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1 Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers Vol. 39, No. 6, pp , December ISSN EISSN KIIE <Original Research Paper> 복합체계개념에기반한국방체계모델링시뮬레이션방법론 김탁곤 권세중 강봉구 한국과학기술원전기및전자공학과 Modeling and Simulation Methodology for Defense Systems Based on Concept of System of Systems Tag Gon Kim Se Jung Kwon Bonggu Kang Department of Electrical Engineering, KAIST A complex system such as defense systems is in a form of System of Systems (SoS) in which each component is a system being independent of other component systems. Dynamical behavior of SoS is represented by a composition of behaviors of component systems. Thus, a M&S tool/environment would not be efficient for development of heterogeneous models nor for simulation in a centralized environment. Moreover, such an environment restricts reusability and composability. This paper presents an interoperation method for M&S of defense systems as SoS. The approach first develops component system models using tools, each specialized to M&S of each component system. It then interoperates such simulations together to simulate a whole system as SoS. HLA/RTI is employed for such interoperation, which is a DoD/IEEE standard to support interoperation. We will introduce a case study for interoperable simulation of defense systems, which consists of a wargame simulator and a communication simulator. Keywords: System of Systems, Defense Modeling and Simulation, Simulation Interoperation 1. 서론 국방체계는 <Figure 1> 과같이인력, 조직, 장비, 물자, 교리, 군수, 지휘관의경험등다양한형태의기능및구조를가지는부체계들이복잡하게구성된체계이다. 이러한국방체계의설계및최적화등은목적지향적국방 M&S 기술을통해이루어지고있으며군사훈련 / 연습, 국방체계분석및획득분야등에각각많은활용이이루어지고있다. 더나아가국방 M&S 기술은궁극적으로단순히 ( 부 ) 체계를최적화하는도구로서만쓰이는것이아니라 7 대전투발전요소 (DOTMLPF : Doctrine ( 교리 ), Organization( 조직 ), Training( 훈련 ), Material( 물자 ), Leadership( 리더쉽 ), Personnel( 인력 ), Facilities( 장비 )) 들의전역적최적화를목적으로하여이를통해국방전력을극대화시키는방법으로사용되고있다. Figure 1. Defense system(kim, 2013) 이러한국방체계는일반적인체계모델링및시뮬레이션방 본연구는방위사업청과국방과학연구소의지원으로수행되었습니다 (UD110006MD). 연락저자 : 김탁곤교수, 대전광역시유성구대학로 291 ( 구성동 373-1) 한국과학기술원 (KAIST), Tel : , Fax : , tkim@ee.kaist.ac.kr 2013 년 6 월 30 일접수 ; 2013 년 8 월 22 일수정본접수 ; 2013 년 9 월 22 일게재확정.

2 복합체계개념에기반한국방체계모델링시뮬레이션방법론 451 법론이아닌독립적인기능들을수행하는요소들이결합된체계로서의방법론이필요하다. 특히, 전장의환경이플랫폼중심의전투에서다양한체계가연관되어있는복잡한네트워크중심전 (Network Centric Warfare) 으로변화하고있으며이러한 NCW 환경은다양한전투요소들을네트워크로연결하여전장상황을공유하고통합적이고효율적인전투력창출을요구하기때문에 (No et al., 2005), 복합적이고복잡한국방체계요소들의체계를모의해야할필요가더증대되고있다. 이러한특성을가지는국방체계는체계이론에의해복합체계 (System of Systems, SoS) 로분류될수있는데, 복합체계란어떤기능이나성능에대한새로운요구사항을만족시키기위해각각의개별부체계 (Subsystem) 들이결합된집합체계을뜻한다 (Eisner et al., 1991). 일반적으로각각의부체계들은독립적으로실행되고관리될수있는특성을가지며그자신의특화된요구사항을수행한다. 그러나각개별부체계스스로는만족시킬수없는새로운요구사항이주어졌을때는이에필요한부체계들을연동한복합체계를통해서만새로운요구사항을만족시킬수있다. 예를들어수상함의대어뢰전체계를구성하는수상함, 어뢰, 잠수함, 기만기등은각기독립적인부체계들로식별될수있으며 (Seo et al., 2011) 식별된각체계들은수상함의대어뢰생존율이라는효과도분석요구를만족시키기위해하나의결합된복합체계로인식되어야한다. 이러한복합체계의행동을모의하고분석하기위해서모델링및시뮬레이션 (Modeling and Simulation, M&S) 이론이필요하다. 복합체계 M&S 를위한방법은크게부체계모델들의결합 (Integration) 과연동 (Interoperation) 으로나눌수있다 (Pollock et al., 2004). 체계결합은두개또는여러개의부체계가정보를공유하면서하나의형태를이루어협력하는방법이고 (Tolk, 2002; Sahin et al., 2007), 체계연동은각부체계들이독립적으로동작하면서이들사이의정보교환을통해복합체계의목적을이루는방법이다. 체계결합과연동의가장큰차이는내부체계들사이의독립성이다. 연동을통한접근은체계모델링및시뮬레이션의독립성을보장하고의존성을최소화하는반면, 결합을통한접근은일정한성능을보장하는대신, 각부체계모델들이서로에게강하게결합되어유지보수성, 재사용성등이크게떨어진다. 따라서국방 M&S 를위해서는매번복잡한전장상황을모의하기위해결합된모델을구성하는것보다이미구성되어있는부체계모델들을재사용하면서정보교환에대한인터페이스를정의하여연동하는것이훨씬적합한접근이다. 이러한연동을통한복합체계 M&S 연구는다양한방법을통해이루어져왔는데, 웹서비스를통한연동체계와표준미들웨어에기반한연동체계로크게나눌수있다. 웹서비스를통한연동체계는웹서비스구조를연동체계에도입하여물리적 / 논리적으로분리된시뮬레이터들을연동하는방안이다. 서비스지향아키텍쳐 (SOA) 를사용한 DEVS/SOA(Mittal et al., 2007; Mittal et al., 2009) 등의경우에는부체계의구현이다른 프로그래밍언어로구현된 DEVS 모델혹은특정한 XML 언어에국한되는문제가있었으며, REST-ful 웹서비스를사용한 DCD++(Al-Zoubi et al., 2009) 의경우에는독립적인부체계간의연동보다는한개의모델을분산시뮬레이션하는것에중점을맞추는등의문제가있다. 특히, 공개된웹서비스를통한접근은보안이중요한국방체계의시뮬레이션에있어서부적합했다. 다른한편으로, 표준미들웨어에기반한연동방법으로 DIS (Davis, 1995), CORBA(Ben-Natan, 1995), RMI(Downing, 1998) 등의미들웨어를사용한연구들이있었으며특히 IEEE 1516 표준으로채택되어있는 HLA/RTI 를사용한많은연구가진행되었다 (Kim and Kim, 2005; Sung et al., 2009; Sung et al., 2011; Hong et al., 2011; Bae et al., 2012; Kim, Kim and Sung, 2012). 특히 HLA/RTI 와부체계시뮬레이터사이의인터페이스역할을하는 Adaptor(Kim et al., 2011) 를개발함으로서, 시뮬레이터와연동미들웨어사이의의존성을줄여결합성 (Composability) 과모듈성, 재사용성등을더욱높이는복합체계시뮬레이션구조를설계할수있다. 본논문에서제안하는복합체계 M&S 방법론은국방체계가복합체계임을고려하여각부체계들이독립적인체계임을모델링및시뮬레이션과정에반영하는것이다. 따라서모델링과정에서각부체계모델링에는독립적인 M&S 도구 / 환경을사용하고이들부체계모델들사이에교환될별도의정보를명시적으로명세한다. 시뮬레이션과정에서는부체계개발에사용된도구 / 환경을연동함으로서각부체계들의시뮬레이션개발에사용된 M&S 도구 / 환경에서수행되며부체계들사이의시뮬레이션연동체계의정보교환은모델링과정에서명시된별도의명세서를통해실행되도록하였다. 이를위하여본논문은복합체계모델링형식론을제안하여이미개발된모델들간의인터페이스를정의하였으며 DEVS BUS 이론 (Kim et al., 2003) 을통해기술된복합체계모델의연동시뮬레이션알고리즘을제안한다. 제안된연동시뮬레이션이론은적합한미들웨어를통해구현되어복합체계모델의연동실행을가능하도록한다. 본논문은다음과같이구성되어있다. 제 2 장에서는복합체계로서의국방체계의분류에대해간단하게다룬다. 이어서제 3 장에서국방복합체계 M&S 의요구사항을식별하고이를토대로제 4 장에서국방복합체계 M&S 프레임워크를통해복합체계모델의모델링및시뮬레이션이론을제안한다. 제 5 장에서프레임워크를통해설계된복합체계모델이연동미들웨어를통해실제로어떻게개발 / 구현되는지보인다. 제 6 장에서는사례연구를통해실제국방체계에적용된예를보이고제 7 장에서결론을맺는다. 2. 국방모델모의수준분류및시뮬레이션분류 국방체계의구성요소들은모델링과시뮬레이션관점에서다

3 452 Tag Gon Kim Se Jung Kwon Bonggu Kang 음과같이분류할수있다. 우선모델링관점에서의국방체계는목적및상세도에따라 4 단계로구분되는데, 전구급 (Theater), 임무 / 전투급 (Mission/Battle), 교전급 (Engagement), 공학급 (Engineering) 으로이루어진다. Figure 2. Defense system classification and example(kim, 2013) <Figure 2> 는모의수준에따라국방체계를분류한그림이다. 최상위에위치하는전구급모델은연합 / 합동훈련및워게임을통한합동및연합군의전력구조분석등의목적으로사용되어전쟁전략을모의하며임무급은부대훈련의목적으로사용되어다수대다수의교전등을모의한다. 교전급은전투체계개발을목적으로하여전술평가나체계효과도등을구할수있게하며공학급은단일무기체계의무기성능이나제원등을모의하는목적으로사용된다. 주로교전급이상의모델은이산사건체계로모델링되며공학급모델은연속체계로모델링된다. 이러한추상화및모의대상에따른모델의구분을통해서, 모델링목적에따라명확한모델의구성및설계를수행할수있다. 이러한다양한수준의모델들은결합되어요구사항을만족하는복합체계를이루게되는데지휘 (Command), 통제 (Control), 통신 (Communications), 컴퓨터 (Computers), 정보 (Intelligence), 감시 (Surveillance) 및정찰 (Reconnaissance) 등으로구성되는 C4ISR 체계가대표적인예이다. 반면에, 시뮬레이션관점에서국방체계시뮬레이션방법은실기동 (Live), 가상 (Virtual), 구성 (Constructive) 시뮬레이션으로이루어진다. 구성 (C) 시뮬레이션은각종워게임과같이가상상황하에서가상의병력으로훈련하는것이고, 가상 (V) 시뮬레이션은전차나전투기등과같은장비내부와동일한환경을구성하고실제사람이탑승하여가상상황하에서실제훈련을할수있도록하는시뮬레이션이다. 실기동 (L) 시뮬레이션은실제기동훈련으로서실제병력이실제지형하에서직접기동하면서훈련하는것을말한다 (Kim, 2011). 3. 복합체계특징및국방 M&S 를위한복합체계요구사항 국방체계를복합체계관점에서모델링및시뮬레이션하기위한복합체계요구사항을식별하기위해먼저복합체계의특징을정리하면다음과같다. 첫째, 각각특정한요구사항을만족시키는것에전문화되어있는부체계들로이루어진다. 둘째, 각각의부체계는독립적으로운영될수있으며그각각이점진적으로개발되고발전될수있다. 셋째, 각각의부체계는서로다른종류 (heterogeneous) 이며동시성을지니고지리적으로분리되어있을수있다. 넷째, 복합체계또는그하위의부체계들이창발적행동 (Emergent Behavior) 을보인다 (Maier, 1996)(Kim, 2009). 이러한복합체계의특징을통해국방 M&S 의요구사항을정리하면크게두가지로정리할수있다. 첫째, 국방체계를모델링하고시뮬레이션하기위해서는먼저전문화된부체계모델들을재사용하는것이필요하다. 따라서각부체계모델간의결합되어있는정보를줄이고인터페이스를통해정보를공유하는연동방식을통해복합체계를모델링해야한다. 연동방식은각부체계들의자율성과독립성을인정하기때문에서로다른종류의체계모델도하나의복합체계를구성할수있으며복합체계로구성된뒤에도독립적으로개선, 발전될수있는특징및장점이있다. Figure 3. M&S methodology for defense SoS(Kim, 2013) 본논문이제안하는복합체계 M&S 방법론은 <Figure 3> 과같이각각의컴포넌트체계들의모델을연동하여복합체계를모델링한다. 각각의모델은내부의논리표현방법이서로다르기때문에각기다른형태의전문화된 M&S 방법론을가지고각기다른시뮬레이션툴에의해실행된다. 이들은시뮬레이션연동기반시설을통해실행되어복합체계모의를가능하게한다. 둘째, 국방체계는 ( 부 ) 체계간의상호작용을통해창발적인행동을보이는특성이있기때문에상호분석이필요하다. 창발적행동이란체계의행동이단순히개별적인부체계들의행동의독립적인합으로이루어지는것이아니라각각의부체계들이다른체계들과의연결관계와상호작용을가짐으로인해

4 Modeling and Simulation Methodology for Defense Systems Based on Concept of System of Systems 453 새로운행동을보이는것을말한다. 예를들어교전급방어체계의경우, 하위모델인공학급모델에서계산된운동궤적이상위모델인교전급모델의중요한파라미터로사용된다. 이러한파라미터연관관계로인해각부체계들은서로독립적인행동을보이는것이아니라상호보완적인관계를가지며다른부체계의행동에영향을받는다. 이러한파라미터는체계를바라보는관점에따라전투논리적측면과전장기능적측면으로나누어생각해볼수있다. 전투논리적측면은어떠한장비나체계를사용하여다양한작전시나리오하에서의작전성공률과같은전투효과도인 MOE(Measurement of effectiveness) 를측정하는것을의미한다. 전장기능적측면은전투논리적측면과는역으로특정작전성공확률이주어진경우, 이를만족시키기위한장비나체계의요구 / 제원인 MOP(Measurement of performance) 을측정하는것을의미한다. 위와같은전투논리적측면에서의 MOE 와전장기능적측면에서의 MOP 는서로상호보완적관계 (Tradeff) 에있기때문에, MOE 와 MOP 를모두고려하는분석방법이필요하고, 이러한분석방법을상호분석이라한다 (Kim, Kim and Sung, 2012). 일수있다. 따라서새로운시뮬레이터의참여가쉬워지고각시뮬레이터를개선하는것도독립적으로이뤄질수있기때문에복합체계 M&S 의유지성을높일수있다. 또한분석관점에서는독립적이지만연동된상호분석을통해서창발적행동을보이는체계의다양한분석이가능하다. Figure 5. Benefits of interoperation : M&S vs analysis(kim, 2013) 4. 제안하는복합체계 M&S 프레임워크 제안하는복합체계 M&S 프레임워크는앞서식별한복합체계 M&S 의요구사항에따라연동체계로구성된다. 복합체계의 M&S 프레임워크는형식론을통해독립적으로개발되어있는부체계모델들간의인터페이스를정의하고, DEVS BUS 이론 (Kim et al., 2003) 을통해서로다른모델들이하나의복합체계로연동하는것을가능하게한다. Figure 4. Joint analysis(kim, Kim and Sung, 2012) <Figure 4> 는상호분석과단일분석의차이점을설명한다. 상호분석에반대되는단일분석은전체체계를하나의모델로표현하기때문에하나의분석지수를측정하기위해다른요소들은추상화할수밖에없다. 일반적인부체계시뮬레이터들이그러한예이다. 반면에상호분석은서로독립적인체계를연동하여필요한정보를상호연동하면서각각분석지수를측정할수있다. 두모델을분리해서독립적으로각각분석하더라도그결과는서로독립적이지않을수있으며그결과는서로의모델에영향을줄수있기때문에상호분석이필요하다 (Kim, Moon, and Kim, 2012). 이상의두가지요구사항은결국연동체계를통해만족시킬수있다. 따라서본논문은두요구사항을충족시키기위한연동체계를통한복합체계 M&S 프레임워크를제안하며그림 5 와같은장점을지니도록한다. 제안된방법론은각각의전문화되고효율적인모델링방법들을연동하기때문에각각의시뮬레이터의재사용성을높이고각시뮬레이터의결합성을높 4.1 복합체계모델링형식론 복합체계모델링형식론은이미완성되어있는모델들을대상으로모델의종류와그들간의교환되는정보에대해기술하도록구성되어있다. 복합체계모델을구성하는부체계모델은이미해당체계에적합한 M&S 툴에의해서모델링된모델들을의미하며이들의내부동작은복합체계모델링형식론에서다루지않는다. 다만, 각부체계모델은외부와연결되는입력과출력을가지고있으며이러한입력과출력은체계연결명세 (SCS, System Coupling Scheme) 을통해다른모델의입력 / 출력과연결된다. 이러한구조는이미구성되어있는체계모델들을인터페이스를통한정보교환만을명시하는것으로사용하는연동개념에기반을두고있다. 다음은제안하는복합체계모델 M sos 의형식론이다 (Kim, 2013).

5 454 김탁곤 권세중 강봉구 복합체계모델 M sos 는다수의컴포넌트모델 M i 와그들간의정보교환을명세하는 SCS 정보로연결되어있다. 컴포넌트모델은다양한모델들이포함될수있는데, 연속시간체계 (Continuous Time System) 모델, 이산사건체계 (Discrete Event System) 모델등이가능하며이들을조합한하이브리드 (Hybrid) 체계모델또한가능하다. 특히, 국방체계의교전급이상모델은주로이산사건체계모델로, 공학급모델은주로연속시간체계모델로모델링되기때문에국방복합체계모델의컴포넌트모델들은다양한형태로구성된다. 4.2 복합체계모델시뮬레이션 : DEVS BUS 이론 사용자에의해설계된복합체계모델은연동시뮬레이션을통해실행되어야한다. 시뮬레이션은데이터관리와시간관리가필요한데, 연동시뮬레이션은각컴포넌트모델내부의시간및데이터에대해서는관심을가지지않으며오직상위에서이들간의데이터와시간을조율하는역할을한다. 이러한연동시뮬레이션을위해제안된것이 DEVS BUS 이론이다 (Kim et al., 2003). DEVS BUS 는각기다른모델의연동에하드웨어 BUS 의개념을도입한것으로서로다른시뮬레이터를연동하기위해가상의 BUS 를설정하며다음 <Figure 6> 과같다. 에서출력된 (y, t) 는다른모델에입력되는 (x, t) 로변환되어연결된모델에입력된다. 이때데이터교환에대한정보는복합체계모델에기술한 SCS 를참고하여이루어진다. 복합체계모델에서기술한대로 SCS 는모델과모델의입출력을쌍으로묶은것이다. 한모델의실행결과로서발생한출력은 SCS 에기술되어있는대로다른모델에입력으로전달된다. 이러한프로토콜과데이터를이용하여각컴포넌트모델을실행하는컨트롤러의알고리즘은다음과같다. 각각시간동기화버스컨트롤러와데이터버스컨트롤러가각각의모델의메시지를컨트롤한다. 시간동기화컨트롤러가하는일은간단하게각컴포넌트모델의시간요청 (done, t N ) 을받아서최소시간을결정하는것이다. 시간요청의의미는그시간까지는아무런이벤트가발생하지않는다는뜻이기때문에최소시간까지진행하면시뮬레이션의인과관계 (Causality) 를위반하지않는다. 데이터버스컨트롤러는각모델로부터들어온 (y, t) 메시지를받아 SCS 정보를참고하여데이터를전달해야하는모델을찾고출력메시지를입력메시지로변환하여전달한다. 각모델들의시뮬레이션알고리즘은이러한메시지에대한프로토콜을가지고있어야하며 (*, t) 메시지를통해시간진행허락을받고, (x, t) 메시지를통해데이터를전달받는다. 이러한내용은다음의알고리즘에기술되어있으며각각시간동기화버스컨트롤러 (TimeSyncController) 와데이터버스컨트롤러 (DataBusController) 의행동을나타낸다. TimeSyncController Algorithm Variable : T : current time m : set of models with request times Figure 6. Concept of DEVS BUS DEVS BUS 는크게시간동기화버스와데이터동기화버스로이루어지며각버스는컨트롤러에의해서제어된다. 각각의버스는부체계의모델을실행하는추상화된시뮬레이터 (Abstract Simulator) 에연결되며각모델에대한시뮬레이터는외부로공개된프로토콜을통해 (*, t), (done, t N ), (x, t), (y, t) 메시지를 DEVS BUS 와주고받으며이를통해시간동기화및데이터전달이이루어진다. 각메시지는 DEVS 시뮬레이션프로토콜 (Zeigler et al., 2000) 에기반하고있다. (*, t), (done, t N ) 메시지는시간동기화를위한시뮬레이션메시지로서, (*, t) 메시지는시간진행의허락을의미하며 t 라는시간까지안전하게모델이실행될수있음을의미한다. (done, t N ) 메시지는모델의다음실행시간 t N 을공지함으로써다른모델들과더불어시간관리가이루어질수있도록한다. (x, t) 와 (y, t) 는시각 t 에발생하는데이터교환에대한메시지로서, (y, t) 메시지는각모델이출력해내는데이터이며 (x, t) 는각모델이입력을받는데이터이다. 즉, 어떤모델 When receive (done, tn) store tn to related element of m check if all (done, tn)s have been received if not, end select models with the smallest request time, t send (*, t ) to the models T := t End DataBusController Algorithm Variables : SCS : System Coupling Scheme When receive (y, t) find destinations from SCS translate (y, t) to (x, t) send (x, t) to destination models End

6 복합체계개념에기반한국방체계모델링시뮬레이션방법론 복합체계연동프레임워크구현 제 4 장에서다룬복합체계 M&S 프레임워크를통해기술된복합체계모델은실제시뮬레이터들과연동체계를통해구현 / 실행된다. 일반적으로이미개발되어있는시뮬레이터들은서로다른모델표현및명세방법을가지며물리적으로분산되어있을수있다. 이러한분산된시뮬레이터들사이의연동은연동미들웨어를통해이루어지는데, 본논문에서는서로다른언어로개발되어있는부체계시뮬레이터연동에적합한 (Buss et al., 1998) 표준미들웨어인 HLA/RTI(IEEE 2000) 를사용한다. HLA(High Level Architecture) 는서로다른종류의시뮬레이터들의연동을지원하기위하여정의된분산시뮬레이션표준으로서 2000 년에 IEEE 1516 표준으로채택되었으며 2010 년에개정된 HLA-evolved 버전이 IEEE 표준으로채택되었다. HLA 는분산된환경에서수행되는개별시뮬레이터를페더레이트 (Federate) 라정의하고이들의집합을페더레이션 (Federation) 이라한다. 그리고이러한표준규약이실제소프트웨어로구현된것이 RTI(Run Time Infrastructure) 이다. 5.1 복합체계시뮬레이션을위한 DEVS BUS 이론의 RTI 구현 제 4.2 절의 DEVS BUS 를통한연동이론은 RTI 서비스를통해구현된다. RTI 를통하여연동에참여하는페더레이트는 RTI 서비스가제공하는 API 를통해외부와의정보교환에대한내용을기술해야한다. HLA 프레임워크가제공하는 RTI 인터페이스는공개된총 103 개의서비스함수 API 와페더레이트의 39 개의콜백 (Callback) 함수로이루어진다. 따라서연동에참여할시뮬레이터는 39 개의콜백함수를구현하여 RTI 가자신을호출할수있도록해야한다. 이러한페더레이트를 HLA 규격을만족하는시뮬레이터라하며 HLA-Compliant 시뮬레이터라고부른다. Figure 7. Mapping from DEVS BUS controller to implementation 이러한독립적인페더레이트들은 DEVS BUS 이론을사용하여연동될수있다. 제 4.2 절에서설명한 DEVS BUS 알고리즘들은 RTI 서비스및콜백함수로구현할수있으며필요한 RTI 서비스로는데이터관리와시간관리서비스가있다. <Figure 7> 과 <Table 1> 은 RTI 와 DEVS BUS 의연관성및인터페이스함수의연결을나타내고있다. Table 1. Mapping table from DEVS BUS protocol and RTI API DEVS BUS Data Bus RTI Data Management Service Object : updateattributevalue() (y, t) (x, t) reflectattributevalue() Interaction : sendinteraction() receiveinteraction() Time Sync Bus Time Management Service (*, t) timeadvancegrant() (done, tn) timeadvancerequest() or nexteventreqeust() 데이터버스 (DEVS BUS) 데이터관리서비스 (RTI API) DEVS BUS 의데이터버스는 RTI 의데이터관리 (Data Management, DM) 서비스로구현된다. RTI 의 DM 서비스는 Publish/ Subscribe(P/S) 방식의데이터공유방식을가진다. P/S 방식의데이터전달은비동기전송방식으로서페더레이트와페더레이트사이에공유데이터를두고한페더레이트가데이터를업데이트 (Update) 하면 RTI 를거쳐이데이터를구독하는다른페더레이트들이데이터를반영 (Reflect) 하는형태의데이터전송방식이다. 데이터를구독하는페더레이트들은데이터생산자가누군지알지못한채로 FOM(Federate Object Model) 에정의된데이터를구독한다. 이러한구조는데이터생산자와데이터사용자를시간적 / 공간적으로격리시켜의존성을줄여연동성과재사용성등을높인다. 일반적으로공유되는데이터는오브젝트 (Object) 라하며 Update/Reflect 로이루어지는공유과정을거친다. 반면에페더레이트간의간단한명령을내리는것과같이공유되어야하는데이터가시간이지나도유지할필요가없는휘발성정보인경우에는 Send/Receive 로이루어지는인터액션 (Interaction) 형태의데이터를전달한다. 모델의입출력간의관계를기술한 SCS 는 RTI 에서 FOM 파일과각페더레이트의 P/S API 호출로서구현된다. 페더레이트가발생시키는 (y, t) 메시지는 Update/Send 를통해 RTI 에전달되며이는각페더레이트가구현해놓은 Reflect/Receive 콜백함수를통해해당페더레이트에입력 (x, t) 로서전달된다. FOM 파일에는각오브젝트와인터액션에대한정보가담겨있어서어떠한오브젝트와인터액션이공유되는지를나타낸다. 하나의페더레이션은페더레이트간의공유데이터정보를위해하나의 FOM 파일을공유하며이파일이가진정보에대해각페더레이트가 P/S API 들을호출하는것으로데이터공유가일어날수있게된다 시간동기화버스 (DEVS BUS) 시간관리서비스 (RTI API) DEVS BUS 의시간동기화버스는 RTI 의시간관리 (Time Management, TM) 서비스로구현된다. RTI 의시간관리는각

7 456 Tag Gon Kim Se Jung Kwon Bonggu Kang 페더레이트가다음시간진행을요청하고 (NextEventRequest (NER), TimeAdvanceRequest(TAR)) 그것을 RTI 로부터허락받는 (TimeAdvanceGrant, TAG) 구조로이루어진다. 이것은 DEVS BUS 의다음실행시간을알리는 (done, t N) 메시지와실행허락을받는 (*, t) 메시지에대응될수있다. 따라서각페더레이트는시간진행을하기에앞서다음시간진행시간을요청하고이에따른결과를받을때까지대기하고 RTI 는모든시간요청에대하여논리적시간의인과관계 (Causality) 를유지하는최소시간까지시간진행을허락하면서시뮬레이션을진행한다. 페더레이트에게전달되는 Data 의관점에서본다면 NER 요청은데이터가전달될일이발생했을때무조건처리를요청받는형태로일반적인이벤트시뮬레이션의인터럽트방식과비슷한구조이다. 반면 TAR 은시간진행이허락된시간까지의데이터를모두전달받는 Pooling 방식이다. 각페더레이트가 t N 이라는시간까지의진행을요청했다는뜻은, 현재시간부터 t N 까지는페더레이트실행이일어나지않는다는뜻인데, 그사이에전달되는데이터들에대해서는 t N 시간까지의진행이허락을받을때까지처리되지않는다. 페더레이트를구현하는 M&S 전문가는이러한차이를잘구분하여시간동기화요청 API 를호출해야한다. 까지 M&S 절차에이러한전문가들의협력을이끌어내기위한방법론을제공한다 (Sung et al., 2012). 마찬가지로협동모델링방법론은복합체계개발에도적용될수있다. 이미개발된부체계시뮬레이터들간의연동으로이루어지는복합체계에서도국방전문가, M&S 전문가, 플랫폼전문가의협동복합체계모델링이필요한데, 다음 <Figure 9> 와같다. Figure 8. Expert cooperation for M&S(Sung et al., 2012) 5.3 RTI 를통한복합체계모델개발방법론 본논문이제안하는복합체계모델개발방법론은목표체계를모델링하기위해협동모델링방법론 (Sung, 2011) 을적용하여국방전문가, M&S 전문가, 플랫폼전문가의협조체제구축을통해각분야전문가들의협조체계아래서목표체계를모델링하고연동체계를구현할수있도록한다. 모델링및시뮬레이션과정은체계에대한지식을바탕으로추상적인행위들을모델링하여모델을설계하고이러한모델을실행하여원하는결과를분석하는과정들로이루어진다. 이러한과정에서해당체계의도메인의지식없이는제대로체계를추상화할수없기때문에해당도메인의전문가가참여해야하며, 적합한모델설계와시뮬레이션이론제공을위하여 M&S 공학전문가가필요하다. 또한컴퓨터프로그램, 네트워크, 데이터베이스등을통해시뮬레이터가구현되어실행되기때문에플랫폼전문가가참여해야한다. 특히국방 M&S 에서는도메인지식이제한적으로공개되어있어 M&S 공학전문가, 플랫폼전문가들만으로국방시뮬레이터가제대로개발되고사용되기가현실적으로불가능하다. 또한군사학을공부한국방지식을가진교관이모델을구현하여시뮬레이터를제작한다는것도쉽지않은일이다. <Figure 8> 은이러한각각의엔지니어가어떤전문성을가지며어떤상호작용을하는지에대한그림이다. 각엔지니어는서로협업을할수있는분야가조금씩다르며서로간의상호작용을통해 M&S 프로세스의각부분을담당할수있다. 협동모델링방법론은설계에서부터국방시뮬레이터를완성하기 Figure 9. Cooperative process for SoS development <Figure 9> 에서복합체계개발은목적정의및개념분석, 복합체계설계, 복합체계개발, 복합체계통합및테스트순으로이루어진다. 복합체계설계에해당하는목적정의및개념분석은주로도메인전문가, 즉국방전문가에의해서이루어지며개발할시뮬레이터의목적, 요구사항등이정리된다. 특히, 국방모의수준에따른모델수준분류등에따라어떤종류의모델이필요한지식별해야하며그들간에공유되어야하는정보에대해명시해야한다. 이어서복합체계설계단계에서는국방전문가와 M&S 전문가가함께어떤부체계모델이필요한지식별한다. 특히, 국방전문가에의해서만들어진공유정보에대해서인터페이스모델이설계되어야하는데이것은 M&S 전문가에의해서이뤄진다. 설계된모델은 M&S 전문가와소프트웨어전문가에의해실제시뮬레이터로구현되며통합과정을거쳐최종구현물이발생한다. 최종적으로구현된

8 Modeling and Simulation Methodology for Defense Systems Based on Concept of System of Systems 457 복합체계시뮬레이터는각분야전문가들의테스트를거쳐데이터분석및평가에사용된다. 이러한복합체계모델개발방법론은좀더세부적으로나누어서 Top-down 접근법과 Bottom-up 접근법으로정리할수있다. Top-down 접근법은시뮬레이터개발과정에서연동을고려하여개발을진행하는것이며, Bottom-up 접근법은기존시뮬레이터들의연동을위한접근으로서재사용성의초점을맞춘것이다. Top-down 방식은 M&S 목적으로부터새로운체계를개발할때사용하는방법으로페더레이션을구성할복합체계모델 (M sos ) 을개발한후에이에맞게각시뮬레이터와인터페이스를설계한다. 상세한시뮬레이터설계의결과로서는시뮬레이션모델이생성되며이러한모델은각각의시뮬레이터로구현된다. RTI 에서의인터페이스설계의결과물은 FOM 파일에해당하며시뮬레이터와인터페이스결과물은복합체계통합과정을통해복합체계를이룬다. Bottom-up 방식은이와반대로기존의시뮬레이터를재사용하는것에초점을맞춘다. M&S 목적으로부터필요한시뮬레이터를식별하고그들의재사용성을조사한다. 외부인터페이스를제공하지않거나 RTI API 들을사용하여연동하는것이불가능하면연동시뮬레이션에참여할수가없다. 식별된재사용시뮬레이터들은연동에맞게수정되어야하며인터페이스규격에따라인터페이스결과물이생성된다. 이러한인터페이스와수정된시뮬레이터들은복합체계를이루도록통합되어연동시뮬레이션이가능한형태가된다. 이러한 Bottom-up 접근법은기존시뮬레이터들을연동하고그사이의인터페이스를설계하기때문에시뮬레이터재사용으로인하여개발비용이감소한다. 그러나기존시뮬레이터에대한잦은수정으로인해안정성이떨어지고비용이증가하는부담이생긴다. 반면 Top-down 접근법은처음개발당시부터연동을고려하기때문에연동이용이하다는장점이있으나새로운모델을개발하는것에따른비용이증대된다. 6. 사례연구 국방시뮬레이터는시뮬레이션목적에따라훈련용, 분석용, 획득용, 그리고전투실험용으로분류된다. 훈련용시뮬레이터는지휘관및참모의훈련목적으로사용될수있고, 분석용시뮬레이터는전력구조분석, 전술평가및대안분석에사용될수있다. 획득용시뮬레이터는체계설계검증및시험평가에사용될수있고, 마지막으로전투실험은미래전투발전요소 (DOTMLPF) 의제안및검증에사용될수있다 (Kim, 2012). <Table 2> 는 KAIST SMS 연구실에서개발된다양한복합체계 M&S 사례이다. 훈련용 M&S 연동체계사례의경우, 이산사건체계명세 (DEVS) 실행도구인 DEVSim++(Kim et al., 2011) 를이용하여개발한청해, 창공, 천자봉모델과미군의 CBS, Table 2. Case studies of defense SoS M&S RESA 모델등을한미연합훈련에연동한사례가이에해당한다. 분석용 M&S 연동체계사례의경우, 교전급과공학급연동을통한수상함방어체계가대표적인사례이다. 연속체계의모델및알고리즘표현을위해, MATLAB/Simulink 을사용하여모델을개발한후, 이를 DEVSim++ 으로개발된교전분석모델과연동한사례이다. 획득용 M&S 연동체계사례의경우, 임무급과공학급연동을통한통신효과를반영한전투효과도측정이이에해당한다. 워게임의통신효과를표현하는과정에있어서통신모델은통신에특화된 OPNET 을사용하였다. 마지막으로전투실험 M&S 연동체계사례의경우, UNITY 3D 게임엔진으로개발된교전급시뮬레이터와화학적구름을세포오토마타모델로구현한공학급시뮬레이터를연동한사례이다 (Kim, 2013). 각연동사례의복합체계를구성하는부체계시뮬레이터들은모두독립적으로실행가능한시뮬레이터들이다. 각시뮬레이터들을새로운요구사항에맞게인터페이스 (FOM) 를설계하고 RTI 를통해연동하였다. 이를통해더욱정밀한결과를내거나상호운용분석을하거나지리적으로멀리떨어진시뮬레이터들의연동시뮬레이션을이루는등의성과를얻을수있었다. 제 6.1 절에서는이러한사례들중통신효과를반영하기위해통신시뮬레이터와워게임시뮬레이터를연동한획득용복합체계시뮬레이터에대해서자세히다룸으로써, 국방체계의요구사항으로제시한연동체계와상호분석이어떻게이루어지는보인다. 6.1 사례연구 : 워게임모델과통신모델의연동을통한복합체계연동시뮬레이터구현 실제의전장환경은 <Figure 10>(a) 에서와같이부대원들이통신효과를가지는무전기를통해교전상황을통신하며전투를수행하기때문에통신효과에대한체계와전투에대한체계로이루어진복합체계로분류할수있다. 이러한복합체계인전장환경을모델링하는경우에있어서, 기동, 탐지, 교전과같은전투논리적측면과무전기와같은전장기능적측면으로나누어생각해볼수있고, 각각은도메인에특화된 M&S

9 458 김탁곤 권세중 강봉구 도구인 DEVSim++ 와 OPNET 를사용하여개발한다. 해주어야한다. 따라서 M war 은출력으로서위치 (Pos) 와통신장비성능 (Par) 을내보내어업데이트한다. 이정보는 M com 에전달되어반영된다. 워게임모델에서음성이나데이터가발생하면통신효과를반영하기위해서통신모델을거쳐서다시워게임모델로돌아오게되는데, 이때 Voice Send/Receive, Data Send/ Receive 를통해서데이터가전달된다. Figure 10. SoS M&S for wargame simulator and communication simulator 실제전장환경은각독립된시뮬레이터 ( 부체계 ) 가동일한전장환경을반영하고있기때문에, 이를묘사하기위해서는각부체계들의시뮬레이터들을 HLA/RTI 가제공하는연동환경을통해 <Figure 10>(b) 와같이하나의복합체계연동시뮬레이션환경으로구성한다. 이와같은연동시뮬레이션을통해 <Figure 10>(c) 와같이워게임시뮬레이터를중심으로는통신효과를반영한전투력을측정할수있고, 통신시뮬레이터를중심으로는작전시나리오하에서의통신장비의성능을측정할수있다 복합체계모델링및구현사례연구의목적은포병대대의후방지원을받는보병연대의방어작전의효과도를분석하는것으로복합체계모델은워게임시뮬레이터와통신시뮬레이터로구성된다. 워게임시뮬레이터는포병대대가후방에서지원하는보병연대급규모의모델로설계된다. 1 개의보병연대는보병대대에서보병소대에이르기까지계층적인구조로구성되며화력지원은박격포및포대에의해이뤄진다. 각모델은 DEVS 형식론을사용하여모델로표현되고, 탐지, 기동, 지휘통제, 전투, 화력지원 5 개의원자모델중일부를하위모델로갖는결합모델로표현된다. DEVS 형식론으로표현된모델은 DEVS 모델실행환경인 DEVSim++ 도구를사용하여시뮬레이터를구성한다. 통신시뮬레이터의경우위와동일한연대급규모로구성되며, 실제군에서사용중인공학급수준의음성 FM 무전기및통신망으로설계된다. 무전기및통신프로토콜까지의계층적인표현을위해, 통신분야에서가장많이사용되고, 객체지향적모델링이가능한 OPNET 을사용하여시뮬레이터를구성한다. 이러한구성을복합체계모델형식론으로나타내면 <Figure 11> 과같다. M sos 는워게임시뮬레이터 M war 와통신시뮬레이터 M com 로구성되어있다. 실제전장환경에서와같이워게임시뮬레이터와통신시뮬레이터는동일한환경에존재하여야한다. 예를들어, 워게임시뮬레이터의부대가이동하는경우부대에서소유하고있는통신장비도이동할것이고, 이와같은위치변화를통신장비를표현하고있는통신시뮬레이터에도반영 Figure 11. Designed SoS model 위와같이모델링된복합체계모델은 <Figure 10>(b) 처럼연동체계를통해구현된다. 이를위해, 각개발된시뮬레이터를미들웨어인 HLA/RTI 를사용하여연동하였고, 전체연동환경및연동시필요한 FOM 을 SCS 정보를기초로하여개발하였다. SCS 정보에따라필요한클래스들을선언하였으며이것을 FOM 에기술함으로써시뮬레이터들이필요한정보를공유할수있도록하였다. FOM 설계및각시뮬레이터구현에대한자세한내용은 (Kim, Kim and Sung, 2012) 에상세하게기술되어있으며방법론을제안하는본논문에서는생략하였다 복합체계의상호분석결과 (Kim, Kim and Sung, 2012) 연대방어작전의개념을단순하게기술하면아래와같다. 적군은아군부대격멸을위해공격작전을실시하고, 아군은이를방어하기위해적의전투력을최대한감소시킨다. 공격시작시, 적지종심에서수색소대가탐지정보를연대지휘소에보고하고, 연대지휘소는포병대대의포대를통해적을공격한다. 수색소대를통과하여진출한경우, 보병부대가이를탐지하여직접포병대대에게화력요청을하거나직속박격포를사용하여공격한다. 마지막으로방어진지까지진출시, 소총을이용한근접전투를수행한다. 국방 M&S 의목적은모의실험을통해지휘관으로하여금최적의의사결정을할수있도록도와주는것이다. <Figure 12> 와같이지휘관은위와같은작전개념에서두가지관심사를가지게되는데, 전투논리적인측면에서볼때의주어진장비및체계를사용했을때의작전성공률과전장기능적인측면에서볼때의어떤작전성공률을달성하기위한장비및체계의최소성능이다. 따라서각각에대한실험을진행하여실험 1 은전투논리적인측면에서주어진파라미터에대한전투효과도를측정하며, 실험 2 는전장기능적인측면에서무전기장비의필요성능을구한다.

10 복합체계개념에기반한국방체계모델링시뮬레이션방법론 459 이최소 0.08W 이상을만족해야한다는것을확인할수있다. 위의두실험에서와같이, 전투논리적측면과전장기능적측면모두를연동을통해측정할수있다. 이와같은복합체계의상호분석을통해, 전투논리측면에서는임무및교리개발에사용될수있고, 전장기능적측면에서는특정한임무달성을위해필요한무기체계의성능을측정할수있다. Figure 12. Experimental Objective(Kim, 2013) 실험 1 의목적은통신효과를반영한전투효과도를측정하는것으로실험결과는아래의 <Figure 13>(a) 와같다. 통신효과가고려되지않은경우, 통신지연을표현하지않기때문에적을공격하기용이하여적의생존율이크게감소한것을확인할수있다. 통신효과가반영되는경우에대해서는적의생존율이비슷한경향으로감소하는것을볼수있고, 이를통해통신시뮬레이터가실제통신장비를사실성있게묘사하고있음을확인할수있다. 특히, 포병화력운용과정에서통신사용이많기때문에근접전투시작전인 6000 초까지적생존율에서많은차이를보이고이러한데이터를통해주어진통신파라미터에따른전투력을구할수있게된다. 실험 2 의목적은전투효과도를만족하는무전기의최소송신출력을측정하는것으로, 0.04W, 0.08W, 0.16W 총 3 가지경우에대해실험을수행한다. 실험결과는아래의 <Figure 13>(b) 와같다. 0.04W 경우는 3000 초이상, 0.08W 과 0.16W 의경우는 300 초이상에서적생존율이감소한다. 이는 0.04W 의경우무전기의통달거리가수색소대와연대지휘소의거리인 7.8Km 보다짧아, 통신이불가능하기때문이다. 0.08W 이상인경우통달거리가증대되어, 통신을통한화력지원요청이가능하여원거리공격이가능하기때문이다. 이를통해무전기의송신출력 7. 결론 지금까지국방체계를위한복합체계 M&S 를위한방법론을제안하고이에대한실제구현예시를보였다. 복합체계로서의국방체계 M&S 의중요한요구사항은크게재사용을위한연동과상호분석이다. 국방체계 M&S 는연동을이용한복합체계로구성됨을통해서기존에개발되어있는국방모델들을재사용할수있으며유지성을높일수있다. 특히, 서로다른종류의체계를모사한경우에연동체계를통해새로운요구사항을만족시킬수있다. 또한상호분석을통해국방체계의다양한측면을고려함으로써국방체계혁신을위한효과적인해결책을얻을수있도록한다. 제안하는복합체계 M&S 프레임워크는모델개발을위한형식론과 DEVS BUS 를통한연동이론을제공하며이러한과정이다양한전문가들이함께참여하여이루어지도록한다. DEVS BUS 연동이론은다양한미들웨어를통해구현될수있으나서로다른체계시뮬레이터들간의연동에적합한표준미들웨어인 HLA/RTI 를사용함으로써연동체계의재사용성, 결합성, 유지성등을더욱높일수있다. 제안된복합체계기반국방체계 M&S 방법론은 LVC 연동체계구축에도적용될수있으며구축된연동체계는훈련, 분석, 획득및전투실험들에다양하게활용될수있다. (a) Experiment 1 : Enemy Survivability according to different communication effects Figure 13. Experimental results(kim, Kim, and Sung, 2012) (b) Experiment 2 : Enemy Survivability according to radio powers

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