디지털 트윈(Digital Twin)
1. 기술출현 배경 + 기술의 개념 및 정의
디지털 트윈(Digital Twin, 이하 디지털 트윈)은 4차산업혁명의 광범위한 방향성 안에서 구체적으로 디지털 기술을 활용하여 혁신하는 프레임을 제시하고 있는 ‘디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation)’이라는 개념하에 탄생된 기술이다. 단어 그대로 디지털 쌍둥이, 즉 가상(Virtual)에 현실(Real) 사물의 복제품을 동일하게 생성시키는 기술을 의미하는 디지털 트윈은 GE(General Electronics)에서 최초로 만든 개념으로, 실제 물리적인 자산 대신 소프트웨어로 가상화한 자산의 디지털 트윈을 만들어서 시뮬레이션 함으로써 실제 자산의 특성(현재 상태, 생산성, 동작 시나리오 등)에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있다.
디지털 트윈을 자세히 알기에 앞서 ‘목업(mock-up, 이하 목업)’과의 차이점을 먼저 알 필요가 있다. 목업이란 제품 디자인 과정에서 심미적 판단을 위해, 혹은 어느 정도의 기능을 예측하기 위해 제품의 외관만 실물과 비슷하게 만든 모형을 일컫는 말이다. 디지털 트윈은 생산과 소비의 현장에서 벌어지는, 감가상각이나 돌발변수 같은 예측 불가 요인에 반응하고 그에 맞춰 신호를 보내는 반면, 목업은 실물이든 가상이든 현재까지의 처음 만들어진 상태 그대로 멈춘 채 존재하며 설계자가 특정 의도를 가지고 별도 요소를 투입하기 전에 스스로 변화하지 않는다. 시장에서 시시각각 발생하는 변수들에 적절히 대응하고 사후 조치한 후 다음 제품 생산에 반영하는 메커니즘을 가진 디지털 트윈은 흡사 인간의 면역 기능의 작동 과정과 같다는 점에서 한마디로 ‘신개념 생장(生長)형 공정’이라고 부를 수 있다. 디지털 트윈은 가상 세계에서 현실을 미리 체험함으로서 현실의 생산효율성을 증가시키는 활동으로서의 목적을 갖는다.
디지털 트윈 예시 그림
2. 기술의 특징과 구성 기술요소
디지털 트윈은 크게 3가지의 구성으로 이루어져 있다.
현실의 사물이 존재해야 하고 이를 바탕으로 분석과 처리를 수행할 수 있는 시스템과 3D의 가상세계를 구현하는 디지털 트윈이 구성되어야 한다.
이러한 구성으로 디지털 트윈은 1) 실제 모델을 바탕으로 2) 가상화 모델을 구성하고 3) 가상화 모델 분석을 통하여 4) 오류를 탐지하게 된다.
디지털 트윈의 구성
2-1. 디지털 트윈을 구성하는 기술요소
① 3D 스캔
디지털 트윈을 위해서는 기본적으로 3D 스캔을 통한 사물정보를 디지털화 할 수 있다. 각 단위별 스캔 정보를 디지털로 조합하여 하나의 제품의 디지털 이미지를 완성시킬 수 있다. 이렇게 생성된 이미지는 고유한 사물의 정보 즉 구성내용, 재료, 성분 등을 포함하여 온전한 사물의 디지털로 완성될 수 있다.
3D 스캔
② VR ∙ AR ∙ MR
디지털 트윈은 디지털로 구성되어 있으며 실제 디지털 정보를 구동시킬 장비가 필요하다. 일반 컴퓨터를 통해서 확인이 가능하지만 다음의 기술들을 확인하면 바로 앞에서 실제와 동일하게 사물 정보를 확인할 수 있다.
VR(Virtual Reality, 가상현실)은 해당 제품의 정보를 가상의 환경에서 확인할 수 있도록 제공한다. 언제 어디서나 원하는 제품의 정보를 확인할 수 있게 되고 원격지에서도 제품의 이상을 VR을 통해서 확인이 가능하다. VR의 특징은 시공간의 제약없이 바로 확인이 가능하고 VR 헤드셋을 사용할 경우 보다 몰입감있게 해당 디지털 트윈을 속속들이 확인 가능하다.
AR(Augmented Reality, 증강현실)은 실제 공장이나 제품을 직접보면서 사물의 세세한 정보를 확인할 수 있게 한다. 사물 앞에서 사물의 정보를 확인하고 문제되는 사항을 AR을 통해서 먼저 파악한 뒤 그에 대한 해결방안을 수립하여 바로 문제를 해결할 수 있다. AR의 장점은 제품의 분해를 하지 않더라도 바로 앞에서 실제 분해하는 것과 같이 확인이 가능하고 특히나 항공기 엔진처럼 비행기에 부착된 경우에도 별도 분리없이 항공기 부착된 상태로 AR을 통해서 점검을 진행할 수 있게 된다.
MR(Mixed Reality, 혼합현실)은 AR과 VR을 믹스한 형태이다. 예를 들어서 항공기 정비를 위해서 AR로 항공기 엔진을 보면서 대체가능한 다른 항공기 엔진을 VR로 확인하는 것이 가능하게 된다. 즉 AR로 분석이 된 상황에서 바로 대응조치가 어려운 경우 대체가능정보를 VR을 통해서 찾을 수 있고 이것을 AR에 접속시켜 별도의 분해나 조립절차 없이 시뮬레이션이 가능하게 된다.
VR / AR
③ IoT(사물인터넷)
디지털로 전환하는 것으로 끝나지 않고 지속적인 정보를 파악하기 위해 실제 사물에 IoT 기기를 적용하여 해당 기기로부터의 실시간 정보를 획득한다. 이 정보를 디지털 트윈에 적용하여 물리적 사물에 가해지는 다양한 형태의 데이터를 통해서 디지털 트윈의 시뮬레이션을 통한 향후 발생될 수 있는 문제를 예측할 수 있게 된다. IoT의 정보는 단순한 디지털 이미지를 살아있는 디지털 트윈으로 전환시킬 데이터를 제공함으로써 실시간 실제 사물과 동일하게 만들어 준다.
IoT
④ 클라우드
모든 디지털 트윈은 클라우드에 저장되고 어디서나 쉽게 디지털 트윈을 확인할 수 있게 된다. 또한 전세계에서 발생되는 IoT를 통해서 생성된 데이터는 클라우드에 취합되고 그 데이터들이 분석되어 디지털 트윈에 지속적으로 변경관리할 수 있게 된다. 관련 서비스들도 클라우드에서 관리되어서 지역에 제약 없이 빠르게 디지털 트윈을 사용하여 업무를 할 수 있도록 지원하게 된다.
⑤ 빅데이터 분석
디지털 트윈을 언급할 때 간과되는 기술 중에 하나지만 가장 중요한 기술이다. 각각의 사물에 부착된 IoT에서 나오는 정보의 양은 점점 증가하게 된다. 이런 데이터들을 효과적으로 분석이 가능해야 비로소 예측정보로 활용할 수 있게 된다.
빅데이터 분석을 통해서 사물들의 현황을 파악할 수 있게 되고 디지털 트윈 내에서 해당 사물의 영향도를 확인할 수 있는 기초데이터로 활용할 수 있다. 데이터 분석은 다양한 환경, 조건 등의 형태를 띄며 축척이 되고 각각의 디지털 트윈별 데이터를 분석하여 디지털 트윈의 개별 분석데이터를 생성하게 된다. 이것을 통해서 개별 제품의 상황을 파악할 수 있게 되고 디지털 트윈은 그 분석데이터로 가상의 시뮬레이션 결과를 도출하게 된다.
이를 통해서 생산초기 동일한 디지털 트윈들은 개별 사물들의 상황에 따라서 축적된 데이터로 다르게 진화발전하게 되고 이후에는 각각의 고유한 디지털 트윈으로 변화되어 맞춤형 서비스가 가능하게 된다. 또한 기업은 모든 빅데이터를 분석하여 개별 제품들의 문제점을 파악할 수 있고 신제품 개발에 활용할 수 있게 된다.
클라우드와 빅데이터는 다음과 같이 플랫폼으로 연계되어 이용할 수 있다.
클라우드와 빅데이터 분석 예시 - 구글 클라우드 플랫폼
⑥ 3D 프린터
제조분야에서 특히 긴급성이 필요한 경우 유용하게 활용되는 기술이다. 이미 3D 스캔이 완료된 디지털 트윈의 정보를 통해서 전세계 어디서나 제품의 이상에 대한 해결을 위해서 부품들을 공수없이 그자리에서 바로 제작하여 수리가 가능하게 된다.
이제까지는 부품의 수급에 따라서 대기해야하는 문제가 있었지만 이제는 장비의 고장으로 인한 부품교체의 시간은 3D프린터를 통해서 원하는 모양, 원하는 재료로 생성이 가능하게 된다. 이를 통해서 제품을 사용하는 고객은 장애로 인한 서비스 지연을 최소화 할 수 있게 되어 고객만족도를 증대시킬 수 있다.
3D 프린터
이외에도 디지털 트윈은 사용자의 니즈에 따라서 다양한 기술들의 접목이 가능하여 서비스 기획시에 각 특성에 맞는 기술을 적용할 수 있다. 하지만 위에 언급된 기술은 디지털 트윈을 구현하고 사용하기 위한 필수 기능으로 반드시 사전에 파악이 되어있어야 하며 이것을 활용하기 위한 기기들, 예를 들어 스마트글라스, VR헤드셋 등도 파악이 되어야 기기의 특성으로 인한 서비스 제약을 뛰어넘을 수 있다.
3. 기술 전망
세계적인 IT 컨설팅기업인 가트너는 주목해야 할 10대 전략기술로 2017년과 2018년 2년간 디지털 트윈을 선정하는 등 4차 산업혁명을 위한 중요한 기반 개념으로 주목하였다. 전 세계 디지털 트윈 시장은 2016년부터 2023년까지 연평균 약 37%씩 성장할 것으로 전망된다.
디지털 트윈 세계 시장 전망
디지털 트윈은 일하는 방식, 시공간의 한계 극복, 제품개발 효율화 및 제조업의 서비스화 등의 패러다임 변화를 이끌 것으로 보이며 향후 적용 범위가 더 넓어질 것으로 예상된다. 디지털 트윈은 지능정보사회를 위한 중요한 기반 개념이며 향후 제조뿐만 아니라 도시계획, 부동산, 헬스케어 등 다양한 분야에서 활용될 것이며, 시뮬레이션을 통한 예측의 중요성이 증가하면서 최근 머신러닝, AI 등의 지능 정보기술의 발전으로 더욱 활용도가 높아지고 있다.
디지털 트윈 기반 패러다임 변화(예시)
디지털 트윈의 진화
4. 기술 적용 사례 및 스마트시티 적용 시사점
4.1 기술 적용 사례
디지털 트윈은 다양한 분야에서 사용될 수 있으며, 다음과 같은 분야에서 적용되고 있다.
① 제조 분야
디지털 트윈이 가장 먼저 도입되고 적용된 분야이다. 디지털 제조, 제조 운영 관리, 공급망 계획 및 최적화에 활용되고 있다.
- 제품 설계 검토, 예지보전
- 생산 라인 설계 ∙ 운영 ∙ 유지보수 시뮬레이션
- 작업 환경 시뮬레이션
- 현장 작업자 가상화 교육
Figure 11 제조업에 적용된 디지털 트윈
실제로 디지털 트윈이 로봇제조 프로세스 개선에 적용된 사례를 살펴보면, 로봇제조 프로세스 개선을 통한 작업 효율화 및 비용 절감을 목적으로 도입했으며, 생산라인의 배치, 하드웨어, 프로세스, 작업디자인 등 생산 과정 전체를 시뮬레이션했다. 도입 결과 과거 대비 생산성이 10~15% 향상되었다고 한다.
② 에너지 분야
에너지 분야에서는 디지털 트윈이 발전 시설 계획의 최적화, O&M의 효율화, 소비 최적화에 활용되고 있다.
디지털 발전소 : 최대 전력 생산 발전 설비 및 단지 설계, 생애 주기 동안의 전력 생산 최적화, 이상 징후 파악을 통한 유지 보수 효율화
에너지 소비 최적화 : 전력 소비량 예측 및 소비 패턴 분석을 통한 사용량 절감 방안 도출
에너지 분야에 적용된 디지털 트윈 – GE의 디지털 발전소
발전소 전체를 가상화하고 다양한 운영 시나리오를 시뮬레이션 한 사례의 경우, 1.5% 발전 효율성 향상, 예상치 못한 가동 중단 시간 5% 감소, O&M 비용 최대 25% 감소, 이산화탄소 배출량 3% 절감 효과가 있었다.
③ 물류 분야
물류 분야에서는 디지털 트윈을 물류 운영 현황 모니터링 및 최적화에 활용하고 있다.
- 컨테이너 터미널의 운영 현황 및 장비, 차량 상태 모니터링
- 물류 창고 내부 상황의 실시간 관계
두바이 항구 컨테이너 터미널의 경우, 터미널의 각종 주요정보를 3D로 실시간 관제하여 운영을 효율화하고 있다. 터미널의 Job Order, 각종 장비의 위치 및 상태, 컨테이너 정보 등을 가상화 모델을 통해 분석 ∙ 제공하고 있으며, 실제로 운영비용 절감 및 생산성 향상(약 65%), 이슈 조기 대응의 효과가 있었다.
④ 도시 분야
도시에서는 디지털 트윈을 도시 가상화 모델을 기반으로 도시 각 분야의 현황을 모니터링하고, 예측 시뮬레이션을 통해 도시 계획 및 운영을 하는 데 활용하고 있다.
- 도시 계획 : 신도시 개발, 도시 재생 사업을 위한 설계
- 도시 운영 : 교통, 에너지, 환경, 재난 재해, 통신 등 다양한 분양에서 운영을 최적화 하기 위한 모니터링 및 시뮬레이션
Virtual Singapore Project의 경우, 2014년 12월 시작하여 2018년 종료 예정으로 도시를 3차원으로 모사하고 있다. 이 프로젝트를 통하여 구축된 도시 가상화 모델을 기업, 국민, 연구기관이 모두 활용하도록 할 예정이며, 개방혁 혁신이 연쇄적으로 발생할 것으로 예상된다.
도시 분야에 적용된 디지털 트윈 – Virtual Singapore Project
4.2 스마트시티 적용 시사점
앞의 디지털 트윈의 도시 분야 적용 사례처럼 세계 각국의 스마트시티 열기 속에서 싱가포르가 가장 주목받는 것은 가상공간에서 다양한 실험들을 먼저 시뮬레이션 해보고 나서 실제 현장에 투입할 수 있게 하는 디지털 트윈 환경을 체계적으로 구현했기 때문이다
기술발전의 궁극적인 목적은 결국 인간의 삶의 질을 향상시키는데 있으며, 건강·안전·교육·문화·교통 등 인간 사회의 모든 것이 집약된 궁극의 플랫폼인 도시에서 디지털 트윈은 무한한 잠재력을 가진다. 디지털 트윈 속에서 관계 기관과 기업, 시민들이 함께 참여하여 도시의 자원과 서비스를 분석하여 관리할 수 있고, 도시를 설계하고 가상 시나리오를 시뮬레이션하며 시각적으로 구현하여 도시생활을 미리 체험해봄으로써 도시 문제와 해결 방안을 모색하고 장래 지속가능한 도시 건설과 관리에 활용될 수 있다.
앞으로 우리는 미래의 도시에서 가상과 현실이 혼합된 라이프 스타일을 가지게 될 것이며, 디지털 트윈은 이러한 가상과 현실을 잇는 교량 역할을 할 것임에 분명하다. 지속가능한 도시의 미래를 위해 과학자들, 정책 입안자들은 물론 일반 시민들까지도 가상으로 브레인스토밍을 하고 도시의 산적한 문제들을 풀 수 있도록 협력하는 스마트시티 플랫폼을 만들 수 있도록 산업계, 전문가, 정부의 기술개발과 실용화를 위한 긴밀한 협력과 노력이 요구된다.