박재현
(Jae-Hyeon Park)
1iD
김태완
(Tae-Wan Kim)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Republic of Korea. E-mail : ww604a@mju.ac.kr)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
Common Information Model, Interoperability, Markup Language, Resource Description Framework, Semantic Web
1. 서 론
배전 시스템의 디지털화가 가속화됨에 따라 ADMS(Advanced Distribution Management System), 계량 시스템, 정전 관리
플랫폼 등 다양한 이기종 ICT 인프라가 구축되고 있다. 이러한 시스템 간의 신뢰성 있는 정보 교환을 보장하기 위해서는 통합된 정보 모델과 표준화된
메시지 인터페이스가 필요하다[1]. 이에 따라 IEC 61968에서 표준화된 공통정보모델(Common Information Model, CIM)은 배전 시스템 운영 전반에 걸친 데이터
통합을 위한 의미론적인 구조를 가지고 있다. IEC 61968은 RDF(Resource Description Framework)를 XML(eXtensible
Markup Language)로 직렬화한 RDF/XML 기반의 데이터 표현 방식을 채택하고 SOAP (Simple Object Access Protocol)
및 RESTful(Representational State Transfer) 웹 서비스를 통해 메시지 교환을 정의함으로써 WSDL(Web Services
Description Language)로 정의된 CIM 기반 페이로드를 통해 상호운용성을 지원한다. IEC 61968이 메시지의 구조와 의미를 정의하고
있음에도 불구하고 실제 시스템 통신 과정에서는 다양한 불일치 문제가 발생한다. 예를 들어 구문론적 오류는 XML 요소와 데이터 타입 또는 네임스페이스가
스키마 정의와 상이한 경우 발생하며 이는 파싱 오류나 메시지 거부를 유발한다.
반면 의미론적 오류는 메시지가 구문론적으로는 유효하지만 CIM 모델의 논리적 제약조건을 위반하는 경우 발생하며 잘못된 데이터 해석으로 이어진다. 예를
들어 구문론적 오류의 경우 XML 태그가 소문자 접두어로 잘못 표기되어 파싱과정에서 오류가 발생할 수 있으며 의미론적 오류의 경우엔 정전으로 인해
유효전력을 공급받기 위해 유효전력으로 표기되는 데이터 필드에 무효전력이 전송되는 경우 수신 시스템에서 무효전력으로 인지하여 계통에 악영향을 끼칠 수
있다. 이와 같은 의미론적 불일치는 상호운용성을 저하시키고 전력시스템 ICT 인프라의 신뢰성을 약화시킨다. 기존 전력시스템 내의 의미론적 검증에 대한
연구는 지속적으로 이뤄지고 있는 상황이다. 이러한 검증 과정을 통해 상호운용성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해 의료분야의 경우 서로 다른 이기종 시스템
간에도 서로 의미는 동일하지만 다르게 쓰이는 동음이의어의 문제로 인해 SPARQL(SPARQL Protocol and RDF Query Language)을
활용한 RDF 기반 데이터 교환 및 질의 처리가 가능하도록 온톨로지를 구축하고 있는 상황이다[2]. 또한 전력 시스템에서도 교차 도메인의 지식을 하나로 통합하여 온톨로지를 구축해 OPF(Optimal Power Flow)를 구현하는 상황이다[3]. 이때 구문론적 검증과 의미론적 검증이 이뤄지지 않으면 잘못된 데이터를 통해 온톨로지가 구축되어 악영향을 끼칠 수 있다. 또한 기존의 IEC 61968
메시지 검증 연구들은 주로 XSD(XML Schema Definition) 기반 구문론적 검증을 통해 스키마 적합성을 보장하는 데 초점을 맞추어 왔다[4]. 그러나 이러한 방식은 XML의 구조와 데이터 타입만을 검증하기 때문에 CIM 페이로드 내부의 의미론적 불일치를 탐지할 수 없다는 한계가 있다.
CIM의 경우에는 UML(Unified Modeling Language) 모델 수준에서 검증하는 의미론적 검증들에 대한 연구가 이뤄지고 있으나 구문론적
검증은 따로 진행하지 않고 있다[5-
6]. 기존 연구들은 IEC 61968 메시지에 대해 XSD 기반의 구문론적 검증이나 SHACL과 ShEx 기반의 의미론적 검증을 개별적으로 수행해 왔다[4-
6]. 기존 선행 연구에서는 SOAP 메시지 전체 구조의 구문론적 검증과 RDF/XML 기반 CIM 페이로드의 의미론적 검증을 연계한 통합 검증 절차는
구체적으로 다루어지지 않았다. 본 논문에서는 기존의 XSD 기반 구문론적 검증뿐만 아니라 SHACL(Shapes Constraint Language)
기반 의미론적 검증을 추가로 포함하였다. 이를 위해 IEC 61968 표준에 정의된 SOAP 메시지를 대상으로 한 2계층 검증 프레임워크를 제안한다.
첫 번째 계층은 XSD를 이용하여 메시지의 구조와 데이터 타입 적합성을 검증하는 구문론적 검증을 수행한다. 두 번째 계층은 SHACL을 이용한 의미론적
검증을 수행한다. SHACL은 RDF 데이터 검증을 위한 W3C 표준 언어로 RDF 그래프가 CIM 모델의 논리적 제약조건과 데이터 간 관계를 준수하는지를
검증한다. 따라서 XSD 기반의 구문론적 검증과 SHACL 기반의 의미론적 검증을 결합함으로써 IEC 61968 SOAP 메시지 내 구조적 및 문맥적
불일치를 자동으로 탐지할 수 있다.
IEC 61968 SOAP 메시지의 전체 구조는 XSD로 RDF/XML 기반 CIM 페이로드는 SHACL로 검증하도록 2계층 검증 프레임워크를 제안하며
그 차별점을 표 1에 정리하였다.
표 1. 기존 검증 연구와 제안하는 프레임워크의 비교
Table 1. Comparison of Existing Validation Methods and the Proposed Framework
|
비교 항목
|
구문론적
검증
|
의미론적
검증
|
제안하는
프레임워크
|
SOAP 헤더
구조 검증
|
O
|
X
|
O
|
태그 불일치
검증
|
O
|
O
|
O
|
네임스페이스
불일치 검증
|
O
|
O
|
O
|
데이터 형식
불일치 검증
|
O
|
O
|
O
|
객체 간
연결 관계 검증
|
X
|
O
|
O
|
제약조건
불일치 검증
|
X
|
O
|
O
|
제안된 검증 프레임워크는 2개의 검증 메커니즘을 통합하여 시스템 간 상호운용성 향상을 목표로 한다. 2가지 검증 프로세스를 통해 상호운용성은 GWAC(GRID
WISE Architecture Council) 상호운용성 프레임워크의 3계층에 해당되는 구문론적 상호운용성(Syntactic Interoperability)에서
4계층인 의미론적 상호운용성(Semantic Interoperability)으로 확장될 수 있다[7].
그림 1. GWAC의 상호운용성 계층
Fig. 1. Interoperability Layers defined by the GWAC
이를 통해 IEC 61968 기반 시스템 간의 메시지 교환은 이기종 ICT 환경 전반에서 구조적 정확성과 의미적 일관성을 모두 확보할 수 있게 된다.
제안된 검증 프레임워크는 상호운용성 계층에서 3계층에서 4계층으로 검증 범위를 확장함으로써 데이터 신뢰성을 향상시키고 고도화된 상호운용성을 지원한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2절에서는 제안된 검증 프레임워크의 전체 아키텍처와 동작 절차를 소개한다. 3절에서는 대표적인 IEC 61968 메시지를
대상으로 수행한 사례 연구와 검증 결과를 제시한다. 마지막으로 4절에서는 본 논문의 결론을 정리하고 향후 연구 방향을 제시한다.
2. IEC 61968 메시지 구조 및 검증 체계
이 절에서는 제안된 검증 프레임워크와 관련된 핵심 표준 및 기술을 간략히 소개한다. 해당 항목에는 CIM 기반 메시지 교환을 위한 IEC 61968의
설명과 구문론적 검증을 위한 XSD 및 의미 표현과 의미론적 검증을 위한 RDF와 SHACL이 포함된다.
2.1 IEC 61968 표준
그림 2는 IEC 61968 인터페이스 아키텍처를 기반으로 상위 계통 시스템 간의 데이터 교환 예시를 나타내었다.
그림 2. IEC 61968 기반의 인터페이스 아키텍처의 예
Fig. 2. Example of the IEC 61968-based interface architecture
IEC 61968은 배전 시스템과 관련된 시스템 간 데이터 교환 및 통합을 지원하기 위한 일련의 표준을 정의한다.
이 표준은 ADMS, EMS(Energy Management System), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition),
AMI(Advanced Metering Infrastructure), VPP(Virtual Power Plant) 및 데이터 웨어하우스 등의 시스템
간 상호 데이터 연계를 가능하게 한다. IEC 61968은 배전 시스템 내 다양한 애플리케이션 간 데이터 교환을 위한 공통 인터페이스를 제공하여 이기종
시스템 간의 상호운용성을 지원한다. 이때 시스템 간에 교환되는 정보는 IEC 61968 표준 메시지 형식으로 표현된다. 인터페이스 어댑터(Interface
Adapter)는 각 시스템의 내부 데이터 모델을 IEC 61968에서 정의한 CIM 구조에 맞게 매핑하고 이를 XML 형식으로 직렬화하여 표준 메시지
페이로드(Payload)를 생성하는 역할을 수행한다. 이를 통해 서로 다른 데이터 구조를 사용하는 시스템 간에도 공통 의미 체계에 기반한 메시지 교환이
가능해진다. 메시지의 구문은 XML을 따르며 이는 인터넷상에서 문서를 교환하기 위한 구조화된 포맷을 제공하고 다양하고 상호 비호환적인 컴퓨팅 플랫폼
간의 상호운용성을 촉진한다.
그림 3은 IEC 61968에서 정의된 공통 XML 메시지 구조를 나타내며 이 구조는 헤더(Header)와 선택적으로 포함되는 Request/ Reply
섹션 및 CIM으로 인코딩된 데이터가 포함된 페이로드로 구성된다[8].
그림 3. IEC 61968에서 정의된 XML 메시지 구조
Fig. 3. Common XML message structure defined in IEC 61968
정의된 메시지의 구조는 시스템 간 일관되고 플랫폼에 독립적인 통신을 보장한다. 통신 서비스는 WSDL 기반의 SOAP(Simple Object Access
Protocol) 또는 RESTful API를 사용하는 ESB(Enterprise Service Bus)를 통해 구현되어 상위 시스템 간 신뢰성 있는
데이터 교환을 가능하게 한다.
2.2 공통 정보 모델(CIM)
IEC 61968에서 교환되는 데이터는 전력계통의 엔티티와 그들 간의 관계를 정의하는 CIM을 사용하여 표현된다. CIM은 전력 설비와 전력 계통망
네트워크 구성요소를 명확한 속성과 연관관계를 가진 객체로 표현함으로써 서로 다른 애플리케이션 간 일관된 해석을 가능하게 한다. IEC 61968 메시지의
페이로드 내에서 데이터는 RDF를 기반으로 인코딩된다.
RDF는 정보를 주어(subject)–술어(predicate)–목적어(object) 형태의 트리플(triple)로 표현하는 W3C 표준이며 이를 통해
CIM 데이터의 그래프 기반 표현을 제공한다. RDF 구조는 모델링된 엔티티들 간의 관계를 기계가 해석 가능한 형태로 표현할 수 있도록 한다. CIM
데이터는 XML로 직렬화되어 이기종 시스템 간 교환 가능한 구조를 형성한다. 실제 구현에서는 CIM 모델이 RDF/XML 형태의 플랫폼 종속 모델로
변환되며 이는 SOAP 메시지의 <Body> 요소에 포함된다. SOAP은 메시지 교환을 위한 전송 계층의 역할을 수행하며 WSDL은 시스템 간 통신에
사용되는 서비스 인터페이스와 메시지 형식을 정의한다.
2.3 검증 프레임워크
IEC 61968과 CIM이 표준화된 데이터 모델과 메시지 구조를 정의하고 있음에도 불구하고 구문론적 및 의미론적 수준에서 메시지의 적합성을 검증하지
않으면 이기종 시스템 간 상호운용성을 보장할 수 없다. 실제 시스템 통합 환경에서는 메시지 구조가 스키마 정의에서 벗어나거나 데이터 내용 내에서 의미적
불일치가 발생할 때 통신 오류가 자주 발생한다.
구문론적 검증은 XML 기반 SOAP 메시지에서 포맷이나 데이터 타입의 불일치를 식별하는 데 초점을 맞춘다. 예를 들어 태그의 대소문자가 잘못 표기된
경우(<verb> 대신 <Verb>)와 메시지 유형이 부적절하게 지정된 경우(<Verb>Get</Verb> 대신 <Verb>Reply</Verb>)와
같은 구조적 오류는 수신 시스템에서 메시지가 거부되는 원인이 된다.
반면 의미론적 검증은 메시지의 내용이 CIM의 정의에서 의도된 의미에 부합하는지를 확인한다.
구문론적 검증이 XML 문서의 형식적 정확성을 보장하는 데 초점을 둔다면 의미론적 검증은 값과 관계가 논리적으로 일관되어 있는지를 점검한다.
예를 들어 유효전력을 타 시스템으로부터 공급받아야 하는 상황이나 페이로드 상에서 무효전력으로 쓰여있는 경우 XML 구조가 올바르더라도 제어 동작이
잘못 수행될 수 있다. 그러나 의미론적 검증만으로는 메시지의 완전성을 완전히 보장할 수 없다. 이는 의미론적 검증이 주로 RDF로 표현된 페이로드
데이터에 초점을 두기 때문이다.
SOAP의 헤더에는 Verb, Noun 및 Message ID 등의 메타데이터가 포함되어 있는데 이 영역은 RDF 그래프 외부에 존재하므로 SHACL
기반의 의미론적 제약으로는 검증할 수 없다.
그림 4. IEC 61968의 SOAP 메시지 검증을 위한 2계층 프레임워크
Fig. 4. Two-layer validation framework for IEC 61968 SOAP messages
이 한계를 해결하기 위해 제안한 구문론적 검증 및 의미론적 검증을 위한 검증 프레임워크는 그림 4에 나타내었다. 구문론적 검증 계층은 XSD(XML Schema Definition)를 이용하여 메시지의 헤더, 태그, 데이터 타입 및 네임스페이스
등의 구조적 요소를 검증하며 의미론적 검증 계층은 SHACL을 활용하여 메시지 페이로드 내 RDF 그래프의 일관성을 검증한다. 이러한 2계층 접근법을
통해 상호운용성 계층은 구문론적 계층에서 의미론적 계층인 4계층으로 확장되며 이를 통해 IEC 61968 기반 SOAP 메시지가 구조적으로 정확할
뿐만 아니라 의미론적으로도 타당성을 갖추어 ADMS, AMI 및 SCADA 등 시스템 간 신뢰성 있는 데이터 교환을 보장할 수 있다.
2.4 구문론적 검증
실시간 분산 환경에서 XML을 검증하기 위한 XSD는 상호운용성을 위한 표준 기반으로 사용되어 왔다. 공통 스키마에 대한 구조적 적합성 검증을 통해
안정적이고 짧은 지연의 데이터 교환이 가능해진다[9]. 구문론적 검증 계층은 IEC 61968 SOAP 메시지가 정보모델로부터 도출된 XSD상의 제약조건을 준수하는지를 검증한다. 그러나 IEC 61968
SOAP 메시지는 일반적으로 여러 네임스페이스를 가진다. 예를 들어 SOAP Envelope와 CIM, RDF, 데이터 및 메시지 헤더를 포함하기
때문에 단일 XSD 파일로 전체 메시지 구조를 표현할 수 없다. 완전한 검증을 수행하기 위해 메시지의 각 부분은 별도의 스키마로 정의된다. 즉 Header.XSD,
RDF.XSD, Payload.XSD로 분리 정의하고 이들 스키마는 xs:import 문을 통해 통합 스키마에 해당되는 SOAP.XSD로 연결된다.
그림 5에 나타낸 것처럼 대상 메시지는 구문론적 검증 엔진에 의해 이 통합 스키마에 대해 검증되며 태그, 데이터 타입 정의, 네임스페이스 일관성 등 구조적으로
일치되는지를 검증한다. 일반적인 구문 오류에는 잘못된 데이터 타입, 네임스페이스 불일치, 태그의 대소문자 오류(예: <verb> 대신 <Verb>)
등이 포함된다.
그림 5. 다중 네임스페이스 IEC 61968 SOAP 메시지에 대한 XSD 기반 구문론적 검증 구조
Fig. 5. Structure of the XSD-based syntactic validation for multi-namespace IEC 61968
SOAP message
이러한 스키마 구조는 SOAP 메시지 내 모든 네임스페이스에 대한 완전한 구문론적 검증을 가능하게 한다. 이 검증 엔진은 불일치 요소를 요약한 상세
보고서를 생성하여 의미론적 검증을 진행하기 전에 메시지가 정상적인 구조와 구조적 유효성을 갖추었는지를 검증한다.
2.5 의미론적 검증
전력시스템 분야에서는 CIM 및 CGMES(Common Grid Model Exchange Specification) 모델을 대상으로 SHACL을
활용한 검증 연구가 활발히 수행되어왔다[10]. 유사하게 의료분야에서는 EHR(Electronic Health Record) 모델의 의미적 일관성을 확보하기 위해 온톨로지 패턴 기반 검증접근법이
제안되었다[11]. 또한 AEC(Architecture, Engineering and Construction) 분야에서는 IFC(Industry Foundation
Classes) 및 연결형 구축 데이터(Linked Building Data) 모델의 자동 규칙 검증 및 의미론적 적합성 평가를 위해 SHACL 기반
자동 검증 기법이 도입되었다[12-
14].
이러한 도메인별 연구들은 이기종 데이터 모델 간에도 SHACL 기반 의미론적 검증이 폭넓게 적용될 수 있음을 보여준다. 의미론적 검증 계층은 메시지
페이로드 내에 포함된 RDF 데이터의 논리적 일관성과 도메인 수준 제약조건을 검증한다. 이 계층은 RDF 그래프의 구조를 정의하고 검증하기 위해 설계된
W3C 표준 언어인 SHACL을 사용한다. SHACL은 Shape Graph 제약 모델을 정의하여 RDF 인스턴스의 예상 구조와 속성 및 값의 범위를
규정한다. 이는 XSD가 XML의 구조적 규칙을 정의하는 방식과 유사한 개념이다. 각 Shape은 2개의 구성요소로 이루어진다. 그 중 하나인 Targets은
검증할 RDF 노드를 식별하고 다른 하나인 Constraints에는 해당 노드가 만족해야 할 규칙을 정의한다. 예를 들어 NodeShape는 메시지
내에 존재할 수 있는 CIM 객체의 종류를 제한하고 PropertyShape는 데이터 타입과 값의 범위 및 특성 속성의 허용 수 등의 허용 속성을
정의한다. 의미론적 검증 과정에서는 SOAP 메시지로부터 추출된 RDF/XML 페이로드인 Data Graph가 RDF의 스키마인 Shape Graph과
비교된다.
그림 6과 같이 SHACL 엔진은 RDF 데이터와 대응되는 Shape Graph를 비교하여 각 인스턴스가 모든 의미 제약조건을 만족하는지를 검증한다.
그림 6. IEC 61968 SOAP 메시지에 대한 TTL 기반 검증
Fig. 6. TTL based semantic validation for IEC 61968 message
SHACL 기반 검증 과정은 유효하지 않은 연관관계와 누락된 속성 및 값 위반 등의 불일치를 탐지한다. 예를 들어 무효전력을 유효전력을 나타내는 노드에
연결할 경우 XML 구조가 구문적으로는 올바르더라도 도메인 의미를 위반하게 된다. 이와 같이 SHACL은 수동 검토 없이도 의미론적 적합성 검사를
자동으로 수행함으로써 상호운용성 수준을 구문론적 계층에서 의미론적 계층으로 확장한다. 그러나 SHACL은 RDF 그래프 상에서만 동작하므로 SOAP
헤더처럼 RDF 페이로드 외부에 존재하는 요소들은 이 검증 과정에 포함되지 않는다. 따라서 SHACL 기반 의미론적 검증은 XSD 기반 구문론적 검증을
통해 보완하여 IEC 61968 메시지가 단순히 구조적으로 올바를 뿐만 아니라 CIM 도메인 규칙에 대해 의미적으로도 일관성을 갖추도록 보장한다.
두 검증 계층의 결과는 각 검증별로 보고서를 만들어 사용자가 메시지의 문제점을 한눈에 파악할 수 있도록 구성하였다.
2.6 적합성 검증 범위
적합성 검증의 범위는 메시지의 어느 부분이 구문론적 검증과 의미론적 검증의 대상이 되는지를 정의한다. 제안된 검증 프레임워크는 IEC 61968에서
사용되는 SOAP 기반 및 RESTful API 기반 메시지 교환 방식을 모두 지원한다. SOAP 통신의 경우 구문론적 검증은 헤더와 바디(Body)를
포함한 전체 SOAP Envelope에 적용되어 XSD 스키마 검증을 통해 구조적 완전성과 데이터 타입 일관성을 보장한다.
반면 의미론적 검증은 RDF 기반의 CIM 데이터가 포함된 SOAP 메시지의 페이로드 부분으로 제한된다. 이는 SOAP 헤더가 RDF 구문을 따르지
않으며 Verb 와 Noun 및 Message ID와 같은 메타데이터만을 포함하기 때문에 SHACL 기반 의미론적 검증의 대상에서 제외되기 때문이다.
따라서 구현한 의미론적 검증은 CIM 페이로드를 대상으로 하므로 SOAP 헤더에 포함되는 Verb, Noun, MessageID와 같은 메타데이터에
대해서는 의미론적 검증을 수행하지 못하는 한계가 있다. 다만 SOAP 메시지의 구조와 헤더와 바디 간 대응 관계가 SOAP의 표준에 따라 일정하게
유지된다면 바디 내의 GetRequestMessage와 같은 메시지 유형 정보를 활용하여 SOAP 헤더의 Verb와 Noun에 대한 의미론적 적합성도
검증할 수 있도록 검증 절차를 확장할 수 있다.
제안된 검증 엔진은 RESTful API 메시지에도 적용 가능하도록 구현되어 있다. 본 논문에서 수행한 의미론적 검증은 SOAP 메시지 전체가 아니라
SOAP 바디 내의 RDF/XML 기반 CIM 페이로드를 추출하여 수행된다. RESTful API 방식에서는 SOAP과 같은 Envelope 및 헤더
구조를 사용하지 않고 동일한 RDF/XML 기반 페이로드를 HTTP 메시지의 본문에 직접 포함하여 전송하므로 의미론적 검증의 대상 구조가 SOAP
방식과 동일하다. 따라서 RESTful API를 통해 전송되는 RDF 기반 페이로드에 대해서도 본 논문에서 제안한 의미론적 검증 절차를 동일하게 적용할
수 있다. 본 논문에서는 SOAP 메시지를 중심으로 검증 사례를 구성하였으며 RESTful API 방식의 메시지에 대한 예시는 부록에 제시하였다.
그림 7에 나타낸 것처럼 그림 7(a)는 헤더와 페이로드를 포함한 전체 SOAP 메시지를 대상으로 하는 구문론적 검증의 범위를 보여주며 그림 7(b)은 의미론적 검증 엔진이 추적 및 검증하는 페이로드 영역만의 의미론적 검증 범위를 나타낸다.
그림 7. IEC 61968 SOAP 메시지에 대한 검증 범위
Fig. 7. Validation scope for IEC 61968 SOAP message
(a) syntactic validation, (b) semantic validation
3. 사례 연구 및 검증 결과
이 절에서는 IEC 61968 메시지의 적합성 검증 절차를 실제로 보여주는 사례 연구를 제시한다. 평가에는 실제 메시지 인스턴스를 기반으로 수행된
구문론적 검증과 의미론적 검증 결과가 모두 포함된다. 구체적으로 3.1절에서는 시험 메시지의 구조와 내용을 설명하고 3.2절에서는 XSD 기반 구문론적
검증을 통해 검출된 구문 오류를 제시하며 3.3절에서는 SHACL 기반 의미론적 검증을 통해 탐지된 의미 오류 결과를 제시한다.
3.1 시험 메시지 설명
검증에 사용되는 RDF/XML 인스턴스는 이후 절에서 설명하는 구문론적 검증과 의미론적 검증 과정 모두에 사용된 대표 예시로 활용되었다. 메시지는
IEC 61968 메시지 명세에 따라 SOAP Envelope 내에 직렬화되어 있으며 <Verb>, <Noun>과 같은 요소 및 페이로드 내부에는
CIM의 구조를 가지는 RDF/XML으로 인코딩된 객체(예: <cim:Measurement.MeasurementType>)를 포함한다. 메시지의 구조를
설명하기 위해 본 논문에서는 SOAP 메시지 중 RDF/XML 페이로드를 포함한 일부는 그림 8과 같다.
그림 8. 검증에 사용된 RDF/XML 페이로드를 포함한 SOAP 메시지 일부
Fig. 8. Excerpt of the SOAP message containing the RDF/XML payload used for validation
이 예시는 CIM에서 정의된 ConnectivityNode, Terminal, Analog, AnalogValue 객체 간의 관계를 나타내며 구문론적
검증과 의미론적 검증을 수행하기 위한 캡처 메시지로 사용되었다.
3.2 구문론적 검증 결과
구문론적 검증은 XSD 기반 검증 엔진을 이용하여 IEC 61968 SOAP 메시지의 모든 XML 요소, 태그 구조, 데이터 타입이 각 스키마 정의에
부합하는지를 확인하기 위해 수행되었다. 검증 과정에서 두 가지 위반 사항이 발견되었다. 첫 번째는 Analog 요소의 태그 불일치, 두 번째는 MeasurementValue.timeStamp
필드의 데이터 타입 불일치였다.
첫 번째 오류는 XSD 스키마에 정의된 올바른 태그 이름 Measurement.MeasurementType 대신 Measurement.measurementtype으로
잘못 표기된 데서 발생하였다. 두 번째 오류는 "123123"이라는 잘못된 datetime 값이 사용되어 스키마에서 요구하는 xs:dateTime
형식에 부합하지 않아 발생하였다. 그림 9에 나타낸 바와 같이 구문론적 검증 엔진이 생성한 검증 보고서는 이러한 불일치 요소들을 나타내며 적합성 평가의 결과를 확인할 수 있도록 태그의 대소문자
오류 및 데이터 타입 위반 사항을 명확히 보여준다.
그림 9. IEC 61968 SOAP 메시지의 구문론적 오류 보고서
Fig. 9. Error report for a syntactic validation in the IEC 61968 SOAP message
정상적인 재검증을 위해 태그 이름을 Measurement.MeasurementType 으로 수정하고 timeStamp 값을 "2025-09-15T08:30:00"와
같은 올바른 datetime 문자열로 교체하였다. 교체 이후 검증은 검증 오류가 발생하지 않았으며 메시지가 XSD에서 정의된 모든 구조적 및 데이터
타입 제약조건을 충족함이 확인되었다.
3.3 의미론적 검증 결과
본 논문에서는 SHACL Play app을 이용하여 CIM 페이로드로부터 Shape Graph(.ttl)를 자동 도출하고 pySHACL을 이용하여
의미론적 검증 엔진을 구성하였다. 의미론적 불일치 검출에 사용된 Shape Graph의 일부는 부록에 제시하였다.
의미론적 검증은 ActivePower 속성을 의도적으로 ReactivePower로 변경하고 노드 간의 연결 관계를 일부 잘못 지정한 수정된 메시지를
대상으로 수행되었다. 검증 엔진은 SOAP 메시지에서 추출한 RDF/XML 페이로드를 분석하고 MVDC 시스템과 ADMS 간 전력 전송 요청에 대해
예상되는 CIM 기반 제약조건을 정의한 Shape Graph와 비교하였다. 그림 10에 나타낸 바와 같이 의미론적 검증 보고서는 해당 메시지가 정의된 제약조건을 충족하지 못했음을 보여준다.
그림 10. IEC 61968 SOAP 메시지의 의미론적 오류 보고서
Fig. 10. Error report for a semantic validation in the IEC 61968 SOAP message
검증 결과 HasValueConstraintComponent에서 세 가지 제약 위반이 탐지되었으며 각각은 RDF 페이로드와 기대되는 CIM 모델 구조
간의 불일치를 의미한다.
첫 번째 항목은 Measurement.measurementType에서 발생하였으며 요구되는 ActivePower 대신 ReactivePower 값이
사용되어 의미론적 불일치가 발생하였다.
두 번째 항목은 AnalogValue.Analog 항목에서 발생하였으며 연결되는 Analog 노드가 기대된 식별자인 30000027이 아니므로 연결
관계가 일치하지 않았다.
세 번째 항목은 Terminal.ConnectivityNode에서 발견되었으며 연결되는 ConnectivityNode 노드가 기대된 식별자인 2001이
아니므로 연결 관계가 일치하지 않았다.
이러한 결과는 제안된 SHACL 기반 검증 프레임워크가 구문론적 검증만으로는 식별할 수 없는 의미론적 수준의 오류를 효과적으로 탐지할 수 있음을 입증한다.
4. 결론 및 향후 연구
본 논문에서는 IEC 61968 기반 메시지에 대해 구문론적 검증과 의미론적 검증을 통합한 2계층 프레임워크를 제안하였다. 제안된 방법은 XSD 기반
구문론적 검증과 SHACL 기반 의미론적 검증을 수행함으로써 CIM 규격 메시지의 구조적 정확성과 논리적 일관성을 모두 보장한다. 이를 통해 이기종
시스템 간의 데이터 구조 및 의미론적 불일치를 방지하여 시스템 상호운용성을 효과적으로 확보할 수 있다.
향후 연구에서는 본 프레임워크를 확장하여 온라인 통신 환경에서 교환되는 메시지를 검증하는 플랫폼을 구축할 예정이다. 해당 플랫폼은 RESTful API
서버를 구축해 실시간으로 구문론적 검증 및 의미론적 검증을 진행할 수 있는 플랫폼으로 구문론적 검증을 거쳐 오류가 없는 경우 의미론적 검증으로 진행되는
방식으로 구성할 계획이다.
Appendices
부 록
부록의 그림 A.1은 의미론적 검증을 위해 정의된 Shape Graph 파일의 일부를 제시한다. 그림 A.1의 Terminal_ConnectivityNode shape는 Terminal 객체가 cim:Terminal.ConnectivityNode 속성을
통해 ConnectivityNode와 연결되어야 함을 규정한다. 이때 sh:path는 검증 대상 속성을 지정하며, sh:nodeKind sh:IRI는
해당 속성값이 리터럴이 아니라 다른 RDF 자원을 참조하는 IRI여야 함을 의미한다. 또한 sh:minCount와 sh:maxCount는 이 속성이
정확히 1회 존재해야 함을 나타내므로, 연결 정보가 누락되거나 중복될 경우 의미론적 오류로 판정된다.
그림 A.2는 RESTful API 방식에서 예시 메시지를 제시한다.
그림 A.3은 RESTful API 방식에서 구문론적 검증 결과 확인을 위해 Switch.Open 태그를 Switch.open으로 변경하여 Measurement.
discreteValue 태그를 Measurement.discretevalue로 변경한 이후의 구문론적 결과이다.
그림 A.4는 RESTful API 방식에서 의미론적 검증 결과 확인을 위해 식별자에 해당되는 240207의 Measurement.PowerSystem Resource의
연결 관계를 136에서 137으로 변경한 이후의 의미론적 검증 결과이다.
그림 A.1. 의미론적 검증에 사용된 Shape Graph 파일의 일부
Fig. A.1. Excerpt from the Shape Graph File Used for Semantic Validation
그림 A.2. RESTful API 방식의 예시 메시지
Fig. A.2. Example RESTful API Message
그림 A.3. RESTful API의 구문론적 오류 결과
Fig. A.3. Syntactic Validation Result for the RESTful API Message
그림 A.4. RESTful API의 의미론적 오류 결과
Fig. A.4. Semantic Validation Result for the RESTful API Message
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저자소개
He received the B.S. degree in Electrical Engineering from Myongji University, Yongin,
Korea, in 2025. He is now working for his M.S. in Myongji University. His research
interests lie in power communication and data validation in smart grid systems.
He received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in computer science and engineering from
Konkuk University, Korea in 1994, 1996 and 2008, respectively. He worked at the Electro-Mechanical
Research Institute in the Hyundai Heavy Industries for serven years. He is currently
an Associate Professor at Myongji University. His major research fields are industrial
communication, real-time system, compiler, and cybersecurity.