Computation of Maintainability Index Using SysML-Based M&S Technique for Improved Weapon Systems Development

SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션 기법을 활용한 무기체계 정비도 지수 산출

Abstract

Maintainability indicates how easily a system can be restored to the normal state when a system failure occurs. Systems developed to have high maintainability can be competitive due to reduced maintenance time, workforce and resources. Quantification of the maintainability is possible in many ways, but only after prototype production or with historical data. As such, the graph theory and 3D model data have been used, but there are limitations in management efficiency and early use. To solve this problem, we studied the maintainability index of weapon systems using SysML-based modeling and simulation technique. A SysML structure diagram was generated to simultaneously model the system design and maintainability of system components by reflecting the maintainability attributes acquired from the system engineering tool. Then, a SysML parametric diagram was created to quantify the maintainability through simulation linked with MATLAB. As a result, an integrated model to account for system design and maintainability simultaneously has been presented. The model can be used from early design stages to identify components with low maintainability index. The design of such components can be changed to improve maintainability and thus to reduce the risks of cost overruns and time delays due to belated design changes.

정비도는 시스템에 고장이 발생하였을 때 얼마나 쉽게 정상 상태로 복구할 수 있는가를 나타내는 것으로서, 좋은 정비도를 갖도록 개발된 시스템은 정비시간, 정비인력 및 소요자원 등의 절감을 통해 무기체계의 운용유지비용 관점에서 경쟁력을 갖게 된다. 시스템설계 후반기에서의 정비도 반영을 위한 설계변경은 비용 초과와 일정 지연을 초래할 수 있어서 설계 초기단계부터 정비도를 고려할 필요가 있다. 정비도는 평균수리시간, 평균실정비시간 등으로 정량화할 수 있으나, 이는 시제품 제작 이후 또는 이력데이터가 있는 경우에만 추정가능하고 시스템 구성품의 물리적 특성을 나타내지 못하는 제약이 있다. 이점을 해결하기 위해 기존 논문에서는 그래프 이론을 활용하였으나, 일련의 과정이 개별적으로 독립된 환경에서 수행되어 전체과정에 대한 관리의 효율성이 부족하다. 또한 3D 모델 데이터를 활용하여 설계단계에서 정비도 평가방법을 제시하였으나, 새로운 시스템 설계시 또는 설계초기에 적용할 때 제약이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션 기법을 활용하여 무기체계의 정비도 지수를 산출하는 방법을 연구하였다. 특히, 시스템 설계 및 정비도 추정을 동시에 고려하기 위해서, 시스템공학 도구 상의 정비속성 및 속성간 관계 값을 SysML 구조 다이어그램에 반영하여 구성품의 정비도를 모델링하였다. 그리고 나서 SysML Parametric 다이어그램을 생성하고 MATLAB과 연계한 시뮬레이션을 통해 정량적인 정비도 지수를 산출하였다. 본 연구결과를 활용하면, 설계초기부터 시스템 모델과 정비도 모델의 통합으로 효율적 관리가 가능하고, 정비도 지수가 낮은 구성품을 조기에 식별하여 설계 후반기에서의 설계변경에 따른 비용 및 일정에 대한 위험을 감소시킬 수 있다.

Fig. 1. MBSE and Maintainability M&S Integration

Fig. 2. M&S process proposed in the paper for calculating maintainability index

Fig. 3. Generation of maintainability model

Fig. 4. Definition of constraint block

Fig. 5. Creating instances and setting relation between attributes

Fig. 6. Creating parametric diagram

Fig. 7. BDD of maintainability model

Fig. 8. Creating instances and making relation for design alternative 1

Fig. 9. UI config and UI design for simulation(a) UI Config (b) UI Design

Fig. 10. Result of simulation

Table 1. Maintainability attributes

Table 2. variables of instances