MBSE 프레임워크와 플랫폼의 역할
현대의 다양한 산업의 제품 또는 시스템은 기계 중심에서 전기/전자 제품들이 결합된 메카트로닉스, 나아가 인텔리전스와 커넥티비티 등이 추가되어 새로운 서비스를 제공하는 형태로 진화하고 있다. 또한, 고객의 요구사항은 점점 더 구체적이고 시장에서의 수요는 매우 역동적인 형태를 보이고 있으며, 이에 따라 불확실성이 높아지고 예측할 수 없는 경향을 보이고 있다. 제품의 복잡성이 증가하는 현대 시장과 경제 체제에서 경쟁력을 갖추려면 제품 개발 과정에서 효과적인 솔루션을 채택하고 지속 가능한 목적 달성을 위해 제품/시스템의 라이프사이클 모든 단계를 지원해야 한다.
당면한 문제 해결을 위해 대부분의 산업 분야별 조직들은 다학제간(multidisciplinary)접근법을 통해 협업, 공동 설계 등 새로운 형태의 제품을 다루게 되었다. 다학제간 접근의 대표적 방법인 시스템 엔지니어링(systems engineering)은 복잡한 문제를 해결하기 위해 시작되었다. 최근에는 모델 중심의 MBSE(Model Based Systems Engineering)을 통해 데이터의 정확성(correctness)과 일관성(consistency)을 보장하고, 제품/시스템 라이프사이클의 효과적인 관리를 위해 명확한 단일 데이터 소스에 기초한 디지털 방식으로 전환되면서 실제 비즈니스 프로세스와 제품의 디지털 표현이 가능할 정도로 발전을 이루었다.
과거의 전통적인 제품 개발 방식에서 디지털 엔지니어링으로의 전환은 ▲개발 프로세스를 최적화하고 ▲라이프사이클의 시작/중간/종료 시점에 따른 관리의 효율성을 높이며 ▲팀 간의 커뮤니케이션 활성화를 통한 기술 격차를 해소하고 ▲개발 시간/비용을 줄이고 위험요인을 초반에 식별하고 제거할 수 있도록 도와준다. 데이터 중심의 모델 기반 접근은 제품의 설계, 생산, 지원, 폐기와 같은 전체 라이프사이클에서 관련된 모든 데이터를 통합하고 지원하는 프로세스의 정의, 실행, 통제, 관리와 같은 활동에서 모델 기반의 시뮬레이션 분석을 통한 최적화를 수행함으로써 시간과 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
모델 기반 엔터프라이즈 프레임워크
모델 기반 엔터프라이즈(Model Based Enterprise: MBE)는 모델과 시뮬레이션 기술을 결합하여 제품의 전체 라이프사이클에 해당하는 설계, 생산, 지원, 폐기와 관련된 모든 기술과 프로세스를 통합하고 관리하는 접근법이다. 다양한 학제간(interdisciplinary) 엔터프라이즈 인프라와 애플리케이션을 사용하여 전체 라이프사이클 안에서 관리되고 연결되며, 계산이 가능한 모델들을 활용함으로써 프로세스 효율성, 사용자 및 조직 생산성을 위한 비즈니스 목표를 달성한다.
모델 기반 엔터프라이즈는 최상위 수준에서 다음의 도메인을 포함한다.
■ Program & Configuration Management
■ Model-Based Acquisitions
■ Model-Based Systems Engineering
■ Model-Based Engineering & Certification
■ Model-Based Manufacturing
■ Supply Chain
■ Operations & Sustainment
MBSE 접근과 프레임워크
모델 기반 엔터프라이즈는 MBSE 도메인에서부터 시작되는 만큼 MBSE가 제일 중요한 위치를 차지하고 있다. MBSE 솔루션의 기본 목표는 개념 개발 및 설계, 시뮬레이션, 테스트에서부터 제조 및 운영에 이르기까지 개발 수명주기 전반에 걸쳐 제품 개발 활동과 프로세스를 효율적으로 정확하게 조율하는 것이다. MBSE 프레임워크에서 엔지니어링 영역에 필요한 핵심 기능은 요구 공학(requirements engineering), 시스템 아키텍처, 시스템 설계 및 대안 분석(trade analysis), 검증(verification), 확인(validation), 시험(test)으로 볼 수 있다. 또한, MBSE 복잡성을 지원하는 수단으로서 거버넌스(governance), 협업(collaboration), 가시성(visibility)에 관한 부분도 MBSE의 프레임워크에서 중요한 역할을 하게 된다.
표 1. MBSE 프레임워크의 핵심 기능
| MBSE 프레임워크 기능 | 설명 |
|---|---|
| Requirements Engineering | 라이프사이클 전반에 걸쳐 제품/시스템을 정의할 수 있도록 지원하는 요구사항 개발 및 관리 활동으로 실시간 추적성 확보, 지속적이고 반복적인 요구사항 관리 및 가시화를 지원 |
| Systems Architecture | 제품/시스템의 복잡성을 가시화하는 방법으로, 정형화된 방법론과 프레임워크(예: RFLP, DoDAF, UAF, Cyber MagicGrid 등)를 따른 모델링 언어(예: SysML, UML 등)를 활용 |
| Systems Design and Trade Analysis | 시스템 아키텍처를 기반으로 3D 디자인이 통합된 모델과 설계 고려사항을 통해 조직화된 ‘품질속성(ilities)’ 집합에 대한 상충되는 요구사항을 분석하여 모델과 연계 |
| Verification and Validation | 다분야 통합 분석 및 최적화(Multidisciplinary Analysis and Optimization, MDAO) 코시뮬레이션 방법을 통해 개발 전반에 걸쳐 V&V 테스트, 추적, 모니터링을 지원 |
| Governance and Collaboration | 개발 프로세스 전반에 걸쳐 디지털 거버넌스 및 협업 기능을 활용하여 개발 산출물 데이터의 협업, 실시간 상태 접근, 가시성을 통해 의사결정을 개선하고 신뢰할 수 있는 모델 및 데이터 지원 |
MBSE 프레임워크 구현을 위한 플랫폼의 역할
MBSE 프레임워크에서 요구되는 관련 개발 기능은 플랫폼을 활용하여 디지털 혁신의 비전을 실현할 수 있다. MBSE 프레임워크에서 요구되는 핵심 기능은 개발 라이프사이클 전반에 걸쳐 배치되어 활용되면서 전체적인 가치 사슬(end-to-end value chain) 내에서 더 큰 효과(benefit)를 달성할 수 있다. 다쏘시스템은 MBSE 프레임워크 핵심 기능 수행을 위해 적용 가능한 인에이블러(enabler)를 통합된 환경인 3D익스피리언스(3DEXPERIENCE) 플랫폼을 통해 제공하고 있다.
Requirements Engineering
Requirements Engineering은 개발 라이프사이클 전반에 걸쳐 이해관계자(stakeholder)의 니즈(needs)와 요구사항을 정의하고 조정하는 것과 관련된 광범위한 활동을 포함한다. Requirements Engineering은 기술과 프로세스를 활용하여 프로그램 개발 성숙도에 따라 개발 역량을 활성화함으로써 업무를 간소화하는 것을 목적으로 한다. Requirements Engineering 활동에는 다음이 포함된다.
■ 협업 요구사항 계획, 개발, 관리
■ 후속 프로세스의 개발, 테스트, V&V 활동을 통해 라이프사이클 개발 전반에 걸쳐 개념 정의의 완전한 추적성을 보장
■ 마일스톤 검토 및 승인 전에 전체 개념 정의의 일관성과 완전성을 사전에 평가
■ 사용자가 요구사항에 대한 규정 준수 파라미터를 정의하고 검증할 수 있도록 지원
■ 통합 영향 분석 수행에 따른 적절한 계획, 관리, 추적성을 갖춘 적합성(fit)/차이(gap) 연구
라이프사이클 초기부터 Requirements Engineering을 적용하면, 초기 단계에서부터 오류를 식별할 수 있어 후속 프로세스에서 발생되어 증가될 수 있는 오류 수정 비용을 대폭 줄일 수 있게 된다. Requirements Engineering 목표 달성을 위해 적용되는 플랫폼 내 기능은 Traceability Requirements Management(TRM), Reqtify. CATIA Functional and Logical Design(RFLP), 3DDashboard System Review를 사용할 수 있다.
일반적인 엔지니어링 라이프사이클 안에서는 다양한 형태의 데이터가 발생하며, 이는 요구사항에 기반하여 정의하고 관리한다. 초기 요구사항 데이터는 다양한 형태 및 소스로부터 입력을 받을 수 있는데, 플랫폼에서는 데이터 연동을 위한 별도의 커넥터를 통해 초기 요구사항 데이터를 수집한다. 수집된 요구사항 데이터는 관리를 위해 구조화되고, 기능적(function), 논리적(logical), 물리적(physical) 모델 구성에 필요한 기초 데이터로 활용될 수 있다. 모델 기반 시스템 엔지니어링 접근에서는 라이프사이클 단계별로 점점 구체화되는 요구사항 데이터는 공통의 플랫폼에서 지속적으로 추적 관리할 수 있다.
시스템 아키텍처
시스템 아키텍처(Systems Architecture)는 SysML(System Modeling Language)과 같은 시스템 모델링 언어를 사용하여 시스템 개념을 시각적으로 묘사하는 모델이다. 모델의 뷰는 대상 시스템 모델링 시 일관성을 보장하기 위해 아키텍처 방법론을 사용하여 개발되었다. 시스템 아키텍처의 형태는 산업별로 특성을 고려하여 사용할 수 있는 아키텍처 프레임워크를 정의하거나 기존의 프레임워크를 활용한다. 시스템 아키텍처 프레임워크는 대상시스템을 정의하기 위한 노력의 일환으로 개념, 기능, 물리 등 다양한 수준의 추상화를 통해 시스템 개발을 안내한다. 시스템 아키텍처 개발 목적은 다음과 같이 요약할 수 있다.
■ 시스템 아키텍처의 상세화 및 최적화하여 제품 성능을 정확하게 예측
■ 시스템을 더 작게 분해하고, 인터페이스 및 동작(요구사항 및 모델)을 구체화하여 복잡성 관리
■ 운영 개념 개발부터 시스템 개발까지 적용
■ 구성 요소를 통합하고, 시스템 사양과 비교하여 통합 솔루션을 검증(verification)하고 확인(validation) 이해관계자 니즈에서 시스템 요구사항 및 설계에 대한 전환
■ 적절한 계획, 관리, 추적성(traceability)을 통해 적합성/차이 연구 시 통합 영향 분석 수행
시스템 아키텍처 데이터는 플랫폼 내에서 CATIA Magic / NoMagic / Cameo, Collaborative designer role (Power’by CATIA Magic), Magic Teamwork Cloud, ENOVIA – Model Definition, SIMULIA process composer, Traceability(TRA), CATIA requirements management, CATIA Systems Safety 기능과 함께 사용되어 시스템 및 이해관계자 관점에서의 총체적인 가시화를 제공하며, 인터페이스 및 사양 정보의 일관성을 달성할 수 있도록 도와준다.
시스템 아키텍처는 MBSE 프레임워크에서 제공하는 가장 기본적인 모델 데이터로서, 엔지니어링 라이프사이클 동안에 발생하는 모든 데이터의 기준으로 참조될 수 있다. 시스템 아키텍처 모델 데이터를 기반으로 다양한 분석을 통해 요구사항을 좀 더 구체화 또는 명확하게 정의할 수 있으며, 이는 설계 단계에서 고려되는 mechanical, electrical, fluid, electronics, software 등과 같은 전문 기술 분야를 고려한 상세 설계에 영향을 미치게 된다. MBSE의 성공적인 실행을 위해 우선적으로 고려되어야 하는 부분은 개발 활동에서 발생하는 엔지니어링 이슈와 데이터의 지속적인 모니터링 및 관리를 위한 기반을 들 수 있다. 시스템 아키텍처 모델 데이터를 기준으로 다분야 통합 엔지니어링 모델 데이터를 관리할 수 있는 플랫폼 환경이 하나의 방안이 될 수 있다.
시스템 설계 및 대안 분석
설계 및 분석 프로세스는 시스템의 요구사항을 기반으로 개발된 아키텍처를 기반으로 시작된다. 개발 분석을 통해 설계를 더욱 구체화하고, 이후에 3D 설계와 통합되고 모델과 연계되면서 거동(behaviors) 및 대안 분석(trade studies)을 진행할 수 있다. 대안 분석 결과는 성능목표에 대해 평가 및 검증되며, 필요에 따라 요구사항에 대한 업데이트가 이루어진다.
제품 엔지니어링 프로세스를 효과적으로 관리하기 위해서는 요구사항을 디지털로 관리해야 하며, 요구사항이 시스템의 논리적/기능적/물리적 설계에 연결되는 것을 디지털 방식으로 접근하여 제품 팀이 설계 요소를 독립적으로 분석할 수 있도록 기반을 마련한다. 이와 같은 접근 방식은 재사용과 통합을 위한 논리적 경로를 기본적으로 제공하기 때문에, 제품/시스템의 정의를 총체적인(holistic) 관점으로 파악할 수 있는 장점이 있다.
Systems Design and Trade Analysis 데이터는 플랫폼 내 CATIA Functional and Logical, CATIA Dymola Behavior Modeling, SIMULIA Digital, ENOVIA Collaborative Lifecycle Management, Stimulus, SIMULIA Process Composer, CATIA Magic / NoMagic /Cameo, 3DEXPERIENCE V+R Process Apps, 3DS MarketPlace 기능과 함께 사용되어 효율성, 생산성, 엔드 투 엔드 연결성 개선에 대한 요구를 해결하기 위해 요구사항과 모델의 조기 검증을 포함하는 S-DMU(Systems Digital Mockup)를 제공한다. 그리고 플랫폼 내에서 효율적인 협업과 설계 작업 최적화를 위한 공통의 제품 정의를 제공함으로써 개발에 소요되는 시간을 단축하고 품질을 개선할 수 있게 된다.
검증 및 확인
검증 및 확인(verification and validation: V&V)은 개발 프로세스 전체에서 지속적으로 실행되는 중요한 활동이다. 라이프사이클 초기의 개념 단계에서의 검증 활동은 운영(operational) 및 성능(performance) 요구사항과 기능의 실현 가능성을 중심으로 확인한다. 요구사항(requirements) 및 사양(specifications)은 대상 시스템(System of Interest. SOI)을 정의하는 핵심 이해관계자(primary stakeholders)에 의해 합의되고 결정된다.
대상 시스템의 검증 및 확인을 위해 하부시스템(subsystem)과 구성요소에 대한 검증, 통합, 테스트를 수행하는 환경을 제공해야 한다. 플랫폼의 ENOVIA Requirements manager, CATIA Magic, CATIA Design, Functional & Logical Design, MODSIM & MDO. SIMULIA V+R Test Management, SIMULIA Results Analytics, SIMULIA Experience Studio, SIMULIA Process Composer 기능으로 라이프사이클 전반에 걸쳐 검증 및 테스트를 제공할 수 있다. 이와 같은 접근을 통해 개발 초기부터 설계 결정 사항 및 변경 사항, 그리고 해당하는 영향력을 자주 파악하여 설계 불일치, 문제, 결합 등의 발견이 가능해진다.
플랫폼 기반의 디지털 검증 및 확인은 후속되는 비용 소모적인 물리적 테스트를 줄이고, 비용과 개발 기간에 미치는 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 모든 데이터는 플랫폼 내에서 요구사항 또는 상위 시스템 아키텍처 모델을 기준으로 검증해야 하는 항목을 정의하고, 관련된 상세한 정보가 포함되는 Test Specification에 따라 V&V를 수행하고 결과를 확인할 수 있다. 이 과정에서 발생되는 디지털 데이터는 플랫폼 안에서 추적성을 확보하고 관리한다.
거버넌스 및 협업
솔루션 지원 도구로서 프로세스 연속성을 보장하기 위해서는 적절한 거버넌스를 확보하는 것이 중요하다. 거버넌스 및 협업을 위한 기능에는 제품/시스템 라이프사이클 전반에 걸친 데이터 가시성과 관리 기능이 포함된다. 라이프사이클 내에서 발생하는 대규모의 데이터와 산출물이 있는 경우, 개발 활동 전반에 걸쳐 다양한 데이터 소스를 통합하고 관리하면 팀 또는 도메인간의 협업, 품질, 형상관리(Configuration Management) 역량이 크게 향상될 수 있다. 개발 전체 또는 단계별 리더는 실시간으로 결과물의 상태를 검토할 수 있으며, 이해관계자와 공유하여 문제 해결, 수정, 변경 조치에 대한 추적/평가 등과 같은 품질 감사 및 인증활동을 간편하게 수행할 수 있다.
3D익스피리언스 플랫폼은 라이프사이클 전반에 핵심적인 기능을 지원하고 종합적인 데이터 관리를 수행한다. 또한, 플랫폼의 디지털 거버넌스 및 협업 기능은 MBSE 프로세스 전반에 걸쳐 다음과 같은 가치 제안을 보여준다.
■ 품질, 효율성 및 거버넌스 관리 프로세스를 개선을 통해 신뢰할 수 있는 모델 및 데이터 지원
■ 엔드 투 엔드 변경 관리를 통해 도메인 및 조직 전반에 걸쳐 원활한 변경 프로세스 제공
■ 프로젝트 실시간 상태 업데이트로 관리 검토 및 데이터 통합에 소요되는 수작업 제거
■ 시스템 엔지니어링 선행지표 모니터링
■ 능동적인 실시간 산출물 할당, 추적, 관리
■ 라이프사이클 프로세스 모니터링을 통해 계획 자동 업데이트
■ 폴더, 토론, 알림을 통해 팀 협업 능력을 향상, 최신 데이터 세트 작업 보장
맺음말
지금까지 MBSE 프레임워크와 핵심 기능, 그리고 이를 지원하는 솔루션 중심의 접근 방안을 살펴보았다. MBSE는 라이프사이클 전반적으로 바라보는 총체적인(holistic) 시각과 개방형 플랫폼을 통해 실현될 수 있다. 플랫폼에 프런트 로딩(front loading) 개념을 적용하여 디지털 산출물 데이터를 라이프사이클 초기부터 적용하여 제품/시스템을 정의하고, 추적성 확보 및 가상 검증을 통해 조기에 문제를 식별하고 분석하여 프로세스 후반부에서 발생할 수 있는 비용 소모적인 활동을 절감할 수 있다. 다쏘시스템은 3D 익스피리언스 플랫폼에 MBSE 프레임워크 기능을 통합하여 다양한 산업 분야에 적용하고 있으며, 고객으로부터 엔지니어링 생산성 향상, 개발 시간 단축, 증가하는 제품 복잡성의 효과적인 관리 등과 같은 개발 라이프사이클 전반에 걸쳐 상당한 가치를 제공하는 것을 확인하였다. 3D익스피리언스 플랫폼과 MBSE 방법론을 활용하는 솔루션은 궁극적으로 이해관계자의 요구에 부합하고 신뢰할 수 있는 제품을 보다 안전하고 신속하게 개발할 수 있도록 도와준다.
참고자료
■ Dassault Systèmes, “Optimizing Product Development with Model-Based Systems Engineering – Key Value Considerations”, 2023
■ Systems Engineering Research Centre, “Transforming Systems Engineering through Model-based Systems Engineering”, 7 February, 2023.
■ Systems Engineering Research Centre, “Transforming Systems Engineering through Model-centric Engineering”, 28 February, 2018.
[저자소개]
김태현
다쏘시스템코리아의 인더스트리 프로세스 컨설턴트로 MBSE 도입 및 지속가능성 확산에 기여하고 있다. 자동차/모빌리티, A&D 산업 분야 MBSE 적용에 다양한 프로젝트 경험을 보유하고 있다.
전형재
다쏘시스템코리아의 인더스트리 프로세스 컨설턴트로 3DEXPERIENCE 플랫폼 기반 MBSE 적용에 기여하고 있다. 정보공학전공 지식을 바탕으로 20년 이상 제조 연구소 시스템 관련 웹 애플리케이션 개발/유지에 다양한 경험을 보유하고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/1O1)
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