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박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수

[박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수] 이미 찾아온 제5차 산업혁명의 지향점은 과거와 다른 뉴노멀(new normal)의 가치 실현이다. 즉 사람 중심(human centric)에 의한 삶의 질 향상으로 모든 산업과 기업들이 다 함께 행복한 고객 맞춤 개인화 시대에 반응하고 대응할 수 있어야 한다.

인공지능과 빅데이터 관리 기술로 지속 가능한(sustainability) 맞춤 개인화를 실현하여, 탄력성(resilient) 있는 행정 제도뿐만 아니라 산업과 기업 영역까지 탈 중앙화와 자치분권화를 실질적으로 실현하여 격차를 해소하는 인공지능(AI) 기반 클라우드 컴퓨팅 기술에 의한 플랫폼(Platform)을 조성해야 한다.

산업정책과 기업 정책의 융합으로 ESG 경영, BCD(Bio, Climate, Data) 정책을 아우르는 에너지 전환과 디지털 전환에 의한 과거와 다른 생태계 조성이 필요하다. 사람 중심 산업화를 위해 사람과 공존하는 생물학적 기계(biological machine) 주도(主導)로 글로벌 리더십을 선도해야 한다. 왜냐하면 4차 산업혁명까지는 선진국을 추격하는 대한민국이지만, 5차 산업혁명부터는 대한민국이 산업혁명을 자주적으로 선도해 MZ 청년세대에게 지속 가능한 “일터”를 조성해야 지속 가능한 일자리를 만들 수 있기 때문이다. .

그 까닭은 4차 산업혁명에서 준비해 온 다양한 기술들이 5차 산업혁명 시대에는 인지과학을 중심으로 교육, 바이오, 의료, 에너지, 제조, 농업 등 다양한 분야와 통합과 융합을 통해 제품과 서비스의 결합, 서비스의 제품화 그리고 기존 서비스와 신규 서비스의 결합 현상을 포괄하는 개념과 사고파는 경제 활동에서 벗어나 경험을 교환하는 “구독 경제(subscription economy)”의 출현으로 다양성에 의한 유연 제조가 요구되고 있기 때문이다. 네트워크와 소프트파워에 의해서 현 수준을 초월하는 매타 버스(metaverse) 세계를 위한 인지과학 중심의 기술혁명으로 전개될 것이다. 우리나라의 2030세대와 MZ 세대들은 이미 선진국형 청년세대들이다. 그러므로 청년세대를 위해서 대한민국이 5차 산업혁명 시대를 주도하여 지속 가능한 미래 비전을 청년세대에게 제시해야 한다. 1945년 해방 이후 지금의 기성세대들의 청년 시절을 회상해 보면 그 해답이 짐작(斟酌)될 것이다.

3, 4차 산업혁명을 통해 정보통신기술(ICT) 분야와 인공지능 영역에 이르기까지 제조 산업의 스마트팩토리 구축이라는 수단들을 준비하고 있다. 그러나 수단은 목적의 종속변수이다. 제조업의 미래 목표를 위해서 새로운 수익원을 창출해야 한다. 최근 OT(Operating Technology) 및 IT(Information Technology)의 발전으로 인해 산업 부문은 산업혁명, 즉 패러다임이 바뀌고 있다. 이를 CPS(Cyber-Physical System)라고 한다. 일반적으로 산업혁명은 효율성을 증가시켜 점점 더 다양하고 생산적인 생산 프로세스가 맞춤 개인화와 같은 고객의 요구와 성장 기대치를 충족할 수 있어야 한다. 인공 지능(AI)과 산업용 사물 인터넷(IIoT)은 기존 정보처리 인프라를 개선하여 보다 복잡한 작업 현장 활동을 처리하고 있다. 그러나 실질적으로 제조 산업에서 CPS(Cyber Physical System)으로 이행하는 과정은 쉽지 않다.

그러므로 제조 산업의 아키텍처 모델은 OT(Operating Technology)와 IT(Information Technology)가 만나는 지점을 명확하게 식별하기 위해 연결 및 상호 운용성(interoperability)을 가능하게 하는 단계별 마이그레이션(migration) 기술을 제시하는 설루션(solution)이 필요하다. 일반적으로 자동화 기술은 제조 시스템의 안정성, 자율성 및 지능성이 매우 높지만 제조 프로세스의 모든 아날로그(analog) 작업을 이러한 디지털 기술이 대체할 것이라고 예견하기는 어렵다.

4차 산업혁명을 통해 사이버-물리적 시스템(CPS)과 협력하게 하는 접근 방식이 가능해졌으며, 이러한 개념은 사람 중심 휴먼 사이버-물리 시스템(HCPS)으로 융합되어 5차 산업혁명의 핵심으로 제시할 수 있을 것이다. 아래 그림은 제5차 산업혁명을 채택하는 맥락에서 HCPS의 개념적 표현이다. 물리적 시스템과 사이버 시스템을 결합하여 운영을 완료, 제어 및 최적화할 수 있다. 4차 산업혁명을 통해 그 네 번째 진화인 사이버-물리적 시스템이 탄생했다. 아무리 인공지능(AI) 시스템이 강력하더라도 인간의 부분은 여전히 남아있다. 따라서 시스템은 5단계로 진행하여 5차 산업혁명의 인간 사이버-물리 시스템(HCPS)을 생성한다. 마지막으로 인간과 기계의 지능을 활용하고 결합하여 시너지 효과를 낼 것이며 사람과 기계가 공존할 수 있어야 할 것이다.



스마트 팩토리를 구축 시 “제조 지원 시스템”에 첨단 기술을 적용하는 것도 중요하지만 더 중요한 것은 데이터 관리 기술이다. 즉 데이터가 생성, 분석, 평가되어 시각화된 정보를 보고서로 표시되는 가시화(visualization)가 실시간 기반 피드백(real-time based Feed-back)으로 운영되어야 한다. 다시 말해 BI(Business Intelligence) 기반의 지능형 의사결정을 위한 지원 시스템(decision support system)이 구현되어야 한다. 위 그림의 HCPS의 실시간 기반 피드백 기능은 제조 현장 작업을 개선하기 위해 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 및 혼합 현실(MR)을 포함하는 몰입형 기능으로 게임 산업뿐만 아니라 제조 산업 부문에서 사람 중심 직접 참여와 HCPS의 기본 기능을 향상시키는 가장 효과적인 접근 방식 중 하나이다. 그 이유는 혼합 현실 (mixed reality) 혹은 혼성 현실 (hybrid reality)은 가상 세계와 현실 세계를 합쳐서 새로운 환경이나 시각화 등 새로운 정보를 만들어 내는 경험과 체험을 강화하는 기술이기 때문이다.

이를 통해 가상(cyber)과 실제(physical) 간의 거의 동시 통신이 가능하기 때문에 제조 현장의 물리적인 분야를 개선할 수 있다. 지능형 스마트팩토리 플랫폼은 혼합 현실(MR)과 HCPS 간의 상호작용에 의해서 기능적인 능력이 검증되어야 한다. 특히 제조 산업의 핵심 역량인 아날로그 기술 관점에서 인간의 지배적인 감각은 무엇이며, 다양한 제조 작업을 위한 다감각 혼합 현실(MR)은 피지털(phygital)과 디지로그(digilog)처럼 현실과 가상 세계에서 사용자가 최대한 참여할 수 있도록 설계되어야 한다. 그 이유는 최첨단 기술이라는 수단에 지나치게 빠지게 되면 다양한 산업 분야의 특성에 때문에 혼합 현실(MR) 환경을 조성하고 지원하기 위한 다양한 설루션(solution) 개발의 한계를 드러내게 될 것이다. 그러므로 수단은 목적의 종속 변수라는 관점을 상기(想起)할 필요가 있다.

또한 스마트 팩토리의 혼합 현실(MR) 기술은 제조 현장뿐만 아니라 계획에서 유지 보수에 이르기까지 수많은 생산 절차를 구현할 수 있으며, 혼합 현실(MR) 기술의 맥락과 사용자 관점에서 입력과 출력으로 나눌 수 있다. 둘 다 행동 인터넷(IoB) 관점에서 인간의 행동을 지원하는 몰입형 기술(沒入型 技術), 즉 물리적 세계와 가상화(假想化) 된 세계와의 경계를 흐릿하게 만드는 몰입형 기술(沒入型 技術) 기반 지능형 시스템을 만드는 데 중요하다.

사람, 사이버, 물리적인 공간의 동기화와 상호 작용에 의해서 디지털 공간이 통합되어 사이버-물리적 시스템(CPS)이라는 개념이 등장했고, 통합의 진화는 세 단계로 나누어졌다. 첫째 단계는 운영이 완전히 수동이고 정보 감지, 분석, 의사 결정 및 운영 제어가 주로 인간의 책임이었던 전통적인 인간 물리적 시스템(HPS, Human Physical System)이다. 그러나 그것은 제조 산업의 품질, 효율성, 성능 측면에서 한계가 있었다.

CPS는 두 번째 단계로 디지털 통합의 도입이다. 이 단계에서 사이버 시스템의 활동에는 정보 감지, 분석, 운영 제어 및 의사 결정이 포함되었으며, 특히 작업 품질, 효율성 및 프로세스 안정성이 모두 향상되었다. 인간은 기술과 마찬가지로 더 높은 수준의 능력을 발휘할 것으로 기대된다. 따라서 기술의 발전은 사람들이 자신의 기술, 업무 유형 및 책임 상태를 업그레이드하는 것과 동의어이다. 그럼에도 불구하고 사람들은 점점 더 많은 자동화 시스템에 직면해 있다. 이러한 시스템은 사람의 입력을 대체하거나 협업하는 데 사용할 수 있다. 일반적으로 절차가 더 이상 사람의 참여가 필요하지 않을 때 완전 자동화가 가능해질 것이고, 반자동화는 제어 영역에서 인간의 통찰력을 고려하는 시스템이다. 그러므로 HCPS는 사람 중심 산업화를 위한 애플리케이션(application)의 본보기로 진화하고 있다.

프로세스 전반에 걸쳐 제조 현장에서 디지털화된 자산의 구성 요소(BOM)와 작업 지시에 대한 관리자 역할을 하는 MES(제조 실행 시스템)은 CPS(Cyber Physical System)에서 기능적 역할을 수행할 수 있어야 한다. 그러나 이러한 시도의 대부분은 인간 중심의 관점을 무시하고 지나치게 기술적인 측면에 집중되어 왔다.

세 번째 단계는 과거와 다른 지식을 생성하는 능력을 습득하여, 이러한 지식과 기술을 사용하는 제조 현장 작업자들은 제조 작업의 경쟁력 강화와 창의적인 측면에서 참여할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다. 그 이유는 과거와 다르게 제조 현장에서 인간의 역할은 수동적 정보 수용자에서 정보 또는 지식 생성자(生成者)로 이동하고 있기 때문이다. 그래서 사람 중심 산업화의 시대가 도래하고 있는 것이다. 사람 중심 HCPS에서는 인간의 기술(아날로그)과 로봇(디지털)이 실시간으로 상호작용하기 때문에 다중감각(多重感覺) 기술이 융합되는 공존 관계가 필수다. 더 나아가 물리적 환경에서 특정 기술을 구현하여 디지털 인간 감각을 개발하는 것이 가능해지는 디지털 대전환의 패러독스(paradox) 적인 현상이 출현하고 있다.

구체적으로 기술과 시스템은 서로 다른 방식의 주변 및 웨어러블 센서로 구성된다. 각 센서에는 작업자에 대한 특정 정보를 수집하는 고유한 기능과 다양한 주변 센서가 제조 작업장에서 작업자의 활동을 캡처하는 데 사용된다. 주변 감지는 작업자의 움직임을 방해하지 않도록 많은 양의 데이터를 포함할 수 있어야 한다. 그럼에도 불구하고 복잡한 문제는 주변 감지 구현 시 주의해야 한다. 따라서 HoloLens, EMG(표면 근전도), ECG(심전도), EEG(뇌파), IMU(관성 측정 장치) 센서, 스마트 워치 등 웨어러블 센싱을 적용하여 데이터를 생성하면 모든 데이터는 동기화되어 다른 전송 프로토콜을 통해 로컬 워크스테이션 또는 클라우드 서버로 전송할 수 있다. 따라서 클라우드 서버에 저장된 데이터로 실시간으로 쉽게 접근(easy-to-access)할 수 있다.

제조업 경영 관점에서 혼합 현실(MR) 기능은 사용자 경험(UX)을 향상시킬 수 있다. 이러한 기술을 사용하여 사람들은 가상 물체와 현실 세계 사이에서 상호 작용할 수 있다. 혼합 현실(MR)은 인간의 역량을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 가상 물체와 상호 작용하면서 사용자에게 더 많은 감각을 제공하기 위해 다양한 인간 감각을 향상시킬 뿐만 아니라 인간 사이버-물리적 시스템(HCPS) 개발 및 구축을 위한 통찰력을 제공한다.

예를 들어 마이크로소프트, 페이스북, 구글, 아마존 등의 기업들은 몰입형 기술(沒入型 技術)의 융합과 응용에 관심을 가지고 집중적인 연구 투자 및 스타트 업 기업과의 M&A를 통해 시장에서 요구하는 수준의 기술력을 빠르게 확보하는 동시에 새로운 거대 시장을 형성해 나가고 있다. 또한 스마트팩토리 구축 시 피지털(Phygital=Physical+Digital)과 디지로그(Digilog=Digital+Analog)를 실현하여 새로운 수익원을 창출하기 위해서는 가상, 증강, 혼합현실의 세 가지 리얼리티 기술을 구사할 수 있어야 한다. 그 까닭은 경험의 시대에 제조 산업의 지속 가능한 경쟁력을 강화하기 위해 실감성, 몰입감, 그리고 현존감(現存感)을 부여하는 방향으로 제조 현장을 보완(補完)해야 하기 때문이다.