디지털 세상이 점점 더 현실과 닮아가고 있다. 사물 인터넷(Internet of Things, IoT), 빅데이터, 클라우드 등의 기술 발전에 따라 모방을 넘어 가상현실, 메타버스처럼 현실과 완전히 상호작용이 가능한 세계로 변신 중이다. 이 가운데서도 현실을 그대로 옮겨 놓은 ‘가상의 쌍둥이’라고 할 수 있는 디지털 트윈(Digital Twin)이 디지털 전환의 한 축으로 부상하고 있다. 현실에서 발생 가능한 수만 가지의 시나리오를 단기간에 검증할 수 있고, 다양한 분야에 광범위하게 적용할 수 있기 때문이다. 현대로템 역시 디지털 트윈 기술을 이용해 청정하고 안전한 수소 사회를 준비하고 있다.

디지털 트윈, 디지털 전환(Digital Transformation)의 핵심으로 부상하다

최근 분야를 막론한 산업계의 가장 큰 화두 중 하나는 디지털 전환이다. 이는 제품, 서비스를 비롯해 물적·인적 자원까지 기업의 모든 자산을 데이터로 구축해 관리 및 운영하는 것을 뜻한다. IBM 기업가치연구소는 디지털 전환을 기업이 물리적인 요소와 디지털을 통합해 비즈니스 모델을 변화시키고, 산업에 새로운 방향을 정립하는 전략이라고 정의한다. 즉, 디지털화를 통해 새로운 가치를 창출하고, 이를 통해 미래 경쟁력을 확보하는 것이다.

이러한 디지털 전환을 실현하는 핵심 기술이 바로 디지털 트윈이다. 미국 시장조사 업체인 가트너(Gartner)는 지난 2017년부터 3년 동안 10대 유망 미래 기술 중 하나로 디지털 트윈을 꼽은 바 있다. 또한, 글로벌 컨설팅 업체인 맥킨지(Mckinsey)는 디지털 트윈 기술 도입으로 2025년까지 3조 9,000억 달러(한화 약 4,500조 원) 규모의 경제적 가치가 창출될 것으로 내다봤다. 이처럼 디지털 트윈 기술은 4차 산업혁명이 진행 중인 지금, 기업의 생존을 위해서 반드시 필요하다.

디지털 트윈 개념도

디지털 트윈은 컴퓨터를 비롯한 각종 IT 기기를 통해 접속할 수 있는 가상 공간에 현실과 똑같은 세계를 구현하는 기술로써, 기계와 장비같은 사물부터 작동 방식, 운영 프로그램같은 소프트웨어까지 실제와 동일하게 설계한다. 주목할 부분은 단순히 모습만 옮겨 놓은 것이 아닌, 현실 세계의 실제 물리 법칙도 적용된다는 점이다. 시간, 기후를 비롯해 물체 성질에 따른 빛의 반사도, 중력, 가속도 등 현실의 환경과 제약이 그대로 구현된다. 따라서 디지털 트윈 구성에는 시각적 객체는 물론 현실과 가상을 연결해주는 데이터가 필요하며 사물 인터넷, 인공지능, 빅데이터, 클라우드, 5세대 통신, 혼합 현실 등 4차 산업혁명을 대표하는 기술이 모두 동원된다.

디지털 트윈 구현 3단계

디지털 트윈은 구현 정도에 따라 3가지 레벨로 구분된다. 레벨 1은 현실의 기본적 속성이 반영된 디지털 객체로, 3차원 모습이 시각화된 정도로 사전 시뮬레이션만 가능하다. 레벨 2는 실시간 모니터링 및 간단한 제어를 진행할 수 있는 수준이다. 레벨 3는 인공지능, 혼합 현실 등을 적용해 고급 분석 및 예측, 실제 사물 제어가 가능한 상태를 뜻한다. 이는 산업계에서 궁극적으로 목표하는 단계로, 모의시험을 통해 제품, 프로그램, 정책 등을 미리 검증해볼 수 있으며, 그 결과를 바탕으로 향후 발생 가능성이 높은 오류를 예측해 대응 방안을 수립할 수도 있다. 디지털 트윈은 확장성도 뛰어나 설계부터 제조, 시범 운영, 유지보수, 교육 등 산업의 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 이렇듯 디지털 트윈은 시각 정보와 전체 데이터가 유기적으로 통합된 솔루션이다.

디지털 트윈으로 수소 사회 구축을 준비하는 현대로템

디지털 전환의 바람은 국가 기간산업인 철도 산업에도 불고 있다. 현대로템은 국내 철도 산업을 이끄는 선도 기업으로서, 철도차량 및 주요 시스템의 디지털화를 진행 중이다. 특히, 디지털 트윈 기술을 활용해 수소전기트램을 비롯해 수소 생산 및 충전 시설까지 모니터링할 수 있는 수소 통합 관제 시스템을 준비하고 있다. 수소는 청정 에너지로 미래 사회의 새로운 동력원으로 꼽히지만, 주요 시스템의 안전성과 안정성에 대한 이해가 충분치 못해 수소 생산 설비 등의 수소 인프라 구축이 원활하지 않은 실정이다. 또한 수소전기트램과 수소 생산 설비는 매우 다양한 부품이 유기적이고, 복잡하게 연결돼 있기 때문에 시스템의 결함이나 이상 징후가 발견됐을 경우 고장 또는 결함 부위 발견이 쉽지 않으며, 원인 분석 및 고장 조치에도 상당 시간이 소요된다.

현대로템은 안전한 수소 사회로의 전환을 위한 핵심 기술로써 상태 기반 유지보수(Condition Based Maintenance, CBM) 기술을 적용한 디지털 트윈을 준비하고 있다. 디지털 트윈 기술을 사용하면 주요 부품의 생애 주기 동안 열차와 다른 주요 부품과의 다양한 상호작용을 확인할 수 있는 모델링 설계가 가능하고, 실시간 진단과 분석을 통한 예측 시나리오를 도출할 수 있다. 철도차량의 주요 장치를 보다 효과적으로 관리해 전체 시스템에 대한 신뢰성과 안전성을 확보하는 것이 현대로템이 개발 중인 디지털 트윈 기술의 핵심이다.

실시간 진단 모니터링 기술의 확장, 수소 통합 관제 시스템

현대로템의 수소 통합 관제 시스템은 수소전기트램과 수소 생산 설비의 운영 및 상태 정보를 실시간으로 모니터링해 디지털 트윈을 구성하고, 이를 활용해 사용자의 효율적 운영과 최적의 유지보수를 지원하는 디지털 서비스다. 수소 관련 기반 시설 전체의 운영 상황을 실시간으로 확인해 사용자 친화적인 시각화 대시보드에 만일의 사태에 대비한 즉각적인 조치 및 지원 사항을 제공한다. 이렇듯 수소 통합 관제 시스템은 핵심은 시스템의 정보를 수집해 디지털 트윈을 구현하고, 다양한 조건의 시뮬레이션을 실시하는 디지털 트윈 기술과 실시간 상태 정보를 바탕으로 고장·예지정비 등을 수행하는 CBM 기술이 합해진 하이브리드 기술이라고 할 수 있다.

이를 기반으로 수소전기트램의 운행 정보, 주요 장치의 상태 및 고장 정보, 주요 부품의 열화 상태 등을 실시간으로 모니터링해 데이터를 수집 및 분석한다. 도시가스에서 수소를 추출하는 수소 생산 설비를 비롯해 수소전기자동차와 수소전기트램을 충전할 수 있는 충전 시설도 실시간 모니터링 및 진단을 통해 보다 안전하고 효율적으로 관리할 수 있다. 기반 시설 내 IoT 기반의 센서와 ICT 기반의 데이터 수집 방식을 활용해 운영 환경 및 시스템의 전반적인 공정을 가상의 운영 환경에 디지털 모델로 생성하고, 다양한 외부 운영 환경을 입력한다. 이를 바탕으로 실제 수행된 공정과의 오차를 확인해 여러 상황을 사전에 분석해 고장을 예지하고, 사용자 친화적인 시각화 도구를 지원해 시스템의 신뢰성과 운영 효율을 높인다. 최종적으로 도출된 분석 결과는 현실에서의 조치와 대응에 활용될 수 있다.

디지털 트윈 접목 스마트 통합 관제 시스템 도입 효과

이렇게 디지털 트윈 기술 기반으로 개발되는 수소 통합 관제 시스템은 주요 설비의 전체 사용 주기에 걸쳐 다양한 부분에서 활용될 수 있다. 실시간 모니터링 및 진단에 적용하면 운영 효율성을 향상시키고, 원격 유지보수 지원에서는 유지보수 효율성을 높여주며, 이러한 효율성 증대는 비용 절감, 품질 개선, 가용성 향상으로 이어진다.

또한, 사용자 목적에 맞는 데이터 시각화 대시보드를 통해 주요 수소 시스템의 전반적인 운영 실적 및 효율성 지표 관리에도 도움을 줄 수 있다. 나아가 신규 시장의 가치 창출을 위한 활용 방안 및 사업 방식의 변화까지 기대할 수 있다. 이에 현대로템은 실시간 진단 모니터링을 통한 데이터 수집을 비롯해 시각화 및 진단·예지 알고리즘 기술과 디지털 트윈 기술을 유기적으로 조합하는 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 기술 및 시장 표준화도 진행 중이다.

현대로템은 청정 에너지인 수소를 중심으로 미래 수소 사회의 청사진을 갖고, 수소전기트램, 수소 생산 설비, 수소 충전소 등 다양한 수소 인프라를 개발 중이다. 디지털 트윈 기술과 실시간 진단 모니터링 기술을 활용한 스마트 수소 통합 관제 시스템 개발은 더욱 안전하고 편리한 수소 사회의 초석을 다지는 일이라 할 수 있다. 우리가 살아가는 삶의 터전을 지속 가능한 곳으로 바꾸기 위해 수소 사회로의 전환은 반드시 필요하다. 현대로템은 이를 실현하기 위해 앞으로도 스마트 및 친환경 기술 접목에 모든 기술과 역량을 투입할 계획이다.