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사이버물리시스템의 현재와 미래: 응용 어플리케이션 관점에서의 접근 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.30 no.10, 2013년, pp.62 - 69  

원명규 (대구경북과학기술원) ,  박태준 (대구경북과학기술원) ,  손상혁 (대구경북과학기술원)

초록
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사이버물리시스템 (Cyber Physical Systems, CPS)은 우리가 살아가는 물리 세계와 센서, 엑츄에이터, 임베디드 컴퓨팅 시스템 등으로 구성된 사이버 세계와의 융합을 추구하는 새로운 패러다임이다. 본고에서는 CPS가 무엇인지, 왜 중요한지, 그리고 풀어야 할 숙제는 무엇인지에 대한 논의를 CPS 응용 어플리케이션의 관점에서 접근해본다. 특히 CPS 핵심 응용 분야 중 교통, 의료, 전력시스템과 관련하여 현재 대구경북과학기술원의 CPS글로벌센터에서 수행 되고 있는 연구와 그러한 연구의 기여도에 초점을 맞추어 논의를 진행한다. 즉 본고에서는 지능형 교통 시스템, 스마트 홈, 스마트 그리드 및 미래의 헬스케어 시스템에 관한 연구 소개를 통하여 CPS에 대한 실질적인 이해를 돕고 앞으로 CPS 연구와 관련하여 나아가야 할 방향에 대하여 논의한다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러므로, 소프트웨어의 버그 등으로 인하여 장애가 발생할 경우 일반적인 소프트웨어의 경우보다 심각한 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 펜실베니아 대학(University of Pennsylvania)의 이인섭 교수 팀과의 공동 연구를 통하여 안전성이 높은 의료기기용 소프트웨어를 개발하고 있다.
  • 마지막으로 CPS와 관련하여 우리가 나아가야 할 방향에 대한 논의를 끝으로 본고를 마무리하려 한다.
  • 둘째, 현재 CPS와 관련하여 어떠한 연구가 진행 중인지에 대한 이해를 증진시킨다. 마지막으로, CPS 연구와 관련하여 우리가 풀어야 할 숙제는 무엇인지 즉 CPS 연구의 미래의 방향에 대하여 살펴본다.
  • 본 연구는 미 버지니아 대학 (University of Virginia) 과의 공동 연구로서 실제 가정환경에 키넥트 센서들을 배치하여 실험 및 테스트를 수행하였으며 현재는 다양한 기계 학습 알고리즘들의 적용 및 자체 알고리즘 개발을 통하여 위험 상황 감지 정확도를 극대화하려는 노력을 기울이고 있다.
  • 본 연구에서 제안하는 에너지관리시스템은 분산된 에너지저장장치들을 실시간으로 제어함으로써 전력망의 수급균형을 유지하고 고품질의 주파수 추종 성능을 얻는 것을 목표로 한다. 이를 위해 소규모 마이크로그리드별로 에너지 저장량 및 수요량을 예측하고, 이를 바탕으로 마이크로그리드 계통분리를 위한 최적 스케쥴을 생성하는 방법을 개발한다.
  • 미래의 가정에서는 여러 가지 다양한 목적을 가진 센서가 배치되어 인간의 생활과 사이버 시스템과의 융합이 추구될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 센서들이 감지하는 거주자의 생활 패턴을 이용하여 전력 사용을 최소화하는 데 연구 목적을 두고 있다.
  • 따라서 보안 공격 상황에 처하더라도 전력망이 계속 만족할 만한 수준으로 운영되고 효과적으로 복구될 수 있어야 한다. 본 연구에서는 특히 스마트 그리드 상태추정기(State Estimator)에 대한 위조 데이터 삽입 공격[11]을 방지하는 것을 목표로 한다. 주요 연구성과로는 배전망의 토폴로지로부터 공격에 취약한 스마트 미터들의 위치를 규명해 내고, 보안 수준을 극대화하는 PMU(Phasor Measurement Unit) 최적배치 방법을 제시한 것을 들 수 있다.
  • 본고에서는 이러한 CPS 의 핵심적인 응용분야들과 그 흐름을 같이 하여 현재 대구경북과학기술원의 CPS글로벌센터 (이하. CPS글로벌센터) 에서 수행되고 있는 연구 프로젝트들을 소개하고, 해당 연구 프로젝트들이 기존의 CPS 연구에 기여하는 점과, 앞으로 나아가야 할 방향 등을 논의한다. 그렇게 함으로써, 우리는 본고를 통하여 다음과 같은 목표를 달성하고자 한다.
  • 이러한 일련의 연구에서 한 걸음 더 나아가, 가정에 배치된 센서들이 오랜 기간 감지하여 축적한 거주자 행동 패턴 데이터를 보다 적극적으로 활용하고자 한다. 즉 이 연구에서는 센서의 감지 여부에 대한 히스토리를 담고 있는 데이터베이스를 기반으로 하여 미래의 거주자 행동 패턴을 예측하고 그에 따라서 센서 및 엑츄에이터의 스케쥴을 최적화한다.
  • 통계에서 보듯이 도로 교통의 안전성 확충은 현재 매우 시급한 문제이다. 이러한 필요성에 따라 CPS글로벌센터에서는 CPS 기술을 응용한 지능형 교통 시스템을 개발하여 도로 교통의 안전성을 혁신적으로 향상시키고자 하는데 연구의 궁극적인 목적을 두고 있다.
  • 결과적으로, 시뮬레이션 도구 (Autosim)와 실제 차량 운행 시스템 간의 연동을 통하여 기존에 할 수 없었던 운전자 관점에서의 다양한 실험들을 수행할 수 있게 될 것이다. 이를 통하여 기존의 연구로는 밝힐 수 없었던 여러 가지 문제들을 발견하고 그러한 문제들을 해결할 수 있는 토대를 마련한다는 데에 본 연구의 의의가 있다 하겠다.
  • 이러한 일련의 연구에서 한 걸음 더 나아가, 가정에 배치된 센서들이 오랜 기간 감지하여 축적한 거주자 행동 패턴 데이터를 보다 적극적으로 활용하고자 한다. 즉 이 연구에서는 센서의 감지 여부에 대한 히스토리를 담고 있는 데이터베이스를 기반으로 하여 미래의 거주자 행동 패턴을 예측하고 그에 따라서 센서 및 엑츄에이터의 스케쥴을 최적화한다. 다시 말해, 본 연구에서는 기존의 단기 예측 방식을 확장하여 “장시간” 축적된 데이터를 바탕으로 하여 거주자의 생활 패턴을 좀 더 정확히 파악하고 그 정보를 바탕으로 가전기기를 컨트롤 함으로써 가정의 전력사용량을 더욱 더 공격적으로 줄일 수 있도록 하고 있다.
  • 특히 낙상 사고의 경우 사전적 위험 상황 판별의 정확도가 매우 중요하므로 (잘못된 상황 판단의 경우 많은 비용과 인력의 낭비를 초래함), 위험 상황을 정확히 분석하기 위하여 단순히 키넥트 센서의 활용에 그치지 않고 기계학습과 추론 시스템을 이용하여 센서로부터 들어오는 데이터를 수정 및 가공을 통하여 보다 정확한 상황 판단이 가능하도록 하는데 본 연구의 가치가 있다고 할 수 있다.

가설 설정

  • 이러한 시스템의 자율성을 통하여 인간에게 주어진 업무 부담을 크게 줄일 수 있게 된다. 셋째, CPS를 통하여 안전성 (Safety)이 대폭 향상될 것이다. 즉 물리 세계와 밀접하게 융합된 시스템을 통하여 물리 세계를 정확히 분석할 수 있을 뿐 아니라 빠르게 반응함으로써 안전성을 향상시킨다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CPS는 궁극적으로 무엇을 추구하는가? 특히 CPS는 통신 기술을 활용하여 물리적 현상을 관찰, 계산 및 조작하는 각 시스템 개체들간의 협력적 관계를 구축한다. 궁극적으로 CPS는 이러한 통신 (Communication), 연산(Computation), 조작 (Control)의 세 요소를 핵심 개념으로 하여 인간과 공존하는 물리 세계 개체들 (Physical entities)과, 센서, 엑츄에이터, 임베디드 시스템 등과 같은 시스템 개체들로 구성되는 사이버 세계와의 융합을 추구한다. 특히 여기서 말하는 물리 세계 개체란 인간과 상호작용 가능한 모든 사물과 자연 환경 등을 지칭한다.
물리 세계와 사이버 세계의 융합을 통한 장점은? 물리 세계와 사이버 세계의 융합을 통하여 우리가 얻을 수 있는 가치는 실로 어마어마하다고 할 수 있다[4]. 그 중 몇 가지를 예로 들면, 첫째, 우리는 CPS를 통하여 물리 세계를 좀 더 정확히 이해할 수 있다. 인간이 이해하고 연산할 수 있는 영역은 컴퓨터가 할 수 있는 그것에 비해 많이 제한되어 있다. 그러므로 인간 대신에 시스템이 물리 세계를 인지, 분석, 계산하여 인간에게 정보를 제공함으로써 인간은 물리 세계를 좀 더 명확히 이해할 수 있는 기회를 얻게 된다. 로봇을 이용한 의료기술이 그 좋은 예라 할 수 있다. 즉 로봇에 부착된 다양한 센서가 환자의 상태를 정확히 파악하여 인간의 안전한 수술을 도울 수 있다. 둘째, CPS를 통하여 자율성 (autonomy)을 확보할 수 있다. 즉 이제는 시스템이 인간이 정해 놓은 수동적인 작업을 하는 것에서 한 걸음 더 나아가 물리 세계를 직접 인지하고 인지한 내용을 바탕으로 해서 스스로 반응을 할 수 있는 자율성을 가지게될 것이다. 이러한 시스템의 자율성을 통하여 인간에게 주어진 업무 부담을 크게 줄일 수 있게 된다. 셋째, CPS를 통하여 안전성 (Safety)이 대폭 향상될 것이다. 즉 물리 세계와 밀접하게 융합된 시스템을 통하여 물리 세계를 정확히 분석할 수 있을 뿐아니라 빠르게 반응함으로써 안전성을 향상시킨다. 예를 들면, 지능형 자동차는 센서를 이용하여 주변 위험요소를 명확히 인지하고 빠르게 반응 함으로써 운전자의 안전성을 향상시킨다.
사이버 물리 시스템의 특징은? 최근 이러한 전통적인 임베디드 시스템의 개념적 경계를 넘어서는 새로운 패러다임이 주목을 받기 시작하였다[3]. 사이버 물리 시스템 (Cyber Physical Systems, CPS) 은 개별적으로 동작하는 전통적인 임베디드 시스템과는 달리 시스템과 우리가 살아가는 물리 세계와의 밀접한 상호작용을 강조한다. 특히 CPS는 통신 기술을 활용하여 물리적 현상을 관찰, 계산 및 조작하는 각 시스템 개체들간의 협력적 관계를 구축한다.
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참고문헌 (11)

  1. B. Warneke, K.S.J. Pister, "MEMS for Distributed Wireless Sensor Networks," in Proceedings of International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2002 

  2. D. D. Gajski, S. Abdi, A. Gerstlauer, and G. Schirner. "Embedded System Design - Modeling, Synthesis, and Veri-cation". Springer, 2009. 

  3. R. Rajkumar, Insup Lee, Lui Sha and J. Stankovic, "Cyber-physical systems: The next computing revolution," in Proceedings of Design Automation Conference (DAC), 2010 47th ACM/IEEE, 2010. 

  4. NIST Report, "http://www.nist.gov/el/isd/cps020613.cfm" 

  5. Y. Lim, Y. Oh, T. Park, S. Son, "Cyber-Physical Systems (CPS) for the Smart New World", PM Issue Report, Vol. 1. Issue 1., 한국방송통신전파진흥원, 2013. 

  6. 도로교통공단, "http://taas.koroad.or.kr/accidentStats.sv" 

  7. R. Azimi, G. Bhatia, R. Rajkumar, P. Mudalige, "Reliable Intersection Protocols Using Vehicular Networks," in Proceedings of IEEE/ACM ICCPS, 2013. 

  8. e-나라지표, "http://www.index.go.kr/egams/stts/jsp/potal/stts/PO_STTS_IdxMain.jsp?idx_cd1163" 

  9. 통계지리정보서비스, "http://sgis.kostat.go.kr/publicsmodel/" 

  10. Office of the National Coordinator for Smart Grid Interoperability, "Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards Release 1.0" NIST Special Publication 1108, January 2010. 

  11. Y. Liu, P. Ning, and M. Reiter, "False data injection attacks against state estimation in electric power grids", in Proceedings of the 16th ACM conference on Computer and communications security, Chicago, Illinois, pp. 21-32, 2009 

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