이 글은 최근 각 지자체나 기관별로 개발되고 있는 디지털 트윈에 대한 좀 더 명확한 개념, 국제표준 동향 조사에 관한 내용을 정리한다.
디지털 트윈에서 가장 중요한 몇 가지 요소를 꼽는다면, 상호운용성과 플랫폼일 것이다. 이런 기능을 지원하는 시스템 바탕위에, IoT, AI, 시뮬레이션 기능이 목적에 맞게 잘 동작된다면 성공적인 디지털 트윈이라 말할 수 있다.
표준과 상호운용성이 없어 재활용되지 않고, 향후 확장 및 유지보수가 어려운 것은 디지털 트윈에서 가장 기본적인 요소가 빠진것이다. 어떤 기술이 단순한 3차원 모델 뷰어임에도 디지털 트윈이라 포장되고, 확장성없는 시스템을 플랫폼이라 말한다면 기본이 안된 것이다. 참고로, 건설 분야 디지털 트윈과 관련된 내용은 다음 링크를 참고하길 바란다.
디지털 트윈은 특정 컨텍스트 내에서 데이터 캡쳐, 통신, 저장, 해석 또는 처리를 지원하는 자산, 프로세스 또는 시스템의 디지털 표현으로 정의된다. 디지털 트윈은 제조 분야에서 시작된 만큼, 관련 유스케이스가 제조 쪽에 치우쳐져 있다. 예를 들어, 관련 국제표준인 ISO 23247은 건설과 같은 다른 분야에서 이 표준을 그대로 적용하기에는 이슈가 있을 수 있다. 이런 점을 고려해 관련 내용을 확인하는 것이 좋다.
디지털트윈 개념
디지털 트윈은 산업 IoT 생태계의 핵심 구성 요소이다. 비즈니스 이해 관계자가 소유하는 데이터를 안전하게 저장, 처리 및 공유한다. 디지털 트윈은 이기종 시스템을 통합하기 위해 애플리케이션 및 데이터의 유연한 구성을 지원해야 한다. 디지털 트윈 기반 아키텍처는 상호운용성, 복잡성을 관리하기 위한 여러 대안 중 하나이다.
디지털 트윈은 매우 강력한 상호운용성 지원을 바탕으로 현실세계의 다양한 장치들로부터 데이터를 디지털화하여 정보 처리, 관리, 분석, 전송, 사용하는 플랫폼이다. 다음 그림은 이를 보여준다.
디지털 트윈 컨텍스트(Digital Twin Architecture and Standards)
디지털 트윈을 컨트롤하는 중요 컴포넌트 다음과 같다. 이런 컴포넌트나 방법들은 아직 잘 정리되고 표준화되지 않았다.
1. 디지털 트윈 시스템 요구사항 정의
2. 현실 세계와 디지털 세계 기술 정의
3. 데이터 센싱 장치 = {nD 센서*}
4. 상호운용성과 연결성 = {네트워크 인프라, {데이터, 서비스} 교환 정책, 데이터 연결 소스, 교환 포맷}
5. 연결 강도 = {상호연결 데이터 종류 및 밀도(LoD), 연결 프로토콜}
6. 실시간성 = {데이터 최신성 정책, 실시간 보증 메타정보}
7. 데이터 보안 = {보안 정책, 보안 알고리즘, 보안키}
8. 데이터 무결성 보증 = {데이터 오염 검출 정책, 데이터 뷰 정의, 노이즈 필터링}
9. 에이전트 = {에이전트 생애주기 관리 정책, 에이전트 비지니스 로직 정의}
10. 데이터베이스 = {에이전트 공용 데이터베이스, 에이전트 개별 데이터베이스}
11. 에이전트 비지니스 로직 정의 = {데이터 수집 로직, 데이터 마이닝 로직, 시뮬레이션 로직, 액추에이터 제어 로직}
12. 사용자 인터페이스 정의 = {텍스트, 테이블, 데쉬보드, 도면, 지도, 3차원 모델, 객체 모델}
여기서, 특정 기술, 예를 들어, VR/AR, BIM, IoT, AI, GIS, 3D model, Map 등 기술은 디지털 트윈의 중요 컴포넌트가 아니다. 이는 사용자 요구사항에 맞게 사용될 수 있는 것만 선택되는 도구 및 특정 기술일 뿐이다. 깊은 고민 없이 무분별하게 도구와 기술을 적용하면, 유지보수성, 확장성에 큰 문제가 발생한다. 소프트웨어 공학관점에서 시스템 유지보수 비용은 초기 개발비의 수십배 이상 지속적으로 지출된다는 점을 인식해야 한다.
디지털 트윈
표준에서 디지털 트윈은 일반적인 작업을 지원하기 위해 디지털 트윈에 대한 아키텍처 상호 작용을 지원한다. 표준은 데이터를 안정적으로 저장, 관리 및 검색하기 위해 디지털 트윈 데이터 액세스 API (Application Programming Interface)를 정의할 수 있다. 디지털 트윈 아키텍처 컨텍스트는 액세스를 제어하고 인증된 클라이언트에 대한 작업만 제한하는 보안 도메인을 지원한다. 인증된 클라이언트는 CRUD(Create, Read, Update, Delete)를 사용해 key-value 데이터 형식을 통하여, 디지털 트윈 플랫폼과 정보를 교환한다.
디지털 트윈과 연결이 끊어진 계층의 트랜잭션은 통신이 다시 설정될 때 저널링되고 다시 복제되어 시작된다. 모든 서비스에 고유한 프로그래밍 인터페이스가 있으므로, 이는 마이크로 서비스와 유사한 방식이 된다.
디지털 트윈 인스턴스는 동일한 정책을 사용해야 한다. 디지털 트윈은 게시 및 구독 허브 역할을하여 서비스용 MVC (Model-View-Controller) 패턴 및 이반트 기반 애플리케이션 개발을 지원할 수 있어야 한다. 디지털 트윈의 모든 데이터 교환 작업은 해당 이벤트에 대해 구독 클라이언트에 알림을 생성할 수 있다.
디지털 트윈 엔티티는 라이프 사이클 정보에 액세스하기위한 수단이자 단일 인터페이스가 된다. PLM(Product Lifecycle Management) 관점에서 엔티티는 플랫폼과 데이터 및 기능 교환이 가능한 어플리케이션이 된다.
디지털 트윈은 전생애주기를 지원할 수 있다.
디지털 트윈 디자인
현실 세계 개체(엔티티)를 동적으로 디지털 세계에 표현하려면 디지털 트윈 인스턴스를 해당 실제 개체에서 데이터를 수집하고 구성할 수 있어야 한다. 이를 위해 실시간으로 각각의 개체를 디지털 트윈에 연결할 수 있어야 한다.
디지털 트윈은 목적에 맞게 실제 개체, 시스템 상태, 동작을 설명, 진단, 예측 및 시뮬레이션 할 수 있어야 한다. 이를 달성하기 위해서는 디지털 트윈 아키텍처 설계 시 지능형 애플리케이션 개발 지원을 위한 데이터 분석, 결과 액세스 서비스 인터페이스가 있어야 한다. 다음 그림처럼, 디지털 트윈은 데이터와 계산 기능(모델)로 구성되며, 객체 지향 프로그래밍 언어의 객체와 마찬가지로 멤버, 데이터, 메서드 및 인터페이스가 있는 서비스 인터페이스가 있어야 한다.
디지털 트윈 설계 시 고려사항(Digital Twins for Industrial Applications)
디지털 트윈 국제표준 동향
ISO (International Organization for Standardization)는 TC 184 SC 4에서 산업 데이터를 다룬다. 디지털 트윈 표준은 현재 개발 중이다. ISO와 IEC (International Electrotechnical Commission)를 포함한 JTC1 (Joint Technical Committee)의 경우, JETI (Emerging Technology and Innovation)에 대한 JAG (Joint Advisory Group)가 디지털 트윈 기술 동향 보고서를 발표했다. ISO 23247은 제조 분야에서 디지털 트윈을 정의한다.
IEC 62832는 디지털 트윈이라고 불리지는 않지만 중앙에 디지털 팩토리 자산을 표현하는 잘 확립된 표준이다. 2019년에 IEEE 표준 협회는 팩토리 환경에서 물리적 객체에 대한 디지털 표현 시스템 아키텍처를 정의하는 것을 목표로하는 프로젝트 IEEE P2806을 시작했다. ISO TC 184 / SC4 / WG15 내의 Digital Twin Manufacturing Framework ISO / AWI 23247에서도 유사한 접근 방식을 취한다. 이 프레임 워크는 주로 디지털 트윈의 인터페이스와 기능에 초점을 맞춘 트윈 요소의 플러그 앤 플레이를 지원한다. 독일 Platform Industrie 4.0은 스마트 제조를 위한 디지털 트윈인 IEC PAS 63088의 구현이다. 이 구현을 통해 독일은 Asset Administration Shell 4를 발표했다. 이는 프랑스, 이탈리아 및 독일 간의 파트너십을 통해 더욱 발전되고 있다.
ISO TS 18101-1은 석유 및 가스 상호 운용성에 중점을 둔 공급 업체 중립적인 산업 디지털 에코 시스템 아키텍처 요구 사항, 사양 및 지침을 제공한다. 이런 관점에서 디지털 트윈은 조직에 가치를 제공하는 서비스를 수행 할 수 있는 디지털 자산으로 정의된다.
오픈 소스 활동도 점점 더 발전되고 있다. Eclipse BaSyx프로젝트 6에서는 자산 관리 쉘의 사양을 모두 준수하는 최초의 디지털 트윈 소프트웨어 개발 키트(SDK), 뷰어 및 에디터가 릴리즈되었다. Eclipse IoT7의 일부인 Eclipse Ditto는 Eclipse Vorto와 결합되어 일반 디지털 트윈 프레임 워크를 제공한다.
ISO 23247 표준
ISO 23247은 인력, 장비, 프로세스, 시설, 환경, 제품을 포함한 디지털 트윈 프레임 워크를 정의한다. 이 표준은 네 부분으로 정의된다.
1. 개요 및 일반 원칙디지털 트윈을 개발하기위한 일반 원칙 및 요구 사항 정의2. 참조 아키텍처기능적 뷰를 지원하는 요구사항 정의3. 디지털 표현관찰 가능한 기본 정보 속성 목록4. 정보 교환참조 아키텍처 내에서 엔티티 간 정보 교환을 위한 기술 요구 사항 정의
관찰 가능한 제조 분야에서 디지털 표현은 정적 및 동적 정보가 포함된다. 제조 과정에서 변경되지 않는 정보는 정적 정보로 분류된다. 예를 들어, 부품 일련 번호는 정적이다. 그러나 가공되는 재료 형태는 제조 과정에서 변경될 수 있다. 이 경우 동적이된다. 다음 그림에서 파란색 상자는 ISO 23247-2에 정의된 핵심 엔터티이다. 이 엔티니는 정적 혹은 동적로 표현될 수 있다.
ISO 23247 Digital Twin Framework
예를 들어, 동적, 정적 속성 정보는 다음 표와 같이 정의될 수 있다. 이 속성들은 유스케이스에 따라 정의되어야 한다. 여기서 관찰 가능하다는 뜻은 실세계 데이터를 디지털화 가능해야 한다는 의미이다. 관찰은 센서 등 장치를 통해 처리된다.
관찰가능한 정보 속성 예
| Attribute | Description | Mandatory (M) / Optional (O) |
| Identifier | Value used to uniquely identify an observable manufacturing element | M |
| Characteristics | A typical or noticeable feature of an observable manufacturing element | M |
| Schedule | Time information bound to a manufacturing process | M |
| Status | Situation of an observable manufacturing element involved in a manufacturing process | M |
| Location | Geographical or relative location information of an observable manufacturing element | M |
| Relationship | A connection information between two or more observable manufacturing elements | M |
| Report | Activity report of the equipment engaged in manufacturing, maintenance, etc. | M |
| ... | ... | ... |
이 표준은 프레임 워크를 준수하는 Digital Twin 사용 사례를 포함한다.
활용 사례
화학 제품 개발 프로세스에서 디지털 트윈은 제품 구현에 필요한 모든 정보를 통합한다. 이 유스케이스에서 관심있는 데이터는 생산 중 매개 변수(예. 온도, 압력 및 습도)가 된다. 디지털 트윈은 현재 제품 상태 측면(예. 점도, pH 값 및 응집 상태)을 모니터링하기 위한 정보를 제공한다. 이 데이터를 기반으로, 계획된 제품 품질 보장을 위해 추가 처리 단계에 대한 최적 생산 매개 변수를 예측한다. 이를 위해, 다양한 기술을 활용한 시뮬레이션을 수행한다.
제품 속성 변경 사항은 시계열 데이터베이스에 기록되고, 품질 중요 인자의 초과나 이상패턴을 시간 및 위치까지 추적하여 원인을 식별한다. 이러한 기능은 디지털 트윈 품질 관리 프로세스의 핵심이다.
화학 제조 디지털 트윈은 데이터 이력에 대한 통찰력을 제공하고, 고객에게 정보를 제공 할 수 있다. 이 시나리오에서 디지털 트윈은 다음과 같은 비즈니스 가치를 만든다.
• 생산 매개 변수의 투명성과 추적성을 통한 클레임 처리
• 불량 제품 품질을 직접 감지하여 재작업 방지
• 제품 품질 및 생산 매개 변수 분석은 생산에 대한 지식을 도출함
• 생산 매개 변수의 지능적 시뮬레이션을 통해 전반적인 제품 품질을 개선
마무리
이 글은 디지털 트윈 개념 및 국제 표준 개발 동향을 확인하였다. 다수의 디지털 트윈 프로젝트가 국내에서 주먹구구식으로 진행되고 있다. 표준과 상호운용성이 없어 재활용되지 않고, 향후 확장 및 유지보수가 어려운 것은 디지털 트윈에서 가장 기본적인 요소가 빠진것이다. 3차원 모델링 뷰어를 디지털 트윈 플랫폼이라 포장한다면, 불필요한 리소스가 낭비되는 것이다.
디지털 트윈도 목적에 맞게 요구사항을 정의하고, 개발하는 과정을 거쳐야 한다. 특히, 상호운용성, 표준을 고려한 플랫폼을 활용해야, 중복투자를 방지하고 재활용가능한 시스템을 구현할 수 있을 것이다.
레퍼런스
- K. Eric Harper etc, 2020, Digital Twin Architecture and Standards
- ISO/IEC JTC 1 - INFORMATION TECHNOLOGY
- ISO/IEC JTC 1 AG 11 Digital Twin
- ISO 23247, ISO/DIS 23247-1 Automation systems and integration — Digital Twin framework for manufacturing
- Digital Twin Manufacturing Standardization Activities in ISO TC 184
- Automation systems and integration — Digital Twin framework for manufacturing - Part 3: Digital representation of manufacturing element
- Digital Twins for Industrial Applications
- Requirements for a digital twin manufacturing framework
- ISO/IEC 19763-1:2015 Information technology — Metamodel framework for interoperability (MFI) — Part 1: Framework
- RM-ODP, OGC API
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