요구사항 기반 V&V를 수행하기 위한 방안 및 사례
제조업에서 요구사항은 제품의 기능과 성능을 구성하기 위한 내용들로 이루어진다. 기능을 나타내는 요구사항을 바탕으로 기능을 설계/구현하고, 성능, 및 다양한 규제 등 여러 가지 요구사항이 제품에 반영되어 개발하기 위해 요구사항을 정의하고, 분석하고 있다.
지금 시대에는 단순한 기능/성능/제약 요구사항을 단편적으로 정의하고 개발할 수 있는 환경과 제품에서 다양한 고객과 여러 가지 제품의 융합 등으로 복합적인 요구사항을 정의하고 개발하고 검증하는 환경적인 변화가 일어나고 있다.
또한, 요구사항을 바탕으로 무엇을 어떻게 검증해야 요구사항에 맞는 제품을 정의/설계/개발되었는지 확인할 수 있는 모델을 만들고, 모델 기반으로 Verification&Validation(V&V)을 수행할 수 있는 요구사항 기반의 검증 환경이 필요하다.
특히, 다양한 시스템과 융합되고 환경 및 다양한 조건에 따라 시스템이 변화하는 제품의 경우에는 변경되는 요구사항이 이웃하는 시스템과 어떻게 영향을 미치는지 확인을 위해서 요구사항 기반 설계/검증이 필수라고 볼 수 있다.
요구사항 정의 및 관리 환경
제조업에서 요구사항 정의 및 관리 환경은 제품 또는 시스템을 개발하고 생산하는 과정에서 필요한 기능, 성능, 품질, 안전성 등에 대한 요구사항을 명확히 정의하고 관리하는 과정을 의미한다. 이 환경은 제조업에서 제품 또는 시스템의 성공적인 개발과 생산을 보장하기 위해 매우 중요한 부분이다.
제조업에서 요구사항 정의 및 관리 환경을 구성하는 주요 요소 여섯 가지를 정리하면 다음과 같다.
■ 요구사항 수집 및 정의: 제조업에서는 제품 또는 시스템의 목적과 범위를 명확히 이해하고, 고객 및 이해관계자의 요구사항을 수집하여 정의한다.
■ 요구사항 분석: 수집된 요구사항을 분석하여 간결하고 모순 없는 형태로 정제한다.
■ 요구사항 추적성: 요구사항이 개발 과정 동안 어떻게 충족되고 있는지 추적할 수 있는 체계를 구축한다.
■ 요구사항 우선순위화: 중요한 요구사항을 식별하고, 개발 리소스를 효율적으로 할당하기 위해 우선순위를 정한다.
■ 변경 관리: 변경을 체계적으로 관리하여 요구사항 변경이 제품 또는 시스템의 성능과 품질에 미치는 영향을 평가하고 조절한다.
■ 요구사항 V&V: 개발이 완료된 제품이나 시스템이 요구사항을 충족하는지를 검증하고 확인하는 과정을 수행한다. 이를 통해 제품이 기대한 대로 작동하며 고객의 요구를 충족시킬 수 있는지를 확인한다.
요구사항 정의 및 관리 환경을 효과적으로 구축하면 제조업에서 제품 개발 및 생산 프로세스의 효율성과 품질을 높일 수 있다. 이를 통해 고객 만족도를 높이고 경쟁력을 강화할 수 있다.
하지만, 제품을 개발하는 환경은 다양하게 구성되어 있고 다양한 요구사항 관리 항목들이 존재하고 있다. 그렇다면 요구사항 반으로 검증하기 위해 요구사항을 수집하고, 한 곳으로 수집하여 하드웨어 및 소프트웨어, 시스템 개발 환경과 연결되어 관리되는 것이 중요한 항목이라고 볼 수 있다.
3D익스피리언스(3DEXPERIENCE)는 다양한 환경에서 관리되는 엔지니어링 데이터를 렉티파이(Reqtify) 도구를 통해 수집하여 관리할 수 있는 환경을 제공해, 다양한 도구에서 관리되는 데이터를 한 곳에 수집할 수 있다. 그리고 이후 포스트(post) 엔지니어링활동을 3D익스피리언스 환경에서 일관된 데이터 관리 환경을 제공한다.
MBSE 방법론 기반의 요구사항-스펙 정의 방법
최근 혁신을 지속하고 있는 모빌리티 산업에서는 요구사항 정의부터 폐기까지 제품의 전체 수명주기를 체계적으로 관리하고 수행하기 위한 방법으로 MBSE(Model Based Systems Engineering: 모델 기반 시스템 엔지니어링)를 활용하고 있다. 전동화, 자율주행, 커넥티드, 모빌리티 서비스 등의 다양한 기술 분야를 정의하고 통합하는 엔지니어링 방법으로 활용하기 위해 모델을 기반으로 하는 엔지니어링 기법이 필수가 되었다.
MBSE는 모델을 시스템에 대한 정보 표현 방식으로 삼아 요구사항 정의, 분석, 설계, 검증(V&V), 생산, 서비스 단계의 정보를 모델링 언어를 이용하여 시스템 모델로 간결하게 작성해 모호함을 제거할 수 있으며, 사람이 이해할 수 있는 모델이면서도 모델 데이터를 컴퓨터가 활용하기 좋게 구조화되어 있어 시스템 엔지니어링 활동에서 필요한 집계, 분석 등의 활동을 모델을 통해 얻을 수 있다.
특히, 최근의 자동차는 소프트웨어의 기능과 하드웨어 안전성 중심의 ‘바퀴 달린 컴퓨터가 되어 그 안에서의 통합이 매우 중요하게 되었다. 차량 자체의 엔지니어링 외에 자율주행, 전기차 배터리 사용시간 및 충격에 대한 안전성, 사용자 서비스 등의 복잡한 요구사항을 정의하고, 형상화하여 검증할 수 있는 플랫폼이 필요하다.
MBSE 방법론을 통해 정제된 시스템 요구사항은 아키텍처 모델을 구현하기 위한 기본자료로 활용된다. 3D익스피리언스 플랫폼에서는 카티아 매직(CATIA Magic) 기반의 아키텍처 모델이 통합되어 CAD 모델과 연계된 CAE 모델과 연계를 통해 세분화된 요구사항-스펙(spec) 정의가 가능하다. 설계 탐색 프로세스의 결과는 성과목표에 대해 평가 및 검증되고 필요에 따라 요구사항-스펙을 업데이트한다. 제품 엔지니어링 프로세스를 효과적으로 관리하려면 요구사항과 시스템의 논리적/물리적 설계뿐만 아니라 기능 분석에 어떻게 연결되는지에 대한 디지털 관리가 필요하다. 이 접근 방식의 이점은 제품 개발 팀이 설계 요소를 독립적으로 분석하여 재사용 가능성을 열어주고, 통합을 위한 논리적 경로를 기본적으로 제공하여 전체적인 제품 정의가 가능하다는 것이다.
MBSE 기반 요구사항 검증방법
모델 형태로 정의된 요구사항과 스펙은 다양한 검증 요구사항과 방법으로 검증 요구사항이 정의된다. 시스템/서브시스템 및 컴포넌트 레벨의 검증하기 위한 방법은 아키텍처 모델을 통한 시뮬레이션이나 1D/3D 모델을 이용한 검증 방법으로 요구사항을 검증할 수 있다.
컴포넌트/서브시스템의 기능과 성능에 대한 검증은 대부분 정의된 스펙 기준으로 만족 여부를 확인할 수 있다. 다만 시스템 단 위의 시뮬레이션은 상호 작용하는 데이터와 다양한 조건/환경의 조합으로 수많은 조건이 존재한다. 이러한 조건은 사실 테스트를 통해 검증하는 방법은 실제 결과를 통해 확인할 수 있지만, 비용/시간의 제약이 있다. 실제 테스트 단계가 아닌 실세계와 간격을 제로로 만든 가상환경에서 실제 환경과 동일한 조건을 정의하여 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 진행할 수 있다.
버추얼 트윈 및 모델을 활용한 효과적 요구사항 검증
MBSE의 마지막 단계인 V&V(Verification&Validation)은 MBSE 결과물에 대한 시각적인 형상 또는 정량적 수치를 통하여 결과물이 요구사항을 만족하는지에 대한 확인(verification) 및 검증(validation)을 진행하는 절차로서, 1D 기반의 스키매틱 디자인(schematic design) 또는 3D 기반의 시뮬레이션을 통하여 검증을 진행할 수 있다. 결과물은 요소장비(component)~공장(factory)의 다양한 레벨로 존재할 수 있으며, 완전한 버추얼 트윈(Virtual Twin)을 구현할 수 있다.
MBSE 결과물과 제어 시스템을 연결하여 파라미터 변경에 따른 MBSE 결과물의 형상/성능/변위에 따른 검증을 진행하게 된다. 제어시스템의 종류에 따라서 MIL(Model-In-the-Loop), SIL(Software-In-the-Loop), HIL(Hardware-In-the-Loop)로 구분되며, 제어 시스템의 인터페이스 연결 방식은 FMU, TCP-IP, OPC Server 등의 다양한 방법으로 연결한다.
카티아 컨트롤빌드(CATIA ControlBuild)는 다양한 환경의 제어 시스템 기능을 제공하며, 3D익스피리언스 플랫폼 내 MBSE 결과물에 대한 제어 로직을 작성한다. HMI(Human Module Interface) 콘솔을 고객이 쉽게 파라미터를 변경하면서 MBSE 결과물에 대한 성능 검증을 수행할 수 있으며, 3D익사이트(3DEXICTE) 기능을 통하여 향상된 렌더링으로 사용자에게 사실적인 경험을 할 수 있는 환경을 제공한다.
지속가능성 확보를 위한 MBSE
과거 제조업은 데이터를 잘 관리하고, 프로세스를 솔루션에 올려 시스템화하여 고객 요구사항을 만족시키고 업무 효율을 높일 수 있도록 하는 데에 중점을 두었다. 구조화된 데이터, 2D/3D 도 면, 부품리스트, BOM, 기술 문서 등 프로세스 기반 산출물의 생산/변경 관리가 제조 품질/비용에 기여를 할 수 있었지만, 최근에는 시장, 소비자, 각종 규제, 팬데믹 등 요구사항이 매우 다양해지고 복잡해져 기존의 관리 시스템으로는 요구사항 기반 V&V의 한계가 명확하게 나타나고 있다.
다쏘시스템에서 제시하는 MBSE는 실세계와 가상의 간격을 제로로 하는 버추얼 트윈 개념으로 제품의 전체 생명주기에서 서로 상호작용하는 데이터를 공유, 활용하여 제품 제작 이전에 다학적인 요구사항과 규제가 반영된 제품으로 구현되었는지 시뮬레이션한다. 또한, 현실세계에 존재하는 객체의 형상 및 기능, 프로세스가 상호 연결된 네트워크를 통해 현실에서 발생할 수 있는 문제를 예측하고 효과적으로 대응할 수 있는 3D 익스피리언스 플랫폼 기반으로 시뮬레이션 및 관리 환경을 제공한다.
[저자소개]
진병률
다쏘시스템코리아의 Industry Process
Consultant로 자동차와 모빌리티 산업의 MBSE 도입 및 지속가능성 확보를 위한 혁신에 기여하고 있다. 한화방산부문에서 시스템 엔지니어링 기반의 R&D 프로세스 수립 및 협업 인프라도입을 위한 다양한 활동을 했다.
황하나
다쏘시스템코리아의 SIMULIA Industry
Process Consultant로 유동해석을 담당하고 있다. 다년간 고객지원 업무와 함께 국내 완성차 업체의 공력/열 성능 향상을 위한 다수의 프로젝트를 수행하였으며, 다양한 산업군에 유동 해석 솔루션을 적용하여 고객에게 가치를 전달하는 역할을 담당하고 있다.
박영진
다쏘시스템코리아의 DELMIA Industry
Process Consultant로 디지털 매뉴팩처링을 담당하고 있다. 생산기술 분야에서 발생하는 다양한 공정/공법에 관련된 검증 및 시뮬레이션을 통하여 린 생산을 할 수 있도록 지원하고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/ymT)
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