[논문 리뷰] Revisiting Digital Twins: Origins, Fundamentals and Practices

Jiehan Zhou, Shouhua Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 24.

Digital Transformation in Industry인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현대 정보통신기술(ICT)과 공학적 메커니즘을 통합한 고도화된 모델링 및 시뮬레이션 환경으로서 디지털 트윈(DT)을 재정의하며, 수명주기 관리, 실시간 센싱, 기하학적 시각화 및 예측 시뮬레이션을 강조한다. 디지털 트윈의 기원을 가상 제조 및 빌딩 인포메이션 모델링과 같은 기존의 공학적 관행으로 거슬러 올라가며, 산업계와 학계에서 널리 오용되고 있는 문제를 바로잡기 위해 기본 원리를 명확히 하기 위해 3요소 모델을 제안한다.

ABSTRACT

The Digital Twins (DT) has quickly become a hot topic since it was proposed. It not only appears in all kinds of commercial propaganda, but also is widely quoted by academic circles. However, there are misstatements and misuse of the term DT in business and academy. This paper revisits Digital Twins and defines it to be a more advanced system/product/service modelling and simulation environment that combines the most modern Information Communication Technology (ICTs) and engineering mechanisms digitization, and characterized by system/product/service life cycle management, physically geometric visualization, real-time sensing and measurement of system operating conditions, predictability of system performance/safety/lifespan, complete engineering mechanisms-based simulations. The idea of Digital Twins originates from modelling and simulation practices of engineering informatization, including Virtual Manufacturing (VM), Model Predictive Control (MPC), and Building Information Model (BIM). Based on the two-element VM model, we propose a three-element model to represent Digital Twins. Digital Twins does not have its own unique technical characteristics; the existing practices of Digital Twins are extensions of the engineering informatization embracing modern ICTs. These insights clarify the origin of Digital Twins and its technical essentials.

연구 동기 및 목표

• 학술 및 상업적 맥락에서 '디지털 트윈'이라는 용어의 혼동과 오용을 명확히 하기 위해.
• 디지털 트윈의 역사적 및 기술적 기원을 가상 제조 및 빌딩 인포메이션 모델링과 같은 기존의 공학적 관행으로 추적하기 위해.
• 기존의 이원소 모델을 넘어서 디지털 트윈의 기본 구성 요소를 더 잘 표현하는 3요소 모델을 제안하기 위해.
• 디지털 트윈을 독립적인 신기술가 rather 기존 공학 정보화의 진화로 정의함으로써, 현대 ICT 기술이 통합된 공학 정보화의 발전을 강조하기 위해.
• 일致된 적용과 연구를 지원할 수 있는 명확하고 기술적으로 탄탄한 디지털 트윈의 정의를 수립하기 위해.

제안 방법

• 논문은 기존 문헌과 산업 응용 사례를 종합적으로 검토하여 디지털 트윈에 대한 반복적인 오해를 식별한다.
• 디지털 트윈의 개념적 유산을 가상 제조(VM), 모델 예측 제어(MPC), 빌딩 인포메이션 모델링(BIM)을 포함한 기초 공학 관행으로 추적한다.
• 저자는 기존의 이원소 모델(물리 시스템과 디지털 복제본)을 초월해 실시간 데이터와 시뮬레이션을 포함한 동적 피드백 루프를 통합한 3요소 모델을 제안한다.
• 시스템 수준 분석을 통해 디지털 트윈이 고유한 기술적 특성을 지니지 않고, 오히려 현대 ICT 기술로 강화된 기존의 공학 정보화 프레임워크의 연장선임을 입증한다.
• 기존 공학 시뮬레이션 시스템과 현대 디지털 트윈 구현 간의 비교 분석을 통해 연속성과 진화를 부각한다.
• 수명주기 관리, 실시간 센싱, 예측 시뮬레이션을 진정한 디지털 트윈의 핵심 특성으로 통합하는 개념적 프레임워크를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 트윈의 진정한 기술적 및 역사적 기원은 무엇인가?
• RQ2 왜 '디지털 트윈'이라는 용어가 학술 및 상업 분야에서 오용되고 있는가?
• RQ3 디지털 트윈은 기존의 공학 시뮬레이션 및 모델링 관행과 어떻게 다를까?
• RQ4 진정한 디지털 트윈을 정의하는 데 핵심이 되는 구성 요소는 무엇이며, 어떻게 공식적으로 구조화할 수 있는가?
• RQ5 현대 디지털 트윈의 구현은 얼마나 기존의 공학 정보화에 기반을 두고 있으며, 현대 ICT 통합이 강화된 형태로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 디지털 트윈은 새로운 기술이 아니라 가상 제조, 모델 예측 제어, 빌딩 인포메이션 모델링 등의 공학 정보화 관행의 진화이다.
• '디지털 트윈'이라는 용어는 종종 어떤 디지털 모델이나 시뮬레이션이라도 지칭하는 데 오용되어 연구 및 산업 분야에서 혼동을 빚고 있다.
• 물리 시스템, 디지털 트윈, 실시간 피드백 루프로 구성된 제안된 3요소 모델은 기존의 이원소 모델보다 더 정확하고 종합적인 표현을 제공한다.
• 디지털 트윈는 시스템 수명주기 관리, 실시간 센싱, 기하학적 시각화 및 공학 메커니즘에 기반한 완전한 시뮬레이션으로 특징지어진다.
• 기존 공학 프레임워크에 현대 ICT 기술을 통합함으로써 디지털 트윈에 기대어지는 기능들이 가능해지지만, 이러한 기능들은 디지털 트윈에만 고유한 것은 아니다.
• 논문은 디지털 트윈가 기존 관행을 연장하는 고도화된 시뮬레이션 환경으로 이해하는 것이 가장 바람직하며, 독립적인 혁신이 아니라 기술적 진화로 보는 것이 바람직하다고 결론을 내린다.