CPS (가상물리시스템)

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• CPS는 다양한 분야에 적용되어 안정성, 효율성, 신뢰성, 보안성에 혁신적인 변화를 가져와 새로운 부가가치를 창출합니다.

• 핵심적인 응용 분야로 스마트 팩토리, 스마트 교통 시스템, 스마트 그리드, 스마트 헬스케어 시스템, 스마트 홈/빌딩 시스템, 스마트 국방 시스템, 스마 트 재해대응 시스템에 활용되리라 예상합니다.

사이버 물리 시스템(Cyber-Physical Systems, CPS)

• 사이버 물리 시스템(Cyber-Physical Systems, CPS)은 우리가 살아 가는 물리 세계와 사이버 세계와의 융합을 추구하는 새로운 패러다임입니다.

• CPS는 다수의 센서, 엑츄에이터, 제어기기들이 네트워크로 연결되어 복합 시스템(System of Systems)을 구성하고 물리 세계 정보를 습득, 가공, 계산, 분석하여 그 결과를 엑츄에이터 시스템을 통하여 물리 세계에 적용합니다.

  • 이를 통해 지속적으로 일어나는 변화에 능동적으로 적응하는 것에 중점을 두고 있습니다.

• CPS는 단순한 연결성을 뛰어넘어 어떻게 물리 시스템을 높은 신뢰성을 가지고 실시간으로 제어할 수 있는지에 주목한다는 점에서 뚜렷한 차이가 있습니다.

• 먼저 물리 시스템을 수학적으로 표현하는, 이른바 모델링 작업이 필요합니다.

  • 결국에는 우리를 둘러싼 물리 세계를 인간이 어떻게 제어하고 상호작용하는지를 객관적으로 밝히는 모델링 작업을 시작으로, 사이버 세계에서는 물리 시스템과의 복잡한 상호작용 및 의존관계를 정확하게 모델링해야 합니다.

  • 이를 위해서 기존의 제어 시스템에 대한 단순한 이해가 아닌 자연 과학을 기초로 하여 컴퓨터 과학을 융합한 새로운 융ㆍ복합적 기술접근이 필요합니다.

이해하기

참고

• 다시 말해서 CPS는 서로 다른 가상과 물리 체계에서 모든 정도(scale)와 수준(level)에서 치밀하게 통합하는 시스템을 말한다.

• 미래의 산업은 가상물리시스템이 기계 시설, 창고 시스템과 생산 설비를 통합하는 글로벌 네트워크를 세울 것이다.

  • 제조 환경에서 이러한 가상물리시스템은 스마트 기계시설, 스마트 물류 및 창고 시스템, 스마트 생산 시설이 가능하다. 그리고 이 가상물리시스템은 자체적으로 정보를 교환하며, 상호 독립적으로 작동하고 컨트롤이 된다. 이제 출현하기 시작하고 있는 스마트 공장(Smart Factory)은 완전히 새로운 접근 방법을 적용하고 있다.

• 가상물리시스템을 이해하기 위해서 우선 가상(Cyber) 환경과 물리(Physical) 환경을 구분해야 한다.

  • 가상 환경은 컴퓨터 프로그램이 만든 세계이다. 계산하고 커뮤니케이션하며 관리되는 디지털 환경이다. 쉽게 생각하면 컴퓨터 게임의 세계를 생각하면 된다.

  • 물리(Physical) 환경은 시간의 흐름 속에서 운용되며, 물리적 법칙에 의해서 지배 받는 자연과 인공의 시스템 환경이다. 쉽게 생각하면, 컴퓨터 게임 골프가 아니라 필드에 나가서 하는 골프 게임이다.

  

간단하게 설명하면 CPS는 소프트웨어, 전자 하드웨어, 센서, 액추에이터, 임베딩 시스템을 모두 포함한다. 그리고 중요한 것은 인간과 기계의 인터페이스 그리고 다른 시스템과의 연결이다. 자세히 보면 산업용 사물인터넷(IoT)과 중복되는 부분이 많다.

• 가상물리시스템에도 수준 또는 레벨(level)이 있다.

  • 가상물리시스템에 대한 연구는 수십 년 전부터 이어져 왔지만, 최근 인더스트리 4.0에서 스마트 공장과 가상물리시스템의 관계로 관심이 고조되고 있다.

  • 엄밀하게 이야기한다면 인더스트리 4.0에서 주장하는 가상물리시스템은 CPS 중에서 가상물리생산시스템(CPPS : Cyber Physical Production System)이라고 할 수 있다.

• 너무 어렵게 생각할 것 없이, 우리 현재 사용하고 있는 스마트폰이나 스마트 기기, 사물인터넷을 사용하는 디바이스, 스크린 골프도 초보적인 가상물리시스템이라고 할 수 있다.

  • 다만 스마트 시스템에서 가상물리시스템이라고 불릴 수 있는 정도라면 독립적으로 작동하고 외부의 다른 시스템과 소통하고 반응할 수 있다는 것이 다르다.

• 인더스트리 4.0과 스마트 공장이 독일의 지멘스를 중심으로 브랜딩하고 있다면, 미국의 GE 중심으로 활발하게 전개되고 있는 가상물리시스템에서는 사이버 트윈(Cyber Twins)이라는 개념이 있다.

Industry 4.0

출처

인공지능연구소(DFKI)는 제조 산업 분야에 따라 네 가지로 구분했다.

• 인더스트리 1.0은 물과 증기로 인해서 노동력이 사람에게서 기계로 대체되는 시기이다.

• 인더스트리 2.0은 전기의 등장으로 대량 생산이 가능해진 시기이다.

• 인더스트리 3.0은 인터넷 기술 적용으로 부분 생산 자동화가 이뤄진 시기이다.

• 현재 겪고 있는 인더스트리 4.0은 완전 자동화가 이뤄지는 시기이다.

독일 정부는 2012년에 인더스트리 4.0을 미래 전략으로 채택했다. 그리고 이를 ‘하이테크 전략 2020’에 편입했다. 그러나 초기에는 인더스트리 4.0이 민간 주도로 이뤄지고 갈등이 많아서 잘 이뤄지지 않았다. 이에 독일은 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’으로 명칭을 바꾸고, 정부가 직접 해당 사업을 주도했다.

독일 정부가 인더스트리 4.0을 국가 미래 전략으로 선정한 데에는 이유가 있다. 중국, 인도 등 신흥국과의 제조 생산에 우위를 점하기 위함이다. 다시 말해, 독일은 공장의 완전 자동화로 인건비 절감, 품질 향상 등을 실현해 신흥국 제조 산업 확장에 대응하고자 했다.

CPS의 완전체인 디지털 트윈

인더스트리 4.0은 공장의 완전 자동화를 의미하는 패러다임으로 정리할 수 있다. 그런데 완전 자동화를 위해서는 어떤 기술이 적용돼야 할까?

독일은 ‘사이버 물리 시스템 (CPS)’에서 해답을 찾았다.

• CPS는 현실과 가상을 이어주는 기술을 뜻한다. 현실의 정보를 가상에 투여할 수 있고, 가상의 정보를 현실에 반영할 수 있다. 이러한 기능이 공장 자동화와 어떻게 관련이 있는 것일까?

  • 시스템을 가상공간으로 생각하면 이해가 쉽다. 공장을 자동화하기 위해서는 시스템이 이를 제어할 수 있어야 한다. 그런데 이를 위해서는 시스템이 현실의 정보를 알아야 한다. 이에 따라 CPS가 중요하게 된 것이다.

  • 가령 공장 제어 시스템은 IoT로부터 제조 공장의 상황을 파악할 수 있는데, 정보가 현실에서 가상으로 넘어가는 셈이다. 혹은 공장 제어 시스템은 IoT를 통해 공장 내의 설비를 IoT를 통해 제어할 수 있는데, 이는 가상에서 내린 명령이 현실에 반영되는 것으로 볼 수 있다.

그런데 CPS는 추상적인 개념 기술에 불과하다. 실질적으로 적용되는 기술이 아니라는 것이다. 그럼 어떤 기술이 CPS 역할을 맡아서 공장 자동화를 시킬 수 있는 것일까?

• 디지털 트윈이 이러한 역할을 하는 기술로 볼 수 있다. 디지털 트윈은 현실을 가상으로 표현하는 기술이다.

  • 트윈 (Twin)이라는 용어에서 유추할 수 있듯이 현실과 유사한 쌍둥이를 가상에 표현하는 기술이다.

• 디지털 트윈은 최근에 개발된 기술이 아니다. 2003년에 미국 미시간 대학교의 경영 수업에서 디지털 트윈 개념을 최초로 언급했다. 그리고 2010년 미국 항공우주국(NASA)이 기술 로드맵에서 디지털 트윈 단어를 17번이나 언급하면서, 해당 용어가 널리 알려지게 된다.

  • 그런데 디지털 트윈이 주목받은 것은 최근 일이다. 가트너는 2017년부터 10대 유망기술에 디지털 트윈을 포함시켰기 때문이다.

• 디지털 트윈의 주목 현상을 유추하면, CPS와의 관련 때문으로 보인다. 디지털 트윈은 CPS의 완전체로 볼 수 있기 때문이다.

  • CPS는 가상과 현실의 데이터를 공유할 수 있게 하는 개념적 기술이라면, 디지털 트윈은 CPS에서 더 나아가서 현실에서 받은 데이터를 가상으로 똑같이 구현하는 기술이다.

• 디지털 트윈의 이러한 특성은 공장의 완전 자동화를 넘어서 최적의 운영 자동화에 도달하게 할 수 있다.

  • 다시 말해, 디지털 트윈은 가상공간에 무한 번의 자동 시뮬레이션으로 공장의 운영 방식을 최적의 상태로 나아가게 할 수 있다.

디지털 트윈 적용 사례

지멘스는 이번 전시회에서 제조 산업에 적용할 수 있는 부분은 세 가지 부분을 소개했다.

• 가상의 생산 원료 (Virtual Product), 가상의 제조 과정 (Virtual Production), 가상의 결과물 (Virtual Twin Performance)

  • 가상의 생산물 현실의 원재료를 디지털 트윈으로, 가상의 제조 과정은 제조 과정을 디지털 트윈으로, 가상 결과물은 디지털 트윈으로 결과물의 성능을 측정한 것이다.

• 이처럼 제조사는 지멘스의 디지털 트윈으로 제조 과정 전체에 적용하고 운영 시뮬레이션을 할 수 있다.

슈나이더는 에코스트럭처 (EcoStruxure)라는 서비스를 소개했다.

• 슈나이더는 공장의 에너지 소비 관리를 디지털 트윈으로 구현할 수 있음을 소개했는데, 특징은 공장 관리자에게 직관적인 화면을 제시한 점이었다.

PTC는 뷰포리아 스튜디오 (Vuforia Studio)라는 설루션을 제공해 운영자가 공장의 장비를 가상에서도 쉽게 구현할 수 있게 했다.

• 또한 PTC는 씽웍스 (ThingWorx)를 제공하는데, 해당 서비스는 현실의 정보를 IoT를 통해 뷰포리아에 구현한 가상 장비에 쉽게 전달할 수 있게 한다.
• PTC의 가장 큰 특징은 해당 구성 정보를 증강현실 (AR) 기기를 통해 제공한다는 점이다.

제조 산업은 인더스트리 4.0으로 인해 ICT 혁신 바람을 겪고 있다. 그 중심에는 CPS가 있다. 그리고 디지털 트윈이 이를 뒷받침하고 있다.

컬럼

• http://webzine.koita.or.kr/201803-specialissue/03-%EC%82%AC%EC%9D%B4%EB%B2%84%EB%AC%BC%EB%A6%AC%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9CCyber-Physical-System

  • 사이버물리시스템(CPS)은 (1) IIoT 기술을 적용해 생산의 전 과정에서 제품, 공정, 설비, 공장 등 모든 개체를 연결, 감시하고, (2) 모아진 제조 빅데이터를 관리, 정제, 분석하며, (3) 실시간 동기화를 통해 현장 상황과 일치하는 사이버모델을 수립, 지능적으로 활용함으로써, (4) 자율, 능동적으로 설계, 운영 최적화를 달성하고자 하는 스마트팩토리의 핵심 기술이라고 할 수 있다.