02. 사이버 물리 시스템(Cyper Physical System, CPS)

“현실세계” + “디지털 가상 시스템”

 

1. 사이버 물리 시스템(Cyper Physical System, CPS)란?

사이버 물리 시스템(이하 CPS)는 모든 사물들이 서로 연결되어 정보를 교환하는 사물인터넷(Internet of Things)에서 컴퓨팅을 이용한 사이버세계와 물리세계가 발전된 IT기술을 통해 유기적으로 융합되어 사물들이 서로 소통하며 자동적, 지능적으로 제어되어 지는 시스템입니다.

 

즉, 사이버 세계에서의 디지털 모델을 중심으로 실제 세계의 데이터가 수집 및 정보 연결하는 개념으로, IoT 기반으로 센서, 각종 정보처리장치들과 소프트웨어가 연결되어, 다양한 데이터와 정보가 체계적으로 처리, 교환됩니다.

 

기존 임베디드 시스템의 미래지향적이고 발전적인 개념으로써 기존의 전통적인 산업에 ICT기술이 결합되어 기존 산업과 서비스에 새로운 부가가치를 부여하고자 융복합 산업을 구현하기 위한 핵심기술입니다.

 

쉽게 말하면, 가상과 현실의 4차산업혁명 기술의 연결을 통한 융합입니다.

 

이러한 CPS 기술을 제조 시스템에 적용하면, 기존의 생산정보화가 가지고 있던 수직적 네트워크와 한정된 정보 교환 등의 한계를 극복, 4M(Man, Material, Method, Machine) 등 다양한 생산 정보를 유연하게 설정하고, 이를 바탕으로 한 효율적인 관리와 운영이 가능해지므로 다양한 분야에서 사용하고 있지만 특히, 스마트 제조(팩토리)분야에서 자주 사용되는 4차산업혁명을 이끌 핵심 개념이라고 볼 수 있겠습니다.

 

 

2. 등장 배경

다양한 지능형 장치 및 무선 통신기기가 급증하고 컴퓨팅 및 메모리 성능의 발전이 지속되면서 여러 응용분야에 컴퓨팅이 미치는 영향도 증가하고 있습니다.

 

의료기기, 자동차, 로봇, 항공기, 보안 및 감시 시스템 등 대부분의 컴퓨터 탑재 물리시스템들은 구성요소의 복잡성 증가로 전체 시스템의 결함 가능성이 증대되고 있습니다. 따라서 각종 재난과 사고를 미연에 방지할 뿐만 아니라, 고신뢰성을 보장하는 무결점 지능 시스템의 필요성이 제기되었습니다.

 

이로 인하여 컴퓨팅으로 대표되는 사이버 세계의 기능이 미래에는 훨씬 더 광범위한 분야의 물리적 세계와 접목하여 증가할 것으로 판단됩니다. 이러한 상황으로 인해 사이버 물리 시스템이 등장하였습니다.

 

 

3. CPS 산업의 특징

사이버시스템과 물리시스템간의 정밀한 모델링 및 시뮬레이션 기술을 적용해 각종 산업 분야에서 새로운 서비스 및 가치 기회를 창출합니다.

 

인간과 기술적 시스템 사이의 쌍방향 협업은 숙련된 노동인력의 부족 문제와 점증하는 작업장내의 다양성(연령, 성, 문화적배경 등)을 해결함으로써 지속적인 생산성을 유지할 수 있습니다.

 

일반적으로 OS 기술이 갖는 한계점인 기술 지원 및 유지보수 문제를 해결함으로써 새로운 시장개척 기회를 확보함.무인자동차, 무인항공기 등 조립 산업이 CPS로 진화함에 따라 자율제어를 위한 시스템, SW, 부품수요가 폭발적으로 성장할 것으로 예상되는 상황에서 솔루션 공급산업의 주도가 가능한 것이 특징입니다.

 

 

4. 스마트 팩토리 적용

스마트 제조(Smart Manufacturing)는 제조업의 전략적 혁신을 위해 인간, 기술, 정보를 융합하고 다양한 ICT를 적용하고자 하는 것으로, 특히 소비자 요구의 다양화, 고급화에 따른 개인 맞춤형 생산(Personalized Manufacturing)을 구현하고, 인간과 협업하며 스스로 학습하는 디지털 제조 방식을 적용하는 4차 산업혁명 시대의 생산방식을 말합니다.

 

스마트 팩토리(Smart Factory)는 스마트 제조를 실행하는 생산 시스템으로, 제조 현장에 다양한 ICT를 결합, 개별공장의 설비와 공정이 지능화되어 네트워크로 연결되고, 모든 생산 데이터와 정보가 실시간으로 공유, 활용되어 효율적으로 자율 운영되는 공장으로, 공장 간의 협업적인 운영이 실현되는 생산 시스템으로 설명할 수 있습니다.

 

스마트팩토리에서 추구하는 주요 목적은 효율적이고 유연하며 자율적인 지능형 설계와 운영이며, 이는 지능형 생산 자동화와 전사적 정보 통합, 유연하고 효율적인 생산 시스템이라는 전통적인 철학을 이어간다고 할 수 있습니다.

 

이러한 목적을 위해 적용되는 주요한 개념이 바로 인지(Sensor), 판단(Decision&Control), 행동(Actuation)을 능동적이고 자율적으로 수행하는 CPS이며, 이를 통해 제품, 공정, 설비, 공장이 통합되어 상호 연계되고, 제조의 모든과정에서 유연하고 효율적인 자율 운영이 이루어지는 스마트팩토리가 실현됩니다.

 

5. CPS 활용

사이버 시스템과 물리 시스템 간의 정밀하고 유기적인 연결을 위한 모델링 및 시뮬레이션 기술을 적용해 각종 산업 분야에서 새로운 서비스 및 가치 기회를 창출할 것입니다.

 

인간과 기술적 시스템 사이의 쌍방향 협업은 숙련된 노동 인력의 부족 문제와 점증하는 작업장 내의 다양성(연령, 성, 문화적 배경 등)을 해결함으로써 작업과정에서의 안전성 확보는 물론 검증된 운영방식의 적용을 통해 지속적인 생산성을 유지할 수 있습니다. 일반적으로 OS 기술이 갖는 한계점인 기술 지원 및 유지 보수 문제를 해결함으로써 새로운 시장 개척 기회를 확보할 수 있습니다.

 

또한 정보기술을 통해 게임, VR/AR 등의 타분야와 연계가 가능한 분야로써 산업 연계 파급효과가 큰 특징을 지닌다. 무인자동차, 무인항공기 등 조립 산업이 CPS로 진화함에 따라 자율제어를 위한 시스템, SW, 부품 수요가 폭발적으로 성장할 것으로 예상되는 상황에서 솔루션 공급 산업의 주도가 가능합니다.

 

CPS에 기반한 연동 미들웨어 플랫폼 확보를 통하여 전 산업 분야에서의 대규모 복합 CPS 시스템에 대한 신속한 개발은 각 산업의 스마트화 달성에 크게 기여할 수 있습니다.

 

각 산업에서 가치 사슬 상에 존재하는 시스템 간 연동을 통해 가치사슬 통합을 조기에 달성하고 이를 활용해 다양한 새로운 비즈니스모델 및 산업생태계를 창출할 수 있습니다.

 

소비시장의 글로벌화로 소비의 표준화가 촉진되는 동시에, 개인화에 따른 개인 맞춤형 소비추세로 대량생산과 맞춤형 유연 생산 요구가 증대되는 추세도 주목할 만하다. 기능 품질에서는 글로벌 표준을 요구하면서도 개인화 요구에 따른 다양한 수요 변화를 실시간 반영하고 유연 생산을 통해 신속한 대응이 필요한 것입니다.

 

산업/제조 분야에서는 기존의 공장 자동화 기술과 산업용 임베디드 시스템이 결합한 CPS로 기술적 진화가 일어나며 이에 따른 시장 변화가 빠르게 진행될 전망이다. 산업/제조 전체 시장은 연평균 3.5%씩 성장하는 반면 산업용 임베디드 시스템 시장(PLC 등)은 연평균 2.3%씩 역 성장할 것으로 예상된다.

 

 

 

6. CPS 장비 개발

CPS에 대한 자율제어, 통합 연동 미들웨어, 산업용 네트워크, 모델링 및 시뮬레이션, 임베디드 시스템, 설비연결표준화통신, OS 및 플랫폼 관련 기술개발이 활발하게 진행되고 있습니다.

 

SOA 기반 통신 장비, DB 서버, 응용프로그램 등과 같은 시스템 컴포넌트의 돌발 문제에 자율적 대응 가능한 방법(IBM)이나 Columbia대학의 HW와 SW 통신 신호 조합에 의한 정상 여부를 판단하는 방법, ASF(Cisco)에 의한 감시, 로그 변환, 필터링, 분석, 진단 및 복구, 피드백의 6단계 자율제어 프로세스 방법 등이 제시되고 있습니다.

 

CPS의 고신뢰도를 확보하기 위해 오류 분석 모델링에 의한 지식베이스를 생성하고 자율제어 활용방법과 자율관리자를 이용하는 네트워크 기반 자율제어기술 연구도 진행 중입니다.

 

CPS 분산 환경의 시스템 간 실시간 제어를 위해 시뮬레이션의 시간 동기화 알고리즘 설계와 시뮬레이터를 개발하여 검증하는 방법들도 개발되고 있습니다.

 

CPS 자율제어 지능화를 위한 기존 솔루션은 해외 의존도가 높고 상용화 SW 개발 역시 초기 개발 단계에 있습니다.  Rockwell Automation 사와 Applied Material 사 등 전통적인 시뮬레이터 개발 기업과 CAM 솔루션 개발 기업의 주도로 시뮬레이션이 개발되고 있으며 연속시스템과 이산시스템 간의 연동을 위한 기반 기술은 University of Arizona 등의 미국 대학이 주도하고 있습니다.

 

 

 

1. 기술과 혁신, http://webzine.koita.or.kr/201803-specialissue/03-%EC%82%AC%EC%9D%B4%EB%B2%84%EB%AC%BC%EB%A6%AC%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9CCyber-Physical-System
2. 가상물리시스템이란 무엇인가  https://kr.linkedin.com/pulse/%EA%B0%80%EC%83%81%EB%AC%BC%EB%A6%AC%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9Ccpscyber-physical-system%EC%9D%B4%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80-hyongsik-cho
3. 사이버-물리시스템(CPS, Cyber-Physical Systems)의 개념/산업특징,  https://4ir.kisti.re.kr/ick/cmmn/viewPost/20180315000016
4. 스마트팩토리-사이버물리시스템 https://blog.naver.com/sigmagil/221542173588
5. 사이버물리시스템 file:///C:/Users/owner/Downloads/IoCT-Part3-02CyberphysicalSystems.pdf
6. 4차 산업혁명을 이끌 제조산업의 처음과 끝 https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=komma01&logNo=221513851884

7. O. Inderwildi, C. Zhang, X. Wang, and M. Kraft, “The impact of intelligent cyber-physical systems on the decarbonization of energy”, Energy & Environmental Science, Vol. 13, No. 3, pp. 744-771, 2020. https://doi.org/10.1039/C9EE01919G
8. K. B.Adedeji, and Y. Hamam, “Cyber-Physical Systems for Water Supply Network Management: Basics, Challenges,  and Roadmap”, Sustainability, Vol. 12, No. 22, 9555. 2020. https://doi.org/10.3390/su12229555