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기술정보 <연재>디지털 트윈은 어떻게 구축하고 활용해야 하는가? <1회>

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 932회 작성일 21-08-13 15:11

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1. 디지털 트윈의 기술 동향

4차 산업혁명의 주요 기술 혁신을 활용하여 디지털 트윈을 구축하고, 모든 산업 분야에 업무 최적화와 효율성을 위해서 적용 가능한 환경이 되었다. 우리는 코로나19 사태로 이전과는 다른 현재 상황들을 경험하고 있으며, 새로운 사회현상의 변화는 새로운 도전과 혁신을 위한 새로운 기회를 제공한다.

스마트시티 및 디지털 트윈도 앞으로 우리 사회의 많은 부분의 변화와 새로운 가능성을 발견하는 현재와 다른 새로운 기회를 제공할 것으로 기대한다. 영국 경제학자 아놀드 토인비(Arnold Toynbee)는 산업혁명은 어떤 기술이 일시적인 것이 아니라, 관련 기술들이 연쇄적으로 발전해 경제사회구조를 바꾸는 변혁이라고 정의하였다.

4차산업의 주요 기술을 기반으로 정보의 이동성 및 인공위성, 드론, 지형정보 등을 활용해서 실시간 자연현상 변화 등에 대한 모니터링과 자율주행 자동차를 이용한 지능화된 운송 체계 등을 구현하고 있다.

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이러한 정보들을 이용해서 자율화된 농업, 보다 개선된 환경을 생각하는 엔지니어링 업무에 활용하고, 3D 프린팅을 이용하여 인간이 작업하기 어려운 극한 지역에 3D 프린팅을 이용하여 필요한 시설물을 건설하고, 인간의 DN A 정보를 활용한 의료보건 등의 다양한 분야에 활용하고 있다.

사전적인 의미로 산업혁명은 인류의 역사에서 기술 혁신과 그에 수반해 일어난 사회경제구조의 변혁이라고 한다. 산업혁명의 사회경제구조의 변화에 대해서 정확하게 인지하지 못하지만, 오늘도 무엇인가 변화하고 있고, 인공지능, 사물인터넷 IoT, 빅데이터, 머신러닝 등이 우리에게 새로운 기회를 제공할 것을 기대하고 있다.

① 인공지능 AI(Artificial Intelligence)

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• 빅데이터 등 지능정보기술 활용
• 인공지능은 인간의 학습 능력과 추론 능력, 지각 능력, 자연언어의 이해 능력 등을 컴퓨터 프로그램으로 실현한 기술
• 인공 신경망이란, 인간의 뉴런 구조를 본떠 만든 기계학습 모델
• 인지 컴퓨팅은 기계학습을 이용하여 특정한 인지적 과제를 해결할 수 있는 프로그램 또는 솔루션
• 뉴로모픽 컴퓨팅은 인공 신경망을 하드웨어적으로 구현
• 딥러닝은 입력과 출력 사이에 있는 인공 뉴런들을 여러 개 층층이 쌓고, 연결한 인공 신경망 기법 연구

② 머신러닝(Machine Learning)

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• 기본적인 규칙만 주어진 상태에서 입력 받은 정보를 활용해 스스로 학습
• 머신러닝의 학습할 대상의 데이터를 수집한 후, 학습용 데이터로 가공하는 데이터 준비 과정
• 학습 데이터를 적절한 머신러닝 알고리즘을 선택한 후 학습 데이터를 입력해 반복적인 학습
• 학습이 완료되면 추론한 결과가 실제 정답에 가까운지 측정해 모델의 성능을 검증하여 완성된 머신러닝 모델을 구현

4차 산업의 주요 기술은 매우 빠른 속도로 전 산업 분야에 적용될 것이며, 생산, 관리, 산업 지배 구조 등의 전반적인 변화가 발생한다. 또한 4차산업의 양극화 특징으로 승자가 모든 것을 지배하는 형태가 된다.

이러한 사회 경제적 변화는 새로운 기술을 적용하거나 접근하기 쉬워진 환경의 변화에 따라서 앞으로도 새로운 기술을 활용한 기술 혁신과 새로운 사업의 성장은 자연스러운 현상이다.

4차산업의 주요 기술과 디지털 데이터의 활용을 통해서 우리는 스마트시티 및 디지털 트윈을 구현하는 기본적인 기술과 정보를 확보할 수 있다.

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1) 디지털 트윈의 정의

업무 활용과 운영 목적으로 디지털 트윈을 규정할 수 있다. 일반적으로 디지털 트윈은 현실 세계의 물리적 자산과 위치 정보, 업무 절차 및 업무 관계자 등의 모든 물리적인 데이터와 정보를 디지털로 표현이라고 한다.

디지털 트윈은 현실 세계의 산업 인프라 시설물, 기계 장비 등의 실제 상황을 디지털 데이터로 구현하여 아래와 같은 업무에 활용할 수 있다.
• 3차원 BIM 설계 모델, 사물인터넷(IoT) 등의 데이터 정보 수집과 분석
• 다양한 상황을 데이터 기반으로 분석 및 예측하여 돌발 사고 위험을 예방
• 생산성 향상을 위해 장비와 시설물 운영 업무의 최적화
• 빅데이터와 다양한 데이터 분석 및 AI와 머신러닝을 활용하여 미래를 예측

디지털 트윈은 정보기술이나 소프트웨어 프로그램을 통해 구현되는 것이 아니라 전문 엔지니어링 기술(Engineer ing Technology), 운영기술(Operation Technology)을 기반으로 정보기술(Information Technology)을 통해 구현이 가능하다.

스마트시티 및 디지털 트윈 구현에 필요한 구성요소는 다음과 같다.

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2) 엔지니어링 기술(Engineering Technology)

엔지니어링 업무를 디지털 데이터 기반으로 수행하여 BIM은 3D 설계 결과물, 비용 및 일정을 통합하여 신뢰할 수 있는 의사결정의 근거를 제공하는 엔지니어링 디지털 트윈을 구현하는 것을 엔지니어링 기술로 정의할 수 있다.

3) 디지털 엔지니어링

엔지니어링 디지털 트윈 구현은 엔지니어리 기술정보를 포함하는 BIM 설계를 통해서 설계, 건설, 감리 등의 업무에 활용과 사업주와 업무 협의 및 성과물 납품 등의 중요한 프로젝트 결과물로 활용되고 있다.

엔지니어링 기술정보를 포함하는 BIM 설계 결과물은 업무에 활용하는 수준에 따라서 BIM 3D 모델의 상세한 표현과 속성정보를 규정하고 운영되어야 한다.

BIM 3D 모델은 보다 상세한 3D 형상을 만들어내는 것이 아니라, 이러한 규정을 통해서 목적에 최적화된 BIM 3D 모델과 엔지니어링 업무의 중요한 의사결정을 지원하는 목적에 적합해야 한다.

엔지니어링 업무에서 구축된 디지털 데이터를 이용하여 디지털 트윈을 구현하기 위한 도전과제는 다양한 형식의 파일 포맷을 지원하는 기술적인 문제와 엔지니어링 속성정보에 대한 연계와 엔지니어링 설계 변경 과정의 관리 등에 대한 문제를 해결해야 한다.

엔지니어링 디지털 트윈은 이러한 도전과제에 대한 해결과 엔지니어링 업무는 다양한 전문 분야의 다양한 형식의 파일과 설계 결과물 통합하여 관리하는 기능과 각 산업 분야의 표준 포맷과 데이터 호환성과 확장성을 제공해야 한다.

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전체 프로젝트와 관련된 엔지니어링 정보를 하나의 정보를 이용하여 연관되는 다양한 정보의 연계와 정보기술(IT)을 연결하여 개선된 의사결정과 보다 완벽한 예측과 분석이 가능한 엔지니어링 디지털 트윈을 구현하게 된다.

디지털 데이터 분석 및 예측을 위해서 다양한 포맷으로 생성되는 엔지니어링 성과물에 대한 통합과 활용이 가능한 표준 데이터 포맷과 설계 속성정보 연계에 대한 기능을 제공한다.

엔지니어링 디지털 트윈은 엔지니어링 업무는 설계 요건이나 계약 요건에 따라서 엔지니어링 업무가 진행되고 있는지 확인을 디지털 트윈을 통해서 검증하고 관리하는 것이 가능하다.

요건 검증 과정에 대한 추적관리나 이행 여부 등을 시스템을 통해서 확인하고, 프로젝트 관계자와 공유하여 엔지니어링 업무 품질과 정확성을 높일 수 있으며, 엔지니어링 업무에서 가장 중요한 변경 관리를 디지털 트윈을 통해서 시각화할 수 있다.

각각의 업무 분야별 변경 사항에 대하여 시각화된 검토와 변경에 따른 프로젝트 영향 등을 AI를 통해서 분석하고 예측하여 중요한 변경 사항에 대한 의사결정을 데이터 기반으로 분석하고 관리할 수 있다.

설계 변경은 단순히 CAD 형상의 변경만 있는 것이 아니라 연관되는 속성정보의 변경, 연관되는 P&ID의 시스템 변경 등의 다양한 형태의 변경을 관리할 수 있는 기능을 제공한다.

또한 연관 문서 연계 등의 프로젝트 데이터 관리의 향상된 기능과 프로젝트 지연에 대한 위험 요소를 확인하고, 설계 변경 관리 및 변경 영향, 엔지니어링 품질관리 등을 디지털 트윈으로 구현하고, 엔지니어링과 건설관리 과정에서 발생된 데이터를 이용하여 데이터 이관과 운영관리 시스템으로 연계하여 운영관리 디지털 트윈으로 확장할 수 있다.

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벤틀리 디지털 트윈 서비스는 설계 검토와 검증 기능과 설비 운영관리 시스템을 구축할 수 있으며, AI 및 머신러닝을 적용한 디지털 트윈은 다양한 분석과 통찰력을 제공하여 프로젝트 문제점을 예측하여 신속하게 대응할 수 있다. 벤틀리 디지털 트윈 서비스는 웹 브라우저를 사용한 3D 및 변경 관리 시각화와 분석 가시성을 제공한다.

엔지니어링 업무에서 생성되는 다양한 파일 형식을 지원하고, 확장된 데이터 호환성을 제공하여 엔지니어링 기술, 운영기술, IT 기술과 통합하는 디지털 트윈을 구축할 수 있다.
ducksup.kim@bentley.com


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