The Study on Development on LUAV Software based on DO-178

DO-178 기반 무인비행장치 소프트웨어 개발 방안에 대한 고찰

Abstract

The Korea market for LUAV (Light Unmanned Aerial Vehicle) weighing less than 150 kg is growing rapidly. As a result, the market for manufacturing and operating LUAV is expanding, and domestic development of parts and finished products is actively taking place. However, the flight control system and onboard software, which are key components of domestic LUAV, are largely dependent on overseas products due to the excessive cost and period required for development. This paper presented a domestic software development and certification procedure using DO-178C, a guideline for aircraft software development, and the Model-based Development method, and conducted a survey of those involved in the development, manufacturing, and certification of LUAV and analyzed the results. In addition, a case study was conducted to apply the software development plan to the helicopter FCC (Flight Control Computer).

국내 150kg 이하의 중형급 무인비행장치의 시장이 급속도로 성장하고 있다. 이에 따라 무인비행장치 제작 및 활용 시장의 규모도 확대되고 있으며, 부품 및 완제품 개발도 활발히 이루어지고 있다. 하지만 국내 무인비행장치의 핵심 부품인 비행제어장치와 탑재 소프트웨어는 개발에 소요되는 비용 및 기간이 과다하여 주로 해외 제품에 의존하고 있다. 본 논문에서는 항공기 탑재 소프트웨어 개발 지침인 DO-178C와 모델 기반 개발 (MBD; model based development) 방법을 이용하는 국내 소프트웨어 개발 및 인증 절차를 제시하였으며, 무인비행장치 개발, 제조, 인증 관련자들을 대상으로 설문을 수행하고 결과를 분석하였다. 또한, 헬리콥터 FCC (Flight Control Computer)를 대상으로 소프트웨어 개발 방안을 적용해 보는 사례연구를 수행하였다.

Ⅰ. 서론

Teal Group에서는 전 세계적으로 민간 UAS 시장을 2019년부터 2028년까지 연평균 12.5% 성장을 전망하고 있다[1]. 이에따라, 각국은 드론 산업을 성장시키기 위한 제도를 정비하고 있다. 한국교통연구원 자료에 따르면, 국내에서도 드론 기체 신고 추이가 2016년 1,351대에서 5년간 지속적으로 증가하여 2021년 72,356대로 약 53배 이상 증가한 것으로 확인되었다[2]. 이에따라 무인비행장치 제작 및 활용 시장의 규모도 확대되고 있으며 드론 부품 및 완제품의 국내 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 무인비행장치에 탑재될 비행제어장치 및 소프트웨어는 해외 의존도가 높다[3].

항공용 소프트웨어 개발 및 인증 지침으로 DO-178C(Software Consideration in Airborne System and Equipment Certification)가 있다. 이 지침은 글로벌 항공사는 준수할 수 있지만 소규모의 벤처기업들은 소요되는 비용과 기간이 과다하여 적용에 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 모델 기반 개발 방법으로 항공 소프트웨어를 개발하는 사례가 보고되고 있다[4].

이러한 모델 기반 개발 방법을 활용하면 상용 항공 소프트웨어 인증 규격인 DO-178C를 준수하기가 이전보다 더 용이하게 되며 완성된 무인비행장치 소프트웨어의 검증 시 객관성을 확보할 수 있다. 본 연구는 모델 기반 개발 방법으로 개발 업무를 효율적이면서 쉽게 수행하는 방안을 제안하였다. 또한 무인비행장치 제작사와 안전성인증 연구원을 대상으로 설문조사를 수행하고 결과를 분석하였다. 사례연구로서 헬리콥터 FCC(Flight Control Computer) 예제 프로젝트를 대상으로 모델 기반개발 (MBD; model based development) 방법을 적용하여 개발업무를 수행하고 모델 기반 개발 도구로 제작되는 자료와 직접 제작해야 하는 자료를 비교하여 인증업무가 어떻게 간소화되는지 설명하였다.

이 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 분야별 항공 소프트웨어 인증 지침과 모델 기반 개발 동향을 설명하였다. 3장에서는 모델 기반 개발 방법을 업체 및 인증기관에서 수용할 수 있는지 분석하기 위하여 수행한 설문을 소개하였으며, 사례연구로 모델기반 개발 도구로개발 절차를 수행하였다. 4장에서는 설문조사 및 사례연구에 대한 결과로 모델 기반 개발 도구로 만들어지는 인증 문서와 직접 제작해야 하는 문서를 식별하여 인증업무의 간소화가 어떻게 실현 가능한지 설명하였다.

Ⅱ. 이론적 배경

2-1 DO-178

DO-178은 미국 연방항공청 (FAA; federal aviation administration)에서 적합성 입증 방법으로 채택한 항공기 시스템 및 장비 인증에 대한 소프트웨어 고려사항이다. DO-178의 목적은 항공기 및 장비의 감항인증 요구사항을 준수하기 위해 소프트웨어에 대한 안전 지침을 제공하기 위한 것이다. 따라서 항공용 전자장비 탑재 소프트웨어의 개발 지침으로도 활용되는 문서로 항공무선기술협회 (RTCA; radio technical commission for aeronautics)와 유럽 민간항공기 전자기구(EUROCAE; european organization for civil aviation equipment)에서 1980년에 공동으로 제정하였으며, 2011년에 ‘DO-178C’로 개정되었다. 다음의 Table 1은 DO-178의 개정 이력이다[5].

표 1. DO-178 개정 이력

Table 1. DO-178 Evolution history

DO-178에서는 소프트웨어 등급을 항공기 시스템 안전성 평가 지침서인 SAE ARP 4761에 따라 안전성 평가 및 위험도 분석을 수행하여 개발 보증 수준 (DAL; development assurance level)을 결정한다. 개발 보증 수준은 5개의 등급으로 분류하며, Level 별로 필요한 달성 목표 (Objective)와 객관적인 검토를 위한 독립적 달성 목표가 제시된다. 아래 Table 2는 소프트웨어 등급에 따른 달성 목표를 정리한 내용이다.

표 2. DO-178 소프트웨어 수준

Table 2. DO-178C Software Level

항공용 소프트웨어 개발 지침인 DO-178C는 군용 무인기 감항 기준인 표준감항인증기준에서도 제시되며, Table 3과 같다[6].

표 3. 군용 무인기 소프트웨어 인증 기준

Table 3. Military UAV Software Certification Criteria

표준감항인증기준에서 STANAG 4703 (Light UAS Airworthiness Requirements) 적용 범위는 무인비행장치의 범위에 속하며 소프트웨어 기준 및 개발 보증에 대한 적합성 검증 방법 (MOC; means of compliance)은 DO-178을 제시하고 있다.

따라서 무인비행장치 소프트웨어를 DO-178C를 준수하여 개발하면 STANAG 4703에서 제시하는 기준을 충족할 수 있다.

2-2 모델 기반 개발 방법

전 세계적으로 시스템의 기능이 다양화되면서 항공 내장 소프트웨어의 규모와 복잡성 (Complexity)이 높아지고 있다. Fig. 1은 Boeing 사와 Airbus 사의 항공기에 탑재되는소프트웨어 코드 규모를 나타내며, 소프트웨어 규모가 4년간 2배씩 증가함을 확인할수 있다[7].

그림 1. 탑재 소프트웨어 코드 수 성장세

Fig. 1. Onboard SLOC (Software Lines of Code) growth

소프트웨어의 증가에 따라 새로운 프로그램 언어가 발전되고 있으며, 최근에는 모델링 및 시뮬레이션을 활용한 개발 방법이 많이 활용되고 있다. 이러한 개발 방법을 모델 기반 개발이라고 하며, 항공무선기술협회에서는 모델 기반 개발에 대한 지침서인 DO-331 (Model-based Development an Verification Supplement to DO-178C and DO-278A)을 준수하여 개발하는 방법을 제시하고 있다. 아래의 Fig. 2는 모델 기반 개발 절차에 대한 내용이다[8].

그림 2. 시뮬링크를 사용한 모델 기반 개발

Fig. 2. Model-Based Development with Simulink

모델 기반 개발방법은 전통적인 소프트웨어 개발 방법인 C코드 기반으로 설계하던 것을 모델 기반으로 수행함으로써 복잡한 소프트웨어를 구조화할 수 있으며, 설계 단계부터 요구사항의 검증이 가능하다. 또한, 모델 기반으로 코드를 자동으로 생성하여 휴먼 에러를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

무인기 개발 프로젝트에서도 이러한 모델 기반 개발 방법이 활용되고 있다[4]. 따라서 무인비행장치 탑재용 소프트웨어 개발 지침인 DO-178C와 모델 기반 개발 방법을 활용한다면 개발 및 인증에 소요되는 비용과 기간을 줄일 수 있다.

2-3 자료수집 방법

논문에 사용하는 자료는 1차 자료와 2차 자료로 구분된다. 1차 자료는 현재의 연구에 필요하다고 판단하여 직접 조사하여 수집한 자료이며, 2차 자료는 과거 다른 연구 목적으로 조사되어 수집된 자료로서 현재 연구에 활용이 가능한 자료를 뜻한다. 1차 자료의 수집은 많은 시간과 비용, 노력이 필요하지만, 현재의 연구와 직접적으로 연관되어 분석 결과를 활용할 수 있다.

1차 자료의 수집 방법으로는 의사소통법과 관찰법이 있다. 의사소통법은 응답자와의 커뮤니케이션을 통한 자료를 수집하는 방식이며 설문지법, 서베이법, 면접법 등이 있다. 1차 자료의 수집 방법에 대한 내용을 Table 4와 같이 나타내었다[9].

표 4. 커뮤니케이션 방법의 분류

Table 4. Classification of Communication Method

설문지법은 1차 자료 수집 과정에서 가장 많이 사용하는 방법으로 자료처리 및 결과 해석과 분석이 객관적인 장점이 있다. 우리는 체계적이며 공개적인 설문지법을 활용하여 인증업무 간소화 가능성을 분석하였다. 구체적으로 무인비행장치 탑재 소프트웨어를 모델 기반 개발 도구를 활용하여 개발 및 인증 업무를 수행하는 경우의 실효성을 확인하는 사례연구를 수행하였다.

Ⅲ. 설문조사 및 사례연구

3-1 무인비행장치 개발 및 인증 전문가 설문조사

무인비행장치 소프트웨어 개발 및 인증 방안과 관련하여 아래 Table 5와 같이 무인비행장치 개발업체 및 인증기관을 대상으로 설문조사를 수행하였다[10].

표 5. 무인비행장치 개발 및 인증 전문가 설문조사

Table 5. Survey of LUAV development and certification professionals​​​​​​​

Fig. 3은 설문지에 응답한 설문자의 경력과 소프트웨어 개발 및 인증 에러 요인에 대한 내용이며, Table 6은 모델 기반 개발 방법을 활용한 무인비행장치 탑재용 소프트웨어 개발 및 인증에 대한 설문조사 결과이다. 설문 항목은 총 10문항으로 이루어져 있으며, 리커트 5점 척도로 구성하였다[11]. 해석상 편의를 위하여 부정적인 문항은 역으로 환산하였으며, 점수가 높을수록 만족도가 높다. 전체 문항의 신뢰도 (Cronbach’s alpha)는 0.89(매우 높은 수준)로 나타났다.

그림 3. 설문 결과(응답자 경력 및 에러 요인)

Fig. 3. Survey results (respondent experience and error factors)​​​​​​​

표 6. 설문 문항 및 점수

Table 6. Survey questions and scores​​​​​​​

3-2 무인비행장치 소프트웨어 개발 방안

무인비행장치 개발 및 인증 전문가 설문조사 결과를 분석하여 소프트웨어 개발 방안을 제시하였다. 소프트웨어 개발 및 인증 시 가장 어려운 요인으로 과도한 기준에 따른 개발 어려움으로 확인되었다. 하지만 모델 기반 개발 도구를 활용하여 소프트웨어를 개발하면 DO-178C와 같은 기준에서 요구하는 항목들을 개발 도구에서 출력된 산출물로 충족시킬 수 있다는 답변이 나왔으며, 산출물에 대한 접근성 (Accessibility)이 좋다는 응답이 나왔다.

그리고Matlab/Simulink 도구를 활용하여 개발 및 인증 업무 수행 시 만족도나 효율성이 높으며, DO-178C 소프트웨어 개발에서 요구되는 추적성 (Traceability), 데이터 확인 및 검증(Validation & Verification), 형상관리 (Configuration Management) 및 품질보증 (Quality Assurance) 프로세스 수행이 도구를 사용하지 않고 개발하는 경우보다 용이한 것으로 분석되었다. 즉, Visual Studio 소프트웨어 개발 도구를 이용하여 인증데이터를 개발하는 것보다 모델 기반 개발 도구를 사용하는 것이 인증데이터 개발에 적합하다는 응답이 나왔다.

설문조사 결과를 종합하였을 때, 무인비행장치 탑재 소프트웨어 개발에 대해 모델 기반 개발 도구를 활용하여 소프트웨어를 개발한다면 소프트웨어 개발 지침이자 인증 기준인 DO-178C를 준수하여 개발할 수 있으며, 개발비용이나 개발기간을 단축할 수 있다.

3-3 헬리콥터 비행제어 소프트웨어 사례연구 모델

헬리콥터 비행제어컴퓨터 (FCC; flight control computer)는 헬리콥터의 자세와 방향을 제어해 주는 역할을 하며, Fig. 4와 같이 6개의 서브 모델로 구성되어 있다[12]. 각각의 모델은 왼쪽에서부터 AHRS (Attitude Heading Reference System) Voter, HOLC (Helicopter Outer Loop Control), HILC (Helicopter Inner Loop Control) 그리고 3개의 ACL (Actuator Control Loop)로 구성된다.

그림 4. 비행제어컴퓨터 모델

Fig. 4. FCC(Flight Control Computer) Model​​​​​​​

AHRS Voter는 기체의 자세와 방향을 제공하는 3개의 센서로부터 정보를 받는다. 이후 Voting algorithm에 의해 유횻값을 선정하여 비행제어시스템에 제공하는 역할을 한다. 제어시스템은 HOLC, HILC 2가지 Feedback Loop로 구성되어 있다. 3개의 Actuator Loop는 각각 Position Feedback과 Command를 받아 Actuator로 데이터를 제공해 주는 모델이다.

3-4 국내 무인비행장치 소프트웨어 개발 사례연구

본 절에서는 DO-178C 기반 소프트웨어에 대하여 모델 기반 개발 도구인 Simulink를 활용하여 소프트웨어 요구사항 관리, 상세설계 및 모델 검증, 자동 코드 생성 등의 모델 기반 개발 절차를 사례연구로 수행하였다[13].

1) 요구사항 관리

DO-178C의 요구사항 프로세스는 상위 수준 요구사항을 개발 및 관리하여야 한다. 상위 수준 요구사항은 시스템 요구사항 분석과 안전 관련 요구사항, 시스템 아키텍처 분석으로 개발된 소프트웨어 요구사항이다.

이러한 요구사항은 Simulink 외부에서 관리되는 것이 일반적이며, Word, Excel, Doors 등의 Tool로 관리된다. 요구사항은 Simulink Requirements를 통해 Simulink 환경에서 요구사항을 확인할 수 있다. 또한 아키텍처 및 디자인의 구현과 테스트를 통한 검증 여부를 확인할 수 있다. Fig. 5는 헬리콥터 비행제어 소프트웨어 모델에서 출력한요구사항 관련 내용이다.

그림 5. 상위 수준 소프트웨어 요구사항

Fig. 5. High-Level Software Requirements​​​​​​​

2) 상세설계 및 모델 검증

작성된 요구사항을 기반으로 Matlab, Simulink Stateflow 등의 Tool을 활용하여 상세설계를 수행하게 된다. 상세설계에 대한 내용은 소프트웨어 설계 보고서 (SDD; software design description)를 통해 확인할 수 있으며, Fig. 6과 같다.

그림 6. 소프트웨어 설계 명세서

Fig. 6. Software Design Description​​​​​​​

설계된 모델은 Simulink 내 Model Advisor Tool을 통해 DO-178과 DO-331 (Model-Based Development and Verification Supplement to DO-178C and DO-278A) 충족 여부를 검증할 수 있다. 모델링 표준으로 고무결성 시스템, Simulink, 라이브러리 링크, 요구사항 일치 여부 등에 대한 내용을 확인하게 된다. Fig. 7은 DO-178C/DO-331에 대한 표준을 준수한다는 Model Advisor Report 결과를 나타내었다.

그림 7. 모델 어드바이저 보고서

Fig. 7. Model Advisor Repor​​​​​​​

Model Advisor를 통하여 DO-178/DO-331 표준이 충족 여부 확인 후 Simulink Design Verifier를 통해 설계 오류를 식별할 수 있으며, DO-333 (Formal Methods Supplement to DO-178C and DO-278A) 지침의정형 기법을 활용하여 모델의 시뮬레이션 없이 Integer Overflow, Dead Logic, Division by Zero 등 숨은 오류를 검출할 수 있다. Fig. 8은 검출된 Dead Logic을 나타내었다.

그림 8. 데드 로직 (시뮬링크 설계 검증기 결과)

Fig. 8. Dead Logic (Simulink Design Verifier Result)​​​​​​​

식별된 숨은 오류들을 Simulink Design Verifier를 통해 쉽게 수정할 수 있다. 정형 기법을 활용한 정적 검증 후 동적 검증을 수행하여야 한다. Simulink에서는 동적 검증을 Test Harnesses를 활용하여 입력, 출력 등의 테스트 환경 모델을 제공하며, Test Sequence Block을 통한 logical 기반 평가를 수행할 수 있다. 또한, Test Manager 테스트 케이스를 관리할 수 있다.

Simulink Test를 통한 Helicopter Pitch Control Test를 수행한 결과 Fig. 9와 같이 기준에 충족한다는 결론이 도출되었다.

그림 9. 시뮬링크 테스트 결과 (헬리콥터 피치 제어)

Fig. 9. Simulink Test Result (Helicopter Pitch Control)​​​​​​​

3) 코드 생성 및 검증

모델에 대한 검증 결과 이상이 없으면 Embedded Coder Tool을 통해 자동 코드를 생성할 수 있다. 자동 코드는 모델 기반으로 설계되었기 때문에 모델에 문제가 없으면 코드에는 이상이 없게 된다. 모델 기반으로 생성된 코드는 요구사항 및 모델과의 추적성을 확인할 수 있게 된다. 다음의 Fig. 10은 모델과 코드의 추적성을 나타내었다.

그림 10. 모델 및 코드 추적성

Fig. 10. Model to Code Traceability​​​​​​​

이러한 자동 코드는 Simulink Code Inspector를 통해 기능 인터페이스 검증, Model to Code와 같은 구조적인 동일성 및 추적성을 검증할 수 있다. Fig. 11은 Simulink Code Inspector로 검증한 결과를 나타내었다.

그림 11. 코드 검사 보고서

Fig. 11. Code Inspector Report​​​​​​​

Ⅳ. 설문조사 및 사례연구 결과 분석

헬리콥터 FCC 예제 소프트웨어를 DAL C 수준으로 인증받기 위하여 인증기관에 제출해야하는 자료는62가지 Objectives를 기술하는 22종의 문서로서 Fig. 12에 요약하였다[14], [15]. 본 논문에서는 설명을 간소화하기 위하여 Objectives 목록은 생략하였으며, 상세한 내용은 DO-178C 지침의 Annex A와 참고문헌에 기술되어 있다[16], [17].

그림 12. DO-178C 달성 목표 및 인증문서

Fig. 12. DO-178C(DAL C) Objectives and Evidences​​​​​​​

모델 기반 개발 방법으로 소프트웨어를 개발하는 경우 개발단계의 4개의 프로세스에서 요구되는 7가지 Objectives 및 6종의 문서, 그리고 총괄 단계의 검증 프로세스에서의 34가지 Objectives 및 2종의 문서들은 도구에서 자동으로 개발하게 된다. 따라서 인증 신청자는 이들을 제외한 21가지 Objectives (계획 프로세스 7개 항목 및 총괄 프로세스 14개 항목)를 기록한 계획 프로세스 문서 8종과 총괄 프로세스 중 형상관리 프로세스 문서 4종, 품질보증 프로세스 문서 1종 그리고 인증 교섭 프로세스의SAS 1종만 관리하면 된다.

이들 문서 중에서 DO-178C 계획 단계의 문서는 일반적인 템플릿을 이용하면 제작이 상대적으로 용이하다. 또한 형상관리 업무에 관련된 사항들은 일반적인 JIRA Trello 등과 같은 업무 관리 도구를 활용하면 더 쉽게 개발할 수 있다.

기존의 소프트웨어 개발 방법으로 DO-178C DAL C 인증개발 업무를 수행하는 경우에는 지침에서 요구하는 22종에 대한 문서 제작 업무를 개발자가 직접 감당해야 한다. 그러나 모델기반 개발 방법을 사용하는 경우에는 개발 및 검증 문서 8종은 도구를 활용하여 개발할 수 있으므로 이를 제외한 계획 및 총괄문서 14종만 직접 개발하면 된다. 따라서 모델 기반 개발 방법을 활용하면 직접 개발해야 하는 문서의 개수가 축소되고 또한 난이도가 높은 문서들은 도구가 감당하게 되므로 인증 업무의 간소화가 가능하다.

무인비행장치 제작 및 인증 관련 종사자를 대상으로 Simulink와 같은 모델 기반 개발 도구를 활용하여 소프트웨어 개발 및 인증업무 수행에 대한 만족도 설문조사를 수행하였다. 설문 항목은 무인비행장치 소프트웨어 개발 및 인증 업무의 전반적인 절차에 대한 만족도, 업무 용이성 등 총 10가지로 구성하였으며, 설문조사 결과 평균 5점 만점에 4.165로 만족한다는 결론이 도출되었다.

Ⅴ. 결론

150 kg 이하 무인비행장치의 시장이 급속도로 성장하고 있으나, 비행제어장치와 탑재 소프트웨어에 대한 개발은 기간과 비용이 많이 소요되어 해외 제품에 의존하고 있다. 따라서 본 논문에서는 무인비행장치 탑재 소프트웨어의 개발을 지원하는 한 가지 방법으로 모델 기반 개발 기술의 활용과 그 도구에서 자동으로 출력할 수 있는 개발 및 인증문서를 식별하였다. 그리고 헬리콥터 FCC 모델을 대상으로 모델 기반 개발 기술을 활용하여 소프트웨어 요구사항 관리, 상세설계 및 모델 검증, 자동코드 생성에 대한 개발 절차를 사례연구로 수행하였으며, 개발 및 인증 문서 8종은 도구를 활용하여 개발이 가능함을 확인하였다. 따라서 직접 개발해야 하는 문서가 축소되고 난이도가 높은 문서들은 도구가 감당하게 되므로 인증 업무의 간소화가 가능하다.

그리고 모델 기반 개발 기술에 대한 효과성을 확인하기 위하여 국내 무인비행장치 개발업체와 인증기관의 관계자들을 대상으로 10가지 항목의 설문조사를 수행하였다. 설문조사 결과 5점 만점에 4.165점으로 만족도가 높은 것으로 확인되었으며, 무인비행장치 제작 및 인증 업무에 적용이 가능함을 확인하였다.

향후, 국내 무인비행장치 탑재용 소프트웨어를 본 논문에서 제시한 모델 기반 개발 방법으로 DO-178C를 준수하여 개발한다면, 무인비행장치의 안전성 확보에 도움이 될 뿐만 아니라 무인비행장치 수출 경쟁력 확보에도 도움이 될 것으로 예상된다.