제품 성능 향상에 대한 요구사항으로 인해 설계 복잡성이 높아지는 가운데, 소프트웨어는 시장에서 제품의 성공을 좌우하는 차별화 요소가 되고 있습니다. 더 우수한 품질을 갖춘 더 복잡한 소프트웨어를 더 짧은 시간 내에 만들어야 하는 상황에 직면한 엔지니어들은 모델 기반 설계를 채택했습니다.
모델 기반 설계란?
모델 기반 설계는 복잡한 시스템을 개발할 수 있는 수학적이고도 시각적인 접근법을 제공합니다. 여러 영역에서 작업을 수행하는 교차기능팀을 위한 공통 언어를 제공하여 협업을 지원하고 고무합니다. 모델 기반 설계는 모션 제어, 신호 처리, 산업용 장비, 항공우주, 자동차 응용 분야 등 다양한 산업과 응용 분야에 걸쳐 사용됩니다. 모델 기반 설계는 요구사항 사양, 시스템 아키텍처 모델링, 설계 구현, 시뮬레이션, 자동 코드 생성, 검증 및 확인을 위해 전체 개발 공정에 걸쳐 체계적으로 모델을 사용하는 데 중점을 둡니다.
모델 기반 설계는 애자일 개발 방식을 보완하고 구현합니다. 모델 기반 설계를 사용하면 애자일과 마찬가지로 개발자가 프로젝트의 초기 단계에서 결함과 설계 문제를 발견하고, 요구사항의 변경 사항을 수용하고, 고객 요구를 충족하는 시스템을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 사용자는 CI(지속적 통합) 시스템에 연결하여 개발 라이프사이클 전반에서 모델과 코드를 자동으로 테스트하고 검증함으로써 빠른 반복을 수행할 수 있습니다.
모델 기반 설계를 사용한 애자일 시스템 개발은 시뮬레이션 및 코드 생성에 중점을 두고 설계 및 테스트 아티팩트, 연구, 평가를 증분 방식으로 제공합니다.
모델 기반 설계는 제품과 서비스의 디지털 전환을 지원합니다. 이전에 개발한 모델을 운영 중인 시스템에서도 활용하여 디지털 트윈을 만들어 시스템 운영을 최적화하고, 시스템 상태를 모니터링하고, 지속적인 개선을 위해 개발 팀에 피드백 메커니즘을 제공할 수 있습니다. 이 접근법을 통해 예측 정비, 실시간 결함 검출 같은 응용 분야를 구현할 수 있습니다.
모델 기반 설계: 개발 공정 전반에 걸친 모델의 체계적인 사용.
비즈니스 목표 달성
시장 선도 기업은 모델 기반 설계를 사용하여 다음과 같은 성과를 달성합니다.
더 많은 프로젝트 입찰 및 수주.
“최근 우리는 촉박한 시간 제약 조건으로 인해 여러 경쟁사가 입찰하지 않은 프로젝트를 수주했습니다. 모델 기반 설계를 활용함으로써 우리는 문제없이 인도 날짜를 충족할 수 있었습니다.”
다른 방법으로는 개발할 수 없었던 제품 개발.
“과거에는 비용이 너무 많이 들어 특수한 제품에 필요한 제어기 하드웨어를 만들 수 없었습니다. Simulink를 사용하면 기존 PLC 하드웨어에서 손쉽게 제어기 설계를 구현할 수 있습니다. [이제 우리는] 소량의 제어기 제품을 제작하기 위한 새로운 비즈니스 기회를 추구할 수 있습니다.”
조기에 판매와 매출 달성.
“3명으로 구성된 팀이 MathWorks 툴을 사용하여 불과 6개월 만에 온전한 프로토타입을 완성할 수 있었습니다. 이러한 툴이 없었다면 추가적으로 6개월은 더 걸렸을 것입니다.”
경쟁사가 따라올 수 없는 기능과 성능 제공.
“모델 기반 설계를 사용하여 설계하고 최적화한 하이브리드 정유압식 드라이브트레인은 표준 정유압식 드라이브트레인에 비해 연료 효율이 약 25% 이상 뛰어나고 총 소유 비용은 15~20% 더 낮았습니다.”
경쟁사가 따라올 수 없는 제품 품질 달성.
“Simulink를 사용한 시뮬레이션과 실시간 테스트 덕분에 탁월한 신뢰성을 갖춘 제어 시스템을 제공할 수 있었습니다. 우리의 제어기는 기존 시스템보다 더 안정적인 것으로 입증되었으며, 프로덕션에서 가동 중단도 유발하지 않았습니다. 중단이 발생할 경우 피해 금액은 시간당 €5,000 이상이므로 이 부분은 중요합니다.”
비용과 낭비 감소
엔지니어링 팀은 모델 기반 설계를 사용하여 다음을 통해 개발과 운영에서 성공적인 결과를 달성할 수 있습니다.
- 모델링, 시뮬레이션 및 코드 생성
- 모델을 재사용하여 인증, 문서 및 아티팩트 생성
- 애자일, 지속적 통합, 디지털 전환 채택
모델링, 시뮬레이션 및 코드 생성
더 저렴하고 더 적은 수의 컴포넌트 사용.
“Lanai 시스템의 초기 추정에는 700킬로와트시의 배터리가 필요했습니다. Simulink 시뮬레이션을 통해 그 절반 크기의 배터리로도 충분하며 유연송전시스템 기기가 불필요하다는 것이 확인되었습니다. 이 두 가지를 통해 총 $200,000의 비용을 절감했습니다.”
실물 프로토타입의 수 최소화.
“이 프로젝트에서는 실제 하드웨어의 성능이 자기부상 시스템 Simulink 모델 시뮬레이션 결과와 일치했기 때문에 테스트 시스템을 수정할 필요가 없었습니다. 여러 프로토타입을 생략하면 시간이 절약됩니다. 또한 이 프로젝트에서와 같이 프로토타입 비용이 $20,000 ~ $30,000에 이르는 경우 비용을 대폭 절감할 수 있습니다.”
모델 재사용 및 설계 조정.
“과거 프로그램에서는 작은 설계 변경이라도 생기면 소프트웨어 팀이 그 변경을 코딩할 때까지 몇 주를 기다려야 하는 경우도 있었습니다. Simulink 및 Embedded Coder를 사용하면 변경을 수행하고 코드를 다시 생성하기만 하면 됩니다. 한 시간 내에 새 테스트 빌드를 구축할 수 있었습니다.”
기한 미준수에 따른 불이익 제거.
“서스펜션 설계를 테스트하기 위해 차량의 나머지 부분이 완성될 때까지 기다려야 한다면 촉박한 인도 날짜를 맞추기가 불가능했을 것입니다.”
모델을 재사용하여 인증, 문서 및 아티팩트 생성
문서 비용 절감.
“Simulink 및 Stateflow 모델을 실행 가능한 사양으로 사용한 덕분에 설계 검토 공정이 대폭 간소화되었습니다. 과거에 필요했던 시간의 10%만으로 검토를 철저하게 완료하는 동시에 모든 검토 단계에서 사용했던 종이 문서의 90%를 없앴습니다.”
인증 비용 및 시간 단축.
“Simulink로 인공호흡기의 임베디드 소프트웨어를 모델링, 시뮬레이션, 구현함에 따라 규정 준수와 인증이 크게 간소화되었습니다. 모델을 통해 인증 검토를 위한 상세한 문서와 시스템의 시각적 표현을 확보할 수 있었습니다.”
애자일, 지속적 통합, 디지털 전환 채택
더 작은 규모의 팀 활용.
“그래픽 설계와 자동 코드 생성 기능을 갖춘 모델 기반 설계를 통해 소프트웨어 버그를 줄이고, 소프트웨어 유지보수성과 재사용을 개선하고, 소프트웨어 개발의 어려움을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 가능한 최소한의 시간 내에 엔진 및 제어 전문가로 구성된 개발 팀을 꾸릴 수 있었습니다.”
애자일을 활용하여 변화에 적응하기 위해 필요한 시간 단축.
“우리는 프로젝트의 후기 단계에서 제어기가 자체 상태에 대한 피드백을 제공해야 한다는 새로운 요구사항을 받았습니다. 이와 같은 변경을 수작업 코딩으로 하려면 최소한 일주일이 걸리겠지만, 모델 기반 설계를 사용하기 때문에 모델의 간단한 변경을 통해 하루 만에 해당 요구사항을 충족할 수 있었습니다. 시간과 비용을 초과하지 않으면서 이와 같은 변경을 구현할 수 있는 역량은 우리에게 큰 이점이 되었습니다.”
지속적 통합을 사용하여 테스트 시간을 단축하는 동시에 코드 품질 개선.
“전 세계에 걸쳐 수십 명의 엔지니어들이 동일한 모델에 대해 동시에 작업을 하며 이 과정에서 많은 병합이 이루어집니다. 모델 기반 설계와 CI를 함께 사용하여 반복을 줄이고 테스트 공정을 자동화했습니다.”
운영 중인 자산의 지원 비용 절감.
“MathWorks 툴을 통해 프로덕션 인쇄기에서 데이터를 수집하고 오류 조건을 자체적으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 고객 문제를 해결하는 시간도 단축되지만 인쇄기가 전 세계에 판매되는 만큼 자체 지원 및 출장 비용도 대폭 절감할 수 있습니다.”
보증 비용 절감.
“업계 전반적으로 소프트웨어 복잡성이 증가함에 따라 보증 문제도 많아졌습니다. 모델 기반 설계를 사용하여 가장 최근에 완성한 제품의 경우 프로덕션 12개월 이후까지 애플리케이션 소프트웨어와 관련된 보증 문제가 발생하지 않았습니다. 이는 현재와 미래의 고객이 반길 만한 기록입니다.”
소규모 팀을 위한 모델 기반 설계 도입
모델 기반 설계의 잠재적인 장점에도 불구하고 엔지니어링 관리자는 개발 공정의 변경에 따르는 리스크를 고려하는 경우가 많습니다. 특히 새로운 공정을 시범 운영하고 새로운 툴을 학습할 전담 직원이 없는 소규모 그룹의 경우 더욱 그렇습니다. 그러나 모델 기반 설계를 도입한 기업들은 모델 기반 설계를 도입하지 않았다면 더 위험했을 것이라고 말하는 경우가 많습니다.
소규모 팀의 모델 기반 설계 도입 경험과 접근법에 대한 내용은 “엔지니어링 팀의 모델 기반 설계 도입 방법” 백서에서 볼 수 있습니다.
요약
모델 기반 설계의 도입은 시스템 개발의 혁신입니다. 제품 가격이 수천, 또는 수백만 달러에 달하는 기업에서는 프로토타입의 수를 단 하나만 줄여도 ROI를 개선하기에 충분합니다. 시장 점유율이 높은 저가 제품을 보유한 기업도 시장에 처음으로 출시할 때 높은 ROI를 달성할 수 있습니다. 이러한 기업의 경우 모델 기반 설계의 가치를 이끄는 요소는 개발 가속화입니다. 모든 상황에서 기업은 시스템 개발에 모델 기반 설계를 사용함으로써 극적이고 지속적인 혜택을 누릴 수 있습니다.
