시스템 아키텍처 설계는 도출된 요구 사항에 따라 시스템의 동작과 구조적 특성을 정의하는 활동을 의미합니다. 시스템 아키텍처는 시스템 요소들이 해당 운영 환경에서 함께 작동하여 이해관계자의 요구를 충족하도록 보장합니다.
전통적으로 시스템 엔지니어링은 직관적인 도메인별 [예: 항공우주, 방위, 자동차, 소비자 제품 등] 제품 관행을 적용하여 프로세스와 절차에 중점을 두어 왔습니다. 이러한 관행은 뛰어난 문서 작성 기술과 결합하여 설계 구성 정보를 여러 문서로 수동으로 정리합니다. 이 문서들은 시스템 아키텍처 설계를 고유한 조직적 표기법으로 텍스트 설명과 그래픽 도표로 묘사하지만, 형식적인 의미론은 없습니다. 이 문서들은 설계 구성 정보를 동기화하기 위해 수동으로 업데이트되어야 하며, 그 결과 일관성 문제와 비용 및 일정 비효율성을 초래할 수 있습니다.
시스템 아키텍처는 시스템 모델링 언어(SysML)를 사용하여 모델 기반 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법을 설명하며, 이를 통해 제품 개발, 통합 및 검증을 수행합니다. 이 접근법은 모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE) 관행을 채택하여 디지털 전환 설계를 가능하게 하고, 다른 설계 엔지니어링 분야 [전기, 기계, 소프트웨어]와 유사하게 사용할 수 있습니다.
SysML은 산업 표준 그래픽 및 텍스트 표기법(SYSML-v2에서는 텍스트 추가)과 공식적인 의미론을 제공하여 시스템 설계 요구 사항, 동작 및 구조적 특성을 정의하고, 관련 요구 사항과의 추적 가능성을 제공합니다. 시스템 설계 모델은 프로젝트의 기술적 기준을 나타내는 디지털 저장소로, 각 시스템, 하위 시스템 및 구성 요소 설계 추상화 수준에 대한 요구 사항, 기능적, 논리적 및 물리적 설계 표현을 포함한 Authoritative Source of Truth(ASoT) 역할을 합니다. 통합된 시스템 설계 모델의 시뮬레이션 기능과 검증 기준은 디지털 환경에서 설계 결정을 검증하거나 설계 결함을 발견하고 해결할 수 있도록 시스템의 주요 성능 매개변수를 평가합니다.
시스템 설계 모델은 통합된 시뮬레이션 기능을 통해 시스템의 디지털 트윈을 제공합니다. 디지털 트윈은 물리적 시스템의 권위 있는 표현으로, 디지털 스레드의 종단 간 시뮬레이션, 모든 데이터, 모델, 인프라 등을 포함하여 시스템 설계를 최적화하고, 변화하는 임무와 위협에 대한 시스템 개선을 위해 설계 대안을 탐색할 수 있게 해줍니다.
1. 시스템 아키텍처 설계 개요 (System Architecture Design Overview)
시스템 아키텍처 설계 정의는 이해관계자의 요구를 충족하기 위해 전체적인 기술 솔루션을 정의하는 시스템의 동작 및 구조 분석을 포함합니다. 모델 기반 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법은 ISO/IEC/IEEE-15288 아키텍처 정의 기술 생애 주기 프로세스를 구현하는 방법을 제공합니다. 이 접근법은 도메인별 설계 지식과 전문성을 적용하여 디지털 시스템 설계 모델을 개발하고 통합하며, 여러 도메인 간 협업을 가능하게 합니다.
시스템 아키텍처 설계는 이해관계자의 요구를 충족하기 위해 시스템의 구조적 요소와 그들의 상호작용을 해당 운영 환경에서 정의합니다. 이 아키텍처는 시스템 요구 사항, 기능적 동작 및 상호작용, 논리적 및 물리적 구성 항목에 대한 표현과 함께 프로젝트 개요를 포함합니다. 그림 2는 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법을 보여줍니다.
다음은 모델 기반 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법의 활동과 디지털 시스템 설계 모델에 대한 정보를 설명합니다.
- 프로젝트 개요 제공: 프로젝트의 범위와 시스템/프로젝트 경계를 설명하여 개요를 제공합니다.
• 시스템의 임무 설명은 프로젝트의 이해관계자의 요구와 관련이 있으며, 요구 사항은 시스템 요구 사항에 추적 가능합니다.
• 설계 모델의 조직, 환경, 개발 접근 방식, SysML 규칙 및 사용자 지정 프로필에 대한 용어집 제공. - 시스템 요구 사항 및 검증 기준 정의: 이해관계자의 요구에서 도출된 시스템 기능, 인터페이스, 성능, 특성, 운영 조건 및 환경을 구체화하는 시스템 요구 사항과 검증 기준을 정의합니다.
• 시스템 사용 사례는 블랙박스 기능, 솔루션 제약 조건, 경계, 외부 인간 및 시스템 인터페이스를 반영합니다.
• 이해관계자의 요구에서 도출된 기능 및 요구 사항은 엔지니어링 분석, 시연, 검사 및 테스트 결과로 검증됩니다. - 시스템 기능 계층 구조 및 하위 기능 정의: 이해관계자의 요구를 충족하기 위해 각 기능이 입력을 출력으로 변환하는 행동 상호작용을 정의합니다.
• 시스템 사용 사례의 확장은 활동 다이어그램, 시퀀스 다이어그램, 상태 기계 다이어그램을 통해 시스템 기능 작업을 설명하고, 사용자 작업, 시스템 기능 및 하위 기능을 요구 사항과 검증 기준과 연결합니다.
• 시스템 요소 상호작용은 기능과 하위 기능이 인터페이스를 통해 함께 작동하는 방식을 정의하여 역량을 제공합니다. - 논리적 시스템 구조 요소 정의: 특정 설계 구현 없이 논리적 구성 항목을 식별하는 기술 독립적 모델(Platform Independent Model, PIM)을 정의합니다. 각 논리적 구성 항목은 할당된 기능 및 하위 기능, 속성, 인터페이스, 프로그램적 결정(제작 대 구매)으로 이어지는 성능 요구 사항을 포함합니다. 예를 들어, 자동차 설계에서는 생산 또는 조달 계약 기준을 마련하기 위해 논리적 내연 기관을 명시합니다.
• 반복적인 화이트박스 분석을 통해 물리적 구성 항목에 의해 구현될 논리적 구성 항목, 할당된 기능 및 하위 기능, 인터페이스를 식별합니다.
• 논리적 구성 항목은 시스템 복잡도에 따라 계층적 하위 시스템, 어셈블리, 하위 어셈블리 및 구성 요소를 포함합니다. - 5. 물리적 시스템 구조 요소 정의: 각 논리적 구조 요소에 대한 구체적인 설계 구현을 식별하는 기술 종속적 모델(Platform Specific Model, PSM)을 정의합니다. 물리적 구성 항목은 할당된 요구 사항을 충족하며 특정 제조사의 부품 번호 식별이 포함됩니다. 예를 들어, 자동차는 요구 사항에 따라 특정 V8 가솔린, 디젤 또는 프로판 내연 기관과 추가 물리적 엔진 구성 요소(예: 피스톤, 점화 플러그, 캠 샤프트 등)를 포함합니다.
• 전기, 기계, 소프트웨어 엔지니어링을 통한 반복적 설계 분석으로 물리적 구성 항목의 구체적인 설계 구현을 식별합니다(즉, 제조사와 부품 번호 식별).
• 물리적 구성 항목은 논리적 요소에 대한 설계 구현을 제공하며, 필요한 속성과 기능적 동작을 포함합니다.
2. 시스템 아키텍처 설계 정의 모델 (System Architecture Design Definitin Model)
그림 3은 디지털 시스템 설계 모델의 조직 구조 예시를 제공합니다. 설계 모델은 각 시스템, 하위 시스템, 구성 요소 설계의 추상화 수준에 대한 요구 사항, 기능적, 논리적, 물리적 설계 표현을 포함하여 프로젝트의 시스템 기술 기준을 위한 권위 있는 진실의 출처(ASoT) 저장소를 제공합니다. 또한, 제품 라인 관리 및 재사용을 위한 설계 라이브러리도 제공합니다.
디지털 시스템 설계 모델은 다음 기능을 제공합니다:
- 시스템 동작 및 구조 특성 명세: 관련된 요구 사항에 대한 추적성을 가지고 시스템의 동작 및 구조적 특성을 명세합니다.
- 권위 있는 진실의 출처(ASoT) 저장소: 요구 사항, 기능적, 논리적, 물리적 설계 표현을 포함하여 각 시스템, 하위 시스템, 구성 요소 설계 추상화 수준에 대한 프로젝트 승인 기술 기준을 디지털 저장소로 제공하며, 이를 통해 엔지니어링, 생산, 유지 보수의 협업 및 의사 결정을 지원합니다.
- 제품 설계 라이브러리 제공: 새로운, 수정된, 기존 시스템 기능을 통해 이해관계자의 요구에 맞추어 제품 설계를 적응시킵니다.
- 통합된 시스템 설계 모델 시뮬레이션 기능: 검증 테스트 케이스와 함께 시스템의 종단 간 디지털 스레드를 통해 주요 성능 매개변수를 평가하여 설계 결정을 검증하고, 디지털 환경에서 설계 결함을 발견하고 해결함으로써 프로토타입 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
- 설계 변경 평가: 모든 모델 사용 사례에서 설계 변경에 대한 준수 여부를 평가하고, 문제 발생 시 이를 플래그 처리하여 시정 조치를 취할 수 있습니다.
- 시스템 디지털 트윈 제공: 통합된 시뮬레이션 기능을 갖춘 시스템 설계 모델은 물리적 시스템에 대한 권위 있는 표현으로, 디지털 스레드 종단 간 시뮬레이션과 시스템 설계 최적화 및 변화하는 임무와 위협에 대한 시스템 개선 설계 대안을 탐색할 수 있도록 필요한 모든 데이터, 모델, 인프라를 포함합니다.
- 설계 모델 스크립트 제공: 기능 및 인터페이스 명세, 설계 및 요구 사항 추적성, 설계 설명 보고서를 내보낼 수 있는 스크립트를 제공합니다.
3. 시스템 아키텍처 설계 정의 모델의 Viewpoint와 View (System Architecture Design Definition Model Viewpoints and Views)
아키텍처 모델은 각 이해관계자의 관점과 우려 사항을 다룰 수 있도록 시스템 설계 특징에 대한 여러 뷰를 포함합니다. 그림 4a와 그림 4b는 일반적인 시스템 뷰와 관점을 제공하며, 특정 프로젝트에 따라 필요 시 맞춤화할 수 있습니다.
각 뷰와 관점은 시스템의 설계 특징을 다양한 이해관계자의 요구와 우려 사항에 맞추어 설명하며, 이를 통해 시스템의 여러 측면을 명확하게 시각화하고 분석할 수 있습니다.
4. 시스템 아키텍처 설계 정의 모델 생태계 (System Architecture Design Definition Modeling Ecosystem)
디지털 시스템 설계 모델은 전기, 기계, 소프트웨어, 그리고 특수 엔지니어링 모델을 포함한 엔지니어링 개발 생태계와 통합되어 시스템 수준의 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 시스템 시뮬레이션은 물리적 프로토타입을 생산하기 전에 디지털 환경에서 초기 설계 검증을 제공하여 설계 결함을 발견하고 해결할 수 있게 합니다. 그림 5는 모델 기반 시스템 설계 생태계의 예시를 보여줍니다.
디지털 시스템 설계 모델은 이해관계자의 요구를 충족하고, 해당 운영 환경에서 시스템이 수행할 수 있도록 계층적 구조 요소와 이들의 동작 상호작용을 실행 가능한 형태로 제공합니다.
- 계층적 구조 요소에는 하위 시스템, 어셈블리, 하위 어셈블리, 그리고 구성 요소가 포함되며, 각 설계 추상화 수준 간의 우려 사항을 분리할 수 있게 해줍니다.
- 요소 간 상호작용은 데이터, 에너지, 힘 또는 질량의 교환을 포함하며, 협력하는 요소들의 상태 변화를 일으켜 점진적인 집합 또는 분해 수준에서 이산적, 발생적, 또는 연속적 행동을 유발합니다.
- 실행 가능한 설계 모델은 디지털 시뮬레이션을 통해 시스템의 기능적 성능, 정확성, 적시성, 안정성을 검증 기준에 따라 확인할 수 있습니다. 또한, 운영 조건 변화에 따른 시스템의 반응도 평가하며, 물리적 프로토타입을 제작하기 전에 결정적 및 확률적 방해 요소를 포함한 설계 결함 및 개선 사항을 발견할 수 있습니다. 기본 원칙은 높은 충실도의 시뮬레이션 기능을 갖춘 디지털 시스템 설계 모델을 개발하여 시스템을 현실적으로 에뮬레이트하고, 디지털 트윈과 디지털 스레드를 통해 가상 컴퓨팅 환경에서 설계 대안을 평가하는 것입니다. 그림 6에서 이를 보여줍니다.
- 디지털 스레드는 생애 주기 동안 다양한 모델링 도구 간 정보를 교환하여 주요 성능 매개변수를 평가할 수 있는 종단 간 시스템 시뮬레이션 표현을 제공하는 분석 프레임워크입니다.
- 디지털 트윈은 물리적 시스템에 대한 권위 있는 표현으로, 디지털 스레드의 종단 간 연결을 포함하며, 시스템 생애 주기를 디지털 방식으로 최적화하고 생성하는 데 필요한 모든 데이터, 모델, 인프라를 포함합니다. 디지털 트윈은 프로젝트 팀의 협업, 시스템 시뮬레이션 성능 평가, 설계 변경 영향 평가, 제품 라인 관리 재사용 라이브러리 제공을 가능하게 합니다.
5. 시스템 아키텍처 설계 정의 예시
그림 7은 디지털 설계 모델이 시스템을 어떻게 명세하고, 분석하며, 설계할 수 있는지를 보여주는 자동차 제품의 예시입니다. 예시의 범위는 엔진, 구동계, 그리고 4륜 어셈블리로 구성된 자동차 파워트레인 하위 시스템입니다. 구동계 어셈블리는 변속기, 구동축, 차동장치, 그리고 두 개의 축 샤프트 로드 하위 어셈블리로 구성됩니다. 이 예시의 목적은 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법을 시연하는 것이며, 설계 솔루션의 정확성은 높은 우선순위가 아닙니다.
그림 8은 자동차 시스템의 컨텍스트와 사용 사례를 제공합니다. 이 다이어그램은 자동차 시스템 경계, 이해관계자의 역량 요구 사항, 외부 인터페이스를 정의합니다. 설계 분석은 “Drive Vehicle” 역량에 중점을 두며, 여기에는 논리적 및 물리적 시스템인 파워트레인 하위 시스템에 할당된 “차량 가속 제어” 기능이 포함됩니다.
- 파워트레인 하위 시스템은 엔진, 구동계, 휠 어셈블리로 구성됩니다.
- 엔진 어셈블리 구성 요소는 연료와 공기를 소비하여 토크를 생성하기 위해 상호작용합니다.
- 구동계 어셈블리는 변속기, 구동축, 차동장치, 두 개의 축 샤프트 로드 하위 어셈블리로 구성됩니다. 구동계는 엔진과 상호작용하여 증폭된 토크를 바퀴에 분배합니다.
- 변속기 하위 어셈블리는 엔진의 토크를 증폭합니다.
- 구동축 하위 어셈블리는 증폭된 토크를 차동장치로 전달합니다.
- 차동장치 하위 어셈블리는 전달된 토크를 축 샤프트 로드로 전달합니다.
- 축 샤프트 로드 하위 어셈블리는 증폭된 토크(회전력)를 네 바퀴로 전달합니다.
- 4륜 어셈블리는 도로 표면과 상호작용하여 토크를 적용하고 차량을 이동시킵니다.
- 운전자의 차량과의 상호작용은 이동 속도와 방향을 결정합니다.
- 차량 속도와 이동 방향은 환경 조건에 영향을 받습니다.
- 정비공은 유지보수 중 외부 진단 도구를 사용하여 차량의 결함 코드를 읽습니다.
- 자동차의 연료는 외부 연료(가솔린-디젤-프로판) 또는 전기 충전소에서 주입됩니다.
다음 세 개의 하위 기사(기능적, 논리적, 물리적 아키텍처)는 자동차 시스템 예시에 대한 모델 기반 시스템 아키텍처 설계 정의 접근법을 통해 전체적인 솔루션을 정의합니다. 기능적 아키텍처 기사는 제공되었으며, 논리적 및 물리적 아키텍처 기사는 향후 SEBoK 릴리스에서 업데이트될 예정입니다.
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