[글 포스코ICT 김미영 기술개발센터장] 최근 제조현장의 스마트화를 위한 새로운 화두는 디지털 트윈(Digital Twin)이다. 기존 IoT, Big Data, AI 기술을 기반으로 하는 스마트팩토리를 넘어, 3D, Simulation 기술을 새롭게 접목해 디지털 트윈 팩토리 시대를 맞이하고 있는 것이다. 현재 스마트팩토리가 제조현장의 도메인 지식에 ICT기술을 접목해 제조현장을 지능화하는 즉, ICT기술을 활용해 제품생산 현황을 면밀하게 파악(Sensing)하고 분석(Analytics)해 최적 제어(Control)하는 것을 목표로 했다면, 디지털 트윈 팩토리는 점점 더 복잡해지는 제조환경의 현실세계를 가상공간에 실시간으로 연결해 생산현장의 가시성을 높이고 더욱 정교하게 시뮬레이션해 봄으로써, 공장의 자율화 수준을 획기적으로 높이는 것을 목표로 한다.

스마트팩토리 구축 시 기존에 비용과 성능의 한계로 적용이 어려웠던 대용량 데이터 처리를 지원하는 Big Data기술과 Hidden Insight를 찾아낼 수 있도록 지원하는 AI기술의 발전은 제조현장의 ‘지능화’에 크게 기여하고 있다. 하지만 실제로는 분석/예측모델에서 제시하는 결과를 직접 제어로 연결하기 보다는 그 결과를 가이던스로 활용(참조)해 조업자가 조업제어를 실행하도록 하는 것이 대부분이다. 이러한 간극을 좁히도록 하기 위해서는 예상 밖의 상황도 고려해 스스로 결정을 내릴 수 있는 ‘자율화’로 현장을 좀더 정확하고 정교하게 표현/모사할 수 있는 디지털 트윈이 필요하다.

디지털 트윈 팩토리 구축의 핵심기술 5가지

스마트팩토리의 핵심기술은 ‘제조현장에서 발생하는 데이터를 실시간으로 수집해 공장내 상황을 일목요연하게 볼 수 있도록 함으로써, 문제점을 발견하고 분석해 해결방안을 찾아내도록 하는 지능형 공장’ 구축을 위한, ‘데이터’와 ‘IoT, Big Data, AI’ 기술이라 할 수 있다. 그리고 디지털 트윈 팩토리는 ‘현실 세계를 가상공간에 3D 모델로 똑같이 모사하고 발생 가능한 상황을 시뮬레이션해 최적의 제어를 실행하는 자율형 공장’ 구축을 위해, 데이터 기반의 지능화 기술과 더불어 Real-World를 Cyber-Space에서 더욱 실감나고 더욱 정교하게 묘사하고 상호 작용할 수 있도록 하는 ‘3D가시화, Simulation, XR’ 기술을 접목해야 한다.

① IoT : 실시간 데이터 연결 기술

현상계의 데이터를 가상공간에 실시간으로 연결하는 기술은 디지털 트윈 구현을 위해 우선적으로 필요한 기술이다. 데이터는 제조현장의 다양한 장치에서 다양한 형태로 생성되고 있으며 설비, PLC/DCS, 각종 Smart Devices 등에서 발생하는 대량의 데이터를 신속하게 처리하기 위해서는 Millisecond 단위의 고속으로 데이터를 수신, 파싱, (표준)변환, 정제 및 전송 등 기능을 안정적으로 처리하는 기술이 필수적이다.

② Big Data, AI : 데이터 기반 분석/예측 기술

가상공간에 실시간으로 연결된 데이터는 잘 구조화돼 저장되고 활용돼 현실세계를 정확하게 분석하고 예측할 수 있어야 한다. 이를 위해 각종 장치, 설비, 센서로부터 수신된 데이터를 설비간, 전·후공정간 연계 분석 및 조업-설비-품질 통합 분석이 가능하도록 데이터를 구조 화하는 기술(데이터간 연결고리를 만들어 주는 것)이 중요하다. 또한 대용량 데이터 처리 기술과 각 저장소에 보관된 다양한 형태의 데이터를 원하는 형태로 추출~데이터 전 처리~탐색적 분석~분석 모델링~모델실행 및 관리를 지원하는 Big Data, AI 기술도 필요로 한다. 이는 제조현장에서 발생한 이슈를 해결하고 상황을 예측하도록 지원하는 디지털 트윈의 지능화 구현을 위한 핵심 기술이다.

③ Simulation : 현상 모사 기술

시뮬레이션은 실제 상황을 가상으로 실행하고 결과를 예측 가능하도록 함으로써 의사결정을 지원하는 기술이다. 설비의 기계적인 동작 메커니즘을 시뮬레이션해 봄으로써 설비의 이상을 감지하거나, 제조공정내 조업조건을 시뮬레이션해 제품의 품질을 미리 예측해 봄으로써 양질의 제품을 생산하도록 하거나, 공정과정에 소요되는 원가를 예측해 최소비용으로 제품을 생산하도록 하는 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 최근 대량 데이터를 저장할 수 있는 기술, 복잡한 알고리즘을 처리할 수 있는 컴퓨팅 성능의 향상으로 기존에 시도하지 못했던 다양한 상황에 시뮬레이션이 적용돼 디지털 트윈의 획기적인 발전에 기여할 것으로 보인다.

④ 3D Visualization : 현실 가시화 기술

디지털 트윈에서 3D 가시화 기술은 디지털 트윈 구현을 견인하는 또 하나의 핵심 기술이다. 3D 시각화를 위한 핵심 과정은 3D 모델링이며, 이 과정의 결과물인 3차원 모델은 가상공간에서 실세계의 물체를 실제 물체와 비슷한 모양과 질감을 가질 수 있도록 묘사하거나 혹은 물리적 환경을 모델링해 가상환경 속에서 물체의 모습을 만들어 내기도 한다. 3D 시각화 기술은 제조현장을 가상공간에 보다 실감나게 표현함으로써 조업자의 제조현장 상황에 대한 인지력 향상을 통해 생산성을 높이고, 문제 상황에 대한 신속한 대응을 통해 제품의 품질향상이 가능하도록 지원한다.

⑤ AR/VR/MR : XR UX(사용자 경험) 기술

3D 시각화와 더불어 실제 환경에 디지털 콘텐츠를 오버레이 하는 증강현실(AR, Augmented Reality)과 가상 세계에서 사람이 실제와 같은 체험을 할 수 있도록 하는 가상현실(VR, Virtual Reality) 기술 또한 차별화된 디지털 트윈 구현을 위한 핵심 기술이다. 최근 MR(Mixed Reality) 기술도 부각되고 있는데, AR이 현실 세계에 가상의 정보를 매핑해 보여주는 수준이라면, MR은 사용자와 상호 작용이 가능하도록 지원한다. 이러한 기술들은 아직 보편화되지는 않았지만 많은 시도들이 진행되고 있고, 디지털 트윈의 니즈 증대와 더불어 주요하게 적용될 것으로 전망된다. 이러한 기술들은 완전히 새로운 기술이 아니고 이미 단독으로 활용돼 의미있는 성과를 창출하고 있지만 복잡한 현실 세계를 다루는 디지털 트윈 팩토리에서는 이러한 핵심기술들이 상호 연결돼 시너지를 제고할 수 있도록 융합하는 전략이 중요하다.

디지털 트윈 또한 현장에 답이 있다

디지털 트윈 팩토리에서 시뮬레이션 기술 적용은 경험에 의존하던 조업 스케줄링에서 벗어나 프로세스 시뮬레이션을 통해 최적의 조업조건 결정이 가능하게 하고, 조업조건 변경에 따른 품질 영향도를 사전에 파악하도록 함으로써 품질개선에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있게 한다. 또한 공정별 에너지 사용량과 탄소 발생량 모니터링 및 시뮬레이션을 통해 탄소 절감을 위한 최적의 시나리오 도출을 기대할 수도 있을 것이다. 그리고 3D 모델링 기술은 사전 정비작업(분해/조립) 수행으로 작업시간 단축을 가능하게 하며, 현장 작업자의 위치를 시각화함으로써 위험요인의 사전 차단을 통해 안전관리에 만전을 기할 수 있게 할 것이다.

포스코그룹은 제철소 공장에 스마트팩토리를 구축해서 국내 최초로 세계경제포럼(WEF)이 선정하는 등대공장으로 선정됐다. 포스코ICT는 스마트팩토리 사업고도화의 요체인 디지털트윈 부문에 10년 중장기 로드맵을 가지고 올해 의미있는 여정을 시작해 포스코 공장에 디지털 트윈기술을 시범적용 하는 첫 도전을 예정하고 있다.

디지털 트윈이 향후 방향이라는 것에는 누구도 이견이 없겠지만, 아직 디지털 트윈의 목적, 목표, 효과 등에 대해서는 많은 의구심이 있는 것이 사실이다. 디지털 트윈의 목표는 원대하게 설정하더라도, 본격적인 추진에 앞서 작은 선행과제 수행을 통해 현장적용의 성과를 검증하고 성공 사례를 확보하는 것이 굉장히 중요한 일이 될 것이다. 이 과정을 통해 얻은 경험과 기술을 다음 과제로 연계시키고 성공 사례를 하나씩 확보해 나감으로써 디지털 트윈 구현의 실질적인 목표를 달성하도록 해야 한다.

디지털 트윈 기술을 적용하는 것만으로 디지털 트윈 팩토리의 성공적인 완성을 보장할 수는 없다. 무엇보다 현업에서 디지털 트윈을 통해 무엇을 얻고자 하는지를 명확히 하는 것, 최우선적으로 현업 담당자가 달성하고자 하는 목표를 설정하는 것이 중요하고, 목표달성을 위해 핵심기술들이 기여하도록 해야 한다. 철저하게 현장의, 현장을 위한, 현장에 의한 디지털 트윈이 돼야 할 것이다.

최종윤 기자 다른기사 보기