디지털 트윈

디지털 트윈이란?

디지털 트윈은 물리적 객체, 시스템 또는 프로세스의 가상 표현 또는 디지털 대응물입니다. 실시간 데이터, 시뮬레이션 및 모델링 기술을 사용하여 물리적 대응물의 동작, 특성 및 성능을 반영합니다. 디지털 트윈은 제조, 의료, 운송, 에너지 등 다양한 산업 분야에서 성능을 최적화하고 운영을 모니터링하며 의사 결정을 촉진하는 데 사용됩니다.

관련 제품: NX 캐드 | Simcenter 시뮬레이션 소프트웨어 | Solid Edge

디지털 트윈의 주요 특징

실시간 데이터 통합:

디지털 트윈은 센서, IoT 장치 및 기타 소스의 실시간 데이터로 지속적으로 업데이트되어 주어진 시간에 물리적 자산 또는 시스템을 정확하게 표현합니다.

시뮬레이션 및 모델링:

디지털 트윈은 종종 시뮬레이션 및 모델링 기술을 통합하여 다양한 조건에서 물리적 자산 또는 시스템의 동작과 성능을 시뮬레이션합니다. 이를 통해 예측 분석, 최적화 및 시나리오 계획이 가능합니다.

양방향 통신:

디지털 트윈은 가상 모델과 물리적 모델 간의 양방향 통신을 가능하게 합니다. 즉, 디지털 트윈의 데이터와 인사이트는 실제 세계의 의사 결정과 행동에 영향을 미칠 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

모니터링 및 제어:

디지털 트윈을 사용하면 가상 환경에서 물리적 자산 또는 시스템을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 이를 통해 원격 모니터링, 진단 및 예측 유지 관리가 가능하여 성능을 최적화하고 가동 중지 시간을 줄일 수 있습니다.

라이프사이클 관리:

디지털 트윈은 설계 및 개발에서 운영 및 유지 보수에 이르기까지 제품 또는 시스템의 전체 수명 주기를 지원합니다. 설계 검증, 테스트, 교육 및 폐기에도 사용할 수 있습니다.

협업 환경:

디지털 트윈은 데이터 공유, 분석 및 의사 결정을 위한 공통 플랫폼을 제공하여 엔지니어, 운영자 및 유지 보수 담당자와 같은 다양한 이해 관계자 간의 협업을 촉진합니다.

업계의 디지털 트윈 사례

제조:

제조 프로세스 및 장비의 디지털 트윈은 생산 일정을 최적화하고 장비 고장을 예측하며 전반적인 효율성을 개선할 수 있습니다.

스마트 시티:

교통망 및 유틸리티와 같은 도시 인프라의 디지털 트윈은 교통 흐름을 최적화하고 에너지 소비를 관리하며 공공 서비스를 향상시킬 수 있습니다.

의료:

환자 생리학 및 의료 기기의 디지털 트윈은 개인화된 치료 계획을 지원하고, 원격으로 건강 지표를 모니터링하고, 수술 절차를 시뮬레이션할 수 있습니다.

에너지:

발전소 및 재생 에너지 시스템의 디지털 트윈은 에너지 생산을 최적화하고, 장비 고장을 예측하고, 그리드 안정성을 관리할 수 있습니다.

전반적으로 디지털 트윈은 물리적 세계와 디지털 세계 간의 격차를 해소하여 다양한 산업 전반에 걸쳐 인사이트를 얻고, 성능을 최적화하고, 혁신을 주도할 수 있는 강력한 프레임워크를 제공합니다.

디지털 트윈은 다중 물리 시뮬레이션, 데이터 분석 및 머신 러닝 기능을 통합함으로써 설계 변경, 사용 시나리오, 환경 조건 및 기타 끝없는 변수의 영향을 입증할 수 있으므로 물리적 프로토타입의 필요성을 없애고 개발 시간을 단축하며 최종 제품 또는 프로세스의 품질을 개선할 수 있습니다.

제품 또는 생산의 전체 수명 동안 정확한 모델링을 보장하기 위해 디지털 트윈은 물리적 물체에 설치된 센서의 데이터를 사용하여 물체의 실시간 성능, 작동 조건 및 시간 경과에 따른 변화를 결정합니다. 이 데이터를 사용하여 디지털 트윈은 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 물리적 대응물에 대한 변경 사항을 반영하도록 진화하고 지속적으로 업데이트되며, 기업이 최소한의 비용으로 제품, 생산 및 성능을 지속적으로 최적화할 수 있도록 가상 환경에서 피드백의 폐쇄 루프를 생성합니다.

디지털 트윈의 잠재적 응용 분야는 제품 수명 주기의 어느 단계를 모델링하느냐에 따라 달라집니다. 일반적으로 디지털 트윈에는 제품(Product), 생산(Production), 성능(Performance)의 세 가지 유형이 있으며, 이에 대해서는 아래에 설명되어 있습니다. 세 가지 디지털 트윈이 함께 진화하면서 결합하고 통합하는 것을 디지털 스레드라고 합니다. "스레드"라는 용어는 제품 및 생산 수명 주기의 모든 단계에 짜여져 있고 데이터를 통합하기 때문에 사용됩니다.

세 가지 유형의 디지털 트윈

1. 제품 디지털의 성공: 제품 디지털 트윈은 물리적 제품을 디지털 형식으로 복제합니다. 제품 설계, 테스트 및 시뮬레이션에 사용됩니다. 제품 디지털 트윈은 엔지니어와 설계자가 다양한 조건에서 제품의 성능을 분석하는 데 도움이 되므로 실제 생산이 시작되기 전에 설계와 기능을 최적화할 수 있습니다.
2. 디지털 트윈 처리: 프로세스 디지털 트윈은 물리적 프로세스 또는 시스템의 동작을 시뮬레이션하고 분석합니다. 제조 공장, 공급망 및 에너지 그리드와 같은 복잡한 시스템의 운영을 모니터링, 제어 및 최적화하는 데 사용됩니다. 프로세스 디지털 트윈을 통해 조직은 프로세스를 실시간으로 시각화, 시뮬레이션 및 분석하여 더 나은 의사 결정과 성능 최적화를 촉진할 수 있습니다.
3. 시스템 디지털 트윈: 시스템 디지털 트윈은 디지털 환경에서 전체 시스템 또는 에코시스템을 복제합니다. 제품, 프로세스 및 기타 구성 요소의 여러 디지털 트윈을 통합하여 복잡한 시스템의 동작을 포괄적으로 시뮬레이션합니다. 시스템 디지털 트윈은 스마트 시티, 교통망, 산업 단지와 같은 대규모 시스템을 모델링하고 분석하는 데 사용됩니다.

CAD 및 시뮬레이션 소프트웨어의 디지털 트윈

디지털 트윈 모델링은 해당 소프트웨어의 특정 기능에 따라 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어와 시뮬레이션 소프트웨어 모두에 포함될 수 있습니다.

1. CAD 소프트웨어

   CAD 소프트웨어는 주로 물리적 물체 또는 시스템의 상세한 3D 모델을 만드는 데 사용됩니다. 디지털 트윈의 맥락에서 CAD 소프트웨어를 사용하여 물리적 자산의 가상 표현 또는 형상을 생성할 수 있습니다. 여기에는 물리적 개체의 형상, 구조, 구성 요소 및 어셈블리 모델링이 포함됩니다. CAD 소프트웨어는 일반적으로 기하학적 표현 및 설계 의도에 중점을 두어 엔지니어가 제품 또는 시스템의 정확한 가상 모델을 생성할 수 있도록 합니다.

2. 시뮬레이션 소프트웨어

   반면에 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 조건에서 물리적 시스템의 동작과 성능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 실시간 데이터, 물리 기반 모델 및 시뮬레이션 기술을 통합하여 물리적 자산의 가상 표현을 생성함으로써 디지털 트윈 모델링을 통합할 수 있습니다. 여기에는 물리적 시스템의 동적 동작, 상호 작용 및 성능 특성 시뮬레이션이 포함됩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 기본 물리학 원리를 기반으로 시스템의 동작을 분석하고 예측하는 데 중점을 둡니다.

실제로 디지털 트윈 모델링에는 CAD 소프트웨어 와 시뮬레이션 소프트웨어의 조합이 포함되는 경우가 많습니다. CAD 소프트웨어는 물리적 자산의 기하학적 표현을 생성하는 데 사용되며, 시뮬레이션 소프트웨어는 디지털 트윈의 동작과 성능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. CAD와 시뮬레이션 소프트웨어 간의 통합을 통해 엔지니어는 물리적 시스템과 동적 동작을 정확하게 표현하는 포괄적인 디지털 트윈을 만들 수 있습니다. 또한 일부 소프트웨어 플랫폼은 CAD와 시뮬레이션 기능을 단일 플랫폼으로 결합한 통합 솔루션을 제공하여 사용자가 동일한 환경 내에서 설계에서 분석으로 원활하게 전환할 수 있도록 합니다. 이러한 통합 솔루션을 통해 엔지니어는 디지털 트윈을 보다 효율적이고 효과적으로 생성, 시뮬레이션 및 최적화할 수 있습니다.

Siemens NX와 Siemens Solid Edge CAD 소프트웨어는 모두 CAD와 시뮬레이션 기능을 결합한 통합 솔루션을 제공합니다. NX는 Siemens Digital Industries Software에서 개발한 포괄적인 소프트웨어 제품군으로, 고급 CAD, CAM(Computer-Aided Manufacturing), CAE(Computer-Aided Engineering) 및 PLM(Product Lifecycle Management) 기능을 포함합니다. NX 에코시스템에는 CAD 설계에서 시뮬레이션 해석으로 원활하게 전환할 수 있는 통합 솔루션이 있습니다. Solid Edge는 Siemens Digital Industries Software에서 개발한 포괄적인 CAD 소프트웨어 도구 제품군으로, 주로 제품 설계, 모델링, 제도 및 어셈블리 관리를 위해 설계되었습니다. Solid Edge 에코시스템에는 CAD 설계에서 시뮬레이션 해석으로 원활하게 전환할 수 있는 통합 솔루션이 있습니다.

NX CAD

NX CAD는 3D 모델링, 어셈블리 설계, 제도 및 시각화를 위한 강력한 도구를 제공합니다. 엔지니어는 NX CAD의 풍부한 기능 환경을 사용하여 제품 및 시스템의 상세한 기하학적 모델을 생성할 수 있습니다. 이는 NX 에코시스템 내에서 디지털 트윈 모델링의 기반이 됩니다. NX CAE: NX CAE(Computer-Aided Engineering)는 NX의 시뮬레이션 및 해석 모듈로, 구조, 열, 유체 역학, 모션 및 다중물리 시뮬레이션을 위한 광범위한 기능을 제공합니다. NX CAE를 통해 엔지니어는 다양한 작동 조건 및 부하 시나리오에서 디지털 트윈의 동작과 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다.

통합 시뮬레이션 환경:

NX는 엔지니어가 분석을 위해 CAD 형상을 NX CAE로 원활하게 전송할 수 있는 통합 시뮬레이션 환경을 제공합니다. 이 통합은 시뮬레이션 워크플로우를 간소화하여 엔지니어가 동일한 소프트웨어 플랫폼 내에서 설계 검증, 최적화 및 분석을 수행할 수 있도록 합니다.

다중 물리 시뮬레이션

NX는 엔지니어가 구조 역학, 유체 역학, 열 관리 및 전자기 효과와 같은 다양한 물리적 현상 간의 상호 작용을 시뮬레이션할 수 있는 다중 물리 시뮬레이션 기능을 제공합니다. 이를 통해 여러 물리 영역을 포함하는 디지털 트윈을 포괄적으로 분석할 수 있습니다.

설계 최적화

NX에는 설계 최적화 및 민감도 분석을 위한 도구가 포함되어 있어 엔지니어가 설계 대안을 탐색하고 성능을 개선하며 설계 목표를 달성할 수 있습니다. CAD에서 변경한 설계는 시뮬레이션 모델에서 자동으로 업데이트될 수 있으므로 설계 프로세스 전반에 걸쳐 일관성과 정확성을 보장할 수 있습니다.

전반적으로 Siemens CAD 소프트웨어는 CAD와 시뮬레이션 기능을 결합한 통합 솔루션을 제공하여 엔지니어가 디지털 트윈을 보다 효율적이고 효과적으로 생성, 시뮬레이션 및 최적화할 수 있도록 합니다. 이 통합은 협업을 강화하고 워크플로를 간소화하며 다양한 산업 분야에서 제품 개발을 가속화합니다.

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)

모니터링 및 분석에 주로 사용되는 기존 디지털 트윈과 달리, 실행 가능한 디지털 트윈은 입력에 응답하고, 시나리오를 시뮬레이션하고, 자율적으로 또는 사람의 개입으로 의사 결정을 내릴 수 있는 능동적인 동적 모델입니다. 실행 가능한 디지털 트윈(또는 xDT)입니다. 간단히 말해서 xDT는 칩의 디지털 트윈입니다. xDT는 물리적 제품에 내장된 (상대적으로) 적은 수의 센서의 데이터를 사용하여 차수 축소 모델을 사용하여 실시간 시뮬레이션을 수행합니다. 이러한 소수의 센서는 물체가 그 어떤 장소에 있든지 물리적 상태를 예측할 수 있으며, 이는 센서 배치가 불가능한 장소에서도 마찬가지입니다.

실행 가능한 디지털 트윈의 주요 특성Key characteristics of executable digital twins

실시간 시뮬레이션 및 상호 작용

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 물리적 자산 또는 시스템의 동작과 성능을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 입력에 응답하고, 다양한 작동 조건을 시뮬레이션하고, 외부 시스템 또는 사용자와 동적으로 상호 작용할 수 있습니다.

자율성과 의사결정

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 사전 정의된 규칙, 알고리즘 또는 머신 러닝 모델을 기반으로 자율적으로 의사 결정을 내릴 수 있습니다. 데이터를 분석하고, 결과를 예측하고, 성능을 최적화하거나 변화하는 조건에 대응하기 위한 조치를 취할 수 있습니다.

폐쇄 루프 제어

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 종종 폐쇄 루프 제어 시스템에서 작동하며, 센서와 액추에이터의 실시간 데이터가 가상 모델로 피드백되어 매개변수를 조정하고 성능을 최적화하며 원하는 작동 조건을 유지합니다.

예측 분석 및 최적화:

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 예측 분석 및 최적화 기술을 사용하여 미래 행동을 예측하고, 잠재적인 문제 또는 기회를 식별하고, 성능을 개선하거나 위험을 완화하기 위한 조치를 권장합니다.

IoT 및 AI 기술과의 통합

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 사물 인터넷(IoT) 센서, 연결성 및 인공 지능(AI) 알고리즘을 활용하여 실시간 데이터를 수집하고, 복잡한 패턴을 분석하고, 정보에 입각한 결정을 내립니다. 또한 적응 행동과 지속적인 개선을 위해 기계 학습 모델을 통합할 수도 있습니다.

역동적인 적응과 학습

실행 가능한 디지털 트윈(xDT)은 경험을 통해 학습하고 시간이 지남에 따라 환경이나 운영 조건의 변화에 적응할 수 있습니다. 그들은 새로운 데이터와 피드백을 기반으로 모델, 매개 변수 및 전략을 지속적으로 업데이트 할 수 있습니다.

실행 가능한 디지털 트윈은 제조, 에너지, 운송, 의료 및 스마트 시티를 포함한 다양한 산업 분야에서 애플리케이션을 찾습니다. 이를 통해 예측 유지 관리, 자율 운영, 프로세스 최적화 및 실시간 모니터링 및 제어가 중요한 복잡한 시스템에서 의사 결정 지원이 가능합니다. 전반적으로 실행 가능한 디지털 트윈은 디지털 트윈 기술의 차세대 진화를 나타내며 물리적 자산 및 시스템의 실시간 시뮬레이션, 의사 결정 및 최적화를 위한 향상된 기능을 제공합니다. 실행 가능한 디지털 트윈은 물리적 자산 또는 시스템의 가상 복제본을 나타낼 뿐만 아니라 가상 모델을 실시간으로 실행, 시뮬레이션 및 상호 작용할 수 있는 기능을 갖춘 디지털 트윈의 발전된 형태입니다.

xDT는 물리 기반입니다

물리 기반 실행 가능한 디지털 트윈은 복제되는 시스템의 물리적 동작을 설명하는 수학적 모델에 의존합니다. 이러한 모델은 일반적으로 역학, 열역학, 유체 역학, 전자기학 등과 같은 물리학의 기본 원리를 기반으로 합니다. 디지털 트윈은 이러한 물리적 현상을 지배하는 방정식을 풀면서 가상 환경에서 실제 시스템의 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다. 물리 기반 실행 가능한 디지털 트윈의 특성

물리 기반 모델

디지털 트윈은 물리적 시스템의 동작을 정확하게 표현하는 물리 기반 모델을 통합합니다. 이러한 모델에는 모션, 열 전달, 유체 흐름, 전기 회로, 구조 역학 및 모델링되는 시스템과 관련된 기타 물리적 현상을 설명하는 방정식이 포함될 수 있습니다.

물리적 프로세스 시뮬레이션

디지털 트윈은 물리 기반 모델을 사용하여 시스템 내의 물리적 프로세스와 상호 작용을 시뮬레이션합니다. 이를 통해 시스템이 다양한 작동 조건, 입력 및 시나리오에서 어떻게 동작할지 예측할 수 있습니다.

실시간 시뮬레이션

물리 모델을 기반으로 하는 실행 가능한 디지털 트윈은 물리적 시스템의 동작을 실시간 또는 거의 실시간으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 시스템 및 환경의 현재 상태를 기반으로 동적 상호 작용 및 의사 결정이 가능합니다.

폐쇄 루프 제어

물리 기반 실행 가능한 디지털 트윈은 종종 폐쇄 루프 제어 시스템에서 작동하며, 센서와 액추에이터의 실시간 데이터를 사용하여 시뮬레이션 매개변수를 조정하고 가상 모델의 동작을 제어합니다. 이를 통해 디지털 트윈은 원하는 작동 조건을 유지하고 성능을 최적화할 수 있습니다.

검증 및 확인

실행 가능한 디지털 트윈에 사용되는 물리 기반 모델은 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 검증 및 검증되어야 합니다. 여기에는 시뮬레이션 결과를 실제 측정 및 실험 데이터와 비교하여 디지털 트윈이 물리적 시스템을 정확하게 나타내는지 확인하는 작업이 포함됩니다.

물리 기반 모델링은 실행 가능한 디지털 트윈에서 일반적으로 사용되지만, 애플리케이션의 특정 요구 사항 및 제약 조건에 따라 데이터 기반 모델링, 경험적 모델 또는 물리학과 데이터 기반 기술을 결합한 하이브리드 모델과 같은 다른 모델링 접근 방식도 채택될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

지멘스 심센터

Simcenter™ 소프트웨어는 시스템 시뮬레이션, 3D CAE 및 테스트를 고유하게 결합하여 전체 제품 라이프사이클에 걸쳐 모든 중요 속성의 성능을 조기에 예측할 수 있도록 지원합니다. Simcenter는 물리 기반의 시뮬레이션을 데이터 해석을 통해 확보한 통찰력과 결합하여 설계를 최적화하고 혁신 제품을 확신을 갖고 보다 신속하게 제공할 수 있도록 지원합니다.

오늘날 엔지니어링 부서는 기계 기능을 전자 장치 및 제어 장치와 통합하고, 새로운 재료 및 제조 방법을 활용하고, 훨씬 더 짧아진 설계 주기 내에 새로운 설계를 제공하는 스마트 제품을 개발해야 합니다. 이를 위해서는 제품 성능 검증을 위한 현재의 엔지니어링 관행이 디지털 트윈 접근 방식으로 발전해야 하며, 이를 통해 시스템 기반 제품 개발을 위한 보다 예측 가능한 프로세스를 따를 수 있습니다.

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Simcenter 엔지니어링 및 컨설팅 서비스

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