- 해당 컨텐츠는 (주)모아소프트에서 2022 한국군사과학기술학회 종합학술대회 체계공학 분야에 제출했던 논문으로 ‘신뢰도 예측 최신 기술 동향과 우리 군의 적용 방안’ 을 주제로 발표되었습니다.
신뢰도 예측 최신 기술 동향과 우리 군의 적용 방안
이은희* 안진희*
* (주)모아소프트
ABSTRACT
Reliability-based design provides directions to help design a more stable and cost-effective system. Therefore, reliability is more important in the development of a highly functional and multifunctional weapon system due to the 4th Industrial Revolution. It is intended to solve the aging problem of the reliability prediction model published in the 1960s, reflect technological advances, maximize mission performance, and present new reliability prediction measures to reduce costs during the total life cycle.
Key Words : Reliability, Reliability Prediction, MIL-HDBK-217F, ANSI/VITA 51, PoF, ESS
1. 서론
(보안상 비공개내용으로 생략)
현재 우리 군은 신뢰도 예측 시 1950년대 미 국방부(DoD)에서 발간한 MIL-HDBK-217을 적용하고 있다. 이는 약 70년 전에 발간된 신뢰도 예측 표준서로, 1995년에 마지막 업데이트 이후 새로운 버전이 발간되지 않고 있다. 산업 기술은 점점 발전하는 데 비해 오랜 시간 동안 개정이 이루어지지 않아 발전된 기술에 대한 적용이 이루어지지 않고 있다. 또한 MIL-HDBK-217은 욕조곡선의 초기결함 구간과 마모 노화 구간을 고려하지 않고 우발고장(운용) 구간에 대한 고장률만 고려하여 신뢰도 예측 및 향상에 많은 제약이 있다.
(보안상 비공개내용으로 생략)
2. 미 GAO 신뢰도 저하에 따른 권고사항
2020년 미 GAO(Government Accountability Office)에서 작성한 「Senior Leaders Should Emphasize Key Practices to Improve Weapon System Reliability」 문서에 따르면 신뢰도 저하는 운용 및 유지비용에 영향을 미치며, 이는 무기체계 총수명주기 비용의 약 70%를 차지한다고 보고했다. 미 국방부도 무기체계의 결함이 체계 성능을 제한하고 운영 및 유지비용을 증가시킨다고 보고했다. 이에 신뢰도의 중요성을 인식하고 문제의 해결 방안을 식별하기 위해 일반산업 분야의 신뢰도 관리 방안을 조사했다.
(보안상 비공개내용으로 생략)
체계의 신뢰도를 높이기 위해서는 다양한 신뢰도 엔지니어링 활동을 수행해야 하고, 신뢰도 목표를 달성하기 위해서는 기존의 신뢰도 분석 방법 외에 PoF(Physics of Failure) 도구를 활용한 신뢰도 분석 등 최신 기술 적용이 필요하다. PoF는 피로, 파괴, 마모 및 부식과 같은 고장의 근본 원인에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 포함한다.
(보안상 비공개내용으로 생략)
3. 신뢰도 예측을 위한 최신 기술 – ANSI/VITA 51
[Fig. 1. ANSI/VITA 51 신뢰도 사양 로드맵(VITA – Reliability Community 참조)]
VITA 51 워킹그룹은 오래된 신뢰도 예측 모델에 대한 문제를 보완하기 위해 기존의 신뢰도 예측 방법을 조정하고 새로운 접근방식으로 ANSI/VITA 51 신뢰도 예측(Reliability Prediction) 표준서를 발간했다. 이는 ANSI/VITA 51.0, 51.1, 51.2, 51.3으로 이루어져 있다.
ANSI/VITA 51.0은 신뢰도 모델에 대한 기본 표준을 기술하였으며, 1950년대에 발간되어 발전된 기술을 반영하지 못하는 MIL-HDBK-217에 대한 조정 요소를 제공하기 위해 ANSI/VITA 51.1을 발간했다. 또한 마모 노화 구간의 신뢰도 예측을 위해 환경 스트레스 검사 및 자격 검사로 전자 모듈 신뢰도 예측을 지원하는 방법을 지정하기 위해 ANSI/VITA 51.3과 고장 분석에 대한 물리학을 기반으로 한 새로운 접근법을 확립하여 초기결함 구간에 대한 신뢰도 예측을 제공하기 위해 ANSI/VITA 51.2를 발간했다.
4. 최신 신뢰도 예측 기술의 우리 군 적용 방안
(보안상 비공개내용으로 생략)
먼저 초기결함 구간의 고장은 대부분 제조상의 결함으로 인해 발생한다. 이 구간의 고장을 줄이거나 제거하기 위해 ANSI/VITA 51.3을 적용하여 환경 스트레스 스크리닝(ESS)을 실시한다.
(보안상 비공개내용으로 생략)
다음으로 우발고장 구간은 초기결함 구간의 고장이 제거된 후부터 마모 노화 전까지의 구간으로, 이때의 고장은 무작위로 발생하게 된다. 이 구간의 고장률을 예측하기 위해서는 몇 가지 가정이 필요하다. 첫째, 초기고장은 제거되어 발생하지 않고 둘째, 환경 스트레스 스크리닝(ESS) 이후는 입증된 수명 내에 있으므로 고장이 발생하지 않는다고 가정한다. 이러한 가정하에 ANSI/VITA 51.1을 적용하여 신뢰도를 예측한다.
일반적으로 스트레스 및 변형으로 인한 마모와 노화는 전자 모듈 고장의 주요 원인이다. 이를 예측하여 피로와 운용 메커니즘의 영향을 완화할 수 있도록 PoF 기반 신뢰도 예측 방법인 ANSI/VITA 51.2를 적용하여 마모 노화 구간의 고장을 예측한다.
5. 결론
앞서 살펴본 신뢰도 예측 표준서는 주로 일정한 고장률 또는 MTBF를 예측하는 데 사용된다. PoF 모델은 일반적으로 마모 지표를 생성하는 데 사용되고, 신뢰도 예측 모델을 적용하여 예측한 MTBF와는 별개로 제품의 수명 추정치를 제공한다. 이 두 개념은 혼합하여 사용 가능하고, 혼합된 모델은 RBD, FTA 또는 기타 시스템 모델링 접근 방식을 활용하여 주요 고장 메커니즘을 가용도 또는 신뢰도 평가에 결합할 수 있다.
(보안상 비공개내용으로 생략)
References
[1] American National Standards Institute, Inc.,「ANSI/VITA 51.0」, 2018
[2] American National Standards Institute, Inc.,「ANSI/VITA 51.1」, 2018
[3] American National Standards Institute, Inc.,「ANSI/VITA 51.2」, 2016
[4] American National Standards Institute, Inc.,「ANSI/VITA 51.3」, 2016
[5] GAO,「Senior Leaders Should Emphasize Key Practices to Improve Weapon System Reliability」, GAO-20-151, 2020
