디지털트윈 시대의 도래와 새로운 미래 

불가능을 가능하게 만드는 디지털화의 결정체

산업을 넘어 광범위한 영역에서 유무형의 가치 창출 

2000년대 초 본격화되기 시작한 디지털트윈의 개념이 현실세계에서 직접적으로 구현되는 상황을 맡고 있다. AI, IoT, 5G 통신 등 ICT분야가 급속도로 발전하면서 불과 수십 년 전에는 상상 속에서만 존재하던 것들이 가능해졌다. 디지털트윈의 등장은 산업, 제조 부문을 넘어 광범위한 영역에서 긍정적인 변화와 의미있는 기회를 제공할 것으로 보인다. 중소기업기술정보진흥원의 2023년 중소기업 전략기술로드맵, Issue Report Vol.1을 토대로 디지털트윈 현황과 필요성 및 기술사례 등을 살펴봤다.

현실에 구현된 디지털트윈의 등장 

디지털트윈은 가상세계(Digital)에 실제 사물의 물리적 특징을 동일하게 반영한 쌍둥이(Twin)를 3D 모델로 구현한 것이다. 이를 실제 사물과 실시간으로 동기화한 시뮬레이션을 거쳐 관제·분석·예측 등 해당 사물에 대한 현실 의사결정에 활용하는 기술을 의미한다. 

디지털트윈은 과거 개념으로만 존재하던 기술이었으나, 최근 AI·XR·5G 등 다양한 요소기술의 등장 이후 구현이 가속화되고 있다. 이전부터 산업현장에서 활용돼 온 CAD, BIM, GIS 기술 등이 D·N·A(데이터·네트워크·인공지능) 기술과 융합해 디지털트윈으로 탄생했다. 

쉽게 설명하면 아이언맨이라는 영화의 한 장면을 사례로 들 수 있다. 영화 속 주인공은 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 기술을 활용해 가상공간에서 디자인하고 시뮬레이션을 통해 최적의 아이언맨 슈트를 만들어 낸다. 바로 정확하게 디지털트윈의 개념이 적용된 것이라 할 수 있다. 디지털트윈도 넓은 의미의 시뮬레이션이지만, 통상적으로 시뮬레이션은 주로 설계상에서 사전 검증에 활용된다. 

하지만 디지털트윈은 실제 물리적 대상과 일대일로 연결되어 현실세계의 변화와 연동된다는 점에서 차이가 있다. 시뮬레이션은 CAD, CAE 등 플랫폼으로 설계되어 과정을 모사해 사전연구를 하지만, 실제 물리적 대상과 일대일로 연결된 것은 아니다. 디지털트윈은 실제 장비의 센서 입력으로 구축되기 때문에, 실물이 변하면 동시에 변화한다는 점에서 차이가 있다.

예를 들어 어떠한 기계 부품의 내구성 시뮬레이션을 한다고 가정해 보자. 일반적으로 기계 부품은 사용을 계속하는 동안에 마모·파손 등이 발생하게 되며, 기존 시뮬레이션에서는 이러한 마모나 파손 같은 변화는 사람의 손으로 데이터를 재차 입력할 필요가 있었다. 반면, 디지털트윈에서는 현실 세계에서 생긴 변화와 연동되기 때문에 기계 부품의 마모 등도 실시간으로 가상공간에 재현되는 것이 차이점이라고 할 수 있다. 

주요 기업의 디지털트윈 정의 

출처_디지털트윈의 활성화 전략(정보통신전략위원회, 2021. 9.)  

디지털트윈의 필요성과 긍정적 효과 

디지털트윈이 가장 주목받는 것은 산업 부문과 접목됐을 때 효율적인 공정을 구축할 수 있고 긍정적인 성과를 도출 할 수 있다는 기대 때문이다. 하지만 디지털 트윈은 유형의 생산물을 창출할 때만이 아니라 무형의 가치를 창출할 때도 의미있는 결과를 만들어 낼 수 있다.

품질향상 물리적인 오퍼레이션을 실시하기 전 디지털 상에서 사전 검증이 가능하고, 디지털로 표현된 시각적 형태로 쉽게 검토할 수 있다. 이 과정에서 각 부문의 지식과 식견이 집약됨에 따라, 리스크를 절감하고 품질도 향상할 수 있다. 제조업의 관점에서는 품질 경향을 예측하고 더 빨리 결함을 발견해 품질 기준 이탈을 통제하고 품질 문제의 시작 시점을 파악할 수 있다. 

비용절감 디지털 상에서 검증함으로써 기존 물리적 시험제작이나 테스트 라인 등을 만들어 검토하던 시간과 비용을 최소화할 수 있다. 제조업에서는 제품 설계 및 엔지니어링 변경 실행의 개선이 용이한 장점이 있다. 제조 장비의 성능 개선이 가능하고 운영 및 공정에서 변동성이 축소되어 비용 절감이 가능하다. 

매출성장 기회 업그레이드 준비가 된 현장의 제품을 파악하고 서비스 제품의 효율성 및 비용을 개선할 수 있다. 디지털 트윈을 통해 현장의 장비 활용 방식을 이해한다면, 보다 효율적인 서비스를 제공하고 고객들의 불만 문제를 사전에 파악해 전반적인 품질보증 비용을 절감하고 고객 경험을 개선해 나갈 수 있다. 

유연한 대응 신속한 시뮬레이션을 통해 이슈 대응을 할 수 있어, 사업환경과 기상환경 등 급격한 변화에 최소한의 시간과 자원으로 빠른 대응이 가능하다. 신제품의 시장 출시 기간이 단축되고, 신제품의 제조비용 전반이 감소해 긴 리드타임을 가진 부품들과 공급사슬에 대한 영향을 보다 잘 인식할 수 있다. 도시 디지털트윈의 경우는 지진, 화재, 홍수 등 재난상황에 대한 유연하고 빠른 대응이 가능한 것은 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 

기록 보존 및 직렬화 디지털트윈은 오퍼레이션과 노하우를 데이터화하고 기록하는데 큰 장점을 가지기 때문에 기술축적을 통한 인재육성에 강점을 갖는다. 제조업에서는 순차적으로 부품 및 원자재의 디지털 기록을 생성해 리콜 및 품질보증 불만을 보다 효율적으로 추적관리 할 수 있다. 

조직·기업을 초월하는 연계 디지털트윈을 통해 누구나 볼 수 있는 형태로 검토할 수 있다는 것은 엄청난 강점이다. 전공정에서 후공정으로 공정을 진행하면서 순서대로 검토하는 방식이 아니라 검토 단계에서부터 전체 공정에 대해 의견을 제시하는 것이 가능하다. 조직을 뛰어넘는 연계의 실현이 가능하다. 

다양한 영역의 디지털트윈 대표 사례

스마트제조 부문을 살펴보면 독일 기업이 가장 대표적이다. 독일 지멘스의 스마트팩토리 EWA(Electronics Works Amberg)는 가상세계와 현실세계의 통합을 이뤄 디지털트윈의 현실화를 이뤄냈다. 지멘스의 EWA는 1989년에 모든 공정상황을 실시간으로 공유하고 오류 발생 가능성을 확인해 공정 작업의 최적화를 유지할 수 있는 시스템으로 구축을 완료했다. EWA의 생산성은 스마트 팩토리 전환 이후 8배 증가했고, 반면 제품 불량률은 약 1/43 수준으로 줄었다고 알려진다. 또한 하루에 최대 300번 넘는 생산 시스템 변경에 대한 소요시간도 감소하였으며, 상품 주문 후 24시간 이내 배송이 가능하다고 한다. 

수송기계 부문에서는 미국 기업이 대표적이다. GE의 산업용 디지털트윈은 전문적인 영역과 실시간 관제에 특화된 모습을 지니고 있다. 그 중 대표적인 사례가 GE의 계열사인 GE항공의 항공기 엔진 관리 시스템을 들 수 있다. GE항공은 제트 엔진 하나에 200개가 넘는 센서를 장착해 항공기 이착륙과 운항 중 발생하는 각종 데이터를 수집하고, 담당 엔지니어에게 시각화된 형태로 실시간 제공된다. 엔지니어는 이를 통해 엔진 고장 여부와 교체 시기 등을 예측할 수 있다. 그 결과 엔진 고장에 대한 검출 정확도는 10% 개선됐으며, 정비 불량으로 인한 결항 건수도 1,000건 이상 감소하는 효과를 거두었다. 

에너지 부문에서는 GE가 디지털트윈을 적용한 풍력발전, 수력발전 등 발전분야가 대표적이다. 해양 풍차는 바다 위에 있기 때문에 확인하기 어렵고, 큰 비용이 필요하다. 이때 디지털트윈을 활용함으로써 원격 및 실시간으로 정보를 분석할 수 있어, 오퍼레이터가 곧바로 모터를 교환해야 하는 시기를 계획할 수 있다. 미국 나이아가라 폭포 근처에 있는 뉴욕전력공사(NYPA)의 수력 발전소는 거대한 디지털트윈을 구축한 사례로, GE 프레딕스 기반의 방대한 관제 시스템과 디지털트윈을 도입하고 있다. 

협업 및 의사결정 부문에서는 버츄얼 싱가포르 포르젝트가 상징성을 갖는다. 실시간으로 도시 정보를 가시화하는 버츄얼 싱가포르는 정부 기관의 데이터, 3D 모델, 인터넷의 정보, 사물 인터넷 장치의 실시간 동적 데이터를 포함한 다양한 데이터 소스를 통합한다. 이를 통해 여러 기관이 같은 지역에서 다양한 프로젝트 계획과 설계를 공유하고 검토하는 것이 가능해 여러 부처가 동시에 다양한 설계옵션을 협의할 수 있다. 

도시계획 부문에서도 버츄얼 싱가포르 사례가 대표적이다. 버츄얼 싱가포르는 주변 온도와 햇빛이 하루 종일 어떻게 변하는지 시각적인 정보를 제공할 수 있다. 이를 통해 도시 계획자와 엔지니어는 시뮬레이션 및 모델링을 위해 버츄얼 싱가포르에서 색상, 열 및 소음 지도를 오버레이 하여 검토를 하고 설계작업을 하는 것이 가능하다. 

신재생에너지 생산성 분석 부문에서도 디지털트윈의 활용은 이상적인 결과를 보여준다. 태양광 발전 패널의 설치 장소를 검토하는 등 국가 전체의 에너지 효율 최대화, 인프라 오퍼레이션의 실시간 모니터링, 물류 및 사람의 이동 최적화, 정체 해소 및 대중교통 기관의 최적화 개선과 같은 효과를 거둘 수 있다. 

건설 부문에서는 디지털트윈을 통해 설계, 시공, 유지관리의 효율성을 극대화하고 있다. 디지털트원은 건축정보모델(BIM, Building Information Modeling)을 활용하는 3D 설계 및 시공 시뮬레이션, 유지 관리 최적화를 지원한다. 일본 가고시마 건설은 건축 현장을 원격 감시하기 위해 건설 현장의 디지털트윈인 ‘3D K-Field’를 개발했다. 현장에 설치된 다양한 IoT 센서로 취득한 사람·사물·자동차 데이터를 가상공간에 표시함으로써 실시간으로 건설 현장의 상태를 모니터링할 수 있다.

물류분야의 디지털 트윈 개념도 - 출처_DHL Webpage(Digital twins in logistics)  

실시간 도시 정보를 가시화한 버츄얼 싱가포르의 활용 - 출처_Singapore Land Authority webpage(Virtual Singapore, Use of Virtural singaprore_YouTube vedeo clip image) 

디지털트윈 구현단계와 국내 기술 현황

디지털트윈의 기술구현 단계에 대한 제안 중 가장 많이 인용된 것은 가트너가 제시한 3단계로 ‘현실세계 복제’, ‘현실세계 통제(감시)’, ‘현실세계 최적화’로 구분한다. 

첫째, 현실세계 복제 단계에서는 트윈 모델에 속성정보를 입력해 3D 시각화나 속성정보 변경을 통한 사전 시뮬레이션을 하는 정도를 의미한다. 둘째, 현실세계 통제(감시)단계에서는 1단계에서 더 나아가 IoT 센서 등으로 실시간 데이터를 수집하고, 이를 통해 현실세계와 트윈이 1:1로 매칭돼 모니터링이 가능한 상태를 의미한다. 셋째, 현실세계 최적화인 3단계에서는 운영 중인 모델을 기반으로 예측과 분석 시뮬레이션을 하고 이를 기반으로 현실세계 시스템을 제어할 수 있는 수준을 의미한다.

한국전자통신연구원(ETRI)에서 2021년 발간한 ‘디지털트윈 기술보고서’에 따르면 가트너의 3단계를 기준으로 국내는 2단계 초반 정도의 서비스를 제공 중이라 판단했다. 세계적인 기업들은 이미 3단계에 가까운 정도라고 평가하기도 했다.

우리나라의 디지털트윈 기술은 초보적인 수준이라 할 수 있다. 국가 기반시설 및 전기, 통신시설 등과 같은 사회간접자본을 감시 혹은 모니터링하는 정도의 디지털트윈 기반 서비스를 제공하는 중이다. 반면, 글로벌 주요국과 세계적인 기업들은 이미 높은 수준의 디지털트윈 기술을 구현하고 있다. GE, Ansys, Siemens, Dassault Systems 등의 기업은 ‘현실세계 최적화’를 제공할 수 있는 상용 플랫폼을 보유하고 있다. 이를 통해 제조, 의료, 스마트시티 등 다양한 응용 서비스를 제공하는 중이다. ETRI의 디지털트윈 기술보고서는 디지털트윈 기술의 성숙도를 다섯 단계(형사모사▷정적▷동적▷상호작용▷자율)로 구분해 제시하고 있다. 가트너가 제시한 3단계에 비해 구체적으로 표현되어 이해가 더 용이한 측면이 있다.

디지털트윈 구현을 위한 핵심기술 

실시간 연결기술

데이터와 가상객체의 연결기술, Geo-IoT 관련기술, 유관분야 데이터와 연계/융합기술

데이터는 제조현장의 다양한 장치에서 여러 형태로 생성된다. 각종 설비, PLC/DCS, 수많은 스마트 장치(Smart Devices) 등에서 발생하는 대량의 데이터는 빠르게 처리되어야 한다. 이를 위해서는 밀리세컨드(Millisecond) 단위의 빠른 속도로 데이터를 수신, 파싱(Parsing), (표준)변환, 정제 및 전송 등의 기능을 거쳐 안정적으로 처리하는 기술이 필수적이다. 

분석/예측 기술

3차원 환경에 적합한 분석기술, 알고리즘 중심 분석기술, 빅데이터 분석 및 AI 활용 등의 선도적 기술

각종 장치, 설비, 센서로부터 수신된 데이터를 설비 간, 전·후공정 간 연계 분석 및 작업-설비-품질 통합 분석이 가능하도록 데이터를 구조화하는 기술을 의미한다. 즉 데이터 간 연결고리를 만들어 주는 것이 중요하기 때문이다. 또한 대용량 데이터 처리 기술과 각 저장소에 보관된 다양한 형태의 데이터를 원하는 형태로 추출-데이터 전 처리탐색적 분석-분석 모델링-모델실행 및 관리를 지원하는 빅데이터 AI 기술도 필요하다. 

현상 모사 기술

데이터 통합기술, 자동인식 및 인공지능기술, 실시간 갱신기술 등을 통해 실제 상황을 가상으로 실행, 결과를 예측 가능케 해 의사결정 지원

설비의 기계적인 동작 메커니즘을 시뮬레이션해 봄으로써 설비 이상을 감지하거나, 제조공정 내 작업조건을 시뮬레이션해 제품 품질을 미리 예측해 볼 수 있다. 이를 통해 양질의 제품을 생산하도록 하거나, 공정과정의 소요 원가를 예측해 최소비용으로 제품을 생산하도록 하는 등 다양한 분야에 활용된다. 

현실 가시화 기술

디지털트윈에서 3D 가시화 기술은 디지털트윈 구현을 견인하는 또 하나의 핵심 기술

3D 시각화를 위한 핵심 과정은 3D 모델링이다. 이 과정의 결과물인 3차원 모델은 가상공간에서 현실세계의 물체를 실제 물체와 비슷한 모양과 질감을 가질 수 있도록 묘사한다. 혹은 물리적 환경을 모델링해 가상환경 속에서 물체의 모습을 만드는 것도 가능하다. 3D 시각화 기술은 제조현장을 가상공간에 보다 실감나게 표현할 수 있다. 

작업자의 제조현장 상황에 대한 인지력을 향상시켜 생산성을 높이고, 문제 상황에 대한 신속한 대응으로 제품의 품질향상이 가능하도록 지원한다. 

사용자 경험 기술

3D 시각화와 함께 실제 환경에 디지털 콘텐츠를 오버레이 하는 증강현실(AR, Augmented Reality), 가상 세계에서 실제와 같은 체험이 가능한 가상현실(VR, Virtual Reality) 기술 또한 차별화된 디지털트윈 구현을 위한 핵심 기술

증강현실과 가상현실 기술들은 보편화되지는 않았지만 많은 시도들이 진행되고 있으며, 디지털트윈의 니즈 증대와 더불어 주요하게 적용될 것으로 전망된다. 이러한 기술은 전혀 신기술이 아니고, 이미 단독으로 활용돼 의미있는 성과를 창출하고 있다. 

보안 기술 

현실세계의 ICT 인프라 및 행위를 가상세계에서 모의해보고 사이버 공격 탐지 및 예측하여 사전에 최적의 보안 조치를 제시, 사전/사후 대응이 가능한 사이버 자가방어 체계를 구축 하는 사이버보안 기술

디지털트윈의 특성 때문에 이제는 단순히 가상세계인 사이버 시스템을 공격하던 기존 패턴과는 양상이 다르다. 사이버 공간을 통해 실제 물리 시스템을 공격하는, 완전히 새로운 형태의 공격기법인 사이버물리 공격이 가능해졌기 때문에 이에 대한 보안시스템은 필수적이다.

국내 디지털트윈 확산위한 인식확대 ·지원전략 필요

전 세계는 디지털로의 전환이 가속화되는 시기를 맞고 있다. 디지털 전환은 사고체계의 전환을 유발한다. 디지털트윈의 거울상 쌍둥이 모델은 업무 절차, 수행체계, 정보화, 지능화, 동작 모델, 개인화 서비스 등과 관련해 혁신적 변화를 만드는 데 영감을 줄 수 있다. 디지털트윈은 제조분야, 스마트시티, 물류분야, 건설분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 같은 관점에서 디지털트윈은 우리가 풀어야 할 환경, 사회, 산업 등 다양한 측면의 문제해결을 위한 중요한 도구로써 그 필요성은 더욱 증가할 것으로 보인다. 

현재 우리나라의 디지털트윈은 아직 산업이라 말하기 어려운 초기이며 광범위한 적용을 위해서는 정부의 정책적 지원이 절실한 상황이다. 초기 단계에서는 다양한 목표의 시범사업을 통해 성공사례 확보, 기술수준 향상, 표준 개발, 효과 산정, 시범사업의 문제 도출을 통한 기술적 과제 확인 등이 필요할 것이다. 제조, 건축, 도시, 물류, 에너지 등의 분야는 디지털트윈 수요가 높다. 각 분야별 디지털트윈 아키텍쳐와 각 구성 요소별 연구개발 로드맵을 구축하는 등 정부 주도의 실증을 통한 사업 활성화 전략이 요구된다. 디지털트윈은 아직 민간기업이 적극적으로 도입하기에는 위험요소가 많기에 정부가 산업의 마중물 역할을 해주어야 할 것이다. 이를 위해 제품 생산 및 판매, 운영, 서비스 등 제품수명 주기 전체에 공공 플랫폼이 제공될 수 있도록 정책적 지원이 필요하다.

현재 중소기업의 입장에서 디지털트윈을 위해 필요한 시스템을 한 번에 모두 갖추는 것은 매우 어려운 것이 사실이다. 이 때문에 디지털 경영이라는 전략적 관점에서 접근해야 할 필요가 있다. 디지털트윈의 성공적 도입을 위해 가장 중요한 것은 도입의 목적을 분명히 하고, 기업의 최종 의사 결정론자가 의지를 갖고 직원들과 공감대를 만들어야 한다. 

디지털트윈은 비용이 많이 들어가고, 준비단계도 긴 솔루션이기 때문에 큰 시행착오를 겪을 수 있다. 이를 최소화하기 위해서는 활용방향을 사전에 점검하고, 도입하려는 기업의 현재 수준을 파악하는 것이 우선되어야 한다. 

디지털트윈은 단계적으로 적용하는 것이 가장 좋다. 내부적으로 물리적 자산을 테스트하는 데 시간이 오래 걸리거나 비용이 많이 드는 시나리오를 시뮬레이션하는 경우에 우선 도입해야 한다. 이후 외부적으로 고부가가치 제품에 대해 고객이 중요시 하는 부분부터 우선 적용하는 것이 올바른 방향이 될 것이다. 디지털트윈은 융합된 전체 최적화가 중요하므로, 도입 준비단계부터 융합 최적화를 고려한 설계를 통해 실패를 최소화하는 것이 중요할 것이다.