2021년 12월 23일 전주정보문화산업진흥원 주최의 전주콘텐트페어에서 특강한 자료입니다. *** 본 강연에서는 현실 세계의 미러링인 디지털 트윈의 개념, 동향, 그리고 앞으로 가능성과 한계를 도시와 공간정보 관점에서 조망한다. 통제된 환경이 가능한 제조업에서 많이 활용되던 디지털트윈은 최근 도시관리의 새로운 패러다임으로서 그 가능성을 인정받고 있다. 공간정보 관련 국제표준화기구인 OGC와 buildingSmart가 디지털트윈 구현을 위한 3차원 데이터 표준과 호환 등에 관해 논의하고 있으며, 영국은 국가디지털트윈프로그램(National Digital Twin Programme)을 출범시키고 디지털 트윈을 구현하기 위한 다양한 활동을 진행 중이다. 우리나라 또한 디지털 트윈을 스마트시티에 적용하기 위한 다양한 사업을 진행하고 있다.  현실 세계의 모사라는 디지털 트윈의 성격상 3차원 객체와 공간정보는 디지털 트윈의 구성과 운영에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 공간정보 분야에서는 라이다, 드론, 항공측량, 인공위성, BIM(Building Information Modeling) 등의 원천 데이터를 활용하여 3차원 지형지물과 건물 등을 가상세계에 재생해내고 있다. 더불어 센서 가격 하락, 관련 기술의 확산, 인터넷과 5G 등의 연결 등이 더 싸고 더 빠르게 3차원 공간정보를 생산할 수 있는 밑거름으로 작용하고 있다.  하지만, 디지털트윈 기반의 스마트시티는 그 장밋빛 이미지와 달리 쉽지 않은 긴 여정이다. 과대홍보와 과도한 기대, 시스템의 복잡도에 따라 증가하는 디지털트윈 구축과 관리 비용, 사이버 보안 문제, 부족한 인력, 미흡한 표준화와 산업계 협력 등이 디지털트윈 스마트시티 구축의 위험요소로 지적되고 있다. 대표적인 복잡계인 도시문제를 디지털트윈을 통해 관리, 해결하려면 도시와 관련된 여러 특성과 데이터를 이해하는 것이 필수적이다. 디지털트윈의 진정한 가치는 다른 영역과 연계, 융합될 때 발휘되므로, 개별 영역 위주 관점에서 벗어나 통합적 정책과 실행이 필요하다.

1. 디지털 트윈Digital Twin
- 도시와 공간정보 관점에서 -
신상희(shshin@gaia3d.com)
가이아쓰리디㈜
2021년 12월 23일

2. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
<Source: https://www.pbctoday.co.uk/news/bim-news/digital-twin-4-0/64519/>
Digital Twin
A realistic digital representation of assets, processes or systems in the built
or natural environment. The complexity of that representation, and degree
of connectedness, varies depending on maturity.
디지털 트윈

3. 디지털 트윈(Digital Twins)
3
<Source: https://www.youtube.com/watch?v=iVS-AuSjpOQ>

4. 디지털 트윈(Digital Twins): 가트너의 2018, 2019년 주목해야 할 10대 기술
<Source: https://gartner.com/SmarterWithGartner> 4

5. 디지털 트윈(Digital Twins)의 정의
디지털 트윈(Digital Twins)
“컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을
컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 결과를 미리 예측하는 기술”
5
<Source: https://ko.wikipedia.org/wiki/디지털_트윈>

6. 6
디지털 트윈(Digital Twins) 정의와 운용 개념
데이터
이벤트
시스템 분석
예측
제어/최적화
고장/예지진단
제공 서비스
디지털 트윈 운용 개념도
What-if 질문들
운용자
의사결정자
질문에 대한 답
필요 시 조치/자동화
디지털 트윈(DT)
( 컴퓨터 시뮬레이션 모델 )
실 체계
(Physical Twin)
연
동
✓ 정의: 물리적 자산, 프로세스 및 시스템에 대한 디지털 복제본[Wiki 사전]
→ 대상 물체의 구성 요소 및 동작 특성을 표현하는 살아있는 디지털 시뮬레이션 모델
✓ 운용 개념: 모델(DT)의 수명주기가 실 체계와 연동되어 함께 살아 감
• 실 체계와 연동하여 학습/진화를 통하여 일관성 유지 및 동질성 유지
• 실 체계 Life cycle과 동기화 -> 설계 – 구현 – 검증 – 운용 유지보수
<Source : KAIST 김탁곤, 2019>

7. 7
디지털 트윈(Digital Twins) 정의의 공통적 요소
가상 세계에
현실 세계
모사
가상 세계에서
분석, 최적화,
시뮬레이션
수행
가상 세계
실험 결과의
현실 세계
반영
1
2
3

8. 8
디지털 트윈(Digital Twins)의 연원
Concept: Digital Informational Construct
Vision: Create, Test, Build
➔ 통제된 환경(Controlled Environment)이 가능한 제조업에서 활용 시작

9. 디지털 트윈 충실도(Fidelity) 모형
9
디지털 트윈
충실도
디지털 트윈 모델로 표현된 가상 객체가 원래의 물리적 객체와 얼마나
잘 부합하는가?
특성화 충실도
시각화 충실도
가상 객체가 얼마나 정교하게 물리적 객체의 행위 동작에
부합하는지가 기준
디지털 트윈이 물리적 객체와 얼마나 비슷하게 보이는지가
기준
<Source: 김용운 외. 2021. 디지털 트윈의 꿈(한글 요약). ETRI>

10. 디지털 트윈 성숙도(Maturity Level) 모형
10
<Source: https://blog.lgcns.com/1864 >
성숙도 모형: 디지털 트윈의 실현 수준이 어느 정도인지 이해하기 위한 평가 도구
기술 단계 정의 설명
5단계
자율 디지털 트윈
(Autonomous)
개별 및 복합 디지털 트윈에서 자율적으
로 문제점을 인지하고 해결하여 물리대
상 최적화
4단계
연합 디지털 트윈
(Federated)
최적화된 개별 물리대상들이 상호 연계
된 복합 디지털 트윈
재구성 및 물리대상 상호운영 최적화
3단계
모의 디지털 트윈
(Modelling &
Simulation)
디지털 트윈 모의결과를 적용한 물리대
상 최적화
2단계
관제 디지털 트윈
(Monitoring)
디지털 트윈 기반 물리대상 모니터링 및
관계분석을 통한 제어
1단계
모사 디지털 트윈
(Mirroring)
물리대상을 디지털 트윈으로 복제
<Source: 정보통신기획평가원, 디지털 트윈의 기술적 정의와 세부적 발전 5단계(level) 모델>

11. 디지털 트윈 성숙도(Maturity Level) 모형
11
Element Defining principle Outline usage
0 Reality capture As-built survey
1 2D map/system or 3D model
Design/asset optimization and
coordination
2
Static data, metadata and BIM
Stage 2
4D/5D simulation
3 Real-time data Operational efficiency
4
Two-way data integration and
interaction
Remote and immersive operations
5
Autonomous operations and
maintenance
Self-governance, oversight and
transparency
<Source: https://theiet.org/digital-twins>

12. 디지털 트윈 시장 성장 – 향후 7년 간 10배 성장 예상
12
<Source: Managing change and culture to enable the shift towards smart built environment, Jakub Wachocki>
<Source: 정보통신기획평가원>

13. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
디지털 트윈의
도시관리로 확장

14. 도시관리로 확장하는 디지털 트윈
14
Source: AIDAN FULLER et al, Digital Twin: Enabling Technologies, Challenges and Open Research

15. 사이버물리시스템과 스마트시티
15

16. 사이버물리시스템과 스마트시티
16

17. <Source: https://www.smartcitiesworld.net/special-reports/special-reports/the-rise-of-digital-twins-in-smart-cities>
17
도시관리로 확장하는 디지털 트윈

18. 디지털 트윈 기반 스마트시티– UK National Digital Twin Programme
Building Locale Neighborhood City Region Nation
<Source: https://www.cdbb.cam.ac.uk/national-digital-twin-programme, and Jeremy Morley> 18

19. 19
<Source: https://www.youtube.com/watch?v=ChCNcLY6tKA>
디지털 트윈 기반 스마트시티– UK National Digital Twin Programme

20. 영국 디지털 트윈 구축 원칙 – 쌍둥이 원칙(Gemini Principles)
<Source: The approach to delivering a National Digital Twin for the United Kingdom> 20
공익성
분명한 공공의 이익을
제공하는데 기여
가치 창출
실질적 가치창출 및
성과 개선
통찰력
의사결정에 기여하는
통찰력 제공
보안성
자체 보안 강화
개방성
최대한 많은 사용자에게
개방
품질
향상된 품질의 데이터
제공
연합
다양한 데이터, 시스템과
연결가능한 표준 준수
선별
명확한 소유권, 규제 및
거버넌스
진화
기술과 사회 발전에 따라
변형, 확장 가능
목적성
분명한 목적을
가져야 함
신뢰성
신뢰할 수 있어야
함
기능성
효과적으로
기능해야 함

21. 스웨덴 디지털 트윈 시티 센터
<Source: https://dtcc.chalmers.se/>
21

22. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
도시관리를 위한
디지털 트윈 데이터

23. “GIS community has been experiencing revolutionary changes
in the ways of collecting, processing, analyzing, and visualizing
spatiotemporal data, especially GIS data of large volume, high
speed, and huge varieties.”
<Source: https://gis.usc.edu/blog/predictions-for-the-gis-industry-opportunities-technologies-and-students/>
공간정보 분야 기술적 변화와 전망
23

24. <Source: https://www.gov.uk/government/publications/unlocking-the-power-of-locationthe-uks-geospatial-strategy>
공간정보 분야 기술적 변화와 전망
24

25. <Source: https://www.gov.uk/government/publications/unlocking-the-power-of-locationthe-uks-geospatial-strategy>
공간정보 분야 기술적 변화와 전망
25

26. 디지털 트윈 데이터 - (준)실시간적 생산
26
<Source: 스마트 공간정보 기술개발 기획연구>

27. 디지털 트윈 데이터 - (준)실시간적 갱신
27
<Source: https://newsroom.intel.com/articles/why-how-making-hd-maps-automated-vehicles/#gs.7zi2a4>

28. 공간규모별 디지털 트윈 – CityGML
CityGML 5단계 세밀도(LoD: Level of Detail)
• LOD 0 – regional, landscape
• LOD 1 – city, region
• LOD 2 – city districts, projects
• LOD 3 – architectural models (outside), landmarks
• LOD 4 – architectural models (interior)
<Source: https://citygmlwiki.org/index.php/Basic_Information> 28

29. <Source: T. H. Kolbe – Semantic 3D City Models with CityGML for Urban Analytics> 29
공간규모별 디지털 트윈 – CityGML

30. 30
공간규모별 디지털 트윈 – 세밀도(Level of Details)

31. 31
디지털 트윈 3D 데이터 구축

32. 32
디지털 트윈 3D 데이터 구축

33. 디지털 트윈 데이터 – 지하공간정보
33

34. 34
<고양 온수관 파열>
<KT 통신구 화재>
디지털 트윈 데이터 – 지하공간정보

35. 35
디지털 트윈 데이터 – 지하공간정보
행복도시 ·
2기신도시(동탄) 3D정보시스템의 데이터구축·
관리
지하시설물 카테고리
·
동탄

36. 36
디지털 트윈 데이터 – 실내공간정보

37. 디지털 트윈 데이터 – 실내공간정보
37
<Source: https://www.ogc.org/pressroom/pressreleases/4415> <Source: https://register.apple.com/resources/imdf/>

38. 디지털 트윈 데이터 - BIM(Building Information Modeling)
38
Building Information Modeling (BIM)
is a digital representation of physical and
functional characteristics of a facility.

39. 디지털 트윈 데이터 - GeoBIM 개념의 등장
39
BIM/CAD GeoSpatial
GeoBIM
• 미시적
• 설계
• 적지 선정
• 자산 관리
• 공정 관리
• 안전 관리
• 에너지 관리
• 패러메트릭(Parametric) 모델
• 거시적
• 도시 계획
• 스마트시티
• 실내외 공간 모니터링
• 소방/방재
• 에너지 관리
• 비상 계획
• 서피스(Surface) 모델

40. 디지털 트윈 데이터 - CAD/BIM/GIS의 이상적 통합 모습
GIS
CityGML
GeospatialInformation
GISStandards
IFC
BIM
OutdoorModel
IndoorModel
BIMStandards
Construction
DrawingsInfo.
In/Outdoor
GIModel
(GeospatialInformation
Model)
40

41. 디지털 트윈 데이터 - 우주와 해양
41

42. 42
다종다기한 디지털 트윈 데이터 활용 – 핀란드 헬싱키 사례
<Source: Helsinki 3D+>

43. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
디지털 트윈 기반
스마트시티

44. 스마트시티 정의
44
<Source: 김형태, 스마트시티 디지털트윈 기반의 환경영향평가>
116개
국제전기통신연합 (ITU)의 조사에 따른 스마트시티의 정의
도시에 ICT, 빅데이터 등 신기술을 접목하여 각종
도시 문제를 해결하고, 삶의 질을 개선할 수 있는
도시 모델 (도시 플랫폼)로 정의
(스마트시티 추진전략 (‘18.01.29. 4차 산업혁명위원회, 관계부처 합동))
도시가 하나의 플랫폼이 된다는 것은 새로운 기능
과 서비스를 자유롭게 추가할 수 있다는 것을 의
미하며, 무한한 혁신 잠재력을 보유하고 있음
(정보화진흥원, 스마트시티 발전전망과 한국의 경쟁력, 2016.11 참고)
(ITU, ITU-T FG-SSC(2014), Smart Sustainable cities : An analysis of definitions)

45. 스마트도시 조성 및
산업진흥 등에 관한 법률
(약칭: 스마트도시법)
• 제2조 1항: "스마트도시"란 도시의
경쟁력과 삶의 질의 향상을 위하여
건설ㆍ정보통신기술 등을 융ㆍ복합하여
건설된 도시기반시설을 바탕으로 다양한
도시서비스를 제공하는 지속가능한
도시를 말한다.
• 제2조 2항: "스마트도시서비스"란
스마트도시기반시설 등을 통하여
행정ㆍ교통ㆍ복지ㆍ환경ㆍ방재 등
도시의 주요 기능별 정보를 수집한 후 그
정보 또는 이를 서로 연계하여 제공하는
서비스로서 대통령령으로 정하는
서비스를 말한다.
<Source: http://www.law.go.kr/LSW/lsInfoP.do?lsiSeq=200214#0000/>
스마트시티 정의
45

46. 스마트시티 구축
기대 효과
• 효율적인 서비스와 인프라 최적화
• 상황 인지와 대응성 향상
• 안전과 방재
• 스마트한 성장과 지속가능성
• 경제 발전과 일자리 창출
• 시민 참여와 민주주의
스마트시티 기대 효과
46

47. 스마트시티에 대한 비판적 시각
47
<Source: https://www.ordnancesurvey.co.uk/business-government/innovation/happens/articles-ehs/smart-cities-digital-technologies>
“Despite the futuristic images the term conjures, a “smart city”
is merely a well-managed city aided by digital technologies.
One of the primary challenges in achieving success for smart
cities, and the reason many initiatives have failed to make it
past the pilot stage, is that they have been driven by a focus
on implementing the technology rather than achieving the
end policy goal, such as improving access to education, or
better transport links.”
<Source: https://placesjournal.org/article/a-city-is-not-a-computer/?cn-reloaded=1>

48. 디지털 트윈 기반 스마트시티
48
TO-BE

49. 디지털 트윈 기반 스마트시티
<Source: 2019년 스마트시티 시범도시(세종, 부산) 디지털트윈 마스터플랜 수립 및 시범시스템 구축용역 제안요청서, LX공사> 49

50. 디지털 트윈 기반 스마트시티
50
<Source: https://news.v.daum.net/v/20200927103429370>

51. 디지털 트윈 기반 스마트시티
51

52. 디지털 트윈 기반 스마트시티 – LH 도시 디지털 트윈
52

53. 디지털 트윈 기반 스마트시티 – LH 도시 디지털 트윈
53

54. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
디지털 트윈
활용 사례

55. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – BIM
Building Locale Neighborhood City Region Nation
55

56. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 실내
Building Locale Neighborhood City Region Nation
56

57. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 연구단지
Building Locale Neighborhood City Region Nation
57

58. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 조선업
Building Locale Neighborhood City Region Nation
Yards
Cranes
Office Buildings
Factories
Docks
Blocks
Ships
Smart Welding Machine Virtual Yard on Web Browser!
1,500 EA
25 EA
250 EA
75 EA
25 EA
15,000 EA 1,700 EA
3 EA
58

59. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 자율주행
Building Locale Neighborhood City Region Nation
59

60. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 공사 전후 비교
Building Locale Neighborhood City Region Nation
60

61. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 지구 단위 시뮬레이션
Building Locale Neighborhood City Region Nation
61

62. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 물환경 시뮬레이션
Building Locale Neighborhood City Region Nation
62

63. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 바람장 시뮬레이션(제주도)
Building Locale Neighborhood City Region Nation
63

64. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 바람장 시뮬레이션(서울시 전역)
Building Locale Neighborhood City Region Nation
64

65. 공간규모별 디지털트윈 활용 사례 – 국가를 넘어 지구로…
Building Locale Neighborhood City Region Nation…
65

66. 디지털 트윈의 단계(Digital Twin Levels)
나오며…

67. 디지털 트윈의 기대 효과
67
리스크 식별을 통한 가용성 증대
생산성 향상 및 비용 절감
공정 효율화
지식 공유를 통한 다자간 의사결정
원격 교육 및 지원
실시간 모니터링과 사전 대응
1
2
3
4
5
6

68. 디지털 트윈 – 기회와 위험 요소
68
기회 위험요소
• 건축 및 운영 비용 감소 • 사이버 보안 문제
• 보다 효율적인 각종 설계 • 과대 홍보와 과도한 기대
• 장단기 효율성 및 생산성
향상
• 시스템의 복잡도에 따라
증가하는 디지털 트윈 구
축과 관리 비용
• 각종 자산 상태에 대한 더
나은 이해
• 미흡한 표준화와 산업계
협력
• 가상공간에서 시뮬레이션
혹은 리허설을 해 봄으로
써 사전 위험 요소 파악 및
갈등 비용 저감
• 부족한 인력
• 협력 증진 • 공통 용어와 지식의 부재
<Source: IET, Digital twins for the built environment>

69. 69
시사점
• 가지 않은 길을 가는 두려움과 흥분이 뒤섞여 있는 상태. 여러 분야에서 나름의 노력과 실패를 거듭하는 중
• 디지털 트윈과 스마트 시티가 만병통치약이 아님
• 기술적 관점에서 상호운용성 확보를 위한 표준이 매우 중요 – 포맷이나 최소한 인터페이스 표준(레고
블록!)
• 데이터의 생애주기를 이해하고 이에 따른 활용 방안 모색 필요
• 디지털 트윈 구축은 긴 여정. 지치지 않고 각 단계별 성과물과 가치에 집중할 필요
• 정부, 산업계, 학계, 연구계의 협력과 소통이 중요
• 디지털 트윈의 진정한 가치는 다른 영역과 연동될 때 발휘됨 – 개별 산업 위주 관점에서 벗어나 국가적,
통합적 정책과 통찰 필요
• 그럼에도 산업현장과 사회는 Digital Transformation을 통해 디지털 트윈 세상으로 급속히 이동 중

70. 감사합니다.
33
신상희 shshin@gaia3d.com