가상 세계 만들어내는 디지털 트윈(Digital Twin), 그리고 그래프 DB

가상 세계 만들어내는 디지털 트윈(Digital Twin), 그리고 그래프 DB

디지털 트윈(Digital Twin)이란?

스마트시티 및 스마트산업의 성장과 함께 주목받고 있는 디지털 트윈(Digital Twin)이라는 기술이 있다. 이는 컴퓨터 기반의 가상 공간에 물리적 공간에서 이뤄지는 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 시뮬레이션으로 시행할 수 있는 기술이다. 

 

국제적인 시장조사 전문기관인 가트너(Gartner)는 2018년에 디지털 트윈을 디지털 변혁의 시대를 맞아 기업들이 주목해야 할 10대 전략 기술 트렌드 중 하나로 언급했다. 

 

디지털 트윈은 가상의 테스트 베드(Test Bed)라고 할 수 있다. 테스트 베드란 어떤 물리적 객체(시스템)를 세상에 내놓기 전에, 성공 여부를 미리 알아보기 위해서 시험해보는 것이다. 아직 일어나지 않은 여러 상황을 미리 시험해본다면, 결과를 통해 진짜 현실에서 최대 효율을 반영할 수 있을 것이다. 가상과 현실이 양방향으로 오가며 이뤄지는 동기화는 미래를 예측할 수 있다는 것에 중점을 둘 수 있다.

디지털 트윈의 적용 분야

디지털 트윈의 유형으로는 부품, 제품, 공정(프로세스), 그리고 시스템 트윈으로 구분할 수 있으며 이들 중에서 공정 및 시스템 트윈은 넓은 기능성으로 인해 여러 산업 분야에서 활용될 수 있다. 본 글은 디지털 트윈이 적용되는 두 가지의 대표적인 분야에 대해 소개하고자 한다. 

1) 스마트시티

디지털 트윈의 역할을 확인할 수 있는 대표적인 분야 중 스마트시티(Smart City)가 있다. 인천광역시청에서 추진하고 있는 인천형 뉴딜 정책 중, 스마트시티 인프라 구축이 이에 포함된다. 도시의 효율적인 운영을 위해 주목하는 기술 중 하나가 디지털 트윈이다. 이는 3차원의 디지털 가상 도시를 만들어, 도시의 문제를 해결하는 것이다. 가상의 공간에 지어진 또 하나의 인천을 탄생시키기 위해서는 수많은 데이터가 필요했다. 

 

디지털 트윈, 스마티시티를 구축하는 원천 기술 출처 : AXIS

스마트시티를 효율적으로 운영하기 위해 디지털 트윈을 도입해야 하는 이유는 사전 시뮬레이션을 통해 재난을 예측 및 예방한다거나 행정의 불일치를 최소화할 수 있기 때문이다. 이러한 사전 시뮬레이션 체계를 가지기 위해 우선 3차원 데이터베이스를 구축해야 했다. 

 

현실과 같은 가상의 도시를 구축하기 위해, 인천광역시청이 가장 먼저 진행한 것은 3D 매핑(mapping) 작업이다. 실제 도시를 정밀하게 스캔해, 3차원 지도를 만드는 것이다. 도시 스캔 작업은 항공 라이다(LiDAR) 촬영으로 진행했는데, 이는 헬기에 라이다 센서를 부착해 도시 정보를 수집하는 것이다. 핵심은 항공 촬영을 진행하기 위한 높이인데, 일반적인 항공 라이다 촬영은 상공 2,000m 높이에서 진행한다. 하지만 인천시의 경우, 더 정밀한 도시 스캔을 위해 상공 150m 이상의 높이에서 스캔을 진행했다. 그 결과, 약 500억 개의 포인트 클라우드(Point Cloud, 지리 정보 좌푯값)를 얻을 수 있었고, 이를 통해 도시의 세밀한 표현이 가능해진 것이다. 

 

항공 촬영이 끝난 후에는 촬영을 통해 얻은 데이터를 기반으로 3D 모델링을 진행했다. 지리 정보가 담긴 좌푯값을 3차원으로 변환해, 현실과 닮은 가상의 도시를 건설했다. 이렇게 만들어진 3차원의 지도는 데이터 분석과 만나 현실에서 일어난 많은 일을 예측할 수 있도록 돕는다. 

 

인천시에서는 디지털 트윈으로 다양한 도시 문제를 예측하고 분석한다. 대표중인 예로 바람길 시뮬레이션 시스템이 있다. 고층 지대의 바람이 도시 지역의 고층 빌딩에 부딪혀 지상으로 내려오는 현상이다. 일반적인 도시의 경우 고층 건물들이 밀집되어있어, 바람이 원활하게 순환하기 힘든 구조로 되어 있다. 그에 따라 도시의 열섬현상이 심각해지고, 매연이나 오염물질이 도시를 빠져나가지 못하게 된다. 인천시에서는 이러한 도시의 바람길 문제를 예측하고, 환경오염에 대한 솔루션을 찾기 위해 디지털 트윈으로 바람길 시뮬레이션 시스템을 구축한 것이다. 

 

도시의 열섬현상을 예방하기 위해 디지털 트윈으로 빌딩풍을 예측 출처 : DownToEarth

이를 포함하여 디지털 트윈은 도시의 안전과 재난에 관련된 모든 부분을 예측하고 예방하는 데 효과적으로 사용될 것으로 기대되는 기술이다.

 

실제 공정을 디지털 트윈 모델로 보며 내부 작동 원리 접근

스마트 팩토리에서는 공장의 모든 시스템을 실시간 데이터로 확인할 수 있다. 스스로 움직이는 기계와 정보를 전달하는 각종 센서를 융합한 스마트 팩토리를 디지털 트윈으로 구현하면 제조 공정의 모든 진행 상황을 가상공간을 통해 확인할 수 있을 뿐 아니라, 공정 단계를 보다 최적화하는 방법을 찾는 것이 가능하다. 

 

제품 결함의 원인은 무엇인지, 어떤 조건에서 제품의 품질이 향상될지, 가상 공장에서 직접 실험해볼 수 있다. 문제점을 찾고 보완하며, 생산성을 높이는 것이 제조업의 핵심인 만큼,  실제로 똑같은 가상 공장에서는 진단, 분석 및 예측이 가능하다.  

 

여러 조건의 실험모델을 만들어 가상 공장에 미리 작용하고, 도출한 결괏값은 실제 스마트팩토리에 적용된다. 문제나 결함이 발생하기 전에 미리 그것을 해결할 방법을 찾고 실행하기 때문에 비용과 노동력, 그리고 시간을 절감할 수 있는 것이다.

디지털 트윈과 지리 공간(Geospatial) 데이터, 그리고 그래프 DB

디지털 트윈을 구성하는 요소들은 센서기술의 결정체인 IoT(사물인터넷), 세상 모든 데이터의 집합인 클라우드, 그리고 스스로 판단하는 인공지능 등이 있다. 이러한 첨단의 산물들을 이용해 디지털 트윈을 구축하기 위해서는 반드시 각각의 기술을 아우르는 실제 정보, 즉 데이터를 필요로 한다. 방대하지만 정제된 데이터들로 가상 공간을 만들고 결과물을 활용한 모니터링, 그리고 통제와 예측이 이루어지는 과정이 디지털 트윈의 기본 체계인 것이다.

 

한편, 2020 가트너 10대 데이터 분석 트렌드에서는 그래프 기술이 사람들의 전화로 생성되는 지리 공간(geospatial) 데이터와 얼굴 인식 시스템의 사진을 객체로 두고 확진자 추적 분석을 할 수 있다고 언급했다. 코로나-19와 같은 감염병에 대한 내용에 대한 예시이지만, 그래프 기술에 기반한 지리 공간 데이터는 스마트시티, 디지털 트윈의 영역과도 깊게 연관되어 있다. 

 

지리 공간 데이터는 지리적 위치에 대한 정보가 저장된 포맷이며, 주로 기업이나 기관에서 수집, 분석된다. 대부분의 기업과 기관은 고객이나 주민들의 주소, 판매 지역과 실제 지도로 나타내는 위치가 저장된 데이터베이스를 갖고 있으며, 이러한 지리 정보는 주로 위치 분석 및 인공지능 기반 애플리케이션이나 서비스로 활용된다. 지리 정보를 통해 기업과 기관들은 더 나은 의사 결정을 내릴 수 있게 되고, 고객 및 주민들에게 효과적으로 대응하며 운영 비용, 예산을 절감할 수 있게 되는 것이다. 

 

그래프 데이터 모델은 노드(Node)와 엣지(Edge)로 관계를 나타내며 형상이나 토폴로지와 같은 객체를 간단히 그릴 수 있지만, 디지털 트윈과 같이 현실 모델 그대로는 표현하지 않는다. 다만, 데이터 객체(예: 스마트도시의 차량, 교통신호, 빌딩 등)를 연결하며 디지털 트윈 모델의 기반을 이루거나, 각 객체간의 관계를 파악해 디지털 트윈의 가장 큰 강점인 예측 분석을 가능하게 한다.

 

데이터는 디지털 트윈 애플리케이션의 핵심이다. 그리고 데이터를 효과적으로 관리하기 위해서는 그래프 데이터베이스가 가장 적합하다. 시맨틱 링킹(linking)으로 과거를 돌아보면서 의미있었던 데이터를 조회하거나 과거와 현재 데이터를 비교해 개선된 부분을 찾아 벤치마킹할 수 있는 인사이트를 도출할 수도 있다. 또한, 실시간으로 빅데이터 규모의 데이터셋을 가지고 상호 작용할 수 있으며, 현재의 데이터를 분석해 미래 현상을 예측할 수 있다. 예를 들어, 스마트빌딩 관리 솔루션의 경우, “건물”, “플로어” 및 “엘리베이터”와 같은 모델을 정의하여 이 모델을 지식 그래프로 만들어 내고, 지식 그래프로 만들어진 가상 건물 안에서 실시간으로 이루어지는 활동들을 보며 빌딩 관리에 용이한 인사이트를 얻어내는 것, 이것이 그래프 기술과 디지털 트윈 기술을 융합한 좋은 예가 될 것이다.

디지털 시대의 동력은 데이터

혁신적인 소프트웨어가 디지털화를 이끌어갈 엔진이라면, 데이터는 그 엔진의 연료가 된다. 앞서 언급한 인천시가 라이다 촬영을 통해 500억 개의 지리 정보 값을 얻은 것처럼 디지털 트윈을 생성하려면 수많은 데이터가 필요하다. IT 환경이 더욱 복잡해지면서, 수많은 비정형 데이터를 관리하고 직관적인 모델을 구축하기 위해서는 그래프 데이터베이스가 선택적이 아니라, 의무적으로 사용해야 할 정도다. 이제는 제약 조건이 걸려있던 데이터를 테이블로부터 놓아주고 노드와 엣지로 자유롭게 다뤄야 할 때가 왔다. 

 

디지털 트윈은 스마트시티뿐 아니라 제조업(스마트팩토리), 항공, 헬스케어, 에너지(스마트그리드), 국방 등 다양한 분야에서도 모니터링 및 예측 시스템으로 활용되고 있다. 디지털 트윈을 포함한 사물인터넷, 인공지능, 자율주행차, 가상 및 증강현실은 데이터 폭증을 발생시키고 있다. 다가오는 디지털 시대에 생성되는 빅데이터를 효과적으로 관리하고, 의미있는 분석을 도출할 수 있다면 인류 사회가 크게 성장할 수 있는 동력이 될 것이다.  

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