디지털 트윈(Digital Twin) 기술 소개 - 쌍둥이 디지털 세상

목차

디지털 트윈의 개념
디지털 트윈 구현단계
디지털 트윈의 원리

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디지털 트윈의 개념

 

디지털 트윈은 말 그대로 현실세상과 똑같은 쌍둥이 세상을 만드는 것이다. 현실세계에서의 사물, 장치나 프로세스 등을 디지털 형태로 모델링하여 가상이 현실을 구현하는 것이다. 구현된 사이버 물리 공간(Cyber Physics Space)에서 지능적으로 제어하는 것을 목표로 하고 있다. 

쉽게 말하면 컴퓨터 안에 현실과 똑같게 모사한 복제물을 만들고, 현실에서 발생할 문제를 미리 컴퓨터로 예측해 보거나 수정해 보는 것이다. 게임을 만들었는데 그게 우리 현실과 똑같다고 상상해 봐라. 그 게임의 캐릭터나 건물 또는 어떠한 프로세스를 임의대로 바꾸어 보고 그 변화를 파악하여 현실세상에서 일어날 일을 예측해 보고 제어하는 것이다. 

 

출처 : Gartner, Use the IoT Platform Reference Model to Plan Your IoT Business Solutions

 

디지털 트윈 구현 단계

 

1~3 단계는 기능적 디지털 트윈 단계이다. 컴퓨터를 이용하여 실제 세계를 모사하였다. 하지만, 서로 연결되지는 않은 상태이다. 대부분은 공학에서 진행하는 해석단계와 같다. 성능을 예측하고 싶은 현상을 컴퓨터로 구현하고 시뮬레이션을 하지만, 그것이 현실과는 아무런 상호작용이 없는 상태이다. 

4 단계는 연결된 디지털 트윈 단계이다. 이 상태는 디지털로 구현한 세상이 현실세계와 연결된 상태이다. 주로 센서와 네트워크, 사물인터넷으로 연결된다. 이를 통해 단순한 데이터 분석 및 시뮬레이션이 가능하면 데이터를 실시간으로 연동 가능한 상태이다. 

5 단계는 지능형 디지털 트윈 단계이다. 인공지능 기술을 접목한 단계이다. 머신러닝이나 딥러닝 기술을 이용하여 계측된 데이터를 분석하고, 발전시킬 수 있는 단계이다. 

 

디지털 트윈을 통해 석유 시추 장치에 활용

 

표. 정보통신기획평가원이 정의한 성숙도 모형(출처; 정득영, 김상태, 김연배 2021)

기술 단계	설명
1단계. 모사(Mirroring) 디지털트윈	물리 대상을 디지털트윈으로 복제
2단계. 관제(Monitoring) 디지털트윈	디지털트윈 기발 물리 대상으로 모니터링 및 관계분석을 통해 제어
3단계. 모의(Modeling & Simulation) 디지털트윈	디지털트윈 모의결과를 적용한 물리 대상의 최적화
4단계. 연합(Federated) 디지털트윈	최적화된 개별 물리 대상들이 상호 연계된 복합 디지털트윈 재구성 및 물리대상 상호 운영의 최적화
5단계. 자율(Autonomuos) 디지털트윈	물리 대상을 디지털트윈으로 복제

 

 

디지털 트윈의 원리

 

디지털 트윈은 현실세계의 사물, 장치, 프로세스를 디지털 형태로 모사하여 복제물을 만드는 기술이다. 이 복제물을 통해 실시간으로 데이터를 수집하고 분석하여 현실세계의 상태를 반영한다. 디지털 트윈은 크게 센서 및 액츄에이터, 데이터처리와 분석, 디지털 트윈 모델로 구성되어 있다. 이 요건이 서로 연결되어 디지털 트윈이 작동된다. 

 

1. 센서와 액추에이터(Actuator)

현실의 세계를 모사하기 위해 현실의 세계에 대한 데이터가 필요하다. 그 데이터 확보를 위해 다양한 센서를 활용한다. 센서는 현실 세상의 물리적인 요소를 디지털로 바꾸어 데이터를 수집한다. 예를 들어, 온도, 압력, 수소 농도, 진동 센서 등이 있을 것이다. 

수집된 데이터를 이용해서 디지털 트윈에서 분석을 하고 현실세계에 반영하기 위해서는 액추에어터(Actuator)가 필요하다. 액추에이터는 디지털 트윈 모델에서 받은 신호를 이용하여 현실세계에 원하는 동작을 수행하는 기기라고 보면 된다. 예를 들면 모터나 스위치 등이 있을 것이다. 

 

2. 데이터 처리 및 분석

센서를 통해 수집된 데이터는 로컬 서버나 클라우드 같은 컴퓨터 환경에서 처리되고 분석된다. 이런 빅데이터를 실시간으로 처리하고 패턴을 인식하여 의미 있는 정보를 도출하는 과정이다. 이때, 머신러닝 또는 딥러닝 같은 다양한 인공지능 기술이 적용하여 시스템의 향후 동작이나 위험 등을 미리 파악할 수 있다. 

 

3. 디지털 트윈 모델

디지털 트윈 모델은 말 드대로 가상의 쌍둥이 모델을 의미한다. 디지털 트윈 모델은 실제 시스템의 구성과 동작방식뿐만 아니라 제약조건 또한 동일하게 표현하는 가상현실 모델이다. 이 모델은 현실세상에서 수집된 데이터를 이용하여 동작한다. 지그로 데이터를 분석하여 현재 시스템의 상태를 판단하고 예측할 수도 있다. 이런 점이 모여 시스템의 성능을 실시간으로 모니터링하며 사람보다 빠르게 현실의 문제를 대응하고 개선안을 제안할 수도 있다. 

예를 들어 아래의 제조 공장에 디지털 트윈을 적용한 사례이다. 이 때 기계의 배치를 바꾸었을 때 생산량에 끼치는 영향이라던가, 어떤 기기를 추가하였을 때 생산량이 어떻게 바뀌는지 디지털 트윈으로 예측가능하다. 실제로 구현하려면 공장의 생산 라인을 멈추고 로봇의 배치를 바뀌는 등의 어마어마한 비용이 들지만, 디지털 트윈으로 예측한다면 리스크와 비용을 줄여서 가상으로 생산량을 예측해 볼 수 있을 것이다. 

디지털트윈 기술을 제조공장에 적용한 사례(좌:가상세계 / 우:현실세계)

 

이 같은 원리를 이용해 디지털 트윈은 현실세계의 사물, 장치, 프로세스를 가상환경으로 모델링하고 실시간으로 제어할 수 있게 한다. 

 

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디지털 트윈(Digital Twin)의 개념과 구현단계 및 원리에 대해 알아보았다. 4차 산업혁명 시대에 우리의 삶을 혁신적으로 바꿀 수 있는 기술이므로 발전상황 및 현실에 끼치는 영향에 대해 관심 있게 지켜보는 것이 필요하다. 

 

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