서기환 국토연구원 연구위원

최초의 디지털 트윈 Apollo 13

1970년 4월 11일 아폴로 13호는 달 착륙 미션을 수행하기 위해 케네디 우주센터를 떠났다. 지구로부터 33만km를 날아간 달 탐사선은 달 착륙을 앞두고 산소탱크가 폭발하는 사고를 당했다.

자칫 우주 미아가 될뻔한 사고에도 불구하고 3인의 달 탐사 우주인들은 4월 17일 지구로 무사히 귀환하였다. 이 사건은 1995년에 톰행크스 주연의 다큐멘터리 영화로도 만들어졌다. 그렇다면 이들은 어떻게 지구로 귀환할 수 있었을까?

작은 탐사선 내의 우주인들은 이 상황을 극복하기 위해 문제를 진단해야 했다. 그러나 탐사선 외부에서 발생한 기체 손상을 내부에서 알 수 없었고 처음에는 어떤 조치를 취해야 할지도 몰랐다. 우주인들의 귀환을 위해 NASA의 지상관제센터는 분주히 움직였다.

지상관제센터가 찾은 해법은 아폴로 프로그램을 위해 개발된 15개의 시뮬레이터였다. 지상관제센터에서는 컴퓨터 시스템과 연동된 시뮬레이터를 조작해 고장난 탐사선 환경과 동일한 조건을 만들었다. 그리고 지상에 있는 가상 탐사선(시뮬레이터)에서 여러 가지 시험을 반복해 탐사선 귀환의 해답을 찾아냈다.

그래서 혹자는 아폴로 프로그램을 위해 개발된 시뮬레이터 활용이 최초로 ‘디지털 트윈’을 적용한 사례라고 주장한다.

NASA 지상관제센터의 아폴로 시뮬레이터.

현대적 개념의 디지털 트윈

아폴로 13호의 사례는 엄밀히 말해 그 자체가 디지털 트윈은 아니다. 다만, 디지털 트윈을 통해 구현하고자 하는 효과를 시뮬레이터를 통해 가능하게 했다는 점에서 의미가 있다. 그렇다면 최근 유행어(Buzzword)처럼 사용되는 디지털 트윈은 무엇인가?

현대적 개념의 디지털 트윈을 처음 고안한 사람은 플로리다 공대의 마이클 그리브스 교수다. 그는 디지털 트윈을 “원자단위에서 거대한 기하학 수준의 물리적 또는 잠재적 자산(asset)이나 제품(product)을 완벽히 묘사하는 가상의 정보집합(Michael Grieves, 2016)”이라고 정의하였다.

또 제조업 분야에서 디지털 트윈 도입을 성공적으로 추진한 제너럴 일렉트릭(GE)은 “비즈니스 가치를 제공하기 위해 실시간 분석으로 물리적 자산, 시스템 또는 프로세스에 대한 감지, 예방, 예측 및 최적화를 할 수 있도록 설계된 소프트웨어”라고 정의하였다.

이 밖에도 다양하게 정의되고 있는 디지털 트윈의 개념을 좀 더 풀어서 정리하면, 현실 세계의 물리적 객체(physical object)와 이에 상응하는 가상의 쌍둥이 모델(3D model)을 컴퓨터를 이용해 만들고, 현실 세계의 물리적 객체에 센서(IoT sensor)를 부착해 객체의 상태 정보를 수집(5G 통신)한다.

이렇게 수집된 상태 정보는 컴퓨터 분석 도구와 쌍둥이 모델을 이용해 분석 및 모니터링하고 현실 세계의 물리적 객체를 목적에 맞게 최적화하거나 가까운 미래에 어떠한 상태로 변할지 예측할 수 있게 하는 일련의 기술체계를 디지털 트윈이라 할 수 있다. 실시간 센서 정보의 활용과 객체 정보의 분석에 의한 최적화 및 예측을 통해 현실 세계에 반영한다는 측면에서 단순 3차원 데이터 모델(예: 3D MAX, CAD, 3D GIS 데이터)과 디지털 트윈은 구분된다.

현재 디지털 트윈이 성공적으로 적용 및 확산되고 있는 제조업 분야의 사례를 살펴보자. 항공기 엔진을 제작하는 제너럴 일렉트릭은 엔진 제작을 위해 3D 컴퓨터 모델(엔진 설계)을 만들고 엔진을 제작할 때 주요 부품에 센서를 부착해 항공기 제작사인 보잉사 등에 납품한다. 이렇게 납품한 엔진은 항공기 운항 중에 실시간으로 엔진의 상태 정보를 보내온다.

제너럴 일렉트릭은 엔진 제작에 사용한 3D 모델과 실시간 엔진의 상태 정보를 분석해 엔진의 특정 부품의 교환 필요성이나, 고장 가능성 등을 사전에 예측해 낸다. 이러한 방식으로 고객사에 납품한 제품을 관리해 항공기가 유지보수를 위해 운항할 수 없는 기간이 최소화되도록 하고 있다.

결과적으로 제너럴 일렉트릭은 고객인 보잉사에 신뢰를 주고 유지보수 비용을 절감하였다. 보잉사 또한 항공기가 수리를 위해 격납고에 들어가 있는 시간을 최소화하고, 안정적인 운항 시간을 확보해 편익을 창출할 수 있게 되었다.

GE 항공기 엔진의 디지털 트윈.

디지털 대전환과 디지털 트윈

우리는 현재 코로나19 시대를 살아가고 있다. 코로나는 인류의 생활패턴과 환경을 송두리째 바꿔놓고 있다. 코로나19로 인한 비대면 문화는 우리 사회의 디지털 대전환을 앞당기고 있다. 학생들은 온라인으로 수업을 듣고, 회사원은 회상회의를 통해 거래처와 만나고 있다. 사회적 거리두기를 지키기 위해 식당에 가기보다는 배달앱으로 음식을 주문한다.

그나마 우리 사회는 ICT 인프라가 다른 나라에 비해 잘 갖춰져 있어서 갑작스러운 변화에도 큰 혼란 없이 잘 적응해오고 있다. 전문가들은 코로나19 이후에도 비대면 사회가 지속될 것이라 예상한다. 사회적 관계 속에서 대면과 접촉이 당연시되던 일상은 비대면 기술들로 대체되고 있다.

디지털 트윈은 이러한 변화와 미래에 대응할 새로운 기술인프라가 될 것이다. 휴대폰, 자동차, 항공기, 하천과 댐, 건물, 도시, 국가, 심지어 지구에 이르기까지 우리가 살아가는 현실 세계의 모든 것들은 디지털 트윈의 적용 대상이 될 수 있다.

가상의 디지털 트윈은 현실 세계와 직접 접촉하지 않고도 현실 세계의 제어와 관리를 가능하게 할 것이다. 그리고 디지털 트윈으로 만들어진 도시와 국토는 비대면 사회의 기반이 되고 종국에는 초월적 디지털 세계인 ‘메타버스(Metaverse)’의 시대를 열어나갈지도 모르겠다.

※ 메타버스(Metaverse): 1992년 Neal Stephenson의 SF소설 ‘Snow Crash’에서 처음 사용된 용어이다. 초월(Meta)과 세계·우주(Universe)의 합성어로 현실과 가상세계가 온라인으로 연결된 3차원 가상세계를 말한다.