KICT 한국건설기술연구원

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• 소화조 바이오가스 자원화 기술 소화조 바이오가스 자원화 기술 ▲ 임현만 환경연구본부 수석연구원 들어가며 신재생에너지원인 바이오가스는 대부분의 유기성 폐기물의 혐기성 소화를 통하여 생산된다. 바이오가스는 높은 잠재력을 가지고 있으며 열 회수 또는 발전설비를 통하여 자원화되고 있다. 바이오가스는 기존 천연가스 성분과 유사하게 대부분 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 이루어져 있어 천연가스를 대체할 수 있는 에너지원으로서의 가치가 매우 뛰어나다. 2016년 이후 육상 폐기물의 해양투기가 전면 금지된 상황에서 유기성 폐기물의 처리비용이 급증(3만 원/톤→ 13만 원/톤)하고, 이산화탄소 등 온실가스 대응기술의 필요성이 대두되고 있다. 바이오가스 자원화 기술은 ‘유기성 폐자원’을 ‘폐기물’이 아니라 ‘바이오매스 에너지원’으로 인식하는 사고의 전환이 뒤따르면서, 유기성 폐기물의 처리와 신재생에너지원 확보를 병행할수 있는 장점에 따라 그 필요성이 국내뿐 아니라 전 세계적으로 크게 부각되고 있다. EU, 독일과 일본 등 선진국에서는 국가 차원에서 바이오가스 시설의 유지관리 매뉴얼을 보급하고, 바이오가스 시설에서 생산된 전력과 바이오연료를 의무 구매하는 등 다양한 지원정책(보조금 정책 등)을 펼치고 있다. 바이오가스는 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수 및 산업 슬러지 등 유기성 폐자원으로부터 생산하는 가스로서, 약50~75vol%의 메탄(CH4)과 약 25~50vol%의 이산화탄소(CO2), 소량의 수소, 황화수소, 암모니아 및 기타 미량가스로 구성되어 있다. 주로 무산소 상태에서 유기물을 분해시키는 혐기성 소화방식을 통해 얻는 바이오가스는 이산화탄소 및 황 등을 정제하는 과정을 거쳐 전기, 가스, 열 공급 등에 필요한 연료로 사용된다. 바이오가스 자원화는 고농도의 유기성 폐기물을 경제적으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지를 생산하는 공정으로 기대되고 있다. 특히 음식물쓰레기는 기존의 사료화 또는 퇴비화에 한계가 있어 바이오가스 자원화 이외에는 특별한 대안이 없다. 또한, 가축분뇨의 바이오가스 자원화는 약 3%만 이루어지고 있는데, 기존의 가축분뇨 처리가 액비화 및 종말처리장 중심으로 각각 내구 연한이 도래하는 문제점들이 나타나고 있어 바이오가스화에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 바이오가스 자원화 사업의 문제점 바이오가스 자원화 사업의 문제점으로는 개발된 바이오가스 자원화 기술의 실용화 부족, 운영·관리 미흡으로 인한 에너지 회수효율저조, 관련 부처 및 지자체 간 협조 부족으로 인한 효율성 저하, 바이오가스 시설의 경제적 타당성 악화 등이 지적되고 있다. 이상의 문제를 극복하기 위해서는 개발 기술의 실용성 제고, 운영 및 유지 관리가 용이한 패키지시스템 개발, 개발 기술의 경제성 확보 등이 해결 과제이다. 유기성 폐자원 유래 바이오가스의 고부가 재활용을 촉진하기 위해서는 자체이용 및 미활용을 줄이고, 고도 정제를 통한 고순도의 바이오가스를 확보하여 외부공급을 고급화·다변화하고, 발전 용도의 활용을 제고해야 한다. 특히, 중소규모의 경제성이 낮은 바이오가스 시설의 경우에는 고효율·저비용의 바이오가스 정제기술이 필수적이다. 따라서 하수슬러지, 음식물쓰레기, 음폐수 및 가축분뇨(슬러리상) 등을 유기성 폐자원 통합관리시설에서 처리한 후 바이오가스를 생산하고 에너지자립형 사업에서는 바이오가스의 자체이용을 촉진하며, 에너지산업형 사업에서는 바이오가스를 활용한 발전 및 전력 판매 또는 가스 판매 등을 도모하여 발전, 스팀 생산, 도시가스, 수송용 연료 등 그 활용처를 다양화할 수 있다. 이러한 에너지 산업형 사업을 위해서도 바이오가스 고도 정제 기술의 개발은 필수적이다. 바이오가스 자원화 기술 현황 유기성 폐기물의 혐기성 소화과정에서 발생하는 바이오가스는 천연가스와 달리 메탄(CH4), 이산화탄소 이외에도 수분, 황화수소(H2S), 실록산(siloxane), 먼지, 암모니아(NH3), 할로겐화합물 같은 다양한 미량물질(trace compound)을 포함하고 있으며, 이러한 불순물들은 정제과정을 통해 사전에 제거되어야 한다. 이러한 불순물에 의한 장비의 손상이나 기능 고장으로 인해 유지보수에 어려움이 발생하고 발전효율이 저하됨으로써, 경제적 측면에서 경쟁력을 잃게 되어 바이오가스 자원화사업의 타당성에 의문이 제기되고 있는 상황이다. 황화수소(H2S)는 과량으로 유입되면 후속설비인 발전기 및 보일러 등에 심각한 부식을 유발하고 유기규소화합물인 실록산의 경우, 산화되어 안정화된 이산화규소(SiO2) 입자로 변화하여 바이오가스 이용설비나 부품에 침적될 수 있어 밸브, 노즐, 실린더 벽이나 라이너에 이산화규소가 침적되면 막힘에 의해 다양한 손상의 원인이 된다. 또한 실록산은 윤활유의 교체주기를 단축시키거나 발전설비 배가스 처리시스템의 촉매기능을 저해하며, 발전시설의 운전을 정지시키고 고장을 유발하는 등 높은 수리비용을 발생시키는 것으로 보고되고 있다. 따라서 바이오가스 활용을 위해서는 고도정제가 필요하며 실용화 및 경제성 확보를 위한 고효율·저비용 공정이 요구된다. KICT 바이오가스 습식 고도정제 기술 바이오가스 습식 고도정제와 관련한 기존의 기술로 CO2 및 H2S를 흡수액에 흡수하여 처리하는 습식 스크러버 방법이 있다. 습식 스크러버 방법은 가스 내에 함유되어 있는 질소산화물, 황산화물 및 미세먼지를 제거하거나, 다양한 악취물질을 저감하기 위해 사용되고있다. 습식 스크러버의 핵심적 기능은 가스 상태의 오염물질을 용매에 용해시키는 것으로서 일반적으로 습식 스크러버에서는 상부의 노즐에서 흡수제를 분사하고, 흡수제와 배기가스가 접촉하는 과정에서 배기가스 내에 포함되어 있는 수용성 가스가 용해된다. 일부 스크러버에서는 배기가스가 스크러버 내부의 패킹(packing)을 통과하면서 추가적인 기-액 접촉반응에 의해 수용성 물질이 제거되기도 한다. 이 방법은 처리용량 20,000m3/hr 이상의 대용량 바이오가스 처리 시 투자비가 저렴하여 적용되고 있으나 H2S의 1차 정제 및 drying 공정 필요, 흡수액의 손실, 흡수액 2차처리 문제, 알칼리제 등 화학약품 사용, 장기 운전 시 성능저하, 정제가스 내 박테리아 오염과O2/N2 함량 증가 등의 문제점이 지적되고 있다. 따라서 기존 가압탱크형 또는 스크러버형 기체 용해조 활용 시 발생하는 장치구성의 복잡성, 운전 및 유지관리의 어려움, 큰 규모, 고가로써 범용적 적용에 따르는 어려움 등의 문제점 지적에 따라 이를 대체할 수 있는 고효율·저비용의 기체 용해장치를 개발하고자 하였다. 고효율·저비용 KICT 바이오가스 습식 고도정제 시스템은 바이오가스 내 CH4 순도를 높이기 위해 불순물(CO2, H2S, 실록산 등)이 물과 접촉 과정에서 물에 용해됨으로써 제거되어 CH4 농축 및 순도를 높이는 공정이다. 기체 용해조의 핵심 특징으로는 내부에 파형 멀티 유동 채널을 구비하여 물과 기체가 파형 멀티 유동채널을 흘러가면서 용해되기 때문에(co-current 또는 counter-current flow) 별도의 분사장치(노즐 등) 및 접촉장치가 필요 없으며 제조 및 운전비용이 저렴하다. 또한 기체 용해조 내 압력 및 수위 조절이 매우 간단하고 기체가 짧은 시간 내에 용해되므로 기체 용해조의 체류시간 및 용량을 최소화할 수 있어 고효율, 컴팩트화가 가능하고, 내부 패킹(packing)이 없어 구조가 매우 단순하여 폐색 현상과 고장이 없으며, 운전 및 유지관리가 용이하다 KICT 바이오가스 습식 공정 Semi-pilot plant 기초실험 결과 Semi-pilot plant는 0.12m(W)×0.36m(L)×0.72m(H) 규모로 처리용량은 200m3/day이다. 운전조건으로는 HRT 0.5min, 압력 4~6kgf/㎠ 반송률 10~30%, 공기량 100mL/L(water)로 운전하였다. 운전압력 3.2~5.2kgf/㎠일 때 입경 2~10μm의 미세기포가 5.6~5.9kgf/㎠일 때보다 약 50counts/mL 정도 더 많은 것으로 나타났다. 입경 10μm 이상에서는 큰 차이가 없었고 입경 20μm가 넘어가자 운전압력 5.6, 6.1kgf/㎠일 때의 미세기포 발생개수가 큰 것으로 나타났다. 전체 미세기포 발생 개수 중 입경 20~30μm의 미세기포가 가장 많았으며, 입경 20~30μm의 미세기포 수는 운전압력 4.6/5.2/5.9kgf/㎠에서 400counts/mL로 거의 동일하게 관찰되었다. 운전압력 3~6kgf/㎠에서 유입유량은 74.2~69.8L/min의 범위를 유지하였으며 전류는 2.0~2.6kW의 범위를 유지하였다. 운전압력이 증가함에 따라 유입유량은 3~6kgf/㎠의 조건에서 약 74~57L/min의 범위를 유지하였으며, 7kgf/㎠의 조건에서 42~39L/min으로 급감하였다. 3kgf/㎠의 조건에서는 공급된 공기의 용해율이 낮을뿐만 아니라 대기압 조건에서 미세기포의 발생이 원활하지 않았고, 4~5kgf/㎠의 운전압력 조건에서는 평균 7%의 공기가 용존 가능하였으며, 그 비율을 9% 이상으로 올리기 위해서는 6kgf/㎠ 이상의 압력이 필요하였다. 운전압 6kgf/㎠에서 최대 주입량은 5.0L/min(유입유량: 57.6L/min), 7kgf/㎠에서 4.0L/min(유입유량: 40.4L/min)로 분석되었다. 주입된 공기 전량이 용해된 후 후단의 대기압 조건에서 안정적으로 미세기포로전환되었다(BVC(bubble volume concentration)는 각각 8.7%, 9.9%에 해당). 용해효율을 제고하기 위한 미세기포 발생장치의 적정 유입유량은 약 57~68L/min, 공기주입량은 약 4.0~4.5L/min, 운전압력은 4~6kgf/㎠의 범위인 것으로 판단되며 이론적 최대 공기용해율의 160%를 달성하는 것으로 나타났다. KICT 바이오가스 습식 정제반응조 유동해석 유동해석을 위한 격자생성 및 해석모델로 ANSYS Meshing R20.0, Fluent R20.0(ANSYS, USA)을 활용하였다. 운전압력은 5~15bar, 운전유량은 500~1,500L/min, 용해수 운전압력은 5~15bar, 용해수 운전유량은 50~150L/min, 바이오가스 구성비는 CH4 50~70%, CO2 50~30%로 구성하여 모의하였다. 유동해석 결과 우수한 기-액 접촉효율의 확보가 가능한 것으로 확인되었으며 수위/압력의 용이한 제어가 가능성을 확인하였다. 맺음말 KICT 바이오가스 습식 고도정제 시스템은 바이오가스 내 CH4 순도를 높이기 위해 불순물(CO2, H2S, 실록산 등)이 물과 접촉 과정에서 물에 용해됨으로써 제거되어 CH4 농축 및 순도를 높이는 공정이다. 기존 습식공정의 문제점을 개선하기 위하여 물과 기체가 파형 멀티유동 채널을 흘러가면서 용해되는 습식 바이오가스 고도정제시스템을 개발하고자 하였다. 기체가 파형 멀티 유동 채널을 흘러가면서 용해되기 때문에(co-current 또는 counter-current flow) 별도의 분사장치(노즐 등) 및 접촉장치가 필요 없으며, 기체가 짧은 시간내에 용해되므로 기체 용해조의 체류시간 및 용량을 최소화할 수있어 고효율/컴팩트화가 가능하고, 내부 패킹(packing)이 없어 제조 및 운전비용이 저렴한 공정이다. 바이오가스 습식 정제반응조 유동해석을 통하여 우수한 기액접촉효율 및 수위, 압력의 용이한 제어 가능성을 확인하였고 Semi-pilot plant 운전을 통하여 Pilot Plant 설계인자를 도출하였다. 이를 바탕으로 메탄정제 반응조, 기체용해수 저류조, 메탄가스 및 이산화탄소 저장조 등으로 구성되는 처리용량(Q) 1,000N㎥/min의 Pilot Plant를 제작하여 Test-bed를 구축 중에 있으며 향후 Test-bed 운영을 통한 실제 현장에서의 검증을 통해 바이오가스 고도정제 및 사업화에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 환경연구본부 게시일2021-10-25 조회수 19
• 음식물쓰레기 연료화 기술 개발 음식물쓰레기 연료화 기술 개발 ▲ 안광호 환경연구본부 전임기술원, 김이태 환경연구본부 선임연구위원 들어가며 음식물쓰레기의 자원화 방식은 그동안 목질계 바이오칩과 음식물쓰레기를 공기가 있는 상태에서 혼합하여 발효소멸 처리하는 발효소멸 방식, 공기가 없는 조건에서 음식물쓰레기를 미생물이 분해하여 처리하는 혐기소화 방식, 음식물쓰레기를 건조 및 탄화하는 건조/탄화 방식 등을 통하여 퇴비화 및 사료화로 재활용되어 왔다. 이중 발효소멸 및 혐기소화 방식은 미생물에 의한 방식으로 긴 체류시간과 미생물에 대한 효과적인 관리가 필요하다. 건조/탄화 방식은 발효소멸 및 혐기소화 방식에 비해 일부 에너지가 필요하지만 발효소멸 및 혐기소화 방식에 비해 짧은 시간 동안 처리하여 음식물쓰레기를 연료로 활용할 수 있어서 많은 양의 음식물을 활용하는 데 유용한 기술이다. 신재생에너지 공급의무화 제도 한편, 화석연료를 대체하기 위해 발전량 일부를 신재생에너지로 채우도록 한 신재생에너지 공급의무화 제도(Renewable-energy Portfolio Standard, RPS)는 2012년부터 도입되어 점차 증가하고 있으며, 2021년 4월 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 개정법률안이 공포되면서 2021년 10월부터 신재생에너지 의무 비율 상한이 현행 10%에서 2034년까지 25%로 상향될 것으로 예상된다(표 1). 이러한 신재생에너지의 수요가 점가 증가하고 있어 바이오매스인 음식물쓰레기를 자원화하고 연료화하는 기술은 향후에도 지속적으로 성장할 것으로 예측된다. 음식물쓰레기를 활용한 목재펠릿 대체 가능성 목재 펠릿은 바이오 고형연료(Solid Refuse Fuel, Bio-SRF)로 주로 활용하는 물질이다. 목재 펠릿은 RPS 제도에 따른 수입 의존도가 높은 석탄 혼소용 고형연료이며, 2019년 기준, 국내 생산량은 약 24만 톤인데 비해 수입량은 256만 톤으로 현저히 높아 이를 대체할 물질로 음식물쓰레기를 활용한 바이오매스가 대안일 수 있다(그림 1). 또한, 목재 펠릿보다 낮으나, 바이오 SRF를 활용한 발전량도 꾸준히 증가하고 있다(그림 2). 이러한 수입 의존도가 높은 석탄 혼소용 고형연료로 대체할 경우, 2017년 기준 약 2.8억 달러의 비용 절감이 가능할것으로 예상된다. 바이오차(Biochar) 바이오차는 바이오매스(Biomass)와 숯(Charcoal)의 합성어로 산소가 없는 무산소 조건에서 일정 온도로 열분해시켜 유기물과 숯의 중간 성질을 갖도록 만든 것이다. 전통적인 바이오차에 사용되는 물질은 주로 목질계였으나, 최근 들어, 유기성 자원화가 활성화되면서 바이오차의 원료로 음식물 등 다양한 유기성 물질들이 바이오차 제조에 ,활용되고 있다. 바이오차는 다공성 있는 성질로서 토양 속에 주입할 경우 토양 내 공기 순환을 촉진시키는 장점이 있으며, 미생물에 대한 분해와 변환이 거의 일어나지 않아 토양 내의 탄소를 대기에 배출하지 않는 장점도 있어 다양한 사용처에 대해 관심을 받고 있다. 기술개발 현황(친환경파일럿 플랜트 구축) 본 연구에서는 탄화 과정(탄화로의 온도 300~500℃)으로 생성된 바이오차에 대해 음식물쓰레기의 연료화에 큰 걸림돌인 염분 농도를 탈염 공정을 통해 낮추고, 고형연료제품의 품질기준(표 2)에 맞춰 음식물쓰레기의 효율적인 처리방법 및 연료화에 대한 가능성을 확인하였다. 그림 3은 김포시자원화센터 내 구축한 바이오차 생산설비 사진으로 일 처리용량은 약 100kg으로 연료투입호퍼를 통해 음식물 건조시료가 투입되어 300~500℃의 온도조건에서 탄화하고, 가스는 배가스 연소부를 통해 연소되며 생산된 바이오차는 유출부를 통하여 저장된다. 이렇게 생산된 바이오차는 용존공기부상(DAF, Dissolved Air Flotation)을 포함하는 탈염장치를 통하여 탈염하고 건조되어 연료화된다. 300~500℃ 온도 조건 및 건조 음식물쓰레기의 체류시간을 10~30분으로 연속 운전하였을 때, 고위발열량으로 탈염 전 평균 5,475kcal/kg에서 탈염 후 평균 5,568kcal/kg으로 증가하였으며, 염소이온 농도의 경우, 탈염 전 평균 2.42%에서 탈염 후 평균 0.97%로 낮아졌다. 실험 결과, 일부 온도조건에서 바이오 고형연료제품의 품질기준에 맞는 바이오차를 얻을 수 있었다. 법제화 정비 상기와 같은 음식물쓰레기의 연료화 가능성에도 불구하고, 현재 음식물을 재생 연료화하는 법적인 부분에서 음식물류 폐기물의 연료화가 어려운 실정이다(표 3). 우리가 많은 시간을 들여 개발한 기술이 활용되려면 법적인 부분도 함께 보완하여 음식물류 폐기물이 일정 기준을 만족하면 고형연료제품으로 포함되고 연료화할 수 있도록 추진되어야 할 것이다. 맺음말 지난해 3월, 한국건설기술연구원은 김포시자원화센터와 중부발전과의 업무협약을 통해서 음식물쓰레기를 보다 효과적으로 처리하고 연료화하기 위한 시동을 걸었다. 음식물쓰레기의 대규모 처리와 활용은 퇴비화, 사료화, 바이오매스를 통한 가스화 등과 함께 연료화를 통해 가능할 것으로 판단된다. 이에 맞는 음식물쓰레기의 연료화 기술 개발과 법제화도 이루어지길 기대해 본다. 환경연구본부 게시일2021-10-25 조회수 17
• AI를 활용한 포트홀 자동 탐지 기술 AI를 활용한 포트홀 자동 탐지 기술 ▲ 이태희 도로교통연구본부 박사후연구원 들어가며 도로 포트홀(pothole)은 아스팔트 도로 표면에서 발생하는 파손의 일종으로 그림 1과 같은 비정형의 패임이며, 노면 홈이라 부르기도한다. 노면 파손 유형은 파손 부위의 길이나 면적, 폭 등과 같은 파손 형상을 기준으로 분류하며, 노면 홈 즉 포트홀은 나라마다 미미한 기준 차이는 있으나 대체로 파손 부위 지름이 15cm 이상인 원형에 가까운 패임으로 분류하고 있다. 포트홀은 도로 노면에 빗물이 충분히 스며들어 골재 분리가 발생하기 쉬운 상태에서 차량의이동 하중이 누적되며 급진전된다. 실제로 2020년 기록적인 집중 호우가 있었던 당시, 서울시에서 8월 중 단 10일간 보수한 포트홀이 7천 건 이상으로 보고되었다. 이처럼 장마철에 집중적으로 발생할 수 있는 포트홀을 차량 운전자가 인지하지 못하고 고속으로 통과할 경우 차량 손상 또는 탑승자의 생명을 위협하는 교통사고로 이어질 수 있어 각별한 관리를 요한다. 따라서 각 지자체의 도로 관리자는 파손 위치를 신속히 파악하고 보수해야 하지만, 한정된 인력으로 넓은 도로에서 발생하는 다량의 포트홀을 파악하는 데에 큰 어려움을 겪고 있다. 시민의 제보도 적극 반영하여 포트홀 발생 위치를 파악하고 있으나, 인력에 의한 탐지 방식으로 단기간에 발생한 다량의 포트홀에 효과적으로 대응하기란 현실적으로 불가능에 가까워 보인다. 이에 연구진은 포트홀 발생 위치를 신속히 파악할 수 있는 도로 포트홀 자동 탐지 기술을 수년간 연구해왔으며, 최근까지 개발한 AI 기반 포트홀 자동 탐지 기술을 이 글에서 소개하고자 한다. 도로 포트홀 탐지 기술 동향 포트홀을 포함한 도로 노면에서 발생한 파손 관리는 발생 위치를 신속히 탐지하는 것에서 시작되며, 탐지 방식은 차량이 겪는 진동 기반 탐지, 도로 노면을 향해 조사된 레이저 계측 기반 탐지, 그리고 영상 인식 기반 탐지로 구분할 수 있다. 진동 기반 탐지는 3축 또는 수직 가속도계를 차량에 장착하여 주행 중 차량이 겪는 진동을 계측하며, 여러 단계의 필터링 과정을 거쳐 노면 파손이 유발한 진동만을 추출한다. 진동 기반 탐지 방식은 저렴한 비용으로 도로 노면 상태를 실시간 평가하는 것에 적합하다. 하지만 차량 바퀴의 주행 경로 외의 노면 손상을 탐지할 수 없으며, 노면 손상의 크기를 파악할 수 없다는 단점이 있다. 레이저 계측 기반 탐지는 별도의 점검 차량에 특수 장비를 탑재하여 도로 노면의 상태를 3차원 좌표화한 후 노면 상태를 평가할 수 있는 다양한 지표를 계산해내는 방식이다. 노면 상태를 정밀하게 파악하기 위한 기술로서 광범위한 영역에서 발생한 다량의 포트홀을 신속하게 탐지해내는 것에는 다소 부적합하며, 기술 도입과 운용에 큰비용이 필요하여 주요 도로 노선에 한정적으로 운용되고 있다. 영상 인식 기반 탐지 방식은 합리적인 비용으로 넓은 영역의 노면상태를 분석할 수 있으며, 최근 인공 심층신경망을 활용한 객체 인식 기술의 발달로 더욱 주목받고 있다. 특히 영상 인식 기반의 탐지방식은 차량 블랙박스나 휴대전화에 탑재된 카메라와 같은 개인 촬영 장비로도 탐지할 수 있어 육안 조사에 의존하고 있는 지자체에 기술을 보급하기 용이하며, 탐지 결과가 사진으로 저장되기 때문에 관련 전문가가 아닌 일반인도 직관적으로 파손 정보를 파악할 수 있다는 장점이 있다. AI를 활용한 포트홀 자동탐지 기술 개발 연구팀은 완전 합성곱 신경망(Fully Convolution Neural Network) 구조의 학습을 통하여 차량 주행 중 촬영된 노면 사진에서 포트홀 파손 부위를 분류하는 AI 학습 모델을 개발하였다. 그림 3은 촬영된 이미지를 픽셀 단위로 분석하여 도로 노면의 파손 영역을 가시화하는 AI 학습 모델의 세부 구조를 나타낸 것이다. AI 학습 모델을 완성하기 위해서는 적절한 학습용 데이터를 구축해야 하며, 이를 위해 도로를 직접 주행하며 촬영한 동영상에서 약 10,000장의 노면 파손 이미지를 추출한 후, 레이블링하였다. 수집한 이미지는 1080픽셀의 해상도에서 256픽셀로 크로핑(cropping)한 후 그림 4와 같이 노면 이상이 있는 픽셀과 없는 픽셀을 구분하였다. 레이블링한 약 10,000장의 이미지를 5등분하여 그림 5와 같이 K-fold cross validation 기법을 통하여 앙상블을 형성하고, 서로 다른 학습 및 검증 데이터셋 조합으로 5개의 AI 추론 모델을 완성하였다. 최소평균제곱오차(Minimum-Mean-Squared-Error, MMSE)를 모델의 손실 함수로 사용하였고, ADAM(ADAptive Moment estimation)으로 각 손실치를 최적화하였다. 학습 에폭(epoch)에 따른 손실치를 계산하여 손실치가 가장 작은 학습 결과를 최종 모델로 결정하였다. AI 기반 포트홀 자동탐지 기술의 성능 평가 개발한 영상인식 기반 자동탐지 기술을 이용하면 그림 6에서 보는 바와 같이 도로노면에 파손이 있는 영역을 이미지에서 분할하여 확인할 수 있다. 이와 같은 의미론적 분할 문제에서 AI 추론 모델의 성능을 평가하기 위한 지표로 IoU(Intersection over Union)를 주로 사용한다. IoU는 추론 모델이 예측한 픽셀 영역과 이미지에서의 실제 파손이 점한 영역을 비교하여 두 영역의 중첩 면적을 두 영역의 총면적으로 나눈 값이며, IoU가 1에 가까울수록 예측한 픽셀 영역이 실제 파손 영역과 일치한다는 의미를 지닌다. 약 2천 장의 테스트 데이터를 사용하여 이미지별 IoU를 측정하여 평균값을 계산하였다. 실험용 테스트 데이터 기준으로 5개의 AI 학습 모델로 측정한 mIoU는 각각 0.722, 0.700, 0.725, 0.719, 0.724로서 전체 모델의 평균 IoU는 0.718로 계산되었다. 또한 총 이미지에서 IoU가 0.5 이상으로 측정된 이미지는 모델 평균 95.84%로 높은 탐지 성능을 보였다. 맺음말 해마다 장마철이면 포트홀 자동탐지에 관한 사회적 요구가 지속되고 있으며, 이에 대한 해결 방안으로 AI 추론 모델을 활용한 포트홀 자동탐지 기술을 소개하였다. 본 기술은 도로 주행 중에 도로 관리자나 일반인이 쉽게 측정할 수 있는 휴대폰 애플리케이션과 각 단말에서 전송된 포트홀 발생 정보를 한눈에 파악하기 위한 지도기반 클라우드 서버 플랫폼으로 구성해 놓은 상태이다. 현재 여러 지자체에서 실증 실험을 진행하고 있고, 시범 구축을 원하는 지자체에 본 기술을 확대 적용할 계획을 가지고 있다. 또한 최근 많은 관심을 받고 있는 자율주행 자동차는 포트홀과 같은 돌발적인 노면의 위험 요소를 탐지 및 회피할 수 있는 기술을 지녀야 하므로, 본 기술이 필수적인 기능으로 탑재될 것을 기대한다. 도로교통연구본부 게시일2021-08-24 조회수 988
• 물리적 분포형 모형을 이용한 공간적 상세 홍수 해석 물리적 분포형 모형을 이용한 공간적 상세 홍수 해석 ▲ 최윤석 수자원하천연구본부 연구위원 공간적 상세 홍수 해석 홍수 해석은 유역에 내린 강우가 하천으로 모여 흐를 때 하천에서의 유량(수위) 규모와 홍수로 인한 침수 범위 및 깊이를 해석하는 것을 주 대상으로 하고 있다. 기존의 홍수 해석은 유역에서 특정 하천 구간의 상류로 유입되는 유량을 계산하고, 특정 하천 구간에서 수위를 정밀하게 계산하여 하천의 범람위험 여부를 판단하는 과정으로 구성되어 있다. 또한 저지대를 중심으로 한 침수 위험이 높은 지역에 대해서는 침수 모의를 수행함으로써 침수 범위와 침수 깊이를 미리 예상하여 그 결과를 홍수관리에 사용하고 있다. 이와 같은 기존의 방법은 미리 정해져 있는 하천 구간과 침수 위험지역에 대해서는 유용한 홍수 해석 결과를 도출할 수 있으나, 광범위하게 산재되어 있거나 강우마다 달라지는 홍수 위험지역에 대한 홍수 해석에는 매번 모델을 새롭게 구축해야 하므로 신속한 홍수 해석에는 한계가 있다. 현대 사회는 도시, 농경지, 사회기반 시설 등이 복잡한 지표면 위에 조성되어 있으며, 국민의 생활 또한 전 국토를 대상으로 다양한 형식으로 이루어져 있다. 특히 2020년 장마 기간에 발생된 전국 범위의 홍수는 다양한 지역(하천변, 도심지, 산지 계곡, 해안지역 등에서 산발적으로 장기간에 발생되었다. 그러므로 내가 지금 있는 위치, 혹은 내가 이동할 위치에서 홍수 위험이 있는지를 알기 위해서는 특정 유역 및 하천과 저지대를 중심으로 이루어지는 기존의 홍수 해석방법과는 다른 접근 방법이 필요하다. 일본은 전 국토를 대상으로 국민 생활권에서의 상세한 홍수 정보를 제공하기 위한 노력을 일찍부터 시작하였다. 일본에서는 전국을 5km×5km 격자로 세분화하고, 각 격자별 홍수 위험정보를 제공하였으며, 2016년부터는 국민에게 효율적인 피난 권고를 위해 1km×1km 크기의 격자로 홍수 정보를 더 상세화하였다. 영국에서는 최대 5일 후까지의 홍수 예측 정보를 1km×1km 격자로 세분화하여 제공하고 있다. 우리나라에서는 공간적 상세 홍수 예보를 위한 연구 개발 사업이2022년 완료 예정으로 현재 진행 중이다. 그러나 전국 범위의 홍수 예보는 행정구역(읍, 면, 동, 기초지자체 등) 단위로 제공하는 것을 목표로 하고 있으므로, 일본 및 영국의 사례에서와 같이 격자 단위의 상세 홍수 예보와는 차이가 있는 실정이다. 공간적 상세 홍수 해석을 위한 기술 격자 기반의 공간적 상세 홍수 해석을 위해서는 우선 모의 대상 지역을 격자 단위로 분할하고, 각 격자별로 수문 및 수리 해석이 가능한 모형이 필요하다. 일반적으로 이러한 모형을 격자 기반의 분포형 모형이라고 하며, 계산 대상 격자의 수는 경우에 따라서 수천~수천만개로 다양하게 구성될 수 있다. 분포형 모형에서는 입력자료의 불확실성을 최소화하기 위해서 계측된 인자를 최대한 적용하고, 수문 순환과 물의 흐름에 대한 물리적 방정식을 이용하여 물의 흐름을 계산한다. 이러한 방법이 적용된 분포형 모형을 통계적 방법 및 경험식을 이용한 방법과 구분하여 ‘물리적 분포형 모형’이라고 한다. 최근에는 IT, 센서, 통신 등의 기술 발달로 인하여 시공간적으로 상세한 지형, 지리, 수문기상학적 요소의 계측이 가능해졌으며, 물리적 분포형 모형에서는 이러한 고해상도의 계측자료를 기본 입력자료로 사용한다. 물리적 분포형 모형을 이용하여 공간적으로 상세한 흐름의 해석이 가능할지라도 이 계산 결과가 직접적으로 홍수 위험을 나타내지는 못한다. 그 이유는 계산 결과에는 여전히 불확실성이 포함되어 있으며, 지역마다 물의 흐름(유량, 수심, 유속 등)에 견딜 수 있는 능력이 다르기때문이다. 그러므로 모형을 통해서 모의된 공간적 상세 흐름 계산 결과를 지역별 특성과 연결하여 최종적으로 홍수 위험을 판단할 수 있는 추가적인 기술이 필요하다. 이러한 기술은 장기간의 다양한 홍수피해 사례로부터 구축된 지역별 상세 자료와 모형을 이용해서 계산된 결과를 통계적으로 분석하여 서로간의 관계를 규명함으로써 정립 될 수 있다. 물리적 분포형 모형을 이용한 홍수 해석은 계산이 이루어지는 공간적 단위인 격자의 개수가 많기 때문에 일반적으로 계산에 많은 시간이 소요(수분~수일)되며, 동일한 영역에서는 격자의 크기가 작아질수록 계산 시간이 길어진다. 그러므로 홍수 예측과 같이 신속한 홍수해석이 필요한 분야에서 분포형 모형이 실용적으로 사용되기 위해서 계산 시간을 획기적으로 단축시킬 필요가 있다. 계산 시간을 단축시키기 위해서는 일반적으로 병렬계산이 적용되며, 병렬계산은 CPU를 이용한 병렬계산과 GPU를 이용한 계산으로 구분할 수 있다. 홍수 해석에 범용적으로 사용할 수 있는 모형의 경우, 대상 격자의 개수가 많지 않고 실행시간이 비교적 짧은 경우에는 CPU를 이용한 병렬계산만으로도 충분히 신속한 계산이 가능하다. 그러나 대상 격자의 개수가 많고 실행시간이 긴 경우에는 GPU를 이용한 병렬계산이 유리하다. 병렬계산에 의한 시간 단축 효과는 병렬도(사용하는 CPU개수 혹은 GPU 할당 방법)의 크기에 비례하지 않으며, 사용하는 장비(CPU 혹은 그래픽 카드)의 특성, 대상 격자의 개수, 계산 영역의 특성, 적용되는 방정식 및 해석 방법 등에 따라서 일반적으로 시행착오법으로 최적의 병렬도를 선정한다. 향후 연구 방향 공간적 상세 홍수 해석을 위한 분포형 모형의 적용 필요성은 과거부터 꾸준히 제기(Beven and O‘Connell, 1982)되었으나, 컴퓨터 성능의 부족, 고해상도 계측자료의 부족, IT 기술의 부재 등으로 인하여 미래의 기술로 인식되어 왔다(Freeze and Harlan, 1969). 이제 우리는 과거의 과학기술자들이 바라던 모든 기술을 가지고 있으며, 더 나아가 인공지능을 이용한 홍수 예측을 시도하고 있다. 물리적 분포형 홍수 해석 기술은 그 자체만으로도 충분히 우리의 안전한 삶에 기여할수 있을 뿐만 아니라, 인공지능에서 필요로 하는 수많은 자료를 생산하는 데에도 일조할 수 있을 것이다. 아직은 일부 국가에서 시도되고 있지만, 세계 각국에서는 상세한 홍수 위험 정보를 국민에게 정확하고 신속하게 알려주기 위한 많은 연구 개발을 진행하고 있으며, 우리나라도 지금 이를 위해서 노력하고 있다. 멀지 않은 미래에는 이러한 기술들이 모여 국민 개개인이 좀 더 안전하고 행복한 삶을 살아가는데 기여할 수 있기를 기대한다. 수자원하천연구본부 게시일2021-08-24 조회수 249
• 스마트 모듈러 중층한옥의 개발 스마트 모듈러 중층한옥의 개발 ▲ 임석호 건축연구본부 선임연구위원 스마트 모듈러 한옥의 개념 스마트 모듈러 중층한옥이란 우리 전통 한옥의 한 칸을 입방체 모양의 모듈로 선제작하고 현장에서는 이들을 레고블록과 같이 상호 조립하여 결과적으로 성능이 우수하고 신속하게 완성되는 복층한옥을 말한다. 즉 우리의 전통한옥에 현대적인 모듈러 공법을 접목시킨 탈현장 공법(Off Site Construction)이다. 전통 한옥이 갖고 있는 불편한 거주환경 등을 개선하고 성능이 우수하면서 경제성도 갖춘 한옥이 개발되었다. 한국건설기술연구원에서는 2021년 강재와 목재의 융복합기술과 구조용 집성재(GLT)를 활용하여 설계·시공기술의 고도화 및 프리패브 비율 80% 이상의 스마트 모듈러 중층한옥을 선보이게 되었다. 우리의 전통한옥은 현장 시공기술을 근간으로 하기에 매우 비싸고 단열 및 차음 등 주택성능에 문제를 안고 있다. 이를 해결하기 위하여 2017년 6층 공동주택 실증화 사업을 성공적으로 마친 한국건설기술연구원의 모듈기술을 활용하여 한옥에도 아파트에 상응하는 주택성능 및 경제성과 시공성을 확보할 수 있었다. 연구과정에서 양중과 적층까지 고려한 접합기술을 개발하고, 단층으로 이루어진 기존의 한옥 모듈을 2층 이상의 중층화로 구현하는 동시에 중층한옥의 주요의장요소인 동시에 구조재로서 계획된 발코니를 계자난간의 형태로서 구조적 안전성을 향샹시킬 수 있는 스마트 기술을 개발하였다. 결과적으로 공기단축은 1/2 이상을 구현하고 기존의 평당 1200만 원대의 한옥을 중층화의 효과 등을 통하여 30% 이상 절감시킬 수 있는 기술적·경제적 향상의 교두보를 확보하였다. 모듈러 한옥의 특징으로서 재사용 및 재활용, 이동성을 검증하기 위하여 해체 후 바로 재조립을 일차적으로 실시한 후, 이에 대한 일련의 성능평가를 실시하는 일련의 과정을 통하여 스마트 중층한옥의 시공성과 기술성 실증을 수행하였다. 본 기술은 그림 1과 같이 과거 한옥 연구단과 모듈러 공동주택실증연구단을 기반으로 발전시켰다. 본 연구는 2019년부터 2년간 한국건설기술연구원의 중소기업지원과제의 결과로서 수행되었다. 스마트 모듈러 중층 한옥의 주요 기술 가. 구조용 집성재(GLT)를 활용한 목조모듈러 주택개발 중층 모듈러 한옥을 위해서는 구조적 안전성이 검증된 구조용 집성재를 사용하여야 한다. 이를 위해 융복합 접합부 디테일을 개발하고, 개발 접합부는 수평, 수직으로의 접합과 양중을 위한 양중고리도 장착하였다. 스마트 모듈과 성능개선을 위해서는 외벽체에 신소재를 활용하여 에너지를 획기적으로 절감하는 패시브화를 도모하여야 한다. 특히 구조용 집성재는 현재 우리나라가 간벌기로 많은 수요를 창출하여야 하는 상황에서 대형 원목보다는 그 보다 작은 목재를 겹쳐 활용할 수 있는 집성목 개발이 필요하다. 그림 2와 같이 목조모듈 상호 접합부의 경우, 강재 철물을 사용하여 중층화를 구현한 것으로 건축 후에는 외장마감재로 처리되어 기존전통한옥의 모습을 잃지 않도록 하였다. 연구과정에서 실제 이러한 목조모듈을 제작한 후, 양중테스트를 통하여 구조적 안전성을 검토 하였다(그림 3). 나. 모듈러 한옥의 표준화 기술 중층 모듈러 한옥의 경제성을 확보하기 위해서는 무엇보다도 모듈의 표준화와 규격화가 반드시 선행되어야 한다. 이를 위해 그림4와 같이 MC설계를 활용하여 모듈의 규격화와 모듈에 적용되는 주요 주택자재 및 부품의 우선치수를 유지하도록 하여 대량생산을 통한 규모의 경제를 구현하고자 하였다. 다. 모듈러 한옥의 조립 및 시공기술 표 1은 앞서 설명한 기술을 실증화하기 위하여 경기도 양평의 모듈러 한옥 조립 및 시공과정을 보여준다. 모듈은 3m×6m 정규격 3개와 half 모듈 1개로 건축되어 총 3.5개의 모듈로 구성되었고 총 연면적 28평 규모의 2층 모듈러 한옥으로 지어졌다. 조립시간은 3일 정도가 소요되었으며, 이후 관련 기밀성능 및 차음성능 등 일련의 거주성능시험이 시행되었다. 또한 스마트 한옥이라는 제목에서 보여주듯이 BIPV를 외벽면에 부착한 후, 이로부터 자체 생산된 태양에너지를 활용하여 이를 한옥 내부의 조명에너지 등에 사용함으로써 친환경 한옥으로서의 모습도 갖추고 있다. 특히 스마트 한옥을 구현하기 위하여 고단열 대형 외장마감일체형 패널을 사용하여 접합부를 최소화하였고 이로부터 기밀성능과 차음성능 및 단열성능 등을 향상시키고자 하였다. 이를 일련의 검증 및 성능평가과정을 거침으로서 기존 전통 한옥의 부족한 거주성능을 획기적으로 개선 할 수 있는 토대를 마련하였다. 맺음말 우리가 기차를 타고 여행을 가거나 인근의 나지막한 산이라도 올라가 보면 눈앞에는 과거 새마을 운동의 연장선상에서 맥을 이어 어느덧 우리나라 특유의 전경으로 익숙해져 있다. 이제 우리도 10대 경제대국에 올라선 현시점에서 국격에 상응하는 주거의 품격과 정체성을 고민해야 할 시점이라 생각된다. 유럽의 스위스 등을 여행하게 되면 아름다운 자연과 완전히 어우러진 주택의 모습에 경탄과 함께 한없는 부러움에 빠져들게 된다. 해당국의 정부는 오래전부터 탁월한 혜안을 갖고 국가적 차원에서 체계적인 경관관리와 주택유지를 위하여 적지 않은 예산을 투자하였을 것이다. 우리도 이에 못지않은 자연과 우리의 자연지형에 가장 잘 어울리는 한옥을 보유하고 있음에도 국적 미상의 아파트와 저급한 연립주택 그리고 조악한 개별 주택으로 뒤덮인 지금 우리의 국토와 자연을 정비하고 되살릴 수 있는 국가적 전환기를 마련해야 하지 않을까? 본 연구는 이러한 배경에서 시작되었다. 우리 전통주거 한옥은 높은 가격과 공기지연 그리고 열악한 거주환경 등으로 오랫동안 외면 받아왔다. 이제 현대 건축기술을 접목한 전통 한옥의 대중화가 시도되어야 한다. 우리 국민 누구나 누릴 수 있는 전통 한옥의 모습을 꿈꾸어 본다. 과거 산발적으로 시도되었으나 번번히 과거의 전통한옥에 대한 지나친 아집과 독선 그리고 경제성 부족이라는 장애물 앞에 좌절되었던 것이 부인할 수 없는 현실이다. 이에 한옥 공동주택과 공공건축물 그리고 각종 문화 및 관광 부대시설 등 다양한 한옥 건축물에 과감한 현대 공법과 기술을 접목시킨 우리 K-한옥의 비상을 기대한다. 건축연구본부 게시일2021-07-21 조회수 589
• 사업용 차량 정보 기반도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 사업용 차량 정보 기반도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 ▲ 양충헌 도로교통연구본부 연구위원 들어가며 교통수단의 다변화에 따른 다양한 교통정보 서비스에 대한 요구가 증가하고 있다. 이는 커넥티드 차량에 대한 국가 차원의 시범사업 결과가 이러한 사실을 말해주고 있다. 지난 2012년 미래창조과학부(현 과학기술정보통신부)에서 수행한 교통정보 관련 설문조사 결과에 따르면, 일반 운전자가 필요하다고 생각하는 정보는 ‘노면상태’와 ‘악천후 시 도로 기상정보’가 각각 92.8%, 95%로 조사된 바 있다. 이러한 정보를 공공과 민간이 각각 개별적으로 수집·처리·제공하기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하며, 정보 신뢰성과 정확도 측면에서의 표준 가이드라인도 마련되어야 한다. 따라서 2017년 이후에 기존 공공 중심의 정보 수집 인프라 투자에서 민·관이 서로 정보를 공유하고 협력할 수 있는 방안을 모색하였다. 그 결과로 민간은 교통정보에, 공공은 도로 안전정보에 각각 초점을 맞추어 정확한 정보를 생산하고 서로 필요한 부분을 적극적으로 공유하는 정책으로 전환되고 있다. 도로 안전정보는 사업용 차량에 장착된 디지털 운행기록계와 소형 카메라를 통해 실시간으로 수집한다. 수집한 정보는 정보 공유 시스템에서 도로 속성정보와 융·복합되어 도로 구간별 위험 정도를 계량화한다. 국내·외 공유 시스템 개발 현황 최근 4차 산업혁명에 따라 보다 혁신적인 공공서비스 모델에 대한 검토가 활발히 이루어지고 있다. 필요한 정보자원은 인프라, 데이터, 서비스 등으로 구분하여 정의된다. 초기 공공 서비스 모델은 정부에서 먼저 인프라와 서비스를 구축하고 서비스 제공 기반에서 데이터를 제공하는 형태였다. 이후에 민간에서도 자체 인프라 및 서비스를 구축하고 데이터를 제공하기 시작했다. 그러나 공공과 민간이 서로 필요한 데이터를 공유하는 것이 가장 이상적인 것으로 간주된다. 국내의 정보화는 1978년 초기 전산화 개념에서 출발하여 2000년대 전자정부 사업에 이르기까지 급속도로 진행되어 왔으며, 국가정보화를 위한 여러 구상들이 중앙정부 차원에서 계획·실행되었다. 특히, 국토교통부에서는 국토 공간정보 융·복합 강화와 IT를 활용한 건축, 부동산 민원서비스 강화를 위해 건축행정시스템·부동산종합 공부시스템·지리정보시스템·공간빅데이터체계·도시계획정보체계·건설 CALS/건설산업정보시스템·하천종합정보시스템을 구축·운영하고 있다. 해외는 국내보다 공공과 민간의 정보 공유가 훨씬 활발한 특성이 있으며, 비실시간성 정보보다는 실시간 정보 제공에 초점을 맞추고 있다. 유럽과 북미 선진국에서는 2010년대 중반부터 공공과 민간의 정보 공유를 위한 연구개발 및 민·관 협의가 많이 진행되고 있다. 유럽 ITS협의체(민관협동)에서 추진한 트랜스포테이션 매니지먼트(Transportation Management; TM) 2.0 플랫폼을 통해 기존에 공공과 민간이 각자 개별적으로 보유하던 교통 데이터를 공유할 수 있도록 하였다. 실제 상용화까지는 총 34개의 민간 기업과 정부기관이 참여한 것으로 총 3년 정도 소요되었다. 이를 통해 공공의 교통관제센터와 민간 정보서비스 업체는 상호 보완적인 관계가 될 수 있었다. 또한, 미국의 웨이즈 데이터 쉐어링은 클라우드 기반의 시스템으로 애플리케이션을 통해 도로 관리기관과 프로브 차량 데이터를 실시간으로 공유하도록 구성되어 있다. 국내·외 연구동향을 살펴본 결과, 공공과 민간 또는 민간과 민간이 서로 보유한 정보 소스를 공유함으로써 새로운 시장을 개척하거나, 공공성이 높은 정보 서비스를 제공하는 것이 현재의 추세임을 확인하였다. 맞춤형 도로 위험정보 제공 알고리즘 사업용 차량에서 수집한 정보를 기반으로 도로 구간의 위험 정도를 최종 사용자가 쉽게 이해하고 활용할 수 있도록 계량화할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 따라서 국가 표준 노드링크체계를 기반으로 해당 도로 구간에 대한 위험정보 제공이 가능하다. 도로 위험 알고리즘은 총 4가지 형태의 알고리즘으로 구성된다. 우선, 도로 위험(도로 파손)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Pothole)은 사업용 차량에서 수집한 파손 정보와 해당 구간의 평균 통행속도 정보를 기반으로 한다. 이는 도로 파손으로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. Xtfd는 t시간 동안 사업용 차량이 도로 파손을 감지한 비율, CVpass는 t시간 동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVpotholedetection는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 도로파손을 감지한 차량 대수를 나타낸다. 도로위험(안개)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Fog)은 사업용 차량에서 검지한 안개 정보와 해당 구간의 평균 통행속도 정보를 기반으로 안개로 인한 도로구간별 상대적 위험도를 나타낸다. Xtfd는 t시간 동안 사업용 차량이 안개를 감지한 비율, CVpass는 t시간동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVfogdetect는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 안개를 감지한 차량 대수를 나타낸다. 도로위험(결빙)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Road Freezing)은 사업용 차량에서 검지한 결빙 정보와 해당 구간의 평균 통행속도, 도로 기하구조 특성, 교량 통과여부, 기상청 정보를 기반으로 결빙으로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. λ trfd는 t시간 동안 사업용 차량이 결빙을 감지한 비율, CVpass는 t시간동안 특정구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVr fdetect는 t시간 동안 특정구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 결빙을 감지한 차량 대수,c는 t시간 동안 결빙을 교량에서 감지한 사업용 차량의 비율, λbd는 t시간 동안 결빙을 구배 구간에서 감지한 사업용 차량의 비율, Ww는 t시간 동안 기상청 제공 현재 날씨(또는 예보)중 강수 확률을 고려한 가중치를 나타낸다. 도로 위험(안개 및 결빙)정보 제공 알고리즘(Road Hazard Algorithm-Road Freezing & Fog)은 사업용 차량에서 동시에 검지한 결빙 및 안개 정보와 해당 구간(링크)의 평균 통행속도, 도로 기하구조 특성, 교량 통과 여부, 기상청 정보를 기반으로 결빙 및 안개로 인한 도로 구간별 상대적 위험도를 나타낸다. λt ffd는 t시간 동안 사업용 차량이 안개와 결빙을 동시에 감지한 비율, CVpass는 t시간 동안 특정 구간을 통과한 총 사업용 차량 대수, CVr fdetect : t시간 동안 특정 구간을 통과한 사업용 차량 대수 중 안개와 결빙을 동시에 감지한 차량 대수, λbd는 t시간 동안 결빙을 교량에서 감지한 사업용 차량의 비율, λgd는 t시간 동안 결빙을 구배 구간에서 감지한 사업용 차량의 비율, Ww는 t시간 동안 기상청 제공 현재 날씨(또는 예보) 중 강수 확률을 고려한 가중치를 나타낸다. 위 (1)-(4)식에서 실시간 구간 평균 통행속도와 기상청 예보 정보를 활용하는 경우, 결빙 위험 정도는 실시간성을 가진다고 판단할 수 있으며, 과거 정보를 활용하는 경우, 비실시간성을 가진다고 판단한다. 알고리즘에 사용되는 구간 평균 통행속도는 비실시간인 경우 교통량 정보시스템 DB로부터 해당 구간의 과거 속도 이력 정보를 활용하고, 실시간인 경우 국토교통부의 국가교통정보센터에 연계되는 구간 평균속도 정보를 활용한다. 사업용 차량 정보 기반 도로 위험정보 공유 시스템 개발 현황 사업용 차량의 DTG 및 블랙박스 영상에서 추출한 자료를 가공·처리한 도로 위험정보(도로파손, 결빙, 안개)와 도로 속성자료를 융합한 새로운 정보 콘텐츠를 공공과 민간에 공유하기 위한 정보 공유시스템을 그림 1과 같은 개념으로 구축하였다. 정보공유시스템은 사업용 차량에서 수집·가공 처리된 도로 위험자료를 도로 속성자료와 혼합하여 운전자는 물론 도로관리자의 필요에 맞게 정량화하고 그림 2와 같이 다양한 형태(예 : text, index, visualization)로 제공할 수 있도록 구성되어 있다. 정보 공유 방식은 위치정보(GIS 기반 표출 포함) 오픈 API를 기반으로 하는데, 이는 대부분의 정보공유콘텐츠가 위치정보임을 고려한 것이다. 최종 공유 방식은 국토교통부 공공 포털 오픈 API 형태를 준용하였다. 이러한 방식은 현재 여러 민간 정보서비스 업체도 적용하고 있다. 도로 속성자료는 도로관리통합시스템(Highway Management System)에 DB화되어 있는 자료를 활용하였다. 이 시스템은 국토교통부에서 운영하고 있는데, 일반국도 유지관리 업무 절차의 체계적인 관리와 업무를 데이터 기반으로 분석·관리하여 궁극적으로 효율적인 도로관리 운영 업무를 수행하기 위한 것으로 다양한 도로 속성자료를 포함하고 있다. 정보 활용 측면에서는 노선 정보·도로대장 정보·교량 정보·터널 정보·포장 정보·교통량 정보 등이 있다. 맺는말 사업용 차량 도로 위험정보 공유시스템은 도로구간에 따른 도로 위험정보를 제공할 수 있기 때문에 도로 이용자 및 도로 관리자에게 실질적인 도움이 될 수 있다. 시스템에 내재된 알고리즘 성능 평가를 위해 실제 테스트베드에서 수집된 정보를 기반으로 검증을 수행하였다. 산출된 도로 위험정도 지표는 현장검증과 담당 관리자의 협의를 통해 검증하였다. 본 연구를 통해 도출되는 도로 위험정보는 단계적으로 민간 교통정보 시스템과의 연계 및 공유를 통해 도로 이용자에게 추가로 정보 제공이 가능하다. 이를 통해 노면결빙, 도로파손, 안개 등으로 인한 교통사고를 예방하는 효과가 있을 것으로 기대된다. 도로 안전에 있어서 긍정적인 편익을 제공할 수 있고, 향후 자율주행 및 C-ITS의 상용화 시에도 매우 중요한 정보를 제공하는 소스로 사용될 수 있을 것이다. 도로교통연구본부 게시일2021-07-21 조회수 398
• 위성강우를 이용한 북한 홍수분석(2020년 8월 홍수사례) 위성강우를 이용한 북한 홍수분석(2020년 8월 홍수사례) ▲ 김주훈 수자원하천연구본부 연구위원 / 최윤석 수자원하천연구본부 수석연구원 위성강수 수자원 및 대기과학 분야에서 원격탐사 기술은 지구 강수를 관찰하는 데 많은 도움을 주는 기술로 인식되고 있다. 위성자료를 이용한 강수 추정은 지상관측소 및 기상레이더와 비교하여 광역적 공간범위를 대상으로 하며, 지속적이고 균일한 강수를 생산한다는 장점을 갖고 있다(Hong et al., 2016). 위성을 이용한 강수추정은 1960년 4월, 최초로 기상영상을 제공하기 위해 TIROS-1(Television Infra Red Observation Satellite)위성이 발사되면서 시작되었다. 1979년에 Arkin에 의해 적외선(IR) 자료를 이용한 강수추정 방법이 제시되었고, 1987년 다중 채널의 수동 마이크로파 복사계인 SSM/I(Special SensorMicrowave/Imager)를 탑재한 DMSP(Defense Meteorological Satellite Program) 위성의 발사로 강수추정에 대한 연구가 활발하게 이루어지게 되었다. 이후 전지구 강수량 추정의 중요성이 부각되면서 1990년대에 미국 NASA는 Missionto Planet Earth Program에 의해 우주공간으로부터 강수량을 측정하는 연구가 본격적으로 시작되었다. 실질적인 위성강수 자료 생산은 1997년 미국 NASA와 일본 JAXA(Japanese Aerospace eXploration Agency) 공동으로 열대지역과 아열대지역(35°N-35°S)의 강우를 추정하기 위해 TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission) 위성이 발사되었으며, 본격적으로 강우와 관련된 수문학적 지식을 획득하기 시작하였다. 1997년 TRMM 위성이 발사된 이래로 TMPA(Multi-satellite Precipitation Analysis), 미국 NOAA의 기후예측 센터의 CMORPH(NOAA CPC Morphing), 일본 JAXA의 GSMaP(Global Satellite Mapping of Precipitation) 등 다수의 다중위성강수가 생산되고 있다(김주훈 등, 2015). 2014년 GPM Core 위성은 TRMM 위성을 대체하기 위한 것으로 GPM 미션으로 생산되는 IMERG 위성강수는 시·공간 해상도가 크게 향상되어 60N-60S의 공간적 범위에 대하여 시간해상도 30분, 공간해상도 0.1도의 위성강수 자료를 생산하고 있다. 이러한 위성강수 자료는 일반적으로 전 세계 강수량에 대한 지식과 글로벌 생태-수문학적 모델의 개발을 촉진하고 있으며, 광역적 혹은 지역적 홍수를 분석하기 위한 수문학적 연구에 다양하게 적용되고 있다(Hong et al., 2019). 특히, 동아시아, 동남아시아, 아프리카 등지에는 수문학적 미계측 지역이 많기 때문에 위성강수 자료를 이용한 강수량 평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. IMERG, GSMaP 등의 위성강수자료는 그림 1과 같은 GPM 위성군의 정보를 결합하여 지구 표면 대부분의 강수량을 추정한다. 그림 2와 같이 전지구 규모의 강수량 자료를 생산하고 있으며, 미국 NASA에서는 IMERG(30분 시간해상도와 0.1deg. 공간해상도), 일본 JAXA에서는 GSMaP(1시간 시간해상도와 0.1deg. 공간해상도) 위성강수자료를 생산하고 있다. 위성강우 활용 북한 홍수 분석 북한에 대한 수문기상학적 정보는 북한의 언론보도와 WMO를 통해 북한 27개 관측소의 6시간 간격의 강우량 정보를 획득할 수 있다. 그러나 필자가 기상청 기상자료개방포털 사이트의 자료검색에서 2020년 7월 28일 03시부터 8월 7일 09시까지 북한 27개 관측소의 강우량 자료를 분석한 결과, 결측률이 42.8%로 북한에서 관측되는 강수 자료는 전체 시계열 자료 확보가 곤란하며, 자료의 신뢰성도 확신할 수 없는 단점이 있다. 2020년 6월 6일 방송된 MBC의 통일전망대 프로그램에서 탈북민 출연자가 언급한 “수령님도 속이는 기상예보사”와 기상청 대변인이 언급한 “날씨 예보는 충성심만으로는 안된다.”와 같이 북한의 기상예측 및 관측 기술은 남한의 90년대 수준으로 평가되고 있다. 이 글에서는 2020년 8월에 북한에 많은 피해를 입힌 호우에 대하여 위성으로부터 관측된 자료를 이용하여 북한 강우현황을 분석하고 강우-유출 모형을 이용하여 개략적인 홍수량을 추정한 결과를 제시함으로써 위성강수자료를 이용한 북한 지역의 강우 및 홍수특성 등을 추정하였다. 위성강우의 정확도 분석을 위해 북한과 인접한 연천군의 한강수계 3개 관측소(청양리, 오덕초교, 상리초교)와 GSMaP 위성강우의 총강우를 분석한 결과 상관계수가 0.996 정도로 위성강우의 정확도가 매우 높은 것으로 평가되었으나 지상계측강우보다 과소추정되고 있어 위성강우 보정계수 1.69를 고려하여 북한 지역의 강우량 분포를 그림 4와 같이 산정하였다. 홍수량 평가를 위한 분석도구는 한국건설기술연구원의 GRM 모형을 이용하였다. 북한 지역에서의 관측유량이 없기 때문에 모의 결과를 검증하기 어렵다. 그러므로 GRM 모형에서 제시하고 있는 기본매개변수를 이용하여 유출을 모의하고 별도의 관측 유량을 이용한 모형 보정은 수행하지 않았다. 이에 따라 이 글에서 제시하고 있는 모의유량은 실제 값이 아닌 추정치 임을 밝힌다. 유출모의 시 댐, 유역변경 등에 의한 영향은 고려하지 않았으며, 모든 유량이 자연유출되는 상황으로 모의하였다. 모의 영역(그림 4)은 북한 전역과 압록강 및 두만강 유역에 속해 있는 중국 및 러시아 지역을 일부 포함하였으며, 임진강과 북한강은 남한 지역이 일부 포함되었다. 유출모의에 적용된 강우 자료는 2020년 8월 1일 00시 00분~8월 16일 00시 00분의 기간에 대해서 보정된 위성강우를 적용하였으며, 강우자료의 시간 간격은 1시간이다 그림 5는 한탄강 철원군(한탄대교) 지점에 대해서 보정된 위성강우자료를 이용하여 모의된 유량과 관측 유량을 비교한 수문곡선이다. 한탄대교 지점의 유역 면적은 약 1,014㎢으로 유역의 약 50%가 북한지역에 속해 있으며, 상류 북한 지역에 유역 면적 약 50㎢ 정도의 저수지가 있다. 그림 5에서 한탄대교 지점의 모의된 유량은 관측수문곡선의 상승과 하강의 경향은 잘 반영하고 있지만 8월 5일 15시 경에 발생한 첨두홍수량은 관측값(4,785㎥/s)에 비해서 과대 추정(6,048㎥/s) 되었다. 이러한 모의결과는 유출모형을 보정하지 않고 모형의 기본값을 그대로 적용한 것과 북한 지역에 다수 분포하고 있는 댐과 유역 변경등의 영향을 반영하지 않은 것 등 복합적으로 작용한 것으로 판단되며, 이러한 사항들이 보완될 경우 북한 지역의 홍수량 추정값의 정확성을 향상시킬 수 있을 것이다. 위성강수자료는 강수의 지상 관측 자료가 없거나 지상관측에 대한 공간 및 시간적 범위가 열악한 지역의 지상관측 자료를 대체할 수 있으며, 공간 확대에 대한 통일된 정보를 제공해 주는 장점이 있다. 향후 본 연구를 통해 얻어진 결과를 반영하여 북한을 포함한 한반도 전체에 대한 강수량의 정확도를 평가하는 연구를 수행할 계획이다. 수자원하천연구본부 게시일2021-06-29 조회수 520
• 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축 ▲ 김현수 국민생활연구본부 선임연구위원 / 이지영 국민생활연구본부 박사후연구원 Net Zero 시대 생태건축의 의미 소득 수준의 향상과 함께 시민들의 환경의식이 높아지면서 건강한 생활환경에 대한 관심도 나날이 증가하고 있다. 미세먼지, 라돈 문제에 이어 바이러스 감염으로 인한 팬데믹까지 발생하면서 환경과 건강에 대한 관심이 더욱 높아졌다. 자연 환경도 보호하고 사람의 건강도 지킬 수 있는 새로운 건축 대안의 모색이 필요한 상황이다. 이런 관점에서 생태건축은 좋은 대안이 될 수 있다. 생태건축은 인간과 건축 환경 그리고 생태계 사이의 연관 관계를 이해하고 균형을 유지하여, 살기 좋고 온전한 환경을 미래세대에 남겨주고자 하는 다양한 건축적 시도가 종합되어 탄생했다. 1980년을 전후로 독일 베를린의 건축가들이 인간과 건축 환경 및 생태계의 상호관계를 고려하는 여러 가지 건축 동향을 한 데 묶어 생태건축(Ökologisches Bauen)으로 정의하였다. 이후 2007년에 독일 지속가능한 건축협회(Deuche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen)가 설립되면서 지속 가능한 건축(Nachhaltiges Bauen)이라는 용어로 보급이 더욱 확산되었다. 우리나라에서 생태건축은 친환경 건축, 녹색건축 등의 용어와 구분없이 혼용되고 있다. 제도권에서 일반적으로 사용하고 있는 녹색건축이 추구하는 바도 생태건축과 다르지 않다고 생각한다. 다만, 경제적, 사회적, 기술적 요인 등으로 인해 오늘날 우리나라 건축 시장에서 녹색건축으로 인정받은 건축물을 생태건축으로 분류하기에는 상당한 차이가 있다고 생각한다. 최근에 정부가 공공건축물의 ZEB(Zero Energy Building) 인증을 의무화하고 2050년까지 온실가스 순배출량을 ‘0’으로 만들겠다는 정책목표를 밝힘에 따라 생태건축 활성화의 필요성이 더욱 높아진 상황이다. 지금까지는 건축물의 환경성을 높이기 위해 운영 단계에서 이산화탄소 배출을 줄이는 데 집중해왔다. 그러나 강화된 Net Zero 정책 목표를 달성하려면 건축 재료의 채취와 생산 과정에서 발생하는 내재에너지를 줄이는 노력이 병행되어야 한다. 독일 DGNB(독일 지속가능한 빌딩 협회)의 분석에 의하면 지속가능한 건축 기술을 적용한 건축물의 경우 내재에너지(Embodied Energy) 절감에 따른 이산화탄소 배출 저감량이 Zero Energy House 수준의 건축물에서 50년간 절감하는 이산화탄소 배출량과 유사하다고 한다. 건물의 에너지 성능이 낮은 과거와 달리 제로에너지 수준으로 높아진 건축물에서는 내재에너지로 인한 이산화탄소 배출 저감이 상대적으로 중요해졌다는 의미다. 따라서 전 생애주기에 걸쳐 이산화탄소 배출과 환경 영향 최소화를 지향하는, 그래서 내재에너지가 낮은 장점을 가지는 생태건축이 Net Zero 시대에 부합하는 건축 대안으로서 중요한 의미를 가진다. 국산 목재를 활용한 생태건축시스템 개발 한국건설기술연구원은 2018년부터 국토교통연구개발 사업의 일환으로 국산 목재를 100% 활용하는 생태건축시스템을 개발하고 있다. 이 연구에서는 다음과 같이 생태건축의 특성을 규정하고 ‘공업화 생태건축시스템’의 실증을 추진하고 있다. • 자연의 순환체계(생태계)에 순응하여 환경오염과 환경부하를 최소화하면서, 건강한 생활을 가능하게 하는 건축 • 생태계의 공기, 물, 에너지 및 자원 순환을 거스르지 않는 자재와 설비로 에너지 자원 순환형 건축시스템을 구축 • 현대 건축의 환경문제와 건강문제(sick building syndrome)를 통합적으로 해결하는 지속 가능한 건축 위와 같은 생태건축 시스템은 재생 가능한 자연 소재 활용으로 LCA평가 기법의 Scope 3에 해당하는 내재에너지를 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 유해물질 배출이 없고 축열과 습도 조절기능을 가지는 내장재 활용으로 건강한 실내 환경을 조성하는 좋은대안이 될 것으로 기대한다. 콘크리트를 환경 친화적으로 만드는 에코 시멘트 개발 전 생애주기에 걸쳐 이산화탄소 배출과 환경영향 최소화를 지향하는 생태건축도 기초나 골조는 콘크리트를 사용하는 경우가 많다. 심지어 연구진이 개발한 것과 같은 목구조 생태건축시스템을 적용할때에도 건물 기초에는 시멘트를 결합재로 하는 콘크리트를 주로 사용한다. 구조적 안전성이나 경제성을 고려할 때 다른 대안을 찾기가 쉽지 않기 때문이다. 이런 점에 착안하여 연구단은 먼저 이산화탄소 배출과 환경영향을 최소화할 수 있는 에코 시멘트를 개발했다. High Sulfated Calcium Silicate Cement로 이름 붙인 에코 시멘트는 BSEN 15743이 정한 Super Sulfated Cement의 조성비를 따라 제조한 것으로, 고로슬래그 미분말을 80% 정도 사용하고 포틀랜드 시멘트양은 최소화하는 대신에 소석회를 사용하여 개발하였다. 에코 시멘트의 활용 가능성을 검증하기 위해 시중에 유통되는 슬래그 시멘트 및 포틀랜드 시멘트와 비교하여 콘크리트 물성 실험을 수행한 결과, 적어도 일정 영역에서 에코 시멘트의 활용이 가능함을 알 수 있었다. 슬럼프 값은 에코 시멘트를 사용한 콘크리트와 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트가 유사하게 나타났으며, 공기량은 세 가지 콘크리트가 매우 유사하였다. 에코 시멘트의 28일 재령압축강도는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 강도가 유사하였다. 포틀랜드 시멘트의 6.2%에 불과한 에코 시멘트의 환경영향 에코 시멘트의 환경영향(Environmental footprint)을 포틀랜드 시멘트 및 슬래그 시멘트와 비교 분석해보았다. LCA 기법을 활용하는 동시에 EU의 Product Environmental Footprint(PEF) Guide를 따라 영향범주(Impact category)별로 제시된 평가모델을 사용하여 환경영향을 산정하였다. 다만, 에코 시멘트는 바이오소재를 사용하지 않기 때문에 ‘기후변화(바이오소재 포함)’ 범주를 제외한 15개 영향범주에 대한 환경영향을 산출하였다. 산정 결과는 영향범주별로 환경영향의 상대적인 비교가 가능하게 정규화(normalization)하고, 여기에 일반인이 인식하는 영향범주별 환경영향의 중요도를 반영한 가중화 결과이다. 가중화 인자는 EC(European Commission) JRC(Joint Research Center)에서 PEF 평가를 위해 개발한 인자를 적용하였다. 표 2에서 에코 시멘트의 환경지수(Eco-index)는 3.13E-04이다. 이는 에코 시멘트 1kg에 의해 발생된 환경영향이 한 사람이 1년간 발생시킨 환경영향의 3.13E-04배인 것을 의미한다. 이에 비해 슬래그 시멘트의 환경지수는 에코 시멘트의 7.3배이고, 포틀랜트 시멘트는 16.2배이다. 달리 말하면, 에코 시멘트의 환경지수는 슬래그 시멘트의 13.7%, 포틀랜드 시멘트의 6.2%로 다른 시멘트에 비해 현저히 환경영향이 낮다는 것을 보여준다. 주요 영향범주별 환경영향 비교 에코 시멘트의 영향범주별로 환경영향은 기후변화, 인체독성(비발암), 미세먼지 순서로 나타났다. 기후변화 영향의 경우 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 에코 시멘트의 탄소발자국이 각각 1.2kgCO2e, 0.53kgCO2e, 0.07kgCO2e이다. 에코 시멘트의 탄소발자국이 포틀랜드 시멘트의 5.8%, 슬래그 시멘트의 13.2% 수준으로 현저히 낮음을 알 수 있다. 다르게 설명하면 포틀랜드 시멘트 또는 슬래그 시멘트 대신에 에코 시멘트를 사용하면 시멘트 1kg당 무려0.46~1.13kgCO2의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 의미이다. 가중화 환경영향이 두 번째로 큰 인체독성(비발암) 경우 그림 4에서 보는 바와 같이 포틀랜드 시멘트와 슬래그 시멘트의 영향이 에코 시멘트보다 7~17배가 크다. 에코 시멘트의 비발암 인체독성 영향이 다른 시멘트의 5.8%, 13.3% 수준이다. 여기서 CTUh(Comparative Toxic Unit for human)는 인체독성 단위로 발암 또는 비발암 영향을 발생시킬 확률을 의미한다. 따라서, 에코 시멘트가 인체에 비발암 영향을 일으킬 확률은 포틀랜드 시멘트의 5.8%, 슬래그 시멘트의 13.3% 정도로 낮은 것으로 이해할 수있다. 또한 에코 시멘트가 인체에 발암 영향을 일으킬 확률도 다른 시멘트의 15.0%, 31.4% 수준으로 낮게 나타났다. 가중화 환경영향이 세 번째로 큰 미세먼지는 최근 국민 관심사로 대두된 환경문제이기도 하다. 세계보건기구(WHO)도 미세먼지인 PM2.5를 1급 발암물질로 분류하고 있다. 그림 5는 에코 시멘트와 다른 시멘트의 PM2.5 발생량을 비교한 것이다. 이 그림에서 에코 시멘트는 포틀랜트 시멘트의 6.2%, 슬래그 시멘트의 12.6% 정도로 PM2.5 배출이 낮은 것을 알 수 있다. 비교 검토한 시멘트를 에코 시멘트로 대체할 경우 1kg당 0.08~0.17g의 PM2.5를 줄일 수있는 결과이다. 맺는말 연구진이 개발한 에코 시멘트를 중심으로 생태건축 시스템의 환경 및 건강 영향을 살펴보았다. 에코 시멘트를 사용하면 시멘트 1kg당 무려 1.13kgCO2 또는 0.46kgCO2의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 사실은 매우 고무적이다. 환경지수 분석 결과로 알 수 있듯이 에코 시멘트의 환경영향은 시중에서 유통되고 있는 슬래그 시멘트의 13.7%, 포틀랜드 시멘트의 6.2%로 현저히 낮다. 인체 독성 측면에서도 그 영향이 현저히 낮아 탄소는 줄이고 건강은 좋아지는 생태건축’의 실현 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 후속 연구를 통해 보다 종합적이고 구체적으로 생태건축시스템의 환경성과 건강성을 제시 할수 있을 것으로 기대한다 건축연구본부 게시일2021-06-29 조회수 391
• 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 플랫폼 개발 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 플랫폼 개발 ▲ 최창호 미래융합연구본부 연구위원 들어가며 도로, 철도, 지하라이프라인 등의 시설물의 설계, 시공, 유지관리 단계에서 구조물의 상태 정보를 수집·분석하여 인프라가 지능화되고 건설공정이 자동화되는 4차 산업혁명이 건설산업에서도 진행되고 있다. 4차 산업혁명은 「초연결·지능화 혁명」으로 정의될 수 있으며, ICBM(IoT, Cloud, Big Data, Mobile)은 이를 뒷받침하는 핵심 요소기술이다. 특히, 국내 이동통신사를 중심으로 기술 상용화가 이루어진 5G 통신 기술은 교통·주거·도시 인프라의 초연결·지능화를 가능케 하고 있다. 건설산업 분야도 「초연결·지능화 혁명」이라는 기술 패러다임 변화에 발맞추어 기술 혁신을 수행하고자 정부는 ‘Smart Construction 2025’를 비전으로 설정하였고, ‘스마트 건설기술 로드맵(2018)’을 발표하여 첨단기술을 기반으로 건설산업의 새로운 도약기회를 마련하고자 하는 정책을 추진하고 있다. 본 연구는 이러한 건설산업에 불어오는 스마트기술 도입 및 개발의 일환으로 다양한 인프라 구조물 중에서 도로건설에 초점을 맞추어 수행하였다. 도로구조물 건설공사에서 토공사 비중은 20~30%로 높은 비율이며, 토공사 과정 중에 시공 품질 확인을 위한 불필요한 반복 작업으로 인해 생산성이 저하되고 있다. 스마트 기술을 활용하여 토공사의 생산성을 향상시키기 위한 가상의 지층·지반 정보 예측과 실시간으로 공사의 품질을 관리할 수 있는 스마트 토공시스템 프로토타입을 개발하였다(한국건설기술연구원 2020). 스마트 토공 시스템 개발의 핵심 기술 도로 토공 공사의 경우 반복적인 공정으로 수행되므로 대표적으로 스마트 건설기술이 적용될 수 있는 분야이다. 이와 연계되는 기술적 과제는 측량·설계·시공·검사의 건설 단계에서 인력 측량에 의한 3차원 공사 현장과 2차원 설계도면의 정보 괴리를 해결하고, 반복되는 시공 및 검측 과정의 비효율성 문제를 해결하며, 인력에 의한 품질 확인 등으로 인하여 과도한 작업 시간 및 장비 소요의 급증 문제를 해결하는 것이다. 이를 위해서는 토공 구조물의 기하구조와 공사중에 발생하는 건설정보를 종합적으로 관리하기 위한 디지털 플랫폼과 지반의 속성정보를 보다 정확히 예측하고, 공정별 품질을 자동화된 방법으로 모니터링할 수 있는 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 토공 프로젝트에서 지층 조건 분석, BIM, Big Data, 스마트 센싱 기술 등을 융합하는 기술을 개발하였다. 토공 자동화 관리를 위하여 스마트 토공 플랫폼의 요구사항 정의, 아키텍쳐 설계, 플랫폼 prototype 개발, 지층 층상정보 예측기술, 토공 품질관리 기술등 스마트 토공 플랫폼을 단계적으로 개발하였다. 그림 1은 본 연구의 목표를 달성하기 위한 핵심기술들을 요약하여 보여주며, 토공 작업 전주기 동안의 지능화를 달성하기 위하여 아래의 3개 핵심요소 기술을 개발하였고 3개 기술별 정의는 표 1에 제시되었다. 그림 2는 전주기 관리 플랫폼이 부재하는 경험적 설계/시공 프로세스와 지능형 플랫폼 기반 설계·시공 프로세스에 해당하는 토공분야의 핵심 구성 기술을 상호 비교한다. 각각 측량설계, 지반속성, 성토다짐 관리에 대한 항목으로서, 본 연구를 통해 첨단 ICT 기술을 이용하여 토공의 측량-설계-시공-검사 전주기에 걸친 자동화의 핵심기술을 개발하였다. 신경망 센서로 많은 위치에서 구조물의 변형률을 계측하기 위해서는 광섬유 기반 분포형 계측 기술이 필요하다. 그동안 개발된 분포형 계측 기술은 계측 간격, 계측 정확도, 계측 시간 등에서 콘크리트 구조물의 모니터링 용으로 적합하지 않다. 본 연구에서는 전문 기관과의 협업을 통해 이러한 문제점들을 해결하는 분포형 계측기를 개발하였고, 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다. 그러나 개발된 분포형 계측기는 동적 계측이 쉽지 않은 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 준분포형 동적 계측기에 대해서도 연구하였으며, 개발된 시제품에 대한 다양한 검증을 통해 적용 가능성을 확인하였다(그림 2) BIM 기반의 스마트 토공 플랫폼 스마트 건설기술을 활용한 토공 전주기(조사/설계/시공/검사)를 관리할 수 있는 스마트 토공 플랫폼을 개발하였다. 그림 3은 플랫폼 아키텍쳐의 기본 개념을 보여주고 있다. 스마트 토공 플랫폼은 크게 ‘지형 및 지반 BIM 생성 시스템’, ‘지반 속성 예측 시스템’, ‘다짐 시공 가시화 시스템’ 으로 구성되며, 각 프로그램에 입출력되는 데이터 및 결과물이 프로세스 전 단계에서 통합되도록 플랫폼을 개발하였다. 다짐 관리 프로그램에서는 도로 토공 현장을 대상으로 다짐 시공 및 관리정보를 입력받아 날짜와 지반 층별로 장비의 이동경로, 다짐 횟수, 다짐 속도, CMV(Compaction Meter Value, 다짐품질 정보) 등을 가시화하고 각 결과를 그래프로 도식화하여, 사용자가 손쉽게 정보를 확인하고 관리할 수 있는 기능을 가지고 있다. 3개 주요 서브 모듈의 기능은 아래와 같다. 지반 속성정보 예측 정확도 향상 기술 지형 및 지반 정보를 정확히 예측하는 것은 토공사를 설계하고 수행하는데 있어 가장 기초적인 작업이다. 본 연구에서는 토공사 현장에서 보다 정확한 토공량 예측 및 관리를 수행하기 위해, 3차원 영상,빅 데이터 및 인공지능을 활용해 지형 및 지반정보를 신뢰성 있게 예측하는 기법을 개발했다. 우선, UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 통해 취득된 영상을 정합해 고정밀 건설지형도를 제작하고, 표준화 된 시추조사 자료를 인공지능 학습 DB로 활용해 미시추 구간의 지반정보 예측을 위한 인공신경망 모델을 제시하였다. 개발된 지형 및 지반정보 예측기술을 통해 토공사 현장에서 보다 정확한 토공량 예측 및 관리가 가능하며, 예측된 정보는 스마트 토공 플랫폼의 3차원 기본맵을 구성하는 데 활용될 수 있다. 본 연구의 인공신경망 기반 지반 속성정보 예측 모델 개발 및 적용 과정은 그림 4와 같다. 우선 국토지반정보 통합 DB센터의 시추공 정보를 표준화해 인공지능 학습 DB를 생성했다. 이후 시추공의 x, y, z좌표 및 층상정보(매립토층, 퇴적층, 풍화토층. 풍화암층, 암층)를 각각 독립변수 및 종속변수로 설정하고 다중 계층 신경망 모델을 학습시켜 지반 속성정보 예측 모델을 개발했다. 예측 과정을 자동화하고 실무자가 쉽게 활용할 수 있도록 예측 기법을 자동화한 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램에 토공사 현장에서 취득한 실제 시추공 자료를 입력하면, 입력된 현장의 정보들이 인공신경망을 통해 학습되고, 미시추구간의 정보를 예측해 3차원 지반 층상정보를 제공한다. 지능형 성토-다짐관리 기술 도로 건설 공정 중 성토 작업 시에 지반이 일정 크기 이상의 강도를 가지기 위한 다짐 작업이 진행되며, 다짐 작업 후에 품질검사를 하는 것이 필수적이다. 현재 롤러 이동에 따른 대상 성토체의 다짐 횟수는 롤러 작업자의 기억력에 의존하므로 정량적인 다짐 장비의 이동 횟수를 파악하기 어려운 실정이다. 또한 일정한 규격으로 다짐 작업이 이뤄지지 않아 과다짐과 과소다짐이 발생하여 도로 품질저하 현상이 발생하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 위치기반의 정확한 다짐 장비 패턴분석 및 지반 응답 특성 분석을 통한 지능형 품질관리 시스템 연구를 수행하였다. 연구 내용으로는 GPS 기반 다짐 장비의 위치 정보를 실시간으로 활용하여 장비 이동패턴을 분석하고, 롤러의 진동원에 의한 가속도를 측정하여 FFT 변환을 통한 진폭과 주파수를 산정하고, CMV분석을 거처 지반 다짐도를 간접적으로 분석하였다. 분석한 결과를 활용하여 다짐도를 가시화할 수 있는 시스템을 개발하고, 이를 고속도로 건설 토공사 현장에 시험 적용하였으며, 계측된 위치 및 다짐도 품질 데이터를 실시간으로 토공 플랫폼에 제공하였다. 그림 5는 다짐 관리 데이터와 장비 라이브러리를 다짐 관리 시뮬레이션 모듈에서 연동 및 계산하는 프로세스를 보여준다. GPS 데이터에 따라 장비의 이동에 따른 다짐 경로 및 지역, 횟수 등을 확인하여 가상시뮬레이션을 수행할 수 있고, 시간, 장비 속도, 위치, CMV 값을 통한 다짐도 등의 데이터를 분석하고 다짐 관리 데이터의 통계 자료를 파악할 수 있도록 구성되어 있다. 현장 시험 적용 사례 본 연구에서 개발한 스마트 토공 플랫폼을 고속도로 건설 토공사 현장에 시험 적용하였다. 그림 6은 지형 및 지반 BIM 구축 모듈을 적용하여 생성된 해당 현장의 BIM 모델을 보여준다. Drone으로 측정된 데이터를 바탕으로 지형 모델을 생성하고, 지반 정보가 담긴 지반 시추공 데이터를 바탕으로 지반 모델을 생성하였다. 플랫폼 내에서 선택버튼을 통해 지형뿐만 아니라 지반을 구성하고 있는 토사, 풍화암, 기반암을 3차원 정보로 각각 확인할 수 있다. 그림 7은 실제 고속도로 건설 현장에 적용한 지능형 가상 지반데이터 및 다짐 관리 기술을 적용한 스마트 토공 시스템을 보여준다. 롤러의 이동 및 지반반력 계측 정보를 바탕으로 해당 성토층에서의 다짐도 품질관리 결과를 확인할 수 있으며, 모델위에 표기된 컨투어는 롤러 장비의 이동에 따라 계측된 CMV 다짐도 값의 예를 보여주고 있다. 맺음말 본 연구에서는 스마트 기술을 융합하여 토공 공정 단계별 지능화로 토공 생산성을 향상할 수 있는 방안 및 기술을 개발하였다. 건설 공사의 일반적인 절차인 측량⇒설계·계획⇒시공⇒품질검사 등의 전주기적인 스마트 토공 프로세스 구현을 위한 기술수요를 바탕으로, ①BIM 기반의 스마트 토공 플랫폼, ② 지반 속성정보 예측 정확도 향상 기술, ③ 지능형 성토-다짐관리 기술에 초점을 맞추어 요소기술을 개발하였다. 연구를 통해 스마트 토공 플랫폼 설계, 데이터 기반의 지반 층상정보 예측을 위한 지반조사 자료 분석 및 체계 구축, 지능형 성토-다짐관리 프로세스 설계와 토공 플랫폼의 프로토타입 개발 연구를 완료하였다. 또한 실제 고속도로 건설 현장을 플랫폼 내에서 지형·지층 모델로 구현하고 실시간으로 성토 다짐품질을 관리하는 기술을 시험 적용하였다. 본 연구를 통해 도로건설 토공사현장에서 품질 데이터 및 데이터 플랫폼의 활용방안을 제시하였고, 성토체의 다짐 품질 분석을 위해 위치정보 및 지반 응답 분석 결과를 분석하고 가시화하는 절차를 제시하였다. 미래스마트건설연구본부 게시일2021-05-27 조회수 803
• 국내외 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술 동향 국내외 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술 동향 ▲ 이종원 국민생활연구본부 전임연구원 국내 도시재생지역에서 이루어지는 사업은 국가 및 지자체 단위로 진행되며, 도시재생이 주요 목적이라 건물을 포함한 주변 구성요소(골목길, 담벼락 등)의 환경개선 사업이 많다. 이 글에서는 집수리, 리모델링 등 건축물 개선사업이 포함된 터새로이 사업, 동행사업, 서울형뉴딜 골목주택 외관사업, 경기도 도시재생마중물사업과 그린리모델링 관련 개선기술에 대하여 중점적으로 조사하였다. 또한, 노후건축물 성능개선을 위해 사용하는 주요 리모델링 기술요소는 다양하게 존재한다. 그 중에서 건물에너지와 관련이 있는 노후건축물 그린리모델링과 관련한 쿨루프, 옥상방수, 창호교체, 외벽단열, 구조 측면에서 탄소섬유시트, 철골브레이스 보강법 등에 대하여 실제 사례위주 내용을 소개하고자 한다. 국내 도시재생지역에서의 노후건축물 그린리모델링 주요 기술요소 조사 (1) 쿨루프 도시 열섬현상 주요 원인으로 지목되는 건물 옥상 등에 햇빛 열의 반사 및 방사효과가 있는 밝은색 도료 등을 칠해 열기가 지붕에 축적되는 것을 줄이는 공법이다. 여름철 건축물 실내온도가 4~5도 정도 감소하여 30~40%의 냉방에너지를 절감한다. 겨울 난방에도 큰 영향을 끼치지 않으면서 여름철 뜨거운 햇빛을 차단해 주기 때문에 에너지 절감 및 온실가스 감축에 도움이 된다. 옥상녹화와 비교해 비용이 ¼ 정도로 적게 소요되며 옥상녹화는 콘크리트 지붕에만 적용이 가능한데 비해 쿨루프는 어떤 지붕면에도 시공이 가능하다. 환경부에서 시행하는 지자체 기후변화대응 지원사업을 통해서 서울특별시 관악구와 도봉구, 충청남도 청양군, 공주시, 서천군, 광주광역시 북구, 경상북도 김해시 등 지차체에서 에너지 취약계층 거주 건축물 위주로 쿨루프 사업을 시행하고 있다. 2) 옥상방수 건축물의 지붕이 낡아 틈이 벌어지는 등의 이유로 누수가 진행 중인 건물에 지붕방수 등의 지붕 보수작업을 수행한다. (3) 창호교체 로이유리 복층창, 삼중창, 단열프레임 등의 요소로 창호의 단열성능과 차음 및 기밀성능을 향상시킨 창호시스템으로 냉난방비를 절약할 수 있으며, 불활성 기체충전 등으로 단열성능을 강화할 수 있다. 시스템창과 복합하여 사용이 가능하다. (4) 외벽단열 건축구조체를 기준으로 실내 혹은 실외 측에 단열재를 붙이고 마감하는 방법이다. 외단열 시공 시 단열재가 연속하여 건물을 감싸 내단열 시스템보다 외벽/내벽/슬래브 등 접합부위 열손실이 적으며, 내단열 시공 시 단열불연속부위가 발생하여 내부결로 발생이 쉽다. 그러나 내단열시 야간외기도입을 하지 않는 건물에서는 축열부하가 작아 외단열보다 유리하다. (5) 탄소섬유시트 보강 탄소섬유시트 공법은 콘크리트 구조물의 내하력 증진에 뛰어난 성능을 가지고 있으며 시공 편리성으로 인해 토목 및 건축분야 콘크리트 구조물 보강에 다양하게 적용되고 있다. 인장강도가 약 30,000kgf/cm2으로 강재의 약 10개가량의 강도를 보유하고 있다. 두께가 얇고 방향성이 있어 보강 시 구체의 변화가 적고, 적층량에 따라 보강량을 조절할 수 있다. (3) 창호교체 로이유리 복층창, 삼중창, 단열프레임 등의 요소로 창호의 단열성능과 차음 및 기밀성능을 향상시킨 창호시스템으로 냉난방비를 절약할 수 있으며, 불활성 기체충전 등으로 단열성능을 강화할 수 있다. 시스템창과 복합하여 사용이 가능하다. (6) 철골브레이스 보강 수평력에 저항하기 위하여 철골브레이스를 설치하여 골조를 보강하는 방식으로서, 외부착과 내부착이 있다. 높은 강도와 동시에 강성도 충분히 높게 되며 RC벽 증설보다 경량으로 보강되므로 필요 시 건축물 내력저하 없이 적당한 크기의 개구부 설치가 가능하다. 조사한 기술요소 중 그린리모델링에 있어 필수적으로 사용되는 기술로 창호교체 및 외벽단열이 있으며 사업에 따라 냉난방설비 교체, 옥상보수, 내진보강 등의 기술이 추가적으로 사용되고 있다. 쿨루프의 경우에는 실내온도저감 뿐만 아닌 열섬완화를 위해 환경부 및 지자체에서 적극적으로 추진하고 있다. 구조관련 기술요소인 탄소섬유시트 및 철골브레이스 보강 사례를 보면 주로 도시재생지역보다는 노후된 공동주택 및 중소형 이상 건물에서 사용되고 있다. 국외 노후 도시재생 사례 중 노후 건축물 개선을 위해 중점적으로 사용한 요소기술 국내에서 사용하는 노후건축물 주요 기술요소는 대부분 국외에서 유사하게 적용되고 있었으며, 추가적으로 적용되고 있는 기술인 GAP solution이라는 외벽자재와 기존 건축물의 설비 효율개선을 위한 레트로 커미셔닝, 에너지 절감 및 쾌적성 향상을 위한 조명 디밍제어에 관하여 기술하고자 한다. (1) GAP solution GAP solution은 벌집 형태의 미세한 다각형 기둥이 격자무늬로 배열되어 있는 solar comb를 유리판과 공기층 사이에 끼워넣은 외벽자재이다. 겨울철 태양의 고도가 낮을 때는 일사광선이 solar comb격자를 통과하여 공기층까지 침투할 수 있고, 반대로 여름에 태양의 고도가 높을 때는 일사광선이 solar comb에 의해 차단되는 원리로 사용된다. 이로 인해 여름철 냉방부하와 겨울철 난방부하를 동시에 감소시킨다. GAP Skin and solar comb GAP Air GAP Water (2) 레트로 커미셔닝 (Retro-Commissioning) 레트로 커미셔닝은 이 전까지 커미셔닝을 진행하지 않은 기축건물에 대한 커미셔닝으로, 기축건물의 성능이 유지되고 있는지 조사하고 지속적으로 유지하거나 더 향상시키도록 방안을 강구하는 절차이다. 커미셔닝을 진행하지 않은 건물은 설계와 운용상에 결점이 있을 수 있고, 이 경우 건물의 최초 운용 시점에서부터 가지고 있던 문제를 발견하기가 쉽지 않다. 또한, 건물의 리모델링을 수차례 반복하는 경우 기존 설계상에 없던 결점도 발생할 수 있는데, 레트로 커미셔닝은 이러한 문제점을 발견하고 해결책을 제시한다. (3) 조명 디밍제어 (Dimming Control) 조명에 대한 밝기제어는 에너지절감, 실내 재실환경 향상, 그리고 조명장치의 수명 연장과 같은 여러 이점이 있다. 조명 밝기제어는 재실자가 직접 조절하거나, 자연채광으로 인한 실내조도에 따르거나, 또는 미리 설정된 스케줄에 따를 수 있다. 형광등, 백열등, HID(High-Intensity Discharge) 램프 등 조명기구에 따라 전압조절 또는 안정기를 제어하여 조도를 조절하나 색온도, CIR(Color Rendering Index)가 함께 변하기도 한다. 국외 도시재생 사례에서 사용된 그린리모델링 기술요소는 크게 외벽단열, 창호단열, 옥상녹화, 보일러설치 등 국외 도시재생사례 중 주거단지별 리모델링으로는 외벽단열, 보일러설치 및 배관구축이 행해지며 소규모 단지별 리모델링으로는 외벽단열, 환기설비, 신재생(태양광, 태양열, 지열 등)설비가 설치된다. 건물별 리모델링은 창호교체, 외벽단열, BEMS, 환기설비 등 더 세부적인 리모델링이 행해지는 것으로 판단된다. 조사한 국외사례에서의 그린리모델링 기술요소 비율은 벽체단열과 관련된 부분이 20%로 가장 많았으며, 두 번째로 환기설비와 관련된 부분이 13%로 많이 적용되었다. 벽체단열은 모든 사례에서 적용되었고, 환기설비는 절반 이상의 사례에 적용되었다(독일 도시재생 사례 2건, 영국 도시재생 사례 3건, 스위스 그린리모델링 사례 2건, 오스트리아 도시재생 사례 1건, 미국 도시재생 및 그린리모델링 사례 3건으로 총 11건의 사례에서 그린리모델링 기술요소를 조사). 벽체단열, 20% 환기시설(전열교환기/열화수장치/외기도입), 13% 가스/콘덴싱보일러 9% 태양광(PV패널), 7% BEMS/원격제어시스템/DDC제어, 7% 단열창호(복층유리/삼중창) 6% 배관 및 펌프개선 6% 태양열, 6% 지열히트펌프, 6% 절약형조명(재실/동작센서, 조명제어), 6% 열교개선, 2% 기밀성 강화, 2% 고반사지붕마감, 2% 옥상녹화, 2% 열병합발전소, 2% 우수재활용, 2% 외기냉수냉방, 2% 냉동기교체, 2% 향후 연구 방향 우리나라 건축물 전체 720만 동 중 약 75%인 540만 동이 준공 후 15년이 지난 노후건축물이다. 2020년 7월 한국판뉴딜이 선언됨으로써 그린뉴딜사업의 성공적인 수행을 위해 노후건축물 그린리모델링에 대한 사업뿐만 아니라 신기술 연구개발을 통한 장기적인 시각이 필요하다. 또한, 건물자체만의 그린리모델링의 영향효과범위를 마을, 지역단위로 광범위하게 분석하기 위해서는 도시재생사업과 연계하여 연구해 나갈 필요가 있다. 아울러, 기후위기시대를 당면하여 2020년 12월 탄소중립 2050 선언으로 그린리모델링에 대한 체계적이고 과학적인 증거기반의 기술, 정책, 제도 마련이 필요하며 특히 노후건축물에 거주하는 취약계층에 대한 공정한 전환과 보호책 마련이 필요하다. 건축연구본부 게시일2021-05-27 조회수 443

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