10
포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는 Physical 요소와 이를 실시간으로 제어하는 컴퓨팅 요소가 결합된 복합시스템(System of Systems)이다. 기존의 단순했던 제어 시스템 구조 에서 수많은 컴퓨팅 단위들이 복잡하게 얽힌 구조로 진화함에 따라 많은 시스템 오류와 문제가 발생하게 되 었다. 차세대 자동차, 항공기 및 신무기/전투체계 등은 사람의 논리력과 검증능력을 벗어난 대규모 시스템 즉 CPS 로 발전해가고 있으나, 이러한 시스템의 개발에 있어 보다 쉽고, 운용적 측면에서는 고신뢰성을 갖 도록 설계하는 것은 쉽지 않은 일이다. 따라서, 이러한 복잡계(Complex Systems)를 단순화시켜 고장 안나 고, 쉽게 제어할 수 있도록 하는 CPS 지원 SW 기술이 필요하다. 본 고에서는 CPS 기술의 태동 배경, 정의 및 핵심 기술을 기술하고, 국내외에서 진행중인 CPS 기술 및 산업 동향을 조망한다. 마지막으로 CPS 기술 의 활용방안을 제시한다. ▨ I. 서 론 지난 1990 년대가 범용 컴퓨터인 PC 가 지배하던 시대였다면, 현재 우리는 수많은 임베디드 시스템에 의해 둘러 싸여 살아가고 있다. 각종 통신, 교통, 에 너지, 편이시설 및 국방시설 등이 전용 임베디드 시 스템에 의해 구축되어 서비스되고 있다. 기존 제어 시스템은 컴퓨팅 기술의 한계로 인해 그리 복잡하지 않은 특정 기능성만을 만족시키기 위한 시스템으로 발전되어 왔다. 과거의 제어 시스템들은 현재의 임베 디드 소프트웨어 기술이 적용되기 적합한 형태이며, 전통적인 제어 시스템 개발 방법으로도 충분히 만족 스러운 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 미래의 Safety Critical 시스템들(예, 자동차, 항공기, 로봇 및 자동화 무기/전투체계 등)은 고성능화, 복합 기능화, 자동화, 지능화, 상호 연동성, 실시간성 및 고신뢰성 등의 다 * ETRI CPS 연구팀/선임연구원 ** ETRI 임베디드 SW 연구부/부장 I. II. CPS 기술의 개요 III. 국내외 기술/산업 동향 IV. CPS 기술의 활용 방안 V. 포커스

CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

  • Upload
    vomien

  • View
    242

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

포커스

1

CPS 기술 동향

김원태* 전인걸* 이수형* 박승민**

CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는 Physical 요소와 이를 실시간으로

제어하는 컴퓨팅 요소가 결합된 복합시스템(System of Systems)이다. 기존의 단순했던 제어 시스템 구조

에서 수많은 컴퓨팅 단위들이 복잡하게 얽힌 구조로 진화함에 따라 많은 시스템 오류와 문제가 발생하게 되

었다. 차세대 자동차, 항공기 및 신무기/전투체계 등은 사람의 논리력과 검증능력을 벗어난 대규모 시스템

즉 CPS로 발전해가고 있으나, 이러한 시스템의 개발에 있어 보다 쉽고, 운용적 측면에서는 고신뢰성을 갖

도록 설계하는 것은 쉽지 않은 일이다. 따라서, 이러한 복잡계(Complex Systems)를 단순화시켜 고장 안나

고, 쉽게 제어할 수 있도록 하는 CPS 지원 SW 기술이 필요하다. 본 고에서는 CPS 기술의 태동 배경, 정의

및 핵심 기술을 기술하고, 국내외에서 진행중인 CPS 기술 및 산업 동향을 조망한다. 마지막으로 CPS 기술

의 활용방안을 제시한다. ▨

I. 서 론

지난 1990년대가 범용 컴퓨터인 PC가 지배하던

시대였다면, 현재 우리는 수많은 임베디드 시스템에

의해 둘러 싸여 살아가고 있다. 각종 통신, 교통, 에

너지, 편이시설 및 국방시설 등이 전용 임베디드 시

스템에 의해 구축되어 서비스되고 있다. 기존 제어

시스템은 컴퓨팅 기술의 한계로 인해 그리 복잡하지

않은 특정 기능성만을 만족시키기 위한 시스템으로

발전되어 왔다. 과거의 제어 시스템들은 현재의 임베

디드 소프트웨어 기술이 적용되기 적합한 형태이며,

전통적인 제어 시스템 개발 방법으로도 충분히 만족

스러운 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 미래의 Safety

Critical 시스템들(예, 자동차, 항공기, 로봇 및 자동화

무기/전투체계 등)은 고성능화, 복합 기능화, 자동화,

지능화, 상호 연동성, 실시간성 및 고신뢰성 등의 다

목 차

* ETRI CPS 연구팀/선임연구원

** ETRI 임베디드 SW 연구부/부장

I. 서 론

II. CPS 기술의 개요

III. 국내외 기술/산업 동향

IV. CPS 기술의 활용 방안

V. 결 론

포커스

Page 2: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

주간기술동향 통권 1455호 2010. 7. 21.

2

양한 요구사항을 동시에 만족시켜야만 하는 복잡 시스템(Complex System)인 동시에 동적 시스

템(Dynamical System)이기 때문에 다양하고 복잡하게 얽힌 시스템 구성 컴포넌트들 간의 상호

작용 및 외부 환경과의 상호작용으로 인한 효과를 동시에 이해, 해석, 제어 및 시스템에 재반영해

야 하는 과정을 거쳐야 시스템의 안정적 상태를 지속적으로 유지하고 보장할 수 있다[1].

본 고에서는 미래의 복잡한 물리 시스템 및 물리 프로세스를 신뢰성 있고(Dependable) 예측

가능한(Predictable) 상태로 항상 유지시키는 것을 목적으로 하는 새로운 컴퓨팅 기술 트랜드에

대해서 소개한다.

II. CPS 기술의 개요

2007 년 8 월에 미국 대통령과학정책자문위원회(the President’s Council of Advisors on

Science and Technology: PCAST)의 리포트인 “Leadership Under Challenge: Information

Technology R&D in a Competitive World”의 권고에 따라 CISE(Computer and Information

Science and Engineering) 분야와 Engineering 분야의 미과학재단(NSF) 이사회에서는 CPS 자

체의 과학기술적 중요성 뿐만 아니라 미국의 안전과 경쟁력을 유지시키는 주요 분야(국방, 항공

우주, 자동차, 화학, 도시기반, 에너지, 국민건강, 제조업, 재료 및 교통 분야 등)에 끼치는 엄청난

파급효과를 고려하여 CPS(Cyber-Physical Systems) 프로그램 지원을 채택하였다[2]. NSF CPS

프로그램의 궁극적 목표는 앞서 언급한 모든 응용 도메인에서 컴퓨팅 요소와 물리 요소의 결합

을 지원하는 공통 기반 기술을 찾아내는 것이다. 즉, 미국에서는CPS를 학제간(Interdisciplinary)

연구를 필요로 하는 범국가적인 핵심 연구 대상으로 파악한 것이다.

적용 분야가 다양한 만큼 CPS에 대해서 다양한 정의가 있을 수 있으나, 컴퓨터 공학 및 제

어공학 분야에서 바라보는 CPS에 대한 정의는 다음과 같다.

- 물리프로세스와 컴퓨팅의 결합체[Edward Lee, UCB, 2008]

- 컴퓨팅 및 커뮤니케이션 기능에 고신뢰/안정적/보안적/효율적/실시간적으로 물리세계의 객

체를 모니터링하고 제어하는 기능을 결합시킨 시스템[Shankar Sastry, UCB, 2008]

- 컴퓨팅과 커뮤니케이션에 의해 시스템의 동작이 모니터, 조율, 제어, 통합되는 물리적이고

엔지니어링된 시스템[John Stankovic, UVa 2008]

- 컴퓨터에 의해 제어되는 기계의 일종[Wayne Wolf, Georgia Tech, 2009]

- 센서/액츄에이터를 가지는 Physical 요소와 이를 제어하는 Cyber(Computing) 요소들의

복합 시스템(System of Systems)[ETRI, 2010]

Page 3: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

포커스

3

<표 1> NFS 에서 지원하는 CPS관련 프로젝트[3]

프로젝트 명 시작일 수행기관 종료일 과제금액(달러)

Methods and Tools for the Verification of Cyber-Physical Systems 15-Sep-09 University of Utah University of

South Florida 31-Aug-12 529,998

Infrastructure and Technology Innovations for Medical Device

Coordination 15-Sep-09

University of Pennsylvania Kansas

State University 31-Aug-12 1,499,548

Abstraction of Cyber-Physical Interplays and Its Application to CPS

Design 01-Oct-09

University of Michigan Ann Arbor

University of Massachusetts Amherst 30-Sep-10 500,000

A Framework for Enabling Energy-Aware Smart Facilities 01-Oct-09 Carnegie-Mellon University 30-Sep-10 499,830

Physical Modeling and Software Synthesis for Self-Reconfigurable

Sensors in River Environments 01-Sep-09

University of Arizona University of

California-Berkeley 31-Aug-12 583,283

Control of Surgical Robots: Network Layer to Tissue Contact 01-Sep-09 University of Washington 31-Aug-12 549,999

Collaborative Research: Physical modeling and software 01-Sep-09 University of California-San Diego 31-Aug-12 299,977

Dynamically Managing the Real-time Fabric of a Wireless Sensor-

Actuator Network 01-Sep-09 University of Notre Dame 31-Aug-12 525,000

Quantitative Analysis and Design of Control Networks 01-Sep-09 University of Pennsylvania 31-Aug-12 1,500,000

High Confidence Active Safety Control in Automotive Cyber-

Physical Systems 01-Sep-09 University of California-Berkeley 31-Aug-12 1,368,941

Learning for Control of Synthetic and Cyborg Insects in Uncertain

Dynamic Environments 01-Sep-09 University of California-Berkeley 31-Aug-12 1,500,000

Learning to Sense Robustly and Act Effectively 01-Sep-09 University of Michigan Ann Arbor 31-Aug-12 1,450,731

Image Guided Autonomous Optical Manipulation of Cell Groups 01-Sep-09 University of Maryland College Park 31-Aug-12 550,000

Vehicular Cyber-Physical Systems 01-Oct-09 Massachusetts Institute of

Technology 30-Sep-12 1,500,000

Control Design for CyberPhysical Systems Using Slow Computing 01-Sep-09 California Institute of Technology 31-Aug-12 550,000

ActionWebs 15-Sep-09 University of California-Berkeley 31-Aug-10 993,316

Mathematical, Computational, and Perceptual Foundations for

Interactive Cyber-Physical Systems 01-Sep-09

University of Illinois at Urbana-

Champaign 31-Aug-12 525,000

Ant-Like Microrobots - Fast, Small, and Under Control 01-Oct-09 University of Maryland College Park 30-Sep-10 500,000

Establishing Integrity in Dynamic Networks of Cyber Physical

Devices 01-Sep-09

Pennsylvania State Univ University Park

Rutgers University New Brunswick 31-Aug-12 540,000

Embedded Fault Detection for Low-Cost, Safety-Critical Systems 01-Oct-09 University of Minnesota-Twin Cities 30-Sep-10 500,000

Collaborative Research: Fault Diagnosis and Prognosis in a Network

of Embedded Systems in Automotive Vehicles 01-Sep-09 University of Connecticut 31-Aug-12 550,000

Foundations of Cyber-Physical Networks 01-Sep-09

University of Virginia Main Campus

University of Illinois at Urbana-

Champaign

31-Aug-12 550,000

Compositionality and Reconfiguration for Distributed Hybrid

Systems 01-Sep-09 Carnegie-Mellon University 31-Aug-12 550,000

Programming Environment and Architecture for Situational Awareness and Response

01-Sep-09 University of North Carolina at Chapel Hill

31-Aug-12 524,570

Programmable Second Skin to Re-educate Injured Nervous

Systems 01-Sep-09 Children's Hospital Corporation 31-Aug-11 944,773

Non-Volatile Computing for Embedded Cyber-Physical Systems 01-Sep-09 Cornell University 31-Aug-12 500,000

The Foundations of Implicit and Explicit Communication in Cyber-

physical Systems 15-Sep-09

Trustees of Boston University

University of California-Berkeley 31-Aug-12 1,183,430

Page 4: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

주간기술동향 통권 1455호 2010. 7. 21.

4

CPS 가 도입될 수 있는 분야와 요소기술에 대해서 (그림 1)에 도시한다. 센서, 제어로직 그

리고 액츄에이터를 가지는 대부분의 기존 제어 시스템들이 바로 CPS라고 할 수 있으나, 이러한

시스템들이 예전에 비해서 훨씬 복잡해지고 제어하기에 인간의 논리력과 지능을 넘어서고 있기

때문에 복잡 시스템을 제어할 수 있는 CPS 기술이 요구되는 것이다. 따라서, CPS 기술은 고신

뢰성(Reliability), 실시간성(Real-time), 안전성(Safety), 자율성(Autonomy) 및 보안성(Security)

을 보장하는 핵심적 요소 기술들을 요구한다.

결국, CPS를 통해서 달성하고자 하는 궁극적인 목표는 복잡한 물리 시스템을 단순화시켜 고

장에 강하며, 쉽게 제어할 수 있도록 하는 컴퓨팅 기술을 개발하는 것이다. 이 개념을 쉽게 예를

들어 (그림 2)에 도시한다. 헐크와 슈퍼맨은 모두 강력한 초능력자이지만, 두 캐릭터 간의 차이

는 헐크는 임의의 외부 자극에 의해 반응해서 엄청난 힘을 발휘하나 언제 터질지 모르는 시한

폭탄 같은 존재인 반면, 슈퍼맨은 철저한 자기 제어를 통해 정확히 필요 시점에서 능력을 발휘

프로젝트 명 시작일 수행기관 종료일 과제금액($)

Cybernetic interfaces for the restoration of human movement

through functional electrical stimulation 01-Oct-09 Rehabilitation Institute of Chicago 30-Sep-10 687,624

Image Guided Robot-Assisted Medical Interventions 01-Sep-09 University of Houston 31-Aug-12 1,400,395

A Real-Time Cognitive Operating System 01-Sep-09 University of Texas at Austin 31-Aug-12 569,806

Cyber-physical system challenges in man-machine interfaces:

context-dependent control of smart artificial hands through

enhanced touch perception and mechatronic reflexes

15-Sep-09 Arizona State University 31-Aug-12 549,999

Community-based Sense & Respond -- Theory and Applications 01-Sep-09 California Institute of Technology 31-Aug-12 550,000

Random Matrix Recursions and Estimation and Control over Lossy

Networks 01-Oct-09 California Institute of Technology 30-Sep-12 508,094

(그림 1) CPS 적용 도메인

Page 5: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

포커스

5

한다는 것이다. 따라서, 두 캐릭터가 모두 CPS라고 할 수 있으나, 슈퍼맨과 같은 자기 제어기능

을 가져 다양한 상황에서 안정적으로 동작하는 컴퓨팅과 물리요소가 결합된 시스템이 바로 우리

가 지향하는 궁극의 CPS라고 할 수 있다.

III. 국내외 기술/산업 동향

CPS와 관련되는 기술의 스펙트럼이 매우 다양하므로 본 고에서는 시스템의 단순화 및 고신

뢰성을 보장하기 위한 모델링 및 소프트웨어 검증 기술, 실시간성 보장을 위한 실시간 미들웨어

기술 및 시스템의 자율성을 보장하는 자율 컴퓨팅 기술을 국내외 동향을 기반으로 설명한다.

1. 모델링 및 소프트웨어 검증 기술

현재 개발하고자 하는 시스템을 기술하기 위한 표현 및 그 표현이 실제 동작하는 기본 개념

인 계산모델은 이산모델(Discrete Model)과 연속모델(Continuous Model)로 나누어진다. 이산모

델은 컴퓨터 시스템과 같이 디지털화되어 있는 소프트웨어 시스템을 모델링할 때 사용되며

(UML 기반 모델링, Statecharts 등의 컴퓨터 제어 시스템), 실세계와 같이 아날로그적인 속성을

가진 시스템을 모델링하기 위해서는 연속모델이 사용되고(Mathworks의 Matlab 등에서 사용되

는 동적 시스템) 있다. 그러나 최근 IT 융합 산업이 대두되면서 컴퓨터 시스템과 아날로그적 속

성을 가진 기존산업의 융합이 큰 이슈로 떠오르고 있기 때문에 두 가지 모델을 융합한 하이브리

드 모델의 개발이 매우 절실히 요구되고 있는 상황이다[4].

이산모델과 연속모델을 융합한 하이브리드 모델의 개발과는 별도로 도메인의 특성을 반영하

는 도메인별 모델링 방법도 개발되고 있다. 이 방법에서는 시스템의 복잡성을 효율적으로 다루

기 위해 각 도메인별 특성에 따른 플랫폼/아키텍처 기반 모델링 방법을 사용하고 있으며, 특히

(a) 제어와 통제가 안된 물리 시스템 (b) 완벽한 통제가 이루어진 물리 시스템

(그림 2) CPS 기술 연구의 목적

Page 6: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

주간기술동향 통권 1455호 2010. 7. 21.

6

도메인의 특성을 파악하고 있기 때문에 세부적인 상세 모델은 추상화 기술을 사용하여 시스템의

복잡도를 줄여주고 있다. 대표적으로 자동차 분야는 AUTOSAR 표준, 오스트리아 TTTech 의

TTA(Time Triggered Architecture) 등을 사용하고 있으며, 항공 분야는 Airbus의 IMA-AFDX,

보잉-하니웰의 IMA, Rockwell-Collins의 Link application 아키텍처가 있다.

소프트웨어 검증 기술은 모델링된 결과를 가지고 생성된 소스코드를 검증하는 기술이다. 사

용자는 모델을 기반으로 소스코드가 100% 자동생성되기를 바라고 있으나, 실제 시스템은 제한

적인 코드만을 생성할 수 밖에 없다. IBM의 Rhapsody 등 최근 UML 지원 모델링 도구는 실제

시뮬레이션 코드를 생성하지만, 실제 탑재는 제한적이다. 특히, 연속 모델의 경우에는 일반적으

로 코드 생성이 어렵기 때문에 코드 생성이 가능하도록 제한을 두어서 사용하며, Mathworks의

Matlab 에서는 코드 생성 가능 구문을 정의할 수 있다. 개발된 소스코드는 소프트웨어 정적 분

석 기술을 이용하여 검증을 수행한다. Mathworks의 Polyspace 및 Coverity의 Prevent 등의

도구가 시장에 출시되고 있으며, 일부 회사에서는 개발 프로세스에 포함시키고 있다.

2. 실시간 미들웨어

다양한 분산 환경에 컴퓨터 시스템이 사용됨에 따라 각각의 시스템에서 발생하는 데이터의

양이 기하급수적으로 증가하고 있으며, 이를 적시에 원하는 시스템으로 전송하기 위한 기술이

요구되고 있다. 특히 대규모 분산환경에서 발생하는 데이터를 실시간으로 전송하기 위한 실시간

미들웨어의 요구가 증가하고 있으며, 이를 위해 OMG(Object Management Group)는 2005 년

DDS(Data Distribution Service)를 표준화하였다[5]. US Navy, Army’s huge Future Combat

System 등은 DDS 를 표준화된 차세대 실시간 통신 미들웨어로 선택하였으며, DDS 는 Real-

Time Innovations, Inc. 등에 의해 상용화 되었다. DDS는 소프트웨어적으로 가벼운 계층 구조

로 구성되어 있어 오버헤드가 작고 다양한 QoS 정책을 지원하며, 삼성탈레스(해군 레이더 시스

템), 보잉(보안 분산 컴퓨팅 플랫폼), Grand Coulee dam(하이브리드 전력 생산 시스템) 및 폭스

바겐(advanced driver assistance) 등에 실제 적용되었다.

최근에는 CPS 의 실시간성을 지원하기 위해 기존의 상용 경성실시간 운영체제를 사용하는

환경에서 글로벌 시스템들 간의 실시간성을 만족하기 위한 실시간 미들웨어의 스케줄러 기술 및

QoS 지원 실시간 통신 등의 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 미국 OIS(Objective

Interface)사의 ORBexpress 는 Real-Time CORBA(Common Object Request Broker

Architecture) 기반의 실시간 미들웨어로 최근 미 국방성 F-35 전투기의 통신 미들웨어로 채택

되었고, 워싱턴대학의 TAO(The ACE ORB)는 Real-Time CORBA 기반의 실시간 분산 미들웨

Page 7: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

포커스

7

어이며, ACE(Adaptive Comm. Env.) 네트워크 프레임워크와 연동하여 통신, 국방, 로보틱스, 금융,

항공 등 다양한 분야에 활용하기 위한 연구를 진행중이다. 또한 대규모 분산 dynamic network 안

에서 유해한 디바이스로부터 발생할 수 있는 피해를 막기 위한 방법을 찾기 위해 미국 NSF

(National Security Foundation)는 CPS 프로젝트 산하에서 ‘Establishing Integrity in Dynamic

Networks of Cyber Physical Devices’ 프로젝트를 2009년부터 연구하기 시작하였다.

3. 자율 컴퓨팅

자율 컴퓨팅 기술은 실제환경에서 발생하는 불확실성을 해결하기 위해 발생한 시스템의 오

류를 스스로 치유하는 자가적응(Self-Adaptation) 시스템의 형태로 개발 중이다. 특히 산업체에

서 자사의 시스템 서비스의 안정성을 확보하기 위해 다양한 연구를 진행하고 있다. IBM은 SOA

(Service Oriented Architecture) 기반의 시스템에서 자가 치유(Self-Healing) 분야에 많은 기

술을 확보하고 있으며, Blue Gene/L(BG/L)과 eLiza 프로젝트를 통해서 시스템 컴포넌트의 예기

치 않은 변경이나 실패에 자동적으로 대응해주는 메인 프레임을 개발하는 연구를 하고 있다.

Microsoft의 AutoAdmin 프로젝트는 대규모 발전소의 확장성과 관리 효율성을 보장하기 위한 시

스템의 설치 및 동작 자동화, 동적 리소스 관리 기술들을 개발하고 있으며, HP는 ‘The Adaptive

Enterprise’ 서버 기반 비즈니스(고객 관리, 기업 자원 관리, 물류 관리 등), 서비스 및 리소스에

대한 지능형 통합 관리 정책을 개발하였다. 학계에서는 시스템 서비스의 안정성보다는 기반 기

술 연구에 중점을 두고 있으며, UCB 와 Stanford 대학은 ROC(Recovery-Oriented Computing)

프로젝트를 통해 시스템 신뢰성 향상을 위해 제공하는 결함 봉쇄(Fault containment)와 진단기술

을 개발하고 있다.

국외에서는 위와 같이CPS와 관련된 연구를 활발히 진행하고 있으나, 국내에서는 학계를 중

심으로 CPS 와 관련된 연구를 시작하는 단계이며, 일부 글로벌 대기업에서는 자사의 솔루션을

통해 관련기술을 제공하려고 하나 고신뢰 자율제어 CPS를 위한 준비는 미흡한 실정이다. 서울

대에서는 CPS를 위한 제어 커널 연구를 수행하고 있으며 주로 WCET(Worst Case Execution

Time)을 만족하기 위한 커널 내에서의 고신뢰성 보장 방안에 대해 연구 중이고, KAIST에서는

Microsoft Research 공동연구센터에서 CPS 관련 컴퓨팅 기술들을 학술적인 범위에서 추진하

고 있다. CPS 기술의 상용화를 위해 한국전자통신연구원은 고신뢰 자율제어 SW 를 위한 CPS

핵심기술 개발 과제를 수행 중이며, 특히 복합시스템 환경에서 시스템의 고신뢰성을 보장하기

위한 M&S(Modeling and Simulation) 기술, 자율제어기술 및 통신 미들웨어를 개발 중이다.

Page 8: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

주간기술동향 통권 1455호 2010. 7. 21.

8

IV. CPS 기술의 활용방안

CPS 기술은 국방, 교통, 에너지 및 자동차 등과 같이 전통산업에 IT 기술이 결합되어 기존

산업과 서비스에 새로운 부가가치를 부여하고자 하는 융복합 산업 뿐만 아니라 IT 기술의 접목

이 가능한 기존 전 산업 영역에 적용하여 해당 산업의 생산, 서비스, 업무 프로세스를 혁신하고

경제적 효율성을 기대할 수 있다.

CPS 는 전 세계적으로 개념정립 및 적용 분야 검토 단계이므로 전 산업 부문에 걸쳐 바로

적용하기 보다는 다음과 같은 단계적 접근으로 그 활용 방안을 확대해 나가야 할 것으로 보인다.

- 표준참조 CPS 생성 및 운용 단계: 특정 분야(예, 무기/전투체계)에서 CPS 기반 기술을 개

발하고 이를 적용하여 CPS 기술의 가능성 제시 및 안정성을 확보하는 단계

- CPS 기반 산업화 단계: 표준참조 CPS 운용을 통해 확보된 표준 CPS 기술을 자동차, 조

선, 전력, 환경, 의료, 소방/방재, 교통 등 각 산업 분야에 적합하게 확장, 발전시켜 국내 기

간 산업 분야 적용 단계

- 신산업 창출 단계: CPS 인프라를 기반으로 전혀 새로운 산업이 창출되는 단계

앞에서 기술된 바와 같이 CPS 기술은 국가 산업 기반의 변화를 가져올 수 있는 핵심 기술로

써 전 산업 분야에 걸쳐 적용 가능하며, 적용 예는 <표 2>와 같다.

V. 결 론

기존 산업에서 활용되던 물리 시스템들이 SOC, 컴퓨팅, 통신 및 제어기술의 발전에 따라 매

우 복잡한 구조로 진화하고 있고, 전통적인 시스템 개발 방법론에 의해서는 그 신뢰성이 보장되

지 못하여 여러 가지 안전성 문제를 일으키고 있다. 이를 해결하기 위해 미국에서는 2008년부터

<표준참조 개발 단계> <기반 산업화 단계> <신산업 창출 단계>

(그림 3) CPS 기술의 개발 단계별 활용 방안

Page 9: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

포커스

9

<표 2> CPS 기술의 적용 분야 예

적용 분야 서비스 주요 특징

국방

CPS기반 전투체계시스템

무기체계 개발 시 CPS 기반 플랫폼을 적용하여 Cyber 상의 전투체계 운용과 개발을 통한 실 전투 환경에 최적화된 전투체계 시스템 개발

에너지

고효율 스마트그리드 시스템

스마트 그리드 각 구성 객체별 모델 및 운용환경을 CPS 플랫폼에 적용하여 에너지 효율이 최적화된 스마트그리드 구성 단말 시스템 및 체계 개발

교통

실시간 적응형 스마트 교통

스마트 교통을 구성하는 각 요소들 사이의 신뢰성 있는 분산 데이터 분배 서비스를 제공하고, 교통상황의 실시간 데이터 및 예측 모델을 생성하고 이를 이용한 제어 서비스 및 일반사용자 교통예측 제공 서비스

안전

고신뢰, 고지능형 소방방재 서비스

각 응급 상황별 모델 생성 및 이의 대응을 위한 제어 모델을 개발하고 고신뢰 통신미들웨어를 이용한 실제 소방/방재 장비와의 연동과 이를 이용한 고신뢰 고지능형 소방/방재 서비스

인터넷 서비스

주제별 자율구성 SNS 서비스

CPS 통신 미들웨어 플랫폼인 Topic 기반 고신뢰, 자율통신 기술을 활용한 관심 주제별 Social Network의 구성, 관리가 실시간 수준에서 자유로운 차세대 SNS 서비스

인터넷 서비스

실세계 연동형 가상현실 서비스

가상현실과 연동가능한 실세계를 모델링하고 이를 반영한 가상현실의 구현 및 가상현실과 실세계 상호간 참조, 제어가 가능한 실세계 연동형 가상현실 서비스

전통산업

차세대 생산 기반 기술

‘V’ process 에 따른 CPS 의 모델&시뮬레이션, 자율 컴퓨팅 플랫폼을 이용한 기존 생산 프로세스의 획기적 변화와 생산성 향상을 이룰 수 있는 제품 생산 프로세스 기반 기술

Page 10: CPS 기술 동향 - ITFIND · 포커스 1 CPS 기술 동향 김원태* 전인걸* 이수형* 박승민** CPS(Cyber-Physical Systems)란, 대규모 센서/액츄에이터를 가지는

주간기술동향 통권 1455호 2010. 7. 21.

10

CPS 기술을 중심으로 고신뢰 시스템 및 소프트웨어를 개발하려는 노력이 정부주도로 이루어지

고 있다. 적용 분야는 전통적인 산업 분야이나, 새로운 CPS 기술로서 그 신뢰성과 예측성이 향

상된 시스템이 적용되어 해당 산업의 생산성이 혁신적으로 높아질 것이다. 예를 들어, 미래의 자

동차는 현재의 60개 이상의 제어장치가 연동된 구조를 훨씬 뛰어넘는 복잡한 전자장치가 될 것

이며, 여기에는 사람이 해결할 수 없는 수준의 고수준 소프트웨어가 필요하여 필수적으로 CPS

기술이 요구될 것이다. 또한, CPS 기술의 핵심 기술 중 하나인 CPS M&S 기술 적용으로 시스

템 개발 기간이 크게 단축될 수 있어 기업에서는 경쟁사에 비해 높은 경제성을 가지고 제품 개

발을 수행할 수 있게 될 것이다. 따라서, CPS 기술은 특정 산업 분야에만 국한되고 한정된 요소

기술이 아니라 국가의 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있는 국가 기반 소프트웨어 기술로서 자리매

김되어야 할 것이다.

<참 고 문 헌>

[1] Edward A. Lee. “Cyber Physical Systems: Design Challenges”. International Symposium on

Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed Computing(ISORC), May, 2008.

[2] www.nitrd.gov/pubs/

[3] http://www.nsf.gov/

[4] http://varma.ece.cmu.edu/summit/CPS_Summit_Report.pdf

[5] http://www.omg.org/technology/documents/dds_spec_catalog.htm

* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.