KR20100020822A

KR20100020822A - 유비쿼터스 시스템 설계/분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템 및 유비쿼터스 시스템 설계/분석 방법

Info

Publication number: KR20100020822A
Application number: KR1020080079594A
Authority: KR
Inventors: 서석환; 정수호
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2010-02-23
Also published as: US20100042380A1

Abstract

본 발명은 유비쿼터스 시스템 설계/분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템(CAD/CAE system) 및 유비쿼터스 시스템 설계/분석 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유비쿼터스 시스템의 다양한 설계 조건에 따라 시스템의 성능 및 동작에 대한 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 결과를 분석하여 최적의 설계 대안을 추천해 줌으로써, 시스템 엔지니어가 최적화된 유비쿼터스 시스템을 용이하게 설계할 수 있도록 지원해주는 컴퓨터 응용 시스템 및 설계/분석 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템은, 유비쿼터스 시스템의 환경 요소 및 물리적 구조물을 정의하는 환경(environment) 계층과, 유비쿼터스 시스템을 구성하는 각 장치를 정의하는 구성요소(component) 및 상기 구성요소의 행동을 표현하는 시나리오(scenario)를 조합한 3계층의 구조로 시스템 모델을 생성하고, 상기 생성된 시스템 모델을 재정의하여 다수의 설계 대안을 정의하는 설계 시스템과; 상기 설계 시스템에 연결되어 상기 설계 시스템에서 설계된 시스템 모델을 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터; 및 상기 시뮬레이터에 연결되어 상기 시뮬레이터에서 수행된 시뮬레이션 결과를 분석하고, 최적 설계 대안을 추천해주는 분석 시스템;을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.

유비쿼터스, 시스템 설계, 설계 대안, 시나리오, CAD, CAE

Description

유비쿼터스 시스템 설계/분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템 및 유비쿼터스 시스템 설계/분석 방법{CAD/CAE system for designing and analyzing the ubiquitous system and the design and analysis method for ubiquitous system}

최근 들어, 컴퓨터 기술, 모바일 기술, 네트워크 기술 및 시스템 통합 기술이 급격하게 발전함에 따라 현대 사회는 전 생활 영역에 걸쳐 유비쿼터스(ubiquitous) 사회에 진입하고 있다. 유비쿼터스 사회에서는 사물과 환경 속에 스며든 다양한 종류의 컴퓨터가 서로 네트워크로 연결되어 삶의 질을 향상시키게 될 전망이다. 유비쿼터스 기술은 실제로 u-City, u-Home, u-Office, u-Campus, u-Government, u-Health 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 제조업에도 많은 영향을 미칠 것으로 전망된다.

유비쿼터스 시스템은 유비쿼터스 기술을 통해 어떤 목적을 성취하기 위한 사람, 객체 및 프로세스의 집합이다. 이러한 유비쿼터스 시스템을 개발하고 구축하는 데에 있어서 비용, 규모, 복잡도 등 다양한 측면에서 어려움이 존재한다. 즉, 유비쿼터스 시스템의 구축에 필요한 하드웨어 또는 소프트웨어의 가격이 비싸고, 그 규모가 큰 경우에는 시스템 구축 이후에 설계상의 문제점이 발견되었을 때 설계 오류를 수정하기 위한 비용이 많이 발생하며, 유비쿼터스 시스템을 이루는 각 구성요소들 간의 상호 작용이 복잡하기 때문에, 시스템 구축에 수반되는 다양한 시행착오로 인한 시간적, 비용적 문제와 함께, 시스템 설계시 개발자의 경험에 지나치게 의존하는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 유비쿼터스 시스템을 설계하고, 해석 및 시뮬레이션을 통하여 시스템 엔지니어로 하여금 효과적인 유비쿼터스 시스템을 구축할 수 있도록 해주는 CAx(Computer Aided technologies) 기술, 즉 CAD(Computer Aided Design), CAM(Computer Aided Manufacturing), CAE(Computer Aided Engineering) 등을 포괄하는 컴퓨터 지원 기술에 대한 개발이 요구되고 있는 상황이다.

종래의 CAx 툴은 크게 일반 시스템을 위한 시스템 엔지니어링툴과 유비쿼터스 기술 중 네트워크에 특화된 시뮬레이터 및 유비쿼터스 시스템 자체를 대상으로 하는 시뮬레이터의 세 가지 종류로 분류할 수 있는데, 각 분류별로 종래의 CAx 툴들의 특징 및 장단점을 간략히 살펴보기로 한다.

아래의 표 1은 종래의 CAx 툴들에 대하여 개발 목적과, 시스템 엔지니어링 관점 및 적용된 기술 관점에서의 특징들을 비교 분석한 표이다. 세부 비교 항목으로 시스템 엔지니어링 관점에 있어서는 설계, 시뮬레이션, 분석 및 평가가 있고, 적용된 기술 관점에서는 WLAN(Wireless Local Area Network), WPAN(Wireless Personal Area Network), RFID, 보안, 상황 인식(context awareness) 등이 있으며, 이러한 각 항목들에 대한 지원 여부 및 정도에 따라 표시를 달리 하였다.

첫째, 유비쿼터스 시스템이 아닌 일반 시스템을 위한 시스템 엔지니어링툴로는 ARENA와 Promodel 등이 있다. 이 툴들은 개별 구성요소가 아닌 시스템 자체를 프로세스로 모델링하고 시뮬레이션한다. 또한 시뮬레이션 결과를 분석할 수 있는 다양한 통계적 분석 기능과 여러 설계 대안들을 비교 분석할 수 있는 기능을 제공함으로써, 시스템 엔지니어가 체계적으로 최적 설계를 도출할 수 있도록 지원한다. 이 툴들은 시스템 엔지니어링에 필요한 기능은 충분하지만, 일반적인 시스템의 프로세스를 대상으로 하기 때문에 유비쿼터스 시스템에서 중요한 부분인 세부 기술적인 분석은 전무하다.

둘째, 유비쿼터스 기술 중 네트워크에 특화된 시뮬레이터로 Ns2와 QualNet 등이 있다. 이 툴들은 호스트/라우터(host/router), 패킷(packet) 등 네트워크 구성요소의 행동을 정의하여 WLAN, WPAN 등과 같은 네트워크를 구성하고, 이들 사이의 상호 작용을 시뮬레이션한다. 시뮬레이션 결과는 이벤트 추적기(event tracer), 추세 그래프(trend graph) 등을 통해 분석할 수 있으며, 이들은 주로 프로토콜 (protocol)의 성능을 테스트하기 위해 활용된다. 이 툴들은 네트워크 시스템의 구성요소를 선택하고 배치함으로써 시스템 자체를 설계할 수는 있지만, 시스템 상에서 프로토콜, 네트워킹 장치 등 구성요소의 성능 테스트가 주목적이기 때문에 시스템 설계 자체에 대한 비교 분석 및 최적 시스템 설계는 체계적으로 지원하지 않고 있다.

셋째, 유비쿼터스 시스템 자체를 대상으로 하는 시뮬레이터 및 에뮬레이터로 UbiWise, UbiREAL, TATUS, iCAP, a CAPpella, Rifidi 등이 있다. 이 툴들은 유비쿼터스 기술 중 네트워크 기술이나 상황 인식 기술이 적용된 시스템을 설계 및 시뮬레이션할 수 있지만, 시스템의 여러 설계 대안들을 평가하고 이를 통해 최적의 시스템 설계를 도출하는 기능은 포함하고 있지 않다.

이상에서와 같이 종래의 CAx 툴들은 시스템 엔지니어링과 유비쿼터스 기술 중의 어느 하나만을 부분적으로 지원하고 있으며, 시뮬레이션 등을 통해 설계된 시스템을 검증(verification)할 수 있을 뿐 다양한 설계 대안들에 대한 비교 분석 기능은 미미한 실정이다.

따라서, 시스템 엔지니어링과 유비쿼터스 기술을 모두 지원할 수 있는 동시에, 검증된 여러 설계 대안들을 비교 분석하여 최적의 설계를 도출하는 기능을 가진 새로운 개념의 CAx 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 유비쿼터스 시스템의 다양한 설계 조건에 따라 시스템의 성능 및 동작에 대한 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 결과를 분석하여 최적의 설계 대안을 추천해 줌으로써, 시스템 엔지니어가 최적화된 유비쿼터스 시스템을 용이하게 설계할 수 있도록 지원해주는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 유비쿼터스 시스템의 환경 요소 및 물리적 구조물을 정의하는 환경(environment) 계층과, 유비쿼터스 시스템을 구성하는 각 장치를 정의하는 구성요소(component) 및 상기 구성요소의 행동을 표현하는 시나리오(scenario)를 조합한 3계층의 구조로 시스템 모델을 생성하고, 상기 생성된 시스템 모델을 재정의하여 다수의 설계 대안을 정의하는 설계 시스템과; 상기 설계 시스템에 연결되어 상기 설계 시스템에서 설계된 시스템 모델을 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터; 및 상기 시뮬레이터에 연결되어 상기 시뮬레이터에서 수행된 시뮬레이션 결과를 분석하고, 최적 설계 대안을 추천해주는 분석 시스템;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 설계 대상이 되는 유비쿼터스 시스템에 대한 새로운 환경을 생성하거나, 기저장되어 있던 환경을 불러옴으로써 시스템이 놓여있는 환경을 설계 하는 단계와; 유비쿼터스 시스템을 구성하는 구성요소를 생성하고, 상기 생성된 구성요소에 대하여 기저장되어 있는 기존 규격 중 하나를 선택하거나, 또는 새로운 규격을 정의하여 상기 생성된 구성요소를 정의하는 단계와; 상기 생성된 각 구성요소들을 결합하여 전체 시스템을 물리적으로 설계하고, 상기 각 구성요소의 행동(behavior)을 정의하여 시스템의 시나리오를 설정하는 단계와; 상기 설정된 시나리오에 따라 시스템의 성능 또는 동작을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계와; 상기 시뮬레이션 결과를 분석하고, 상기 분석된 결과를 그래프 또는 표 형태로 출력해주는 시뮬레이션 결과 분석 및 출력 단계와; 상기 정의된 구성요소 및 시나리오를 포함하는 시스템 정보와, 상기 시뮬레이션 결과 및 시뮬레이션 결과 분석 정보를 설계 대안 리스트의 설계 대안으로 추가하여 저장하는 단계와; 상기 저장된 각 설계 대안의 시뮬레이션 결과 분석 정보를 비교하여 최적 설계 대안을 도출하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 유비쿼터스 시스템 설계/분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템 및 유비쿼터스 시스템 설계/분석 방법은 사용자로 하여금 유비쿼터스 시스템의 설계 조건을 반복적으로 변경시켜가며 최적의 설계 대안을 편리하게 찾아낼 수 있도록 지원해줌으로써, 다양한 기술이 융합되어 있는 유비쿼터스 분야에 대한 전문 지식이 부족한 시스템 엔지니어도 양질의 시스템 설계가 가능하도록 해주는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 유비쿼터스 시스템을 유연한 계층 구조로 모델링하도록 구성되어, 사용자가 필요에 따라 용이하게 구성요소를 변경할 수 있고, 시스템의 규모에 상관없이 확장성이 뛰어난 시스템 설계가 가능하도록 해주는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 컴퓨터 응용 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명에 따른 유비쿼터스 시스템을 위한 컴퓨터 응용 시스템(CAD/CAE system)은 크게 시나리오, 구성요소, 환경 계층을 조합하여 유비쿼터스 시스템을 설계하고, 시스템 모델을 생성하는 설계 시스템(100)과, 설계 시스템(100)에 연결되어 설계 시스템(100)에서 설계된 시스템 모델을 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터(200) 및 시뮬레이터(200)에 연결되어 시뮬레이터(200)에서 수행된 시뮬레이션 결과를 분석하고, 최적 설계 대안을 추천해주는 분석 시스템(300)을 포함하여 구성된다.

설계 시스템(100)은 유비쿼터스 시스템을 환경(environment), 구성요소(component) 및 시나리오(scenario)의 3계층의 유연한 구조로 모델링하도록 구성되는데, 환경 계층은 유비쿼터스 시스템의 환경 요소(채광, 온도, 습도 등) 및 물리적 구조물(건물 레이아웃, 도로 등)을, 구성요소 계층은 유비쿼터스 시스템을 구성하는 각 장치(RFID 태그, 센서 노드, 제품 등)를, 시나리오 계층은 유비쿼터스 시스템의 행동(behavior), 즉 유비쿼터스 시스템을 구성하는 구성요소들의 동작 및 기능을 표현하여, 사용자가 필요에 따라 용이하게 시스템의 환경 및 구성요소를 변경할 수 있도록 구성된다.

설계 시스템(100)은 세부적으로 환경 설계 모듈(environment design module; 110), 구성요소 설계 모듈(component design module; 120), 시나리오 설계 모듈(scenario design module; 130), 설계 조언 모듈(design advisor module; 140)로 구성되는데, 각 모듈의 상세한 기능은 다음과 같다.

환경 설계 모듈(110)은 유비쿼터스 시스템을 구성하는 3계층 중 환경 계층을 설계하는 모듈이다. 환경 계층은 유비쿼터스 시스템이 설치될 공간에 존재하는 벽, 기둥 등의 건물 레이아웃과 온도, 습도 등의 물리적 현상을 표현하며 이를 위해 3차원 그리드를 조합하는 방식을 사용한다. 예를 들어, 건물의 레이아웃을 표현하는 3차원 그리드와 각 격자에 온도 값을 갖는 3차원 그리드를 조합함으로써 건물과 건물 내외의 온도 분포를 표현할 수 있다. 이러한 방식은 조합하는 3차원 그리드의 종류를 달리함으로써 공장, 병원 등 다양한 시스템을 설계할 수 있도록 한다.

구성요소 설계 모듈(120)은 시스템을 구성하는 새로운 구성요소를 정의하거나 기존 구성요소의 동작(action)을 변경할 수 있도록 지원하는 모듈이다. 본 발명에서 구성요소는 RFID 리더, RFID 태그, 센서 노드 등의 물리적인 구성요소뿐만 아니라 네트워크 프로토콜, 네트워크 전송 모델 등의 네트워킹 구성요소도 의미한다. 구성요소 설계 모듈(120)에서 이들 구성요소는 계층적인 구조, 입출력 정보 및 수행하는 기능으로 정의되며, 그중 기능은 이동, 회전, 신호 전송 같은 구성요소의 기본적인 동작을 의미한다. 구성요소를 정의하는 방법으로는 C++, Java 등의 프로그래밍 언어나 UML, DEVS 등의 모델링 언어를 사용하며, 이를 위해 사용자, 즉 시스템 엔지니어가 프로그램 코드나 다이어그램을 입력함으로 구성요소를 정의하거나 변경할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 이외에도 기존 구성요소의 입출력 정보 및 기능과 관련된 파라미터를 변경할 수 있는 인터페이스를 제공함으로써 시스템 엔지니어가 다양한 방법으로 구성요소를 정의할 수 있도록 한다.

시나리오 설계 모듈(130)은 구성요소 설계 모듈(120)에서 생성된 구성요소들 중에서 시스템 설계에 사용될 구성요소를 선택하고 그것의 행동과 위치 및 방향을 정의하는 모듈이다. 여기서, 행동은 일련의 동작들로 시나리오 상에서 구성요소가 수행하는 기능을 정의한다. 시스템 엔지니어는 시나리오 설계 모듈(130)을 통해 유비쿼터스 시스템을 설계할 수 있으며, 최초로 설계된 유비쿼터스 시스템을 기초로 하여 다양한 형태의 설계 대안을 수립할 수 있다. 예를 들어, 제품에는 RFID 태그를 부착하고 컨베이어에는 RFID 리더를 부착하여 제품 이동을 관리하는 유비쿼터스 컨베이어 시스템을 설계한다면, RFID 태그와 제품 그리고 RFID 리더와 컨베이어는 구성요소 설계 모듈(120)에서 설계하며, 시나리오 설계 모듈(130)에서는 제품의 이동 경로나 RFID 태그의 개수와 위치 등을 정의함으로써 전체 시스템을 설계한다. 그리고 이후에 RFID 태그의 규격, RFID 리더의 위치 등을 조정함으로써 기존 설계를 변경한다. 이렇게 완료된 설계 변경 내용은 특정 시스템 모델에 대한 설계 대안으로 시스템 모델 데이터베이스(170)에 저장된다.

상기 환경 설계 모듈(110), 구성요소 설계 모듈(120) 및 시나리오 설계 모 듈(130)은 각각 환경 데이터베이스(161), 구성요소 데이터베이스(162) 및 시나리오 데이터베이스(163)와 연결되는데, 각 데이터베이스에는 연결된 모듈에 사용되는 환경, 구성요소 및 시나리오에 대한 다양한 리소스가 저장되어 있으며, 해당 모듈에서 새로 생성된 데이터가 새로운 리소스로 추가되어 향후 설계시에 기저장된 리소스를 자유롭게 불러와 설계에 이용할 수 있도록 구성된다.

설계 조언 모듈(140)은 시스템 엔지니어가 시스템을 설계할 때 필요한 기술적인 지식을 제공해 주는 모듈이다. 예를 들어 센서를 선택하여 배치하는 경우, 센서의 인식 범위, 설치 요령 등을 알려주게 된다. 이와 같은 설계 조언 모듈(140)을 통하여 해당 분야의 전문 지식이 부족한 엔지니어도 설계에 필요한 전문 지식을 제공받아 보다 정확한 설계를 할 수 있다.

시뮬레이터(200)는 일반적인 CAx 툴에서 널리 사용되는 이산 이벤트 시뮬레이터로 구성되는 것이 바람직하며, 유비쿼터스 시스템의 환경과 구성요소에 기반하여 시스템의 성능이나 동작을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 엔진(simulation engine; 210)과, 외부 툴과의 인터페이스를 제공하는 외부 인터페이스 모듈(220) 및 시뮬레이션 결과를 저장해두는 시뮬레이션 결과 데이터베이스(230)로 구성된다.

시뮬레이션 엔진(210)은 유비쿼터스 시스템의 환경이나 구성요소를 변경하면서 시뮬레이션을 반복할 수 있어야 하기 때문에, 대규모 이벤트를 짧은 시간 안에 처리할 수 있도록 구성되어야 하며, 이를 위해서는 빠른 이벤트 스케줄링 기법, 병렬 프로세싱 기법 등이 적용되어야 한다. 예를 들어 빠른 이벤트 스케줄링 기법으로는, 다수의 이산 이벤트 시스템과 연속 상태 시스템으로 구성된 복합 계층의 유 비쿼터스 시스템을 단일 계층의 이산 이벤트 시스템으로 간략히 하여 시뮬레이션하는 기법, 전체 시스템 중에서 이벤트에 의해 호출되는 구성요소만 시뮬레이션하는 기법 등이 있다.

외부 인터페이스 모듈(220)은 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위하여 기존의 전문적인 네트워크 시뮬레이터와 연동하거나, 실제 장비와 연결하여 입력받은 정보를 시뮬레이션에 활용할 수 있도록 하는 인터페이스하는 모듈로서, 다양한 외부 기기와의 연동을 위해서 분산 인터랙티브 시뮬레이션(Distributed Interactive Simulation; DIS), HLA(High Level Architecture), TCP/IP 소켓 등의 규격화된 인터페이스를 지원하는 것이 바람직하다.

분석 시스템(300)은 시뮬레이터(200)에 의해 수행된 시뮬레이션 결과를 통계적으로 분석하며, what-if 분석을 수행하여 설계 시스템(100)에서 생성된 설계 대안들을 평가하고, 최적의 설계 대안을 추천해주는 기능을 수행한다. 이 시스템은 통계 분석 모듈(statistical analysis module; 310), what-if 분석 모듈(320), 최적 설계 추천 모듈(optimal design recommendation module; 330) 및 문서 생성 모듈(340)의 네가지 하위 모듈로 구성되며, 통계 분석 모듈(310) 및 what-if 분석 모듈(320)에는 각 모듈에서 수행된 분석 결과를 저장해두는 분석 결과 데이터베이스(350)가 연결된다.

통계 분석 모듈(310)은 시뮬레이션 결과를 통계적 기법(상관 분석, 신뢰구간 분석 등)을 통해 분석하는 모듈이다. 분석 결과는 분석 결과 데이터베이스(350)에 저장되며, 보고서나 도표 형태로 표현되어 시스템 엔지니어의 의사 결정을 지원한 다.

what-if 분석 모듈(320)은 시나리오 설계 모듈(130)에서 각 설계 대안에 대한 설계 조건 설정 및 변경을 완료하면, 시스템 모델 데이터베이스(170)에 저장되어 있는 설계 대안 리스트의 각 설계 대안 별로 시뮬레이터를 구동함으로써 시뮬레이터에서 얻어지는 시뮬레이션 결과들에 대해 비교 분석을 수행한다. 또한, what-if 분석 모듈(320)은 각각의 설계 대안들에 대하여 시뮬레이션 조건을 변경할 수 있는 사용자 인터페이스를 제공하고, 사용자에 의해 변경된 조건을 기준으로 시뮬레이터를 구동하여 얻어지는 각 설계 대안에 대한 시뮬레이션 결과들에 대해 비교 분석을 수행한다. 이와 같이 what-if 분석 모듈(320)을 통해 시스템 엔지니어는 시뮬레이션 조건을 변경하면서 반복적으로 시뮬레이션을 수행할 수 있고, 다양한 조건에서 설계 대안들 간의 합리적인 비교를 할 수 있으므로, 최적의 설계 대안을 용이하게 찾아낼 수 있다.

최적 설계 추천 모듈(330)은 what-if 분석 모듈(320)을 통해 얻어지는 설계 대안 리스트에 대한 what-if 분석 결과를 바탕으로 최적의 설계 대안을 추천해 주는 모듈이다. What-if 분석을 수행하면 설계 대안 리스트에 존재하는 각 설계 대안마다 시뮬레이션 결과가 생성되는데, 이 결과는 시스템 설계에 사용된 설계 파라미터(design parameter) 값과 시스템 성능 지표(system performance index) 값을 포함한다. 예를 들어 RFID 시스템에 대해 What-if 분석을 수행하면, 각 설계 대안의 시뮬레이션 결과로써 RFID 리더의 개수, 설치 위치 및 방향 등의 설계 파라미터에 대한 값과 RFID 리더의 RFID 태그 인식률 등의 시스템 성능 지표에 대한 값이 생성 된다. 최적 설계 추천 모듈(330)에서 시스템 엔지니어는 이러한 시뮬레이션 결과를 활용하여 설계 대안을 평가할 수 있도록, 설계 파라미터와 시스템 평가 지표를 조합한 식으로 목적 함수(objective function)를 정의하게 된다. 이후에는 최적 설계 추천 모듈(330)에 의해 자동으로 생성된 다수의 설계 대안들에 대해 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 목적 함수로 평가함으로써 최적 설계 대안을 자동으로 도출하게 된다. 이 때 설계 대안을 자동으로 생성하는 기능은 설계 대안 리스트에 존재하는 설계 대안들의 설계 파라미터의 값들을 최대 감소(steepest descent) 알고리즘, 유전자(genetic) 알고리즘 등의 최적화 알고리즘을 통해 조합함으로써 구현된다.

문서 생성 모듈(340)은 최적 설계 추천 모듈(330)에서 도출된 최적 설계 대안에 대해 청사진(blueprint), BOM(bill of material), 명세서(specification) 등의 문서를 생성해주는 모듈이다. 시스템 엔지니어는 문서 생성 모듈(340)을 통해서 가상으로 설계되고 검증된 시스템을 실제로 구축하기 위해 필요한 문서들을 얻게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 유비쿼터스 시스템을 위한 컴퓨터 응용 시스템을 RFID(Radio Frequency IDentification)로 구성된 컨베이어 시스템에 적용하는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 컴퓨터 응용 시스템이 적용되는 컨베이어 시스템의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 대상 시스템은 적재대(10) 상 에 입고된 제품(1)이 컨베이어 벨트(50)를 타고 이동되면서 각 작업대(20)의 위치에서 일련의 공정을 수행할 수 있는 통상적인 컨베이어 시스템이다.

컨베이어 벨트를 타고 이동되는 제품(1)에 부착된 RFID 태그(40)가 게이트(60)를 통과하는 것을 리더(30)가 정확히 인식함으로써 제품의 이동 상황을 정확히 파악할 수 있는 유비쿼터스 시스템을 구현하는 경우를 가정해보자. 여기서, 제품(1)의 총개수는 10개로 한정하였으며, 한 제품에는 하나의 RFID 태그(40)만 부착한다고 가정하였다.

시스템 엔지니어는 실제 현장에 시스템을 설치하기 전에 인식률 100 %를 얻기 위한 장비의 규격, 배치를 결정하고 사용 시나리오에 따라 시스템이 잘 작동할 수 있는 지를 검증해야 하며, 이를 위해서는 리더(30)의 개수, 위치 및 방향과, RFID 태그(40)의 부착 위치와 리더(30)와 RFID 태그(40)의 제품 규격을 설계 요소로 하여 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 시스템을 분석 및 시뮬레이션해야 한다.

본 실시예에서는 EPC global의 RFID 프로토콜과 Friis 전송 모델을 사용하여 RFID 태그(40)와 리더(30) 사이의 네트워크 시뮬레이션을 수행하였으며, 수립된 설계 대안들에 대한 최종 선택 기준은 인식률(인식률이 같으면 가장 적은 비용의 대안)로 설정하였다.

도 3은 도 2에 도시된 컨베이어 시스템에 대한 설계 및 분석 과정을 나타내는 순서도이고, 도 4 내지 도 7은 도 3의 각 단계별로 출력되는 컴퓨터 응용 시스템의 화면예를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 유비쿼터스 시스템에 대한 구체 적인 설계 및 분석 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 컴퓨터 응용 시스템을 이용하여 설계를 시작하면, 환경 설계 모듈(110)을 통해 설계 대상이 되는 컨베이어 시스템에 대한 새로운 환경을 생성하거나 환경 데이터베이스(161)에 기저장되어 있던 환경을 불러옴으로써 시스템이 놓여있는 환경을 설계한다(S10). 도 4에 도시된 바와 같이, 새로운 환경을 생성하거나 기저장되어 있던 환경을 불러오면 해당 환경의 개체(entity)들이 화면에 표현된다. 여기서, 메인 화면은 4개의 창으로 구성되는데, 좌측의 2개 창은 환경을 구성하는 게이트(gate), 컨베이어(conveyer), 공장(shopfloor) 등의 환경 개체 요소와 그 특성을 나타내며, 그 외에 후술할 구성요소 생성 단계에서 생성되는 RFID 태그, 리더, 제품 등의 구성요소도 개체로 표시하게 된다. 우측 상단의 창은 시뮬레이션을 위하여 환경 개체들의 배치를 3차원적으로 출력해주는 창이며, 우측 하단은 이후에 생성되는 대안들의 분석 결과를 나타내는 창이다.

상기 환경 설계 단계(S10)가 완료되면, 구성요소 설계 모듈(120)을 통해 시스템을 구성하는 구성요소를 생성하는데(S20), 리더(30), RFID 태그(40), 제품(1)의 설계를 위해 구성요소 설계 모듈(120)을 통하여 구성요소 데이터베이스(162)에 저장되어 있는 기존 규격 중 하나를 선택하거나 새로운 규격을 정의한다. 본 실시예에서는 Hand'IT-2G 리더 1개, 제품 10개, PICOPASS 16K RFID 태그 10개를 생성하였다. 여기서, 리더의 경우, 도 5에서와 같이 제공되는 구성요소 생성창을 통해 모델명과 개수를 설정하고, 전송 전력, 이득(gain) 등과 같은 해당 제품의 다양한 파라미터를 입력할 수 있다.

이후, 시나리오 설계 모듈(130)을 통해 상기 S20 단계에서 생성된 각 구성요소들을 결합하여 전체 시스템을 물리적으로 설계하고, 각 구성요소의 행동(behavior)을 정의하여 시스템의 시나리오를 정의하는 단계를 수행한다(S30). 예를 들어, 생성한 제품에 대해 RFID 태그(40)를 할당하여 RFID 태그(40)를 제품의 어느 면에 붙일지를 결정하고, 제품의 최초 위치와 이동 경로를 설정하며, 리더(30)를 원하는 위치와 방향에 따라 배치한다. 본 실시예에서는 RFID 태그(40)를 제품의 상단에 부착하였고, 리더(30) 1개를 45도 방향으로 설정하였다.

이후, 상기 S30 단계에서 설정된 시나리오에 따라 시뮬레이터(200)가 가동되어 시스템의 성능 또는 동작을 시뮬레이션하는데(S50), 시간이 경과함에 따라 게이트(60)로 들어오는 제품(1)들의 이동 상황과 리더의 RFID 태그 인식 상황을 3차원 시뮬레이션 화면으로 출력해줄 수 있다. 여기서, what-if 분석 모듈(320)을 통해 상기 설정된 시나리오에 따라 시뮬레이션 조건과 분석 방법을 달리 하여 what-if 분석을 효과적으로 진행할 수 있다. 예를 들어, 리더(30)의 개수와 위치, 또는 설치 방향과, RFID 태그(40)의 부착 방향 등을 변경하여 시뮬레이션 조건을 바꿔볼 수 있으며, 게이트(60)를 통과하는 제품(1)의 개수에 따라 리더의 제품 인식 기능이 제대로 작동하는지를 평가하기 위하여, 도 6의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 게이트를 통과하는 제품 들의 개수를 변경시켜 한번에 많은 제품이 게이트를 통과하게 되는 시나리오를 설정해 볼 수 있으며, 그 외에도 RFID 태그(40)가 아래쪽을 향하는 상황 등 실제 발생할 수 있는 다양한 경우를 시나리오로 설정하여 시뮬레이션할 수 있다. 이때 시뮬레이터(200)는 시뮬레이션이 진행되는 동안 일정 시 간 간격마다 RFID 태그(40)와 리더(30)간의 거리와 서로 바라보는 각도를 계산하고, 이에 따라 Friis 전송 모델을 사용하여 RFID 태그(40)의 수신 전력을 계산하며, 최종적으로 리더(30)가 RFID 태그(40)를 성공적으로 인식할 수 있는지 여부를 시뮬레이션 화면 상에서 표시해줄 수 있다.

이어서, what-if 분석 모듈(320)을 통해 상기 S50 단계의 시뮬레이션 결과를 분석하여 분석 결과 데이터베이스(350)에 저장하고, 분석된 결과를 그래프나 표 형태로 출력해준다(S60). 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, FID 태그(40)의 수신 전력 변화를 그래프 등으로 표시해주며(a), 리더(30)와 RFID 태그(40) 간의 인식 여부와 인식률 등을 테이블 형태로 출력해 준다(b).

상기 S20 및 S30 단계를 통해 설계된 시스템과 상기 S50 및 S60 단계를 통한 시뮬레이션 및 분석 결과는 하나의 설계 대안으로서 설계 대안 리스트에 추가되어 시스템 모델 데이터베이스(170)에 저장된다(S70). 설계 대안 리스트에 저장되는 정보로는 S20 및 S30 단계에서 설정된 데이터(리더의 개수, 위치, 방향, 리더와 RFID 태그의 제품 규격)와 S70 단계에서 얻어진 분석 결과(인식률) 등이 포함된다.

이후, 상기 S20단계 또는 S30 단계로 되돌아가, 구성요소의 규격(리더와 RFID 태그의 규격)이나, 설계 조건(리더의 개수, 위치, 방향) 등을 변경하여, 그 이하의 단계를 반복적으로 수행함으로써, 조건 변경에 따른 반복적인 시뮬레이션 및 결과 분석을 통해 다수의 설계 대안을 생성한다.

이와 같은 과정을 통해 설계 대안을 충분히 생성한 후, 최적 설계 추천 모듈(330)을 통해 각 설계 대안에 대한 인식률과 비용을 고려하여 최적의 설계 대안 을 얻는다(S80). 예를 들어, 도 8에서와 같이, 설계 대안 중 인식률이 100%를 만족하면서 가장 적은 수의 리더(30)를 설치하는 6번째 대안을 최적의 설계 대안으로 선택할 수 있다.

끝으로, 상기 S80 단계에서 얻어진 최적 설계 대안의 상세한 설계 명세를 문서 생성 모듈(340)에서 화면이나 인쇄물의 형태로 출력해줌으로써(S90), 사용자가 실제 시스템 개발에 활용할 수 있도록 해준다.

앞에서 살펴 본 일련의 과정을 통해 본 발명은 시스템 엔지니어가 실제 시스템을 구현해 보지 않고서도 시뮬레이션을 통해 최적의 설계 조건을 찾아낼 수 있도록 해주며, 유비쿼터스 시스템을 체계적으로 설계하고, 시뮬레이션 및 분석하여 최적 설계 대안을 선택할 수 있도록 지원할 수 있다. 또한 개념적인 시나리오 정의부터 구축을 위한 설계 명세 출력까지 지원함으로써 유비쿼터스 시스템의 전체 개발 프로세스를 일관성 있게 실행할 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 컴퓨터 응용 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 컴퓨터 응용 시스템이 적용되는 컨베이어 시스템의 구성도.

도 3은 도 2에 도시된 컨베이어 시스템에 대한 설계 및 분석 과정을 나타내는 순서도.

도 4는 도 3에 도시된 환경 설정 단계에서 출력되는 화면을 예시하는 도면.

도 5는 도 3에 도시된 구성요소 생성 단계에서 출력되는 화면을 예시하는 도면.

도 6은 도 3에 도시된 시나리오 설정 단계에서 설정된 시나리오 예를 나타내는 도면.

도 7은 도 3에 도시된 시나리오 시뮬레이션 결과 분석 단계에서 출력되는 화면을 예시하는 도면.

도 8은 도 3에 도시된 최적 설계 대안 추천 단계에서 최적의 설계 대안을 선택하는 예를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 설계 시스템 110 : 환경 설계 모듈

120 : 구성요소 설계 모듈 130 : 시나리오 설계 모듈

140 : 설계 조언 모듈 200 : 시뮬레이터

210 : 시뮬레이션 엔진 220 : 외부 인터페이스 모듈

300 : 분석 시스템 310 : 통계 분석 모듈

320 : what-if 분석 모듈 330 : 최적 설계 추천 모듈

340 : 문서 생성 모듈

161, 162, 163, 170, 230, 350 : 데이터베이스

Claims

유비쿼터스 시스템을 설계 및 분석하기위한 컴퓨터 응용 시스템(CAD/CAE system)에 있어서,

유비쿼터스 시스템의 환경 요소 및 물리적 구조물을 정의하는 환경(environment) 계층과, 유비쿼터스 시스템을 구성하는 각 장치를 정의하는 구성요소(component) 및 상기 구성요소의 행동을 표현하는 시나리오(scenario)를 조합한 3계층의 구조로 시스템 모델을 생성하고, 상기 생성된 시스템 모델을 재정의하여 다수의 설계 대안을 정의하는 설계 시스템과;

상기 설계 시스템에 연결되어 상기 설계 시스템에서 설계된 시스템 모델을 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터; 및

상기 시뮬레이터에 연결되어 상기 시뮬레이터에서 수행된 시뮬레이션 결과를 분석하고, 최적 설계 대안을 추천해주는 분석 시스템;

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 설계 시스템은,

상기 유비쿼터스 시스템의 환경을 설계할 수 있도록 지원하는 환경 설계 모듈(environment design module)과;

시스템을 구성하는 구성요소와 상기 구성요소의 기능을 정의할 수 있도록 지원하는 구성요소 설계 모듈(component design module)과;

상기 구성요소 설계 모듈에서 생성된 구성요소들 중에서 시스템 설계에 사용될 구성요소의 행동과 위치 및 방향을 정의할 수 있도록 지원하는 시나리오 설계 모듈(scenario design module)과;

시스템 엔지니어에게 시스템 설계를 위해 필요한 기술적인 지식을 제공해 주는 설계 조언 모듈(design advisor module);

로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 환경 설계 모듈은,

유비쿼터스 시스템이 설치될 공간에 존재하는 건물 레이아웃과, 온도 또는 습도와 관련된 물리적 현상을 3차원 그리드로 조합하여 상기 환경 계층를 정의하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 시나리오 설계 모듈은,

사용자가 기존에 설계된 유비쿼터스 시스템의 구성요소들에 대한 행동, 위치 또는 방향을 재정의할 수 있도록 함으로써, 하나의 유비쿼터스 시스템에 대한 다수 의 설계 대안을 수립할 수 있도록 지원하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 설계 시스템은,

상기 환경 설계 모듈에 연결되어 상기 환경 설계 모듈에 의해 생성된 환경 정보를 저장해두는 환경 데이터베이스와;

상기 구성요소 설계 모듈에 연결되어 상기 구성요소 설계 모듈에 의해 생성된 구성요소 정보를 저장해두는 구성요소 데이터베이스; 및

상기 시나리오 설계 모듈에 연결되어 상기 시나리오 설계 모듈에 의해 생성된 시나리오 정보를 저장해두는 시나리오 데이터베이스;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 시뮬레이터는,

상기 설계 시스템에서 설계된 유비쿼터스 시스템의 환경 및 구성요소에 기반하여 시스템의 성능 또는 동작을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 엔진(simulation engine)과;

외부 툴과의 인터페이스를 제공하는 외부 인터페이스 모듈; 및

상기 시뮬레이션 엔진에서 수행된 시뮬레이션 결과를 저장해두는 시뮬레이션 결과 데이터베이스;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 시뮬레이션 엔진은,

빠른 이벤트 스케줄링 기법 또는 병렬 프로세싱 기법에 의해 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 외부 인터페이스 모듈은,

다양한 외부 기기와의 연동을 위해서 분산 인터랙티브 시뮬레이션(Distributed Interactive Simulation; DIS), HLA(High Level Architecture) 또는 TCP/IP 소켓 인터페이스를 지원하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 분석 시스템은,

상기 시뮬레이터에 의해 수행된 시뮬레이션 결과를 통계적으로 분석하며, what-if 분석을 수행하여 상기 설계 시스템에서 생성된 설계 대안들을 평가하고, 최적의 설계 대안을 추천해주는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 9항에 있어서,

상기 분석 시스템은,

상기 시뮬레이터에 의해 수행된 시뮬레이션 결과를 통계적 기법을 통해 분석하는 통계 분석 모듈(statistical analysis module)과;

상기 설계 시스템에서 수립한 각 설계 대안 별로 상기 시뮬레이터를 구동함으로써 시뮬레이터에서 얻어지는 시뮬레이션 결과들에 대해 비교 분석을 수행하는 what-if 분석 모듈과;

상기 what-if 분석 모듈을 통해 얻어지는 설계 대안 리스트에 대한 what-if 분석 결과를 바탕으로 최적의 설계 대안을 추천해 주는 최적 설계 추천 모듈(optimal design recommendation module); 및

상기 통계 분석 모듈 및 what-if 분석 모듈에 연결되어, 상기 통계 분석 모듈 및 what-if 분석 모듈에서 수행된 분석 결과를 저장해두는 분석 결과 데이터베이스;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 10항에 있어서,

상기 what-if 분석 모듈은,

상기 설계 시스템에서 수립한 각 설계 대안들에 대하여 시뮬레이션 조건을 변경할 수 있는 사용자 인터페이스를 제공하여, 사용자에 의해 변경된 시뮬레이션 조건을 기준으로 시뮬레이터를 구동하여 얻어지는 시뮬레이션 결과들에 대해 비교 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 10항에 있어서,

상기 최적 설계 추천 모듈은,

사용자에게 시스템 설계에 사용된 설계 파라미터(design parameter)와, 시스템 성능 지표(system performance index)를 조합한 식을 입력받아 목적 함수(objective function)로 정의하고, 상기 what-if 분석 모듈로부터 설계 파라미터 값 및 시스템 성능 지표 값을 각 설계 대안에 대한 시뮬레이션 결과로 전달받아, 상기 정의된 목적 함수를 평가함으로써 최적 설계 대안을 자동으로 도출하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
제 10항에 있어서,

상기 분석 시스템은,

상기 최적 설계 추천 모듈에서 도출된 최적 설계 대안에 대한 청사진(blueprint), BOM(bill of material) 또는 명세서(specification)를 생성해주는 문서 생성 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석을 위한 컴퓨터 응용 시스템.
유비쿼터스 시스템을 설계 및 분석하는 방법에 있어서,

설계 대상이 되는 유비쿼터스 시스템에 대한 새로운 환경을 생성하거나, 기저장되어 있던 환경을 불러옴으로써 시스템이 놓여있는 환경을 설계하는 단계와;

유비쿼터스 시스템을 구성하는 구성요소를 생성하고, 상기 생성된 구성요소에 대하여 기저장되어 있는 기존 규격 중 하나를 선택하거나, 또는 새로운 규격을 정의하여 상기 생성된 구성요소를 정의하는 단계와;

상기 생성된 각 구성요소들을 결합하여 전체 시스템을 물리적으로 설계하고, 상기 각 구성요소의 행동(behavior)을 정의하여 시스템의 시나리오를 설정하는 단계와;

상기 설정된 시나리오에 따라 시스템의 성능 또는 동작을 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계와;

상기 시뮬레이션 결과를 분석하고, 상기 분석된 결과를 그래프 또는 표 형태로 출력해주는 시뮬레이션 결과 분석 및 출력 단계와;

상기 정의된 구성요소 및 시나리오를 포함하는 시스템 정보와, 상기 시뮬레이션 결과 및 시뮬레이션 결과 분석 정보를 설계 대안 리스트의 설계 대안으로 추 가하여 저장하는 단계와;

상기 저장된 각 설계 대안의 시뮬레이션 결과 분석 정보를 비교하여 최적 설계 대안을 도출하는 단계;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석 방법.
제 14항에 있어서,

상기 시뮬레이션 단계에서는,

상기 설정된 시나리오에 따라 시뮬레이션 조건 및 분석 방법을 변경하여 what-if 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석 방법.
제 14항에 있어서,

상기 최적 설계 대안을 도출하는 단계에서 얻어진 최적 설계 대안에 대한 설계 명세를 화면 또는 인쇄물의 형태로 출력해주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 시스템 설계 및 분석 방법.