최근 무인체계 기술의 급격한 발전으로 무인체계를 하나의 체계가 아닌 복합체계로 활용하는 미래 전장환경에 대한 관심이 높다. 무인체계 활용 초창기에는 1:1 원격통제 기반 제어를 통해 임무 수행을 위한 단순 작전 도구 정도로 활용되었으나 관련 기술의 발전으로 독립적인 단일 무기체계에서 복합체계까지 그 활용범위가 확대되고 있다. 즉, 무인체계는 다양한 임무를 수행하는 다수 로봇이 서로 상호 연계하여 전투의 효율성과 생존성을 극대화하는 복합시스템으로 활용할 수 있다. 또한 무인체계는 기존 유인 전투제대에 포함되어 다양한 작전 임무 수행뿐만 아니라 유인체계와의 상호협력 형태로 결합된 유․무인 복합체계로의 운용도 가능하다^[1,2]. 이러한 복합체계로 무인체계를 활용하기 위해서는 다수의 로봇을 효과적으로 통합 운용할 수 있는 임무통제 시스템이 필수적이며 관련 연구가 국방과학연구소 중심으로 활발하게 진행되고 있다^[3-6]. 기존 연구 중 [3]에서는 로봇 임무통제 개념을 수립하고 임무를 단위과업의 조합으로 정의하여 임무계획을 생성하는 과업기반 임무계획 기술을 제안하였으며 [4,5]에서는 로봇과 과업과의 관계를 고려하여 과업을 수행해야 하는 로봇들을 결정하는 과업-로봇 적합도 기반 최적할당 기법에 관한 연구가 수행되었다. 또한 작전지역에 대한 가동성, 위협성, 통신성 정도에 대한 분석정보를 자동으로 분석하여 상황도에 가시화하거나 경로계획 생성 시 활용하는 연구도 있다^[6]. 이러한 연구들은 임무통제 시스템 구성 기술의 지능화 수준을 고도화하려는 연구이다. 하지만 로봇의 임무통제를 수행함에 있어 임무통제 시스템이나 로봇 플랫폼 구성기술들의 지능화 수준이 아무리 고도화되어도 운용자의 감독 및 제어를 위한 상호작용은 여전히 필요하며 결국 운용자의 능력에 따라 임무 수행 결과에 영향을 주게 된다. 이처럼 상호작용 기반의 제어방식은 운용자의 높은 지식수준을 요구하고 운용자가 컴퓨터와 연결되어 긴밀하게 상호작용하는 과정을 통해 제어하는 방식으로 Fig. 1과 같은 인간 감독 제어 방식이라고 한다^[7].

즉, 성공적인 임무수행을 위해서는 지능화된 기능의 적용뿐만 아니라 능력이 뛰어난 운용자의 역할도 중요하다. 하지만 이러한 신뢰성 있는 운용자는 고도로 훈련되어 로봇 운용능력이 뛰어난 운용자임에도 불구하고 실제 전장상황에서는 다양한 이유로 운용능력의 변화가 올 수도 있다. 특히 1:N 통합운용 시에는 보다 높은 운용자 작업 부하가 잠재되어있어 운용자 운용능력 변화의 영향이 크다고 할 수 있다. 따라서 임무통제 시스템 주요 기능에 지능화된 기술 적용만으로는 다중로봇 통합운용 시 그 효과가 다소 반감되므로 운용자의 운용능력 변화를 고려한 새로운 형태의 임무통제 시스템 설계가 필요하다.

본 논문에서는 운용자의 운용능력 변화에 따라 임무통제 시스템의 지능화 수준을 조절하여 다중로봇 통합운용을 지원하는 적응형 임무통제 아키텍처 설계 방법을 설명한다. 이를 위해 운용자의 운용능력을 감독 및 제어 측면으로 구분하여 다중로봇 통합운용에 있어 운용자 업무부하와의 관련성을 이해하고 운용자 업무부하를 효과적으로 분배함으로써 효과적인 다중로봇 통합운용을 가능케 하는 적응형 임무통제 시스템을 위한 아키텍처 설계 방법을 제안한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 로봇 임무통제 단계 및 구성기술을 소개하고 3장에서는 임무통제 시 운용자의 인지적 자원이 소비되는 영역인 감독 및 제어를 기준으로 임무통제 자율화 수준을 정의하고 정량화 하는 방법을 소개한다. 그리고 4장에서는 구현 결과 및 시나리오 기반 실험 방법을 제시한다. 마지막으로 5장에서는 결론을 기술한다.

로봇 임무통제 시스템은 Fig. 2처럼 단일로봇 통제를 위해 분석, 계획, 실행 및 관리, 평가 단계가 순차적인 루프를 따라 작동하며 운용자는 전 단계에서 감독 및 제어 활동을 수행한다.

분석 단계는 무인로봇에 대한 임무를 계획하기 이전 디지털 지도, 각종 군대부호, 상위망 연동 등을 기반으로 임무계획에 필요한 준비, 분석 및 환경을 구축하는 단계이다. 구성기술로는 상위망 연동기술, 상황도 구축기술, 이동예정 경로 분석기술, 전장표적에 대한 가공 및 융합기술 등을 포함한다. 계획단계는 무인로봇을 위한 임무계획을 수립하고 사전 모의하는 단계로 로봇 별 단일 과업의 조합으로 임무계획을 생성한다. 구성기술로는 임무계획 생성 기술, 과업할당 기술, 광역경로계획 기술, 임무모의 기술 등을 포함한다. 실행단계는 장입된 임무계획에 따라 로봇 운용 간 실시간 임무통제 단계로 임무 재계획 기술, 임무할당 기술, 협업임무기술등을 포함한다. 마지막 평가단계는 임무수행 후 임무의 달성도 평가 및 추후 유사 임무 계획 수립 시 참조 또는 재활용을 위하여 관련된 임무수행 결과를 저장하고 분석하는 단계로 임무결과 저장/분석 기술과 통합운용을 위한 운용자 인터페이스 구성기술 등을 포함한다.

단일로봇 임무통제 단계를 다중로봇 운용에 적용하기 위해서는 구성기술 자율화 기능의 고도화가 필수적이다. 하지만 로봇의 임무통제를 수행하는 데 임무통제 시스템이나 로봇 플랫폼 구성기술의 지능화 수준이 아무리 고도화 되어도 운용자의 감독 및 제어를 위한 상호작용은 필요하며 결국 운용자의 능력은 임무수행 결과에 영향을 주게 되므로 Fig. 3의 구성기술 자율화 적용만으로는 그 효용성이 적다.

이는 로봇 임무통제 수행 시 운용자 업무부하 변화에서 기인하는 운용자의 운용능력 변화를 고려하지 않기 때문이다. 실제 운용자가 임무수행을 실시하는 데 다양한 요인에 의해 인지적 자원이 추가로 소비되는 즉, 업무 부하 증가로 지속적 임무 수행에 악영향을 끼치는 상황이 발생한다. 반대로 인지적 자원 소비가 감소되는 경우인 업무부하 감소의 경우는 추가 임무수행이 가능하거나 좀 더 세밀한 임무수행이 가능 할 수도 있다. 여기서 중요한 점은 업무부하가 상황에 따라 변화한다는 점과 이것이 임무수행에 영향이 있다는 점이다. 이를 인지적 자원이 추가로 소비되는 업무부하 증가의 일반적인 예를 들어 설명한다. 실제 전쟁 상황에서 운용자가 겪을 수 있는 예측 불가능한 스트레스(공포, 불안, 배고픔 등으로 인한 스트레스), 임무 수행 간 돌발상황 및 상급자에 의한 추가 지시사항 수행 등의 상황에 처한 운용자가 지속적인 임무수행을 위해서는 인지적 자원을 초과 투입해야 하는 상태가 된다. 따라서 이러한 업무부하 변화에 따라 임무통제 자율화 시스템의 자율화 수준을 변경하여 변화된 업무부하에 대응할 수 있다면 지속적 임무수행이 가능하다. 이때 업무부하 변화에 대한 인지 및 자율화 수준 변경은 운용자가 수행한다.

Fig. 4는 단일로봇 임무통제 단계를 다중로봇(1∼N) 임무통제가 가능하도록 단계별 자율화 수준을 차등 적용하여 변화된 업무부하에 대응이 가능한 적응형 임무통제 단계이다.

Fig. 4와 같이 단계별 자율화 수준의 차등 적용을 위해서는 자율화 수준 지표가 필요하며 이를 통해 임무통제 시스템의 자율화 수준과 운용자 업무 부하 간 관련성을 확인한다.

적응형 임무통제 시스템의 자율화 수준을 정의하기 위해 우리는 임무수행 시 인지적 자원이 소비되는 감독 및 제어 활동 측면에서 자율화 수준 지표를 정의한다. 일반적인 로봇 임무통제에서의 운용자 역할 및 구성은 전체적인 임무를 관리하고 통제하는 감독자와 실제 로봇의 운용을 책임지는 운용자로 구성된다. 하지만 제안하는 적응형 임무통제 시스템은 한 명의 운용자가 여러 대의 로봇을 운용하는 적응형 임무통제 시스템을 위한 아키텍처로 한 명의 운용자가 감독 및 제어 역할을 동시에 한다고 가정한다. 따라서 한 명의 운용자가 임무통제 시 인지적 자원이 소비되는 영역은 감독 활동 측면의 인간의 개입정도와 제어 활동 측면의 지능화 정도가 자율화 수준 지표가 된다. 이러한 지표는 더 상세한 수준으로 정의되며 그 내용은 다음과 같다.

정의한 자율화 수준 지표를 활용하여 운용자 부하에 따라 자율화 수준 조절이 가능한 적응형 임무통제 시스템을 위해서는 감독 및 제어 관점에서의 자율화 수준이 적용된 주요 기능이 구현되어야 한다. 본 논문에서는 계획단계의 임무계획 기술, 실행 단계의 임무할당 기술, 평가 단계의 운용자 인터페이스 기술에 대해 자율화 수준을 적용한다.

본 논문에서는 운용자의 업무부하를 고려한 임무통제시스템의 자율화 수준 조절이 가능한 적응형 임무통제 시스템을 위한 아키텍처를 설명하였다. 다중로봇 통합운용에 있어 자율화 기술의 적용은 필수적이다. 하지만 로봇 임무통제의 특성상 운용자 신뢰성을 고려하지 않은 시스템 신뢰성 측면에서 고도화된 자율화 기술 적용만으로는 그 효과가 크지 않기 때문에 제안하는 적응형 임무통제 아키텍처의 활용 가능성은 크다고 할 수 있다. 제안하는 아키텍처는 운용자 업무부하 변화가 임무 수행에 끼치는 영향을 이해하고 자율화 기술 수준의 변화를 통해 운용자 업무부하 변화에 대응하도록 하는 특징이 있다. 제안 방법의 활용 가능성 확인을 위해 시뮬레이션 환경에서 다중로봇 통합운용 시나리오인 집결지 이동 시나리오에서의 실험방법 및 임무통제 시스템 구현 결과를 제시하였다.

이 논문은 2024년 정부의 재원으로 수행된 연구 결과임.