KR20210053650A - 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템 - Google Patents

자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템이 개시되어 있다. 본 발명은, 시스템을 구성하는 요소를 계층 구조로 식별하고 이들간의 관계를 정의 하는 시스템 구성요소 정의부; 시스템을 구성하는 요소들에 대한 위협요소를 식별하고 결함트리(Fault Tree)를 생성하는 결함트리 생성부; 드론의 목적지를 설정하고 이동 경로를 탐색하여 결정하는 운행 시나리오 정의부; 운행 사니리오의 경로상에 나타나는 환경 위협들을 식별하는 환경 위협 식별부; 식별된 환경 위협요소를 생성된 결함트리에 반영하여 통합 결함트리를 생성하는 통합모델 생성부; 및 생성된 통합 결함트리를 이용하여 운행 과정에서 발생할 수 있는 사고를 식별하고, 이에 대한 안전 조치(Safety Guard)를 정의하는 위협 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템{Hazard Analysis Technique and Its System for Safety Verification for Autonomous Dron Navigation}
본 발명은 드론 비행 안정성 분석 기법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 카메라를 장착하고 항해하는 드론의 비행 제어에 대하여 날씨와 같은 환경적인 요인을 고려할 수 있도록 한 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템에 관한 것이다.
드론의 응용 분야가 넓어지고 있다. 드론의 비행은 GPS 기반의 위치를 중심으로 이동하지만, 응용 영역이 넓어 지면서, 단순히 GPS 만을 이용한 비행은 불가능하게 되었다.
다시 말해서, 고층 건물이나 높은 나무, 그리고 또 다른 이동체 등을 인식하면서 비행해야 할 필요성이 생겼다. 따라서 카메라가 드론 비행에서의 중요한 이동 정보를 제공하는 역할을 수행하게 되었다. 그러나 카메라 영상은 안개, 햇빛 등과 같은 날씨 요인에 많은 영향을 받는다.
따라서 GPS 및 카메라 등을 이용하여 항해하는 드론의 경우에는 드론 자체의 정확한 동작뿐만 아니라 주변의 환경적 요소도 고려하여 안전한 비행이 가능한지 검사해야 할 필요가 있다.
드론 제어 소프트웨어에 대한 안전성 분석은 위협 분석 기법(Hazard Analysis Technique) 중의 하나인 결함트리 분석(FTA, Fault Tree Analysis) 방법에 의해 이루어진다.
그러나 결함트리 분석에서는 시스템을 구성하는 요소(구성품)들이 가질 수 있는 위협 요소들에 대해서만 고려하고, 환경적인 요인들에 대해서는 고려하지 않는다.
1. 대한민국 공개특허 제10-2019-0052897호(2019.05.17) 2. 대한민국 등록특허 제10-1967327호(2019.04.03) 3. 대한민국 등록특허 제10-1734872호(2017.05.04)
본 발명의 목적은 드론 비행의 환경적 위협 요소를 분석함으로써, 드론 비행의 안전성을 확보하고, 임무를 완료할 수 있도록 한 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 카메라를 장착하고 항해하는 드론의 비행 제어에 대하여 날씨와 같은 환경적인 요인을 고려할 수 있도록 한 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템은, 시스템을 구성하는 요소를 계층 구조로 식별하고 이들간의 관계를 정의 하는 시스템 구성요소 정의부; 시스템을 구성하는 요소들에 대한 위협요소를 식별하고 결함트리(Fault Tree)를 생성하는 결함트리 생성부; 드론의 목적지를 설정하고 이동 경로를 탐색하여 결정하는 운행 시나리오 정의부; 운행 사니리오의 경로상에 나타나는 환경 위협들을 식별하는 환경 위협 식별부; 식별된 환경 위협요소를 생성된 결함트리에 반영하여 통합 결함트리를 생성하는 통합모델 생성부; 및 생성된 통합 결함트리를 이용하여 운행 과정에서 발생할 수 있는 사고를 식별하고, 이에 대한 안전 조치(Safety Guard)를 정의하는 위협 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 운행 시나리오 정의부는 운행 시나리오를 결정할 때, 목적지까지의 소요 시간을 시나리오를 결정하는 요소로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 환경 위협 식별부는 지형 정보나 날씨 정보를 연계하여 환경 위협들을 식별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 방법은, 드론의 비행 관련 구성요소(Ei)를 식별하는 단계; 식별된 각 구성요소(Ei)에 대하여 발생 가능한 고장유형(Fi)을 식별하는 단계; 고장유형(Fi)별 원인(Ci)을 식별하는 단계; 고장유형(Fi)과 원인(Ci)을 이용한 결함트리를 생성하는 단계; 드론의 최종 목적지(D)와 제한 사항을 설정하는 단계; 목적지까지의 운항 경로(Pi)를 선정하는 단계; 운항 경로(Pi) 상의 환경 위협요소(Hi)를 식별하는 단계; 통합 모델 생성부를 통해서 작성된 결함 트리와 환경 요소를 통합하는 단계; 통합 위협 분석부를 통해서 결함트리분석(Fault Tree Analysis) 방법을 이용하여 고장에 대한 원인의 최소 집합(Minimal Cut Set)을 도출하는 단계; 각 구성요소가 갖는 신뢰성 정보를 이용하여 고장 발생확률을 산정하는 단계; 및 고장 발생확률이 임계치를 초과하는지를 확인하여 초과한다면 안전조치를 정의하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 결함 트리와 환경 요소를 통합하는 단계는, 환경 위협적인 요소를 결함트리에 통합하기 위해서, 위협요소(Hi)가 시스템의 구성요소(Ei)에 미치는 영향이 있는가를 결정하는 단계; 구성 요소의 기능에 영향을 미치는 위협요소(Hi)가 있다면, 위협요소를 결함 트리에 새로운 노드로 추가하는 단계; 위협 요소(Hi)만으로 구성요소의 고장을 유발하는 경우 OR 케이트 연결하고, 다른 고장 원인(Ci)과 함께 구성요소의 고장을 유발하는 경우는 AND 케이트로 연결하는 단계; 및 구성요소(Ei)의 고장 유형(Fi)이 마지막인지 확인하여, 다음 위협요소(Hi)를 존재하는지 확인하거나 다른 구성요소(Ei)에 대하여 위협요소(Hi)의 고장 영향도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 운항 경로(Pi) 상의 환경 위협요소(Hi)를 식별하는 단계는
경로상에 존재하는 지형정보와 기상 정보를 외부와 연결된 시스템으로부터 가져와 지도 상에 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저공 비행, 장애물 식별 및 회피 등과 같은 기능들이 드론의 응용 영역에서 필요 하게 되었으며, 이를 위해 장애물의 비행 경로에 존재하는 환경적 위협요소를 식별 분석할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 안개, 햇빛, 비(Rain), 고층건물 등과 같은 환경적 장애물(위협요소)이 비행 경로상에 존재할 때, 이들이 비행 임무를 저해하는지 분석할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 드론 비행의 환경적 위협 요소를 분석함으로써, 드론 비행의 안전성을 확보하고, 임무를 완료할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템을 활용한 분석 기법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 있어서, 환경 위협 요소가 포함된 드론의 통합 결합트리의 예시를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템은, 시스템을 구성하는 요소를 계층 구조로 식별하고 이들간의 관계를 정의 하는 시스템 구성요소 정의부(10), 시스템을 구성하는 요소들에 대한 위협요소를 식별하고 결함트리(Fault Tree)를 생성하는 결함트리 생성부(20), 드론의 목적지를 설정하고 이동 경로를 탐색하여 결정하는 운행 시나리오 정의부(30), 운행 사니리오의 경로상에 나타나는 환경 위협들을 식별하는 환경 위협 식별부(40), 식별된 환경 위협요소를 생성된 결함트리에 반영하여 통합 결함트리를 생성하는 통합모델 생성부(50) 및 생성된 통합 결함트리를 이용하여 운행 과정에서 발생할 수 있는 사고를 식별하고, 이에 대한 안전 조치(Safety Guard)를 정의하는 위협 분석부(60)를 포함한다.
상기 운행 시나리오 정의부(30)는 운행 시나리오를 결정할 때, 목적지까지의 소요 시간 등을 시나리오를 결정하는 요소로 사용할 수 있다.
또한, 상기 환경 위협 식별부(40)는 지형 정보나 날씨 정보 등을 연계하여 환경 위협들을 식별할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템을 활용한 분석 기법을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 기법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 드론의 비행 관련 구성요소(Ei)를 식별한다.
예를 들면, 상기 구성요소(Ei)는 GPS, 카메라, 모터, 베터리, 프로펠러 등일 수 있다.
식별된 각 구성요소(Ei)에 대하여 발생 가능한 고장유형(Fi)을 식별한다. 고장유형이 식별된 경우는 카메라 오동작 또는 미동작이나 모터 오동작 또는 미동작 등으로 식별된다.
그리고, 고장유형(Fi)별 원인(Ci)을 식별한다. 예를 들어 모터 미동작은 (1) 배터리 완전 방전, (2) 모터와 전원 연결선 접촉 불량, (3) 모터 자체 불량 등이 그 원인(Ci)이 될 수 있다.
고장유형(Fi)과 원인(Ci)을 이용한 결함트리를 생성한다.
또한, 드론의 최종 목적지(D)와 제한 사항을 설정한다.
드론 비행을 위해서는 목적지(D)가 선정되어야 하고, 지도상에서 특정 위치를 지정하고 비행을 위한 제한 사항, 예를 들면 비행 소요 시간, 반드시 경유해야 하는 지점 등을 지정한다.
이러한 경로가 지정되면, 목적지까지의 운항 경로(Pi)를 선정한다.
운항 경로(Pi) 상의 환경 위협요소(Hi)를 식별한다. 이때, 경로상에 존재하는 고층 건물 등의 지형정보와 안개 지역 등과 같은 기상 정보를 외부와 연결된 시스템으로부터 가져와 지도 상에 나타낸다.
드론 비행의 환경에서 비행 과정에서 나타나는 위협 요소(Hi)를 식별할 수 있다. 고층 빌딩과 안개 지역이 대표적이 예시이다.
식별된 위협 요소들이 드론 비행의 안전성에 위협이 될 수 있는가를 결정하기 위하여, 상기 통합모델 생성부(50)를 통해서 작성된 결함 트리와 환경 요소를 통합하는 공정을 거친다.
먼저 식별된 환경적 위협요소가 없다면, 드론 자체의 결함트리를 이용하여 안전성 분석을 수행하고, 만약 식별된 환경 위협 요소가 존재한다면, 이를 결함 트리에 통합하는 작업을 거친다.
환경 위협적인 요소를 결함트리에 통합하기 위해서는 위협요소(Hi)가 시스템의 구성요소(Ei)에 미치는 영향이 있는가를 먼저 결정해야 한다.
예를 들어, 안개, 강한 햇빛은 구성요소 GPS에 영향을 주지는 않지만, 카메라 촬영에 영향을 준다. 따라서 시스템 구성요소에 위협원으로 영향을 줄 수 있다는 드론의 비행 안전성 분석에 반드시 고려되어야 한다.
본 발명에 따른 위협 분석 시스템 구성 요소의 기능에 영향을 미치는 위협요소(Hi)는 결함 트리에 새로운 노드로 추가된다.
이때, 위협 요소(Hi)만으로 구성요소의 고장을 유발하는 경우 OR 케이트로, 다른 고장 원인(Ci)과 함께 구성요소의 고장을 유발하는 경우는 AND 케이트로 연결한다.
구성요소(Ei)의 고장 유형(Fi)이 마지막인지 확인하여, 다음 위협요소(Hi)를 존재하는지 확인하거나 다른 구성요소(Ei)에 대하여 위협요소(Hi)의 고장 영향도를 산출한다.
또한, 위협요소가 결함트리에 통합되면, 통합위협분석부(60)는 결함트리분석(Fault Tree Analysis) 방법을 이용하여 고장에 대한 원인의 최소 집합(Minimal Cut Set)을 도출하고, 각 시스템의 구성요소가 갖는 신뢰성 정보를 이용하여 고장 발생확률을 산정한다.
그리고, 고장 발생확률이 임계치를 초과하는지를 확인하여 초과한다면 안전조치를 정의해야 한다. 예를 들어 일반적인 고장 발생확률이 0.3을 초과하는 경우에 대해서는 안전 조치를 정의해야 한다.
안전 조치(Safety Guard)는 고장이 발생하지 않도록 예방하기 위한 방법을 드론 시스템에 추가하는 것으로서, 예를 들면, 안개의 위협을 제거하기 위하여 카메라의 특성을 적외선으로 대체하거나, 레이다(Rader) 센서 등을 부착하는 것이 안전 조치가 될 수 있다.
도 3은 본 발명에 있어서, 환경 위협 요소가 포함된 드론의 통합 결합트리의 예시를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 드론 비행 실패라는 정상 고장을 정의하고, 이에 대한 원인을 도출하여 OR 케이트로 연결하였다. OR 케이트는 하단으로 연결되는 고장 원인(이벤트)중 어느 하나라도 발생한다는 해당 결함이 발생할 수 있음을 의미하며, AND 케이트의 경우는 연결된 모든 이벤트가 발생해야 해당 결함이 발생한다는 의미이다. 장애물 인식 실패의 결함은 그 원인이 카메라 작동 오류 또는 극심한 안개가 그 원인이 될 수 있으며, 이들도 OR 케이트로 연결되었다.
기존의 결함 트리의 경우에는 이러한 환경적 요인들을 포함하는 결함트리가 작성되지 않았다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타실시 예로 변경할 수 있으므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 시스템 구성요소 정의부 20: 결함트리 생성부
30: 운행 시나리오 정의부 40: 환경 위협 식별부
50: 통합 모델 생성부 60: 통합 위협 분석부

Claims (6)

  1. 시스템을 구성하는 요소를 계층 구조로 식별하고 이들간의 관계를 정의 하는 시스템 구성요소 정의부;
    시스템을 구성하는 요소들에 대한 위협요소를 식별하고 결함트리(Fault Tree)를 생성하는 결함트리 생성부;
    드론의 목적지를 설정하고 이동 경로를 탐색하여 결정하는 운행 시나리오 정의부;
    운행 사니리오의 경로상에 나타나는 환경 위협들을 식별하는 환경 위협 식별부;
    식별된 환경 위협요소를 생성된 결함트리에 반영하여 통합 결함트리를 생성하는 통합모델 생성부; 및
    생성된 통합 결함트리를 이용하여 운행 과정에서 발생할 수 있는 사고를 식별하고, 이에 대한 안전 조치(Safety Guard)를 정의하는 위협 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 운행 시나리오 정의부는 운행 시나리오를 결정할 때, 목적지까지의 소요 시간을 시나리오를 결정하는 요소로 사용하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 환경 위협 식별부는 지형 정보나 날씨 정보를 연계하여 환경 위협들을 식별하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 시스템.
  4. 드론의 비행 관련 구성요소(Ei)를 식별하는 단계;
    식별된 각 구성요소(Ei)에 대하여 발생 가능한 고장유형(Fi)을 식별하는 단계;
    고장유형(Fi)별 원인(Ci)을 식별하는 단계;
    고장유형(Fi)과 원인(Ci)을 이용한 결함트리를 생성하는 단계;
    드론의 최종 목적지(D)와 제한 사항을 설정하는 단계;
    목적지까지의 운항 경로(Pi)를 선정하는 단계;
    운항 경로(Pi) 상의 환경 위협요소(Hi)를 식별하는 단계;
    통합 모델 생성부를 통해서 작성된 결함 트리와 환경 요소를 통합하는 단계;
    통합 위협 분석부를 통해서 결함트리분석(Fault Tree Analysis) 방법을 이용하여 고장에 대한 원인의 최소 집합(Minimal Cut Set)을 도출하는 단계;
    각 구성요소가 갖는 신뢰성 정보를 이용하여 고장 발생확률을 산정하는 단계; 및
    고장 발생확률이 임계치를 초과하는지를 확인하여 초과한다면 안전조치를 정의하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 결함 트리와 환경 요소를 통합하는 단계는,
    환경 위협적인 요소를 결함트리에 통합하기 위해서, 위협요소(Hi)가 시스템의 구성요소(Ei)에 미치는 영향이 있는가를 결정하는 단계;
    구성 요소의 기능에 영향을 미치는 위협요소(Hi)가 있다면, 위협요소를 결함 트리에 새로운 노드로 추가하는 단계;
    위협 요소(Hi)만으로 구성요소의 고장을 유발하는 경우 OR 케이트 연결하고, 다른 고장 원인(Ci)과 함께 구성요소의 고장을 유발하는 경우는 AND 케이트로 연결하는 단계;
    구성요소(Ei)의 고장 유형(Fi)이 마지막인지 확인하여, 다음 위협요소(Hi)를 존재하는지 확인하거나 다른 구성요소(Ei)에 대하여 위협요소(Hi)의 고장 영향도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 운항 경로(Pi) 상의 환경 위협요소(Hi)를 식별하는 단계는
    경로상에 존재하는 지형정보와 기상 정보를 외부와 연결된 시스템으로부터 가져와 지도 상에 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 드론 비행 안전성 검사를 위한 위협 분석 방법.
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