[논문]개방형 구조(OA)를 이용한 함정체계통합 구축 방법론 : 통합함정컴퓨팅환경(TSCE)기반 아키텍처 구축 및 검증을 중심으로

박강수; 유병천; 김경택; 최봉완

doi:10.11627/jkise.2020.43.3.068

개방형 구조(OA)를 이용한 함정체계통합 구축 방법론 : 통합함정컴퓨팅환경(TSCE)기반 아키텍처 구축 및 검증을 중심으로
A Methodology for the Ship System Integration with Open Architecture : Focusing on the Total Ship Computing Environment based Architecture Building and Validation 원문보기

Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering = 한국산업경영시스템학회지, v.43 no.3, 2020년, pp.68 - 76

박강수 (한남대학교 산업공학과) , 유병천 (한남대학교 산업공학과) , 김경택 (한남대학교 산업공학과) , 최봉완 (한남대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In a series of recent launch tests, North Korea has been improving the firepower of its missiles that can target South Korea. North Korea's missiles and submarines are capable of threatening targets in South Korea and are likely faster and more covert than the systems previously seen in North Korea. The advanced threats require that ROK Navy should not only detect them earlier than ever but also response quicker than ever. In addition to increasing threats, the number of young man that can be enlisted for military service has been dramatically decreasing. To deal with these difficulty, ROK navy has been making various efforts to acquire a SMART warship having enhanced defense capability with fewer human resources. For quick response time with fewer operators, ROK Navy should improve the efficiency of systems and control tower mounted on the ship by promoting the Ship System Integration. Total Ship Computing Environment (TSCE) is a method of providing single computing environment for all ship systems. Though several years have passed since the first proposal of TSCE, limited information has been provided and domestic research on the TSCE is still in its infancy. In this paper, we apply TSCE with open architecture (OA) to solve the problems that ROK Navy is facing in order to meet the requirements for the SMART ship. We first review the level of Ship System Integration of both domestic and foreign ships. Then, based on analyses of integration demands for SMART warship, we apply real time OA to design architecture for TSCE from functional view and physical view. Simulation result shows that the proposed architecture has faster response time than the response time of the existing architecture and satisfies its design requirements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 함정 전투체계와 함정체계통합 구축결과를 비교하기 위하여 직접적인 평가요소인 표적별 대응시간을 실제 데이터와 근사한 임의 데이터값을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 그러나, 간접적 효과요소인 피해율, 인원감소 등은 보안상의 제약으로 분석에 제한이 있었음을 밝혀둔다.
본 연구에서는 한국해군이 선제적으로 추진 중에 있는 컴퓨팅환경기반의 함정체계통합과업을 지원하는 개념의 일환으로 국내ㆍ외 함정체계통합적용 수준을 살펴본 후 기술적인 관점에서의 컴퓨팅환경기반의 함정체계통합방안을 검토하여 한국해군이 앞으로 함정 획득 시체계통합을 추진하는 장ㆍ단기방안을 제시하였다. 또한, 한반도 주변 위협 및 인력감소문제 등을 종합적으로 판단하여 TSCE기반 함정체계통합 구축이 필수적으로 요구됨을 확인하여 함정체계통합을 위한 아키텍처를 시스템엔지니어링(SE) 프로세스를 적용하여 설계 및 제시하였다.
아키텍처를 설계하기 위하여 함정체계통합에 적용할 요구성능 분석이 필요하다. 이 절에서는 함정체계통합 요구배경과 요구조건을 분석하여 요구성능을 제시한다.
이에 본 연구에서는 한국해군이 추진하고자 하는 함정전체에 대한 체계통합을 효율적으로 지원하기 위한 TSCE 기반의 함정체계통합 방법론을 제시한다. 세부적으로는 첫째, 국내ㆍ외 함정의 체계통합 수준, 적용실태 및 사례 등을 살펴본 후, 둘째로 시스템엔지니어링(System Engineering, 이하 SE) 프로세스를 적용한 함정체계통합 요구조건을 기술적인 관점에서 검토하여 한국해군이 앞으로 함정 획득 시장ㆍ단기적인 체계통합 추진 방향을 제시하고, 셋째로 한국해군에 맞는 TSCE기반 함정체계통합 아키텍처를 설계하였으며, 마지막으로 ARENA를 이용한 시뮬레이션을 통해 제시된 아키텍처가 요구조건을 만족하는지 검증한다.

가설 설정

본 연구에서 무장별 명중률은 일반적으로 알려진 명중률에 삼각분포를 따른다고 가정하여 입력값을 사용하였다. 유효사거리의 경우 각 무기체계 최대사거리의 80% 수준으로 가정하여 적용하였으며 [Table 2]는 이를 적용한 입력데이터이다.
본 연구에서의 표적 발생은 기존 함정 전투체계와 함정체계통합 아키텍처 구축결과의 비교분석을 위해 표적발생비율은 [탄도미사일 : 대공 : 대함 : 대잠]을 [2 : 10 : 5 : 3]으로 각각 가정하여 적용하였다. 표적 발생비율을 기준으로 표적별 발생소요시간 간격을 [Table 1]과 같이 설정하여 시뮬레이션에 적용하였다.
본 연구에서 무장별 명중률은 일반적으로 알려진 명중률에 삼각분포를 따른다고 가정하여 입력값을 사용하였다. 유효사거리의 경우 각 무기체계 최대사거리의 80% 수준으로 가정하여 적용하였으며 [Table 2]는 이를 적용한 입력데이터이다.

제안 방법

대탄도미사일ㆍ대공ㆍ대함ㆍ대잠 표적 등에 대하여 동시에 수행할 수 있도록 표준화된 TSCE기반의 함정 임무체계(Ship Mission System)를 반영한 함정체계통합(Ship System Integration) 구축결과를 검증하기 위해서 기존 함정 전투체계를 모델링하여 함정체계통합 아키텍처를 구축한 모델링과 비교 분석하였다. 함정체계통합 아키텍처구축결과에 대한 검증을 위한 모델링은 ARENA 16.
본 연구에서는 한국해군이 선제적으로 추진 중에 있는 컴퓨팅환경기반의 함정체계통합과업을 지원하는 개념의 일환으로 국내ㆍ외 함정체계통합적용 수준을 살펴본 후 기술적인 관점에서의 컴퓨팅환경기반의 함정체계통합방안을 검토하여 한국해군이 앞으로 함정 획득 시체계통합을 추진하는 장ㆍ단기방안을 제시하였다. 또한, 한반도 주변 위협 및 인력감소문제 등을 종합적으로 판단하여 TSCE기반 함정체계통합 구축이 필수적으로 요구됨을 확인하여 함정체계통합을 위한 아키텍처를 시스템엔지니어링(SE) 프로세스를 적용하여 설계 및 제시하였다. 이를 증명하기 위한 ARENA 시뮬레이션 결과 대탄도미사일전ㆍ대공전ㆍ대함전ㆍ대잠전 대응능력이 향상됨을 확인하였다.
본 연구에서는 1969년 미 공군에서 정부와 계약자 간의 국방사업 지원을 위하여 군사표준으로 개발된 시스템엔지니어링(SE) 프로세스인 MIL-STD-499를 적용하여 함정체계통합 아키텍처 개발 프로세스를 [Figure 3]과 같이 3단계로 구분하여 적용하였다[5, 11].
본 연구에서는 기존 함정 전투체계와 함정체계통합 구축결과를 비교분석을 위하여 대공ㆍ대함 레이더, 소나의 거리대별 탐지율 및 무기체계별 명중률과 유효사거리를 설정하여 시뮬레이션에 적용하였다. 본 연구에서는 보안상의 이유로 실제 데이터와 근사한 임의값으로 적용하였다.
이에 본 연구에서는 한국해군이 추진하고자 하는 함정전체에 대한 체계통합을 효율적으로 지원하기 위한 TSCE 기반의 함정체계통합 방법론을 제시한다. 세부적으로는 첫째, 국내ㆍ외 함정의 체계통합 수준, 적용실태 및 사례 등을 살펴본 후, 둘째로 시스템엔지니어링(System Engineering, 이하 SE) 프로세스를 적용한 함정체계통합 요구조건을 기술적인 관점에서 검토하여 한국해군이 앞으로 함정 획득 시장ㆍ단기적인 체계통합 추진 방향을 제시하고, 셋째로 한국해군에 맞는 TSCE기반 함정체계통합 아키텍처를 설계하였으며, 마지막으로 ARENA를 이용한 시뮬레이션을 통해 제시된 아키텍처가 요구조건을 만족하는지 검증한다.
연안전투함은 연안 작전 시 다목적 임무수행을 위해특정 임무에 필요한 장비를 모듈식으로 개발하여 교체ㆍ탑재 운용 가능토록 하였으며, 개방형 모듈구조를 기반으로 전투체계와 임무형 모듈을 로컬 네트워크 연동체계로 구축하였다. 이는 기존 함정의 하드웨어 및 소프트웨어 모듈 표준화를 통한 체계통합 방안을 적용한 것이다[14, 18, 20].
본 연구에서의 표적 발생은 기존 함정 전투체계와 함정체계통합 아키텍처 구축결과의 비교분석을 위해 표적발생비율은 [탄도미사일 : 대공 : 대함 : 대잠]을 [2 : 10 : 5 : 3]으로 각각 가정하여 적용하였다. 표적 발생비율을 기준으로 표적별 발생소요시간 간격을 [Table 1]과 같이 설정하여 시뮬레이션에 적용하였다.

데이터처리

대탄도미사일ㆍ대공ㆍ대함ㆍ대잠 표적 등에 대하여 동시에 수행할 수 있도록 표준화된 TSCE기반의 함정 임무체계(Ship Mission System)를 반영한 함정체계통합(Ship System Integration) 구축결과를 검증하기 위해서 기존 함정 전투체계를 모델링하여 함정체계통합 아키텍처를 구축한 모델링과 비교 분석하였다. 함정체계통합 아키텍처구축결과에 대한 검증을 위한 모델링은 ARENA 16.0을 활용하였으며, 결과는 신뢰도 확보를 위해 300회 수행한 결과의 평균이다.

성능/효과

TSCE기반 함정체계통합 전/후 표적별 대응시간 결과 [Table 3], [Table 4]를 비교하면 ① 탄도미사일과 대공표적에 대해서는 87.53초에서 67.57초로 19.96초, ② 대함 표적은 144.16초에서 117.8초로 26.36초, ③ 대잠 표적은 157.61초에서 118.4초로 39.21초가 각각 감소하였다. 마지막으로 ④ 전투체계에서의 표적처리 시간은 72.
요구성능이 반영된 기능아키텍처를 설계하면 [Figure 5]와 같이 구현할 수 있다. 결론적으로 TSCE미적용시와 비교시 C2, WCS 등이 각각의 통제체계별 독립적인 운용을 하는 기능구조에서 TSCE기반 함정체계통합 이후에는 함정임무체계(SMS)의 컴퓨팅 능력을 공통으로 운용하는 기능구조로 변화된다.
기존 함정 전투체계의 표적 대응시간에 비해 함정통합체계 구축결과의 표적 대응시간이 감소하는 것을 확인할수 있었다. 표적 대응시간의 감소는 함 생존성 향상에 매우 중요한 요소로 전투함 발전추세에도 부합하고 있다.
표적 대응시간의 감소는 함 생존성 향상에 매우 중요한 요소로 전투함 발전추세에도 부합하고 있다. 또한, 대탄도미사일전ㆍ대공전ㆍ대함전ㆍ대잠전을 동시에 복합적으로 수행하고 인원 감소에 따른 중앙통제가 가능한 개방형구조(OA)의 TSCE를 기반으로 하는 함정임무체계가 지휘ㆍ무장통제체계의 처리능력을 향상시켜 대응시간이 단축되었음을 확인하였다.
본 연구결과, TSCE기반의 함정체계통합 방안에 대한공감대를 형성하고 관련 기관과의 협력이 이루어진다면 단기간에 유럽해군을 능가하는 전투력을 발휘할 수 있는 함정 확보가 가능하다.
또한, 한반도 주변 위협 및 인력감소문제 등을 종합적으로 판단하여 TSCE기반 함정체계통합 구축이 필수적으로 요구됨을 확인하여 함정체계통합을 위한 아키텍처를 시스템엔지니어링(SE) 프로세스를 적용하여 설계 및 제시하였다. 이를 증명하기 위한 ARENA 시뮬레이션 결과 대탄도미사일전ㆍ대공전ㆍ대함전ㆍ대잠전 대응능력이 향상됨을 확인하였다. 그러나, 본 논문에서는 실제데이터와 근사와 임의 데이터값을 사용하여 TSCE기반의 직접적인 평가요소인 대응시간을 검증하였으며, 피해율, 인원감소 등을 검증하기에는 보안상 제약이 있었다.

후속연구

이를 증명하기 위한 ARENA 시뮬레이션 결과 대탄도미사일전ㆍ대공전ㆍ대함전ㆍ대잠전 대응능력이 향상됨을 확인하였다. 그러나, 본 논문에서는 실제데이터와 근사와 임의 데이터값을 사용하여 TSCE기반의 직접적인 평가요소인 대응시간을 검증하였으며, 피해율, 인원감소 등을 검증하기에는 보안상 제약이 있었다. 추후, 함정 체계설계 및 검증 시 보안성이 확보된 시스템 안에서TSCE도입에 따른 직ㆍ간접적 평가요소들을 포함하는 함정체계통합 효과 검증이 가능할 것으로 판단된다.
그러나, 본 논문에서는 실제데이터와 근사와 임의 데이터값을 사용하여 TSCE기반의 직접적인 평가요소인 대응시간을 검증하였으며, 피해율, 인원감소 등을 검증하기에는 보안상 제약이 있었다. 추후, 함정 체계설계 및 검증 시 보안성이 확보된 시스템 안에서TSCE도입에 따른 직ㆍ간접적 평가요소들을 포함하는 함정체계통합 효과 검증이 가능할 것으로 판단된다.
향후 본 연구에 추가하여 TSCE기반 미래함정 체계통합 관련 세부적인 요구조건(안)을 제시하는 추가적인 연구가 진행되고, TSCE 적용방법을 평가ㆍ분석하여 한국해군에 적용할 수 있는 방안과 함정 운용개념에 따른 체계통합 개념 및 요구조건을 제시한다면 SMART Navy의 기반이 되는 SMART Ship 구현에 기여할 수 있을 것으로 확신한다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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