시스템 아키텍쳐 설계

 

역사를 통틀어 사람들은 새로운 특징이나 새로운 기술을 통합함으로써 제품이 더 복잡해진다는 느낌을 받아왔다. 20세기 중반까지 대부분의 제품들은 한 사람이 디자인할 수 있을 정도로 간단했다. 이제 가장 단순한 제품을 제외한 모든 제품은 다른 기술과 전문 지식을 가진 사람들의 팀에 의해 디자인된다. 현대 제품은 기계 및 전기 요소와 이를 제어하기 위한 소프트웨어를 통합한 전통적인 공학 분야 범위에 걸쳐 있다. 현재 우리가 항공기, 자동차, 기차와 같이 복잡한 제품이라고 생각하는 많은 제품들은 기계적인 시스템으로 시작되었지만, 지금은 전자 및 소프트웨어 시스템의 개발에 있어 더 크지는 않더라도 비슷한 노력을 필요로 한다. 그들의 20세기 이전 모델들은 시스템의 많은 부분을 지나치게 설계함으로써 많은 상황을 견뎌내도록 설계되었고, 반면에 시스템의 다른 부분들은 자주 교체되어야 했다. 제품 및 설계 비용뿐만 아니라 제품과 관련된 위험을 최소화하기 위해, 회사들은 가능한 많은 서브시스템이나 구성요소를 재사용하여 모든 제품이 구 요소와 새로운 요소가 혼합되도록 한다. 현대 제품은 특정 용도에 맞게 훨씬 더 크게 최적화되고 맞춤화되며, 전체적으로는 의도한 수명 동안 훨씬 더 신뢰성이 높다. 이제 제품은 제품 수명 주기 동안 제품을 지원하고 안전을 보장하는 서비스 및 유지보수 프로세스와 함께 설계된다. 이러한 서비스와의 통합은 많은 회사들이 현재 제품보다는 기능을 판매하고 있으며, 제품의 수명 기간 동안 그 제품을 회사 내에 유지시키고 있다. 이러한 모든 문제는 제품 개발 프로세스 초기부터 고려할 필요가 있는데, 초기 결정으로 제품 및 서비스 개발이 제한되고 제품 수명 주기에 걸쳐 많은 비용이 결정되기 때문이다. 이것은 많은 회사들에서 시스템 아키텍처 설계에 대한 관심을 증가시켰다. 시스템 아키텍처는 "기능 요소를 물리적 블록으로 배열"을 결정한다(Ulrich & Eppinger, 1995). 여기에는 기능 요소의 배치, 기능 요소에서 물리적 구성요소로 매핑, 상호작용하는 물리적 구성요소 사이의 인터페이스 규격(Ulrich & Eppinger, 1995) 및 주변 컨텍스트와의 인터페이스 규격이 포함된다(Crawley, 2007). 시스템 아키텍처는 제품의 전체와 수명주기 전반에 걸쳐 그리고 많은 요구사항과 제약조건이 아직 알려지지 않은 프로세스에서 제품의 사용을 이해해야 한다.

 

이는 상충되는 제약조건과 요구사항 사이의 많은 절충 결정을 수반하며, 시스템 내에서는 많은 세부사항에 대한 서로 다른 해결 원칙이다. 시스템 아키텍처는 동시에 이러한 불확실성의 영향을 받지만, 실행 중인 결정을 통해 불확실성이 제품에 영향을 미치는 것을 결정한다. 제품이 더 단순할 때, 개별 엔지니어는 전체 제품의 개요를 유지했고(Flanagan 등, 2007 참조), 그들은 시스템의 다른 부분들 간의 근본적인 절충을 마음 속에 수행할 수 있었다. 많은 고도로 복잡한 제품들은 이제 매우 복잡하고 다원적인 수준에 도달하여 매우 적은 수의 엔지니어들만이 제품과 그것의 라이프 사이클 전체를 훨씬 더 피상적으로 이해할 수 있는 지식을 가지고 있다. 따라서 기업들은 설계 프로세스의 초기 단계와 시스템 아키텍처 단계의 전문가를 지원할 수 있는 도구의 교육을 학계에 요구하고 있다. 이 특별한 이슈는 시스템 아키텍처 설계에 대한 현재의 사고와 연구를 통합하려고 시도함으로써 이러한 요구에 대응하고 있다. 시스템 아키텍처 설계에 대한 연구는 여러 지역사회에 분산되어 있다. 아이디어 생성 및 설계 초기 단계에 대한 설계 및 제품 개발 커뮤니티에 대한 관심은 근본적인 의사결정이 이루어지는 시점(예: Wyatt et al., 2012)에서 복잡한 제품의 시스템 아키텍처를 다루는 것으로 커졌다. 새로운 시스템 아키텍처들은 거의 처음부터 설계되지 않는다. 많은 이들이 이전 세대로부터 시스템 아키텍처를 물려받으므로, 비록 원래의 아키텍처를 이끈 기능적 요구사항이 더 이상 존재하지 않더라도, 아키텍처들은 제품 세대에 걸쳐 현저하게 유사할 수 있다. 구성요소나 서브시스템의 재사용은 또한 전체적인 아키텍처와 서브시스템의 아키텍처 모두 아키텍처의 지속성을 가져온다. 많은 제품들은 이전 디자인뿐만 아니라 제품군이나 제조사가 제공하는 다른 제품들과도 구성요소를 공유한다. 이로 인해 제품군 전체에서 요소의 공통성을 최적화하려는 제품 플랫폼 설계에 대한 연구가 이루어졌다(예: Simpson 등, 2001 참조).

 

학제간 접근방식으로서의 시스템 엔지니어링 및 성공적인 시스템의 실현을 가능하게 하는 수단. 개발 주기 초기에 고객의 요구와 필요한 기능성을 정의하고, 요구사항을 문서화한 다음, 설계 종합 및 시스템 검증을 진행하는 데 초점을 맞춘다. Systems Engineering은 개념에서 생산, 운영에 이르는 구조화된 개발 프로세스를 형성하는 팀 내 노력에 모든 부문과 전문 그룹을 통합한다. 시스템 엔지니어링은 사용자 요구에 맞는 양질의 제품을 제공하는 것을 목표로 모든 고객의 비즈니스와 기술적 요구를 모두 고려한다. 시스템 아키텍처 설계는 동일한 원리에 따라 도출되지만 시스템의 기능, 구조 및 예측된 동작의 모델링 및 매핑에 초점을 맞춘 하위 프로세스다. 시스템 아키텍처 수준에서 이루어지는 선택은 제품과 설계 비용을 모두 유의적으로 결정한다. 시스템 아키텍처는 여러 분야에서 발생하므로 임베디드 시스템과 사이버 물리적 시스템에서 비롯된 상당한 문헌과 작업이 있다(Lee, 2014). 일부 연구는 또한 그들의 연구에 사업과 프로세스 관련 매개변수를 통합하고 있다. 대부분의 복잡한 제품은 기계 시스템, 소프트웨어 및 전자 장치의 통합을 요구하는 학제간이지만, 많은 시스템 아키텍처 프로세스와 방법론은 주어진 제품 진화를 따라온 징계 전통에서 비롯된다. 어려운 점은 그 분야들이 그들만의 디자인 방법론의 전통을 가지고 있다는 것이다. 특히 소프트웨어 엔지니어링은 SySML(Friendentalet al., 2009년)과 같은 자체적인 체계적인 방법으로 시스템 아키텍처의 오랜 전통을 가지고 있다. 지금까지 서로 다른 분야의 학술문헌은 수렴되지 않았고 특별호는 이들 공동체로부터 제출을 받지 못했다. 시스템 아키텍처를 이해하고 지원할 수 있는 방법은 제품과 조직 특성에서 발생하는 많은 요인에 달려 있다. 마리자 얀코비치와 클라우디아 에커트는 이 특별 이슈와 독립적으로 검토되었지만 시스템 아키텍처의 맥락을 잡기 위해 여기에 포함된 "복합 제품에 대한 다른 제품 클래스의 아키텍처 결정"이라는 기사에서 이러한 요인들을 탐구하고 있다. 그들은 시스템 아키텍처 설계에 관한 일부 문헌을 검토하고, 시스템 아키텍처는 시스템 수준의 혁신 정도, 구성요소 및 서브시스템의 재사용 정도, 다른 제품의 통합 정도, 수명주기 전반에 걸친 수정 정도 등에 의해 크게 영향을 받는다고 주장한다. 이를 통해 시스템 아키텍처의 매우 다른 고려사항인 다섯 가지 설계 클래스를 구분한다. 즉, ab initio 설계, 증분 설계, 대부분의 구성요소가 재사용되는 경우, 상세한 구성요소는 다르지만 아키텍처 또는 일부가 재사용되는 경우, 제품 플랫폼. 여기에는 적어도 일부분은 그룹으로서 설계되고 미래 업그레이드와 미래의 유연성을 염두에 두고 만들어진 설계가 포함된다.

 

그들은 시스템 아키텍처에 대한 연구가 의도된 범위와 애플리케이션 문제를 명확하게 기술할 필요가 있다고 제안한다. 설정 기반 설계가 시스템 아키텍처 설계에 미치는 영향은 "설정 기반 설계로 제품 개발: 설계 타당성 확립을 위한 아이디어 포트폴리오 및 팀 조직 설정 방법" 기업들이 시스템 아키텍처 대안의 수를 결정하는 방법과 기업이 이러한 대안에 설계팀을 할당하는 방법에 초점을 맞춘 설정 기반 원칙에 근거하여 초기 설계를 구성하는 이점을 이해하기 위해 여러 산업 간 사례를 조사했다. 사례 연구의 분석은 시스템 아키텍처 대안들의 수가 비용-효익 계산에 의해 결정되는 것이 아니라 초기에 제안된 아이디어의 수에 의해 결정된다는 것을 강조한다. 자원 배분에 대해서는 일반적으로 각 대안에 1개 팀이 배정되거나 1개 팀이 모든 대안을 추구한다. 이는 제품의 복잡성, 혁신성 및 출시 시점의 중요성에 크게 의존한다. 이 논문은 또한 시스템 아키텍처 설계, 설계 프로세스 및 설계 조직 간의 관계를 조사한다. 마리 리즈 물레크, 마리자 얀코비치, 클라우디아 에커트의 논문 "시스템 아키텍처 선택: 단일 산업 실험이 선정 기준을 선택할 때 피할 수 있는 트랩에 대해 우리에게 말해 줄 수 있는 것"은 회사 환경에서 시스템 아키텍처를 선택하는 방법과 이 프로세스의 제약조건이 무엇인지를 조사한다. 특히, 선택과정에 있어서의 시스템 아키텍처 기준의 영향을 강조한다. 두 가지 특성이 이 과정에 강하게 영향을 미친다. 즉, 선택 기준의 상호의존성과 광범위한 기준의 정의를 제공하는 정보의 부족이다. 결론은 시스템 아키텍처와 관련된 결정의 온톨로지뿐만 아니라 다른 제품 개발 단계에 따라 달라질 수 있는 관련 기준을 식별해야 할 필요성을 강조한다. 두 논문은 시스템 아키텍처 설계 중에 다운스트림 문제를 고려하는 것의 중요성에 초점을 맞추고 있다. Bo Yu, Tomonori Honda, Syed Zubair, Mostafa H. Sharqawy, Maria C의 "유지관리-포커스 방식"을 참조하십시오.

 

Yang은 시스템 아키텍처 설계를 통해 영향을 받을 수 있는 복잡한 제품의 수명 주기 동안 유지보수가 주요 비용 요소라고 지적한다. 이들은 설계자가 최소 비용으로 불확실한 조건에서 제품을 작동할 수 있는 시스템 아키텍처와 유지보수 전략을 함께 선택할 수 있도록 유지보수 전략과 시스템 수준 설계 매개변수의 상호작용을 포착하는 프레임워크를 제안한다. 줄리아 린든, 울프 kk그렌, 앤더스 소 ̈더버그는 '모델 기반 신뢰성 분석'에 관한 논문에서 시스템의 신뢰성은 명시적인 기술적 요건과 인간공학 및 의사소통 필요와 같은 주관적 요건이라는 두 가지 측면을 가지고 있다고 주장한다. 어느 쪽이든 실패하면 고객 불만족으로 이어질 수 있다. 그들은 제품의 시스템 아키텍처 단계에서 이러한 문제를 고려하기 위해 나무와 설계 구조 매트릭스의 조합을 통해 시스템의 사회기술적 인터페이스를 명시적으로 모델링하는 방법을 제안한다. 업계의 상당한 관심에도 불구하고, 이 분야의 학술 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 많은 연구가 연구자들이 특별한 이슈에 맞춰 논문을 제출할 수 있다고 느끼지 않고 진행 중이다. 이것은 또한 시스템 아키텍처가 연구의 주요 초점이 되는 경우는 드물지만, 다른 영역이 다루어질 때 관련성이 된다는 사실을 반영하는 것이다. 그러나 시스템 아키텍처에 대한 구체적인 지원과 이해는 꼭 필요하다.