자동차, 트럭, 오프로드 차량(off-road vehicles) 등의 수송 플랫폼들은 수십 년간 전기 시스템을 장착했다. 그러나 지난 몇 년간 이들 전기 시스템에 본질적인 불연속성이 나타나기 시작했다. 온보드 전자 콘텐츠와 임베디드 소프트웨어 분야의 빠른 성장으로 전기 설계의 복잡성에 대한 요구도 거세지고 있다. 간단히 말해서 각 차량 주위에 흐르고 있는 신호의 수가 빠르게 증가하고 있다.
신호의 수가 폭발적으로 증가한 것 이외에도 시장의 세분화가 꾸준히 진행되면서 매우 다양한 구조의 자동차가 실현되고 있다. 예들 들면, 자동차 운전석의 위치(좌측/우측), 엔진의 종류(가솔린 엔진 또는 디젤 엔진), 변속 방식(자동/수동), 실내 공조 방식(수동/자동), 순항 제어 방식(적응/비순응) 등 전기 설계에 영향을 미치는 다양한 옵션이 있다.
이것은 비용 측면에서 효과적이지 않으며 심지어 모든 구조의 수퍼셋(superset)을 지원하는 단일 전기 설계를 제공하는 것이 물리적으로도 불가능하기 때문에, 관련된 여러 가지 전기 설계가 개발되고 관리되고 구축되어야 한다. 설상가상으로 계속적인 설계 변경이 자동차 전기 설계에서 피할 수 없는 현실이므로 기술팀에 부담을 가중시키고 있다. 더욱이 자동차 산업을 포함하여 거의 모든 산업은 비용절감, 제품의 신뢰성 향상, 출시기간(time to market) 단축에 대한 압박에 끊임없이 직면하고 있다. 자동차 전기/전자 시스템은 전체 BOM(Bill-of-Materials)에서 고비용 품목에 해당하며 전기/전자 고장은 품질보증 비용을 상승시키는 주요 요인이 되고 있다. 위에서 개략한 설계 복잡성은 출하기간 단축에도 부담이 된다. 종합해 보면 증가하는 전자 콘텐츠, 구조의 복잡성, 설계 변경 그리고 일반적으로 알려진 비즈니스 요인들은 앞서 언급한 불연속성을 초래하고 있다.
물론, 이러한 문제들에 대응하기 위해 데이터버스 다중화(multiplexing)와 모듈 부품의 사용을 늘리는 등 다양한 기술적 진화가 이뤄지고 있다. 그러나 본고에서는 전기 시스템/와이어 하니스 설계 공정 자체에 초점을 맞출 것이다. 특히, 설계 자동화(ECAD라고 알려진 일련의 응용 소프트웨어)의 역할을 검토한다.

ECAD 툴의 5 레벨

자동차는 수십 년간 전기 시스템을 장착해 왔지만 컴퓨터를 전기 설계 문제에 적용하기 시작한 것은 약 30년에 불과하다. 그 이전에는 설계 드래프팅(design drafting)이 연필과 종이를 이용하여 이루어졌다. 오늘날의 전기 설계 공정은 부분적으로 그래픽스 기반으로 되었다.
ECAD 소프트웨어 툴은 대체로 연대기적 순서로 나타나는 5 레벨로 확인할 수 있다. 이 5 레벨을 그림 1에 나타낸다.
초기에는 전기 설계, 특히 보다 현대적인 핸드 드래프팅(연필과 종이 버전)을 제공하기 위해 비전문화된 드로잉 패키지가 사용되었다. 드로잉 패키지는 확실히 설계 생산성을 향상시켜 주었고, 엔지니어가 자신들의 설계를 비교적 신속하고 깔끔하게 문서화하고 변경할 수 있게 해주었다. 이 툴들은 저렴하고 기본적으로 유연했다. 즉, 드로잉 패키지는 회사 로고를 와이어링 시스템만큼 쉽게 설계하기 위해 사용할 수 있었다. 본고에서는 이런 응용 소프트웨어들을 레벨 0(Level 0) 툴로 명명하였다. 지금도 여전히 비전문화된 레벨 0 툴을 사용하여 설계를 하는 조직들을 어렵지 않게 볼 수 있다. 레벨 0 툴은 잔디깎는 기계처럼 전기 설계 복잡성이 매우 낮은 경우에 최선의 선택이 될 수 있다.
레벨 0 툴은 그 특성상 설계 지능이 없으며, 따라서 설계 데이터도 없다. 도체의 단면적을 계산하기 위해 도면상의 선에 ‘옴의 법칙’을 적용할 수도 없으며 특정 커넥터와 호환하여 사용할 수 있는 것으로 보증된 와이어 터미널을 선택하기 위해 도면 패키지를 사용할 수도 없다. 레벨 0에서 이러한 활동은 다른 방법을 사용하여 오프라인으로 해야 한다.
이 문제를 해결하기 위해 본고에서 의미하는 레벨 1 툴로서 최초로 전문화된 ECAD 툴이 약 15년 전에 선을 보였다. 레벨 1 툴은 그래픽으로 개략적인 저작(authoring) 능력을 제공함은 물론 개략적인 표현은 명시적인 전기 객체 모델을 통해 엔지니어링 설계 데이터에 직접 연결되었다. 레벨 1에서 도면상의 한 라인은 부품상의 핀간(pin-to-pin) 전기 접속을 의미한다. 전기 접속은 길이와 단면 같은 속성과 연관되며, ECAD 소프트웨어를 통해 설계 엔지니어링을 할 수 있다. 레벨 1의 응용 소프트웨어는 부품과 심벌 라이브러리에 포함되거나 연결되며 3D MCAD와 같이 다른 영역의 소프트웨어와도 데이터(예를 들면, 선의 길이)를 교환할 수 있다.
대부분의 레벨 1 ECAD 툴은 관련된 분야, 즉 PCB 설계로 거슬러 갈 수 있다. 그러나 자동차 전기 설계에 필요한 많은 개념들, 즉 멀티코어 케이블, 클립 그로멧(clips grommets) 또는 구조에 따른 지오메트리(configuration-dependent geometry)와 같은 개념들은 PCB에 나타나지 않는다. 이런 이유로 레벨 1 툴들은 전형적으로 전체 전기 설계 프로세스의 매우 작은 부분을 처리하며 “포인트 툴”이라고 알려져 있다.
따라서 완전한 설계 툴 체인을 구축하기 위해서는 다중 포인트 툴(multiple point tool)의 통합이 필요하다. 예상할 수 있듯이 다른 벤더들, 심지어는 경쟁 관계에 있는 벤더들에 기반을 두며 상이한 데이터 구조를 채용하고 있는 많은 포인트 툴들을 통합하는 IT는 특히 어려운 과제이다. 레벨 1 솔루션은 오늘날 대규모 조직에서 흔히 볼 수 있으며 높은 IT 유지비를 요구한다. 역사적으로만 의미가 있는 매우 진부한 설계 프로세스를 영속케 하는 경향이 있다.
이런 상황은 레벨 2 ECAD 툴들로 이전함으로써 상황이 호전된다. 이들 툴은 본질적으로 대부분의 설계 프로세스에 대처함으로써 통합 문제들을 줄여준다. 이들 툴은 단일 설계 환경 내에서 전기 설계, 시뮬레이션, 하니스 기술 및 제조(예를 들면 형틀 제조)를 본질적으로 지원한다. 본고에서 정의한 현대적인 레벨 2 패키지는 파일 기반의 설계 데이터 저장 메커니즘을 채용하며, 따라서 어느 정도는 IT의 흔적이 보인다. 레벨 2 ECAD 응용은 전기 설계 과제가 적당한 수준의 복잡성(예를 들면 오프로드 차량)을 가지면 비용 대비 효용성이 매우 좋은 것으로 확인된다.
레벨 3 ECAD 툴은 보다 새롭고 보다 강력한 소프트웨어 기술을 채용함으로써 한 단계 더 진전되었다. 그중에서 중요한 것은 데이터 중심성의 개념이다. 데이터 중심의 툴셋(toolset)에서는 장치 연결성에서 사용자 우선권부터 부품 관련성까지 모든 관련된 데이터는 플랫파일(flat file)이 아닌 관계형 데이터베이스에 저장된다.
이런 형태의 데이터 저장은 오늘날의 전기 설계 복잡성의 여러 문제들을, 특히 배치의 복잡성이나 설계 변경 관리 분야에서 해결하는데 중요하다. 예를 들면, 관계형 데이터베이스 저장은 자연히 “where used” 질의, 조건부 대체(“만일 that이 true이면 this 부품을 대체하라”)와 설계 버전 비교 같은 기능성을 지원한다. 레벨 3에서 가용한 다른 현대적인 소프트웨어 기술에는 웹 기반 통합과 계산 플랫폼 독립성이 포함되는데, 이 두 가지 모두 실질적으로 소요되는 IT 비용을 낮춰 준다.
마지막으로 ECAD 툴의 레벨 4 카테고리를 알아보자. 레벨 4 ECAD 툴은 레벨 0→레벨 1→레벨 2→레벨 3로 이동함으로써 확보된 성과 위에서 완전한 설계 자동화를 제공하는 것을 목표로 한다. 레벨 4 툴들은 오늘날 상업적으로 가능한 가장 진전된 ECAD 툴이다. 레벨 4 툴들은 종종 설계 프로세스 방법론에서 진정한 진보를 지원하며, 따라서 본고의 서론에서 살펴본 전기 및 와이어링 하니스 설계 문제들을 해결하는 데 확실히 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 기본적으로 레벨 4 툴들은 확인된 복잡성의 불연속성을 해결해 준다.

설계 자동화의 진전: 레벨 4 ECAD 툴

설계 자동화 소프트웨어는 컴퓨터를 활용하여 달성할 수 있는 작업들을 자동화하거나 기술적인 결정을 지원하는 환경을 제공함으로써 엔지니어들의 창조적인 개발 과제를 지원한다. 이 장에서는 이들 각각의 범주에서 그 예를 들어본다.

Generative Design
레벨 4 ECAD 툴들은 전기 시스템과 와이어 하니스 설계에 활용할 수 있는 자동화의 정도를 크게 높였다. 가장 두드러지는 새로운 자동화 능력은 아마도 “Generative Design”으로 알려졌는데, 이것은 와이어링 설계가 레벨 0~3에서처럼 엔지니어가 작업을 하여 상호작용에 의해 구축되는 것이 아니라 상위 레벨의 입력으로부터 자동적으로 생성되기 때문이다.
이러한 전기 설계 프로세스는 그림 2에서 볼 수 있듯이 3개 부분으로 분류할 수 있다.
3가지 기본 레벨은 다음과 같다.

1. 시스템 설계: 플랫폼에 나타나게 될 각 시스템에 대해 pin-to-pin 신호 연결성을 구축한다(조명 시스템, 내비게이션 시스템, 통신 시스템 등).
2. 시스템 통합: 시스템들을 모아서 물리적 호스트로 구현하여 신호들을 물리적인 와이어로 변환한다.
3. 하니스 엔지니어링: 상세 와이어 하니스 설계를 완성한다(균형 잡힌 분할, 기계 부품 추가, 제조를 위한 최적화 등).

시스템 통합은 어렵고 에러가 발생하기 쉬운 작업이다. 특히, 신호의 수가 많아지고 구조의 복잡성이 높아지면 그렇다.
대형 트럭을 생각해 보자. 마케팅을 이유로 이들 트럭들은 매우 다양한 옵션 시스템과 많은 기계적 구조(예를 들면, 상이한 차축 거리)로 되어 있어, 복잡한 로직 배열이 적용된다: 좌측과 우측 운전석을 동시에 갖는 것은 불가능하지만 우측 운전석과 긴 차축 거리, 위성 절도범 추적 시스템을 동시에 갖는 것은 가능하다. 문자 그대로 수백 만 가지의 개별 전기 구성이 가능하다. 이제 신호를 한 하니스에서 다른 하니스로 통과시키면서 인라인 커넥터들이 바르게 짝을 이루는 모든 가능한 구조를 쫓아서 상상해보자. 이것은 시스템 통합 와이어링 엔지니어가 직면하는 과제이다.
generative design 프로세스에서 시스템 통합과 이어지는 물리적인 와이어링의 개발은 4가지 매우 단순한 입력으로부터 레벨 4 ECAD 툴에 의해 자동으로 완성된다. 이들 입력은 다음과 같다(그림 3):

1. 시스템 핀간 신호 연결성: 각 신호는 지원하는 옵션들을 정의하는 표현으로 꼬리표가 달려 있다. 이것은 상대적으로 간단한 설계 작업이다.
2. 기계적 한계: 통상 채널, 번들 길이와 인라인 커넥터 위치를 라우팅하는 것과 같이 3D MCAD 시스템을 사용하여 개발된다. 이들은 또 다른 차축 거리와 같이 구조 변동성을 반영할 수 있다.
3. 배치 로직: 우측과 좌측 운전석을 동시에 만족하는 자동차를 건조하는 것이 불가능한 것처럼 배치 변수 간의 관련성을 나타낸다.
4. 설계 규칙: 시스템 통합 엔지니어의 정신적 프로세스 또는 설계 방법론을 구현한다.

이들 4가지 독립적인 입력들은 로직이 허용하는 모든 구조의 최상의 조합을 자동차에 구현하는 와이어링을 자동으로 계산하기 위해 필요한 모든 것이다. 이 계산으로 ECAD 툴 안에서 통합적인 시스템 통합을 이룰 수 있다.
설계 규칙은 공정으로 가는 열쇠이다. 설계 규칙들은 설계자의 기술, 더 넓게는 설계 조직의 지적자산을 포착하며 ECAD 툴의 알고리즘이 어떻게 진행하는지를 알려준다. 적용될 수 있는 규칙의 예로 다음을 들 수 있다.

· 배터리는 언제나 긴 축간 거리의 자동차에 한해서만 후면 트레이에 설치하고, 이를 제외하고는 모든 배터리는 배터리 트레이의 전면에 놓는다.
· 어떤 분할을 하든 6선 이상은 허용하지 않는다.
· 상호 결합된 폴리에틸렌 와이어를 사용하여 항상 안전에 절대적인 신호를 구현한다.
· 같은 색깔의 와이어로 인접한 커넥터 캐비티를 채우지 않도록 한다.

이러한 규칙 조합은 매우 복잡해 질 수 있다. 즉, 계층적이고 다이내믹해 질 수 있으며 CAD 데이터 환경 밖에서 얻어진 데이터에 작용할 수도 있다. 규칙 조합은 통상 기업 또는 프로젝트 전용이다. Generative design에는 많은 이점이 있다:

· 설계는 correct-by-construction이다. 위 4가지 단순한 입력들이 옳으면 소프트웨어는 모든 가능한 구조에 대해 올바른 배선 설계를 자동적으로 생성한다.
· 규칙의 조합은 완전하게 최상의 실행을 구현하므로 조직이 경쟁적인 지적자산을 포착하여 개발할 수 있게 해준다.
· 시스템 통합으로 수 주일이 걸릴 과제를 수 시간 안에 완성할 수 있을 만큼 설계가 신속하다. 시스템 통합은 전기 설계 시간과 비용을 감소시킴은 물론 비용, 벌크, 부품 재사용 또는 다른 바람직한 측정 기준에 최적화된 설계에 도달할 수 있게 해준다(각각 다른 규칙 조합을 적용한다든지 하여).
· 설계 변경 관리를 단순화시킨다. 4가지 입력들은 상호 독립적이므로 설계 변경(예를 들어, 구성 로직의 변경)은 프로세스를 통해 쉽게 반영될 수 있다.

잠재적 고장형태 및 영향분석
레벨 4 ECAD 기능성의 두 번째 예는 전기적인 FMEA (Failure Mode and Effect Analysis, 잠재적 고장형태 및 영향분석)이다. 생성적이든 전통적인 상호작용 시스템 통합과 와이어링이든 무관하게 여러 가지 고장에 대해 설계를 테스트하려는 수요가 통상적으로 있다. 목표는 설계를 개선하여 고장이 흔하게 발생하지 않고 고장의 영향이 덜 심각하게 하는 것이다.
예를 들어, 공통 접지 지점(ground point)을 공유하고 있는 전기 시스템들의 조합을 상상해보자. 이 접지 지점이 동작하지 않으면 모든 관련된 장치들 역시 동작하지 않을 것이다. 만일, 이들 시스템 중 하나가 적응 순항 제어(Adaptive Cruise Control, ACC)처럼 안전에 중대한 것이라면 그 결과는 치명적이다. FMEA 방법론은 제품의 안전 및 신뢰성에 대한 핵심 기여자로 널리 인식되고 있다. 불행히도 엄격한 전기 FMEA는 설계와 구조 복잡성이 늘어나면 복잡해지는 문제가 있어 그대로 행하기가 어렵다.
레벨 4 ECAD 툴들은 엄격한 FMEA 리포트를 생성하도록 컴퓨터를 지원할 수 있다. 전기 FMEA는 가능한 고장 이벤트를 철저하게 측정하는 전기 시뮬레이션 기능에 빌드된다.
이것을 완성하기 위해서 모델들은 모든 가능한 전기 입력에 응답하여 각각의 디바이스 상태(예를 들면, 순항 제어 액추에이터)를 규정하는 소프트웨어 내에 빌드된다. 고장 모드(접지 지점 고장 같은)는 분류되고 확률이 할당되며 에러 상태의 영향을 기술하기 위해 시나리오가 구축된다(예: 액추에이터가 응답에 실패→충돌 위험). 엄격성 등급이 각 효과에 할당되고 발견 가능성 측정 기준이 각각의 고장에 할당된다.
이들 입력과 전기 설계(연결성)의 명확한 지식으로 FMEA 소프트웨어는 각각의 가능한 오류 모드를 통해 사이클 될 수 있으며, 특정 위험 측정치를 생성할 수 있다. 엄격히 말하면 FMEA 행위는 다양한 레벨로 대처할 수 있다. 즉 개별 시스템, 시스템군, 전체 자동차의 각각의 구조에 대해서까지 소프트웨어는 위험 크기에 등급을 매기며 자연어로 기술할 수 있으므로 엔지니어가 자신들의 설계를 향상시키기 위한 정정 행동을 취할 수 있다. 엄격한 FMEA 보고서를 생성함은 물론 잠입 회로(sneak circuit)(그림 4 참조)와 같은 잘못된 연결을 동적으로 확인할 수 있으며, 엔지니어에게 특정 형식의 설계 향상을 추천하기도 한다. 전기 FMEA, 설계 향상 추천 및 연결 에러 검출은 모두 ECAD 결정 지원 기능성의 예들이다.