계장기술(PROCON)

기획특집 Siemens Xcelerator를 이용한 산업용 메타버스 구축

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 38회 작성일 23-11-15 11:37

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2023년 과기정통부의 보고서에 따르면, 메타버스는 가상과 현실이 융합된 공간에서 사람 또는 사물이 상호작용하며, 경제·사회·문화적 가치를 창출하는 세계를 의미한다. 이 개념은 기술과 서비스가 발전함에 따라 계속해서 진화하고 확장되고 있다. 한국 정부도 지난 3월 ‘메타버스 산업 진흥법’ 추진 계획을 발표하는 등 국내 메타버스 산업 활성화를 장려하고 있다.

메타버스는 주로 소비자 측면에서 사회적 교류와 문화 활동에 사용된다. 하지만 산업계에서도 메타버스의 잠재력을 활용하는 사례가 늘어나는 중이다.

또 산업용 메타버스는 실제 시스템을 미러링, 시뮬레이션하고 실시간 상호작용 경험을 제공하는 분야이다. 디지털 트윈, 인공지능, 확장현실, 블록체인, 클라우드, 에지 컴퓨팅과 같은 기술을 활용해 업계가 복잡한 문제를 디지털 방식으로 해결할 수 있도록 지원한다.

산업용 메타버스를 사용하면 기계, 공장, 도시, 차량, 전체 교통 시스템을 미러링하고, 시뮬레이션할 수 있어 가상 테스트를 통해 리소스를 절약할 수 있다. 예를 들어 서로 다른 부서와 위치에 있는 팀들은 시간과 비용이 많이 들고, 리소스를 많이 소모하는 이동이나 여러 번의 물리적 프로토타입 개발 없이도 협업 환경에서 신제품을 설계하고 실시간 인사이트를 얻을 수 있다. 디지털 트윈과 실제 제품을 병합함으로써 기업은 지속적인 피드백 루프를 통해 생산과 프로세스를 최적화할 수 있다.

이처럼 디지털 세계는 지속 가능한 제품 개발은 물론 보다 효율적이고 지속 가능한 인프라를 구축하는 데 도움이 된다. 또한 엔지니어링의 민주화를 실현해 누구나 위험이나 높은 추가 비용에 대한 두려움 없이 혁신을 이룰 수 있다. 아울러 비즈니스 경쟁력을 높이는 동시에 사회에 필수적인 지속가능성, 복원력, 탈탄소화, 탈물질화 목표를 향한 진전을 지속적으로 추진할 수 있는 기반을 제공한다.

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Siemens Xcelerator와
엔비디아 옴니버스의 결합

2022년 지멘스(Siemens)는 엔비디아(NVIDIA)와의 협업을 통해 구축한 산업용 메타버스를 발표하였다. Siemens Xcelerator와 엔비디아 옴니버스(NVIDIA Omniverse)는 가상 세계와 실제 세계를 결합해 물리적으로 정확한 가상 세계 시뮬레이션, 데이터 분석, AI를 구현한다. 이를 기반으로 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 새로운 인사이트와 향상된 효율성을 제공할 수 있다.

양사는 이번 협업에서 엔비디아 옴니버스가 제공하는 실시간 완전 디자인 충실도의 사실적인 시각화와 Siemens Xcelerator의 실제 엔지니어링과 물리학 기반 시뮬레이션을 결합해 산업용 메타버스를 제공한다. 이를 통해 모든 규모의 기업은 실시간 성능 데이터가 포함된 폐회로 디지털 트윈을 생성할 수 있다. 이는 지능형 센서와 커넥티드 디바이스에 의존하는 자율 공장 등의 고급 애플리케이션을 위한 시뮬레이션과 AI 가속 프로세스를 실행하기에 매우 적합하다. 이제 제조업체는 고객의 요구에 더 효과적으로 대응하고, 다운타임을 줄이며, 공급망의 불확실성에 적응하는 동시에 지속가능성과 품질 목표를 달성할 수 있다.


산업용 메타버스의
기본 토대

Siemens Xcelerator는 업계에서 가장 포괄적인 디지털 트윈을 제공한다. 여기서는 기계, 전기/전자, 소프트웨어 영역이 함께 상호작용한다. 이 모든 요소가 합쳐져 오늘날의 최첨단 스마트 제품과 생산 프로세스를 신속하게 생성할 수 있도록 지원한다.

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실제로 다양한 기업들이 지멘스 소프트웨어와 서비스의 지원을 받아 시뮬레이션과 디지털 트윈을 활용해 발전을 추구하고 있다. 국내 현대자동차그룹이 차량의 도로 소음 개선을 위해서 지멘스의 Simcenter 엔지니어링 팀과 협력한 사례가 대표적이다. Simcenter는 Siemens Xcelerator에 포함된 시뮬레이션, 테스트 포트폴리오이다. 현대자동차는 이 협업을 통해 난해한 특성을 가진 타이어, 서스펜션, 차체를 정확하게 모델링하고, 테스트 및 시뮬레이션 모델을 통합해 정확한 가상 NVH 예측을 달성했다. 더불어 통합 모듈식 아키텍처(IMA)로 전기차의 도로 소음 개선에 관한 디지털 트윈 구축 로드맵을 개발했다.
제품의 디지털 트윈은 제품의 물리적 형태, 기능, 동작과 일치하는 실제 제품을 정밀하게 가상으로 표현한 것이다. 생산의 디지털 트윈 역시 동일한 기능을 수행하지만, 여기서는 기계와 로직 컨트롤러부터 전체 생산라인에 이르기까지 제조 공정의 각 단계를 포괄한다. 디지털 트윈은 지멘스 Industrial Edge를 통해 작업 현장의 실시간 데이터 기반의 최적화를 지속적으로 실행한다.

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엔비디아 옴니버스를 활용하면 포괄적인 디지털 트윈을 가장 효과적으로 구현할 수 있다. 엔비디아 옴니버스는 대규모로 확장 가능한 컴퓨팅 성능과 실시간 기능을 갖춘 클라우드 네이티브 멀티도메인 시각화, 3D 협업 플랫폼이다. 지멘스의 물리적으로 정확한 통합 시뮬레이션과 함께 사용됐을 때 제품과 생산의 디지털 트윈에 생동감을 불어넣을 수 있다. 옴니버스를 사용하면 설계 충실도가 높은 제품, 프로세스, 환경에 사실적인 실시간 레이 트레이스드, 패스 트레이스드 렌더링을 적용할 수 있다. 모든 기능은 유니버설 씬 디스크립션(Universal Scene Description, 이하 USD)를 기반으로 하는 옴니버스 플랫폼의 개방형 아키텍처를 통해 지원되며, 대규모 디지털 트윈 시뮬레이션을 위해 특별히 제작된 OVX 서버로 구동된다.

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복잡한 제조 문제 해결

엔비디아 옴니버스와 Siemens Xcelerator는 실제 작업에서 얻은 실시간 데이터로 지속적으로 강화된다. 이로써 가상 세계와 실제 세계 간의 충실도가 지속적으로 향상되고, 사실적인 물리, 재료, 조명, 동작을 가상 표현에 구현할 수 있다. 몰입형 경험과 물리 기반 디지털 트윈의 조합을 통해 팀은 더 빠르고 정확한 정보에 기반한 의사결정을 내릴 수 있다.

제조 과정에서 문제가 발견되면 엔지니어링 팀은 가상 공간에서 제품과 생산 프로세스를 시각화할 수 있다. 디지털 트윈을 통해 잠재적인 솔루션과 최적화를 탐색, 테스트, 검증할 수 있게 됨으로써 물리적 프로토타입의 필요성을 없애고, 중요한 다운타임을 줄이며, 제조 민첩성을 높일 수 있다.

또한 인간과 로봇의 협업의 경우, 인공지능(AI)을 활용한 자율 프로세스를 지능적으로 조정해 ‘코봇(Cobots)’을 위한 효율적이고 안전한 환경을 구현할 수 있다. 더불어 실시간 종합 디지털 트윈에서 생성된 물리적으로 정확한 합성 데이터로 로봇 인식 네트워크를 훈련할 수 있다. 이를 통해 로봇의 초기 훈련, 생산, 환경 변화 시 필요한 재훈련을 크게 단축할 수 있다.

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산업 자동화의 현저한 향상

Siemens Xcelerator와 엔비디아 옴니버스는 개별 프로세스 중심의 의사결정을 최적화하며, 이에 그치지 않고 운영 데이터에 새로운 차원의 인텔리전스와 분석도 제공한다. IT와 OT의 교차점에서 제품, 서비스, 솔루션을 통합하고 시뮬레이션하는 지멘스의 검증된 능력은 강력하고 새로운 인사이트, 효율성, 나아가 새로운 비즈니스 모델을 생성할 수 있다.

제조업체는 엔지니어링, 제조, 서비스 간의 데이터를 실시간으로 통합해 효율성과 재고 활용도를 높일 수 있다. Siemens Xcelerator 솔루션과 서비스는 IT와 OT 전반의 핵심 시스템에서 데이터를 통합해 보다 효율적이고 지속 가능하게 운영되는 애플리케이션을 만든다. 또한 엔비디아 옴니버스는 3D 디자인, 지멘스 CAD 애플리케이션을 통합하고 연결해 단일 진실 공급원(Single source of truth) 가상 모델을 구축하고 반복해 IoT, 데이터 시스템, 산업 자동화 툴로 연결하고 확장한다.

예를 들어, 자동차 제조업체는 Siemens Xcelerator와 엔비디아 옴니버스를 기반으로 디지털 트윈을 사용해 공장 운영을 계획하고 지속적으로 모니터링할 수 있다. 생산 병목 현상이 감지되면 여러 분야의 팀이 사실적인 실시간 가상 환경 내에서 만나 협업할 수도 있다. Siemens Xcelerator와 엔비디아 옴니버스의 조합을 통해 문제를 즉시 분석하고, 근본 원인을 파악하며, 솔루션을 시뮬레이션하고 최적화할 수 있다. 이는 검증된 솔루션의 신속한 배포로 이어진다.

또 다른 사례는 에너지와 유틸리티 플랜트 엔지니어링이다. 이들은 새로운 서비스, 안전, 최적화, 지속가능성 요구 사항을 탐색하는 시간을 단축할 수 있도록 Siemens Xcelerator와 엔비디아 옴니버스를 활용한다. 이때 시설의 Siemens Xcelerator 디지털 트윈을 가상으로 탐색해 기존 공조 시스템에서 생성되는 열 분포를 분석할 수 있다. 옴니버스의 사실적인 고화질 시각화를 통해 환기구와 냉각탑의 다양한 구성을 빠르게 탐색하고, 직원 편의와 시스템 효율성 간의 균형을 맞출 수 있다. 엔지니어는 최적의 접근 방식을 결정하기 위해 사실적인 센서 정보로 시설 작동을 시각화하고, 기존 구조의 성능을 대조해 제안된 솔루션을 최종적으로 검증할 수 있다.


앞으로의 과제

메타버스를 산업 주류로 통합하기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다.

기술적인 측면에서 볼 때, 메타버스가 주류로 사용되기 위한 핵심 과제는 충분한 연결성과 컴퓨팅 타워 확보다. 업계에는 적절한 하드웨어와 소프트웨어뿐만 아니라 디지털 트윈, 인공지능, 데이터와 같은 주요 메타버스 구성 요소가 원활하고 효과적으로 통합될 수 있도록 강력하고 안정적인 연결 조직과 파워가 필요하다.

운영 측면에서는 비즈니스 내에서 상호 운용 가능한 개방형 솔루션의 가용성을 보장하고, 원활한 실시간 동시 협업을 가능하게 하는 것이 핵심 과제이다. 이를 위해서는 개방형 API(애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)와 호환 가능한 데이터 형식이 필요하다. 상호 운용 가능한 개방형 시스템과 표준 플랫폼을 통해 업계는 자사의 디지털 트윈을 파트너 및 공급업체의 디지털 트윈과 연결하여 보다 심층적인 인사이트를 창출하는 더 큰 생태계를 구축할 수 있다.

기술은 사람들의 생활을 개선하기 위해 존재하며, 이것이 산업용 메타버스가 지향하는 바이다. 산업용 메타버스는 현실 세계의 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 가상의 업무를 구축하고 발전시킬 수 있는 기회이다. 기업은 보다 지속 가능하고, 효율적이며, 탄력적인 방법을 배울 수 있다.


byung.oh@siemens.com 

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