Many countries are promoting a revolution in military affairs (RMA) or a military reform plan (MRP) in preparation for future warfare. One of the concrete grounds driving such a plan and revolution is that the information technology provides unprecedented applications for the development of next-generation platforms or weapons, such as stealth fighters, guided weapons, or mobile countermeasures Since it requires tremendous time and cost to construct these combat platforms/weapons, performance analysis reflecting military requirements and tactical development for their effective fulfillment are consistently needed from the beginning of the construction. Modeling and simulation (M&S) is devised to take advantage of these opportunities and accompanying M&S techniques have matured to the point where they are useful. As with all M&S applications, the success of defense M&S relies on determining the exact target system to be modeled and understanding several challenges, all drawn from military experience, that are necessary for the M&S development.
Our target system, in this dissertation, is an individual combat entity (e.g., a next-generation platform or weapon) for an engagement level combat simulation. Thus, we propose combat entity M&S methodology for engagement level defense systems. To achieve above requisites, this dissertation centers on four issues: 1) conceptual model design, 2) detailed model design, 3) model simulation, and 4) simulation experimentation. In detail, we, first, propose a two-dimensional (2-D) model partition method for conceptual modeling of the combat entity, which partitions it depending on the model scope horizontally and the level of detail vertically. The proposed method guarantees transparent simplification of the combat entity and facilitates flexible model composition when simulating in the centralized as well as the distributed environments. Second, we provide the detailed model design on the basis of the DEVS (Discrete event system specification) formalism with two points: 1) a combat entity’s model structure at the composition level and 2) behavioral delineation of the entity’s elementary component. We classify a combat entity model into platform and weapon models and the elementary component in the group interprets an engagement scenario as a flow of executable tasks depending on its activity. This stated semantics provides intuitive appeal, reducing the effort required to read and understand the model’s behavior. Third, we explain two kinds of model execution, or simulation, methods about how the proposed models simulate effectively: the integration and the interoperation methods. We facilitates flexible model composition when simulating in the centralized as well as the distributed environments. Finally, we conduct simulation experimentation. The outcomes of various experiments show the usefulness of the proposed work, such as how the factors influence the measures of effectiveness (MoEs) of the scenario.
To demonstrate contributions of our proposed M&S methodology, we measure and evaluate model composability and reusability, which have been longstanding goals within the defense M&S communities, during simulations of four engagement scenarios. The measurements greatly advances model composability and reusability for a single scenario as well as incrementally developed scenarios, and it also offers an immediate practical application for the M&S development of entity-level combat systems including next-generation combat entities. These results give the modeler important guidelines for composition and reuse of models.
The successful execution of this study greatly improves the reusability of combat entities as well as the scenarios, and it also offers an immediate practical application for testing new tactical development with next-generation combat entities.
현재 선진국을 중심으로 각 국은 21세기 미래전 양상에 대응하기 위해 군사력을 정비/전환하는 국방개혁 또는 군사혁신업무를 활발히 추진하고 있다. 이러한 혁신을 추진하게 된 구체적인 배경은 차기 전투기/잠수함, 자항식 기만기, 선유도 어뢰와 같은 새로운 개념의 차기 전투 플랫폼/무기 체계의 소요제기와 더불어 이들을 활용한 새로운 임무 개발에 대한 요구 사항이 증가하고 있기 때문이다. 특히, 차기 전투 플랫폼/무기 체계는 개발에 막대한 예산과 기간이 소요되기 때문에 개발 초기 단계부터 체계의 성능 분석을 통한 군 요구의 적절성 검토와 함께 이들을 효과적으로 운용할 수 있는 전술/교리를 개발하는 과정이 지속적으로 요구된다. 모델링 시뮬레이션(M&S: Modeling and Simulation)은 이러한 성능 분석과 전술/교리의 시험 평가에 좋은 대안으로써, 최근 많은 국내o외 사례에서 전투 플랫폼/무기 체계의 개발 초기 단계에서부터 성능 요구사항의 적절성 파악과 전술/교리 개발 및 분석을 위해 M&S를 활용하고 있다.
차기 전투 플랫폼/무기 체계의 M&S 적용은 전장에서 활용되는 체계의 공학적 성능 측면인 전장 기능과 이를 운용하는 전술/교리와 같은 전투 논리를 융합한 교전 효과도를 측정하는 데 목적이 있다. 이러한 성능/교전 효과도의 분석은 그 복잡성으로 인해 M&S 개발이 단번에 이루어지기 보다는 반복/점진적으로 이루어지는 경우가 많다. 그리고 세부 전투 논리나 공학 성능은 M&S 개발 도중에 변경될 수 있으며 이로 인해 일부 모델의 수정/확장은 필수적이다. 또한, 차기 전투 플랫폼/무기 체계의 M&S 과정은 체계 개발 전(前) 단계라 실제 운용이 불가능하기 때문에 반복적인 M&S를 통해 기존의 전투 논리의 예상치 못한 문제점을 발견하고 개선하거나 제안된 전장 기능 요구사항이 적절한 지를 검토하고 수정해야 한다.
이러한 이유로 차기 전투 플랫폼/무기 체계의 효율적인 전투 평가를 위해서는 체계를 전장 기능 요소와 전투 논리 요소에 따라 부 체계 별로 세분화하여 모델링하는 것이 필요하고, 이러한 모델링 결과는 M&S 적용 전(全) 단계에 걸쳐 목적에 따라 부 체계의 수정/확장이 용이해야 한다. 따라서 본 연구는 성능/교전 효과도 분석에 적합한 모델링 시뮬레이션 방법론을 제안한다. 모델링 대상은 차기 전투 플랫폼/무기 체계로써 수상함, 잠수함, 항공기 등과 같은 전투 세력과 어뢰, 미사일, 기만기 등과 같은 무장 세력이 해당되며 이들을 통칭하여 ‘전투 개체’라고 정의한다. 제안하는 방법론의 궁극적인 목적은 해당 전투 개체의 전장 기능 요소와 이를 운용하는 전투 논리 요소를 융합한 상호 분석적인 전투 평가(효과도)를 도출하는 것이다. 이를 위해 본 연구는 제안 방법의 내용과 범위에 따라 개념 모델 설계, 상세 모델 설계, 모델 구현, 그리고 실험으로 나누어 설명한다.
먼저, 제안하고자 하는 개념 모델 설계는 전투 개체 모델의 핵심 활동인 전술 운용 측면에서 전투 논리 요소를 세분화하여 제시하고 이를 전장 기능 요소와 결합하여 전체 모델을 구성하는 방안이다. 이러한 모델 설계 방법을 본 연구에서는 2차원 모델 분할 기법이라 제안하였다. 제안하는 기법은 전장 기능 요소 뿐 아니라 전투 논리 요소 측면에서도 부 모델의 재사용이 용이하고, 성능/교전 효과도의 상호 분석 과정 중에 발생하는 부 모델의 수정/확장에 유연한 장점이 있다. 두 번째로, 상세 모델 설계 단계에서는 2차원 모델 분할 기법으로 설계된 전투 개체의 구조적 모델에 대하여 과업, 행동과 같은 모델 행위의 의미론을 수학적으로 표현하기 위해 DEVS (Discrete Event Systems Specification) 형식론을 활용한다. DEVS 형식론을 이용한 의미론의 명확한 표현은 모델의 동작을 이해하고 해석하는 데 보다 용이하고, 모델링을 수행할 때 실세계 영역과 모델링 영역 간의 의미적 차이 없이 실세계를 효과적으로 반영할 수 있게 한다. 세 번째로, 모델 구현을 위해 DEVS 형식론으로 기술된 전투 개체 모델은 기 개발된DEVS 시뮬레이션 엔진 DEVSim++로 구현된다. 특히, 전투 개체 모델들 간의 상호 작용을 위해서는 복합 체계에 대한 시뮬레이션 기법이 필요한데 본 연구에서는 모델 결합과 모델 연동을 설명한다. 마지막으로 시뮬레이션 실험을 통하여 해군 수중 교전 상황에 대하여 여러 전투 개체들의 교전 효과도를 분석한다. 제안하는 모델링 시뮬레이션 방법론을 이용하면 교전 시나리오의 점진/반복적인 개발 과정 중에서도 모델의 수정을 최소화할 수 있으며, 상호 분석적인 성능/교전 효과도를 평가하기 위해 미래 전투 개체들의 성능 요구 사항을 도출함과 아울러 교전 효과도를 높이기 위한 전술 개발에 활용될 수 있다.
국방개혁 2020 및 전시작전권 환수에 대비하여 정예과학기술군 실현을 위하여, 새로운 무기 개체를 기획하고, 획득하고, 운용하는 일련의 과정에서 국방 M&S가 폭넓게 사용되고 있으며 그 소요가 더욱 증가하고 있다. 장기적으로 볼 때 본 연구에서 제안하는 모델링 방법론의 활용은 7대 전투발전요소 중 전술/교리와 무기/장비 요소 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 향후 연구로는 이러한 전투 개체의 모델을 개별적으로 개발한 다음에 합성 환경을 제공하는 환경 개발을 목표로 한다.
