기계/조선

계측과 제어_Vol.62 2023.9 특집 요약 (517~518)

특집
정보통신과 계측제어의 융합

1. 머리글
필자는 현재 ‘정보통신과 계측제어의 융합’이라는 테마를 내걸고 게이오기주쿠(慶応義塾)대학에서 연구실을 운영하고 있으며, 통신네트워크 공학과 제어 공학을 중심으로 한 교육 연구 활동에 종사하고 있다. 이번 특집에서는 필자의 연구 경력, 그리고 현재의 연구 내용과 그 미래상에 대해 간단히 소개한다.

2. 연구 경력
필자는 학창 시절, 전기계 로봇제어 연구실에 소속되어 병렬링크로봇(Parallel Link Robot)과 원격조작로봇의 제어 기술에 관련된 연구를 했다. 개인적인 연구는 제어계 설계 등 소프트웨어 기술이 중심이었지만, 연구실 내의 다양한 프로젝트에 참여할 기회가 많아 하드웨어에서 소프트웨어까지의 대략적인 지식을 익힐 수 있게 된 것이 현재의 연구 테마로 이어지는 귀중한 경험이 되었다.

석사 과정 수료 후에는 통신 관련 기업의 연구소에 취직. 석사 과정에서는 통신네트워크를 통해 복수의 로봇 협조를 제어함으로써 힘 촉각 정보를 공유하는 ‘실세계 햅틱’을 연구했다. 그리고 그 과정에서 통신네트워크 기술에 흥미를 가지게 되었다.

취직한 기업에서는 이른바 네트워크 로보틱스 연구도 시행되었지만, 당시 필자는 통신 인프라에 대한 흥미가 더 컸기에 학창 시절 전공과는 거리가 먼 광통신 연구를 추진하는 연구실로의 배속을 희망했다.

석사 과정 후 취직한 기업에서 전공과 다른 분야에 배속되는 것은 그렇게 드문 일은 아니었지만, 연구소라는 특성 상, 통신을 전공한 동기들도 있는 상황에서 필자는 자신만이 할 수 있는 연구를 하지 않으면 안 된다는 생각을 강하게 갖게 되었다.

입사 초기에는 회의에 나가도 전문 용어를 알아듣지 못해 무슨 말을 하는지 이해하지 못했지만, 실제 운용되는 장치들을 접하는 등, 실무를 통해 배울 수 있는 환경 속에서 담당 지도자의 도움으로 어렵나마 연구의 스타트라인에 설 수 있게 되었다.

연구 테마를 모색하고 있었을 때, 다양한 사내 강연회에 참가할 기회가 있었다. 인터넷 등에서 표준적으로 이용되었던 트랜스포트층의 통신프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)에 관련된 강연에서 ‘제어 시스템’과 관련된 분석을 듣고 제어 공학적 접근을 기반으로 한 연구가 국내외에 존재한다는 사실을 알게 되었다.

그리고 최종적으로 필자는 주요 연구 테마로 광액세스네트워크의 에너지 효율화를 선택하게 되었다. 항상 통신네트워크를 제어 시스템으로서 파악하는 생각이 머리 속 한 구석에 자리잡고 있었기에 독창적인 성과를 낼 수 있었다. 이러한 생각을 할 수 있었던 것은 학창 시절에 제어 공학의 기초를 공부했기 때문이라고 생각한다.

이후, 재직하면서 박사 과정을 수료한 이후, 대학 교원으로 전직하게 되었다. 대학으로 옮긴 후, 새로운 연구 테마로 학창 시절에 연구했던 ‘통신네트워크를 통한 어플리케이션 제어(Control over Network)’와 기업에서 연구한 ‘통신네트워크 자체의 제어(Control of Network)’를 조합한 융합 연구를 추진하게 되었다.

3. 현재의 연구 내용
현재 필자의 연구 테마인 ‘정보통신과 계측제어의 융합’은 필자가 지금까지 해온 제어 공학에 관련된 연구와 통신네트워크에 관련된 연구를 조합한 것이다. 여기서는 현재의 연구 내용 몇 가지를 소개한다.

우선, 통신네트워크를 이용한 제어 시스템인 네트워크 제어 시스템(NCS: Networked Control System)의 연구 사례에 대해 소개한다. NCS 분야에서는 QoS(Quality of Service)라고 불리는 네트워크의 지연이나 손실, 스루풋(Throughput) 등의 영향을 어플리케이션 측에서 보상하는 기술에 대한 연구가 많이 추진되고 있다.

필자가 속한 연구팀은 기존의 QoS와 함께 NCS에 있어서 통신네트워크의 에너지 효율화 기술과 보안 기술을 중심으로 연구를 추진하고 있다. 이 두 가지 연구에서는 어플리케이션 측의 이벤트 구동 기술과 옵저버빌리티 기술, 그리고 송수신기의 에너지 효율화 메커니즘, 데이터 송신 방법을 조합함으로써 제어 성능과 에너지 효율화 및 보안 성능의 양립을 목표로 하고 있다.

그 다음으로, 통신네트워크 자체의 제어를 다루는 연구 사례에 대해 소개한다. 통신네트워크를 피드백 제어 시스템으로 모델화할 수 있는 사례가 몇 가지 있다. 예를 들어 TCP 플로우의 스루풋을 개선하는 AQM(Active Queue Management)에서는 중계 장치에 있어서 적극적으로 패킷을 폐기함으로써 심각한 네트워크의 폭주를 피할 수 있다.

AQM은 중계 장치에서 패킷의 폐기율을 제어 입력으로 하며, 버퍼 내 데이터량을 목표치로 제어하는 피드백 제어 시스템으로 파악할 수 있다. 이러한 모델화는 전송 장치의 슬립 모드를 통한 에너지 효율화 제어와 영상 스트리밍에 있어서의 적응 영상 비트레이트 제어에도 적용이 가능하다.

4. 결론
Beyond 5G, 6G의 도입이 추진되면, 모든 사물이나 사람이 네트워크로 접속되어 디지털트윈형의 사이버 피지컬 시스템이 형성될 것으로 생각된다. 이러한 시스템은 어플리케이션의 요구 조건에 맞는 통신네트워크를 적절하게 선택하는 것과 통신네트워크의 품질을 고려한 어플리케이션 제어를 실현하는 것이 요구된다.

이러한 것들이 바로 ‘정보통신과 계측제어의 융합’이며, 각각의 시스템을 연계시킴으로써 비로소 최적의 성능을 발휘할 수 있게 된다.

향후에는 ‘정보통신과 계측제어의 융합’에 대한 연구를 통해 통신네트워크 공학과 제어 공학을 축으로 미래의 사회 과제 해결을 추진할 수 있는 인재 육성에 매진해나갈 계획이다.

 -- 끝 --

FACE the future: 특집
제어 공학의 발전〮응용을 뒷받침하는 소프트웨어의 벤치마크 문제

<목차>

● 해설
∙ 도전해보는 제어계 설계: 제어 공학의 교육 연구에 기여하는 CAD 소프트웨어
∙ ECLib: 암호화 제어를 위한 Python 라이브러리
∙ DISROPT에 의한 분산 최적화 알고리즘 구현
∙ R/Python에 의한 스파스 모델링
∙ 비선형 모델 예측 제어의 자동 코드 생성 툴
∙ 초보자용 ROS2 교재에 대한 설문조사
∙ 제어계 설계를 Simulink로 신속하고 스마트하게 반복
∙ MATLAB System Identification Toolbox를 이용한 시스템 동정
∙ MATLAB에 의한 선형 행렬 부등식을 이용한 제어기 파라미터 설계
∙ GUILDA: Energy Knowledge Management의 첫 걸음
∙ A Joint Industry-Academia Benchmark for an IFAC Competition on Civil Aircraft Fault   

Detection Isolation and Reconfiguration
∙ HDD 자기 베드 위치 결정 제어계에 대한 벤치마크 문제

특집
정보통신과 계측제어의 융합, 그 너머로