무기체계 획득 프로그램에서 개념설계는 개발대상체계의 군사적 활용목적을 구체화하고, 이를 구현하기 위한 요구사항 수립 및 향후 개발방향을 결정하는 가장 중요한 단계이다. 하지만 미래 지상전투차량 또는 로봇의 개념설계 시 개발 경험 또는 문헌사례 부족, 등을 이유로 초기단계에서 요구사항과 개발방향을 잘못 수립할 경우 이는 향후단계에서 설계오류로 작용될 수 있다. 이는 획득 프로그램에서 위험으로 작용될 수 있으며, 이를 바로잡기 위해서는 비용, 노력, 기간이 요구된다. 미래지상전투차량을 효과적으로 획득하기 위해서는 초기 개발단계에서부터 발생하는 오류를 줄일 수 있는 방안이 필요하다. 본 논문은 이 오류를 줄이기 위해서 개념설계과정에서 수립된 요구사항과 설계방향의 물리적 실현 가능성을 체계 수준의 모델링과 시뮬레이션을 통해 검증하고, 이 시뮬레이션 결과를 활용해 가상의 체계성능을 도출하는 방안에 대해 기술한다. 체계 수준의 모델링 및 시뮬레이션은 최신 설계 기법인 모델기반설계와 형상기반설계 도구를 활용하며, 체계성능은 체계 수준 물리적 모델링 및 시뮬레이션 결과와 기존의 체계 성능분석 전문소프트웨어 연계를 통해 도출된다.
무기체계 획득 프로그램에서 개념설계는 개발대상체계의 군사적 활용목적을 구체화하고, 이를 구현하기 위한 요구사항 수립 및 향후 개발방향을 결정하는 가장 중요한 단계이다. 하지만 미래 지상전투차량 또는 로봇의 개념설계 시 개발 경험 또는 문헌사례 부족, 등을 이유로 초기단계에서 요구사항과 개발방향을 잘못 수립할 경우 이는 향후단계에서 설계오류로 작용될 수 있다. 이는 획득 프로그램에서 위험으로 작용될 수 있으며, 이를 바로잡기 위해서는 비용, 노력, 기간이 요구된다. 미래지상전투차량을 효과적으로 획득하기 위해서는 초기 개발단계에서부터 발생하는 오류를 줄일 수 있는 방안이 필요하다. 본 논문은 이 오류를 줄이기 위해서 개념설계과정에서 수립된 요구사항과 설계방향의 물리적 실현 가능성을 체계 수준의 모델링과 시뮬레이션을 통해 검증하고, 이 시뮬레이션 결과를 활용해 가상의 체계성능을 도출하는 방안에 대해 기술한다. 체계 수준의 모델링 및 시뮬레이션은 최신 설계 기법인 모델기반설계와 형상기반설계 도구를 활용하며, 체계성능은 체계 수준 물리적 모델링 및 시뮬레이션 결과와 기존의 체계 성능분석 전문소프트웨어 연계를 통해 도출된다.
In the acquisition program, the conceptual design is the most important step toward specifying the military objectives, establishing requirements and determining future developmental directions, of a target system. However, if both the requirements and directions are incorrectly set due to the lack ...
In the acquisition program, the conceptual design is the most important step toward specifying the military objectives, establishing requirements and determining future developmental directions, of a target system. However, if both the requirements and directions are incorrectly set due to the lack of development experiences and literature backgrounds in the target systems, such as future ground combat vehicles, it may become a major risk in the future design phases and the entire acquisition program. In order to correct these errors in the future phases, time, effort and cost are required. Therefore, it is necessary to reduce the errors that occur in the initial stages to effectively acquire the future ground combat vehicles. This paper describes the initial design method for verifying the requirements and the developmental directions and estimating the system performance at the conceptual design through the system-level physical modeling and simulation (M&S) and the target system performance analysis. The system-level physical M&S use cutting-edge design tools, model-based designs and geometric-based designs. The system performance estimation is driven from the results of the system-level physical M&S and the specialized system analysis software.
In the acquisition program, the conceptual design is the most important step toward specifying the military objectives, establishing requirements and determining future developmental directions, of a target system. However, if both the requirements and directions are incorrectly set due to the lack of development experiences and literature backgrounds in the target systems, such as future ground combat vehicles, it may become a major risk in the future design phases and the entire acquisition program. In order to correct these errors in the future phases, time, effort and cost are required. Therefore, it is necessary to reduce the errors that occur in the initial stages to effectively acquire the future ground combat vehicles. This paper describes the initial design method for verifying the requirements and the developmental directions and estimating the system performance at the conceptual design through the system-level physical modeling and simulation (M&S) and the target system performance analysis. The system-level physical M&S use cutting-edge design tools, model-based designs and geometric-based designs. The system performance estimation is driven from the results of the system-level physical M&S and the specialized system analysis software.
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문제 정의
군사적 목적을 달성하기 위해서 무기체계를 개발한다. 개발에 성공하려면 성숙된 요소기술들의 확보, 각 기술간 통합 등 기술적 이슈와 비용 문제, 사용자-개발자-의사결정자 등 이해관계자 간 소통 문제, 이 외에도 안보환경 변화에 따른 중요성 및 개발 적용시기 등 절차적 문제와 같이 다양한 위험요소들이 관리되어야 한다.
본 논문은 무기체계 획득과정 중 개념설계 시 수립된 체계요구사항에서 포함되어 있는 오류, 특히 물리적 실현 가능성 측면에서 오류를 줄여 효과적인 획득이 될 수 있도록 돕는 방안을 제안한다. 다음 장에서는 유사연구사례와 본 논문에서 활용하는 최신설계기법을 소개하고, 3장과 4장에서는 제안방안에 대한 설명과 적용사례 소개를,마지막 장에서는 향후 연구방향을 논의한다.
무기체계 획득 초기단계에서 공학적 시뮬레이션 기법을 활용한 유사 연구사례로 미국 DARPA의 AVM(Adaptive Vehicle Make) 과제가 있다. 이 과제내용과 함께, 본 논문에서 활용하는 공학설계기법에 대해 소개한다.
가설 설정
어떤 목적을 위한 지상전투차량체계 개발프로그램의 개념설계과정에서 원격무장장치가 탑재된 하이브리드방식의 동력을 사용하는 6×6 차륜형 차량에 대해 논의된다고 가정하였다.
제안 방법
형상을 구체화하기 위해서는 설계대안에서 구성품 단위성능을 충족할 수 있는 장치를 조사 및 선정하고, 결과에 대해 형상설계를 수행한다. 구성품 단위 형상들을 배치 및 조합하여 체계의 최종형상과 제원을 도출한다.
도출된 최고속도 및 가속특성, 제동특성, 무장장치의 안정화특성, 체계형상과 제원 및 피탐지성능 등 시뮬레이션 결과를 참조하여 의사결정과정을 거쳐 세부요구사항 또는 MOP 수립에 반영하거나 의견에 따라 체계수준설계를 재시도 한다. 체계수준설계변경 시 설계메커니즘을 변경하거나 차체모델의 중량, 구동모터의 입력파라미터, 주행조건 등 다양한 파라미터 변화에 따른 요구사항 충족 여부 검토를 수행할 수 있다.
모델기반설계는 체계의 동적 특성을 신속하게 설계 및 분석이 가능한 이점이 있으므로 체계요구사항 중에서 Table 1에 제시된 항목과 같이 기동, 화력 등 분야의 요구를 충족할 수 있는 설계대안(design candidate)을 도출하고 분석한다. 신속한 설계를 수행하기 위해 타이어 및 궤도, 동력장치, 현수장치, 화력장치 등 재사용 가능한 구성품 모델이 포함된 라이브러리를 개발 및 활용한다.
모델기반설계의 신속한 설계 및 분석 이점을 활용해 다양한 설계대안들(design candidates)을 도출 및 분석하고, 형상기반설계는 설계대안들의 형상분석에 따른 최종 설계대안을 도출하게 된다. 이 과정을 따라 체계요구사항의 세부항목 별 물리적 개발 가능성을 확인 할 수 있다.
모의기반획득은 기간, 자원, 비용, 위험도를 줄이면서, 체계품질을 높이기 위한 목적으로 개념수립-설계-제작운용(훈련) 등 각 단계별로 요구되는 여러 시뮬레이션 방법과 각 도메인 전문가 간 협업을 수행 할 수 있는 네트워크를 구축 및 운용 하는 것 이다. 미 해군의 LPD-17, SC-21 프로그램, 미 공군의 Joint Strike Fighter 프로그램, 미 육군의 Future Combat Systems(FCS) 프로그램 등 다양한 무기체계 획득프로그램에 모의기반획득 개념을 적용하여 개발을 시도하였다 (NRC, 2002). 우리 군도 이와 같은 사례를 참조하여 무기체계개발 시 적용하도록 규정하고 있다(방위사업청, 2008).
본 논문도 본 절차를 참조하여 개념설계 시 물리적 실현가능성 검토를 위한 수단으로 모델기반설계와 형상기반설계 도구를 활용하였다.
하지만, 경험 및 사례 부족, 기술개발 복잡도 등 여러 이유로 개발요구사항이 잘못 수립된다면 향후단계에서 이를 바로잡기 위해 상당한 비용과 기간이 소요되며, 획득 실패 가능성도 높아진다. 본 논문이 제안하는 초기설계기법은 상세설계단계에서 주로 사용되는 최신 공학설계도구들을 개념설계 부터 미리 적용하여 물리적 실현가능성 관점에서 체계요구사항 내 오류검토와 검토과정에서 도출된 가상체계설계결과를 활용해 향후설계단계를 신속하게 진행할 수 있도록 돕는다.
요구된 차량체계의 크기와 총중량을 결정하기 위해 모델기반설계결과를 바탕으로 형상기반설계를 수행한다. 모델기반설계에서 설계된 모델의 단위 성능을 충족하는 타이어, 구동모터, 엔진 등 주요 부품의 제원을 조사 및 참조하여 구성품 단위 형상을 설계하고, 내부 배치를 통해 체계전체형상을 Figure 9와 같이 도출한다.
이를 보완하기 위한 방안으로 두 개 이상의 이종 시뮬레이션 도구를 동시에 수행할 수 있는 인터페이스 인 FMI(functional mock-up interface)가 관련분야에서 제안되었다. FMI는 유럽연합의 Modelisar 프로젝트에서 다양한 설계 및 해석도구가 동시에 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하는 개방형 표준 인터페이스이다.
미 육군은 FCS 프로그램 취소 후 전문가 분석을 통해 향후 개발 시 보완해야 할 방안들을 도출하였으며, 특히 획득방법과 관련하여 다음과 같은 이슈가 제기되었다. 첫째, 체계개념 수립 및 주요의사결정 시 워게임 결과를 의존하였으며, 워게임 결과에 대한 구현가능성에 대한 검증을 실시하지 않았다. 둘째, 개발주기를 반복하여 성능을 높이는 진화적 획득방식을 적용하여 개발비용의 상승과 체계요구사항 또는 작전운용성능(ROC : Required Operational Capability)의 충족여부 확인이 지연되었다(Richard, 2003; Christopher et al.
초기설계기법은 Figure 6과 같이 체계수준설계에서 모델기반설계를 통해 요구사항을 충족할 수 있는 다양한 설계대안들을 도출하고 형상기반설계를 통해 개발가능성이 높은 최종설계대안을 확정한다. 최종설계대안 수립과정에서 분석된 기동, 화력, 제원형상 특성들을 이용한 체계성능분석을 통해 단위기능별 체계성능지수를 산출한다.
META분야에서 대안분석과 설계방안을 결정할 때 주로 기본설계 시 사용하는 공학적 설계도구들을 이용했다. 특히, 최신 설계기법인 모델기반설계와 3D CAD와 같은 형상기반설계를 활용하는 방안이 제안되었다.
피탐지성능분석은 관련분석도구를 이용해 체계내부의 엔진 및 구동모터, 배터리 등 발열성 구성품에 의해 외부의 탐지장치가 탐지할 수 있을 것인지 분석을 수행한다. 초기설계기법에서는 체계외벽의 두께와 재질정보 및 발열성 구성품의 위치는 형상기반설계결과를 활용하며, 구성품의발열량은 최고속도 및 가속도 분석 시 관련 구성품에서 발생하는 열 프로파일을 수집하여 분석수행 가능하다.
형상기반설계는 Table 2와 같이 체계요구사항 중 크기, 중량 및 내부공간분석 등 3차원의 형상을 구체화하는데 적합한 설계방식으로 모델기반설계를 통해 도출된 설계대안의 형상을 구체화한다. 형상을 구체화하기 위해서는 설계대안에서 구성품 단위성능을 충족할 수 있는 장치를 조사 및 선정하고, 결과에 대해 형상설계를 수행한다.
형상기반설계는 Table 2와 같이 체계요구사항 중 크기, 중량 및 내부공간분석 등 3차원의 형상을 구체화하는데 적합한 설계방식으로 모델기반설계를 통해 도출된 설계대안의 형상을 구체화한다. 형상을 구체화하기 위해서는 설계대안에서 구성품 단위성능을 충족할 수 있는 장치를 조사 및 선정하고, 결과에 대해 형상설계를 수행한다. 구성품 단위 형상들을 배치 및 조합하여 체계의 최종형상과 제원을 도출한다.
대상 데이터
화력체계모델는 차량 기동 간 원격무장장치의 지향안정성성능을 분석하기 위해 무장의 플랜트 모델과 제어기, 무장장치 구동명령과 함께 차량에서 무장장치로 전달되는 진동을 모사하기 위해 진동데이터 전달 구성품이 함께 구성된다. 진동데이터는 유사 차량이 RRC-9 노면을 주행할 때 발생하는 자이로 센서신호를 계측하여 활용하였다.
최초 모델기반설계를 통해 가상의 차량체계와 무장체계를 Figure 7과 같이 설계하였다. 차량체계모델은 제시된 요구조건에 따라 차체 및 현수장치, 모터와 타이어, 하이브리드 방식의 동력을 위한 엔진 및 배터리 구성품을 구성, 파라미터를 인가하고, 인가되는 사용자의 구동명령에 따른 구성품 입력 신호로 변환 할 수 있는 모터드라이버 모델을 구성하였다.
이론/모형
AVM은 무기체계 획득절차 중 설계와 제작을 신속하고 비용 효과적으로 개선한다는 점에서 일종의 모의기반 획득방안으로 볼 수 있다. META분야에서 대안분석과 설계방안을 결정할 때 주로 기본설계 시 사용하는 공학적 설계도구들을 이용했다. 특히, 최신 설계기법인 모델기반설계와 3D CAD와 같은 형상기반설계를 활용하는 방안이 제안되었다.
후속연구
초기설계기법(Initial Design Method)은 체계요구사항 초안(draft SyRS)이 수립되는 C3단계(또는 선행연구단계) 혹은 체계요구사항(SyRS)이 결정되는 C4단계 (또는 탐색개발단계)에서 활용할 수 있다. 각 단계별로 요구사항의 공학적 설계와 분석을 통해 체계요구사항의 물리적 실현가능성을 검토하고 요구사항을 충족하는 다양한 설계 대안검토를 위해 활용가능하다.
본 과정을 통해 도출된 SyRS, MOP는 개념설계의 C3 혹은 C4에서 적용될 수 있으며, 가상체계설계결과(최종설계대안)는 기본설계단계에서 구성품의 상세설계를 수립하는 과정에서 활용할 수 있다.
개념설계는 개발목적을 구체화하고 이를 해결하기 위한 방안을 결정하는 단계로 Figure 2와 같은 절차를 통해 초기 기능적한계선(initial FBL(functional baseline))이 최종 도출된다. 초기 기능적한계선은 체계수준의 논리적 아키텍처를 제공하는 것으로 향후 기본설계 단계에서 물리적 설계를 수행하는데 기초가 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무기체계 획득 프로그램에서 개념설계 특징은?
무기체계 획득 프로그램에서 개념설계는 개발대상체계의 군사적 활용목적을 구체화하고, 이를 구현하기 위한 요구사항 수립 및 향후 개발방향을 결정하는 가장 중요한 단계이다. 하지만 미래 지상전투차량 또는 로봇의 개념설계 시 개발 경험 또는 문헌사례 부족, 등을 이유로 초기단계에서 요구사항과 개발방향을 잘못 수립할 경우 이는 향후단계에서 설계오류로 작용될 수 있다.
모의기반획득이란?
모의기반획득은 기간, 자원, 비용, 위험도를 줄이면서, 체계품질을 높이기 위한 목적으로 개념수립-설계-제작운용(훈련) 등 각 단계별로 요구되는 여러 시뮬레이션 방법과 각 도메인 전문가 간 협업을 수행 할 수 있는 네트워크를 구축 및 운용 하는 것 이다. 미 해군의 LPD-17, SC-21 프로그램, 미 공군의 Joint Strike Fighter 프로그램, 미 육군의 Future Combat Systems(FCS) 프로그램 등 다양한 무기체계 획득프로그램에 모의기반획득 개념을 적용하여 개발을 시도하였다 (NRC, 2002).
무기체계 획득 프로그램에서 개념설계에서 주의해야 할 점은?
무기체계 획득 프로그램에서 개념설계는 개발대상체계의 군사적 활용목적을 구체화하고, 이를 구현하기 위한 요구사항 수립 및 향후 개발방향을 결정하는 가장 중요한 단계이다. 하지만 미래 지상전투차량 또는 로봇의 개념설계 시 개발 경험 또는 문헌사례 부족, 등을 이유로 초기단계에서 요구사항과 개발방향을 잘못 수립할 경우 이는 향후단계에서 설계오류로 작용될 수 있다. 이는 획득 프로그램에서 위험으로 작용될 수 있으며, 이를 바로잡기 위해서는 비용, 노력, 기간이 요구된다.
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