DSM기법에 의한 위험 및 안전 관리를 통해 무기체계 시험평가 프로세스의 개선에 관한 연구
심 상 현*
·
이 재 천**아주대학교 시스템공학과
On Enhancing Test and Evaluation Process of Weapon Systems Development using DSM-Based Risk and Safety Management
Sang Hyun Sim*
·
Jae-Chon Lee**Dept. of Systems Engineering Ajou University
Abstract
The weapon systems development has some distinct characteristics in that a big size of government budget (derived from national tax) has been expended frequently and the completion of the development projects seems to take long. Thus, the impact of the potential changes in the required operational capability on the development activities can induce some type of project risks. As such, proper management of project risk has been one of crucial subjects in the weapon systems development.
Although a variety of methods can be considered, an approach based on the test and evaluation (T&E) process has been selected in this paper in order to appropriately handle those potential risks. In the study of the underlying T&E process, the safety consideration (for instance, explosiveness) of weapon systems is also included. To achieve the objective of the paper, a step-by-step procedure is first presented in the analysis of the T&E process. Then, to pursue some enhancement on the process, a set of necessary and useful activities are added in terms of risk and safety management. The resultant process is further analyzed and tailored based on a design structure matrix method. The case study of a tank development is also discussed.
Keywords : Test & Evaluation, Systems Engineering, Weapon Systems, Risk Management, Design Structure Matrix
1. 서 론
시험평가는 무기체계 연구개발에 있어 소요군의 요 구 및 시험규격 등 다양한 요구사항(Requirements) 및 해당 체계의 성능을 효율적으로 확인 및 제시하는 업무이다[1]. 현대의 복잡한 무기체계의 성능과 기능은 최첨단 컴퓨터 및 통신전자, 정보기술과 접목되어 발전 속도가 날로 증가함에 따라 개발 및 획득에 대한 위험
도 동시에 증가하고 있다. 하지만 미국, 영국 등의 선 진국의 경우 개발기간의 단축을 통해 국방예산을 절감 하고 무기체계를 보다 빠르게 전략화하기 위해 시험평 가의 경제적인 방법이 요구되고 있다[2]. 이러한 특성 으로 인하여 시험평가 프로세스가 무기체계 개발 전반 에 걸쳐 시스템 안전 확보 및 위험 관리에 대한 검증 을 효과적으로 할 수 있어야 한다.
†이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연 구사업임. (No. NRF-2012R1A1A2009193)
†Corresponding Author : Prof. Jae-Chon Lee, Dept. of Systems Engineering, Ajou University,
Wonchon-dong, Youngtong-gu, Suwon, 443-749, Tel: 031-219-3941, E-mail: [email protected]
Received January 20, 2015; Revision Received June 12, 2015; Accepted June 19, 2015.
시험평가와 위험 관리, 무기체계 수명주기 관점에서 의 시험평가, 시험평가 프로세스 개선 등에 관련된 선 행연구 논문을 고찰하였다. 국내 시험평가 관련 연구는 모델링 및 시뮬레이션(Modeling & Simulation:
M&S) 활용, 공인 인증제도 시행과 신뢰도와 적용기준 의 필요성, 시험평가 인프라 구축 등이 활발히 연구되는 것을 알 수 있다[3][4]. 국외 시험평가관련 연구를 살 펴보면, 시스템 수명주기를 고려한 시험평가 고려, 모델 기반 시스템공학(Model-based Systems Engineering:
MBSE)을 활용한 접근, 시험평가에 시스템 언어 (SysML)을 활용한 프로세스 구현 등이 활발히 진행되 고 있는 것을 알 수 있다[5][6]. 기존의 시험평가관련 연구에서는 위험 관리에 대한 문제점은 인지하고 있으 나, 시험평가 프로세스 및 평가의 적용을 고려한 연구 는 미흡한 것으로 나타났다. 특히 무기체계 시험평가에 위험 관리 활동 기법을 활용 및 적용, 획득 프로세스에 서 위험 관리를 고려한 개발 방법의 제시는 거의 없는 것으로 나타났다.
[Figure 1] Simple process models with corresponding DSM’s [8].
DSM(Design Structure Matrix)은 다양한 응용 분 야에서 시스템 모델을 나타내고 분석하기 위한 일반적 인 방법으로 시스템의 요소들 간의 관계들을 보여주는 정사각형 매트릭스이다[7]. [Figure 1]는 DSM을 설 명하기 위한 가장 기본적인 개념으로서, 각 활동간의 상호관계를 나타내는 세 가지 방법을 도식적으로 보여 준다[8]. 병렬(Parallel)은 두 활동이 상호 순차 관계 없이 진행되는 것을 나타내고, 순차(Sequential)는 하 나의 활동이 종료되어야 다른 활동이 시작되는 것을 나타낸다. 끝으로 순환(Coupled)은 두 활동이 정보를 교환하는 상호의존적인 관계이다. 순환의 경우 정보가 계속 반복, 순환되다가 어느 순간 활동이 종료되면 루 프에서 나와 다음 순차로 넘어가는 형태로 진행된다.
<Figure 1>와 같이 매트릭스 상에 상호 의존도만을 표현하는 DSM을 Binary DSM이라고 하며, DSM을 구성하기 쉽고 해석이 간편하여 분석에 자주 사용되는
형태이다. 관계의 정도를 숫자로 표현하여 가중치를 부 여한 매트릭스를 Numerical DSM이라 한다.
위험관리, 안전 관점에서의 DSM 기법을 활용한 선 행연구 논문을 고찰하였다. Yun Fu 외(2012)은 요구 사항이 변경되었을 때, DSM을 통해 활동들 간의 루프 를 최소화시키며 민감도 분석을 통해 비용 및 일정을 감소시킬 수 있는 접근을 수행하였다[9]. 또한 Prabhu 외(2014), Keith 외(2014)는 시스템 설계 변경에 따 른 다양한 구성요소들의 오류 및 정보를 확인하기 위 한 절차를 개발하고 VV&T(Verification, Validation
& Test) 수행 시 상호간의 인터페이스를 빠르게 식별 할 수 있도록 DSM을 활용하여 접근하였다[10][11].
기존의 DSM 관련 연구에서는 위험 관리에 대한 접근 을 다양한 분야에서 적용할 수 있도록 하는 문제에 대 해 인지하고 접근하려는 시도가 있었다. 하지만 기존에 시험평가가 위험관리에 대한 체계적 접근이 없고, 시험 평가 시 식별된 위험 관리 활동들에 대한 요구를 만족 시키지 못하고 있다.
따라서 본 논문에서는 DSM 기법을 활용하여 무기체 계 시험평가에서 위험 관리 활동을 고려한 최적화하는 방법을 제시하는 것이 이 논문의 목표이다. 이를 위해 무기체계 시험평가의 위험 관리 활동들을 분석하고 평 가 방법을 도출한다. 그리고 DSM 기법을 통해 위험 관리 활동들이 반영된 DSM 기반 무기체계 시험평가 모델을 구축 및 검증에 관한 연구를 수행하였다. 또한 본 연구는 무기체계 개발에서 체계개발단계를 토대로 DSM 기반 무기체계 시험평가가 활용 및 적용되도록 연구 범위를 설정하였다. 상세한 연구 수행 방법은 [Figure 2]에 도식화하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에서는 본 연구의 사회, 기술 및 연구 동향과 무기체계 시험평가에서 위험 관리와 DSM 기법의 개요, 필요성을 제시하였다.
[Figure 2] Overview of the approach taken.
2장에서는 DSM 기법 활용을 위한 무기체계 시험평가의 위험 관리 평가에 대해 기술한다. 또한, 3장에서는 무기 체계 시험평가에 위험 관리 방법을 반영하여 DSM 기법 을 활용해 최적화 하는 방법을 기술한다. 4장에서는 최 적화 된 DSM 기반 시험평가의 위험 관리 방법을 전차 시스템에 적용한 결과를 기술한다. 마지막으로 5장에서 는 본 논문의 결과를 요약하고, 공헌에 대해서 기술한다.
2. DSM 기법 활용을 위한 무기체계 시험 평가의 위험 관리 평가
2.1 무기체계 시험평가의 위험 관리 활동 분석
시험평가 프로세스는 요구사항에 따라 시험평가 전략을 수립하고 이를 달성하기 위해 실행 계획을 수립할 때, 위 험 관리에 대한 고려가 부족하다. 이후 기능 및 성능에 대한 검토나 최종적으로 획득된 체계에 대하여 시험평가 를 할 시 따로 위험 관리 활동에 대한 내용을 추가하기에 는 비용과 시간이 들기 때문에 쉽게 간과하는 면이 있다.
이러한 결과로 인해 운용 및 양산단계에서 문제가 발생 시에 체계개발 단계로 돌아가야 하는 악순환이 일어난다.
따라서 무기체계 시험평가와 위험 관리 간 활동 비 교 시 중점적으로 살펴야 할 부분은 다음과 같다.
(1) 시험평가가 필요한 대상 및 체계 식별
(2) 시험평가 수행 방침을 고려하여 위험관리 적용에 관한 사항
(3) 개발 및 운용시험 평가에 대한 개략적인 사항 (4) 시험평가 수행 시에 필요한 위험관리 요소 식별을
통한 적용에 관한 사항
무기체계 개발의 시험평가 프로세스는 각각의 개발 단계마다 기술 검토(Technical Review)를 수행 시 무 기체계 획득에 대한 의사결정 정보를 주는 역할을 한 다. 따라서 각 기술 검토 마다 시험평가 활동과 더불어 위험관리 활동들에 대한 정보를 추가하되, 체계적으로 접근한다면 의사결정 정보의 질을 더 높일 수 있다.
2.2 식별된 무기체계 시험평가의 위험 관리 활동 평가 방법 도출
2.1절에서 무기체계 시험평가에서 위험 관리 활동들 을 기술 검토 단계에 적용한다면 더 효과적인 평가를 진행할 수 있음을 알았다. 따라서 위험 관리 활동을 기
술 검토 단계에서 평가를 위해서는 이에 대한 평가 방 법이 필요하다.
[Figure 3] An example risk matrix (MIL-STD-882D)[12].
위험 식별에 사용된 적용지표는 심각도와 발생도로 분류된다. 무기체계 시험평가에서 심각도의 분류는 해 당 활동의 위험이 발생할 경우 초래되는 변화를 확인 할 수 있다. 발생도는 해당 활동이 정해진 기간 내에 위험이 발생할 확률로 정의된다. 시험평가 시에 발생할 수 있는 활동의 특성에 따라 달라질 수 있지만, 발생도 의 수준은 MIL-STD-882D의 값을 차용하여 조정하 도록 한다[12]. 위의 두 지표 기준을 사용하여 각각의 분류, 수준 값을 도출해 내면, 위험 식별 매트릭스를 이용하여 위험의 등급을 결정할 수 있다.
위험 식별 매트릭스(Risk Identification Matrix)는
평가된 심각도, 발생도 결과를 통해 해당 요소의 위험등
급을 결정하는 도구이다[12]. 미국 DoD에서 제시한 위
험관리와 관련된 위험 식별 매트릭스는 적용 분야마다
다양하게 분류되고 있다. [Figure 3]에서 볼 수 있듯이
위험 식별 지표 중 위험발생 가능성은 수치적 값으로
1.0(확실히 발생)과 0(발생 안함)으로 표현하거나, 또는
고(High), 중(Medium), 저(Low)와 같은 정성적인 등
급 또는 5수준으로 구분하여 분류할 수 있다. 본 연구에
서는 DoD의 MIL-STD-882D를 기준으로 시험평가의
위험 관리 활동을 평가하는데 수치적 값으로
Numerical DSM을 활용하였다.
[Figure 4] An integrated model for T&E process with risk management incorporated.
3. 위험 관리 활동을 고려한 DSM기반 무기체계 시험평가 모델 구축
3.1 위험 관리 활동을 반영한 무기체계 시험 평가 프로세스 모델 구축
본 연구의 시험평가 프로세스 모델은 무기체계의 위 험 관리를 중심으로 활동 절차와 도출되는 데이터에 초 점을 맞추어 모델을 구축하였다. <Figure 4>에서와 같 이 무기체계의 탐색개발을 거쳐 체계개발로 진행하게 되었을 때, 체계개발에 들어오는 무기체계 시스템에 대 한 개념 및 기본 설계에 대한 사항을 정의한다. 이를 바 탕으로 대상 무기체계 시스템에 대한 위험원 및 위험 분석을 선행하게 된다. 선행된 분석 결과를 토대로 대상 무기체계 시스템에 대한 시스템 요구사항을 도출해낸다.
시스템 요구사항에는 앞에서 행한 위험원 및 위험 분석 결과가 반영된 안전 요구사항 또한 도출이 된다. 이를 토대로 시험평가를 하는 목적을 설정하게 되며, 전체 안 전 계획과 안전주기, 기타 기술과 외부 리스크 감소시설 에 대한 기능 분석의 입력의 아이템으로서 적용된다.
대상 시스템의 시험평가에 대한 외부평가 요소가 분
석이 완료된 후에는 사전 분석 평가 계획을 세우게 된 다. 이러한 사전 분석 설정은 안전 요소 식별을 가능하 게 해주며, 식별된 요소들의 속성을 명확하게 분류함으 로써 정제된 안전 요구사항을 얻을 수 있다. 또한 시험 평가가 필요한 요소들의 안전 요소들까지 식별해냄으로 써 시스템 요구사항을 다시 확인할 수 있게 도와준다.
그 후 수명주기를 고려한 대상 무기체계 시스템의 절차 와 기타 기능 및 기술 등과 더불어 외부 안전 위험에 대한 기기 및 장비 시설에 대한 분석을 수행하게 된다.
이러한 전반적인 시설 및 기능에 대한 분석이 끝나게
되면, 데이터들의 통합을 위해 전반적인 검토를 하게
된다. [Figure 4]의 17번 이후부터의 프로세스 활동은
점검 및 확인 단계를 통해 안전 활동을 검토하고 전반
적인 안전 확인을 한 후에 운영, 유지, 보수 단계에서
오류가 발견되면 그때서야 다시 프로세스의 수명주기
상위 단계로 돌아가 검토하는 단계로 구성되어있다.
[Figure 5] Analyzing interrelationships between different activities in the DSM-based T&E and risk management.
3.2 위험 관리 활동을 반영한 DSM 기반 무기체계 시험평가의 인터페이스 식별
본 연구의 적용범위인 체계개발 단계의 시험평가 프 로세스와 위험 관리 활동 간의 상호 인터페이스 연결 을 통해 시험평가 활동과 위험 관리 활동에 관한 연관 요소를 도출하여 연계한 결과는 [Figure 4]와 같다.
[Figure 4]에 체계개발단계의 시험평가 프로세스와 위 험 관리 간의 인터페이스를 설정한 기준은 다음과 같다.
(1) 무기체계 체계개발 획득 프로세스의 시험평가 활 동과 위험 관리 요소간의 수행 단계별 기능적 연결 (2) 체계개발단계의 시험평가 프로세스의 시험평가 데 이터와 위험 관리 데이터간의 기능적 연결
(3) 체계개발단계의 시험평가 프로세스와 위험 관리 요 소에서 도출되는 산출물간의 물리적 또는 기능적 연결
체계개발단계의 시험평가 프로세스와 위험관리 활동 간의 인터페이스 정의를 통해서 시험평가 활동과 위험
관리 활동을 통해 산출되는 데이터 간의 추적성 및 기 능 연결 흐름을 쉽게 볼 수 있다. 이를 통해 DSM기반 시험평가 프로세스 모델을 구축하는데 있어 시험평가 요소들이 위험 관리 활동과의 인터페이스를 토대로 연 계될 수 있음을 보여준다.
3.3 식별된 무기체계 시험평가 인터페이스의 위험 관리 활동 평가
DSM기반 시험평가 프로세스에서는 기능 분석이 끝 난 후에 산출물과 안전 요구사항, 시험 및 평가 요소에 대하여 전반적인 통합을 통해 인터페이스를 정의한다.
이는 단순히 점검 및 확인 단계에서 검출할 수 없는 기능 요소들에 대한 모든 데이터를 검토할 수 있으며, 시험 및 평가 요소까지 고려함으로써 앞선 단계에서 고려한 프로세스 일정까지 포함한다. 여기서는 앞서 2.2절에서 도출한 위험 관리 활동 평가 방법을 인터페 이스에 적용한다.
심각도 및 발생도 지표를 반영하여 위험 식별 매트
[Figure 6] Identified modules of the DSM-based T&E with risk management after tearing.
릭스를 통해 얻어진 인터페이스의 결과를 DSM기반 시 험평가 프로세스에 적용한 결과를 <Figure 5>에 나타 내었다. 여기서 위험 식별 매트릭스에서 시험평가 활동 의 심각도가 2이고, 발생도가 3이면, 위험등급은 M이 되며, 이에 해당되는 위험 관리 활동을 받아야 한다.
또한 고(High), 중(Medium)을 받은 인터페이스 항목 들은 Numerical DSM기반 무기체계 시험평가 프로세 스 모델에서 ‘1'로 표시되었다. 이는 정성적으로 구분 하기 힘든 인터페이스들을 빠르게 식별하여 관리할 수 있도록 하는데 용이하다. 따라서 저(Low)를 받은 인터 페이스 항목들은 Numerical DSM에서는 ‘0’으로 처 리되었으며, 따로 표시되지는 않았다.
하지만 이렇게 얻어진 결과물들이 최적화된 시험평가를 위한 시험평가 정보인지는 또 다른 분석을 통해 이루어지 지 않으면 알 수 없다. 맹목적으로 얻어진 결과물이 최적 화 된 것이라고 판단하여 이러한 시험평가 정보를 그대로 가져다 쓸 경우 무기체계의 최적화 되지 않은 부분 때문 에 분석할 때 알지 못했던 문제가 발생할 수 있다. 또한 이러한 문제를 알고 난 후 변경하고자 한다면 재 시험평
가로 인한 비용과 일정을 초과하게 될 것이다. 이러한 이 유 때문에 위험 관리 활동 평가가 반영된 시험평가 프로 세스 모델의 결과물을 가지고 최적화를 할 필요가 있다.
3.4 위험 관리 활동 평가가 반영된 DSM의 재배열 및 모듈 도출
3.3절에서 무기체계 시험평가 프로세스 모델의 위험 관리 활동 평가를 반영하여 DSM기반으로 도식화하였 고 최적화의 필요성을 알 수 있었다.
최적화 방법론으로 본 연구에서는 DSM 분석의
Tearing을 이용한다. DSM 분석 기법 중 하나인
Tearing은 프로세스 활동들의 피드백(feedback)되는
루프(loop)를 최소화시키면서 활동들을 재 정렬하는
방법이다. Tearing의 수행 방법은 상호의존적 관계 사
이에서 상대적으로 선행 활동으로부터 정보의 의존성
이 작은 활동을 제일 앞쪽으로, 후행 작업으로의 정보
의 전달이 적은 작업을 제일 뒤쪽으로 배치한다.
[Figure 6]은 2절에서 얻어진 시험평가 프로세스 모 델을 통해 얻어진 활동들의 집합을 DSM의 Tearing 분석을 이용하여 최적화 시험평가 프로세스를 확인한 것이다. 이를 통해 시험평가와 위험 관리 활동 모두와 상호 연관성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
최적화 된 프로세스는 상관관계가 최소가 되게 하는 것을 원칙으로 한다. 그 이유는 그 활동이 잘못되면 여 러 활동들이 동시에 작동을 하지 않기 때문이다. 따라 서 시험평가 프로세스 분석을 통해 기존에 시험평가 활동이 수행될 때, 위험 관리 활동이 작동하도록 변경 한다. 또한 추가적으로 기술 검토 시에는 필수적으로 작동하도록 재배열 및 모듈이 도출되었다. [Figure 6]
에서 볼 수 있듯이 상관관계가 있는 것들이 하나의 컴 포넌트로 묶여서 시험평가 프로세스가 구축된 것을 볼 수 있으며 최적화 된 구조라는 것을 확인할 수 있다.
최적화된 구조로 구성되어있는 위험 관리 활동 평가가 반영된 무기체계 시험평가 프로세스 모델은 통합적인 결 과 및 예측을 비교하고 검토함으로써 최종 시험결과를 보 고 하게 된다. 이 때 최종 시험결과 보고에서 이상이 발견 되면, 이상 상태에 따라 시험 목적단계인지, 시험 수행 단 계인지 등에 따라 다시 시험평가를 수행하게 된다. 이러한 점까지 완벽하게 수행되었을 때 시험평가 프로세스의 단 계를 마치고 다른 프로그램에서 시험평가와의 결과를 합 쳐 체계개발단계에서의 시험평가를 마치게 된다. 체계개발 단계에서의 시험평가의 결과를 토대로 운용 및 양산 단계 로 넘어갈지에 대한 의사결정의 자료로서 제공하게 된다.
4. 전차 무기체계 시험평가에 대한 적용 사례
4.1 적용 무기체계 시스템 (전차)
전차 무기체계는 디지털화가 이루어져 자동으로 적 전차를 찾아 파괴하고 적의 공격을 막아내는 최첨단 기능과 더불어 지휘통신체제와 데이터 통신 연동을 통 해 임무를 수행하는 시스템이다.
전차는 일반적으로 주포, 장갑 등으로 구성되어 있고, 구성장비 측면에서는 자동장전장치, 전장정보 관리 시 스템, 대역 레이더 시스템, 열 광학 장치 등으로 이루어 져 있다. 하지만 디지털 시스템에 대한 의존도가 높은 시스템이면서도 운용환경 조건에 따른 시험평가가 효율 적으로 수행되지 않은 것으로 평가되었다. 이는 시험평 가에 대한 이해와 위험 관리에 대한 고려가 미흡한 상 태에서 나날이 발전하는 디지털 시스템이 추가됨으로써
개발자에게 혼란을 주고 있다는 것을 입증한다.
4.2 전차 무기체계 시스템 적용을 통한 사례 검증
