소프트웨어 정의 자동 테스트 시스템 도입으로 테스트 비용 90% 절감 및 Mazda 자동차 전기화 가속화하기 - Solutions - National Instruments
소프트웨어 정의 자동 테스트 시스템 도입으로 테스트 비용 90% 절감 및 Mazda 자동차 전기화 가속화하기
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"NI 테스트 플랫폼 및 에코 시스템을 활용하여 HILS 뿐만 아니라 로봇, 이미지 처리 시스템, 음성 합성 시스템, 노이즈 시뮬레이터 및 GPS 시뮬레이터를 성공적으로 개발하였고, 이를 바탕으로 전자 부품용 통합 자동 테스트 시스템을 구축했습니다. 수반되는 수동 작업 및 결과 판단 등의 업무에 소요되는 시간이 90% 가까이 줄어들어 1년에 수억 엔의 비용을 절감하였습니다. "
로직(기능) 확인 및 관련 작업, 결과 판단을 비롯한 연동 전자 부품의 견고성 평가를 철저히 수행할 수 있는 시스템의 구축 및 자동화하기
NI 플랫폼을 사용하여 PXI 제품, 재구성 가능한 I/O 모듈(FPGA) 및 LabVIEW로 구성된 HILS 시스템을 구축하고, 노이즈 시뮬레이터, GPS 시뮬레이터 및 음성 합성 시스템 등의 추가 요소를 통합하여 시스템의 견고성 뿐만 아니라 작업 자동화용 로봇 및 이미지 처리 시스템 평가하기
Mazda 소프트웨어 정의 자동 테스트 시스템, 테스트 비용 90% 절감 성공
(음성 내레이션은 LabVIEW에서 제공되는 음성 합성 시스템을 사용하여 생성되었습니다.)
차량에 내장되는 전자 장치의 수가 날로 증가하고 있음은 누구나 아는 사실입니다. 전자 장치는 자동 앞유리 와이퍼 및 도어록부터 시작해서, 이제 조명, 에어컨, 파워트레인, 인포테인먼트 및 심지어 여러 가지 안전 시스템 등에 빠질 수 없는 필수 구성 요소입니다. 초기 자동차에는 소량의 CPU만 장착되어 있었습니다. 요즘은 자동차 한 대에 탑재되는 CPU의 개수만 100개에 이릅니다.
고객에게 고품질의 제품을 제공하고자 하는 일념으로, Mazda의 '전자장치 테스트 및 연구 그룹'은 모든 전자 부품의 '로직'과 '견고성'을 평가하고 있습니다. '로직'은 각 전자 부품의 기능을 의미합니다. '견고성'의 개념을 이해하려면 먼저 전자 부품의 작동 환경이 항상 이상적인 상태가 아니라는 점을 이해해야 합니다. 예를 들어, 변동폭이 큰 전원 전압, 높은 레벨의 노이즈 또는 바람직하지 않은 품질의 입력 신호의 적용과 같은 극한 조건에서 전자 부품이 사용될 수 있습니다. '견고성'은 극한 환경에서 올바른 로직으로 작동하는 구성 요소의 기능을 의미합니다. 즉, 각 전자 부품이 이러한 어려운 조건을 얼마나 견딜 수 있는지 그 정도를 평가하고자 했습니다.
전자 부품의 로직 및 견고성에 대한 평가는 항상 진행되어 왔습니다. 전자 부품 수가 몇 개 안되고 단순 기능만 수행하던 시절에는 각 구성요소를 특별히 준비된 환경에서 테스트하였습니다. 하지만 전자 부품이 점차 다양해지고 기능 역시 복잡해짐에 따라 몇가지 문제들이 대두되기 시작했습니다. 요즘에는 전자 시스템 간에 통신이 이루어지는 경우가 많고, 한 시스템의 결과에 따라 다른 시스템의 작동이 좌우되는 방식이 점차 늘어나고 있습니다. 시스템을 개별적으로 테스트하는 것 외에도, 멀티 시스템 테스트를 수행해야만 이러한 시스템의 기능을 의미있게 평가할 수 있습니다. 이에 더해, 시스템의 견고성도 평가해야 할 것입니다. 구성 요소와 유닛이 점차 다양해짐에 따라, 평가할 항목의 수가 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 평가 시스템을 자동화해야 할 명분이 분명해진 것입니다.
Mazda가 이러한 시장의 수요를 인지한 것은 약 10년 전이었습니다. 당시에는 모든 요구사항을 충족할 평가 시스템이 존재하지 않았습니다. 이러한 당시 여건을 감안해서, 문제를 정면으로 돌파해보기로 결정하였습니다. 즉, 로직(기능)를 확인하고 연동되는 전자 부품의 견고성을 철저하게 평가할 수 있는 시스템 구축하고, 또 자동화하기로 결정하였습니다.
솔루션/이점
당시 우리가 구축하려 했던 시스템은 규모가 컸고 복잡했습니다. 개발에만 수년이 걸리고 단계적으로 진행될 것으로 예상되었습니다. 그림 1은 첫 번째 단계의 도식입니다. Stage-1 시스템은 HILS (Hardware-in-the-Loop Simulation) 엔진, 로봇 및 이미지 처리 시스템 등의 요소로 구성됩니다. HILS 엔진의 경우, PXI (측정용 PCI 확장) 제품과 RIO (재구성 가능한 I/O) 모듈로 구성된 NI HILS 시스템이 사용되었습니다. 이러한 하드웨어 제품에서 작동하는 소프트웨어는 LabVIEW 시스템 디자인 플랫폼을 사용하여 개발되었습니다.
그림 1. 첫 번째 단계의 도식 그림
HILS를 이 시스템에 통합한 이유는 다음과 같습니다. 첫째, Mazda는 '세계 최초'라는 타이틀을 거머쥐기 위한 강력한 의지를 가지고 있습니다. 한 예로, Mazda는 경쟁에서 앞서기 위해 모델 기반 솔루션의 개발 및 응용을 진전시키는 데 중점을 두고 있습니다. 이러한 혁신의 문화 속에서, 가능하면 모델을 활용하여 전자 부품을 평가하고자 하는 것이 당연했습니다. 그러나 특정 부품의 경우 간단하게 모델링이 하기가 불가능하다는 것을 깨달았습니다. 모델링에 적합하지 않은 부품에는 대체 시스템을 사용하는 것이 일반적이었지만, Mazda는 그 대신 HILS 시스템의 기능을 확장하기로 결정했습니다. 다양한 테스트 시스템을 구축하는 데에는 NI PXI 플랫폼이 적합하기 때문에, HILS 부분과 확장 부분을 단일 시스템 상에서 구축할 수 있었습니다.
특정 부품의 경우 모델로 변환할 수가 없으며, 인간과 자동차 간의 인터페이스 구현은 상당히 어려운 작업입니다. 모델 기반 형식으로 변환이 불가능한 구성 요소의 가장 쉬운 예로 속도계를 들 수 있습니다. 차량 속도의 값으로 '50km/h'를 표시하는 속도계가 있다고 가정해 봅니다. 이 경우 컨트롤러는 '50km/hr '을 표시하는 명령의 전기 신호를 발생시킵니다. 이러한 신호는 시뮬레이션 중에 평가할 수 있으며, 실제 차량에서도 확인할 수 있습니다 시스템이 올바르게 작동하는 한 속도계는 신호 수신 결과인 '50km/h '를 표시할 것입니다. 문제는 '50 km/h'가 실제로 표시되는지 확인하려면 사람이 눈으로 직접 결과를 봐야 합니다. 즉, 운전자가 자동차에서 들어온 정보를 인지하는 프로세스는 모델로 변환될 수 없습니다. 이와 유사하게, 자동차와 정보를 주고 받기 위해 운전자가 수행하는 작업 역시 모델링될 수 없습니다. 예를 들어, 운전자는 버튼을 눌러 에어컨을 켜거나 끌 수 있으며 터치 패널을 탭하여 네비게이션 시스템을 작동할 수 있습니다. 이러한 작업으로 인해 발생하는 미묘한 상태 변화를 정확히 복제할 수 있는 모델을 구축하는 것은 불가능합니다.
모델 없이 시스템을 검증하는 것은 매우 어렵기는 하지만, Mazda의 "Be a driver"라는 모토처럼 좀 더 노력을 기울여서 어려운 검증 업무에 필요한 테스트 엔지니어링 전략 및 방법을 개발하기로 결정했습니다. 앞서 설명한 것처럼, 인간 운전자와 자동차 간의 상호 작용을 모델링하는 것은 매우 어렵습니다. 최대한 단순하게 생각해보면, 운전자가 자동차(전자 부품)와 통신하려면 버튼과 같은 특정 장치의 조작이 있어야만 할 것입니다. 이러한 조작을 수행하려면 물론 사람의 손이 필요하게 됩니다. 실제 현실에서는 수동으로 테스트를 진행하는 것이 일반적입니다. 이러한 수동 테스트에 막대한 시간과 노력이 소모된다는 것이 문제였습니다. 이러한 이유로 평가를 자동화하는 메커니즘을 개발하는 것이 중요했습니다. 메커니즘 개발을 위해 전자 부품을 작동시키는 로봇을 추가했습니다. 이 컴퓨터 제어 로봇이 사람 대신 버튼을 누르고 터치 패널을 조작하도록 했습니다. 또, 정보가 자동차(전자 부품)에서 운전자에게 어떻게 전달될 것인가도 고민해야 했습니다. 다시 속도계를 예로 들면, 전통적인 테스트 프로세스에서는 '50km/h'가 실제로 표시되었는지 확인하기 위해 사람이 직접 눈으로 디스플레이를 확인했습니다. 이러한 평가 부분을 자동화하기 위해 이미지 처리 시스템이 추가되었습니다. 구체적으로 자동 프로세스에는 속도계의 디스플레이를 카메라로 촬영하고, 그 후 확보한 이미지를 처리하여 결과가 올바른지 여부를 결정하는 작업이 포함됩니다. 예를 들어 7 세그먼트 LED 디스플레이를 사용하여 속도를 표시한 경우, 카메라는 LED 디스플레이를 촬영하고 확보한 이미지를 처리하여 숫자를 식별하고 표시된 속도를 확인합니다. 속도가 아날로그 방식인 바늘(needle)로 표시되는 경우 이미지 처리를 사용하여 바늘의 각도를 측정하고, 이 값을 이용하여 시간당 킬로미터 단위의 속도를 계산하였습니다. 컨트롤 유닛과 디스플레이의 신호를 모니터링하고 비교하는 방식으로, 시스템은 속도가 올바르게 표시되는지 여부를 판단할 수 있습니다.
이 시스템에서는 소프트웨어 형식의 가상 시스템(가상 전자 부품)을 사용하여 각 전자 부품을 대체하는 것도 가능합니다. 모든 전자 부품이 완성될 때까지 평가를 진행할 수 없다는 것은 엄청난 제약입니다. 가능한 한 빨리 테스트를 시작해서 결과를 얻고자 했으므로, 가능한 경우엔 실제 전자 부품 대신 가상 전자 부품을 사용했습니다. 이러한 가상 부품은 실제 부품과 유사하게 작동할 뿐만 아니라 외관 및 느낌도 실제 부품과 매우 흡사합니다. 가상 부품을 활용하는 이러한 기능 덕분에 유연한 테스트가 가능해진 것입니다. 테스트의 내용에 따라 필요한 경우 실제 부품 사용이 가능하지만, 그렇지 않은 경우에는 가상 부품을 사용할 수 있습니다.
지금까지는 자동 테스트 시스템의 부품을 검증하는 로직에 대한 설명이었습니다. 이 외에도 견고성 평가 기능도 추가할 필요가 있었습니다. Mazda는 견고성 검증을 아주 중요하게 여깁니다. 단순히 로직이 올바른지 여부를 결정하는 것 이상의 작업을 요합니다. Mazda에서 견고성을 평가하려면 우선 논리적으로 올바른 작업이 한계에 도달하는 조건을 확인한 다음, 마진의 양을 결정해야합니다. 평가 통과에 필요한 마진의 양은 독립적인 내부 표준에 따라 결정됩니다. 이러한 평가 프로세스를 통해 회사는 우수한 사용자 경험을 제공하는 동시에 Mazda 및 공급 업체의 설계 부서에 정확한 피드백을 제공할 수 있습니다.
견고성 테스트에 이용되는 가장 대표적인 조건은 변동이 심한 전원 전압과 높은 노이즈 환경입니다. 예를 들어, 평가한 전자 부품이 정확하게 작동을 멈추는 지점을 확인하기 위해 전원 공급장치의 전압을 변경할 수 있습니다. 높은 노이즈 환경에서 견고성을 평가하기 위해 2단계(Second Stage) 시스템용 노이즈 시뮬레이터가 추가되었습니다 (그림 1 참고).
악조건에서 로직의 성능만이 견고성 평가를 받는 유일한 요소라고 할 수는 없습니다. 예를 들어, 자동차의 기능에는 자동차를 작동시키기 위한 음성 명령 기능이 포함됩니다. 이 기능 역시 견고성 평가의 대상이 됩니다. 이러한 종류의 견고성 평가를 위해, 음성 합성 시스템도 추가되었습니다. 음성 합성 시스템은 일본어 및 영어와 모두 호환되며, 다양한 강약 및 표현 방식을 가진 남녀노소의 목소리를 사용하여 음성 명령을 내보냅니다. 이렇게 다양하게 변형되는 명령에도 불구하고 얼마나 지침을 올바르게 인식할 수 있는지 파악하기 위해 시스템의 견고성 평가는 필요했습니다.
세 번째 단계에서는 GPS 시뮬레이터가 추가되었습니다. 이 GPS 시뮬레이터는 일본 전역의 여러 위치에서 GPS 좌표용 모의(mock) 무선 신호를 생성하는데 사용되었습니다. 덕분에 여러 장소를 실제로 이동하지 않고도 모의 평가를 수행할 수 있었습니다. GPS 시뮬레이터의 변화무쌍한 전파 강도에도 시스템이 올바르게 작동할 수 있는지를 평가하고자 했습니다. 다시 말해, 이는 견고성 평가에 포함되는 또 하나의 평가 요소였습니다. 이 세 번째 단계에서 작동 로봇은 한 번에 여러 위치를 터치 또는 탭할 수 있는 형식으로 업데이트되었습니다.
네 번째 단계에서는 GPS 시뮬레이터가 전 세계적으로 사용될 수 있도록 업그레이드되었습니다. 또한 음성 합성 시스템에 스페인어 지원이 추가되었습니다. 보안 취약점을 탐지하기 위한 블루투스 신호 분석기와 퍼즈(fuzz) 테스트 툴도 추가했습니다. (그림 2 참고) 문제는 위에 논의된 모든 기능을 갖춘 시스템을 설치하려면 상당한 규모의 공간이 필요했습니다. 보다 편리한 테스트를 위해 전체 시스템을 소형 시스템 단위로 분할했고, 분할된 각 시스템에는 원래 시스템에서 선별된 기능이 내장되었습니다 (그림 3, 그림 4 참고)
그림 2. 네 번째 단계의 도식 그림
그림 3. 분할된 소형 시스템의 외관 1
그림 4. 분할된 소형 시스템의 외관 2
이러한 방식으로, 여러 개의 연동형 전자 부품의 로직 및 견고성을 자동으로 평가할 수 있는 세계 최초의 시스템을 성공적으로 구현할 수 있었습니다. 앞서 언급했듯이, 우리가 개발한 시스템은 이전에는 존재하지 않았으며 완전히 새로운 개념을 기반한 것이었습니다. 또 매우 복잡하고 규모가 큰 시스템이었습니다. 이러한 성과를 달성하는 데 기여한 몇 가지 요인들이 있습니다.
우선 Mazda의 '전자장치 테스트 및 연구 그룹'입니다. Mazda가 자체 전문 테스트엔지니어팀을 보유하고 있다는 점이 큰 도움이 되었습니다. 전자 부품 평가 기술에 한계가 보이기 시작하면, 테스트 엔지니어는 어떠한 변화를 주어야 할지 고민합니다. 여러 테스트 업무가 외부에 아웃소싱된 경우 이러한 복잡한 문제 해결은 불가능할 것입니다. 고도로 전문화된 사내 팀의 존재는 가능한 솔루션과 해당 구현 방법을 철저히 탐구할 수 있음을 의미했습니다. 즉, Mazda가 이러한 문제를 해결하는 데 주도적인 역할을 할 수 있는 자체 내부 조직을 보유한다는 사실이 중요했습니다.
또 다른 기여 요인은 NI 제품군이었습니다. NI의 강점 중 하나는 파트너 및 관련 회사의 호환 제품을 포괄하는 NI 플랫폼 중심 에코시스템입니다. 예를 들어, 우리가 구축한 시스템에는 로봇, 이미지 처리 시스템, 음성 합성 시스템 및 기타 여러 요소가 통합되었습니다. 단일 회사 제품으로 이러한 모든 요소를 확보하기란 쉬운 일이 아닙니다. 다양한 회사의 제품 중에서 최적의 요소를 선택하고, 이 요소들을 LabVIEW 및 기타 솔루션을 사용하여 NI의 HIL 시스템과 통합했습니다. 이것이 우리 성공의 핵심 요소였고, 그런 측면에서 NI 에코시스템의 기여가 아주 컸다고 할 수 있습니다. 물론 널리 적용되는 턴키 솔루션을 적용할 수도 있었습니다. 그러나, 최초의 시스템을 구축하려는 우리의 목표를 고려할 때, NI 솔루션이 우리의 요구에 가장 잘 부합하였습니다.
또한 NI 제품의 높은 성능 및 자유로운 프로그래밍 지원 환경은 본 시스템을 개발하는데 필요한 완벽한 여건을 제공했습니다. 하드웨어 성능면에서 높은 샘플링 속도(시간 해상도)가 중요한 요소였습니다. 시스템 로직 검증에는 밀리초 단위의 시간 해상도가 필요했습니다. 반면, 노이즈의 영향은 샘플링이 마이크로초 단위로 수행되지 않으면 평가가 불가능했습니다. NI 하드웨어는 마이크로초 단위로 샘플링할 수있는 유일한 제품이었습니다. 또한 NI 하드웨어에는 사용자 프로그래밍이 가능한 FPGA가 내장되어 있었습니다. 이 정도의 자유를 지원하는 제품은 NI 하드웨어 외에는 없었습니다. 턴키 스타일 솔루션의 경우, 사용자가 업데이트된 자동차별로 완전히 새로운 시스템을 구입해야 할 가능성이 높습니다. 턴키 솔루션과는 달리, NI 솔루션은 유연하고 지속 가능합니다. 선택 모듈을 추가하거나 수정하기만 하면 거의 모든 NI 하드웨어를 계속 사용할 수 있습니다. 이 시스템의 또 다른 장점은 미래의 수요에 적응하는 능력입니다.
당사에서 새로 개발한 시스템을 이용해 여러 연동 전자 부품의 로직 검증 및 견고성 평가가 가능합니다. 이러한 시스템이 이전에 존재하지 않았다는 것을 감안하면, 당사가 달성한 결과는 더욱 놀랍지 않을 수 없습니다. 다양한 테스트에 필요한 관련 작업 및 결과 판단을 자동화하는 것도 가능했습니다. 덕분에 작업량이 크게 줄이는 눈부신 성과를 달성했습니다. 단일 전자 부품의 경우 수동 테스트와 비교하여 테스트 시간이 90% 단축되었습니다. 또한 카메라를 사용하여 속도계와 같은 계측기의 사진을 촬영한 후, 시스템의 자동 평가 기능을 사용하여 이미지를 처리함으로써 기존 공법과 비교하여 필요한 작업 시간이 90% 가까이 줄었습니다.
당사가 최근에 개발한 시스템은 점진적으로 진화할 것입니다. 현재 NI의 제품 기반 시스템을 사용하여 모든 전자 부품을 평가하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 이유로, '전자장치 테스트 및 연구 그룹'은 현재 파워트레인 관련 부품을 비롯한 모든 전자 부품을 타겟으로 하고 있습니다. 새로 개발된 시스템 이전에, 파워트레인 관련 부품들은 턴키 HIL 시스템을 이용하여 평가한 바 있습니다. 파워트레인 관련 부품들은 현재 시스템의 타겟 항목에서 제외되었습니다.
Mazda는 엔진이든 전자 부품이든 관계없이 세계 최초의 제품을 지속적으로 만들어내고자 합니다. 자동차 부품의 혁신을 위해서는 혁신적인 테스트가 필요하므로, Mazda는 자체 평가 프로세스도 지속적으로 발전시킬 것입니다.
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