[논문]다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘

윤문형; 박준호; 이정훈; 김갑수; 구봉주

doi:10.5392/jkca.2018.18.09.614

다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘
An Intersection Validation and Interference Elimination Algorithm between Weapon Trajectories in Multi-target and Multi-weapon Environments 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.18 no.9, 2018년, pp.614 - 622

윤문형 (국방과학연구소) , 박준호 (국방과학연구소) , 이정훈 (국방과학연구소) , 김갑수 (국방과학연구소) , 구봉주 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

다표적-다무장 전장 환경에서는 다수의 무장이 동시에 발사되기 때문에 무장 간의 궤적 교차로 인한 충돌이 발생할 가능성이 항시 존재한다. 무장간 충돌은 신속한 작전 수행을 저해할 뿐만 아니라 아군 무장 자산을 무의미하게 손실시킴으로써 아군의 적군에 대한 위협 대응력을 약화시킨다. 본 논문에서는 다표적-다무장전장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 무장 궤적 간 교차 분석을 통해 간섭 여부를 확인 한 후, 교차점이 발생할 경우 무장 궤적 간의 상호 간섭을 배제하는 것을 핵심으로 한다. 본 논문에서는 제안하는 알고리즘의 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였다. 성능 평가 결과 제안하는 알고리즘은 표적 수 및 무장군 수와 무관하게 교차점이 존재하지 않음을 보여줌으로써 효과적인 간섭 배제를 수행함을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As multiple weapons are fired simultaneously in multi-target and multi-weapon environments, a possibility always exists in the collision occurred by the intersection between weapon trajectories. The collision between weapons not only hinders the rapid reaction but also causes the loss of the asset of weapons of friendly force to weaken the responsive power against the threat by an enemy. In this paper, we propose an intersection validation and interference elimination algorithm between weapon trajectories in multi-target and multi-weapon environments. The core points of our algorithm are to confirm the possible interference through the analysis on the intersections between weapon trajectories and to eliminate the mutual interference. To show the superiority of our algorithm, we implement the evaluation and verification of performances through the simulation and visualization of our algorithm. Our experimental results show that the proposed algorithm performs effectively the interference elimination regardless of the number of targets and weapon groups by showing that no cross point exists.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 기존 기법의 예
그림 그림 2. 신속 대응을 위한 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 흐름도
그림 그림 3. 교차 검증 및 간섭 배제 후 발사 수행의 예
그림 그림 4. 발사 소요 시간의 예
그림 그림 5. 표적 수 증가에 따른 평균 표적 할당율
표 표 1. 성능 평가 환경
그림 그림 6. 간섭 배제 전∙후의 표적 수 증가에 따른 평균 교차점 수
그림 그림 7. 기존 및 제안하는 간섭 배제 알고리즘의 발사 소요시간

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 무장 운용의 유연성 향상뿐만 아니라 단위 시간 당 교전 효과를 극대화하기 위한 연구가 필수적이다. 그러므로 본 논문에서는 다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘 연구를 진행한다.
기존의 무장 간 간섭 배제 기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법을 제시하므로 모든 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 본 논문에서는 3차원 무장 궤적간의 교차 발생여부를 2차원 사격선간 교차 분석으로 무장 간 간섭 여부를 최종적으로 확인한 후, 교차가 발생할 경우 무장 궤적 간 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화하는 무장 궤적 간의 상호 간섭 배제 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘을 제안하였다. 기존 무장 궤적 간 간섭 배제 기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법을 제시하므로 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어려우며, 이는 무장 발사 지연을 야기하여 신속 대응을 저해하는 요인이라 볼 수 있다.
본 논문에서는 다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘에서는 다표적-다무장 환경에서 표적과 무장의 위치, 무장의 사거리, 사격선 간의 교차점 등을 고려한 효과적인 간섭 배제 알고리즘을 제안한다.

가설 설정

모든 무장을 동시에 발사하는 최악의 경우 가정하며,서로 다른 무장군에 속해있는 모든 표적-무장 할당의 사격선 간 교차를 연산하여 무장 간 상호 간섭여부를 확인한다. 동일 무장군에 속해있는 무장은 동일한 위치에 존재하므로, 동일 무장군에 속한 무장으로부터 생성되는 표적-무장 할당은 간섭이 발생하지 않는다.

제안 방법

[그림 3]은 제안하는 알고리즘 수행의 예를 나타낸다. 모든 무장 할당의 3차원 궤적간의 교차 발생여부를 2차원 사격선간 교차 분석으로 확인한다. 사격선간 교차 여부를 연산 후, 교차가 발생할 경우 무장 궤적 간 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다.
사격선 간 교차점이 발생한 경우 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다. 무장 발사 이 후,잔여 표적의 존재 여부를 확인한 후 잔여 표적이 존재하지 않을 때까지 교차 검증 및 간섭 배제 후 발사를 반복 수행한다. 이를 통해, 제안하는 알고리즘은 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 신속 대응 무기 체계에 적용하기 불가능했던 기존 연구의 한계를 극복하는 것이 가능하다.
사격선간 교차 여부를 연산 후, 교차가 발생할 경우 무장 궤적 간 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다. 무장 발사 이 후, 잔여 표적이 존재하지 않을 때까지 교차 검증 및 간섭 배제 후 발사를 반복 수행한다.
사격선 간 교차점이 발생한 경우 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다. 무장 발사 이 후,잔여 표적의 존재 여부를 확인한 후 잔여 표적이 존재하지 않을 때까지 교차 검증 및 간섭 배제 후 발사를 반복 수행한다. 이를 통해, 제안하는 알고리즘은 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 신속 대응 무기 체계에 적용하기 불가능했던 기존 연구의 한계를 극복하는 것이 가능하다.
[그림 2]는 신속 대응을 위한 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제에 대한 흐름도를 나타낸다. 무장 할당에 대해서 3차원 공간의 무장 궤적을 2차원 평면으로 투영하여 사격선을 연산한 뒤 사격선 간 교차발생 여부를 연산한다. 사격선 간 교차점이 발생한 경우 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다.
본 장에서는 다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘을 제안한다. 기존의 무장 간 간섭 배제 기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법을 제시하므로 모든 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
본 장에서는 제안하는 알고리즘의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였다. 본 시뮬레이션은 Matlab R2016a[10]을기반으로 하여, [표 1]과 같은 가상 전장 환경을 구성하여 수행하였다.
모든 3차원 무장 궤적에 대해 간섭 발생 여부를 확인하는 것은 표적 수에 따라 연산양이 기하급수적으로 증가한다. 이를 고려하여 제안하는 알고리즘에서는 무장 할당 결과로써 생성된 3차원 공간의 모든 무장 궤적을 2차원 평면으로 투영하여 사격선을 생성한 후 사격선 간 교차 발생 여부를 연산함으로써 연산을 감소시킨다. 사격선 간 교차점이 발생한 경우 간섭을 배제하여 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화한다.
기존 무장 궤적 간 간섭 배제 기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법을 제시하므로 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어려우며, 이는 무장 발사 지연을 야기하여 신속 대응을 저해하는 요인이라 볼 수 있다. 제안하는 알고리즘에서는 3차원 무장 궤적간의 교차 발생 여부를 2차원 사격선간 교차 분석으로 무장 간 간섭 여부를 최종적으로 확인한 후, 교차가 발생할 경우 무장할당을 해제함으로써 무장 궤적 간 교차를 원천적으로 차단한다. 이를 통해, 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화하는 효과적인 사격 계획을 수립하고 교전효과를 극대화한다.
본 논문에서는 다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘에서는 다표적-다무장 환경에서 표적과 무장의 위치, 무장의 사거리, 사격선 간의 교차점 등을 고려한 효과적인 간섭 배제 알고리즘을 제안한다. 모든 3차원 무장 궤적에 대해 간섭 발생 여부를 확인하는 것은 표적 수에 따라 연산양이 기하급수적으로 증가한다.

이론/모형

본 장에서는 제안하는 알고리즘의 우수성을 보이기 위해 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였다. 본 시뮬레이션은 Matlab R2016a[10]을기반으로 하여, [표 1]과 같은 가상 전장 환경을 구성하여 수행하였다.

성능/효과

이와는 반대로 무장군 수가 증가함에 따라 무장군 당 할당되는 표적 수가 감소한다. 결과적으로 간섭 배제 수행 전의 평균 교차점 수는 표적 수에 비례하고, 무장군 순에 반비례하는 경향을 보인다. 이러한 경향과 상관없이, 제안하는 알고리즘을 통한 간섭 배제수행 후에 교차점이 존재하지 않음을 보임으로써 표적수 및 무장군 수와 무관하게 효과적인 간섭 배제가 수행됨을 알 수 있다.
- 1)∙k 초의 발사 소요 시간을 갖는다. 그러므로 제안하는 알고리즘은 발사 소요 시간 단축 및 작전 반응 시간 최소화가 가능하며, 이로 인해 무장 운용의 유연성 향상뿐만 아니라 단위 시간 당 교전 효과를 극대화할 수 있다.
따라서, 2차원 평면의 사격선간 교차 발생여부를 분석하여 3차원 공간의 무장 궤적 간 교차점 발생여부를 확인 가능하며, 이를 통해 표적-무장간 궤적간의 간섭배제가 가능하다.
기존간섭 배제 알고리즘은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하므로, 발사 소요 시간은 총 가용 무장 수에 비례하여 증가한다. 반면, 제안하는 알고리즘은 잔여 무장이 존재하지 않을 때까지 사격 및 잔여표적 확인을 반복한 횟수에 비례하여 발사 소요 시간이 증가한다. 특히, 무장 궤적 간 간섭이 발생하지 않은 경우(K_NM = 1)는 모든 무장을 동시에 발사 가능하므로 별도의 발사 소요 시간은 필요하지 않다.
이러한 경향과 상관없이, 제안하는 알고리즘을 통한 간섭 배제수행 후에 교차점이 존재하지 않음을 보임으로써 표적수 및 무장군 수와 무관하게 효과적인 간섭 배제가 수행됨을 알 수 있다. 성능 평가 결과, 제안하는 알고리즘은 효과적인 상호 간섭 배제를 수행하는 것을 입증하였다.
[그림 5]는 표적 수 증가에 따른 평균 표적 할당율을나타낸다. 성능 평가 결과, 표적 수가 증가하더라도 일정한 표적 할당율을 보임을 확인하였다. 성능 평가 결과에서는 무장군 수가 많을수록 발생하는 평균 교차점수가 적어 간섭 배제 과정을 적게 수행하므로 무장군수가 많을수록 평균 표적 할당율이 더 높은 것으로 분석된다.
성능 평가 결과, 표적 수가 증가하더라도 일정한 표적 할당율을 보임을 확인하였다. 성능 평가 결과에서는 무장군 수가 많을수록 발생하는 평균 교차점수가 적어 간섭 배제 과정을 적게 수행하므로 무장군수가 많을수록 평균 표적 할당율이 더 높은 것으로 분석된다.
특히, 무장 궤적 간 간섭이 발생하지 않은 경우(K_NM = 1)는 모든 무장을 동시에 발사 가능하므로 별도의 발사 소요 시간은 필요하지 않다. 성능평가 결과, 제안하는 알고리즘은 기존 알고리즘에 비해 발사 소요 시간 및 작전 반응 시간의 큰 단축이 가능함으로 확인하였으며, 이로 인한 무장 운용의 유연성 향상뿐만 아니라 단위 시간 당 교전 효과의 극대화 가능성을 입증하였다
결과적으로 간섭 배제 수행 전의 평균 교차점 수는 표적 수에 비례하고, 무장군 순에 반비례하는 경향을 보인다. 이러한 경향과 상관없이, 제안하는 알고리즘을 통한 간섭 배제수행 후에 교차점이 존재하지 않음을 보임으로써 표적수 및 무장군 수와 무관하게 효과적인 간섭 배제가 수행됨을 알 수 있다. 성능 평가 결과, 제안하는 알고리즘은 효과적인 상호 간섭 배제를 수행하는 것을 입증하였다.
무장 발사 이 후,잔여 표적의 존재 여부를 확인한 후 잔여 표적이 존재하지 않을 때까지 교차 검증 및 간섭 배제 후 발사를 반복 수행한다. 이를 통해, 제안하는 알고리즘은 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 신속 대응 무기 체계에 적용하기 불가능했던 기존 연구의 한계를 극복하는 것이 가능하다.
이를 통해, 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화하는 효과적인 사격 계획을 수립하고 교전효과를 극대화한다. 제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였으며 높은 효용성 및 효과를 확인하였다. 향후 연구로는 이동 표적에 대한 실시간 무장 궤적 간 간섭 배제 알고리즘의 연구와 제안하는 알고리즘의 우수성을 입증하기 위해 다양한 환경에서의 성능 평가를 수행하는 것이다.

후속연구

또한 무장의 수가 늘어날수록 첫 무장의 발사부터 마지막 무장의 발사까지의 총 발사 소요 시간이 기하급수적으로 늘어나며, 무장과 무장 사이의 발사 간격 시간을 최적화하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 동시 발사 가능한 무장 할당을 최대화하는 효과적인 사격 계획을 수립하여 발사 소요 시간 및 작전 반응 시간을 최소화할 뿐만 아니라 발사 시간의 유연성이 향상 및 단위 시간 당 교전 효과를 극대화할 수 있는 무장 궤적 간 간섭을 배제하기 위한 연구가 필요하다.
제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였으며 높은 효용성 및 효과를 확인하였다. 향후 연구로는 이동 표적에 대한 실시간 무장 궤적 간 간섭 배제 알고리즘의 연구와 제안하는 알고리즘의 우수성을 입증하기 위해 다양한 환경에서의 성능 평가를 수행하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무장간 충돌이 초래할 수 있는 위험은?	다표적-다무장환경에서는 동시에 대규모의 무장이 공중을 비행하기 때문에 무장 궤적 교차로 인한 아군 무장간 충돌 가능성이 존재한다[4]. 무장간 충돌은 사격계획을 완수하지 못하는 문제뿐만 아니라 무장 자산의 손실을 발생시켜 위협 대응력을 약화시켜 생명과 재산에 막대한 피해를 초래할 수 있다.
	다표적-다무장 환경에서 무장 궤적 간 교차 검증 및 간섭 배제 알고리즘이 가진 장점은?	기존 무장 궤적 간 간섭 배제 기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법을 제시하므로 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어려우며, 이는 무장 발사 지연을 야기하여 신속 대응을 저해하는 요인이라 볼 수 있다. 제안하는 알고리즘에서는 3차원 무장 궤적간의 교차 발생 여부를 2차원 사격선간 교차 분석으로 무장 간 간섭 여부를 최종적으로 확인한 후, 교차가 발생할 경우 무장할당을 해제함으로써 무장 궤적 간 교차를 원천적으로 차단한다. 이를 통해, 동시 발사할 수 있는 무장 할당 수를 최대화하는 효과적인 사격 계획을 수립하고 교전효과를 극대화한다. 제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 가시화를 통해 성능 평가 및 검증을 수행하였으며 높은 효용성 및 효과를 확인하였다.
	기존 무장 간 간섭 배제기법의 한계점은 무엇인가?	위에서 언급한 것과 같이 기존의 무장 간 간섭 배제기법은 무장의 발사 간격을 조절하여 무장 간의 충돌이나 간섭을 회피하는 방법만을 고려했을 뿐 무장 수가 늘어나거나 모든 무장을 동시에 발사해야하는 상황에 적용하기 어려워 기존 방법을 대규모의 무장을 동시에 발사해야하는 전시 상황에 적용하는 것은 적합하지 않다는 한계점이 있다. 따라서 무장 운용의 유연성 향상뿐만 아니라 단위 시간 당 교전 효과를 극대화하기 위한 연구가 필수적이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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M. Zhang, J. Zhang, G. Cheng, C. Chen, and Z. Liu, "Fire Scheduling for Multiple Weapons Cooperative Engagement," In Proc. of the International Conference on Software, Knowledge, Information Management & Applications, pp.55-60, 2016.
http://www.mathworks.com, 2018.7.31.

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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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