디지털 트윈이란?

디지털 트윈

#시작하며

출처. 클립아트코리아

현재 4차 산업혁명으로 인해 많은 기술들이 등장하고, 인간의 보다 편리한 삶을 위한 개발이 계속해서 이루어지고 있다. 대학생 신분으로 인공지능, 딥러닝, 머신러닝, 메타버스(Metaverse)등 많은 분야를 접해보았지만, 디지털 트윈(Digital twin)이라는 단어는 생소했다. 인턴생활 시작 후, 에트리에서 근무하면서 해당 디지털 트윈이라는 단어를 수도 없이 들었던 것 같다. 이미 기본 개념은 2002년에 미국 마이클 그리브스 박사에 의해 등장하였고, 현재 세계 각국에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 제조업을 시작으로, 다양한 산업에 적용되어 우리 삶에 직접적으로 들어와 있으며, 이미 우리가 사용한 적이 있는 것도 많을 것이다.

#디지털 트윈

최근 디지털 트윈(Digital Twin)의 용어는 일상생활과 항만, 교통, 건물, 에너지, 조선 등 다양한 산업분야 걸쳐 사용되고 있다. 우리가 한 번쯤은 들어본 스마트 시티 구축과 운영의 과정에 디지털 트윈이 사용되면서, 지하철이나 고속도로 광고판에도 이미 등장하여 일상생활 속으로 한걸음 다가와 있다. 그렇다면 디지털 트윈이란 도대체 무엇일까?

• 디지털 트윈(Digital Twin)이란?

디지털 트윈의 표면적 형태는, 말 그대로 트윈을 생성하는 것이다. 즉, 현실 세계의 물리적 실물 객체를, 가상 세계에 동일한 쌍둥이 객체로서 생성하여 동작과 행동을 가상 세계에서 모사 및 모의할 수 있도록 하는 것이다.

해당 디지털 트윈의 기본개념은 2002년에 미국 마이클 그리브스 박사가 제품생애주기관리(PLM)의 이상적 모델로 설명하면서 등장했다. 해당 개념에 대해 NASA의 존 비커스 박사가 이름을 디지털 트윈이라 붙였고, 우주산업에서 계속해서 쓰여왔다. 이후 GE가 자사의 엔진, 터빈 등 제품에 디지털 트윈을 적용했고, 2017-2018 가트너의 하이프 사이클에 명시되면서 시장에 더욱 힘을 받아 실물과 가상 세계 사이의 유기적 역할을 하는 개념으로 확장되고 있다.

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• 그렇다면 2002년에 최초로 소개된 디지털 트윈이 최근 각광을 받는 이유는 무엇일까?

• 디지털 트윈을 새로운 분야에서 구체화 및 적용이 가능할 수준으로 기반 기술이 축적되었다.

- 물리적 실체 대상에 대해 3D형상을 만들고, 증강현실, 가상현실 등을 통해 가시화가 가능하다. 또한 실시간 모니터링을 통해 데이터를 수집하고, 빅데이터, 인공지능 등으로 분석이 가능하다.

• 직관적인 이름 덕분이다.

- 디지털 트윈은 인문학 배경의 투자자를 비롯해 누구나 쉽게 이해시킬 수 있는 이름이다.

디지털 트윈은 거울을 마주하는 쌍둥이의 이미지를 제공하여, 다루고자 하는 것을 사이버 상에서 자유롭게 다룸으로써 다채로운 경험을 제공한다. 많은 적용 가능 매체와 산업, 친숙한 이름, 이러한 것들이 복합적으로 작용하여 눈길을 끌기 시작한 것으로 이해할 수 있다.

#디지털 트윈의 기술 개념

디지털 트윈 개념도

미국의 마이클 그리브스 박사가 제시한 디지털 트윈의 개념은 위 그림의 (a)와 같았다. 실제 세계(Real space)와 가상세계(Virtual Space)가 연결되어 상호작용하는 구성이다. 이를 보다 구체화하면, 그림 (b)와 같이 표현할 수 있다. 해당 그림에서는 실제 세계를 물리적 트윈이라 하고, 가상세계를 디지털 트윈이라 하며, 이들 간에 통신 연결을 통해 각자의 상태 정보를 공유하여 상호 작용하는 구성이다. 여기서 주의해야 할 점은, 디지털 트윈이라는 용어가 전체를 아우르는 총칭의 이름이기도 하면서, 가상세계의 객체의 이름이기도 한 중의적 뜻이 혼용되고 있다는 것이다. 큰 혼동 없이 이해되고 있지만, 총체적 명칭과 개별 요소를 구분하고자 하는 경우에는 해결수단이 없다. 따라서 디지털 트윈은, 가상 객체에 대해 부르는 명칭으로 한정하고, 전체를 아우르는 총체적 명칭을 디지털 트윈 시스템으로 부르는 사례가 있다.

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디지털 트윈 개념도

위 그림은, 앞선 디지털 트윈 개념도를 보다 구체화한 형태로 표현한 것이다. 물리 객체의 동작은 X라고 불리는 모델로 표현이 되는데, a~e의 매개변수에 의해 동작이 좌우된다. 하나의 매개변수가 변화되면 그에 따라 결과에 대한 종속변수 X도 변화가 뒤따른다. 디지털 트윈에 대한 X1은, X의 일부만 모델링하여 부분적 동작을 디지털 트윈화 했다는 것이다. 해당 두 가지 디지털 트윈의 개념도는, 현실세계와 가상세계 사이 물리 객체의 생애주기 동안, 흘러가는 모든 경로에 대해 가상세계에서도 가상 객체가 서로 연결되어 상호작용한다.

제조 분야 디지털 트윈과 디지털 스레드(출처. Deloitte. "3D Opportunity and the Digital Thread")

디지털 트윈은 물리적 대상의 설계, 제작, 운영, 폐기에 이르기까지의 전 주기에 걸쳐 생성된다. 따라서 단계별 트윈의 형상과 속성, 상태는 다를 수 있지만, 궁극적으로 지향하는 물리적 요소와 디지털 요소의 융합이 이루어지기 위해서는, 전 주기에 걸친 정보가 누락되지 않고 이어져야 한다. 이렇게 정보가 한 가닥의 실처럼 꿰어지는 것을 디지털 스레드(Digital Thread)라고 부르며, 디지털 트윈을 활용하는 데 있어 중요한 기술 중 하나이다.

#활용

디지털 트윈은 크게 세가지로 활용된다.

• 관제 모델(Observation Model)

>> 데이터 스트림(Data Stream)을 통해 물리적 대상의 상태를 모니터링하는 방식이다. 가령, 제조 현장의 기계 운영 현황을 분석하여 이상 징후를 포착하여 경고하거나, 장애의 대응 방안을 도출하는 데 사용된다.

• 운영 모델(Operation Model)

>> 디지털 트윈에 파라미터를 설정하여 물리적 대상을 제어할 수 있다. 조명이나 설비의 밸브를 원격 제어하거나, 공조 설비를 제어하여 실내 온도를 조절하는 예가 있다.

• 최적화 모델(Optimization Model)

>> 디지털 트윈이 궁극적으로 지향하는 활용 모델이다. 대상의 기능 매개변수, 상황정보 등을 활용해 최적화된 운영을 위한 시뮬레이션을 의미한다. 대표적인 사례로, 풍력 발전기 날개의 경사각을 시뮬레이션하여 최적화하고 발전량을 증대하는 것이 있다.

#장단점

그렇다면 이러한 디지털 트윈을 도입함으로써 얻을 수 있는 장단점은 무엇이 있을까?

디지털 트윈 장단점

모든 것에는 양면성이 있듯이, 디지털 트윈에도 장단점이 존재한다. 제조분야를 예로, 제품의 품질 향상, 개발 비용 절감과 단축의 효과가 있다. 또한 운영 단계에서의 지속적인 최적화를 통해 운영 비용을 절감할 수 있으며, 디지털 스레드를 통한 정보의 보존과 연속성 확보 또한 장점이다. 기업 측면에서는 생산과 서비스의 지속적인 최적화를 통해 매출 증대의 효과를 바라볼 수 있다.

하지만 기술적으로 초기단계인 현재, 디지털 트윈을 구현하고 운영하는데 상당한 비용이 발생한다. 사이버상의 대량의 정보를 담기 때문에, 보안 측면의 리스크를 항상 가지고 있으며, 이에 대한 대응책이 필요하다.

#마치며

이번 포스팅에서는 디지털 트윈의 주요 개념과 기술 개념, 활용 분야와 장단점에 대해 공부하였다. 다음에서는 구체적인 디지털 트윈 적용 사례와 기술요소, CPS와의 비교분석 등을 진행해볼 것이다.