통합함정시스템공학(Total ship systems engineering) 기반 ROC 및 OMOE 개발연구

TSSE 기반 함정 초기단계 설계를 위한 작전요구성능(ROC) 및 종합효과도 체계(OMOE Hierarchy) 작성방안 연구
2010년 10월 22일 대한조선학회 추계학술대회, 창원컨벤션센터
박 진 원
2010. 10. 22.
Investigation to Required Operational Capability (ROC) and Overall Measure of Effectiveness (OMOE)
Hierarchy for Early-phase Naval Ship Designs based on Total Ship System Engineering (TSSE)

Sail to
Steam
Battleships to
Aircraft Carriers
Fossil Fuel
to
Nuclear Power
Guns to
Missiles
Task Force
to FORCEnet
Teletype
to Email
전쟁양상과 함정 발전추세 : 고속/장거리 순항, 정밀유도무기, 네트워크 중심전,
기술 고도화(모듈화, 무인화) 등
* NAVSEA, “Summer Naval Surface Ship Design Course”, 2007

함정 체계 특성 : 1 복잡하며, 다학제적 특성(complicated, multi-disciplinary)

Manning
R&D Cost
Co-op
Engagement
Survivability
Peacetime
Features
Strike
Automation
Maneuverability
Reaction Time
Signatures
Seakeeping
Military
Effectiveness
ProducibilityComputer
Architecture
Deck Wetness
Sustainability
Margins
Future Growth
Margins
EMC
RMA
ACQ Cost
O&S Cost
ILS
Risk
Commonality Reaction
Time
Sensor
Fusion
Life Cycle Cost
* NAVSEA, “Summer Naval Surface Ship Design Course”, 2007
함정 체계 특성 : 2 시스템↔시스템, 시스템↔하부시스템간 비선형적 상호작용 수반

* Dr. Alan Brown, “Ship Design Note”, Virginia Tech, 2005“Real Design Web”
Complex, Nonlinear , Concurrent
“Conceptual Design Spiral”
Simple, Linear, Sequential
함정설계 흐름 특성 : Complex, nonlinear and concurrent
포괄적인 접근방법(A holistic approach with total ship perspective) 필수

Application of System Engineering to Naval Ships
- 다양하고 복잡한 운용자 요구사항 식별∙추적∙관리
- 상호 작용하는 설계요소들은 포괄적 관점에서 조정∙종합
- 전 수명주기에 걸친 일관성 있는 절차 수립 등

TOTAL SHIP SYSTEM * NAVSEA, “Summer Naval Surface Ship Design Course”, 2007
þ 전투/무장 장비
þ 선체, 추진 및 전기/보기 등
þ 전투체계(Combat Sys.)
þ 추진제어, 손상보수체계 등
þ 분야별 운용인력
þ 보수/지원인력 등
þ 전략/전술적 임무
þ 공격/방어개념 등
“Traditional Ship System”

함정설계와 TSSE 적용
ICD/CDD/CPD
ROC
CONOP
Mission Scenario
Ship Type
Ship Size
HM&E
Combat sys, etc
Requirement Loop
Design Loop
“Validate”
* Captain Norbert Doerry, “Total Ship Functional Analysis In Support Of Knowledge Management in Ship Design”, May 2009
- 함정 임무, 외부환경, 불확실성 등 상호 작용하는 모든 사항을 고려한 해결책을 제시하는
포괄적∙체계적 관리 활동(Holistic and systematic Management Activity)
- 시스템과 시스템, 시스템과 하부시스템간 상호작용을 조정∙관리하여 균형된(Balanced)
시스템 설계목표(부분최적화가 아닌 전체 최적화) 달성을 위한 공학적 조정∙종합 활동
; Minimize cost and risk, maximize effectiveness

- 설계단계별 체계적 시스템엔지니어링(S.E.) 활동 실시 : 요구조건 분석→기능분석/할당→설계조합
- 점진적(진화적)으로 요구조건 및 시스템기능 구체화
∙ 韓 : 작전요구성능(개념설계) → 함정기본지침서(기본설계) → 함정건조기술사양서(상세설계)
∙ 美 : 초기능력서(초기단계설계) → 능력개발서(기본설계) → 능력양산서(상세설계)
- 포괄적, 반복적 검증∙조정 통한 부분최적화(Local optimization) 아닌 전체 최적화(Global Optimization) 지향
: 설계검증(Design Review), 단계별 명확한 설계기준(Rough → Detail) 수립∙적용
How to Apply TSSE
What benefits
- 체계화된 절차(결과물) 적용으로 설계 단계별 일관적인 설계 결과물 획득 및 설계목적 달성 용이
- 점진적 요구조건 및 시스템기능 구체화로 기술적/사업적 위험도 단계별 감소
- 복잡하고 비선형적인 함정설계 환경하 부분 최적화가 아닌 전체 최적화 달성
: 비용/위험도 최소화, 임무 효과도 최대화
What futures
- 함정외 상선, 무기체계, S/W 개발, 고가 제품 개발에 점차 시스템엔지니어링 적용 확대 중
- 국∙내외 체계종합 전문가(System Integrating Engineer) 수요 증대(Specialist → Special Generalist)
; Required Operational Capability(ROC) ; Top Level Requirement(TLR) ; Top Level Specification(TLS)
9 Initial Capability Document(ICD) 9 Capability Development Document(CDD) 9 Capability Production Document(CPD)

Development of a Holistic and Systematic Approach
for early-phase naval ship design
- 표준절차 수립으로 불필요∙소모적 절차 복잡성 및 의견 다양성 제거
- 정량적이며 객관적인 데이터∙정보 활용을 통한 경험적(과거) 직관 배제
- 부분최적화가 아닌 전체최적화 지향
- 실현가능∙안정된 사용자 요구사양 도출을 통한 가용예산/기간 초과 등
기술적/사업적 위험성 제거(최소화) 등

美 함정획득프로세스 단계별 특성 및 함정 설계법
SECNAVSINST
5000.2D
(2 Pass 6 Gate)
DON Requirements Acquisition
MS BMS A
* Captain Norbert Doerry, “Fleet Capabilities Based Assessment”, May 2009
; Preliminary Design(초기설계)
9 Contract Design(계약설계)
; Detail Design and Construction(상세설계 및 함 건조)
9 Analysis of Alternative
(대안분석)
官 주도 안정된 요구사양 도출 활동
(Requirement Synthesis)
民 주도(官 감독) 요구사양
만족 위한 설계결과 도출 활동
(Design Synthesis)
; Initial Capability Document
9 Capability Development Document
; Request For Proposal; Concept of Operations
Material Solution Analysis
Tech.
Develop.
Engineering & Manufacturing DevelopmentDoD 5000 :
Design Process :
PEO Level :
Navy Level :
Joint Level :
9 System Design Specification

- 임무효과도 대비 비용 등 상쇄 검토를 광범위, 신속 수행하여 전체 최적화 수행 가능
Ÿ 전산환경 기반下 공학적/수학적 모델을 이용, 신속한 최적 대안 도출 용이로 美 해군 광범위하게 활용 중
Ÿ 최적화 이론인 Response Surface Method(RSM), Design of Experiment(DOE) 및 Genetic Algorithm
(GA) 등 결합, 다목적 최적화(Multi-Objective Optimization) 수행 F 균형 잡힌(Balanced) 최적 설계대안 도출
* 적용 예 : 버지니아텍(VT) , 미해군대학원(NPS), MIT, 조지아텍(GIT) 등 함정/항공기 설계 예
- 현재 개념탐색 수준 모델링 및 정확도로 기본설계 이상 단계에는 적용 곤란: 낮은 정교성, 전산환경 제한 등
Ÿ Parametric equations, Empirical equations 사용
* 전산환경의 급격한 발전을 기반으로 점차 SBD를 초기설계 수준까지 확대하려는 노력 시도 중(Caption Doerry, NAVSEA)
* David J. Singer, “What is Set-Based Design?”, May 2009
* James S. Webster, US Navy ”Warship Design Course”, Summer 2007
최적화 기반 조합 모델 : Synthesis Model Based Design Optimization(SBD)

Vision of New Approaches

효과도 모델
비용 모델
소요기술 조사 및 설계방안 검토
설계 조합
* 효과도 및 비용 최적화 Synthesis
NAVSEA TSSE 기반 초기단계 함정설계(SBD 방식) 흐름 예
* James S. Webster, US Navy ”Warship Design Course”, Summer 2007
SEA05 : Ship Design Integration and Engineering Directorate
SEA08 : Nuclear Propulsion Directorate
SEA17 : Cost Engineering and Industrial Analysis Division

소요기술 조사 및 설계방안 검토
설계 조합
최적화
* 효과도, 비용 및 위험도 최적화 Synthesis
위험도 모델
비용 모델효과도 모델
Virginia Tech TSSE-based Concept Design flow
* Dr. Alan Brown, “Ship Design Note”, Virginia Tech, 2005
Requirement
Analysis
Functional
Analysis
Allocation
Synthesis

þ 설계변수 정의 모듈 : 1EA
þ 분야별 설계모듈 : 8EA
þ 제한조건 모듈 : 1EA
þ 목적함수 모듈 : 3EA
þ 최적화 모듈 : 1EA
þ PIDO 상태(조합) 감시모니터 : 4EA
구 성
E “Total 18
modules”
þ 설계모듈(exe) : Fortran, excel, etc
þ 입력/출력 : input, output
þ 데이터베이스 : 전투체계, 추진체계
þ 모듈 연결파일 : File-wrapper
입력자료
þ 설계모듈 개발 또는 재활용(일부 수정)
þ 모듈간 연결(Link)
þ 제한조건/설계변수/목적함수 설정
þ 최적화(유전자 알고리즘) 설정
þ PIDO 실행
실행절차
F “Best alternatives”
함정 초기단계 설계용 PIDO ver. 1 : A fully Sequenced Design Structure Matrix(SDSM) 기반

PIDO 수렴 패턴 (10 Generations ~ 200 Generations)

TSSE 기반 함정 초기단계 설계 절차
- STEP 1 : 요구조건 분석(임무 정제 및 정의)
∙ 작전개념(Concept of Operations) 정제
∙ 위협 및 전장환경(Threats and Projected Operational Environments) 정제
∙ 임무형태 및 시나리오(Mission Type and Scenario) 정제
∙ 작전운용성능 목록(Required Operational Capabilities(ROC) List) 정의
∙ 종합효과도 체계(Overall Measure of Effectiveness Hierarchy) 정의 및 효과도∙성능지수 가중치 할당
- STEP 2 : 기능분석 및 할당(임무/기능 분해∙할당)
∙ 기술조사/분석 통한 작전운용성능 및 함 기본성능 별 설계대안(범위) 탐색 및 할당
∙ 설계대안(범위)별 성능지수(Measure of Performance) 할당
∙ 비용∙일정∙성능 위험도 매트릭스 정의(Risk Matrix) 및 위험도지수(Measure of Risk) 할당
-STEP 3 : 조합(전산환경 기반 다목적 최적화 설계)
∙ 분야별 파라메트릭 설계 모듈 수정 또는 개발
∙ 설계분야별 조합 및 다목적 최적화
STEP 4 : 최적대안 도출 및 설계검토(Design Review)
Start of
Engineering
군사적 언어(임무정의 문서체계)
→ 기술적 언어로 정제
“Divide & Conquer”

- STEP 1.1 : 작전개념(CONOPs) 정제 예
m STEP 1 : 임무정제 및 정의
- STEP 1.2 : 위협 및 전장환경(POE) 정제 예
- STEP 1.3 : 임무시나리오(Mission Scenario) 정제 예
일(Day) 임무 시나리오(30일 작전)
1~8
8~10
10~20
20~22
22~30
00 출발, 특수전 요원 전개 대상 적 해안(전탐권 외) 접근
적 연안 접근 후 침투 정보 확보 및 명령 대기
특수전 요원 침투 지원 및 적 주요시설물 파괴 작전중 착저 대기
특수전 요원 통신 유지, 침투요원/장비 복귀 지원
00 복귀
NSW
(특수전)
INT
(정보전)
CCC
(통신)
USW
(대잠전)
MIW
(기뢰전)
MOB
(기동)
IO
(전자전)
SUW
(대수상전)
LOG
(군수지원)
SUW
(대수상전)
MIW
(기뢰전)
NSW
(특수전)
INT
(정보전)
CCC
(통신)

- STEP 1.4 : 작전운용성능 목록(Required Operational Capabilities(ROC) List) 정의
사용자(군)이 제시한 작전개념,
위협 및 전장환경, 임무형태 및
시나리오 등 전술/전략적 요구
조건을 세분화 및 분석
※ 전 설계과정에 걸쳐 추적∙관리 가능토록
세분화/구체화 필요

- STEP 1.4 : 종합효과도 체계(OMOE Hierarchy) 정의 및 효과도∙성능지수 가중치 할당
※ 대형∙복합시스템 설계결과 평가
∙ 시스템 설계 결과가 요구조건 분석단계에서 식별 ∙ 정의된 설계기준(예. ROC) 충족 여부에 대한
정량적 평가 기준(기술지수 도입) 수립 및 활용
⇒ 시스템 성능/기능을 상위, 하위레벨로 분해한 후 MOE∙MOP 등 기술지수를 할당하여 시스템 설계
전 과정에 걸쳐 추적∙관리
þ 효과도 지수(MOE) ≒ 핵심성능척도(KPP)
운용자(고객) 관점하에 설계결과의 요구조건
충족 여부를 평가하기 위한 정성적인 최상위
레벨 기술지수
예) 전투임무, 생존성, 기동성 등
þ 성능지수(MOP) ≥ 기술성능지수(TPM)
설계자 관점에서 설계기능의 성능수준을
평가하기 위한 정량적인 차상위 레벨 기술지수
예) 미사일 수량, 속도, 항속거리, RCS

- STEP 1.4 : 종합효과도 체계(OMOE Hierarchy) 정의 및 효과도∙성능지수 가중치 할당
임무정의 문서체계 및 과거
초기단계 설계 자료(경험) 등
분석 및 정리

- STEP 1.4 : 종합효과도 체계(OMOE Hierarchy) 정의 및 효과도∙성능지수 가중치 할당(예)
OMOE
Survivability
RCS
Anti-Shock
Acoustic
Stability
Mobility
MOP
MOE
0.0 ~ 1.0
0.20.2
0.30.2 0.10.2
• MOP Values Input at the Lowest Hierarchical Level
• MOE Combined to Form OMOE
Measure of Performance(성능지수)
Measure of Effectiveness(효과도 지수)
• MOP/MOE weight : Decision theory(예. AHP) 이용
• MOP : Utility Function Method 등 이용
Mission
AMW
MIW
CCC
INT
NCO
USW
FSO
SUW
… ……
0.6
0.10.10.10.10.10.20.2
0.0~1.0
Provision
Range
Fuel
Speed
0.30.3 0.2
IR
0.1
Magnetic
0.1
…
0.05
Σ=1.0
0.05
Σ=1.0 Σ=1.0
0.2

- STEP 1.3~1.4 : 요구조건 종합(ROC List & OMOE Hierarchy)
OMOE
MOE MOP
ROC Lists
Weight Attribute Weight Attribute
0.6 Mission 0.2 SUW
SUW1.1, SUW2,
…
0.2 USW
….. …..
0.0~1.0 0.2 Survivability 0.3 Stability
0.1 Acoustics
….. …..
0.2 Mobility 0.3 Speed MOB2,…
0.2 Fuel
….. …..
Σ=1.0
Σ=1.0
Σ=1.0
Σ=1.0

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