제4차 산업혁명의 기반 시스템, CPS
  • 진회승SW인재·교육연구팀 책임연구원
  • 박태형SW정책·인재연구팀 팀장
날짜2016.12.21
조회수19238
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    • CPS는 지능정보사회에서 사회 인프라 분야에 다양하게 적용되어 IoT와 함께 제4차 산업혁명의 기반이 됨
    • CPS의 구현에는 기존 시스템과는 다른 기술적 연구가 필요하여, 특히 CPS의 안전성 확보가 중요한 요소기 때문에 SW안전의 연구가 필요함
  • CPS(Cyber Physical Systems)는 IoT와 함께 제4차 산업혁명의 기반
    • CPS는 사이버 상에서 물리적 환경 정보(데이터) 처리 결과로 현실의 시스템 혹은 프로세스를 제어하는 고신뢰 시스템(Dependable Systems)
    • 개념상으로 컴퓨터와 현실 세계가 매끄럽게 상호작용하여 안전 시스템 상에서 최적을 성능을 가지는 네트워크 시스템,
    • 『"smart" networked systems that are engineered to sense and interact with the physical world, and to support real-time performance in safety-critical systems, NSF』
    • 그림1-CPS 개념도
    • • CPS는 다양한 임베디드 기기가 물리시스템의 상태를 관찰하여 이 정보를 바탕으로 연산 후 연산결과가 다시 물리시스템에 영향을 미치는 피드백 시스템(feedback system)
    • IoT는 인터넷에 모든 사물이 네트워크로 연결되어 새로운 서비스를 제공하는 것이며, CPS의 경우는 물리적 시스템을 사이버 시스템이 통합하여 제어하여 가치 창출
    • 그림2-임베디드 시스템의 IoT로의 확대
    • CPS는 지능정보사회에서 사회 인프라 분야에 다양하게 적용
    • CPS 기술은 컴퓨팅·통신·제어 기술의 발전을 기반으로 다양한 융합 IT 분야로 확장 가능한 기술이며, 스마트 무인기, 스마트 국방, 스마트 그리드, 스마트 팩토리, 스마트 메디컬 등 고신뢰성이 요구되는 도메인에 사용
    • 그림3-CPS 기술 적용 도메인
    • 표1-CPS 적용 도메인 및 기능
    • CPS는 물리시스템에서 정보를 수집하고 조작하여, 산업 및 생활의 방식을 편리하고 효율적으로 바꿈.
    • • 예를 들면 교통 혼잡을 줄이기 위해 실시간 트래픽 예측과 동적인 신호체계 변경으로 에너지 절약, 환경오염 방지 등의 효과도 누림
    • 그림4-CPS 활용 및 효과
  • CPS의 구현에는 기존 시스템과는 다른 기술적 연구가 필요
    • CPS 시스템 구축 시 네트워크로 연결된 시스템의 기술적 조정이 필요
    • CPS는 여러 시스템이 복잡하게 연결되어 물리시스템과 사이버시스템이 동적으로 움직이고, 제한된 시간에 동시에 적용해야 하는 기술적 문제 해결이 필요
    • CPS는 시스템을 디자인하거나 검증하는 절차가 복잡하며, 확장되는 시스템을 위한 방법을 제공해야 함
    • 시스템 신뢰도에 영향을 주는 가격중심의 시스템 개발에 대한 검토가 필요
    • 그림5-CPS 개발을 위한 기술 변화
    • CPS 시스템 구축에는 네트워크로 연결된 데이터 추출, 추출된 데이터 조작, 사이버시스템과 물리시스템의 유연한 연결, 물리시스템 제어 및 모니터링, 안전성 확보 등의 기능 들이 필요
    • 그림6-CPS 구현을 위한 5C 아키텍처와 적용
    • CPS 구축을 위해서는 다음과 같은 요소들의 연구가 필요(1)
    • • 피드백이 일어나는 이벤트를 가진 시간 관련 시스템 제어
    • • 물리, 화학, 안전, 실시간, 에너지 제한, 견고성 등의 물리적 법칙을 소프트웨어에 적용
    • • 정보와 거대한 네트워크를 관리할 수 있는 CPS 아키텍처
    • • 실시간 임베디드 시스템
    • • 센서와 모바일 네트워크
    • • CPS 검증 및 인증
    • • CPS 교육
    • CPS 시스템에서 안전성, 신뢰성, 호환성 등과 같은 품질 보장이 필수 요소
    • 시스템의 실패에 대비하는 안전성, 정해진 수준의 성능을 유지할 수 있는 신뢰성, 시스템 복구성, 시스템이 운영되는 확률, 보안성, 호환성 등이 요구
    • IoT의 중요한 품질요소는 보안인데 비해, CPS는 물리시스템을 사람의 개입 없이 자동으로 제어하는 시스템 목적을 달성하기 위해서는 안전과 보안을 포함하는 보증(assurance)이 필요
    • 그림7-CPS에 필요한 안전과 보안의 개념
  • 미국은 CPS 연구를 위한 예산을 책정하고 연구에 집중하고 있으며, 선진국 중심으로 CPS 연구 및 활동 활동
    • 미국 NITRD(2)는 2017년 예산요구안 45.4억 달러 중 고신뢰컴퓨팅 분야(HCSS)에 1.6억 달러 요구
    • CPS 구현을 위한 통합된 기반, 모델 및 도구, 시스템 성능 및 구성 연구, 보증 기술(Assurance), 신뢰할 수 있는 실시간 시스템, CPS 교육 등 연구
    • DARPA, DHS, DoD Service Research Organizations, DOE, NASA, NIH, NIST, NOAA, NSA, NSF 그리고 OSD 등 11개 공식 참여조직과 6개 비공식 참여조직이 활동(3)
    • 학계에서는 CPS 관련 다수의 워크샵과 학회 신설
    • ACM과 IEEE가 2010년에 공동으로 주관하여 사이버물리시스템 국제학회(International Conference on Cyber-Physical Systems, ICCPS) 신설
    • 현재 학회는 임베디드 시스템 관계 학계를 중심으로 이루어지고 있으며, 소프트웨어 및 네트워크 측면에서도 접근하는 연구 필요
    • 그림8-CPS 관련 연대표
  • 시사점
    • 제4차 산업혁명의 기반기술인 CPS에 대한 기술적 연구가 필요하며, 적절한 연구 주제 발굴과 R&D 예산의 책정이 필요
    • 제조, 의료, 교통, 국방 등 전 분야에 적용되는 CPS에 대한 연구를 위해서는 미국의 경우와 같이 관련 부처 전체가 연구에 참여하여, 연구 주제를 선정하고 지원해야 함
    • CPS 아키텍처, 센서, 제어기술, 안전 보장 기술 등 CPS의 기반기술을 확보하여, 제4차 사업혁명에 준비해야 함
    • (1) Design Automation Conference (DAC), 47th ACM/IEEE, Rajkumar 외, Cyber-Physical Systems: The Next Computing Revolution, 2010.6
    • (2) The Networking and Information Technology Research and Development, 미국 NITRD 프로그램은 각 부처 및 기관이 추진하는 ICT 분야의 연구개발 사업들이 하나로 합쳐진 연구개발 프레임워크이며, 대통령 직속기구인 국가과학기술위원회를 중심으로 추진
    • (3) DARPA(방위고등연구계획국), DHS(국토안보부), DoD(국방부), DoE(에너지부), NASA(국립항공우주국), NIST(표준기술연구소), NOAA(해양대기청), NSA(국가안전보장국), NSF(국립과학재단), OSD(국방부장관실)