디지털 트윈은 물리적 공장의 사람, 설비, 재료 등을 가상환경에 재현하여 실험과 운영 통제를 가능하게 하는 기술이다. 디지털 트윈의 기능은 시각화, 시뮬레이션, 모니터링, 최적화, 제어가 있다. 이 중 시뮬레이션 기능은 디지털 트윈의 핵심 기능으로 변화하는 상황을 실시간으로 반영하지 않는 전통적인 시뮬레이션과 달리, 디지털 트윈은 실제 시스템의 데이터를 지속적으로 받아들이며 발전해 나간다. 

그러나 디지털 트윈의 구축 및 활용에는 몇 가지 제약 사항이 존재한다. 첫째, 디지털 트윈 모델의 실시간 생성이 어렵다는 점이다. 디지털 트윈 모델이 실시간으로 생성되지 않는다는 것은 현실 세계에서 발생하는 다양한 변화가 가상 환경에 즉각적으로 반영되지 않는다는 것을 의미한다. 둘째, 디지털 트윈 모델 개발의 난이도가 높다는 점이다. 전문가의 부족, 모델링의 어려움 등으로 인해 디지털 트윈 모델 개발의 난이도가 높고 이로 인해 디지털 트윈의 재사용성이 낮아지는 문제점 또한 존재한다. 마지막으로 디지털 트윈 정보 모델에 대한 공통 플랫폼 및 표준화가 부족하여 상호 운용성이 떨어진다는 점이 있다. 따라서 본 연구를 통해 디지털 트윈 모델 자동 생성을 통해 실시간성을 향상하고 개발의 난이도를 완화하며, Asset Administration Shell(이하 AAS) 기반의 표준화된 정보 모델을 통해 상호 운용성을 확보하는 것을 목표로 한다. 

본 연구에서는 디지털 트윈에 입력할 정보 모델을 AAS를 기반으로 정의하였다. AAS는 물리적 자산을 디지털로 표현하여 기계에서 처리할 수 있도록 기술한 정보의 집합으로, 독일의 인더스트리 4.0에서 제안한 표준이다. 국제 표준인 AAS를 활용하면 제조업체 간 상호 운용성을 확보하고, 스마트 공장 내 자산 관리의 효율성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 AAS를 활용하여 제품, 공정, 자원, 데이터 흐름 등의 입력 정보를 정리하였다. AAS 기반 시뮬레이션 정보 모델은 그림 1과 같이 제품의 정보를 담고 있는 Product Submodel Collection, 제작 공정에 관한 정보를 담고 있는 Process Submodel Collection, 공장 내 자원에 대한 정보를 담고 있는 Resource Submodel Collection, 그리고 시뮬레이션에 대한 전반적인 정보를 담고 있는 Flow Submodel Collection으로 구성되어 있다. 

그림 1. AAS 기반 시뮬레이션 정보모델

다음으로는, 상용 시뮬레이션 엔진인 Anylogic을 활용하여 템플릿 기반의 디지털 트윈 모델 자동 생성 기능을 구현하였다. 가장 먼저 사전에 구성한 공장 도면 및 제조 프로세스를 바탕으로 Anylogic상에서 공장 레이아웃을 제작하고 프로세스 모델링을 수행하였다. 다음으로 XML 형식으로 저장된 AAS 파일을 불러오고 시뮬레이션 모델의 항목에 자동으로 입력하기 위한 외부 데이터 인터페이스 모듈을 개발하였다. 본 연구에서는 인터페이스 모듈을 통해 AAS에 저장되어 있는 시뮬레이션 입력 정보를 시뮬레이션 모델 항목에 자동으로 입력하는 방식으로 디지털 트윈 자동 생성을 구현하였다. 더 나아가 AAS 정보모델에 포함되어 있는 일부 시뮬레이션 정보들을 이용하여 시뮬레이션을 실행하고 결과도 확인하였다. 그림 2는 AAS 기반 시뮬레이션 정보 모델을 활용하여 디지털 트윈 및 시뮬레이션을 자동 생성하는 기술을 개발한 과정을 나타낸 그림이다. 

그림 2. AAS 기반 디지털 트윈 및 시뮬레이션 자동 생성

마지막으로 제안한 방법의 적용 가능성을 검증하기 위해 시나리오를 기반으로 사례연구를 진행하였다. 본 연구에서는 그림 1과 같이 ‘금속 자전거 프레임 제조 공정’을 디지털 트윈 구현의 대상 공정으로 선정하고 시나리오를 구성하였다. Template 설계를 위하여 Anylogic 내에 공장 레이아웃을 구성하고, 프로세스 모델링을 수행하였다. 다음으로 개발한 외부 데이터 인터페이스 모듈을 통해 시뮬레이션 항목들을 자동으로 입력함으로써 디지털 트윈 모델을 자동 생성하였다.