MBSE 실현을 위한 다분야 솔루션 통합 환경 구축 및 활용방안
Larger System of System(SoS) 관점에서 제품의 임베디드 시스템 및 구성 요소에 이르기까지 MBSE 방법론은 제품의 개발 전반에 걸쳐 적용된다. 제품 및 프로그램 개발의 폭과 깊이를 이해하고 복잡한 특성을 관리하는 것은 초기 요구사항을 정확하게 정의하고, 아키텍처의 추적이 가능하며, 개발 도메인 전반에 걸친 규정을 준수하는 것으로 귀결된다.
MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링) 솔루션의 주요 목표는 초기 개념 설계 및 개발, 시뮬레이션, 테스트에서 제조 및 운영에 이르기까지 라이프사이클 전반에 걸쳐 제품 개발 활동 및 프로세스가 효율적이고 정확하게 조정되도록 하는 것이다. 따라서 MBSE 솔루션은 특정 유형의 애플리케이션 모델링에 국한되지 않고 MBSE 비전을 주도하는 다양한 엔지니어링 활동과 도메인을 포함한다.
여기에는 여러 부서의 협업, 제품 라이프사이클 관리(PLM)뿐만 아니라 시스템 요구사항, 설계, 개발, 분석 및 V&V 활동과 같은 도메인 요구사항과 시스템 엔지니어링 내에서 모델링 연관성을 확장하는 작업이 포함된다. 이를 통해 라이프사이클 초기에 더 많은 시스템 검증을 통하면 공급망 및 제조, 생산에 대한 다운스트림을 예방하고 개선할 수 있다.
MBSE 솔루션을 통한 시뮬레이션 검증
설계와 시뮬레이션 프로세스는 시스템의 요구사항에 따라 개발된 아키텍처 모델로부터 시작한다. 3D익스피리언 (3DEXPERIENCE) 플랫폼에서는 카티아(CATIA) 3D 설계가 통합되어 CAD 모델과 연계된 CAE 모델의 개발 분석뿐만 아니라 이를 통해 더욱 세분화된 연구의 수행이 가능하다. 설계 탐색 프로세스의 결과는 성과 목표에 대해 평가 및 검증되고 필요에 따라 요구사항을 업데이트한다. 제품 엔지니어링 프로세스를 효과적으로 관리하려면 요구사항과 시스템의 논리적/물리적 설계(RFLP)뿐만 아니라 기능 분석에 어떻게 연결되는지에 대한 디지털 관리가 필요하다. 이 접근 방식의 이점은 제품 개발팀이 설계 요소를 독립적으로 분석하여 재사용 가능성을 열어주고, 통합을 위한 논리적 경로를 기본적으로 제공하여 전체적인 제품 정의가 가능하다는 것이다.
3D익스피리언스 플랫폼은 효율성, 생산성 엔드 투 엔드(end-to-end) 프로세스 개선에 대한 요구사항을 해결하고자 물리적 설계를 넘어 요구사항 및 모델의 초기 검증을 포함하는 시스템 디지털 목업(mock-up)을 제공한다. 또한 3D익스피리언스 플랫폼은 개발을 촉진하고 품질을 개선하기 위한 설계 작업의 효율적인 협업 및 최적화를 위한 공통 제품 정의 공간을 제공한다.
1D 시스템 M&S 솔루션
카티아 다이몰라(CATIA Dymola)는 모델리카(Modelica) 언어를 기반으로 개발된 1D 시스템 M&S(Modeling and Simulation) 솔루션으로 다중물리 시스템(multi-physics system) 라이브러리를 통한 모델링을 지원하며, 인터페이스 환경을 통해 사용자가 시스템을 표현하는 복잡한 미분방정식(DAE, ODE: Ordinary Differential Equation)을 알지 못하여도 실제 물리적으로 해당 시스템을 구성하는 부품들과 대치되는 컴포넌트 모델들의 조합을 통해 시스템 모델링이 가능하기에 물리적 관점의 접근이 용이한 특징을 가진다.
비인과성
다이몰라의 다양한 톡징 중 비인과성(acausal)은 가장 강력하고 주요한 특징이다. 대다수의 솔루션은 ‘인과성(causal)’을 가지는데, 이는 시스템을 기준으로 입·출력에 대한 정의가 명확해야 한계점을 가진다. 이에 반해 비인과성은 입·출력 간의 구분이 없으며, 구성 요소 간의 관계를 수학적으로 표현하여 나타낼 수 있다.
객체지향 프로그래밍
객체지향 프로그래밍(object-oriented programming)은 각각 독립적인 기능을 수행하는 객체(object)를 구성하고 객체 간의 소통을 통해 하나의 프로그램을 구성하는 방식이다. 다이몰라는 해당 방식을 통해 각각의 컴포넌트 모델을 커넥터(connector)를 사용하여 연결하고, 시스템의 계층구조(hierarchy)와 통일한 템플릿(template)을 구성하여 재사용할 수 있다.
MDO(Multi-Disciplinary Optimization) 솔루션
3D익스피리언스 플랫폼에서 사용 가능한 프로세스 컴포저(Process Composer)와 프로세스 익스피리언스 스튜디오(Process Experience Studio)는 아키텍처 검증 시뮬레이션을 위한 워크플로를 구축하고 표준화 템플릿 생성 및 배포를 할 수 있다. 또한 3D익스피리언스 플랫폼과 3D 오케스트레이트 서비스(3D Orchestrate Service)를 활용하여 시뮬레이션을 실행하고 결과 역시 표준화 템플릿으로 업데이트할 수 있다. 중요한 것은 시뮬레이션 워크플로를 구축할 때 다양한 1D, 3D 시뮬레이션 툴뿐만 아니라 엑셀 등의 기능 도구를 통해 실제 시뮬레이션 워크플로와 동일하게 구성될 수 있다는 것이다.
이렇게 구성된 워크플로를 기반으로 웹 기반 대시보드에서 사용 가능한 프로세스 템플릿을 구성한다. 해당 템플릿이 배포되면 웹 상의 권한을 가진 이해관계자들이 템플릿을 검증 수단으로 사용할 수 있다. 이 과정에서 정의된 매개변수는 아키텍처와 요구사항 매개변수와 연계되어 관리된다. 시스템 엔지니어는 3D익스피리언스 플랫폼 내에서 연계되는 매개변수를 확인하고 검증된 프로세스 워크플로를 시스템 아키텍처 상에 빌트인 하면 아키텍처 모델 실행 시 시뮬레이션 검증이 가능하다.
추가적으로 시뮬레이션 워크플로를 구축할 때 실험계획법, 최적화기법, 근사모델 등을 통해 매개변수를 탐색하고 실행할 수 있는 기능을 가지고 있다. 이렇게 쌓인 빅데이터를 분석하여 결과를 알려주고 시각화하여 이상적인 결과를 찾는 의사 결정 지원 도구를 지원한다.
MOSDIM 솔루션
3D익스피리언스 플랫폼 환경 내에서 모델링과 시뮬레이션을 통합한 MODSIM(Modeling & Simulation)은 각각의 이점을 확대하는 동시에 개발 프로세스를 가속화하고 간소화한다. 설계 프로세스에 시물레이션을 내장함으로써 엔지니어는 설계 개발의 초기 단계에서 시뮬레이션을 활용하여 설계 성능을 확인하고 개선 사항을 동시에 실행할 수 있다. 설계와 시뮬레이션 사이의 완전한 시스템 모델이 필요하기 때문에, 개발 초기에 발생한 변경 데이터 변환이 필요하지 않으며 CAE 모델은 설계 변경 즉시 업데이트된다. 이는 업데이트되는 데이터로 작업하는 여러 부서의 협업 및 개발을 용이하게 한다.
MBSE 솔루션 검증 사례
전기 구동 시스템과 같이 기계, 전자 및 소프트웨어 요소를 결합하는 메카트로닉 시스템은 초기 단계에서 시뮬레이션하기 위한 완전한 시스템 모델이 필요하기 때문에, 개발 초기에 발생한 변경사항이 프로세스 전체에 반영되도록 구성하게 된다. MBSE는 이를 위해 모든 엔지니어링 분야의 통합을 개선하기 위한 방법으로 사용되며, 새로운 요구사항의 흐름과 함께 전기 구동 시스템은 엔지니어링 프로세스를 관리하고 높은 수준의 상호 작용 및 추적 가능성으로 매핑해야 한다.
전기 구동 시스템의 개발 주기는 근본적으로 독특하고 다중 물리적이다. 그렇기 때문에 엔지니어는 열, 기계, 전자기 성능, 내구성, 소음 및 진동, 윤활 요구사항과 같이 얽혀 있으면서 상충되는 특성을 해결해야 한다. 여러 이해관계자들과 함께 요구사항, 시스템 아키텍처, 설계 및 검증을 처리한다. 이때 가장 균형 잡힌 최상의 설계 대안을 정의하려면 각 프로젝트 이해 관계자들의 목표를 매핑하고 연결하고 정의해야 한다.
전기 구동 시스템의 목표는 다음과 같이 정의할 수 있다.
■ 다분야 최적화, 전자기학, 구조, 유체 및 음향 분야에 대한 요구사항 조정
■ 강도, 강성 및 내구성, 모든 부품의 구조적 무결성 및 신뢰성 보장
■ 전자파 성능, 전력, 토크 및 효율성 요구사항 확인
■ 오일 냉각 시스템의 열 관리 및 열 안정성으로 고전력 밀도 유지
■ 승객의 음향적 편안함을 보장하고 기능을 보호하는 소음 및 진동 완화
■ 오일 레벨이 충분한 표면 커버리지와 사용 수명 연장을 위한 윤활
3D익스피리언스 플랫폼에서 작업함으로써 관련된 전문가는 실시간으로 동일한 데이터 세트로 작업하여 모든 구성 요소가 시스템 내에서 제대로 작동하도록 설계되었는지 확인할 수 있다. 개발 프로세스 중에 요구사항이 변경되면 자동화된 워크플로를 활용하여 시스템 검증을 신속하게 다시 수행할 수 있다. 시뮬레이션 모델 및 메시를 업데이트하기 위해 수동 작업 없이 매개변수 또는 설계를 쉽게 업데이트할 수 있다. 통합 환경에서 효율성 및 속도 향상을 통해 최종 프로토타입 검증 전에 여러 설계 반복을 신속하게 실행하고 분석할 수 있다.
[저자소개]
이상훈
다쏘시스템코리아의 기술 컨설턴트로 SIMULIA 브랜드의 다양한 해석 솔루션을 담당하고 있다. 특히 구조해석 영역에서 다양한 프로젝트 경험과 Pre-sales 활동을 겸하고 있다.
안치우
다쏘시스템코리아의 기술 컨설턴트로 CATIA Dymola를 활용한 1D 사물레이션을 담당하고 있다. 한국항공우주산업의 디지털엔지니어링 TF 선임연구원으로 재직하여 Dymola를 활용한 KF-21 Fuel System 개발에 참여하였다.
윤재민
다쏘시스템코리아의 기술 컨설턴트로서 CATIA Dymola 솔루션을 통한 1D 시물레이션 영역을 전문으로 업무를 수행하고 있다. Vehicle Dynamics, Multi Body Dynamics, Control, Optimization, Design Process 등 다양한 분야에 대한 연구 경험을 갖고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/qL2)
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# [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