[2회]가상물리시스템(Cyber-Physical Systems)이란

 

 

4차 산업혁명 [2회]

 

가상물리시스템 Cyber-Physical System 

4차 산업혁명 4.0을 대표하는 기술의 하나인 Cyber-Physical System 은 우리말로 가상물리
시스템이라 하며 약어로 CPS로 표현합니다.

 

CPS는 컴퓨터 기반 프로그래밍 알고리즘에 의해 제어되는 모니터링 메커니즘을 포함하고 있습니다. 물질세계에 있는 모든 물리적 사물을 상호적으로 연결하여 컴퓨팅, 통신 과정을 접목해 제어, 작동하는 물리적인 엔지니어링 시스템을 말합니다. 이를 학문적으로 기술하면 가상세계를 구성하는 요소들 (센싱, 연산, 인간 사용자)을 서로 연결하는 시스템으로 정의하고 있습니다. CPS는 독립형 장치가 아닌 물리적 입력과 출력의 상호 작용하는 요소의 네트워크로 설계되어 있으므로 임베디드 시스템처럼 독립형 장치가 아닌 지능형 컴퓨터와 메커니즘을 갖춘 로봇 센서의 네트워크 개념과 밀접하게 관련되어 있습니다. 기존에 임베디드 시스템에서 갖추지 못한 안정성과 유용성, 자율성이 향상되었다고 할 수 있습니다. CPS시스템은 Industries 4.0 산업 내의 공장 자동화 및 운영 전반에 걸친 디지털 제조 및 스마트 펙토리 공장 개념을 통해 빠르게 성장하였습니다.

4차 산업혁명 Industries 4.0 의 대표 기술 중에 하나인 CPS는 어떠한 분야에 사용되는 것일까요? 저와 같은 일반인에게는 익숙하지 않지만 이미 많은 분야에서 기술이 적용되고 또한 진보적으로 발전하고 있습니다. 기존에 엠베디드 시스템이 갖추지 못한 향상된 기술(충돌방지, 자율성) 을 바탕으로 물리적 시스템을 컨트롤 하고 있습니다. 예를 들어 기계를 가공하는 공작기계에는 가공을 위한 기계요소인 부품과 디지털 컨트롤러가 부착되어 있습니다. 이는 CPS의 단편적인 예가 될 수 있습니다. 다시 말해 디지털 컬트롤러가 부착되어 있는 물리적 기계는 디지털 컴퓨터를 이용하여 연산, 제어, 동작 모든 기능을 통해 상호작용을 할 수 있게 해줍니다. 상호작용은 물리적 요소와 연산 구성요소를 별도로 이해한다기보다는 물리적 기계와 컴퓨터의 협동으로 이해하는 것이 더 나을듯해 보입니다.

CPS를 구현하기 위해서는 3가지 기본적인 기술이 필요합니다.

• 엠베디드 시스템
• 센싱 및 작동
• 네트워크 (통신 시스템)

개략적인 내용은 엠베디드 시스템이 장착된 시스템 내에서 센서와 작동을 통한 Feedback 을 다시 물리적 작동을 위한 신호로 제어하는 것을 통신망을 이용해서 수행합니다. 3가지 기능 모두 만족스러운 결과를 가져올 때 CPS의 효율성을 향상할 수 있습니다. 비전문가의 눈으로 보아도 한 가지 이상의 기본 기술에 문제가 생길경우 CPS 구현이 어렵다는 것을 알 수 있습니다. CPS의 동작순서는 엠베디드 시스템을 통한 동작 구현 - 센싱을 통한 신호의 제어순입니다.

 

"도시 생활을 하는 헐크 대리는 안전운전 365일을 실천하는 준법정신이 투철한 시민입니다. 늦은 시간 다른 차량이 전혀 없는 교차로에서조차 정지 신호를 준수하고 있습니다. 어느 날 문뜩 헐크 대리는 늦은시각 차량이 전혀 없는 교차로 내의 신호등이 여러모로 비효율적이다고 생각하게 되었습니다. "

누구나 이런 상상해본적이 있지 않을까요? 차량흐름이 전혀 없는 교차로 내에서 불필요하게 신호를 기다려 본적이 있지 않나요? CPS 시스템을 적용했을 때는 어떻게 바뀌어 있을까요?

"도시 생활을 하는 헐크 대리는 위치 기능이 포함된 GPS 기능이 포함된 자율주행 자동차를 타고 한적한 길을 달리고 있습니다. CPS 기능이 탑재된 신호등이 교차로 내의 차량 흐름을 네트워크를 통해 Feedback 받고 있으며 헐크 대리의 GPS 기능을 통해 교차로 내 차량이 오고 있다는 것을 감지한 후 프로그래밍 알고리즘을 통해 연산한 후 헐크 대리의 차량 진행방향으로 신호등을 녹색등으로 전환하여 차량이 지나갈 수 있게 신호등을 제어하였습니다."

위의 예시 내용을 통해 알 수 있는 것은 차량의 GPS와 컴퓨팅이 서로 협동하여 신호등(기계)를 제어하여 불필요하게 교차로 내에서 기다리는 시간을 줄이는 결과를 얻어냈습니다. 이처럼 CPS 는 물리적 기계요소를 제어하는 컴퓨터 요소를 가상의 공간에 협동 시스템으로 만들어 낸다는 것을 의미합니다. 위의 신호등을 예로 국한하였지만 이러한 CPS 기능은 항공우주공학, 화학 공정, 기초적인 인프라, 에너지, 의료, 제조산업 모든 분야에 제한되어 있지 않고 나날이 진보된 기술을 선보이고 있습니다.

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