메타버스와 달라! 디지털 트윈의 이해와 디지털 트윈 기술

1. 디지털 트윈의 개념과 발전 과정

1) 디지털 트윈의 정의

디지털 트윈이란 어떤 물리적 실체 대상에 대해 컴퓨터 시스템상에 동일하게 표현해서 가상 모델을 만드는 것이다. 실제와 동일한 3차원 모델을 만들고, 현실 세계와 가상의 디지털 세계를 데이터를 기반으로 연결한다. 현실과 가상이 마치 쌍둥이처럼 상호 작용하게 되어 디지털 트윈(digital twin)이라 불린다.

디지털 트윈의 구현 범위는 무조건 물리적 공간과 같아야 하는 것은 아니고, 필요한 부분을 중심으로 구현하면 된다.

 

2) 디지털 트윈은 어떻게 생성되었나

 

디지털 트윈 용어는 1960년대부터 미국항공우주국(NASA·나사)에서 원격으로 시스템을 운영, 유지하는 데 사용했다고 한다.

그후 2002년 미시간대학교 마이클 그리브스 박사가 산업환경에서 제품의 전체 수명주기 관리를 최적화하기 위한 도구로 이 개념을 최종적으로 통합했다. 바로 실재하는 물리적 환경이 아니라 소프트웨어로 가상화한 환경 속에서 모의실험을 하고, 실제 환경의 특성에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있는 기술 개념이었다.

2010년 NASA에서 우주선의 물리적 모델을 시뮬레이션하는 데 실제 활용했다. 디지털 트윈 초기 모형을 우주선 모형으로 궤도를 찾아가는 문제에 활용했고, 이후에는 달 착륙 시 우주비행사들이 겪을 수 있는 문제들을 시뮬레이션할 수 있는 장치를 만들어 해결책을 찾는 데 이용했다.

그 후 2016년 미국의 글로벌 다국적 기업, 제너럴 일렉트릭(General Electric)이 컴퓨터의 가상공간에 현실 속 사물의 쌍둥이(Twin)를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 예측해냈고, 자사의 엔진, 터빈 등 제품에 디지털 트윈 모델을 적용하면서 디지털 트윈 개념이 널리 알려지게 되었다.

 

이어서 정보통신 기술이 발달함에 따라 IOT, AI, 빅데이터, 클라우드, 5G, VR·AR·MR 등 핵심적으로 활용되는 관련 기술이 뒷받침되면서 디지털 트윈이 명확하게 자리 잡을 수 있었다.

포스코  DX 의   디지털트윈   개념도

3) 메타버스와의 차이점

현실 세계와 가상 세계를 서로 연결한다는 점에서 메타버스와 유사한 면이 있다.
그러나 디지털 트윈은 메타버스와 다르게 컴퓨터에 물리적 현실을 반영하는 가상 디지털 세계를 만들고, 현실에서 발생하는 사건을 디지털 세계에서 시뮬레이션한다는 점에서 차이가 있다.

2. 디지털 트윈 용도

스마트팩토리와 스마트시티에서 활용이 가장 활발하다고 볼 수 있다.

산업 현장을 모니터링하거나, 현실 세계의 자산에 대한 실시간 관리 및 오류 제어를 통해 사고를 최소화하는 데 활용할 수 있다. 제품의 생산부터 유통에 이르는 전 과정을 지능화한 공장인 스마트 팩토리(Smart Factory)를 구현하기 위한 핵심 도구로 활용할 수 있다. 물리적인 제품과 가상의 소프트웨어 모델을 연결함으로써 항공·운송 분야에서의 실시간 제어 등에도 쓰일 수 있으며, 에너지 분야의 디지털 발전소나 원격 검침은 물론 스마트 도시를 연결하는 상하수도의 디지털 자산을 구축하는 데에도 활용할 수 있다. 스마트 시티 구현에 디지털 트윈 기술을 적용하면 도시 전체를 3차원으로 디지털화해 설계, 건설, 운용 전 주기에 걸쳐 어느 시점, 어느 단계에서나 환경을 분석해 도시의 다양한 문제를 시뮬레이션하고 해결할 수 있다.

1) 가상 시뮬레이션 용도

디지털 가상공간에서 실제 시스템의 동작을 그대로 모사하여 사전 검증 및 분석에 활용하는 것이다. 과거에 실제 모델을 만들어 실험하던 것에 비해 비용 절감, 사전 검증 및 분석소요 시간 단축, 설계 단계에서 단시간에 최적의 조건을 찾는 등의 장점이 크다.

2) 실시간 모니터링 및 제어를 위한 용도

실제 시스템 상황을 가상 환경에서 실시간으로 확인하고 제어하는 데 쓴다. 실제 물리적 환경에서 한눈에 파악하기 어려운 여러 수치 변화와 정보를 시각적으로 쉽게 확인할 수 있고 원격으로 모니터링 및 제어가 가능하다. 여러 사이트에서 동시에 협업할 수도 있다.  

3) 설비의 예지보전을 위한 용도

디지털 가상환경에서 실제 설비의 실시간 모니터링 데이터를 기반으로 설비 상태를 진단하거나 향후 고장 발생 여부와 부품 교체 주기 등을 예측해 미리 대처할 수 있다. 이러한 활용을 통해 생산 중단이나 품질 불량 사태를 방지할 수 있다.

4) 교육 용도

디지털 가상 환경에서 실제 설비 없이도 실제 시스템을 운용하는 것과 동일한 체험을 통해 시스템 운용 교육을 실시한다. 규모가 거대하고 고가인 설비의 경우 디지털 트윈을 활용한 운용 교육이 반복 훈련, 시스템의 피드백, 사전 가동 테스트 등 유리한 점이 많다.

5) 제조 후 유지보수 서비스 용도

판매한 시스템에 대한 실시간 모니터링 및 예측하며 AS 서비스에 활용한다. 시스템 설계 시 센서를 추가하여 고객이 시스템을 사용할 때 실시간으로 센싱 데이터를 모니터링하고 분석한다. 미리 예측하여 유지 보수를 제공할 수 있기에 고부가가치 서비스 전략으로 활용할 수 있다.

 

3. 디지털 트윈에 사용되는 기술

스마트 센스, 모델링, 시뮬레이션, 시각화, 동기화, 원격제어 기술 등이 필요하다.

스마트 센스: 단순한 센싱을 넘어 데이터 처리, 의사결정, 통신 기능이 결합하여 필요한 정보를 얻고 스스로 의사 결정 및 정보 처리하는 기술

모델링: 원하는 수준의 동작을 시뮬레이션하기에 최적인 구조로 모델링할 수 있는 기술이 필요

시뮬레이션: 시스템을 모델링한 해당 모델을 기반으로 실제 시스템의 동작과 일치하는 시뮬레이션 기술이 필요

시각화: 사용자가 쉽게 인지할 수 있는 시각화 기술 VR/AR과 같이 디지털 기술로 가상 세계를 구성하고, 현실의 정보에 가상의 정보를 합성하여 사물이나 영상 정보를 증강한다. 가상 정보를 실제 이미지처럼 보이게 한다.

동기화: 실제 시스템과 디지털 트윈 시스템을 정확히 일치시키는 동기화 기술

원격제어: 디지털 트윈에서 실제 시스템을 원격으로 안전하게 제어하는 기술

 

또한 일반적으로 3D 시각화, 센서, IoT, 데이터 분석 및 예측, 모델링, 시뮬레이션, VR/AR/MR, 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 기술로 지원한다.

 

정보통신기획평가원의 ‘디지털 트윈 기술 K-로드맵’에 따르면 디지털 트윈의 핵심 요소기술을 크게 5가지로 구분된다. 디지털 가상화 기술, 디지털트윈 동기화 기술, 디지털트윈 모델링 & 시뮬레이션, 디지털트윈 연합기술, 지능형 디지털트윈 서비스 기술이다.

4. 디지털 트윈 적용 사례

1) GE 디지털의 디지털 솔루션

제조업의 디지털화를 선도하고 있다.

자동차 제조 공장, 항공, 발전, 제약, 오일&가스, 수자원, 식음료 등 여러 산업에서 디지털 트윈 기반의 디지털 전환 솔루션을 공급한다.

GE는 이 디지털 솔루션이 다음 5가지 효과를 제공한다고 소개한다.

①실시간 모니터링, 시뮬레이션, 제어를 통해 시스템의 안전성과 가용성을 높인다.

②시스템과 프로세스 관련 사고를 줄이고 기계나 컴퓨터 시스템이 공연히 작동하지 않는 시간을 방지해 직원 안전과 작업 리스크를 낮춘다.

③고장이 발생하기 전 문제를 예측하고, 미리 부품을 주문하고, 생산에 영향을 미치지 않는 시간에 수리를 계획하여 유지 보수 비용을 절감한다.

④시스템 및 프로세스 성능을 실시간 분석하며 제품의 품질을 보장하여 맞춤 생산을 할 수 있고, 공급망 영향을 최소화하여 생산성을 극대화한다.

⑤업계의 전문 지식이나 사용하기 쉬운 툴, 업계에서 필요로 하는 실시간 분석 솔루션으로 활용하여 가치 실현 시간을 단축한다.

 

GE는 최근, 에너지 문제에도 디지털 트윈을 적극적으로 활용하고 있다. 디지털 트윈 시뮬레이션을 통해 풍력발전소의 최적 위치를 찾아내며 에너지 생산성을 20%까지 높일 수 있다. 풍량에 맞춰 발전량을 최대화할 수도 있다.

 

2) 일본 건설•광산 기계 업체 코마츠

모든 비즈니스에 ‘시뮬레이션’이 필수인 일본은 디지털 활용도가 높은 국가 중 하나다.

코마츠는 드론으로 지형 데이터를 수집해 3D 가상 공간에 완전히 동일한 디지털 트윈을 구축한다. 이를 통해 공사 기간과 비용을 줄이는 측량 프로세스 효율을 크게 높였다. (4일 측량 업무를 20분 만에 완성)

 

3) 디지털 하트 트윈

Echoes 심장 연구 프로그램에서 사용하는 디지털 트윈 사례다. 환자의 심장에 여러 센스를 부착한 후 수집된 데이터를 특수 소프트웨어를 통해 펌핑 기관의 컴퓨터 시뮬레이션으로 전환한다. 인공 심장에 삽입할 면역억제제 약물을 디지털 트윈으로 시뮬레이션하여 선정, 투약한다.

 

4) 서울시 S-map

서울시는 디지털 트윈 ‘S-Map(Virtual Seoul)’을 선보였다. 서울 전역을 3D 지도로 구현하고 그 위에 행정, 환경, 시민 생활 등 도시정보를 결합해 모의실험을 통해 다양한 도시문제를 해결할 수 있는 디지털 공간지도다. 최근 ▲‘조선시대 육조거리’- 조선시대의 육조거리 모델을 최첨단 디지털 트윈 기술로 복제하고 S-Map 경복궁 광화문광장 위에 복원한 실감형 해설 서비스 ▲해외소재 우리나라 유물 ‘디지털 가상박물관’-독일 ‘라이프치히 그라시민속박물관’과 협력해 그곳에 소장된 우리나라 유물 5점을 똑같이 재현하여 전시 ▲서울 주요 명소 광화문·DDP 등 근현대 도시변화를 체험할 수 있는 ‘도시 이야기’- 울의 주요 명소를 장소에 따라 1960년대부터 최근까지 다양한 사진 기록물을 가상 서울에 담아 체험, ‘북한산 탐방로 서비스’를 통해 북한산 주요 명소를 360도 가상 현실(VR)로 관람 ▲서울 부동산 가격을 한눈에, 주변 환경·통계정보까지 담은 ‘부동산 실거래가격 서비스’ 등을 추가하여 새롭게 선보였다.

출처 :  서울시 공식 블로그 .  연직 고도별 바람길 시뮬레이션

싱가포르가 2018년 이미 완성한 가상 싱가포르(Virtual Singapore)와 유사한 디지털 트윈도시다. 서울시는 이에 더해 유용한 문화 콘텐츠를 접목하고, 민간이 여기의 공공 데이터를 활용하도록 지원하는 사업*을 벌이고 있는데 싱가포르 수준만큼 공공 데이터를 잘 활용하고 있는지는 모르겠다.

(*민간에서 서울시의 고정밀 공간정보를 활용해 디지털 트윈 콘텐츠와 공간정보 활용 콘텐츠를 제작하도록 지원하는 디지털 트윈랩도 최근 7월 10일 개소했다.)

5. 디지털 트윈이 중요한 이유

산업을 고도화시키는 스마트 제조를 구축하려면 3단계의 로드맵을 거쳐야 한다.

1단계(디지털화)--->2단계(스마트화:여기서 디지털 트윈 필요)--->3단계(원스톱 맞춤형 서비스화)

1단계는 디지털화로 유연성을 고려한 디지털 제조공정을 구축한다. 2단계는 스마트화로 공간의 제약을 없애는 디지털 트윈 환경을 구축한다. 이어서 실시간 대응할 수 있는 무인화 시스템을 구축한다. 3단계는 서비스화로 원스톱 맞춤형 서비스가 가능한 온라인 제조 플랫폼을 완성한다.

따라서 디지털 트윈은 제조업이 디지털화에서 더 나아가 선진화, 서비스화를 이루는 과정에서 반드시 완성해야 하는 단계이기에 매우 중요하다.

 

6. 디지털 트윈을 운용하며 주의할 점

디지털 트윈은 최적화된 결과를 얻기 위해 먼저 방대하고 정확한 정보를 획득하기 위한 많은 센서와 네트워크가 필요하다. 그 과정에서 개인 정보 유출, 개인 프라이버시 침해에 주의해야 한다. 모니터링 데이터를 사회 통제와 감시에 쓰이지 않도록 해야 한다.