"디지털트윈은 과거·현재·미래를 모두 보는 요술거울"

"디지털트윈은 제대로 만들면 과거, 현재, 미래를 모두 볼 수 있는 요술겨울입니다"

김탁곤 KAIST 명예교수는 25일 열린 '2022년 한국시뮬레이션 추계학술대회 및 제 4차 디지털트윈 포럼'에서 "디지털트윈이 디지털전환의 키"라며 이같이 밝혔다. 지디넷코리아가 후원한 이 행사는 시뮬레이션과 디지털트윈 관련 산학연 전문가들이 참석한 가운데 서울여자대학교 대학로캠퍼스에서 열렸다.

김 교수가 강조한 디지털트윈은 가상공간에 실물과 똑같은 객체(쌍둥이)를 만들어 다양한 가상실험(시뮬레이션)을 하고 이를 통해 검증 및 미래 변화를 분석, 예측, 최적화하는 기술이다.

미국 제너럴일렉트릭(GE)이 주창한 개념이다. 2000년대 들어 제조업에 도입되기 시작했고 이어 항공과 건설, 헬스케어, 에너지, 국방, 도시설계 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 특히 가트너가 2017년 10대 전략기술로 디지털트윈을 뽑으면서 관심이 더 커졌다.

■ 세계적 트렌드 DX..."디지털 트윈 완성해야 DX도 가능"

디지털 전환(Digital Transformation, DX)은 세계적 트렌드다. 김 교수는 DX가 광범위해 여러 정의가 있다고 전제하며 "비즈니스 전 과정에 ICT 기술을 도입해 전사적 업무나 생산기술, 제품 가상화, 혹은 가상 실험이 가능한 디지털 환경을 구축하는 것"이라면서 "디지털 환경을 구축해야 하는 이유는 결국 회사의 업무와 생산 효율 및 제품의 부가가치 증대로 이윤을 극대화하기 위해서"라고 진단했다.

디지털트윈과 DX와의 관계에 대해서는 디지털트윈이 DX의 키(Key)이자 중심, 디딤돌이라는 여러 의견을 제시하며 "결국 디지털트윈이 완성돼야 디지털 트랜스포메이션이 가능하다"고 해석했다. 디지털화에 대한 견해도 밝혔다. 작게는 정보를 컴퓨터에 기록하는 것부터 시작해 크게는 완전히 자동화한 공장까지 광범위하다면서 "디지털트윈을 다른 각도에서 보면 대상 시스템의 완전한 디지털화"라고 말했다.

김 교수는 우리 정부가 역점 둬 추진하고 있는 스마트공장을 예로 들며 디지털트윈의 중요성을 강조했다. 정부는 올해말까지 스마트공장 3만개 구축을 목표로 하고 있다. 지난해까지 2만개 넘는 스마트공장이 만들어졌다.

그에 따르면 스마트공장을 완전히 디지털화하려면 스마트공장의 정보 특성을 모두 컴퓨터에 담아야 하는데 이 정보 특성에는 정적인 것과 동적인 것이 모두 포함된다. 정적인 특성은 외부에서 보는 모양과 스마트공장의 다양한 장비들의 스펙이, 또 동적인 특성은 실제 생산 시스템이 가동되는 프로세스나 생산시스템에 사용된 장비가 움직이는 물리모델과 운영데이터 등이 포함된다.

■ 디지털트윈 구축 이유는?..."스마트공장의 과거, 현재, 미래 알 수 있어"

김 교수는 매우 어려운 과정을 거쳐 디지털 트윈을 만드는데 무얼 하기 위한 것인가?라고 물으며 "스마트공장이 과거는 어떻게 돼 있고 현재 상태는 어느 정도인지, 또 미래에 더 잘하려면 가상실험을 통해 어떻게 해야하는 지를 알기 위해서"라며 "이것이 디지털 트윈을 구축하는 첫번째이자 마지막 목표"라며 디지털트윈을 강조했다.

즉, 디지털트윈을 잘 구축하면 스마트공장의 과거와 현재, 미래를 알 수 있다는 거다. 스마트공장용 디지털 트윈을 구축을 하는 게 굉장히 어려운 기술이고 많은 투자가 들어간다고 전제한 그는 "그래도 우리가 이걸 가지고 미래를 볼 수 있고 과거도 알 수 있고 현재도 알 수 있다"면서 "디지털 트랜스포메이션 목적을 달성하는 데 꼭 필요하다"고 역설했다. .

김턱곤 KAIST 명예교수가 디지털트윈을 주제로 기조 강연을 하고 있다.

'최적화'에 대한 견해도 밝혔다. 디지털 트윈이 최근 화두가 되면서 CPS와 최적화, AI와 빅데이터, VR과 AR, 메타버스 등 여러 가지 디지털 트윈 관련 용어들이 혼란스럽게 사용되고 있는데 "기본적으로 디지털 트윈은 대상 시스템을 완전히 디지털화해서 간단히 특성을 보거나 시뮬레이션을 통해 분석을 하거나 혹은 예측을 하거나 예측 행위 중에서 제일 좋은 거를 뽑아내는 데 이걸 최적화라고 부른다"고 설명했다. 이어 "CPS와 최적화, AI와 데이터분석, VR과 AR, 메타버스는 목적에 맞게 디지털트윈을 기반으로 다양한 가상실험을 통해 나온 데이터를 활용하는 기술"이라며 이들 기술과 디지털트윈간 관계를 해석했다.

디지털트윈을 만들려면 3가지가 필요하다고도 말했다. 즉, ▲실세계 운용 데이터 ▲실체 객체들의 행위 모델 ▲실시간 디지털 공간 정보 및 사물 형상 정보 등 세 가지를 복제해야 한다는 것이다. 이 세가지가 있어야 디지털화를 이룬다면서 이의 좋은 예가 내비(내비게이션)라고 덧붙였다.

이런 디지털트윈을 만드는데 필요한 세 가지 중 실세계 운영 데이터와 공간 정보는 플랫폼을 사용해 도메인과 무관하게 구축을 할 수 있지만 행위 모델 자체를 구축하는 건 굉장히 어렵다면서 "도메인 전문가, 모델링 전문가와 ICT구현전문가 간 협업이 필요하다"면서 "디지털트윈을 제대로 만들면 정보와 지식을 넘어 최적의 대응을 할 수 있는 지혜서비스를 제공함으로써 디지털 혁신을 할 수 있다"고 강조했다.

■ 2025년까지 디지털트윈 기술 선도국 대비 95% 높여...경주 등서 여러 실증 사업 시행

김 교수에 이어 발표를 한 정병주 한국지능정보사회진흥원(NIA) 정병주 SOC 균형발전 팀장은 정부의 디지털트윈 적용 사례와 정책을 소개하며 "민간주도형 디지털트윈 생태계를 만들어가고 있다"고 밝혔다. 정부가 디지털트윈 기반 구축에 나서고 이를 바탕으로 기업이 다양한 신산업을 창출할 수 있게 하고 있다는 것이다.

정 팀장은 디지털 트윈의 핵심이 현실세계를 3차원 그래픽으로 가상화하고 실시간 IoT 센싱 데이터로 가상세계와 동기화해 AI모델링을 통한 분석,예측, 최적화를 구현하는 것이라고 설명했다. 이어 디지털트윈은 3단계로 이뤄졌다고 덧붙였다. 1단계는 3차원 가상세계 서비스, 2단계는 실시간 모니터링 및 제어서비스, 3단계는 분석과 예측, 최적화, 교육훈련 서비스다.

싱가포르, 영국, 미국 등 주요국의 디지털트윈 동향도 소개했다. 싱가포르는 도시 단위의 디지털트윈 선도사례를 구축했고, 영국은 공공과 민간을 아우르는 국가 차원의 디지털 트윈 전략을 추진하고 있으며, 미국은 제조 혁신을 위한 전략으로 디지털트윈을 주목하고 있다. 국내 디지털트윈 동향에 대해서는 "제조 분야에서 시작해 에너지, 물류 등 다양한 산업분야로 확산하고 있으며 GE, 지멘스,다쏘 같은 글로벌기업들이 경쟁 우위 확보에 나서고 있다"고 말했다.

우리 정부는 2020년 7월 디지털트윈을 한국판 10대 대표사업으로 선정한 바 있다. 이에 과기정통부는 디지털트윈 실증 및 핵심기술 개발에, 국토부는 디지털트윈 기반이 되는 공간정보구축에 각각 매진하고 있다. 또 서울시 등 지자체는 스마트시티 일환으로 다양한 문제 해결 및 정책결정을 지원하는 디지털 트윈 도시를 추진하고 있다. 기업에서는 원프레딕트, 녹원정보기술, 한국디지털트윈연구소 같은 국내 전문기업들이 과를 내고 있다.

정 팀장은 정부가 산업, 기술, 제도 등 세가지 면에서 활성화 전략을 추진하고 있다면서 "오는 2025년까지 디지털트윈 초혁신 프로젝트를 추진해 오픈 플랫폼을 통한 3D 모델링 데이터 5만건 개방과 요소기술 및 솔루션 기업 100곳 육성, 선도국 대비 기술 수준 95%로 상향 등을 달성하려 한다"고 밝혔다.

아쉬운 점도 지적했다. 디지털트윈 수요가 증가하고 있지만 3D 객체 데이터 수가 부족하고 공공과 민간별 구축하는 3D 객체의 공유 및 활용도 저하, 현실 문제를 가상실험으로 해결하기 위해 정밀한 시뮬레이션 기술이 요구되지만 대부분 외산SW에 의존하고 있다는 거다.

여기에 디지털트윈 구축을 위한 초기 투입비용이 높아 국내 기업이 디지털트윈 기술 역량을 축적할 수 있는 시장 수요와 비즈니스 기회도 부족한 상황이다. 정 팀장은 "국내 기술은 선도국 대비 1.4년의 격차가 있어 선제적 기술 개발이 시급하다"면서 민간 신산업 창출 수요를 반영한 산업별 응용 연구개발(R&D) 지원을 위한 다부처 협력과제 발굴을 추진 방향으로 제시했다.

앞서 당국은 지난해 12월 2026년까지 포괄하는 디지털트윈 기술 K-로드맵을 발표한 바 있다. 이에 따르면 14개 분야(표준 포함) 143개 후보기술 발굴과 51개 로드맵 과제 도출 및 제품 발굴 등이 추진된다. 표준화와 관련해 정 팀장은 "현재 데이터 연계 및 서비스 확장 제약 등 상호운용성 고려가 부족하고 디지털 서비스 활용과 확산을 저해하는 제도로 시장 활성화와 사업화에 애로가 있다"면서 이를 개선하기 위해 나서고 있다고 밝혔다.

정부가 추진하는 '디지털트윈 선도 프로젝트'도 소개했다. 부산 신항 국제터미널에서 실증하고 있는 스마트 항만 물류 플랫폼을 비롯해 ▲섬진강 댐 유역에서 실증하고 있는 물관리 플랫폼 ▲울산석유화학공업단지의 산업단지 통합관리 플랫폼 ▲지하공동구 스마트관리 시스템 ▲경주풍력 제2발전소의 풍력발전기 진단 및 출력 예측 플랫폼 ▲광주송정역 일대의 도시침수 스마트 대응시스템 등이 실증사업으로 진행되고 있다.

정병주 NIA SOC 균형발전 팀장이 정부의 디지털트윈 정책을 소개하고 있다.

■ 디지털 트윈은 교통혼잡 막는데도 큰 역할...부천시에서 효과 입증

정 팀장에 이어 KT 임장미 융합기술원 상무가 교통 분야 디지털 트윈 적용 사례를 발표했다. KT가 2018년부터 디지털 트윈 연구를 시작했다고 운을 뗀 그는 디지털트윈의 정의를 리얼인프라(Real Infra)와 동일한 디지털 쌍둥이를 만드는 것이라고 내렸다. 이어 "KT는 시뮬레이션과 딥러닝 기술을 결합, 지속적인 데이터학습으로 최신 특성을 반영, 실제와 가까운 예측 및 최적화 서비스를 제공하고 있다"고 들려줬다.

산업 영역에서 쌓여진 데이터들이 별로 없어 이들 작은 데이터만으로는 인공지능(AI)으로 다 예측하고 최적화하기 어렵기 때문에 디지털트윈 접근 방법을 사용하고 있다면서 물류와 교통, 시설 안전, 스마트공장 쪽에서 디지털트윈을 많이 사용하고 있다고 소개했다.

특히 임 상무는 디지털트윈이 교통 혼잡에 큰 역할을 한다면서 한국교통연구원의 2020년 5월 자료를 인용해 "교통혼잡 비용이 67조원으로 이는 GDP의 3.6% 규모이며 8년새 규모가 두 배로 커졌다"고 설명했다. 이어 현재의 신호체계를 디지털트윈을 사용해 효율화하기 위해 경기도의 교통혼잡 구역을 분석했다면서 디지털트윈의 장점으로 시스템에 대한 지식없이 분석이 가능할 뿐 아니라 실행시간이 짧으며 다양한 행태(behavior) 분석이 가능하다고 진단했다.

디지털트윈이 AI의 단점을 해결하는 툴이 된다는 점도 밝혔다. AI는 데이터 기반 학습이 중요한데 법칙이나 룰이 바뀌면 새로 학습을 해야하고 또 모델링도 새로 해야 하는데 디지털트윈은 데이터가 많지 않은 환경에서도 시뮬레이션을 할 수 있어 AI의 데이터 문제를 보완해준다는 것이다.

임 상무는 도로 상황을 이해하고 자율적 최적 운영이 가능한 지능형 교통 인프라 플랫폼인 '로드 AI(ROAD AI')도 소개했다. '로드 AI'는 3단계로 구성돼 있는데 첫번째 단계는 로드 아이(ROAD EYES)로 데이터를 수집하는 단계로 영상 인식이 어려운 환경에서도 교통 상황을 정확히 감지, 최고의 지능형 영상분석을 한다. 두번째 단계는 '로드 트윈(ROAD TWIN)'으로 어떤 도로 유형도 모델링하며 교통 상황을 지속적으로 셀프 학습해 정확도를 높인다. 마지막 세번째 단계는 '로드 노잼(ROAD NoJAM)'으로 명명한 단계로 최적의 신호 운영 기술이 들어가 있다.

임 상무는 교통신호 혼잡을 줄이기 위해 디지털트윈 모델을 만들어 시뮬레이션을 통해 최적 신호를 도출한다면서 KT가 개포동을 대상으로 실행한 최적의 신호를 찾아가는 과정도 설명했다. KT는 부천시의 ITS 사업에 이를 적용, 큰 효과를 거둬 더 많은 장소에서 실증 시험을 하고 있다. 임 상무는 "부천시에 280개가 넘는 교차로가 있는데 디지털 트윈을 적용한 교통신호 체계 개선으로 얻는 경제 효과가 매우 클 것"으로 내다봤다. 이어 아직 요원하지만 완전무인자율주행차 시대가 오면 교통 신호 필요성이 없어지기 때문에 이에 관한 연구도 하고 있다고 말했다.

■다쏘시스템은 디지털트윈보다 버츄얼 트윈 사용...의료 등서 맹활약

KT 임 상무에 이어 다쏘시스템 김은광 이사가 자사의 디지털트윈 적용 사례를 소개했다. 프랑스에 본사가 있는 다쏘는 디지털트윈보다 버추얼 트윈이라 부른다. 김 이사는 다쏘시스템이 버츄얼 트윈을 부품이나 제품, 공장이나 물류센터 같은 공간에서 나아가 인간이나 자연으로 개념을 확대하고 있다면서 "(버츄얼 트윈은) 비즈니스를 실행하는 획기적인 방법"이며 "물리적 대상이 존재하기 전부터의 가상화를 포함하는 개념"이라고 설명했다.

이어 버츄얼트윈과 증강현실(XR), AI와의 결합에 대해 "현실과 유사한 디지털 모델을 기반으로 가상 체험, 증강 오퍼레이션 및 AI학습을 통해 최적화와 혁신에 활용하고 있다"면서 "제조기업의 엔드 투 엔드(EtoE, 연구개발-마케팅-생산-SCM-서비스) 비즈니스 실행에 적용 가능한 네가지 메타버스 유형을 다쏘시스템이 재정립했다"고 말했다.

버츄얼 트윈의 대표적 활용 사례로 가상 시뮬레이션, 가상 오퍼레이션, 증강 오퍼레이션, 증강 분석 및 의사결정 등 네 분야를 꼽았다. 또 버츄얼 트윈을 활용한 의료 분야를 설명하며 "기업이 처한 짧은 시간안에 많은 혁신을 이뤄야 하는데 우리가 제공하는 가상 경험을 통해 최대한 문제를 미리 파악하고 거기에 적합한 최적의 솔루션을 찾을 수 있다"고 밝혔다.

■한국동서발전 경주서 디지털트윈 기반 풍력발전기 진단 및 출력 예측 실증

한국동서발전 김경기 차장은 디지털트윈을 활용한 풍력발전 사례를 설명했다. 한국동서발전은 2001년 4월에 설립된 공공기관으로 발전을 주업으로 하고 있다. 설비 용량은 1만286메가와트(MW)고 작년 매출은 4.7조원을 기록했다. 일산, 당진, 호남, 울산, 동해 등 5곳에 발전본부를 두고 있다. 본사는 울산이다. 현재 경주풍력발전소에서 과기정통부 지원을 받아 디지털트윈 기반 풍력발전기 진단 및 출력 예측 플랫폼을 실증하고 있다. 실증 비용은 49억원이고 지난 4월 시작해 올해말 끝난다. 아인스에스엔씨 등이 참여기업으로 실증에 나서고 있다.

실증 사업을 소개한 김 차장은 짧은 기간에 많은 걸 해야하는 어려움이 있다고 토로하며 "발전량 예측 디지털트윈 플랫폼을 개발중인데 2개의 공학&예측모델과 3개의 소프트웨어 모듈로 구성돼 있다. 개발이 90% 정도 완료됐다"고 설명했다. 이외에 고장진단 및 예측정비 모델도 개발중이다. 반면 3D모델과 통합UI모델, 로터 속도 시뮬레이터, 로터 공학 모델 등은 개발을 완료했다.

한국동서발전이 구축 중인 시스템은 200개가 넘는 센서가 설치돼 있다. 2초 단위로 데이터를 수집한다. 스카다(SCADA,집중 원격감시제어시스템)에서 데이터를 생성하는 주기가 약 2초 단위이기 때문이다. 김 차장은 "하루 전에 풍력발전의 예측량을 맞춰야 하는데 오차 범위가 10% 이내여야 한다"면서 "UI 등 사용자 중심 기능 개선을 거쳐 오는 12월말 최종 평가를 한다"고 들려줬다.

김경기 한국동서발전 차장이 경주에서 실증하고 있는 디지털트윈 사업을 설명하고 있다.

■한국디지털트윈연구소 '와이저' 발표 시장 확대...내년 새 버전 내놔

한국디지털트윈연구소(대표 양영진) 김창희 전무는 자사가 개발한 디지털트윈 플랫폼 '와이저(WAiSER)'의 적용 사례를 발표했다. 이 회사는 KAIST 연구소기업으로 세계 최초로 BAS(빅데이터, 인공지능, 시뮬레이션) 기반 디지털트윈 플랫폼 '와이저(WAiSER)'를 개발, 지난 2020년 10월 출시했다.

특히 국내 ICT 연구개발(R&D) 컨트롤타워 역할을 하고 있는 정보통신기획평가원(IITP, 원장 전성배)이 발표한 디지털트윈 성숙도 5단계 중 '와이저'는 4단계에 위치해 있다. 이 단계(연합DT)는 일명 페더레이션(Federation, 연합) 단계라 불리며 모델과 모델을 연합, 최적화한 개별 물리 대상들을 상호 운영해 최적화를 달성한다.

한국디지털트윈연구소는 제주도의 디지털트윈 기반 환경영향평가를 비롯해 경북 경주에서 풍력발전소 발전량 예측, 자율주행차의 디지털트윈 기반 고장진단 및 수명예측, 원자력 분야에서 디지털트윈 기반 기상센서∙스마트계측 등의 사업을 수행하고 있다.

김 전무는 스마트시티와 제조, 유통, 국방, 화재와 교통 등 공공의 사회 문제 해결에 '와이저'가 많이 활용되고 있다면서 "와이저는 데이터 기반 모델링 한계를 극복하기 위해 빅데이터와 AI, 시뮬레이션이 통합된 하이브리드 디지털 트윈 모델링 시뮬레이션 플랫폼"이라고 설명했다. 이어 내년에 슈퍼 유저들을 위해 UI를 개선한 새 버전의 '와이저'를 출시한다면서 "오는 2024년 2분기쯤 클라우드 기반 구독형 서비스로도 공급할 계획"이라고 말했다.

김창희 한국디지털트윈연구소 전무가 자사의 디지털트윈 플랫폼 '와이저'를 근간으로 한 회사의 사업 방향을 발표하고 있다.

■패널 토론도 열려..."디지털 트윈 발전 위해 산학간 인력 선순환 이뤄져야"

세션 발표 후에는 발표자들이 참여한 가운데 최창범 한밭대 교수가 좌장을 보고 디지털트윈의 현재와 미래를 논한 패널 토론도 열렸다.

토론에서 국내 디지털트윈 최고 전문가로 꼽히는 김탁곤 KAIST 명예교수는 디지털트윈이 최신 기술이라면서 이의 국내 발전을 위해서는 "학계가 먼저 배워 산업계에 전달하는 선순환 체계가 빨리 이뤄져야 한다"면서 "대학에서 이를 마땅히 가르치질 못해 한국소프트웨어산업협회에서 교육프로그램을 만들어 운영하고 있다"고 소개했다. 김 교수는 디지털트윈의 로드맵을 묻는 방청석 질문에 "2021년말에 기술 개념과 13대 응용 분야를 다룬 버전 1.0이 책자로 나왔다"면서 "올해말까지 버전 2.0을 완료할 계획으로 알고 있다"고 답변했다.

임장미 KT 상무는 디지털 트윈을 통신 인프라 관점에서 확산하는 방안에 대해 "통신 인프라 관점에서도 디지털 트윈을 이용해 최적화할 부분이 많이 있다"면서 "UAM을 상용화하려면 항로 주변에 전파 세기 등 셀을 설계해야 하는데 이 부분에서도 디지털 트윈을 활용할 수 있다"고 진단했다.

양영진 한국디지털트윈연구소 대표는 비즈니스 관점에서 디지털 트윈 확산을 밝히며 "비즈니스는 일을 하는 거다.일을 통해 가치를 창출하는 거고 이를 통해 수익을 내는게 비즈니스 본질"이라며 "가치 창출은 기존에 못 풀던 문제를 푸는데서 오는데 디지털 트윈이 이 역할을 해준다"고 강조했다. 이어 B2B, B2G를 넘어 앞으로 B2C에도 진출할 계획이 있다면서 "사람들이 고민하는 문제를 우리 플랫폼인 '와이저'가 해결해 주는 걸 하려 한다"고 덧붙였다.