| 박찬석의 물류時論(120) / 디지털 트윈의 이해와 물류산업의 적용(1/2) | |||
 
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디지털 트윈의 이해와 물류산업의 적용(1/2) ①디지털 트윈의 이해 디지털 트윈의 유래와 정의 ■ 디지털 트윈의 유래 디지털 트윈(Digital Twin) 기술에 대한 개념은 1991년 데이비드 지런터(David Gelernter)의 저서 미러 월드(Mirror Worlds)에서 처음 언급되었다. 당시 교수로 재직 중이었던 마이클 그리브스(Michael Grieves) 박사가 2002년에 처음으로 디지털 트윈(Digital Twin)의 개념을 제조업 적용(제품생애주기 관리(PLM))의 이상적 모델로 설명하고, 디지털 트윈 소프트웨어 개념을 공식적으로 발표한 공로로 인정을 받고 있다. 최종적으로 이 개념에 대해 NASA의 존 비커스 박사가 디지털 트윈으로 이름을 붙였고, 2010년 NASA가 우주 탐사 기술 개발 로드맵에 디지털 트윈을 반영하면서 우주산업에서 계속 쓰여 왔다. 디지털 트윈을 물리적 물체를 연구하기 위한 수단으로 사용하기 위한 핵심 아이디어는 실제로 훨씬 더 일찍 확인할 수 있다. NASA가 1960년대 우주 탐사 임무 동안 디지털 트윈 기술의 사용을 개척했다고 볼 수 있다. 그 당시 비행에 나선 우주선마다 완전히 똑같은 지상 버전이 복제되었고, 이는 우주비행사들을 지원하는 NASA 지상 요원들이 연구·시뮬레이션 목적으로 사용했다. 이후 GE가 자사의 엔진, 터빈 등 제품에 디지털 트윈 모델을 적용하면서 널리 알려져, GE가 디지털 트윈의 원조로 혼동하는 상황이 빚어지기도 했다.
■ 디지털 트윈의 정의 디지털 트윈은 2016년 가트너가 ‘2017년 10대 주요 전략적 기술 동향’ 중 하나로 소개하면서 본격적으로 주목받기 시작했다. 당시 가트너는 3~5년 이내에 ‘수십억 개의 사물이 실제 사물 또는 시스템의 동적 소프트웨어 모델인 디지털 트윈으로 표현될 것’이라고 예측했다. 다양한 기술이 융/복합되는 디지털 트윈은 어떤 응용 분야에서 어떤 용도로 활용되느냐에 따라, 디지털 트윈 기술을 연구 및 개발하는 기관마다 다르게 정의하고 있다. 이외에도 위키 백과에는 “컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 예측하는 기술이다”라고 정의되어 있다.
디지털 트윈의 등장 과정과 개념 ■ 디지털 트윈 등장 과정 디지털 트윈이 세계적인 화두가 된 것은 가트너(Gartner)가 2017년부터 2019년까지 3년 연속으로 디지털 트윈을 10대 유망기술로 선정하면서부터이다. 우리나라에서는 2020년 7월 그린 뉴딜과 디지털 뉴딜 및 지역균형 뉴딜로 이루어진 ‘한국판 뉴딜’이라는 국가정책에 디지털 트윈이 10대 중점과제중 하나로 포함되면서, 국토교통부와 과학기술정보통신부 등 여러 부처에서 관련 정책을 추진하고 있다. 디지털 트윈이 화두가 된 배경에는 다양한 정보기술의 발달이 있다. 현실의 모습을 3차원으로 표현하는 CAD(Computer Aided Design)와 BIM(Building Information Model) 등의 기술이 성숙해져, 새로 만들고자 하는 현실 세계(실체, reality)를 3차원으로 설계할 수 있게 해주었다. LiDAR(Light Detection and Ranging), Photogrammetry, Pictometry와 같은 기술은 현실의 실체(건물, 도로, 하천, 산림 등)를 3차원 공간정보로 구현하고, 센서의 발달은 실체에서 어떤 일이 벌어지고 있는지, 어떤 상황인지를 파악할 수 있게 한다. 여기에 5G와 같은 통신망과 인터넷망은 센싱된 데이터를 실시간으로 전송한다. 이처럼 3차원 모델의 시각화, 빅데이터와 인공지능 기술의 발달, 행위자 기반 모델(agent based model)과 같은 시뮬레이션 기술 등 다양한 기술을 융·복합하여, 디지털 트윈을 만들 수 있는 여건이 조성되었다고 할 수 있다.
가트너는 디지털 트윈을 ‘현실 세계에 존재하는 실체(entity) 또는 시스템의 디지털 복제본’으로 정의하고 있다. 물리적 객체(object), 과정(process), 조직, 사람, 장소, 시스템 및 장치가 디지털 트윈으로 만들어질 수 있다. 가트너는 향후 수많은 디지털 트윈이 만들어질 것이며, 개별 디지털 트윈을 연결하여 도시와 같은 더 넓은 차원의 디지털 트윈을 볼 수 있다고 말한다.1)
■ 디지털 트윈의 개념 디지털 트윈이 ‘현실과 가상의 미러링(Mirroring) 또는 트윈닝(Twinning)의 사이클(Cycle)’이라는 중요한 개념을 처음 제안한 마이클 그리브스 박사는 “20세기에는 대부분의 작업 활동이 주로 물리 공간에서 이루어져 왔지만, 향후 21세기는 대부분의 작업이 가상공간에서 이루어질 것”이라고 전망하였다. 이렇게 되면 제품 설계에서부터 생산, 유통, 서비스에 이르기까지 전주기 제조 활동의 상당 부분이 가상공간에서 이루어지면서, 이를 통해 자원의 낭비도 대폭 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 인더스트리 4.0, 제4차 산업 혁명을 기점으로 기존의 대량생산 중심에서 다양한 소비자 요구를 충족시키는 개인화 생산으로 제조의 패러다임이 변화되고 있고, 이는 코로나 팬데믹으로 인해 온라인 소비, 롱테일 시장이 커지면서 더욱 가속화되고 있다. 이에 따라 제조 시스템 역시 과거의 전용 제조라인 시대에서, 이제는 다양한 제품 모델·사양을 유연하게 제조하면서도 높은 생산 효율을 내는 지능형 디지털 제조 시대로 진화하고 있다. 디지털 트윈 기술은 이러한 지능형 디지털 제조 시대를 구현하기 위한 핵심 동인(driver)으로써, 설계에서 서비스에 이르는 제조 각 단계에 적용되어 유연성과 효율성을 높일 뿐 아니라, 에너지와 자원의 낭비를 줄이는 역할을 하게 될 것으로 본다.
디지털 트윈의 발전단계와 원칙 ■ 디지털 트윈의 발전 단계 현재까지는 가트너에서 제안한 3단계의 디지털 트윈의 기술 단계 모델이 많이 이용되었다. <디지털 트윈 3단계 구현 Level> 그림을 보면 1단계에서는 현실 세계 복제, 2단계에서는 현실 세계 관제, 그리고 3단계에서는 현실 세계 최적화가 이루어진다.
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. 이제는 단일 디지털 트윈으로 현실 세계를 최적화하기에는 현실 세계의 현상들이 유기적이고 복합적(Complexity)이다. 따라서 기존의 3단계로 정의된 디지털 트윈 기술 발전단계를 <디지털 트윈 기술발전 단계별 내용> 표와 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.
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.2) 디지털 트윈 기술의 발전은 실-가상세계를 연결하는 연결형 트윈에서 지능형 트윈, 자율형 트윈으로 진화할 것으로 전망되며, 상세하게는 <디지털 트윈의 발전 단계> 그림과 같이 미러링 > 모니터링 > 시뮬레이션 > 연합> 자율형 트윈과 같이 5개의 발전 단계로 구분될 수 있다. 그러나 이렇게 디지털 트윈의 기술 수준을 정의한다고 하더라도, 각 단계가 순차적으로 발전한다고 볼 필요는 없으며, 목적에 따라 적절한 수준의 트윈을 구현하기 위한 참조 모델로 인식하면 될 것이다.
■ 디지털 트윈의 쌍둥이 원칙(Gemini principles)3) 정부 차원에서 디지털 트윈 도입에 적극적인 나라는 영국이다. 2018년에 케임브리지대학 디지털 빌트 브리튼 센터(Centre for Digital Built Britain)에 국가 디지털트윈 프로그램(National Digital Twin Programme: NDTP)을 설치하고 국가적 차원의 디지털 트윈 적용 전략을 연구하고 있다. 영국의 국가 디지털 트윈 프로그램에서는 국가 디지털 트윈 구현을 위한 9개 항목의 ‘쌍둥이 원칙(Gemini principles)’을 제정하고 발표하였다. 쌍둥이 원칙은 크게 목적성(purpose), 신뢰성(trust), 기능성(function)의 3개 분야로 구성되어 있다. 쌍둥이 원칙은 목적성 분야 원칙으로 ①공공성(public good) ②가치 창출(value creation) ③통찰력(insight)을, 신뢰성 분야 원칙으로 ④보안성(security) ⑤개방성(openness) ⑥ 품질(quality)을, 그리고 기능성 분야 원칙으로 ⑦연합(federation) ⑧선별(curation) ⑨진화(evolution)를 제시하고 있다.
■ 디지털 트윈, 시뮬레이션, 메타버스 시뮬레이션과 디지털 트윈 모두 디지털 모델을 통해 시스템의 다양한 프로세스를 복제하지만, 디지털 트윈은 실제적인 가상 환경이기 때문에 적용 대상이 훨씬 더 풍부하다. 디지털 트윈과 시뮬레이션의 차이는 대체로 규모에 있다. 시뮬레이션은 일반적으로 하나의 특정 프로세스를 연구하는 반면, 디지털 트윈은 다양한 프로세스를 연구할 수 있도록 유용한 시뮬레이션을 얼마든지 실행하는 것이 가능하다. 또한 시뮬레이션의 경우 일반적으로 실시간 데이터는 도움이 되지 않는 반면, 디지털 트윈은 객체 센서가 시스템 프로세스에 관련 데이터를 제공시 최초로 발생한다. 또한 프로세스에 의해 생성된 인사이트가 기본의 소스 객체와 재공유될때, 또다시 발생하는 양방향 정보 흐름을 중심으로 설계된다. 따라서 디지털 트윈은 광범위한 분야와 관련된 향상된 데이터를 지속적으로 업데이트하고 가상 환경에 수반되는 추가 컴퓨팅 성능을 접목하여 표준 시뮬레이션보다 훨씬 더 다양한 문제에 적용할 수 있으며, 제품과 프로세스를 개선할 수 있는 궁극적인 잠재력을 가지고 있다. 메타버스는 지난 1992년 닐 스티븐슨(Neal Stephenson)이 발표한 소설인 「스노우 크래쉬」에서 최초로 등장한 용어며, 초월을 뜻하는 그리스어 ‘Meta’와 세상을 의미하는 ‘Universe’의 합성어로, ‘컴퓨터를 통해 3차원으로 구현한 가상세계’를 의미한다. 이어 2007년 ASF(Acceleration Studies Foundation, 미국 가속화연구재단)는 로드맵을 통해 메타버스를 단순 가상공간이 아닌 ‘물리세계와 가상 세계가 융합·교차·결합하는 공간’이라고 정의하고, 메타버스를 기술의 적용대상(개인, 세계)과 초점(현실증강, 현실-가상의 상호 작용)에 따라 <메타버스 개념 분류> 그림과 같이 4가지 유형으로 분류하였다.
메타버스의 핵심은 ‘플랫폼 이용자에 대한 가상세계 속 새롭고 다양한 경제·사회·문화적 경험 제공’이며, 디지털 트윈의 핵심은 ‘실제와 동일한 가상모델 기반의 실험을 통해 현실의 최적화된 의사결정을 지원’하는 것이다. 더불어 메타버스는 현실 세계와의 ‘연결(Link)’이 필수 개념요소이며, 반드시 가상공간 및 객체가 현실과 동일할 필요가 없으나, 디지털 트윈은 보다 정확한 현실 문제 해결을 위해 현실 객체의 ‘모사 및 실시간 동기화(Sync)’가 필수 요소이다. 동 분류를 기준으로 현재 통용되는 메타버스의 정의는 ‘가상세계’와, 디지털 트윈의 정의는 ‘거울세계’와 유사하다고 볼 수 있다. 디지털 트윈의 유형과 가져올 변화 ■ 디지털 트윈의 유형4) 디지털 트윈은 제품 확대 수준에 따라 다양한 종류가 존재한다. 이러한 트윈 사이의 가장 큰 차이점은 바로 응용 분야로, 시스템 또는 프로세스에 서로 다른 유형의 디지털 트윈이 공존하는 것이 일반적이며, 디지털 트윈의 유형은 다음과 같이 구분할 수 있다.
■ 디지털 트윈이 가져올 변화5) 시·공간의 제약 없이 가상의 디지털 트윈과 현실 세계 간 상호 피드백을 통해 제품이나 기기, 서비스, 문제발생 예측 대응이 가능하며 가상의 트윈 공간을 활용함으로써 신제품 개발 기간 단축에도 활용이 가능하다. 또한 육안으로 확인이 불가하거나 위험성이 높은 작업을 실시간 모니터링 및 제어가 가능하며, 사전 예측 불가능한 사고에 대한 예방 및 피해 최소화가 가능하다. 국민 생활과 밀접한 도시와 안전, 국방, 에너지, 농축수산, 제조 등 다양한 응용서비스에서의 데이터 분석과 예측, 시뮬레이션을 통해 현실 세계의 다양하고 복잡한 문제에 대한 최적의 솔루선을 제공한다. 또한 서로 다른 기술 및 신업간 유기적 연계의 어려움을 디지털 트윈 기술을 통해 원활한 융·복합 생태계 조성이 가능하며 이를 통해 새로운 혁신 산업 시장 창출이 가능해진다. (다음호 계속)
주1. 국가 디지털 트윈 개념과 구축방향, 국토연구원, 김대종, 국토 2021년 4월호, p13~14 내용 재구성 주2. 디지털 트윈의 기술적 정의와 세부적 발전 5단계(level) 모델, 정보통신 기획평가원, 주간기술동향, 2021. 2.10, p23~25 인용 수정 주3. 디지털트윈 기술 동향과 전망, 국토연구원, 신상희, 국토 2021년 4월호, p8~9. 주4. www.ibm.com/kr-ko/topics/what-is-a-digital-twin 주5. 디지털 트윈 기술 K-로드맵, 정보통신기획평가원, 2021, 12. p20. -참고문헌 및 자료- 1. Michael Grieves, KEYSIGHT WORLD 2022. 2. 디지털 트윈 기술 K-로드맵, 정보통신기획평가원, 2021, 12. 3. 디지털 트윈 활성화 전략(정부합동), 2021년 9월 4.“디지털 트윈 기술보고서”, 한국전자통신연구원 지능화융합연구소,January, 2021. 5. 국가 디지털 트윈 개념과 구축방향, 국토연구원, 김대종, 국토 2021년 4월호. 6. 디지털트윈 기술 동향과 전망, 국토연구원, 신상희, 국토 2021년 4월호. 7.디지털 트윈의 기술적 정의와 세부적 발전 5단계(level) 모델, 정보통신 기획평가원, 주간기술동향, 2021. 2.10. 8. www.ibm.com/kr-ko/topics/what-is-a-digital-twin 9. 현대건설 홈페이지(www.hdec.kr/kr/newsroom/news) 10. www.controleng.com/articles/digital-twin-improves  박찬석은 미래물류컨설팅의 대표로 재직 중이며, 물류/SCM 분야 컨설팅과 한국생산성본부, 한국통합물류협회 및 기업체 대상의 물류/SCM전문 강사로 출강 중에 있다. 이 밖에 삼성경제연구소 사이버 포럼인 ‘SCM 연구회’의 대표 시샵을 맡고 있으며, 네이버 블로그 “박찬석의 물류/SCM 바로보기(http://blog.naver.com/neologis)”를 운영하고 있다. 前. 물류단지 실수요 검증위원(국토교통부) 現. 서울특별시, 인천광역시, 충청남도 물류단지 실수요 검증위원 現. 종합물류기업 인증 평가위원(교통연구원) 現. 교통영향평가 심의위원(행정중심복합도시건설청) 現. 유통/물류 실무위원(대한상공회의소) 現. 스마트 물류위원회 자문위원(통합물류협회) 現. 한국 SCM학회, 산업계 부회장 現. 한국녹색물류학회 이사 現. 한국생산성본부, 물류혁신 전문위원 주요 컨설팅 분야는 물류센터 및 물류단지 개발(물류단지 실수요 검 증), 물류Cost, 물류/SCM 전략, 물류센터 기본 설계 및 운영 최적화, 물 류보안과 제3자 물류 및 국제물류 분야이다 * E-Mail: mincho79@emapl.com H.p: 010-4533-8307 <저작권자 ⓒ 월간 물류매거진(www.ulogistics.co.kr) 무단전재 및 재배포금지> |
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