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Nikkei Computer_2022.3.3 특집 요약 (p26~37)

디지털 트윈 도입 확대
데이터로 가상공간에서 미래를 예측

현실세계를 컴퓨터 상의 가상공간에 쌍둥이로서 재현하는 ‘디지털 트윈’. DX(디지털 변혁)의 선진기업들을 중심으로 디지털 트윈의 도입이 잇따르고 있다. 센서나 카메라로부터 얻은 정보를 이용해 현실공간의 변화를 가상공간에 순차적으로 반영하여, 제조 설비의 유지 보수나 건물의 관리 등에 활용하는 용도가 주류이다. 도입 기업들은 무엇을 목표로 하고 있으며, 어떤 성과를 올리고 있고, 어떠한 IT 시스템이 필요한지 등에 대해 선도기업들의 사례를 통해 모색해본다.

Part 1. 데이터로 미래를 예측
DX의 새로운 조류로

제조와 건설, 유통을 중심으로 디지털 트윈의 도입이 국내에서 잇따르고 있다. 현실공간의 데이터를 고정밀도·고빈도로 수집해 가상공간에서 미래를 예측하는 디지털 트윈이 DX의 새로운 조류가 되고 있다.

현실세계에 존재하는 건물이나 설비, 제품, 사람 등을 가상공간에 그대로 재현하는 디지털 트윈. 그 구축을 추진하는 일본 기업들이 잇따라 등장하고 있다.

특히 도입 기업들이 많은 곳은 제조업이다. 다이킨공업은 디지털 트윈 기능을 갖춘 새로운 생산관리 시스템을 2020년부터 본격적으로 활용하고 있다. 제조 설비에 설치된 센서나 카메라로부터 얻은 데이터를 기반으로 설비 이상이나 라인의 정체 등을 예측해 2차원 맵에 표시하는 등, 신속한 대응에 활용하고 있다.

아사히카세이(旭化成)는 수소 제조 플랜트 내부 전체를 가상공간에 재현. 제조 설비에 설치된 센서나 카메라로 수집한 데이터를 바탕으로 설비의 이상 상태를 원격지의 베테랑 기술자와 공유하는 대응의 신속화를 목표로 하고 있다.

제조업뿐만이 아니다. 건설이나 유통 등 폭넓은 업종에서 디지털 트윈의 도입이 추진되고 있다.
건설업에서는 다케나카공무점(竹中工務店)이 2021년 11월, 디지털 트윈 기능을 구비한 ‘건설 디지털 플랫폼’ 운용을 개시. 건설 예정인 빌딩의 디지털 트윈을 BIM (빌딩 인포메이션 모델링) 데이터를 통해 작성, 3종류의 설계에 대한 정합성 검증에 활용하고 있다.

가시마는 2021년, 빌딩의 BIM 데이터와 재해 시 사람의 움직임, 연기에 관련된 시계열 데이터를 바탕으로 피난 시뮬레이션의 디지털 트윈을 구축. VR(가상현실)을 함께 활용함으로써 각 빌딩 별 구조에 근거한 현실적인 피난 훈련을 실현했다. 
(https://hjtic.snu.ac.kr/board/news_summary/view/8955)

유통업체인 미쓰코시이세탄(三越伊勢丹)은 2021년 3월부터 이세탄 신주쿠(新宿)점과 주변 지역을 ‘REV WORLDS’라고 하는 가상공간에 재현. 고객이 아바타를 조작해 가상공간을 이동하면서 EC(전자상거래)사이트를 통해 상품을 구입할 수 있는 디지털 트윈 서비스를 제공하고 있다.

의료업계에서는 코니카미놀타가 수술 연습용으로, 환자의 추골을 가상공간에 재현하는 디지털 트윈을 개발했다.
(https://hjtic.snu.ac.kr/board/news_summary/view/8957)

가트너 재팬의 애널리스트인 이케다(池田) 리서치&어드바이저리 부문 바이스프레지던트는 “디지털 트윈은 일본 기업들의 사이에서도 기대가 높아지고 있다. 향후 3~4년 내에 피크를 맞이할 것으로 기대되고 있다”고 말한다.

-- 현실공간의 변화를 반영 --
디지털 트윈은 현실공간의 사물이나 사람 등을 가상공간에 재현한 것이다. 현실공간에 있는 건물이나 설비, 제품 등에 센서나 카메라를 설치하고, 이를 통해 취득한 데이터를 데이터 기반에 집약. 이 데이터를 바탕으로 건물과 기계, 제품을 가상공간에 재현한다.

기존의 생산관리 시스템이나 빌딩관리 시스템 등과 비교한 디지털 트윈의 특징은 취급하는 데이터의 범위나 정밀도, 데이터 취득 빈도를 비약적으로 높이는 것이다.

그 장점은 두 가지가 있다. 하나는 데이터를 가시화하기 쉬워진다는 점. 센서의 데이터를 집약해 설비나 제품 상태, 작업 진척 등을 한눈에 볼 수 있고, 건물이나 설비를 3차원으로 표시해 시각적으로 오류를 검증할 수 있다. 원격지에서 현장에 있는 듯이 상황을 파악하고 작업 지시를 내리는 것도 가능하다.

또 하나의 장점은 수집한 고정밀·고빈도의 데이터를 바탕으로 미래를 ‘예측’할 수 있다는 점이다. 수집한 데이터를 기반으로 기계학습모델을 통해 설비 고장이나 작업 진척 등을 예측해서 결과를 가상공간에 반영한다. 즉, 현실공간의 미래 예측을 가상공간에 재현하는 것이다. 이를 통해 설비 고장이나 제조 라인 정체 등의 트러블에 신속하게 대응할 수 있다.

한 걸음 더 진화한 형태는 디지털 트윈 시스템에 탑재된 인공지능(AI)이 시뮬레이션 결과를 토대로 설비나 기계에 제어 신호를 보내 자동으로 운용하는 것이다. 특히, 용광로를 보유하고 있는 대형 제철회사나 화학 플랜트와 같은 프로세스 생산업체 사이에서 자동운용을 목표로 하는 움직임이 나오고 있다.

-- 기술의 종합능력이 시험대에 --

Part 2. 제조업의 공장을 재현
설비의 유지 보수에 효과

디지털 트윈을 선도하는 업종 중 하나는 제조업이다. 다이킨공업, 아사히카세이, 산토리의 제조 자회사 등이 각각 도입을 완료. 제조 공정이나 설비 이상에 대한 신속한 대응에 기여하고 있다.

● 다이킨공업
제조 라인의 지연 예측, 손실 30% 이상 낮춰

“디지털 기술을 활용한 프로세스 개혁으로 ‘멈추지 않는 공장’을 실현해 손실을 줄겠다”--. 에어컨을 생산하는 다이킨공업의 다카야마(高山) 테크놀로지이노베이션센터 생산시스템혁신그룹 수석기능사는 2020년경부터 본격 활용하고 있는 디지털 트윈 시스템의 목적을 이렇게 설명한다.

다이킨공업이 오사카에 건설한 사카이(堺)제작소 임해(臨海)공장에서는 디지털 트윈 기능을 갖춘 새로운 생산관리 시스템을 개발. 공장 내의 제조 설비 등에 센서나 카메라를 설치하고, 이를 통해 취득한 데이터를 기반으로 부품의 흐름이나 조립, 도장, 프레스 등의 공정 상황을 순서대로 가상공간에 재현하고 있다.

이러한 새로운 생산관리 시스템을 도입한 후, 효과는 꾸준히 높아지고 있다고 한다. 다카야마 수석기능사는 "현장 개선과 생산기술 향상 등의 효과를 포함해 2021년에는 도입 직후인 2019년에 비해 30%를 넘는 손실(정체에 의해 발생한 시간이나 비용)을 줄일 수 있을 전망이다"라고 말한다.

다카야마 수석기능사에 따르면, 해당 공장에서 제조 라인이 정체하는 원인으로 크게 ‘제조 설비의 이상’과 ‘작업의 지연’을 들 수 있다. 새로운 시스템은 이러한 문제에 신속하게 대응할 수 있도록 제조 설비나 조립 작업 등을 가상공간에 재현해 정체를 사전에 예측할 수 있다.

제조 설비의 이상 예측에는 센서를 활용하고 있다. 제조 라인에 필요한 절단기나 삽입기와 같은 설비를 통해 10마이크로초( s)마다 전류값 및 펌프의 맥동 수치 등의 데이터를 취득. 데이터는 퍼블릭 클라우드 서비스인 AWS(Amazon Web Services) 상에 구축한 전사(全社)의 데이터 기반에 집약. 이상 예측 기능으로 분석해 이상이 발생할 가능성이 있다는 결과가 나오면 경고를 준다.

새로운 시스템은 제품 가공 중의 데이터도 취득해 이상 예측에 활용한다. 기존에는 가공 개시 및 종료 시에 전류값 등의 데이터를 취득했지만, 새로운 시스템은 가공 중의 데이터도 수집한다. 이를 통해 “기존에는 알기 어려웠던 제조 설비 이상을 예측할 수 있게 되었다”(다카야마 수석기능사).

다카야마 수석기능사는 새로운 시스템을 개발했을 때, “제조 설비 보전을 담당하는 베테랑 기술자의 협력이 불가결했다”라고 말한다. 공장 센서를 통해 얻은 데이터가 정상적인 것인지 여부를 IT 엔지니어가 판단하기 어려웠기 때문이다.

이에 다카야마 수석기능사 팀은 IT 엔지니어를 공장 라인에 파견해 베테랑 기술자들과 팀을 구성. 실제로 설비로부터 얻을 수 있는 수치가 정상인지 여부를 판단하는 기준을 베테랑 기술자가 가르치도록 했다. 예를 들면 펌프는 맥동하기 때문에 순간적인 수치는 무시할 수 있다는 점과 비정상적인 전류가 설비에 어떤 영향을 미치는가 등의 노하우를 공유했다. 이러한 판단 기준을 기반으로 IT 엔지니어가 분석 알고리즘을 작성해, 설비의 이상 예측 기능을 개발했다고 한다.

-- 영상을 활용해 작업의 지연 예측 --

● 아사히카세이 (旭化成)
원격지에서 스마트폰으로 확인, 설비의 이상에 신속 대응

“디지털 트윈을 구사하면 한정된 수의 베테랑 기술자가 어느 곳에 있어도 마치 제조 현장에 있는 것 같은 상태가 되기 때문에 설비 이상에 대한 원격 지원 등에 활용할 수 있을 것으로 생각했다”. 아사히카세이의 하라다(原田) 디지털공창본부 스마트팩토리 추진센터 센터장은 2021년 1월, 화학 플랜트의 디지털 트윈을 구축한 목적에 대해 이렇게 말한다.

아사히카세이는 플랜트마다 제조하는 화학제품이 달라 각각의 전문성을 가진 베테랑 기술자가 필요하다. 이 때문에 원칙적으로 10년 이상 플랜트 설비에 종사한 베테랑 기술자를 각 플랜트에 배치해 현장에서 이상에 대응을 하도록 하고 있다. 그러나 플랜트에 따라 차이는 있지만, 30명의 기술자 가운데 베테랑 기술자는 2, 3명인 케이스가 많다. 각 플랜트의 베테랑 기술자 전원이 출장 중이거나 퇴사 등으로 인해 설비 이상에 대응할 수 있는 인재가 현장에 없는 경우도 있다고 한다.

이를 해결하기 위해 아사히카세이는 베테랑 기술자가 부재 시에 설비 이상이 발생했을 때, 현장에 가지 않아도 원격으로 대응할 수 있는 체제 구축을 목표로 디지털 트윈 시스템을 개발했다. 현재는 그 효과를 검증하고 있으며, “미래에는 해외 플랜트의 조업을 일본에서 지원할 수 있도록 하는 것도 시야에 넣고 있다”(하라다 센터장)라고 한다.

-- 전화로는 상황 파악이 어려워 --
-- 3차원 맵을 통해 설비의 보고서 참조 --

https://hjtic.snu.ac.kr/board/news_summary/view/8953

● 산토리식품인터내셔널
제품 추적 실현, 설비 이상을 사전에 파악

청량음료 업체인 산토리식품 인터내셔널은 2021년 5월에 가동한 ‘산토리 천연수 북알프스 시나노(信濃)의 모리(森)공장’에 디지털 트윈 기능을 가진 IoT 기반을 도입했다. 제품의 제조 공정(설비와 조달, 제조, 품질관리, 출하 등)에 관한 각종 데이터를 IoT 기반으로 집약. 그 데이터를 기반으로 공장 내부의 가시화 및 제품 추적 등을 실현했다.

새로운 공장의 시스템 구축·운용을 담당하고 있는 산토리 프로덕츠의 가메자키(亀崎) 북알프스 시나노의 모리공장 엔지니어링 부문장은 “기존에는 불량품 발생 시 그 원인을 특정할 때까지 1시간 걸렸던 케이스가 지금은 (IoT 기반으로) 몇 분 만에 특정할 수 있게 되었다”라고 그 효과를 말한다.

-- 1시간 소요되었던 트러블 대응이 수 분만에 이뤄져 --

Part 3. 빌딩의 디지털 트윈
다케나카공무점, 용도별로 구축

다케나카공무점은 빌딩에 관련된 복수의 디지털 트윈을 구축·운용하고 있다. 설계 검증이나 빌딩 운용 등의 용도로 나누어 사용, 코스트 절감 등에 활용하고 있다. 니치가스(日本瓦斯)는 가스통 관리에 적용해 물류 코스트 절감에 성공했다.

● 다케나카공무점
3종류의 설계를 중첩해 표시, 공사 전에 부정합 발견

다케나카공무점은 다양한 건설 업무의 생산성을 향상시키기 위해 빌딩의 영업부터 설계, 생산 준비, 시공, 유지 보수까지 프로세스 전체를 커버할 수 있도록 복수의 디지털 트윈을 구축해 활용하고 있다.

디지털 트윈 기능을 가진 주요 시스템으로는 2021년 11월에 운용을 시작한 데이터 활용 기반 '건설 디지털 플랫폼'과 2014년 10월에 구축한 빌딩 운용 시스템 '빌딩 커뮤니케이션 시스템' 등이 있다.

건설 디지털 플랫폼의 성과는 지금부터이지만, 빌딩 커뮤니케이션 시스템은 “소비 전력을 조명 설비에서 약 26%, 공조 설비에서 약 14% 절감한 실적이 있다”(다케나카공무점)라고 한다.

-- 건설업의 인력부족에 대응 --
-- 설계의 정합성 높인다 --
-- 빌딩 운용에도 디지털 트윈 활용 --

● 니치가스(日本瓦斯)
가스용기 사용량 파악, 배송 줄여 코스트 절감

“각 세대에 설치된 LP가스용기의 가스가 떨어져서는 안 되기 때문에 그 배송 교환 시스템으로 인한 코스트 문제가 컸다”. 니치가스가 가지고 있는 LP가스 사업 과제에 대해 요시다(吉田) 에너지사업 본부장은 이렇게 설명한다.

니치가스는 2021년 12월말 시점에서 LP가스사업에서 약 94만 명의 고객을 보유하고 있다. 국내에서 소비되는 LP가스는 대부분 해외에서 수입되며, 니치가스는 항구 인근 기지에서 탱크로리를 통해 내륙의 공장으로 수송해 충전해왔다.

기존에는 각 세대에 배치된 가스 검침은 인력에 의존하기 때문에 한 달에 1번으로 정해져 있었다. 가스 부족이 발생되는 것을 막기 위해 단독주택의 경우에는 가스용기를 2개 배치해 그 중 1개를 다 쓴 타이밍에 새로운 가스용기를 배송해 교환했다. 이것은 2개를 동시에 교환하는 데 비해 단순 계산으로 배송 빈도가 2배 소요. 게다가 인력을 통한 검침 및 가스용기의 개폐 장치 비용도 점차 늘어났다고 한다.

이러한 비용을 절감하기 위해 니치가스는 2021년 겨울부터 디지털 트윈 시스템인 '니치가스 트윈 on DL' 운용을 개시. 이와 함께 원격 개폐 장치 기능을 가진 스마트 미터도 도입했다.

각 세대의 가스 사용량이나 배송 중의 가스용기 위치와 같은 데이터를 '니치가스 스트림'이라는 데이터 기반을 통해 니치가스 트윈에 집약, 가스용기의 배송 빈도 및 배송 경로를 최적화했다.

이미 코스트 절감 효과가 나타나고 있다고 니치가스는 밝히고 있다. 요시다 본부장은 “검침 코스트, 배송 코스트, 개폐장치 코스트를 각각 일본가스 트윈의 도입 전에 비해 수 억엔씩 절감하는데 성공했다” 라고 말한다.

-- 2단계로 물류 코스트 절감 --
-- 기간 시스템과 제휴해 업무 자동화도 --

 -- 끝 --

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