디지털 트윈: 스마트 제품 개발의 핵심

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디지털 트윈: 스마트 제품 개발의 핵심

2023년 7월 31일| 기사

에 의해로베르토 아르골리니, 페데리코 보날루미 , 요하네스 다이히만, 스테파니아 펠레그리넬리

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디지털 트윈 기술은 기업이 더 나은 제품을 더 빠르게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 제품 개발 작업도 변화시킬 수 있습니다.

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기사(7페이지)

기업은 신제품을 개발하고 출시하는 능력에 따라 살고 죽습니다 . 향후 5년 동안 약 30조 달러의 기업 수익이 아직 시장에 출시되지 않은 제품에 달려 있을 것으로 추산됩니다.

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그러나 성공적인 신제품을 만드는 것은 점점 더 어려워지고 있습니다. 고객에게 구매에 대한 설득력 있는 이유를 제공하기 위해 제품에는 복잡하고 새로운 기술의 통합이 필요한 성능 개선과 기능이 점점 더 필요합니다. 또한 더 많은 소비자가 차세대 제품의 지속 가능성이 더욱 높아질 것으로 기대하여 재료 및 구성 요소 선택, 수리 가능성 및 수명 종료 고려 사항에 대한 새로운 제약이 발생합니다. 그리고 R&D 비용을 낮게 유지해야 한다는 압박은 그 어느 때보다 거세지고 있습니다.

이러한 배경에서 기업은 디지털 제품 개발 역량을 향상시키기 위해 노력하고 있으며 이러한 기술을 R&D 프로세스 최적화를 통해 비용을 절감하는 동시에 설계 및 엔지니어링 주기를 가속화하는 방법으로 보고 있습니다. 한 설문조사에서 제품 개발 임원 중 75%가 추가 디지털화가 최우선 과제라고 답했습니다.1

디지털 제품 개발 접근 방식도 컴퓨팅 성능, 분석 접근 방식 및 인공 지능의 발전을 기반으로 빠르게 발전하고 있습니다. 이로 인해 디지털 트윈 (물리적 제품의 모든 특성을 시뮬레이션할 수 있는 현재 또는 미래 제품의 디지털 복제본)이 등장하게 되었습니다. 가상 공간에서 제품과 상호 작용하거나 제품을 수정하는 것은 현실 세계에서 하는 것보다 더 빠르고, 쉽고, 안전할 수 있습니다.

제품 개발 리더는 디지털 트윈이 제품 개발 프로세스를 가속화하고 결과를 개선하는 동시에 비용을 절감할 것으로 기대합니다. 그들은 디지털 트윈 기술에 대한 세계 시장이 향후 5년 동안 매년 약 60%씩 성장해 2027년에는 735억 달러에 이를 것으로 예상하면서 이 개념에 대한 투자를 서두르고 있습니다.2

제품 개발 리더는 디지털 트윈이 제품 개발 프로세스를 가속화하고 결과를 개선하는 동시에 비용을 절감할 것으로 기대합니다.

이 기사에서는 오늘날 업계에서 디지털 트윈이 사용되는 방식을 살펴보고, 성공적인 디지털 트윈 전략을 뒷받침하는 요소를 검토하고, 이 영향력 있는 기술의 미래 발전에 대해 논의할 것입니다.

디지털 트윈이 정의됨

디지털 트윈은 운영 환경에서 시스템 동작의 가상 복제본입니다. 제품, 제조 프로세스 또는 전체 공급망일 수 있는 해당 시스템은 디지털 모델 모음으로 표현됩니다. 이러한 모델은 외부 환경을 나타내는 데이터인 다양한 자극을 처리하고 반응합니다. 디지털 트윈은 여러 유형의 모델을 결합하고 여러 소스의 데이터를 처리합니다. 이를 통해 기존 시뮬레이션 접근 방식보다 실제 객체에 대한 더 나은 근사치를 제공할 수 있습니다.

이 기사에서는 제품 디지털 트윈에 중점을 둘 것입니다. 이는 사용된 모델링 및 데이터 정교성 수준 , 트윈의 물리적 범위 , 트윈이 포함하는 가치 사슬 부분 (표)이라는 세 가지 핵심 차원으로 특징지어질 수 있습니다.

테이블. 디지털 트윈은 가치 사슬 포괄성, 범위 및 정교함의 수준이 높아지면서 작동할 수 있습니다.

가치 사슬범위복잡화

엔지니어링: 제품 정의부터 제조를 위한 검증 및 출시까지	생산: 제품, 시스템 및 구성 요소를 포괄합니다.	서비스: 수명이 다한 제품 판매 및 재활용 포함
구성 요소: 제품 내의 단일하고 단순한 요소	시스템: 특정 기능을 수행하기 위해 서로 상호 작용하는 구성 요소의 조합	제품: 모든 시스템과 하위 시스템으로 구성된 전체 제품
데이터 기반: 다양한 소스의 데이터 연결	기존 시뮬레이션: 시뮬레이션 도구를 사용하여 설계 성능 분석 수행	자동화된 설계 개선: 예측 분석 및 기계 학습 기술을 사용하여 자동화된 시뮬레이션 개선을 실행하고 자동으로 최적화된 결과 생성	폐쇄 루프 실제 링크: 변화하는 환경에 동적으로 반응하고 제조 및 테스트의 실제 데이터가 정기적으로 주입되는 여러 고급 시뮬레이션 모델 사용

조직은 디지털 트윈을 구축하고 사용하는 방법을 배우면서 가장 단순한 것부터 시작하여 이러한 각 차원을 탐색합니다. 초기 디지털 트윈의 범위는 하나의 중요한 구성 요소일 수 있습니다. 예를 들어 회사의 디지털 트윈 성숙도 수준이 높아짐에 따라 전체 제품으로 확장됩니다. 마찬가지로 초기 디지털 트윈은 가치 사슬의 한 영역(종종 엔지니어링)에만 적용될 수 있는 반면, 이후 디지털 트윈은 제조 및 사용에서 제품을 시뮬레이션할 수도 있습니다.

오늘날의 디지털 트윈

첨단 산업 분야의 조사 데이터에 따르면 거의 75%의 기업이 이미 중간 수준 이상의 복잡성을 달성한 디지털 트윈 기술을 채택한 것으로 나타났습니다. 그러나 부문별로 상당한 차이가 있습니다. 오늘날 자동차, 항공우주, 방위 산업 분야의 기업은 디지털 트윈 사용이 더욱 발전한 것으로 보이며, 물류, 인프라, 에너지 기업은 최초의 디지털 트윈 개념을 개발할 가능성이 더 높습니다.

첨단 산업 분야의 조사 데이터에 따르면 거의 75%의 기업이 이미 중간 수준 이상의 복잡성을 달성한 디지털 트윈 기술을 채택한 것으로 나타났습니다.

한 주요 항공우주 회사는 무게 절감, 공기 역학적 개선 및 기타 성능 이점을 식별하기 위해 수천 가지의 다양한 구성을 고속으로 시뮬레이션할 수 있는 기계 학습 기반 형상 최적화 시스템을 개발하고 있습니다. 유럽의 한 소프트웨어 회사는 의약품 및 의료기기 개발을 지원하기 위해 인간 심장의 다중물리학 모델을 구축하고 있습니다.

미국의 한 자동차 회사는 자사가 제공하는 모든 소프트웨어와 하드웨어 구성을 모델링할 수 있는 시스템을 구축하고 있습니다. 이 시스템은 설계 개선이 무선 업데이트로 고객에게 제공되기 전에 그 효과를 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 그리고 미국의 한 다국적 산업 기업은 실시간 마모 예측, 성능 미세 조정, 서비스 수명 및 총 소유 비용 대비 출력 최적화를 가능하게 하는 터빈의 다중물리 모델을 개발하고 있습니다.

이들 기업과 기타 디지털 트윈 선구자들은 기술 투자에 대한 네 가지 주요 동기를 언급합니다.

1. 디지털 트윈은 위험 없는 제품 개발 환경을 제공하므로 설계 및 엔지니어링 팀은 실제 프로토타입의 생산 및 테스트와 관련된 비용 없이 더 많은 설계 옵션을 탐색할 수 있습니다.
2. 디지털 트윈은 비정상적이고 극한의 작동 조건을 포함하여 다양한 실제 시나리오에서 새로운 솔루션을 평가할 수 있도록 하여 테스트 및 검증을 개선합니다.
3. 디지털 트윈은 제품 동작에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다. 엔지니어는 디지털 트윈 모델을 사용하여 언제든지 시스템의 모든 부분 상태를 모니터링하고 제품 요소 간의 복잡한 상호 작용을 추적할 수 있습니다.
4. 디지털 트윈을 사용하면 현장에서 작동하는 제품에서 수집한 데이터를 사용하여 제안된 설계 변경의 영향을 시뮬레이션함으로써 실제 데이터를 통해 제품 개선 정보를 얻을 수 있습니다.

고위 R&D 리더와의 대화를 통해 디지털 트윈이 이미 제품 개발 성과에 상당한 변화를 가져오고 있음을 알 수 있습니다. 일부 사용자의 경우 총 개발 시간을 20~50% 단축하여 비용을 절감했습니다. 다른 경우에는 제작해야 하는 값비싼 사전 제작 프로토타입의 수를 대개 2~3개에서 단 1개로 줄였습니다. 많은 테스트, 검증 및 고객 승인 작업이 가상 환경에서 완료될 수 있기 때문에 일부 기업에서는 디지털 트윈으로 시작하는 제품이 생산에 들어갈 때 품질 문제가 25% 더 적다고 보고합니다. 상업적으로 성공할 가능성도 더 높습니다. 한 회사는 더 나은 기능, 더 높은 품질, 향상된 고객 만족도 덕분에 디지털 트윈 기반 제품의 매출이 3~5% 더 높다고 보고했습니다. 마지막으로, 제품 개발 중에 생성된 디지털 트윈을 통해 기업은 예측 유지 관리 및 서비스 내 성능 최적화를 포함한 다양한 부가가치 애프터마켓 서비스를 제공할 수 있습니다. 이는 일부 제품 범주에서 수익을 5~10% 증가시킬 수 있습니다.

새로운 작업 방식

제품 개발의 초기 단계에 디지털 트윈 기술을 통합하면 기업은 더 빠르게 작동하고 더 나은 결과를 제공하며 고객에게 더 가까이 다가갈 수 있는 프로세스를 채택할 수 있습니다. 예를 들어, 첨단 제조용 기계와 같이 복잡하고 고도로 맞춤화된 제품의 설계를 생각해 보십시오. 이러한 제품은 일반적으로 일회성 또는 극소량으로 제조되며 각 단위에는 상당한 사전 엔지니어링 입력이 필요합니다. 기존 엔지니어링 방법을 사용하면 프로토타입이 없다는 것은 이러한 제품이 납품 후 문제를 해결하고 성능을 최적화하기 위해 상당한 작업이 필요한 경우가 많다는 것을 의미합니다.

제품 개발의 초기 단계에 디지털 트윈 기술을 통합하면 기업은 더 빠르게 작동하고 더 나은 결과를 제공하며 고객에게 더 가까이 다가갈 수 있는 프로세스를 채택할 수 있습니다.

이와 대조적으로 강력한 디지털 트윈 플랫폼을 갖춘 회사는 고객이 제안된 설계를 승인하기 전에 가상 환경에서 포괄적인 전체 제품 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 복잡한 기계는 일반적으로 기존 요소와 새로 엔지니어링된 요소의 조합을 사용하므로 기업은 주요 구성 요소의 디지털 트윈 모델 라이브러리를 유지하고 이를 새로운 부품 모델과 결합하여 완전한 디지털 트윈을 만들 수 있습니다. 해당 트윈을 사용하여 고객에게 제안된 솔루션을 시연하고 새 디자인이 고객의 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 그리고 새로운 구성 요소의 디지털 트윈 모델을 라이브러리에 추가하여 비슷한 요구 사항이 있는 향후 프로젝트에 사용할 수 있습니다.

쌍둥이 입양: 어려움 극복

그러나 디지털 트윈 플랫폼을 구축하는 것은 까다롭습니다. 예를 들어, 얼리 어답터는 디지털 트윈 기술을 기존 디지털 제품 개발 환경 및 더 넓은 IT 인프라에 통합하는 것과 관련된 문제를 보고합니다. 디지털 트윈에는 R&D 기능 내부와 그 이상 모두에서 새로운 작업 방식이 필요합니다. 이는 성공적인 디지털 트윈 프로그램이 변화 관리 노력이며, 고위 경영진의 헌신과 지원, 그리고 이정표를 추적하고 새로운 프로세스를 개발하며 조직의 채택을 지원하는 강력한 프로그램 관리 팀이 필요하다는 것을 의미합니다.

이러한 잠재적 장애물을 극복하기 위해 기업은 디지털 트윈 채택에 대한 단계적 접근 방식을 채택할 수 있습니다. 처음 세 단계에서는 플랫폼 선택, 아키텍처 설계 및 통합의 기술적 과제를 해결합니다. 후속 단계에서는 새로운 프로세스와 작업 방식을 지원하는 데 필요한 조직 변화에 중점을 둡니다.

• 경쟁 인텔리전스 및 범위 지정 단계 에서 조직은 해당 부문에서 사용할 수 있는 디지털 트윈 솔루션 유형을 식별하고 각 유형이 제공하는 잠재적 가치를 추정합니다. 다른 회사의 디지털 트윈 애플리케이션에 대한 심층 분석이 포함되는 이 작업은 조직이 자체 혁신 여정을 위한 프레임워크를 개발하는 데도 도움이 될 것입니다.
• 아키텍처 설계 및 소프트웨어 스택 정의 단계 에서 조직은 디지털 트윈 목표를 달성하는 데 필요한 특정 소프트웨어 구성 요소, 관계 및 인터페이스를 식별합니다. 기존 디지털 설계 도구와 새로운 요소를 결합하여 관련 기능을 제공하는 소프트웨어 스택을 설계합니다. 그리고 해당 요소를 내부에서 개발해야 할지 아니면 내부 공급자로부터 인수해야 할지 결정합니다.
• 소프트웨어 개발 우수성 단계 에서 조직은 디지털 트윈 플랫폼을 개발, 통합 및 출시하는 데 필요한 프로세스와 기능을 개발합니다.

이 세 단계에는 요구 사항 정의를 위한 시스템 엔지니어와 모델 개발을 위한 분석가를 포함하여 다양한 전문 기술을 갖춘 직원이 필요합니다. 최고 수준에서는 디지털 트윈 플랫폼 개발 팀에 약 50명이 포함될 수 있습니다.

디지털 트윈 기술을 조직에 통합하기 위해 기업은 세 가지 원형(전시) 중 하나를 선택할 수 있습니다. 디지털 트윈 팀은 해당 물리적 ​​자산과 함께 판매되는 고유한 디지털 자산 포트폴리오를 생성하는 역할을 담당하는 별도의 사업 단위로 구성될 수 있습니다. 또는 디지털 트윈 팀을 기존 비즈니스 단위에 통합하여 해당 비즈니스 제품과 관련된 디지털 트윈 애플리케이션을 개발하고 지원하는 데 중점을 둘 수도 있습니다. 이 접근 방식은 디지털 트윈에 대한 경험을 얻는 좋은 방법일 수 있으며, 사업부 간 시너지 효과가 제한되어 디지털 트윈 팀을 별도의 단위로 분할하여 얻을 수 있는 추가 가치가 거의 없는 경우에 적합할 수 있습니다. 마지막으로, 디지털 트윈 팀은 기존 사업부 내에서 애플리케이션 개발을 지원하는 별도의 CoE(Center of Excellence)로 운영될 수 있습니다. 이 접근 방식은 기업이 디지털 트윈 노력을 신속하게 확장하는 동시에 일관된 프로세스와 기술 구성 요소를 보장하는 데 도움이 됩니다.

전시하다

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디지털 트윈은 제품 회사가 사물 인터넷 인공 지능의 최근 발전을 활용하는 데 도움을 줍니다. 이러한 기술이 최근 급속한 발전을 이어가면서 디지털 트윈도 병행하여 진화할 것으로 예상할 수 있습니다. 예를 들어 현장의 제품에 설치된 센서 및 수집 하드웨어의 설정을 변경하는 등 디지털 트윈이 곧 새로운 통찰력을 적극적으로 검색할 수 있게 될 것입니다. 그들은 이러한 데이터를 사용하여 자체 모델을 개선하고 제조업체와 사용자를 위한 새로운 통찰력을 생성할 수 있습니다. 디지털 트윈 간의 상호 작용을 통해 항만 운영, 도시 운송 시스템 또는 다중 이해관계자 엔지니어링 공급망과 같은 매우 복잡한 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다. 결국 우리는 자신의 경험을 통해 학습하고 기회를 식별하며 완전히 자율적으로 제품 개선 제안을 제공할 수 있는 디지털 트윈의 출현을 볼 수 있습니다.

저자 소개

Roberto Argolini 는 McKinsey 밀라노 사무소의 파트너이며 Federico Bonalumi 는 컨설턴트이고 Stefania Pellegrinelli 는 제휴 파트너입니다. Johannes Deichmann은 슈투트가르트 사무소의 파트너입니다.

저자는 이 기사에 기여한 Chris Anagnostopoulos, Riccardo Bagnara, Ondrej Burkacky, Riccardo Calza, Matteo Grandini, Hugues Lavandier, Alessandro Mattozzi, Simona Morachioli, Gianfredo Romano 및 Rafael Westinner에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.