[논문]항공전자장비 신뢰성, 안전성 분석 및 관련 성능 개선 방안 연구

서준호

doi:10.6109/jkiice.2018.22.9.1220

항공전자장비 신뢰성, 안전성 분석 및 관련 성능 개선 방안 연구
A Study on Reliability, Safety Analysis and Related Performance Improvement of Avionics Equipment 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.9, 2018년, pp.1220 - 1227

서준호 (Hanwha Systems Co.,Ltd.)

초록
AI-Helper

항공전자장비는 항공기에 탑재되는 전자장비를 의미한다. 항공전자장비의 고장은 항공기 운용에 중대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 조종사와 승객의 안전까지 위협할 수 있다. 이에 항공전자장비는 타 용도로 사용되는 전자장비들 보다 높은 신뢰성과 안전성을 가지도록 요구도로 규정되어 있다. 항공전자장비는 설계 초기 단계에서부터 안전과 관련된 요구사항 충족을 위해 부품 선정과 시스템 설계를 고려해야 한다. 본 논문에서는 항공전자장비의 안전성, 신뢰성 성능 분석 방법을 설명하고, 안전 요구 성능 충족을 위해 수행할 수 있는 여러 설계 개선 방법을 실제 항공전자장비 개발 사례를 들어 소개한다. 마지막으로 설계 개선된 항공전자장비의 안전 성능 수치를 재분석하고, 개선 전 값과 비교하여 제시한 설계 변경의 유효성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Avionics electronic equipment refers to the electronic equipment installed on an aircraft. Failure of avionics equipment can have a significant impact on aircraft operations as well as threaten the safety of pilots and passengers. Therefore, avionics electronic equipment is required to have higher reliability and safety than electronic equipment used for other purposes. Avionics equipment must consider various component selection and system design to meet reliability and safety-related requirements from the initial design stage. In this paper, we describe safety, reliability performance analysis method of avionics equipment, and introduce various design improvement methods that can be performed to meet safety requirement performance. Finally, the safety performance of the improved avionics equipment was reanalyzed and compared with the value before the improvement, the validity of the proposed design change was verified.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

SMFD 고장률을 낮추기 위해 부품 변경 외 회로 설계 개선을 검토하였다.
본 논문의 서론에서는 대표적인 항공전자장비인SMFD를 설명하고, SMFD와 관련된 안전성, 신뢰성 요구도 사례 및 SMFD의 요구 성능 만족 여부를 분석하는 방법을 소개한다. 본문에서는 안전성, 신뢰성 향상을 위해 수행할 수 있는 장비의 설계 변경 내용을 설명한다.
본 논문의 서론에서는 대표적인 항공전자장비인SMFD를 설명하고, SMFD와 관련된 안전성, 신뢰성 요구도 사례 및 SMFD의 요구 성능 만족 여부를 분석하는 방법을 소개한다. 본문에서는 안전성, 신뢰성 향상을 위해 수행할 수 있는 장비의 설계 변경 내용을 설명한다. 안전성 요구도 향상을 위해 중복 설계를 적용할 경우 신뢰성 성능 수치가 저하되어 요구도를 만족시키지 못하는 결과를 얻었으며 이에 따라 중복 설계와 더불어 신뢰도 개선을 위한 추가 설계 변경이 필요함을 파악하게 되었다.

제안 방법

Prototype SMFD가 본 요구 성능을 만족시키는지 확인하기 위해 고장유형 영향분석 (Failure Mode Effect Analysis, 이하 FMEA)과 고장 트리 분석(Fault Tree Analysis, 이하 FTA)을 수행한다.[7] FMEA는 장비에 발생 가능한 고장을 표 형식의 테이블로 정리, 분석하는 기법으로 식별된 고장에 대한 원인, 시스템 영향성과 고장률 등을 기록하게 된다.
그림 6은 중복설계를 적용한 SMFD 아키텍처를 나타내고 있다. 시현/연산 제어 기능을 처리하는 회로를 이중화하기 위해 기존과 동일한 형상의 제어그래픽보드 추가하고 입출력보드, 베젤조립체의 I2C, PCIe 인터페이스를 이중화하여 보드에서 처리된 동일 데이터가 제어그래픽보드 A와 B에 동시에 전달 되도록 하였다.
안전과 관련된 대표적인 항공전자 요구도에는 신뢰성과 안전성 요구도가 있다. 신뢰성은 항공전자장비가 주어진 환경에서 고장 없이 원래의 기능 및 성능을 유지하는 특성이나 확률, 즉 장비의 가동률로 고장 간 평균 시간(Mean Time Between Failure, 이하 MTBF)을 산출하여 측정한다.[4] MTBF는 고장 발생 간 장비의 평균 운용시간으로 정의될 수 있다.
안전성 개선을 위한 제안한 설계 사항이 유효한지 파악하기 위해 신규 설계에 기반한 FTA를 간략히 수행하였다.
개발 초기 단계에서 제작된 Prototype SMFD의 안전성 요구도를 만족시키기 위해 제어그래픽보드를 중복 구성하는 설계 변경을 수행하였으며, 그 결과 설계 개선된 SMFD는 안전성 요구도를 만족하였지만 중복설계에 따른 하드웨어 부품 수 및 고장률 증가에 따라 신뢰성 요구도를 만족시키지 못하는 부작용이 초래되었다. 이에 SMFD를 구성하는 산업용 등급의 부품들을 군용 등급 부품으로 변경하고 FPGA를 적용하였다. 동일한 개선 특성을 가질 것으로 생각된 안전성, 신뢰성 성능 수치는 장비 설계에 따라 다르게 변경 될 수 있다는 것을 확인 하였다.
표 5의 분석에서 고장원인으로 파악된 그래픽 처리, 연산처리 회로에 대한 하드웨어 분석 결과, 해당 회로에 적용된 부품들은 성능 요구를 충족할 수 있는 범위에서 이미 높은 신뢰도를 가진 것으로 확인되었다. 특히 회로를 구성하는 핵심 부품인 CPU와 GPU의 경우 기존 부품 대비 신뢰도가 충분히 높은 대체품을 구할 수 없어, 제어그래픽보드를 중복 구성하는 SMFD 설계 변경을 수행하였다.

데이터처리

앞장에서 제안된 설계 개선 결과를 검증하기 위해 중복설계, 부품 신뢰도 및 회로 개선 설계를 수행한 SMFD 에 대해 안전 성능을 재분석 하게 되었다.

이론/모형

표 1은 Prototype SMFD에 사용되는 주요 부품의 고장률 사례를 나타내고 있다. 부품의 고장률은 Windchill 라는 툴을 사용하여 구할 수 있다. 표준품이나 여러 장비에 사용되는 부품의 경우 Windchill 데이터베이스에 해당부품의 고장률이 있으며, 데이터베이스에 없는 부품의 경우에도 부품에 대한 성능 파라미터를 부품데이터시트를 참조하여 입력하면 Windchill 툴이 고장률을 계산해 준다.

성능/효과

SMFD 시현/연산 제어 기능 상실에 대한 FTA 분석 결과 최종 값은 3.17 x 10 -11 로 계산되어 요구도를 만족함을 확인하였다. 3절에서 수행한 FTA 결과 보다 개선된 수치를 얻었다.
신뢰성은 항공전자장비가 주어진 환경에서 고장 없이 원래의 기능 및 성능을 유지하는 특성이나 확률, 즉 장비의 가동률로 고장 간 평균 시간(Mean Time Between Failure, 이하 MTBF)을 산출하여 측정한다.[4] MTBF는 고장 발생 간 장비의 평균 운용시간으로 정의될 수 있다. 장비에 고장이 발생되고 다음 고장이 발생될 때까지 평균 운용시간이 길다면 해당 장비는 고장이 자주 발생되지 않는 안전한 시스템으로 판단될 수 있다.
개발 초기 단계에서 제작된 Prototype SMFD의 안전성 요구도를 만족시키기 위해 제어그래픽보드를 중복 구성하는 설계 변경을 수행하였으며, 그 결과 설계 개선된 SMFD는 안전성 요구도를 만족하였지만 중복설계에 따른 하드웨어 부품 수 및 고장률 증가에 따라 신뢰성 요구도를 만족시키지 못하는 부작용이 초래되었다. 이에 SMFD를 구성하는 산업용 등급의 부품들을 군용 등급 부품으로 변경하고 FPGA를 적용하였다.
안전성 개선을 위해 수행한 설계 변경이 신뢰도를 감소시키는 결과를 초래한 것이다. 고장이 발생되어도 타 제어그래픽보드에 의해 기능이 백업되므로 SMFD 시현/연산 제어 기능상실 확률은 낮아지지만 중복설계에 따라 SMFD 전체 부품수와 고장 발생 빈도는 증가되어 MTBF는 감소되었다.
본 논문에 언급된 장비는 군용 항공전자장비로서 해당 장비가 사용된 프로그램 명칭이나 안전성, 신뢰성을 포함한 각종 성능 요구도 및 실제 성능 수치는 군사보안 사항에 해당된다. 그러므로 본 논문에서 제시된 각종 그림과 데이터는 실제 값이 아닌, 연구 결과 평가에 영향을 미치지 않는 범위에서 삭제되거나 변경 되었다.
동일 형상의 제어그래픽보드가 추가됨에 따라 고장률이 증가 되었으며, 베젤조립체와 입출력보드 등의 경우 에는 인터페이스 이중화에 따라 고장률이 변경되었다.
이에 SMFD를 구성하는 산업용 등급의 부품들을 군용 등급 부품으로 변경하고 FPGA를 적용하였다. 동일한 개선 특성을 가질 것으로 생각된 안전성, 신뢰성 성능 수치는 장비 설계에 따라 다르게 변경 될 수 있다는 것을 확인 하였다. 안전성 개선을 위해 중복 설계를 수행할 경우 고장이 발생 되어도 여분 하드웨어의 백업에 의해 연속적인 기능 수행이 가능하여 특정 기능 상실에 대해 규정하는 안전성 성능 수치는 향상 시킬 수 있지만, 하드웨어 부품 수와 밀접한 관계를 가지는 신뢰성 성능 수치는 감소된다.
본 FTA 분석을 통해 분할 화면 생성 불가, 심볼 생성 불가와 시현 색상 조절 불가는 Prototype SMFD 주요 기능 중 시현 제어 기능 상실에 영향을 주는 요소로 파악된다. 또한 임무/비행 데이터 연산 불가는 궁극으로 Prototype SMFD 시현/연산 제어 기능 상실을 초래함을 확인할 수 있다. 그림 5의 분석 결과 Prototype SMFD 시현/연산을 제어하는 기능 상실 가능성은 8.
모든 설계 변경을 수행한 최종 형상 SMFD의 고장률은 9.81E-04으로 분석 되었다. 여러 설계 개선을 반영한 제어그래픽보드의 고장률이 가장 많이 변경되었으며, 입출력보드의 경우 산업용 커패시터와 저항을 군용 부품으로 교체하여 고장률 개선을 이루게 되었다.
그림 5는 Prototype SMFD 시현/연산을 제어하는 기능 상실과 관련된 FTA 사례를 나타내고 있다. 본 FTA 분석을 통해 분할 화면 생성 불가, 심볼 생성 불가와 시현 색상 조절 불가는 Prototype SMFD 주요 기능 중 시현 제어 기능 상실에 영향을 주는 요소로 파악된다. 또한 임무/비행 데이터 연산 불가는 궁극으로 Prototype SMFD 시현/연산 제어 기능 상실을 초래함을 확인할 수 있다.
MIL-STD-756과 MIL-HDBK-217에 따라 Prototype SMFD의 고장률은 장비를 구성하는 모든 부품의 고장률 합으로 계산된다. 실제 SMFD는 수천여개가 넘는 부품으로 구성되어 있으므로 마이크로소프트사의 엑셀을 사용하여 표 2와 같이 Prototype SMFD를 구성하는 주요 항목별 고장률을 산출하고 합산한 후 9.71E-04라는 전체 Prototype SMFD 고장률을 도출 하였다. [5-6]
그림 10, 11에 대한 고장률 계산에서 보드에 탑재되는 부품 수가 적을수록 전체 보드의 고장률은 낮아질 확률이 높다고 판단할 수 있다. 실제 Windchill 툴을 사용 하여 CPU, FPGA, DPRAM 등의 부품 고장률을 확인한 결과 부품 수가 적은 그림 11의 경우 보드의 고장률이 그림 10의 보드에 비해 10% 정도 개선됨을 확인하였다.
실제 계산한 SMFD의 MTBF는 1,019시간으로 신뢰성 요구도 1,000 시간을 만족한다.
최종적으로 설계 변경된 SMFD에 대해 안전성, 신뢰성 성능 수치를 재분석하여 모든 요구도를 만족시키는지 확인하였으며 수행된 설계 변경의 유효성을 입증하였다.
표 5의 분석에서 고장원인으로 파악된 그래픽 처리, 연산처리 회로에 대한 하드웨어 분석 결과, 해당 회로에 적용된 부품들은 성능 요구를 충족할 수 있는 범위에서 이미 높은 신뢰도를 가진 것으로 확인되었다. 특히 회로를 구성하는 핵심 부품인 CPU와 GPU의 경우 기존 부품 대비 신뢰도가 충분히 높은 대체품을 구할 수 없어, 제어그래픽보드를 중복 구성하는 SMFD 설계 변경을 수행하였다.

후속연구

본문에서는 안전성, 신뢰성 향상을 위해 수행할 수 있는 장비의 설계 변경 내용을 설명한다. 안전성 요구도 향상을 위해 중복 설계를 적용할 경우 신뢰성 성능 수치가 저하되어 요구도를 만족시키지 못하는 결과를 얻었으며 이에 따라 중복 설계와 더불어 신뢰도 개선을 위한 추가 설계 변경이 필요함을 파악하게 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공전자장비란 무엇인가?	항공전자장비는 항공기에 탑재되는 전자장비를 의미한다. 항공전자장비의 고장은 항공기 운용에 중대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 조종사와 승객의 안전까지 위협할 수 있다.
	항공전자장비는 타 용도로 사용되는 전자장비들 보다 높은 신뢰성과 안전성을 갖도록 요구되는 이유는?	항공전자장비는 항공기에 탑재되는 전자장비를 의미한다. 항공전자장비의 고장은 항공기 운용에 중대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 조종사와 승객의 안전까지 위협할 수 있다. 이에 항공전자장비는 타 용도로 사용되는 전자장비들 보다 높은 신뢰성과 안전성을 가지도록 요구도로 규정되어 있다.
	SMFD의 기능은 무엇인가?	그림 1과 같이 조종석에 장착되는 SMFD는 항공기 운항에 반드시 필요한 비행, 항법정보를 조종사에게 제공한다. SMFD의 고장은 망망대해를 비행하는 항공기가 정상경로로 비행하는 것을 어렵게 하여 조종사 및 승객의 비행안전을 위협하게 된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Su-woon Hong and Young-kil Kim, "Design of TM/TC data protocol of Military Unmanned Aerial Vehicles," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.22, no.3, pp.506-512, Mar. 2018.
G. Chandrika, "Study on Software Reliability and Reliability Testing," Asia-pacific Journal of Convergent Research Interchange, vol.1, no.1, pp.7-20, Mar. 2015. http://dx.doi.org/10.21742/APJCRI.2015.03.02.
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원문보기 상세보기
MIL-STD-756, Military Standard Reliability Modeling and Prediction, Department of Defense, United States of America, Nov. 1981.
MIL-HDBK-217, Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment, Department of Defense, United States of America, Jan. 1990.
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E.P. Zafiropoulos and E. N. Dialynas, "Reliability prediction and failure mode effects and criticality analysis of electronic devices using fuzzy logic," International Journal of Quality & Reliability Management, vol. 22, pp. 183-200, Feb. 2005.

상세보기
S. Kabir, "An overview of fault tree analysis and its application in model based dependability analysis," Expert Systems with Applications, vol. 77, pp. 114-135, July 2017.

상세보기
W. C. Lu, "Design and Development of a Multifunctional Flight Display System," Applied Mechanics and Materials, vol. 664, pp. 293-297, Oct. 2014.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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