디지털 트윈은 물리적 제품 또는 프로세스를 가상으로 재현하는 가술로, 물리적 대상의 성능 특징을 이해하고 예측하는 데 사용됩니다. 디지털 트윈은 실제 프로토타입에 투자하기 전에 제품 및 생산 시스템을 시뮬레이션, 예측, 최적화하는 데 사용됩니다.
디지털 트윈은 물리적 객체, 시스템 또는 프로세스의 가상 표현 또는 이에 상응하는 디지털 버전입니다. 실시간 데이터, 시뮬레이션 및 모델링 기술을 사용하여 이에 상응하는 물리적 버전의 거동, 특성 및 성능을 반영합니다. 제조, 의료, 운송, 에너지 등 다양한 산업 분야에서 디지털 트윈을 활용하여 성능을 최적화하고 운영을 모니터링하며 의사 결정을 지원합니다.
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디지털 트윈은 다중 물리 시뮬레이션, 데이터 분석, 머신 러닝을 결합하여 설계 변경, 사용 시나리오, 환경 조건 및 기타 변수의 영향을 입증함으로써 물리적 프로토타입의 필요성을 해소하고 개발 시간을 단축하며 품질을 개선합니다.
디지털 트윈은 센서, IoT 장치 및 기타 소스의 실시간 데이터로 지속적으로 업데이트되어 주어진 시간에 물리적 자산 또는 시스템을 정확하게 표현합니다.
디지털 트윈은 시뮬레이션 및 모델링 기술을 통합하여 다양한 조건에서 물리적 자산 또는 시스템의 거동과 성능을 시뮬레이션하는 경우가 많습니다. 이를 통해 예측 분석, 최적화, 시나리오 계획을 실행할 수 있습니다.
디지털 트윈을 통해 가상 모델과 물리적 모델이 양방향으로 통신할 수 있습니다. 즉, 디지털 트윈의 데이터와 인사이트는 실제 세계의 의사 결정과 행동에 영향을 미칠 수 있으며 반대로 실제 세계가 디지털 트윈에 영향을 미칠 수 있습니다.
디지털 트윈을 사용하면 가상 환경에서 물리적 자산 또는 시스템을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 이를 통해 원격 모니터링, 진단, 예측 유지보수를 실행하여 성능을 최적화하고 다운타임을 줄일 수 있습니다.
제조
제조 프로세스 및 장비의 디지털 트윈은 생산 일정을 최적화하고 장비 고장을 예측하며 전체 효율을 개선할 수 있습니다.
스마트 시티
교통망, 유틸리티와 같은 도시 인프라의 디지털 트윈은 교통 흐름을 최적화하고 에너지 소비를 관리하며 공공 서비스를 개선할 수 있습니다.
의료
환자 생리 및 의료기기의 디지털 트윈은 개인화된 치료 계획을 지원하고, 상태 지표를 원격으로 모니터링하고, 수술 절차를 시뮬레이션할 수 있습니다.
에너지
발전소 및 재생 에너지 시스템의 디지털 트윈은 에너지 생산을 최적화하고, 장비 고장을 예측하고, 그리드 안정성을 관리할 수 있습니다.
디지털 트윈 모델링은 해당 소프트웨어의 특정 기능에 따라 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어와 시뮬레이션 소프트웨어 모두에 탑재될 수 있습니다.
CAD 소프트웨어
CAD 소프트웨어는 주로 물리적 객체 또는 시스템의 상세한 3D 모델을 만드는 데 사용됩니다. 디지털 트윈의 맥락에서 CAD 소프트웨어를 사용하여 물리적 자산의 가상 표현 또는 지오메트리를 생성할 수 있습니다. 여기에는 물리적 객체의 지오메트리, 구조, 구성 요소 및 어셈블리 모델링이 포함됩니다. CAD 소프트웨어는 일반적으로 기하학적 표현 및 설계 의도에 중점을 두어 엔지니어가 제품 또는 시스템의 정확한 가상 모델을 생성할 수 있습니다.
시뮬레이션 소프트웨어
반면에 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 조건에서 물리적 시스템의 거동과 성능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 실시간 데이터, 물리 기반 모델, 시뮬레이션 기술을 통합하여 물리적 자산의 가상 표현을 생성함으로써 디지털 트윈 모델링을 통합할 수 있습니다. 여기에는 물리적 시스템의 동적 거동, 상호 작용 및 성능 특성을 시뮬레이션하는 것이 포함됩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 기본 물리학 원리를 기반으로 시스템의 거동을 분석하고 예측하는 데 중점을 둡니다.
실제로 디지털 트윈 모델링에는 CAD 소프트웨어와 시뮬레이션 소프트웨어가 조합되는 경우가 많습니다. CAD 소프트웨어는 물리적 자산의 기하학적 표현을 생성하는 데 사용되며, 시뮬레이션 소프트웨어는 디지털 트윈의 거동과 성능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 엔지니어는 CAD와 시뮬레이션 소프트웨어 간의 통합을 통해 물리적 시스템과 동적 거동을 정확하게 나타내는 포괄적인 디지털 트윈을 생성할 수 있습니다. 또한 일부 소프트웨어 플랫폼은 CAD 및 시뮬레이션 기능을 단일 플랫폼에 결합하는 통합 솔루션을 제공하여 사용자가 동일한 환경 내에서 설계에서 분석으로 원활하게 전환할 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 통합 솔루션을 통해 디지털 트윈을 보다 효율적이고 효과적으로 생성, 시뮬레이션, 최적화할 수 있습니다.
디지털 트윈의 잠재적 응용 분야는 디지털 트윈이 모델링하는 제품 라이프사이클이 어떤 단계인지에 따라 달라집니다. 일반적으로 디지털 트윈에는 제품, 생산, 성능의 세 가지 유형이 있습니다. 세 가지 디지털 트윈이 발전하면서 이 세 가지를 조합하고 통합하는 것을 디지털 스레드라고 합니다. 실이라는 의미의 '스레드'라는 용어가 사용되는 이유는 제품 및 생산 라이프사이클의 모든 단계에서 얻은 데이터를 서로 엮여 하나로 통합하기 때문입니다.
제품 디지털 트윈은 물리적 제품을 디지털 형태로 복제하며, 제품 설계, 테스트, 시뮬레이션에 사용됩니다. 엔지니어와 설계자는 제품 디지털 트윈을 통해 다양한 조건에서 제품이 어떻게 작동하는지 분석하여 생산을 실제로 시작하기 전에 설계와 기능을 최적화하도록 지원합니다.
프로세스 디지털 트윈은 물리적 프로세스 또는 시스템의 거동을 시뮬레이션하고 분석합니다. 제조 플랜트, 공급망, 에너지 그리드와 같은 복잡한 시스템의 운영을 모니터링, 제어, 최적화하는 데 사용됩니다. 조직은 프로세스 디지털 트윈을 통해 실시간으로 프로세스를 시각화, 시뮬레이션, 분석하여 의사 결정을 지원하고 성능을 최적화할 수 있습니다.
시스템 디지털 트윈은 디지털 환경에서 전체 시스템 또는 에코시스템을 복제합니다. 제품, 프로세스, 기타 구성 요소의 여러 디지털 트윈을 통합하여 복잡한 시스템의 거동을 종합적으로 시뮬레이션합니다. 시스템 디지털 트윈은 스마트 시티, 운송 네트워크, 산업 단지와 같은 대규모 시스템을 모델링하고 분석하는 데 사용됩니다.
주로 모니터링 및 분석에 사용되는 기존 디지털 트윈과 달리, 실행 가능한 디지털 트윈은 입력에 응답하고, 시나리오를 시뮬레이션하고, 자율적으로 또는 사람의 개입으로 의사 결정을 내릴 수 있는 능동적인 동적 모델입니다. xDT(실행 가능한 디지털 트윈). 간단히 말해서 xDT는 칩의 디지털 트윈입니다. xDT는 물리적 제품에 내장된 (비교적) 적은 수의 센서에서 얻은 데이터를 기반으로 차수 감소 모델을 사용하여 실시간 시뮬레이션을 수행합니다. 이러한 소수의 센서를 통해 물체의 어떤 지점(센서를 설치할 수 없는 위치 포함)에서도 물리적 상태를 예측할 수 있습니다.
실시간 시뮬레이션 및 상호 작용
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 물리적 자산 또는 시스템의 거동과 성능을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 입력에 응답하고, 다양한 작동 조건을 시뮬레이션하고, 외부 시스템 또는 사용자와 동적으로 상호 작용할 수 있습니다.
자율성 및 의사 결정
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 사전 정의된 규칙, 알고리즘 또는 머신 러닝 모델을 기반으로 자율적으로 의사 결정을 내릴 수 있습니다. 데이터를 분석하고, 결과를 예측하고, 성능을 최적화하거나 변화하는 조건에 대응하기 위한 조치를 취할 수 있습니다.
폐루프 제어
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 종종 폐루프 제어 시스템에서 작동하며, 센서 및 액추에이터의 실시간 데이터가 가상 모델로 다시 공급되어 매개변수를 조정하고 성능을 최적화하며 원하는 작동 조건을 유지합니다.
예방 분석 및 최적화
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 예측 분석 및 최적화 기술을 사용하여 미래 거동을 예측하고, 잠재적인 문제 또는 기회를 식별하고, 성능을 개선하거나 위험을 완화하기 위한 조치를 권장합니다.
IoT 및 AI 기술과의 통합
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 IoT(사물 인터넷) 센서, 연결성, AI(인공 지능) 알고리즘을 활용하여 실시간 데이터를 수집하고 복잡한 패턴을 분석하며 정보에 입각한 의사 결정을 내립니다. 또한 적응 거동과 지속적인 개선을 위해 머신 러닝 모델을 통합할 수도 있습니다.
동적 적응과 학습
xDT(실행 가능한 디지털 트윈)는 경험을 통해 학습하고 시간이 지남에 따라 환경이나 운영 조건의 변화에 적응할 수 있습니다. 새로운 데이터와 피드백을 기반으로 모델, 매개변수, 전략을 지속적으로 업데이트할 수 있습니다.
실행 가능한 디지털 트윈은 제조, 에너지, 운송, 의료, 스마트 시티를 포함한 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 이를 통해 실시간 모니터링 및 제어가 중요한 복잡한 시스템에서 예측 유지보수, 자율 운영, 프로세스 최적화 및 의사 결정을 지원합니다. 전반적으로 실행 가능한 디지털 트윈은 디지털 트윈 기술의 차세대 진화를 대표하며, 물리적 자산 및 시스템의 실시간 시뮬레이션, 의사 결정 및 최적화를 위한 향상된 기능을 제공합니다. 실행 가능한 디지털 트윈은 물리적 자산 또는 시스템의 가상 복제본을 나타낼 뿐만 아니라 가상 모델을 실시간으로 실행, 시뮬레이션, 상호 작용할 수 있는 기능을 갖춘 디지털 트윈의 고급 유형입니다.
물리 기반 모델
물리 기반 실행 가능한 디지털 트윈은 복제되는 시스템의 물리적 거동을 설명하는 수학적 모델에 의존합니다. 이러한 모델은 일반적으로 역학, 열역학, 유체 역학, 전자기학 등과 같은 물리학의 기본 원리를 기반으로 합니다. 디지털 트윈은 이러한 물리적 현상을 제어하는 방정식의 해를 구하여 가상 환경에서 실제 시스템의 거동을 시뮬레이션할 수 있습니다.
물리적 프로세스의 시뮬레이션
디지털 트윈은 물리 기반 모델을 사용하여 시스템 내의 물리적 프로세스와 상호 작용을 시뮬레이션합니다. 이를 통해 시스템이 다양한 작동 조건, 입력 및 시나리오에서 어떻게 거동할지 예측할 수 있습니다.
실시간 시뮬레이션
물리 모델을 기반으로 하는 실행 가능한 디지털 트윈은 실시간 또는 거의 실시간으로 물리적 시스템의 거동을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 시스템 및 환경의 현재 상태를 기반으로 동적 상호 작용 및 의사 결정을 수행합니다.
폐루프 제어
물리 기반 실행 가능한 디지털 트윈은 종종 폐루프 제어 시스템에서 작동하며, 센서와 액추에이터의 실시간 데이터를 사용하여 시뮬레이션 매개변수를 조정하고 가상 모델의 거동을 제어합니다. 이를 통해 디지털 트윈은 원하는 작동 조건을 유지하고 성능을 최적화할 수 있습니다.
검증과 확인
실행 가능한 디지털 트윈에 사용되는 물리 기반 모델은 검증과 확인을 통해 정확성과 신뢰성을 보장해야 합니다. 여기에는 시뮬레이션 결과를 실제 측정 데이터 및 실험 데이터와 비교하여 디지털 트윈이 물리적 시스템을 정확하게 나타내는지 확인하는 것이 포함됩니다.
물리 기반 모델링은 실행 가능한 디지털 트윈에서 일반적으로 사용되지만, 데이터 기반 모델링, 경험적 모델 또는 물리학과 데이터 기반 기술을 결합한 하이브리드 모델과 같은 다른 모델링 접근 방식도 애플리케이션의 특정 요구사항과 제약 조건에 따라 사용될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
제조, 의료, 운송, 에너지 등 다양한 산업 분야에서 디지털 트윈을 활용하여 성능을 최적화하고 운영을 모니터링하며 의사 결정을 지원합니다.
제조업체는 생산 디지털 트윈을 통해 새로운 비즈니스 모델을 개발하고, 팀과 조직 간의 협업을 개선하고, 프로세스를 향상하고, 제품 및 생산 품질을 높이고, 출시 시간을 단축할 수 있습니다.
팀은 Siemens Xcelerator 포트폴리오를 사용하여 적층 제조가 가능하고 두 명의 환자를 하나의 인공호흡기에 안전하게 연결할 수 있는 일회용 어셈블리를 설계, 분석, 검증했습니다.
