[칼럼] 디지털 트윈 기반 혁신

디지털 지식 전문가 조형식의 지식마당

요즘 모든 전문 분야에서 디지털 트윈(Digital Twin)이라는 말이 회자되고 있다. ‘디지털 트윈’의 개념은 두 개의 실제 동일한 우주선을 구축한 미국 항공 우주국(NASA)의 아폴로 프로그램에서 시작되었다고 한다. 그 중 하나는 임무를 수행하기 위해 우주로 발사되었고, 다른 하나는 지상에 머물면서 엔지니어가 발사된 조건을 적용하여 현재 상태와 가까운 미래를 예측하려고 했다.

그 후 2003년에 그리브(Grieves)가 작성한 백서에 따르면, 디지털 트윈은 PLM에 대한 그의 경영 과정에서 처음 제안되었다. 기술적 개선과 함께 디지털 트윈은 미국 항공 우주국 (NASA)과 미국 공군에 의해 항공 우주 산업에 도입되었다. 따라서, 지구에 남아있는 우주 차량은 고충실도 시뮬레이션을 통해 더 많은 통찰력을 제공하기 위해 디지털 미러 모델로 대체될 수 있었다. 요즘 디지털 트윈은 스마트 공장 같은 제조업뿐 아니라 스마트 시티나 헬스 케어같이 더 많은 분야에 적용되어 많은 주제가 되었다. 디지털 트윈의 짧은 개발 역사는 3단계로 나눌 수 있다.(그림 1)

그림 1. 지식과 JTB(Justified True Belief)

디지털 트윈의 개념은 그리브가 PLM 코스에서 처음 발표한 2003년으로 거슬러 올라간다. 그러나, 그 당시 디지털 트윈은 구체적인 설명과 설명 없이 물리적 개체, 가상 대응 및 연결을 포함하는 3차원 개념 프레임워크만을 가졌다. 2010년 NASA는 우주선에 대한 디지털 트윈에 대한 상세한 정의를 “최고의 물리적 모델, 센서 업데이트, 함대 기록 등을 사용하여 차량 또는 시스템의 통합된 다중 물리학, 다중 스케일 시뮬레이션”으로 발표했다. 해당 비행 디지털 트윈의 정의는 잘 받아들여졌다.

그림 2. 3차원 디지털 트윈 모델

대부분의 정의에서 디지털 트윈은 수명 주기 전반에 걸쳐 물리적 개체와 상호 작용하고 평가, 최적화, 예측 등을 위한 인텔리전스를 제공하는 가상 표현으로 간주된다. 디지털 트윈의 3차원 프레임워크의 필수 요소는 연결 뿐만 아니라 물리적 측면과 가상 측면에 중점을 둔다.
3차원 디지털 트윈은 ▲물리적 공간의 물리적 엔티티 ▲가상 공간에서의 물리적 엔티티 ▲물리적 및 가상 엔티티를 함께 연결하는 데이터 및 정보의 연결을 포함하는 세 가지 부분을 포함한다.

정교해진 디지털 트윈의 새로운 5차원 개념 모델이 발전되었다. 여기서 5차원은 ▲물리적 엔티티(Physical Entity) ▲가상적 엔티티(Virtual Entity)▲서비스(Service) ▲디지털 트윈 데이터(DT Data) ▲연결(Connection)이다.

그림 3. 5차원 디지털 트윈 모델

디지털 트윈 모델을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 가상적 엔티티(VE: Virtual Entity)는 다음 수식과 같다.

Gv = Geometric parameters of PE ,3D CAD 데이터,
Pv = Physical properties(물성치) CAE 데이터,
Bv = Behaviors of entity 행동 양식,
Rv = Rules 법칙

디지털 트윈과 함께 디지털 스레드(Digital Thread)와 디지털 섀도(Digital Shadow)라고 하는 개념이 시작되고 있다. 디지털 스레드와 결합된 디지털 트윈은 고품질 미러 및 시뮬레이션을 위해 전체 수명 주기에서 최상의 데이터를 얻을 수 있다. 스레드에서 가져온 데이터는 설계 모델, 프로세스 및 엔지니어링 데이터, 생산 데이터 및 유지 관리 데이터 등을 비롯한 다양한 정보 시스템뿐만 아니라 제품 체인, 가치 사슬 및 자산 체인의 여러 단계에서 가져온다.

그림 4. 디지털 트윈과 디지털 스레드

디지털 섀도는 라이프사이클 전반에 걸쳐 해당 엔티티와 결합한 과거, 현재 및 예상 미래 상태를 반영하는 모든 데이터와 지식을 전달하는 데이터 프로필이다.

디지털 섀도의 데이터는 흩어지지 않고 단일 전자 문서에 함께 저장되며, 전용 소프트웨어 서비스 또는 소프트웨어 에이전트에 의해 적극적으로 처리된다. 따라서 데이터를 균일하고 효율적으로 통합하고 처리하여 의미 있는 정보를 생성할 수 있다. 디지털 섀도의 주된 목적은 보다 지속 가능한 세상을 위해 물리적 자원의 활용과 효율성을 높이기 위한 의사 결정을 지원하는 것이다. 또한 디지털 섀도에서 디지털 보안 및 디지털 위험은 항상 중요한 문제라고 할 수 있다.

그림 5. 디지털 트윈과 디지털 섀도