▲ 디지털 트윈 개념도 / 출처: 한국산업기술평가관리원

디지털 트윈(Digital Twin) 기술은 여러 분야에서 활용하고 있어 그 개념에 대해서도 다양한 의견이 존재하고 있다. 하지만, 다양한 의견을 종합해 보면 현실 세계의 사회현상을 현장에서 직접 확인하려면 시간과 경제적으로 큰 비용이 수반될 수밖에 없으므로 가상세계에서 적은 비용으로 실세계의 현황을 파악하고 미래를 예측하여 주로 효율성 및 안정성 등을 향상시키는 목적으로 활용해왔다.

즉, 디지털 트윈은 3차원의 디지털 공간에 현실공간 및 사물의 쌍둥이(Twin)를 구현하는 것으로, 물리적(Physical) 세계와 동일한 디지털 쌍둥이를 만들어 현실세계의 물질이나 추상적인 대상 또는 프로세스를 디지털세계에서 구현하는 것을 말한다. 디지털 트윈의 시뮬레이션을 통한 분석 및 예측으로 신산업 지원 및 국토 안전관리 강화를 기대할 수 있다.

가트너(Gartner)는 실세계의 객체(entity)나 시스템(system)을 디지털로 묘사한 것을 디지털 트윈이라 간략히 정의하였고, 이광기 등(2018)은 “디지털 트윈이란 물리적 객체(자산, 프로세스 및 시스템 등)들에 대한 디지털 복제(쌍둥이)로서, 수명주기 전체에 걸쳐 대상 객체 요소들의 속성·상태를 유지하며 이들이 어떻게 작동하는지 동적 성질을 묘사하는 가상의 모델” 이라고 정의했다.

또한, 디지털 트윈이 가상세계의 제어기능을 현실세계와 연결하여 물리적 시스템을 제어한다는 측면에서 Cyber-Physical System(CPS) 과도 유사한 개념이다.

디지털 트윈을 구축하는 이유는 실세계로부터 실시간으로 수집한 데이터를 분석해 사전에 가상세계에 적용(simulation)하거나 미래를 예측(prediction)하는 등 능동적인 제품의 모니터링과 문제 대응으로 경제적 편익을 취할 수 있기 때문이다.

현대적인 디지털 트윈 개념이 등장한 시기는 2002년 Michael Grieves 교수가 미시건 대학에서 Product Lifecycle Management(PLM)를 소개하면서부터다. 현실세계와 가상세계의 객체가 서로 연결되어 실세계 데이터가 가상세계로 전달되고, 가상세계의 정보가 실세계와 하부 가상세계로 전달되어 현실세계 객체의 생애주기에 영향을 미치는 개념이었다.

이후 2010년 미국항공우주국(NASA)은 지속가능한 우주탐사를 위한 로드맵에 차세대 우주 비행체와 전투기 등의 효율적인 유지 및 보수를 위해 디지털 트윈 개념과 용어를 도입하였다. 우주공간이라는 환경적 특성을 고려해 임무 중 발생하는 사태에 대비할 수 있도록 로켓 등의 디지털 트윈을 만들어 예측 및 시뮬레이션을 통해 임무를 지원하고자 했으며 디지털 트윈이라는 개념이 등장하기 훨씬 이전인 1970년 4월 아폴로 13호의 달 탐사 임무를 지원하기 위해 유사한 시도를 한 바 있으며 아폴로 13호 제작시 쌍둥이 우주선을 제작해 지구귀환에 필요한 시뮬레이션을 쌍둥이 우주선으로 지구에서 수행, 지금의 디지털 트윈 개념을 물리적 방식으로 구현하였었다.

민간에서는 디지털 트윈 기술이 최근 대두되기 시작한 시점은 2016년으로 항공엔진 제조분야의 세계적인 기업인 GE(General Electric)가 데이터 기반 예측유지보수가 가능한 디지털 트윈 기술을 통해 실질적인 수익 향상 효과를 얻었음을 보고하면서 각광 받기 시작했다.

▲ 디지털 트윈 기술 활용 개념도 / 출처: 한국전자통신연구원

GE는 항공기 엔진의 안전성을 유지하면서, 가능한 효과적인 유지보수가 가능하도록 각 항공기 엔진마다 약 200여 개의 센서를 장착하여 데이터를 수집하고, 이를 분석하여 디지털 트윈을 구축하고 각 엔진의 최적 유지보수 시점을 예측하여 안전성과 효율성을 효과적으로 관리할 수 있었다고 한다. 이러한 GE의 사례가 알려지면서 머신관리 디지털 트윈, 차량 운행/시험 디지털 트윈, 건축물 관리 디지털 트윈, 복지/헬스케어용 휴먼 디지털 트윈, 자산 디지털 트윈, 네트워크 디지털 트윈, 프로세스 디지털 트윈 등 다양한 분야로 데이터를 활용한 디지털 트윈의 구축 시도가 확산되기 시작했다.

디지털 트윈의 개념을 국토 공간에 투영한 것을 “가상 국토”라 하며 기존에 축척과 2차원 지도 형태로 표현되던 국토 공간을 3차원 공간데이터로 컴퓨터에 구현한 국토라고 정의할 수 있으며 다른 표현으로는 “디지털 트윈국토”라 말할 수 있다.

디지털 트윈은 스마트 제조 및 공장, 전력, 우주 및 항공, 자동차, 국토 및 도시, 건축 및 시설물, 의료 등 광범위하게 적용이 가능하며, 다양한 분야에 적용이 가능한 만큼 해당 분야에 적용하기 위해서는 각 분야의 목적에 부합하는 디지털 트윈 모델 마련이 필요하다.

예를 들어 제조 및 공장 부문에서는 제품설계에서부터 공장 모니터링, 고장진단 및 예측 등 제조과정의 효율성을 높이고, 최적화를 통해 시간과 비용 절감을 할 수 있으며 “스마트 도시”에서는 도시기반시설에 대한 모니터링, 예측, 도시계획 및 환경 변화에 대한 시뮬레이션 수행 등 물리적 실행에 앞서 사전에 문제점 파악 및 대응이 가능하다.

Market Research Future의 세계 디지털 트윈 시장 전망에 따르면 2016년 18억 달러 규모에서 2023년까지 약 157억 달러 규모로 연평균 37%의 성장률을 예상하고 있으나 2016년 이후 시장조사기관인 가트너에서 매년 발표하는 차년도 10대 전략기술에 지속적으로 포함되며 관심도가 높은 것이 사실이지만 동 기관에서 발표하는 2018년 하이프 사티클(Hype Cycle)을 참고해 보면 2018년 기준으로 디지털 트윈에 대한 시장의 기대치는 정점에 도달한 것으로 볼 수 있으며, 향후 수년간은 가트너에서 정의하는 이해단계와 안정기에 접어들기 전까지 다수의 실패사례와 소수의 성공사례가 혼재할 것으로 예상된다.

이렇게 디지털 트윈 기술은 활용하려는 목적과 분야에 따라 수집해야 할 식별 데이터가 정해지게 되며, 활용 목적에 맞도록 다양한 기술을 선정하여 디지털 트윈 기술의 특징적인 기능을 활용하게 된다. 즉, 디지털 트윈 기술은 사용 목적에 따라 활용해야 할 데이터와 기술이 달라지는 수단이자 도구이다.

특히, 국토 및 도시와 같은 공공의 영역에서의 디지털 트윈은 국가나 지자체 또는 민간의 역할이 정의되어야 하며, 제조 및 공장, 전력, 우주 및 항공 등과는 다른 형태의 디지털 트윈 구성요소가 필요하다.