[논문]항공전자 장비 신뢰도 향상 방안 연구

서준호; 김영길

항공전자 장비 신뢰도 향상 방안 연구
A Study on Reliability Improvement of Avionics Equipment 원문보기

한국정보통신학회 2017년도 춘계학술대회, 2017 May 31, 2017년, pp.383 - 386

서준호 ((주)한화시스템) , 김영길 (아주대학교)

초록
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임베디드 시스템의 일종인 항공전자 장비는 높은 안전성과 신뢰도를 요구한다. 항공전자 장비 고장은 항공기 운용에 중대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 최악의 경우에는 조종사와 승객의 인명 손실을 초래할 수도 있다. 본 논문에서는 항공전자 장비의 신뢰도를 높이기 위해 장비에 발생 가능한 고장을 사전에 감지할 수 있는 Built-In-Test(이하: BIT) 설계 기법과 장비의 Mean Time Between Failure(이하: MTBF)를 향상시킬 수 있는 설계 방법을 연구하고 실제 항공전자 장비에 적용하여 신뢰도를 향상시킨 사례를 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Avionics, a type of embedded system, requires high safety and reliability. Failure of avionics equipment can have a significant impact on aircraft operations and, in the worst case, could result in loss of life for pilots and passengers. In this paper, we propose a Built-In-Test (hereafter referred to as BIT) design technique that can detect possible faults in avionics equipments in order to increase the reliability of avionics system and a design that can improve the Mean Time Between Failure (hereafter: MTBF) and applied it to real aviation electronic equipment to improve reliability.

AI 본문요약
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문제 정의

즉 조종사 명령은 종래 기계식 링크 조종 장치와 달리 물리적으로 조종면과 연결되어 있지 않기 때문에 비행제어컴퓨터 고장 발생 시 조종사는 항공기 제어권을 완전히 상실하게 되고, 결국 항공기는 자세를 잃고 추락하게 된다.[3] 이에 본 논문에서는 항공전자 장비 고장에 의한 인명 손실을 최소화하고 항공전자 장비의 안전성과 신뢰성 향상을 위해 외부 점검 장비 도움 없이 전자장비 자체적으로 발생 가능한 고장을 감지할 수 있는 BIT 설계 기법을 연구한다. 또한 항공전자 시스템의 신뢰도를 높이기 위해 항공전자 장비의 고장률을 낮추는 설계 방법을 연구한다.
[3] 이에 본 논문에서는 항공전자 장비 고장에 의한 인명 손실을 최소화하고 항공전자 장비의 안전성과 신뢰성 향상을 위해 외부 점검 장비 도움 없이 전자장비 자체적으로 발생 가능한 고장을 감지할 수 있는 BIT 설계 기법을 연구한다. 또한 항공전자 시스템의 신뢰도를 높이기 위해 항공전자 장비의 고장률을 낮추는 설계 방법을 연구한다.
본 논문에서는 항공전자 장비에 적용되는 BIT과 MTBF 향상을 위해 실제 항공전자 장비에 적용된 설계 사례를 소개하였다.

제안 방법

BIT으로 수행되는 ADC Test와 Power Test의 경우 기존 설계방식을 개선하여 Wraparound 회로를 구성하고 Hold Up 회로를 추가하였다. 그 결과 ADC Test의 경우 BIT 시험 커버리지를 증가시킬 수 있었으며, Power Test의 경우 잘못된 고장 알람(False Failure Alarm)을 줄이고 장비의 운용 안전성을 증가시킬 수 있게 되었다.
CPU 보드의 Failure Rate을 낮추기 위해 기존 설계 안을 변경하여 FPGA를 적용하였다.
MTBF 향상을 위해 장비 레벨에서의 Failure Rate을 낮추는 설계를 적용하였다. 기존 유사 장비 설계를 개선하고 칩 수를 줄이기 위해 FPGA를 사용하였으며, 그 결과 IC 칩 수를 줄이고 Failure Rate을 낮출 수 있었다.
대용량의 Hold Up Capacitor를 내장하여 순간적인 단전 및 전원 이상에 대해 커패시터가 대응하도록 설계 하였다. 다양한 외부 요인으로 항공전자 장비에 공급되는 전원에 50ms 정도 Interruption이 발생되어도 장비 내부를 구성하는 보드의 전원공급에 이상이 생기지 않도록 설계하여 BIT이 잘못된 하드웨어 고장을 선언하지 않도록 하였으며 항공전자 장비의 운용 신뢰성을 향상 시켰다.
그림 2는 Hold Up 회로를 내장한 항공전자 장비 전원 보드 사례를 나타내고 있다. 대용량의 Hold Up Capacitor를 내장하여 순간적인 단전 및 전원 이상에 대해 커패시터가 대응하도록 설계 하였다. 다양한 외부 요인으로 항공전자 장비에 공급되는 전원에 50ms 정도 Interruption이 발생되어도 장비 내부를 구성하는 보드의 전원공급에 이상이 생기지 않도록 설계하여 BIT이 잘못된 하드웨어 고장을 선언하지 않도록 하였으며 항공전자 장비의 운용 신뢰성을 향상 시켰다.
ADC 칩이 작동 불가할 경우 레지스터 엑세스가 되지 않는 경우가 많으며, 이 경우 시험에서 ADC 고장을 판단 할 수 있다. 하지만 본 방법은 ADC 칩 기능의 일부에만 고장이 발생 되었을 때 고장이 확인되지 않을 가능성도 높기 때문에 항공전자 컴퓨터 시스템에서는 그림 1의 회로를 구성하여 ADC 칩을 시험하게 되었다.
항공전자 장비에서는 발생 가능한 고장을 사전에 감지하고, 빠른 고장 탐지를 위해 3가지 종류의 BIT을 구현한다. 항공전자 장비에 적용되는 BIT은 PBIT, CBIT, IBIT으로 구분된다.

성능/효과

그림 6은 Buffer Chip을 사용하여 DIP Switch 기능을 대신할 수 있도록 설계 변경을 한 회로를 나타내고 있다. Buffer Chip의 Failure Rate은 DIP Switch 대비 10배 정도의 좋은 수치를 보였으며 설계 변경을 통해 CPU 보드 전체의 Failure Rate를 낮출 수 있었다.
항공기에 장착되는 대표적인 전자장비로는 임무컴퓨터, 다기능시현기, HUD, 비행제어컴퓨터, 레이더, 광학 센서, 모션/대기 정보 센서 등이 있으며, 이들 장비들은 서로 연동되어 항공전자시스템을 구성하게 된다.[2] 항공전자시스템은 항공기 자세제어, 항법, 주변 상황 인식 및 임무통합관리 기능 등을 수행하는데 항공전자시스템을 구성하는 장비에 고장이 발생되면 항공기 운용에 중대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 최악의 경우에는 조종사와 승객의 인명 손실을 초래할 수 있다. 최신 항공기에 많이 적용되는 Fly-By-Wire 비행제어시스템을 예로 들면 조종간을 통한 조종사의 명령은 전기 신호로 변환되어 비행제어컴퓨터에 전달되고, 비행 제어컴퓨터가 항공기 조종면을 작동시키는 유압 작동기 명령을 직접적으로 생성한다.
BIT으로 수행되는 ADC Test와 Power Test의 경우 기존 설계방식을 개선하여 Wraparound 회로를 구성하고 Hold Up 회로를 추가하였다. 그 결과 ADC Test의 경우 BIT 시험 커버리지를 증가시킬 수 있었으며, Power Test의 경우 잘못된 고장 알람(False Failure Alarm)을 줄이고 장비의 운용 안전성을 증가시킬 수 있게 되었다.
MTBF 향상을 위해 장비 레벨에서의 Failure Rate을 낮추는 설계를 적용하였다. 기존 유사 장비 설계를 개선하고 칩 수를 줄이기 위해 FPGA를 사용하였으며, 그 결과 IC 칩 수를 줄이고 Failure Rate을 낮출 수 있었다. DIP Switch와 같은 움직이는 Mechanical 구조로 설계된 부품은 타 IC 부품에 비해 Failure Rate이 높으며 이들 부품을 변경하는 설계를 적용할 경우 장비 전체의 Failure Rate을 낮출 수 있었다.
ADC 시험 수행 시 CPU는 예측되는 아날로그 입력 값이 정해진 허용 오차 범위 내에서 디지털로 변환되어 입력되는지 확인하여 ADC의 고장 유무를 판단하게 된다. 본 방법은 레지스터를 읽어 ADC를 시험하는 방식에 비해 복잡한 하드웨어 설계를 요구하지만 실제 ADC를 작동시켜 BIT을 수행하게 되므로 ADC 칩의 고장 유무를 정확히 감지 할 수 있는 장점이 있다.
그림 3, 4 보드에 대한 Failure Rate 계산에서 보드에 탑재되는 부품 수가 적을수록 전체 보드의 Failure Rate은 낮아질 확률이 높다고 판단할 수 있다. 실제 하드웨어 설계 및 Relex라는 Failure Rate 계산 툴을 사용하여 확인한 결과 DPRAM, CPLD, FPGA 등 주요 IC 부품의 Failure Rate 값은 큰 차이가 없었으며, 부품 수가 적은 그림 4의 경우 보드의 Failure Rate 계산 값이 휠씬 좋아짐을 확인하였다.
위에서 BIT 설계를 통해 항공기에서 발생 가능한 여러 고장을 항공기 이륙 전에 감지하여 항공전자 장비의 안전성과 운용 신뢰도를 높일 수 있음을 확인하였다. BIT 설계와 더불어 항공전자 장비에 고장 발생 확률을 감소시키는 설계를 적용한다면 항공전자 장비의 신뢰도를 더욱 향상 시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공전자 장비에 적용되는 BIT는 어떻게 구분되는가?	항공전자 장비에서는 발생 가능한 고장을 사전에 감지하고, 빠른 고장 탐지를 위해 3가지 종류의 BIT을 구현한다. 항공전자 장비에 적용되는 BIT은 PBIT, CBIT, IBIT으로 구분된다. PBIT은 Power On BIT으로 장비에 전원이 인가 된 후, 정상 모드 동작(Normal Mode Operation) 전에 수행되어 장비에 이상이 없음을 확인한다.
	항공전자 장비에서 3가지 종류의 BIT를 구현하는 것은 무엇 때문인가?	항공전자 장비에서는 발생 가능한 고장을 사전에 감지하고, 빠른 고장 탐지를 위해 3가지 종류의 BIT을 구현한다. 항공전자 장비에 적용되는 BIT은 PBIT, CBIT, IBIT으로 구분된다.
	본 논문에서 소개하고 있는 항공전자 장비에 적용되는 BIT과 MTBF 향상을 위해 실제 항공전자 장비에 적용된 설계 사례는 무엇인가?	BIT으로 수행되는 ADC Test와 Power Test의 경우 기존 설계방식을 개선하여 Wraparound 회로를 구성하고 Hold Up 회로를 추가하였다. 그 결과 ADC Test의 경우 BIT 시험 커버리지를 증가시킬 수 있었으며, Power Test의 경우 잘못된 고장 알람(False Failure Alarm)을 줄이고 장비의 운용 안전성을 증가시킬 수 있게 되었다. MTBF 향상을 위해 장비 레벨에서의 Failure Rate을 낮추는 설계를 적용하였다. 기존 유사 장비 설계를 개선하고 칩 수를 줄이기 위해 FPGA를 사용하였으며, 그 결과 IC 칩 수를 줄이고 Failure Rate을 낮출 수 있었다. DIP Switch와 같은 움직이는 Mechanical 구조로 설계된 부품은 타 IC 부품에 비해 Failure Rate이 높으며 이들 부품을 변경하는 설계를 적용할 경우 장비 전체의 Failure Rate을 낮출 수 있었다. 실제 항공전자 장비 개발 사례에서 FPGA 적용 및 Mechanical Switch 변경 등을 통해 30% 정도의 MTBF 향상을 이루었다.

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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