Chapter
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디지털 트윈의 기술적 정의와 세부적 발전 5단계(level) 모델
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김상태 || 정보통신기획평가원 팀장
김연배 || 정보통신기획평가원 PM
유례없는 팬데믹 상황을 극복하기 위해 전 세계적으로 재택근무가 급증하였으며, 영상 회의와 협업 도구의 확산 등으로 기존의 일하던 방식에도 변화가 생기기 시작하였다. 가트너의 설문조사에 따르면 코로나-19의 영향에도 불구하고 응답자의 47%가 사물인터넷(IoT)에 대한 투자를 늘릴 계획이라고 대답하였다. 또한, 응답자의 31%는 직원 또는 고객의 안전을 위해 디지털 트윈을 사용하고 있다고 대답하였다[1]. 디지털 전환의 핵심기술로 사물인터넷과 디지털 트윈의 중요도를 알 수 있는 부분이다.
국내의 경우, 디지털 전환(Digital Transformation)의 일환으로 정부 주도의 “한국판 뉴딜 종합계획”을 발표하였다[2]. 한국판뉴딜의 실행을 위한 10대 대표과제에 “디지털 트윈”을 포함시킨 점과 가트너의 설문조사[1]를 통해 알 수 있듯이 디지털 전환의 핵심기술로 디지털 트윈의 중요도를 알 수 있는 부분이다.
팬데믹 상황으로 인해 디지털 트윈 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있지만, 기술 경쟁력 부분에서는 선진국 최고수준(美) 대비 1.4년 뒤처져 있는 실정이다[8].
이러한 글로벌 기술격차를 줄이기 위해서는 무엇보다 국가 주도의 디지털 트윈 발전 전략이 필요하며, 기술격차를 빠르게 따라잡을 수 있는 세부적인 원천기술 확보 전략이 필요하다. 본 고에서는 디지털 트윈에 대한 국내외 기술 동향 및 기술수준, 각 산업별 적용된 디지털 트윈의 기술적 의미를 살펴보고, 기술 개발의 방향성 제시를 위한 기술발전단계(level)를 제안하였다.
* 본 내용은 정득영 책임(☎ 042-612-8604, jdy@iitp.kr)에게 문의하시기 바랍니다
** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.
II. 디지털 트윈 국내외 기술 동향
국내의 경우에는 2016년 말 이전까지는 “디지털 트윈” 기술 관심이 매우 낮았으나, 가트너 발표 이후 디지털 트윈 기술 관심이 급증하였다. “디지털 트윈”이라는 키워드의 급속한 확산에 따라 현재 관련 기술, 시장 및 표준화가 활발히 진행되고 있다.
[그림 1] 디지털 트윈 키워드 검색 동향(구글 트렌드 활용)
미국, 영국 등 기술 선진국에서는 디지털 트윈 기술을 활용하여 제조, 도시 등 다양한 분야에 적용을 시도하고 있으며, 이를 위한 정책을 수립하고 있다. 상세한 내용은 다음과 같다.
- (미국) SmartAmerica Challenge는 새로운 일자리, 비즈니스 기회 및 사회 경제적 혜택 창출을 위해 사이버 물리시스템(CPS) 프로그램을 추진[3]
- (독일) CPS 기반 스마트 팩토리 구축으로 제조 혁신 비즈니스 모델 발굴을 통해 새로운 시장 창출 및 매출 증대와 개인 맞춤형 스마트 팩토리 상품화를 위한
디지털전략 2025(digital strategy 2025)를 추진[4]
- (영국) 데이터 공유의 중요성과 디지털 트윈의 필요성을 강조하며 인프라가 제공하는 성능 서비스 가치의 향상과 사회·기업·환경·경제에 해택 제공을 목표로
하는 “국가 디지털 트윈” 구축을 추진[5]
산업 측면에서도 제너럴 일렉트릭(GE), 다쏘(Dassault), PTC, Ansys, 지멘스(Siemens), SAP, Sight Machine, TIBCO Software, AT&T, Infosys, TwinThread 등의 세계적 업체에 의해 다양한 형태로 각 산업 분야 특징에 맞춰 적용되고 있다[6],[7].
[표 1]은 주요기업들의 현황을 나타낸다.
[표 1] 국외 주요 기업의 기술 개발 동향
| 기업(국가) | 현황 |
|---|---|
| GE (미국) | 2016년 GE는 기계에서 발생하는 대규모의 데이터를 분석 수집하고 사물인터넷으로 연결해 GE가 제조·판매하는 모든 장비에 센서에서 수집한 데이터를 모아 분석하고, 디지털 트윈으로 구현하여 가상 모니터링·컨트롤 등의 서비스를 제공 |
| Dassault Systems (프랑스) | 단일 플랫폼 기반의 “3D익스피리언스 트윈(3DEXPERIENCE Twin)”은 현실 세계에서 존재하거나 존재할 수 있는 제품, 시스템, 시설 또는 환경을 표현하며, 제품의 생애주기의 모든 단계에서 동적 3D 모델로 제품과 프로세스, 공장/설비, 운영 시뮬레이션을 제공 |
| ANSYS (미국) | 단일 워크플로 안에서 시뮬레이션 기반의 디지털 트윈을 구축해 검증, 배치할 수 있는 “앤시스 트 윈 빌더(ANSYS Twin Builder”’를 탑재하여 엔지니어가 물리적 제품의 디지털 트윈을 빠르게 구 축, 검증하고 배치할 수 있도록 지원 |
| SIEMENS (독일) | 공장 자동화 IoT 플랫폼인 마인드스피어를 구축하여 공장 내 각 설비에 부착된 센서를 통해 데이 터를 받아들이고 공장의 설비를 실시간으로 디지털 트윈과 연결하여 피드백 |
<자료> IITP, “디지털 전환의 핵심, 디지털트윈”, ICT SPOT ISSUE(2019-26), 2019. 12.
최근 정부에서는 코로나-19 사태로 인한 경제적 위기를 극복하고 세계 경제를 선도하 기 위해 “한국판 뉴딜 종합계획”을 발표하였으며, “디지털 트윈” 기술을 10대 대표과제 중 하나로 선정함으로써 디지털 전환의 핵심기술로 그 중요성이 부각되고 있다. 국내 주요 기업들도 디지털 트윈 기술을 산업현장에 적용하기 위한 다양한 방법들을 시도하고 있다 [6],[7].
[표 2] 국내 주요 기업의 기술 개발 동향
| 기업 | 현황 |
|---|---|
| KT | 2019년 12월 KT의 디지털 트윈인 AI 기가트윈 개발, 도시 인프라를 모니터링하고 데이터를 통해 예측하는 서비스를 제공 |
| 포스코건설 | 디지털 트윈 기반의 스마트 팩토리를 구현하여 시공 통합 시스템 구축, 공정 최적화 및 안전강 화를 위한 디지털 시뮬레이션을 구현 |
| LG CNS | 도시 데이터를 수집, 분석하여 정보를 공유하는 데이터 중심의 스마트시티 플랫폼인 Cityhub와 스마트팩토리 플랫폼인 Factova를 구축, 타 시스템과 연동 시 디지털 트윈 구현 지원이 가능 |
| GS칼텍스 | 여수공장 생산시설의 실시간 모니터링이 가능한 디지털 트윈 기반 통합관제센터를 2030년 목 표로 구축 중 |
| LG유플러스 | 2019년 10월, 5G 네트워크를 이용한 트랙터 원격 제어 및 무인 경작과 디지털 트윈 기술을 이용한 트랙터 원격진단 서비스를 제공 |
<자료> IITP, “주요국의 디지털 트윈 추진 동향과 시사점”, S&T GPS(160호), 2020. 2.
<자료> 정보통신기획평가원 자체 작성
[그림 2] “디지털 트윈” NTIS 검색 결과
디지털 트윈 분야의 국내 기술수준은 선진국(美) 대비 82.3%로 경쟁국 대비 기술수준이 가장 낮은 것으로 파악되고 있다. 기초/응용/사업화 전 단계에서 기술수준이 낮은 것으로 평가되며, 최고기술국(美) 대비 17.7%(1.4년)의 기술수준 격차가 벌어져 있는 상태이다. 국가별 기술수준에서도 격차는 유럽(7.0%), 일본(13.0%), 중국(16.7%) 순으로 한국이 가 장 큰 기술수준 격차를 보이고 있는 실정이다[8].
<자료> IITP, “2018년도 ICT 기술수준조사 보고서”, 2019. 8.
[그림 3] 디지털 트윈 기술수준
Ⅲ. 디지털 트윈의 기술적 의미
디지털 트윈에 대한 개념은 2002년 미국 미시간 대학교(University of Michigan)의 마이클 그리브스(Michael Grieves) 박사가 제품생명주기(Product Lifecycle Management) 의 관점에서 최초로 제안하였고[9], 2012년 미국 항공우주국(NASA)이 로드맵 보고서에 디지털 트윈에 대해 언급하였다[10]. 이후 IoT의 등장과 컴퓨팅 파워의 증대, 최근에는 인공지능, XR 기술 등과 결합하여 다양한 산업을 중심으로 디지털 트윈 기술 적용 사례가 늘어나고 있다. 2016년에는 미국의 제너럴 일렉트릭(General Electric)이 세계 최초의 산업용 클라우드 기반 오픈 플랫폼인 ‘프레딕스(Predix)’를 발표하였으며[11], 독일의 지 멘스(Siemens)는 클라우드 기반 개방형 IoT 운영시스템인 ‘마인드스피어(MindShere)’ 를 발표하여[12] 제조업 측면에서 혁신의 수단으로 디지털 트윈이 주목을 받기 시작하였 다. 2018년에는 사회 필수 인프라와 도시 정보를 데이터로 수치화하여 도시 운영의 효율 을 높이기 위한 플랫폼으로 ‘버추얼 싱가포르(Virtual Singapore)’가 발표되어 큰 이슈가 되었다[13].
이렇듯 디지털 트윈을 구성하는데 사용할 수 있는 새로운 기술의 출현 및 기존 기술의 발전과 더불어 단순한 3D 형태의 초기모델에서 복잡한 형태의 디지털 트윈으로 인간 생 활 사이클에 대한 전 영역으로 진화하고 있다.
<자료> The digital Twin in Oil & Gas: Simiulation to Operation, Schneider Electric, 2017.
[그림 4] 디지털 트윈의 진화
[표 3, 4]와 같이 다양한 기술이 융/복합되는 디지털 트윈은 어떤 응용 분야에서 어떤 용도로 활용되느냐에 따라 디지털 트윈 기술을 연구 및 개발하는 기관마다 다르게 정의하 고 있다. 이 외에도 위키 백과에는 “컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 예측하는 기술이다”라고 정의되어 있다.
[표 3] 주요 기관의 디지털 트윈 정의
| 출처 | 정의 |
|---|---|
| 국토교통부 [14] | - 3차원의 디지털 공간에 현실공간·사물의 쌍둥이(Twin)를 구현한 것 |
| GE Digital [15] |
- 디지털 트윈은 실시간 분석을 통해 감지, 예방, 예측 및 최적화하도록 설계된 물리적 자산, 시
스템 또는 프로세스의 소프트웨어[GE Digital 홈페이지]
[Digital Twin is most commonly defined as a software representation of a physical asset, system or process designed to detect, prevent, predict, and optimize through real time analytics to deliver business value.] |
| Gartner [16] |
- 디지털 트윈은 현실 세계의 엔티티 또는 시스템에 대한 디지털 표현
[A digital twin is a digital representation of a real-world entity or system] |
| Deloitte [17] | - 디지털 트윈은 사업 실적의 최적화에 도움을 주는 물리적 물체나 프로세스의 과거와 현재 활동 이 기록된 진화하는 디지털 프로필 |
[표 3, 4]와 같이 기술적 정의가 다양한 형태로 서술되고 있는 상황을 보더라도 기술자 가 바라보는 관점과 각 산업 도메인별 적용 방법에 따라 시각차를 보이고 있다는 것을 알 수 있다.
[표 4] 각 분야별 디지털 트윈 정의
| 분야 | 정의 |
|---|---|
| 재난안전 | - 현실세계의 다양한 문제점의 가상세계 모의를 통해 재난, 산업 피해확산을 사전에 차단하거 나 최소화하기 위한 예측·예방의 중심의 전주기 재난안전 관리 지능화 융합기술 |
| 농축수산 | - 디지털 공간상에 가상의 팜(plant, animal, aqua 등)을 구축하고, 실제 팜과의 데이터 연동을 통해 환경·생육 관리에 필요한 다양한 시뮬레이션을 수행함으로써 최적의 팜 운영·사육 환경을 예측·제공하는 지능화 융합기술 |
| 에너지 | - 디지털 모델링으로 현실세계의 전력 수급 체계에 동기화된 가상의 에너지 수급 체계를 구축하고, 데이터 수집/분석과 시뮬레이션을 통해 수요자 맞춤형 에너지 수급 최적화 기술 등을 제공하는 디지털 에너지 지능화 융합기술 |
| 의료 | - 현실세계의 건강정보 및 의료자원 정보로부터 생성된 가상의 의료 환경에서 질병의 진단 및 맞춤형 치료 방법을 제시하고 질병의 예후를 예측·관리하는 환자 중심의 디지털 의료 지능화 융합기술 |
| 제조 | - 물리세계의 제조 자원(Machine, Material 등)을 가상공간에 모사하고, 실시간 연결하여 가상공간에서 제품의 설계, 생산, 유지보수 등에 요구되는 다양한 시뮬레이션을 수행하여 의사결정을 가능하게 하는 지능화 융합기술 |
| 보안 | - 현실세계의 정보인프라 및 행위를 가상세계 모의 및 시뮬레이션을 통해 사이버 공격을 탐지·예측하여 사전에 최적의 보안 조치 및 사후 대응이 가능한 사이버보안 지능화 융합기술 |
| 스마트시티 | - 다양한 도시문제를 해결하기 위해 현실공간을 모사한 가상공간 모형에 실세계 정보를 실시간 반영하여 도시 현안을 감시·진단·예측하고 데이터 기반의 해결 방안을 사전에 학습·시험·검증할 수 있는 지속 가능한 도시관리 지능화 융합기술 |
<자료> 한국전자통신연구원 지능화융합연구소,“디지털 트윈 기술보고서”, January, 2021.
앞서 살펴본 바와 같이 디지털 트윈에 대한 다양한 시각차로 인해 발생될 시행착오를 줄이기 위해서는 무엇보다 기술적 정의에 대한 명확한 방향 제시가 필요하다.
다양한 관점으로 서술된 정의[표3, 4]에 공통적으로 사용된(사용 빈도가 높은) 기술적 용어의 의미는 아래와 같은 의미로 정의(definition, 定義)할 수 있다.
“물리적 대상과 이를 모사한 디지털 대상을 (준)실시간으로 동기화하고, 다양한 목적에 따라 상황을 분석하고 모의결과를 기반으로 예측하여 물리적 대상을 최적화하기 위한 지능형 기술 플랫폼"
즉, 디지털 트윈이란 현실 세계의 물리적 대상(사람, 사물, 공간, 시스템, 프로세스 등)을 디지털 세계의 디지털 대상으로 복제하여, 현실 세계의 문제해결, 또는 수정 및 개선 등을 위한 다양한 모의를 디지털 세계에서 실행하여, 최적의 해답을 찾아 현실 세계에 적용함으 로써, 보다 안전하고 효율적인 현실 세계 구축에 필요한 “디지털 기술 간 융합된 기술플랫 폼”이라고 볼 수 있다.
[그림 5]는 디지털 트윈에 대한 시각차(difference in viewpoint, 視角差)를 “장님 코 끼리 말하듯”이란 속담에 빗대어 코끼리 모델로 구성하여 세부 핵심기술 분야를 서술한 것이다. 디지털 트윈을 구성하는 핵심 기술은 크게 ① 가시화 & 운영, ② 분석, ③ 다차원 모델링 & 시뮬레이션, ④ 연결, ⑤ 데이터 & 보안, ⑥ 동기화 등의 기술 집합으로 구분할 수 있다. 또한, 다음 챕터에서 제안할 개별 디지털 트윈간 ⑦ 연합(Federation) 기술로 확대 가능하다.
<자료> 정보통신기획평가원 자체 작성
[그림 5] 디지털 트윈 핵심 기술과 응용 서비스
IV. 디지털 트윈 발전 5단계 모델
현재까지는 가트너에서 제안한 3단계의 디지털 트윈의 기술 단계 모델이 많이 이용되었다. [그림 6]을 보면 1단계에서는 현실 세계 복제, 2단계에서는 현실 세계 관제, 그리고 3단계에서는 현실 세계 최적화가 이루어진다[19]. 즉, 지금까지는 하나의 현실 세계를 가상세계로 복제한 후에 그 가상세계에 국한된 최적화가 주를 이루었다. 그러나 컴퓨팅, 네트워크 기술의 발달과 더불어 현재 사회에서 발생하는 현상들은 그 자체로 머물지 않고 다른 현상들과 복잡하게 상호 연계된다. 따라서 기존에는 하나의 디지털 트윈으로 현실 세계를 최적화할 수 있다면, 복잡한 현실 세계를 다루기 위해서는 여러 개의 디지털 트윈이 연합해야 할 필요가 있다.
<자료> Gartner(2016) / LG CNS(2018) 재인용
[그림 6] 디지털 트윈 3단계 구현 레벨
<자료> Gartner, “Top Strategic technology trends for 2021”, 2020. 10.
[그림 7] 가트너 전략기술
위의 배경에서 설명한 것처럼 이제는 단일 디지털 트윈으로 현실 세계를 최적화하기에 는 현실 세계의 현상들이 유기적이고 복합적(Complexity)이다. 따라서 기존의 3단계로 정의된 디지털 트윈 기술 발전단계를 [표 5]와 같이 5단계로 확장하였다. 1~3단계에서는 기존과 동일하게 현실 세계를 디지털 세계로 복제하고, 관제 및 최적화한다. 즉, 하나의 현실 세계를 하나의 디지털 세계로 변환하고 그 안에서 최적화를 수행한다. 본 고에서 제안하는 4단계에서는 복잡한 현실 세계를 최적화하기 위해 각각 최적화된 단일 디지털 트윈들을 상호 연계한다. 그리고 5단계에서는 유기적으로 연결된 디지털 트윈들이 현실 세계의 문제점을 자율적으로 인지하고 최적화를 수행한다. [표 5]와 [그림 8]은 디지털 트윈 기술발전 5단계와 범위를 나타낸다
[표 5] 디지털 트윈 기술발전 5단계
| 기술 단계 | 정의 | 설명 |
|---|---|---|
| 5단계 | 자율 DTW’s (Autonomous) | 개별 및 복합 디지털트윈에서 자율적으로 문제점을 인지하고 해결하여 물리대상 최적화 |
| 4단계 | 연합 DTW’s (Federated) | 최적화된 개별 물리대상들이 상호 연계된 복합 디지털 트윈 재구성 및 물리대상 상호운영 최적화 |
| 3단계 | 모의 DTw (Modeling & Simulation) | 디지털 트윈 모의결과를 적용한 물리대상 최적화 |
| 2단계 | 관제 DTw (Monitoring) | 디지털 트윈 기반 물리대상 모니터링 및 관계분석을 통한 제어 |
| 1단계 | 모사 DTw (Mirroring) | 물리대상을 디지털트윈으로 복제 |
*
상위 수준 DTw는 하위 수준의 DTw 기술 포함
** DTw: Digital Twin 약어
<자료> 정보통신기획평가원(저자) 자체 작성
<자료> 정보통신기획평가원 자체 작성
[그림 8] 디지털 트윈 단계별 기술 범위
V. 결론
가트너의 설문에 따르면 응답자의 31%는 디지털 트윈을 활용하여 담당자가 직접 생산 시설이나 병원을 방문하는 횟수를 줄임으로써 직원과 고객의 안전을 개선하였다고 응답하 였다. 가트너는 올 해에 2021년도 9대 전략기술과 함께 조합 혁신(Combinatorial Innovation)을 강조하였다. 즉, 전략적 기술을 독립적으로 사용하는 것보다는 상호 연계 하고 융합하여 사용하는 기술과 전략이 무엇보다 중요하다는 것을 강조하는 것이라고 생 각된다.
비대면이 중요한 코로나 팬데믹 상황을 극복하기 위한 기술로 디지털 트윈의 활용성이 높아질 것으로 기대된다. 그리고 현재보다 복잡하게 연결될 미래 사회의 다양한 현상을 분석/예측하고 최적화하기 위해서는, 디지털 트윈을 구성하는 핵심 요소기술(연결, 분석, 예측, 동기화 및 가시화)이 최적화된 하나의 디지털 트윈 모델뿐 아니라 서로 이질적인 분야에서 생성된 여러 개의 디지털 트윈 간 협업을 통해 문제를 해결하는 것이 필요하다. 이를 위해서 본 고에서는 기존의 3단계 디지털 트윈 기술을 확장하여 디지털 트윈 간 연합(협업)을 포함한 확장된 형태의 5단계(level) 디지털 트윈 기술발전 모델을 새롭게 제안하였다.
디지털 트윈에 대한 글로벌 기술격차를 줄이고 디지털 혁신을 선도하기 위해서는 무엇보다 국가주도의 세부적인 디지털트윈 발전전략이 필요한 시점이다.
[1] Gartner Newsroom, ”Gartner Survey Reveals 47% of Organizations Will Increase Investments in IoT Despite the Impact of COVID-19,” 2020. 10. 29.
[2] 관계부처합동, “대한민국 대전환 한국판 뉴딜”, 2020.
[3] Smart america, “Smart America Challenge,” 2014. 6.
[4] Federal ministry for Economic Affairs and Energy, “Digital Strategy 2025,” 2016. 3.
[5] Department for Business, Energy&Industrial Strategy, “Center for Digital Built Britain,” 2017. 11.
[6] IITP, “디지털 전환의 핵심, 디지털트윈”, ICT SPOT ISSUE(2019-26), 2019. 12.
[7] IITP,“주요국의 디지털 트윈 추진 동향과 시사점”, S&T GPS(160호), February, 2020. 2.
[8] IITP, “2018년도 ICT 기술수준조사 보고서”, 2019. 8.
[9] Michael Grieves, “Origins of the Digital Twin Concept,” Florida Institute of Technology, 2016. 8.
[10] Shafto, M., Conroy, M., Doyle, R., Glaessgen, E., Kemp, C., LeMoigne, J. and Wang, L., “Technology Area 11: Modeling, Simulation, Information Technology and Processing Roadmap,” NASA Office of Chief Technologist, November, 2012. 4.
[11] GE, “iiot-platform, Predix,” (www.ge.com)
[12] SIEMENS, “MindSphere,” (www.zkg.de)
[13] Singapore Government Agency, “Virtual Singapore,” (www.tech.gov.sg)
[14] 국토부, “2022년까지 ‘디지털 트윈’ 핵심 기반 구축”, 디지털 트윈 산업계 간담회, 2020. 7.
[15] GE, “What is a Digital Twin ?,” (www.ge.com)
[16] Gartner Glossary, “Digital Twin,” (www.gartner.com)
[17] Aaron Parrott, Lane Warshaw, “인더스트리 4.0과 디지털 트윈, ”Deloitte Anjin Review | No.9, 2017. 9.
[18] 한국전자통신연구원 지능화융합연구소,“디지털 트윈 기술보고서”, January, 2021.
[19] Gartner, “Use the IoT Platform Reference Model to Plan Your IoT Business Solutions,” 2016. 9.
[20] Gartner, “Top Strategic technology trends for 2021,” 2020. 10.
* 본 자료는 공공누리 제2유형 이용조건에 따라 정보통신기획평가원의 자료를 활용하여 제작되었습니다.
