This thesis proposes Threat Plane Method (TPM) as a methodology to develop an optimal operational rule of an arbitrary autonomous system that deals with multiple threats and the TPM is applied for a missile defense problem on a warship. With the TPM, an optimal operational rule is obtained as a combination of threat level function (TLF) and Threat Level Reduction Problem (TLR), where a strategy that optimally re-duces the threat level, defined by TLF, is searched for. The variable threat level represents how threatening each threat is and a new concept called threat plane is introduced for its calculation and visualization. The threat plane is a plane whose lateral axis represents urgency and vertical axis represents survivability, and threats are located on the plane according to their urgency and survivability. The threat level, a function of the urgency and the survivability (TLF), is evaluated for each threat according to its urgency and survivabil-ity. A strategy that a system takes changes urgency and survivability of a threat, and therefore following re-duction in the threat level shows how effective the strategy is. The TLR is an optimization problem where a strategy that makes the most effective reduction is to be found, and its solution is then executed. Since hav-ing different TLF and TLR changes how threats and strategies are evaluated, defining an appropriate TLF and TLR is the main goal of the TPM.
This thesis aims to introduce the key concepts of the TPM and to show its potential in the real missile defense application on a warship. Therefore, after the general concept of TPM introduced, a TLF and two TLR, called STLR(static-TLR) and STLR-C(static-TLR with cost considered), for the application are derived. It is proved that TLR is a generalized formulation of Weapon Target Assignment Problem (WTA), and it is shown that TLR takes multiple decision criteria into consideration that WTA cannot. Analysis on optimal solutions of TLRs showed that 1) TLRs can provide appropriate strategies by considering multiple criteria and 2) the effect of the strategies can be visualized by the threat plane so that operators of the defense system can well understand decision procedures of the system.
본 연구는 다수의 위협에 대응하는 임의의 자율 시스템의 최적 운용 규칙을 설계하기 위한 방법론으로 Threat Plane Method(TPM)을 제안하고, TPM을 함정의 미사일 방어 문제에 적용하였다. TPM에 의하여 최적 운용 규칙은 threat level function(TLF)과 TLF로 정의된 위협 수준을 최적으로 감소시키는 전략을 찾는 문제인 Threat Level Reduction Problem(TLR)로 도출된다. 위협 수준이라는 변수는 각 위협이 얼마나 위협적인가를 나타내며, 위협 수준의 계산과 시각화를 위하여 위협 평면이라는 개념이 제안되었다. 위협 평면은 긴급도를 가로축으로, 생존율을 세로축으로 갖는 평면으로 각 위협이 긴급도와 생존율에 따라 위협 평면 위에 배치되고, 긴급도와 생존율에 대한 함수인 TLF에 따라 각 위협의 위협 수준이 계산된다. 시스템이 취할 수 있는 전략은 위협의 긴급도와 생존율을 변화시키고, 그에 따른 위협 수준의 변화는 각 전략이 얼마나 효과적인가를 판단하는 척도가 된다. 따라서 최적 문제인 TLR에 의하여 위협 수준을 가장 효과적으로 감소시키는 전략을 찾고, 이를 수행하도록 한다. TLF와 TLR의 정의에 따라 위협과 전략이 달리 평가되므로, TPM은 적용하고자 하는 문제에 대한 적합한 TLF와 TLR을 정의하는 것을 목표로 한다.
본 논문에서는 TPM의 핵심적인 개념을 소개하고, 실제 대함미사일 방어 문제에 대한 TPM의 적용 가능성을 보이는 데 중점을 두었다. 따라서 TPM의 일반적인 개념을 우선 소개하고, 이를 대함미사일 방어 문제에 적용하여 한 TLF와 두 가지 TLR(STLR, STLR-C)을 정의하였다. TLR이 기존 연구들에 의해 제안된 Weapon Target Assignment Problem(WTA)의 일반적인 형태임을 증명하였고, TLR이 WTA에서 고려되지 않은 다양한 의사 결정 기준이 고려되었음을 보였다. 또한 정의된 TLR의 최적해에 대한 분석을 통하여 1) TLR에 의해 다양한 의사 결정 기준을 고려한 최적 전략이 도출됨과 2) 각 전략의 효과가 위협 평면을 통해 시각화되어 방어 시스템의 관리자가 시스템의 의사 결정 과정을 효과적으로 이해할 수 있음을 보였다.
