - Status and Recommendations,” Army Research Laboratory, U. S. 1993.
H. G. Hwang, J. W. Lee, J. W. Lee and J. S. Lee, “A development of survivability analysis system for tank using importance of components,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 5, pp. 1269-1276, 2015.
K. S Kim and J. H. Lee, “Simplified vulnerability assessment procedure for a warship based on the vulnerable area approach,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 26, no. 7, pp. 2171-2181, 2012.
H. G. Hwang, J. W. Lee, B. K. Yoo and J. S. Lee, “A development of kill vulnerability analysis system for tank based on hit probability using fault tree analysis,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 8, 2015 (in press)
M. S. Wi, S. M. An, T. H. Eom, H. J. Jin, D. S. Kim and J. S. Park, "Survivability and reliability analysis for combat system by using fault tree structure" in Proceeding of The 2014 Spring Conference of The Korean Society of Mechanical Engineers(Division of Reliability), Jeju, Korea, p. 174, 2014.
H. G. Hwang, H. K. Kim, J. W. Lee and J. S. Lee, "A study on importance estimation of critical components for combat system survivability analysis," in Proceeding of The 1st Annual Conference of Next Defense, Seoul, Korea, pp.145-146, 2014.
IEC 60812, Analysis Techniques for System Reliability - Procedure for Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), International Electrotechnical Commission, Switzerland, 1985.
MIL-STD-1629A, Military Standard : Procedures for performing a Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis, Department of Defense(DoD), Washington D. C., 1980.
R. J. Latino, K. C. Latino and M. A. Latino, Root Cause Analysis: Improving Performance for Bottom-Line Results, 4th ed. CRC Press, 2011.
D. J. Shin, A Study on Improvement of Reliability for the Urban Transit Vehicles using FMEA/FMECA, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Korea, 2011.
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