SmartAmerica Challenge 기술동향

1. PIF 프로그램[3]

PIF 프로그램은 정부 안팎의 최고 혁신가를 참여시켜 정부가 추진하는 IT 프로젝트에 창의성을 불어 넣고 높은 성과를 도모할 목적으로 2012년 5월에 도입되었다(<표 1> 참조). 현재 2기 프로그램이 진행 중이며, 이를 통해 미국정부는 미래 혁신기술 발굴 및 일자리 창출 등의 실질적인 변화를 이끌어 낼 수 있는 국가적인 아젠다를 발굴하고 이를 실행할 수 있는 실천 프로그램을 도출하여 국정에 반영하는 것이 목표이다.

<표 1>

PIF 프로그램

2. SmartAmerica Chanllege 목표 및 접근방법[4]

가. 등장 배경 및 목표

SmartAmerica Challenge 프로그램의 주요 동인은 전 국가 차원의 CPS 시스템의 확대가 예상된다는 점이다. 따라서 Smart Manufacturing, Healthcare, Smart Energy, Intelligent Transportation, Disaster Response와 같이 각 도메인에서 이루어지고 있는 CPS 연구개발 결과를 CPS 테스트베드를 통해 통합하여 미국민의 일상생활과 미국경제에 미치는 이득을 측정 가능하고 체감할 수 있는 수준에서 검증, 제시하는 것이 SAC 프로그램의 목표이다.

현재 SAC 프로그램에 자동차, 의료, 에너지, 건축 등의 산업 분야에 걸쳐 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology), NSF(National Science Foundation), DoD(Department of Defense), DoT(Department of Transportation), DoE(DoE Department of Energy), DHS(DHS Department of Homeland Security) 등 미국 국가기관을 포함한 100개 이상의 단체가 참여하고 있다. 또한 20개 이상의 CPS 관련 프로젝트가 SAC에서 CPSNet상에서 구축하기 위한 후보로서 검토 진행 중에 있다. 아래는 SAC 프로그램에서 고려하고 있는 대표적인 CPS 과제들이다.

SAC 프로그램에서는 CPS를 ICT 기술에 의한 사이버(Cyber)적인 요소와 엔지니어링 가능한 물리적 요소가 결합된 하이브리드 네트워크로 정의하고 있다. 다른 특이점은 CPS를 구현하기 위한 네트워킹 기술인 IoT를 통신 영역에서의 CPS 시스템으로 분류하여 이를 통합 대상으로 본다는 점이다.

나. 접근방법 및 구조

각 CPS 도메인에서 진행 중인 연구과제별 테스트베드를 상호연결하는 통합 CPS 테스트베드를 (그림 3)과 같이 구축한다[4]. 이 테스트베드상에서 운용될 시나리오를 정의하고 필요한 데이터데 공유 및 연관관계 분석을 통해 각종 CPS 응용들의 국가 내 각 도메인에서의 적용을 가속화하고 CPS들간의 실통합을 용이하게 진행할 예정이다.

(그림 3)

SmartAmerica Challenge 테스트베드 개요

각 도메인에서 발전 중인 CPS 시스템들을 연동, 시험하기 위해 (그림 4)와 같은 구조를 제시하고 있다[4]. 각 도메인에서 해당 도메인에 특화된 CPS 시스템들을 시험하기 위해 이미 구축된 테스트베드를 관리 제어하기 위한 로컬서버를 두고 로컬서버 간에 연동을 통한 대규모의 CPS 테스트베드를 구축한다. 로컬서버에는 각 도메인의 CPS 테스트베드 운용을 위한 제어 기능과 Push/Pull, Pub/Sub에 기반한 통신 기능 및 해당 로컬서버의 보안을 통제할 매니저를 둔다, 전체 대규모 CPS 테스트베드를 관리, 통제하기 위해 로컬서버와 동일한 기능 모듈들로 구성된 리모트 서버, 즉 중앙 서버를 운용하도록 한다. 전체 CPS 테스트베드 운용결과를 분석, 반영하기 위해 실시간 데이터 교환센터를 설치하고 전체 테스트베드의 접근제어, 인증, 서비스제어를 수행하기 위한 보안센터를 운용한다. 로컬서버와 중앙서버들 간에 통신은 XML(eXtensible Markup Language), 웹과 같은 개방형 데이터 포맷을 사용하여 DDS(Data Distribution Service)와 같은 개방형 메시징 프로토콜을 사용한다.

(그림 4)

SmartAmerica Challenge 테스트베드 구조

1. Smart Manufacturing

Smart Manufacturing은 산업경제에 커다란 비중을 차지하고 있는 제조산업의 패러다임을 변화시킬 기반 기술로써 현재 정체상태에 있는 국내 제조산업의 경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 국가 핵심기술분야이다[5][6]. (그림 5)와 같이 21세기의 제조업은 디지털화, 컴퓨터 네트워크, 유비쿼터스 센서 네트워크, 인공지능 등과 같은 ICT(Information and Communication Technology) 기술에 기반하는 기술융합산업으로써 제조기술 변화 및 다양화되고 개인화되는 고객의 요구 변화에 효과적으로 대응하여, 치열해지는 글로벌 경쟁에서 우위를 점하기 위해 제조산업 혁신 노력을 범국가적으로 진행 중이다[7]. 특히, 세계 주요 국가들은 국가 산업경쟁력 제고 관점에서 센서기술과 네트워크기술을 개발하기 위하여 노력하고 있다[8][9].

(그림 5)

제조산업 환경의 변화

주요 선진국들은 2008년 글로벌 금융위기 이후 제조업 기반이 강한 국가들이 빠르게 위기를 벗어나면서 일 자리 창출, 경제성장의 원천인 제조업의 역할을 재조명하고 있다. 유럽은 FoF PPP(Factories of the Future Public-Private Partnership)에 2014년~2020년 동안 70억 동안 70억 유로투자로 25개의 산업에서 부가가치 창출을 목표로 하고 있으며, 미국은 제조업 부흥을 통한 일자리 창출을 목표로 2012년부터 NNMI(National Network for Manufacturing Innovation) 프로그램 구성, 미국 전역 15개에서 지역 제조 클러스터 조성 중이다. 일본은 전통 제조업 활성화 및 국제경쟁력 강화를 위한 2010년부터 ‘Vision 2010’ 사업 추진 중에 있고, 독일은 Industrie 4.0 사업을 통하여 High-tech 제품혁신 및 혁신기업 육성정책과 맞춤형 특수장비 제작, 서비스 등 토탈 솔루션 개발에 투자하고 있다. 또한 우리나라 정부도 생산성을 높이고 제조업의 서비스화를 촉진하기 위해 창조경제혁신센터를 통한 아이디어 기반 시제품 제작/창업 활성화 및 스마트 제조 인프라 개발을 추진하고 있으나 괄목할만한 성과는 없는 실정이다. 따라서 (그림 6)과 같이 이러한 문제를 해결하기 위해 한국전자통신연구원에서는 국가 제조 경쟁력 확보를 위해 제조업 업그레이드 전략을 추진하기 위한 CPS 기반 ICT 제조사업을 기획 중에 있다.

(그림 6)

스마트 팩토리 연구 배경

특히, 스마트 팩토리는 최근 미국에서 추진하고 있는 SmartAmerica Challenge의 주요 도메인이기도 하다. SmartAmerica Challenge에서 추진하고 있는 범국가적인 지능형 제조 인프라 구축을 위해서는 다양한 기업 간, 생산단계 간 공통된 접근방식이 필요하기 때문에 제조 과정, 장치, 환경 등 생산설비 및 생산주체별로 적합한 표준화 정책, 각 단위별로 성숙된 기술의 개발과 공급, 네트워크의 활용도 향상으로 인한 보안성 및 안전성 강화가 필요하다.

2. Smart Transportation

STS(Smart Transportation System)은 사람과 재화를 스마트한 방법으로, 효율적으로, 안전하게 이동시키는 시설 및 제어 시스템을 일컫는다. STS는 교통 주행시간 단축, 도로안전 향상, 교통혼잡 회피 및 감소 등을 이끌어 내는 서비스로 도로 시스템과 연료효율 성능을 크게 향상시켜 기존 교통과 관련된 분야뿐만 아니라 지식 기반 산업에도(데이터 분석, 그린 에너지, 전자전기 등) 엄청난 경제적 효과를 가져올 수 있다.

STS은 복합센서로 인지도가 향상된 센서들, 정교한 제어장치와의 연동, 복잡한 교통상황을 관리하는 방법뿐만 아니라 이른바 ‘Cyber’ 요소와 컴퓨터 네트워크가 동적으로 연동할 수 있어야 한다. 이는 개별시스템이 제공할 수 있는 영역을 넘어서 안전성, 지속 가능성, 효율성 및 편리성을 증진시기 위해 STS 장치 간에 위험상황을 막기 위한 경고나 예방적 권고, 그리고 편이를 증진시키는 조치를 취하는 것을 포함한다.

(그림 7)은 STS 응용서비스를 나타내고 있다. 우선 지능 운전 서비스에서는 사람의 개입이 필요 없는 무인 운전, 차량 출발 및 정지를 최소화 하거나 경제속도를 유지하여 에너지를 절약하는 그린제어 기능을 제공할 수 있다. 안전과 관련된 온라인 차량진단 서비스는 실시간으로 차량과 도로상황을 모니터링 한 후 교통사고를 예방하는 장애물 우회, 추돌사고 회피, 교통사고 책임소재를 판별할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한 사용자 기반 개인화 서비스에서는 교통혼잡 시 경로를 분산시키는 내비게이션, 개인행위(흥미)에 맞는 오락 멀티미디어를 제공할 수 있다.

(그림 7)

Smart Transport System 응용서비스

이러한 STS 응용서비스가 프로젝트로 성공적으로 진행중인 예는 CCS(Congestion Charging System)를 꼽을 수 있다. CCS는 스웨덴 스톡홀름에서 버스와 기차 서비스를 효율적으로 증가시키고 주차와 환승시설을 효율적으로 관리하며 통합된 티켓서비스를 제공하여 통근시간 교통혼잡을 50%정도 줄이고 CO2 배출량을 14~18% 감소시켰다[10].

미국 교통국(US DOT(U.S. Department of Transportation))에서는 SmartAmerica Challenge 프로젝트를 위해 DSRC를 기본으로 다양한 통신방법(Wi-Fi, Cellular)을 지원하는 오픈 아키텍처를 개발 중에 있다. DOT에서는 교통사고 예방, 교통흐름 분산, 스마트 파킹과 같은 서비스 이외에도 NextEnergy에서와 같이 전기자동차 운전자들이 충전소를 손쉽게 찾을 수 있는 사용자 중심의 다양한 서비스를 제공하고 있다[11].

STS로 접근하기 위한 기술적 핵심 포인트는 IT 장비를 적극 활용하여 전 구간에서 개인화에 유리한 정보제공과 1m 이내의 거리오차를 기반으로 적시에 사건 발생 전에 정보전달이 완성되는 시스템을 구축하는 것이다. 이는 특정 개인에게 필요한 정보나 행위가 지체 없이 서비스 되며 불필요하거나 관심 없는 정보는 필터링을 통해 제어하고, 잠재적 충돌이나 사고를 예방하는데 꼭 필요한 인근차량의 정보나 상황 예측을 통해 안전성과 편리성을 증진시킬 수 있는 정확하고 시기 적절한 서비스를 제공하는 것으로 요약할 수 있다.

이를 위해서는 차량 간 통신 및 차량-기지국 간 통신을 기반으로 차량과 도로가 소통하는 지능화된 환경을 구축함으로써 종전에 인프라를 통하여만 정보를 전달하는 것이 아니라 소셜 네트워크처럼 특정시간에 필수적이고 요긴한 정보를 주고 받아 전체 교통환경의 확대된 인프라 시스템을 구축하는 것도 필요하다. 또한 향후 도로상의 모든 차량이 교통 네트워크를 형성한다는 전제 하에 시스템 모델링 및 시뮬레이션이 검증되고 비용/효율적 측면에서 STS 애플리케이션과 장치 간의 정보를 공유하고 통신을 효과적으로 수행해야 한다. 이는 CPS에서와 마찬가지로 모델 디자인에서부터 검증단계까지 에너지 소모를 최소화하고 QoS(Quality of Service)를 최대화하는 프로세스를 포함하고 있다.

STS 기술을 정의하기 위해 2010년부터 이에 대한 연구를 진행하고 있는 대표적인 표준화 기구는 ETSI(European Telecommunications Standardization Institute), CEN(Committee European Norm)/TC 278, European Committee for Electrotechnical Standardization), 그리고 ISO/TC 204로서 이들 기구에서 논의되고 있는 개념은 독립 실행형 시스템의 범위를 넘어 안전성 향상, 지속 가능성, 효율성 및 편의 증진을 목적으로 지능적인 통신을 이용하여 정보 또는 권고를 제공하거나 대응행위를 규정하고 있다.

3. Smart Energy

2000년대 초부터 지속된 미국정부의 스마트 그리드 R＆D 사업지원과 관련 기술개발과 보급·확산 노력으로 스마트 그리드 기술은 이미 연구단계를 넘어 실세계 적용단계로 들어서고 있다[12].

스마트 그리드는 기존의 전력망과 정보통신기술이 통합된 형태로 전력 수요자와 공급자 간의 양방향 관리·운용과 정보 상호작용이 가능하여 전력의 안정적이고 효율적인 전력 관리에 유리하며, 인터넷과 같이 향후 우리 사회를 획기적으로 변화시킬 원동력이 될 기술로 예상되고 있다.

SmartAmerica Challenge의 Smart Energy 부문은 이러한 스마트 그리드 시스템 및 관련 기술의 효율성, 안정성, 보안성, 상호운용성 등 실제 운용에 필요한 핵심기능을 시뮬레이션을 통해 검증해 볼 수 있는 테스트 베드를 제공하고, 최종적으로 해당 기술의 사회·경제적 효과를 가시적으로 입증하는 것을 주요한 목표로 하고 있다. (그림 8)은 이러한 Smart Energy 부문이 목표로 하는 스마트 그리드 기술 검증구조 및 적용분야를 보여준다.

(그림 8)

기술 검증구조 및 적용분야

현재 Smart Energy 부분에는 다섯개의 프로젝트가 참여하고 있으며, 각 프로젝트에 대한 간략한 설명은 아래와 같다.