항공우주 및 방위 산업에서의 MBSE
MBSE는 항공우주 및 방위(A&D) 산업의 제품개발 과정과 엔지니어링 부분에서 디지털화 또는 디지털 전환에 대한 답을 제시하는 방법론이다. 이번 호에서는 A&D 산업 관점에서 MBSE의 필요성 MBSE 개요 다쏘시스템의 MBSE 지원 프레임워크 고객 사례 및 MBSE 도입 효과 등을 소개하면서 A&D 산업의 MBSE에 대한 전반적인 이해를 돕고자 한다.
2020년 코로나19 팬데믹 이후 항공 운송 수요 증가와 경제적 회복 노력으로 항공기의 생산과 구매가 다시 증가하고 있다. 세계경제포럼의 보고서(2022)에 따르면 2015년에 14억 달러였던 우주 관련 기업에 대한 투자액이 2020년에는 52억 달러로 증가하였으며, 2030년이면 시장규모가 100억 달러에 이를 것으로 예상하고 있다. 2020년대에는 약 7만 개의 위성이 우주로 발사될 것으로 추정되는데 이는 스푸트니크 1호 이후 4년 동안 발사된 위성 수인 1만 1000개를 훨씬 능가하는 수치이다.
전 세계 총 국방비 지출은 2022년까지 2조 달러를 넘어설 것으로 예상되며(우크라이나-러시아 전쟁 전 예측치), 2030년에는 전 세계 국방비가 3조 달러에 달할 것으로 추정된다.(SIPRI. 2021) 여러 국가의 군대에서 방위력 강화를 위한 새로운 디지털화 계획에 돌입하고 있으며, 가장 최근에 발표된 계획은 2022년 3월에 독일이 발표한 1000억 달러 규모의 새로운 방위 계획이다.(세계경제포럼 보고서, 2022) 러시아의 우크라이나 침공, 중국의 대만 침공 위협 등으로 인해 전 세계적으로 안보환경이 급변하면서 국내 방산 제품의 경쟁력 부각되어 수출에 따른 방산업체 전반의 외형 성장과 함께 수익성도 개선되고 있는 상황이다.(2022년 국내외 방위산업 동향, 창원산업진흥원 2022.6)
하지만 A&D 산업의 제품 개발 라이프사이클 관점에서 해결해야 할 도전과제가 많이 있다. 제품의 복잡성 증가, 비용 절감 부담의 증가, 엄격한 규제 및 규정 준수 공급망 및 데이터 관리, 제품 출시 기간 준수 등이다. 해외 선진 기업 및 국내 기업은 이러한 문제를 해결하기 위해 제품 개발과정과 엔지니어링 부분에서 디지털화 또는 디지털 전환을 추진하고 있으며, 이 주제는 A&D 산업의 모든 기업에게 우선순위가 되었다.
MBSE의 필요성
다분야 통합 시스템의 부상
지금처럼 초연결된 세상에서는 사실상 모든 기업이 기계, 전기, 전자 소프트웨어 시스템을 단일 제품으로 결합하는 메카트로닉스 회사가 되고 있다. 현재 출시되어 있는 대다수 항공기와 우주선이 가진 특유의 복잡한 특성으로 인해 A&D 산업은 MBSE 개념을 조기에 채택하는 것으로 나타났으며, 첨단 시스템의 물리적 규모 때문에 복잡한 시스템의 통합은 기존의 문서 기반 시스템 엔지니어링에 너무 복잡하다는 것이 증명되었다.
디지털 엔지니어링
A&D 업계에는 이해관계자가 디지털 혁신 이니셔티브에 맞추도록 영향을 미치는 공통의 목적과 목표가 있다. 디지털 엔지니어링은 MBSE, 디지털 모델, 디지털 트윈 디지털 스레드의 개념을 활용하여 기존 무기 체계 개발과 획득에 관련된 문제를 해결하려는 혁신 어젠다이며, 무기체계 개발 및 획득의 패러다임을 Design-Build Test Model – Analyze – Build로 전환하는 것을 제시하였다. 즉 무기체계 획득 단계에서 단계별 디지털 모델과 최신 IT 기술을 활용하여 무기체계 개발과 획득의 혁신을 이루는 것으로, 가상의 환경에 모델을 통해 프로토타입을 만들고 시험함으로써 무기체계 개발 및 획득과 관련된 의사결정을 효과적으로 수행하는 것을 포함하고 있다. 이러한 혁신 어젠다는 오래된 국방부(DoD) OEM에서부터 신생 기업에 이르기까지 비즈니스의 모든 수준에 걸쳐 일어난다. <그림 1>은 디지털 엔지니어링의 구성 요소를 설명한 그림이다.(국방획득 방법론의 변화, 체계 공학에서 디지털 공학으로, KNST, 2019.3)
국내 방산업체의 성장
전 세계적으로 안보 환경이 급변하면서 국내 방산 제품의 경쟁력이 부각되고, 국내 주요 방산기업은 수출로 인해 외형 성장과 수익성 개선을 이루고 있다. 향후에도 이런 기조는 지속적으로 유지 또는 확장될 것으로 예상하고 있다. 특히 미국 국방부 또는 해외 주요 방산기업에 수출을 하기 위해서는 국내 방산기업의 MBSE 기반의 무기체계 개발 역량이 필요하다.
MBSE의 정의
국제 시스템 엔지니어링 협회(INCOSE)에서는 시스템 엔지니어링 시스템 원리와 개념, 과학적 기술 및 관리 방법을 사용하여 엔지니어링 된 시스템을 성공적으로 구현, 사용, 폐기하기 위한 초 학문적이고 통합적인 접근 방식’으로 정의하고 있다. 따라서 시스템 엔지니어링은 개념 구상에서부터 개발, 제조, 심지어 운영 및 유지 관리에 이르기까지 광범위한 활동을 지원한다. 또한 INCOSE에서는 MBSE 시스템 수명주기 전반에 걸쳐 시스템 수준 모델링과 물리적, 조작적 거동 시뮬레이션의 디지털 모델 원칙을 사용하여 시스템 엔지니어링(SE) 영역을 실행하는 것으로 정의한다.
전 미국 국방부 전략 역량 디렉터인 윌리엄 로퍼(William Roper) 박사는 다음과 같이 MBSE를 정의하였다. (OPTIMIZING PRODUCT DEVELOPMENT WITH MODEL-BASED SYSTEMS ENGINEERING, Dassault Systemes, 2023)
MBSE 시스템 엔지니어링에 대한 사고방식을 근본적으로 바꾸는 것으로, 단순한 도구 세트나 요구사항을 문서화하는 새로운 방법이 아니라 전반적인 엔지니어링 프로세스를 혁신하는 패러다임의 전환이다. MBSE는 복잡한 시스템을 모델링 및 시뮬레이션함으로써 위험을 줄이고 더 나은 의사 결정을 내릴 수 있게 해 준다. 이를 통해 보다 효율적이고 효과적인 방식으로 시스템을 설계 및 분석할 수 있으며, 궁극적으로 고객에게 더 나은 시스템을 제공할 수 있다.
다쏘시스템의 MBSE 지원
모델 기반 엔터프라이즈 프레임워크
다쏘시스템의 솔루션은 모델 기반 엔터프라이즈(MBE) 프레임워크 내에서 가장 적절하게 MBSE를 구현할 수 있다. 모델 기반 엔터프라이즈는 대규모 조직의 인력과 다양한 학제(disciplines)를 위한 접근법으로, 엔터프라이즈 인프라와 애플리케이션을 사용하여 전체 라이프사이클 안에서 관리되고 연결되며, 설명되고 계산이 가능한 모델을 활용함으로써 프로세스 효율성, 사용자 및 조직 생산성을 위한 비즈니스 목표를 달성한다.
모델 기반 엔터프라이즈의 솔루션은 A&D 산업에서 전형적으로 나타나는 총체적인(end-to-end) 개발 활동을 처리하기 위한 수단으로 상위 수준의 도메인들로 세분화시킬 수 있다. 각 도메인들은 모델 기반 개발(Model Based Development)을 가능하 게 하는 가치 기반 솔루션들을 제공한다.
모델 기반 엔터프라이즈는 최상위 수준에서 다음의 도메인들을 포함한다.
■ 프로그램 및 구성 관리
■ 모델 기반 획득/모델 기반 시스템 엔지니어링/모델 기반 엔지니어링 및 인증/모델 기반 제조
■ 공급망/ 운영 및 유지보수
MBSE 기반의 접근
엔드 투 엔드 관점에서 봤을 때, 다쏘시스템 솔루션의 지원 도메인은 특히 모델 기반 시스템 엔지니어링 도메인에 중점을 두고 있다. MBSE 솔루션의 기본 목표는 개념 개발 및 설계, 시뮬레이션 테스트부터 제조 및 운영에 이르기까지 개발 수명주기 전반에 걸쳐 제품 개발 활동과 프로세스를 효율적으로 정확하게 조율하는 것이다. MBSE의 핵심 활동으로는 요구 공학(Requirements Engineering), 시스템 아키텍처(Systems Architecture), 시스템 설계 및 대안 분석(System Design and Trade Analysis), 검증(Verification), 확인(Validation), 시험(Test) 등이 있다. 또한, MBSE 복잡성을 지원하는 수단으로서 거버넌스(Governance), 협업(Collaboration), 가시성(Visibility) MBSE의 복잡성을 지원하는 수단으로서 프로세스에서 중요한 역할을 한다.
3D 익스피리언스 플랫폼을 통한 지원
다쏘시스템의 MBSE 비전에 대한 핵심은 3D익스피리언스(3DEXPERIENCE) 플랫폼이다. 3D익스피리언스 플랫폼은 MBSE관련 개발 기능들을 활용하여 디지털 혁신의 비전을 실현한다. 다음에 설명하는 인에이블러(enabler)들은 개발 라이프 사이클 전반에 걸쳐 배치되어 활용되면서 전체적인 가치 사슬(end-to-end value chain) 내에서 더 큰 효과(benefit)를 달성할 수 있다.
요구 공학(Requirements Engineering)
■ Enabling Solution Description
• 개발 수명 주기 전반에 걸쳐 제품/프로그램을 계획하고 정의할 수 있도록 지원하는 요구사항 관리 활동
• 실시간 추적성, 지속적이고 반복적인 요구사항 관리, 개발 및 가시성 지원
■ Value Benefits
• 추적성 및 영향 가시성을 높여 후공정 결함, 위험 및 일정 자연을 최대 30%까지 감소
• 실시간 상태 개선 및 가시성 향상으로 수작업 통합노력 감소
• 지식기반 시스템화를 통한 재작업 감소
• 이해관계자들 간의 사일로화를 줄여 개발 효율성 향상
시스템 아키텍처(Systems Architecture)
■ Enabling Solution Description
•방법론과 프레임워크(예: RFLP, DoDAF, UAF, Cyber Magic Grid 등)를 따르는 시스템 모델링 언어(SysML)를 사용하여 대상 시스템을 정의하고 설계하는 모델 개발활동
■ Value Benefits
• 종합적 시스템 정의를 가능하게 하는 디지털 연속성
• 시스템 복잡성 증가에 대한 협력적 관리
• 파생 시스템 및 시스템 자산 재사용을 통해 구성된 아키텍처 관리로 시스템 개발 노력 감소
시스템 설계 및 대안 분석(Systems Design and Trade Analysis)
■ Enabling Solution Description
• 시스템 설계 및 최적화
• 균형 잡힌 아키텍처, 실시간 탐색 및 설계 고려사항을 통해 조직화된 ‘품질 속성(ilities)’ 집합에 대한 상충하는 기대와 요구사항을 충족
■ Value Benefits
• 이해관계자 요구(stakeholder needs)를 디지털 방식으로 통합
• 실시간 설계 탐색, 최적화, 시뮬레이션 지원
• 분석과 설계의 수직적 통합
• 효율성 최적화 및 유연성 향상
• 비용 소모적인 작업 지연/재작업 방지
Verification and Validation
■ Enabling Solution Description
• 다분야 통합 분석 및 최적화 (Multi-disciplinary Analysis and
• Optimization, MDAO) co-simulation 방법론으로 SysML 모델에서 다중 물리모델로 통합 및 실행
• 개발 전반에 걸쳐 V&V 테스트, 추적, 모니터링을 지원
■ Value Benefits
• V&V 활동에 대한 실시간 추적 및 모니터링 지원
• 비용 소모적인 인증(certification) 프로세스 지원
• 책임 관련 근본 원인 분석(root-cause analysis) 조사 신속화
• 테스트 실행 작업 처리 및 시험결과에 대한 책임감 확보에 대한 효과
Governance and Collaboration
■ Enabling Solution Description
• 네이티브 커넥티드 디지털 솔루션을 활용하여 개발 아티팩트(산출물)을 협업 및 관리
•자동 업데이트를 통한 ‘보이지 않는 거버넌스’를 구현
• 폴더, 토론, 알림을 통한 다분야 협업을 통해 모든 사람이 최신 데이터를 사용하여 실시간으로 작업
■ Value Benefits
• 학제간(interdisciplinary) 협업 증대
• 실시간 상태, 접근, 가시성을 통해 의사결정 시간 개선
• 산출물(artifact) 추적 품질향상
• 많은 비용이 들어가는 요구사항 커버리지 이슈 및 물리적 재시험(re-test) 예방
표 1. 다쏘시스템의 MBSE 적용 사례 요약(A&D 산업)
| 고객사 | 프로젝트명 | 요약 | 효과/가치 |
|---|---|---|---|
| 록히드 마틴 | ADP 3DEXPERIENCE(2021) | 미 국방부의 디지털 엔지니어링 전략 계약 업체로 차세대 개발프로그램(ADP) 전략으로 3D익스피리언스 환경 기반의 MBSE 체계 도입 | ■ 동시공학 기반의 RAPID/AGILE 개발 체계 ■ 개발 비효율성 제거를 위한 디지털 스레드 달성 ■ 모델 기반의 가상 프로토타이핑 혁신 |
| 보잉 | Digital Enterprise Systems Engineering (2021) | 보잉사 PLM/MBSE 통합 전략을 추진하기 위해 60개의 개발 프로그램 및 4000명의 사용자 환경을 카티아 매직/3D익스피리언스 MBSE로 구현 | ■ 디지털 스레드 기반의 MBSE 구축 ■ 모델 기반의 개념 설계 역량 강화 ■ 파생모델 개발 리드타임 가속화 |
| 에어버스 | AIRBUS ADSE(2020) | 공식적인 기체 개발 프로그램 착수 전 개념 탐색 단계의 예비 개념 목표 구체화 및 아키텍처 수립을 위한 ADSE 전략에 PLM/ MBSE 통합 전략 추진 중 | ■ 기존 개발 아키텍처의 모델화를 통한 MBSE 통합 관리 환경 구현 ■ 공식 개발 목표 수립 시 기존 모델 기반의 신속한 수정 설계 현실화 |
| 프랫&위트니 | MBSE Phase-1(2021) | 미 국방부 계약 수주 경쟁력 확보를 위한 디지털 엔지니어링 기반의 MBSE 역량 강화 및 제품 개발 프로세스 혁신 중 | ■ 모델 기반의 개발 요구사항 관리 디지털화 ■ 제품 개발 엔드 투 엔드 디지털 추적성 확보 |
혁신사례
엔지니어링 중심의 제조업체는 모델 기반의 시스템 엔지니어링을 통해서 복합 시스템(systems of systems)을 성공적으로 설계 구현하기 위해서 모든 영역에서 문제를 해결할 수 있는 방법을 알아야 한다. 다음에 정리된 록히드 마틴, 보잉, 에어버스 프랫&위트니 등의 사례를 살펴보면, MBSE는 제품 개발의 특정 분야가 아닌 엔지니어링 전체 라이프사이클에서 모델 데이터를 이용한 개념 설계부터 가상 프로토타이핑까지 일관된 추적성을 확보하고 디지털 스레드(digital thread)의 빠르고 정확한 구현이 가능하다.
맺음말
지금까지 A&D 산업 관점에서 MBSE의 필요성, MBSE 개요, 다쏘시스템의 MBS 지원 프레임워크, 고객 사례 등을 살펴보았다. MBSE와 이를 체계적으로 지원하는 3D익스피리언스 플랫폼을 도입하게 되면 시스템 개발의 혁신을 가속화하고, 디지털 연속성을 확보하여 개발 생산성을 향상시킬 수 있으며, <표 2>와 같은 이점을 얻을 수 있다.
표 2. MBSE 도입 효과
| 효과 | 상세 내용 |
|---|---|
| 전략적 이점 | ■ 강력한 MBSE의 실행은 디지털 엔지니어링 전략의 핵심임 ■ 단순한 기술 구현을 넘어 새로운 사고방식, 운영 방식, 조직적 변화가 요구됨 ■ 엄격한 안전, 품질, 지속 가능성 표준에 부합 |
| 경제적 이점 | ■ 복잡하고 경쟁이 치열한 제품/프로그램 출시에 소요되는 시간을 단축시킴 ■ 더 적은 비용으로 더 많은 시스템 모델링, 시뮬레이션, 검증을 실시할 수 있음 ■ 데이터 집계, 분석, 보고와 같은 비생산적인 작업을 줄일 수 있음 ■ 시스템 개발 프로그램 통합을 가속하여 비용을 절감 |
| 위험성 완화 | ■ 도메인 간 협업과 연결, 통합 개발을 통해 제품의 품질과 정확성을 높임 ■ 실시간 프로그램 상태를 모니터링하고 후공정에 미치는 영향을 사전에 완화시킴 ■ 또한 근본 원인 분석에 대한 이해와 가시성을 높이고 대안 설계 전반에 걸쳐 트레이드 오프(trade off) 요소를 개선함 |
| IT 영향 | ■ 개념설계에서부터 운영에 이르는 제품 모델링을 3D익스피리언스 플랫폼에서 디지털화하고 다양한 이해관계자 조건에 대해 시뮬레이션 을 수행함 ■ 엔드 투 엔드 개발을 지원하는 진정한 네이티브 커넥티드 솔루션으로 IT 환경을 조화롭게 구성함 |
[저자소개]
목종수
다쏘시스템코리아 컨설팅 대표이다. LG전자 생산기술연구원으로 재직하였으며 이후 컨설팅사와 주요 IT 솔루션사에서 제품 개발 혁신, R&D진단, 사전 영업 지원 및 PLM 관련 컨설팅 등을 수행하였다. 현재는 다양한 산업에서 제조업의 혁신과 경쟁력 향상을 위하여 디지털 혁신과 VPD/MBSE 관련 업무 및 연구 활동도 수행하고 있다.
김태현
다쏘시스템코리아의 인더스트리 프로세스 컨설턴트로 MBSE 도입 및 지속가능성 확산에 기여하고 있다. 자동차/모빌리티, A&D 산업 분야의 MBSE 적용과 관련한 다양한 프로젝트 경험을 보유하고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/1Zd)
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