모델 기반 시스템 엔지니어링의 개요
산업별 제품들은 메카트로닉스 제품에서 지능형 메카트로닉스로 진화할뿐만 아니라, 인텔리전스와 커넥티비티 등이 추가되어 새로운 서비스를 제공하는 방향으로 나아가고 있다. 이러한 제품 지능화, 제품 복잡성 심화, 제품 간 상호 연결성 강화 등으로 인해 제품 개발에 새로운 방법론, 프로세스 및 도구들이 필요하게 되었으며, 주요 선진국의 기업들은 새로운 방법론인 모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE : Model Based Systems Engineering)를 도입 및 적용하고 있는 상황이다. 이번 호에서는 MBSE의 정의, 고객 사례 및 솔루션 등을 소개하면서 MBSE 대한 이해를 돕고자 한다
MBSE의 정의
시스템 엔지니어링의 개념
세계적으로 가장 권위 있는 시스템 엔지니어링 협의 기구인 INCOSE(International Council of Systems Engineering)는 시스템 엔지니어링의 개념을 ‘시스템의 목적을 가장 효율적으로 달성하기 위해 여러 과학 기술을 종합적이고 체계적으로 적용하여 제품 개발 시 전체 시스템 및 서브 시스템의 통합 형성을 과학적으로 연구 및 관리하는 개발 방 법론’으로 정의하고 있다. 즉 시스템 엔지니어링(systems engineering)은 고객의 요구 성능을 만족시키는 시스템을 개발하고 획득하기 위한 과학적이고 체계적인 방법론이다.
<그림 1>은 시스템 엔지니어링의 V 모델 절차를 표현한 그림이다. V 모델의 왼쪽은 시스템 아키텍처/사양을 강조(요구사항, 아키텍처, 인터페이스 등)하고, 아래쪽은 엔지니어링 및 설 계 작업과 관련되어 있으며, 오른쪽은 개발된 사양에 대한 시스템의 검증과 관련되어 있다.
시스템이 사양대로 잘 만들어졌는지를 기능과 요구 성능 측면에서 확인(verification & validation)하면서 개발해 나가는 것이다.
표 1. MOE/MOP/TPM
시스템 엔지니어링은 시스템의 요구사항대로 제대로 만들어져 시스템이 제대로 작동, 운영되는지에 대한 관련 변수들을 <표 1> 과 같이 관리한다.
MBSE의 필요성
기존의 제품 개발 방식은 기획 또는 이해관계자들로부터 요구사항 및 요구 성능이 정해지면, 개념 설계를 하고 상세 설계를 수행하며 프로토타입을 제작하고 시험한다. 중간에 다양한 시뮬레이션 툴과 시험을 수행하며 제품 개발의 완성도를 높여간다. 이 과정에 서 기구 팀, 회로 팀 및 제어 팀이 협업을 하면서 개발을 진행한다. 실제 이 과정에서는 기능적 요구사항이 결정되는 초기 제품 정의 단계 이후, 기계 및 회로 설계 팀은 설계가 확정될 때까지 거의 독립 적으로 작업한다. 제어 소프트웨어 개발 팀은 기구 설계 및 회로 설 계에 대한 후속 조치로 이어진다. 즉, 소프트웨어 개발은 기계 및 회 로 팀이 최소한 동작 설계를 완료할 시점에 진행된다. 이러한 개발 방식은 문제가 발생할 경우 설계, 제품 통합 및 검증에 어려움을 발 생시키며, 이로 인TLABF해 제품 출시 지연을 발생시킬 가능성이 높다.
최근에는 개발 제품의 복잡성이 심화되고 지능화됨에 따라 항공우주 및 방산 산업군 뿐만 아니라 자동차, 하이테크, 의료기기, 산업 장비 등도 앞서 언급한 문제점을 해결하기 위한 노력을 진행 하고 있다. MBSE는 바로 기존 시스템 엔지니어링 및 개발 체계의 한계를 극복하기 위한 대안으로 제시되고 있다.
MBSE의 정의
INCOSE에서는 개념 설계 단계부터 개발 및 이후의 라이프사 이클 전반에 걸쳐 시스템 요구사항, 설계, 분석, 검증(V&V) 활동을 지원하기 위해 모델링을 적용하는 것이라고 정의하였다. 다쏘 시스템은 MBSE를 ‘제품을 시스템 관점으로 바라보고 종합적, 통합적, 협업적 개발 과정을 효과적이고 효율적으로 수행하기 위해 디지털 환경에서 목적 별 모델(요구사항 모델, 시스템 아키텍처 모델, 1D 모델, 3D 모델, 1D-3D 코시뮬레이션 모델, FMEA, HILS 등)을 활용하여 제품 요구 성능을 완성도 높게 구현하는 제품 개발 방법론’으로 정의한다.
즉 제품 개발 라이프사이클 전반에 걸쳐 디지털 모델을 활용하여 엔지니어링 전 영역에 대한 요구사항과 시스템 아키텍처를 정의하고, 단위 성능 검증(verification) 및 제품 목표 달성 입증(validation)을 위한 다양한 시뮬레이션과 시험을 수행하여 제품에 대한 요구 성능을 조기에 만족시키며, 동시에 제품 개발 기간을 단축하고 제품의 품질을 향상을 목표로 한다.
MBSE의 효과
기존의 제품 개발 체계를 보다 혁신적으로 변화시켜 프로젝트 기간 단축 및 설계 품질의 조기 확보를 달성할 수 있게 된다. 제품 개발 시간의 단축 측면에서 시스템 디자인 단계에 많은 노력이 투입되지만, 제품의 통합과 시험 과정에서 시간을 줄일 수 있기 때문에 전체적으로 개발 시간을 단축시킬 수 있다. 이는 디지털 모델의 활용 및 팀간의 커뮤니케이션 향상을 통해 가능하다. 비용 손실을 가져오는 기술 변경을 사전에 방지하며, 제품 리스크 측면 에서는 시스템 디자인 단계에서 요구사항을 정의하고 아키텍처를 개발해 나가는 과정에서 아키텍처 모델과 1D 시뮬레이션을 활용하여 성능 달성 여부의 조기 식별, 예상 리스크 도출 및 해결방안 수립이 용이하기 때문이며, 이미 검증된 모델을 재활용함으로써 제품에 관한 리스크를 조기에 줄일 수 있기 때문이다. 공통 언어 및 방법론을 공유할 수 있는 전문화된 도구를 사용하면 제품 개발 주기 후반에 발생하는 문제점들을 빠르게 이해하고 해결방안을 찾을 수 있다.
■ 모델 기반 커뮤니케이션을 통한 협업 효율화
■ 시뮬레이션을 통한 조기검증 및 단계별 검증 향상
■ 기구, 회로 및 제어의 통합 설계 및 검증
■ 프로토로딩에 따른 후공정 리스크 감소
■ 검증된 모델 재사용성 증대를 통한 제품 개발 생산성 향상
주요사례
다쏘시스템은 항공/방산, 자동차 산업(완성차, 부품사), 하이테크, 산업장비 등 다양한 산업에서 MBSE 도입, 추진 및 실행에 관한 경험을 보유하고 있다. 방산업체인 티센크루프 마린 시스템(Thyssen krupp Marine Systems)은 하데베 잠수함 개발 시 복잡한 무장 및 동력 체계/부체계 간의 인터페이스 개발 및 관리 효율화를 위해 카티아 매직(CATIA Magic) 방법론 기반의 MBSE를 도입하였다. 이를 통해서 시스템 간의 인터페이스 관리를 개선하고, 성공적인 체계 통합을 위한 요구사항의 상세화 및 관리 체계화를 달성할 수 있었다.
록히드 마틴(Lockheed Martin)은 미국 국방부의 디지털 엔지니어링 전략 계약업체로 차세대 개발 프로그램 전략으로 3D익스피리언스(3DEXPERIENCE) 환경 기반의 MBSE 체계를 도입하여, 개발 비효율 제거를 위한 디지털 연속성을 구축하고 모델 기반의 가상 프로토타이핑(virtual prototyping) 혁신을 진행하고 있다.
자동차 업체인 아우디(Audi)는 제품 개발 프로세스의 디지털화 및 자율주행 프로그램 개발 목표 달성을 위해 카티아 매직 기반의 MBSE 환경 구현 추진 중에 있으며, ISO26262 표준 충족이 가능한 개발 프로세스 환경을 만들어 나가고 있다.
하이테크 업체 밀레(Miele)는 제품의 다양성과 복잡성 증가 대비 제품 개발 기간 단축 및 조기 성능(품질) 확보를 위해 MBSE 를 도입하였다.
다쏘시스템의 방법론과 솔루션
다쏘시스템은 MBSE를 구현하기 위한 매직 그리드(Magic Grid) 방법론과 관련 솔루션을 제공한다.
매직 그리드 방법론
MBSE 그리드(Grid) 프레임워크는 시스템 아키텍처 모델링 프로세스를 통해 시스템 엔지니어를 안내하도록 설계되었다. ‘모델을 구성하는 방법’, ‘모델링 워크플로가 무엇인지’, ‘해당 워크플로의 각 단계에서 생성되어야 하는 모델 결과물’, ‘이러한 결과물이 함께 연결되는 방법’ 등과 같은 질문에 대한 답변을 찾는 것을 돕는다. MBSE 그리드 프레임워크에서 제시하는 영역들을 채워나가면 시스템의 아키텍처를 손쉽게 구성할 수 있다.
주요 MBSE 솔루션
다쏘시스템은 MBSE를 구현하기 위한 주요 영역의 솔루션을 가지고 있으며, 고객들은 앞서 언급한 매직 그리드 방법론과 솔루션을 기존 프로세스에 적용하여 MBSE를 구현할 수 있다. 영역별 주요 솔루션은 <표 2>와 같다.
주요특징
업계의 아키텍처 표준 도구
2007년 제정된 OMG(Object Modeling Group) SysML은 시스템 모델링 언어로서 UML(Unified Modeling Language)에 기반을 두고 있다. SysML은 INCOSE에 의해 제안되었고 여러 주요 모델링 툴에서 이를 채택하면서 널리 사용되게 되었다. CATIA Magic은 OMG 모델링 표준 언어인 SysML, UML, UAF를 지원하여 복잡한 시스템 아키텍처의 구현을 용이하게 하고, 편리한 시뮬레이션 분석 기능을 제공함으로써 주요 방위산업, 항공, 자동사에서 많이 사용되는 솔루션이 되었다.
표 2. MBSE 주요 솔루션
아키텍처 설계 단계의 시뮬레이션
CATIA Magic은 시스템 엔지니어링에서 성능 달성에 관한 변수들(MOE, MOP, TPM)을 관리하고 이를 시뮬레이션함으로써, 아키텍처 설계 단계에서 성능 달성에 대한 다양한 대안을 빠르게 검토할 수 있다.
인과성 대 비인과성
1D 모델의 시뮬레이션 기법은 크게 ‘인과적(Causal)’ 또는 ‘비인과적(Acausal)’으로 구분할 수 있다. ‘인과적’은 입력과 출력에 대한 변수가 이미 정해졌으며 반드시 입력값을 넣어주어야 출력값이 계산될 수 있다는 것이고, ‘비인과적’은 입력 변수와 출력 변수에 대한 경계가 없다는 것을 의미한다. 카티아 다이몰라(CATIA DYMOLA)는 비인과적 기법으로 시뮬레이션을 한다. 카티아 다이몰라로 복잡한 시스템을 1D로 모델링하고 시뮬레이션을 할 경우에, 변경 요소가 발생되면 전체를 다시 모델링할 필요 없이 특정 부분만 수정 또는 교체하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
MBSE의 구현
3D익스피리언스 플랫폼은 MBSE 기반 제품 개발 과정 즉 요구 사항 정의, 아키텍처 개발, 제품 설계 및 V&V까지의 업무, 관련 데이터 및 모델 관리(요구사항 모델, 아키텍처 모델 등) 그리고 관련 도구의 연계를 지원한다. 이를 통해 고객은 MBSE 기반 제품 개발 혁신을 구현할 수 있다.
[저자소개]
목종수
다쏘시스템코리아의 비즈니스 컨설팅 대표이다. LG전자 생산기술원 연구원을 거쳐 컨설팅사와 주요 IT 솔루션사에서 제품 개발 혁신, R&D 진단, 사전영업 지원 및 PLM 관련 컨설팅 등을 수행하였다. 현재는 다양한 산업에서 제조업의 혁신과 경쟁력 향상을 위하여 디지털 혁신과 MBSE 관련 업무 및 연구 활동을 수행하고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/sB3)
디지털 트랜스포메이션의(DX) 핵심, MBSE 정의부터 적용 사례까지 소개한 총 정리 가이드에 대해 궁금하신 분들은 아래 링크에서 확인해 주세요.
▶다쏘시스템 MBSE 안내서 입문 가이드 자세히 보기: https://go.3ds.com/y5t
# [MBSE 기술 칼럼 시리즈] 제품 개발의 새로운 방법론, MBSE
• 1편 MBSE 정의 및 사례: https://go.3ds.com/lki
• 2편 SysML을 활용한 아키텍처 모델링과 MagicGrid 방법론: https://go.3ds.com/tPc
• 3편 MBSE 실현을 위한 다분야 솔루션 통합 환경 구축 및 활용방안: https://go.3ds.com/Q0t
• 4편 요구사항 기반 V&V를 수행하기 위한 방안 및 사례: https://go.3ds.com/jmq
• 5편 항공우주 및 방위 산업에서의 MBSE: https://go.3ds.com/yDW
• 6편 MBSE 프레임워크와 플랫폼의 역할: https://go.3ds.com/UbW