디지털 트윈(Digital Twins) ::정의/필요성/장점/단점/활용기술

 

 

디지털 트윈(Digital Twins)에 관하여 조사하여 설명하고 디지털 트윈을 위해 활용될 수 있는 정보통신 기술에 관하여 서술하시오.

 

(1) 정의 및 필요성

디지털 트윈(Digital Twin)은 말 그대로 현실 세계에 있는 제품이나 부품을 가상 공간에도 똑같이 쌍둥이와 같은 대상을 만드는 기술을 말한다. 가상공간에는 실제 상황을 재현하 거나 다양한 조건을 변화하여 여러가지 환경도 조성할 수 있다. 그런 다음 시뮬레이션을 진행하여 나온 결과값은 다시 현실 세계에 있는 제품이나 부품에 적용해서 최적의 결과 를 도출할 수 있다. 이 과정을 여러 번 실시하는 동안 실시간으로 데이터를 대량으로 생 성하고 계산할 수도 있다. 대량의 데이터들은 다시 간단한 추론이나 머신 러닝 기술 등 을 통해 가공되어 현실 세계에서 발생할 수 있는 여러가지 상황을 보다 더 정확하고 빨 리 예측하는데 도움을 주거나 어떠한 문제에 대한 의사결정에 필요한 정보가 되기도 한 다.

 

(2) 장점과 문제점

디지털 트윈 기술은 크게 세가지 장점을 가진다.

그 중에 가장 강력한 장점은 현실 세계에서 일어날 수 있는 상황들을 미리 예측하고 다양한 방안을 미리 도출하여 예 비할 수 있다는 점이다. 이러한 이유로 현실에서 일어날 수 있는 위험한 상황도 실제로 실험할 필요 없이 미리 가상 공간에서 시뮬레이션이 가능하다. 시뮬레이션 하여 다양한 가능성을 파악할 수 있다. 여기서 안전한 범위 내의 값이 나올 때까지 여러 번 다시 시 뮬레이션 할 수 있다. 또, 디지털 트윈을 사용하면 현실 세계에 있는 제품이나 부품에서 발생하는 다양한 상황을 빨리 대응할 수 있다. 디지털 트윈은 현실 세계에 있는 제품이 나 부품의 상태를 동일하게 가상 공간에 구현해서 실시간으로 모니터링 할 수 있게 한다. 모니터링을 통해 해당 제품이나 부품을 분석할 수 있고, 하자 발견이 빨라질 수 있다. 앞으로 발생할 수 있는 추가적인 상황을 시뮬레이션을 통해 예측할 수도 있다.

둘째, 시뮬레이션으로 도출된 데이터를 이용하여 제품이나 부품을 개선하는데 활용한다 면, 실제로 실험하여 얻은 결과를 반영하는 것보다 시간적으로나 금전적으로 유리하다. 또한 좀 더 정교하게 제품이나 부품의 성능을 끌어올릴 수 있다. 이 장점은 신제품 개발 할 때 더 확연히 드러난다. 디지털 트윈은 현실 세계에서 실제로 사용중인 기존 제품의 정보나 사용자들의 피드백을 이용하여 구현한다. 그렇기 때문에 신제품을 기획하는 단계 에서부터 디지털 트윈기술을 활용할 수 있다. 기존 제품을 바탕으로 신제품에 대한 디지 털 트윈을 구현한다면 현실세계에서 발생할 수 있는 상황을 시뮬레이션 할 수 있다. 사 용자의 만족도도 예측할 수 있을 것이다. 또한 신제품을 생산하는 과정에서 발생할 수 있는 불필요한 공정을 제외시킬 수도 있다. 이런 점은 현실 세계의 자원을 낭비하지 않 아도 된다는 점에서 금전적으로 큰 이득이다. 이와 같은 과정을 통해 결정된 신제품을 실제로 생산하는 공정도 모니터링 할 수 있으며, 필요에 따라 유지보수를 같이 진행 할 수 있다. 신제품 기획에서 생산까지 효과적으로 관리할 수 있다.

디지털 트윈의 세번째 장점은 현실 세계에 존재하는 유형의 제품이나 부품이 아니더라도 비즈니스 모델이나 서비스, 시스템 등과 같은 무형의 콘텐츠에도 적용할 수 있다. 앞서 언급한 신제품의 개발 과정과 같이 새로운 비즈니스 모델이나 서비스를 기획하는 단계에 서 디지털 트윈 기술을 활용할 수 있다. 우선, 고객의 요구사항이나 취향 등을 취합하여 대량의 데이터를 축적한다. 이 데이터를 바탕으로 구현된 디지털 트윈을 활용하여 새로 운 비즈니스 모델이나 서비스를 구체화할 수 있다. 더불어 변화하는 고객의 요구사항을 모니터링할 수 있다. 지속적으로 변화추세를 체크할 수 있고, 신제품 개발 과정과 유사하 게 새로운 비즈니스 모델이나 서비스에 즉시 반영하거나 수정하여 준비할 수 있다. 또한 현실 세계에서 빠르게 변화하는 사회 현상이나 유행 등과 같은 상황을 시뮬레이션 환경 에 적용하고, 시뮬레이션에서 얻은 값과 그렇지 않은 상황에서 모니터링한 값을 비교할 수 있다. 나아가 현실 세계에서 실제 고객과 유사한 가상의 고객에 대한 다양한 설정을 시뮬레이션 환경에 적용하여 앞으로 발생할 수 있는 변화를 예측할 수 있다. 이렇게 시 뮬레이션의 결과는 출시할 새로운 비즈니스 모델이나 서비스에 적용할 수 있고, 실제 출 시된 비즈니스 모델과 서비스를 시행하면서 나온 결과는 다시 시뮬레이션 환경에 설정하 여 순환 구조를 만들 수 있다. 이 순환 구조는 서로 상호 보완하여 궁극적으로 최적의 체계를 갖춘 비즈니스 모델이나 서비스를 만드는데 도움을 준다.

 

이와 같이 강력한 장점에도 불구하고 디지털 트윈 기술은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.

먼저 데이터의 복제에서 발생한다. 디지털 트윈 기술은 현실 세계에 있는 제품이나 부품을 가상 공간에 그대로 복제하는 것이다. 그대로 복제한다고 하는 것은 현실 세계에 있는 제품이나 부품이 가지고 있는 다양한 정보를 그대로 복사한다는 것을 의미한다. 여기서 다양한 정보 중에는 고객이나 사용자의 민감한 데이터가 있을 수 있다. 민감한 데 이터로는 계좌번호나 신용카드 번호 등과 같은 금융정보와 주민등록번호나 휴대폰번호와 같은 개인정보 등이 있다. 보안이 취약한 경우 복제된 민감한 데이터는 불특정 다수의 사람들에게 공유되어질 수 있다. 이것은 2차 범죄로 이어질 가능이 있다. 또, 다양한 정 보를 복사하는 과정에서 데이터가 변질되는 경우, 구현된 디지털 트윈과 현실에 존재하 는 제품이나 부품과는 서로 다른 객체가 된다. 이러한 상황을 빨리 파악하지 못한다면 시뮬레이션 결과가 틀릴 가능성이 높아진다. 이것을 그대로 다시 현실 세계에 반영하는 과정에서 예상치 못한 결과를 야기 할 수 있다. 그렇다면 오히려 디지털 트윈 기술을 쓰 지 않은 것만 못하는 상황이 생긴다. 다음은 디지털 트윈을 구현하는데 사용하는 대량의 데이터를 관리하면서 생기는 금전적 인 문제이다. 대량의 데이터는 보통 사물 인터넷의 센서를 통해 수집되어지고 생성된다. 또, 가공하고 분석하는 과정도 거친다. 이 때 필요한 장비와 시스템을 구축하는데 엄청난 비용이 들 것이다. 이 장비와 시스템을 운영하는 것에도 막대한 지출이 발생할 수 있다. 디지털 트윈 기술을 사용하는 목적이 이를 이용하여 최적의 결과가 나올 때까지 시뮬레 이션을 계속 진행하는 것이기 때문이다. 다양한 조건으로 변화시켜 시뮬레이션 해야 한다. 여기서 여러 시뮬레이션의 결과를 비교하기 위해서는 불필요한 입력 데이터도 저장 해야 한다. 시뮬레이션에서 나온 결과 데이터가 최적의 값이 아닐 경우 조건을 바꿔 가 며 시뮬레이션을 여러차례 진행한다. 이 과정에서 최종적으로 필요하지 않을 수 있는 결 과값마저 또 저장한다. 시뮬레이션을 잘 못해서 트래픽을 만들어 내기도 한다. 이 데이터 들이 맞는지 확인하는 과정을 거치기 전까지 계속해서 저장해야 되기 때문에 이와 비례 하여 방대한 자원이 필요하다. 이를 방지하기 위해 모니터링 작업을 추가한다면 이 또한 물리적인 자원을 추가해야 한다. 계속해서 자원을 늘려야 하는 것이다. 필요한 자원만큼 금전적인 투자가 계속 이루어질 수 있다. 디지털 트윈은 레거시 시스템과의 호환이 잘 안될 수 있다. 디지털 트윈을 구현하기 위 해서는 대량의 데이터가 필요하다. 이 데이터들을 수집하는데 필요한 사물인터넷과 해당 데이터를 가공하는데 필요한 인공지능 기술, 수집하고 가공된 데이터들을 저장할 클라우 드 컴퓨팅 등과 같은 다양한 기술이 디지털 트윈과 함께 쓰인다. 레거시 시스템에서 이 기술들이 잘 작동되어야 디지털 트윈 기술을 사용하는 의미가 있다. 만약 레거시 시스템 과의 호환이 어렵다면 디지털 트윈의 환경을 실시간으로 변경하기가 어려워지고 시기에 적절하지 않은 데이터들로 구현된 디지털 트윈으로 잘못된 결과를 얻게 된다. 옳은 결과 라 할지라도 저장용량이 부족해서 데이터를 저장하지 못한다면 결과값을 비교하면서 최 적의 결과를 도출하기 위한 시뮬레이션을 진행할 의미, 더 나아가 디지털 트윈을 구현한 의미를 잃는다. 그렇기 때문에 레거시 시스템과의 호환이 중요하다.

 

(3) 활용될 수 있는 ICT

디지털 트윈 기술에 활용될 수 있는 ICT 기술은 다양하다. 디지털 트윈을 구현하기 위해 서는 대량의 데이터가 필요하다. 대량의 데이터는 사물 인터넷 기술에 의해 수집될 수 있다. 사물 인터넷은 IoT 라고 불리며, 현실 세계에 존재하는 제품이나 부품에 네트워크 를 장착하는 기술을 말한다. 사물 인터넷 기술이 사용된 제품이나 부품에는 보통 센서도 장착된다. 이 센서를 통해 제품이나 부품은 다양한 형태의 데이터를 입력 받는다. 이 데 이터들은 사물 인터넷에 구축되어 있는 소프트웨어 프로그램을 통해 다양한 형태로 전처 리과정을 거치게 된다. 그 후, 다른 장치나 시스템과 연결되어 있는 네트워크 망을 이용 하여 데이터 교환이 이루어진다. 이렇게 수집되는 데이터는 방대하다. 여기서 활용되는 기술이 빅데이터 기술이다. 빅데이 터는 기존에 데이터를 관리하는 데이터베이스 시스템으로 처리하기 어려운 대량의 데이 터를 말한다. 빅데이터는 정형 데이터와 비정형 데이터 모두를 포함한다. 빅데이터는 형 태가 다양하고 규모가 클 뿐만 아니라 속도도 빠르다는 것이 특징이다. 이러한 특징때문 에 빅데이터를 가공하고 처리하는 기술은 기존 데이터베이스 시스템과는 다른 것이 필요 하다. 이 기술들이 바로 분산 컴퓨팅, 병렬 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅 등이다. 분산 컴퓨팅은 여러 대의 컴퓨터들을 네트워크로 연결하여 하나의 시스템처럼 작동하도 록 하는 기술이다. 여러 대의 컴퓨터를 하나의 시스템처럼 사용하면 데이터를 가공하고 처리하는데 걸리는 시간을 줄일 수 있다. 병렬 컴퓨팅은 하나의 시스템에 있는, 즉 컴퓨 터 한 대에 여러 개의 프로세서를 구축해서 동시에 작동하는 기술이다. 여러 개의 프로 세서로 동시에 데이터를 가공하거나 처리할 수 있기 때문에 소요시간을 줄일 수 있다. 클라우드 컴퓨팅은 인터넷 상에 컴퓨팅 리소스와 인프라를 제공하는 기술이다. 앞서 언 급한 분산 컴퓨팅과 병렬 컴퓨팅을 클라우드에 구축한다면, 실제 하드웨어를 이용하여 해당 인프라를 구축하는 비용을 줄일 수 있다. 또, 클라우드에 접근할 수 있는 권한에 따 라 다른 이용자에게 빠르게 공유할 수 있게 한다. 이 특징도 빅데이터를 가공하고 처리 하는데 시간을 줄일 수 있다 디지털 트윈은 인공지능 기술을 통해서 수집한 데이터를 분석할 수 있다. 인공지능 기술 은 인간의 추론능력과 학습능력 등과 같이 컴퓨터를 이용하여 문제를 해결하는 기술을 말한다. AI 기술이라고 부른다. 빅데이터를 분석하고 계산하는데 인공지능 기술을 활용하 면 보다 손쉽고 정확한 결과를 얻을 수 있다. 사람이 직접 손수 분석하고 계산해야 하는 작업을 컴퓨터가 자동으로 할 수 있다. 그리고 디지털 트윈으로 구현하고 시뮬레이션 하 는 과정에 인공지능 기술을 사용하면 결과값에 대한 정확도와 신뢰도를 향상 시킬 수 있 다. 시뮬레이션의 제어에도 인공지능 기술이 활용된다면 시뮬레이션 과정의 처리속도가 빨라지는 효과가 있다. 디지털 트윈은 AR,VR,XR 기술을 활용하여 표현할 수 있다. 현실 세계에 있는 제품이나 부품을 가상 공간에 시각적으로 나타낼 수 있다. 또한 현실 세계에 있는 제품이나 부품 과 디지털 트윈을 융합하여 나타낼 수도 있다. 이것은 디지털 트윈의 형상을 AR,VR,XR 기술과 결합하여 가시화한 것이다. 이 기술들을 사용한다면 사용자들에게 보다 이해하기 쉽게 표현할 수 있다. AR은 증강현실(Augmented Reality)의 약자로 현실 세계에 가상적인 요소를 추가하여 다 양한 경험을 제공하는 기술이다. VR은 가상현실(Virtual Reality)의 약자로 가상 공간에 새 롭게 구현된 상황을 현실 세계에서 겪는 것과 같이 체험할 수 있는 기술이다. VR은 사용 자가 가상 공간에서 상호작용을 할 수 있는 기능도 제공한다. AR과 VR은 조금 다르다. AR은 사용자가 현실 세계에 디지털 트윈의 이미지 볼 수 있다면, VR은 사용자가 현실 세계와 단절된 가상 공간에 표현된 디지털 트윈의 이미지를 본다는 점이다. XR은 확장현 실(eXtented Reality)의 약자로 AR과 VR이 융합된 기술이다. 현실 세계의 공간과 가상 공 간을 융합하여 볼 수 있고, 상호작용도 제공하는 기술이다. 이처럼 다양한 ICT 기술을 기반으로 현실 세계에 존재하는 제품이나 부품을 소프트웨어 시스템에 디지털 트윈으로 똑같이 표현하여 해당 제품이나 부품의 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 다양한 위험 상황을 감지하여 예방하고 해결책을 미리 준비할 수 있다. 디지털 트윈은 사람이 직접 투입하기에 위험한 환경이 많이 발생할 수 있는 제조분야, 기후나 자연재해 등을 예방 할 수 있는 도시설계분야, 질병의 진행 상황 등을 예측하기 위한 의 료 분야 등에서 사용되고 있거나, 도입하기 위해 연구하고 있다. 디지털 트윈 기술은 제조 분야에 해당하는 제조공장에서 다음과 같이 활용하고 있다. 현 실 세계에 있는 제조공장이라는 공간 그 자체를 가상 공간에 디지털 트윈 기술로 구현한 다. 그 안에 실제로 설치되어 있는 제조 장비나 사물을 가상 공간에도 구현하여 현실 세 계의 공간과 쌍둥이처럼 조성한다. 그런 다음 제조공장에 설치한 사물 인터넷을 이용하 여 실시간으로 현실 세계에 있는 제조공장에서 실제로 발생하는 다양한 데이터를 수집한 다. 환경의 변화나 장비의 상태 변화 등을 감지하여 데이터로 수집하는 것이다. 이렇게 수집된 데이터를 모니터링하고 다시 디지털 트윈을 수정하거나 시뮬레이션을 진행한다. 이 과정을 통해 사람이 직접 투입하면서 발생할 수 있는 위험한 상황을 예방하거나, 실 제로 위험한 상황이 발생한다면 즉각 대응할 수 있다. 제조공장 뿐만 아니라 도시를 설계 할 때도 활용하고 있다. 현실 세계에 있는 지형을 똑 같이 가상공간에 구현한다. 앞으로 건설될 공공기관의 규모와 대략적인 건물배치도 구현 한다. 해당 지역에서의 실제 일조량이나 강수량 같은 기후 조건도 입력한다. 현실 세계의 그 지역과 동일한 지역이 디지털 트윈 기술로 구현하는 것이다. 그리고 앞으로 발생할 도시문제를 시뮬레이션을 통해 예측하고 이를 바탕으로 도시 설계를 점진적으로 구체화 한다. 현존하는 도시에서 발생하는 다양한 도시문제에 대해 시행착오를 막기 위함이다. 특히 최근 대도시에서 자주 발생하는 고농도 미세먼지를 해결하기 위해 디지털 트윈 기 술을 이용한 연구가 활발하다. 미세먼지는 도시의 공간 구조나 기후 등 다양한 조건에 따라 도시의 특정 지역에 장시간 머물게 되면서 피해를 주는 재해이다. 인구 밀도가 높 은 주거 단지나 교통 체증이 생기는 교차로 등의 입지적 요소와 터널이나 건물에 의한 분지지형 등과 같은 도시 디자인적 요소는 장시간 머무르는 미세먼지를 배출하는데 영향 을 준다. 해당 요소들이 미세먼지 배출에 얼마나 영향을 주는지, 해당 요소들을 제거 하 기 위한 방안들을 모색하기 위해서 현존하는 도시를 가상 공간에 디지털 트윈으로 구현 하여 연구하고 있다. 디지털 트윈을 바탕으로 미세먼지를 줄이기 위해 다양하게 시뮬레 이션을 진행하는 것이다. 디지털 트윈은 의료분야에서도 활용되고 있다. 메디컬 트윈이라고 용어가 생겼을 만큼 다양한 방식으로 활용하고 있다. 환자의 건강정보와 현실 세계에 있는 의료자원에 대한 데이터들을 바탕으로 구현한 디지털 트윈의 의료 환경에서 질병을 진단하고 환자에게 맞 춤형 치료 방법을 제시하고 있다. 한 환자에 대한 질병에 대한 예후를 예측하고 맞춤 관 리가 가능하다는 점에서 환자 중심의 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또, 다양 한 환자에 대한 경험과 수술 실습이 필요한 의료진들을 위해 디지털 트윈을 활용한 프로 그램을 개발하고 있다.

 

(4) 결론

글로벌 컨설팅 기업 딜로이트에 따르면 디지털 트윈을 ‘사업실적의 최적화에 도움을 주 는 물리적 객체나 프로세스의 과거와 현재 활동이 기록돼 진화하는 디지털 프로필’로 정 의하고 있다. CAD도면이나 이미지 파일과 같이 2D로 물리적 개체를 표현하는 게 아니라 3D로 표현한다는 것이다. 디지털 트윈 기술은 표현에 끝나지 않고 현실에서 예측하기 어 려웠던 사업실적을 예측하는데 목적을 두고 있다. 2021년 14차 정보통신전략위원회에서 발표한 자료에 따르면 디지털 트윈 기술에 대한 글로벌 시장이 2020년에는 3조 6천억원 에서 2026년에는 55조 4천억원까지 성장할 것으로 전망하고 있다. 연평균 57.6%의 수준 의 가파른 성장을 뜻한다. 그 중에 한국 시장에서 디지털 트윈 기술의 성장률은 연평균 70%로 나타내고 있다. 이에 따라 정부는 ‘TaaS(digital Twin As A Service)’라고 해서 민간 이 주도하는 디지털 트윈 생태계를 조성한다고 발표했다. 그만큼 이 기술에 대해서 모두 가 주목하고 있다. 하지만 디지털 트윈을 활용하는 기관에 따라, 산업에 따라 디지털 트 윈에 대한 정의를 서로 다르게 가지고 있다. 그렇다면 디지털 트윈을 통합적으로 관리하 기가 어려워질 수 있다. 그렇기 때문에 이에 대한 표준을 정립하는 것이 가장 시급해 보 인다.