Establishing the Framework of Industry Metaverse based on Digital Twin through Case Studies

디지털트윈 기반의 인더스트리 메타버스 : 사례분석을 통한 프레임워크의 정립

Abstract

With the development of digital technology and the influence of the global pandemic, the metaverse, a three-dimensional virtual world, is receiving attention in society, economy and overall industry, and the manufacturing industry is also accepting it as a major strategic agenda for digital transformation. Therefore, in this study, the concept of the industry metaverse from the perspective of the manufacturing industry was defined, and the types of the industry metaverse were classified into four types by reflecting the characteristics of the manufacturing industry based on the general metaverse scenario presented in previous studies. These are Virtual behavior simulation, Augmented operation of business objects and Virtual experience simulation, Augmented decision of business subjects. In addition, through case analysis of solutions used in the manufacturing industry, it was confirmed that the central technology of the Industry Metaverse is the digital twin, and that it is being implemented by convergence with major digital technologies such as virtual reality, augmented reality, digital human, and AI. This study will be able to provide guidelines for future research on the metaverse from the perspective of the manufacturing industry and establishment of a digital transformation strategy for the industry.

1. 서론

전 세계가 겪고 있는 팬데믹의 영향으로 모든 산업에서 디지털 전환이 가속화되고 있으며, 이러한 과정에서 디지털 트윈(digital twin)과 메타버스(meta- verse)가 크게 주목을 받고 있다. 이러한 기조에서 제조산업에서도 해당 개념과 기술들을 활용하여 비즈니스 오퍼레이션 방식을 획기적으로 혁신하려는 시도가 이어지고 있다. 특히, 제조업에 해당 개념과 기술을 활용할 경우 생산 공정의 정확도와 효율성 증진, 직원 훈련, 업무공유 등이 가능하기에 제조업 전반의 혁신이 가능하기 때문이다[1,2].

산업계에서 디지털 트윈과 메타버스의 적용 필요성과 관련된 논의는 지속되고 있으나, 디지털 트윈과 메타버스가 개념상으로 유사하여 디지털 전환의 전략과 실행관점에서 혼란이 야기되고 있다. 제조업의 디지털 전환(Digital Transformation)을 추진하고 있는 경영진 및 중간관리자들은 디지털 트윈과 메타버스가 동일한 개념인지 또는 새롭게 등장한 메타버스와 기존의 디지털 전환 방법들과의 관계를 어떻게 규명해야하는 지에 대한 명확한 가이드를 요구하고 있다. 이러한 보편타당한 근거가 있어야 제조업의 디지털 전환의 비전을 명확히 하고 효과적인 실행 방안을 수립하여 이행할 수 있기 때문이다.

먼저, 메타버스의 특성을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 가상 혹은 초월을 의미하는 메타(meta), 그리고 우주를 뜻하는 유니버스(universe)의 합성어인 메타버스(metaverse)는 1992년에 스노우 크래쉬(Snow Crash)에서 컴퓨터 기반의 3차원 가상세계를 의미하며 처음 사용되었다. 디지털로 구현된 가상세계에서 나를 대신하는 아바타를 통해 다양한 경험과 모험을 즐기는 게임을 중심으로 구현되어온 메타버스는 최근 3차원 이미지 구현, 증강현실, 가상현실 등의 디지털 기술이 발전하면서 게임 산업을 넘어 엔터테인먼트, 교육, 문화, 관광, 제조, 건설 등의 다양한 산업분야로 확장 중이다. 이에 따라 최근 메타버스에 대한 학술적 연구도 급격히 증가하였다. 그 분야를 살펴보면, 메타버스 개념과 향후 발전방향에 대한 연구가 주를 이루고[2-8], 다음 특정 산업에서 메타버스 적용 방안을 다룬 연구가 수행되었다[9,10,11], 또한 메타버스를 구현하고 발전시키기 위한 생태계 및 기술적 구성요소를 정의한 연구들이 진행되었다[12-16]. 이처럼 그간의 연구는 게임과 같은 특정 산업을 중심으로 논의가 다수 진척되었고, 상대적으로 제조업 관점에서의 연구는 미미한 상황이다. 한국은 전체 GDP 중 제조업이 27.5%로 주요국(일본 20.7%, 독일 19.1 %, 미국 10.9%, 프랑스 9.8%, 영국 8.7%)에 비해 높은 수준이다[17]. 따라서 메타버스와 같이 산업의 판도를 바꿀 수 있는 주제가 제조업의 일하는 방식과 비즈니스 모델을 어떻게 변화시킬 수 있을지, 그리고 급변하는 환경 속에서 제조기업이 지속가능한 경쟁력을 갖추는데 어떻게 기여할 수 있을 지를 살펴보고 논의할 필요성이 있다.

디지털 트윈은 메타버스에 비하여 상대적으로 먼저 소개된 개념이다. 상대적으로 논의된 기간은 길지만, 기술의 확장성과 적용방안에 관한 구체적 논의는 아직 진척되지 못하였다. 그간의 연구는 디지털 트윈관련 기술들에 대한 설명과 아이디어 제시와 관련된 연구들이 다수를 이루고 있다[18]. 구체적인 도메인에 적용한 논문들이 최근 발표되고 있으며, 이들은 스마트제조 혁신, 사이버물리시스템 구현, 제조과정의 에너지효율향상 및 품질향상을 위한 디지털 트윈구현 방안 등의 논의를 일부 담고 있다[19,20,21].

이에, 본 연구에서는 제조업 관점에서의 디지털 트윈의 적용방안과 메타버스로의 확장방안에 대하여 논의해보자 한다. 최근 조선, 철강, 장비 등 다양한제조업 분야에서 디지털 트윈과 메타버스를 적용한 디지털 전환을 시도하고 있다. 본 연구에서는 제조산업 관점에서 바라본 메타버스를 ‘인더스트리 메타버스’라고 칭하고, 제조업이 디지털 전환을 위하여 디지털 트윈과 기반 기술을 어떠한 방식으로 구현하고 활용할 수 있는가를 유형으로 분류하여 제시하고자 한다. 이러한 논의는 산업현장에서 많이 질문되고 있는 ‘디지털 트윈과 메타버스는 어떻게 다른가?’, ‘디지털 트윈과 메타버스는 어떤 관계가 있는가?’ 그리고 ‘제조업 현장에서 디지털 트윈은 메타버스 구현을 위하여 어떤 역할을 하는가?’에 대한 해답을 제시할수 있을 것이라 기대된다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 선행연구를 기반으로 메타버스와 디지털 트윈의 개념과 주요 기술 요소를 정의한다. 3장에서 선행연구에서 제시된 메타버스 유형 프레임워크를 차용하여 현재 제조업에서 활용되고 있는 메타버스 사례분석을 통해 제조산업 관점에서 바라본 인더스트리 메타버스를 유형화한다. 그리고 각 유형에서 메타버스의 핵심기술인 디지털 트윈의 역할과 특성을 규명한다. 마지막으로, 4장에서 각 유형에 따른 디지털 트윈의 접목방안과 시사점을 제언한다. 본 연구결과는 향후 제조산업 기반의 메타버스와 디지털 트윈 연구를 확장해 가는데 논의의 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 메타버스와 디지털 트윈에 대한 선행 연구

2.1 메타버스

2.1.1 메타버스 정의

메타버스 대한 정의는 관점에 따라 다양하게 수행되고 있다. 메타버스 용어는 1992년 공상과학 소설에서 가상세계의 개념으로 처음 사용되었다. 그러다 2007년 미국 미래가속화연구재단(Acceleration Studies Foundation: ASF)의 연구를 시작으로, 메타버스는 분절적인 가상세계가 아닌 현실과 융복합된 세계를 지칭하는 개념으로 활용되기 시작하였다[22, 23]. ASF는 메타버스의 개념을 설명하면서, 적용되는 정보형태와 구현환경에 따라 네 개의 발전 시나리오(가상세계: virtual worlds, 거울세계: mirror worlds, 증강현실: augmented reality, 라이프로깅: lifelog- ging)를 제안하였다. ASF의 논의는 관련 기술이 충분히 성숙하지 않은 가운데 메타버스의 유형을 개념적으로 분류·제언하였다는 한계가 존재하지만, 메타버스의 적용 범위를 확장하여 개념 정립을 시도한 초기 연구로서 상당한 의미가 있다[23]. ASF는 메타버스 논의를 위한 기반을 제공하였기에, 이를 토대로 새롭게 등장하는 관련 서비스와 플랫폼을 해석하고 재정의하고 발전방향을 예측해보자 하는 연구들이 다수 진행되었다[3,4]. 위 네 개의 시나리오 중 가장많은 논의가 진척된 것은 가상세계 분야이다. 그간 컴퓨터그래픽으로 만들어 낸 가상세계를 구현한 게임 서비스나 커뮤니티 플랫폼들이 다수 출시되면서, 메타버스는 온라인상 게임형 가상세계로 이해되고 정의되기도 하였다[5,24,25]. 그러다 최근 들어 관련기술의 진보에 따라 가상세계 중심이 아닌 범용적이고 포괄적인 정의로 확대되고 있다. 메타버스를 유희의 관점과 게임의 영역에서 한정하여 보는 것이 아니 라, 현실세계와 같이 사회·경제·문화활동이 이루어지고 상호작용이 가능한 3차원의 가상공간으로 범용적으로 포괄하여 바라보기 시작한 것이다[26,27,55, 56]. 이에 본 연구에서는 ASF의 개념적 발전 시나리오에 대한 이해를 바탕으로 인더스트리 메타버스를 정의함에 있어, 제조기업들이 현실과의 가상의 상호작용을 통하여 제조기업 본연의 활동인 제품개발, 생산, 물류, 마케팅, 영업 서비스를 실행할 수 있는 3차원 가상공간으로 개념화하였다.

2.1.2 메타버스의 활용분야와 기술적 구성요소

메타버스는 게임분야에서 시작되어 엔터테인먼트 분야로 확대되어 왔다. 그러다 최근 산업 전반으로 그 응용범위가 확장되고 있다. 한 시장조사업체는 메타버스 응용시장이 제조·제품개발(24%), 의료·헬스케어(24%), 교육(20%), 업무 프로세스 개선(18%) 분야에서 확대될 것이라 예측한 바 있다[35]. 이처럼, 메타버스의 활용분야가 점차 확대되고 있지만, 아직까지 관련 논의는 특정 메타버스 기반의 게임이나 엔터테인먼트, 미디어에 대한 논의와[28,29,30] 그 기술적 특성을 탐색하는데 집중되어 있다[12].

그간 논의된 기술적 특성을 살펴보면 다음과 같다. 메타버스는 특정 기술에 의존적이라기 보다 하나의 기술생태계로서 다양한 기술 조합과 산업의 가치사슬이 융합되어 가상의 공간을 형성하는 것으로 이해된다[31]. 그리고 그 기술 생태계는 인프라, 하드웨어, 소프트웨어/콘텐츠, 플랫폼과 같이 4가지로 구분될 수 있다[32]. 인프라 영역에서는 5G, 6G, 클라우드가 대표기술로, 하드웨어 영역에서는 VR, AR 글래스와 디스플레이 기술이, 소프트웨어/콘텐츠 영역에서는 개발엔진, AI, 디지털 트윈 기술이 대표적으로 언급된다. 그러나 이러한 기술들은 생태계 속 특정한 분류 틀에 완전히 속한다기보다는 메타버스의 속성에 따라 기술이 서로 연계되어 작동한다[33]. 디지털트윈은 메타버스를 논함에 있어 핵심기술로 언급되며, 그 관점에 따라 인프라로, 혹은 하나의 소프트웨어이자 콘텐츠로 논의되기도 한다[34]. 이처럼 메타버스와 디지털 트윈은 기술이 발전하고 있는 단계이기에 기술정의와 규격의 합의가 존재하지 않는다. 이에 이 둘 사이의 기술적 종속성과 개념적 범주에 대해 다양한 논의가 전개되고 있는 상황이다. 아직까지 명확한 정의는 없으나, 그간의 분산된 논의를 정리해보면, 메타버스와 디지털 트윈은 본질적으로 동일한 기술요소를 공유하기에, 디지털 트윈이 메타버스의 일부분으로서 기술 간 시너지를 낼 수 있는 것으로 이해될 수 있다[33].

2.2 디지털 트윈

2.2.1 디지털 트윈 개념

디지털 트윈은 GE(General Electric)이 자사의 엔진과 터빈 등의 제품에 이를 적용하며 널리 알려지게 되었지만, 처음 개념을 제안한 것은 마이클 그리브스 (Michael Grieves)이다. 그의 저서에서 디지털 트윈은 마이크로 원자 수준에서 매크로 기하학 수준까지 잠재적 혹은 실제 물리적 제조 제품을 설명할 수 있는 가상 정보의 구조적 집합이라고 정의되었다[36]. 이 개념에 따르면 디지털 트윈은 현실에 존재하는 거의 모든 물리적 대상에 적용할 수 있다. 더 나아가 물리적 대상 뿐 아니라 프로세스, 조직, 사람 및 추상화를 포함한 소프트웨어 모델인 디지털 트윈은 사람을 포함한 실물세계와 가상세계 간의 유기적 역할을 가상공간에 구현하는 개념으로 확장된다[37]. 디지털 트윈은 특정 기술을 의미하는 것이 아닌 3D 엔진, 시뮬레이션 기술, IoT 및 AI 등 다양한 디지털 기술을 복합적으로 활용하여 구현하는 상태를 의미하는 개념적인 정의이다. 현재 디지털 트윈의 개념은 이기술들이 완벽하게 구현할 경우의 가능 수준까지를 포괄하고 있다. 즉, 물리적 대상의 형상뿐 아니라 현실세계의 물리적 대상의 움직임까지 디지털 세계에 재현하는 것이고, 더 나아가 현실세계와 가상세계 간에 정보가 상호 연결되는 수준까지를 의미한다 [19,20]. 그러나 현실적으로 디지털 트윈 구현하는 데는 많은 기술적 요소와 자원이 필요하여 산업 현장에서 가장 성숙된 단계의 완벽한 디지털 트윈을 구현하는 사례는 매우 드물다. 가트너의 경우 디지털 트윈의 구현 수준에 따라 1단계는 물리적 대상의 모델생성하여 가상의 개체를 가시화하고 시뮬레이션하는 단계, 2단계는 디지털 트윈에 실시간으로 데이터를 연결하여 모니터링하는 단계이며, 3단계는 연결된 데이터와 시뮬레이션 결과를 활용하여 실시간 분석·예측 및 최적화를 달성하는 수준으로 정의하였다 [38,39]. 이러한 단계적 정의를 기준으로 본 연구에서는 메타버스에 활용되는 디지털 트윈 기술은 실제 존재하거나 앞으로 존재할 잠재적 물리적 대상을 모델링하고 여기에 다양한 물리적 모델과 수학적 모델을 적용하여 가상 시뮬레이션하는 1단계 수준의 디지털 트윈을 적용하였다.

2.2.2 제조산업에서의 디지털 트윈 활용 분야

제조업의 위기를 극복하기 위해 기업들은 디지털 전환을 가속화하고 있으며, 제조업 혁신의 핵심기술로 디지털 트윈에 주목하고 있다[40]. 제조업의 경우 특정 제품을 구성하는 부품 단위의 디지털 트윈, 부품들이 조립되어 완성되는 제품 단위의 디지털 트윈, 생산용 기계 및 장비로 구성된 생산시스템을 구현한 생산 공정 단위의 디지털 트윈 그리고, 단계별 제조과정을 통해 완제품을 만들어 내는 전체 생산 프로세스를 구현한 공장 단위의 디지털 트윈을 구현할 수 있다[37].

디지털 트윈은 복잡한 시뮬레이션을 신속하고 충실히 수행할 수 있는 ROM(Reduced order model- ing) 기술과 HPC(High Performance Computing)를 통해 성능 예측, 최적화, 고장 예지 진단을 실시간으로 수행이 가능해짐으로써 가속화되었다[41]. 이러한 이점 때문에 광범위한 업무 분야에 디지털 트윈을 도입하는 사례가 생겨나고 있다. 일례로, 현대자동차는 2022년 현실의 ‘스마트팩토리’를 메타버스로 전이시킨 ‘메타팩토리’를 통하여 공장 운영을 고도화하겠다는 계획을 발표하였다[42]. 메타팩토리는 공장 운영 이전에 최적화된 가동률을 고려한 운영 계획 수립을 가능하게 한다. 또한, 공장 내 발생하는 설비, 공정, 품질상의 문제를 신속히 파악하며 문제를 원격으로 해결하게도 해줄 수가 있다. 지멘스의 스마트팩토리 EWA(Electronics Works Amberg)는 수집된 실시간 품질 정보를 분석하여, 불량 재공품이 후속 공정에 투입되는 것을 사전에 방지하기도 한다[43]. 현대중공업은 해상 선박 운항 상황 환경을 디지털 트윈으로 조성해, 실제 시운전에서 실현하기 힘든 조건에서 시스템을 사전 테스트함으로써 시운전 비용을 절감하고자 하며[44], 자동차, 항공, 전자제품 등 전 영역에서도 유사한 시도들을 하고 있다. 이 외에 디지털 트윈으로부터 수집된 설비데이터를 기존 BOM (Bill of Material)에 반영하여 공정 BOM을 최적화하고자 하고자 하는 사례도 보고되고 있다[45].

3. 디지털 트윈을 중심으로 한 인더스트리 메타 버스 유형화

3.1 유형 분석 프레임워크

본 연구에서는 인더스트리 메타버스를 유형화하기 위해 ASF가 제시한 4가지 시나리오 유형을 차용 하였다. 이 유형 분류의 첫 번째 스펙트럼은 메타버스의 활용 목적관점에서 현실세계를 대신하는 시뮬레이션을 수행할 수 있는가와 현실세계의 정보를 증강하는가이다. 두 번째 스펙트럼은 메타버스의 구현이 참여자 즉, 나를 중심으로 하는가와 대상이 되는 세상을 중심으로 하는가이다[22]. 이 두 개의 스펙트럼 축이 교차하여 각각의 유형이 정의된다. 첫 번째 유형은 참여자가 중심이 되어 시뮬레이션된 세상을 경험하는 가상세계이다. 대표적인 예는 세컨드 라이프(Second Life)로 실제로는 존재하지 않는 현실 같은 가상세계에서 나의 아바타를 통해 체험하고, 소통하고, 게임, 쇼핑, 문화활동 등을 하는 세계이다. 두번째 유형은 현실세계의 대상물을 3차원 디지털 형상으로 구현하고 이를 기반으로 시뮬레이션할 수 있는 거울세계이다. 구글어스(Google Earth)와 같이 현실세계를 그대로 재현하여 디지털 세상에서 공간의 제약을 넘어 현실세계를 경험하고 정보를 활용하는 세계인데, 디지털 트윈의 개념이 여기에 해당한다. 세 번째 유형은 자동차 운전석의 전방 시현기 (Head-up Display)와 같이 현실세계의 대상에 정보를 입혀서 정보를 활용하는 효과를 강화하는 증강현실이다. ASF에서는 이 유형을 AR이라는 기술로 대변하고 있으나 현실증강 뿐 아니라 가상화한 대상에정보를 확장하는 가상증강(Augmented Virtuality) 과 같은 혼합현실(Mixed Reality)도 이 유형에 포함된다고 볼 수 있다[53]. 마지막 유형인 라이프로깅은 우리가 흔히 사용하는 SNS나 나이키플러스와 같은 스마트폰 앱으로 개인의 일상, 신체 활력 정보 등이 기록된 정보를 바탕으로 디지털 세상에서 다양한 소통과 활동을 하는 세상이다.

앞서 기술한 4가지 유형을 분류하는 기준 중 두 번째 스펙트럼은 제조업에서 메타버스가 무엇을 중심으로 구현되는 가를 검토하기 위해 해당 스펙트럼을 제조업의 특성에 맞게 변경하는 절차가 필요하다. 이에 본 연구에서는 ASF가 제시한 기준에서 개인중심의 사적인 측면을 기업의 비즈니스 주체가 되는 직원, 고객 및 기업자체로 대체하고 세상중심의 외부적 측면을 기업의 비즈니스 대상이 되는 제품, 설비, 공정, 공장, 건물 등으로 대체하였다. 이에 따라 제조업 관점의 인더스트리 메타버스의 기본 시나리오는 Fig. 1에서와 같이 재정의 된다. 첫 번째 유형은 비즈니스 대상의 동작을 시뮬레이션하는 거울세계, 두 번째 유형은 비즈니스 주체인 직원 또는 고객의 경험을 시뮬레이션하는 가상세계, 세 번째 유형은 비즈니스대상에 정보를 추가하여 현실보다 증강된 오퍼레이션을 실행하는 세계이고 네 번째 유형은 비즈니스주체의 활동으로 생성된 다양한 정보를 가상환경에서 보다 증강된 형태로 분석하고 의사결정할 수 있는 세계를 의미한다.

Fig. 1. Industry Metaverse Framework derived from ASF’s Scenario.

3.2 제조산업에서의 메타버스 유형별 사례분석

제조업 관점의 메타버스 사례분석은 현재 이 산업에서 활용되고 있는 상용 소프트웨어 솔루션이 실제로 구현하고 있는 메타버스 개념의 사례들을 수집하여 수행되었다. 사례를 수집한 후 앞서 제시한 인더스트리 메타버스의 기본 시나리오 유형으로 구분하고 그 공통된 특징을 분석하였다. 현재 제조업에서 비즈니스 대상이 되는 제품, 설비, 공정 및 공장과건물 등을 3D 기반으로 가상화하고 시뮬레이션을 수행하는 데 다쏘시스템(Dassault Systemes), 지멘스 (Siemens), 엔시스(Ansys) 등의 솔루션들이 주로 활용되고 있다. 이 들 기업은 3D CAD, 3D 시뮬레이션, 디지털 마네킹 등을 구현하는 소프트웨어 솔루션과 이를 활용하는 프로세스와 데이터를 관리하는 디지털 플랫폼을 제공한다. 이 중 본 연구에서는 다쏘시스템 솔루션의 제조업에 활용되는 사례를 수집하여 다음의 네 가지로 유형화하였다.

3.2.1 비즈니스 대상의 동작 시뮬레이션 (Behavior Simulation of Biz. Object)

제조업에서 신제품을 개발하는 경우, 기업은 아직 존재하지 않는 잠재적 제품의 3D 디지털 트윈 모델을 활용하여 가상 테스트와 검증을 통해 신제품을 개발하는 과정에서 발생하는 수많은 문제를 효과적으로 해결할 수 있다[19]. 즉, 향후 구현될 제품이나 생산 장비와 설비 또는 공정의 모델링을 통해 디지털 트윈을 생성하고 이 디지털 트윈에 시뮬레이션 기술을 접목하여 이러한 대상들이 현실세상에서 어떻게 동작하고 외부적인 힘이나 환경 조건에서 어떻게 반응하게 될지를 3차원 디지털 환경에서 실제와 거의 유사한 수준으로 예측해 볼 수 있다[46,47]. 이러한 문제해결 및 제품 개발과 제조 방식은 일하는 방식의 디지털 전환이며, 제조기업의 수익성에 영향을 미치는 시간과 비용을 획기적으로 줄이는데 기여할 수 있다.

메타버스에서의 가상 테스트와 검증은 다양한 수준에서 실행이 된다. 자동차 제조사를 예를 들면, 먼저 자동차의 섀시,엔진,모터 등 각 부품에 대한 성능과 내구성 등을 메타버스에서 미리 검증해 보면서각 부품이 목표하는 성능을 달성하기 위한 설계 조건을 찾아낼 수 있다 Fig. 2(a). 이후 각 부품의 설계가 완성되면 제품 전체의 디지털 트윈을 구현하여 가상의 디지털 환경에서 다양한 가설적 조건을 설정하여 완제품 수준에서의 목표 성능과 안전성 등을 테스트하고 검증할 수 있다 Fig. 2(b). 이때 메타버스와 같은 디지털 환경이 제공하는 차별적인 가치는 거의 무한대에 가까운 경우의 수를 테스트하고 검증해 볼 수 있다는 점이다. 일반적으로 제품을 제조하는 기업은 실물 프로토타입을 제작하여 실험 및 테스트를 실시 하는데, 메타버스 환경을 활용하면 이 과정에서 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 제품개발 과정이 완료되면 생산공정을 계획하고 준비하는 과정에서도 많은 비용과 시간을 들여 직접 공정을 구현해 보기 전에 디지털 트윈과 시뮬레이션 기술을접목하여 공정 레이아웃, 공정 순서, 장비 및 로봇등의 작업성을 메타버스 공간에서 시뮬레이션을 통해 최적의 공정을 도출해 낼 수 있다 Fig. 2(c).

Fig. 2. Use Cases of Virtual Verification and Validation. (a) Virtual performance simulation at Component Level, (b) Virtual safety test at Product Level, and (c) Virtual operation simulation at Production Level.

3.2.2 비즈니스 주체의 경험 시뮬레이션 (Experience Simulation of Biz. Subject)

최근 제조업에서는 고객경험 및 인간중심의 제품혁신과 가치 창출이 중요한 경영 아젠다로 자리 잡고 있다[48,49]. 고객 경험 가치를 혁신하기 위해서는 제품을 개발하는 과정에서 고객을 참여시켜 사용자가 제품을 직접 체험해 볼 수 있도록 기회를 제공하는 것이 필요한데, 현실적으로는 시간적, 공간적, 비용적인 한계가 존재한다. 이를 극복할 수 있는 방법이 디지털 트윈을 활용한 메타버스 세상에서의 가상 경험을 구현하는 것이다. 먼저 대상이 되는 제품이 아직 존재하지 않더라도 잠재적인 형태와 기능을 모델링하여 디지털 트윈을 생성하고, 이 디지털 트윈에 가상현실 기술을 접목하여 고객 및 사용자로 하여금 마치 눈앞에 실물이 존재하는 것과 같이 생생하게 보고 느끼도록 할 수 있다 Fig. 3(a). 이러한 메타버스 기반의 가상 경험은 고객을 대상으로 할 뿐 아니라, 기업 내부적으로 디자이너와 관련 부서가 함께하는 디자인 리뷰에서도 활용할 수 있다. 대부분 이 과정을 후보 디자인을 실물 목업(Mockup)으로 제작하여 수행했지만, 메타버스 개념을 활용하면 여러 대안의 디자인에 대한 디지털 트윈을 생성하고 이를 VR 장비를 착용하여 마치 실물 모형을 보는 것과 같이 현실감 있게 디자인 리뷰를 수행할 수 있다.

Fig. 3. Use Cases of Virtual Experience. (a) Virtual design review using VR, (b) Ergonomics design using Digital Human, and (c) Ergonomics design of working using Digital Human.

또한, 최근에는 디지털 휴먼(Digital Human) 또는 디지털 마네킹을 구현하는 기술도 수준이 높아져서 인간중심의 디자인 및 설계 과정에 효과적으로 활용할 수 있다[50]. 제조산업에서 활용되는 디지털 휴먼은 게임이나 엔터테인먼트 산업에서와 같이 거의 실사에 가까운 피부표현이나 머리카락 등의 섬세한 움직임의 구현을 요구하지는 않는다. 제조산업에서의 디지털 휴먼은 다양한 인종, 성별, 연령대별 체격을 구현하여 제품의 사용성 및 동작의 편의성 등을 재현하고 실험하는데 활용되고 있다[51]. 제품의 가상 모델인 디지털 트윈에 디지털 휴먼을 함께 구현하여 메타버스 환경에서 사용자 관점의 디자인 및 설계를 수행한다 Fig. 3(b). 또한, 제조 현장의 장비, 설비, 공정 등의 디지털 트윈에 작업자의 디지털 휴먼 모델을 접목하여 작업자의 안전과 작업성 관점의 생산현장을 설계할 수 있다 Fig. 3(c). 최근에는 특히 산업현장에서 작업자의 안전 문제가 중요한 의제로 떠오르고 있어, 이러한 메타버스 기반의 가상 작업 시뮬레이션이 효과적인 해결책으로 고려된다.

3.2.3 비즈니스 대상의 증강 오퍼레이션 (Augmented operation with business objects)

현실세계에서는 물리적 대상과 그에 대한 정보가 별도로 존재한다. 그렇기에 실물을 보면서 동시에 세부적인 정보를 획득하기 위해서는 많은 노력과 장치가 요구된다. 하지만 메타버스 세상에서는 증강현실 기술을 이용하여 이러한 과정을 비교적 쉽게 해결할 수 있다. 제조산업의 경우, 익숙하지 않는 제품이나 새로운 방식의 작업 또는 신규 공장과 같이 다양한 형태의 새로운 정보를 필요로 하는 상황이 존재한다. 이때 디지털 트윈에 접목된 증강현실 기술은 특정 대상에 매칭된 정확하고 직관적인 정보를 효과적으로 제공하는 솔루션이 된다[52]. 첫 번째 유형은 제품을 사용하는 소비자 또는 산업 고객에게 제품의 정보를 보다 세부적으로 제공하는 경우이다. 이때 스마트안경과 같은 증강현실 디바이스를 통해 실물 대상에 정보를 연결하여 보여줄 수도 있으며 Fig. 4(a), 스마트폰이나 패드와 같은 모바일 디바이스를 통해 실물대상에 매치되는 디지털 트윈을 기반으로 상세한 정보를 연결하여 제공할 수 있다 Fig. 4(b). 예를 들면, 장비의 부품을 정비하거나 교체해야하는 고객에게 부품에 대한 정보를 AR 디바이스를 통해 제공하는서비스를 구현할 수도 있고, 매장에 비치된 청소기와 같은 가전제품이 차별적인 성능을 탑재했다는 것을알려주기 위해 내부 부품 구성까지 모델링된 디지털 트윈을 활용하여 패드와 같은 모바일 디바이스를 통해 핵심 부품에 대한 정보를 제공할 수 있다. 또한, 디지털 트윈의 각 구성품에 상세한 정보를 연결하여 서비스 엔지니어나 자가 정비를 하고자 하는 사용자에게 디지털 형식의 가상 작업 가이드를 제공할 수 있는데, 이 경우는 증강현실(augmented reality)이아닌 증강가상(augmented virtuality)에 해당한다 [53]. 제조산업에서의 증강 오퍼레이션은 실물과 정보를 연결하는 방식 외에도 활용 예시와 같이 제품, 장비, 공정 등의 디지털 트윈에 정보를 연결하여 구현하는 방식인 증강가상(AV)이 증강현실(AR) 디바이스의 편의성이 충분하지 않은 상황에서 대안이 될 수 있다. 사례에서는 세탁기의 디지털 트윈에 각 부속품 및 부품의 세부 정보를 연결하여 사용법에 대한 상세 가이드 또는 세탁기 고장 시, 수리를 위한 내부 구성에 대한 설명과 조치사항을 3차원 가상공간에 구현한 동영상으로 제공하고 있다 Fig. 4(c).

Fig. 4. Use Cases of Augmented Operation. (a) Augmented part information service with AR device, (b) Augmented product information service with Mobile device, and (c) Augmented product maintenance guide with digital twin.

3.2.4 비즈니스 주체의 증강 의사결정 (Augmented decision with business subject)

제조기업에서는 비즈니스 실행과정에서 발생하는 여러 문제들을 인지하고 분석하고 다수의 관련 업무 담당자들이 정보를 공유하며 이를 기반으로 의사결정을 하는 과정을 수없이 반복한다. 대부분의 기업들은 이러한 의사결정 과정을 효율화하기 위해 다양한 소프트웨어 및 IT 시스템을 활용하고 있다. 그러나 기업의 경영 현장에서 텍스트와 숫자 중심의 IT 시스템은 직관적으로 문제를 파악하고 원인을 찾는데 효과적이지 않으며 이에 따라 추가적인 노력을 요구하거나 빈번한 커뮤니케이션 오류를 발생시킨다. 이러한 한계를 극복하는데 3D 기반의 디지털 트윈은 효과적인 해결책이 될 수 있다. 제조기업 비즈니스 오퍼레이션의 대상이 되는 제품, 장비/설비, 공정 등의 디지털 트윈에 이들을 운영하는 과정에서 발생하는 트랜잭션 데이터, 가공된 데이터, 분석된 정보 또는 AI 알고리즘을 통해 생성된 데이터를 연결하면 기존보다 더 용이하고 신속하게 문제를 공유하고 판단하고 의사결정할 수 있게 된다[37,41,54].

메타버스 환경에서 기업이 이슈를 관리한다면 해당 이슈와 관련된 물리적 대상의 디지털 트윈에 직접이슈 정보를 연결하여 보다 직관적으로 이슈의 실체를 이해하고 관리할 수 있다 Fig. 5(a). 또한, 공장과 같은 생산현장을 메타버스로 구현하면 생산 공정을 모델링한 디지털 트윈에 생산관리시스템(Manufac- turing Execution System, MES)으로부터 수집된 각 공정별 실적이나 생산 장비 및 설비에 부착된 센서로부터 수집된 다양한 로그정보를 연결하여 생산이 진행되는 과정을 모니터링하고, 즉각적으로 문제 상황을 인지하여 해당 공정의 작업자에게 적절한 조치를지시 내릴 수 있다 Fig. 5(b).

Fig. 5. Use Cases of Augmented Decision. (a) Augmented Issue and Information management with Digital Twin and (b) Augmented process management with Digital Twin.

3.3 인더스트리 메타버스에서의 디지털 트윈의 역할 과 적용 분야

사례 분석에서 확인한 바와 같이 제조업에서 메타버스를 활용하기 위해서는 먼저 제조업의 근간이 되는 제품, 제조장비 및 설비, 공장 및 생산 현장 등의 물리적 대상이 디지털 세상에 정확하게 구현되어야 한다. 이를 위해 디지털 트윈은 제조업 관점의 메타버스를 구현하기 위한 핵심 기술의 위치를 차지한다. 제조기업의 비즈니스 대상이 되는 사물의 디지털 트윈은 그 가상환경에 그들의 형상을 현실과 같이 표현 하고, 여기에 구조역학, 유체역학, 전자기학, 열유동학 등의 다양한 물리적 모델과 수학적 모델을 접목하여 현실과 같이 동작과 반응을 시뮬레이션할 수 있도록 한다. 그리고 이러한 제조기업의 물리적 자산들을고객의 입장에서 사용해 보거나 작업자의 입장에서 작업을 수행하는 과정을 가상의 디지털 환경에서 체험해 보고, 디지털 환경에서 비즈니스 현황을 더 명확하게 인지하고 신속하고 정확한 판단을 내려 문제를 해결하기 위해 목적에 맞는 디지털 기술을 디지털트윈과 함께 접목하여 활용하는데 각 기술의 역할은 다음과 같다.

첫 번째 기술은 가상현실(VR)과 디지털 휴먼이다. 가상현실은 가상현실 디바이스를 통해 물리적 대상을 실제 경험하는 것과 같은 몰입감을 제공하여 아직 현실에 존재하지 않는 시뮬레이션 기술을 디지털 트윈에 적용하면 제조업의 메타버스를 구현하고 활용할 수 있다. 디지털 휴먼은 성별, 연령대별, 인종별 표준 체격과 체형을 표현하는 가상 인간 모델로써 사람의 경험을 대체하여 제품을 만드는 과정이나 아직 완성되지 않은 작업 환경에서 사물과 사람 간의 상호작용을 테스트하고 사람에게 주는 영향을 시뮬레이션 해 볼 수 있도록 한다. 두 번째 기술은 증강현실 또는 증강가상 기술이다. 특히, 증강가상기술을 디지털 트윈에 접목할 경우 비즈니스 대상의 3차원 정보와 이에 대한 세부적인 텍스트 정보를 결합하여 이를 활용하는 고객이나 작업자의 인지 및 이해도를 향상시켜 보다 익숙하지 않은 상황에서도 정확하게 원하는 작업을 수행할 수 있도록 한다. 세 번째 기술은 데이터 분석 및 AI 기술이다. 이 기술을 디지털 트윈과 결합은 두 가지 형태로 이루어 질 수 있다. 먼저 분석된 정보를 해당 정보에 관련된 디지털 트윈에 접목하여 정보의 활용성을 높이는 것과 AI를 통해 예측된 정보를 디지털 트윈 모델에 반영하여 해당 비즈니스 대상이 어떻게 동작하고 프로세스가 진행되는가를 가상환경에서 미리 예측해 볼 수 있다. 또한, 현실세계에서 수집하기 어려운 대규모의 데이터를 디지털 트윈의 가상 시뮬레이션을 통해 수집하고 이 데이터를 AI분석에 활용할 수 있다면 비즈니스효율성을 상당히 높일 수 있다[54]. 이러한 논의를 종합하여 인더스트리 메타버스 시나리오의 유형과각 유형에서의 핵심 기술의 관계를 프레임 워크화하고 이를 Fig. 6으로 도식화하였다.

Fig. 6. The Framework of Industry Metaverse Scenario

사례분석 결과는 Table 1에 유목화하여 제시되었다. 인더스트리 메타버스에서 디지털 트윈으로 구현 가능한 비즈니스 대상 및 주체들과 디지털 트윈과 다른 디지털 기술을 접목한 각 시나리오 유형별로적용 가능한 비즈니스 영역을 도출하였으며, 이는 Table 1과 같다. 첫 번째 비즈니스 대상의 동작 시뮬레이션 시나리오는 제조기업에서 제품개발 과정 전반에서 아직 존재하지 않는 제품의 형상과 동작, 외부 조건에 따른 반응을 시뮬레이션해 보거나 제품을 생산하고 시장에 판매하기 위한 공급망 계획까지 미리 시뮬레이션하는데 적용할 수 있다. 두 번째 비즈니스 주체의 경험 시뮬레이션 시나리오는 크게 두가지 분야에 적용이 가능한데, 직원관점에서 제품이나 작업환경을 미리 체험하는 것과 고객 및 사용자 관점에서 제품자체 및 제품을 둘러싼 공간을 포함한 서비스를 미리 체험해 보는 상황에 적용할 수 있다. 세 번째 비즈니스 대상의 증강 오퍼레이션 시나리오 역시 기업의 직원 관점과 고객 및 사용과 관점의 적용 분야가 있는데, 직원 관점에서는 익숙하지 않은 작업에 대한 정보를 디지털 트윈으로 구현된 3차원 정보와 함께 텍스트와 숫자로 된 세부 정보를 기반으로 더 정확한 작업을 수행할 수 있고, 고객은 새로운 제품이나 서비스에 대한 정보를 더 쉽게 이해하거나 활용성을 높일 수 있다. 마지막 비즈니스 주체의 증강 의사결정 시나리오는 비즈니스 실행과정에서 발생하는 데이터와 분석정보 또는 예측정보를 기반으로 관련 업무 담당자와 유관 부서의 작업자 및 관리자와 같은 의사결정자가 정보를 공유하고 원활하게 협업과 예측을 수행하며, 이를 기반으로 신속하고 정확한 판단을 내려야 하는 상황에 적용이 가능하다.

Table 1. Industry Metaverse Scenarios, Technologies and Applications.

4. 결론 및 시사점

본 논문에서는 사례를 통해 제조업 관점에서 본 인더스트리 메타버스 활용 시나리오 유형을 정의하 였다. 인더스트리 메타버스 시나리오는 가상세계를 통해 실현하고자 하는 목적과 가상세계에 구현하고자 하는 대상이 무엇인가에 따라 4가지 유형으로 구분될 수 있다. 이는 비즈니스 목적물의 동작 시뮬레이션, 비즈니스 주체의 경험 시뮬레이션, 비즈니스 목적물에 대한 증강 오퍼레이션과 비즈니스 주체의 증강 의사결정이다. 제조산업에서의 메타버스는 기업의 비즈니스 목적물과 주체가 가상의 디지털 세계에 실제와 같이 구현되어야 하므로 디지털 트윈 기술이 중심기술로 활용됨을 확인할 수 있다. 그리고 제조기업의 일하는 방식을 혁신하기 위한 다양한 가상시뮬레이션과 가상적으로 강화된 오퍼레이션을 메타버스 환경에서 실현해 보기 위해 가상현실(VR), 디지털 휴먼, 증강현실(AR), 증강가상(AV), 인공지능(AI)과 같은 디지털 기술을 디지털 트윈과 접목할 수 있고, 실제 구현 가능한 솔루션 사례를 통해 제조사업 현장에서 어떻게 활용될 수 있는가를 논의하였다. 이러한 과정을 통해 앞서 서론에 제기된 산업현장에서의 제기된 질문들에 대한 해답을 제시하였다. 디지털 트윈과 메타버스의 관계에서 있어 메타버스와 디지털 트윈은 유사한 개념이지만 동일하지 않다. ASF를 비롯한 일반적 시각에서는 디지털 트윈을 메타버스의 한 유형으로 보고 있지만, 제조산업 관점에서 디지털 트윈은 인더스트리 메타버스의 중심기술로 위치한다. 그리고 디지털 트윈은 제조기업의 비즈니스 주체 및 객체를 디지털 세상에 실제와 같이 가상화하여 구현하는 핵심 기술로서 활용됨을 확인하였다.

본 연구의 시사점은 다음과 같다. 먼저 비즈니스관점에서 제조기업은 인더스트리 메타버스를 디지털 전환의 궁극적인 목표 이미지로서 설정하고, 이를 구현하기 위한 각 기업의 디지털 전환 로드맵과 실행계획을 수립해 갈 필요가 있다. 이때, 우선적으로 각 기업의 비즈니스에서 중요한 제품, 설비, 공정 등의 비즈니스 객체를 디지털 트윈으로 구현해야 하며, 대상물의 디지털 트윈을 얼마나 실제와 동일한 수준으로 정교하게 구현할지, 실제 존재하는 대상물의 경우 현실 정보를 어느 정보 수준으로 디지털 트윈과 동기화할지를 결정하여야 한다. 이 후 가상세계에서 실행하고자 하는 비즈니스 실행의 목적에 따라 인더스트리 메타버스 시나리오를 선정하고 이에 필요한 VR, AR, AI 등의 디지털 기술을 구현하는 적절한 솔루션을 검토하고 선택하는 과정으로 인더스트리 메타버스를 구현해 갈 수 있다.

학술적 관점에서 본 연구는 제조업 관점의 메타버스 주제 연구에 대한 기초적인 시각을 제시하고 있다. 이를 바탕으로 제조업과 메타버스를 접목한 다양한 연구가 이루어질 수 있을 것이다. 본 논문에서는 제조업을 포괄적으로 다루었으나, 사실상 제조업은 자동차, 항공, 전자/전기, 산업용장비, 선박/조선, 반도체, 소비재 등 더욱 다양한 산업으로 세분화될 수 있다. 인더스트리 메타버스의 활용은 이러한 산업별 특징에 따라 기업관점의 수용성, 활용도, 구현의 주요 요인 등이 달라 질 수 있으므로, 이러한 주제는 향후 연구를 통해 깊이 있게 논의될 필요가 있다. 또한, 향후 제조산업 전반에서 인더스트리 메타버스 관점의 사례가 충분히 축적되면 본 연구에서 제시된 시나리오 유형별로 실제로 비즈니스 성과에 영향을 주는 요인이 무엇인가에 대한 정량적 연구도 가능할 것으로 기대된다.