A Study on the Improvement of Wing-Level Maintenance Management to Ensure Flight Safety for Aging Fighters Using Data Science Methodology

송태훈, 이종관

아주대학교 국방디지털융합학과 박사과정, 제1저자 (thsong@ajou.ac.kr)

육군사관학교 컴퓨터과학과 교수, 교신저자 (jklee6456@kma.ac.kr)

초 록 (Abstract)

One of Military aircraft characteristics is operated long beyond originally design life goal due to economic or policy demand. In general, for long-term operation, military aircraft safety is promoted with modification, structural assessment, etc. however, as the number of countries and military aircraft operating the same model decrease, technical support through manufactures or international technical support organizations is expensive. In addition, there are restrictions on flight safety, such as the occurrence of new defects and sharing of measures. Accordingly, this study proposed a plan to improve wing-level maintenance management using data science methodology to ensure flight safety of aging long-term operating fighter jets.

분야 : 경영전략

주제어(Keywords) : data sciencd mdthodology, aging aircraft, maintenance management, flight safety

1. Introduction

일반적으로 전투기는 작전 수행을 위한 비행능력, 무장운용, 비화통신 등 다양한 전투수행 능력이 요구된다. 이러한 능력을 유지하기 위해 제작사는 설계 및 제작시 기골 및 구성품의 설계수명과 결함 예상시기 등의 연구를 통해 정비 항목 및 절차를 기술지시서(T.O.: Technical Order)로 제시한다.

전투기 정비 개념은 평시 작전, 국가 비상사태 및 기타 비상사태에 효과적이고 적시에 대응할 수 있도록 작전준비태세를 유지를 위해 T.O.를 근거로 정비 수행하는 것이다. 정비 능력은 크게 비행단급(Wing-level)과 창급(Depot-level) 정비로 구분된다. 비행단급 정비는 출격, 쏘티 지원, 일선정비 및 서비스 수준의 부대정비와 주기적인 계획검사, 고장탐구, 결함품 수리, 교정 등의 야전정비로 구분되고, 창급 정비는 항공기 완전분해 및 수리 등의 오버홀, 성능개량 및 기골보강 작업이 있다[1]. 한편, 전투기는 개발과 획득에 많은 비용과 장기간이 소요됨에 따라 20~30년의 장기간 운영을 한다. 장기간 운영에 따라 성능개량 및 기골보강을 통해 새로운 기술적용 및 기골안정성을 보장하기 위해 노력한다. 하지만,  경제적 또는 정책적인 이유로 설계수명 이상으로 운영하거나 최초 설정된 도태시기 이상으로 운영되면서 전투기의 노후화가 가속화되고 있다[2].

장기운용 전투기 노후화는 기체, 기관, 항전 및 여러 시스템에 영향을 주고 있으며, 미예측 결함이 발생하는 반면, 동일 기종을 운영하는 국가 및 전투기 대수가 감소할수록 제작사 또는 국제기술지원기구[3]를 통한 기술지원을 위해 많은 비용이 소요되고, 신규 결함발생 및 조치사항에 대한 운영 국가간 정보공유 제한 등에 따라 비행안전 보장을 위한 정비 주기 및 절차에 대한 개선이 요구되고 있다.

이에 본 연구에서는 현재 공군에서 운용하는 장기운영 전투기의 비행단급 정비능력을 제고하고자, 의사결정권자(Decision maker)/분야 전문가(Domain expert)/데이터과학자 및 기술전문가의 노력이 바탕이 되는 데이터 과학 방법론을 적용하여 분석하고자 한다. 특히, 노후화된 장기운영 전투기의 비행안전 보장을 위한 비행단급 정비에 대한 연구사례가 드물어 연구가 필요한 분야라 할 수 있다.

본 논문은 총 5장으로 구성하였다. 2장에서는 군용항공기 노후화와 항공기 수리부속 예측  분야의 관련 연구들을 소개한다. 3장에서는 노후화된 장기운영 전투기를 운영하는 비행단급 정비의 품질 향상을 위해 제안하는 데이터 과학 방법론에 대해 설명한다. 4장에서는 지난 5개년의 운영데이터를 활용한 실험결과를 분석하며, 5장에서는 논의를 요약하고 본 연구의 한계와 향후 연구 방향을 제안한다.

2. Related work

2.1 항공기 노후화(Aging aircraft)

본 연구에서는 그 동안의 항공기 노후화 분야 연구를 위한 미국의 추진배경 및 문헌에 대해 살펴보았다.

먼저 미국의 중소기업혁신연구(SBIR: Small Busimess Innovation Research) 프로그램은 1982년 중소기업혁신발전법에 의해 만들어졌다. 이 프로그램은 중소기업의 기술 혁신을 촉진하고, 도전적인 문제에 대한 기술적, 과학적 해결책을 제공하며, 그 결과로 발생하는 신기술의 민간 부문에서의 마케팅을 장려하기 위해 고안되었다. 교외 연구 개발(R&D: research and development)에 1억 달러 이상을 투자하는 연방 기관은 연구 예산의 2.5%를 중소기업에 할당해야 했다. 모든 연방 기관의 그러한 자금은 1998 회계연도에 약 11억 달러에 달했다. 미국 국방부(DOD: Department of Defense)는 단일 SBIR 프로그램 중 가장 큰 규모(5억4000만 달러)를 보유하고 있으며, 이 중 약 40%가 공군 채널을 통해 제공되었다. 보다 적극적인 고객 참여와 효과적인 기술 전환의 필요성은 DOD 수준에서 모든 서비스 및 국방 기관에 걸쳐 중요한 SBIR 프로그램 문제로 인식되었다. 이 상황을 해결하기 위한 공식적인 지침은 1999년 국방부 획득 및 기술 차관에 의해 발표되었다.

이 지침에 따라 공군은 SBIR 프로세스를 대폭 수정하여 노후화된 항공기 시스템 프로그램 사무실과 공군 항공 물류 센터를 포함한 모든 기여 고객을 직접적인 지속 커뮤니티 이해 관계자로 모았다. 이러한 이유는 노후한 항공기가 앞으로 수년간 작전 부대의 중추로 남을 것이라는 인식을 하기 시작했기 때문이다. 일부 항공기는 퇴역하고 새 항공기로 교체될 예정이지만, 대부분의 대체 항공기는 수 년이 걸린다. 많은 오래된 항공기의 경우, 대체품이 계획되어 있지 않으며, 일부 항공기는 25년 이상 더 서비스를 유지할 것으로 예상되었다.

또한, 노후화된 비행부대를 관리하고 운영하는 어려움을 인식한 미공군은 1997년에 미국 국립 재료 자문 위원회(NMAB: National Materials Advisory Board)의 후원으로 미 공군 항공기 노후화 연구를 후원했다. 노후 항공기에 대한 1997년에 미국 국립 재료 자문위원회(NMAB: National Materials Advisory Board)의 후원으로 미 공군 항공기 노후화 연구를 후원했다. 노후 항공기에 대한 1997년 국가연구위원회(NRC: National Research Council) 연구와 기술 영역 및 기관 간 기술문제에 대한 논의에 따라 미공군은 노후 항공기와 관련된 세 가지 기술분야인 과학기술, 기술 전환, 시스템 엔지니어링(구조 평가)를 위해 노후 항공기 기술팀(AATT: Aging Aircraft Technologies Team)을 만들었다. AATT의 목표는 광범위한 피로 손상, 부식-피로 관계, 구조 수리, 역학, 상태 모니터링, 비파괴 평가 및 검사(NDE/NDI: nondestructive evaluation and inspection) 및 다양한 항공기 하위 시스템의 영역에서 확인된 요구를 해결하기 위한 활동을 조정하는 것이다[4].

이러한 미공군의 항공기 노후화에 대한 연구는 동일한 항공기를 운영하는 타국가에 기술지원이 가능했으나, 미공군에서 더이상 운영하지 않는 항공기의 경우 기술지원 제한이 발생하기 시작했다. 이는 노후화된 장기운영항공기를 운영하는 타국가는 새롭게 발생하는 미예측 결함 및 조치를 위해 자국 공군의 운영경험을 바탕으로 독자적인 해결책 강구를 요구한다.

2.2. 분석적 접근법(Analytic approach)

항공기 노후화 관련 문헌연구는 대부분 수명과 비용적인 측면을 다루고 있으며, 항공기 수명에 따른 작업 부하 및 자재 소비 증가에 따라 크게 두 가지 분석적 접근법으로 구분된다. 하나는 정비(maintenance) 측면이고, 다른 하나는 개조(modification) 측면이다. 많은 연구에서 선형 또는 복합 성장 방정식을 기반으로 향후 워크로드를 예측했다. 현재 미공군 항공기를 보유하기 위해 구상되고 있는 오랜 기간 동안, 두 방정식은 상당히 다른 예측치를 산출했다. 복합 방정식은 기하급수적인 워크로드 증가를 지속적으로 가속화하는 것을 의미하며, 선형 방정식은 보다 온건하고 지속적인 성장을 의미한다. 따라서 미래의 워크로드를 예측하기 위해서는 가속의 존재 여부를 테스트하는 것이 중요했다. 예측 문제를 더욱 복잡하게 만들기 위해, 정비 개념 모델은 원래 설계 및 제조 프로세스에 의해 도입된 설계 수명 한계의 직접적인 결과로서, 총 작업 부하와 재료 소비가 궁극적으로 감소해야 한다고 예측한다. 그렇다면, 초기 및 중기의 성장은 후기의 성장을 과대평가할 수 있다. 즉, 먼 미래를 예측하기 위해 가능한 과거 데이터를 테스트하기위해 다중회귀분석(Multiple regression analyses)을 사용했다. 이를 위해 미공군(USAF) 항공기에 대해 가용한 과거 데이터를 사용하여 각 작업 부하 및 자재 소비 범주에 대해 여러 회귀 분석을 차례로 수행했다. 이용 가능한 데이터에 따라 제어 변수는 항공기 비행 비용, 연간 주요 운용 명령, 기본 항공기 임무(예: 전투기, 폭격기, 화물), 항공기 연령 및 연령-비행 비용 상호 작용 기간 외에도 여러 브레이크 인 기간(예: 유아 고장 또는 신혼여행 기간)에 대해 입력되었다.

한편, 장기적인 연령 관련 성장을 측정된 작업량 증가를 모호하게 하거나 과장할 수 있는 다른 수명 주기 사건과 구별하는 연구도 있다. 예를 들어, 플랫폼의 초기 수명 동안 설계 또는 제조 오류로 인한 "유아" 고장과 많은 항공기 구성 요소가 아직 고장나기 시작하지 않은 초기 "허니문" 기간은 작업 부하를 극적으로 변화시킬 수 있기 때문이다, 그러나 플랫폼이 서비스 시작 2년차 이상의 기간에 접어들면 재료 성능 저하의 누적 효과와 거의 관련이 없을 수 있다. 또는, 회계 시스템의 변화, 군 조직 구조, 비행단 또는 정비 조직의 크기, 기술 수준 또는 정비 절차와 같은 외부적 환경도 작업 부하에 영향을 미치고 수명의 명백한 영향을 숨기거나 과장할 수 있다. 또한, 정비 작업 부하와 재료 소비는 일반적으로 항공기 노후화에 따른 수명 증가를 나타냈지만, 그러한 증가율은 항공기의 비행 비용과 작업 부하 범주에 따라 결정되었다. 기본 수준의 정기 검사, 비행 시간당 계약자 물류 지원 및 창 개조 워크로드를 제외한 모든 비행단급 및 창급 정비 워크로드와 자재 소비 범주에서 장기적인 수명 연장이 발견되었다.

마지막으로, 창급 항공기 현대화 작업인 시한성 기술지시서(TCTO:  Time Compliance Technical Orders) 부하는 20세에서 25세 사이의 기간 동안 통계적으로 유의한 급증을 보였다. 이러한 급증은 운영 성능 요구사항을 예측하는 설계자의 능력 한계를 반영할 수 있다. 그 결과 미공군은 운영 환경이 발전함에 따라 노후화된 플랫폼을 운영 가능한 상태로 유지하기 위해 정기적으로 재투자할 필요가 있다고 판단할 수 있다[5].

이와 같은 기존 연구는 장기운영 항공기의 노후화에 따라 정비를 위한 워크로드 증가를 측정하고, 향후의 워크로드를 예측하며, 수명주기간 개조를 위한 비용 예측에 중점을 두는 연구가 중점을 이루고 있다. 하지만, 노후화된 장기운영 전투기에 대한 재투자는 최소화 상황에서 향후 몇년을 지속 운영해야하고, 제작사 및 미공군의 기술지원이 제한되는 한국공군 입장에서는 노후화된 장기운영 전투기의 비행단급 정비관리를 통해 비행안전 보장 및 미예측 결함 예방을 위한 새로운 방법론이 절실히 요구된다.

3. Overall approach

본 장에서, 우리는 데이터과학 방법론을 활용하여 노후화된 장기운영 전투기의 비행안전 보장 및 정비품질 향상을 위해 비행단급 정비관리 개선을 위한 방법론을 제안하고자 한다. 제안하는 비행단급 정비관리 방법론은 Figure 1.에서 보는 바와 같이 다섯 단계로 구성된다.

1단계는 Domain analysis이다. 이 단계에서 노후화된 전투기를 운영하는 비행단에서의 정비특징을 검토한다. 2단계는 Define the problem이다. 비행안전 보장 및 정비품질 보장을 위해 집중해야 할 대상인 위험인자를 식별한다. 3단계는 위험인자와 관련된 운영데이터 수집 및 전처리한다. 4단계는 회귀분석 등 통계적 방법을 통해 위험인자와 관련된 계통/부품 및 주요결함 발생시기를 예측한다. 5단계는 비행단급 정비관리를 위한 개선방안 적용 및 보완이다.

3.1. Domain analysis

일반적인 비행단급 정비관리 대상인 전투기, 수송기 및 헬기는 기종별 T.O. 및 공군본부 정비관리 지침에 따라 정비작업을 수행하고, 부품은 TCI(Time Change Items)와 CRI(Condition Replacement Items) 구분하여 교환한다. 이러한 비행단급 정비는 비행 전/중/후 점검, 계획검사, 특별검사 등 각종 점검 및 수리시 T.O.에 근거한 작업절차 수행에 있어서 차이가 없다. 하지만 F-35A와 같이 최신기술이 적용된 전투기는 내장 컴퓨터화된 시스템에 의해 운용 데이터 및 결함정보 저장, 식별이 용이한 반면 30년 이상 장기운영 중인 노후화 전투기는 상대적으로 기계적 메커님즘이 구조가 많으며, 부품 단종 및 자재확보 지연예 따라 정비작업 워크로드 증가 및 작업기간 장기화되는 추세이다.

또한 노후화 전투기의 경우 타국가 운영 대수 감소에 따라 타국가의 결함사례 공유 및 기술지원이 제한되고, 숙련급 정비사(IMQC(Indiviual Maintenance Quality Capability) 1등급) 양성을 위해 평균 12년의 시간이 소요되는 반면 숙련급 정비사의 전역 및 전투기 도태가 몇 년 남지 않은 관계로 신규 정비사의 숙련급 양성이 제한된다. 게다가 비행시간 누적에 따라 설계수명에 근거한 계획정비 주기내 정비품질 보장 애로되고, 제작사 기술자료 및 타국가에서 발생하지 않았던 미예측 결함이 발생하고 있다. 이에 기존의 정비항목 및 절차에 추가적으로 장기운영 중 식별된 위험인자를 근거로 주요결함 발생 가능한 계통 및 부품에 대한 예측 및 예방정비 활동을 수행하는 정비관리 방법이 절실하다.

3.2. Define the problem

사람이 좋은 음식을 먹고, 열심히 운동하며 관리를 잘 하더라도 나이가 늘면서 병에 걸리듯이 전투기도 운영간 결함은 발생 할 수 밖에 없다. 그래서, 전투기는 T.O.에 근거한 정비를 통해 식별되는 결함이나 성능저하 품목의 교환 및 수리를 통해 임무수행을 위한 가동률 보장 및 비행안전을 위한 경제적이고 효과적인 행위를 수행하고 있다. 하지만, 전투기의 존재 목적은 영공수호이다. 필요한 그 순간에 결함으로 출격을 못하거나, 비행중 결함이 발생하여 임무를 완수 할 수 없는 일은 가능하면 없기를 바란다. 이런 이유로 위험인자는 전투기의 비행임무 포기를 야기시키는 요인으로 정의하고 크게 두 가지로 구분하였다. 하나는 G/A(Ground Abort) 인자이다. G/A는 조종사가 전투기 탑승 이후 이륙전 까지의 시점에서 조종사 또는 정비사에 의해 지상에 발견되는 결함발생에 따라 비행안전을 위해 임무포기하는 것으로 정의하겠다. G/A 인자는 G/A를 야기시킨 원인으로 해당 계통 및 부품이 해당된다. 남은 하나는 IFF(In Flight Failure) 인자이다. IFF는 이륙 이후 조종사에 의해 발견되어 비행임무를 포기하는 것으로 정의한다. IFF 인자는 IFF를 야기시킨 원인에 해당하는 계통 및 부품으로 한다.

3.3. Collect and prepare data

우리 군에서는 2009년부터 무기체계의 주 장비 중심으로 수리부속의 보급 및 정비 관련 사항을 최신 정보기술을 이용하여 개발한 정비시스템을 구축하여 육해공군의 편성부대로부터 국방부에 이르기까지 정비 관련 부서에서 사용하는 통합정보지원 시스템인 장비정비정보시스템(DELIIS: DEfense Logistics Integrated Information System)을 운용하고 있다. 공군 DELIIS의 정비테이블에서 1,053,422개 트랜잭션 데이터를 수집할 수 있다[6].

본 연구의 목적은 노후화 전투기에 대한 비행단급 정비관리 개선을 위해 식별한 위험인자 예측이므로, 공군 DELIIS로 부터 비행시간 누적으로 도태된 전투기 포함한 최근 5개년 노후화 전투기 호기별 비행 운영시간, 소티수(항공기 이착륙 횟수), 결함 발생일자, 결함내용, 결함원인 및 조치내용을 수집하고, 위험인자별로 분류한다.

3.4. Statistics, Modeling and Evaluation

수집된 최근 5개년 운영데이터에 대한 통계적 분석을 통해 임무포기를 야기시키는 위험인자 부품/계통과 발생시기를 예측하는 모델을 Figure 2.와 같이 구축한다.

3.5. Deploy and maintain models

예측된 위험인자에 해당하는 부품과 계통에 대해 기존 T.O.의 정비주기 및 절차를 비교한다. 예측된 위험인자 해당부품이 TCI일 경우 예측되는 시기가 조기 도래할 경우 교환주기를 예측시기 이전으로 단축하고, CRI일 경우 예측시기 고려 교환주기 설정 및 TCI품목으로 관리한다. 예측된 위험인자 부품을 포함하는 계통의 경우 계획검사 주기 이전에 예측시기 도래시 특별검사 일정을 추가하거나, 계획검사 주기를 단축하여 점검한다.

4. Empirical study

“대한민국 공군의 대표적인 노후 전투기는 F-4 팬텀과 F-5 제공호 기종이다. 1977~1986년에 도입된 F-4와 F-5는 노후로 인한 사고가 잦으며, 2000년 이후 발생한 공군 항공기 추락사고 37건 중 51.4%인 19건이 이들 기종이다[7].”의 기사와 같이 공군에서 장기운영중인 전투기 중 F-4를 대상으로 논문에서 제안하는 방법론을 적용해보았다. 최근 5개년의 F-4 운영데이터(항공기 비행시간 및 결함현황)는 DELIIS로 부터  수집하였고, Figure 3.에서와 같이 위험인자를 분류할 수 있었고, 모델링을 통해 비행시간 및 계통 기준으로 임무포기를 야기시키는 품목과 시기를 예측할 수 있었다. 군사보안 목적상 세부결과를 명시하지는 않지만, 정비관리 개선에 적용하도록 하였다. 예를 들어 위험인자 품목이 있는 계통에 대한 계획검사가 300시간 주기였다면, 제안한 데이터과학 방법론 적용을 통해 50시간 주기로 단축 하였고, 일부품목은 일괄교체를 추진하였다.

5. Conclusions

본 연구에서는 공군 노후화 장기운영 전투기의 비행안전 보장을 위한 비행단급 정비관리 개선을 위해 데이터과학 방법론을 활용하여 위험인자 분류, 모델링을 통한 품목/계통 예측 및 정비작업에 적용하는 모델을 제안하였다. 이 과정에서 정비횟수 증가 및 소요자재 비용적인 측면 보다는 노후화 전투기의 임무성공 및 비행안전에 중점을 두었다. Empirical study를 통해 F-4 전투기에 대한 비행단급 정비관리 개선에 기여할 수 있었고, 제안한 방법론을 F-5 전투기에도 적용하도록 할 예정입니다.

끝으로 본 연구에서 데이터 수집을 위해 DELIIS 자료를 활용하였는데, 방대한 정보에 비해 데이터 처리를 위한 전처리 시간이 많이 필요했고, DELIIS 자료 입력 부터 분석을 위한 자료관리 및 예측을 위한 통계분석 기능이 DELIIS에 추가되거나, 별도로 분석 및 예측하는 프로그램이 필요할 것으로 생각되었으며, 이러한 개념은 대한민국에서 최초로 제작되는 KF-21에 적용하여 총 수명주기간의 정비관리를 위한 자료분석 및 정비절차 개선에 큰 도움을 줄 것으로 기대되며, 이에 대한 연구는 추후 연구로 남겨둔다.

6. References

[1] Air Force Instruction 21-101, USAF(2021). “Aircraft and Equipment Maintenance Management”.

https://static.e-publishing.af.mil/production/1/jbmcguire-dix-lakehurst/publication/afi21-101_amcsup_jbmdlsup/afi21-101_amcsup_jbmdlsup.pdf

[2]  Aeronautical Systems Center, USAF(2012). “Aging System and Sustainment Technology”.

https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/5.9781600866593.0093.0143

[3] Security Through Global Partnerships, Defense Security Cooperation Agency(2016). “OMAN- Contiuation of Logistics Support Services and Equipment”.

https://www.dsca.mil/press-media/major-arms-sales/oman-continuation-logistics-support-services-and-equipment

[4] National Academies Press Washington, DC(2001). “Small Business Innovation Research to Support Aging Aircraft: Priority Technical Areas and Process Improvement”.

https://nap.nationalacademies.org/catalog/10092/small-business-innovation-research-to-support-aging-aircraft-priority-technical

[5] Ramond A. Myles, Rand Project AIR FORCE(2003). “AGING AIRCRAFT: USAF Workload and Material Consumption Life Cycle Patterns”.

https://www.rand.org/pubs/monograph_reports/MR1641.html

[6] Jaedong Kim, Handgun Lee(2017), “A Study Forecasting Spare Parts Demand based on Data-Mining”, Journal of Internet Computing and Servics(JICS) 2017.

[7] 하채림 기자, 연합뉴스(2022.5.4.). “공군 F-4,5 노후 전투기 도태시기 3~5년 단축 가능”.

https://www.yna.co.kr/view/AKR20220503137700504