모델기반 시스템 엔지니어링 ( MBSE : Model Based System Engineering )으로 통합 설계
한번도 경험하지 못한 제품을 빠르고 정확하게 개발하는 것은 정말 어려운 일입니다. 개발 초기부터 개발하려는 제품의 기능과 성능을 검증하게 된다면 우수한 품질이 보장되고 리드타임을 줄일 수 있습니다.
MBSE는 모델기반 시스템 엔지니어링으로 여러 엔지니어링 도메인을 통합한 하나의 시스템 아키텍처를 통해 시스템 및 제품의 개발과정에서 제품 및 시스템의 복잡성을 해결하고 엔드 투 엔드 추적성을 제공하는 엔지니어링 기법입니다.
특히 자동차의 경우는 복잡한 시스템들이 연계되어 있기 때문에 이를 위한 개발 프로세스의 개선 및 부문간의 협업이 더욱 필요하여, 이러한 시스템 엔지니어링의 도입이 시급합니다.
시스템 엔지니어링은 국방, 항공, 우주 부문에서 이미 오래전부터 도입되어 활용되어 왔고, INCOSE 등에서 용어의 정의 및 프로세스에 대한 내용이 정리되어 있으며, 선진 기업들은 복잡한 시스템을 통합하고, 성공적인 시스템을 실현하기 위해 시스템 엔지니어링 절차와 방법론을 도입하고 있습니다. 시스템 엔지니어링은 성공적인 시스템의 실현을 가능하게 하는 부문간 (Interdisciplinary) 접근 방법이며, 요구 사항 정의에서부터 출발하여, 운영, 성능, 테스트, 제조, 비용, 스케줄, 교육 및 지원과 배포를 포괄하는 프로세스를 지원하는 일련의 엔지니어링 과정으로 정의할 수 있습니다.
MBSE는 시스템 엔지니어링을 모델에 기반하여 수행하는 개념으로 상용 언어의 모호성을 배재하기 위해 모델을 이용하여 시스템을 기술해 나아갑니다.
3가지 요소
시스템 엔지니어링을 구현하기 위해서는 3가지 주요 요소가 있습니다.
방법론(Methodology), 도구(Tool), 사람(People)입니다.
먼저 방법론(Methodology)을 살펴보면, 다쏘시스템은 MMS(Modeling Methodology for System)이라는 19개의 View를 가진 시스템 모델링 방법론을 가지고 시스템 엔지니어링을 지원하고 있습니다. 이를 통해 요구 사항, 상태(State), 정적(Static), 동적(Dynamic) 상태 및 형상 관련 내용을 미션, 서비스, 기능, 컴포넌트 관점에서 생성하고 관리하여 부문 간의 협업을 증대시키고자 합니다.
MMS 방법론을 구현하는 도구로서 다쏘시스템은 3DEXPERIENCE 상에서 System Architect라는 Role이 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 제공됩니다. 더불어 2017년 NOMAGIC이라는 시스템 아키텍처 솔루션사를 인수하여 현재 CATIA 브랜드에서 시스템 아키텍처 부문을 강화하고 있으며, 시장의 요구에 선제 대응하고 있습니다.
시스템엔지니어링의 V 사이클 관점에서 요구 사항-기능 설계(Function)-논리설계(Logical)-실물 설계/제작 단계를 거쳐 검증 및 확인 단계로 전환됩니다. 이러한 사이클에서 시스템의 성능 예측 및 검증을 가상환경 속에서 수행할 수 있으며, 예측 및 가상 검증을 위해 Multi-Physics를 지원하는 거동 모델을 만들 수 있습니다
최근 자동차 산업에서 성능 예측 및 가상 검증에 대한 요구 사항이 커져가고 있으며, 제어기와 플랜트(제어 대상) 모델을 결합하여 신제품을 구성하기 이전 단계부터 많은 시뮬레이션을 해 나가고 있습니다. MIL(Model In the Loop), SIl(Software In the Loof), HIL (Hardware In the Loop) 등을 통해 성능 예측 및 가상 검증을 진행하여 물리적인 시스템 통합 이후에 나타나는 많은 문제점 등을 사전 검토하여 이슈를 줄여나가는 방법을 채택하고 있습니다.
다쏘시스템의 3DEXPERIENCE는 전통적인 1D 시뮬레이션을 지원할 뿐 아니라, CATIA의 3D 모델과 Dymola의 1D 시뮬레이션을 결합하여 사전 성능 예측 뿐 아니라 요구 사항을 충족 하는지의 여부를 CATIA의 3D상에서 동적상태에서 검토할 수 있도록 합니다. 거동 모델을 만들기 위해서는 MODELICA라는 모델링 언어를 이용하며, 각 부품 및 컴포넌트를 물리 방정식으로 표현하고 아이콘화하여 연결함으로써 Input에 따른 Output을 검토할 수 있다. 기계요소 뿐 아니라, 유압, 공압, 전기, 전자 등의 컴포넌트도 물리 및 공학 방정식을 이용하여 정의하고 이러한 컴포넌트를 조립하여 상위 어셈블리를 만들어 나가고, 궁극적으로는 엔진, 샤시, 차체 등이 통합된 전체 차량에서 시뮬레이션 할 수 있도록 합니다
다쏘시스템은 90년대에 개발된 개념인 DMU(Digital Mockup)을 넘어서 FDMU(Functional DMU)를 3D 모델과 1D 모델의 결합을 통해서 구현해 나가고 있습니다. 동역학을 포함한 다물리 역학을 위한 모델도 시스템 엔지니어링 전체 프로세스상에서는 일부분만을 차지한다고 할 수 있습니다. CATIA/Dymola에서 만들어진 예측 및 검증을 위한 거동 모델도 다쏘시스템의 MMS 방법론에 따른 시스템 아키텍처상에서 표현될 수 있으며, 차량 개발 단계에 있어 부문 내의 이슈뿐 아니라 부문 간 또는 전체의 이슈를 해결하기 위한 협업의 도구로서 활용되어야 그 효과를 배가할 수 있습니다.
시스템 엔지니어링을 구현하기 위한 요소 중 가장 중요한 것은 사람입니다. 조직의 변화 없이 현재의 직무 단위 위주의 조직으로 복잡한 시스템엔지니어링을 구현해 가기에는 많은 어려움에 봉착하게 됩니다. PSA는 시스템엔지니어링 방법론을 도입하는 과정에서 조직을 시스템엔지니어링을 지원하는 기술기능 단위로 재편하여 방법론과 도구 및 조직이 정렬되어 운영될 수 있도록 합니다.
요약하면, 차량의 전자화에 따라 부문 간의 협업을 지원하기 위해 시스템 엔지니어링이 필수 요소로 등장하였고, 시스템 엔지니어링을 구현하기 위한 효과적인 방법으로 최신 기술을 접목한 MBSE 이 요구됩니다.
MBSE를 구현하기 위해서는 현존하는 프로세스와 툴을 연계시켜 구슬을 꿰어줄 방법론이 반드시 필요하며, 방법론, 도구와 더불어 조직과 문화의 변화가 요구됩니다.