산포특성을 가지는 매개변수의 상관성 및 신뢰성 분석
최적화 문제를 통찰하기 위한 심센터 히즈 (4)
심센터 히즈(Simcenter HEEDS)는 제품 설계 과정에서 발생하는 다양한 문제에 대해서 최적화 방법론을 적용하고 올바른 결과를 도출하는 데에 도움을 준다.
이번 호에서는 심센터 히즈에서 산포 특성을 반영한 신뢰성 분석 방법에 대해 살펴본다.
■ 연재순서
제1회 AI 학습 데이터 생성을 위한 어댑티브 샘플링과 SHERPA의 활용
제2회 근사모델 기반의 최적화 vs. 직접 검색 기반의 최적화
제3회 수집 또는 측정된 외부 데이터의 시각화 및 데이터 분석
제4회 산포특성을 가지는 매개변수의 상관성 및 신뢰성 분석
제5회 실험 측정과 해석 결과 간의 오차 감소를 위한 캘리브레이션 분석
제6회 프로세스 자동화 Ⅰ – 구조 설계 최적화 및 사례
제7회 프로세스 자동화 Ⅱ – 모터 설계 최적화 및 사례
제8회 프로세스 자동화 Ⅲ – 유로 형상 설계 최적화 및 사례
제9회 프로세스 자동화 Ⅳ – 다물리 시스템 최적화 및 사례
제10회 프로세스 자동화 Ⅴ – 제조 공정 효율성 최적화 및 사례
■ 이종학
지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어에서 심센터 히즈를 비롯하여 통합 설루션을 활용한 프로세스 자동화와 데이터 분석, 최적화에 대한 설루션을 담당하고 있다. 근사최적화 기법 연구를 전공하고 다양한 산업군에서 15년간 유한요소해석과 최적화 분야의 기술지원과 컨설팅을 수행하였다.
홈페이지 | www.sw.siemens.com/ko-KR
설계 최적화에서 산포의 의미
오늘날의 제품 개발 과정은 단순한 성능 극대화에서 벗어나, 변동성(variability)을 고려한 신뢰성 있는 설계(reliable design)로 진화하고 있다. 즉, 하나의 최적점(optimum)을 찾는 것만으로는 실제 양산 및 사용 환경에서의 품질을 보장하기 어렵다. 이는 부품 공차, 조립 오차, 환경 조건의 변화, 사용자 행동 등 다양한 요인이 제품 성능에 미치는 영향을 무시할 수 없기 때문이다.
그림 1
<그림 1>은 다양한 설계 및 제조 요인의 ‘산포(scattering)’가 시스템의 성능 분포에 어떻게 영향을 미치는지를 직관적으로 보여준다.
시스템 입력에는 ▲운용 조건(operating conditions) ▲형상 특성(geometric properties) ▲재료 물성(material properties) ▲제조 공차(manufacturing tolerances) 등이 포함되며, 이들은 실제 제품 사용 환경이나 제조 공정에서 일정한 값을 가지지 않고 확률적 분포를 따른다.
중앙에 위치한 시스템(system)은 이러한 입력 변수를 바탕으로 동작하며, 그 결과로 출력 성능 역시 하나의 고정된 값이 아닌 분포(distribution)로 표현된다. 이는 동일한 설계를 반복 생산하거나 다양한 조건에서 사용할 경우 성능 편차가 존재할 수 있음을 의미한다.
<그림 1>의 오른쪽 그래프에서 보듯이, 출력 성능은 평균값(original performance)을 중심으로 정규 분포 형태를 가지며, 특정 기준(criteria)을 만족하지 못하는 영역은 고장 확률(probability of failure)로 해석된다. 이 고장 확률이 낮을 수록 설계가 더 신뢰할 수 있고 안정적이라는 것을 뜻한다. 따라서 단순한 평균 성능만을 추구하는 것이 아니라, 산포를 고려하여 설계의 신뢰성과 강건성을 동시에 확보하는 것이 현대 설계 최적화의 중요한 방향으로 자리 잡고 있다.
이러한 맥락에서 산포란 설계 변수 또는 외란 변수의 불확실성이 시스템 응답에 미치는 영향을 계량적으로 분석하고 이해하는 과정의 핵심 개념이다. 예를 들어, 동일한 설계 조건에서 반복 실험 또는 시뮬레이션을 수행했을 때 결과가 고르게 나오지 않고 분산이 크다면, 이는 해당 시스템이 외부 요인에 민감함을 의미한다.
그림 2
<그림 2>는 설계 변수 공간(x1, x2)에서 목표함수 f(x)를 최소화하는 과정에서 산포 특성이 설계 해에 미치는 영향을 시각화한 것이다. 이는 실무에서 흔히 발생하는 ‘좋은 성능을 갖지만 제조나 환경 요인으로 인해 성능이 불안정해지는 경우’를 잘 설명해준다.
결정론적 최적점(Deterministic Optimum) : 주황색 점은 일반적인 최적화에서 도출된 해로, 주어진 조건 하에서 목표함수 f(x)를 가장 작게 만드는 설계점이다. 그러나 이는 모든 입력값이 고정되어 있다고 가정한 이상적인 결과이며, 실제 제품에서 변수의 산포가 존재할 경우, 해당 해는 제한 조건(g(x)=0)을 위반할 수 있다. 이를 둘러싼 붉은 등고선은 입력값의 분산이 시스템 응답을 어떻게 퍼지게 하는지를 의미하며, 일부 샘플은 비실현 가능 영역(infeasible region)으로 넘어갈 위험이 있다.
강건 최적점(Robust Optimum) : 파란색 점은 변수의 변동성까지 고려한 최적 설계 해다. 목표함수는 결정론적 해보다 약간 더 높을 수 있으나, 산포된 샘플 대부분이 제한 조건을 위반하지 않도록 위치시킨 것이다. 즉, 신뢰성과 강건성(reliability & robustness)을 우선시한 설계 접근법이다.
하단의 분포 곡선은 x1축을 따라 설계 해의 산포를 묘사하며, 결정론적 해와 강건 해 각각에 대한 확률적 분포 중심이 어떻게 달라지는지를 보여준다. 강건 해는 더 많은 샘플이 안전 영역에 포함되도록 분포 중심이 조정된 반면, 결정론적 해는 평균적으로 좋은 성능을 가지지만 일부 샘플이 위험 영역에 위치하게 된다.
결국, 산포는 더 이상 ‘불확실성’이라는 불편한 요소가 아니라, 제품의 강건성을 확보하기 위한 핵심 데이터로 활용되어야 한다.
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작성일 : 2025-06-04