모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE) 설명

모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE)은 문서 중심 시스템 엔지니어링과는 대조적으로 정보, 피드백 및 요구 사항의 주요 교환 수단으로 디지털 시스템 및 엔지니어링 도메인 모델을 생성하고 활용하는 데 중점을 둔 방법론입니다. 여기에는 시스템을 나타내는 데 사용하는 모든 디지털 모델이 시스템의 전체 수명 주기 동안 조정되고 유지되도록 캡처, 통신 및 확인하는 전체 프로세스가 포함됩니다.

1990년경 이전‍의 시스템 엔지니어링‍은 대개 도면, 다이어그램, 수학 공식, 요구 사항 및 시스템 작동 방식에 대한 기타 사양이 포함된 관련 서류와 문서 묶음이었습니다. 그러나 그 무렵에 프로젝트가 너무 커지면서 ‍연결성이 없는 문서는 사용하지 못하게 되었습니다. 다른 무엇보다도 다음과 같은 문제가 드러났습니다.

• 시스템의 개념이 진화함에 따라 설계 사양 유지: 엔지니어가 한 문서에서 단일 치수를 변경한 경우 전체 문서 스택을 살펴보고 해당 치수가 포함된 다른 모든 문서에서 동일한 변경이 이루어졌는지 확인해야 했습니다. 다른 복사본이 있는 경우 변경 사항이 모든 복사본에 기록되었는지 확인할 수 없습니다.
• 인간‍의 해석: 인간의 쓰기 체계와 이해의 모호성을 감안할 때 두 명의 엔지니어가 ‍ 동일한 문장을 읽고 다른 의미로 결론을 내릴 수 있는 상황이 전적으로 가능합니다.
• 검증 가능성: 모델의 한 페이지에서 수행된 계산이 프로세스의 다른 추가 계산에 대한 입력으로 사용되기 전에 오류가 없음을 어떻게 확신할 수 있을까요?

MBSE는 정적 문서를 요구 사항, 아키텍처, 시스템 요소 간 인터페이스 등 시스템에 관한 중요한 모든 것이 포함된 “intelligent” 디지털 모델로 대체하기 위해 개발되었습니다. 이러한 디지털 모델은 기존에 폴더로 정리된 종이 문서 대신 “디지털 스레드”로 연결되며, 이 스레드를 따라서 전체 설계를 이해할 수 있습니다.

무엇보다 중요한 SAM(Systems Architect Model)은 프로젝트 작업을 수행하는 모든 사람에게 “ASoT(Authoritative Source of Truth)” 역할을 합니다. 이 디지털 모델에는 프로젝트 작업을 수행하는 모든 엔지니어가 액세스할 수 있지만 별도로 수정할 수는 없는 중앙 위치가 있어 SSOT(Single Source Of Truth)를 보존합니다. 변경 사항은 모델 전체에 자동으로 전파되고 소프트웨어에서 내부 일관성 및 정확성을 검사합니다.

MBSE의 핵심 컴포넌트

MBSE는 다음과 같은 세 가지 주요 컴포넌트를 사용합니다.

1. 설계 중인 시스템이 시스템의 물리적 및 기능적 아키텍처를 설명하는 일련의 연결된 블록 다이어그램으로 표시되는 SAM. 여기에는 시스템이 갖추어야 하는 품질 또는 수행해야 하는 기능(요구 사항)의 포괄적인 목록도 포함됩니다. SAM은 특수 소프트웨어 프로그램을 사용하여 생성되며 시스템 아키텍처를 설명하기 위해 특별히 제작된 언어를 활용합니다.
2. 공학 시뮬레이션 소프트웨어. SAM은 CAD(Computer-Aided Design) 도면과 비교될 수 있습니다. 시스템을 자세히 설명하지만, 시스템이 요구 사항을 충족하는지 SAM만으로는 알 방법이 없습니다. 이를 위해 SAM을 공학 시뮬레이션과 결합해야 합니다. 설계 중인 비행기가 6G를 견뎌 내야 하는 경우 엔지니어는 시뮬레이션을 실행하여 설계 중인 비행기가 해당 작업에 적합한지 확인해야 합니다. 복잡한 시스템에서는 엔지니어가 구조, 유체, 전자기, 임베디드 소프트웨어, 안전, 사이버 보안 등 여러 다양한 유형의 시뮬레이션 솔버를 실행해야 할 수 있으므로 여러 다양한 유형의 시뮬레이션 툴을 사용할 수 있는 것이 중요합니다.
3. 중앙 집중식 컴퓨팅 센터. 회사 구내, 클라우드 등 어디에 있든 상관없이 이 중앙 집중식 컴퓨팅 센터에는 SAM 및 실행 가능한 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 이 컴퓨팅 센터는 모든 기능을 수행하고 MBSE 프로세스의 모든 결과를 저장합니다.

Ansys 소프트웨어 툴을 사용하여 MBSE 환경 구축

MBSE에서는 SAM, CAD 및 CAE(Computer-Aided Engineering) 시뮬레이션 툴을 조합하여 모든 모델과 엔지니어링 데이터를 함께 연결하는 “디지털 스레드”를 생성합니다. 이는 설계 주기 초기에 발생하며 제품이 사용 중단될 때까지 제품의 전체 작동 수명 주기 동안 계속 작동합니다. 변경이 이루어지면 디지털 스레드는 한 모델에 대한 업데이트가 시스템의 모든 모델에 자동으로 전송되도록 합니다.

Ansys는 실시간 협업을 지원하도록 새로 구축된 클라우드 기반 SAM(System Architecture Modeler)을 제공하며 이는 다른 Ansys MBSE 툴과의 긴밀한 통합은 물론, 타사 툴(요구 사항 관리 도구, PLM 툴 등)과 통합할 수 있는 완전한 기능을 갖춘 API도 제공합니다. Ansys ModelCenter는 공학 시뮬레이션 소프트웨어와 SAM 간의 연결을 제공하여 엔지니어가 설계를 가상으로 검증할 수 있도록 합니다. 따라서 구조, 유체, 전자기, 안전 및 임베디드 소프트웨어 시뮬레이션이 포함된 디지털 모델이 있는 프로젝트 작업의 경우 ModelCenter는 Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys HFSS, Ansys medini analyze, Ansys SCADE 및 기타 시뮬레이션 툴의 작업 및 데이터 수집을 조정하고 이러한 시뮬레이션을 SAM에 연결하여 MBSE를 활성화합니다. 개방형 에코시스템을 제공하려는 Ansys의 전반적인 기업 전략과 일치하는 ModelCenter는 다른 소프트웨어 공급업체의 시뮬레이션 툴까지 포함하여, 워크플로 내에서 모든 시뮬레이션 툴의 실행을 자동화할 수 있는 공급업체 중립적인 솔루션입니다.

설계 주기가 진행되고 제품 설계가 수정됨에 따라 엔지니어는 Ansys MBSE 기술을 사용하여 적절히 설계된 시스템이 지정된 요구 사항을 충족하는지 또는 변경을 수행해야 하는지 여부를 평가할 수 있습니다. 요구 사항 또는 SAM이 변경되면 결과가 사양을 충족할 때까지 전체 절차를 반복하여 설계가 제품 수명 기간 동안 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있습니다. 이러한 요구 사항이 충족된 후에만 팀이 설계의 물리적 프로토타입을 제작하여 그에 대한 물리적 테스트를 수행합니다.

MBSE의 가치는 설계 수명 주기 전반에 걸쳐 그리고 가능한 한 설계 수명 주기 초기에 더 나은 결정을 내릴 수 있다는 것입니다. 이해 관계자가 문제를 더 빨리 식별할수록 더 쉽고 저렴하게 수정할 수 있습니다.

MBSE는 체계적인 시스템 엔지니어링 접근법을 통해 요구 사항부터 폐기에 이르기까지 다양한 가치를 제공합니다. 디지털 모델은 SSOT(Single Source Of Truth)에 대해 검사, 확인 및 검증이 가능하기 때문에 납품, 제품 수율 및 매출과 이익을 모두 개선하는 모델의 내부 일관성이 보장됩니다.

MBSE의 예: 고성능 항공기 설계

예를 들어 공군이 한 번의 연료 적재로 3000마일을 비행할 수 있는 새 비행기를 설계하기 위한 입찰을 내놓았다고 상상해 보십시오. 기존 방식으로 비행기를 설계, 제작 및 테스트하거나 모델 기반 접근법을 사용할 수 있습니다.

MBSE 접근법을 사용하여 이 복잡한 새 비행기를 설계하기로 결정했다면 먼저 비행기에 대한 모든 중요한 요구 사항을 문서화하는 SAM을 생성합니다(한 번의 연료 적재로 3000마일을 비행할 수 있어야 하는 요구 사항 포함). 그런 다음, SAM을 사용하여 시스템 아키텍처, 원하는 동작, 시스템 컴포넌트 간 인터페이스 등을 포함하여 구축하려는 설계를 설명합니다. 이 시점에서 시뮬레이션을 사용하여 설명한 설계가 모든 요구 사항(물리적 및 동작 모두)을 충족하는지 확인합니다. 시뮬레이션에는 공기 역학을 검증하기 위한 유체 시뮬레이션, 기계적 강도를 검증하기 위한 electromagnetic, 통신 장치의 기능을 검증하기 위한 전자기 시뮬레이션 등이 포함됩니다.

더 복잡한 임무 기반 애플리케이션의 경우 엔지니어는 Digital Mission Engineering 소프트웨어를 사용하여 현대 항공 우주 및 방위 임무의 복잡한 “시스템의 시스템” 구조를 시뮬레이션할 수 있습니다. Digital Mission Engineering은 항공 우주, 방위, 통신 및 인텔리전스 애플리케이션을 위한 디지털 모델링, 시뮬레이션, 테스트 및 분석을 결합하여 시스템 수명 주기의 모든 단계에서 임무 결과를 평가합니다. 이러한 임무에는 모두 해당 동작을 전달하고 조정해야 하는 수백 개의 지상, 공중, 수상 또는 우주 기반 무기 시스템이 포함될 수 있습니다. Digital Mission Engineering 시뮬레이션을 통해 엔지니어와 군 관련 직원은 물리 기반 시뮬레이션을 사용하여 복잡한 임무를 가상으로 실행할 수 있으므로 임무에 대한 자신감을 얻을 수 있습니다.

실제 사례에서 Lockheed Martin Space는 Ansys ModelCenter를 사용하여 MBSE를 수행함으로써 OSIRIS-Rex 우주선의 임무 궤적을 시뮬레이션했습니다. 이 우주선의 임무는 “접지 이륙(touch-and-go)” 작전으로 소행성 샘플을 채취하는 것이었습니다. 2020년 10월, OSIRIS-REx는 이 기동 작전을 성공적으로 수행하여 이전의 다른 샘플 회수 임무보다 훨씬 큰 샘플 크기인 60g 이상을 채취했습니다. 2023년에 샘플을 지구로 돌려보낼 예정입니다. 

“시뮬레이션을 자동화하고 이 시스템 모델에 통합함으로써 팀은 우주선의 수명 주기 전반에 걸쳐 요구 사항과 임무 설계 매개변수에 대한 지속적인 검증을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 임무 요구 사항 변경과 관련된 잠재적인 문제를 신속하게 파악할 수 있습니다.”라고 Lockheed Martin Space의 시스템 엔지니어인 Phathom Athena Donald가 말했습니다.  “원래 프로세스와 비교하여 전반적으로 개선된 점은 처리 시간이 약 7배 단축되었다는 것입니다.”

MBSE 채택을 추진하는 미국 국방부

지금까지 MBSE에 대한 가장 큰 지원은 2015년 1월 7일에 DoDI 5000.02를 발행한 미국 국방부(DoD)에서 나왔습니다. 이 문서의 인클로저 3, 섹션 9에서는 모델링 및 시뮬레이션을 다룹니다. 첫 번째 줄은 다음과 같습니다. “프로그램 관리자가 모델링 및 시뮬레이션 활동을 프로그램 계획 및 엔지니어링 노력에 통합할 것입니다.” 이 간단한 진술과 DoDI 5000.02에 나오는 세부 사항을 통해 DoD는 본질적으로 MBSE를 미국 국방 및 무기 시스템과 관련된 모든 제안에 포함해야 하는 요구 사항으로 만들었습니다. 이 지침으로 인해 A&D 부문은 MBSE으로 프로젝트 지연 및 비용 초과를 상당히 방지할 수 있다는 점에서 MBSE의 주요 지지자가 되었습니다.

이 DoD 요구 사항을 기반으로 Northrop Grumman은 2020년에 MBSE 기반 제안서를 전달하여 미국 공군의 GBSD(Ground Based Strategic Deterrent) 프로젝트에 대한 주요 계약을 체결했습니다. GBSD는 미국의 육상 기반 핵 인프라를 현대화하여 2075년까지 방어 요구 사항을 충족하는 통합 무기 시스템으로 노후화된 LGM-30 Minuteman III 대륙간 탄도 미사일 시스템(ICBM)을 대체하도록 설계되었습니다.

그러나 MBSE 활용 측면에서 A&D가 앞서 나가는 동안 다른 부문도 빠르게 따라가고 있습니다. 복잡한 자율 주행 문제에 대한 솔루션을 모색하는 자동차 산업에서도 MBSE를 빠르게 채택하고 있습니다. 반도체, 의료 기기, 대체 에너지, 스마트 그리드, 5G 통신 등 다른 부문에서도 복잡성이 증가함에 따라 MBSE 채택이 가속화될 가능성이 큽니다.

온디맨드 웨비나 요청: 디지털 전환: MBSE 모델을 미션 결과에 연결에서 자세한 내용을 알아보십시오.