물리적 존재와 디지털 존재가 연결된 시스템 디지털 트윈

물리적 존재와 디지털 존재가 연결된 시스템 디지털 트윈

 

아날로그와 디지털의 결합

우리는 0과 1의 조합·조작·처리를 통해 다양한 정보를 만들어내는 디지털 세계에서 살고 있습니다.

그러나 디지털의 모태는 아날로그로, 디지털과 아날로그는 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다.

상품을 거래하고, 인터넷뱅킹을 통해 돈을 보내고, 이메일을 보내는 행위들은 모두 디지털 사물로 하는 아날로그적인 활동입니다. 눈부신 기술 혁명에도 불구하고 디지털 세계는 운명적으로 아닐로그 세계와 쌍둥이(Twin) 관계입니다. 물리적 존재와 디지털 존재가 연결된 시스템, 또는 물리적 물체의 디지털 표현을 디지털 트윈(Digital twin)이라고 합니다. 디지털 트윈의 개념은 수십 년 동안 지속되어 왔으나 4차 산업혁명에 들어서면서 더 주목받고 있습니다.

그 이유는 사물인터넷과 인공지능 기술 때문입니다. 두 기술 덕분에 사용자의 개입 없이 물리적 실체의 변화를 디지털로 그대로 업데이트할 수 있게 되면서, 디지털 트윈 기술이 위력을 발휘하게 되었습니다. 세상의 모든 사물을 인터넷으로 연결하여 사물과 사물이, 그리고 사물과 사람이 데이터를 서로 주고받는 사물인터넷 기술은 디지털 트윈의 중요한 기반이 됩니다.

여기에 인공지능이라는 소프트웨어를 통해 외부 환경을 인식하고, 스스로 상황을 판단하여, 자율적으로 동작할 수 있는 것입니다.

실제 사물에 장착된 센서는 실시간 데이터와 작동 상태 및 운영 관련 데이터를 수집합니다. 수집된 자료들은 클라우드 기반 시스템을 통해 분류되고, 인공지능은 데이터의 일관된 흐름을 분석하고 최적화하는 역할을 합니다. 디지털 트윈은 아날로그 세계의 변화를 디지털 세계에 반영하여 디지털 세계를 통해 아날로그 세계를 작동시킵니다. 이 기술은 역동적이고 학습 능력이 있으며 상호작용이 가능한 특징이 있습니다.

 

 

 

 

 

 

디지털 세계 속에서 조작하며 결과를 만들어내다

디지털 트윈이란 컴퓨터에 현실 사물의 쌍둥이를 만들고 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 결과를 미리 예측하는 기술로서 인더스트리 4.0의 트렌드이기도 합니다. 하지만 제조업뿐만 아니라 다양한 산업과 사회 문제를 해결할 수 있는 기술이기 때문에 더욱 주목받고 있습니다.

기본적으로 디지털 트윈은 데이터와 정보의 조합으로, 과거와 현재의 운용 상태를 이해하고 미래를 예측할 수 있는 인터페이스라고 할 수 있습니다. 물리적 세계를 최적화하기 위해 사용하는 디지털 객체로서, 운용 성능과 사업 프로세스를 대폭 개선하려는 시도입니다.

디지털 트윈의 구체적인 모습으로 목업(Mock-up)을 떠올릴 수 있습니다. 목업은 제품 디자인 과정에서 어느 정도의 기능과 인터페이스를 예측하고 판단하기 위해 외관만 실물과 비슷하게 만든 모형을 일컫습니다. 과거에는 목업을 나무나 플라스틱 등 가공하기 쉬운 소재로 만들었습니다.

하지만 오늘날에 목업은 3D 프로그램으로 제작합니다. 이 프로그램들로 만든 목업은 실제로 생산될 물건과 모양이 다르지 않으며 컴퓨터를 통해 원하는 대로 자유자재로 설계와 형태를 바꾸어 관찰하고 변경하는 것도 가능합니다.

디지털 트윈 시대에서 목업은 한 단계 더 나아가 스스로 변형합니다. 기획자와 디자이너의 특별한 의도가 없이도 주변 환경의 변화에 따라 발생하는 결과를 데이터로 수집해서 스스로 반영합니다.

예를 들어 시장에서 특정한 모델의 상품이 폭발적으로 판매된다면 이런 변수들에 적절히 대응하며 인기 요인을 다음 제품 생산에 스스로 반영할 수 있습니다. 이처럼 디지털 트윈 기술을 이용하면 이미 시장에 나와 있는 제품이라도 소비자의 요구나 환경 변화에 따라 얼마든지 유연하게 업그레이드할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

디지털 트윈의 기술적 원리

디지털 트윈은 생명체의 항상성 원리를 떠올리면 이해하기 쉽습니다. 생명체는 여러 가지 환경 변화에 반응하며 형태적으로나 생리적으로 안정된 범위를 유지하려는 항상성이 있습니다.

인간의 몸은 환경 변화에 따라 끓임없이 체온과 혈액의 흐름 등을 평형 상태로 유지합니다.

생산, 공정, 혹은 이미 생산된 제품의 사용 과정에도 이와 같은 원리를 적용할 수 있습니다. 가상 목업과 비슷한 방식으로 디지털 트윈을 만들고, 공정 관리자의 태블릿에 이를 제어할 수 있는 프로그램을 심은 후, 생산과 소비의 전 과정에 센서를 설치하면 거기서 발생하는 신호가 태블릿 속 디지털 트윈에 실시간으로 반영될 것입니다.

이렇게 되면 특정 제품이나 공정의 디지털 트윈 프로그램 공유자는 언제 어디서나 제품 관련 문제 발생 여부를 실시간으로 알 수 있습니다. 동시에 최적의 설루션을 찾아 현장에 곧장 전달하고 가장 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

모든 제품이 이런 방식으로 제작, 관리되면 생산 공정 오류로 인한 비용 손실을 줄일 수 있을 뿐 아니라 소비자 요구에도 완벽에 가깝게 부응할 수 있습니다. 특히 고객을 관리하고 요구 사항을 이해하면서 끓김 없는 서비스를 제공해야 하는 비즈니스 분야는 디지털 트윈 기술이 중요하게 응용될 것입니다.

현재 항공기 엔진, 기관차, 풍력 터빈, 건물 제어 시스템, 의료, 소매 분야에서 디지털 트윈은 점점 더 응용 분야를 넓혀 가고 있습니다.

 

 

 

 

생각하는 공장을 만드는 핵심 기술

시장 조사 및 컨설팅 회사인 가트너(Gartner)는 2018년 10대 전략 기술 트렌드의 하나로 디지털 트윈을 제시합니다. 디지털 트윈에 대해 '현실 세계에 존재하는 대상이나 시스템의 디지털 버전'이라고 정의하며 디지털 트윈은 앞으로 몇 년간 사물인터넷에 중요한 역할을 할 것이라고 설명합니다.

디지털 트윈이 주목받는 이유는 체계적으로 설계된 디지털 트윈은 기업 의사 결정을 대폭 향상시키며, 현실 세계에 존재하는 실제 모델과 연결돼 물체나 시스템의 현 상태의 이해와 변화 대응, 운영 개선, 가치 증진에 활용될 수 있기 때문입니다.

제네럴 일렉트로닉(GE)의 마이클 아이들칙(Michael Idelchik) 부사장은 GE가 2016년 말까지 55만 1,000개의 디지털 트윈을 개발했으며, 매일 새로운 디지털 트윈이 만들어지고 있다고 이야기합니다.

GE는 이 기술을 통해 기계를 생산해 배치하는 등 업무상의 모든 결정에 도움을 받으며 최적화된 상태로 장비를 작동시키려는 의도입니다. 소재부터 설계·제조·서비스에 이르는 모든 과정을 하나로 연결하여, 향후 15년간 300억 달러 이상의 비용을 절감한다는 계획을 수립하고 있습니다.

스마트 팩토리를 넘어 제조 기술과 산업 인터넷이 통합된 '생각하는 공장(Brilliant factory)'이 목표인 셈입니다.

 

항공기 조종을 땅에서 한다.

'마이크로소프트 플라이트 시뮬레이터(Microsoft Flight Simulator, MSFS, FS)'는 게임으로 시작되었지만 마이크로소프트에 인수된 이후 비행 훈련기 자격을 얻습니다. 빌 게이츠가 인수 과정에서 이 게임을 빠져 몇 달 동안 허우적댔다는 재미있는 후일담도 있습니다.

이 시뮬레이터 게임은 도시의 실제 건물들도 그대로 묘사되어 있어서 현직 조종사들로부터 실제 항공기 조종과 거의 비슷하다는 평가를 받고 있습니다. 록히드마틴은 자사가 제작한 스텔스 전투기인 F-22와 F-35의 조종 교육용으로 이 게임을 활용하고 있습니다.

노르웨이 육군은 2014년부터 전차병에게 가상현실 헤드셋인 '오큘러스 리프트'를 나눠주고 있습니다. 오큘러스 리프트는 가상현실을 체험하거나 게임을 즐기는 디바이스입니다.

전차의 바깥에 장착된 4대의 카메라가 촬영한 영상을 오큘러스 리프트를 통해 전차의 병사에게 보냅니다. 그러면 그들은 밖으로 나가지 않아도 외부 상황을 마음대로 보고 판단할 수 있습니다.

미 국방부가 게임 회사에 투자하고 미 육군은 가상 훈련 시설을 더 개선해 보병의 총격전뿐만 아니라 헬기·탱크 등 다양한 무기가 동원된 전투를 모사(模寫)하는 것을 목표로 삼고 있습니다.

또한 우리의 과학기술정보통신부도 미국과 비슷한 가상 전토 훈련 센터를 2019년까지 구축할 계획이라고 밝힌 바 있습니다. 마이크로소프트 플라이트 시뮬레이터의 사례는 디지털 트윈이 인더스트리 영영을 넘어서 시뮬레이션과 가상현실을 기술 학습에 활용할 수 있는 항공기와 선박, 특수 장비뿐만 아니라 교육과 게임, 언터테인먼트까지 광범위하게 적용될 수 있는 가능성을 보여줍니다.

 

 

 

 

 

인더스트리 사물인터넷의 꽃, 디지털 트윈

기술의 특징을 고려하면 디지털 트윈의 강점이 잘 발휘될 사용 현장에 직접 접근하기 어려운 경우, 세계 각지에 생산공장이 분포하는 업종, 유행에 민감한 다품종 소량 생산 품목, 지속적인 디자인 업그레이드 작업이 필요한 품목, 과정의 문제를 서류로 파악하기 힘든 현장 중심의 분야, 실시간 생산 공정 관리가 제작비와 품질에 영향을 크게 미치는 제조업 등입니다.

디지털 트윈 체계가 앞으로 모든 유형의 생산 공정에 도입될 것은 분명하며, 종국엔 업계 전반에 근본적인 지각 변동이 일어날 것이라고 예측하는 근거가 여기에 있습니다.

따라서 디지털 트윈을 가리켜 '인더스트리얼 사물인터넷' 또는 '사물 인터넷의 꽃'이라고 부릅니다.

전문가들은 디지털 트윈이 '제4차 산업혁명의 방아쇠를 당기는 역할을 할 것'으로 전망하고 있습니다.

 

제너럴 일렉트릭(General Electric)

에디슨이 1878년 설립한 전기 조명 회사를 모체로 성장한 세계 최대의 글로벌 인프라 기업입니다.

현재 사업 영역은 디지털, 전력, 신재생 에너지, 오일&가스, 에너지 커넥션(송배전), 항공, 헬스케어,

철도, 조명 부문으로 나뉜다, 전기 에너지 생산에 필요한 중전기기(重電機器)와 가정용 전기 기구를 주체로, 원자 연료·제트 엔진·원자력 발전 설비도 제조합니다.

 

 

 

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