TrainSim: 열차의 차량 디지털 트윈

저자:

George Kaehler, 지멘스 AG 모빌리티 부문

​​지멘스, 디지털 트윈으로 단기간 내 열차 설계 검증 실현

개요

​1879년, 베르너 폰 지멘스는 최초의 전기 기관차를 발명했습니다. 오늘날 지멘스 모빌리티는 고품질 철도 차량과 철도 인프라를 공급하는 세계 최대 업체 중 하나로, 전 세계적으로 전기화된 친환경적이며 효율적인 운송을 기대하는 목소리가 커지는 가운데 이에 따라 커져가는 업계의 요구를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 현재 고객은 자신들의 필요에 맞춰 재설정할 수 있는 유연한 차량 플랫폼을 원하기 때문에 당사는 이러한 플랫폼을 그 어느 때보다 빠르게 제공하면서 최고의 품질 기준을 지켜야 합니다.

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테스트 가상화를 통한 제품 개발 시간 단축  

​이전, 새로운 유형의 열차가 나오면 업계에서 허용하는 시운전 기간은 최소 6개월, 또는 그 이상입니다. 이는 하루에 약 $10,000의 비용이 발생할 수 있는 광범위한 물리적 테스트 때문이었습니다. 계획되지 않은 테스트로 지연되면 고객 배송이 지연될 수 있으며, 이로 인해 신뢰도가 저하될 뿐만 아니라 계약상 높은 벌금이 부과될 수 있습니다.  

​지멘스의 비전은 고객의 요구를 만족시키고 훨씬 더 가치가 큰 복잡한 열차 시스템을 제공하는 것입니다. 새로운 시스템이 복잡하고 새로울수록 물리적 테스트 기간도 길어졌기 때문에 오래 지연되지 않도록 새로운 접근 방식을 도입해야 한다고 생각했습니다.  

​우리의 목표는 다음과 같았습니다.

• 전체 테스트 비용을 줄이고 예측 가능성을 높여 정확한 시간, 리소스, 예산 전망 지원
• ​테스트 시간을 단축하여 짧은 납기 기한을 준수하고 새로운 기술을 더 빠르게 출시
• ​제품의 복잡성이 높아져도 품질 유지

​이러한 목표를 이루기 위해 지멘스는 시뮬레이션 전략을 채택하여 시뮬레이션 ‘TrainSim’을 구축했습니다. 이를 통해 모든 전자 및 소프트웨어 구성요소를 제품에 내장하기 전에 테스트할 수 있게 되었습니다. TrainSim은 한 단계 더 발전시켜 모든 구성요소를 디지털로 표현하여 엔지니어가 노트북만으로 ‘실제 열차에서’ 소프트웨어를 테스트할 수 있도록 지원합니다. TrainSim은 완전한 시뮬레이션 환경 즉 ‘TrackSim‘에서 실행됩니다. 이는 지리적 토폴로지에서 터널 내 GPS 신호 저하는 물론 심지어 나뭇잎과 날씨로 인해 철도가 미끄러워지는 상황에 이르기까지 열차 운행 시 일어날 수 있는 모든 시나리오를 정확하게 표현할 수 있습니다.

​어플리케이션 접근 방식

​당사 전략의 핵심은 디지털 트윈 개념에 있습니다. 대규모 모델 라이브러리는 각 열차 구성요소(소프트웨어, 하드웨어, 통신, 회로도)의 특성을 나타냅니다. 당사의 방식이 기존 방법과 다른 점은 모놀리식 아키텍처에서 모듈형 아키텍처로 전환했다는 점입니다. 전체 차량을 나타내는 단일 모델을 생성하지 않고 전기 기계 스위치와 같은 가장 작은 구성요소부터 대형 장치와 컨트롤러까지 세심하게 설계하거나 모델링하는 데 중점을 둡니다. 이 라이브러리에는 수백 개의 구성요소가 포함되어 있으며, 이제 이를 사용하여 차량 개발 팀과 함께 처음부터 디지털 열차를 ‘빌드‘할 수 있습니다. 매일 저녁 최신 개발 정보들을 통합하여 개발자에게 차량 개발의 현재 상태를 제공합니다. 이를 통해 매일 최신 정보를 얻을 수 있으며, 이는 이 솔루션을 효과적으로 구현하는 데 있어 매우 중요한 역할을 합니다.

​이 접근 방식은 개발 내역을 사용하여 과거 개발 상태인 구성요소를 손쉽게 재테스트할 수 있어 결함을 정확하게 찾을 수 있는 등 이점이 부가됩니다. 또한 언제든지 열차을 ‘나눌‘ 수 있어 실제 하드웨어를 구성요소, 서브 시스템 또는 시스템 수준에서 쉽게 테스트할 수 있습니다.  

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이 시스템을 제공하기 위해 500개 이상의 개별 테스트 벤치와 시스템을 유지관리하며, 이들은 각각 다양한 소프트웨어 구성 및 다른 하드웨어를 실행합니다. 또한 모든 구성요소는 수만 개의 설정으로 실시간으로 디버깅할 수 있습니다.  

​이처럼 크고 복잡한 테스트 인프라를 관리하려면 표준화가 반드시 필요합니다. 복잡한 시스템 내에서 규칙을 생성하고 디버깅하는 프로세스를 간소화하기 위해 설계의 여러 면에서 표준 템플릿을 사용합니다. 어플리케이션이 복잡하기 때문에 한 명의 엔지니어가 이를 완전히 감독할 수 없습니다. 이러한 표준을 통해 투명성을 높였고, 이에 따라 여러 작업자가 효과적으로 일할 수 있게 되었습니다. 또한 지속적인 유지보수와 거버넌스 작업을 통해 아키텍처 개발 프로세스 전반에 걸쳐 일관된 품질을 유지합니다.

​초기에 복잡한 모델과 테스트 벤치 라이브러리를 만드는 데 많이 투자했지만, 결국 이 접근 방식은 효과적이고 경제적으로 테스트할 수 있는 비즈니스 모델이라는 점이 입증되었습니다. 개발 시간, 물리적 테스트, 제품 품질, 납품 일정이 향상되어 프로그램 비용이 몇 배나 절감되었습니다. 

​부서 간 협업

​이 프로젝트의 성공 열쇠는 기술을 넘어 설계 프로세스 전반에 걸쳐 엔지니어와 협력하기 위한 우리의 노력이었습니다. 가치를 더하려면, 단지 하나의 태스크에만 집중할 뿐만 아니라 각 태스크가 제품 설계 작업의 전반 흐름에서의 가치를 반드시 이해하고 각 태스크를 최적화시키며 태스크 사이에서도 전송되어야 합니다. 우리는 테스트 팀으로서 엔지니어에게 우리의 의견을 강요하기보다는 경청하고 참여하며 엔지니어의 요구를 이해하기 위해 지속적으로 노력하여 제품 설계 회의에서의 한 자리를 차지하였습니다. 이러한 참여로 인해 제품 그룹 내에서의 HIL과 디지털 트윈 방법 채택을 가속화하였습니다.  

​이러한 신뢰 덕에 소규모 엔지니어 팀으로 많은 제품 그룹에 서비스를 제공하게 되었습니다. 각 팀, 즉 시스템의 설계팀, 차량 디지털 트윈팀, 테스트 소프트웨어 및 장비의 NI팀은 해당 분야에서의 최고를 달성하기 위해 전문성을 높이고 최적화에 심혈을 기울였습니다. 모두가 각각의 위치에서 서로를 신뢰할 때 팀은 더 강해집니다.

​NI 도구 및 에코시스템 사용

​지멘스는 엔지니어링 그룹이 테스트 인프라에서 업계 표준을 다시금 만드는 것이 아니라 더 나은 제품을 설계하는 데 집중하기를 바랍니다. 우리가 선택한 NI는 시장에서 가장 포괄적인 I/O, 임베디드 컨트롤러 및 테스트 개발 소프트웨어를 갖춘 플랫폼을 제공합니다. 우리는 수백 개의 NI 섀시에서 수천 개의 NI 모듈을 사용하였고 전부 NI 테스트 소프트웨어에 연결되었습니다. 또한 NI의 개방형 아키텍처는 타사 구성요소를 도입하거나 필요한 경우 자체 사용자 정의 요소를 개발할 수 있는 유연성을 제공합니다.

• ​NI LabVIEW는 직관적이고 효율적으로 사용할 수 있는 그래픽 언어와 완전한 환경을 갖추고 있어, 개발에 있어서 우리의 첫 선택입니다. 주요 사용 사례는 구성요소의 개별 모델을 개발하는 것입니다.
• ​NI VeriStand은 신호 맵핑을 변경하면 시뮬레이션 구성요소를 실제 구성요소와 교환할 수 있는 시뮬레이션 환경을 제공합니다. 주요 장점은 LabVIEW와 MathWorks® Simulink® 소프트웨어 및 기타 언어와 긴밀하게 통합되는 이 에코시스템의 적응성과 개방성입니다.
• ​PXI 플랫폼은 신뢰할 수 있는 작고 높은 채널 밀도 폼 팩터 등 필요한 인스트루먼트를 제공했습니다.
• ​NI CompactDAQ 하드웨어는 조건부 측정에 사용할 수 있는 작고 견고한 솔루션을 제공했습니다. LabVIEW와 쉽게 통합되기 때문에 실험실 전체에서의 공통적인 선택입니다.  

​시스템 성공

​당사의 모듈형 열차 시뮬레이션은 업계 최초로, 고객에게 상당한 가치를 제공해 줍니다. 열차는 여객기만큼 복잡할 수도 있지만, 모든 고객의 요구사항이 각기 다르기 때문에 소량으로 매우 복합적인 환경에서 생산됩니다. 당사의 고품질 디지털 트윈 테스트 전략:

• ​문제가 전체에 영향을 미치기 전에 설계 프로세스 초기에 파악할 수 있어 비용이 절감되며, 이를 통해 물리적 테스트와 최종 단계에서 제품을 재설계하는 데 드는 잠재적 비용 절약
• ​설계 검증 시운전을 단 몇 주로 단축하여 시장 출시 시간을 줄이는 상당한 개선 달성
• ​기존 테스트 또는 물리적 테스트로는 감지할 수 없는 특이 결함을 파악하여 품질 향상

​새로운 구성요소의 설정을 기본적으로 전부 테스트할 수 있기 때문에 매우 복잡하고 고도로 사용자 정의된 제품을 품질 저하에 대한 우려 없이 경쟁력 있는 가격으로 신속하게 시장에 출시할 수 있습니다.

​향후 개발

​당사의 목표는 첫 번째 아이디어 단계부터 차량 폐기 단계에 이르기까지 회사 전체는 물론 고객과 공급업체에 차량의 디지털 트윈을 제공하는 것입니다. 설계 주기 초반에 테스트를 도입하면 설계 프로세스에서 최대한 빨리 결함을 감지하여 열차 품질을 개선하고 시간을 절약하며 비용을 절감할 수 있습니다. 이 목표를 달성하려면 수천 명의 지멘스 엔지니어뿐만 아니라 수천 명 이상인 공급업체, 유지관리 그룹, 파트너, 고객 엔지니어가 모델을 이용할 수 있도록 확장해야 합니다.

​모든 엔지니어가 개발에 시뮬레이션 테스트 환경을 이용할 수 있게 되면 더 우수하고 믿을 수 있는 열차를 제공하여 고객과 사용자의 만족도를 높일 수 있을 것입니다.  

​저자 정보:

​George Kaehler, 

​지멘스 모빌리티 GmbH