전투력 극대화를 위한 숨겨진 열쇠, HSI를 말하다#3

최근 미국, 중국, 유럽 등 주요 우주 강국들이 달, 화성 등 심우주유인탐사 계획을 본격적으로 추진하면서 인류의 우주 진출이 새로운 전환점을 맞이하고 있다. 유인우주탐사는 현재 기술력 상 로봇이나 무인 탐사선이 대체할 수 없는 대응 능력, 창의적 문제 해결, 복잡한 과학 실험 수행 능력 등 인간만의 고유한 강점을 활용함으로써 인류의 우주 환경에 대한 이해를 비약적으로 넓히고 있다. 더불어, 우주에서의 생존과 생활을 위한 기술 개발은 지구 환경 문제 해결과 미래 인류 문명의 지속 가능성 확보에도 중요한 기여를 하고 있다.

이처럼 유인우주탐사의 중요성이 커지는 가운데 극한의 우주 환경에서 장기간 수행되는 유인 임무의 특성상, 인간 요소를 시스템 설계 초기 단계부터 통합하는 것이 임무 성공의 핵심 과제이다. NASA는 이러한 필요성에 따라 HSI를 우주 시스템 설계와 운용의 필수 요소로 발전시켜 왔으며, 인간 중심의 기술 통합을 통해 임무의 안전성과 효율성을 높이고자 노력해왔다.

본 기고에서는 NASA의 HSI 발전사부터 국방분야와의 HSI 차이점, NASA의 체계공학 프로세스 내에서 HSI 적용, HSI의 효과적 구현을 위한 방안을 살펴보고자 한다.

NASA의 HSI 발전사

1958년 설립된 NASA는 극한 환경에서 인간과 시스템 간 상호작용을 최적화하기 위해 美 국방부(DOD)의 인간공학 및 시스템 통합 프레임워크를 참고하여 HSI 개념을 도입하였고 관련 표준과 경험을 참조하여 자신만의 기준과 프로세스를 발전시켜 왔다(그림 1 참조).

초기 단계(1960년대~1980년대) :

아폴로 프로그램을 계기로 인간 요소가 우주 임무 설계에 본격적으로 반영되기 시작했다. 이 시기에는 주로 우주복 설계, 조작 패널의 배열 등 기본적인 인간공학에 중점을 두었다. 1965년에는 인간 요소 요구사항을 규정한 최초의 표준(MSFC-STD-391)이 제정되었으며, 이후 정식 NASA 표준(NASA-STD-3000)으로 발전하여 국제우주정거장(ISS)의 설계에도 적용되었다. 또한, 1970~1980년대에는 항공 안전성 향상과 '승무원 자원 관리'개념이 더욱 발전하였다.

체계화 단계(1990년대~2010년대) :

국제우주정거장(ISS) 건설이 진행되던 1990년대에는 장기 체류 승무원의 건강과 작업 효율성을 고려하여 '인간 중심 설계' 개념을 본격적으로 도입했다. 2008년에는 NASA가 인간 등급 시스템(Human-Rating System)을 규정한 NPR 8705.2B를 제정하여 HSI의 중요성을 명확히 강조했으며, 이로써 NASA는 미 국방부와 차별화된 우주임무 중심의 HSI 표준을 도입하는 전환점을 마련했다.

고도화 단계(2015년 이후) :

2013년, NASA는 NPR 7123.1을 개정하여 체계공학 프로세스에 HSI를 공식적으로 통합했다. 2015년에는 NASA-STD-3001 Vol.2를 제정해 HSI 요구사항의 적용 대상을 모든 유인 우주비행 프로그램으로 확대했으며, 같은 해 발간한 HSI Practitioner's Guide를 통해 실무 지침을 제공하기 시작했다. 최근에는 아르테미스(Artemis) 프로그램 등 다양한 우주 탐사에서 NASA가 인간-로봇 협업과 자율 시스템 통합 등에서 HSI의 핵심적인 역할을 적극적으로 수행하고 있다.

이와 같이 NASA는 인류의 우주 활동이 고도화됨에 따라 HSI의 적용 범위와 수준을 점진적으로 확대해 왔으며, 우주 환경에서의 인간-시스템 상호작용 최적화를 지속적으로 추구하며 현재도 우주임무 특유의 위험 환경과 운영 요구를 반영한 독자적인 기준과 혁신적 접근법을 발전시켜 나가고 있다.

DoD와 NASA의 HSI

NASA는 HSI를 체계공학 과정에서 인간 요소를 효과적으로 통합하여 시스템 성능을 최적화하고 수명 주기 비용의 절감의 중요한 방법론으로 인식한다는 점에서 DoD와 같은 것으로 보이나 실제 그들의 고유한 임무와 조직적 요구사항에 맞게 각각 HSI를 다양한 방식으로 접근 및 구현하고 있다. DoD는 총 시스템 성능을 최적화하고 총 소유 비용을 최소화하면서, 시스템이 사용자에게 임무 완수 능력을 효과적으로 제공할 수 있도록 설계, 운영 및 유지의 보장을 HSI 목표로 설정한 반면, NASA는 수명 주기 비용 감소, 체계공학 내 HSI 통합을 핵심 목표로 설정하고 있다.

다시 말해, DoD는 전투 시스템의 획득과 운영에 중점을 두고 인력, 인원, 훈련 비용을 줄이는 데 초점을 맞추는 반면, NASA는 우주 임무와 관련된 시스템의 안전성, 사용성, 효율성에 더 중점을 두는 차이가 있으며 그림 2와 같이 6개의 도메인을 운영한다.

DoD HSI에도 포함된 ‘HFE’는 공통적으로 인간-시스템 인터페이스 최적화를 핵심목표로 추구하며 ‘Training’은 숙련된 운영자대상 훈련의 효율성과 효과성을, ‘Safety’ 는 인적 오류 분석과 위험 관리, 복구 시나리오 개발 등 우주 임무 특유의 위험 완화에 더 큰 비중을 두고 있다. ‘H&E’의 경우 단순히 거주성 뿐 아니라 외부 환경(지상/우주/행성 표면)과 상호작용인 방사선, 중력, 소음, 온도 등 인간에게 영향을 미치는 다양한 외부 요인까지 통합적으로 고려하는 것이 특징이다.

한편 우주 시스템 운영에 특화된 독자적인 도메인으로 ‘Operations’와 ‘M&S’가 있다. ‘Operations’ 도메인은 우주 임무의 운영 프로세스를 체계화하는 데 초점을 맞추며이는 임무 계획, 실행, 모니터링 등 실제 임무 수행 과정에서 인간과 시스템의 효율적 상호작용을 보장하기 위한 것으로, NASA의 복잡한 우주 임무 특성에 최적화된 영역이다. ‘M&S’ 도메인은 장기 임무에서의 유지보수 효율성을 극대화하는 데 중점을 두고 있다. 우주 환경에서는 제한된 자원과 접근성 때문에, 시스템 유지보수의 용이성, 신속성이 중요한 설계 요소이며 따라서 우주선 및 기지의 신뢰성, 정비 용이성, 예비부품 관리 등을 포괄적으로 다룰 수 밖에 없다.

결론적으로, 두 분야 모두 HSI를 시스템 개발의 필수 요소로 인식하고 초기 설계 단계부터 통합하지만, 각자의 임무 환경과 요구사항에 따라 목표와 도메인, 그리고 통합 방식에서 차별화된 접근방식을 취하고 있다. 이러한 차이는 각 분야의 시스템이 인간의 한계와 역량을 최대한 활용하면서도, 궁극적으로 임무 성공과 안전을 보장할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 한다.

NASA 체계공학의 HSI 프로세스

NASA는 프로그램과 프로젝트의 SE 프로세스가 실행되는 동안 HSI 요구사항을 식별하고 HSI 요소를 개발하는 활동을 수명주기의 초기부터 수행하고 있다. 표 1은 NASA SE 프로세스의 7단계(Pre-Phase A ~ Phase F)별 HSI 관련 주요 활동과 산출물이다. 초기 단계(Pre-Phase A, Phase A) : 임무 목표와 시스템 운영 개념의 수립과 함께 인간 역할, 운용·유지보수 환경, 주요 인터페이스 요건 등 HSI 요구사항을 조기에 식별하고 문서화하는 것이 핵심이다. 따라서 HSI 전략 수립, 고위험 HSI 위험요소 식별, 인간 기능 할당(Human Function Allocation), HSI 성과 지표 선정 등의 활동을 수행한다.

설계 단계(Phase B, Phase C) : 앞서 도출된 HSI 요구사항이 예비설계와 상세설계에 모두 적용되는지 HSI 요구사항 추적성을 중점 검토하며, 이 과정에서 인간공학 원칙과 사용성 평가를 설계 검증, 인터페이스 시제품화, 시나리오 기반 검토 등으로 구현됩니다. 그리고 HITL(Human-in-the-Loop) 시뮬레이션·테스트 계획·수행을 통해 실제 사용자 관점의 설계 적합성도 사전에 점검한다. 또한, HSI V&V(Verification and Validation) 계획이 문서화되어, 각 요구사항별 검증 방법과 기준을 구체화하는 활동을 수행한다.

구현 및 운영 단계(Phase D, E, F) : 구축된 시스템, 서브시스템, 주요 HSI 인터페이스에 대해 정량적·정성적 검증이 이루어지고, 실제 운영 중에는 운영자·유지관리자의 성과 모니터링, 피드백 수집, HSI 위험관리 등을 수행한다. 임무완료 후에는 교훈자료의 문서화, HSI 위험 및 문제 종료 등 차기 사업의 HSI 성숙도 향상에 밑거름으로 활용할 수 있도록 체계적으로 정리한다.

이와 같이 HSI는 미션 계획, 설계, 제작, 시험, 운영, 폐기 전 단계에 걸쳐 반복적으로 통합 검토·성숙됨으로써 시스템의 안전성, 효율성, 운용성확보에 필수적인 역할을 한다.

HSI 효과적 구현을 위한 체크리스트

HSI의 효과적 구현을 위해 NASA는 HSI 도메인별로 시스템의 설계, 개발, 검토, 운영 과정에서 반드시 고려해야 할 핵심 요구사항과 기준을 점검할 수 있는 체크리스트를 활용하고 있다. 특히 설계 및 검증 단계에서 HSI 요소의 시스템 요구사항 내 통합여부, 실제 설계 기준과 적용 결과 간 일치성등을 검증(V&V)하는 데 많이 활용되며 도메인별 점검 내용은 다음과 같다.

1. HFE
공간, 자동화, 작업 성과와 유지보수성 등의 인적 요소를 고려하였는지, 새로운 인터페이스가 필요한지, 조명이나 장비, 작업자 협업방식에 변경이 필요한지 파악한다. 사람의 인지적·신체적 제약 내에서 정확도, 수행 시간, 작업 부하등 임무 성과에 영향을 미치는 요소들을 평가한다.

2. Operations
새로운 운영을 위해 인력 구성(군·민간·계약자)의 변화 추이를 예측하고 기존 시스템과 비교하여 필요한 인원 규모, 경험 수준, 기술 요구사항의 변화를 식별했는지 확인한다. 그리고 인력 자원이 충분한지 평가하고, 인력 확보와 운영에 따른 시간적·재정적 제약이 고려되었는지 확인한다.

3. M&S
시스템 운용, 정비, 교육에 필요한 자원과 인력에 대한 분석결과로부터 적정성을 평가한다. 도입되는 신기술로 인해 필요한 기술 요구사항이나 정비 절차 등의 변경사항 식별여부를 확인한다. 정비 주기의 길이에 따른 시스템 신뢰성 변화를 평가하고, 이에 수반되는 리스크 분석결과를 검토한다.

4. H&E
소음, 유해물질, 방사선 위험, 극한 온도등 환경적 요인이 허용 한계 이내인지 확인한다. 승무원의 생존성과 위생이 보장되고, 수면 등 생활환경이 적절히 지원되는지 평가한다. 이러한 생활환경 요소가 승무원의 인체 성능과 건강에 미치는 영향을 분석하고 잠재적 문제점을 식별하였는지 확인한다.

5. Safety
시스템, 운영, 인력 측면의 잠재적 안전성 위험을 평가하고 시스템에 포함된 위험물질이나 장비로 인한 위험 요인을 식별하고 통제 방안을 마련하였는지 검토한다. 더불어 HSI 도메인간 상호 영향성을 고려하고 있는지 점검한다.

6. Training
현재 임무 수행 능력이나 훈련 체계의 한계를 식별하고 대안을 마련하였는지 확인한다. 신규 시스템 도입에 따른 훈련 방식이나 장소 변경이 검토되었는지 확인한다 (예: 시뮬레이터 활용 또는 현장 훈련 도입). 또한 훈련 프로그램이 실현 가능하도록 설계되었는지, 소요 자원(시간, 비용)의 적절성을 점검한다.

한편, 체크리스트의 항목들이 정성적 평가에 가까운 문항이기 때문에 점검 수행인력의 역량에 따라 점검 결과의 스펙트럼이 다양할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 가능한 많은 부분이 정량 지표로 제시된다면 보다 객관적인 점검으로 HSI 효과성을 높이는 데 기여할 수 있을 것이며 표 2는 현 체크리스트 중 일부에 대해 정량 지표화한 사례이다.

맺음말

NASA는 유인 우주탐사뿐만 아니라 인간-로봇 협업, 자율운영, 인공지능 인터페이스, 심우주 로봇임무 등 무인 시스템의 수명주기 전반에 걸쳐 HSI 접근법을 적극 적용하고 오류를 통해 성장하고 있다. 첨단 기술 도입으로 HSI 수준을 획기적으로 높이고, 엔지니어 실무협의체(CoP) 출범 및 외부 협력 네트워크를 지속적으로 확장하는 등 HSI의 글로벌 리더로써 지속해서 혁신을 추구하고 있다.

한편 우리나라는 24년 5월 우주항공청(KASA)을 공식 출범시키며 국가 우주개발정책, 산업진흥, 그리고 국제협력의 핵심 컨트롤타워를 구축하였다. 그리고 같은 해 9월 ‘KASA -NASA 간 우주·항공 활동 협력을 위한 공동성명서'를 체결하여 달과 심우주탐사 분야에서 협력하고, 연구개발(R&D) 협력범위도 확대하는 등양국의 우주·항공 역량을 높이겠다는 계획을 발표한 바 있다. 현재 우리나라는 '우주선진국'으로 도약하기 위한 초석을 다지는 단계에 있기 때문에 세계적 수준의 하드웨어와 운영 역량 확보에만 집중할 경우 NASA가 우주개발 초기에 겪은 실패를 답습할 수 밖에 없다. 따라서 단기적으로는 우주시스템의 수명주기에 HSI 6대 도메인을 통합적으로 반영하는 체계 및 제도의 마련 등 HSI 개념의 내재화를, 장기적으로는 NASA의 HSI CoP 네트워크에 참여하여 교류를 통해 선진 기술과 운영 노하우를 학습하고 발전시켜 나아갈 필요가 있다.