CPS (2): 사이버물리시스템 혁명

Dimitrios Serpanos, "The Cyber-Physical Systems Revolution," IEEE Computer, Mar. 2018, pp. 70-73.

 

사이버물리시스템(CPS)은 계산 요소와 물리 요소를 통합하여 실제 환경의 프로세스를 구현한다. 컴퓨팅 기술이 출현한 이래, 1960 년대에는 잘 알려진대로 Apollo Guidance Computer(가이드, 내비게이션 및 제어)에 사용된 컴퓨터 시스템을 포함하여 복잡한 프로세스를 자동화하려는 노력이 있었다. 센서, 계측, 네트워킹 및 임베디드 컴퓨팅과 같은 분야에서도 지난 수십 년간의 기술 발전으로 인해 일상 생활을 변화시킨 시스템과 응용 프로그램을 개발할 수 있었다. 스마트빌딩 전력 관리, 자동 인슐린 전달 펌프, 자가 제동 차량 및 감시 드론은 다양한 응용 분야의 일상 생활에 영향을 미치는 전형적인 CPS의 몇 가지 예이다.

 

CPS는 혁신적으로 다양한 분야의 기술을 통합하고 여러 응용 분야의 기존 프로세스를 변환하여 새로운 프로세스를 가능하게 하는 잠재력으로 많은 산업에 혁신을 가져온다. 소비자는 홈 오토메이션 및 에너지 관리에서부터 건강 서비스 및 엔터테인먼트에 이르기까지 기존 장치를 통해 받는 많은 서비스에서 변화를 경험한다. 개인화된 건강관리는 첫 번 째 변화 중 하나로서, 특히 의료 혁신은 가정과 건강 센터 및 병원에서 정교한 건강 장치의 도움으로 사람들에게 보다 더 많은 개인화된 치료를 제공한다. CPS 건강 애플리케이션의 예로는, 환자를 지속적으로 모니터하면서 필요시 약물을 즉시 제공하는 시스템, 환자를 원격에서 모니터링 하는 시스템, 인공 팔다리의 동작을 감지하고 조정함으로써 장애를 가진 개인의 움직임을 보조하는 시스템이 있다.

 

에너지 시스템 역시 CPS로 인해 모든 수준에서 변화되고 있다. 전력 요구를 감지하고 전달을 가능하게 하는, 점점 더 늘어나는 스마트빌딩에서 에너지 소비를 관리하는 스마트 시스템을 활용함으로써 소비자, 개인 및 기관은 이미 상당한 이점을 경험하고 있다. 에너지 생산 업체는 CPS를 활용하여 에너지 요구를 파악하고 필요한 장소와 시간에 필요한 에너지를 제공하도록 설비를 조정하여 상당한 자원을 절약한다. 전력 분배 사업자는 정전을 피하고 소비자의 요구를 적절히 충족시키기 위해 실시간으로 배전 시스템을 모니터링하고 관리하기 위해 CPS를 점점 더 많이 사용한다.

 

이미 스마트그리드로 전환된 전기 그리드는 많은 국가의 중요한 인프라의 일부를 구성하며 CPS에 의해 관리 및 제어된다. 이들 국가의 경제와 국민의 복지를 위해서는 스마트그리드의 지속적이고 안정적인 운영이 필요하다. 서비스의 중단은 안전, 생산성 및 건강과 같은 측면에서 일상 생활에 심각한 문제를 일으킬 수 있다.

 

수자원 관리, 운송, 제조 및 통신 역시 국가의 주요 인프라이자 최근 관심의 대상인 스마트시티의 중요한 구성 요소이다.  스마트 교통 관리, 자율 주행 차량, 자동 누수 감지 및 예방 시스템 및 자가 복구 네트워크(self-healing network)는 중요한 인프라의 관리 및 효율성을 변화시키고 있다. 여러가지 혁신이 전통적인 공정을 파괴적인 방식으로 변화시키고 있는데, 예를 들면, 이전에는 대량 생산되던 제품을 개개인의 필요에 맞춰 다품종 소량 생산하는 방식으로 바뀌었고 이것이 4차 산업 혁명의 한 모습으로 간주된다. 농업 생산의 CPS 관리로 가능해진 스마트 농업은 강력하고 광범위한 영향을 미치는 CPS 응용의 또 다른 예이다. CPS는 이미 로봇 공학, 보안, 안전 및 군사 등 많은 분야에 가시적인 영향을 미치고 있다.

 

CPS의 발전은 사물인터넷(IoT)의 출현과 빠른 성장을 가능하게 만들고 있다. 유/무선의 이종(heterogeneous) 통신 기술들을 통해 데이터를 전송하기 위한 인터넷 기술의 활용은 분산 네트워크에서 원격 시스템 결합, 프로세스 분석 및 최적화를 위한 원격 데이터 수집, 저렴하고 신뢰성 있는 원격 시스템 관리를 가능하게 한다. IoT로 연결된 CPS는 하나의 "사물"로서 데이터 분석 기술 및 인공 지능과 결합하여 광범위한 스마트 시스템, 환경, 애플리케이션 및 서비스—스마트시티 및 거버넌스에서부터 스마트 제조 및 주요 인프라 제어에 이르기까지—의 개발을 가속화한다.

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도전 과제

 

CPS는 여러 측면에서 전통적인 계산 및 정보 시스템과 다르다. CPS 구조에는 연산 구성 요소, 네트워크, 센서 및 구동기(actuator)를 위한 광범위한 이종 기술이 포함된다. 물리적 세계와의 상호 작용은 CPS의 동작이 건강 또는 운송 시스템과 같은 응용 프로그램의 기대사항 또는 규제를 위반할 때의 책임소재뿐만 아니라 견고성과 회복탄력성(resilience)에 대한 문제를 일으킨다. 더욱이, 제조에서 농업에 이르는 영역에서 프로세스 자동화를 위해 CPS를 채택하게 되면 많은 서비스 단계에서 사람이 필요없게 되는 비즈니스 모델의 변화가 예상되며, 이는 중대한 사회적 결과를 가져올 것이다. 따라서 산업 및 응용 전반에 미칠 것으로 보이는 CPS의 영향은 중대한 기술적, 법적, 그리고 사회적 과제를 만들 것이다.

 

CPS 및 관련 기술—연산, 네트워크 및 계측—을 실제 적용하기 위해서는 이러한 과제들을 해결해야 한다. CPS는 장치의 수에 구애받지 않고 쉽게 확장 가능하도록 구조적으로 설계되고 구현되어야 한다. 점점 더 많은 시스템들이 상호 연결됨에 따라 CPS는 이종 통신 기술들의 통합을 위해 기능을 확장해야 하고, 더욱 정교한 프로세스를 구현하는 더 큰 시스템의 일부가 되어야 한다. 이러한 복잡한 시스템의 설계, 운영 및 관리를 위해서는 시스템을 다양한 수준에서 추상화하여 기술함으로써 기술, 운영, 관리 및 비즈니스 목적에서 분석 및 결정이 가능하도록 하는 능력이 필요하다. 확장성, 모듈화, 구성의 용이함에 대한 요구는, 특히 시간 제약 조건과 지속적인 운영에 대한 요구가 있는 경우에 정확성과 시스템의 검증이 어려운 '시스템의 시스템(systems-of-systems)' 분야에서 중요한 기술적 문제를 야기한다. 이 관점에서 중요한 과제는 전통적인 IT 시스템과 운영 기술(operational technology; OT) 시스템을 통합하는 것이다. OT 시스템은 그 목적, 컴퓨팅 구성 요소, 통신 기술 및 인터페이스에서부터 소유권 및 관리에 이르기까지 여러 면에서 기존 IT 시스템과 다르다. 따라서, 소프트웨어의 통합 및 업그레이드, 네트워크 상호 운용성, 실시간 프로세스 및 응용 프로그램의 동기화, 그리고 보안 역시 중요하고도 어려운 문제이다.

여러 사건을 통해 확인했듯이 보안은 CPS의 주요 과제 중 하나다. 통제된 환경에서 소프트웨어적 방법으로 발전기를 파괴한 Aurora 실험, 이란의 핵 시설에 대한 사이버 공격 Stuxnet, 2016년의 Mirai 분산 서비스 거부 공격(distributed denial-of-service)은 CPS의 보안 부족을 보여줄 뿐 아니라 CPS에 대한 사용자와 기관 및 소비자의 신뢰를 손상시킨다.

 

CPS의 보안은 계산이나 통신보다 어려운 문제이다. 물리적 환경이 예상치 못했거나 예측할 수도 없는 방식으로 동작할 수 있기에 물리적 세계와의 안정적인 상호 작용도 보안에 포함된다. 전력 시스템, 자율 주행 차량 및 건강 시스템처럼 위험한 상황이 발생할 수 있는 환경에서 CPS는 안전을 최우선 목표로 삼고 잘 조직되고 예측 가능한 방식으로 안정적으로 운영되도록 조정해야 한다. 보안 침해는 꼭 그런 것은 아니지만 안전 위험을 초래할 수 있기 때문에 보안은 안전의 전제 조건이다.

 

보안의 또 다른 중요한 측면은 사용자의 사생활 보호와 관련된다. 예를 들어, 가정용 장치에 대한 보안 공격은 민감한 정보 유출로 이어질 수 있다. 더욱이, 오랜 시간 동안 CPS가 운영되면서 수집되는 데이터는 설령 익명으로 처리된다 할지라도 애플리케이션의 필요 범위를 넘어서서 사용자 식별 및 특징 추출을 가능하게 하는 사용자의 행동 패턴을 드러낼 수 있다. 이는 결국 사생활 보호권을 침해하는 것으로 이어진다. 

안정성과 신뢰성은 특히 인프라, 제조, 건강, 자율 주행 차량처럼 지속적인 운영이 필요한 환경에서 필수적이다. 악의적인 공격이 종종 시스템의 지속적인 운영을 방해하기 때문에 보안과 결합된 신뢰성이 필요하다. 우크라이나 전력망에 대한 최근의 공격과 같은 전력 시스템에 대한 공격들은 통합된 방식으로 이러한 특성들이 제공되어야만 하는 시급성을 보여주었다.

 

여러 도메인에 걸친 CPS 통합은 상호 운용성 문제를 일으킨다. 데이터는 전체 분산 CPS의 모든 수준의 프로세스에서 일관되게 해석되어야 하므로 데이터 상호 운용성은 이미 최우선 순위로 인식되고 있다. 그러나, 데이터의 상호 운용성은 CPS 상호 운용성 문제의 단지 한 측면으로, 데이터뿐 아니라 계산 측면의 문제도 다뤄야 한다. 간단한 프로세스를 구현하고 있는 구성 요소들로 복잡한 CPS를 구성하려면 동작, 명령어, 부프로세스(subprocess)의 맥락(context)과 의미에 대한 일관된 해석이 필요하며, 원활한 통합과 정확하고 회복탄력적인 전체 프로세스의 구성을 위해 기계 번역, 추론, 논리 및 지식 검색의 기반을 마련해야 한다.

CPS의 분산 구조는 타이밍 문제도 야기한다. 많은 CPS 응용의 필수 부분은 실시간 요구를 충족시키는 것이다. 예를 들어 많은 제조 공정은 주기적인 조치를 필요로 하고 시간의 엄수가 필수적이다. 즉, 많은 모니터링 시스템은 정해진 시간 내에 반응이 필요한 조건들을 감지한다. 많은 경우에, 마감 기한을 위반하면 안전하지 않은 상태가 되고 사고와 같은 바람직하지 않은 일이 발생한다. 서로 다른 시간 단위로 동작하고 규모와 우선 순위 측면에서 서로 다른 실시간 요구 사항을 갖는 서로 다른 클럭과 시스템을 결합하는 것은 컴퓨팅의 잘 알려진 문제로서 전체 시스템을 위한 통합된 타이밍 체계를 가능하게 하는 혁신적인 방법이 필요하다.

 

CPS가 새로운 응용들에 미치는 영향은 법적, 사회적 문제를 일으킨다. 프라이버시 문제는 법적 조치로 이어지고 입법자들에게 민감한 데이터의 적절한 저장, 처리 및 사용을 위한 법적 틀을 만들도록 한다. EU의 '일반적 데이터 보호 규정(General Data Protection Regulation; GDPR)'과 같은 상당한 노력이 이미 있었더라도, 수집 데이터의 잘못된 사용과 예기치 않은 사생활 및 민감한 정보의 유출은 소비자와 조직을 보호하는 법을 발전시켜야 하는 지속적인 문제를 부여할 것이다.

디지털 권한 관리는 법적으로 큰 영향을 미치는 CPS 응용의 또 다른 측면이다. 이는 온라인 엔터테인먼트 비즈니스에서 10년 이상 목표로 했던 문제지만, CPS의 보급으로 인해 미디어 데이터 외에 디자인, 소프트웨어 및 대규모 라이센스를 포함하여 문제를 더욱 심각하게 만든다.

 

또한 회복탄력적인 CPS를 향한 노력에도 불구하고 예상치 않은 상황은 일어나게 되어 있고 이는 안전의 위반과 사고로 이어진다. 그러한 경우에 책임 문제는 매우 중요하다. 운영자, 제조업체, 그리고 관리자 중 누가 책임을 져야 하는가? 문제의 원인과 책임을 적절히 조사하기 위해서 어떤 절차를 수행해야 하는가? 국경을 넘어 동작하는 분산 CPS 프로세스가 나타나는 상황에서 국가 간 법률 시스템의 차이점은 새로운 법적 과제를 제시한다.

프로세스 자동화를 위해 CPS를 채택함에 따라 사람의 역할은 점점 제어 루프(control loop)에서 사라지고 있지만, 제어 루프의 유지 관리에는 새로운 기회가 창출되고 있다. 따라서 사람들이 이러한 새로운 업무로 효과적으로 전환하는 데 도움을 주는 정책이 필요하다. 동시에 윤리적 문제—자동화 프로세스가 인간의 업무와 판단을 언제, 어디에서, 어떻게까지 대체해야 하는지, 그 한계에 대한—가 제기된다. 이는 멀리 떨어져 사람이 즉시 관찰할 수 없는 프로세스뿐만 아니라 생활 보조 및 인공 보철물과 같이 건강과 복지를 위해 사람들이 직접적으로 사용하는 시스템과도 관련이 있다.

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계획

 

새로운 도전 과제를 빠르고 효과적으로 해결하는 프레임워크를 개발하기 위한 국가적 계획과 거대 컨소시엄의 노력이 있어 왔다. 그 중 가장 주목할 만한 것은 독일의 Industrie 4.0, 미국의 Industrial Internet, 일본의 Society 5.0 이니셔티브이다.

Industrie 4.0은 독일이 제조에서 주도적인 역할을 유지할 수 있도록 하는 전략적 이니셔티브이다. 목표는 유연한 워크플로우를 가진, 효율적인 저비용 생산이다. 이는 제조 및 생산 공정에서 CPS를 널리 사용하여 시스템 및 공정들에 지능을 삽입하고 이들의 협업을 잘 조정하여 낮은 비용으로 고품질의 제품을 생산하는, 복잡하지만 유연한 공정을 만듦으로써 달성된다. 이니셔티브의 목표를 달성하는 스마트공장 컨셉은 CPS 계층 구조를 가지는데, 먼저 스마트 기계들이 연결되어 스마트 플랜트를 구성하고, 이들이 다시 결합되어 스마트공장을 구축한다. 이 개념은 유연성, 자율성, 탄력성, 안전, 효율성 및 저렴한 비용을 목표로 하여 모든 행위자—고객, 운영자 및 제조업체—가 관심있는 시스템 파라미터를 모니터 할 수 있도록 한다.

 

산업 사물 인터넷(Industrial Internet of Things; IIoT)은 물품 생산 공정뿐만 아니라 자산 관리 및 유지 보수와 같은 프로세스를 포함하는 전체 산업 분야에 IoT를 적용하는 데 중점을 둔다. IIoT는 관련 장치, CPS, 통신, 서비스 제공 및 비즈니스 개발에 관련된 이해 관계자뿐만 아니라 새로운 미래 서비스까지 고려하여 효율적이고 효과적인 운영 및 상호 운용성을 다룬다. 표준 및 참조 아키텍처를 제공하기 위해 ITU(International Telecommunication Union)는 ITU-T Y.2060 권장문서를, IIC(Industrial Internet Consortium)는 '산업 인터넷 참조 아키텍처(Industrial Internet Reference Architecture)'를 제정하는 노력을 하고 있다. ITU 권장문서는 일반적으로 IoT를 다루지만 스마트 그리드와 같은 IIoT 응용을 포함한다.

ITU 권장문서는 IoT 비즈니스 모델도 제시한다. IIC의 참조 아키텍처는 모든 분야의 이해 관계자에게 중요한 측면을 다루는 ITU 아키텍처를 상세화한 버전으로 간주할 수 있다. NIST는 국가 경제에서 CPS를 빠르게 개발하고 설치할 수 있도록 하는 CPS 프레임워크를 개발하고 있다.

Super Smart Society라고도 하는 Society 5.0은 CPS, IoT, 빅데이터 기술과 AI를 모든 산업과 사회의 모든 측면에 통합하여 사회 문제를 해결하려는 일본의 이니셔티브이다. 높은 우선 순위를 갖는 응용으로는 의료, 운송 및 이동, 인프라 유지 보수 및 금융 등이 있다.

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CPS는 경제와 사회 프로세스에 혁명을 일으키고 있다. CPS의 효과적인 개발, 채택과 사용을 위해서는 기술뿐만 아니라 정책, 법률, 비즈니스 및 사회 과학을 포함하는 여러 분야에서 획기적인 발전이 필요하다.