[논문]디지털 트윈을 활용한 실시간 모니터링 및 원격제어 시스템의 테스트베드 구현

윤정은; 김원석

doi:10.9717/kmms.2022.25.2.325

디지털 트윈을 활용한 실시간 모니터링 및 원격제어 시스템의 테스트베드 구현
Implementation of Real-time Monitoring and Remote Control System Testbed based on Digital Twin 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.25 no.2, 2022년, pp.325 - 334

윤정은 (Dept. of Multimedia Eng., Andong National University) , 김원석 (Dept. of Multimedia Eng., Andong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Digital twin has the advantages of quality improvement and cost reduction, so it is widely applied to various industries. In this paper, a method to implement the major technologies of digital twin easily and quickly is presented. These include data management and relay servers, real-time monitoring applications including remote control interfaces, and direct connection protocols for video streaming. In addition, an algorithm for controlling a two-wheeled vehicle with a 2D interface is also proposed. The implemented system performs near real-time synchronization between the real environment and the virtual space. The delay time that occurs in remote control of the vehicle in the real environment was compared with the results of applying the proposed delay time reduction method. In addition, in the case of 2D interface-based control, an algorithm that can guarantee the user experience was implemented and applied to the actual environment and verified through experiments.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. System overview for Real-time location tracking and Remote Control System Testbed.
그림 Fig. 2. A flowchart of a cloud server for collecting monitoring data and information on an RC vehicle.
그림 Fig. 3. Remote Control Communication Protocol.
그림 Fig. 4. Remote control Latency experiment.
그림 Fig. 5. Considerations for mapping 2D joysticks to left and right two-wheeled vehicles.
그림 Fig. 6. Coordinate plane of joystick control.
그림 Fig. 7. Flow chart of mapping algorithm for 2D joystick and left and right two-wheeled vehicles.
그림 Fig. 8. The RC vehicle's movement path according to the joystick handle.
그림 Fig. 9. A virtual space built with game engines.
그림 Fig. 10. A application implemented through game engines.
그림 Fig. 11. Three modes of application.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 디지털 트윈 구축에 요구되는 핵심기술을 기반으로 시스템을 설계하고 디지털 트윈을 쉽고 빠르게 구현할 수 있도록 게임엔진을 활용한다. 게임엔진을 활용하면 물리 세계에 존재하는 사물, 시스템, 환경 등을 가상공간에 쉽게 배치할 수 있으며 하나의 프로젝트를 윈도우, 맥OS, 안드로이드, iOS 등 다양한 플랫폼에 배포할 수 있고 이식이 용이하다 [1].
본 논문에서는 디지털 트윈 구축에 요구되는 핵심기술을 기반으로 원격제어 및 모니터링 시스템을 구현하였다. 범용 게임엔진을 기반으로 실제 환경을 가상공간에 시각화하였으며 실시간 모니터링을 위해 가상공간 차량은 실제 RC차량과 위치 동기화되어 동일한 좌표에 위치하도록 구현하였다.

제안 방법

본 논문에서는 클라우드 서버를 활용하여 RC 차량과 애플리케이션이 통신하도록 설계하여 공간의 제약 없이 제어할 수 있으며 직접 통신을 위한 중계프로토콜을 구축하였기 때문에 RC차량과 애플리케이션 간 저 지연 원격제어가 가능하다.
제안된 시스템은 가상공간과 실제 환경 간 다양한 정보를 서버 기반 및 직접 통신으로 주고받을 수 있도록 구현되었다. 애플리케이션에서 저 지연으로 원격지 RC 차량을 제어하기 위한 중계 프로토콜을 구현하였으며, RC차량의 속력 및 방향을 정교하고 직관적으로 제어하기 위해 2D조이스틱 핸들 위치를 RC 차량의 좌우 모터 회전 속도로 변환하는 알고리즘을 구현하였다.
본 연구에서 제작한 디지털 트윈 테스트베드는 다음과 같이 구성된다. 우선 실제 환경 구성을 위해 Wi-Fi통신을 수행하는 RC(Remote Control) 차량을 제작하였으며 차량 위치 추적을 위해 UWB(Ultra WideBand)기반 실내 측위 기술을 활용하였다[14]. 가상공간은 대표적인 게임엔진인 Unity를 활용하여 구현하였으며, 실제 환경과 동기화되며 영상 스트리밍 및 차량 제어가 가능하도록 구성하였다.

대상 데이터

4와 같은 BoxPlot그래프로 나타냈다. 본논문에서는 클라우드 서버로 국내에 서버가 위치하는 AWSLightsail인스턴스를 사용하였다[16]. 애플리케이션과 RC차량이 서버를 통해 통신할 때는 지연시간이 평균 152ms로 나타났으며, 직접 통신을 한 경우에는 지연시간이 평균 41ms로 개선된 것을 볼 수 있다.

데이터처리

지연시간을 검증하기 위해 간단한 실험을 진행하였다. RC차량과 애플리케이션이 서버를 거쳐 통신하는 경우와 직접 통신하는 경우의 지연시간을 비교하였다. 실험을 위해 5분간 연결을 유지하였으며, 통신 지연시간을 시간 동기화 없이 측정하기 위해 RTT (RoundTripTime)를 계산할 수 있도록 추가 적으로 구현하였다.

성능/효과

본 논문에서 제시한 디지털 트윈 구현은 디지털 트윈 시스템을 구축하는데 요구되는 핵심 기술들을 저비용으로 단시간에 구현한 것에 의의가 있다. 여기에는 게임엔진 기반 가상공간의 시각화, 가상공간과실제 환경의 동기화, 센싱 데이터 수집 및 관리, 저 지연 원격제어 및 모니터링 애플리케이션이 포함된다.

후속연구

향후 우리는 이와 같은 원격제어 및 모니터링 디지털 트윈 시스템의 구현을 지속하여. 데이터베이스에 축적된 정보를 활용하는 시뮬레이션 시스템을 설계할 것이며 해당 시스템을 가상공간에 시각화하기 위한 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.
여기에는 게임엔진 기반 가상공간의 시각화, 가상공간과실제 환경의 동기화, 센싱 데이터 수집 및 관리, 저 지연 원격제어 및 모니터링 애플리케이션이 포함된다. 디지털 트윈 시스템을 모니터링하고 제어하기 위한 직관적이고 사용성이 높은 애플리케이션을 구현하였으며, 수집된 데이터를 기반으로 시뮬레이션, 미래 예측 등을 수행할 수 있는 소프트웨어로 사용될 수 있다.
향후 우리는 이와 같은 원격제어 및 모니터링 디지털 트윈 시스템의 구현을 지속하여. 데이터베이스에 축적된 정보를 활용하는 시뮬레이션 시스템을 설계할 것이며 해당 시스템을 가상공간에 시각화하기 위한 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.

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Introduction to AWS(2022), http://aws.amazon.com/about-aws/ (accessed January 28, 2022)

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