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• AI 도로관리를 위한 객체 인식 기술의 발전방향 AI 도로관리를 위한 객체 인식 기술의 발전방향 ▲ 김형규 KICT 도로교통연구본부 수석연구원 들어가며 교통사고는 인적요인, 차량요인, 도로요인에 의해 발생하기 때문에 해당 요인들을 고려한 개선이 이루어져야지만 교통 사고 발생을 예방할 수 있다. 차량 기술의 비약적인 발전으로 차량 결함 원인으로만 발생하는 교통사고는 극소수인 상황이다. 도로 안전성을 확보하기 위해서는 도로요인과 인적요인에 대한 개선을 집중할 시기이다. 차량요인은 교통사고에 미치는 영향이 최대 12%로 미미한 편이나, 도로요인은 최대 34%까지 영향을 미친다. 도로 및 교통 특성의 변화는 교통사고에 일차적으로 기여하는 요인으로 도로 이용자(운전자, 보행자 등) 모두에게 적용될 수 있다. 우리나라는 국가 교통안전 사업을 지속적으로 추진 중이며, 국내 교통사고 사망자 수는 1996년(12,653명) 이후 지속적인 감소가 이루어져 2022년(2,735명)까지 78.4%가 감소하였다. 하지만 사고 건수 및 부상자 수는 2002년 이후 큰 감소 없이 정체되고 있다. 매년 약 2조 원의 도로교통 안전 사업비를 지출하지만, 2022년 현재 교통사고 건수는 연간 약 21만 건 수준이다. 교통사고 건수가 많이 감소하지 못하는 원인 중 하나는 도로 시설 및 포장 이상 상황에 대한 대처가 신속하지 못한 부분이 있다. 고속도로, 일반국도 등 전문적인 유지관리 및 예산을 투자하는 도로에서는 상대적으로 도로 이상 상황에 대한 대처가 빠른 편에 속하지만, 지방도와 시군도의 경우 지자체의 낮은 재정자립도와 그에 따른 유지관리기관 인력의 부족으로 도로 이상 상황에 대한 대응능력이 저하된다. 또한, 이상 상황에 대한 업무수행방식 측면에서도 인력 중심의 안전관리 업무가 진행되어 도로 이상 상황을 발견하기까지 장시간이 소요된다. AI 기술과 지능형 플랫폼을 활용한 방식으로 바꾸어 업무 효율성 및 신속성을 향상해 도로요인에 의한 교통사고 예방과 안전관리 업무의 효율성을 확보할 필요가 있다. 기존 도로 이상상태 검지 기술은 고해상도 특수 카메라로 촬영된 영상 또는 이미지를 활용하기 때문에 실제 현장에 배치하여 운영하기에는 현실성과 실효성이 낮다. 검지 기술구현의 현실성 및 실효성 향상을 위해, 기존 차량에 많이 보급된 블랙박스와 같은 영상 촬영 기기로도 이상상태를 검지 할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 이는 검지 신속성 및 유지보수 업무 효율에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 기존 이상상태 검지 기술은 고가의 단말장치 및 분석시스템이 사용되고 있다. 이는 민간 부문 및 도로관리청의 활용성 측면에서 더 범용적이고 간편한 기술로 개선되어야 할 필요성이 있다. 이 글에서는 이미지 정제(초해상화)를 통해 일반적으로 보급된 블랙박스 카메라를 통해서도 도로 이상상태를 검지할 수 있는 방안을 소개하고, 전처리 단계에서 도로 이상상태 식별 능력을 향상할 수 있는 발전 방향을 소개하고자 한다. AI 도로 이상 검지 기술 현황 AI 기반 도로 이상상태 검지 기술은 검지 차량을 이용하여 도로 상태를 분석하는 방식이다. 탐지 차량에 장착된 단말기에서 탐지된 도로 이상 정보(포트홀)에 대한 실시간 수집이 가능하다. 수집된 GPS 위도, 경도, 탐지주소, 일시, 크기, 속도, 방향 등이 DB에 저장된다. 또한 차량 내에 블랙박스와 비슷한 형태로 거치된 스마트폰과 유사한 단말기를 활용하여 노면 파손 정보를 수집하는 기술이 있다. 개발된 기술은 CV 카메라를 활용하여 딥러닝 기반으로 분석하고 GPS 정보와 함께 서버로 전송되어 실시간으로 노면 파손 정보를 수집한다. 또한 도로 이상상태를 식별할 수 있는 다양한 알고리즘 기술이 활용되고 있다. 식별 모델링에서는 Mask R-CNN이 주로 사용되고 있으며 이를 제외한 모델로는 YOLOv3, Mobilenet-SSD, Tiny-YOLOv2 등이 있다. 모델 대부분은 Object Segmentation 및 Object Detection 기술이 활용되고 있다. 또한 Augmentation을 통한 학습효과 향상을 위하여, 이미지 전처리기법이 응용되고 있으며, 이를 통해 다양한 환경에서도 더욱 우수한 모델이 생성되고 있다. 하지만, 개발된 기술들은 현장 적용 시 현장에서 수집되는 저화질의 영상 이미지로 인해 인식 불가 또는 오탐의 문제가 발생한다. 차량에 장착된 블랙박스 영상을 이용할 경우 VGA 150만 화소(640*480) 수준의 화질을 인식해야 하므로, 인식 범위 및 정확도가 감소한다. 현장의 저화질 영상을 고화질로 수집하기 위하여 모든 차량에 고화질 영상 장비를 구입 및 설치 운영하기에는 비용이 과다 발생한다. 이 때문에 기존 블랙박스 영상을 이용할 수밖에 없는 상황이다. 포트홀, 균열 등 도로 이상상태는 인프라 노후화 및 기상·기후에 따라 불특정 지역 및 시간에 발생하기 때문에 이상 상태 발생을 발견하고 이미지를 확보하기 어려운 상황이다. 또한, 도로 인프라 및 손상에 대한 전문지식을 보유한 전문가가 레이블링 작업을 진행하여 학습 데이터셋을 확보해야 하지만, 레이블링 단계에서 전문가의 참여가 부족하다. 마지막으로 단순히 탐지하려는 포트홀, 균열 등의 object만을 레이블링하여, 유사한 크기와 모양을 오탐하는 문제가 발생하고 있다. 다양성 측면에서도 도로에서 발생하는 파손의 경우, 다양한 파손의 형태가 있지만 대부분의 파손이 포트홀과 차선 불량 등으로 확인된다. 특히 여름과, 겨울에는 기후변화에 의한 폭우와 폭설로 인하여 최근 다수의 포트홀이 발생하고 있다. 이러한 도로 이상상태는 도시 미관을 해치고 주행 안전성을 저해하기 때문에 빠른 시일 내에 유지보수가 되어야 한다. 이러한 파손들은 교통사고 발생, 사고심각도 증가, 운용 효율성 저하를 일으키기 때문에 이러한 도로 이상 상태를 정의하고 식별에 반영할 필요가 있다. 객체 인식 기술의 발전 방향 도로 위 객체 인식 기술력 향상을 위해서는 전처리 단계에서 영상인식 이전 저화질의 블랙박스 영상을 고화질로 전환할 필요가 있다. 이를 AI 기반의 업스케일링(Upscaling) 기술을 접목하여 인식률 향상이 가능하다. 도로 이상 상태 식별을 위해 딥러닝 모델 사용 시, 학습용 데이터의 해상도가 낮으면 모델이 영상의 특징을 다양하게 학습하지 못하는 정확도 문제점이 따른다. 이에 학습 데이터를 고화질 영상으로 정제하기 위해 딥러닝 기반의 초해상화 기술 적용이 필요하며, 우선적으로 저화질 영상을 고화질로 변환하기 위한 초해상화 알고리즘의 적용이 요구된다. 초해상화 기법으로 SRCNN, SRGAN, ESRGAN, Real-ESRGAN 등의 알고리즘이 있다. SRGAN, ESRGAN 등의 알고리즘에서 사용하는 열화 기법은 단순 Bicubic을 통한 저해상도 이미지를 생성하는 것으로 복잡하고 알 수 없는 열화를 복원할 수 없는 한계점이 있다. Real-ESRGAN은 여러 열화를 중첩하는 High Order Degradation을 통해 복합적 열화에 대한 우수한 성능을 보이는 알고리즘으로 우리가 진행한 연구에서는 Real-ESRGAN 알고리즘을 사용하여 도로 분야에 특화된 초해상화 방식을 선보였다. 그 외에도 검지하고자 하는 object들의 우선순위에 따라 그룹화하고 레이블링하여 인식 정확도 향상이 필요하다. 데이터 수집 및 레이블링 단계부터 도로교통 전문가가 참여하여 레이블링을 수행하고 데이터 증강을 통해 학습 데이터셋을 확보할 필요가 있다. 이러한 현장 적용 시의 검지율 저하를 해결하면, 검지 정확도 향상 외에도 도로상태 정보의 지속적인 수집으로 도로관리에 활용할 수 있는 양질의 데이터셋 증대 효과를 볼 수 있다. 실시간 도로 위험정보 제공, 도로 유지관리 자동화 등 도로교통 분야의 AI기술을 접목 또는 고도화하여 서비스 종류 확대 및 품질 확보가 가능할 것으로 기대된다. 도로교통연구본부 게시일2023-09-26 조회수 64
• 산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 산업시설물 PSA(Probabilistic Safety Analysis)의 필요성 ▲ 이세혁 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 산업시설이란 기업의 생산 활동을 위해 필요한 사회 기반 시설로 과거에는 공업단지로 불렸으나 근래에는 산업시설로 바뀌어 불리고 있다. 우리나라는 1962년 대규모 부지를 요하는 중화학공업 등으로 구성된 울산공업단지를 시초로, 1990년대 이후 소수 전문 인력을 갖춘 첨단·정보산업의 발달로 전국적으로 산업단지가 조성되었다. 다양한 산업시설물 중 중화학공업과 같이 큰 규모를 갖춘 대표적인 곳은 울산과 여수가 있다. 울산미포국가산업단지, 온산공업산업단지에는 아시아 최대 규모의 정유·화학산업단지가 구성되어 있다. 울산산업단지와 나란히 큰 규모를 자랑하는 여수국가산업단지는 석유화학단지 단일 규모로는 세계 1위 규모이며, 산업단지로서도 동양 최대 규모이다. 두 산업단지는 1970년대에 개발이 시작되었고, 최근에는 40년이 넘는 노후 설비 문제가 부각되고 있다. 실제로 200여 건의 크고 작은 폭발 및 화재 사고와 이로 인한 사망사고가 발생하였으며, 여수산업단지의 2021년 산재 신고는 최소 72건으로 파악되고 있다. 산업시설에서 발생하는 재난·재해 사고는 대부분 폭발과 화재이지만, 대규모 두 산업단지 인근인 2016년과 2017년에 발생한 경주·포항지역 지진으로 인해 경각심과 더불어, 특정 업체에서는 자발적으로 시설물 내진 성능 평가를 수행하고 있다. 하지만 이는 일부 움직임이다. 지진 위험도에 관한 많은 연구가 수행되어 온 원자력 발전소와 달리, 산업시설은 지진에 관한 연구가 상대적으로 부족한 실정이다. 지진은 매우 큰 파급력을 가진 자연재해이며, 특히 산업시설에 지진으로 피해가 발생하면 폭발과 화재로 이어지는 연쇄 재해(Na-Tech, Natural Hazard Triggering Technological Disaster) 발생 가능성이 있다. 이는 큰 사회적 재난을 초래할 수 있다. 실제로 1999년 터키에서 발생한 지진으로 산업 시설물에서 탱크 화재가 발생하였으며, 2011년 일본에서도 지진으로 인한 석유화학 탱크 폭발이 발생한 사례가 있다. 이 글에서는 원전 분야의 지진에 대한 확률론적 안정성 평가(PSA, Probabilistic Safety Analysis) 방법을 소개하고, 산업시설물 지진 PSA 기법 개발 현황 및 추후 지진 유발 폭발 및 화재와 같은 연쇄 재해 PSA 평가를 위한 향후 연구 방향성을 간단히 소개하고자 한다. PSA(Probabilistic Safety Analysis) PSA는 미국 EPRI(Electric Power Research Institute)를 중심으로 개발되었으며, 원자력 분야에서는 설계초과지진에 대한 원전 안정성 입증을 위해 필수적으로 수행된다. 원전의 Seismic PSA(SPSA)는 크게 Level 1, 2, 3으로 나누어져 있다. Level 2와 3은 원전 부지 밖의 평가를 수행하는 것이며, Level 1은 노심 파괴 확률 산정이라는 명확한 목적이 있다. 원전의 노심이 파괴될 경우 방사선 유출이라는 심각한 사고를 초래하기 때문에, 이를 대비하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 노심파괴 확률을 평가하는 SPSA를 수행하기 위해서는 원전이 위치한 부지에 대한 지진 재해도를 산정하고, 원전 부지 내 모든 시설 및 설비들에 대한 지진 취약도를 필요로 한다. 원전 시스템을 표현하기 위해서는 ETA(Event Tree Analysis, 사건수목 해석)와 FTA(Fault Tree Analysis, 고장수목 해석)가 사용된다. FTA는 하위 시스템의 모든 설비들의 관계도를 표현하며, ETA는 지진 유발의 하위 시스템 파괴확률을 이용하여 지진 사고 경위 시나리오를 표현한다. 최종적으로, 시스템에 대한 분석과 지진 재해도의 합성곱(Convolution)을 통해 노심의 연 파괴 빈도 확률이 산정되게 되며, 이를 이용하여 원전의 안전성 평가가 이루어진다(그림 1). 산업시설물 PSA 적용 가능성 검토 원전과 달리 산업시설은 그 종류가 다양하며, 가장 큰 차이점은 핵심 설비의 부재이다. 원전의 경우 노심의 안전이라는 최우선 목표가 있지만, 산업시설의 경우 공정에 따라 특성도 다를 뿐만 아니라 핵심 설비 개념이 존재하지 않는다. 즉, 공정 과정의 여러 설비가 동일하게 중요하며, 이러한 이유로 원전 PSA를 바로 적용할 수 없다. 또한, 국가시설인 원전과 달리 산업시설은 민간에서 운영되는 경우가 많으며 내부 사건·사고 또한 폐쇄적인 특성으로 알려져 있지 않기 때문에 사건 수목과 같은 사고 경위 분석이 필요한 경우 적용이 쉽지 않다. 산업시설물을 위한 PSA 기술 개발 산업시설 시스템 리스크 평가를 위해서는 정점 사건의 파괴확률 산정을 목표로 한다. 그 관계를 표현하는 고장수목이 적용하기 쉽고, 정점 사건으로는 다양한 산업시설의 일반적 적용성을 위해 특정 설비의 파괴가 아닌 운영과 관련된 사건(예: 운영 정지)이 적합하다. 정의된 정점 사건에 대한 고장수목 구축을 위해서는 공정 파악이 필수적이며, 이때 PFD(Process Flow Diagram), P&ID(Piping and Instrumentation Diagram) 등을 참고하여 단위·부공정의 기초 설비와 전체 공정의 관계를 파악할 수 있다. 구축된 고장수목은 기초사건에 입력된 설비들의 지진 취약도 정보를 기반으로 파괴확률을 산정할 수 있다. 그러나, 중간 사건에 해당하는 하위시스템의 파괴확률을 산정하거나 특정 하위시스템이 파괴되었을 때의 정점 사건 확률 혹은 관련 기초 설비들의 파괴확률 등을 역으로 산정하기에는 용이하지 않다. 이러한 유연한 의사결정을 수행하기 위해 구축된 고장수목을 베이지안 네트워크(Bayesian Network, BN)로 변환하여 사용한다(Zwirglmaier, 2016). 확률론적 시각 도구인 BN은 2000년대에 들어서 널리 사용되기 시작한 의사결정 방법론으로서, 확률변수 간의 관계를 CPT(Conditional Probability Table)로 정량화하고 이를 통해 모든 변수의 확률을 산정한다. 또한, 특정 변수에 대응하는 사건 정보가 주어졌을 때 주어진 정보에 기반한 다른 변수들의 확률이 재산정되어 그변화를 시각적으로 파악할 수 있는 장점이 있다(그림 2). 그림 3은 설명한 일련의 과정을 나타낸다. 산업시설물 PSA의 미래 방향 앞선 방법론은 대상 산업시설의 공정 프로세스 기반 고장수목 연계 BN 구축 과정을 소개하였다. 이 기법은 운영 정지 시 하위시스템 혹은 설비들의 원인 순위 결정이 가능하며, 이를 통해, 지진 재해 대응안 수립 혹은 보수·보강 우선순위를 결정할 수 있다. 이러한 방법론은 베이지안 네트워크 특성상 기존 원전 PSA보다 유연하며, 향후 지진 유발폭발·화재와 같은 연쇄 재해와 쉽게 연계될 가능성이 있다. 하지만, 원전 설비들의 지진 취약도가 구축되어 온 것과 달리, 다양한 산업시설과 그에 해당하는 많은 설비들의 지진 취약도는 구축되어있지 않은 실정이다. 많은 설비들의 지진 취약도 구축 및 맵핑 기술 개발과 더불어 연쇄 재해연구가 지속된다면 복합 재난재해에 대한 산업시설물의 안전한 미래를 확보할 수 있을 것이다 구조연구본부 게시일2023-09-26 조회수 31
• 제로에너지 건물을 위한 제습 공조 기술 동향 제로에너지 건물을 위한 제습 공조 기술 동향 ▲ 임한솔 KICT 건축에너지연구소 수석연구원 들어가며 제로에너지 건축물 의무화는 2020년부터 본격적으로 시작되었고, 적용 대상과 에너지 자립 수준은 지속적으로 확대되어 갈 예정이다. 이를 위해 건축물의 단열과 기밀성 등 패시브 성능이 고도화되면서 냉난방 및 환기 측면에서 기존 건축물과 다른 특성을 보이고 있다. 기존 건물에서는 패시브 성능이 낮아 주로 온도를 쾌적하게 유지하기 위한 현열 부하위주의 처리가 요구되었다면, 제로에너지 건축물에서는 현열 부하가 크게 줄고 습도에 대한 부하인 잠열 부하는 상대적으로 큰 변화가 없어 기존 건물에 비해 낮은 현열비를 갖는 특성을 갖게 된다. 이에 따라 제로에너지 건축물과 같이 낮은 현열비를 나타내는 건축물에서는 잠열 부하 처리에 특화되고 현열 부하와 잠열부하를 독립적으로 처리할 수 있는 Decoupling(탈동조화) 공조기술 개발이 요구되고 있다. 이 글에서는 Decoupling 공조 기술에서 핵심이 되는 잠열 부하를 처리하는 제습 공조 기술에 대해서 소개하고자 한다. 기존 기술: 응축 제습 가장 보편적인 제습 방법은 냉각코일을 이용해 공기를 노점온도 이하로 냉각시켜 습기를 응축시킴으로써 공기 중에서 제거하는 방법이다. 통상 10°C 미만으로 공기를 냉각시켜야 실내를 제습할 수 있을 정도로 건조한 공기가 조성되므로 제습을 위해 공기를 과냉각한다는 점에서 에너지 비효율적이고 재실자에게 냉방병을 유발할 수 있다. 반면 공조 시스템 구성이 간단해진다는 이점과 기존 건물에서는 현열 부하 위주의 공조가 요구되므로 대부분 응축 제습을 활용하고 있다. 고체식 제습 (데시컨트 로터 고체식 제습은 그림 1과 같이 데시컨트(desiccant) 로터(또는 휠)를 이용한 제습으로 제습 물질(예: 실리카겔 등)이 벌집 모양 채널에 코팅되어 있고 공기가 해당 채널을 지나면서 습기가 제습 물질로 이동하여 제습이 된다. 습기를 머금은 제습 물질은 재생이라는 과정을 통해 재사용이 가능하도록 로터가 모터를 이용해서 회전하면서 재생부 공기에 습기를 버리게 되는데 이를 위해 재생부 공기는 높은 온도(조건에 따라 60~100°C)로 가열되어야 한다. 쉽게 생각해서 젖은 로터를 드라이기로 말린다고 봐도 무방하다. 본 방식은 핵심부품인 로터로 인해 공조 시스템의 크기가 커지고 재생을 위해 고온의 열원이 필요하여 에너지 비효율적일 수 있다. 다만, 열에너지의 경우 건축물에서 버려지는 미활용 열에너지를 최대한 활용할 수 있기 때문에 에너지 효율적으로 개발할수 있는 기회를 갖고 있다. 또한 최근 상대적으로 저온에서도 재생할 수 있는 제습 물질 등이 개발되어 히트펌프의 버려지는 열을 활용하는 방안이 제안되고 있다. 액체식 제습 액체식 제습은 액체의 제습 수용액을 공기에 분사하여 공기의 습기를 제거하는 방식이다. CaCl2, LiCl, LiBr 등의 물질이 사용되며, 그림 2와 같이 제습부와 재생부로 분리되어 있어 고체식 제습과 마찬가지로 습기를 머금은 제습 수용액을 재생부에서 재생하도록 구성되어 있다. 고체식 제습과 비교하였을 때, 저온(30~50°C)에서 재생이 가능하고 액체 수용액의 경우 공기와 비교했을 때 비열이 높고 유로 설계가 용이하여 미활용 열에너지 회수에 더 적합하다. 열교환기 및 분사 노즐의 고도화를 통해 제습 성능을 향상시킬 수 있는 요소가 더 많아 국제적으로 활발하게 연구 개발되고 있다. 멤브레인 제습 멤브레인 제습은 진공펌프를 이용하여 공기 중에서 습기만 빼내는 기술로 그림 3과 같다. 멤브레인 막이 기체 분리막 역할을 해서 각 분자의 투과 속도 차이를 이용하여 수증기를 선택적으로 제거한다. 앞서 설명한 고체/액체식 제습 기술과 달리 제습 과정에서 공기 온도의 변화가 없고, 재생 과정도 필요 없기 때문에 추가적인 에너지 소비가 없다는 특징이 있다. 열에너지를 사용하지 않는 대신 진공펌프의 에너지 성능이 관건이며 현재 기술로는 랩 스케일의 소형 모듈 위주로 연구개발이 이루어지고 있다. 제습 공조 기술의 미래 방향 제습 공조 기술은 다양한 히트펌프 및 신재생 기술과의 융합이 용이해 건물 분야의 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 중요한 기술적 대안이 될 것이다. 제로에너지 건축물 및 그린 리모델링이 활성화되고 있는 시점에서 국내 건축 설비 분야의 추가적인 성장동력이 될 뿐만 아니라 해외시장, 특히 고온다습한 동남아 지역에 빠르게 성장하고 있는 HVAC(heating, ventilating, and air conditioning) 시장을 차별화된 기술로 선점해 대한민국의 K-공조 기술로 큰 역할을 할 것으로 기대한다. 건축에너지연구소 게시일2023-09-26 조회수 39
• 건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 건설 분야에서의 탄소섬유 강화 복합재료 활용 기술 ▲ 윤진영 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 탄소섬유는 철에 비해 무게가 5배 가볍고 강도는 10배 정도 강하다. 또한 탄소섬유는 내충격성, 내열성, 내부식성 등이 뛰어나 항공·우주·방위 산업 등의 고부가가치 복합재료의 핵심소재로 널리 활용되고 있다. 하지만 탄소섬유는 머리카락보다 얇은 5~10 μm 수준의 직경을 가진 수천 개의 실 가닥으로 구성되어 있어, 탄소섬유만으로는 원하는 재료 특성을 얻기 어렵다. 따라서 대부분 경우 탄소섬유와 수지를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 형태로 제작되어 활용된다. 일반적으로 CFRP는 접착력과 물성, 내화학성이 뛰어난 에폭시(epoxy)가 사용된다. CFRP는 가볍고, 강도와 탄성이 우수하며, 내부식성이 뛰어나 보수, 보강, 철근 대체, 콘크리트 보강 등 다양한 목적으로 건설 분야에 활용되어 왔다. CFRP는 판, 시트, 격자, 케이블 등 다양한 형태로 제작되어 활용될 수 있다. CFRP 판과 시트는 손상된 콘크리트 구조물 표면을 정리한 후 에폭시 등을 도포하여 부착하는 형태로 구조물 손상 부위 보수 및 인장력 보강 등의 목적으로 활용할 수 있다(그림 1). 한국건설기술연구원에서 개발한 프리캐스트 TRM 패널은 CFRP를 격자 보강재 형태로 제작한 후 활용하는 기술이다. 얇게 제작한 TRM 패널을 노후 시설물에 부착하여 콘크리트 구조물 보강 목적으로 활용할 수 있다(그림 2). 이외에도 CFRP는 원형봉, 여러 가닥을 꼬은 연선형 등의 케이블로 제작되어 PSC 텐던 목적으로 사용할 수 있다(그림 3). 국내에서는 프리프래그 방식으로 원형봉 형태의 CFRP 제작이 일반적이다(그림 4). 이러한 CFRP 케이블을 PSC 텐던으로 활용할 경우 긴장력 도입이 필요하며, 이를 위한 CFRP 케이블 정착장치 개발이 필요하다. 하지만 CFRP의 취성적인 거동, 복잡한 파괴모드, 섬유방향 외에 열악한 역학적 특성으로 현재 상용화 되어 있는 PS 강재 정착구를 활용할 경우 극히 낮은 하중상태에서 갑작스러운 균열 진전 및 파단이 발생할 수 있다. 이 글에서는 이러한 CFRP 케이블의 재료 특성을 고려하여 PSC 긴장재로 활용하기 위한 연구를 소개하고자 하며, 건설 분야에서의 복합신소재 활용 확대를 유도하고자 한다. CFRP 케이블 정착장치 개발 및 인장 성능 평가 CFRP 케이블을 PSC에 활용하기 위해서는 긴장력 도입을 위한 정착장치 개발이 필수적이다. 따라서 원형봉 형태의 CFRP 케이블에 적합한 정착장치를 개발하기 위해 ACI440.4R의 슬리브 압착 방식을 활용하였다(그림 5). 이때 정착구의 외경, 내경 및 CFRP 케이블의 지름 변화를 분석하기 위해 X-ray CT를 활용하였다(그림 6). X-ray CT는 육안검사가 불가능한 정착구 내 CFRP 케이블을 3차원 이미지로 분석할 수 있는 장점이 있어, CT 결과를 정착구 및 CFRP 케이블 외경 변화와 내부 손상 탐지 목적으로 활용하였다. 압착으로 인한 정착구의 외경 변화는 약 26 mm에서 24 mm 수준이며, 탄소섬유 케이블의 경우 지름이 약 10 mm에서 9.5 mm 수준으로 감소하였다. CT 분석 결과 압착 중 CFRP 케이블에 균열 및 손상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. CFRP 케이블과 정착구의 성능을 평가하기 위해 인장 시험을 진행하였다. 그림 7과 같이 양단의 정착구를 지그로 고정하여 인장 시험을 진행하였으며, 인장강도와 탄성계수는 약 3,000 MPa과 180 GPa 수준으로 확인되었다. CFRP 케이블의 낮은 밀도(1.62 g/cm3)를 고려하였을 때 높은 비강도를 확인할 수 있다. 인장 시험 중 CFRP 케이블의 파단은 중심 부위에서 발생하였으며 정착구의 슬립을 발생하지 않았다. 이러한 성능 평가 결과는 KCL(한국건설생활환경시험연구원) 시험성적서를 통해 인증받았으며, 일본 Tokyo rope사의 CFCC 및 Mitsubishi사의 Leadline 제품보다 우수한 성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다. CFRP 케이블을 활용한 PSC 시험체 제작 CFRP 케이블의 최대 인장강도 대비 40% 수준으로 긴장하여 PSC를 제작하였다(그림 9). 이때 매끄러운 표면의 CFRP 케이블에 옥사이드 코팅 표면처리를 진행하여 콘크리트와 CFRP 케이블 간 부착강도를 확보하였다. CFRP 케이블의 긴장력은 정착구에 유압너트를 고정하여 확보하였다. 긴장력 도입 후 50 MPa급 고강도 콘크리트를 타설하여 PSC 시험체를 제작하였다. PSC 시험체의 구조 성능 시험은 한국건설기술연구원에서 진행하였다(그림 10). 맺음말 첨단 복합재료인 CFRP를 건설분야에 활용함으로써 건설기술의 새로운 도약의 밑거름이 될 수 있다. 하지만 CFRP는 취성적인 특성, 상대적으로 높은 가격, 복잡한 파괴모드 등의 이유로 제한적으로 활용되고 있다. 따라서 본 글에서 소개한 CFRP 케이블 활용 연구 외에도 다양한 연구를 통해 CFRP의 활용 범위를 확대하기 위한 노력이 필요하다. 구조연구본부 게시일2023-08-25 조회수 210
• 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 ▲ 곽태영 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 일반적으로 흙의 색(이하 토색)은 구성 광물, 유기물 함량, 함수비, 이온 농도 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있기에, 흙을 분류하고 특성을 예측하기 위한 기초 지표로 널리 활용돼왔다. 특히 농업 분야에서는 토색에 따라 적합한 영농 형태 및 작물 종류가 달라지는 것에 주목하여, 토색을 대표적인 흙의 분류 지표로 활용한다. 또한 인접한 지역에서 유사한 색을 가지는 흙은 서로 유사한 특성을 가질 가능성이 높아, 토목 분야에서는 지반조사 시 채취된 시료의 색을 시추주상도에 기록한다. 일반적으로 토색은 육안으로 관찰해 결정한다. 그림 1의 먼셀토색첩은 육안으로 관찰된 토색을 객관적으로 구별하기 위해 개발된 것으로, 색을 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma)의 조합으로 나타낸다. 그러나 먼셀토색첩을 활용한 토색 결정방법은 ① 관찰자의 주관이 개입될 가능성이 높고, ② 흙 시료 및 표준색편의 색은 광조건과 같은 환경 조건에 따라 달라지고, ③ 표준색편이 불연속적인 조각으로 나뉘어져 있어 수치적 혹은 통계적인 분석이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 디지털 이미지 기반의 토색 평가기술이 주목받고 있다. 디지털 이미지 프로세싱은 디지털 이미지를 분석해 원하는 정보를 얻는 일련의 과정으로 컴퓨터를 통해 진행되므로 관찰자의 개입 없이 빠르고 객관적인 토색 결정이 가능하다. 또한 토색이 연속적인 값으로 표시되므로 수치적 혹은 통계적인 분석이 가능하다는 장점이 있다. 디지털 이미지 기반 토색 평가기술 개발 현황 여러 연구자는 디지털 이미지 프로세싱을 기반으로 토색을 획득하고, 토색과 흙의 속성정보의 상관관계를 분석하는 연구를 수행하고 있다(Gomez-Robledo 등 2013: Kim, 2020: Moonrungsee 등 2015: Park, 2017: Persson, 2005: Santos 등 2016: Zanetti 등 2015: Zhu 등 2010). 그러나 기존 연구들은 RGB 혹은 Gray 색 강도를 기반으로 토색을 빠르게 판별하고 이를 통해 흙의 속성을 예측하는 성과를 보였지만, 광조건이 일정한 실내 스튜디오에서 촬영된 이미지를 바탕으로 수행되었다는 한계가 있었다. 색 발현 원리에 따라 입사광이 달라지면 토색도 달라지기 때문에, 상기 연구들과 다른 광조건에서 촬영된 이미지 혹은 광조건의 통제가 불가능한 실제 현장에서는 연구 결과를 적용하기 어려웠다. 즉, 기존 연구는 디지털 이미지 기반 토색 평가의 가능성을 확인했다는 의의는 있지만 현장 적용성이 떨어지는 실험실 수준에 머물러 있다는 점에서 명확하게 한계점이 존재하는 실정이다. 광조건의 변화에 따른 토색의 변화 그림 2는 자연광을 모사한 광조건 하에서 촬영된 안성 지역의 풍화토의 디지털 이미지를 나타낸다. 일정하게 조성된 흙 시료를 동일한 카메라 설정값을 적용해 촬영했음에도 조명의 색온도(Color temperature) 및 조도(Illuminance)에 따라 이미지상으로 표출되는 토색은 완전히 달랐다. 색온도는 광원의 색을 절대온도(K)를 이용해 표시한 것으로 붉은색 계열의 광원일수록 색온도가 낮고 푸른색 계열의 광원일수록 색온도가 높다. 광원의 조도는 특정한 면이 받는 빛의 세기를 나타내는 값으로 조도가 높아질수록 광원이 밝아진다. 토색도 색온도 및 조도에 따른 광원의 변화와 동일한 경향을 보였다. 조명에 따라 토색이 변화하는 현상은 앞서 언급했던 현장 적용이 불가능한 기존 연구들의 한계를 확실하게 보여준다. 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 기반 토색 분석 방법이 개발된다면, 연구 결과의 범용성 및 현장 적용성을 한층 더 강화할 수 있을 것으로 판단된다. 디지털 이미지 프로세싱 기반 토색 분석 기술 개발 색 표시계(color system)란 색을 수치적으로 표시하는 방법으로, 특정한 색을 색 공간(color space) 상의 한 점으로 나타낸다. 색 공간을 정의하는 방식은 색 표시계에 따라 매우 다양한데 대표적으로 RGB, HSV, CIEXYZ, CIExyY, CIELAB, CIELUV 등이 있다(Billmeyer and Saltzman, 1981). 다양한 색 표시계 중, 본 연구에서는 토색 분석을 위해 두 가지 색 표시계(RGB, CIELAB)를 활용하였다. RGB 색 표시계는 디지털 카메라와 같은 전자장비에서 가장 널리 사용되는 방식으로 빛의 삼원색인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)을 이용해 색을 표현하는 방식이다. RGB 색 표시계는 간편한 방식(RGB 세 가지 색상의 조합)으로 대부분의 색을 재현할 수 있다는 장점이 있지만, 인간이 인식할 수 있는 모든 색상을 표현할 수 있는 것은 아니다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해 CIE는 CIEXYZ 색 표시계를 기반으로 CIELAB 색 표시계를 제안했다(CIE, 1978). CIELAB 색 표시계에서는 색을 L*, a*, b*의 조합으로 표현하는데, L*는 0(어두움)에서 100(밝음)까지로 표시되는 색의 밝기를 나타낸다. 또한 a*와 b*는 색상값으로, a*는 빨강(양수)과 초록(음수) 중 어느쪽에 가까운지를, b*는 노랑(양수)과 파랑(음수) 중 어느 쪽에 가까운지를 나타낸다. 디지털 이미지 기반의 토색 분석을 위한 색 표시계 기존 연구들의 문제점을 극복하기 위해서, 한국건설기술연구원에서는 현장의 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 프로세싱 기반 토색 분석 기술을 개발하였다. 그림 3과 같이 자연광의 특성을 모사할 수 있는 디지털 이미지 촬영 스튜디오를 구축하고, 다양한 흙 시료(하나의 실리카 계열 모래 및 네 가지 지역에서 채취한 풍화토)를 대상으로 광조건을 바꿔가며 디지털 이미지를 촬영했다. 촬영된 시료 이미지를 바탕으로 디지털 이미지 프로세싱을 수행해 토색을 다양한 색 표시계(RGB, CIELAB)에 대해 추출 및 분석하였다. RGB 색 표시계 기반의 토색 분석 결과, 조명의 조도가 증가할수록 토색(R, G, B)이 증가했다. RGB 중 밝기와 가장 상관성이 높다고 알려진 초록(G)의 경우 조도와 상관성이 매우 높았으나, 빨강(R) 및 파랑(B)은 색온도의 영향으로 비교적 낮은 상관관계를 보였다. RGB 색 표시계로 표시되는 토색은 조명의 조도 및 색온도 모두에게 일정 부분 영향을 받으므로, 이를 통해 광조건의 영향을 배제(혹은 보정)하기는 어려울 것으로 판단되었다. CIELAB 색 표시계 기반의 토색 분석 결과, L*는 조도에만 a*와 b*는 색온도에만 영향을 받으며 상관성도 높았다. 이는 L*는 색의 밝기를 나타내고 a*와 b*는 색상을 나타내는 지표이기 때문으로 판단된다. CIELAB 색 표시계를 기반으로 L*와 조도, a*, b*와 색온도의 관계를 분석한 결과를 토대로 다음과 같은 광조건 변화에 따른 토색 보정 식을 제안하였다. 여기서, I와 T는 각각 흙이 받는 빛의 조도와 색온도를 의미한다. aL과 fL은 각각 토색의 L* 값과 조도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을, aa과 fa는 각각 토색의 a* 값과 색온도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을, ab과 fb는 각각 토색의 b* 값과 색온도 간 선형회귀식의 기울기와 절편을 의미한다. 건조된 흙의 경우, 시료의 종류에 관계없이 식 (1)～(3)의 기울기(i.e., aL, aa, ab)가 유사함을 확인하였으며, 최종적으로 다음과 같은 보정식을 제안하였다. 제안된 방법을 통해, 임의의 광조건에서 촬영된 흙 시료의 토색을 원하는 광조건에서의 토색으로 보정할 수 있다. 보다 상세한 보정 과정은 Baek 등(2023)에 기술되어 있다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 현장의 불규칙한 광조건을 고려할 수 있는 디지털 이미지 기반 토색 분석기술을 개발 중이다. 촬영된 이미지 분석 결과가 보여주듯이, CIELAB 색 표시계를 기반으로 불규칙한 광조건이 토색에 미치는 영향을 배제(혹은 보정)할 수 있을 것으로 보인다. 건조된 흙 시료에 대한 분석 결과를 토대로 광조건 보정식을 제안하였으며, 현재는 물이 포함된 흙 시료에 대한 분석이 진행되고 있다. 물이 포함된불포화토에 대한 분석까지 완료된다면, 현장에서 촬영된 흙의 디지털 이미지를 바탕으로 함수비 여부와 관계없이 토색을 손쉽고 빠르게 획득하여 통계적 분석이 가능해질 것이다. 지반연구본부 게시일2023-08-25 조회수 137
• 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 ▲ 박윤경 KICT 환경연구본부 수석연구원 기후변화로 인한 도시 물순환 문제 심화 홍수, 가뭄과 같은 물순환 문제는 예전부터 발생하고 있지만, 최근에는 규모가 커지고 빈도가 증가하고 있다. 2022년 한 해 동안 세계 곳곳에서는 홍수와 가뭄으로 인한 피해가 증가하였다. 유럽 전역과 미국 서부에서는 폭염과 가뭄이 일어났지만, 파키스탄에서는 같은 해 6월에 시작된 장마로 국토의 3분의 1이 물에 잠겼으며, 약 3,300만 명이 넘는 이재민이 발생하였다. 호주 뉴사우스웨일스주 역시 호우로 인해 도로와 집이 침수되어 수만 명에 달하는 이재민이 발생한 것으로 조사되었다. 우리나라 역시 기후변화로 인해 홍수 및 가뭄피해가 심화되고 있다. 서울을 비롯한 중부지방에는 기록적인 강우로 인해 침수 피해가 발생하였으며, 호남권에서는 가뭄으로 인해 물 부족 문제가 발생하여 제한 급수를 실시하고 가뭄피해를 최소화하기 위한 다양한 노력을 추진하였다. 이처럼 기후변화로 도심지에 다양한 물순환 문제가 발생함에 따라 사람들의 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 네이버 검색 트렌드에 따르면 기후변화에 대한 키워드가 꾸준히 검색되었으며, 2019년 말 이후부터는 ‘기후위기’라는 키워드가 등장하여 최근에는 ‘기후변화’와 검색량이 비슷한 수준으로 증가한 것을 알 수 있다(그림 1). 많은 사람이 기후위기에 관심을 가지는 만큼 이에 대응하기 위한 다양한 노력과 연구들이 수행되고 있다. 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 기후위기로 인한 물순환 문제가 심화되기 이전에는 도시화로 인해 교란된 도시 물순환 문제를 해결하기 위한 정책과 연구들이 수행되고 있다. 도시화로 인해 불투수율이 높아지면서 빗물이 토양으로 침투되거나 저류되는 것을 막아 강우유출수 양이 증가하고 하수도 및 하수처리의 부하 증가, 비점오염물질의 하천 유입이 증가하는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기술이 적용될 수 있다. LID 요소기술은 도시화 이전의 물순환 상태로 최대한 가깝게 만들기 위한 것으로서 옥상녹화, 식생체류지, 식생수로, 나무여과상자, 투수성포장, 침투통, 침투측구 등의 기술이 도시 곳곳에 적용된다(그림 2).도시화로 인한 영향을 포함하여 기후위기 속에서 지속가능한 도시 조성을 위해서는 자연기반해법(Natural-based Solution, NbS)의 개념에서 도시 물순환 관리를 수행할 필요가 있다. NbS는 생태계를 보호하고 지속가능하게 관리 및 복원을 통해 기후변화, 식량, 물 재해위험, 건강, 생물다양성 등 사회문제를 효과적으로 해결하고자 하는 개념으로서 구조적, 비구조적 대책이 모두 적용될 수 있다. 도시 물순환 관리 측면에서 NbS는 강우유출지점에서 적극적인 저류·관리 및 용도에 적합하게 이용할 수 있는 기술이 적용되는 것을 고려할 수 있다. 앞서 도시화의 영향을 최소화하기 위해 적용되는 LID 기술을 포함하여 도시계획단계에서 배수시스템과 직접적으로 연결된 불투수 면적을 최소화하고, 강우유출수를 분산 배수시킬 수 있도록 하는 방안 등이 포함될 수 있다. 기후위기로 인해 발생하는 도시 물순환 문제, 특히나 홍수, 가뭄에 대응하기 위한 방안을 NbS 관점에서도 탐색할 필요가 있다. 인구가 과밀화된 대도시에는 물순환 관리를 위한 새로운 공간을 확보하는 것이 사실상 불가능에 가깝다. 따라서 기존에 구성된 도시 인프라를 활용할 수 있는 비구조적 방안 마련이 필요하다. 또한 기후위기로 인해 발생하는 물순환 문제는 특정 재해 하나로 발생하는 것이 아니라 동시 복합적으로 발생하기 때문에 유기적인 관점에서 방안 마련을 탐색할 필요가 있다. 홍수에 대응하기 위해서는 갑자기 불어난 빗물을 저류할 수 있는 공간을 마련하는 것이, 가뭄의 대응 방안으로는 수돗물을 대신할 수 있는 수자원의 확보가 중요하다. 즉, 빗물을 저류할 수 있는 공간 확보를 비롯하여 빗물이 토양으로 침투 및 저류할 수 있는 방안을 적용하여 홍수에 대비하고, 저류된 물을 다양한 곳에서 활용할 수 있는 방안을 통해 가뭄에 대비할 수 있다. 기존 도시 인프라를 활용한 도시 물순환 관리 도시 내에서 빗물을 저류할 수 있는 공간으로는 빗물이용시설, 하수저류시설, 비점오염저감시설, 우수유출저감시설이 존재한다. 해당 시설들은 설치 목적이 서로 다르나 빗물을 일시 저류한 뒤 방류하는 시설들이다. 해당 시설로 유입되는 빗물의 양을 산정하고, 이를 얼마나 활용할 수 있는지 이용률을 적용한다면 개략적인 빗물 이용잠재량을 확인할 수 있다. 이를 위해 서울 기상관측지점의 최근 10년 일 강우자료(2012~2021)를 활용하여 전국에 위치한 빗물이용시설, 하수저류시설, 우수유출저감시설, 비점오염저감시설 1,416개를 대상으로 빗물 이용잠재량을 확인하였다. 이 때, 저류조를 활용할 수 있는 기간은 홍수기(6월 21일~9월 20일)와 동절기(12월~2월)를 제외한 나머지 기간으로 일 년에 173일을 사용할 수 있는 것으로 가정하였다(그림 3). 빗물이용잠재량 분석 결과, 빗물저류시설 1,416개에 유입된 빗물을 전량(이용률 100%)을 활용한다면 연간 약 1억 8천만㎥ 용수를 확보할 수 있는 것으로 산정되었다(표 1). 이는 2020년 서울시 6개 자치구(종로구, 중구, 용산구, 성동구, 광진구, 동대문구)의 연간 상수도 사용량과 비슷한 양이다. 그러나 빗물저류시설로 유입되는 빗물을 전량 이용하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 현실적이고 정확한 이용량을 파악하기 위해서는 저류된 빗물을 활용하고자 하는 수요처 및 강우-유출-필요수량- 이용가능량을 연계한 물수지 분석의 수행이 필요하다. 뿐만아니라 도시 내 빗물저류시설을 다목적으로 활용하기 위해서는 제도적 정비도 함께 이루어져야 할 것이다. 실제로 빗물이용시설 이외에 나머지 시설의 설치 목적은 치수 또는 수질관리를 목적이기 때문에 기존의 운영관리로는 시설을 다목적으로 활용하는 것이 적절치 않다. 치수 목적으로 하수저류시설을 운영할 때, 평상시에는 5시간 이내에 저류조를 비워야 하며 홍수기에는 1시간 이내에 저류조를 완전히 비우는 것을 하수저류시설 설치 및 운영관리 매뉴얼에서 명시하고 있다. 우수유출저감시설은 과거의 설계 빈도 이하 또는 하천의 계획빈도에 따라서 방류규모를 결정하며, 비점오염저감시설은 발생 강우 1일에서 3일 후에 강제적으로 저류된 빗물을 배수하는 것으로 시설을 운영하고 있다. 따라서 기존에 시설이 목적하는 바를 훼손하지 않고 저류조를 이용할 수 있는 방안에 대한 검토도 함께 수행되어야 할 것이다. 도시 내 위치한 빗물저류시설은 기후위기에 대응하기 위한 잠재성을 충분히 가지고 있으나, 이를 현실적으로 활용하기 위해서는 강우 유출-이용량을 연계한 분석, 수질 분석, 제도 정비 등의 추가적인 노력이 필요하다. 그러나 기후위기에 대응하고 지속가능한 사회를 만들기 위해서는 NbS 개념에서의 도시 물순환 관리가 반드시 이루어져야 할 것이다. 참고자료 환경부 (2013) 하수저류시설 설치 및 운영관리 매뉴얼 행정안전부 (2018) 우수유출저감시설의 종류·구조·설치 및 유지관리 기준 환경부 (2020) 비점오염저감시설의 설치 및 관리·운영 매뉴얼 환경연구본부 게시일2023-08-25 조회수 219
• 시설물 유지관리 분야 인공지능 연구동향 시설물 유지관리 분야 인공지능 연구동향 ▲ 원지선 KICT 미래스마트건설연구본부 수석연구원 들어가며 전 세계 건설 분야 인공지능(이하 AI, Artificial Intelligence) 시장의 연평균 성장률은 35%로 2023년 2조 3,300억 원까지 성장할 것으로 예측되며(Market Research Future, 2020), 국내 AI 시장은 2021년부터 5년간 연평균 성장률은 15.1%로 2025년까지 1조 9,000억 원 규모에 이를 전망이다(IDC Korea, 2022). 최근 건설업계에서는 설계, 시공, 유지관리에 걸쳐 이미 다양한 AI 기술을 도입하였거나 도입을 적극적으로 고려하고 있으며, AI의 도입은 공사 기간 단축, 공사비 절감, 안전성 향상, 품질 향상 등의 긍정적 효과를 나타내고 있다(Lee, 2020). AI 도입과 활용은 기업 경쟁력 강화를 위해 선택이 아닌 필수 전략으로 인식되고 있으며, 국가 차원에서도 건설 AI 기술 경쟁력 확보를 위해 공공의 역할에 맞는 AI 연구전략과 방향 설정이 필요한 시기이다. 이 글에서는 시설물 유지관리 분야의 미래 AI 연구방향 설정과 대비를 위해 수행한 연구(Won et al., 2022)의 일부를 숫자와 사례 중심으로 소개하고자 한다. 숫자로 보는 AI 연구 동향 최근 5년간(2016~2021년) 시설물 유지관리 분야의 AI 기술 개발 관련 논문과 보고서 등 33개의 문헌을 수집하여 41개의 AI 적용사례를 분석해보았다. 문헌 수집 시 ‘인공지능’, ‘유지관리’, ‘기계학습’, ‘머신러닝’, ‘딥 러닝’ 등을 기본 검색 키워드로 활용하였으며, 연구에 많이 활용되는 합성곱 신경망을 비롯한 다양한 모델명을 추가 활용하였다. 수집된 41개의 AI 적용사례를 대상으로 총 4가지 관점(1. AI 활용목적, 2.대상 시설, 3. 수집 원시 데이터, 4. 학습데이터 유형)에서 연구 동향을 분석하였다. AI 활용목적 관점에서 문헌을 분석한 결과, AI 기술을 유지관리 업무에 직접 활용하는 유형과 학습용 데이터를 수집, 가공하는 중간 단계에서 활용하는 유형으로 구분되었다. 유지관리 업무에 직접 활용하는 연구의 영역은 세부적으로 점검진단, 상시 계측, 보수보강, 노후도 예측으로 구분되었다. 연구가 활발한 영역은 점검진단(62%), AI 학습용 데이터 구축(17%), 상시계측(7%), 보수보강(7%), 노후도 예측(7%) 순이며, 5가지 AI 활용목적에 대한 연구현황을 요약하면 다음과 같다. 1. [점검진단] 점검진단을 위한 AI 적용은 시설물 점검 사진을 활용한 균열 감지 등 손상탐지에 관련된 연구가 주를 이룬다. 지자체와 공사·공단은 점검자가 접근하기 어려운 접근취약부 점검에 드론과 로봇 등 무인 이동체를 활용한 점검 자동화 기술을 도입하는 추세이다. 콘크리트 균열 탐지 중심의 분류모델 개발이 가장 많으며, 균열 외 손상 유형을 추가 하거나 손상 위치와 크기, 면적을정량화하는 기술로 확대되고 있다. 2. [보수보강] 보수보강을 위한 AI 적용은 보수보강 데이터를 학습시켜 유지관리 공법과 비용을 예측하기 위한 목적과 외관 조사망도의 시계열 축적 이미지를 활용하여 기준치를 초과한 보수시기를 예측하기 위한 목적으로 연구가 수행되고 있다. 3. [상시 계측] 상시 계측을 위한 AI 적용은 시설물의 상태 변화를 예측하고 실시간 결함을 탐지하여 대응하는 연구가 주를 이루며 가속도 센서 데이터, IoT 센서 데이터로 손상 위치나 계측 이상치를 탐지하여 성능변화와 위험도를 관리하기 위한 목적으로 연구가 수행되고 있다. 4. [노후도 예측] 노후도 예측을 위한 AI 적용은 콘크리트 열화모델을 생성하거나 가속도 데이터 및 건전성 데이터 기반으로 잔존 수명을 추정하고 예방적 유지관리에 활용하기 위한 연구가 주를 이룬다. 5. [학습용 데이터 구축] 학습용 데이터 구축을 위한 AI 적용은 가속도 데이터, 균열 이미지 등 부족한 학습용 데이터를 생성하거나 저해상도 이미지를 고해상도로 개선하기 위한 목적으로 데이터 수집, 가공단계에서 연구가 수행되고 있다. AI 적용 연구의 대상 시설은 교량(58%), 콘크리트 구조물(22%), 도로포장/노면 중심의 도로시설(15%), 건축물(5%) 순이었으며, 학습용 데이터 유형 관점에서 이미지(56%)가 텍스트(44%)보다 많이 차지했다. 수집된 원시 데이터에서 텍스트 데이터의 세부 유형은 장비로부터 측정된 계측 데이터, 시스템의 데이터베이스로부터 획득한 DB 데이터, 점검 보고서와 같은 문서 형태 순으로 활용된 것으로 파악했다. 데이터 수집 방식을 명시한 33개의 문헌 중, 보유 데이터를 활용한 경우는 5건(15%), 공개 데이터를 활용한 경우는 9건(27%), 계측과 크롤링 등으로 직접 수집한 경우는 19건(58%)으로 파악되었다. 사례로 보는 AI 연구동향 점검진단, 보수보강, 상시 계측, 노후도 예측과 관련된 34개의 선행 연구사례 분석을 통해 파악한 유지관리 세부 업무유형별 주된 연구현황, 활용목적, 활용 데이터와 대표적인 연구사례를 소개한다. 맺음말 시설물 유지관리 분야의 AI 연구 동향을 숫자와 사례를 통해 살펴보았다. AI 적용업무 관점에서 보면, 점검진단 영역은 유지관리 분야 중 연구가 가장 활발하고 기술 성숙도가 높은 영역으로 육안 점검이 어렵고 접근이 위험한 시설 중심으로 AI 도입이 가속화되고 기술 수요가 증가할 것으로 예상된다. 또한, 국내 시설물 유지관리 기술이 노후화 대응과 관련된 선제적·예방적 유지관리 체계로 전환되는 추세에 따라 노후도 예측을 위한 AI 연구가 더욱 요구될 것으로 기대된다. 데이터 관점에서 보면, 현재 이미지 기반 연구가 가장 활발하며, 계측장비를 통해 취득한 텍스트 기반 연구가 활발한 편이다. 최근 자연어 처리 기술이 발전함에 따라 점검보고서 등 건설문서를 활용한 텍스트 기반 연구도 확대될 것으로 기대된다. 많은 문헌에서 연구의 한계점으로 AI 학습용 데이터의 부족을 언급하고 있으며, 이는 AI 성능확보에 큰영향을 끼치므로 앞으로 유지관리 분야에 특화된 AI 학습용 데이터셋 구축 및 품질과 관련된 연구가 중요해질 것으로 예상된다. 미래스마트건설연구본부 게시일2023-07-29 조회수 443
• 건설연, 캄보디아에 앙코르 유적 복원 기술 지원 건설연, 캄보디아에 앙코르 유적 복원 기술 지원 - 앙코르 유적 복원 관련 지반보강 및 지표 배수 개선 기술 지원 - 캄보디아 압사라청(APSARA National Authority) 직원 대상 현지 역량 강화 교육 캄보디아에서 관광 산업은 국내 총생산(GDP)의 약 12%를 차지할 정도로 중요한 분야이다. 2019년 기준 매년 660만 명 이상의 외국인 관광객들이 캄보디아를 방문한다. 이에 유네스코와 캄보디아 정부는 고대도시 앙코르 유적 보존 및 복원 프로젝트를 지속적으로 추진 중이다.코끼리 테라스는 캄보디아 앙코르 유적 내에 있는 300m에 달하는 규모로 코끼리 부조가 있는 석조 구조물이다. 과거 크메르 제국의 왕들이 공식 행사를 진행하였다고 알려져 있다. 앙코르 유적은 우기일 때 유적지의 배수가 원활하지 않고, 점토질 모래층이 두껍게 분포해 있다. 점토질 모래층은 암석의 풍화로 생긴 풍화토에 비해 점성이 있고, 단단하지 못해 하중을 잘 견딜 수 없는 특징이 있다. 따라서 우기에는 코끼리 테라스 구조물이 불규칙적으로 침하하는 현상이 반복적으로 발생하고, 이에 따라 구조물이 기울 수 있어 문화유산 복원공사가 필요한 상황이었다. 이에 KICT는 기술적 대안 제시를 위해 KOICA 무상원조 ODA 사업에 공동수행기관 자격으로 참여하여 프레아피투 사원과 코끼리 테라스 보존 및 복원 사업을 진행 중이다. KICT 지반연구본부 정재형 박사와 이광우 박사 연구팀은 주요 기술 중 지반 및 지하수 처리 분야에 참여하고 있다. 연구팀에서는 유적지의 지질 및 지층 분포상태를 조사하고 지반 안정성을 평가하여 기울어진 구조물의 보강방안을 제시하였다. 또한, 지하수위계 및 강우량계를 설치하여 시간 흐름에 따른 강우량과 지하수위를 파악하여 합리적인 지표 배수 체계를 제시하였다. KICT는 유적지라는 특성을 고려하여 지반 비파괴 탐사법을 주로 이용하였으며, 구체적으로는 전기비저항탐사 기법과 지표투과레이더 기법을 활용하였다. 전기비저항 탐사 기법은 인공적으로 지하에 전류를 흘려주고, 이때 발생한 전위를 측정하여 지하의 전기저항 분포를 알아내어 지반 상태를 추정하는 방식을 말한다. 지표투과 레이더 기법은 지하에 탄성파를 발사하고 그 반사되는 파를 분석하여 지반의 상태를 추정하는 방식이다. 또한, 효과적인 지반보강 방안을 찾기 위하여 기초지반의 지지력 및 침하량을 파악할 수 있는 동적콘관입시험(DCPT, Dynamic Cone Penetration Test)을 적용하였다. 동적콘관입시험이란 강철봉 앞에 원추형 시험체를 붙여 일정한 깊이를 관입하는 데 필요한 해머 타격 횟수로 지반 저항을 측정하는 방식을 말한다. 시추조사와 달리 구멍을 뚫지 않고 기초지반의 지지력을 확인할 수 있다는 장점이 있어 본 사업에서 활용되었다. KICT는 캄보디아 압사라청 및 산하기관 직원 15명을 대상으로 지난 1월 31일부터 2월 2일까지 캄보디아 현지에서 복원 사업에 필요한 역량 강화 기술 교육을 진행하였다. 역량 강화 교육에서는 지반 조사 및 지하수 현황 파악에 관한 실용 기술을 중심으로 이론, 현장 실습, 토론 등이 이루어졌다. 건설산업진흥본부 게시일2023-07-29 조회수 128
• 강우레이더를 이용한 침수 및 홍수위험도 산정 강우레이더를 이용한 침수 및 홍수위험도 산정 ▲ 강나래 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 들어가며 최근 호우의 발생빈도가 증가하고 있으며, 도시 지역의 호우는 돌발적이고 국지적인 특성이 있어 인명과 재산 피해 역시 증가하고 있다. 이러한 집중호우 및 태풍 등 위험 기상 현상으로 인해 도시 지역 홍수 피해가 증가하면서 각종 언론에서는 그 원인으로 기후변화를 지목했고 앞으로 피해가 심각해질 수 있음을 경고하고 있다. 그뿐만 아니라 홍수 예보가 시행되고 있는 대하천 이외의 중상류 및 소하천에서 홍수 규모가 점차 커지고 그 피해가 늘면서 우려가 커지고 있다. 우리나라에서는 홍수 피해를 줄이고 조기에 대응하기 위해 기상 및 하천의 상황을 고려하여 홍수예보를 시행하고 있는데 중요도가 높고 관측자료가 수집되는 국가하천 위주의 정보 제공이 이루어지고 있다. 따라서 미계측 지역인 중소하천이나 그 밖의 하천 등 현행 홍수 예측정보가 제공하지 못하는 공백 영역에 대한 전국 단위 홍수예보 체계 마련이 필요하다. 중소하천(그 밖의 하천)은 단시간 내에 사태가 급변한다. 상류역에 내린 비가 하천에 모이기까지 시간이 짧으므로 단시간 내에 급격한 수위 상승이 일어나기 쉬운 특징이 있다. 실제로 급격한 증수가 일어나기 전 단계부터 우량 예측, 현장 정보를 조기에 입수해 발 빠른 피난에 유념하는 것이 중요하다. 또한 도시 지역에서 국지성호우에 의한 홍수는 예고 없이 빠르게 발생하고 시·공간적으로 빈번하게 발생함으로써 인명과 재산 피해를 증가시킨다. 결국 중소하천과 도시 지역의 성공적인 홍수 관리는 얼마나 빠르고, 세밀하게 관측할 수 있느냐가 관건이라고 할 수있다. 이러한 이유로 강우레이더를 활용한 강우·홍수 예측 및 모니터링에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 강우레이더 기반의 위험도 예측 강우레이더는 넓은 지역에 걸쳐 실시간으로 강우 현상 감시가 가능하며 기존 지상 우량계 관측망이 제공하지 못하는 미계측 유역을 통과하는 강우장을 확인할 수 있다. 강우의 분포 및 이동을 이미지화함으로써 큰 비가 내리고 있는 지역의 파악이 가능한데 강우레이더로 개략적으로 비가 내리고 있는 지역을 파악할 수는 있지만 반드시 그 정보가 그곳의 재해 발생 여부와 일치한다고 보기 어렵다. 지금까지의 대부분의 연구에서는 홍수 위험성을 평가하기 위해서 유역 단위로 내린 강수, 즉 내린 비의 양(동적 요인)에 집중하였다. 그러나 정확하게 홍수 재해를 예측하기 위해서는 내린 비의 양뿐만 아니라 내린 비가 토지 조건, 토지이용, 경사(정적 요인) 등 주변 조건에 의해 어떠한 방향으로 변화되거나 확대되는지 파악이 필요하다(그림 1). 일본 기상청에서는 이처럼 종래의 우량 중심의 홍수 위험 예측을 대신해 재해 발생과 상관관계가 높고 전국의 공백없는 위험 정보 제공을 위해 강우레이더 기반의 ‘위험도 지수’ 체계를 도입하였다. 홍수 재해를 초래하는 현상에 대하여 내린 비의 양에만 집중하는 것이 아니라 내린 비가 토지 조건과 같은 재해의 발생과 관련된 잠재적인 환경 요인의 영향으로 어떻게 변화하는가에 주목하여 강우의 지하 침투나 하천 유출 등의 프로세스를 모식화한 것이다. 이를 통해 각각의 재해 위험 수준을 지수화하여 시각적으로 변화를 확인할수 있는 ‘위험도 지수’를 제공한다. 그 결과 기존의 우량 기반의 예측에 비해 재해와의 연관성이 강해졌고. 호우 홍수예보의 정밀도 향상으로 이어졌다. 이 글에서는 현재 국내에서 개발 중인 강우레이더 관측망으로부터 생산된 격자 기반의 관측 및 예측강수량을 이용하여 도시 지역과 중소하천 유역의 침수·홍수위험을 정밀히 예측할 수 있는 지수를 간략히 소개하고자 한다. 침수위험도 지수 침수위험도 지수는 단시간의 강한 강우에 의한 침수위험도의 증가를 파악하기 위한 지표이다. 내린 비가 지표면에서 얼마나 고여 있는가를 지면의 피복 상황이나 지질, 지형 경사 등을 고려해 계산함으로써 침수위험도의 증가를 지수화한 것이다. 전국을 1 km 격자로 나누어 각각의 영역에서 두 종류의 탱크 모델을 사용하며, 지표면 피복 상황과 지질, 지형 경사도 등을 고려하여 위험도를 수치화한다(그림 2). 침수위험도 지수는 도시 지역의 내수 범람 형태의 재해를 대상으로 하나 배수시설에 대한 자세한 입력 정보를 이용하지 않아도 적용 가능하기 때문에 전국 어느 지역에서도 적용 가능하며 실용적인 정밀도를 가진다. 홍수위험도 지수 홍수위험도 지수는 하천의 상류역에 내린 강우로 인해 하류대상 지점의 홍수위험도가 얼마나 높아지는가를 파악하기 위한 지표이다. 그림 3과 같이 전국의 하천유로, 유역, 지리(지형·지질), 토지 이용 정보를 토대로 상류역에 내린 비가 지표면이나 땅속을 통과해 하천으로 유출되는 과정(유출과정)과 하천에 흘러 들어간 물이 하류로 흐르는 과정(유하과정)을 고려하여 1 km 격자의 해상도로 지방하천 내 임의의 하천 및 지점의 수량을 계산함으로써 홍수위험도의 증가를 지수화한 것이다. 홍수위험도 지수는 과거 몇 년에 걸친 홍수 재해 사례를 대상으로 재해 발생의 유무에 대한 대응 관계를 구할 수 있고 예측 자료를 사용해 수 시간 앞을 예측할 수 있으며 수위 및 유량을 관측하지 않는 하천을 포함한 전국의 모든 하천에 적용할 수 있다. 침수 및 홍수위험도 지수의 활용 앞서 소개된 두 지수는 재해 대응과 관련해 상관성이 높은 지수지만 어디까지나 상대적인 위험도를 나타내는 것으로 지수의 크기만 가지고 재해 발생 우려를 직접 판단하기는 불가능 하다. 재해 발생 우려는 과거 재해 실적을 근거로 설정한 ‘기준’과 비교하여 판단할 필요가 있다. 이는 과거의 재해와 비교함으로써 기준치를 설정할 때 결과적으로 기준치에 반영되기 때문에 지수값 그 자체만을 이용하는 것이 아닌 경보 등 기준에 의한 판정 결과와 세트로 활용한다면 유용한 정보를 제공 할 수 있으리라 생각한다. 지금까지 소개한 강우레이더 기반 침수 및 홍수 예측 기술은 침수 위험지역을 더욱 구체적으로 좁히고 홍수정보 제공의 범위를 중소하천 유역 및 도시 지역까지 확대하였다. 미계측 유역에 대한 홍수정보를 제공함으로써 지역 주민의 안전을 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 수자원하천연구본부 게시일2023-07-29 조회수 257
• 수소도시 조성을 향한 첫걸음! 수소도시 조성을 향한 첫걸음! ▲ 수소인프라클러스터 - 지상 설치보다 면적 30% 축소, 시설의 종합 위험도 50% 감소 한국건설기술연구원은 수소도시 기반 시설의 지하화가 가능한 설계기술을 개발했다. 건설 분야에서 수소기반시설 구축은 탄소중립 달성을 위한 핵심 영역이다. 이를 위해서는 수소의 생산, 공급, 활용을 담당하는 기반시설의 건설기술 개발이 필요하다. 특히 수소 인수기지, 수소공급 허브스테이션, 수소 거점기지는 대용량의 수소공급을 위한 핵심 시설이다. 산업통상자원부에서 발표한 「수소경제 활성화 로드맵(2019년)」과 「제1차 수소경제 이행 기본계획(2022년)」을 실현하기 위해서는 수소 공급시설(수소의 이송, 저장, 분배를 위한 시설)의 확충이 필요하다. 수소는 넓은 가연 범위(4%~75%)를 가지고 있어, 수소 공급시설은 폭발에 대한 위험성을 항상 내재하고 있다. 따라서 저장시설의 안전성 및 수용성 확보가 가장 먼저 해결되어야 한다. 국내의 경우 국토 공간의 유한성과 고밀화된 도시 개발로 인해 지상 공간 확보에 어려움이 있고, 인접 주민 및 이해 관계자로부터 민원 발생의 우려가 있다. 이에 KICT 수소인프라클러스터 연구팀은 수소 저장시설의 지하화에 필요한 지상-지하 입체화 방호구조 안전성 설계기술을 개발했다. 개발된 기술은 지하 깊이별 조건에 따라 방호구조 두께가 다르게 적정 기본하중 설계를 할 수 있도록 하였다. 또한, 폭발 사고에 견딜 수 있는 방호재료를 적용하고 이러한 재료의 특성을 설계에 반영하였다. 개발 기술의 장점은 안전성 확보와 공간 절약에 있다. 지하에 설치할 경우 지상에 비해 30% 이상 공간을 절약할 수 있고, 안전 설계를 통해 시설의 종합 위험도를 50% 이상 감소할 수 있다. 위험도를 50% 이상 감소한다는 것은, 구조물이 파괴되어 발생하는 파편으로 인한 인명피해와 같은 피해 규모를 절반 가까이 줄일 수 있음을 의미한다. 안전 설계를 위해 누출 상황 시 수소를 긴급 배출하는 환기 제어 시스템을 적용하였다. 더불어 폭발압력을 70% 이상 낮출 수 있는 폭발 방산구(Explosion Venting)의 최적화 설계를 적용하였다. 폭발 방산구란 낮은 폭발압력에도 쉽게 부서져 구조물 내부의 압력이 밖으로 방출될 수 있도록 설계되는 문, 창문, 패널 등을 말한다. 만약 폭발 방산구가 없을 때 구조물 내부에서 폭발이 발생하면, 내부 압력이 급속도로 상승하여 구조물 자체는 물론 내부 설비 등이 크게 손상을 받게 된다. 결과적으로 이러한 설계를 통해 시설의 종합 위험도를 50% 이상 감소할 수 있다. 개발된 설계기술은 2026년까지 2단계 사업을 통해 현장 시범 적용 예정이며, 현재 실용화 추진 단계에 있다.본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요사업 「수소도시 기반 시설의 안전 및 수용성 확보 기술 개발(2022년~2024년)」 과제를 통해 개발되었다. 수소인프라클러스터 게시일2023-06-28 조회수 262

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