홈페이지 >

동화대학교 문력생 교수: 디지털 쌍둥이는 의류 스마트 제조의 밑받침이다

2022/5/10 15:01:00 0

한국어 日本語 Français English 中文

디지털 스마트 제조 청력생

중국 의류 지능 제조 연맹

전문가팀 부팀장

동화대학교 문력생 교수

1. 우리가 인정한 숫자 쌍둥이

지난 1960년대 미국 우주국(NASA)은 아폴로 프로그램(Apollo program)을 실시했는데, 이 계획의 목적은 유인 달 착륙 비행과 달에 대한 인간의 현지 고찰을 실현하는 것이다.NASA는 아폴로 프로그램을 성공적으로 실천한 뒤 2010년 발표한 Area 11 기술 로드맵에서디지털 쌍둥이(Digital Twins) 개념을 처음 제시했습니다.。정의는 다음과 같습니다.하나의 디지털 쌍둥이는 여러 가지 물리량, 다양한 공간 척도를 통합한 운반 도구나 시스템의 모방이다. 이 모방은 현재 가장 효과적인 물리 모델, 센서 데이터의 업데이트, 비행의 역사 등을 사용하여 그에 대응하는 비행이 쌍둥이 대상의 생존 상태를 거울로 보여준다.。

2002년 미국 미시간대 마이클 그리브스 교수가 PLM(제품 생명주기 관리) 센터 설립을 위해 산업계에 강연을 하기 위해 제작한 슬라이드에서PLM 개념 모델을 처음으로 제시했습니다.모델에 현실 공간, 가상 공간, 현실 공간에서 가상 공간까지의 데이터 흐름, 가상 공간에서 현실 공간까지의 정보 흐름, 그리고 가상 서브 공간의 표현이 나타난다. 그림1 참조.

그림1 디지털 쌍둥이 최초 개념 모델과 그 용어

전 세계에서 가장 권위 있는 IT 연구와 컨설턴트 컨설팅 회사인 Gartner는 2019년 10대 전략 과학 기술 발전 추세에서 디지털 쌍둥이를 중요한 기술 중 하나로 삼았다. 디지털 쌍둥이에 대한 묘사는 디지털 쌍둥이는 현실 세계 실체나 시스템의 디지털화 구현이다.

중국의 그림 찾기 컨설팅 CIMdata가 추천한 정의는 디지털 쌍둥이(즉 디지털 복제)는 물리적 실체를 바탕으로 하는 시스템 설명으로 전체 시스템의 전체 생명 주기를 뛰어넘는 신뢰할 수 있는 출처의 데이터, 모델과 정보를 창설, 관리하고 응용할 수 있다.

중국 북항도비 교수의 정의는 디지털 쌍둥이는 허실 간의 양방향 반사, 동적 상호작용, 실시간 연결을 실현하는 관건적인 경로로서 물리 실체와 시스템의 속성, 구조, 상태, 성능, 기능과 행위를 가상 세계에 비추고 확실한 동적 다차원/다척도/다물리량 모델을 형성하여 물리 세계를 관찰하기 위해물리 세계를 인식하고 물리 세계를 이해하며 물리 세계를 통제하고 개조하는 데 효과적인 수단을 제공했다.

우리나라의 2019년'디지털 쌍둥이체 기술백서(2019)'에서 제시된 디지털 쌍둥이체는 디지털 쌍둥이체는 기존에 있거나 있는 물리적 실체 대상의 디지털 모델로 실측, 모방과 데이터 분석을 통해 물적 실체 대상의 상태를 실시간으로 감지, 진단, 예측한다.성능과 상태 최적화와 지령 발송을 통해 물리 실체 대상의 행위를 조절하고 관련 디지털 모델 간의 상호 학습을 통해 자신을 진화시키는 동시에 이해관계자가 물리 실체 대상의 생명 주기 내의 결정을 개선한다.

2020년 중국 공신부 표준화원에서 발표한 에서 정의한 것은 디지털 쌍둥이는 디지털화된 방식으로 물리 실체의 가상 실체를 만들고 역사 데이터, 실시간 데이터와 알고리즘 모델 등을 빌려 물리 실체의 전체 생명주기 과정을 모의, 검증, 예측, 제어하는 기술 수단이다.

이를 통해 알 수 있듯이 상기 디지털 쌍둥이에 대해 다양한 인식과 이해가 존재하고 아직 통일된 공감대를 가진 정의가 형성되지 않았지만 이러한 정의에서 우리는 중국 공신부 표준화원이 제시한 정의를 더욱 인정한다. 이것은 비교적 확실하고 전면적이며 이해하기 쉽다.

2. 디지털 쌍둥이 시스템의 구조와 구성

디지털 쌍둥이 시스템의 총체적 구조는 그림2이다. 이 구조는 2020년 중국 공신부 표준화원이 제시한 것으로 디지털 쌍둥이의 건설과 실시를 지도할 수 있다.

그림 2 디지털 쌍둥이 시스템의 총체적 구조

그림2에서 볼 수 있듯이 전체적인 구조는 디지털 쌍둥이 체계 구조와 물리적 대상 두 부분으로 나뉘는데 윗부분은 디지털 쌍둥이 체계 구조이고 아랫부분은 물리적 대상이다.물리적 대상은 이 그림에서 디지털 쌍둥이 세계와 물리 세계의 관계를 표현하는데 사용되며, 이는 디지털 쌍둥이 구조의 요소가 아니다。디지털 쌍둥이 체계 구조는 다음과 같은 요소를 포함한다. 디지털 모델링, 측정과 제어, 모의 모방, 데이터 분석, 디지털 자산과 인간과 기계의 상호작용 등이다.

제조업으로서 디지털 쌍둥이 시스템 구조를 좀 더 명확하게 이해하려면 그림3을 참조할 수 있다.그림2의 물리적 대상은 우리가 흔히 말하는 현실 세계나 물리 세계(또는 물리 공간)이다. 제조업에서 제품, 설비, 생산 라인, 재료, 사람 등 요소로 구성된 기업 물리 세계로 이해할 수 있고 디지털 쌍둥이 체계의 구조 부분은 모델링, 모방,데이터 분석 등 기술로 디지털 쌍둥이의 가상 세계(또는 엑스포 물리 공간)를 만들었다.두 세계는 네트워크로 연결되어 실시간 데이터의 매핑과 피드백 제어를 실시하여 현실 세계 기업의 최적화 생산에 도달한다.

출처: 선진 제조업 그림 3디지털 쌍둥이 시스템 구성

3. 디지털 쌍둥이의 관건적인 기술과 특징

(1) 디지털 쌍둥이의 핵심 기술

제조업을 위한 디지털 쌍둥이의 핵심 기술은 모델링, 모방, 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능, 클라우드 컴퓨팅, 디지털 단서, 에지 컴퓨팅, 가상현실(VR/AR/MR), MES, GIS, CAD, CAE, CAM, 산업통제, 블록체인 등이다. 그림4 참조.

그림 4디지털 쌍둥이의 핵심 기술

이들 기술로 볼 때 디지털 쌍둥이 핵심 기술 중 대부분이 신정보기술(New IT)과 관련이 있다. 그림5 참조.New IT는 디지털 쌍둥이의 실현과 착지 응용에 중요한 지탱 역할을 했다。예를 들어 사물인터넷은 유선이나 무선 네트워크를 통해 쌍둥이 데이터의 실시간, 신뢰성, 효율적인 전송에 도움을 줄 수 있다.VR기술은 컴퓨터 도형학, 디테일 렌더링, 동적 환경 모델링 등을 이용하여 가상 모델이 물리 실체의 속성, 행위, 규칙 등 차원 디테일에 대한 가시화 동적 리얼리티 디스플레이를 실현한다.AR와 MR 기술은 실시간 데이터 수집, 장면 포착, 실시간 추적 및 등록 등을 이용하여 가상 모델과 물리 실체가 시공에서 동기화되고 융합되는 것을 실현하고 가상 모델을 통해 물리 실체가 검측, 검증 및 안내 등 방면의 기능을 보완한다.테두리 계산 기술은 일부 물리 세계에서 수집한 데이터를 테두리 측면에서 실시간 여과, 규정과 처리를 하여 사용자 현지의 실시간 결정, 신속한 응답과 신속한 집행을 실현할 수 있다.시스템급과 복잡한 시스템급 디지털 쌍둥이는 더욱 큰 계산과 저장 능력을 필요로 한다. 클라우드 컴퓨팅은 수요에 따라 분포식 공유 모델을 사용할 수 있고 디지털 쌍둥이가 방대한 클라우드 컴퓨팅 자원과 데이터 센터를 사용할 때 디지털 쌍둥이의 서로 다른 계산, 저장과 운행 수요를 동태적으로 만족시킬 수 있다.빅데이터는 디지털 쌍둥이가 고속으로 발생하는 대량의 데이터에서 더 많은 가치 있는 정보를 추출하여 현실 사건의 결과와 과정을 해석하고 예측할 수 있다.블록체인은 디지털 쌍둥이의 안전성에 대해 신뢰할 수 있는 보증을 제공하고 쌍둥이 데이터의 변경이 불가능하며 전체 과정에 흔적이 남고 추적이 가능하며 트레이스가 가능하다는 것을 확보할 수 있다.인공지능은 스마트 매칭 최적 알고리즘을 통해 데이터 전문가의 참여 없이 데이터 준비, 분석, 융합을 자동화하고 쌍둥이 데이터에 대한 심도 있는 지식 발굴을 통해 다양한 유형의 서비스를 생성할 수 있다.

출처: 양화 융합 서비스 연맹 그림 5자 쌍둥이와 New IT의 관계

디지털 쌍둥이 응용의 전제는 각 부분의 모델과 대량의 데이터이다. 그러면 제품의 디자인, 제조, 운영 등 각 방면의 데이터와 유사하게 어떻게 발생하고 교환하며 유전됩니까?어떻게 상대적으로 독립된 시스템 사이에서 데이터의 빈틈없는 흐름을 실현합니까?이것들이 바로 디지털 단서가 해결해야 할 문제들이다.그래서 디지털 단서 기술도 디지털 쌍둥이의 관건적인 기술 중 하나로 디지털 단서를 이해해야만 디지털 쌍둥이를 더욱 깊이 이해할 수 있다.이른바 디지털 단서란 때로는 디지털 라인, 디지털 유대, 디지털 주선 등이라고도 부른다.CIMdata는 일찍이 디지털 단서를 이렇게 정의한 적이 있다. 디지털 단서는 정보 상호작용의 구조를 가리키며 원래의 여러 개의 수직갱식 업무 시각을 뚫고 설비의 전체 생명주기 데이터를 연결하는 상호작용 데이터 흐름과 통합 보기를 말한다.。이를 통해 알 수 있듯이 디지털 단서는 서로 다른 생명주기의 디지털 쌍둥이를 연결하여 데이터의 자동 흐름을 형성할 수 있다. 따라서 디지털 단서는 현실 물리 세계와 디지털 가상 세계 사이를 오가는 다리이다. 그림6 참조.

출처: 선진 제조업 도6 디지털 단서

(2) 디지털 쌍둥이의 전형적인 특징과 이상적인 특징

디지털 쌍둥이는 다음과 같은 전형적인 특징을 가지고 있다.

① 상호 운용성- 디지털 쌍둥이 중의 물리적 대상과 디지털 공간은 양방향으로 비추고 동적 상호작용과 실시간으로 연결될 수 있기 때문에 디지털 쌍둥이는 다양한 디지털 모델로 물리적 실체를 비추는 능력을 갖추고 서로 다른 디지털 모델 사이에서 전환, 합병, 표현을 구축할 수 있는 등 동성을 가진다.

② 확장성- 디지털 쌍둥이 기술은 디지털 모델을 통합, 첨가, 교체하는 능력을 갖추고 다자도, 다물리, 다층적인 모델 내용을 확장할 수 있다.

③ 실시간성- 디지털 쌍둥이 기술은 디지털화를 요구한다. 즉, 컴퓨터가 식별하고 처리할 수 있는 방식으로 데이터를 관리하여 시간축에 따라 변화하는 물리적 실체에 대한 표징을 한다.표징의 대상은 외관, 상태, 속성, 내재적인 기리를 포함하고 물리적 실체의 실시간 상태를 형성하는 디지털 허체영사를 포함한다.

④ 진성 유지- 디지털 쌍둥이의 보진성은 디지털 허체 모델과 물리 실체 간의 접근성을 묘사한다.허체와 실체는 기하학적 구조의 높은 모방을 유지해야 할 뿐만 아니라 상태, 상태와 시제도 모방해야 한다.

⑤폐쇄성- 디지털 쌍둥이 중의 디지털 허체는 물리 실체의 시각화 모델과 내재적인 기리를 묘사하는 데 사용되며 물리 실체의 상태 데이터에 대해 감시, 분석 추리, 공정 매개 변수와 운행 매개 변수를 최적화하고 결정 기능을 실시한다. 즉, 디지털 허체와 물리 실체에 하나의 뇌를 부여한다.

디지털 쌍둥이에 대한 인식과 실천은 구체적인 대상, 구체적인 응용과 구체적인 수요와 떨어질 수 없다. 예를 들어 하나의 제품, 한 대의 설비, 한 개의 생산 라인, 한 작업장 등이다.이들은 서로 다른 단계의 디지털 쌍둥이가 서로 다른 특징을 나타낼 수 있기 때문에 우리는 응용과 실제 문제를 해결하는 데 착안해야 한다. 응용 과정에서 반드시 구축된'디지털 쌍둥이'가 모든'이상적 특징'을 갖추어야 하는 것은 아니다. 사용자의 수요를 만족시키기만 하면 된다.표1은 여러 가지 시각을 바탕으로 디지털 쌍둥이가 나타내는 이상적인 특징을 바라보는 것으로 우리가 응용할 때 참고할 만한 것이다.

표1은 서로 다른 인식을 바탕으로 하는 디지털 쌍둥이의 이상적 특징을 나타낸다

4. 디지털 쌍둥이는 스마트 제조의 밑받침이다

스마트 제조 분야에 적용되는 디지털 쌍둥이 기술의 핵심 기술은 정보물리융합생산시스템(CyberPhysical Production System - CPPS)이다. 그림7과 같다.정보물리융합생산시스템은 정보물리시스템(CPS)이 생산 분야에서 응용되는 다차원적인 스마트 기술체계이다.정보 물리 융합 생산 시스템은 빅데이터, 인공지능, 네트워크와 클라우드 컴퓨팅을 바탕으로 스마트 감지, 분석, 예측, 최적화, 협동 등 기술 수단을 통해 계산, 통신과 제어의 세 가지를 유기적으로 융합시키고 협업한다.얻은 정보와 대상의 물리적 성능 표징을 결합시켜 가상 공간과 실체 공간의 깊이 융합, 실시간 상호작용, 상호 결합, 신속한 업데이트를 형성하고 네트워크 공간에서 실체의 가상 이미지를 구축한다.자체 감지, 자체 기억, 자체 인지, 자체 결정, 자체 재구성의 연산과 분석을 통해 생산 시스템의 디지털화, 지능화와 네트워크화를 실현한다.

출처: 스마트 제조 IM 그림 7 디지털 쌍둥이와 스마트 제조

디지털 쌍둥이를 기반으로 한 스마트 제조 시스템은 예측형 스마트 제조 시스템이다.스마트 제조의 어려움은 설비와 장치의 실효이다. 시간의 추이에 따라 설비는 마모되고 성능은 쇠퇴하며 결국 고장과 정지를 초래한다.예측형 스마트 제조는 설비의 실제 상태를 파악함으로써 고장 발생 후 응급 수리를 하거나 계속 사용할 수 있는 부품을 너무 일찍 불필요하게 교체하는 것이 아니라 계획적인 수리를 통해 수리 비용과 생산 원가를 낮춘다.설비가 언제 효력을 잃을 수 있는지 알면 수리 계획을 합리적으로 안배하고'정시'수리를 실현하여 설비의 가용성을 최대한 높이고 정상적인 운행 시간을 연장하며 공장 운영 효율을 높일 수 있다.설비 쇠퇴 모델과 실시간 상태 평가와 가공 과정 제어를 결합시켜 설비나 시스템 성능이 시간에 따라 변화하는 상황에서 제품의 품질을 안정적으로 확보하고 근심 없는 안심 스마트 제조로 나아가도록 한다.

중국은'정보화는 공업화를 이끌고 공업화는 정보화를 촉진한다'부터 양화 융합과 양화 깊이 융합, 그리고'중국 제조 2025'의'융합 발전'의 제조 강국 발전 전략까지 정보 물리적 융합을 통해 스마트 제조를 실현하기를 기대한다.디지털 쌍둥이는 CPS 시스템을 구축하는 기반이자 스마트 제조의 일종의 사능 기술이다.디지털 쌍둥이가 없으면 CPS도 없고, 스마트 제조도 없다고 할 수 있다.디지털 쌍둥이는 미래 스마트 제조 생산의'밑받침'으로 스마트 제조 실천에서 유망할 것이다.

5. 의류 스마트 제조의 디지털 쌍둥이 경로

Gartner는 나무뿌리와 손잡고 산업 인터넷 업계의 백서인 (이하 백서)를 발표했다. 백서에서 디지털 쌍둥이는 미래 기업이 전환과 가치를 창출하는 데 중요한 구동력이 될 것이라고 예측했다.2021년까지 대형 제조업의 절반이 디지털 쌍둥이를 사용해 이들 기업의 효율을 10% 높일 것이다.2024년에는 25%가 넘는 새로운 디지털 쌍둥이가 새로운 loT 비즈니스 애플리케이션의 기능으로 채택된다.

디지털 쌍둥이 기술이 이처럼 중시되는 것은 의류 스마트 제조 공장에서 직접 활용되기 때문이다.디지털 쌍둥이 기술도 의류 스마트 공장 실천의 중요한 구성 부분이다.우리는 디지털 쌍둥이 기술을 이용하여 의류 스마트 제조 경로를 실현한다. 실체 의류 가공 설비(즉 설비 실체)에 대한 디지털 가상화(즉 모방 모델 구축)부터 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등 New IT 기술의 끊임없는 발전과 응용에 따라 디지털 쌍둥이는 설비 디지털 가상화에서 생산 라인 디지털 가상화,작업장 디지털 가상화, 공장 디지털 가상화 발전.이러한 물리적 실체 디지털 가상화 과정에서 반복적인 시뮬레이션 계산을 통해 데이터 자원 라이브러리를 자발적으로 생성하고 깊이 있는 학습 등 인공지능 기술을 이용하여 디지털 쌍둥이가 실체 설비, 생산 공정에 대한 자체 적응, 자체 결정을 점차적으로 실현해야 한다.생산 수요, 업무 장면에 새로운 변화가 발생할 때 디지털 쌍둥이가 물리 실체에 대한 허실영사, 상호 연결(실시간 데이터 정보의 업로드와 하달을 가리키는 말)을 통해 도8을 보면 생산 절차는 스스로 적응하는 지능화 조정을 완성하고 진정한 의미의 의류 스마트 공장을 실현할 수 있다.

그림8 디지털 쌍둥이 기술의 스마트 제조 개념 기획

그림8에서 설비 실물(물리적 실체 세계)은 우리 의류 가공에 사용되는 각종 설비, 생산 라인, 작업장, 공장일 수 있다. 반면에 모형(디지털 가상 세계)은 설비, 생산 라인, 작업장, 공장에 대한 3D 디지털화 가상체이다.그림9은 우리 의류 스마트 제조에 자주 사용하는 로봇 설비에 대한 디지털 쌍둥이 시스템이다. 이 시스템은 로봇 설비에 대해 예측적인 건강 유지보수를 하는데 그 원리는 그림10을 참조한다.설비, 생산 라인이든 공장이든 그들은 디지털 쌍둥이 기술의 응용 원리에 대해 똑같다. 단지 등급과 가치에 있어서 차이가 있기 때문에 여기서 더 이상 군말하지 않는다.디지털 쌍둥이 의류 작업장의 운영 메커니즘은 그림11 참조.의류 공장 디지털 쌍둥이 개념 모델 그림12 참조;디지털 쌍둥이 의상 입체 창고 그림13 참조.

출처: Engineering 2021 그림 9 로봇 디지털 쌍둥이 시스템

출처: 선진 제조업 도10 설비 건강 디지털 쌍둥이 시스템

출처: 지조원 도11 디지털 쌍둥이 의류 작업장 운영 메커니즘

그림12 의류 공장 디지털 쌍둥이 개념

출처: 지조원 그림 13 디지털 쌍둥이 의상 입체 창고

중국기계공정학회가 2020년에 진행한 시장 연구에 따르면

기업들이 디지털 쌍둥이를 어떻게 사용해서 생산성을 높이고 원가를 낮추는지 끊임없이 공부함에 따라 디지털 쌍둥이는 앞으로 갈수록 환영받을 것이다.2025년까지 89%에 달하는 사물인터넷 플랫폼에 디지털 쌍둥이가 포함된다.2027년까지 디지털 쌍둥이는 IoT 플랫폼의 표준 기능이 될 것이다.각 업계의 36%에 가까운 관리인들이 디지털 쌍둥이 기술을 이해한 뒤 이 중 50%가 2028년까지 기업 업무에서 디지털 쌍둥이를 사용한다.우리 의류 제조업도 물론할 줄 모르다뒤떨어지다