디지털 트위닝(digital twinning, DT)은 인더스트리 4.0(Industry 4.0)과 산업용 사물 인터넷(industrial Internet of Things, IIoT)을 위한 기술 로드맵의 일부이다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다.
디지털 트위닝이란 데이터에 기반한 방법으로 물리적 시스템을 디지털 모델로 컴퓨터로 복제해 개별적으로 구현함으로써 물리적 시스템의 설계와 유지보수를 향상시키는 기술이다. 자동화와 데이터 교환이 발달하면서 데이터 트위닝이 다양한 산업 애플리케이션에서 유용하게 활용될 수 있게 된 것이다.
물리적 세계와 디지털 세계가 만나는 이러한 새로운 산업 환경을 4차 산업 혁명, 즉 인더스트리 4.0이라 부른다. 수많은 첨단 전자기기와 컴퓨터 시스템이 교차하는 지점에 적용되는 인더스트리 4.0의 ‘새로운 방식’은 이득과 효율을 증대시키고 유연성을 높여준다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다. 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하기 위해 다음과 같은 기술들이 디지털 트위닝에 활용되고 있으며, 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0을 위한 기술 로드맵의 일부일 뿐이다.
• 페어링 기술
• 가상 물리 시스템
• 증강, 가상 및 혼합 현실
• 인공 지능
• 적층 가공
• 3D 프린팅
• 디지털 스레드
페어링 기술
페어링 기술(Pairing technologies)은 어떤 디바이스나 시스템이 다른 디바이스와 시스템을 찾아서 연결 및 통신할 수 있게 해주는 기술로 디지털 트위닝과 인더스트리 4.0 세계에서 매우 중요하다. 일례로 센서와 산업용 사물 인터넷 제품들은 다른 디바이스를 성공적으로 찾아서 연결할 수 있어야 한다. 블루투스(Bluetooth®) 같은 기술들이 이러한 연결에 사용된다. 이를 수행하려면 연결된 디바이스는 다른 연결 가능한 디바이스를 성공적으로 찾을 수 있어야 한다. 특정 디바이스는 다른 디바이스를 찾을 때 질의응답 및 데이터를 공유하고자 하는 대상과 통신하고 있는지 확신할 수 있어야 한다. 디바이스가 적절히 활성화되고 절차가 성공적으로 이루어지면 이를 페어링이라 부른다.
이때 보안 문제는 굉장히 중요하다. 모든 디바이스는 크로스토크를 방지하고 잘못된 정보가 전달되지 않도록 정확한 식별이 확인된 후에만 페어링 해야 한다. 어떤 디바이스가 페어링 해야 하는 다른 디바이스를 빠르고 쉽게 식별할 수 있는 프로그래밍 알고리즘을 통해 바로가기를 만들 수 있다. 페어링은 암호화를 이용한 인증 키를 통해 수행된다. 페어링은 디바이스 간에 데이터를 교환하는 관계에서 연결이 본딩 상태를 유지하도록 보장하고 외부 소스에 이러한 데이터 교환이 누출되지 않도록 방지한다.
유연한 작동 역시 매우 중요하므로 디바이스는 외부에서 사람의 개입 없이 신속하게 페어링을 만들고 해제할 수 있어야 한다. 페어링이 성공한 경우, 페어링을 활성 상태로 유지하기 위해 지속적인 통신이 필요할 수 있다. 디바이스 중 하나가 더 이상 페어링 본드가 필요 없다고 판단하는 경우 페어링 관계를 끊고 다른 페어링을 준비한다.
가상 물리 시스템(CPS)
미국 국립과학재단(NSF)은 가상 물리 시스템(cyber-physical system, CPS)을 “컴퓨팅 자원과 물리적 자원 간의 긴밀한 결합과 조정”으로 정의한다. 이 정의에서 중요한 요소는 일련의 연결된 사물 또는 부분이 복잡한 전체를 구성한다는 시스템적인 접근방법을 채택하고 있는 점이다.
현재 CPS의 예로는 자동화된 항공사 비행 제어 시스템을 들 수 있다. 인더스트리 4.0은 이를 실현하기 위해 비행기가 아닌 기계, 컴퓨터, 로봇, 센서 및 공정이 전체적으로 함께 작동하게 하는 교통 통제를 필요로 한다. 이는 복잡도 사슬에서 한 단계 높은 수준이므로 IIoT보다 높은 차원의 시스템을 나타낸다. IIoT가 막대한 양의 데이터를 수집하고 처리, 공유하는 것과 관련되는 곳에서 CPS는 다양한 시스템에서 수집되는 이러한 방대한 양의 데이터를 관련된 산업과 연관된 여러 분야에 걸쳐 적절히 활용하도록 보장하는 데 초점을 맞춘다. 특정 산업의 고유한 딜레마는 특정 과제를 해결하기 위해 엔지니어링 전문지식을 필요로 한다.
증강, 가상 및 혼합 현실
새로운 기술들이 우리의 현실을 확장하고 있다. 이 기술들은 디지털 콘텐츠를 우리 앞에서 물리적으로 중첩시키고, 가상 세계와 실제 세계를 한데 합쳐 증강된 세계로 인식되는 혼합 현실을 만들어낸다. 이러한 효과를 통해 엔지니어는 새로운 방식으로 사물을 볼 수 있다. 예를 들어 컴퓨터 모니터에서 DT를 보는 대신 디지털 콘텐츠에 참여하거나 홀로그램과 상호작용할 수 있게 하는 증강 현실(AR) 헤드셋을 사용해 DT를 볼 수 있다.
이러한 AR을 사용하면 착용자는 신체적 감각을 통해 몰입감 높은 체험을 할 수 있다.
현실감을 높여주는 헤드셋은 디저털화 한 환경을 통해 물리적 세계를 체험함으로써 물리적 세계에서 발생하는 실제 조건을 실시간으로 경험할 수 있게 한다. AR은 새로운 통찰과 이해로 이어질 수 있다. 또한 DT 디스플레이를 사용자의 시야에 띄울 수 있는데, 이렇게 하면 훨씬 더 접근 가능하고 사용하기 쉬운 실시간 피드백이 가능하다.
IIoT는 연결된 데이터의 제공을 약속한다. 따라서 유용한 데이터를 저장하고 분석해야 한다. 인공 지능(AI)은 막대한 양의 디지털 데이터를 어떻게 분석하고 성공적으로 처리할 것인가에 대한 해결책이다. AI는 신속한 통합과 하이브리드 통합, 투자 활용, 시스템 관리와 컴플라이언스를 구현하여 가치를 증진시키므로 디지털 트위닝을 보다 완전하게 실현할 수 있게 도와준다.
머신러닝을 통해 AI는 디지털 데이터를 사용하여 모델링, 분석, 훈련, 적용, 그리고 최상의 의사결정을 추론하는 기회를 제공한다. AI는 컴퓨팅에 대한 전통적인 관점을 바꾸어 놓고 있다. 지금까지는 주로 공정 자동화와 스케일링의 관점이었다면 이제는 실행 가능한 통찰을 통해 지식 기반 관점으로 옮겨가고 있다. 조만간 AI는 엔지니어가 새로운 통찰과 가치를 창출하는 방법을 얻는 데 도움을 주게 될 것이다. 데이터 과학 접근방법을 사용하게 될 때 결정은 빠르게 강력해지고, 이는 추가적인 기회를 만들어낼 것이다.
적층 가공
적층 가공(additive manufacturing, AM)은 재료를 한층씩 쌓아 올려 3D 물체를 만드는 제조 방법이다. AM은 변화하는 수요에 대처하고 유통 가능하며 유연한 제품을 제조할 수 있는 산업을 이끌고 있어 전망이 밝다. AM의 두 분야인 3D 프린팅과 디지털 스레드는 디지털 트위닝을 가능하게 만들면서 계속 발전하고 있다.
3D 프린팅(3D printing)은 아마도 AM 중에서 가장 잘 알려진 예일 것이다. 3D 프린팅에서 프린터는 거의 영(제로)에 가까운 리드타임으로 플라스틱, 금속 또는 기타 맞춤형 재료를 사용하여 물체를 프린트하도록 프로그래밍할 수 있다. 3D 프린팅은 대단히 유연하며, 큰 규모의 경제에서 발생하는 제조와 관련된 문제를 없애준다. 이것이 미래에 의미하는 것은 누구나 마치 패스트푸드를 주문하듯 원하는 것을 신속하게 얻을 수 있게 된다는 것이다.
디지털 스레드
복잡한 시스템에서는 관련된 모든 시스템이 통일된 하나의 시스템에서 동작하지 않으며, 따라서 스케일링이 어렵기 때문에 AM은 주로 실험실에 제한적으로 사용되었다. 디지털 스레드(digital thread)가 이를 바꾸고 있다.
디지털 스레드는 데이터에 기반한 디지털 시스템 뒤에서 이를 일정하게 하나로 묶어주는 끊이지 않는 데이터 흐름을 말한다. 디지털 스레드는 공유된 정보의 소스인 스레드에 서로 다른 애플리케이션을 연결하여 하나로 통일함으로써 AM의 잠재력을 끌어낸다. 디지털 스레드는 재설계된 인더스트리 4.0에 관련된 모든 위치에서 정보의 수집, 관리, 분석을 위한 더 쉬운 공정을 생성한다. 또한 전체 공정을 통해 설계와 생산, 가동의 효율을 높이고 최적화한다.
결 론
디지털 트위닝은 기존 제품과 공정의 이득과 효율, 유연성을 증가시키면서 인더스트리 4.0의 중요한 지표가 될 것이다. 그러나 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0 로드맵의 일부일 뿐이다. 페어링 기술, CPS, AI 및 AM이 물리적 세계와 DT 정보와 통찰력의 세계를 하나로 연결하는 데 핵심적으로 활용되고 있다. 이러한 기술의 복잡성이 디지털 트위닝이라는 기술에 통합되어 적용될 때, 이들 기술은 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하는 데 기여하게 될 것이다.
글_ 폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
