■ 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)
 

키워드 월간SW중심사회 2016년 12월호