건설 산업에서의 디지털 트윈 - 사례 4선 & 6가지 장점

건설 산업에서의 디지털 트윈 - 사례 4선 & 6가지 장점

• 등록 : 2021. 6. 1.
• 출처 : IRS Global, JIC 벤처 그로스 인베스트먼트 코미야 마사토
• 자료 링크 : デジタルツインとは何か？最新事例4選、6大メリット、主要ベンダー5社をまとめて解説 (원문)
• 자료 링크 : [ICT/정보통신] 디지털 트윈 - 최신 사례 4선 & 6가지 장점 (한글 번역)

디지털 트윈 - 최신 사례 4선 & 6가지 장점

 

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• 주요 내용

제조업을 중심으로 ‘디지털 트윈’이라는 말을 자주 듣게 되는데, 그것은 실제로 어떤 기술이며 어떻게 활용되고 있는지, 기업에 있어 얼마나 중요한 기술인지는 아직 보편화 되지 않았다. 그래서 여기에서는 ‘디지털 트윈이란 무엇인가’ ‘활용할 때 누리는 장점’ ‘각 산업에서의 활용 사례’를 알기 쉽게 해설한다.

 

디지털 트윈이란?

 

디지털 트윈이란 물리 공간에서 취득한 정보를 바탕으로 디지털 공간에 물리 공간의 쌍둥이(복제품)를 재현하는 기술이다.

 

공업 및 제조 설비 건설, 도시 개발 등 각종 현장에서 디지털 공간에 물리 공간을 재현함으로써 사전 시뮬레이션ㆍ분석ㆍ최적화를 실시, 그것을 물리 공간에서 피드백하는 시스템 전체를 가리킨다. 이러한 특징 때문에 ‘디지털 쌍둥이’를 뜻하는 이름이 붙었다.

 

최근에는 코로나 사태로 인해 TV 뉴스에서도 비말 시뮬레이션 및 대규모 병동의 시뮬레이션 등에서 디지털 트윈이 사용된다는 이야기를 자주 언급하기 때문에, 일반적으로도 친숙한 키워드가 되어가고 있다.

 

디지털 트윈의 역사는 1970년 미 항공우주국(NASA)에 의한 아폴로 13호의 월면 탐사 프로젝트에서 ‘페어링 테크놀로지’로 활용된 것에서부터 시작되었다.

 

우주 비행 중에 산소 탱크가 폭발하여 위기가 닥쳤을 때, 지구상의 디지털 트윈을 활용해 시뮬레이션을 실시하여 아폴로 13호의 복귀를 꾀하기 위함이었다.

 

이 예에서와 같이 실기 및 현장 활동을 수행하기 전에 시뮬레이션을 통해 접근방식을 검토하고, 효율적으로 과제를 해결하는 것이 디지털 트윈의 가치이다.

 

디지털 트윈을 구성하는 기술군

 

디지털 트윈은 ‘디지털 트윈’이라는 특정한 IT 프로덕트가 있는 것이 아니라 다음에서 언급하는 기술의 집합체이다.

 

▣ 디지털 트윈을 구성하는 기술의 예

◼ 제품 설계ㆍ제품 데이터 관리 : CAD・PLM(Product Lifecycle Management : 제품 라이프사이클 관리 시스템)

◼ 제품 시뮬레이션ㆍ엔지니어링 : CAE(Computer Aided Engineering : 시뮬레이션 분석 엔지니어링)

◼ 공장ㆍ제조 라인 시뮬레이션 : 3D 공장/플랜트 시뮬레이션 소프트웨어

◼ 디지털 데이터를 물리 공간에 3D 정보로 피드백 : AR(증강현실)ㆍVR(가상현실)

◼ 물리 공간의 데이터를 디지털 공간으로 피드백 : IoTㆍ3D 스캔

 

각 기술은 원래 존재했었지만, 이를 조합함으로써 산업ㆍ기업 활동에 큰 충격을 주는 활용이 가능할 것으로 기대된다. 이것이 각국에서 진행하는 ‘제4차 산업혁명’의 본질이다.

 

이제부터 이미 시작된 각 산업의 디지털 트윈 활용 사례를 소개한다.

 

‘건설업(건축)’의 사례 : 가고시마 건설

 

건설업에서는 ‘설계’ → ‘시공’ → ‘유지 관리’ 각 공정의 디지털 트윈화를 통해 효율적인 공정 설계 및 현장의 안전성 향상ㆍ생산성 향상을 꾀하고 있다.

 

건설업은 상업 시설ㆍ빌딩ㆍ주택 등의 건축물을 취급하는 건축과 댐ㆍ터널ㆍ다리ㆍ택지 조성 등을 취급하는 토목으로 나뉜다. 그중 건축 영역은 건설업의 PLM에 해당하는 BIM을 활용하는 3D 설계 및 시공 시뮬레이션, 유지 관리 최적화를 꾀하고 있다.

 

예를 들어, 가고시마 건설은 건축 현장을 원격 감시하기 위해 건설 현장의 디지털 트윈인 ‘3D K-Feild’를 개발하고 있다. 현장에 설치된 다양한 IoT 센서로 취득한 사람ㆍ사물ㆍ자동차 데이터를 가상 공간에 표시함으로써 실시간으로 건설 현장의 상태를 볼 수 있다.

 

‘건설업(토목)’의 사례 : 고마츠

 

건설의 토목 영역에서는 드론으로 지형 데이터를 취득하여 3차원 데이터(디지털 트윈)를 만듦으로써 측량 프로세스의 효율을 향상하고 공정을 자동으로 생성하고 있다.

 

지금까지 측량은 사람이 수행했기 때문에, 작업하는 데에 상당한 시간이 필요한 공정이었다. 매일의 진척 상황 및 현장 상황을 정확하게 파악하기 어려워, 공정이 지연되거나 효율이 떨어지곤 했다.

 

이러한 상황에서 고마츠는 디지털화 솔루션인 ‘스마트 컨스트랙션’을 통해 드론에 의한 센싱(센서를 통한 계측)과 데이터의 점군화 처리를 실시, 토목 현장의 디지털 트윈을 만듦으로써 진척 상황을 관리하는 서비스를 제공하고 있다.

 

그 결과 측량의 효율을 크게 향상하여 약 4일이 걸리던 작업을 20분 만에 완료할 수 있게 되었다. 매일의 업무의 시작과 끝에 위와 같은 프로세스로 현장의 디지털 트윈을 업데이트함으로써, 공정의 진척 상황을 가시화하고, 현장 책임자, 경영자가 신속하게 의사 결정을 할 수 있게 되었다.

 

‘인프라 점검’ 사례 : 제네럴 일렉트릭(GE)

 

인프라 점검에 있어서도 디지털 트윈이 활용되어, 원격으로 오퍼레이션 관리 및 눈으로 확인할 수 없는 부위의 열화 상황 시뮬레이션 등을 실시하고 있다.

 

예를 들어 GE는 풍력 발전 인프라에 있어서 디지털 트윈을 활용함으로써, 시각적으로 풍차의 수명ㆍ열화 예측을 수행함과 동시에 풍향에 맞춰 발전량을 최대화한다.

 

그밖에도 해양 풍차는 바다 위에 있기 때문에 확인하기 어렵고, 큰 비용이 필요하다. 이때 디지털 트윈을 활용함으로써 원격 및 실시간으로 정보를 분석할 수 있어, 오퍼레이터가 곧바로 모터를 교환해야 하는 시기를 계획할 수 있다.

 

풍력 발전용 터빈은 설치 장소의 지형에 영향을 받기 때문에, 개체별로 부품의 소모 정도가 다르다. 제네럴 일렉트릭(GE)에서는 각각의 터빈 블레이드의 표면 상태를 촬영하고, 그 사진에 온도, 회전수를 조합하여 블레이드의 열화 정도를 분석하며, 고장 나기 전에 적절하게 대응함으로써 가동률을 높이고 있다.

 

그밖에도 농업에서의 농지 위성 데이터ㆍ드론 데이터를 통합한 경작 계획, 구획 배치 및 작물 관리, 또는 물류에서는 복잡한 공급체인에서 수급 균형 및 재고 관리, 운송 경로ㆍ비용 검증 등 폭넓은 산업에서 디지털 트윈이 활용되고 있다.

 

‘도시 계획ㆍ스마트시티’의 사례 : 싱가포르 정부

 

싱가포르에서는 BIM(Building Information Modeling)을 바탕으로 전국의 토지를 통째로 3D 가상 트윈화(민간 기업 다쏘 시스템의 디지털 트윈)하여 실시간으로 도시 정보를 가시화하는 ‘버추얼 싱가포르(Virtual Singapore)’를 전개하고 있다.

 

이것은 국립 연구 재단(NRF), 싱가포르 수상 관저, 싱가포르 토지국(SLA), 싱가포르 정부 기술청(GovTech)의 프로젝트이며, 지형 정보ㆍ건물ㆍ교통 기관ㆍ수위ㆍ사람의 위치 등에 대한 실시간 데이터를 통합하여, 3D 모델로 만든 것이다.

 

예를 들어, 싱가포르에서는 종적인 조직 구조로 중복된 공사 계획이 난립하는 등, 도시 계획에 있어 헛수고하는 일이 많이 있었다. 그러한 상황에서 디지털 트윈을 사용함으로써 이를 가시화하고, 각 인프라를 정비하는 계획을 최적화하려 하고 있다.

 

공사 계획에서 디지털 트윈을 활용할 때 각 기관이 횡단하여 건설 후 사람과 자동차의 유동을 시뮬레이션할 수 있고, 공사 상황 및 교통 정보를 실시간으로 공유할 수 있기 때문에, 정체를 완화하고 공사의 효율을 향상하기 위해 검토가 이루어지게 되었다.

 

그밖에도 디지털 트윈을 활용하여 효율적인 발전(發電)을 위한 태양광 발전 패널의 설치 장소를 검토하는 등 국가 전체의 에너지 효율 최대화, 인프라 오퍼레이션의 실시간 모니터링, 물류 및 사람의 이동 최적화, 정체 해소 및 대중교통 기관의 최적화ㆍ개선과 같은 효과를 얻고 있다. 일본에서도 국토교통성을 중심으로 전국 약 50개 도시의 3D 디지털 트윈을 정비하는 프로젝트 플래토(PLATEAU)가 진행되고 있다.

 

디지털 트윈의 6가지 장점

 

(1) 검토의 ‘리드 타임ㆍ비용 최소화’

 

디지털상에서 검증함으로써 지금까지 물리적인 시험작ㆍ테스트 라인 등을 만들어 물리적으로 검토했었던 시간을 최소화함에 따라 속도를 높일 수 있다.

 

(2) 빠른 변화에 대응할 수 있는 ‘유연한 오퍼레이션 실현’

 

(1)에 의해 변화가 빠른 환경 하에서도 신속한 시뮬레이션에 근거하여 대응할 수 있어, 최소한의 시간ㆍ리소스로 현장에서 실천할 수 있다.

 

VUCA라고 불리는 것처럼, 현재의 예측하기 어려운 환경에서는 변화에 대응하는 능력 ‘다이내믹 케이퍼빌리티’가 중요하다. 디지털 트윈은 그 특성 덕분에 다이내믹 케이퍼빌리티를 구축하는 필수 콘셉트라 할 수 있다.

 

(3) 사전 검증을 통한 ‘리스크 절감ㆍ품질 향상’

 

물리적인 오퍼레이션을 실시하기 전에 디지털상에서 사전 검증을 하거나 디지털로 표현되어 누구나 볼 수 있는 형태로 검토할 수 있어 각 부문의 지식ㆍ식견이 집약됨에 따라, 리스크를 절감하고 품질도 향상할 수 있다.

 

예를 들어, 3D로 검토함에 따라 내부 구조 등 지금까지 숙련자가 직접 눈으로 확인하지 못한 채 ‘감과 경험’에만 의존했었던 영역도 사전에 검증할 수 있게 되어 기존의 프로세스보다 품질이 향상되는 경우도 있다.

 

(4) ‘오퍼레이션의 표준화’, ‘숙련된 기능의 전승’

 

오퍼레이션과 노하우는 지금까지 숙련자의 어깨너머로 배우거나 수많은 실제 경험을 해야만 익힐 수 있었다. 숙련자가 고령화되고 퇴직하게 되면서, 외국인을 포함하여 누구나 오퍼레이션을 할 수 있는 표준화라는 시급한 과제가 생겨나게 되었는데, 지금까지의 방법으로는 인재를 육성하는 데 시간이 걸리는 데 더해 노하우와 기술이 사람에게 귀속되는 경우가 많았다.

 

하지만 디지털 트윈 기술을 활용하게 되면 ‘구상 검토’ → ‘실천’ → ‘개선’의 프로세스가 숙련자의 머릿속이나 해석하는 데 노하우가 필요한 도면이 아니라 누구나 볼 수 있는 디지털로 표현할 수 있다. 그렇게 되면 누구나 그 프로세스를 이해하고 효율적으로 습득하여 실천할 수 있게 되어 오퍼레이션의 표준화 및 숙련된 기능의 전승이 가능해진다.

 

(5) ‘조직ㆍ기업을 뛰어넘는 연계’

 

누구나 볼 수 있는 형태로 검토할 수 있게 되면, 전공정에서 후공정으로 공정을 진행하면서 순서대로 검토하는 것이 아니라 검토 단계에서부터 전공정ㆍ후공정에 대한 의견을 제시하는 조직을 뛰어넘는 연계를 실현할 수 있다.

 

예를 들어, 제품 콘셉트를 검토하는 단계에서부터 제품 설계, 생산 기술(생산 라인 검토), 제조, 품질 보증, 서비스 등 각 부문의 관점에서 의견을 도입하여 검토할 수 있다. 또한 이것은 기업을 뛰어넘는 연계에 있어서도 마찬가지이다. 검토 단계에서부터 협력ㆍ위탁 회사 및 공급체인 기업과 효율적으로 연계할 수 있다.

 

(6) ‘오퍼레이션 노하우의 솔루션화’

 

앞서 말한 것처럼 암묵지였던 노하우ㆍ오퍼레이션이 누구나 볼 수 있는 디지털 형태로 표현됨에 따라, 강점을 살린 솔루션 전개, 새로운 비즈니스 모델 구축이 가능하다.

 

예를 들어, 제조 라인을 3D로 설계함으로써 자사의 라인 설계 노하우를 다른 제조사로 외판하는 비즈니스 모델이 생겨날 수 있다. 제조업뿐 아니라 폭넓은 산업에서 현장 오퍼레이션에 강점을 가진 일본 기업에서 디지털 트윈을 활용하여, 자사의 강점을 솔루션으로 삼아 경쟁력으로 바꿀 수 있다.

 

 

디지털 트윈을 활용한 비말 시뮬레이션