통합 피격 확률 분석을 이용한 RBD 기반의 전차 신뢰도 분석 방법 A Method for Reliability Analysis of Armored Fighting Vehicle using RBD based on Integrated Hit Probabilities of Crews and Components원문보기
최근 전투 시스템의 신뢰도를 분석하는 것에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 선행 연구의 한계점을 보완하기 위한 연구와 보다 통합적인 분석에 관한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 본 논문에서는 선행 연구에서 분석된 전면과 측면의 피격 확률을 활용하여 시간-효율성을 향상시키기 위한 통합 피격 확률 도출 기법을 제안한다. 또한 도출된 통합 피격 확률을 기반으로 각 구성 요소의 신뢰도를 구하고, 전체 전투 시스템의 기능별 신뢰도를 분석하기 위하여 RBD 기법을 적용하는 방법을 제안한다. 전차 모델에 적용하여 신뢰도 분석을 수행하였으며, 이를 통해 제안하는 방법의 유용성을 검증하였다. 제안하는 방법은 선행 연구에서는 고려되지 않았던 승무원까지도 고려하며, 분석된 기능별 신뢰도는 선행 연구 대비 분석의 정확도 및 시간-효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
최근 전투 시스템의 신뢰도를 분석하는 것에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 선행 연구의 한계점을 보완하기 위한 연구와 보다 통합적인 분석에 관한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 본 논문에서는 선행 연구에서 분석된 전면과 측면의 피격 확률을 활용하여 시간-효율성을 향상시키기 위한 통합 피격 확률 도출 기법을 제안한다. 또한 도출된 통합 피격 확률을 기반으로 각 구성 요소의 신뢰도를 구하고, 전체 전투 시스템의 기능별 신뢰도를 분석하기 위하여 RBD 기법을 적용하는 방법을 제안한다. 전차 모델에 적용하여 신뢰도 분석을 수행하였으며, 이를 통해 제안하는 방법의 유용성을 검증하였다. 제안하는 방법은 선행 연구에서는 고려되지 않았던 승무원까지도 고려하며, 분석된 기능별 신뢰도는 선행 연구 대비 분석의 정확도 및 시간-효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, the studies of integrated reliability analysis for combat systems are actively progressing. Especially, the research of integrated reliability analysis is emphasized to overcome limitations of the previous studies. In this paper, we propose a calculation technique for integrated hit probab...
Recently, the studies of integrated reliability analysis for combat systems are actively progressing. Especially, the research of integrated reliability analysis is emphasized to overcome limitations of the previous studies. In this paper, we propose a calculation technique for integrated hit probability based on front and side hit probabilities that analyzed in previous studies to improve the time-effectiveness. Also, we find out the integrated reliability of each component based on the integrated hit probability which is calculated, and we propose the method which applied the reliability block diagram technique to analyze the whole combat system of the reliability by function kills. For verifying the proposed method, we applied the proposed method to armored fighting vehicle model. The proposed method considers crew which does not considered the element in the previous study and expects to enhance the accuracy of reliability analysis and the time-effectiveness compared with the previous study.
Recently, the studies of integrated reliability analysis for combat systems are actively progressing. Especially, the research of integrated reliability analysis is emphasized to overcome limitations of the previous studies. In this paper, we propose a calculation technique for integrated hit probability based on front and side hit probabilities that analyzed in previous studies to improve the time-effectiveness. Also, we find out the integrated reliability of each component based on the integrated hit probability which is calculated, and we propose the method which applied the reliability block diagram technique to analyze the whole combat system of the reliability by function kills. For verifying the proposed method, we applied the proposed method to armored fighting vehicle model. The proposed method considers crew which does not considered the element in the previous study and expects to enhance the accuracy of reliability analysis and the time-effectiveness compared with the previous study.
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문제 정의
이를 위해, 본 논문에서는 승무원의 탑승 위치 모델링 및 역할 등을 분석하고, 각 구성 요소들 간의 관계를 정의한다. 또한, 전면 및 측면의 관통 피격 확률을 기반으로 통합 피격 확률을 도출하기 위한 방법을 제안한다. 이를 통해 전차의 주요 부품 및 승무원의 탑승 위치에 대한 다중 관통 피격 확률 기반의 통합 생존성 분석 결과를 도출하는 것을 목적으로 한다.
기존의 연구들은 전투 시스템 취약성을 구성 부품이나 기능의 손실을 중심으로 분석하였기 때문에 승무원의 역할이나 탑승 위치 등을 고려하지 않은 것들이 대부분이었다[6, 7]. 본 논문에서는 RBD(reliability block diagram) 분석[8] 기법을 이용하여 전차를 주요 구성 부품 및 기능을 비롯하여 승무원들의 역할과 탑승 위치를 고려하여 전투 시스템의 취약성을 분석하기 위한 방법을 제안한다. 여기서, RBD 분석 기법은 시스템을 구성하는 구성 요소들의 관계를 이해하기 쉽게 시각적으로 표현하고, 각 구성 요소의 신뢰도를 바탕으로 전체 시스템의 신뢰도를 분석하기 위한 기법이다.
본 논문에서는 전투 시스템을 구성하는 부품과 승무원의 전면 및 측면의 피격 확률을 활용하여 이를 기반으로 통합 피격 확률을 도출한다. 먼저, 최대 피격면에 대한 피격 확률이 도출되어야 한다.
본 논문에서는 통합 피격 확률을 이용한 RBD 기반의 전차 신뢰도 분석 방법에 대한 내용을 다루었다. 이를 위해 구성 요소를 기능에 따라 적절하게 분류하고 각 기능별로 구성요소의 신뢰도와 구성 요소간의 관계를 블록 다이어그램으로 나타내었다.
또한, 전면 및 측면의 관통 피격 확률을 기반으로 통합 피격 확률을 도출하기 위한 방법을 제안한다. 이를 통해 전차의 주요 부품 및 승무원의 탑승 위치에 대한 다중 관통 피격 확률 기반의 통합 생존성 분석 결과를 도출하는 것을 목적으로 한다.
현재, 이러한 한계점(정확도 vs. 시간)을 해결하기 위한 연구를 진행 중에 있으며, 그 일환으로 본 논문에서는 선행 연구를 통해 얻어진 전면과 측면의 구성 요소별 피격 확률을 활용하여 통합 피격 확률을 분석하기 위한 방법을 제안한다. 추가적으로 본 논문에서는 전투 시스템을 구성하는 부품만을 고려하였던 선행 연구를 확장하여 승무원(탑승 위치)까지도 고려한다.
가설 설정
전차의 경우 일반적으로 전차장, 조종수, 포수, 탄약수가 탑승하여 각자가 맡은 역할을 수행하는데, 자동 장전 장치의 탑재 유/무에 따라 탄약수의 탑승 여부가 결정된다. 본 논문에서는 승무원으로 전차장, 포수, 조종수의 3명이 탑승한다고 가정하고, 각각을 3차원 CAD로 모델링하여 일반적인 탑승위치에 배치하였다. 또한 선행 연구를 바탕으로 전차를 구성하는 여러 부품 중 기능별로 주요 부품을 선정하고 분류하였으며, 실제 전차의 구조를 고려하여 3차원 공간상에 구성 요소 모델을 위치시켰다.
제안 방법
본 논문에서는 승무원으로 전차장, 포수, 조종수의 3명이 탑승한다고 가정하고, 각각을 3차원 CAD로 모델링하여 일반적인 탑승위치에 배치하였다. 또한 선행 연구를 바탕으로 전차를 구성하는 여러 부품 중 기능별로 주요 부품을 선정하고 분류하였으며, 실제 전차의 구조를 고려하여 3차원 공간상에 구성 요소 모델을 위치시켰다.
즉, 전면 및 측면의 피격 확률을 식 (2)에 적용하여 최대 피격면에 대한 피격 확률을 도출하고, 도출된 피격 확률을 기반으로 식 (3)을 이용하여 8-방향의 통합 피격 확률을 도출한다. 또한, 통합 피격 확률을 식 (1)에 적용하여 각 구성 요소의 신뢰도를 분석하고 RBD 기법을 적용한 후, 얻어진 각 구성 요소의 신뢰도를 기반으로 전차의 기능별 신뢰도를 분석한다. 이때 기능은 구성 요소들의 분류에 따라 공격 기능(firepower), 이동 기능(mobility), 방어 기능(armor), 탐지 기능(sensor), 통신 기능(communication)으로 분류한다.
본 논문에서 제안하는 통합 피격 확률 분석을 통한 RBD 기반 전차의 기능별 신뢰도 분석 과정은 그림 1과 같다. 먼저 각 구성 요소의 신뢰도를 구하기 위해, 선행연구[7]에서 분석한 전면과 측면의 피격 확률을 활용하여 통합 피격 확률을 도출한다. 즉, 전면 및 측면의 피격 확률을 식 (2)에 적용하여 최대 피격면에 대한 피격 확률을 도출하고, 도출된 피격 확률을 기반으로 식 (3)을 이용하여 8-방향의 통합 피격 확률을 도출한다.
이때, 구성 요소별 신뢰도를 도출하기 위하여 구성 요소별 피격 확률을 이용하였다. 선행 연구의 한계를 극복하기 위하여 부품과 승무원에 대한 분석을 함께 진행하였으며, 분석된 전면과 측면의 피격 확률을 기반으로 하는 통합 피격 확률 도출 기법을 제안하였다. 제안하는 통합 피격 확률 도출 기법을 사용하면 피격 확률을 도출하는 과정에 있어 시간-효율성이 높아지고 통합 피격 확률을 도출할 수 있다.
또한, 도출된 각 구성요소별 신뢰도를 이용하여 블록 다이어그램의 각 구성 요소 블록 상단에 신뢰도(λ)를 표시하였다. 이때, 각 구성 요소간의 직렬 및 병렬 관계는 선행 연구[7]에서의 정의하였던 FTA의 논리 관계(and : 병렬, or : 직렬)를 활용하였다.
이를 위해 구성 요소를 기능에 따라 적절하게 분류하고 각 기능별로 구성요소의 신뢰도와 구성 요소간의 관계를 블록 다이어그램으로 나타내었다. 이때, 구성 요소별 신뢰도를 도출하기 위하여 구성 요소별 피격 확률을 이용하였다. 선행 연구의 한계를 극복하기 위하여 부품과 승무원에 대한 분석을 함께 진행하였으며, 분석된 전면과 측면의 피격 확률을 기반으로 하는 통합 피격 확률 도출 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 통합 피격 확률을 이용한 RBD 기반의 전차 신뢰도 분석 방법에 대한 내용을 다루었다. 이를 위해 구성 요소를 기능에 따라 적절하게 분류하고 각 기능별로 구성요소의 신뢰도와 구성 요소간의 관계를 블록 다이어그램으로 나타내었다. 이때, 구성 요소별 신뢰도를 도출하기 위하여 구성 요소별 피격 확률을 이용하였다.
여기서, RBD 분석 기법은 시스템을 구성하는 구성 요소들의 관계를 이해하기 쉽게 시각적으로 표현하고, 각 구성 요소의 신뢰도를 바탕으로 전체 시스템의 신뢰도를 분석하기 위한 기법이다. 이를 위해, 본 논문에서는 승무원의 탑승 위치 모델링 및 역할 등을 분석하고, 각 구성 요소들 간의 관계를 정의한다. 또한, 전면 및 측면의 관통 피격 확률을 기반으로 통합 피격 확률을 도출하기 위한 방법을 제안한다.
이때, 신뢰도는 해당 구성 요소의 기능이 정상적으로 동작할 확률(λ)을 의미하며, 신뢰도 함수를 이용하여 값을 구한다. 하지만, 설계 단계에서의 전투 시스템 취약성 분석에 있어서 특정 구성 요소의 고장 확률은 피격될 확률로 정의할 수 있기 때문에 본 논문에서는 식 (1)과 같이 고장(피격) 확률의 관계를 이용하여 신뢰도를 구한다.
데이터처리
또한, 도출된 각 구성요소별 신뢰도를 이용하여 블록 다이어그램의 각 구성 요소 블록 상단에 신뢰도(λ)를 표시하였다.
제안하는 통합 피격 확률 도출 방법을 사용하기 위해 선행 연구에서 활용한 구성 요소별 피격 확률 분석 프로그램을 이용한다. 승무원의 위치를 고려하여 모델링한 승무원 모델들을 선행 연구에서 사용한 부품 모델과 함께 사용한다.
이론/모형
제안하는 통합 피격 확률 도출 방법을 사용하기 위해 선행 연구에서 활용한 구성 요소별 피격 확률 분석 프로그램을 이용한다. 승무원의 위치를 고려하여 모델링한 승무원 모델들을 선행 연구에서 사용한 부품 모델과 함께 사용한다. 구성 요소별(승무원과 부품) 피격 확률 분석 프로그램을 사용한 결과 화면은 그림 4에 나타내었다.
앞서 언급하였듯이 본 논문에서는 기능별 신뢰도를 분석하기 위하여 RBD 기법을 사용한다. 이를 위해 각 구성 요소별 신뢰도와 요소들과의 관계를 알아야 한다.
먼저, 최대 피격면에 대한 피격 확률이 도출되어야 한다. 전면과 측면 중 한 면이 최소 피격면이 되므로, 최대 피격면에 대한 피격 확률을 도출하기 위하여 박스 바운딩(bounding box) 형상 모델링 기법[9, 10]을 적용하여 각 부품을 단순 직육면체 형태로 만든다.
성능/효과
887756”이 되며, 이러한 과정으로 도출된 나머지 기능의 신뢰도를 표 4에 정리했다. 분석 결과를 보면, 탐지 기능, 통신 기능, 공격 기능, 방어 기능, 이동 기능 순으로 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 즉, 탐지 기능의 신뢰도가 가장 높은 것으로 분석되었으며 이동 기능의 신뢰도가 가장 낮게 분석되었다.
선행 연구의 한계를 극복하기 위하여 부품과 승무원에 대한 분석을 함께 진행하였으며, 분석된 전면과 측면의 피격 확률을 기반으로 하는 통합 피격 확률 도출 기법을 제안하였다. 제안하는 통합 피격 확률 도출 기법을 사용하면 피격 확률을 도출하는 과정에 있어 시간-효율성이 높아지고 통합 피격 확률을 도출할 수 있다. 향후에는 신뢰도 분석의 정확도를 높이기 위하여 관통 여부와 폭발, 화재, 충격 등의 영향도 고려하기 위한 연구가 필요하다.
분석 결과를 보면, 탐지 기능, 통신 기능, 공격 기능, 방어 기능, 이동 기능 순으로 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 즉, 탐지 기능의 신뢰도가 가장 높은 것으로 분석되었으며 이동 기능의 신뢰도가 가장 낮게 분석되었다. 이러한 결과를 활용하여 구성 요소의 소형화 등으로 인하여 변화하는 전차의 기능별 신뢰도를 분석할 수 있다.
후속연구
대표적인 전투 시스템인 전차의 경우에는 일반적으로 3명 혹은 4명의 승무원이 탑승하기 때문에 전투 상황에서 한 승무원이 부상을 당하거나 전사하게 되면, 전체 임무 수행 능력에 큰 영향을 줄 수 있다. 또한 군 관련 차량 혹은 전차의 경우, 상용 차량과 달리 승무원 보호를 위한 조치가 제한적이며 미치는 영향과 안전성에 대한 연구가 필요하다[5]. 기존의 연구들은 전투 시스템 취약성을 구성 부품이나 기능의 손실을 중심으로 분석하였기 때문에 승무원의 역할이나 탑승 위치 등을 고려하지 않은 것들이 대부분이었다[6, 7].
시간)을 해결하기 위한 연구를 진행 중에 있으며, 그 일환으로 본 논문에서는 선행 연구를 통해 얻어진 전면과 측면의 구성 요소별 피격 확률을 활용하여 통합 피격 확률을 분석하기 위한 방법을 제안한다. 추가적으로 본 논문에서는 전투 시스템을 구성하는 부품만을 고려하였던 선행 연구를 확장하여 승무원(탑승 위치)까지도 고려한다. 왜냐하면 전투 시스템의 신뢰도는 승무원의 상태에 따라 큰 영향을 받을 수 있기 때문이다[5].
제안하는 통합 피격 확률 도출 기법을 사용하면 피격 확률을 도출하는 과정에 있어 시간-효율성이 높아지고 통합 피격 확률을 도출할 수 있다. 향후에는 신뢰도 분석의 정확도를 높이기 위하여 관통 여부와 폭발, 화재, 충격 등의 영향도 고려하기 위한 연구가 필요하다. 이러한 이유로 현재 위협 및 방호 성능에 대한 전투 시스템의 관통 여부 등을 고려한 피격 확률 분석 및 신뢰도 분석 시스템을 개발 중에 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
피격 확률 분석 프로그램을 이용할 때 단점은?
피격 확률 분석 프로그램[7]을 이용하면 여러 각도의 관통선(shotline)에 대한 분석이 가능하지만, 3차원 연산을 이용하여 분석을 수행하기 때문에 전차를 구성하는 부품의 수가 많아질 경우 혹은 설정한 관통선의 간격이 좁아지거나 관통선의 수가 많아질 경우 분석에 소요되는 시간이 급격하게 증가하는 단점이 있다. 실제, 선행 연구의 분석 환경(CPU i5, RAM 4GB)에서 전면(관통선 960개 설정) 및 측면(관통선 1540개 설정)의 부품별(부품 26개) 피격 확률을 분석하는데 소요되는 시간은 약 20분 정도이다.
RBD 기법을 적용하여 기능별 신뢰도를 분석할 때 기능은 어떻게 분류하는가?
또한, 통합 피격 확률을 식 (1)에 적용하여 각 구성 요소의 신뢰도를 분석하고 RBD 기법을 적용한 후, 얻어진 각 구성 요소의 신뢰도를 기반으로 전차의 기능별 신뢰도를 분석한다. 이때 기능은 구성 요소들의 분류에 따라 공격 기능(firepower), 이동 기능(mobility), 방어 기능(armor), 탐지 기능(sensor), 통신 기능(communication)으로 분류한다.
신뢰도란?
일반적으로 시스템의 운용 및 유지보수 등의 목적을 위해서 구성 요소의 신뢰도를 활용한다. 이때, 신뢰도는 해당 구성 요소의 기능이 정상적으로 동작할 확률(λ)을 의미하며, 신뢰도 함수를 이용하여 값을 구한다. 하지만, 설계 단계에서의 전투 시스템 취약성 분석에 있어서 특정 구성 요소의 고장 확률은 피격될 확률로 정의할 수 있기 때문에 본 논문에서는 식 (1)과 같이 고장(피격) 확률의 관계를 이용하여 신뢰도를 구한다.
참고문헌 (10)
M. O. Said, "Theory and practice of total ship survivability for ship design," Naval Engineers Journal, vol. 107, issue 4, pp. 191-203, Jul. 1995.
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 and J. S. Lee, "An agent based modeling and simulation for survivability analysis of combat system," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 16, no. 12, pp.2581-2588, Dec. 2012.
H. G. Hwang, J. W. Lee, J. S. Lee, and J. S. Park, "A development of 3D penetration analysis program for survivability analysis of combat system : Focused on Tank Model," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 1, pp.244-250, Jan. 2014.
G. S. Lee, U. J. Jeong and G. J. Park, "Simulation model of rollover crashes and passenger injury assessment for a wheeled armored vehicle," Journal A of Korea Society of Mechanical Engineers, vol. 38, pp. 385-391, Apr. 2014.
H. G. Hwang, J. W. Kang, and J. S. Lee, "A development of component vulnerability analysis program for armored fighting vehicle using criticality based on FMECA," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 8, pp.1973-1980, Aug. 2015.
H. G. Hwang, B. G. Yoo, J. W. Lee, and J. S. Lee, "A development of hit probability-based vulnerability analyses system for armored fighting vehicle using fault tree analysis technique," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 8, pp.1981-1989, Aug. 2015.
Leemis, L. M., Reliability - Probabilistic Models and Statistical Methods, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1995.
K. S. Kim, J. H. Lee, and S. Y. Hwang, "Simplified Vulnerability Assessment Procedure for the Warship Based on the Vulnerable Area Approach," Society of Naval Architects of Korea, vol. 48, no. 5, pp.404-413, Oct. 2011.
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, Jul. 2012.
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