전자정보대학 전기공학부 권오민 교수
 
1. 연구배경
사이버-물리 시스템은 공학의 한 분야로서 계산(computation) 프로세서와 물리적 프로세서 사이의 상호작용으로 통합된 시스템으로 정의하고 있다. 한마디로, IT융합의 커다란 한 부분을 담당하게 될 시스템이라고 할 수 있다. 이 시스템은 통신, 계산과 네트워크 형성을 고려한 물리적 프로세서의 다이나믹스(dynamics)와 융합된 시스템에 대한 분석 기술을 포함하고 제어이론과 계산을 하나로 통합하는 것을 목적으로 한다. 그 응용분야로는 교통 체계(자동차, 지능형 고속도로, 항공 체계), 대규모(large-scale) 사회 기반 시설(빌딩, 교량, 인간의 환경, 지능형 전력 그리드), 국방 산업, 의료 산업(의학 장비, 건강관리 네트워크) 및 휴대 통신 장비 등이 있다. 이러한 사이버-물리 시스템은 물리계의 독립체들의 모니터링과 제어를 고려한 통신과 컴퓨팅으로 통합을 위해 다양한 센서를 이용한 센서 네트워크를 통하여 물리계의 신호 센싱과 센싱된 신호를 사용하여 시스템의 동적 제어를 행하게 된다(그림 1 참고).
 

그림1. 사이버-물리 시스템의 개념도
 
 이는 단순한 통신의 결과와 다른 사이버계와의 상호작용의 형태로서 시스템의 움직임을 드러낸다.
또한, 개별 시스템의 성능 최적화가 주목적인 정적제어 구조의 기존 임베디드 시스템의 경우, 폐쇄적인 물리적 위치, 전용 네트워크 및 전산적인 분계선에 관한 사항에서 폐쇄적인데 반해, 앞으로의 임베디드 시스템은 네트워크 기술과 유동성 덕분에 개방적이고 연합체의 개념으로 변해가게 될 것이고, 이러한 변화는 다수의 객체와 광범위하게 이루어지는 시스템별 시스템들을 통합하는 대규모 네트워크의 동적 제어의 필요성을 요구하게 된다. 결론적으로 사이버-물리 시스템은 국가 기반산업의 첨단화를 위한 필수적인 IT융합기술이라 할 수 있다. 몇몇 예를 들면 다음과 같다.
 
▪예시 1. Wireless sensor networks (WSNs)를 기반으로 한 지능형 조명 제어 시스템
2008년 IEEE Transactions on Sensor Journal 8월호에 게재된 대만의 한 연구팀의 연구결과를 소개하고자 한다. 그림 2를 보면, 사용자 A는 구역 G25에서 TV 시청을 하고 있고 사용자 B는 구역 G16에서 독서를 하기 위해 주변에 조명이 필요로 하는 상황인데 각각 사용자에게 적당한 조명을 따로 조절하기 위해서 그림 3과 같이 네트워크를 통해 각각의 조명을 제어하는 시스템의 구조와 관련된 요소들을 보여주고 있다.
 

그림 2. 조명 제어어 시나리오와 데모
 

그림 3. 지능형 조명 제어 시스템의 구조와 요소들
 
예시 2. 지능형 전력망
그림 4는 통신 네트워크로 통합된 FACTS(flexible alternating current transmission system)을 포함하는 지능형 전력망을 보이고 있다. FACTS 장비는 저전력 신호 처리 임베디드 시스템으로 구성된다. 하나의 FACTS 장비 응답(response)을 결정하기 위해 전력망에 서로 연결되어 있는 다른 FACTS 장비들의 응답에 의존하게 되는 것을 보여주고 있다.
 

그림 4. FACTS로 구성된 지능형 전력망과 FACTS 장비
 
예시 3. Distributed Control Algorithms for Networked Mobile Robots with Sensory Feedback
그림 5는 MIT CSAIL(http://groups.csail.mit.edu/drl/BoeingPages/boeing.htm)의 사례인데 센서로 이루어진 환경에서 응답으로 스스로 움직이는 네트워크로 연결된 로봇에 대한 알고리즘을 연구하고 있다. 이 알고리즘은 각각의 로봇에 대한 보로노이 구역을 계산하고 감각 함수(sensory function)의 값과 증감률(gradient)로부터 선형 추정한 후 그 밀도(density)를 감안하여 이동할 방향인 보로노이 구역의 중심을 계산하게 된다. 즉, 이 네트워크는 최소의 사회기반시설을 유지하기 위해 분산되어진 대규모 영역에서의 정보 수집 가능성을 보여주고 있다.
 

  그림 5. 알고리즘의 모의실현과 구현
 
2. 연구의 필요성
사이버계와 물리계의 통합으로 시너지 효과를 나타낼 사이버-물리 시스템은 센서, 액추에이터 및 제어기의 상호 작용을 통해 개별/전체적으로 물리 환경을 제어가 가능하게 될 것이고, 센서, 제어기, 통신 등 다양한 장비의 집합체로 광범위하게 공존하는 상호작용의 복잡성 때문에 연구의 대상이 되고 있다. 이 시스템의 연구는 컴퓨터 네트워크, 이론적인 컴퓨터 과학, 프로그래밍 언어 및 제어 이론 등의 영역을 두루 포함하는 응용 분야로 자연과학과 공학기술의 다양한 전문지식의 이해를 필요로 한다. 이러한 시스템의시스템 응용의 필수 요소로서 QoS(Quality of Service) 향상을 위해 다음과 같은 요소들이 해결되어야 한다.
 
◆ 시간지연(time delay)
통신 네트워크를 통해 데이터가 전달되는 동안 데이터 처리시간 및 전송시간에 대한 영향을 고려해야 하는 문제가 발생하게 된다. 이러한 시간 지연은 네트워크를 구성하는 요소들 사이와 제어기 내의 계산상에서 시간지연은 필히 발생할 수밖에 없다. 이러한 시간 지연은 해당 시스템의 불안정성뿐만 아니라 네트워크로 연결된 다른 시스템들에도 영향을 미치게 되어 전체 네트워크의 안정성에 문제를 발생시킬 수 있다.
 
◆ 강인성(robustness)
80년대에 제어기 설계에 있어서 플랜트의 불확실성을 고려한 연구가 시작되었고, 이를 강인제어(Robust control)라고 하며, 많은 관련 연구가 진행되었다. 복잡성을 갖게 되는 사이버-물리 시스템의 경우에도 환경적 영향, 네트워크 상 오류, 컴퓨터기억용량의 한계와 디지털 워드 길이의 한계 등으로 인한 불확실성이 있을 경우에도 원하는 성능지수를 만족시킬 수 있도록 제어기를 설계하는 것이 중요한 목적이 된다.  또한, 정확한 제어기 구현이 가능하더라도 현장에서는 제어기의 이득조정(gain tuning)이 필요하므로 제어기의 비약성(non-fragility)에 대한 연구가 필요하다.
 
◆ 패킷 손실(packet loss)
일반적인 점대점(point-to-point) 통신 방식과 비교해보면, 네트워크로의 시스템 구성은 필요 전력과 케이블의 가격이 줄어들고 전체 시스템의 설치와 유지가 간단하게 되며 신뢰도가 증가하게 되는 이점을 가지게 된다. 하지만 다양한 센서와 엑츄에이터를 필요로 하기 때문에 구조가 점점 복잡해지고 있게 되고 시스템의 여러 구성 요소들이 한정된 네트워크 버스를 공유하기 때문에 데이터 교환과정에서 패킷 손실을 야기하게 된다. 따라서 패킷 손실을 최소화 하기 위한 연구가 이루어져야 한다.
 
◆ 내고장성(fault tolerance)
실시간(real-time) 제어가 요구되고 복잡하게 구성되는 네트워크의 분석과 설계에 있어서 센서와 액추에이터에는 동기화된 제어와 시간지연이 존재하지 않는 상황이 이상적인 것으로(ideal) 가정된다. 하지만, 앞에서 언급한 시간지연, 패킷 손실 등이 존재로 고장에 취약한 면을 보이게 되어 시스템뿐만 아니라 사용자나 환경에 영향을 주게 되므로 내고장성 대한 연구가 필요한 실정이다.
 
◆ 보안성(security)
사이버-물리 시스템의 사이버 프로세서는 센서와 액추에이터를 통해 정보를 주고받게 된다. 즉, 사이버 영역과 물리적 영역은 물리적 요소로 서로 연결되게 되는데 이러한 연결은 정보의 흐름이 중간에서 누군가에 의해 수집 될 수 있다는 보안상의 취약성 또한 갖게 되므로 보안성의 향상을 위한 연구가 이루어 져야 한다.
사이버 물리 시스템은 국외의 경우 미래영향력을 인터넷에 비유하고 있다. 기존 산업과 사이버 물리 시스템 기술의 융합은 시너지 효과가 상당할 것으로 예상된다. 공장자동화, 재활, 조명, 자동차, 의료, 빌딩 등의 산업 등 개개의 시스템별 융합화는 현재 진행중에 있으나 각양각색의 많은 융합 시스템의 공통 핵심기술에 대한 체계적인 연구는 현재까지 미미한 편이다. 국내에서는 ETRI, 서울대 자동화연구소 사이버 물리 시스템 연구실, KAIST, 중앙대 등의 교수 연구실등 소수 몇몇에 의해서 연구가 진행이 되고 있다. 이에 반해 국외 연구동향을 살펴보면 미국 NSF에서는 대통령 과학기술자문회에서 사이버 물리 시스템을 최우선과제로 선정하였으며 2009년부터 연간 3000만불의 예산이 지원되고 있고 유럽 ARTEMIS JTI에서는 10년간 25억유로의 연구비가 투입될 예정이며 경제에 미치는 파급효과를 1000억유로 이상으로 예상하고 있는 등 국외에서는 장기적으로 지속적인 연구비를 투입하고 있으며 상당한 기대효과를 예상하고 있다. 향후 국내에서도 사이버 물리 시스템의 플랫폼 개발, 기술 표준화, 실용화 지원을 통한 산업 육성, 신진 인력 양성등 기술선점을 위해 핵심기술 개발에 대한 지원이 지속적으로 이루어 지길 기대한다.