표준화 동향
#시작하며
4차 산업혁명을 통해, 현실세계가 가상세계와 연결되어 지속적으로 분석, 제어 및 시뮬레이션 기능을 제공하는데, 이를 디지털 트윈이라 한다. 제조에서의 디지털 트윈은, 기계 스스로 상황을 인지하고 상태를 진단하며, 의사결정을 내릴 수 있는 시스템으로 진화하고 있다. 이러한 기능으로, 제조에서 시작된 디지털 트윈은 모든 산업 분야로 확대 적용되고 있다. 이에 따라 여러 국제 표준화기구에서 관련 표준화 활동을 활발히 진행하고 있으며, ISO TC 184는 산업 데이터 관련 표준화 기구로서, 제조 디지털 트윈 표준인 ISO 23247의 표준화를 진행 중이다.
#표준화 동향
ISO(International Organization for Standardization)는 TC 184 SC 4에서 산업 데이터를 다루고 있다. ISO TC 184는 자동화 및 통합 표준을 개발하는 ISO의 기술 위원회로, 제조와 관련 기술 표준을 개발하고 있고, SC 4는 산업 데이터의 표준을 담당하는 분과 위원회이다. ISO TC 184/SC 4에서 디지털 제조 표준화를 담당하는 WG 15는, 디지털 트윈 표준화에 착수하였다. 이는 한국이 2017년 11월 SC 4 총회에 디지털 트윈 표준에 관한 4건의 NP를 제출함으로써 시작되었다. NP란, New Work Item Proposal로서, NWIP 혹은 줄여 NP라고 나타내며, 신규 표준항목을 제안할 때 사용한다.
- ISO 23247 - 1 (Part 1: Overview and general principles) > 디지털 트윈 개발을 위한 원칙 및 요구사항 정의
- ISO 23247 - 2 (Part 2: Reference architecture) > 기능적 뷰를 지원하는 요구사항 정의
- ISO 23247 - 3 (Part 3: Digital representation of manufacturing elements) > 관찰 가능한 기본 정보 속성 목록
- ISO 23247 - 4 (Part 4: Information exchange) > 참조 구조 내에서 entity 간 정보 교환을 위한 기술 요구사항 정의
ISO 23247은 제조 분야에서 디지털 트윈을 정의하며, 위와 같이 인력, 장비, 프로세스, 시설, 환경, 제품을 포함한 디지털 트윈 프레임워크를 정의하였다.
- ISO 24247-1
ISO 23247-1은 제조를 위한 디지털 트윈의 개요, 범위, 원칙 및 요구사항을 정의한다.
| 디지털 트윈의 개요 | |||
| 제조 요소 | 인력, 장비, 재료, 프로세스, 환경, 제품, 관련 문서 등 관찰 가능 제조요소 | 데이터 수집 및 디바이스 제어 |
제조 요소로부터 데이터를 수집하거나 제조요소를 제어 |
| 디지털 트윈 | 기능을 포함하는 속성까지 디지털로 표현, 데이터 수집 및 디바이스 제어와 연결되어 제조요소와 동일한 상태로 동기화 | 디지털 트윈 응용 |
실시간 제어, 오프라인 분석, 제조 자원의 안정성 확인, 예지 보전 등 |
* 디지털 트윈으로 인한 장점
시뮬레이션을 통한 실시간 계획 수립이 가능하고, 검증 및 제조 프로세스 조정, 실시간 모니터링 및 예측을 통한 위험관리, 예지보전 및 비용절감이 가능하다. 해당 장점들을 수행하기 위해, ISO 23247-1에서는, 일반, 디지털 트윈 모델링, 정보 교환 등의 다양한 관점에서의 요구사항을 포함한다.
| 일반 요구사항 | |||
| 데이터 획득 (Data acquisition) |
제조 요소로부터 직접 또는 주변의 센서로부터 데이터를 수집 |
통신 (Communication) |
적절한 통신 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송 |
| 표현 (Representation) |
- 사람이 인식 가능한 정보형식 - 응용 소프트웨어가 처리 가능한 형식 |
데이터 분석 (Data analysis) |
수집된 데이터는 관찰 가능한 제조 요소의 상태를 이해하기 위해 분석 |
| 관리 (Management) |
자원을 최적화하고 이익을 극대화하기 위해 관리 |
동기화 (Synchronization) |
제조 요소와 시기 적절하게 연동 |
| 데이터 저장 (Data store) |
데이터 모델링, 교환, 분석 및 보관 등의 목적으로 데이터를 영구적 또는 일시적으로 저장 | 관점 (Viewpoint) |
서로다른 목적을 위한 관점을 지원 |
| 시뮬레이션 (Simulation) |
동작 중인 제조 요소를 시뮬레이션 | ||
| 디지털 트윈 모델링 요구사항 | |||
| 충실도 (Fidelity) |
제조 요소의 관련 측면을 정확하게 기술 |
확장성 (Extensibility) |
통합, 추가, 향상을 지원하기 위한 확장이 가능 |
| 호환성 (Interoperability) |
제조 시스템의 다른 유형의 디지털 모델과 호환 가능 |
정밀도 (Granularity) |
적절환 정밀도 수준으로 제조 요소의 상태에 대한 통찰력을 제공 |
| 정보 교환 요구사항 | |||
| 네트워킹 (Networking) |
적절한 처리량과 대기 시간을 제공하는 네트워킹 프로토콜을 사용하여 디지털 트윈 프레임워크의 entity간 정보 교환 | 동기화 (Synchronication) |
적절한 속도로 제조 요소의 상태에 대응하여 업데이트 |
| 정확성 (Accuracy) |
적절한 수준의 충실도로 제조 요소의 상태를 설명 |
데이터 무결성 (Data integrity) |
제조 죠소의 상태를 정확하게 기술 |
| 보안 (Security) |
승인된 제조 요소와 통신 | ||
- ISO 23247-2
ISO 23247-2는 제조 디지털 트윈을 위한 참조 구조를 제공한다. 해당 참조 구조는, 위 그림과 같이 디지털 트윈의 기반인 사물인터넷 참조 구조를 확장하여 구성된다. 위 그림에서 나타난 것과 같이, ISO 23247-2 기능 관점의 디지털 트윈 잠조 구조는 아래 그림과 같다.
| 디지털 트윈 요소 / 요소들이 가지는 기능적 요소 (Functional Entity: FE) | |
| Observable manufacturing element (제조 요소들로 구성) |
제조 요소가 갖는 특징적 기능 요소(ex: drilling, milling, cutting 등) |
| Data collection and device control entity (DCDCR, 데이터 수집 서브-요소와 데이터 제어 서브-요소로 구성) |
데이터 수집/전처리 기능, 제조 자원 제어/구동/식별 기능 |
| Core entity (운영 및 관리 서브-요소, 응용 및 서비스 서브-요소, 자원 접근 및 교환 서브-요소로 구성) |
제조 자원의 물리적 특성 정보를 해석하는 디지털 모델링 기능,실물을 디지털 객체로 표현 기능, 실물과 트윈을 동일한 상태로 유지시키는 동기화 기능, 운영 및 관리 지원 기능 등 |
| User entity (사용자 요소) |
시뮬레이션, 분석 서비스, 사용자 인터페이스 기능 등 |
| Cross-System Entity (크로스-시스텝 요소) |
서로 다른 디지털 트윈 시스템 간 정보 해석 기능, 데이터의 정확도와 무결성을 보증하는 기능, 정보보호 기능 등 |
- ISO 23247-3
ISO 23247-3은 제품, 공정 및 자원 등을 포함하는 제조 요소를 디지털로 표현하기 위한 정보를 제공한다.
| 정보 | 설명 | 필수(M) / 선택(O) |
| 식별자 | 제조 자원을 유일하게 식별하기 위한 값 | M |
| 특성 | 제조 자원의 일반적 및 중요한 특징 | M |
| 스케줄 | 제조 요소가 제조 공정에 직/간접적으로 투입된 시간 | M |
| 상태 | 제조 공정과 관련된 제조 요소의 상황 | M |
| 위치 | 제조 요소의 지리적 및 상대적 위치 정보 | M |
| 리포트 | 제조 요소가 수행한 활동에 대한 설명 | M |
| 관계 | 둘 이상의 제조 요소 간의 관계 정보 | M |
| … | … | … |
위 표는 제조 요소를 디지털로 표현하기 위한 정보 속성을 제공한다. 제조 요소 각각에 대해 위의 표를 적용하여 정보 속성을 정의할 수 있고, 사용 사례에 따라 확장될 수 있다.
- ISO 23247-4
ISO 23247-4는 디지털 트윈에서 정보 교환을 위한 방법을 정의한다.
정보 교환을 위한 인터페이스는, ISO 23247-2의 참조 구조 그림에서, 위 그림과 아래 표와 같이 4가지로 정의된다.
| 사용자 네트워크 (User - Core entity) |
사용자에게 제조 자원을 디지털화된 모습으로 보여주는 시각화 기능 표준화된 방법으로 제공되는 데이터 교환 PULL, PUSH, PUBLISH를 포함하는 transaction 기능 정보보호 기능 |
| 서비스 네트워크 (Inner interface of Core entity) |
상황, 재현, 모니터링, 시뮬레이션 등 Core Entity가 제공하는 디지털 트윈 서비스와 관련된 정보 교환 ISO 23247-3에서 정의한 제조 요소를 위한 디지털 표현 |
| 액세스 네트워크 (Core - Data collection and device control entity) |
제조 요소와 통신을 위한 연결 지원 및 실시간 통신 기능 표준화된 형태의 데이터 교환 방법 제조 요소 식별 / 제어 정보 및 동기화 정보 전달 기능 PULL, PUSH, PUBLISH를 포함하는 transaction 기능 DCDCE의 네트워크 위치가 변할 경우, 디지털 트윈과 연결 유지기능 정보보호 기능 |
| 근접 네트워크 (Data collection and device control entity) - Observable manufacturing element |
산업용 이더넷 등과 같은 로컬 네트워크를 통한 연결지원 기능 데이터 전처리와 프로토콜 변환 기능 |
위 그림은, 앞서 표에서 나타난 4개의 인터페이스에 적용할 수 있는 프로토콜의 사례를 나타낸다.
#마치며
오늘은 디지털 트윈의 표준화 동향에 대해 알아보았다. 디지털 트윈은 4차 산업혁명의 핵심이라 할 수 있다. 제조에서 시작하여 다양한 분야로 확대되며, 완전 무결한 스마트화를 통해 새로운 차원의 제조를 가능하게 할 것이다. ISO 23247 표준은, 디지털 트윈 기술을 제조에 적용하기 위한 프레임워크를 정의하며, 앞으로 다양한 분야의 표준들이 개발될 것이다. 이러한 표준들은 실제 환경에 디지털 트윈을 구축하여 적용할 수 있는 가이드라인이 될 것으로 기대되고 있다.
- 참조: 이현정, 김성혜, 이진영, 유상근. 2020. 4차 산업혁명을 위한 제조 디지털 트윈 국제표준화 현황. 한국통신학회지(정보와통신) 37: 43-50.
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