작전상황의 고장ㆍ수리율을 고려한 단계형 군 정비시스템 운용 방안 연구 = A Study on the Operation of a Phase-Type Military Maintenance System Incorporating Situation-Dependent Failure and Repair Rates

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 전장 환경에서의 군 정비체계를 연속시간 흡수 마코프체 인(Continuous-Time Markov Chain, CTMC)과 단계형 분포(Phase-Type Distribution, PHD)의 관점에서 모형화하여, 부대의 작전지속능력과 정비시스 템 수준을 정량적으로 평가할 수 있는 분석 틀을 제시하는 데 있다. 이를 위 해 ‘최초검사–수리–최종검사’로 이어지는 단계형 정비절차와 최종검사 실패 시 재정비 및 후송 여부를 상태전이 구조로 표현하고, 크게 전투상황과 전투 력 복원상황이라는 두 가지 작전 맥락에 따라 고장률·단계별 수리율·후송 및 합격확률이 상이하게 작용하는 상황 의존적(situation-dependent) 고장·수리 메커니즘을 모형에 통합하였다. 연구대상은 전차대대와 이에 배속된 야전정비반으로 설정하였다. 먼저 군 정비체계의 단계별 구조와 실제 운용 절차를 정리한 뒤, 고장 장비 수, 정비 단계, 후송 여부 등을 포함하는 상태지표를 정의하고 전투상황과 전투력 복원 상황에 대한 전이율 행렬을 구축하였다. 이 과정에서 기존 연구의 단일 수리 율 가정 모형을 출발점으로 하되, 단계형 정비절차 및 상황을 고려한 고장·수 리율, 후송·재진입 구조를 추가 반영하여 보다 현실적인 구조의 모형으로 확 장하였다. 제안 모형은 소수 장비 예제에서 체류시간과 임무성공률의 기본 특성을 확 인한 후, 장비 수를 확대한 실제 부대 규모에 적용하여 전투상황과 전투력 복 원상황을 비교·분석하였다. 분석 결과, 동일한 정비능력 하에서도 작전상황과 작전요구시간 부여 방식에 따라 전투지속시간과 복원 소요시간, 임무성공률이 뚜렷이 달라지는 것으로 나타났다. 전투상황에서는 작전요구시간이 길어질수 록 임무성공률이 감소하는 반면, 전투력 복원상황에서는 충분한 시간 여유를 부여할수록 복원 완료 가능성이 증가하는 상반된 양상이 확인되었다. 한편, 실제 정비실적 데이터를 활용하여 수리단계 정비시간의 분포를 추정 하고, 지수분포와 로그정규분포 등 여러 분포와의 적합도를 비교하였다. 평균 수준에서는 분포 간 차이가 크지 않았으나, 평균에서 멀어지는 꼬리 영역에서 차이를 보이면서 장시간 정비가 발생할 확률과 임무성공률 분포에 차이가 나 타났다. 특히 임무성공률 기준으로 작전요구시간을 역산하는 경우 10%, 90% 와 같은 분위 수 영역에서 분포별 차이가 크게 나타나, 정비시간 분포 선택이 작전계획의 안전여유 설정과 위험 관리에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 보여 주었다. 수식기반 분석의 구조적 타당성을 확인하기 위해 동일한 상태 구조와 전이 율을 갖는 NetLogo 시뮬레이션 모형을 구축하고, 전투·복원 상황에 대해 반복 실험을 수행하여 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 평균은 수식으로부터 도출된 기댓값과 근접한 수준을 보여 모형의 신뢰성을 확인하였으며, 나아가 정비팀 체력(피로도) 요소를 도입한 확장 시뮬레이션을 통해 장시간 작전 시 정비능 력 저하가 작전지속능력에 미치는 영향을 탐색하였다. 체력요소를 반영한 경 우, 일정 시점 이후 정비팀 피로가 시스템 종료의 주요 원인이 되며, 이에 따 른 다양한 정비정책(휴식 부여, 교대근무, 우선순위 정비, 상급부대 지원 등)을 제안하였다. 종합하면, 본 연구는 다양한 전투상황을 고려한 전이율과 단계형 정비절차 를 통합한 수리적 모형을 제시하고, 이를 뒷받침하는 시뮬레이션 분석을 통해 군 정비시스템의 작전능력을 다각도로 평가할 수 있는 기초 틀을 제시하였다. 제안 모형은 정비절차의 구조와 작전상황별 특성을 반영하여 전투지속시간·복 원시간·임무성공률을 정량적으로 검토할 수 있게 하며, 향후 실제 군 정비데 이터와 결합될 경우 군 정비정책 및 자원 배분 의사결정을 지원하는 실용적 도구로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 게재 예정인 김제욱·윤봉규(2025)의 연구를 수정ㆍ보완하여 재작 성하였다[4].

주요어 : 연속시간 마코프체인, 단계형 분포, 정비시스템 모델링, 체류시간 분석, 임무성공률, 시뮬레이션 검증

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 3
• 제2절 기존 연구 고찰 4
• 제2장 군 정비체계의 특성과 단계형 분포 7
• 제1절 군 정비체계 절차 및 특성 7
• 제2절 단계형 확률분포와 단계형 정비 10
• 제3절 장비 고장 및 수리과정 모형화 11
• 제3장 정비프로세스를 고려한 분석 모형 14
• 제1절 용어 정의 및 가정사항 16
• 제2절 상태정의 및 상태전이 규칙 18
• 제3절 상태 전이율 행렬 24
• 제4절 기준수리율 정의 및 수치예제 (3대) 26
• 제4장 결과분석 및 시뮬레이션 31
• 제1절 시뮬레이션 활용 수식 모형 검증 33
• 제2절 기존연구와 비교 38
• 제3절 수식기반 모형 분석 40
• 제4절 시뮬레이션 확장 및 실험 48
• 제5장 결론 및 향후 연구방향 61
• 참고문헌 63
• 부록 66
• 영문요약 69