계장기술(PROCON)

기획특집 수소 연료전지 동력시스템 설계 · 검증 메타버스 협업설계 플랫폼

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 750회 작성일 22-02-14 16:44

본문

서 론

영화 속에서만 가능할 것 같았던 가상현실 공간 ‘메타버스’가 어느새 현실로 다가왔다. 인터넷 세상이 단순히 게임을 즐기는 것에만 그치지 않고, 업무·모임·취미활동·쇼핑·공연 감상 등 다양한 현실 활동이 구현되고 있다. 인터넷을 넘어선 ‘인류의 플랫폼’으로 진화하고 있는 메타버스 시장은 소통을 넘어 소비와 생산이 선순환하는 ‘경제활동’의 한 공간으로 변모하고 있는 것이다.

최근 일본 완성차 업체 토요타는 마이크로소프트(MS)의 MR 기기 ‘홀로렌즈2’를, 뷰티 제품 기업 로레알은 홀로렌즈2와 원격 협업 도구인 ‘다이나믹스 365 리모트 어시스트’를 함께 도입해 업무 생산성을 높였다. 이처럼 증강·가상현실(AR·VR) 등을 핵심 기술로 하는 ‘메타버스’가 게임, 콘텐츠를 넘어 유통·제조 등 산업군으로 확대 적용되고 있다. 제품의 개발, 설계, 운영, 관리 등 과정에 AR·VR을 활용하면 더욱 안전하고 효율적인 업무가 가능하다.

산업 현장에서 활용되는 메타버스 플랫폼

MS(MicroSoft)사 발표에 따르면 홀로렌즈2는 토요타, 메르세데스-벤츠, 벤틀리 모터스 등 완성차 기업과 록히드 마틴, MDA, 크루거 등 제조기업, 이외 다수 업체가 사용 중이다. 홀로렌즈2는 인공지능(AI) 센서가 탑재된 웨어러블 기기 형태로 제공된다. 눈앞의 현실세계에 3차원(3D) 홀로그램을 띄우며, 사용자는 손동작이나 음성 등으로 이를 조작할 수 있다. 이 제품은 이전 버전에 비해 시야각이 두 배 이상 넓고, 무게도 적게 나간다.

두산중공업은 MS 디지털 트윈으로 풍력 발전소를 가상화하고, 이를 기반으로 운영·관리 업무를 개선했다. 특히 사물인터넷(IoT) 센서에서 수집된 실시간 데이터를 발전소 가상 모델과 연계해 전력 생산량을 예측하는 데 도움을 받고 있다. 발생 가능한 사건·사고를 예측해 부품 교체 등 선제 대응도 한다.

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LG CNS는 서울 마곡 사옥 내 사무실 공간에 기업 고객을 위한 ‘AR·VR 데모 체험관’을 만들었다. 방문자는 이곳에 비치된 홀로렌즈2를 통해 제조 시설 관련 부품 모형을 이리저리 돌려보고 확대, 축소해볼 수 있다. 같은 가상공간에 접속한 사람들끼리는 실시간 대화도 가능하다. 회사는 냉각팬 등 부품을 직접 가상화해 해당 시스템에 올리는 역할을 했다. LG CNS 측은 “서로 다른 곳에 있는 직원들이 대면하지 않고도 각자의 자리에서 부품 개발 등 회의를 진행할 수 있게 된다”며 “메타버스를 활용한 기업 대상 서비스를 준비 중”이라고 말했다.

현대오토에버의 경우 지난해 4월 3D 기반 스트리밍 플랫폼 ‘네오-트리다이브’를 선보였다. 이 플랫폼은 디지털 쇼룸, 카탈로그, 홍보 영상 등을 3D 형태로 제작해주는 기능을 갖췄다. 최종 소비자는 웹에서 자동차나 전자기기, 가구 등 제품의 옵션을 바꿔보고, 이를 3D 제품에 적용, 비교해보는 등 체험이 가능하다. 현대오토에버 관계자는 “차량 부품 관련, 건설·엔지니어링, 제조·유통, 부동산 분야 등까지 활용 분야는 다양하다”고 강조했다. 회사는 네오-트리다이브가 기존 PC·모바일 등에서 추후 AR·VR 기기까지 지원할 수 있도록 플랫폼을 고도화하고 있다.

박진호 동국대 멀티미디어공학과 교수는 “메타버스는 초기 게임이나 멀티미디어 콘텐츠 정도에만 해당되는 것으로 여겨지다가 제조, 쇼핑 등 다양한 산업군으로 확산되고 있는 상황”이라며 “국내 관련 산업 법제도 혁신, 전문가 및 인력 양성, 사업 모델 마련 등의 노력이 지속 추진돼야 한다”고 강조했다.

한편, 시장조사업체 테크나비오는 AR·VR 시장 규모가 지난해부터 2024년까지 1천251억 9천만 달러(한화 약 139조 7천746억원) 증가할 것으로 예측했다. 같은 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)은 35%에 달한다는 전망이다.

XR 기반 원격 협업설계 메타버스 플랫폼

확장현실이란 가상현실(VR)과 증강현실(AR), 혼합현실(MR)을 포괄하는 개념이다. 가상세계와 현실세계를 융합해 사용자에게 실감나고, 몰입도 높은 환경을 제공하는 기술이 바로 확장현실이다. 빅테크 기업들이 메타버스 구현을 목표로 개발 중인 기술은 가상의 콘텐츠를 현실공간에 시각화하는 동시에, 이렇게 구현된 가상과 현실 사이에 실시간 상호작용이 이뤄지도록 하는 데 방점이 찍힌다. 다만 초기 단계인 엑스아르 기기 시장은 당분간 브이아르 기술을 중심을 확대될 것으로 보인다. 분명한 것은 엑스아르 기기가 지난 10여 년간 스마트폰이 중심이 됐던 아이티(IT) 생태계를 재편할 새 디바이스로서 가진 잠재력이다.

관련 업계는 메타(옛 페이스북), 마이크로소프트(MS), 소니 등이 잇따라 엑스아르 기기 신제품을 출시해 3차원 메타버스 시대가 가속화될 것으로 내다보고 있다. 시장조사업체 아이디시(IDC)는 글로벌 엑스아르 시장이 2019년 78억 9천만 달러에서, 오는 2024년 1368억 달러로 연평균 76.9% 성장할 것이라고 전망했다.

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조선산업 분야 활용 메타버스 플랫폼

조선해양산업에 메타버스 기술을 적용하기 위해서 조선소, 선박 및 해양플랜트 현장과 똑같은 미러 팩토리(Mirror-Factory·현실세계의 기계나 장비, 사물, 사람 등을 컴퓨터 속 가상세계에 구현한 것)을 만들고, 전 공정에 XR을 연동하여 현장에서 활용할 수 있는 메타 가상융합 플랫폼을 구현하여 공정상의 각종 데이터들을 시뮬레이션하여 최적의 신공정을 개발해낼 수 있다. 또한 다자 간 원격 협업 및 교육·훈련을 지원하는 XR 솔루션을 통해 초보 작업자의 직무능력을 높이고, 작업장에서의 안정성을 높일 수 있는 메타버스 플랫폼을 구축할 수 있다. 특히 삼성중공업은 실제 컨테이너와 같은 실물 모형을 만들거나, 작업자가 높은 위치에 올라 직접 체크해야 했던 품질검사를 3D 스캐닝 기반 가상 조립 시스템으로 대체했다.

조선산업에 활용할 수 있는 협업설계 메타버스 플랫폼은 설계자들이 협업 체계를 구축하고, 메타버스 가상 플랫폼에 참여하여 3D 설계 작업을 공동으로 수행하는 플랫폼을 말한다. 주요 기술로는 선박/해양플랜트 전용 설계용 3D CAD 통합 설계시스템 구성, 각종 CAD 데이터 호환성을 위한 전처리 미들웨어 설계 및 가상공간 아바타 협업설계 기술로 구성된다. 특히 앞으로의 기술 전망은 설계 프로세스를 반영함과 동시에 3D CAD 기반 설계 프로세스로부터 발생하게 될 변화를 수용할 수 있어야 하고, 시스템은 지속 가능한 발전을 위해 변화를 수용해야 한다. 그래야 시스템 구성이 가능할 것이다.

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세계 1위의 조선산업 기술 경쟁력을 유지하기 위해 선박 및 해양플랜트 협업설계 가상공간을 구현하여 ICT융합 기술 및 다자간 원격 협업설계를 지원하는 XR 솔루션을 통해 다양한 기술 분야 설계자들의 의사소통 능력을 높이는 메타버스 가상융합 설계 검증 플랫폼을 활용하는 기술 고도화가 필요하다.
특히 중소 조선소 및 중소 설계사는 제품개발 과정에서 실제 3차원 설계 데이터를 기반으로 부품 디자인, 조립 등을 수행하고, 결과물을 검수하는 인프라가 부족하다. 비효율적인 2D 기반의 설계 툴을 사용하면 시간과 비용을 줄일 수 없기 때문이다. 메타버스 플랫폼에서 선박 성능을 사전에 점검하고 연구개발을 진행하면 실물 제작보다 오류를 검증하는 것이 용이하고, 반복 점검이 가능해 완성도 높은 선박 개발이 가능하다. 따라서, 중소 조선소용 산업용 메타버스를 구축하여 실물처럼 정교하게 렌더링(컴퓨터그래픽)한 이미지를 통해 오류 검증도 간편해지고, 선박을 건조하기 전에 가상 모델로 성능을 검증하고, 선주와 설계 변경 작업이 용이할 수 있다.

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친환경 선박 동력시스템 시뮬레이션

국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 IMO)는 2050년까지 선박이 배출하는 온실가스 감축규제를 발표하였으며, 전 세계 선박 기업은 기존 화석연료를 배터리, 수소에너지, 바이오에너지 등의 친환경 연료로 전환해야 한다. 시장 참여 업체들은 친환경 연료를 사용하는 선박 개발에 역량을 집중하고 있으며, 배터리와 수소 연료전지 등을 사용하는 기술을 선제적으로 개발 및 실증 완료한 상황이다.

조선소는 EEDI(선박에너지효율설계지수) 규제를 만족하는 선박의 건조 능력이 요구되며, 중장기적으로는 고연비, 저탄소 선박의 개발이 필요하다. 친환경 고연비 선박 기술에 관한 연구 및 개발이 촉진되고 있으며, 한국 조선산업이 세계시장의 주도권을 갖기 위해서는 친환경 연료 관련 기술개발이 필수적이다. 이에 대한 정부의 다양한 정책과 지원이 확대되고 있다.

수소는 LNG와 메탄올 및 암모니아에 비해 낮은 체적 에너지 밀도를 갖고 있으며, 저장 온도 또한 낮아 이를 활용하기 위한 기술적 난이도가 높다. 또한, 국제항해에 필요한 안전기준 코드 IGF에 수소가 미등록되어 있어 관련 법과 제도가 미비한 상황이다. 세계적으로 EU, 미국, 일본 등 선진국들의 경우 수소 연료전지 선박에 많은 시간과 노력을 쏟고 있다. 영국의 경우 2013년 세계 최초로 수소를 활용한 여객선 하이드로 제너시스호를 개발했고, 미국은 SF-Breeze, 노르웨이는 Fellow ship, 독일은 e4ships 등 수소 연료전지 선박 개발 및 연구를 진행 중이다. 국내의 경우 2017년부터 시행된 미세먼지 무배출 선박용 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 시스템 개발 및 실증에 따라 중기부에서 발표한 수소 연료전지 선박 상용화 사업으로 잠수함에 수소 연료전지를 적용한 연구개발 등이 진행 중이다.

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수소 연료전지 추진선박 설계 및 검증 플랫폼

수소 연료전지 추진선박 설계 및 검증 플랫폼은 HIL (Hardware in the loop) 시뮬레이션 소프트웨어와 실시간 가상 시뮬레이터인 Real time target PC를 연결하여 연료전지/ESS에서 공급되는 전기량에 따른 실제 전기추진시스템 운전 성능 변화 데이터를 비교하고 분석하는 모의테스트 및 성능 평가 시스템을 구축하게 된다. HIL 시뮬레이션은 저전력 신호 체계로 테스트 대상 하드웨어에 인터페이스 되는 실시간 플랜트 모델 해석 시스템이며, 선박 추진 시스템 실 제작에 앞서 발생 가능한 시나리오들을 미리 시뮬레이션을 통해 확인, 설계에 반영할 수 있다. 선박의 전력계통을 원격으로 제어, 감시하는 PMS를 대상으로 HIL 테스트 수행을 통해 전력계통의 시스템 시퀀스 동작 확인, Parameter 설정, 알람 표시, 시스템 오류 등의 문제 요소를 찾아내어 개발/시운전 비용 절감할 수 있다.

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HIL 시뮬레이션 하드웨어 구성은 수소 추진선박의 주요 시스템 모델을 실시간 신호 체계로 테스트할 수 있도록 Real time PC, 실시간 신호처리 및 입출력장치, Host PC 및 네트워크 장치 등으로 구성된다. (그림 5 참조)

수소 연료전지 PEMFC 시뮬레이션 모델은 부하전류 및 PEMFC로 유입되는 냉각수의 온도와 유량을 입력 받아 연료전지의 출력 전압 및 전류, 출구단의 냉각수 온도를 계산하도록 모델을 설계한다. 냉각시스템 모델은 1차 및 2차 냉각 회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 제어 성능을 최적화하여 부하 변동에 관계없이 PEMFC의 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 제어로직 모델을 설계한다.

ESS(Energy Storage System)의 시뮬레이션 모델은 리튬이온 배터리를 기반으로 한 주파수 추종용 ESS는 발전 출력량을 변동하여 주파수 추종 기능을 수행하는 발전기와는 달리, 충·방전 동작을 통하여 주파수 추종 기능을 수행하기 때문에 한정된 에너지 저장 용량을 활용하여 항시 주파수 추종에 활용 가능하도록 적정 충전상태(State of Charge, SOC)를 모사하는 모델을 설계한다.

전력계통의 시뮬레이션 모델은 전력전자 제어 설계 활용 분야에 필요한 전력전자, 전력변환기 및 전기 부하 모델링 및 시뮬레이션 수행하고, 시간 및 주파수 도메인에서 전체 작동 조건 스펙트럼에 걸쳐 다단계 피드백 알고리즘 설계 및 튜닝을 수행하도록 설계한다.

선박 거동 모델은 해양 환경 변수인 바람(Wind), 파랑(Wave), 해류(Current)에 따른 선박의 동적 운동 특성을 시뮬레이션하고, 선박 전력시스템에 적용되는 Load Shar ing 및 전력 공급을 제어하는 PMS와 선박의 자세 및 위치제어와 추진 경로 및 속도를 제어하는 주 기관, 추진기(Thruster) 등을 시뮬레이션하기 위한 선박의 운동 해석 시뮬레이션 모델을 설계한다.

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결 론

수소 연료전지 추진선박 설계 및 검증 플랫폼의 최종 목표는 PMS(Power Management System) HILS(Hard ware In the Loop Simulation) 가상 제어기 환경 구축을 위하여 수소 연료전지 전기추진시스템을 모델링하고, 전력 시뮬레이션 결과와 출력값 비교를 통해 모델링의 신뢰성을 검증하고, 수소 연료전지 전기추진시스템과 실제 선박의 부하를 모델링하여 PMS에 대한 시스템 최적화 연구로 HILS 검증한다.

또한 다자간 원격 협업설계를 지원하는 XR 기반 원격 협업설계 플랫폼을 통해 다른 기술 분야 설계자들의 의사소통 능력을 높이고, 특히 VR·AR 헤드셋을 비롯해 접근성이 높은 PC·태블릿·스마트폰을 지원하며, 기능 측면에서는 아바타 개인화와 제스처부터 레이저 포인팅과 화면 공유와 같은 협업 도구를 포함해 효과적인 협업설계의 가상공간을 제공할 수 있다.

더 나아가 인공지능 기반으로 설계 Quality를 평가할 수 있는 KPI(Key Performance Index)를 개발/구축하여 선박 추진 시스템 실 제작에 앞서 발생 가능한 시나리오들을 미리 시뮬레이션을 통해 확인하고, 설계에 반영한 콘텐츠를 개발할 수 있다.


eshong@jnesystech.com 

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