디지털 트윈의 기술요소 및 CPS
#시작하며
디지털 트윈에 대해 연구를 하거나 관련이 되어 있는 사람들에게 CPS(Cyber Physical System) 기술과 디지털 트윈의 비교는 끊이지 않는 골칫거리이다.
디지털 트윈(Digital Twin)은 현실의 물리 세계와 1:1 대응되는 가상의 디지털 세계를 만들어 현실의 문제를 해결하는 포괄적 개념을 의미하고 있다. 현실과 가상의 융합이라는 4차 산업혁명을 비추어 볼 때, 디지털 트윈은 그 중심 개념이라고 할 수 있지만, CPS와의 정의에 대한 혼란 속에 있다. 그렇다면 여기서 말하는 CPS는 무엇인가?
#Cyber Physical System
CPS란 가상 물리 시스템으로서, 실세계와 IT가 긴밀하게 결합한 사물인터넷(Internet of Things, IoT)과 유사한 개념이다. CPS는 개별적으로 동작하는 전통적 임베디드 시스템(Embedded system)과는 달리 컴퓨팅 시스템과 우리가 살아가는 물리 세계와의 밀접한 상호작용을 강조한다. 특히 통신기술을 활용하여 물리적 현상을 관찰, 계산 및 조작하는 각 시스템 개체들 간의 협력적 관계를 구축한다. 궁극적으로 CPS는, 이러한 통신(Communication), 연산(Computation), 제어(Control) - 3C, 세 가지 요소를 핵심 개념으로 하여, 인간과 공존하는 물리 세계 개체(Physical entities)와 센서, 임베디드 시스템, 액추에이터(actuator) 등과 같은 시스템 개체로 구성되는 사이버 세계와의 융합을 추구한다. CPS의 기본 특징으로는 지능성, 실시간성, 보안성, 신뢰성, 안정성이 있다.
CPS는, 이를통해 지속적으로 일어나는 변화에 능동적으로 적응하는 것에 중점을 두고 있다. 단순한 연결성을 뛰어넘어 어떻게 물리 시스템이 높은 신뢰성을 가지고 실시간으로 제어할 수 있는지에 주목하고 있다.
#디지털 트윈(Digital Twin)
- 기술 태동 배경
- 공식 표준화 단체 ITU-T
사물은 물리적인 몸체를 갖는 사물로 정의하지만, 몸체가 없는 즉 컴퓨팅 세계 속에만 존재하는 가상 객체도 사물의 범주로 정의했다. 디지털 트윈도 하나의 연결된 사물로서 정의할 수 있다.
- 세계적 리서치 전문 기업 가트너(Gartner)
지능을 갖는 사물과 디지털 트윈을 지속적으로 중요 기술로서 언급하였으며, CPS와 디지털 트윈은 계속 함께 발전하는 관계라고 하였다. CPS는 인간 개입의 최소화 및 제약된 환경에서 행동 전략을 수립하고, 임무를 수행할 수 있는 자율형 물리 시스템으로, 디지털 트윈은 매우 중요한 컴퓨팅 도메인 파트너가 될 것이라고 하였다.
디지털 트윈과 CPS는, 같은 개념의 다른 이름으로 설명할 수 있고, 또한 디지털 트윈이 CPS의 주요 요소기술 중 하나라고도 말할 수 있다.
#디지털 트윈 기술 요소
- 디지털 트윈의 규모와 종류
디지털 트윈에 대상은, 개인마다 생각하는 규모가 다르기 때문에, 불필요한 논쟁이 발생할 수도 있다.
개념적으로 디지털 트윈은 현실에서 존재하는 모든 것을 대상으로 적용할 수 있다. 가령, 위 그림에서 나타난 것처럼 어떤 기계를 구성하는 부품에 대해 부품 단위의 디지털 트윈, 부품들이 조립되어 공작기계가 되었을 때 해당 기계에 대한 디지털 트윈, 공작기계가 결합하여 제조 시스템을 구성할 때 시스템 단위의 디지털 트윈, 여러가지 제조 시스템이 결합하여 생산라인을 구축하고, 단계별 제조 흐름을 통해 완성품을 만들어내는 제조 공정 디지털 트윈이 있을 수 있다.
디지털 트윈의 규모는 운영, 유지보수 및 성능을 관리하는 도시 또는 국가까지 확장될 수 있다. 따라서 위에서 언급한 부품, 기계, 시스템, 공정 수준에 이어, 회사, 도시, 국가 등 단계적 결합이 가능하기 때문에 통합적 디지털 트윈의 범위를 결정해야 한다.
디지털 트윈의 규모는, 대상을 분석하고 설계할 때 고려하는 한계를 의미하는 경계 문제에 해당하기 때문에 대상에 대한 모델링 목적과 활용 계획을 명확히 하고, 이에 부합하는 설계상의 경계 범위를 설정해야 한다.
- 디지털 트윈 모델링
모델링은 물리적 개체로부터 구조와 행동에 대한 표현 양식을 생성하는 행위로, 구조 표현은 2D, 3D로 나타낼 수 있고, 행동표현은 수학 공식, 절차 단계, 선택적 옵션, 알고리즘 규칙 등과 같이 컴퓨터가 처리할 수 있는 방식으로 나타낼 수 있다. 복잡한 동작 행위는 실측 데이터를 바탕으로 인공지능을 통해 동작 모델을 만들어 내는 방법도 사용하고 있다.
물리적 개체나 시스템에 대한 모델링은 목적에 따라 달라지며, 모든 것을 하기보다는 필요에 따라 선택적으로 진행하는 것이 적절하다. 모델링 작업을 위해 FBS(Function - Behavior - Structure) 프레임워크와 같은 방법들이 쓰이고 있다.
- 디지털 트윈 모델링 차원
모델링 차원은 디지털 트윈을 최종적으로 데이터로 표현할 때 어떤 구조적 틀로 구성할 것이냐의 문제이다. BIM (Building Information Modeling)의 제품들은 최초 2D, 3D 기하구조에서 출발하여 시간을 포함하고 있는데, 생애주기, 안정성, 지속가능성 등 다양한 항목들이 속성 정보에 포함되어 있다가, 마케팅과 상품화 과정에서 데이터 축으로 올려져 5D - 10D로 확장된 것처럼, 데이터 모델링 차원은 무엇을 구성 축으로 두고 데이터 속성으로 간주할 것이냐의 선택과 데이터 구조 모델에 대한 것이다.
▶ 3D: 디지털 트윈에서 물리적 개체가 3D모델로 만들어지기 때문에 필수적이고 명확한 모델링 차원이다.
▶ 시간: 과거와 미래를 구분하고, 저장 데이터를 활용하여 현상과 시뮬레이션을 통한 원인 분석이 가능하기 때문에 필수 적이고 명확한 데이터 차원이다.
▶ 역할: 물리적 개체의 디지털 트윈은 같은 도메인에서 여러 가지 역할, 다른 도메인에서 다른 역할을 수행할 수 있기 때문에, 디지털 트윈에 대한 데이터 모델은 역할의 관점이 적용되어야 한다.
▶ 속성: 물리적 개체의 특정 행동에 영향을 미치는 요소를 의미하며, 해당 요소가 더 많이 모델링 될수록 트윈의 동작이 물리적 개체와 더 정확히 부합할 수 있다.
- 디지털 트윈 충실도
DTw 충실도는, 가상 객체가 물리적 객체와 얼마나 잘 부합하느냐로 정의할 수 있다. 이는 특성화 충실도와 시각화 충실도로 구성되며, 동작, 시간 세분화/해상도의 세 가지 직교 차원으로 설계할 수 있다.
* 특성화 충실도 - [(동작 - 세분화) 및 (동작 - 시간) 평면에 의해 구체화]
특성화 충실도는 물리적 개체의 행위 동작에 정확히 부합시키기 위해 가상 모델을 정교하고 구체적으로 표현한 정도를 나타낸다. 이는 데이터를 통해 처리할 수 있는 논리 구조에서 데이터 매개 변수로 표현될 수 있다. 가상 모델을 개발하는 것은, 행동과 성격을 컴퓨터로 처리 가능한 동장 매개 변수와 데이터 처리 기능으로 구조화하는 행위이기 때문에, 충실도가 높을수록 복잡해지게 된다.
* 시각화 충실도 - [(해상도 - 시간) 평면에 의해 구체화]
디지털 트윈은 사람이 사용하기 때문에 어떻게 보이도록 할 것인지가 해결될 문제 중 하나이다. 시각화 충실도는 디지털 트윈이 얼마나 물리적 개체와 가깝게 보이는지를 의미한다. 충실도가 높을수록 외관상 시각/구조적으로 더 비슷한 형태를 가진다.
#디지털 트윈 활용 사례
- Virtual Singapore
스마트시티 구축과 운영에 디지털 트윈을 적용한 대표적인 예로 싱가포르가 있다. 싱가포르의 빌딩, 도로망, 수목, 강 등 도시 전체를 구조적 3D 가상 모델로 만들었고, 교통체계, 건축 등에 대한 시뮬레이션, 군중 분산, 교통 흐름, 보행자 이동 패턴 등과 같은 다양한 목적의 시뮬레이션이 가능하다.
Virtual Singapore는 주변 온도와 햇빛이, 하루 동안 어떻게 변하는지에 대한 통찰력을 제공하고, 새로운 건물이나 설치물을 건설하는 것이 온도와 광도에 미치는 영향을 시각화할 수 있다. 하지만 Virtual Singapore는 도시 규모이기 때문에 실시간 데이터 연동은 하지 않고, 가시적 및 동작 모델로 구성한 구조이다.
- 새만금 디지털 트윈
새만금개발청은 국정과제로 추진 중인 '새만금 스마트 수변도시' 조성 시, 경쟁력 강화와 삶의 질 향상을 위해 디지털 트윈 플랫폼 구축 계획을 가지고 진행하였으며, 행정모델 구축 작업을 완료할 예정이다. 전문가들은 스마트 사업 중, 실증과 상용화가 필요한 사업을 발굴해 스마트 수변도시를 테스트 베드로 활용하는 방안과 스마트 수변도시의 이미지를 보여줄 수 있는 소규모 스마트 특화 계획의 구체화 방안도 제안하고 있다.
#마치며
이번 포스티에는 디지털 트윈과 CPS의 개념과 차이점, 디지털 트윈의 기술요소와 활용 사례 등을 살펴보며 공부하였다. 디지털 트윈은 제조업에서 개념이 출발하여 가상 모델을 제공함으로써 상황을 편하고 쉽게 이해할 수 있게 해 주기 때문에 사용자의 호감을 살 수 있는 방식이다. 또한 다양한 변경사항에 대해 원인 분석과 최적화를 수행할 수 있어 유용성이 산업 현장에서 입증되었다. 디지털 트윈의 쌍둥이들은, 어느 하나의 변화가 상대의 변화를 유발하고, 해당 변화의 폭과 깊이에 따라 모습이 달라질 것이다. 이러한 개념의 효과는 제조로부터 교통, 의료, 환경, 안전 등 여러 산업분야로 확산되고 있고, 현재 많은 연구개발에서 활용 사례가 나타나고 있다.
최근 메타버스(Metaverse)의 활용 사례가 증가하고, 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR), 디지털 트윈 기술이 결합하며 재탄생하고 있다. 아바타 형태로 가상공간 속 역할을 수행하는 메타버스에, 디지털 트윈이 접목되어 현실 공간의 경험을 메타버스 세계로 그대로 이어나가며 유기적인 동기화의 형태로 표출될 것으로 전망된다.
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