[공학저널 전찬민 기자] 현실세계를 효과적으로 컨트롤하고자 하는 기술인 디지털 트윈이 다양한 산업분야에서 활용되고 있는 가운데 스마트시티 구현에도 핵심 기술로 손꼽히고 있다.
디지털 트윈(Digital Twin)은 현실세계를 디지털화된 가상세계에 구현하고 실제 객체와 동기화해 현실세계에서 일어나는 일을 모니터링하고, 잠재된 미래의 문제점들을 시뮬레이션을 통해 예측하고 해결책을 도출해 의사결정을 도와주는 기술이다.
특히 최근에는 4차 산업혁명의 한 축으로 관심을 모으고 있는 스마트시티 구현에 필요한 주요기술이 바로 디지털 트윈이다. 국토 지형지물, 건물과 토목 인프라 등의 공간정보를 가상세계에 구현하고, 각종 센서를 통해 자연현상과 사람들의 여러 활동들을 보다 정밀하게 모니터링할 수 있어야 스마트시티를 구현할 수 있기 때문이다. 특히 생산성, 안전성, 경제성을 향상시킬 수 있다는 점에서 디지털 트윈이 주목받고 있는 이유이기도 하다.
또한 디지털 트윈 모델을 구축하고 여러 유즈 케이스(Use case)에 따라 서비스를 제공하기 위해서는 각종 건축물과 사회 시설물의 모델링, 다양한 데이터를 수집·처리해 정보를 생산하는 기술, 공학적 해석 시뮬레이션, 그리고 관련 정보를 직관적으로 시각화하는 기술 등이 활용된다.
디지털 트윈에서 사용되는 시뮬레이션 기술들은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 기존의 공학 해석을 위해 수치해석과 시뮬레이션을 활용하는 것이다. 즉, 디지털 트윈 내에서 기존의 시뮬레이션 툴과 연계해 필요에 따라 시뮬레이션을 실행해 지금까지 개발된 검증된 다양한 툴들을 적극적으로 활용할 수 있다는 것이 장점이다.
두 번째로는 디지털 트윈 내에서 실시간으로 시뮬레이션을 실행하는 것이다. 물리엔진을 기반으로 한 디지털 트윈의 경우 센서로부터 수집된 데이터를 바탕으로 디지털 트윈 내에서 실시간으로 시뮬레이션을 실행해 의사결정시 즉시 결과 예측이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
또한 시각화를 위해 활용되는 기술로는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)을 들 수 있다. 건물과 토목 시설물의 가상화를 위해 디지털 트윈에서 3차원 형상 모델이 구축되는데, 웹에 구현된 기존의 GIS기반의 맵에 대비해 가상현실과 증강현실을 적절히 사용한 인터페이스를 통해 보다 실제 객체와 유사한 시각적 효과를 보이는 서비스를 제공할 수 있다.
이에 따라 주거, 교통, 에너지, 방범 등 도시·사회 문제와 관련된 광범위한 데이터를 체계적으로 수집하고, 가상도시 모델을 통해 시뮬레이션하며, 스마트 교통·에너지·치안·시설물 유지관리 등의 영역에 활용되는 기술과 연계 운용해 도시 상황을 직관적으로 분석 예측하고 보다 정확하고 정밀한 의사결정을 통해 신속히 대응하는데 이바지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
이러한 스마트시티 서비스의 가상화를 위한 디지털 트윈의 연구 개발이 지난 2018년부터 서울시립대학교를 중심으로 한 컨소시움이 현재까지 이어져오고 있다. 이번 연구에서는 데이터 기반 스마트시티의 지능형 디지털 트윈을 구현하기 위한 기반기술을 개발하고, 이를 기반으로 화재, 홍수, 시설물관리, 에너지 관리 지원 등 서비스를 구현하고 실증하고 있다.
서울시립대학교 현창택 교수(사진)는 “이번 연구를 기반으로 효율적인 도시운영관리 시스템을 개발하고, 도시 공간정보과 센싱 데이터를 활용한 도시정책 의사결정을 지원하며, Web과 스마트폰 앱의 형태로 시스템을 제공할 예정”이라며 “이를 통해 일반 시민들이 이러한 서비스들을 쉽게 접근하고 사용할 수 있도록 하는 것이 연구 목적이다”고 말했다.
현재는 디지털 트윈 프레임워크를 바탕으로 디지털 트윈의 기초를 마련하고, 주요 요소기술들의 적용가능성과 성능, 필요 정보의 생성, 교환·소비에 이르기까지의 프로세스에 대한 명확한 정의와 표준화를 이루고자 하는 디지털 트윈 1.0 단계라고 현 교수는 말했다.
이를 기반으로 다음 단계인 디지털 트윈 2.0의 연구에 대해 이상훈 교수(사진)는 “향후 국가 스마트 시티에 대한 비전을 기반으로 디지털 트윈의 발전방향에 대한 체계적인 중장기 로드맵을 수립하는 것이 목표”라며 “또한 국제 표준에 의거한 정보의 표준화, 실시간으로 공학 해석과 시뮬레이션이 가능한 컴퓨팅 환경의 개발, 공간정보와 센싱 데이터에 기반해 인공지능 학습 추론을 통한 스마트 의사결정 지원 시스템 구축, 클라우드 환경에 기반으로 한 협업 시스템을 구축하는 것”이라고 밝혔다.
이러한 일련의 연구를 통해, 센서/디바이스 정보과 도시의 인프라를 통합해 시각화하고 서로 연결된 데이터를 상호 관계에 연계해 분석·예측한다면 도시의 주요 서비스를 시민들에게 효과적으로 제공할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 현재 서비스 관리주체별로 별도로 운용되고 있는 관제 시스템들을 디지털 트윈으로 일원화함으로써 도시 운영 관계기관 간 상호협업체계를 구축해 종합적으로 도시를 관리, 운영할 수도 있을 것이다.
이를 바탕으로 궁극적으로 3차원 객체정보 기반 디지털 트윈을 통해 진정한 의미의 스마트 시티를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
