■ 조형식 | 항공 유체해석(CFD) 엔지니어로 출발하여 프로젝트 관리자 및 컨설턴트를 걸쳐서 디지털 지식 전문가로 활동하고 있다. 현재 디지털지식연구소 대표와 인더스트리 4.0, MES 강의, 캐드앤그래픽스 CNG 지식교육방송 사회자 및 컬럼니스트로 활동하고 있다. 보잉, 삼성항공우주연구소, 한국항공(KAI), 지멘스에서 근무했다. 저서로는 'PLM 지식', '서비스공학', '스마트 엔지니어링', 'MES', '인더스트리 4.0' 등이 있다.

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현재 세계는 급격한 디지털 기술 변화에 직면하고 있다. 이러한 변화를 관점의 차이에 따라 디지털 변환(Digital Transformation), 4차 산업혁명, 그리고 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이라고 부른다. 이러한 기술적 급변에서 등장하는 핵심 기술이 사물인터넷(IoT), 빅 데이터 분석, 스마트공장(Smart Factory), 인공지능(AI)이라고 생각된다. 그리고 이 모든 기술의 미래지향적 통합체는 사이버 물리 시스템(Cyber-Physical Systems : CPS)이라고 할 수 있다.

원래 사이버 물리 생산 시스템은 고장예측이나 예측정비를 할 수 있는 지능형 유지보수 시스템 연구에서 출발하였다. 제조 산업분야 사이버 물리 시스템의 기능과 특징은 5단계의 수준으로 구분할 수 있다. 가장 간단한 5번째 수준은 연결(Connection) 수준이며, 연결 수준에서 연결된 컴퓨터, 도구 및 제품에 의해서 생성된 데이터가 수집되어 다음 단계로 진입할 수 있다.

다음 단계인 4번째 단계는 데이터를 정보로 변환(Conversion)하는 단계이다. 이 수준에서는 응용 프로그램을 기반으로 하는 알고리즘을 사용하여 데이터를 정보로 변환한다. 예를 들어 생산 라인의 공작 기계에서 발생하는 진동 데이터를 생각해 볼 수 있다. 가공하지 않은 진동 데이터는 시스템의 상태 또는 상태에 대한 지식이 없다.

3번째 단계인 사이버(Cyber) 수준은 아래 수준에서 처리된 정보를 받아 부가가치를 창출하는데 사용한다. 이 수준은 정보의 허브 역할을 하며 복잡한 분석을 수행한다. 사이버 단계는 현재 디지털 트윈(Digital Twin)이라는 개념으로 시도되고 있으며, 사이버 모델과 물리 모델을 서로 연결하는 것이다.

2번째 단계는 인지(Cognition) 단계이며, 인지 수준은 기계신호를 상태정보로 변환하고 이 정보를 다른 사례와 비교할 수 있다. 인식 수준에서 기계 자체는 온라인 모니터링을 활용하여 자체 잠재적 실패를 진단하고, 분명한 징후가 나타나기 전에 잠재된 저하를 인지한다. 과거의 정상적 상태 평가로부터 얻은 적응 학습을 기반으로 시스템은 특정 예측 알고리즘을 사용하여 잠재적인 실패를 예측하고, 특정 종류의 실패에 도달하는 시간을 예측할 수 있다. 이 단계에서 본격적으로 사이버 물리 시스템에 예측 유지보수(Predictive Maintenance) 환경을 적용할 수 있다.

가장 상위인 1번째 단계는 형상(Configuration) 단계이다. 자체 상태를 추적할 수 있는 컴퓨터는 초기에 오류를 감지하고 실시간 상태 모니터링 정보를 작업 수준으로 보낸다. 이 유지 관리 정보는 비즈니스 관리 시스템에 대한 피드백 역할을 할 수 있다. 운영자와 공장 관리자는 이를 바탕으로 정보에 입각한 의사 결정을 내릴 수 있다. 동시에, 기계 자체는 기계 작동 불량으로 인한 다운 시간을 줄이기 위해 작업 부하 또는 제조 일정을 조정할 수 있다. 이 단계가 독일의 인더스트리 4.0의 스마트 공장의 목표이다.

최고의 단계에서 사이버 물리 시스템의 알파고 같은 인공지능을 가지고 스스로 상황을 결정하고, 다양한 환경에서 스스로 조정하고, 장애상황에서 스스로 최적화할 수 있다. 또한 공급사슬(Supply Chain)의 정보나 시장(Market)의 실시간 정보를 종합해서 기계가 스스로 결정하는 단계이다.

사이버 물리 시스템은 우리 사회의 거의 모든 분야에 적용할 수 있다. 그러나 현재 사이버 물리 시스템에 집중적으로 관심을 가지는 분야는 제조분야(Manufacturing), 의료분야(Healthcare), 전력분야(Smart Grid), 교통분야(Transportation), 농업분야(Smart Farm), 국방분야(Military), 스마트 시티(Smart City) 같은 도시 인프라라고 할 수 있다. 특히 독일의 인더스트리 4.0에서 시작된 제조 분야의 4차 산업혁명은 제조 분야에서 사이버 물리 시스템의 적용이라고 할 수 있다. 특히 제조 분야의 가상 물리 시스템은 사이버 물리 생산 시스템(CPPS : Cyber-Physical Production System)으로 구분하는 경향도 있다.

모든 사이버 물리 시스템의 궁극적인 목표는 기술을 사용하여 생산성을 높이거나 사람들의 삶의 질을 높이는 것이다. 그래서 수많은 사이버 물리 시스템의 적용사례가 있다. 그러나 최근에는 이런 사이버 물리 시스템의 확장적 체계적인 개발을 위해서 사이버 물리 복합 시스템(Cyber-Physical System of Systems) 또는 약어로 CPSOS라는 개념으로 발전시키고 있다.

이 개념은 사이버 물리 시스템과 복합 시스템(SOS : System of Systems)의 통합이다. 항공기, 자동차, 선박, 생산시설, 발전소, 의료기기 등 많은 사이버 물리 시스템이 독립적으로 사용할 수 있지만, 어떤 분야는 보다 복잡한 사이버 물리 시스템 체계를 가진다. 예를 들어서 대형 생산 공정 통합체계나 도로, 철도, 항공, 해운 통합 운송 네트워크, 스마트 시티 같은 분야에는 사이버 물리 복합 시스템의 적용이 필요하다. 대표적으로 다음과 같은 경우에는 사이버 물리 복합 시스템이 필요하다.

■ 복잡한 역동성(Complex dynamic)을 포함한 대형, 공간적으로 분산된 사이버 물리 시스템

■ 분산 제어, 감독 및 관리가 필요한 사이버 물리 시스템

■ 하부 시스템(Sub system)의 부분적 자율성이 필요한 사이버 물리 시스템

■ 다양한 시간 규모에서 전체 시스템의 동적 재구성이 필요한 사이버 물리 시스템

■ 신규 작동(Emerging behavior)이 가능한 사이버 물리 시스템

■ 운용 중 전체 시스템의 지속적으로 진화가 필요한 사이버 물리 시스템

특히 이런 복합적인 전문지식들을 체계적으로 연결할 수 있는 시스템 엔지니어링(Systems Engineering)의 지식이 필요하지만, 한국의 산학업계는 이 분야에 매우 취약한 구조를 가진다. 그러나 사이버 물리 시스템이 가져올 미래는 밝고 낙관적이지만 않다. 가장 부정적인 면은 사이버 안전과 보안적인 면, 그리고 노동자들의 일자리를 빼앗아 가는 실업 문제일 것이다. 그러므로 사이버 안전과 보안(Cyber Safety and Security) 그리고 디지털 법의 제정 등을 통해서 보완해야 한다.

사이버 물리 시스템은 인간과 사물의 인터넷이다. 이것은 현재까지 인터넷이 우리와 다른 사람들이 상호 작용하고, 서로 영향을 주고, 교류하면서 이 세상을 변화시킨 것처럼, 미래에는 사이버 물리 시스템과 상호 작용하고 서로 영향을 주고 교류하면서 이 세상을 변화시킬 것이다. 그러므로 국가적 사이버 물리 시스템 역량은 미래 디지털 경제 사회에서 국가 간에 가장 강력한 경쟁력이 될 것이다.