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Jan 14. 2022
Concept Design (두 번째)
"A design concept defines and describes the priciples and engineering features of a system, machine, or component which is feasible and which has the potential to fulfill all the essential design requirements " [Thompson 1999]
요구 사양을 만족할 수 있는 기술적인 내용을 반영한 concept design이 제안되어야 하고, 상세 설계가 진행되고 품질을 만족하는 제품을 생산할 수 있어야 합니다. 따라서, 제품의 완성도는 초기 엔지니어링 단계(concept design)에서 대부분 결정된다고 해도 무리가 없습니다. 어느 문헌에서는 conceptual design이 완료되는 시점이면 이미 제조 비용의 75%는 결정되었다고 설명하기도 합니다.
concept design 절차는 기존의 기술적인 데이터와 전문 엔지니어의 경험에 많은 부분 의존하므로 결과에 대한 불확실성이 매우 높습니다. 다양한 요구 사양이나 외부 환경 변화에 따른 불확실한 요소를 제거해 가는 과정이므로 많은 시간과 노력이 필요합니다.
Concept design 절차
① Requirements engineering (environment and problem analysis)
→ 요구 사양 확인 (현재 주요 문제 원인 분석)
② Generation of concepts (synthesis)
→ 종합 콘셉트 구상
③ Evaluation and comparison of concepts (adquancy and performance analysis)
→ 콘셉트에 대한 평가 및 비교 분석 (적합성 및 성능 분석)
앞서 설명한 것과 같이 위의 절차는 동시에 그리고 상호 연관된 복합적인 과정으로 진행됩니다.
① Requirements engineering
『Requirements definition』은 고객이 요구하는 주요 사양을 정의하는 것으로 이해할 수 있습니다. 그리고, 고객을 포함한 이해관계자(shakeholder)가 요구하는 사항을 파악하면서 이러한 요구 사양이 실제로 고객이 원하는 바를 올바르게 정의했는지를 확인(Validation)하는 과정이 필요합니다.
『Requirements management』는 요구 사양을 수집 그리고 분석, 정의하면서 우선순위를 정하는 과정입니다. 이와 같은 과정을 효율적으로 진행하기 위해서는 이해관계자들과 활발한 의사소통이 반듯이 필요합니다. 엔지니어링 과정에서 요구 사양은 다양한 요인으로 변동이 발생할 수 있습니다. 그리고, 변동 내용은 이해 관계자와 협의 및 기능 분석 과정을 통해서 설계 반영 방법을 판단하게 됩니다. 이러한 반복적인 순환 과정으로 요구 사양에 대한 정합성은 높아지게 될 것입니다. 그리고, 개발 중에 발생할 수 있는 Risk 요소를 최소화할 수 있습니다.
※ 참조. Management process
Gather requirement → Analyze → Define → Prioritize → Validate and maintain → .....
The requirements management process [출처. www.aha.io]② Generation of concepts
경험 많은 장인들은 오랜 기간 전승되어온 지식과 경험만으로 설계를 하지 않고도 훌륭한 제품을 제작할 수 있었습니다. 그 이유는 오랜 기간 전승된 지식에는 수세기 동안의 시행착오(trial-and-error)를 통한 경험이 축적되었기 때문에 굳이 설계를 하는 과정이 필요 없었기 때문입니다.
고도로 복잡하면서 기술이 집약된 제품을 개발하기 위해서는 설계는 필수가 되었습니다. 그리고, 개발을 위한 시행착오(trial-and-error)는 설계 부분에서 분리할 수 있게 되면서 concept design 영역에서 설계자를 포함한 많은 이해관계자들이 동시에 설계를 검토할 수 있게 되었습니다. 또한, trial-and-error 과정은 해석 분야로 대체되고 있습니다.
Generation of concepts 시작 단계에서 『Function Analysis 』를 수행하게 됩니다. 요구 사양에 대해서 결과물의 형태를 고려했을 때 설계에서 필요한 항목이 무엇인지를 명시해야 합니다. 이때 깊이 있는 기술 내용을 다루기는 어려울 것입니다. 포괄적이면서 시스템적인 관점으로 이해해야 하는 과정으로 설계자가 더욱 넓은 시야에서 문제를 접근할 수 있도록 해야 합니다. 그리고 concept 발굴 과정에서 물리적 또는 기술적으로 충돌이 발생할 수 있습니다. 이와 같이 상황에 맞는 설계 방법(Design method) 이론을 활용하는 것이 효율적으로 문제를 해결하는 방법이 될 수 있습니다.
예를 들어서, 문제 발생 해결을 위한 방법으로 RCA (Root Cause Analysis )에 해당하는 "FishBone Diagram"또는 "5 Whys"등이 될 수 있습니다. 이외 다양한 design method가 제안되어 있습니다. 열거하자면 "Brainstorming", "Ladder of abstraction", "Atrribute listing", "Failure mode and effect analysis", " Quality fuction deployment", "Value engineering" 등 매우 다양합니다. 따라서, 상황에 적합한 방법을 선택적으로 적용하는 것이 중요합니다. (이 내용은 다른 문헌을 소개하면서 설명하겠습니다.)
③ Evaluation and comparison of concepts
concept generation 과정에서 다양한 아이디어를 도출하게 됩니다. 여러 아이디어에서 설계 요구 사양을 충실히 만족하고 경쟁력이 있는 아이디어를 선정해야 합니다. 도출된 아이디어에 대한 비교, 평가를 통해서 바람직한 최종 아이디어를 선정하는 과정입니다. (decision-making)
Concept generation [출처. Product design and development , Karl Ulrich , Steven Eppinger]경험적으로 중요한 의사 결정 과정은 책임 있는 관리자나 고객에 의해서 결정되거나 이해관계자와의 협의 과정을 통해서 선정됩니다. 결정권자의 의사결정으로 선정하는 것은 합리적이지 않을 수 있습니다. 따라서, 관리자가 결정을 하기 위해서는 분명한 판단을 할 수 있도록 테이터 기반의 근거가 있어야 합니다. 실험에 의한 데이터가 될 수 있습니다. 또는, Pugh concept selection과 같은 decision-making 방법을 활용하여 합리적인 판단 근거로 사용할 수 있습니다.
Stuart Pugh 교수가 제안한 "Pugh Concept Selection" 방법은 제일 근사한 아이디어를 선정하는 것이 목적이 아닙니다. 도출된 아이디어들은 각각의 강점과 약점이 있습니다. 따라서, 약점은 제거하고 강점이 강화된 향상된 아이디어를 도출하는 것이 궁극적인 목적입니다.
강조하는 사고방식은 두 가지로 설명하고 있습니다. 융합적 사고(convergent thinking), 분산적 사고(divergent thinking)로 분류하고 있습니다. 융합적 사고는 기존의 아이디어를 종합하여 결정하는 사고이고, 분산적 사고는 문제점을 재정의하고 새로운 아이디어를 도출하는 사고입니다.
아래는 "Pugh selection matrix"의 예시입니다. 가로에 도출된 concept을 나열하고, 세로에 요구 사양을 정렬하여 matrix에 점수를 배열하고, 우선순위에 따라서 아이디어를 선정하는 과정입니다.
예시. Pugh seclection matrix [출처. https/ocw.mit.edu]