인더스트리 4.0

산업 혁명과 전망

인더스트리 4.0(Industrie 4.0)은 독일 총리가 주도하여 진행한 산업관련 정책이다. 이 정책의 내용은 제조업 같은 전통 산업에 IT 시스템을 결합하여 생산 시설들을 네트워크화하고 지능형 생산 시스템을 갖춘 스마트 공장(Smart Factory)으로 진화하자는 뜻을 가지고 있다. 공식적으로 2011년 1월 발의됐고 독일 국가과학위원회(Germany's national academy of science and engineering)는 인더스트리 4.0을 통해 산업 생산성이 30% 향상될 것으로 전망한다.

연혁

독일에서 인더스트리 4.0은 공식적으로는 2011년 1월에 발의되었다. 이후 10개월의 논의를 거쳐 2010년부터 추진하고 있던 하이테크 전략 2020 실행계획의 일환으로 추진이 결정되었다. 이후 정부의 위원회인 FU(Forschungsunion, 연구 연합과 Acatech(독일공학아카데미)에 의해 약 10개월의 작업 기간을 거쳐 2012년 10월에 1차 초 안이 발표되고, 2013년 4월에 최종 제안이 완성되었다(FU&Acatech, 2013). 이 제안은 2년이 지난 2015년에 BITKOM(정보·통신·미디어협회), VDMA(기계협회), ZVEI(전기전자협회)에 의해 다시 한 번 수정·보완되어 발표되었다 (BITKOM/ VDMA/ZVEI, 2015 혹은 2016 참조). 상기한 바와 같은 과정을 보면 '인더스트리 4.0'은 독일에서 장 기간 많은 노력을 기울여 작업한 국가 전략으로 볼 수 있다. 그러나 그 작업은 정부가 아닌 민간에 의해 수립·제안되었다. 독일에서는 ICT 융합에 대한 논의를 2003/2004년에 시작했고, IoT R&D 지원 사업을 2005년에 시작한 바 있다. 이어 2006년에는 서비스 인터넷(IoS, Internet of Services)에 대한 논의 가 시작되었다(BMWi, 2013 참조). Kagermann에 따르면 그가 SAP의 회장으로 있던 2006년에 IoT와 IoS가 연계되어 가는 움직임을 감지할 수 있었 으며, 당시에 독일에서 Merkel이 집권한 이후 시 작된 독일 내 IT 정상회의에서 이에 대한 대응방 안 논의의 필요성을 제안했다. 이후 Kagermann 이 회장으로 있는 독일의 Acatech에서는 2010년에 CPS(Cyber Physical System, 사이버물리시스 템)에 대한 연구를 시작했으며, 이를 기반으로 2011년 1월에 FU에서 인더스트리 4.0 추진을 공식적으로 발의했다

디자인 원리

Industry 4.0에는 네 가지 디자인 원칙이 있고, 이러한 원칙은 Industry 4.0 시나리오를 식별하고 구현하는 회사를 지원한다.

• 상호 운용성: Internet of Things (IoT) 또는 People of Internet (IoP)을 통해 서로 연결하고 통신하는 기계, 장치, 센서 및 사람들의 능력 IoT를 추가하면 프로세스를 훨씬 더 자동화 할 수 있다
• 정보 투명성: 정보 시스템이 센서 데이터를 통해 디지털 플랜트 모델에 공급함으로써 물리적 환경의 가상 복제본을 생성하는 기능을 말한다. 이를 위해서는 고부가 가치 상황 정보에 대한 원시 센서 데이터의 집계가 필요하다
• 기술 지원: 첫째, 정보에 입각한 의사 결정을 내리고 긴급한 문제를 단기간에 해결하기 위해 이해할 수 있도록 정보를 취합하고 시각화하여 인간을 지원하는 지원 시스템의 능력이다. 둘째, 사이버 물리 시스템은 사람이 하기 힘든 불편하고, 지치게 하고, 위험한 다양한 작업을 수행함으로써 신체적인 부분에서 인간을 지원하는 능력이다.
• 분산 결정: 사이버 물리 시스템이 스스로 결정을 내리고 그들의 작업을 가능한 자율적으로 수행할 수 있는 능력이다. 예외의 경우에만 간섭이나 상충하는 목표가 더 높은 수준으로 위임된 작업이다.

도전과제

Industry 4.0 구현 과제:

• 이전에 폐쇄 된 생산 현장을 개방해야한다는 고유의 요구로 인해 크게 위축 된 IT 보안 문제
• 매우 짧고 안정적인 대기 시간을 포함하여 중요한 M2M (Machine-to-Machine Communication)에 필요한 안정성과 안정성
• 생산 공정의 무결성 유지 필요
• 값 비싼 생산 중단을 초래할 수 있는 IT 장애를 피할 필요가 있다.
• 산업 노하우를 보호 할 필요가 있음 (산업 자동화 장비의 제어 파일에도 포함됨)
• 제 4 차 산업 혁명으로 향하는 행진을 앞당길 수있는 적절한 스킬 세트의 부족
• 기업 IT 부서의 이중화 위협
• 이해 관계자의 변화에 대한 일반적인 거부감
• 자동 프로세스 및 IT 제어 프로세스에 대한 많은 일자리 손실, 특히 사회의 저학력 부분에 대한 손실
• 낮은 최고 경영진 공약
• 불명확 한 법적 문제 및 데이터 보안
• 불확실한 경제적 이익 / 과도한 투자
• 규제, 표준 및 인증 형태의 부족
• 직원의 자격 부족

주요 정책 프레임 및 프로그램

주요 정책 프레임 및 프로그램 설명:

• 첨단기술 전략

2006년에 발표된 첨단기술전략(High-Tech Strategy) 프로그램은 미래 신기술 및 관련 이해 관계자들이 공통의 목적을 달성할 수 있도록 제시한 정부차원의 국가 R&D 활성화 전략을 가졌다. 이 이니셔티브는 모든 정부 부처의 자원을 아우르는 엄브렐러형 시도로, 막대한 예산을 지원금 첨단 기술 연구개발 진흥에 투자했다.

• 첨단기술전략 2020

첨단기술전략의 연장선에 있는 이니셔티브로 2010년에 발표되어, 이전 프로그램의 전략목표를그대로 계승하되 선도시장 개척 및 과학 및 산업계의 보다 긴밀한 파트너십에 초점을 두고 있다 특히 5개 영역에서의(기후/에너지, 보건/영양, 모빌리티, 보안, 통신)에서의 기술/산업선도력을 강화 추진하였다.

• 첨단기술전략 2020 액션플랜

독일 정부가 2012년에 인준한 첨단기술전략 2020 액션플랜(High-Tech Strategy Action Plan 2020)은 첨단기술 전략에서 제시한 기술 구현 수준을 보다 구체적으로 향상시키는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 10대 미래 프로젝트(또는 lighthouse project)를 정의하였고, 그 중 하나가 인더스트리 4.0이다. 당시 혁신 정책 목표는 유관 기술 연구 혁신활동 강화로 지정하였다. 여기에 해당되는 혁신 사업의 목표를 10년 또는 15년 단위로 설정하고, 인더스트리 4.0 범주에 해당하는 사업에 대해서 도합 2억 유로 예산 편성이 되었고, 당시 독일 기민/기사연합(UNION)과 사민당(SPD)이 구성한 18대 연방내각은 2013년 12월 연정협약을 통해 미래 독일 기계 및 공학 산업의 주도권 강화를 위해 인더스트리 4.0의 중요성을 크게 인식하고 이를 강조하였다는 점에서도 많은 주목을 받은 바 있다. 그 결과 내각은 『전통 산업의 디지털화』를 목표로 스마트 서비스 및 녹색 IT분야의각종 연구개발 사업 및 관련 활동을 적극적으로 지원하기 시작되었다.

• 사이버물리시스템 2020을 위한 선도 시장 구축

인더스트리 4.0 프로젝트의 일환으로 2020년까지 독일은 사이버 물리 시스템 솔루션 선도국으로서의 위치를 선점하고자 한다. 다른 선진국과 달리 제조업 기반 산업 기초가 안정적으로 구축된 독일은, 오래전부터 새로운 기술 개발 및 첨단 프로세스 도입은 물론이고, 이 과정에서 안정적인 노조를 운영해 왔다. 실물 세계와 가상 세계의 연결은 통합 스토리지, 통신 모듈, 전파 센서, 지능형 소프트웨어 시스템을 하나로 아우르는 디지털 플랫폼과 사물 인터넷 기술의 확산을 통해 실물 세계와 가상 세계의 경계가 허물어질 전망이다. 이러한 배경에서 독일의 우수한 임베디드 시스템과 사이버 물리 시스템 노하우는 독일 산업계로 하여금 차세대 산업혁명의 구체적인 모습을 보여줄 수 있는 중요한 기회를 제공하였다.

• 사이버 물리 시스템 아젠다 (Agenda CPS)

독일 국립 과학기술학회(acatech)와 연방교육연구부(BMBF)의 위탁으로 제시한 사이버 물리시스템 아젠다는 통합된 시각의 사이버 물리 시스템 연구 아젠다를 상정하여, 관련분야 산업과 연구기관의 경쟁력 향상 및 이를 통한 선도시장 구축을 목표로 한다. 이 아젠다는 2025년까지 중점적으로 지원할 4대 응용기술 분야를 정의하였으며 그 내용은 아래와 같다 1. 에너지 (cyber-physical systems for the smart grid): 스마트 그리드 2. 모빌리티 (cyber-physical systems for networked mobility): 네트워크 기반 모빌리티 3. 보건 (cyber-physical systems for telemedicine and remote diagnosis): 원격 진료, 원격진단 4. 산업 (cyber-physical systems for industry and automated production): 산업 및 자동생산

• ICT2020: 혁신을 위한 연구 - 인더스트리 4.0을 위한 IT시스템

연방교육연구부는 "첨단기술전략 2020"과 독일 정부의 "디지털 전략(Digital Germany) 2015" 이니셔티브의 세부 프로그램 중 하나인 "ICT 2020 - Research of Innovation"를 발표하였다. 이 사업은 복잡계 IT 시스템, 새로운 정보기술 기반 비즈니스 모델, 생산 기법, 사물 인터넷, 서비스 인터넷과 같은 ICT 연구 주제를 집중적으로 육성하는 것을 목표로 한다. 사이버 물리 시스템을 위한 IT, 사물 인터넷, 서비스 인터넷 그리고 인더스트리 4.0 관련 R&D 사업이 주 펀딩 대상이다. 소프트웨어 시스템과 지식 처리 연구 펀딩은 아래 3개 항목으로 분류된다. 1. 전자, 통신기술 및 마이크로 시스템과 관련된 소프트웨어 집약적 임베디드 시스템 2. 그리드 애플리케이션 및 인프라 시뮬레이션, 가상현실, 증강현실, ambient intelligence,시뮬레이션 일반, 정보 유통, 고성능 컴퓨팅을 위한 소프트웨어 등 3. 언어와 미디어 기술을 활용한 인간-기계 상호작용, 인체 유사 정보 처리, 서비스 로보틱스,사용성(usability) 기술 위 분야는 모두 소프트웨어 공학, 신뢰성 및 보안 등 다 학제간 기술로, 소프트웨어 집약형 임베디드 시스템, 그리드 애플리케이션, 가상/증강현실 등의 기술 개발 사업이 전략적으로 지향하는 분야로 애플리케이션 프로젝트는 비즈니스 지향적이어야 하며 기업 또는 연구소와의 협업이 필수

• 인더스트리 4.0을 위한 오토노믹스 (Autonomics for industrie 4.0)

『생산, 제품, 미래 인터넷 기반 다중 서비스』를 부제로 하고 있는 이 프로그램은 첨단기술전략 2020의 기술개발 프로그램을 보다 구체화한 형태로 차세대 기계, 서비스 로봇 및 복잡한 작업을 자율적으로 수행할 수 있는 시스템에 많은 우선순위를 두고 있다. ICT를 기반으로 기계 컨트롤 메커니즘을 자율형 컴포넌트와 시스템으로 전환하여 새로운 시대를 열고자 한다. 이를 통해 효율성, 비용 효율성, 품질 강화 및 유연한 생산 인프라를 구축하려고 노력한다. 이 중 사물 인터넷은 이미 연방경제기술부에서 주도해 온 차세대 미디어(new technologies and ubiquitous computing) 및 AUTONOMIK(autonomous, simulation-based systems for small and medium-sized enterprises) 프로젝트의 후속 프로그램 성격이 강하다. 특히 인터넷 애플리케이션에 적용 가능한 시맨틱 기반 신제품, 서비스 및 관련 비즈니스 모델에 초점을 두었던 THESEUS R&D 펀딩 프로젝트가 가장 대표적이다. 연방경제기술부는 약 4천만 유로를 기업과 연구소에 지원하여, ICT와 산업생산 시스템 간의 상호작용을 위한 미래 생산 시스템 및 프로세스 그리고 미래 지향형 프리미엄 제품 (예: 서비스 로봇), 서비스 지향적, 지식 집약형 전자 서비스를 집중적으로 육성하고 있다.

• CyProS (Cyber-Physical Production Systems)

Wittenstein AG 의 주도로 2012년에 산업용 제조 및 물류 시스템 사이버 물리 시스템 모듈을 개발하기 위한 대형 산학협력 프로젝트로, 3년간에 걸쳐 개발한 참조 아키텍처와 시스템 모듈을 통해 생산성 극대화 및 유연화가 가능함을 확인하는 계기가 되었다. 더 나아가 독일 산업계가 관련 기술 혁신을 통해 경쟁력을 유지할 수 있다는 가능성을 확 인하는 계기로 평가된다. 특히 관련 기술개발로 제조업의 글로벌 경쟁이 심화되지만, 그와 동시에 사이버 물리 시스템을 통해 지속가능한 생산성과 유연성 확보하여, 독일 산업경쟁력의 제고가 가능하며, 산업시장에서의 해당 기술군 선도력을 유지 지속할 수 있다는 긍정적 전망이 확인된다. 중점 분야는 아래와 3개로 분류된다. 1. 생산 및 물류를 위한 사이버 물리 시스템 기반 위한 참조 아키텍처와, 스펙트럼별 기술 모듈 개발 2. 사이버 물리 시스템 관련 보편적 우수 사례 보급하고, 관련 도구, 플랫폼 지원 3. 사이버 물리 시스템의 상용 운용을 위한 기술 및 방법론적 기반 마련하고, 실제 생산 환경에서 실현된 쇼케이스형 공장 제시

• RES-COM

1. 2011년 연방교육연구부의 주도로 시작된 이 사업은 인더스트리 4.0 개념에 입각한 연결성 높은 센서-액추에이터 시스템을 활용하여 생산 자원의 자동화 향상을 목표로 함 2. 컨텍스트 기반 프로토타입을 통해 자원 효율 극대화 할 수 있음을 강조 3. 임베디드 센서와 액추에이터를 기반으로 한 동적 디지털 제품 메모리와 소프트웨어 서비스 에이전트를 도입하여 완전히 새로운 형태의 핵심 기술을 제시하는데 역점을 둠 4. 실제 프로젝트 코디네이션은 독일인공지능연구센터(DFKI)의 주도로 진행되었으며, SAP, Siemens, IS Predict, 7X4 Pharma 가 참여

내용

인더스트리 4.0은 독일의 주요 산학연 전문가들이 모여 구성한 플랫폼을 통해 새롭게 제시된 프레임으로, 산업 전 분야에 IT 기술을 접목하고, 이를 통해 산업구조를 혁신하여 독일의산업 경쟁력을 끌어올리고자 하는 취지를 가지고 있다. 구체적으로는 제조업 가치사슬 전반에 걸쳐 ICT 기술을 접목하여 새로운 개념의 제조업 및 서비스업 개념을 도입한 것으로, 사물인터넷(IoT), 사이버물리시스템(CPS: Cyber Physical System), 센서기술 등을 기반으로 생산 전 과정을 연결하고, 실시간 모니터링 및 피드백 기능을 통해 사물의 지능화를 꾀하며, 이를 통해 생산성을 높이고자 한다. 또한 공장 내의 생산과정뿐 아니라, 제품 개발부터, 소비와폐기에 이르는 과정 역시 포함하는 것으로 소비자와의 소통을 통해 소품종 다량 생산에서 맞춤형 다품종 소량 생산으로 전환하며, 이를 통해 새로운 서비스업을 등장시키고자 한다. 이미 독일에서는 251개 사업장이 인더스트리 4.0 플랫폼에 소속되어 변화하는 시대를 대비하고 있다.1) 뿐만 아니라 다양한 연구와 논의를 통해 사회적 전환을 추진하고 있으며, 많은기업들, 그중에서도 대기업이 주도적으로 전환을 이끌고 있다.

• 인더스트리 4.0의 핵심 기술

1. 지능형 메모리 개발을 통해 분산·자율제어 생산체계 구현 기계설비 뿐만 아니라 소재‧반제품에 센서와 메모리를 부착하고, 주문에 따라 설비에 가공 명령을 주면 생산 공정의 병목현상을 자가 진단해 유연하게 최적 생산 경로를 결정한다. 또한 메모리를 기계가 읽고 소비자 선호도, 공정상태, 가공방향 등을 스스로 분석해 실시간으로 최적 경로를 계산, 현 시점에서 가장 효율적인 경로를 선택하고 적용한다. 고객 맞춤형 생산, 물류·유통현황 파악, 사용·재활용 과정 추적조사 등으로 제품 전 주기에서 최적화 문제를 검토, 상류공정에 실시간 피드백함으로써 공정혁신 달성하였다.

2. All-IP 공장을 초월해 사물인터넷(IoT)으로 초연결 생태계 구현 지능화된 생산설비가 생산관리시스템(MES), 전사적 자원관리시스템(ERP)과 연동되었다. 중앙정보처리장치의 일방적 명령이 아닌 작업장 내 모든 설비가 상호간, 또는 중앙 정보시스템과 실시간 통신하고 공장별 MES와 연동, 최적화된 조업 솔루션을 도출한다. 또한공장 내 최적화 솔루션은 실시간으로 전사적 자원관리시스템(ERP)과 연동되어 그룹사 전체의 경영․재무․재고․유통․인사전략 수립에 기여할 수 있다.

사이버물리시스템(CPS)을 통해 스마트 공장과 사물인터넷(IoT) 세상을 연결하고, 제품의 생애전주기(PLC) 관리 수행한다. 공장 내외 사물이 센서로 연결돼 IP공장‧IP세상을 연결하는 사이버물리시스템 기술 발전하고,이에 따라 스마트 팩토리는 스마트 그리드, 스마트 교통체계, 스마트 빌딩 과 연동되고 재료와 제품의 생애 전주기 관리시스템을 구축한다. 또한 실시간 제품 정보가 출하에서 폐기 단계까지 공유되고 저장된 모든 정보가 생산 과정에 환류되어 자원 효율의 극대화에 기여한다.

예시

지멘스, BMW 등은 이미 스마트 팩토리 개념을 도입해 공정을 고도화 하고 있으며, 이것과 관련하여 국가 간 경쟁이 치열해질 것으로 보인다. 또한 산업용 기기 및 소프트웨어 분야 선두주자인 지멘스는 연구인력 3만 명 가운데 절반을 소프트웨어 엔지니어로 채용해 제조와 IT 융합을 주도하고 있고 보쉬는 연료 인젝터에 RFID를 부착해 수십만 가지 제품조합을 효율적으로 생산하고 있으며, BMW는 3D 프린팅 기술을 적용함으로써 생산 현장의 가변성을 높였다. 이처럼 독일은 다국적 기업 및 대학 연구기관의 참여를 통해 스마트 팩토리 프로 젝트를 주도해 시범공장과 표준화 개발에 박차를 가하고 있다.

독일 스포츠용품 제조사 아디다스는 1993년 해외로 모든 생산공장을 옮긴 지 23년 만인 지난해 9월 독일에 새 공장을 세웠다. 정보기술(IT)과 로봇을 활용해 개인 맞춤형 신발을 제작하는 ‘스마트 공장’이다. 올해 본격적으로 가동될 이 공장은 독일 정부가 추진하는 4차 산업혁명인 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’의 모범 사례다.

독일 정부는 2011년 제조업에 IT를 결합한 ‘인더스트리 4.0’ 전략을, 2015년 문제점을 보완한 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’ 전략을 내놨다. 독일 내 구축한 사물인터넷(IoT)과 사이버물리시스템(CPS) 등 인프라를 활용해 제조업을 혁신하고, 나아가 세계의 4차 산업혁명을 이끌겠다는 의지를 담고 있었다.

독일 정부는 스마트 공장이 독일 내 제조업 유지에 도움이 되지만 일자리를 줄일 수 있다는 우려를 불식시키기 위한 노력도 게을리하지 않고 있다. 인력 교육 프로그램을 통해 스마트 공장 운영과 관리 기술을 보급하고 새 비즈니스 모델 확대에 나섰다. 지난해 3월 보스턴컨설팅그룹(BCG)이 독일 기업인 300여 명을 대상으로 조사한 결과 응답자의 63%가 인더스트리 4.0 기반의 비즈니스 모델을 개발했거나 개발 중이라고 응답했다. 이 결과 스마트 공장에 부정적이었던 독일 강소기업 ‘미텔슈탄트’도 변화에 동참하고 있다.

같이 보기

• 제4차 산업 혁명