Industry 4.0, 제조업의 효율성을 최적화하라 - 제조업을 혁신하다. Indusrty 4.0

[P N C]

그동안 제조 시스템의 발전 현황과 새롭게 추가되고 있는 제조 관련 IT 기술들에 대해 살펴보았는데요. 이번 시간에는 'Industry 4.0'이 추구하는 목적과 기능들에 대해 살펴보고, 미래 제조업을 위한 혁신 사례에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

위의 소제목은 1899년 당시 미국 특허청 검사관이었던 찰스 듀엘(Charles H. Duell)이 시대를 앞서 남긴 아주 비관적인 예측에 물음표를 더한 것인데요. 이 때는 에디슨이 전구를 실용화시키고 대략 20년쯤 지난 시점입니다. 그러나, 만약 위의 말이 사실이었다면 우리가 접하고 있는 수많은 것들, 특히 IT라는 것은 꿈에서나 가능한 것이었겠죠. 

인간이 가진 가장 큰 능력은 아마도 기존의 것에 지식, 상상력, 필요성, 때로는 절박한 상황을 결합하여 무언가를 새롭게 만들어 내는 일인 것 같습니다. 그것이 물건 혹은 물건을 만들거나 파는 방법이든 아니면 드러나지 않게 어떤 문제를 해결하고 있는 것들이든, 상상해 왔던 크고 작은 것들을 '필요'에 의해 늘 현실화시켜 온 것이죠. 즉 필요가 창의를 낳고, 또 다른 필요를 낳는 것입니다.

▲아이디어와 필요성, 기술을 융합하여 재창조되는 다양한 제품들: 1. 발명의 대명사 에디슨 전구, 2. R2D2 가상 키보드, 3. LG G Flex2 스마트폰, 4. iBike 등의 스마트 자전거, 5. 피자 서빙용 가위, 6. 태양열 충전 백팩 (시계 방향으로)

그리고, 그 결과 분명 우리는 이전 세대가 살던 시대보다 편리한 시대에 살고 있습니다. 가끔 요즘 같다면 더 이상 필요한 것이 없을 것 같다는 생각이 들기도 하는데요. 그러나 늘 그래왔듯이 가려운 곳은 생기기 마련이고, 그것을 긁어 주는 손(제품, 서비스)은 또 어김없이 등장합니다. 심지어는 가려운 곳을 생기게 한 후에 계속 긁어 주는 발상의 전환까지 더해지고 있죠. 에스키모에게 냉장고를 파는 것과 같은 이치인 것입니다. 

사실 이미 많은 것들이 개발되어 있는 것처럼 느껴지는 것은 100년 전이나 지금이나 마찬가지일 것입니다. 또한 '무'에서 '유'를 만드는 식의 창조는 애초에 불가능한 영역이었을지도 모르죠. ‘테드(TED)’의 여러 토크들을 보면, 결국 인간이 할 수 있는 ‘발명-(재)창조’란 축적된 것들의 창의적인 응용과 재조합(Combinatorial Creativity)이 기발한 상상의 편린들을 만났을 때 이루어지는 듯 합니다. 

네트워크로 연결된 사람들은 매일매일 기하급수적인 양의 아이디어를 쏟아 내고 있습니다. 그러나 아무리 멋진 상상이나 아이디어라고 할지라도 실제로 실행/적용되고, 제품 또는 서비스라는 이름으로 포장되어 세상과 공유되기 전까지는 그저 흙 속의 진주일 뿐이죠. 21세기 이후 아마존, 구글이나 페이스북 등의 인터넷 기반 가상 비즈니스의 부각으로 인해 한편으로 기존 제조업에 대한 관심이 많이 줄어드는 상황입니다. 제품 패러다임을 바꾼 애플의 스마트폰 성공 사례를 제쳐두더라도, 독점적으로 시장을 잠식하던, 경쟁구도 속에 있던, 노화되고 싫증나기 마련인 만질 수 있는 제품에 대한 소비자의 수요는 결코 없어지지 않을 것입니다. 

다만 획기적인 아이디어를 바탕으로 한 제품 개발을 통한 ‘무엇’을 만드느냐에 대한 중요성뿐만 아니라, 오히려 개인화된 ‘제품 다양성’과 그 다양한 제품들을 기존 설비를 이용해 ‘어떻게 효과적으로 만드느냐’에 제조업의 성패가 달려있지 않을까 생각합니다. 

▲’Informed Product’ 와 ‘Informed People’을 통한 제조업의 협업과 혁신; 제품개발과정에서 예 (출처: www.microsoft.com)

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과거 제조업은 소비자와의 관계에 있어서 단순히 제품 판매량/수요예측량이란 숫자에 의존할 수 밖에 없었습니다. 그러나, 이제 ‘Informed Product (정보 매개체)’ 와 ‘Informed People (개발/생산/사용 주체와 객체)’, 그리고 ‘M2M Social Machine (정보화된 생산도구)’을 통한 정량적/정성적 데이터가 모두 확보되고 있습니다. 이를 바탕으로 내-외부 환경에 보다 현실적으로 대비/대응하기를 요구합니다. 즉, 기존 IT 가상 시스템들과 연동하고, 새로운 스마트기기들을 통합하여, 내부의 정보뿐만 아니라 외부 환경과도 보다 열린, 그래서 전체적으로 통합된 하나의 ‘B2B2C’ 제조 플랫폼화하여 운영하고자 하는 움직임이 활발히 생겨나고 있습니다.

또한 그것들을 실현 가능하게 해주는 ‘기술’들 (Industrial Internet/SOA, 센서나 RFID 등의 정보수집 하드웨어, Edge-to-Edge 지능화, Hadoop/애널리틱스 등의 정보 저장/처리 기술 등)이 비로소 하나 둘씩 장착되어가고 있기도 하죠. 그와 함께 기존 제조활동 단계들의 경계 또한 점차 허물어지고 희미해져서 보다 열린 환경으로의 변화를 수용하고 있는 중입니다. 이렇듯 새로운 정보의 흐름들로 재정립된 상호 관계들에 대한 고려가 이제 선택이 아닌 필수처럼 받아들여지고 있는 추세입니다.

따라서 제조업이 지향해야 하는 역할은 바로 이러한 열린 환경에서 ‘아이디어와 혁신의 인큐베이터’ 역할을 수행하는 것입니다. 추상적인 창의성이 비로소 보다 구체적인 ‘실용성’으로 발현될 수 있는 곳이 바로 제조업이기 때문입니다. 그러기 위해서는 제조 시스템 자체의 폐쇄성을 극복하고 사회적 통찰을 흡수하여 성공적인 인터넷 비즈니스들처럼 플랫폼화하여 여러 제조자원들이 보다 더 최적화되어 유연하면서도 효율적으로 쓰여질 필요가 있을 것입니다.

그렇다면 과연 세상을 바꾸는 창의성이란 무엇일까요? 앞서 언급한 에디슨이 전구를 (발명이 아니라) '실용화'했다는 표현은 라디오를 세상에 알린 마르코니와 그 이론적 토대를 형성한 맥스웰 교수의 관계에서 똑같이 유추해볼 수 있을 것 같은데요. 2차 산업혁명을 이끌었던 헨리 포드(Henry Ford)의 다음과 같은 말에서도 창의성-실용성이 지닌 흡사한 맥락의 관계를 재고해 볼 수가 있습니다. 

‘나는 뭔가 새로운 것을 발명한 적이 없다. 그저 타인들이 개발해 놓은 수많은 결과물들에서 발견한 사실들을 적절히 조립했을 뿐이다. 어떤 일의 진전은 그것을 가능하게 하는 여러 인자들이 비로소 준비되었을 때, 어쩌면 당연한 것일지도 모른다.’ 

▲Industry 4.0 – Big M이 그리는 미래 제조 시스템의 청사진 (참조: Industry4.0-Roland Berger, 2014)

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요즘 화두가 되고 있는 독일의 'Industry 4.0'의 개념 또한 위의 그림처럼 여러 기술들과 개별적인 시스템들이 보다 창의적으로 리믹스되어 '제조 혁신'이라는 이름의 제품•서비스로 재창조된 경우입니다. 앞선 글들에서 살펴본 모든 제조 시스템 요소들이 한데 어우러져 부분적 전체(Holon)를 구성하는 것이죠. 

그리고, 그를 통해 '최적화된 생산과 서비스 수준'이라는 공통의 목적을 추구한다고 보시면 될 것 같습니다.

다음은 'Industry 4.0'이 추구하는 목적과 기능적인 특징들을 정리한 것입니다.  

공장의 사물들, 즉 제품, 말단의 여러 종류의 센서, 기계, 컨트롤러, 가상 IT 시스템, 스마트 단말기 등이 모두 ICT로 연결되어 기기 간, 내/외부 관계자들, 그리고 제품을 통해 고객과 통신합니다.

연결된 개별 개체들은 다음과 같은 기본적 시퀀스 하에 정보가 서로 순환되며 상호 작용하는 구조로 형성됩니다. ‘변화된 사건 감지 (Sensing)→ 감지된 사건 정보를 통한 의사 결정(Controlling/Decision Making)→ 물리적 구동/정보 전달 수행(Actuating)’의 단계들이 생산 전략 하에 끊임없이 반복됩니다.

제품의 물리적 위치, 기기의 사용률, 장애 징후, 이상 조업, 제약을 벗어난 생산 현황 정보의 실시간 파악이 가능해집니다.

추적된 정보를 바탕으로 현장에서 보다 실시간에 가까운 의사 결정을 통해 자율적인 제어와 장애 발생시 복구가 가능해지고, 집합된 정보를 통해 기업의 비즈니스 기능 역시 지능화됩니다.

내/외부에서 발생한 예상치 못한 변화에 대한 대응(Reactive), 잠재적 변화/위험에 대비(Proactive), 그리고 예측(Predictive)을 통한 예방(Preventive) 전략이 생산, 물류, 품질 관리, 유지 보수, 경영 관리 등의 모든 기본 활동에 동반적으로 사용됩니다. 다양한 생산 전략과 공정의 설비별 부하 차이, 환경 변화에 따라 유연하게 적용되는 생산 계획/스케줄링/자원 할당 우선 순위 규칙/물류 라우팅이 운영됩니다.

일체화되고 표준화된 IT 플랫폼을 통해 데이터와 여러 가상 시스템들의 통합을 요구합니다. 수직적 네트워킹과 전 공급망에 걸친 가시성을 확보하게 됩니다. SMAC(Social, Mobile, Analytics, Cloud) Stack으로 통합된 플랫폼(iPaaS)을 통해 빅/마스터 데이터를 활용한 시스템 운영 기준을 제시할 수 있게 됩니다.

폐쇄형의 공장 시스템에서 벗어나 SNS처럼 보다 열린 환경의 생태계를 구축합니다. 제품 생명 주기 가치 사슬 속 여러 이해 관계자들 사이의 정보 공유, 참여, 협업을 유도합니다. 관리자-작업자 소통 활성화, 제품 개발이나 의사 결정 단계에서 Crowdsourcing을 통해 개인, SNS, 전문가 등을 활용합니다.

네트워크로 연결된 공급망 속의 시스템들은 표준화/모듈화된 물리적 플랫폼 전략하에 다양한 제품 수요와 종류, 상황에 대해 밀고-끄는(Push-Pull)전략을 동시에 수행합니다. 그 역할에 따라서 대량 생산을 통해 수요에 대비하고, 실제 주문에 즉시 반응하여 맞춤형 완제품을 차별화하여 생산해 내는 유연성을 가집니다.

기능성 나노 물질, 탄소 섬유, 나노 센서 등의 첨단 재료와 3D프린팅, 인공 지능이 결합된 로봇/기계, 무인 작업 차량, 자율 창고, 원거리 물류 드론, 가변 생산 라인 등의 기하급수적인 기술 도입으로 다양한 종류의 제품 생산을 가능하게 하고, 유연성과 원가 절감 효과를 더합니다.

물리적 시스템을 맵핑한 클라우드 기반의 가상 제조 환경을 제공하여 자원의 가용률과 생산 능력을 동시에 높일 수 있게 됩니다.

단순한 공장 근로자가 아닌 전문적 제조 네트워크와 연계하고 스마트한 시스템을 다룰 수 있는 스마트한 작업자를 요구하는 새로운 고용창출을 요구하게 될 것입니다.

이를 통해, 기계, 재료, 인력, 에너지 등의 제조 시스템의 운영에 포함되는 모든 자원(Resource)들이 데이터에 의해 실시간으로 통신/관리/조정됩니다. 이를 통해, 단지 생산 여력(Capacity) 보유에서 실제적 생산 능력(Capability)으로 전환하여 그 가용성/효율성을 극대화는 것을 목적으로 합니다.

그리고 이러한 목적과 특징을 기반으로 한, 아래의 그림과 같은 기업의 '핵심 성과 지표들(KPI)'을 통해 여러 가지 가시적 효과들을 기대해 볼 수 있을 텐데요. 결국은 공장의 실용성과 효율성을 최적화하는 모든 결과를 목표로 하고 있는 듯 합니다. 

그 중에서도 특히 에너지 자원이 부족한 우리나라에서 에너지 절감 효과에 대한 기대는 무척 큽니다. 전체 전력 소비량이 많은 부분을 차지하는 산업용 에너지 절감을 위해서 스마트 그리드와 에너지 측정 센서를 통해 정보를 수집하는데요. 이후 집합된 정보를 Energy Management System (EMS)이나 클라우드에서 집계 그 사용 패턴을 분석하고 효율적인 운영방안을 모색하죠. 그리고 아래의 오른쪽 그림과 같이 대시보드에서 그것을 반영한 생산 전략•운영 계획을 수립할 수도 있습니다.

▲KPI로 측정될 수 있는 Industry 4.0의 기대 효과

  (출처: Deloitte Review 2015; commons.wikimedia.org)

▲에너지 자원의 효율적 사용을 위한 대시 보드의 활용

  (출처: Deloitte Review 2015; commons.wikimedia.org)

이렇듯 기존 생산 체계로서의 시스템이 IT 등과 결합하여 보다 거시적인 제조 플랫폼으로 거듭나게 되는 것인데요. 이는 오늘날 다면화된 시장에서 제조기업의 모든 가치부여 활동단계(R&D, 조달, 생산, 배송, 마케팅/세일)내의 정보를 규합하여 제조활동의 의사결정을 위한 유용한 정보/지식으로 활용하고자 하는 목적을 가지고 있는 것이죠. 

연계된 관계자들과 제조시스템의 개체들이 기존의 선형적/계층적인 구조에서 벗어나 더 복합적인 망형 순환구조처럼 얽히게 됨을 의미하는데요. 현실의 사회망, 생태계 등의 복잡계 시스템처럼 이제 더 자연스러운 형태로 제조시스템의 구조 또한 변화되고 있는 것이죠.