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[특집 기고] “디지털 트윈과 도심 항공 모비리티(UAM)”

카이스트 김탁곤 명예교수

카이스트 김탁곤 명예교수 | 기사입력 2021/09/27 [08:51]

[특집 기고] “디지털 트윈과 도심 항공 모비리티(UAM)”

카이스트 김탁곤 명예교수

카이스트 김탁곤 명예교수 | 입력 : 2021/09/27 [08:51]

▲ 카이스트 김탁곤 명예교수  © 김영도

[국토매일=카이스트 김탁곤 명예교수] 최근 들어 디지털 변환(Digital Transformation: DT)이 미래 산업의 핵심 이슈가 됨에 따라 DT의 디딤돌 역할을 하는 디지털 트윈(Digital Twin: DT) 기술의 중요성이 강조되고 있다.

 

DT의 사전적 정의는 대상 시스템(Physical Twin: PT 라 부름)을 컴퓨터 상에 묘사한 가상적 디지털 복제물이지만 현재까지도 학술적으로는 통일된 정의가 없다.

 

실제로, 연구자들은 DT을 PT에 대한 가상적 정보 구성체, 결합 모델, 확률적 시뮬레이션, 가상적 묘사, 구성요소들의 매핑, 디지털 복사/복제 혹은 디지털 표현 등으로 분야에 따라 다양하게 정의하여 사용하고 있다.

 

본 기고에서 DT은 PT의 시뮬레이션 모델(= 데이터 + 지배 법칙)로 정의하여 사용하기로 한다.

 

DT을 시뮬레이션하는 목적은 경제성/안정성/접근성 등의 문제로 PT에 직접 적용 할 수 없는 실험을 DT 시뮬레이션으로 대체한 가상 실험을 수행하는 것이다.

 

DT 구축 목적은 시스템 수명 주기(설계, 구축, 운용, 폐기)동안 PT과 DT을 연동 운용함으로써 PT 단독으로는 불가능한 새로운 서비스를 창출하거나 기존 서비스의 질을 향상시키는데 있다. 이러한 서비스를 대별하면 시스템 문제 해결과 시스템 가상 체험으로 나눌 수 있으며 전자는 시스템 설계, 분석, 고장진단, 예측 및 최적화, 그리고 후자는 VR/AR을 포함한 메타버스 서비스이다.

 

DT은 PT이 존재하기 전에 먼저 만들어질 수도 있으며 이러한 DT을 DT 프로토타입(DT Prototype : DTP)으로 부른다.

 

DTP은 PT에 대한 운용 데이터가 존재하지 않은 상태에서 유사 PT의 벤치마킹 데이터를 포함한 가상적 데이터를 사용할 수 있으며 PT의 설계 및 개발된 PT의 요구사항 검증에 사용된다. DT은 산업(제조, 생산, 물류, 식물공장 등), 공공(교통, 환경, 금융 등), 의료(진단, 인공장기, 가상수술 등), 재난 안전(안전점검, 피해분석, 대피 훈련 등), 국방(군사훈련, 국방분석, 무기체계 획득 등) 등 다양한 분야에서 다양한 목적으로 활용될 수 있다.

 

도심 항공 교통(Urban Air Mobility: UAM)은 도심 도로 교통 정체로 야기되는 인적/물적 자원의 이동 효율성 저하에 따른 사회적 비용 급증 문제를 해결하기 위해 등장한 미래 혁신 프로젝트이다.

 

UAM은 수직 이착륙이 가능한 특수 항공기(예: 드론)을 저공 비행하여 도심 및 인근 지역의 한 지점에서 다른 지점으로 비행하는 것을 목적으로 한다. UAM 시스템은 구성요소들이 독립적 시스템 역할을 하는 복합 시스템((System of Systems: SoS)으로 특수 항공기, 조종사/탑승자, 비행장, 그리고 하늘 공간(운용/관제/법규 등 포함) 등 크게 3가지의 독립적인 시스템으로 구성된다.

 

UAM 시스템의 요구 사항은 독립 시스템 각각에 대한 기술 관점의 요구사항(기능, 성능 등)과 이들 사이의 상호작용을 통한 UAM 전체 운용 관점의 요구사항(안전성, 운행 항로, 적용 법규 등)으로 구분되며 운용개념서에 명확히 기술되어야 한다.

 

운용개념서에 기반한 UAM의 설계 및 운용을 위한 DT 구축은 UAM을 한 개의 DT으로 구성할 수도 있지만 UAM이 복합 시스템인 관계로 각 구성요소 시스템의 DT을 각각 구축한 후 이들을 결합하여 전체 DT을 구성하는 것이 효율적이다.

 

이와 같이 구성 요소 DT들과 이들의 결합망으로 이루어진 전체 DT을 연합 DT(DT Federation)이라고 부른다. 개별 DT들은 대응되는 UAM의 구성요소 시스템의 기술 요구사항 검증에 사용되고 연합 DT은 전체 UAM 운용 요구사항 검증에 사용한다.

 

DT을 통한 요구사항 검증은 개별 혹은 연합 DT의 가상 시뮬레이션 결과가 운용개념서에 명시된 기술 요구사항과 운용 요구사항이 만족되는지를 확인하는 과정이다.

 

UAM DT의 가상 시뮬레이션 소프트웨어는 구성요소 DT들을 각각 독립적으로 시뮬레이션하는 기능과 이들 시뮬레이션을 결합한 연합 DT을 시뮬레이션하는 기능이 모두 필요하다. 전자를 단독 시뮬레이션, 그리고 후자를 연동 시뮬레이션이라고 부른다.

 

연동 시뮬레이션은 단독 시뮬레이션들을 네트워크 상에서 응용 프로그램 수준으로 참여(연결)시킨 후 단독 시뮬레이션들 사이의 시뮬레이션 진행 시간을 동기화하고 이들 사이의 상호 작용을 통한 정보 교환을 수행한다.

 

예를 들면, UAM의 구성요소인 특수 항공기를 모의한 DT은 DT 단독 시뮬레이션을 사용하여 항공기의 설계, 제작/생산, 운용/유지 보수 등의 목적을 달성할 수 있다. 마찬가지로 UAM의 또 다른 구성요소인 비행장의 설계, 구축, 운용/유지 보수 등은 비행장 DT 단독 시뮬레이션으로 가능할 것이다.

 

그러나 UAM 전체 운용에 필요한 안정성, 비행 항로, 운행 법규, 소음, 사용자 편의성 등을 검증하기 위해서는 연합 DT의 연동 시뮬레이션이 필요하게 된다. 시뮬레이션 연동을 위해서는 표준화된 연동 미들웨어(OS와 응용 프로그램 중간에 위치)를 정의한다.

 

연동 미들웨어는 연동 참여 시뮬레이션(응용 프로그램)들이 미들웨어와 네트워크를 연결하기 위한 인터페이스(API)와 참여 시뮬레이션들 사이에 공유할 데이터 형식(객체 모델)의 표준을 정의(예: IEEE 1516)한다.

 

API와 객체 모델을 표준화한다는 의미는 UAM 구성요소 DT들이 정의된 API와 객체 모델 형식을 준수한다면 UAM 전체에 대응하는 연합 DT을 가상적으로 실행하는 연동 시뮬레이션이 가능하다는 뜻이다.

 

UAM의 설계 및 운용 최적화를 위해서는 국가 차원의 표준화된 연합 DT 개발/운용 플랫폼이 필요하다. 제시된 플랫폼은 UAM 개발자들이 다양한 형태의 UAM 구성요소들에 대응하는 단독 DT 개발/운용이 가능함과 동시에 UAM 전체에 대응하는 연합 DT 구축/운용이 가능해야 한다.

 

표준화된 플랫폼 구축은 UAM의 구성요소(예: 특수 항공기/비행장/하늘 공간) 각각에 대하여 다양한 형태의 DT 구축(예: 여러 형태의 특수 항공기, 크기가 다른 비행장 등)이 가능하며 이들 구성요소 DT들의 다양한 조합으로 연합 DT 대안군을 구축할 수 있다.

 

연합 DT 대안들의  연동 시뮬레이션으로부터 요구사항 만족 범위내에서 최적화된 대안을 탐색한 후 이를 구현함으로서 최적화된 UAM 시스템 개발이 가능하게 된다. 제시된 플랫폼의 적용은 DT 기반 시스템 개발 프로젝트에서 단독 DT 구축의 효율성과 다양성, 그리고 연합 DT 구축 시 구성요소 DT들의 Plug-in 수준의 재 사용을 통하여 UAM 개발의 신속성, 유연성, 확장성 및 신뢰성을 담보할 것이다.

 
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