도시인의 생활 송두리째 뒤바꿀 신기한 기술 [ESG 세상]

[ESG 세상] 물리 세계와 가상 세계 융합해주는 CPS

새로운 시대정신이자 미래의 침로인 'ESG'가 거대한 전환을 만들고 있다. ESG는 환경(E), 사회(S), 거버넌스(G)의 앞자를 딴 말로, 더 나은 세상을 향한 세계 시민의 분투를 대표하는 가치 담론이다. 삶에서, 현장에서 변화를 만들어내고 실천하는 사람과 조직을 만나 그들이 여는 미래를 탐방한다. <기자말>

[안치용, 장가연, 정민주, 이윤진 기자]

▲ 스마트 도시 ⓒ 픽사베이

 
2022년 11월 중순 전 세계 인구가 약 80억 명을 돌파했다. 1950년의 25억 명에서 3배 이상으로 증가한 수치다. UN은 전 세계 인구가 2030년 약 85억 명, 2050년 97억 명, 2100년에는 104억 명이 되리라고 예측했다.[1]

이러한 인구 증가와 함께 인구의 지역 편중 또한 점쳐진다. 2050년까지 세계 인구 3명 중 2명이 도시에 거주할 가능성이 커지면서 지속가능한 도시 계획 및 공공 서비스의 필요성이 부각되고 있다.[2]

인류의 미래가 전례 없이 도시적인 환경에 놓일 것으로 예측되면서 현재 도시가 당면한 과제를 효율적이고 신속하게 해결해 낼 수 있는 '스마트 도시' 개념은 더욱 중요해질 전망이다.[3] 스마트 도시는 "도시의 경쟁력과 삶의 질의 향상을 위하여 건설·정보통신기술 등을 융·복합하여 건설된 도시 기반 시설을 바탕으로 다양한 도시서비스를 제공하는 지속가능한 도시"('스마트도시 조성 및 산업진흥 등에 관한 법률' 제2조 제1호)로 도시의 모든 인프라를 네트워크화한 미래형 첨단 도시다.[4]

컴퓨터와 인터넷 기반의 제3차 산업혁명에서 더 나아가 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 빅데이터 등의 기술을 활용해 사람, 사물, 공간이 초연결되는 제4차 산업혁명에서 스마트 도시의 핵심 기술로 가상물리시스템(CPS, Cyber-Physical System)이 주목받는다.[5]
 
인간의 한계를 넘어

CPS는 컴퓨터 프로그래밍으로 만들어진 가상(Cyber) 세계와 실제 사람이 살아가는 물리(Physical)세계를 사물인터넷 등의 ICT 기술을 이용해 유기적으로 융합하고 사물들이 서로 소통하며 자동·지능적으로 제어되는 시스템이다.[6]

'CPS 기반 정수처리공정 자율제어 시스템 개발'을 수행 중인 한국건설기술연구원 환경연구본부 오현제 선임연구위원은 "스마트 도시에서의 CPS 기능은, AI 구축에 활용된 다양한 센서 및 알고리즘을 통한 사전 예측 개념의 도시 관리 서비스를 제공하여 주거·생활편의 등의 문제 해결뿐 아니라 안전과 재난 대비에 직·간접적으로 도움을 주어 국민의 삶의 질 향상에 기여할 수 있다"고 설명했다.

이러한 CPS의 핵심 요소는 센서와 액추에이터(Actuator, 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계 장치)다.[7] 물리 세계에서 발생하는 변화를 다양한 센서로 감지하면 고도화한 시스템 모델을 기반으로 가상 세계에서 물리 세계를 재현 및 투영하여 인지·분석·예측한다. 그 결과로 생성된 제어정보에 근거해 액추에이터로 물리 세계를 우리가 원하는 방향으로 변화시킨다.

이에 따라 물리 세계가 변화하고 정보가 재수집되는 전체 사이클이 형성되면서 스마트 도시에서 발생할 수 있는 다양한 문제를 AI 기술로 학습·분석하여 가상공간에서 사전에 예측하고 현실 공간에서 대처할 수 있도록 지원한다.[8] 노동가능 인구  수가 점차 감소하고 있는 현시점에서 CPS는 다양한 사회 문제에 선제적으로 대응할 수 있는 최신 미래 혁신기술인 셈이다.
 

▲ 사이버물리시스템(CPS) 개념도. 자료: 손상혁. (2016). 융합의 또 다른 이름, 사이버 물리 시스템. 지식의 지평, (21), 6. ⓒ 손상혁

 
물리 세계와 가상 세계의 융합은 스마트 도시를 넘어 인간의 삶에 엄청난 개혁을 가져올 혁신기술이기도 하다.[9] 스마트 그리드, 스마트 로봇, 자율자동차, 네트워크 지원의 의료 솔루션, 스마트 팩토리 등이 모두 CPS의 대표적인 예다.[10] 이러한 기술을 통해 우리는 인간의 한계를 넘어 물리 세계를 좀 더 정확히 이해할 수 있다. 또한 사람에 의한 수동적 작업에서 더 나아가 세계가 스스로 반응하는 자율성을 확보하여 사람에게 주어진 업무 부담이 크게 줄어든다.

무엇보다 중요한 것은 안전성의 대폭 향상이다. 물리 세계와 밀접하게 융합된 시스템으로 정확한 분석과 빠른 반응이 가능해져 안전성을 높인다. 예를 들어 지능형 자율자동차가 센서로 주변의 위험 요소를 명확히 인지하고 빠르게 반응한다면 운전자의 부담은 줄이고 안전성을 높일 수 있다.[11]

성장하는 CPS 시장과 관련 기술들

CPS가 처음으로 공식 등장한 2007년 미국 대통령과학기술자문위원회(PCAST) 보고서 이후로 미국, 유럽연합(EU) 등 세계 각국 정부는 이미 그 가능성을 주목하고 있다.[12] [13] CPS 분야를 선도하고 있는 미국은 CPS의 핵심적인 응용 분야로 생산 공정, 교통, 전력, 헬스케어, 홈/빌딩, 국방, 재해대응의 7개를 제시하였다.[14]

이러한 스마트 팩토리, 스마트 교통 시스템, 스마트 그리드, 스마트 헬스케어 시스템, 스마트 홈/빌딩 시스템, 스마트 국방 시스템, 스마트 재해대응 시스템을 모두 융합한 스마트 도시에서는 가상과 현실을 융합하는 CPS 활용을 위해 IoT나 빅데이터, AI, 디지털 트윈 등 다양한 기술이 사용된다.[15]
 

▲ 현실 세계와 가상 세계의 융합 개념도 ⓒ 국토연구원

 

CPS와 관련 기술 사이의 개념이 다소 헷갈릴 수도 있다. 특히 IoT나 디지털 트윈을 CPS와 동의어로 사용하는 사례가 많은데 이 기술들이 특정 기술 규격이 있는 고유한 독자 기술이 아닌 개념적이고 여러 기술을 결합한 솔루션이기 때문이다.[16] 각 기술이 중점을 두는 개발 목표를 보면 구분이 가능하기는 하다. 공간의 제약을 허무는 사물 공간 연결망인 IoT는 다양한 물리 시스템의 연결성에 주목하고, 디지털 트윈은 현실의 물리 시스템을 가상 세계에 3차원 모델로 동일하게 구현하여 동기화 시뮬레이션을 통한 의사결정에 활용하고자 한다.[17] [18]

반면 CPS는 단순 연결을 넘어서서 어떻게 하면 물리적인 현실 세계를 높은 신뢰성을 가지고 실시간으로 제어할 수 있는지에 주목한다. 현실의 변화에 유연하게 대처하고 인적 오류를 최소화하기 위해 인간의 개입 없는 자율적 제어를 목표로 한다는 점에서 다른 기술들과 구분된다.[19]

CPS와 그 기반 기술인 디지털 트윈은 가상 세계 제어를 통한 현실 세계 제어 여부에서 가장 큰 차이를 보인다. 현재 많은 기업이 디지털 트윈을 통해 사전에 문제를 예방하고 효율적으로 자산을 관리하고 있으나 그 모든 제어 행위는 가상 세계와 분리된 현실 세계에서 운전자의 선택에 의해서 결정된다. 그러나 CPS에서는 가상 세계에서 제어 값을 바꿀 때 일어날 수 있는 모든 경우의 수를 확인하고 담당자가 최적의 제어 값을 자동/수동으로 제어하게 된다.

미국이 2007년과 연이은 2010년 대통령과학기술자문위원회(PCAST) 보고서에서 CPS를 국가 경쟁력 강화를 위한 최우선 연구 과제로 선정한 이후로 CPS 시장은 꾸준히 성장 중이며 향후 가파른 성장이 예상된다.[20] 2022년 글로벌 CPS 시장 규모는 869억 7960만 달러이며 2028년에는 1375억 6600만 달러에 달할 것으로 시장분석기관 FMI(Future Market Insights)는 예상했다.[21]

향후 국가 경쟁력을 좌우할 새로운 동력으로 기대받는 CPS에 대해 세계 최대의 글로벌 인프라 기업 GE는 32조 3000억 달러에 달하는 경제 영역이 직접적인 영향을 받을 것이며, 2025년까지 82조 달러의 성장 잠재성을 갖고 있다고 예상했다. [22] [23]

CPS 적용 스마트 도시 사례

다양한 스마트 도시 평가에서 상위권에 위치하며 국제경영개발연구원(IMD)의 '스마트 도시 지수'에서 2021년까지 3년 연속 1위를 차지한 대표적인 스마트도시 싱가포르의 '버추얼 싱가포르(Virtual Singapore)'는 CPS의 높은 활용성을 직접적으로 보여준다.[24] [25]
 

▲ 싱가포르 도시 전체를 가상세계에 구현한 버추얼 싱가포르(왼쪽). 버추얼 싱가포르를 통해 건물별 태양광 효율을 분석 중이다(오른쪽). ⓒ National Research Foundat

 
다양한 도시 문제를 해결하기 위해 모델링과 시뮬레이션의 필요성이 대두함에 따라 싱가포르는 2015년부터 도시 전체를 3D 모델링하고 활용할 수 있는 버추얼 싱가포르를 구축해 2019년 완성했다. 건축물, 지형 속성, 지반 속성, 도시 인프라 등의 3D 모델링은 물론 차량 및 사람의 이동, 바람길 등 실시간 동적 정보 자료가 입력돼 분석된다.

실험, 테스트베드, 계획 및 의사결정, 연구 및 개발에 활용되고 있는 버추얼 싱가포르는 재난 위험 분석, 교통량 시뮬레이션, 태양열 설치 검증, 그림자를 고려한 단지 조성이나 시민을 위한 서비스 개발 등 도시 운영 최적화에 도움을 준다.[26]
 

▲ 런던 도시 전체를 가상세계에 구현한 VU.CITY LONDON. https://www.vu.city/cities/london ⓒ VU.CITY

 
영국에서도 'VU.CITY LONDON'이란 런던의 완전한 3D 디지털 모델을 런던 정부에서 만들어 도시 운영의 효율성을 높이고 시민에겐 다양한 데이터를 통해 시민 체감형 서비스를 제공 중이다.[27] 서울의 약 2.8배에 달하는 1728㎢ 넓은 면적과 330만 개 건물을 15cm 이내의 정확도로 구현했다.[28] 'VU.CITY LONDON'은 SNS를 비롯한 교통, 날씨, 환경정보, 뉴스정보 등 실시간 데이터를 연동하여 상호작용하는 모델을 구축하고 지리 정보, 경관, 교통 및 채광 등의 자료를 활용하여 복합적으로 이용한다.

원하는 정보를 언제든 접할 수 있도록 시민에게 가상의 도시 모델을 제공하고 건물건설 시 변경될 도시를 보행자 시선으로 사전에 볼 수 있게 해 시민이 도시경관 변화를 체감할 수 있다. 이에 따라 도시개발 및 의사결정에 드는 시간과 비용을 줄이고, 도시계획 초기 단계에서 계획의 성격과 영향을 명확하게 제공함으로써 개발 위험을 최소화할 수 있다.[29]

한국의 스마트 도시와 CPS

국내에서도 '세종 5-1생활권'이나 '부산 에코델타 스마트 시티' 같은 국가 시범도시를 통해 4차 산업혁명 기술을 실증·접목한 스마트 도시 개발에 힘쓰고 있다.[30] 그러나 CPS 관련 기술 개발은 대부분 초기 단계로 공공연구기관이나 대학교 중심의 원천기술 개발에 머물며 해외 제품과 기술에 의존한다.

환경부 상하수도 혁신 기술개발사업의 하나로 한국건설기술연구원 환경연구본부가 2020년부터 수행 중인 'CPS 기반 정수처리공정 자율제어 시스템 개발' 연구는 사회기반시설인 정수장을 대상으로 CPS기반 기술 구축 및 운영을 꾀하는 첫 시도이다.

이 가상 정수장은 수돗물로 유입되는 유해물질 사전 차단과 화학약품 사용 최소화, 정수처리 에너지 비용 절감 등으로 환경 부하를 줄이고 수돗물에 대한 국민의 신뢰를 높일 것으로 기대된다. 환경부는 "CPS가 도시화에 따른 교통, 주택, 환경, 에너지 등 도시 문제 해결을 위해 일종의 테스트베드로서 효율적 도시 운영을 위한 의사결정에 도움을 준다"고 사업 취지를 밝혔다.
 

▲ CPS를 활용한 정수처리 자동제어 시스템 ⓒ 한국건설기술연구원

 
현실 세계를 가상 세계로 연결해 AI를 통해 모든 가능한 '현실'을 사전에 파악할 수 있게 되면 도시 운영의 효율화 외에 일반 시민과 민간의 접근이 쉬워져 도시 운영의 민주주의 또한 제고될 것이다. 갈등 비용이 줄어드는 무형의 이익 외에 사고 및 재난 등에 대한 실시간 대응과 미래 사태에 대한 예측이란 유형의 이익이 막대하기에 CPS는 확실히 매력적인 솔루션이며 따라서 도래가 시간문제인 듯하다.[31]

다만 CPS가 우리 상상을 넘어서는 수준으로 고도화한 어느 순간 도시 운영의 의사결정과 관련한 민주주의가 인간 손을 완전히 떠나게 되는 것은 아닐지 살짝 걱정이 된다. 기우이면 좋겠다.

글: 안치용 아주대 융합ESG학과 특임교수, 장가연·정민주 기자(지속가능바람), 이윤진 ESG연구소 연구위원

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덧붙이는 글 | 참고 자료 [1] UN. (2022). World Population Prospects 2022, Summary of Results. i, 3. [2] UN. (2018). Around 2.5 billion more people will be living in cities by 2050, projects new UN report. UN. https://www.un.org/en/desa/around-25-billion-more-people-will-be-living-cities-2050-projects-new-un-report. [3] 강명구. (2015). 스마트 도시 개념과 의미. 서울연구원, 세계와 도시 9호. 20. [4] 스마트도시 조성 및 산업진흥 등에 관한 법률 ( 약칭: 스마트도시법 ) [시행 2022. 12. 1.] [법률 제18522호, 2021. 11. 30., 타법개정] [5] 장석인. (2017). 제4차 산업혁명 시대의 산업구조 변화 방향과 정책과제. 국토 제424호(2017.2). 23. [6] 정건희 외. (2021). 사이버물리시스템 기반 도시수자원 연계 시스템 개발. 물과 미래, Vol. 54, No 7, 2021.7, 6. [7] 유도근 외. (2021). 사이버물리시스템 및 디지털트윈 기반 도시수자원 인프라 운영 의사결정 프레임워크 개발 방향. 물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future v.54 no.7. 29. [8] 손상혁. (2016). 융합의 또 다른 이름, 사이버 물리 시스템. 지식의 지평, (21), 6. [9] 원명규, 박태준, 손상혁. (2013). 사이버물리시스템의 현재와 미래: 응용 어플리케이션 관점에서의 접근. 한국통신학회지(정보와통신), 30(10), 62. [10] 윤형미. (2021). 사이버물리시스템의 해외 주요국 정책 및 사례 - 싱가포르, 미국, 영국 -. RICON 동향&이슈 해외 정책. 3. [11] 원명규, 박태준, 손상혁. (2013). 사이버물리시스템의 현재와 미래: 응용 어플리케이션 관점에서의 접근. 한국통신학회지(정보와통신), 30(10), 62. [12] 김원태;이수형;전인걸;유미선;김경태;임채덕. (2014). SmartAmerica Challenge 기술동향. 전자통신동향분석, 2014(8), 74. [13] 원명규, 박태준, 손상혁. (2013). 사이버물리시스템의 현재와 미래: 응용 어플리케이션 관점에서의 접근. 한국통신학회지(정보와통신), 30(10), 62. [14] 주미합중국대한민국대사. (2014). 미국의 SmartAmerica SmartAmerica Challenge Challenge 추진 동향. 미국의 주요 경제통상 동향 제 25호. 3. [15] 손상혁. (2016). 융합의 또 다른 이름, 사이버 물리 시스템. 지식의 지평, (21), 13. [16] 김용운. (2021). 디지털 트윈의 개념과 기술 및 산업 분야별 활용 사례. 지능정보기술동향 2021년 5월. 37. [17] 손상혁. (2016). 융합의 또 다른 이름, 사이버 물리 시스템. 지식의 지평, (21), 9-10. [18] 대한민국 정부. (2021). “한국판 뉴딜 2.0, 초연결 신산업분야의 핵심” 「디지털 트윈 활성화 전략」. 정책보고서. 1. [19] 손상혁. (2016). 융합의 또 다른 이름, 사이버 물리 시스템. 지식의 지평, (21), 9-10. [20] 주미합중국대한민국대사. (2014). 미국의 SmartAmerica SmartAmerica Challenge Challenge 추진 동향. 미국의 주요 경제통상 동향 제 25호. 2-3. [21] FMI. (2022). Cyber-Physical System Market. https://www.futuremarketinsights.com/reports/cyber-physical-systems-market. [22] 주미합중국대한민국대사. (2014). 미국의 SmartAmerica SmartAmerica Challenge Challenge 추진 동향. 미국의 주요 경제통상 동향 제 25호. 2-3. [23] 제너럴 일렉트릭. (2022.12.4) 위키백과. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%9C%EB%84%88%EB%9F%B4_%EC%9D%BC%EB%A0%89%ED%8A%B8%EB%A6%AD. [24] 조준혁, 이나래, 신우재. (2021). 스마트도시 해외 사례 싱가포르(Singapore). 서울디지털재단 정책/거버너스 연구. 1. [25] IMD. (연도미상). Smart City Observatory. https://www.imd.org/smart-city-observatory/home/. [26] 윤형미. (2021). 사이버물리시스템의 해외 주요국 정책 및 사례 - 싱가포르, 미국, 영국 -. RICON 동향&이슈 해외 정책. 1-2. [27] 윤형미. (2021). 사이버물리시스템의 해외 주요국 정책 및 사례 - 싱가포르, 미국, 영국 -. RICON 동향&이슈 해외 정책. 4. [28] VU.CITY.LONDON. (2023.2.12). https://www.vu.city/cities/london#coverage. [29] 윤형미. (2021). 사이버물리시스템의 해외 주요국 정책 및 사례 - 싱가포르, 미국, 영국 -. RICON 동향&이슈 해외 정책. 4-5. [30] 국토교통부. (2023). 국가시범도시. Smart City Korea. https://smartcity.go.kr/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%A0%9D%ED%8A%B8/%EA%B5%AD%EA%B0%80%EC%8B%9C%EB%B2%94%EB%8F%84%EC%8B%9C/%EC%84%B8%EC%A2%85-5-1%EC%83%9D%ED%99%9C%EA%B6%8C/. [31] 장윤섭, 장인성. (2021). 스마트 도시 실현을 위한 디지털 트윈 기술 동향. 전자통신동향분석, 36(1). 104.