LVC(Live Virtual Constructive) 통합 훈련 체계는 대표적인 가상물리시스템 중 하나이다. LVC 훈련 체계를 구성하는 각 L,V,C 체계들은 서로 다른 시간 도메인, 해상도 및 동작 방식을 갖는다. 이에 각 체계의 이종 미들웨어들을 공통의 통신 미들웨어로서 통합하고, 연동 gateway (GW)를 이용하여 이종 체계를 연동하는 방안 연구는 매우 중요하다. 특히, LVC체계는 서로 다른 시간 도메인을 사용하고 있기 때문에 다른 체계 간 이벤트들의 인과성 보장과 시간 동기화에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 LVC 훈련체계의 통합 미들웨어로서 L 체계의 실시간 통신 미들웨어인 OMG DDS(Data Distribution Service)를 기반으로 HLA(High Level Architecture)/RTI(Run Time Infrastructure)기반의 시뮬레이션 시간을 사용하는 V, C 체계와 시간 차원에서 연동하는 방안을 제시한다. 본 논문에서는 HLA의 Time management 기능과 Clock Federate를 기반으로 DDS와 HLA 각각의 통신 개체인 파티서펀트(Participant)와 페더레이트(Federate)간 인과성을 유지하는 정밀한 시간 동기화 기법을 제안한다. 더불어, 각 미들웨어 상에서 실제 응용을 개발하여 제안한 방식에 의해 이종 체계 간 시간 제어 및 동기화가 이루어짐을 검증한다.
LVC(Live Virtual Constructive) 통합 훈련 체계는 대표적인 가상물리시스템 중 하나이다. LVC 훈련 체계를 구성하는 각 L,V,C 체계들은 서로 다른 시간 도메인, 해상도 및 동작 방식을 갖는다. 이에 각 체계의 이종 미들웨어들을 공통의 통신 미들웨어로서 통합하고, 연동 gateway (GW)를 이용하여 이종 체계를 연동하는 방안 연구는 매우 중요하다. 특히, LVC체계는 서로 다른 시간 도메인을 사용하고 있기 때문에 다른 체계 간 이벤트들의 인과성 보장과 시간 동기화에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 LVC 훈련체계의 통합 미들웨어로서 L 체계의 실시간 통신 미들웨어인 OMG DDS(Data Distribution Service)를 기반으로 HLA(High Level Architecture)/RTI(Run Time Infrastructure)기반의 시뮬레이션 시간을 사용하는 V, C 체계와 시간 차원에서 연동하는 방안을 제시한다. 본 논문에서는 HLA의 Time management 기능과 Clock Federate를 기반으로 DDS와 HLA 각각의 통신 개체인 파티서펀트(Participant)와 페더레이트(Federate)간 인과성을 유지하는 정밀한 시간 동기화 기법을 제안한다. 더불어, 각 미들웨어 상에서 실제 응용을 개발하여 제안한 방식에 의해 이종 체계 간 시간 제어 및 동기화가 이루어짐을 검증한다.
LVC(live-virtual-constructive) integrated training system is a representative cyber-physical system. Each systems in a LVC system has different time domain, resolution and operation methods. So, it is very important to integrate different middlewares as a common middleware for heterogeneous systems ...
LVC(live-virtual-constructive) integrated training system is a representative cyber-physical system. Each systems in a LVC system has different time domain, resolution and operation methods. So, it is very important to integrate different middlewares as a common middleware for heterogeneous systems using inter-working GWs. Especially, since the LVC system uses different time, it is necessary to study the method for guaranteeing causality and time synchronization among the events from different systems. In this study, we propose an time synchronization scheme to integrate the virtual and constructive system which use the simulation time of HLA (High Level Architecture)/ RTI (Run Time Infrastructure) into the live system based on the OMG DDS (Data Distribution Service). We propose a precise time synchronization scheme based on HLA time management and clock federate between participants and federates which are the communication objects of DDS and HLA/RTI respectively. In addition, we verified that time is well-synchronized among heterogeneous systems using the suggested scheme by implementing and demonstrating simulation applications on each middleware.
LVC(live-virtual-constructive) integrated training system is a representative cyber-physical system. Each systems in a LVC system has different time domain, resolution and operation methods. So, it is very important to integrate different middlewares as a common middleware for heterogeneous systems using inter-working GWs. Especially, since the LVC system uses different time, it is necessary to study the method for guaranteeing causality and time synchronization among the events from different systems. In this study, we propose an time synchronization scheme to integrate the virtual and constructive system which use the simulation time of HLA (High Level Architecture)/ RTI (Run Time Infrastructure) into the live system based on the OMG DDS (Data Distribution Service). We propose a precise time synchronization scheme based on HLA time management and clock federate between participants and federates which are the communication objects of DDS and HLA/RTI respectively. In addition, we verified that time is well-synchronized among heterogeneous systems using the suggested scheme by implementing and demonstrating simulation applications on each middleware.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 LVC 미들웨어에서 DDS의 실시간 진행 속도에 HLA/RTI 기반의 시뮬레이션 시간을 동기화하는 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 시뮬레이션 객체들(프로그램)의 시뮬레이션 시간의 진행 속도를 조절하기 위해서 HLA/RTI에서 제공하는 Time management 기능과 실시간에 맞춰 시간을 진행하고 Federation내 다른 Federate들의 시간을 조절하는 역할을 하는 Clock Federate를 사용하여 실시간에 시뮬레이션 시간을 동기화한다.
본 논문에서는 L 체계의 미들웨어로 사용되는 DDS의 Real time에 V, C 체계의 미들웨어로 사용되는 HLA의 시뮬레이션 시간을 동기화하기 위해 HLA의 Time management와 실시간에 동기를 맞춰 시간을 진행하는 Clock Federate를 이용한 기법을 제안하였다.
가설 설정
따라서 HLA Federate들의 x좌표 이동 단위도 8pixel로 고정하고 주기만 다르게 하여 두 개의 Federate들의 시뮬레이션 시간 진행 속도가 DDS 기반 실제 시간진행속도보다 빠른 경우를 가정하였다. GW Federate의 경우, DDS로부터 전달받은 데이터는 바로 맵핑하여 전달해야하기 때문에 DDS와 동일한 속도로 설정하였다.
제안 방법
L 체계를 시연하기 위해 한 PC에서는 DDS participant를 실행하고, V와 C 체계를 시연하기 위해 3개의 HLA Federate를 각각의 PC에서 동작시켰다. LVC GW PC에서는 DDS Participant (subscriber), GW Federate(publisher) 그리고 Clock Federate를 실행하였다. 개발 프로그램으로는 DDS Participant를 구현을 위해 RTI DDS를 사용하였고, HLA Federate 구현을 위해 MAK RTI를 사용하였다.
또한, LVC 연동 시연에서의 GW를 통한 DDS와 HLA 시뮬레이션의 시간 동기화를 효과적으로 보여주기 위해 HLA Federate로 구현된 볼의 x좌표를 각 시뮬레이션 시간과 일치시켰다.
또한, 위에서 시뮬레이션 시간을 x축 값으로 사용하기로 했기 때문에 모든 Federate들의 time step을 8로 세팅하여 시뮬레이션 시간이 8씩 증가하게 하고, Clock Federate의 경우에는 실행 주기를 80ms로 세팅하여 DDS와 시간 진행 속도를 맞추도록 하였다.
시뮬레이션 테스트를 위해서 우리는 Federate들에 대하여 두 가지 경우의 Time management 설정 값들을 적용하였다.
그림 5는 LVC 연동을 위한 GW의 구조를 보여주고 있다. 현재의 연구는 LVC 연동에서 DDS 파트에서 HLA 파트로 데이터를 전송하는 경우에 대한 인과성 보장과 시간 동기화에 초점을 맞추었다.
이론/모형
LVC GW PC에서는 DDS Participant (subscriber), GW Federate(publisher) 그리고 Clock Federate를 실행하였다. 개발 프로그램으로는 DDS Participant를 구현을 위해 RTI DDS를 사용하였고, HLA Federate 구현을 위해 MAK RTI를 사용하였다.
최근에는 서로 다른 체계 기반의 L, V, C 시스템을 연동하는 통신 미들웨어가 연구 개발된 사례가 있다. 이 연동 미들웨어에서 각 체계를 대표하는 미들웨어로는 L 체계는 DDS[8-9]를 V와 C 체계를 대표하는 미들웨어로는 IEEE HLA/RTI [10-13]가 사용되었다.
성능/효과
Ⅱ장에서는 HLA Federation에서 어떻게 Time management를 통해 시간 동기화가 이루어질 수 있는지를 살펴보고, Ⅲ장에서는 이를 LVC GW에 적용하는 방법을 소개한다. Ⅳ 과 Ⅴ장에서는 제안한 알고리즘을 통해 어떻게 시간 동기화를 이룰 수 있는지 LVC 시연 연동 시스템과 테스트 시나리오를 통해 확인하고, Ⅵ장에서 결론을 맺는다.
여기서 i 는 ball을 구분하기 위한 index로서 사용되고, DDS Participant 혹은 HLA Federate가 될 수 있다. 따라서 위의 두 공식을 통해 x좌표를 시뮬레이션 시간 L과 일치시키면 vx(i) 값은 vL(i)과 같게 되어 x축 이동 속도를 시뮬레이션 진행속도로 볼 수 있음을 확인할 수 있다.
이 알고리즘은 시뮬레이션 객체들(프로그램)의 시뮬레이션 시간의 진행 속도를 조절하기 위해서 HLA/RTI에서 제공하는 Time management 기능과 실시간에 맞춰 시간을 진행하고 Federation내 다른 Federate들의 시간을 조절하는 역할을 하는 Clock Federate를 사용하여 실시간에 시뮬레이션 시간을 동기화한다. 또한 제안한 기법을 적용한 테스트 수행하였으며, 수행한 시뮬레이션의 결과는 Time management와 Clock Federate를 사용했을 때, DDS의 실시간 진행에 맞춰 HLA/RTI기반의 시뮬레이션 Federate들의 시뮬레이션 시간들이 동기화될 수 있음을 보여준다.
또한, DDS와 HLA를 사용하여 볼 시뮬레이션 테스트를 통해서 LVC GW에서 동작하는 LVC 미들웨어에 Clock Federate와 HLA의 Time management기능을 사용함으로써 HLA의 Federate들이 DDS의 실시간에 동기화되어 진행할 수 있을 뿐 아니라 DDS 파트에서 전송되는 메시지(이벤트)들을 인과성 있게 HLA 파트로 전송될 수 있음을 확인하였다.
이 결과는 DDS 파트에서 시뮬레이션 되는 볼의 위치 정보 업데이트 시간에 맞춰서 HLA 파트의 시뮬레이션이 이루어지는 것과 DDS에서 전송되는 데이터를 인과성 있게 HLA 파트로 전송될 수 있음을 보여준다.
후속연구
본 논문에서 수행한 시뮬레이션 결과를 통해 다른 체계의 시뮬레이션이 혼재된 LVC 통합 시뮬레이션을 위한 LVC연동 미들웨어를 개발함에 있어 HLA Time management와 Clock Federate 기능을 이용한 이종 체계 시간 동기화 기법을 활용한다면 이벤트의 인과성을 유지하면서 정밀한 시간 동기화가 요구되는 통합 시뮬레이션을 개발하는데 있어 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LVC 통합 훈련은 무엇인가요?
그중에서도 컴퓨터 시뮬레이션[1]이나 가상 물리 시스템(CPS: cyber-physical system)[2]과 같은 첨단 과학 기술을 통한 국방 훈련은 실제 훈련에 소모 되는 경비와 시간, 장소 제약 등의 문제를 해결하는 등 국방 훈련의 과학화에 큰 기여를 하고 있다. LVC 통합 훈련은 가상물리시스템을 이용한 과학화 훈련체계 중 하나로, 독립적으로 운용되는 서로 다른 실 기동 모의 체계(Live), 가상 모의 체계 (Virtual) 구성 모의 체계(Constructive)를 상호 연동하여 공통 작전 상황도(COP: common operational picture)에 통합 시현 함으로써 기존의 독립적인 운용보다 상하 제대 간 동시성, 통합성, 실전성 등을 향상시킨 과학화 훈련 방법이다[3].
LVC 연동을 위해 LVC통합 통신 미들웨어에 대한 연구와 개발이 필요한 이유는 무엇인가요?
L, V, C 각각의 시스템들은 각자 다른 운영 체계와 프로토콜을 사용하여 동작이 되기 때문에 LVC 연동을 위해서는 기존의 서로 다른 시스템을 연동하기 위한 방법 및 LVC 통합 통신 미들웨어에 대한 연구와 개발이 필요하다[4-7].
시뮬레이션 시간을 동기화할때 시간에 따른 인과성이 깨지는 문제를 어떻게 해결하나요?
따라서 본 논문에서는 LVC 미들웨어에서 DDS의 실시간 진행 속도에 HLA/RTI 기반의 시뮬레이션 시간을 동기화하는 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 시뮬레이션 객체들(프로그램)의 시뮬레이션 시간의 진행 속도를 조절하기 위해서 HLA/RTI에서 제공하는 Time management 기능과 실시간에 맞춰 시간을 진행하고 Federation내 다른 Federate들의 시간을 조절하는 역할을 하는 Clock Federate를 사용하여 실시간에 시뮬레이션 시간을 동기화한다. 또한 제안한 기법을 적용한 테스트 수행하였으며, 수행한 시뮬레이션의 결과는 Time management와 Clock Federate를 사용했을 때, DDS의 실시간 진행에 맞춰 HLA/RTI기반의 시뮬레이션 Federate들의 시뮬레이션 시간들이 동기화될 수 있음을 보여준다.
참고문헌 (16)
J. H. Hong, K. M. Seo, and T. G. Kim, "Reverse simulation software architecture for required performance analysis of defense system," J. KICS, vol. 40, no. 4, pp. 750-759, Apr. 2015.
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S. Kang, M. Kim, J. Park, I. Chun, and W. Kim, "LVC-Interoperation development framework for acquiring high reliable cyber-physical weapon systems," J. KICS, vol. 38C, no. 12, pp. 1228-1236, Dec. 2013.
OMG Technical Document, Data Distribution Service Specification for Real-Time Systems, Version 1.2, OMG, Jan. 2007.
Y. J. Song, "Performance analysis of DDS for distribution network management system suitable for satellite communication," J. KICS, vol. 38C, No. 12, pp. 1179-1185, Dec. 2013.
IEEE, IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) - Framework and Rules, IEEE Std. 1516-2000, Aug. 2010.
IEEE, IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) - Federate Interface Specification, IEEE Std. 1516.1-2000, Aug. 2010.
IEEE, IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) - Object Model Template (OMT), IEEE Std 1516.2-2000, Aug, 2010.
Defense Modeling and Simulation Office (DMSO), High Level Architecture Run-Time Infrastructure RTI 1.3NG Programmer's Guide Version 6.4.3(1999), from https://hla-rti.wikispaces.com/.
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