시대 상황과 디지털 트윈(Digital Twin)의 반영 한계: 올바른 이해 및 활용 방향
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시대 상황과 디지털 트윈(Digital Twin)의 반영 한계: 올바른 이해 및 활용 방향
  • 고현석 기자
  • 승인 2022.01.16 20:43
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[KISTI ISSUE BRIEF] 제39호_ 과학기술인프라, 데이터로 세상을 바꾸다

 

가상 세계의 구현 기술이 4차 산업혁명과 코로나 팬데믹의 시대 상황에 함께 맞춰지면서 좀 더 빠른 방향으로 현실 세계와 똑같거나 이상적인 가상 세계를 구현하고자 하는 동기 부여를 더욱 가속화시키는 계기가 되고 있다. 이러한 시대 상황을 잘 이용하여 완성 수준에 도달한 것처럼 착각하게 만들고 있는 것이 다름 아닌 디지털 트윈(Digital Twin)의 용어 사용이다. 

이에 한국과학기술정보연구원(KISTI)은 현재의 4차 산업혁명에 대응되는 디지털 트윈 용어의 정확한 의미를 살펴보고, 가상 세계와 현실 세계를 연결하고자 하는 두 축인 디지털 트윈과 메타버스의 모습을 서로 비교해 보면서 디지털 트윈에 대한 깊이 있는 안목을 갖도록 하기 위해 『KISTI 이슈브리프』 39호를 발간했다(저자: KISTI 국가슈퍼컴퓨팅본부전략팀 윤태호 팀장/선임연구원).

브리프를 통해 윤 선임연구원은 디지털 트윈을 시대 흐름을 가속화시킬 수 있는 각종 기반 기술에 따라 확보되는 영역으로 이해하고, 이에 대한 올바른 활용 방향을 찾을 수 있도록 해야 한다고 밝혔다.

 

■ 디지털 트윈을 바라보는 관점 

▶ 가상 세계 추구의 시대 상황 

▪ 4차 산업혁명: 사물인터넷(IoT), 클라우드/엣지 컴퓨터(Cloud/Edge computer), DNA(Data- Network-AI), 빅데이터(Big data), 공학 시뮬레이션(Engineering simulation) 등의 요소 기술로부터 모든 과학기술 분야의 연결성을 갖춘 완성체로의 동작이 필요한 시대에 살고 있음 

▪ 코로나 팬데믹: 시뮬레이션 및 가상현실(VR), 증강현실(AR), 홀로그램 등 특수효과, 게임 엔진 등의 활용 기술들을 통해 최근 몇 년 동안 코로나 팬데믹에 따른 비대면 사회 소통 구조와 이를 뒷받침해 주는 빠른 온라인 접속 속도에 따라 3차원 가상화의 구현 기술이 확대되어 가상 세계에서의 소통 활동이 더욱 활발해짐 

▪ 상호 융합화 시대: 4차 산업혁명 및 코로나 팬데믹의 동시대 상황에 따라 융합이라는 관점에서 전체 연결성을 확보하기 위한 다양한 노력들이 이뤄짐 

▶ 융합적 관점의 용어 활용성 

▪ 사이버-물리 시스템(CPS): CPS가 가상과 현실의 데이터를 공유하고 이를 시스템상 구현하는 개념이라면 CPS에서 더 나아가서 현실에서 받은 데이터를 가상으로 똑같이 구현하는 개념으로 디지털 트윈이 반영됨.

▪ 스마트 팩토리: 스마트 팩토리는 공장 내 설비와 기계에 설치된 센서를 통해 데이터가 실시간으로 수집·분석되어 공장 내 모든 상황들이 일목요연하게 보여지고, 이를 분석해 목적된 바에 따라 스스로 제어할 수 있게 됨, 스마트 팩토리의 핵심 기반이 CPS라고 할 수 있고, 더 나아가 디지털 트윈으로 발전됨 

▪ 융합적 관점의 용어 필요: 과학기술 용어의 힘은 단순 과학기술 분야뿐만 아니라 사회·문제·경제·정치 등 모든 영역에서 융합을 위한 소통의 역할을 하는 것임 

▶ 디지털 트윈 용어의 재탄생 및 효력 

▪ 획기적인 용어의 확보: 디지털 트윈은 의미 그대로 디지털 쌍둥이를 말하는 것이며, 현실 사물 등의 객체에 대해 가상의 객체를 동일하게 만들어 동시에 동작하게 하는 것으로 누구나 쉽게 이해할 수 있는 획기적인 용어임, 메타버스를 이미지로 나타내기는 어려우나 디지털 트윈은 동일 객체를 가상의 이미지로만 표현하면 되므로 쉽게 적용할 수 있음 

▪ 시대 상황에 맞는 마케팅 용어: ‘디지털 트윈’과 ‘메타버스’ 용어는 버즈워드(반짝 마케팅 목적으로 사용하기 위해 만들어진 용어)로 재사용되었다고 볼 수도 있음. 기업에서 시대 상황을 제대로 이해하고 상업적 목적에 따라 의도적으로 부활시킨 용어라고 판단됨 

▪ 요소기술 재도약의 기회시장 제공: 디지털 트윈의 용어 재발견을 통해 사물 인터넷 등 센서 분야와 함께 제품 등 개발 과정뿐만 아니라 운영 과정에서도 시뮬레이션이 부각되어 소프트웨어 업계가 도약할 수 있는 기회가 되었음 

 

■ 디지털 트윈의 이해

▶ 디지털 트윈의 개념 정리 

▪ 디지털 트윈 정의: 디지털 트윈은 제품 또는 부품, 프로세스, 시스템 등 실시간으로 동작하는 물리적 객체에 대해 컴퓨터에서 논리적으로 동작하는 가상의 쌍둥이라고 정의할 수 있음 

▪ 디지털 트윈 역할: 디지털 트윈은 모든 사물의 정보를 디지털화(Digitalization)하여 보관, 빠르게 이용할 수 있도록 하여 제품 출시 시간 단축, 유연 생산, 품질 개선, 효율성 향상 등이 가능함에 따라 기업의 자산으로 비즈니스 전 과정에서의 의사결정에 기여함 

▪ 디지털 트윈의 한계: 메타버스와는 다르게 디지털 트윈 개념이 현실화되도록 하기 위해서는 AI 및 공학 시뮬레이션 기술에 대한 현실 세계와의 실시간성 확보가 가능해야 하나 아직까지 상당한 시일이 걸려야 해결되는 문제 영역임 

▶ 디지털 트윈의 특성 

▪ 가상 모델의 디지털 페어 용어 적용: 트윈의 용어에서 보듯 동물이 태어나면서부터 쌍둥이라고 하더라도 독립적 객체로 행동하기 때문에 같은 이치로 물리 모델과 가상 모델이 동시에 같은 행동을 하는 것을 트윈으로 쓰는 것이 맞지 않다는 의견이 가능할 것임, 이에 따라 혹자는 실시간 항상 상호 일치한 결과여야 한다는 페어(pair)라는 용어가 트윈보다 더 적절할 수 있다는 의견을 제시하기도 함 

▪ 실제 세계와 가상 세계의 양방향성: 디지털 트윈이 제대로 동작하기 위해서는 실제 세계와 가상 세계가 동기화되어 상호 작용해야만 함. 이는 가상 모델을 통해 제품 또는 부품, 공정, 시스템 중 필요한 고부가가치 객체에 대해 유지 관련 문제를 최소화하는 최상의 생산 및 운영 효과를 얻을 수 있음 

▪ 기술 대신 개념 모델 활용 구조: 현재 활용되고 있거나 계획 중인 디지털 트윈의 경우 물리 모델의 실시간 센싱 데이터 연동 형태로의 완성형보다는 개념 모델의 활용 구조에 가까운 것이나 대부분은 기술로 확대 해석하고 있음 

▪ 시뮬레이션이 핵심 기술: 디지털 트윈의 운용을 위해서는 시뮬레이션 기반으로 가상 입력조건에 대한 결과 예측과 가시화 환경 구현과 사물인터넷 등 물리적 객체와의 연동 수단 등이 함께 주요한 역할을 담당해야 함 

▪ 디지털 객체를 통한 예측 및 의사결정: 실시간 연결을 통한 상황 파악을 넘어서는 미래를 예측하기 위해 최적화 물리 모델을 확보하는 것으로 시뮬레이션이 활용된 물리 모델의 예측이 무엇보다도 중요함 

■ 디지털 트윈의 시장 및 정책 동향 

▶ 분석 정보 

▪ 포털 빅데이터 관심도 분석: 포털 서비스를 이용하는 모든 사람들을 대상으로 하는 구글 트렌드를 활용하여 조회 수 검색을 통해 디지털 트윈의 관심도를 확인함 

▪ 트렌드 분석: 디지털 트윈은 2017년 처음으로 미국 IT분야의 리서치 전문 기업인 가트너에서 10대 전략 기술에 포함시켰으며, 2018년에는 가트너의 출현 기술을 위한 하프 사이클에서 최고의 기대치에 위치하는 기술 개념 관련 용어가 되었음, 2019년을 마지막으로 10대 전략기술에 포함되고 하프 사이클에서도 사라져서 이후에는 디지털 트윈의 뜨거운 용어 사용이 안정기에 접어드는 것으로 제시하였음 

▶ 활용 도구 

▪ 산업용 사물인터넷: 제너럴 일렉트릭은 프레딕스의 산업용 중대형 장비나 부품에 부착된 센서에서 축적되는 데이터를 분석해 현장에서 발생하는 각종 문제들을 해결할 수 있도록 한 소프트웨어 플랫폼을 출시함 

▪ 시뮬레이션의 플랫폼화 서비스: 앤시스 트윈 빌더(Twin Builder)는 3D 설계, 공학 분야의 구조/물리 해석 및 시스템 모델링 시뮬레이션을 제공하는 앤시스 솔루션임, 구성품 수준의 여러 물리 모델들을 연계하여 시스템 단위의 디지털 트윈 제작 및 서비스를 지원함

▪ 데이터 분석 및 가시화: 소프트웨어 AG의 트렌드마이너의 경우 정유/석유화학 플랜트 등의 대형 산업체에서 디지털 트윈을 위해 사용되는 분석 예측 소프트웨어임, 노르웨이 DNV-GL사의 버라시티 (Veracity) 플랫폼은 선박 및 해양플랜트 중심의 디지털 트윈 구축에 적용되기도 함 

▶ 활용 분야 

▪ 제품: 볼보(Volvo) 자동차 엔진에 대해 앤시스와 제너럴 일렉트릭의 프레딕스를 활용해 물리적 모델과 가상 모델을 제시하여 시뮬레이션, 모델기반설계(MBD), 산업용 사물인터넷의 종합적 활용이 추진됨 

▪ 제조: 다쏘 시스템에서는 로봇 제조 공정 시 로봇 제조 프로세스 시뮬레이션을 통해 생산라인의 배치, 하드웨어, 프로세스, 작업디자인 등 생산 과정 전체에 최적화 검토 결과 과거 대비 생산성이 10~15% 향상됨 

▪ 도시화: 버추얼 싱가포르(Virtual Singapore)는 다쏘 시스템과 함께 국가 전체 모습을 3D로 재현하는 프로젝트를 추진하여 도심의 도로나 아파트, 빌딩 등 주요 시설은 물론 가로수나 주변의 육교까지도 그대로 재현하기 위해 2018년도에 약 700억원을 들여 완성함, 싱가포르 인구 통계, 이동 및 기후 등의 실시간 데이터뿐만 아니라 기하학, 지리 공간 정보, 위상 기하학 등의 데이터가 버추얼 싱가포르에 반영됨, 도시 환경 및 재난 관리, 사회기반시설, 국토 안보, 지역사회 서비스 등 실제 도시 문제 정책을 모델링 및 시뮬레이션 함 

▪ 에너지: 제너럴 일렉트릭의 디지털 발전소의 경우 발전소 전체를 가상화하고 다양한 운영 시나리오를 시뮬레이션 한 사례임, 1.5% 발전 효율성 향상과 예상치 못한 가동 중단 시간 5% 감소, O&M 비용 최대 25% 감소, 이산화탄소 배출량 3% 절감을 이룸 

▶ 국가 정책 

▪ 5G기반 디지털트윈 공공선도 사업: 과학기술정보통신부에서는 제조산업 및 시설물 안전 분야에 대해 4년에 걸친 실증(20~23년, 20년 99억원, 21년 125억원 등)을 위해 5G 기반 디지털 트윈 공공선도 사업(2020.02)을 추진함(정보통신산업진흥원, 2020), 최근 시설물 안전·제조 혁신 착수보고회 (2021.05.20.)도 진행함 

▪ 한국판 뉴딜 종합 계획: 10대 대표과제(①데이터 댐, ②지능형 정부, ③스마트 의료, ④스마트 스쿨, ⑤디지털 트윈, ⑥국민안전 SOC, ⑦스마트 그린 산단, ⑧그린 리모델링, ⑨그린 에너지, ⑩미래 모빌리티) 중 하나인 디지털 트윈 과제에 대해서 2020년 7월 14일에 전략적으로 추진 준비를 마침

▪ 디지털 트윈 활성화 전략: 디지털 트윈 초혁신 프로젝트 비전을 실현하기 위해 산업, 시장, 기술, 표준화·제도의 전략적 과제 분야를 정해 2021년 9월 6일 공개함

 

■ 디지털 트윈의 대응 자세 

▶ 공학 시뮬레이션의 활용법 

▪ 현실 세계의 가상 세계 복사 지원: 시뮬레이션을 통해 실제 제품이 가상에서 그대로 동작하게 만들어 낼 수도 있다고 판단하게 되었고 이런 최첨단 가상기술이 동원되어야만 현재 4차 산업혁명 시대에 살아갈 수 있는 존재가 되는 것임 

▪ 고부가가치 대상으로의 한정: 누리호의 로켓 발사 성공으로 우주개발 선진국 대열에 합류를 시작한 우리의 과학기술에 있어 기존 아리랑, 천리안 인공위성 운용 등의 관리 상황, 향후 적정 운용기간 등의 예측이 가능하기 위해서는 이런 고부가가치 장비에 대한 디지털 트윈 구현이 필요함 

▪ 축차모델(ROM) 활용: 시뮬레이션 결과의 동기화 과정상 빠른 응답이 필요한 상황에 대해 고정밀도 해석 모델을 단순화시킨 축차모델로 변경해 해석 시간의 절감 또는 다른 해석을 위한 저장 공간의 축소 방법이 일반적으로 사용됨, 즉 디지털 트윈의 완성형 단계에 사용될 수 있는 수준으로의 시뮬레이션 적용은 쉽지 않음 

▪ 검증 및 실증(V&V)의 중요: 가상 모델이 물리 모델과 수명주기 동안 제대로 동작하기 위해서는 시간에 따라 축적되는 외부 환경에 적정하게 반영되고 있는지의 주기적 검증(validation) 과정이 요구됨, 이는 시뮬레이션의 결과에 대한 신뢰성을 보장받기 위해서 대상 체계를 추상화한 모델이 목적에 맞게 개발되어 사용해도 되는지 일련의 점검 및 승인 과정이 필요함(이광기, 2018) 

▪ 고충실도 시뮬레이션 적용 한계: 전기체 모델에 대한 외부 요인 영향을 분석할 수 있는 시뮬레이션이 반영될 수 있어야 함, 가상구조시험(Virtual structural test)이 제품(또는 구조물) 형체에 미치는 영향을 검토하는 것이라면 제품에서의 유동 흐름 분석을 위한 가상시험은 전통적으로 풍동시험이 사용되고 있기 때문에 가상유동시험의 용어를 쓰는 대신 가상풍동시험(Virtual wind tunnel test)이 반영되고 있는 것임 

▶ 올바른 디지털 트윈 모습 

▪ 개발-제작-운영의 연동 활용: 디지털 트윈은 고비용이며 장시간 구축이 요구되기 때문에 단순하게 운영적인 측면만을 고려하기 위해 기회비용이 큰 디지털 트윈을 반영한다는 것은 문제가 있음, 설계- 제작-운영으로의 연동이 가능해야 전 주기 동안 확보된 데이터 이력이 충분히 활용되어 그만큼의 기회비용을 넘어서는 효과를 확보할 수 있음 

▪ 고충실도의 공학 시뮬레이션 연계: 디지털 트윈을 위한 충실도 높은 가상시험 수준의 공학 시뮬레이션 모델을 활용하며 다물리 해석이 가능하도록 소프트웨어 기능 구현이 필요함, 시뮬레이션 소프트웨어- 하드웨어-인공지능 소프트웨어가 통합 플랫폼에 연결될 수 있도록 하여 제품 전주기에 걸친 종합적 활용이 필요함 

▪ 시뮬레이션 플랫폼/솔루션 업체 경쟁력 확보: 선진 해외 소프트웨어 기업들은 제품 등 수명주기 전체를 포괄할 수 있는 방대한 소프트웨어 기술의 집대성을 위한 통합 플랫폼화를 추진하고 디지털 트윈 활용을 위한 다양한 플랫폼/솔루션이 출시되고 있음, 가장 중요한 것은 공학 시뮬레이션 소프트웨어들을 통합하는 플랫폼화로 거대 규모의 소프트웨어 기업이 주도하는 플랫폼화에 시장이 잠식될 수 있는 상황을 맞이하고 있음 

▪ 제조기업의 소프트웨어 기업으로의 변신 시도: 4차 산업혁명 시대에 매칭될 수 있는 기술적 아이템의 도출 필요에 의해 제너럴 일렉트릭의 제조기업이 소프트웨어 기업으로의 전환을 추진하였고, 특별하게 디지털 트윈 용어를 앞세워 해당 시장의 활성화를 유도하게 되었음, 이제 삼성과 같은 대기업에서도 앞으로 더 이상 제조기업에만 머무르지 말고 소프트웨어 융합 기업으로 도약을 시도해야 할 때임 

▪ 엑사스케일급 슈퍼컴퓨터와 클라우드 연계: 디지털 트윈을 완성시키기 위해서는 시뮬레이션 소프트 웨어 이외에 초고성능 컴퓨팅 파워가 함께 지원되어야 함, 모든 분야에서 디지털화가 촉진됨에 따라 엄청난 컴퓨터 자원이 요구되고 있어 현재 국내에서 유일하게 사용 가능한 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터의 성능을 향상시킨 엑사스케일급 슈퍼컴퓨터의 도입 및 클라우드 플랫폼에 탑재 시키는 활용 체계가 갖춰줘야 할 것임 

▪ 디지털 트윈 완성을 위한 노력: 디지털 트윈은 물리 객체의 개발-제작-운영 등 전 주기 동안 빠르게 이용할 수 있도록 하는 목표에 부합되도록 개념 모델 활용 도구에서 물리 모델 활용 도구로 확보 범위가 넓어져야 함 

▪ 데이터 거래 시장에 대한 준비: 데이터가 단순 생산 공정의 결과(process outcome)에서 이용하던 것을 프로세스 개선(process enabler)을 거쳐 제품 판매(product enabler)를 위한 중요 자산이 가능하게 될 것으로 데이터 자체가 하나의 상품(product)이 되는 것임.

▪ 정보보호 문제 주의 필요: 모든 정보가 디지털화되어 사용의 편리함이 크게 향상되는 것과 함께 정보보호의 문제가 중요한 이슈가 될 것임 

 

■ 디지털 트윈의 활용 제언

▪ 디지털 트윈 모델의 인식 개선: 4차 산업혁명에 있어 중요 키워드인 디지털 트윈의 완성 단계는 공학 시뮬레이션을 포함하는 DNA, 센서, 사물인터넷 등 요소 기술들의 종합적 연계를 통해 확보 가능한 것임, 4차 산업혁명에 걸맞는 기술적 방향 설정 요구에 대해서 올바른 시대 정신을 갖고 과학기술이 적정하게 정착될 수 있도록 디지털 트윈 정책의 바로미터 제시가 중요함 

▪ 정부 주도의 실증사업 활성화 전략 필요: 디지털 트윈 요소 기술별 R&D 사업을 추진하고, 트윈 적용 서비스 분야별 수요 기술의 전망을 담은 로드맵 수립(관계부처 합동, 2021b)이 추진 중이나 제조, 건축, 도시, 물류, 에너지 등 디지털 트윈 수요가 높은 각 분야별 디지털 트윈 아키텍쳐와 각 구성 요소별 연구개발 로드맵으로 세부 확대가 필요함 

▪ 고부가가치 객체에 대한 선택과 집중 필요: 센싱, 네트워크, AI, 시뮬레이션 등 요소 기술 연계를 통한 디지털 트윈을 확보하기 위해서는 고부가가치 객체의 선택 및 제품, 공정, 시스템 트윈 중 적절한 트윈 종류 하나에 집중하여야 함, 이를 위해 고부가가치가 높은 제품, 제조, 도시, 에너지 분야 등의 적용 가능 객체를 개발 초기 단계부터 발굴하는 노력이 필요함 

▪ 정부 주도의 플랫폼 지원 및 생태계 체계 마련: 고부가가치 제품 위주의 제품 생산 및 판매, 운영, 서비스의 제품수명 주기 전체에 공공 플랫폼이 제공될 수 있도록 디지털 트윈의 매개체 역할을 해야 함 

▪ 공학 시뮬레이션의 활성화 체계 지원: 디지털 트윈 완성을 위해 그 기반이 되는 시뮬레이션의 기술 속도를 높일 수 있도록 가상시험에 활용하는 등 세부 항목별 정합성이 확보되도록 국내 소프트웨어 개발 업체의 프로젝트 지원 등 활발한 지원 활동이 필요함 

▪ 산업체 고성능컴퓨터의 활용 지원 정책 추진: 산업체에서 대규모 어셈블리 물리 모델의 공학 시뮬레이션을 원활하게 수행할 수 있도록 고성능컴퓨터의 활용 지원 정책이 추진되어야 함 


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