디지털 트랜스포메이션 기반 VPD 프로세스 구축 및 MBSE의 도전과 응용 (2)

다양한 산업 분야의 기술과 제품 개발에서 CAE(Computer Aided Engineering) 기술이 폭넓게 쓰이고 있다. 한편으로 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것으로는 제품의 요구 성능을 충족하는 것이 어려우며, 전체 시스템의 성능 파악 및 품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다.
캐드앤그래픽스 2021년 1월호의 특집기획에서 디지털 제품 개발 기술로서 VPD(가상 제품 개발)와 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)의 개념에 대해 소개했는데, 이번 호에서는 VPD 및 MBSE를 어떻게 제품 개발에 적용할 수 있는지에 대해 살펴본다.

■ 오재응 | LG전자 기술고문이며, 한양대학교 명예교수이다.

1. 최근의 기술·제품 개발을 둘러싼 환경
최근 다양한 산업 분야의 기술·제품 개발에서 CAE 기술의 활용은 익숙한 것이 되어 있다. 반면 기술·제품이 급속히 다양화 및 복잡화 하고 있는 요즈음, 지금까지와 같이 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것만으로는 기술·제품으로의 요구 성능을 만족하는 것이 매우 어려워지고 있다. 따라서 기술·제품을 구성하는 전체 시스템을 파악한 성능·품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다.

특히 제품 개발 프로세스 정립의 효과는 시스템이 고기능이 되고 복잡해지면 질수록 개발 과정의 빠른 시기부터 시스템에  숨겨진 결함을 찾아내는 것은 어렵다. 잘 알려진 바와 같이, 대부분의 결함은 개발 초기 설계 단계까지의 사이에 만들어지고 버리지만, 그들은 그 시점에서는 발견되지 않고 테스트 단계에서 장애로 처음 발견되는 것이다. 이들 장애는 제품의 제조단계에서 장애로 시작하여 처음으로 검출되는 것이 된다. 그리고 만일 이들의 장애가 제품의 제조단계로 진행될 때까지 검출되지 않으면 출하 후에 시장에서 처음으로 발견되면 커다란 문제가 된다. 만약 제품이 대량 생산되어 있다고 하면, 그 대책에는 막대한 비용이 들고 큰 손실을 발생할 수 있는 가능성이 있다.

따라서 잘 알려진 MBSE의 도입 효과는, 결함을 조기 발견하는 것에 의해 제품화 기간을 단축하고 개발 비용을 줄이고 출시에 걸리는 시간을 단축하는 것이다. 예를 들면 미국의 어떤 방위 시스템 개발 회사는 시스템 엔지니어링을 도입하여 제품화 시간을 40% 단축했다는 보고도 있다. 또한 응용 프로그램의 신뢰성과 안전이 개선되었다. 다양한 기업에서 하드웨어와 소프트웨어 파트의 공급을 받고 있는 기업의 경우, 키가 되는 것은 서브시스템 사이의 인터페이스를 명확히 하는 것이다. 여기에서는 개발 초기에 실행 가능한 프로토타입 모델 실행을 통해 인터페이스의 결함을 조기에 발견하고 있다.

GM(지엠)의 개발자는 모델을 사용하여 내장되어 있는 시스템 간의 상호 작용을 시각화하고 시뮬레이션을 통해 모델 테스트를 실시했다. GM은 보통 5년이 걸릴 신차 개발을 불과 29개월 만에 완료하는 것이다. 특히 가전 제품의 개발 기간이 비교적 짧고, 최근에는 설계가 국제적으로 분산되어서 진행되고 있다. 이러한 환경에서 결함의 발견이 지연됨에 따라 설계의 재 작업은 비용 및 납품 일정에 미치는 영향이 크고, 결함의 원인에 대해 초기 단계에서 대응하는 것이 필요하다. 서브시스템과 모듈이 완성되어 통합하여 검증하는 단계에서 조정 가능한 부분의 부분적인 수정을 한 것이 비용적으로 맞지 않는 경우가 많다. 따라서 어떤 모듈 설계에 필요한 그 외부 환경이 되는 경계 조건을 가상으로 설정한 후에 사전에 기능의 수준을 검증을 수행하는 것이 중요한 포인트가 된다

그림 1. MBD 적용에 대한 정확도 및 계산시간, 설계자유도에 대한 충실도