Vol.29 No.5 | MAY 2012 정보와 통신 - DGIST

한국통신학회지 | 29권 5호. 2012년 5월 | ISSN 1226-4725

정보와 통신

재난대응 정

보와 통

신 기

술

정보와

통신

Vol.29 No.5 | M

ay 2012

Vol.29 No.5 | MAY 2012

재난대응 정보와 통신 기술SNS

Survey Paper: Cyber Physical System

INFORMATION AND COMMUNICATIONS MAGAZINE

정보와 통신Vol.29 No.5 | MAY 2012CONTENTS

한국통신학회지 (비매품)

2012년 4월 27일 인쇄2012년 4월 30일 발행

등록번호 : 라-6287발 행 인 : 박진우편 집 인 : 김영한편 집 장 : 이혁준인 쇄 인 : 박명율발 행 처 : 사단법인 한국통신학회(http://www.kics.or.kr)

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※�이 책은 한국과학기술단체총연합회의 일부 재정지원에 의해 발간되었습니다.

학회지 위원회

위 원 장 김영한(숭실대학교)편 집 장 이혁준(광운대학교)부편집장 김기천(건국대학교) 이재훈(동국대학교) 임민중(동국대학교)위원(간사) 강남희(덕성여자대학교)위 원 강석중(광운대학교) 강신각(ETRI) 김선용(건국대학교) 김홍국(광주과학기술원) 류원(ETRI) 문영준(한국교통연구원) 박광로(ETRI) 박성용(서강대학교) 박지호(성균관대학교) 백상헌(고려대학교) 성건용(ETRI) 신명기(ETRI) 안도섭(ETRI) 안동명(㈜제노코) 유명식(숭실대학교) 유상조(인하대학교) 윤석현(단국대학교) 이경란(이지특허법인) 이기혁(KAIST) 이상환(국민대학교) 이성로(목포대학교) 이승윤(ETRI) 이준원(안동대학교) 이창석(한밭대학교) 임용곤(한국해양연구원) 정송(KAIST) 정수환(숭실대학교) 정영욱(광운대학교) 정종문(연세대학교) 진병문(TTA) 최윤식(연세대학교) 한상국(연세대학교) 홍진우(ETRI) 홍충선(경희대학교)

2012년도 학술 활동 계획

학술대회/전시회 일정

특집 : 재난대응 정보와 통신 기술

편집위원 : 정종문 (연세대), 이영훈 (연세대), 정호상 (상명대)

특집 머리말 .................................................................................................................................................._02재난 통신 및 네트워크 기술 및 발전 방향 ..................................................................................................................................남상준, 한동혁, 정종문_033GPP 재난문자 서비스 기술 및 표준화 동향 .................................................................................................................................김재현, 김태현, 김기영_10모바일 환경에서의 재난대응 커뮤니케이션: 연구동향과 과제 ...............................................................................................지용구, 윤수진, 황보환, 윤솔희, 정호상_18인공재난: 재난 대응을 위한 에이전트 시뮬레이션의 연구동향 ..................................................................................................................................................이기헌, 김창욱_27대용량 자료를 활용한 복잡계 연결망 연구 동향 및 재난 연구에의 기여 ...................................................................................................................................................................정우성_37인과네트워크 기반의 재난 확산 모형에 관한 연구 동향과 사례 연구: 대구 지하철 화재를 중심으로 ...............................................................................................이재훈, 김경덕, 홍하나, 조용래, 조현보_42재난대응 물류에 관한 연구동향: 네트워크 구성 및 공급계획 모형 ..................................................................................................................................................정석재, 민대기_50재난 상황에서의 차량 운송 체계 및 시뮬레이션 연구 동향 ...............................................................................................성진모, 김장엽, 정병도, 김경섭, 정봉주_62재난상황에서의 의료 인포메틱스에 대한 연구 동향 .................................................................................................................................전동욱, 임영선, 이영훈_71재난대응 최적의 In-house Operation: 문제의 유형 및 방법론에 대한 문헌 조사 및 분석 ................................................................................................................정종빈, 김홍선, 박경찬, 김성문_80

SNS .......................................................................................................................편집위원 : 백상헌 (고려대)

SNS에서 프라이버시 문제 및 보호방안 ..................................................................................................................................................성민경, 정연돈_92

Survey Paper: Cyber Physical System ...........초청책임위원 : 임민중 (동국대)

사이버물리시스템의 개요 및 통신망 관련 이슈 분석 .................................................................................................................................박경준, 강미선, 손성화_98

2012년도 임원 명단 ........................................................................................................................_106

2011~2012년도 월별 주제 및 담당 편집위원 ....................................................._111

MAY·2012 | 1

박경준, 강미선, 손성화

대구경북과학기술원(DGIST)

사이버물리시스템의 개요 및 통신망 관련 이슈 분석

요 약

본 논문에서는 최근 융합연구분야에서 많은 주목을 받고 있는

사이버물리시스템(Cyber-Physical System, CPS)에 관하여

살펴본다. 사이버 물리시스템은 전통적인 연구분야인 통신, 제

어, 그리고 컴퓨팅을 아우르는 새로운 패러다임으로 전자공학

및 컴퓨터과학 내 다양한 연구분야들의 융합을 위한 토대를 제

공하리라 예상된다. 특히 통신망의 관점에서 사이버 물리시스

템에 관하여 살펴보도록 한다.

Ⅰ. 서 론

최근 통신, 교통, 편의시설 및 산업시설 등 매우 다양한 분야

에 임베디드 시스템이 사용되고 있다. 임베디드 시스템은 일상

적으로 사용되는 범용컴퓨터와 달리, 특정 시스템의 한 부분으

로 내장되어 사용되는, 연산시간의 제약조건하에서 특정 작업

을 수행하는 컴퓨터 시스템이다.

최근 들어 실제 공간에 존재하는 물리시스템과 사이버공간,

즉 컴퓨터 내에 존재하는 소프트웨어 간의 상호관계가 점점 더

중요시되면서 기존의 임베디드 시스템의 개념이 사이버 물리시

스템 (Cyber Physical System, CPS)으로 확장되었다. 사이버

물리시스템은 다양한 임베디드 기기가 물리시스템의 상태를 관

찰하여 이 정보를 바탕으로 연산 후 연산결과가 다시 물리시스

템에 영향을 미치는 피드백 시스템(feedback system)을 형성

한다. 즉, 물리시스템의 동작이 통신망을 통해 관찰되고, 조율

되고, 제어되는 통합 시스템이다. <그림 1>과 같이 사이버물리

시스템은 항공, 의료, 교통, 스마트빌딩, 스마트그리드 등 광범

위한 인공시스템을 모두 아우르는 개념이다. 최근 주목 받고 있

는 다수의 센서를 탑재한 스마트폰 또한 모바일 사이버물리시

스템 응용의 한 분야로 생각할 수 있다. 이러한 사이버물리시스

템의 경우 다양한 물리시스템과 컴퓨터 간의 매우 복잡한 상호

작용을 어떻게 설계, 분석하여 원하는 성능을 지닐 수 있게 하

느냐가 매우 중요한 문제이다.

사이버물리시스템은 소프트웨어에서 하드웨어, 기초이론부터

실제 응용시스템 등 다양한 연구분야의 측면에서 매우 많은 연

구주제가 존재한다. 전자공학과 컴퓨터과학 연구에서 사이버물

리시스템과 관련이 있는 대표적인 분야들을 나타내면 <그림 2>

와 같이 매우 다양하다. 따라서 사이버 물리시스템의 모든 분야

를 포괄하여 정리하는 것은 현실적으로 어려운 일이다. 이에 따

라 본 논문에서는 통신망의 관점에서 사이버물리시스템의 핵심

구성요소들이 통신망과 어떻게 영향을 주고 받는지를 주 관심

사로 알아본다. 또한, 통신망과 관련된 사이버물리시스템의 최

근 연구에 대하여 살펴보도록 한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 II장에서는 사이버물리시

스템과 관련된 기본 배경지식에 대해서 설명한다. III장에서는

Survey Paper: Cyber Physical System 초청책임위원 : 임민중 (동국대)

그림 1. 사이버물리시스템의 응용분야 예

그림 2. 사이버물리시스템과 연관 있는 연구분야

98 | 정보와 통신

통신망과 관련된 사이버물리시스템의 연구분야를 크게 세 부분

으로 나누어 소개한다. 마지막으로 IV장에서는 본 논문을 통해

알아본 사이버물리시스템에 대해 결론을 맺는다.

Ⅱ. 배경지식

1. 사이버물리시스템의 기본개념

최근 융합연구의 새로운 패러다임으로 각광받고 있는 사이버

물리시스템은 통신, 제어, 그리고 컴퓨팅이 통합된 시스템을 일

컫는 용어이다 [1]-[12]. 사이버 물리시스템은 기존의 임베디드

시스템의 확장된 개념으로 여길 수도 있으나 단순한 확장보다

는 기존의 접근방식을 뛰어넘으려는 융합학문형태의 새로운 시

도라고 할 수 있다.

기존의 임베디드 시스템 연구에서는 주로 사이버시스템, 즉

소프트웨어에서의 연산기능에 초점을 맞추어왔지만, 사이버물

리시스템은 물리시스템과 사이버시스템 간의 상호작용에 초점

을 두고 있다. 이는 사이버시스템의 영향에 대해서는 고려하지

않고, 주로 물리시스템의 상태에만 초점을 두고 연구를 진행하

던 전통적인 제어 및 시스템분야의 연구와도 차별화된다. 특히

주목할 점은 물리시스템과 사이버시스템 간의 정보전달 과정이

통신망을 통하여 이루어진다는 것이다. 이에 따라 둘 사이의 매

개체 역할을 하는 정보통신기술이 사이버물리시스템의 핵심요

소로 대두되게 되는 것이다.

사실 사이버물리시스템이 포괄하는 범위가 매우 넓고 다양하

여 이를 명확하게 정의하기란 쉽지 않다. 이는 임베디드 시스템

을 범용시스템과 구별하여 이야기하기는 어렵지 않으나 임베디

드 시스템의 명확한 정의를 내리기는 어려운 것과 유사하다. 일

반적으로 사이버물리시스템은 “자연 혹은 인공적으로 물리공간

에 존재하는 시스템의 동작을 컴퓨팅과 통신을 이용하여 감시,

제어, 조율, 통합하는 일련의 과정을 모두 포괄하는 전체시스

템”을 일컫는다 [5]. 특히 주목할 점은 [8]에서 아래와 같이 이

야기하고 있듯이 물리시스템과 사이버공간 사이의 상호작용에

주목해야 한다는 점이다.

“사이버물리시스템은 물리시스템을 사이버 공간내의 연산과

정과 통합하는 것이다. 내장형 컴퓨터와 통신망은 피드백 루

프(feedback loop)를 통하여 물리시스템을 관찰하고 제어하는

데, 이때 물리시스템과 연산과정은 서로 상호 간 영향을 주고받

게 된다. 무엇보다도 사이버물리시스템은 물리시스템과 사이버

공간 사이의 합집합이 아니라 교집합에 주목한다. 물리시스템

과 사이버공간에서의 연산과정을 개별적으로 이해하는 것으로

는 충분하지 않으며 무엇보다도 둘 사이의 상호작용을 이해하

는 것이 필요하다.”

위의 사이버물리시스템에 대한 설명, 특히 물리시스템과 연

산과정 간의 상호작용에 대하여 일반적인 피드백 제어 시스템

(feedback control system)을 예로 들어 부연 설명하도록 한

다. 대부분의 피드백 제어 시스템의 목적은 특정 물리시스템

의 상태 중 관심 있는 것을 우리가 원하는 값으로 제어하는 것

이다. 이때 사이버시스템은 물리시스템의 현재 상태를 관찰하

여 그 관찰 값을 바탕으로 제어 알고리즘 연산을 수행한다. 그

리고 이 연산결과를 바탕으로 물리시스템에 연결된 구동장치

(actuator)를 통하여 필요한 행동(action)을 취한다. 이러한 일

련의 과정을 반복적으로 수행함으로써 물리시스템의 상태를 원

하는 값으로 제어할 수 있다. 이 과정을 살펴보면 사이버시스템

은 물리시스템의 상태를 바탕으로 연산을 수행하기 때문에 물

리시스템의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 또한, 사이버시스템

은 연산결과를 바탕으로 물리시스템을 제어함으로써 다시 물리

시스템에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

물론 이러한 설명은 일반적인 피드백 제어 시스템에 모두 해

당하는 것으로 특별히 새로운 내용은 아니다. 하지만 중요한 것

은 시스템이 점점 더 복잡해지고 고도화됨에 따라 물리시스템

과 사이버시스템 간의 상호작용 또한 점점 더 복잡해져서 쉽게

이해하기 어려워지고 있다는 점이다. 더욱이 현대의 복잡한 시

스템 내부의 사이버시스템과 물리시스템 사이의 정보전달이 통

신망을 이용하여 이루어진다는 사실에 주목하여야 한다. 이에

따라 기존연구와 같이 비교적 간단하게 상호작용을 이해하고

표현하는 수준으로는 고도로 복잡해진 시스템을 효율적으로 설

계하고 분석하는 데 한계가 존재한다.

기본적으로 물리시스템과 사이버시스템 사이의 상호작용을

제대로 이해하고 분석하기 위해서는 무엇보다도 두 시스템이

전혀 다른 바탕에서 동작한다는 것에 주목해야 한다. 물리시스

템은 실시간(real-time)에서 시간의 흐름에 따라 변화하는 반

면 사이버시스템은 시간의 흐름과는 별개로 연산결과에 따른

논리의 흐름에 따라 동작하는 시스템이다. 이러한 근본적인 차

이를 고려하여 두 시스템의 상호작용을 이해하고 표현하기 위

해서는 지금까지의 전자공학 및 컴퓨터과학 내의 개별 분야들

의 이론을 융합할 수 있는 완전히 새롭게 확장된 형태의 융합이

론이 필요하다.

지금까지의 논의를 바탕으로 일반적인 사이버물리시스템을

블록선도(block diagram)로 나타내면 <그림 3>과 같다. 사이

버 물리시스템의 주요 세 가지 요소로는 우리가 관심이 있는 실

제 물리시스템, 그것과 영향을 주고받는 사이버시스템, 그리

고 이 둘의 정보교환의 매개체 역할을 담당하는 통신망을 들

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주제 | 사이버물리시스템의 개요 및 통신망 관련 이슈 분석

수 있다. <그림 3>을 살펴보면 제어대상인 물리시스템들이 플

랜트(plant)로 표기되어 있고 여기에 각 물리시스템의 상태

를 관찰하기 위한 센서와 제어를 하기 위한 구동장치가 연결

되어 있다. 그리고 노드, 혹은 제어기(controller)로 표기된 요

소들은 모두 컴퓨터에 해당하며 후자는 특히 시스템 내부의 컴

퓨터들 가운데 물리시스템의 제어기능을 담당하는 것들을 나

타낸다. 주목할 점은 기존의 제어 및 시스템 분야에서도 <그

림 3>과 같은 시스템을 통신망 기반 제어시스템(networked

control system)이라는 호칭 아래 꾸준하게 연구를 진행하여

왔다. 하지만 이런 제어시스템 분야 연구의 경우 대부분 사이버

시스템을 몇 개의 상태를 지닌 간단한 수준의 상태기계(state

machine) 혹은 스위치 시스템(switch system) 정도로 고려하

였기 때문에 복잡한 소프트웨어의 동작을 제대로 표현하기에는

무리가 있다. 더욱이 통신망의 동작 또한 대부분은 시간지연과

패킷손실만이 고려되었기 때문에 다중접속과 같은 보다 실제적

인 통신망의 동작에 대한 고려가 부족하였다.

요약하면, 사이버물리시스템은 기존에 존재하지 않았던 새로

운 형태의 시스템에 관한 연구를 칭하는 것이 아니라, 이미 다양

한 개별분야에서 많은 접근법이 시도되었던 문제를 다루는 것이

다. 기존연구와 차별화되는 점은 사이버시스템과 물리시스템 간

의 상호작용에 더욱 집중함으로써 기존 개별 분야의 연구결과들

을 융합할 수 있는 통합이론을 도출하고자 하는 시도이다.

이처럼 사이버물리시스템적인 접근을 통하여, 다양한 성

능 측면에서 기존의 임베디드 시스템을 뛰어넘는 시스템

을 설계할 수 있을 것으로 기대 된다. 특히 그 중에서도 효율

성(efficiency), 안전성(safety), 신뢰성(reliability), 강인성

(robustness), 적응성(adaptability) 등과 같은 핵심 성능을 획

기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 즉, 사이버물리시스

템 연구를 통하여 시스템이 더욱 빠르게 반응하고, 더욱 정확하

며, 더욱 신뢰할 수 있고 효율적으로 설계될 수 있을 것으로 예

상된다. 시스템 관점에서 주목할만한 사이버물리시스템의 특성

은 다음과 같다.

시스템들로 구성된 시스템(system of systems): 비교적 간

단한 형태인 기존의 임베디드 시스템들과는 다르게 사이버물

리시스템은, 개별적으로 동작할 수 있는 다수의 하위시스템들

(subsystems)로 구성된 복잡한 시스템이다. 하위시스템 간의

상호작용으로 말미암아 사이버물리시스템의 복잡도는 일반적

인 임베디드 시스템에 비해 매우 높아지게 된다.

통신, 제어, 연산 간의 새로운 상호작용: 사이버물리시스템은

기존의 제어시스템과 비교하여 훨씬 더 자동화되는 것을 목표

로 한다. 이를 위해서는 시스템 내의 다양한 시간 단위의 제어

루프가 모두 잘 고려되어 설계되어야 한다. 이를 통해 제어 루

프 내의 인적 인자(human factor)를 최대한 제거함으로써 진

정한 의미의 자동화를 이루도록 한다. 이를 위해서는 제어기로

서의 컴퓨터와 제어 대상인 물리시스템, 그리고 둘 사이의 매개

체인 통신망 간의 상호작용을 명확하게 이해하여 이를 시스템

설계 단계에서 반영하는 것이 필요하다.

응용분야에 기반한 사이버 및 물리시스템 연동: 사이버물리시

스템은 기초이론분야 연구를 바탕으로 이를 다양한 응용분야에

확장시키는 것을 기본방향으로 삼고 있다. 이를 위해서는 개별

적인 응용분야의 핵심 요구사항을 파악하여 이를 기반으로 사

이버시스템의 연산과 물리시스템의 동작을 밀접하게 연동시키

는 것이 필요하다. 따라서 무엇보다도 둘 사이의 연결체인 통신

망이 다양한 규모로 동작하는 것이 필수적이다.

2. 사이버물리시스템 관련 학계 동향

2007년 미국 대통령 과학기술 자문위원회(President’s

Council of Advisors on Science and Technology, PCAST)

에서 사이버물리시스템을 국가과학기술 투자의 최우선순위로

추천하게 되면서 사이버물리시스템 연구의 중요성이 구체적으

로 대두되었다 [2]. 이 결과, 미국과학재단(National Science

Foundation, NSF)에서는 2009년부터 매년 약 3천만 불 규모

의 사이버물리시스템 프로그램을 운영하고 있다. 미국과학재

단의 사이버물리 프로그램은 사이버물리시스템 원천이론연구

를 중심에 두고 이러한 이론을 다양한 핵심 응용분야로 확장하

여 적용해 나가는 연구형태를 제안하였다. 이는 꽃모양 모델

(flower model)이라고 칭해지며 <그림 4>와 같다. 특히 미국과

학재단은 꽃모양 모델에서 섹터(sector)라고 칭해지는 각 핵심

응용분야에서 원대한 도전(grand challenge)이라고 명명된 문

제들에 집중하여 연구비를 투자하고 있다. 이러한 문제들의 몇

가지 예를 살펴보면 다음과 같다 [4], [5].

•정전이 일어나지 않는 발전 및 송전

•차량 사고의 완벽한 방지 및 교통혼잡의 획기적 감소

•물리적 위치에 무관한 세계수준의 의료서비스

그림 3. 사이버물리시스템 블록선도



•제로에너지(zero net energy) 건물 및 도시

•재난상황에서 피해자가 발생하지 않는 안전하고 신속한 대피

•노약자에 대한 끊김 없는 실시간 보조

이러한 응용분야를 체계적으로 개념화시킴으로써 미국과학재

단의 사이버물리시스템 프로그램은 모든 핵심응용분야에 걸쳐

서 사이버시스템과 물리시스템을 통합 가능하게 하는 융합 원

천기술을 찾아내는 것을 목표로 한다. 또한, 이 프로그램은 폭

넓은 응용분야에서 사이버물리시스템의 구현을 촉진하기 위해

사이버 물리시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소, 구현

방법론 및 구현도구의 개발에 관한 연구를 지원한다. 그리고,

미국과학재단은 사이버물리시스템 관련 학계의 조기 활성화

를 촉진하기 위하여 사이버물리시스템 가상 조직(CPS Virtual

Organization, http://www.cps-vo.org)이라는 포탈을 개설

하였다.

미국 과학재단의 연구비 지원과 더불어 학계에서는 사이버

물리시스템 관련 다수의 워크샵 및 학회들이 지난 몇 년 동

안 신생 되었다. 그 중에서도 가장 주목할만한 것으로는 ACM

과 IEEE가 2010년에 공동으로 주관하여 만든 사이버물리시스

템 국제학회(International Conference on Cyber-Physical

Systems, ICCPS)를 들 수 있다. 이 학회는 사이버물리시스템

주간(CPS Week)이라고 하는, 복수의 관련 학회가 공동개최 되

는 행사에 포함되어 있다. <그림 5>는 이러한 사이버 물리시스

템 관련 내용을 연대별로 정리해 놓은 것이다.

하지만 이러한 사이버물리시스템 관련 연구 및 노력은 실

시간 시스템 및 임베디드 시스템 관련 학계를 중심으로 이루

어져 왔다. 일례로 사이버물리시스템 국제학회의 경우 ACM

의 임베디드 시스템 연구회(ACM Special Interest Group on

Embedded Systems, SIGBED)와 IEEE의 실시간 시스템 기술

모임(IEEE Technical Committee on Real-Time Systems,

TCRTS)이 후원하고 있다. 이미 언급된 바와 같이, 사이버 물리

시스템은 사이버시스템과 물리시스템 간의 밀접한 통합이 가장

중요하기 때문에 이 두 요소를 연결, 조율하는 통신망의 역할에

초점을 두어야 한다. 이에 따라 향후 사이버물리시스템 연구의

발전을 위해서는 통신망 측면에서 접근하는 연구가 더 활발히

이루어져야 할 것으로 예상된다.

Ⅲ. 사이버물리시스템의 주요 연구 이슈

사이버 물리시스템의 주요 연구 이슈를 전체적으로 살펴보면

다음과 같다.

통신망 기반 제어: 통신망 기반 제어(networked control)는

시간지연, 패킷손실, 전송에러 등과 관련하여 매우 다양한 형태

의 연구주제를 가지고 있다. 몇 가지 간단한 예로 무선통신망에

서의 실시간 서비스품질(quality of service) 보장, 제어알고리

즘 성능과 실시간 구현복잡도 간의 트레이드오프(trade-off),

연속시간 시스템에서 이산시간 시스템으로의 변환에 따른 오

차, 그리고 대형 시스템의 강인성(robustness) 보장 등을 들 수

있다.

제어 및 실시간 스케줄링 동시설계(control and real-time

scheduling co-design): 제어알고리즘의 성능과 실시간 스케

줄링 성능 간에는 근본적인 트레이드오프가 존재한다. 즉, 사이

버시스템의 제한된 연산 자원(computational resource)을 제

어알고리즘의 연산과 실시간 스케줄링 중 어느 쪽에 더 할당하

느냐에 따라 물리시스템의 안정성과 사이버시스템의 안정성이

달라지게 된다. 이와 관련된 기존연구는 이미 매우 높은 수준으

로 이루어졌으나, 사이버물리시스템의 개념, 특히 통신망 기반

그림 4. 사이버물리시스템 연구의 꽃모양 모델

그림 5. 사이버물리시스템 관련 연대표

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제어에 의한 시간지연 및 패킷손실 등과의 연계성 등이 다시 주

목을 받고 있다.

일례로 사이버물리시스템은 통상 통신망 기반 제어시스템이

기 때문에 통신망의 시간지연이 물리시스템의 안정성과 사이버

시스템의 스케줄링가능성(schedulability)에 미치는 영향을 정

량적으로 표현하는 최근 연구를 들 수 있다.

무선 센서-구동기 통신망(wireless sensor-actuator

networks): 무선센서 통신망(wireless sensor networks)은 학

계에서 매우 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만, 기존의 무선

센서 통신망 연구의 대부분은 물리시스템의 관심 정보를 어떻

게 센서에서 잘 수집하여 무선으로 전송할 수 있는지에 대한 내

용이 주류를 이룬다. 반면, 사이버물리시스템과 연관하여 무선

센서-구동기 통신망(wireless sensor-actuator networks)에

관한 연구는 별로 이루어지지 못한 실정이다. 이를 위해서는 단

순히 센서의 측정결과의 전송이 아닌, 센서 및 구동기, 물리시

스템, 사이버시스템 간의 상호작용에 대해 보다 많은 이해가 요

구된다. 특히, 전체 시스템에 미치는 구동기의 영향에 대해 많

은 연구가 이루어져야 할 것이다.

확인 및 검증(verification and validation): 컴퓨터과학분야

에서 사이버물리시스템의 설계를 위해서는 소프트웨어 검증을

위한 정형 기법(formal method)과 실제 시스템 테스팅 간의 격

차가 해소되어야 한다. 이를 위해서는 하드웨어, 소프트웨어,

미들웨어, 운영체제 등의 모든 측면이 고려되어야 한다. 하드웨

어와 소프트웨어는 기본단위부터 전체시스템 단위까지 모든 수

준에서 매우 높은 재활용성이 요구되며 쉽게 검증 가능하고 확

장성을 지녀야 한다. 지금까지 대부분의 시스템 검증은 사실상

과다설계(overdesign)가 유일한 방법론이었다. 일례로 항공산

업의 경우 안전성이 보장된 새로운 시스템의 설계를 검증하는

데 전체 재원의 50%이상이 소모된다고 한다. 이러한 “재원이

고갈될 때까지” 검증하는 식의 방법론은 고도로 복잡화되고 있

는 현대의 시스템에는 더 이상 적합하지 않으며 그 경제적 효용

성 또한 매우 낮다. 이에 따라 보다 체계적이고 예측 가능하며

경제적인 효용이 높은 시스템 설계 검증 방법론이 요구된다.

개념의 연산화(computational abstraction): 사이버물리시스

템의 설계 시 고려되어야 할 다양한 설계 조건으로는 자연과학

법칙, 사회적인 제약조건, 시스템이 요구하는 안전성, 강인성,

보안성 등 다양한 내용을 들 수 있다. 이 설계 조건들은 컴퓨터

소프트웨어 측면에서 높은 확장성을 지닌 형태로 표현가능 해

야 한다. 이는 기존의 컴퓨터과학에서는 크게 다루지 않던, 물

리적인 제약조건이 체계적인 프로그래밍 언어로 표현되는 방법

론을 의미한다.

이외에도 사이버물리시스템의 연구주제로는 시스템 구조론

(architecture), 모델기반설계론(model-based design) 등이

있으며 하드웨어 및 소프트웨어부터 통신, 제어시스템 이론을

망라하여 매우 다양한 연구분야가 존재한다. 본 논문에서는 이

가운데 통신망과 관련된 다음 세 가지의 이슈에 대해서 좀 더

상세히 알아본다.

1. 사이버물리시스템을 위한 통신망 기반 제어

<그림 1>에서 알 수 있듯이 사이버 물리시스템에서는 유무선

통신망을 통한 원격제어가 일반적이기 때문에 통신망 기반 제

어기법이 매우 중요한 역할을 한다. 앞서 언급한 바와 같이 제

어 및 시스템 학계에서는 지난 10년 이상 동안 통신망 기반 제

어시스템(networked control systems, NCS)에 대해서 활발

한 연구가 이루어져 왔다[13]-[17]. 통신망 기반 제어시스템은

물리적으로 다른 곳에 존재하는 센서, 구동기, 제어기들을 통신

망을 활용하여 분산적으로 동작시키는 시스템이다. 이는 사이

버물리시스템에서 사이버시스템을 제외한, 물리시스템 및 통신

망 간의 상호관계에 주로 집중한 연구라고 할 수 있다. 인터넷

의 확산 및 최근의 모바일 IT 기기들의 폭발적인 확산은 이러한

통신망 기반 제어를 더욱 가속화하고 있다.

사실 통신을 이용한 원격제어는 상당히 오랜 역사를 지니고 있

다. 위험한 환경에서 원격조작을 수행하는 시스템은 이미 우주

환경 등과 같은 경우에 오랜 기간 사용되어왔다. 이러한 기존의

시스템과 차별화되는, 사이버물리시스템을 위한 통신망 기반 제

어이론의 확립을 위해서는 다음에 대한 고려가 필수적이다.

1) 기존 연구의 경우 각 시스템의 특정 목적을 위해 적합한 전용

통신망이 사용됐지만 사이버물리시스템의 설계를 위해서는

범용 통신망 프로토콜을 활용한 설계가 바람직하다. 이는 시

스템의 확장성 면에서도 매우 중요한 이슈이다.

2) 범용 무선통신망의 사용 시 시간지연 및 패킷손실 등이 사이

버시스템 및 물리시스템에 미치는 영향에 대한 체계적인 분

석이 요구된다. 특히, IEEE 802.11과 같은 일반적인 프로토

콜은 물론이고 차량용 표준통신망인 CAN, Flexray등과 같

은 다양한 응용분야의 다중접속 프로토콜에 대한 고려가 필

요하다.

3) 보다 일반적인 사이버시스템 모델링이 요구된다. 기존의 통

신망 기반 제어이론에서 사이버시스템을 단순히 몇 개의 상

태를 가지는 이산상태 시스템(discrete-state system) 정도

로 모델링하는 것으로는 현대의 고도로 복잡화된 소프트웨

어 동작을 제대로 표현하기에 한계가 있다. 이를 위해서는

다양한 컴퓨터과학 분야와의 융합이 필요하리라 예상된다.



2. 제어 및 실시간 스케줄링 동시설계

제어 및 실시간 스케줄링 동시설계(control and real-time

scheduling co-design)는 한정된 연산자원을 제어알고리즘과

운영체제의 실시간 스케줄링에 어떻게 적절히 배분하느냐의 문

제를 다루고 있다 [18]-[24]. 이 문제는 일반적으로는 주어진

연산자원 내에서 실시간 스케줄링 제약조건을 만족하면서 어떻

게 물리시스템의 제어성능을 극대화할 수 있는지의 최적화 문

제로 표현할 수 있다.

사실 제어 및 실시간 스케줄링 동시설계 문제는 실시간 시스

템 학계에서 매우 활발히 연구됐던 분야이다. 이 문제를 사이버

물리시스템의 관점에서 바라보면, 주로 물리시스템 및 사이버시

스템 간의 상호작용에 주목한 연구라고 할 수 있다. 하지만 지금

까지의 연구 대부분은 스케줄링 조건을 만족하면서 제어성능을

최대화하거나 혹은 제어성능을 일정하게 유지하면서 연산자원

을 최소화하는 기법에 관한 것이 대부분이었다. 이러한 전통적

인 접근법에 더하여 사이버물리시스템의 설계를 위해서는 시스

템의 강인성(robustness) 등과 같은 복잡한 대형 시스템에 필수

불가결한 요소들에 대한 체계적인 고려가 선행되어야 한다. 더

욱이, 위에 언급한 최적화 문제를 어떤 식으로 확장하여 통신망

을 활용한 정보교환 시 발생하는 시간지연 및 패킷손실 등과 같

은 요소들을 포함하는지에 대한 연구가 이루어져야 한다.

이와 관련하여 근래 무선통신망에서 채널에서의 패킷손실

과 실시간 스케줄링 제약조건을 동시에 고려할 때 어떻게 스케

줄링기법을 설계하느냐에 관한 연구가 이루어진 바 있다 [25],

[26]. 하지만 이 연구들은 사이버물리시스템의 관점에서 이루어

진 연구가 아니었기 때문에 물리시스템의 제어성능에 관한 고

려는 이루어지지 않았다.

3. 무선 센서-구동기 통신망

사이버물리시스템은 일반적으로 물리시스템의 상태를 관

찰하는 센서(sensor)뿐만 아니라 제어하는 구동기(actuator)

를 포함하기 때문에 기존의 무선 센서통신망(wireless sensor

networks)의 개념에서 발전된 형태인 무선 센서-구동기 통신

망(wireless sensor-actuator networks)의 개념을 활용한 연

구가 진행되고 있다 [27]-[31]. 무선 센서-구동기 통신망은

<그림 1>에서 보듯이 분산된 형태의 센서 및 구동기가 형성하는

통신망 시스템을 의미한다. 여기서 각 구성요소들은 무선 통신

을 활용하여 연결된다.

무선 센서-구동기 통신망 연구는 물리시스템과 사이버시스

템을 연결하는 역할을 한다는 점에서 매우 중요한 역할을 한

다. 센서-구동기 관련 최근 연구를 살펴보면 다음과 같다. 먼저

Akyildiz와 Kasimoglu [32]는 무선 센서-구동기 통신망에서

통신(communication) 및 조직화(coordination)와 관련된 연구

주제를 논의하였다. Melodia et al. [33]의 경우 이동성을 지닌

구동기와 관련된 연구를 진행하였다. Sikka et al. [34]은 대형

서버팜(large-scale server farm) 시스템에 활용 가능한 대규

모 무선 센서-구동기 통신망에 대한 연구를 수행하였다.

기존에 매우 많은 연구가 이루어진 무선 센서 통신망과 비교

하여 센서-구동기 통신망은 상대적으로 거의 연구가 이루어지

지 않은 미개척 분야라 할 수 있다. 더욱이 사이버물리시스템에

의 응용을 염두에 둔 센서-구동기 통신망에 관한 연구는 상당

히 초기 단계라고 할 수 있으며 매우 제한적으로 이루어진 상태

이다. Li [35]가 센서-구동기 통신망을 활용한 감시 및 제어 시

스템 시제품(prototype)에 대한 연구를 발표한 바 있다. Bosch

et al. [36]은 사이버물리시스템의 대표적 응용분야인 무인자동

차의 분산제어에 센서-구동기 통신망의 활용에 대한 연구를 수

행하였다. 이와 같은 연구결과에도 불구하고, 일반적인 경우에

있어 시간지연, 패킷손실, 불안정한 무선채널 환경 등이 사이버

물리시스템을 위한 센서-구동기 통신망 설계에 미치는 영향에

관한 연구는 아직 거의 이루어진 바 없다.

Ⅳ. 결 론

본고에서는 현재까지의 사이버물리시스템 관련 연구에 대해

서 전체적으로 알아보았다. 또한, 통신망과 관련된 몇 가지 주

요 연구이슈에 관하여 살펴보았다. 향후 이러한 이슈들의 연구

를 통하여 사이버물리시스템이 다양한 정보통신분야와 융합할

수 있는 계기를 마련해 주리라 기대한다.

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약 력

1998년 서울대학교 공학사

2000년 서울대학교 공학석사

2005년 서울대학교 공학박사

2005년~ 2006년 삼성전자 정보통신총괄

책임연구원

2006년~ 2010년 일리노이대학교(어바나-샴페인)

박사후연구원

2010년~ 2011년 서울대학교 BK조교수

2011년~ 현재 대구경북과학기술원(DGIST)

정보통신융합공학부 조교수

관심분야: 사이버물리시스템, 의료등급무선통신망,

무선환경에서의 통신망 설계

2010년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 학사

2012년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 석사

2012년~ 현재 대구경북과학기술원(DGIST)

정보통신융합공학부 연구원

관심분야: 이동 애드혹네트워크(MANET), 의료등급

무선통신망

2010년 경북대학교 IT대학 전자공학부 학사

2011년~ 현재 대구경북과학기술원(DGIST) 정보통

신융합공학부 석·박사 통합과정

관심분야: 의료등급무선통신망,

무선환경 양방향통신

박�경�준

강�미�선

손�성�화

MAY·2012 | 105


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Vol.29 No.5 | MAY 2012 정보와 통신 - DGIST