디지털 트윈으로 할 수 있는 것

디지털 트윈을 도처에서 볼 수 있지만 모든 사람이 같은 의미로 이해하는 것은 아니다. 이번 글을 통해 디지털 트윈이 무엇이고 어떤 용도로 사용하는지를 알아보고자 한다. 디지털 트윈은 중소기업들에게도 시간과 비용을 절감할 수 있는 잠재성을 제공한다.

레오 바르테비안(Leo Bartevyan): Cenit AG의 Digital Factory Solutions IT 시스템 엔지니어.

디지털 트윈이란 무엇이며, 무엇을 위해 사용하는가? 기술적으로 분석하기 전에 이 두 질문이 제일 먼저 떠올랐다. 그리고 첫 번째 질문에 대해 많은 훌륭한 답을 발견하였다. 하지만 두 번째 질문에 대한 답은 생각했던 것보다 윤곽을 잡기가 어려웠다. 이유는 첫 번째 질문에 대한 훌륭한 답변들은 걸러 낼 것이 없다는 점이다. 디지털 트윈이 중소기업에게 이익이 되는가? 하는 질문에는 완전히 명확하게 그렇다라고 답변할 수 있다. 하지만 디지털 트윈은 소프트웨어가 아니다. 디지털 트윈은 제품이 아니라 컨셉트이고 각 회사와 어플리케이션에서 각각 조율할 수 있는 프로세스, 소프트웨어 그리고 하드웨어를 네트워킹 하기 위한 방법론이다.

디지털 트윈은 어디에 유용한가?

디지털 트윈의 개념은 개별적인 글에서 다루기에는 너무 역동적이고 포괄적이며 다층적이다. 따라서 3가지 파트로 구성된 시리즈로 디지털 트윈의 다양한 형태와 특징을 소개하고 완전히 다른 측면들을 조명하고자 한다.

먼저 첫 번째, 다양한 개념의 역사와 풀이로 시작한다.

두 번째 파트는 자동화 시스템 라이프 사이클의 맥락에서 자동화 기술이 바라보는 디지털 트윈과 그 의의에 할애하고자 한다.

세 번째 파트는 디지털 트윈 프로세스에 초점을 두고, 기계 학습과 인공 지능과의 관련성을 보여주고자 한다.

             디지털 트윈은 대기업뿐만 아니라 중소기업에게 흥미롭다. 왜냐하면 디지털 트윈은 장치와 기계를 구상하고 설계할 경우, 시간과 비용을 아끼는 데에 도움이 된다. 디지털 트윈은 애로 지점을 보여주고 플래닝 오류와 설계 오류를 방지하는 데 도움을 준다. 디지털 트윈을 이용하여 시스템을 더욱 빠르게 작동 개시하고 사용자를 조기에 교육할 수 있다. 또한 디지털 트윈은 정비 및 오류 탐색에 사용할 수 있으며 원격으로도 가능하다.

오늘날 디지털 트윈은 가상 시운전에 사용하고, 시간과 비용을 절감하는데 장점으로 작용한다.

디지털 트윈을 어떻게 정의하는가?

디지털 트윈이란 무엇인가? 디지털화, 디지털 변환 그리고 디지털 트윈은 서로 뗄 수 없게 연결되어 있다. 하지만 비슷하게 들리는 이 세 가지 표현은 각기 다른 상황을 의미한다.

디지털화는 토대로서, 시대적 변화의 프로세스를 나타내며 모든 종류의 데이터의 수집, 가공 및 평가와 관련이 있다. 프로세스와 절차가 디지털 데이터 교환 덕분에 모바일화되고 빨라진다. 데이터와 정보가 플랫폼으로부터 독립적이고 네트워크화된다. 디지털화를 바탕으로 새로운 사업 프로세스가 생기고 기존 사업 프로세스가 적응하며 변화한다.

디지털 변환은 디지털화를 바탕으로 구축되는 변화 프로세스를 의미한다.

디지털 트윈은 디지털로 변환된 전통적인 시뮬레이션 모텔의 형태로 생각할 수 있다. 이때 축적에 충실한 물리적 모델 대신 디지털 데이터를 사용하여 뭔가 새로운 것을 만들어 낸다. 디지털 트윈은 기계 학습을 위해 중요한 스파링 상대가 되며, 디지털 트윈 없이는 인공 지능의 성공을 거의 생각할 수 없다.

CAD 모델과 디지털 목업

컴퓨터를 통해 복잡한 계산을 지원하는 것은 항공 우주 분야에서 고정적인 구성 요소였다. 그리고 초기에는 고도로 전문화된 시스템 간의 데이터 교환, 호환성 그리고 전송 능력이 불가능했다. 고도로 전문화된 여러 소프트웨어의 데이터와 결과를 교환하고 각기 다른 시스템의 연산 능력을 병행하여 동시에 이용하는 것은 최초의 CAD 시스템과 적절한 포맷을 도입한 이후에 비로소 가능해졌다.

             항공기는 오래전부터 고도로 복잡한 구조물이었다. 항공기 날개는 디자인 외에 기능과 매우 특별하게 안전이 결정적인 역할을 한다. Nasa는 디지털 트윈 컨셉트의 선구자이며, 항공우주 산업이 이 기술의 동력이 된 것은 결코 우연이 아니다. 항공기, 선박 그리고 자동차는 이미 수년 전부터 컴퓨터에서 완전히 디지털로 형성되었다. 그럼에도 불구하고 여전히 축적에 충실한 거동 모델과 실제 프로토타입을 제작하여 구조물의 물리적, 기술적 특성에 대한 데이터를 얻고 있다. 디지털 목업 아이디어는 컴퓨터 지원을 이용하여 비용과 시간이 많이 걸리는 물리적 실험 차량을 어떻게 대체할 수 있을까? 하는 고민에서 탄생하였다. 이를 위해 모델들이 대규모로 설계된 물리적 시뮬레이션과 가상의 시험에서 실물 제품의 실제 거동에 근접할 수 있도록 수많은 하위 모델과 특성 변수를 포함하는 기하학적 CAD 모델이 확장된다.

FMU(Functional Mockup, 기능 목업)라고도 하는 접근법으로 개별 하위 모델들의 측면을 다루고 다양한 원리(예, MCAD, ECAD 및 공장 시뮬레이션)로 구성되는 하위 모델들과 연결하여 기능을 테스트한다. 이는 모델 기능을 전체적으로 평가하고자 할 때에 매우 중요하다. 하지만 설계 상황에 따라, 또는 각각의 응용 사례에 따라 새로 개발해야 하는 매우 복잡하고 번거로운 모델을 초래할 수 있다. 이러한 유형의 FMU는 시간과 비용이 많이 들어, 대체적으로 항공기나 자동차 산업의 대형 제조사들만 이용한다. 항공기의 복잡한 거동 모델을 매번 다시 만드는 대신, 콤팩트하게 전체적으로 한눈에 들어오는 다양한 단위로 세분화하여 모듈러 디지털 트윈을 구성할 수 있기 때문이다. 바로 이 지점에서 디지털 트윈이 미래의 핵심 기술로 활약한다.

제조 셀 디지털 트윈: 가상 모델은 실제 시스템처럼 진짜 로봇 컨트롤과 PLC에 연결되어 있다.

디지털 트윈은 혼자 존재하지 않는다

모듈러 컨셉트인 경우, 어셈블리 또는 시스템을 요건과 프로젝트 단계에 따라 여러 특성을 맵핑하는 다수의 디지털 트윈으로 구성할 수 있다. 따라서 하나의 디지털 트윈은 기하학적 디테일과 운동학적 디테일을 맵핑하고, 다른 디지털 트윈은 어셈블리의 기계적 특성을 묘사하며, 세 번째 디지털 트윈 프로세스는 시퀀스와 로직에 할애할 수 있다. 모든 디지털 모듈은 마치 레고 블록과 같이 여러 접근법에 따라 표준화된 인터페이스를 통해 하나의 크고 복잡한 디지털 트윈으로 조립할 수 있다.

이제 모듈이 실제 어셈블리인지, 가상의 컴포넌트인지 또는 추상의 로직인지는 별로 중요하지 않다. 즉 실제 어셈블리와 가상의 이미지를 디지털 트윈에서 조합할 수 있다. 모듈 구조를 통해 전체적으로 조망할 수 있는 추상화 레벨로 시작할 수 있고 디지털 수준을 단계적으로 그리고 필요에 맞게 올릴 수 있다. 상황에 따라 디지털 트윈을 복사, 수정, 보완하거나 언제든지 새롭게 조합할 수 있다. 디지털 트윈을 실제 어셈블리와 연결하여(Hardware in the Loop) 전체 시스템을 프로젝팅 단계에서 설계하는 동안 기능과 조작성을 테스트할 수 있다. 이로 인해 규모가 작은 시스템과 기계 제조사들도 매우 흥미롭고 단기간에 실현할 수 있게 되었다. 작게 시작하여 점진적으로 개별 디지털 모듈을 만들어 시스템을 보다 빠르고 안전하고 경쟁력 있게 시운전하고 가동할 수 있기 때문이다.

사용자 사례

 

제조 셀의 디지털 트윈

일본의 Hirotec Corporation은 전세계적인 차체 부품 제조사 가운데 하나이다. 이 회사는 자동차 OEM의 일차 부품 공급자로서 설계에서 제조까지 제조 프로세스 개선을 연구한다. 이 회사의 전략적 목표는 „zero defects, zero delays, zero downtime“이다. 스마트 팩토리로 가는 과정에서 2017년 첫 번째 프로젝트는 자동차 도어 제조 셀을 위한 디지털 트윈 구축이었다.

Hirotec에 대해 설득력 있는 부분은 레이아웃 플래닝과 오프라인 프로그래밍, PLC 검증과 가상 시운전에 이르기까지 전체 엔지니어링 프로세스가 하나의 소프트로 이루어진다는 점이었다. 이렇게 하여 경계 면들이 사단에 방지되고 가능한 최대한의 프로세스 효율성이 달성된다.

테스트 단계, PLC 검증 그리고 가상 시운전을 위해 소프트웨어에 전체 시스템의 가상의 메카트로닉 모델이 있다. 이 가상 시스템은 실제 하드웨어와 동일하게 거동한다. 이로 인해 3D 시뮬레이션 플랫폼인 Fastsuite Edition 2에서 시스템을 구성하기도 전인 초기 프로젝트 단계에서 컨트롤 소프트웨어를 테스트하고 최적화할 수 있다. 이를 통해 프로젝트 진행 시간을 줄이고 오류를 빨리 인식하고 수정할 수 있다. PLC 검증과 가상 시운전은 시뮬레이션 환경에서 직접 이루어진다. 가상 로봇 컨트롤과 연결하여 로봇 시뮬레이션도 정확하게 컨트롤 백업을 토대로 이루어진다. 따라서 번거롭고 비용이 많이 드는 RCS 모듈 연결을 사용하지 않아도 된다.