가상 물리 시스템

가상 물리 시스템 또는 사이버 물리 시스템(cyber-physical system, CPS)은 컴퓨터 알고리즘으로 제어되고 모니터링되며, 인터넷 및 사용자와 긴밀하게 통합된 메커니즘이다. 가상 물리 시스템에서 물리적 및 소프트웨어 구성 요소는 깊이 얽혀 있으며, 서로 다른 공간 및 시간 규모로 작동하고, 여러 가지 뚜렷한 행동 양식을 보이며, 맥락에 따라 변화하는 방식으로 서로 상호 작용할 수 있다."US National Science Foundation, Cyber-Physical Systems (CPS)"Hu, J.; Lennox, B.; Arvin, F., "Robust formation control for networked robotic systems using Negative Imaginary dynamics" Automatica, 2022.

CPS는 사이버네틱스, 기전공학, 설계 및 프로세스 과학 이론을 융합하는 초학제적 접근 방식을 포함한다.Patil T., Rebaioli L., Fassi I., "Cyber-physical systems for end-of-life management of printed circuit boards and mechatronics products in home automation: A review" Sustainable Materials and Technologies, 2022.Suh, S.C., Carbone, J.N., Eroglu, A.E.: Applied Cyber-Physical Systems. Springer, 2014. 프로세스 제어는 종종 임베디드 시스템으로 불린다. 임베디드 시스템에서는 계산 요소에 더 중점을 두고 계산 요소와 물리적 요소 간의 긴밀한 연결에는 덜 중점을 두는 경향이 있다. CPS는 사물 인터넷 (IoT)과도 유사하며 동일한 기본 아키텍처를 공유하지만, CPS는 물리적 요소와 계산 요소 간의 더 높은 조합과 조화를 제공한다.

CPS의 예로는 스마트 그리드, 자율주행차 시스템, 의료 모니터링, 산업 제어 시스템, 로봇공학 시스템, 재활용 및 자동 조종 장치 항공 전자 장치 등이 있다. 가상 물리 시스템의 선구자는 항공우주, 자동차, 화학 공정, 시민 인프라, 에너지, 의료, 제조, 운송, 엔터테인먼트, 가전제품 등 다양한 분야에서 찾을 수 있다.Khaitan et al., "Design Techniques and Applications of Cyber Physical Systems: A Survey", IEEE Systems Journal, 2014.

 개요 
기존의 임베디드 시스템과 달리, 완전한 CPS는 일반적으로 독립형 장치가 아닌 물리적 입출력을 가진 상호작용하는 요소들의 컴퓨터 망으로 설계된다.Hu, J.; Niu, H.; Carrasco, J.; Lennox, B.; Arvin, F., "Fault-tolerant cooperative navigation of networked UAV swarms for forest fire monitoring" Aerospace Science and Technology, 2022. 이 개념은 로봇공학과 센서 네트워크 개념과 밀접하게 연관되어 있으며, 계산 지능의 적절한 지능 메커니즘이 길을 이끈다. 과학 및 공학의 지속적인 발전은 지능형 메커니즘을 통해 계산 요소와 물리적 요소 간의 연결을 개선하여 가상 물리 시스템의 적응성, 자율성, 효율성, 기능성, 신뢰성, 안전성 및 유용성을 높인다.C.Alippi: Intelligence for Embedded Systems. Springer Verlag, 2014, 283pp, .
이는 다음과 같은 여러 방향으로 가상 물리 시스템의 잠재력을 확대할 것이다: 개입 (예: 충돌 회피); 정밀도 (예: 로봇 수술 및 나노 수준 제조); 위험하거나 접근 불가능한 환경에서의 작동 (예: 수색 및 구조, 소방 및 심해탐사); 조정 (예: 항공 교통 관제, 전투); 효율성 (예: 제로 에너지 건물); 및 인간 능력 증강 (예: 의료 감시 (의학) 및 서비스 제공).

 모바일 가상 물리 시스템 
연구 대상 물리 시스템이 고유한 이동성을 갖는 모바일 가상 물리 시스템은 가상 물리 시스템의 주요 하위 범주이다. 모바일 물리 시스템의 예로는 모바일 로봇공학과 사람이나 동물이 운반하는 전자기기가 있다. 스마트폰의 인기가 높아지면서 모바일 가상 물리 시스템 분야에 대한 관심이 증가했다. 스마트폰 플랫폼은 여러 가지 이유로 이상적인 모바일 가상 물리 시스템이 된다.

 처리 능력, 로컬 저장 공간과 같은 상당한 계산 자원
 터치스크린, 카메라, GPS 칩, 스피커, 마이크, 광 센서, 근접 센서와 같은 여러 감각 입출력 장치
 와이파이, 4G, EDGE, 블루투스와 같은 여러 통신 메커니즘으로 장치를 인터넷이나 다른 장치에 연결
 자바 (프로그래밍 언어), C 샤프, 또는 자바스크립트와 같이 모바일 CPS 노드 소프트웨어의 빠른 개발을 가능하게 하는 고급 프로그래밍 언어
 구글 플레이 스토어 및 앱 스토어와 같이 쉽게 이용할 수 있는 애플리케이션 배포 메커니즘
 배터리의 잦은 재충전을 포함한 최종 사용자 유지 관리

로컬에서 사용할 수 있는 것보다 더 많은 리소스가 필요한 작업의 경우, 스마트폰 기반 모바일 가상 물리 시스템 노드를 빠르게 구현하는 일반적인 메커니즘 중 하나는 네트워크 연결을 활용하여 모바일 시스템을 서버 또는 클라우드 환경과 연결함으로써 로컬 리소스 제약 하에서는 불가능한 복잡한 처리 작업을 가능하게 한다. 모바일 가상 물리 시스템의 예로는 CO 배출량을 추적 및 분석하는 애플리케이션,J. Froehlich, T. Dillahunt, P. Klasnja, J. Mankoff, S. Consolvo, B. Harrison, and J. Landay, "UbiGreen: investigating a mobile tool for tracking and supporting green transportation habits," in Proceedings of the 27th international conference on Human factors in computing systems. ACM, 2009, pp. 1043–1052. 교통 사고 감지, 보험 텔레매틱스P. Handel, I. Skog, J. Wahlstrom, F. Bonawide, R. Welsh, J. Ohlsson, and M. Ohlsson: Insurance telematics: opportunities and challenges
with the smartphone solution, Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, vol.6, no.4, pp. 57-70, winter 2014, 및 최초 대응자에게 상황 인식 서비스 제공, 교통량 측정, 심장병 환자 모니터링 등이 있다.

 예시 
CPS의 일반적인 응용 분야는 일반적으로 센서 기반 통신 가능 자율 시스템에 속한다. 예를 들어, 많은 무선 센서 네트워크는 환경의 일부 측면을 모니터링하고 처리된 정보를 중앙 노드에 전달한다. 다른 유형의 CPS에는 스마트 그리드,S. Karnouskos: Cyber-Physical Systems in the Smart Grid (PDF; 79 kB). In:Industrial Informatics (INDIN), 2011 9th IEEE International Conference on, July 2011. Retrieved 20 Apr 2014. 자율 자동차 시스템, 의료 모니터링, 공정 제어 시스템, 분산 로봇공학, 재활용 및 자동 조종 장치 항공 전자 장치 등이 있다.

이러한 시스템의 실제 예로는 MIT의 분산 로봇 정원이 있으며, 이곳에서는 로봇 팀이 토마토 식물 정원을 가꾼다. 이 시스템은 분산 감지 (각 식물에는 상태를 모니터링하는 센서 노드가 장착됨), 내비게이션, 조작 및 무선망을 결합한다.

중요 기반 시설에 퍼져 있는 CPS의 제어 시스템 측면에 대한 초점은 아이다호 국립연구소와 협력자들이 복원력 있는 제어 시스템을 연구하는 노력에서 찾을 수 있다. 이 노력은 차세대 설계에 대한 전체적인 접근 방식을 취하며, 사이버 보안, 인간 상호 작용 및 복잡한 상호 의존성과 같이 잘 정량화되지 않은 복원력 측면을 고려한다.

또 다른 예는 MIT의 진행 중인 CarTel 프로젝트로, 택시 차량이 보스턴 지역의 실시간 교통 정보를 수집하여 작동한다. 이 정보는 과거 데이터와 함께 주어진 시간대에 가장 빠른 경로를 계산하는 데 사용된다.

CPS는 또한 전력망에서 고급 제어를 수행하는 데 사용되며, 특히 스마트 그리드 맥락에서 분산 재생 에너지 생성을 향상시키는 데 사용된다. 풍력 발전량이 너무 높을 때 그리드 내 전류 흐름을 제한하기 위해 특별한 비상 조치 체계가 필요하다. 분산 CPS는 이러한 유형의 문제에 대한 핵심 솔루션이다.

산업 분야에서 클라우드 컴퓨팅 기술로 강화된 가상 물리 시스템은 인더스트리 4.0의 길을 열었던 새로운 접근 방식을 이끌었다.A. W. Colombo, T. Bangemann, S. Karnouskos, J. Delsing, P. Stluka, R. Harrison, F. Jammes, and J. Lastra: Industrial Cloud-based Cyber- Physical Systems: The IMC-AESOP Approach. Springer Verlag, 2014, .Wu, D., Rosen, D.W., & Schaefer, D. (2014). Cloud-Based Design and Manufacturing: Status and Promise. In: Schaefer, D. (Ed): Cloud-Based Design and Manufacturing: A Service-Oriented Product Development Paradigm for the 21st Century, Springer, London, UK, pp.1-24. 이는 슈나이더 일렉트릭, SAP, 허니웰, 마이크로소프트 등과 같은 파트너와 함께 유럽 위원회 IMC-AESOPIMC-AESOP 프로젝트에서 시연되었다. 디지털 농업 (또는 정밀 농업) 분야에서는 CPS 기술이 토양 품질 및 수분 함량 측정, 적절한 관개 또는 비료 또는 살충제 사용 수준 결정을 위해 사용된다.

 설계 
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임베디드 및 가상 물리 시스템 개발의 과제는 소프트웨어 및 기계 공학과 같이 관련된 다양한 엔지니어링 분야 간의 설계 관행에 큰 차이가 있다는 점이다. 또한 오늘날 CPS의 관련된 모든 분야에 공통된 설계 관행 측면의 "언어"가 없다. 오늘날 빠른 혁신이 필수적이라고 가정되는 시장에서 모든 분야의 엔지니어는 시스템 설계를 협력적으로 탐색하고, 소프트웨어 및 물리적 요소에 책임을 할당하고, 그들 간의 절충점을 분석할 수 있어야 한다. 최근의 발전은 공동 시뮬레이션을 사용하여 분야를 연결하면 새로운 도구나 설계 방법을 강요하지 않고도 분야들이 협력할 수 있음을 보여준다.J .Fitzgerald, P.G. Larsen, M. Verhoef (Eds.): Collaborative Design for Embedded Systems: Co-modelling and Co-simulation. Springer Verlag, 2014, . MODELISAR 프로젝트의 결과는 기능 목업 인터페이스 형태의 공동 시뮬레이션을 위한 새로운 표준을 제안함으로써 이 접근 방식이 실현 가능하다는 것을 보여준다.

 중요성 
미국 국립과학재단 (NSF)은 가상 물리 시스템을 핵심 연구 분야로 지정했다. NSF는 CPS 프로그램을 통해 CPS 기술을 크게 발전시키기 위한 대규모 "프론티어" 프로젝트 (각 500만~700만 달러)에 자금을 지원한다. 2006년 말부터 NSF와 기타 미국 연방 기관들은 가상 물리 시스템에 관한 여러 워크숍을 후원했다.

 같이 보기 
 디지털 트윈
 실내 위치 추적 서비스
 인더스트리 4.0
 지능형 유지보수 시스템
 사물 인터넷
 반응형 컴퓨터 지원 설계
 신호 흐름 그래프

 각주 

 더 읽어보기 
 Edward A. Lee,  Cyber-Physical Systems - Are Computing Foundations Adequate?
 Paulo Tabuada, Cyber-Physical Systems: Position Paper
 Rajesh Gupta, Programming Models and Methods for Spatio-Temporal Actions and Reasoning in Cyber-Physical Systems
 Edward A. Lee and Sanjit A. Seshia,  Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach, http://LeeSeshia.org, 2011. 
 Riham AlTawy and Amr M. Youssef  Security Trade-offs in Cyber Physical Systems: A Case Study Survey on Implantable Medical Devices
 Ibtihaj Ahmad et al.,  Security Aspects of Cyber Physical Systems
 Charles R. Robinson et al.,  (Research Perspective) Bridging the stakeholder domains that produce cyber-physical systems, 2025
 Charles R. Robinson et al.,   (Research Perspective) Extended Recommendations for Advances on Cyber-Physical Systems, 2025

 외부 링크 
 The CPS Virtual Organization
 -Physical Systems Week Conference  Illustrates current research in the area
 Transactions on Physical Systems - ACM journal in this area

분류:체계 이론
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