사이버 물리 시스템 (Cyber-Physical System)

 

사이버 물리 시스템(CPS)이란?

 

사이버-물리 시스템은

현실 세계와 사이버 시스템을

유기적으로 결합하여

자연환경을 스스로 인지하고

주어진 임무를 수행하는 스마트 시스템을 말한다.

 

CPS는 물리세계의 일반적인 사물들과

다양한 컴퓨터 기능이 네트워크로 연결돼 복합시스템을 구성하고, 

물리 세계 정보를 습득, 가공, 계산, 분석해

그 결과를 엑츄에이터 시스템을 통해 물리 세계에 적용하는 기술로 

기존의 임베디드 시스템이 확장된 개념이라고 볼 수 있다.

 

 

임베디드 시스템(Embedded System)은

일상생활에서 사용되는 전자기기, 가전제품, 자동차 등에

특화된 컴퓨터를 내장하고 

이를 통해 각 제품을 제어할 수 있게 만드는 기술이다.

 

임베디드 시스템이 내장된 전자기기는

사용자의 요구에 따라 개별적으로 동작하므로 단방향이며, 폐쇄적이라면 

 

사이버-물리 시스템(CPS)은 실제 물리 세계와 시스템 간의 

상호작용을 강조한다는 것이

가장 큰 차이일 것이다.

 

 

CPS의 핵심 요소는

연산, 통신, 제어로 각 시스템 개체들 간의

협력을 통한 물리적인 현상의 관찰, 예측, 조작 등이 특징이며

교통, 의료, 항공, 에너지 등 광범위한 분야에서 사용될 수 있다.

 

 

CPS은 물리 시스템과 사이버 공간
그리고 이를 연결하는 인터페이스(interface)로 구성된다.

물리 시스템은 상태나 동작 등의

관측이나 제어가 필요한 물리적인 대상을 말하고,

사이버 공간은 정보를 처리하는 시스템으로 네트워킹을 포함한다.

 

인터페이스는 센서와 통신 그리고 시스템을 제어하는

액추에이터로 구성된다.

CPS는 센싱, 네트워킹, 정보처리 및 판단

그리고 액추에이션의 상호작용을 지속해서 수행함으로써

주어진 임무를 실시간에 처리하는 피드백 시스템이다.

 

예를 들어 자율주행 자동차에

CPS를 적용하면

라이더(LiDAR)나 레이더, 카메라와 같은 센서로

차량 주변의 환경 정보를 수집하고, ITS 네트워크 를 통하여

도로의 트래픽 정보를 사이버 공간에서 수집한다.

수집된 정보를 지능적으로 처리하고

스스로 판단한 후에 주행을 하거나 제동 장치 등을 제어한다.

 

일반적으로 CPS는 현실 세계의 정보를 수집·처리하여

시스템을 제어하는 데 중점을 두는 반면,

 

디지털 트윈은 현실 세계의 정보를 바탕으로

가상 세계에 현실과 같은 환경을 구현하는 데 중점을 둔다.

따라서 CPS에서 필요한 최적의 분석과 의사결정을 도출할때

디지털 트윈으로 만든 가상 세계에서

무한 번의 시뮬레이션을 활용할 수 있다.

이런 관점에서 디지털 트윈은

CPS에서 사이버 시스템을 구성하는

하나의 요소일 수 있다.

 

 

 

자료 : 한국정보통신기술협회의 정보통신용어사전

 

 

 

 

 

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사이버물리시스템 기반 융합 플랫폼 기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 정보통신융합공학부 손상혁 석학교수

SF영화의 단골 소재로 등장해 온 미래형 자동차와 인공지능 교통망의 결합이 머지않은 미래에 실현될 전망이다. 이미 미국 교통당국은 2016년 2월 구글 무인자동차의 인공지능베이스 자율주행 컴퓨팅 시스템을 운전자로 인정했다. 사이버물리시스템의 대표 석학 대구경북과학기술원(DGIST) 손상혁 교수는 빠르면 2020년 세계의 ICT 환경은 상상 이상의 변화가 시작될 것이라고 전망한다. 인류가 꿈꿔온 안전하고 편리한 이상향 건설을 위해서는 사이버물리시스템의 보안성과 신뢰도 확보가 관건이다. 한국연구재단 국제공동연구사업을 통해 ‘지능형 차량 및 교통시스템의 고안전성 보장을 위한 사이버물리시스템 기반 융합 플랫폼 기술 개발’에 박차를 가하는 DGIST 사이버물리시스템연구센터는 자율주행차의 미래는 더 이상 꿈이 아닌 현실이라 말한다.

 

 

현실과 사이버 세상의 교차점에서 탄생한 사이버물리시스템

“앞으로 기름이 아닌 SW로 자동차가 움직이는 세상이 됩니다. 자율주행차는 지능형교통시스템(ITS)에 연결돼 스스로 안전하고 경제적인 최적의 주행 값을 설정하죠.”
대구경북과학기술원(DGIST) 정보통신융합공학부 손상혁 교수(CPS센터장, 대학원장)의 설명에 따르면 세계 각국은 이미 1990년대부터 ICT기반의 미래형 교통시스템 구축에 투자해왔다. 교통시스템 자체는 물론 차와 차, 차와 교통망, 차와 인간이 소통하는 V2X(Vehicle to everything) 통신이 실현되면 현재와 같은 물리적인 신호체계는 뒤로 밀려날 전망이다. 이를 가능케 하는 기반기술이 바로 사이버물리시스템이다.
사이버물리시스템은 한마디로 사물과 인공지능망의 결합이다. 사물인터넷(IOT)이 자동차를 타고 집에 가는 운전자가 스마트기기를 이용해 에어컨이 미리 작동하도록 명령을 내리는 기술이라면 사이버물리시스템(CPS: Cyber-Physical System)은 스마트홈과 스마트카가 서로 데이터를 교환하며 주인이 도착할 시간에 맞춰 자동으로 에어컨을 최적의 상태로 가동하는 판단력과 실행력까지 갖춘 보다 능동적이고 확장된 개념이다. 자동차는 물론 모든 사물과 시스템, 심지어 사람도 몸 속에 내장된 센서를 통해 정보를 수집하고 데이터를 교환하며 생활의 편리와 이익을 도모한다. 그 매개는 컴퓨터다. 이처럼 물리법칙이 적용되는 현실의 세상과 디지털의 영역인 사이버 세상을 연결시키는 사이버물리시스템 개발은 10여 년 전부터 컴퓨터 분야에서는 중요한 도전과제 중 하나로 꼽혀왔다.
대표적으로 차량과 교통은 지능형 SW, 통신 등 ICT기술 도입이 확대되며 사이버물리시스템으로 진화하는 분야다. 손상혁 교수는 실시간 시스템 및 제어 기술, 임베디드 시스템, 무선 센서 네크워크 등을 융합한 사이버물리시스템 분야를 개척한 세계적인 전문가로 지난 2012년 DGIST의 1호 펠로우로 선발됐다. 같은 해 10월 CPS센터의 문을 열고 사이버물리시스템에 기반을 둔 자동차교통시스템, 스마트빌딩, 의료시스템의 연구를 이끌고 있다.

미래 교통 환경을 가상 현실로, 사이버 교통시스템(Cyber-transportation) 테스트베드 구축

“운전자의 운전패턴, 차량의 궤적, 시간과 교통량 등을 반영하지 않는 현재의 교통신호체계아래 자율주행차량 기술이 상용화될 경우 편의성과 안전성, 효율성 보장이 불확실합니다.”
차량과 교통시스템은 지능형 SW, 통신기술 등 ICT기술과 결합하며 빠르게 사이버물리시스템으로 진화하고 있다. 완전한 스마트 환경에서 스마트카는 주변 자동차의 움직임을 모니터링해 운전하며, 스마트 도로는 보수가 필요할 때 스스로 수리 요청을 보낸다. 더 이상 주차공간을 찾는데 긴 시간을 할애할 필요도 없다. 하지만 과도기적으로 자율주행자동차와 사람이 운전하는 자동차가 공존하는 단계에서 발생할 수 있는 위험성을 간과할 수 없다. 사람은 자신의 기분, 성향에 따라 시스템이 제공하는 정보와 다른 판단을 할 수 있기 때문이다. 이와 함께 고려해야 할 것이 바로 사이버 보안이다. 지능형 차량이 외부 통신망과 네트워킹하기 위해서는 차량이 오픈 시스템을 갖춰야 하는데 해킹과 같은 악의적인 공격에 의해 운전자의 안전성이 위협받을 수 있다.
“사이버물리시스템은 기존 임베디드 시스템의 미래지향적이고 발전적인 형태로 다양한 사회 기반 시설에 적용할 수 있습니다. 특히 지능형 자동차와 교통 시스템에서 구성요소의 복잡성 증가로 전체 시스템의 결함 가능성이 증대하는 만큼 교통시스템은 전자, 정보통신, 교통공학, 토목, 제어 등의 다양한 분야와 시스템을 아우르는 복합시스템으로 이들의 사이버물리시스템 및 시스템 과학적 방법론을 기반한 안전성과 보안성을 보장해야 합니다.”
손상혁 교수는 2013년 12월부터 한국연구재단 국제공동연구사업을 통해 차세대 ITS와 자율주행차량의 효율성, 안전성 및 보안성을 동시에 획기적으로 개선할 수 있는 사이버물리시스템 기반의 융합플랫폼 개발을 진행해 왔다. 지금까지의 국내 연구가 차량 데이터통신의 보안에 초점을 맞춰 진행됐다면, CPS센터는 해킹, 센서의 고장 등 주행 중 예상하지 못한 위기 상황에서도 차량이 유연하게 대처할 수 있도록 높은 신뢰성과 안전성을 보장할 수 있는 무결점 지능 시스템을 CPS기술을 제공하는 것이 목표다.
CPS센터는 지난해 운전자, 도로, 자동차의 긴밀한 상호관계를 파악할 수 있도록 트래픽 시뮬레이터와 운전 시뮬레이터, 운전자를 통합하여 미래 교통 환경을 가상 현실화한 사이버 교통시스템(Cyber-transportation) 테스트베드의 개발을 완료했다. 연구진들은 가상 시나리오를 바탕으로 운전자에게 어떻게 신호를 주는 것이 효과적인지, 어떻게 주행하는 것이 안전하고 경제적인지를 시험한다. 일례로 고속으로 주행하는 자동차 센서에 고장이 발생할 경우 차가 그대로 멈추면 더 큰 사고가 발생한다. 안전을 위한 최소한의 작업을 하면서 스스로 복구할 수 있는 고신뢰 시스템 개발이 중요한 이유다.
테스트베드는 오픈소스로 제작해 세계 연구진들에게 공유할 계획이다. 오픈소스를 활용하면 과학계뿐 아니라 기업과 정부도 자율주행차량과 비자율주행차량이 공존하는 실제 도로환경에서 발생 가능한 문제점과 시행착오를 사전에 파악하고 법적, 제도적 지침 마련을 위한 도구로 활용할 수 있으리란 기대다.

 

“원천기술 개발해 사이버물리시스템 시장 선점해야”

지난 2014년 독일의 한 자동차 회사는 화물트럭 20대의 자율주행 테스트를 실시했다. 다양한 센서가 부착된 트럭들을 약 1m 간격으로 세워 고속 주행한 결과 연료소비가 약 10% 가량 줄었음을 확인했다. 이처럼 차간 안전거리는 최소로 유지하면서 교통사고도 최소화, 연료소비도 최소화, 나아가 교통 패턴 모니터링과 실시간 통제로 교통 혼잡도 최소화 할 수 있는 미래 교통 시스템은 사이버물리시스템이 궁극적으로 추구하는 모습이다. 궁극적으로는 신호등이 없는 교차로에서 자동차들이 빠르고 안전하게 주행할 수 있으리란 기대다.
“우리나라는 세계 최고 수준의 인터넷망이 구축되어 있어요. 그 위에 사이버물리시스템이 완성되면 과거와는 다른 차원의 규모의 경제가 펼쳐질 겁니다.” 세계 각국의 연구진은 사이버물리시스템의 국제 표준으로 채택받기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 때문에 누구도 따라올 수 없는 원천기술 개발이 중요하다.
CPS 글로벌연구센터는 원천기술 개발과 세계시장 선점을 목표로 세계 유수의 대학들과 공동연구를 수행하고 있다. 교통시스템, 안전‧보안, 통신‧데이터전파, 서비스 등 각 분야에서 앞서가고 있는 미국 미시건대, 카네기멜론대, 버지니아대, 스웨덴 왕립공과대 등 7개 학교와 공동연구를 수행하고 있다. 국제 공동연구 외에도 자율복원 고신뢰 CPS 연구를 위해 서울대, 카이스트, 광주과기원, 고려대 등 국내 선도 연구기관들과 컨소시엄을 맺고 국방을 비롯한 원자력발전소, 철도, 드론 등 사회 인프라 CPS 부분의 고신뢰 획득을 목표로 협력연구를 진행하며 통합된 사이버물리시스템구축에도 박차를 가하고 있다. 사이버물리시스템 융합 플랫폼이 현실사회에 안착하기까지 CPS센터의 진취적인 도전은 계속된다. 이제 지능형 차량과 교통시스템을 통해 보다 편리한 인류의 미래가 실현되도록 사회제도적 시스템의 고민을 시작할 때다.

 

 

한국연구재단 뉴스레터에서 발췌