[논문]에너지 관리를 위한 가상-물리 시스템

오세랑; 배영철

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.2.279

에너지 관리를 위한 가상-물리 시스템
Cyber-Physical System for Energy Management 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.2, 2021년, pp.279 - 286

오세랑 (전남대학교 전기 및 반도체공학과) , 배영철 (전남대학교 전기.전자통신.컴퓨터공학부)

초록
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최근 4차 산업 혁명과 기후변화에 대응하기 위한 기업의 노력이 가시화되고 있다. 이러한 노력의 하나로 가상 물리 시스템의 도입을 통하여 가상공간에서 실세계와 동일한 조건에서 산업 설비들을 운영하기 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그러나 아직까지 가상-물리 시스템의 개념에 대한 통일된 정의가 없는 문제점이 있다. 이에 본 논문에서는 가상-물리 시스템의 이전의 개념을 살펴보고, 새로운 가상-물리 시스템의 개념을 실세계 영역, 통신 영역, 가상 세계 영역, 관리 영역의 4개 영역으로 나누어 제시하고 각 영역을 레이어(층)을 구분하여 명확한 개념을 제사하였다. 또한 제시된 CPS 개념의 적용 가능성을 확보하기 위해 간단한 모터를 대상으로 적용하고 실세계 모터의 토크와 가상세계 모터의 토크의 결과를 비교하여 한 결과 제기한 CPS의 개념의 적용 가능성이 높음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the effort of enterprises are visualized to correspond for 4th industrial revolution and climate change. Reaching the operation of industrial facilities are one of these efforts and is actively progressing under identical condition between real and virtual world through introduction of cyber-physical system (CPS). However, the problem on no unified definition for CPS still exists. Thus, in this paper, we review the previous concept of CPS. We propose new concept of CPS with four sections such as real world section, communication section, virtual world section and management section. We also propose definite concept by classifying the layer of each section. In order to confirm the possibility of application for proposed concept of CPS, we applied simple motor. We compare the result for torque between real motor and virtual motor. Finally we confirm that the applicability of proposed concept of CPS is very high.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. 과거의 CPS 구성방법 Fig. 1 Historical CPS configuration methods
그림 그림 2. 새로운 가상-물리 시스템 개념 Fig. 2 New cyber-physical system concept
그림 그림 3. 에너지 관리를 위한 가상-물리 시스템의 개념 Fig. 3 Concept of cyber-physical system for energy management
그림 그림 4. 실세계의 모터에 대해 상업 프로그램을 사용하여 구축한 가상세계의 모터 Fig. 4 Virtual world motors built using commercial programs for real world motors
그림 그림 5. 모델리카를 통해 구현된 가상세계의 토크와 실세계의 토크 Fig. 5 Virtual world torque and real world torque implemented through modelica

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

에너지 관리 시스템을 위한 새로운 가상-물리 시스템의 개념을 제안한다. 그림 3에는 에너지 관리를 위한 가상-물리 시스템을 나타냈다.
이에 본 논문은 이전의 CPS 개념을 살펴보고, 새로운 CPS의 개념을 4개의 영역 즉 실세계, 통신, 가상세계, 그리고 이들을 관리하는 영역으로 제시하며, 각 영역에 프로토올을 제한한 개념을 제시한다. 또한 제시된 개념을 검증하기 위하여 실세계의 모터를 가상세계로 동일하게 구현하여 모터에서 실세계의 토크와 가상세계의 토크를 비교한 실험을 수행하고 그 결과를 보여주고 CPS의 적용가능성을 확인한다.

제안 방법

또한 이 두 개의 데이터들의 상호 연동을 위해 데이터간의 동기화를 해주어야 하며 이를 위해 동기화 층(synchronization layer)이 마련되어 있다. 데이터가 동기화되면 모델링 층(modeling layer)과 계산 층(computational layer)에서 실세계와 최대한 유사한 환경에서 모델링하고 시뮬레이션을 수행한다. 이렇게 가상세계 영역에는 고정 및 가변 속성 데이터 처리를 위한 층과 실세계 층과 가상세계 층의 데이터를 동기화하기 위한 층, 모델링 층, 계산 층으로 구성되며 이 5개의 층으로 정의된다.
큰 차이가 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 새로운 가상-물리 시스템의 개념을 실세계 영역, 통신 영역, 가상 세계 영역, 관리 영역으로 제시하고 세부적인 구성을 레이어(층)를 통하여 실세계에서는 물리층, 통신 영역에서는 네트워크 층, 가상 세계에서는 고정 속성 데이터 층, 가변 속성 데이터 층, 데이터 통기화 층, 모델링 층, 계산 층으로, 마지막으로 관리 영역에서는 제어 층, 시뮬레이션 층, 서비스 층으로 구성하는 개념을 제시하였다.
또한 제시된 개념을 검증하기 위하여 실세계의 모터를 가상세계로 동일하게 구현하여 모터에서 실세계의 토크와 가상세계의 토크를 비교한 실험을 수행하고 그 결과를 보여주고 CPS의 적용가능성을 확인한다.
따라서 모든 고정 및 가변 속성의 데이터들과 실세계와 가상세계의 시간 동기화가 필요하다. 본 논문에서는 이를 동기화 층에서 구성한다.
실세계에서 설비 증강과 같은 계획을 세울 때, 미리 모델링 층에서 모델링한 결과를 가지고 계산을 수행하여 계획의 안정성 및 효율성을 판단하거나 시간이 지남에 따라 노후화된 장비에 대한 교체 판단 등 실세계에서 발생하는 상황을 계산하여 시뮬레이션을 수행하도록 구성한다.
이를 위해 가상세계에서 실세계의 고정 속성 데이터와 가변 속성 데이터를 동기화하고, 상업용 프로그램으로 모델링 및 이를 계산하는 과정이 요구된다. 이에 본 논문에서는 이러한 과정을 명확하게 정의하기 위해서 가상-물리 시스템을 실세계 (physical), 통신(network), 가상세계(cyber) 그리고 관리(management)까지 네가지 영역으로 나누고 이들 각 영역을 층(layer)로서 정의하고 이를 그림 2에 나타내었다.
제안하는 새로운 가상-물리 시스템은 에너지 관리를 위한 실세계 시스템을 먼저 디지털 트윈(digital twin)을 기반으로 가상 시스템을 구성한다. 일반적으로 디지털 트윈 기반 가상 시스템은 완전한 실세계를 모사하지 못하며 주로 외관이나 외형적인 형태만을 구성할 수 있으므로 본 논문에서 제안하는 완전한 가상-물리 시스템을 구성한다고 보기 어렵다.

대상 데이터

두 세계는 고정 속성 데이터와 가변 속성 데이터의 양방향 통신이 가능하며 시간 동기화가 이루어진 상태에서 실시간으로 작동하는 가상-물리 시스템이다. 실제 모터의 모델링과 고정 파라미터 설정에는 wolfram system modeler와 modelica를 사용했다. 그림 5에는 모델링된 가상세계의 모터와 실세계의 모터를 구동하고 두 모터의 토크를 비교했으며 그래프로 출력했다.
제시한다. 여기서 제시하는 적용 사례는 앞서 제안했던 가상-물리 시스템을 검증하기 위한 것으로 최소한의 모델로서 모터를 선정하여 진행하였다. 그림 4에 실제로 구성해본 실세계의 모터와 가상세계의 모터를 나타냈다.

성능/효과

제시한 개념을 검증하기 위하여 실세계에서의 모터를 가상세계로 구현하여 데이터의 양방향 통신과 시간대 동기화를 통해 실시간으로 토크 데이터를 전송하고 시뮬레이션 하여 결과를 제시하였으며 그 결과 제시한 CPS의 적용 가능성을 확인하였다.

후속연구

수집 혹은 생성이 중요하다. 그 이후에는 다양한 종류의 데이터들의 모든 동기화와 그에 따른 시뮬레이션, 제어, 예측 등 많은 분야에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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