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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 권철현(Cheolhyeon Kwon)
      제어 이론 기반의 고신뢰 사이버 물리 시스템 개발과 적용
      권철현(Cheolhyeon Kwon)(UNIST 기계공학과)
      이메일:kwonc at unist.ac.kr
      220 0 0
    1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

    - 제 연구 키워드는 사이버 물리 시스템 (Cyber Physical System, 이하 CPS), 안전, 그리고 모빌리티 정도로 정리할 수 있을 것 같습니다. CPS는 상당히 추상적인 개념으로서 사이버 요소인 컴퓨터 프로그램 및 S/W 알고리즘과 물리적 거동을 관장하는 센서 및 엑츄에이터가 네트워크 환경을 통해 상호작용하는 통합시스템을 일컫습니다. CPS는 기존의 임베디드 시스템이 고도화되어 작은 스케일의 자동화 시스템부터 대규모 스케일의 사회 기반 시설까지 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 대표적인 CPS 분야는 스마트 그리드, 자율주행자동차, 드론, 모바일 로봇, 발전소, 스마트 빌딩 및 스마트 공장, 등이 있으며 기본적으로 네트워크 환경에서 자동화 제어가 필요한 대부분의 시스템은 CPS 범주에 속합니다. 이렇게 다양한 수요에도 불구하고 CPS 내부 요소들간의 복잡한 상호작용은 여러 가지 기술적 난제들을 동반하고 있습니다. 특히, S/W에서 발생할 수 있는 프로그램적인 오류와 사이버 공격과 같은 사이버 측면의 취약성은, 물리적 거동과 연루된 센서와 엑츄에이터의 오작동을 초래하기 때문에 기존의 사이버 시스템과 비교하여 치명적인 물리적 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서, S/W 오류나 사이버 공격 시에도 핵심 기능을 유지하고 작동의 신뢰성을 보장하는 CPS 기술은 안전하고 혁신적인 미래사회를 위한 핵심 원천기술입니다.

    이미 국내외 많은 연구기관에서 CPS의 보안과 고신뢰성을 위한 기반 기술 연구를 활발히 진행하고 있으며, 이들 중 대부분이 컴퓨터 공학 관점에서 컴퓨터 프로그래밍 및 S/W 구조를 분석하고, 사이버 공격에 대한 해법을 암호화와 같은 보안 기술에 집중하고 있습니다. 그러나 이는 CPS의 물리적 거동을 고려하지 않은 접근법으로서 이미 발생한 S/W 오류나 사이버 공격에 의해 초래할 수 있는 물리적 오작동에 대한 CPS의 안전성을 보장해주지 못합니다. 이 한계점에 착안하여, 저는 CPS의 동적 거동 및 센서 / 엑츄에이터들의 물리적 오작동을 현대 제어이론에 기반하여 분석하는 연구를 수행하고 있습니다. 예를 들면, 기존의 제어이론에서 고장 진단 (Fault detection and isolation) 및 고장 허용 제어 (Fault-tolerant control) 기법은 물리 시스템의 센서 / 엑츄에이터 고장 뿐 아니라, S/W의 잠재적인 오류 및 사이버 공격 요소들을 대처하는데 활용할 수 있습니다. 사실 이 제어이론 기반 연구법 또한 이미 국내외 유수 연구 그룹에서도 활발히 진행되고 있는 접근법인데, 단순히 제어이론만으로는 사이버 공간에서 발생할 수 있는 위협 요소들의 원인을 선제적으로 규명하기 어렵습니다. 이에 저는 지금까지 수행해온 제어이론 기반의 CPS 연구에서 컴퓨터 공학 접근법의 결과를 유기적으로 통합하여 지금까지 두 접근법 각각이 가지는 본질적인 한계를 상호 보완하고 다양한 운용 환경에서 CPS의 신뢰성을 보장하려고 합니다.



    2. CPS(Cyber Physical System)에서 안전이 중요한데 이를 보장하기 위해서 통합 프레임 워크를 개발중인 것으로 알고 있습니다. 어떤 사례가 있을까요? 

    - 앞서 언급하였듯이, CPS는 정말 다양한 적용 분야를 가지고 있는데, 현재까지 고신뢰 CPS 연구들의 주 적용 범위는 대규모의 전력시스템이나 빌딩시스템과 같이 사회 기반 시설에 집중되어 있습니다. 저는 주 CPS 적용 도메인을 모빌리티 특성을 가지고 있는 CPS, 자율주행 및 자율비행을 수행하는 무인이동체로 삼아 타 CPS 연구와 차별을 두려고 합니다. 무인이동체는 앞으로 도래할 4차 산업 혁명 시대에 핵심적인 분야로서, 가장 신경써야 하는 부분이 바로 안전 및 신뢰성입니다. 이와 관련하여 국제적으로도 다양한 안전관련 규정과 표준이 제정되어 있고 몇몇 표준은 CPS 프레임워크 측면에서도 자세한 가이드라인을 제시하고 있습니다. 다만 무인이동체는 CPS로서 자율적인 임무 수행을 위해 내재된 알고리즘 복잡성이 정말 높고 이동체 동역학적 특성이 비선형적이고 복잡한 사이버-물리 상호작용은 분석이 매우 어려워 타 CPS 분야 대비 연구성과가 상대적으로 빈약합니다. 또한, 최근 사이버 위협에 대한 보안 문제가 대두되고 있습니다. 제 연구는 미래 다양한 신기술이 접목될 무인이동체에 CPS 연구 결과를 적용하여 신뢰성과 안전성 확보에 이바지할 것이라 믿습니다.



    3. 자율주행과 자율비행에도 많은 연구를 하고 계신것으로 압니다. 현재 어떤 연구를 진행하고 있으며, 연구의 장단기 목표는 무엇인가요? 

    - 아무래도 이전 직장인 현대자동차 자율주행개발플랫폼 팀에서 근무하면서 자율주행에 대한 최신 연구동향과 방향성을 많이 생각해볼 기회가 있었습니다. 그리고 자율비행도, 제가 항공과를 나오다 보니 CPS 신뢰성 연구에 주요 데모 도메인으로서 무인항공기를 주로 삼았습니다. 요즘 도메인에서도 가장 주목받는 연구분야는 학습기반 알고리즘, 즉 인공지능입니다. 저는 학습기반 기술들 그 자체의 성능 연구에 주안점을 두지는 않고, 이들이 자율주행/비행에 적용되었을 때 어떻게 안전성을 보장 할 수 있는가에 관심을 많이 가지고 있습니다. 이미 이 분야도 안전을 보장하는 강화학습 (Safe Reinforcement Learning), 설명가능한 인공지능 (Explanable A.I.) 등을 통해 상당히 성숙한 학분이 되어 가고 있는데, 저도 기존 제어이론과 접목하여 크게는 무인이동체의 안전성 향상이라는 범주안에서 다양한 연구주제를 고민하고 있습니다. 특히, 현재 수행중인 과제중에서 ‘전기차 기반 고신뢰 자율주행 핵심 요소기술 개발’이 있는데, 이를 통해 앞으로 자율주행 대중화 시대에 차량의 고장 및 돌발상황에서 자율주행 S/W는 어떻게 대처해야하는 지, 고장지단 및 대응 프로세스 정립에서 검증 환경 구축까지 신경 쓰고 있습니다.





    한편 무인이동체의 안전성을 위한 핵심 요소 기술 별 연구에 그치지 않고 각 요소 기술 전체를 통합한 플랫폼 구축 및 시연도 관심이 많아서 자율주행 차량 및 자율비행 드론 플랫폼도 구축에 매진하고 있습니다. 자율비행의 경우 현재 한국전력에서 ‘무인기를 통한 송전 철탑 점검’ 과제를 수행 중인데, 이를 통해 단순히 요소기술 개발이 아니라 모든 S/W 와 H/W가 잘 통합된 완전한 드론 시제품을 제작하여 상품성 측면에서도 경쟁력을 확보할 것으로 기대하고 있습니다.



    자율주행 관련하여서도 단기적으로는 현재 보유하고 있는 전기차 기반 자율주행 플랫폼을 계속 고도화 시켜서 대내적으로는 교내 셔틀 운행을 인프라를 구축할 계획이고 대외적으로는 현대자동차 또는 국토부에서 주관하는 자율주행경진대회에 참여하고 국토부에서 발행하는 자율주행차량 임시운전 면허를 획득하려고 합니다. 아직 갈 길이 멀지만 그때쯤 이면 관련하여 사업성 측면에서도 고려 해 볼만한 아이템이 생기지 않을까 생각합니다.



    4. 영향을 받은 연구자가 있다면 또한 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

    - 아무래도 바로 떠오르는 분은 제 지도교수님 (황인석 교수님, 미국 퍼듀대학교 항공우주공학과 교수)이십니다. 제가 석사부터 박사를 거처 포닥까지, 학문적인 지도 이상으로 큰 힘이 되어 주셨습니다. 의식적으로 그런 것도 아닌데, 지금 제가 연구 아이디를 도출하고 문제를 접근하는 방식, 지도 학생과 소통하고 지도하는 방식 하나하나가 다 황교수님께서 제게 하셨던 방식을 따라하고 있습니다. 기본적으로 학자로서 어떻게 사고 해야 하며, 어떻게 하면 효율적이고 생산적인 연구 활동이 될 수 있는지 항상 고민하게 만들어 주셨습니다.


    5. 현재 운영중이신 UNIST “High-assurance Mobility Control Lab.”에 대한 소개를 부탁드립니다.

    - 제가 울산과학기술원에 2019년 하반기에 임용되어서 작년 2020년 한해 동안은 연구실을 셋업 하느라 정신이 없었습니다. 연구실 대학원생들도 전부 석사 1년차들이다 보니, 저도 학생도 여러가지 시행착오를 많이 경험하고 있습니다. 여러가지로 체계가 잡히려면 아직 시간이 많이 걸릴 것 같습니다.

    연구 인력 및 장비 등을 포함한 전반적인 연구실 소개는 저희 연구실에서 자체 제작한 아래 홍보 영상으로 대신할까 합니다.



    6. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람이 있으시다면?

    - 솔직히, 아직은 자부심이나 보람을 느낄 만한 성과를 이루지 못한 것 같아 항상 마음이 조급합니다. 올해의 목표는 내년에 누군가 로부터 이 질문을 다시 받았을 때 자랑스럽게 뭔가 대답할 수 있게 준비하는 것이 목표입니다.


    7. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면? 

    - 학생시절에는 실질적인 적용보다는 이론에 치우친 공부를 하여서인지 이후 회사 (현대자동차)에 취직해서는 실제 현장에서 이론을 적용시키는 괴리감이 정말 크게 다가왔습니다. 이론적인 전문 공학지식도 필수적이지만, 이 이론이 실제로 어떻게 적용 될 수 있을지, 궁극적으로는 이윤을 창출할 수 있을지 고민하는 공학적인 마인드의 중요성을 절실히 계속 실감하고 있습니다.. 이전에는 어떤 분야든 제가 좋아하는 것, 제가 잘하는 것 사이에서 균형을 잘 잡기만 하면 성공할 수 있을 것이라 생각하였는데, 요즘은 해당 분야의 특수성과 수요, 앞으로의 전망에 대해서도 잘 고민해야 할 듯 합니다. 가령 자율주행 분야는 이미 전세계적으로 핫한 분야임과 동시에, 처음 입문하는 연구자 입장에서는 선도그룹과의 격차를 좁히기 쉽지 않은 진입장벽이 있습니다. 때문에, 자율주행에는 정말 다양한 융합 기술이 적용되고 응용되는 학문의 특수성을 잘 이해하여, 선도그룹과 어떤 차별성을 가지는 연구 아이템이 있을지 끊임없이 생각하는 것이 이후 사업성을 생각하더라도 도움이 될 것입니다.


    8. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면? 

    - 단기적으로는 현재 제가 쫓고 있는 연구방향성 (고신뢰 CPS 프레임워크)을 실제 현업에서도 적용할 수 있을 만큼 접근성과 활용성을 높이는 것이 목표입니다. 이를 달성하면, 아직은 대단히 막연하지만, 연구산출물을 잘 패키징하여 잠재적인 수요층을 찾고 니즈에 맞게 솔루션을 제공해줄 수 있는 사업 아이템을 도출해볼 생각입니다. 수익 모델을 구상할 때까지 산학연에 제 연구 네트워크를 잘 확장하여 조언을 부탁드릴 분들도 찾아봐야 겠습니다.


    9. 다른 하시고 싶은 이야기들?

    - 좋은 인터뷰 기회를 주셔서 감사합니다. 인터뷰를 통해 저를 알리는 것도 큰 도움이지만, 지금까지 제가 학교에 처음 올 때 그 초심, 그리고 앞으로의 계획을 돌이켜보게 해주는 시간이었습니다.


    * 권철현 교수의 (최근) 대표 논문.

    - C. Kwon and I. Hwang, “Reachability Analysis for Safety Assurance of Cyber-Physical Systems against Cyber Attacks,” IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 63, No. 7, Page 2272-2279, July 2018

    - C. Kwon and I. Hwang, “Sensing-Based Distributed State Estimation for Cooperative Multi-Agent Systems,” IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 64, No. 6, Page 2368-2382, June 2019

    - D. Sun, C. Kwon and I. Hwang, “Hybrid Flocking Control Algorithm for Fixed-wing Aircraft,” AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 42, No. 11, Page 2443-2455, November 2019

    - J. Choi, Y. Song, S. Lim, C. Kwon, and H. Oh, “Decentralized Multi-subgroup Formation Control with Connectivity Preservation and Collision Avoidance”, IEEE Access, Vol. 8, Page 71525 71534, April 2020 - D. Kim, C. Kwon, and I. Hwang, “Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density Filter against Uncertainty of Data Association,” Signal Processing, Vol. 171, Article 107448, June 2020

    - X.T. Tran, H. Oh, and C. Kwon, “Adaptive Second-order Sliding Algorithm-based Modified Function Projective Synchronization of Uncertain Hyperchaotic Systems,” IEEE Access, Vol.8, Page 149952-149962, August 2020

     
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