KICT 한국건설기술연구원

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• 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 구조물 모니터링 내 Dataset Shift에 대한 이해 ▲ 진승섭 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 사회 기반 시설물은 국민의 편의를 도모하고 편익을 증진하는 공공 시설물로 우리나라 경제 발전을 견인하는 기반을 제공한다. 우리나라는 1970년대 급격한 경제성장과 함께 사회 기반 시설물이 집중적으로 건설되었으며, 향후 해당 시설물들의 노후화는 중요한 문제이다. 게다가 인구 노령화로 인한 관리인력 부족 등 사회 변화가 복합적으로 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이러한 흐름 속에서 제한된 유지관리 예산을 토대로 사회 기반 시설물의 노후화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 많은 방법이 연구되고 있다. 건설뿐만 아니라 기계, 제조 등 다양한 분야에서도 대상 시스템의 결함, 손상 및 성능저하 등 유사한 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 다양한 학제에서 공통적으로 지향하는 유지관리 패러다임은 ‘선제적 관리체계’로의 전환(shift)이다. 유지관리 패러다임은 그림 1과 같이 세 가지 접근법으로 구분할 수 있다. 가장 원시적인 패러다임은 사후 유지관리(reactive maintenance)로 문제가 발생할 경우 이를 사후에 처리하는 접근법이다. 문제가 발생하고 이를 인지하여 조치하기 때문에 사후조치 비용(repair cost)이 과도하게 발생할 수 있고, 직·간접적인 사회적 혼잡 비용도 유발한다. 이와 반대로 주기적인 점검과 유지보수를 수행하는 예방적 유지관리(preventive maintenance)가 있다. 사후 유지관리와 달리 구조물 시공 및 철거 전(생애주기)까지 과도한 점검 비용과 유지관리 비용(prevention cost)이 발생할 수 있다. 선제적 유지관리(proactive maintenance)는 구조물의 상태(성능)를 기반으로 유지관리 계획과 보수·보강 시점을 예측하고 필요할 경우 조치를 수행하는 방식이다. 이러한 접근법을 통해 유지관리 비용과 사후 조치 비용을 합친 총비용(total cost)이 가장 최적화되는 균형점을 지향하는 방법이다. 선제적 유지관리에서는 다양한 유지관리 의사결정(점검 계획 및 보수·보강)에 필요한 데이터를 상시계측 시스템을 통해 획득한다(구조물 모니터링). 인천대교와 같은 중요도가 높은 사회 기반 시설물에는 상시 계측 시스템이 구축·운영되고 있으며, 이를 통해 구조물 응답과 주변 환경인자(온도, 풍속 등)를 연속적 혹은 주기적으로 계측한다. 따라서 기존의 인력 점검체계에서와 달리 방대한 양의 데이터가 지속해서 생성되기 때문에 이를 처리하여 최종 사용자(관리주체)의 의사결정에 필요한 정보를 신속히 제공하는 ‘자율 모니터링 시스템(autonomous monitoring system)’이 요구된다. 자율 모니터링 시스템의 핵심 조건 중 하나는 사용자의 개입을 최소화하며 양질의 학습 데이터로부터 자율적으로 신뢰성 높은 분석을 수행하고 그 결과를 제공하는 것이다. 지속적으로 구조물 모니터링을 수행함에 있어, 공용 중에 발생하는 외부 변동(운영·환경조건 변화)으로 인한 응답 패턴의 변동성인 Dataset shift가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 효과적으로 고려하는 것이 신뢰성 높은 자율 모니터링 시스템을 구현하는 데 매우 중요하다. 이 글에서는 구조물 건전성 모니터링 기술의 개념을 간략히 소개하고, 이를 토대로 실제 구조물에서 발생한 dataset shift의 사례와 이를 해결하기 위한 방법 중 하나인 온라인 학습 방법을 간단히 소개하고자 한다. 구조물의 내/외적 특수성(uniqueness)과 구조물 모니터링의 역할 건설 분야의 사회 기반 시설물은 기계 시스템 등과 달리 내/외적 고유한 특수성을 가진다. 동일한 구조 형식으로 설계할지라도 구조재료, 시공 방법·조건 등에 따라 발현되는 강성 및 거동 특성이 달라진다. 공용 중 노출되는 외력(차량 하중 등)과 노출 환경(온도, 습도 및 염분 등) 등 외부 환경이 공간(위치)과 시간(계절)에 따라 상이하다. 즉, 구조물마다 서로 다른 고유의 강성, 거동, 열화, 손상 특성을 가지기 때문에 구조물 상태의 단순 예측이 어려운 구조체이다. 구조물 모니터링을 통해 측정된 데이터는 공용 중에 발생하는 문제를 파악하고 해결할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있다. 대표적인 예시로, 실시간 구조물 모니터링 중 이상 상태(손상)가 감지되면 그 결과를 관리자에게 신속하게 통보해줌으로써 시기적절한 의사결정(이용 제한 후 정밀 점검)을 할 수 있게 하며, 나아가 시간 이력 DB 구축과 이를 토대로 성능 예측 모형 개발에 활용될 수 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 구조물 건전성 모니터링(SHM; Structural Health Monitoring)은 ‘구조물에 설치한 다양한 센서로부터 구조물의 응답 및 외부 환경인자(온도, 습도 등)를 측정하여 구조물의 상태(건전성)를 실시간으로 진단하고 그 결과를 관리 주체에게 제공하는 기술’이다. SHM은 크게 공용 중인 구조물의 ①하중에 따른 응답의 입/출력 관계를 통해 상태를 평가하는 방법, ②응답만을 계측하여 상태를 평가하는 응답 기반 방법으로 구분할 수 있다(진승섭, 2017a). 입/출력 관계를 활용하는 평가 방법은 알려진 하중을 재하하기 때문에 구조물의 통제(blocking)가 수반된다(실무 적용의 어려움 존재). 반면 응답 기반(output-only) 평가 방법은 그림 2와 같이 별도의 구조물 통제 없이 상시 진동 응답(ambient vibration from acceleration)만을 계측하고, 이를 모달 해석(modal identification)을 통해 고유진동수(natural frequency)와 모드형상(mode-shape)과 같은 동특성(modal properties)을 추정하는 방법이다(진승섭, 2017b). 동특성은 구조물 고유의 물리적 특성으로, 구조 시스템(질량, 강성 및 경계조건 등)에 의해 결정된다. 구조물의 전역적인 거동 변화를 유발하는 심각한 손상 혹은 성능저하는 구조 시스템의 변화(강성 저하 혹은 경계조건 변화)를 유발하고, 이는 동특성의 변화로 연결된다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링 기술은 실무에서 활용이 용이하다는 측면(사용통제 없이 상시 진동 응답 활용)에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 진동 응답 기반 구조물 건전성 모니터링을 통해 ‘실시간 이상 상태 감지’, ‘역 해석을 통한 수치모델 개선’, ‘기계학습 혹은 시계열 모델링을 통한 예측모형 구축’ 등 유지관리에 활용할 수 있는 기초자료를 구성할 수 있다. 구조물 모니터링 내 Dataset shift 현상 동특성과 같은 구조물의 응답은 시간에 따른 외부 환경(온도, 파랑 등)의 변화에 의해 동특성의 특징이 달라질 수 있다(Peeters et al. 2001: Moser et al. 2011). 일례로 단순히 동특성의 변화만으로 이상 탐지를 수행할 경우 오보(false alarm)가 발생할 가능성이 높다. 이에 공용 중에 발생하는 다양한 외부 환경 변화로 인한 변동성을 고려하여 상태를 평가하는 것이 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요하다(Deraemaeker et al. 2008). 그림 3은 3경간 프리스트레스트 콘크리트 교량(Z-24)에서 철거 전까지 1년간 측정한 고유진동수(저차 모드 4개)와 아스팔트 포장부의 온도 이력이다(Peeters et al. 2001). 철거 전까지 다양한 손상(교각 침하, 텐던 제거 등)을 점진적으로 유발하면서 손상에 따른 응답(고유진동수) 변화를 분석한 장기 계측 데이터이다. 교각의 침하 시스템(settlement system) 설치로 인해 불가피한 교각 부재의 단면손실이 1998년 8월 9일에 발생하였다. 하지만 손상에 의한 고유진동수 변화량(강성 저하로 인한 고유진동수 감소)은 온도에 의한 변화량(온도 영향으로 인한 고유진동수 증가)에 가려져 고유진동수의 저하 유/무를 쉽게 확인할 수 없음을 알 수 있다. 그림 4는 최초 손상이 발생하기 전(1997년 11월 11일~1998년 8월 8일)까지 Z-24 교량의 아스팔트 온도와 고유진동수 간의 패턴을 보여준다. 그림 4(a)에서 보듯이 아스팔트 온도에 따라 총 3가지 선형 패턴이 발생함을 알 수 있다. 그림 4(b)는 온도 변화(마커의 색상)에 따른 1차와 2차 고유진동수의 패턴 변화가 그림 4(a)에서 확인한 패턴에 따라 발생하는 것을 보여준다. 이는 계절별 온도 발생 범위에 따라 총 3가지 고유진동수(응답) 패턴이 생성되는 것을 의미한다. 즉 구조물의 내/외적 특수성에 따라 시간-종속적인 다양한 패턴(time-dependent pattern)이 발생할 수 있음을 의미한다. 기계학습 분야에서는 이러한 패턴 변화 현상을 Dataset shift라고 정의한다(Quinonero-Candela, J. et al., 2008). Dataset shift 해결을 위한 온라인 학습방법 앞서 살펴본 시간 종속적인 패턴 변화인 Dataset shift는 사전에 확인이 어려우며 장기 데이터 구축과 분석을 통해 파악할 수 있다(Peeters et al. 2001). 그동안 다양한 기법들을 이상상태 탐지 등의 유지관리 서비스를 위한 연구에 많이 적용되었으나, 앞서 언급한 Dataset shift에 대한 연구는 상대적으로 많이 수행되지 않았다(Jin et al., 2015). Dataset shift는 외부 변동(온도)에 의한 응답(고유진동수) 패턴이 시간(계절)에 따라 변화하면서 발생하는 문제이다. 이에 대한 근본적인 해결 방법은 변화하는 패턴을 가장 잘 모사할 수 있는 학습 데이터들을 선택적으로 추출(sampling)하고, 추출된 학습데이터를 활용하여 이상상태 탐지 등 유지관리에 필요한 평가모델을 생성하는 것이다(그림 5). 즉 지금까지 측정된 학습 데이터 전부를 사용하기보다 새로 측정된 데이터와 유사한 학습데이터만을 선별하여 현재 패턴을 가장 잘 모사하도록 학습모델(그림 5의 Model)을 적응적(adaptive)으로 생성하는 것이다. 이는 그림 6과 같이 복잡한 비선형적인 관계를 가지는 학습데이터 분포를 국부적인 선형 형태 영역으로 분할하여 표현하는 것과 동일하다. 즉 전체 영역에서 보면 비선형성을 가지는 곡선(그림 6의 왼쪽)이 작은 영역으로 세분화하면 선형인 직선의 결합(그림 6의 가운데)으로 표현할 수 있는 개념과 유사하다. 새로 측정된 데이터가 속하는 선형 구간의 학습데이터들을 선택적으로 추출하고, 이를 이용하여 학습모델을 생성한다(그림 6의 오른쪽). 이러한 선형 분할 과정은 학습 데이터 간 선형관계를 유지해주는 부수적인 효과가 있다. 이에 따라 복잡한 학습모델(비선형 모델)이 아닌 간단한 학습모델(선형 모델)을 사용하여 학습의 일반화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 전체 학습데이터가 아닌 일부 데이터만을 사용하기 때문에 연산 복잡도 역시 크게 감소시킬 수 있어 실시간 연산 및 낮은 컴퓨팅 자원을 가지는 연산장치에도 쉽게 적용이 가능하다. Dataset shift가 발생하는 Z-24 교량의 실시간 이상상태 탐지에 상기 학습 방식을 적용하였으며, 그 결과 다양한 초기조건에서 적은 오보(false alarm) 및 정확한 손상 발생 시점을 포착하였다(Jin et al., 2018: 진승섭 등, 2022). 향후 구조물 모니터링에 관한 연구 제언 구조물 모니터링 시스템의 핵심은 오보(잘못된 분석)를 최소화하여 분석 결과(상태 평가/예측)에 대한 신뢰도를 확보하는 것이다. 이로써 안정적인 모니터링과 의사결정이 지속될 수 있게 하는 것이다. 지속적인 구조물 모니터링을 수행함에 있어 공용 중 발생할 수 있는 Dataset shift는 신뢰성 확보의 가장 큰 걸림돌로 작용할 수 있다. 이러한 Dataset shift는 구조물의 내/외적 특수성으로 인해 사전에 파악하는 것은 매우 어렵다. 이 글에서 간략히 소개한 온라인 학습 방법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 여러 방법 중 하나이다. 따라서 실제 현장에서 발생할 수 있는 다양한 Dataset shift에 적용 가능한 다른 대안들을 적용하고 서로 비교하는 과정을 통해 강건한 방법론을 개발하는 것이 중요하다. 개발된 방법론은 단순히 건설 분야의 모니터링 기술 개선을 넘어 다양한 학제에 적용 가능할 것이며, 나아가 미래 유지관리 분야의 혁신을 이끌어갈 수 있는 핵심기술 중 하나로 자리매김할 수 있을 것이라 생각된다. 구조연구본부 게시일2023-03-27 조회수 1100
• 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 특수교량 안전점검 로봇 활용 기술 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 현재 국내 특수교량(계측시스템이 구축되는 케이블 지지교량을 통칭)으로 건설되는 구조물의 대부분은 사장교 또는 현수교로 건설되는 특수교량은 설계 시 요구되는 사용수명이 100년 이상이므로 구조물의 안정성·내구성·사용성 등이 필수적으로 확보되어야 한다(KSCE, 2006). 특수교량에서 핵심 부재 중 하나인 케이블의 손상은 교량의 안전성 저하 및 사용 수명을 단축시키는 주요 요인으로서 환경적인 요인(기후·하중·지진 등)뿐만 아니라, 화재나 충돌 등과 같은 예측하기 어려운 사고 등이 있다. 공용 중인 교량의 경우 케이블 손상이 발생하여 운용이 중단된다면, 이에 따른 경제적·사회적 손실은 막대하다(Na et al., 2014). 국내에서는 서해대교(사장교) 케이블 화재에 의하여 총 144개의 사장재 중 1개가 완전 파단되고, 2개가 부분적으로 손상되는 사고가 발생한 사례가 있다(Gil et al., 2016). 케이블의 안전 및 유지관리를 위한 다양한 점검기술의 개발 연구가 진행되고 있지만, 장비의 이동성 및 접근성의 한계로 대형 시설물인 특수교, 특히 케이블에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위하여 비파괴검사가 가능한 케이블 점검 로봇 개발이 이루어지고 있다(Kim et al., 2014). 케이블에 적용하기 위해서는 점검 로봇에 무선시스템을 적용하고 자중을 최소화하여 현상 사용성을 확보할 필요가 있다. 이 글에서는 기존 점검 로봇의 단점으로 지적되었던 주행 안정성을 보완하고, 케이블 내부 손상여부를 파악하기 위한 전자기 센서를 탑재한 케이블 점검 로봇을 소개하고자 한다. 케이블 점검 로봇 설계 및 제원 케이블 점검 로봇 제작은 200mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 안정성 확보에 중점을 두었다. 케이블 점검 로봇의 3차원 이미지 및 주요 장치에 대하여 그림 1에 나타내었다. 로봇의 제원은 510mm×610mm×710mm이고, 무게는 12.8kg으로 경량화하였다. 또한, 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. 케이블의 외관 촬영을 위해 고해상도 IP카메라(1920×1080 픽셀)를 설치하고 무선 와이파이 공유기로 실시간 케이블 촬영 이미지를 전송할 수 있고, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 이용하여 로봇의 이동거리를 계산할 수 있도록 하였다. 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화하면서 케이블에서 이동할 수 있도록 3개의 구동부 모터(IG-32GM, DC12)와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140~300mm)를 만들어 바퀴와 케이블 사이의 부착력을 향상시켰다. 로봇의 무선 원격제어는 IEEE 802.11 an/ac 5GHz 2×2 MIMO를 사용하여 통신거리 10km, 최대 867Mbps 데이터 전송속도를 낼 수 있도록 제작하였다. 케이블 강선 손상 검출은 전자기 센서를 적용하여 검출하는 방식으로 그림 2와 같이 케이블의 파단(혹은 손상)이 발생하였을 경우, 손상 부위에서 양극성이 다시 나눠지는 원리를 이용하였다. 케이블 손상 검출을 위해 점검 로봇에 탑재되는 센싱 장치는 그림 3과 같이 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경 조절 장치와 케이블 표면을 이동하기 위한 롤러부로 구성된다. 그리고 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센서는 롤러부의 중간 내부에 삽입되어 있다. 케이블 점검 로봇 성능 평가 케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가를 위한 실내외 실험을 그림 4와 같이 실시하였다. 공용 중 교량의 현장 실험을 위하여 케이블 사고 이력이 있는 사장교 1개를 테스트베드 교량으로 선정하였다. 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로서 경간장 400m, 너비 23.9m의 왕복 4차로로 되어있다. 현장 케이블( 200mm)은 경사각도 27.3도, 실내 실험은 45도에서 수행되었다. 검증 실험결과 등반속도(19cm/s)와 하강속도(20cm/s)로 평가되었으며, 하강 시 발생될 수 있는 미끄러짐에 의한 속도 증가의 경우 로봇이 효과적으로 제어하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 경사각도에 상관없이 주행 속도가 일정한 것을 확인하였다. 추가로 현장 실험에서는 3개의 카메라로 케이블 표면을 실시간 이미지 촬영하였는데, 그림 5와 같이 케이블 육안 점검이 가능한 수준임을 확인하였다. 성능 검증 실험 중 통신 관련 문제는 발생하지 않았다. 케이블 손상 검출 실험은 실내에서 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)관을 사용하였다. 케이블 손상 검출을 위하여 인위적으로 손상유형을 그림 6과 같이 모사하였다. 절단 손상의 경우는 단면 절단 정도에 따라 30%, 50% 그리고 100% 절단(파단)으로 세분화하였고, 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하였다. 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내에서 실시한 실험 결과를 그림 7에 나타내었다. 그래프에서 X축은 시간이며, Y축은 전자기 센서 측정값으로 손상(절단)이 발생한 지점에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 180도 변화함을 알 수 있다. 한편 단절에서는 전자기 센서 측정값의 위상이 변화하지 않지만, 자기장의 크기가 커짐을 확인하였다. 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 본 연구에서 진행된 것보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다. 맺음말 이 글에서는 200mm 이상의 대구경 케이블 측정이 가능한 케이블 점검 로봇 개발에 대한 내용을 소개하였다. 개발된 케이블 점검 로봇은 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다. 전자기 센서를 이용한 케이블 내부 손상 유무의 검출 가능성이 실내 실험을 통하여 검증되었다. 하지만 추가적인 실험을 통해 케이블 손상 유무 이외에 손상 정도 및 손상 종류를 판단할 수 있는 분석 알고리즘을 개발함으로써 점검 효율성을 보다 향상시킬 필요가 있다고 판단된다. 점검 로봇을 활용한 시설물 유지관리 기술이 지속적으로 발전되어 적용된다면 시설물 안전관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 본 케이블 점검 로봇은 국토교통부의 예산 지원으로 개발되었으며 현재 국토안전관리원으로 인계되어 일반국도 특수교 유지관리에 활용되고 있다. 구조연구본부 게시일2022-07-25 조회수 1570
• 해상특수교량 안전점검 드론 및 AI 활용 기술 해상특수교량 안전점검 드론 및 AI 활용 기술 ▲ 이성진 KICT 구조연구본부 박사후연구원 들어가며 해상특수교량은 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」의 1종 시설물로서 안전점검 및 유지관리를 위해서는 전문적인 경험과 기술이 필요하다. 해상특수교량은 해상이라는 환경적 제약뿐만 아니라 높은 주탑, 보호재로 덮인 케이블 등 특수한 구조로 육안점검이 어려운 점검사각지대가 존재하며, 특히 주탑 외부 균열, 케이블 외부 손상 등에 대해서는 정밀안전점검(정밀안전진단 포함) 시 점검이 안 되는 경우가 대부분이다. 해상특수교량은 천문학적인 비용으로 건설된 중요 SOC 시설로 역사적인 교량 붕괴사고의 경험에 비추어 볼 때, 사후 보수보강보다 예방적 유지관리가 반드시 필요한 시설이다. 따라서 해상특수교량의 환경적·구조적 제약을 극복하고 주탑 균열, 보강거더, 케이블 외부 손상 및 이상거동을 확인할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다. 이를 위하여 해상특수교량의 손상 등을 직관적으로 확인할 수 있는 시스템이 필요하며, AI(인공지능) 등을 활용하여 전문가가 상주하지 않아도 손상 등을 자동으로 신속하게 분석할 수 있는 체계를 갖추는 것이 필요하다. 국내외 특수교 유지관리 현황 - 국내 특수교 현황 - 국내 특수교 건설은 1973년 남해대교(현수교) 준공과 함께 시작되었다. 국내 현수교 건설은 2000년대 들어와서 본격화되었으며, 2012년에 준공된 이순신대교가 2019년 기준 국내 최대 경간장(1,545m)을 가지는 현수교이다. 국내 사장교 건설은 1984년 진도대교와 돌산대교의 준공과 함께 시작되었으며, 이후 올림픽대교(1990년), 행주대교(1995년) 등 90년대 몇몇 사장교가 준공되었다. - 국내 특수교 유지관리 현황 - 국내 특수교량 시장은 2015년 이후 점차 감소하고 있으나, 특수교량의 유지관리 시장은 꾸준히 증가하고 있다. 현재 국내에는 100개소 이상의 특수교(케이블교)가 공용 중에 있으며, 그 중 약 70개소에는 유지관리용 계측시스템, 즉 모니터링 시스템이 구축되어 있다. 일반국도 상에 건설된 30개소(’20년 기준) 특수교에 대해서는 국토안전관리원과 한국건설기술연구원에서 국토교통부의 위임을 받아 유지관리업무를 수행하고 있으며, 국토안전관리원 내 특수교관리센터에서는 특수교에 개별적으로 구축된 통합계측관리시스템을 운영하고 있다. 일반국도 외 구간에 건설된 특수교의 경우 지방자치단체, 한국도로공사, 민간도로사업자 및 전문유지관리업체에서 유지관리 업무를 수행하고 있다. - 국외 특수교 유지관리 현황 - 미국·유럽·일본 등과 같은 선진국에서는 특수교 유지관리 업무를 정부 산하기관 혹은 유지관리를 위해 설립된 전문기관이 직접 수행하고 있다. 선진국을 중심으로 특수교 유지관리 주체들의 기술교류모임인 세계케이블교량운영자협회가 운영되고 있으며, 한국건설기술연구원도 회원으로 참여하고 있다. 교량 계측·모니터링 기술은 1970년대부터 유럽과 북미의 선진국을 중심으로 자국에 건설된 특수교량에 활발히 적용함으로써 발전해 왔으며, 최근에는 무선계측, 광섬유, AE 및 PZT 등의 최신 계측기술의 접목을 시도하고 있다. - 특수교 일상점검 기술 동향 - 모든 점검의 가장 기본적인 방법은 육안에 의해 직접적으로 품질상태와 손상여부를 확인하는 방법이다(그림 2(a)). 기본적으로 근접육안 조사를 원칙으로 하며, 최근에는 보조수단인 망원경, 내시경 등의 장비를 동원하기도 한다(그림 2(c)). 육안 점검은 모든 점검방식 중 가장 광범위하게 사용되는 방식으로 손상에 대한 상세점검 이전에 초기점검 방식으로 수행된다. 이러한 육안점검은 주기적인 점검을 통하여 조사를 수행하여야 하며, 구조물의 상태변화와 관련된 상태평가에 큰 비중을 차지한다. 드론과 AI를 활용한 점검 기술 - 해상특수교량 안전관리 체계 - 해상특수교량에 대한 안전관리 체계를 그림 3과 같이 정립하였다. 드론으로 촬영한 이미지는 영상제작, 손상평가, 데이터 관리에 사용된다. 드론 촬영 이미지를 이용하여 정사영상과 3D 모델을 제작하며, 인공지능(AI) 모델에 입력하여 손상된 부분을 가시화하고 정사영상과 3D 모델링에 손상 위치를 반영하여 갱신하는 데 사용한다. 사용자는 대상교량에 대한 3D 모델과 정사영상을 통해 손상위치를 판별할 수 있으며, 인공지능 모델이 판별한 결과를 사용자가 검토하여 손상여부를 최종 판단한다. - 대상교량 드론 촬영 - 그림 4와 같이 해상특수교량 점검사각지대(주탑부)에 대한 드론 촬영을 진행하였다. 드론을 주탑에서 일정 거리를 유지하고 주탑부 각 면 방향을 따라 오르내리며 반복 촬영하여 다양한 각도의 이미지를 획득하였다. - 손상탐지를 위한 AI 활용 기술 - 해상특수교량 주탑 균열을 탐지하기 위하여 의료분야 x-ray CT 영상의 정밀분석에 사용되는 encoder-decoder 구조의 의미론적 분할(semantic segmentation) 모델인 UNet을 사용하였다(그림 5). 손상탐지 알고리즘의 딥러닝을 위하여 그림 6과 같은 데이터 세트를 이용하였다. 다양한 형태의 균열(9,600여 장)과 비균열(1,400여 장)을 이용하였으며, 균열 픽셀과 비균열 픽셀을 gray scale에서 255와 0으로 레이블링 된 이미지를 이용하였다. 심층 신경망 학습을 위하여 전체 이미지 중 80%인 약 9천 장의 이미지를 사용하였으며, 테스트와 검증을 위해 각각 전체 데이터의 10%인 약 1천 장의 이미지를 사용하였다. - 손상 탐지 결과 - UNet 기반 균열 탐지 모델을 이용하여 해상특수교량 주탑부 촬영 이미지를 입력하여 손상을 탐지한 결과를 그림 7에 나타내었다. 촬영한 이미지의 해상도를 재설정하지 않고 원본 해상도를 이용하여 결과를 도출하였다. 이미지 중앙부에 있는 1600×800 픽셀 해상도의 관심영역을 제한하여 손상부위를 탐지하였다. 실제 드론 촬영으로 획득한 이미지에서 발생한 균열은 미세하고 조도변화가 심하여 육안으로 탐지하기 어려웠지만, 인공지능 모델을 사용하여 미세한 균열이 탐지되는 것을 확인하였다. 향후 지속적으로 학습 데이터 세트를 증가시켜 인공지능 모델의 고도화를 진행할 예정이다. 맺음말 본 연구는 해상특수교량 점검사각지대에 대해 드론을 이용하여 안전점검을 위한 빅데이터를 구축하고, 이를 활용한 인공지능 모델을 이용하여 객관적이고 효율적인 안전점검 평가를 위해 수행되었다. 국내 운용 중인 유지관리 시스템은 관리주체별로 다양한 형태의 시스템을 적용하고 있어 관리기준 등의 신뢰성 검증이 어려운 상황이므로 향후 표준화된 시스템 구축으로 비용 절감 및 관리기준의 신뢰성 증가를 기대할 수 있다. 본 연구를 통해 개발된 점검기술을 바탕으로 사전에 능동적인 시설물 관리가 가능한 스마트 플랫폼으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 구조연구본부 게시일2022-06-20 조회수 2032
• PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 ▲ 박광연 KICT 구조연구본부 수석연구원 PSC 구조물의 노후화와 외부 PS텐던 비파괴검사의 필요성 국내외를 막론하고 문명화(Civilization)가 진행된 국가는 토목공학(Civil engineering) 기술의 정수가 담겨 있는 각종 교량이 다수 건설되어 물류와 승객이 강과 골짜기를 빠르게 건너갈 수 있게 한다. 대한민국 역시 문명화 된 국가답게 많은 교량이 건설되어 한강을 쉽게 건너 강북지역과 강남지역을 하나의 도시로 묶고, 산골짜기를 극복해 산간 지역의 접근성을 크게 키웠으며, 섬과 육지를 연결해 섬을 육지화하는 등 많은 역할을 하고 있다. 이러한 교량의 38%는 Pre-Stressed Concrete(PSC) 구조를 사용해 지어진 것으로 조사되고 있는데 대한민국의 경제가 급격하게 성장한 80~90년대부터 많은 수의 교량이 지어졌음을 고려하면 30년 이상된 노후 PSC 구조의 안전진단 기술 개발이 시급하다는 것을 알 수 있다. PSC 구조는 이름에서 알 수 있듯 Pre-Stressingtendon(PS텐던)이 가장 중요한 역할을 하고 있는데 PS텐던은 크게 외부 PS텐던과 내부 PS텐던 두 가지로 분류할 수 있다. 이중 외부 PS텐던은 2016년 서울시 내부순환로 정릉천교의 외부 PS텐던 부식사고로 인한 막대한 경제적, 사회적 손실 사례가 발생해 안전진단의 필요성에 대한 경각심을 전 국민에게 일깨워 주었다(그림1). 외부 PS텐던 비파괴검사기술의 현 주소 한국건설기술연구원에서는 정릉천고가교 사례를 계기로 외부PS텐던의 건전성을 평가할 수 있는 기술을 조사하기 위해 국내외 비파괴검사 기술을 대상으로 KICT Blind Test(2016)를 실시했다. 외부 PS텐던의 건전성은 단면손상, 응력, 공극 등 3가지 지표를 활용해 확인할 수 있는데 응력은 국내외를 막론하고 관련 기술을 가지고 있는 곳이 없었고 공극은 한 프랑스 기업(Advitam)만 응모해 73% 정도의 탐지율을 보여 주었다. 세 개 지표 중 단면손상이 가장 중요하고 직접적인 지표라 할 수 있는데 관련된 비파괴기술에 지원한 10여 개 국내외기업 중 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron 두 개 기업만이 유효한 결과를 보여주었고 국내 기업은 유효한 결과를 내지 못함을 확인했다. 유효한 결과를 보여 준 두개의 기업의 기술 역시 비용, 사용성, 장비의 크기 및 무게 등을 개선하지 못하면 현장 적용에 무리가 있을 것이란 결론에 도달했다. PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 이러한 이유로 한국건설기술연구원은 외부 PS텐던을 비파괴검사하여 단면손상과 응력 상태, 공극 유무를 검사할 수 있는 원천기술을 개발하는 과제를 진행하게 되었다. 단면손상과 응력은 금속으로 만들어진 외부 PS텐던의 자기특성을 이용하며 공극 유무는 레이더 기술을 응용해 검사하는 방법을 사용했다. 이 글에서는 PS텐던의 건전성을 평가하는 데 가장 중요한 지표인 단면손상을 비파괴검사하는 기술을 간단히 소개하고자 한다. 개발된 비파괴검사 센서의 기본 개념 그림 2는 개발된 전자기센서가 외부 PS텐던에 설치된 개념도를 보여준다. 외부 PS텐던(그림 2의 적갈색 부분)은 실제로 덕트와 그라우트로 포장되어 있지만 덕트와 그라우트의 자기적 성질은 공기(혹은 진공)와 거의 같기 때문에 없는 것으로 가정할 수 있다. 전자기센서는 크게 1차 코일(그림 2의 노란색 부분), 2차 코일(그림 2의 주황색 부분), 고정틀(그림 2의 보라색 부분) 3개 부분으로 이루어져 있다. 고정틀은 자기장에 반응하지 않는 플라스틱으로 만들어져 있다. 1차 코일은 일종의 전자석으로 전기를 흘려 센서 내부에 자기장을 형성시키며, 발생된 자기장의 크기는 센서 내부를 관통하는 금속성분인 외부 PS텐던의 단면적에 대한 함수이다. 2차 코일은 외부 PS텐던을 수회 감싸도록 감겨있는데 1차 코일에 가해지는 전류에 변화를 주어 센서 내부의 자기장에 변화를 주면 2차 코일에 자기장 변화량에 비례하는 유도전류가 발생한다. 이러한 원리를 이용해 1차 코일에 일정한 진폭의 sine파 형상을 갖는 교류전기를 흘리면 2차 코일에는 외부 PS텐던의 단면적 크기와 양의 상관관계를 갖는 진폭을 가진 교류전기가 유도된다. 따라서 유도된 교류전기의 진폭을 분석하면 외부 PS텐던의 단면적을 추정할 수 있다. 외부 PS텐던이 파단되거나 녹슨경우(산화철은 자기장에 반응하지 않는다) 금속성분을 가진 부분의 단면적이 감소하므로, 단면감소로부터 부식과 파단을 추정하는 것이 가능하다. 현장 작업에 최적화된 센서의 개발 그림 2를 보면 알 수 있듯, 이러한 원리를 이용한 센서는 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로 형태를 갖추어야 한다. 앞에서 소개한 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron도 위에서 언급한 개념과 기본적인 아이디어는 공유한다(물론 세부 내용을 뜯어보면 꽤나 다르다). 하지만 일본과 러시아의 기술은 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로를 만들기 위해 그림 3과 같이 현장에서 권선작업 혹은 그에 준하는 작업을 해야 하며 이는 상당한 시간을 소요하기 때문에 작업성이 떨어진다. 또한, 센서의 상태가 설치할 때마다 바뀌기 때문에 센서의 신뢰도가 떨어지며 센서 부품을 모두 따로 들고 이동해야 하므로때문에 비좁은 교량 내부 통로에서 작업하기에 불리하다. 반면 한국건설기술연구원에서 개발한 전자기센서는 그림 4와 같이 2개로 분리되어 있어 조금만 숙달되면 1~2분 이내에 설치가 가능하다. 또한, 주요 접합부를 신뢰도 높은 기성커넥터로 구성해 아무리 반복 설치해도 센서의 신뢰도가 감소하지 않게 했다. 무게도 총 5kg, 한쪽 당 2.5kg 수준으로 사람이 들고 다니기에 무리가 없는 무게이다. 이 센서를 그림5와 같이 설치하고 외부 PS텐던을 따라 적당한 속도로 스캔하면 해당 구간을 비파괴검사 해 단면적의 변화를 확인할 수있다. 신호처리 및 인공지능을 이용한 의사결정 기술 그림 6은 개발된 비파괴장비를 테스트하기 위해 만든 시편에 적용한 결과이다. 그림 상단에 손상을 모사한 단면적과 손상구간이 도식화되어 있다. 그림 5와 같은 과정으로 측정한 결과는 그림 6의 초록색 선과 같이 나타나는데 진폭 변화가 미미해 육안으로 구분하기 어렵다. 마그네틱 센서로부터 측정한 결과를 이용한 외부 PS텐던의 건전성 평가를 돕기 위해 측정한 신호에 진폭 복조 등 몇 단계의 신호처리를 거치면 그림 6의 빨간색 선과 같은 결과를 얻을 수 있다. 빨간색 선에서는 PS텐던의 손상에 따른 변화가 확연히 구분되는 것을 볼 수 있다. 하지만 이러한 변화가 손상에 의한 변화인지 혹은 잡음인지를 구분하기 위해서는 많은 경험이 필요하다. 또한 손상이 어느 정도 진행되었는지에 대한 정보를 얻기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 얕은 신경망을 이용해 그림 6의 파란색 점과 같이 손상 위치를 특정하고 손상 단면적의 비율과 손상 길이까지 예측하는 알고리즘을 개발했다. 또한 그림 7과 같은 다수의 시편을 제작해 인공지능을 학습하는 데 사용했다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 2016년 정릉천고가교와 같은 상황이 다시 반복되는 것을 막기 위해 PSC 구조물의 주요 요소인 외부 PS텐던을 비파괴검사하는 기술을 개발했다. 전자기학을 응용해 금속성분으로 이루어진 단면적을 비파괴검사하는 원리를 이용하고 있으며 외부 PS텐던의 파단과 부식을 사전에 감지해 PSC 구조물을 보수보강할 수 있게 하는 기술이다. 단순히 센서를 개발하는 것 뿐 아니라 센서의 사용성을 개선하고 측정된 신호에 신호처리 과정과 인공지능을 적용해 의사결정을 돕는 기술도 함께 개발했다. 센서의 사용성은 현재 수요기업과의 긴밀한 의사소통을 통해 계속해서 개선 해나가고 있으며, 의사결정을 돕는 신호처리와 인공지능 역시 알고리즘을 개선하고 학습데이터를 추가해 정확도를 높여나 가고 있다. 또한 같은 원리로 케이블 교량의 케이블을 비파괴 검사하는 기술 역시 개발하고 있다. 여기서 소개한 기술이 완성되어 교량 유지보수 시장에 진출한다면 교량의 선제적 보수를 통해 막대한 경제적 손실을 막고, 많은 국민이 불편함을 겪음으로 인해 발생하는 사회적 손실 역시 막는 데 일조할 수 있을 것이다. 구조연구본부 게시일2022-04-28 조회수 1708
• 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 2022년 11월, 서울시는 청계천에서 자율주행버스 운행을 시작으로 2023년 12월 합정역과 동대문역을 잇는 심야자율주 행버스를 운행하고 있다. 두 사례는 모두 운전석이 있고 운전자가 탑승한 상태에서 한정된 고정 노선을 따라 대중교통 서비스를 제공한다는 공통점이 있으며 지자체 차원에서 자율주행 기술을 활용해 대중교통 서비스를 상용화한 사례이다. 이전에도 현대자동차의 '셔클', 경기도 판교의 '제로셔틀', 시흥시의 '마중' 서비스가 있었으나 모두 시범 운영에 가깝다. 이렇게 지금까지 활발히 진행된 자율주행 기술은 이제 대중교통을 만나 가장 먼저 우리에게 한 걸음 더 가까워지고 있다. 시민의 발이기도 한 대중교통은 일반적으로 서비스 제공 영역이 넓을수록 시민 편의성이 증대될 것으로 예상되나 인력과 예산 등의 문제로 인해 일정 수준 이상의 서비스 영역 확장은 한계가 있다. 이에 대한 하나의 대안으로 대중교통 분야에서는 대중교통 서비스의 질과 효용성 제고를 위해 수요 응답형 서비스라고 일컬어지는 DRT(Demand Responsive Transit) 서비스를 확대해 나가고 있다(한국운수산업연구원, 2024). 그러나 DRT 기반의 서비스 역시 운용 인력과 재정 문제에서 완전히 자유로울 수 없기 때문에 대안으로 서울시 등의 지자체 사례와 같이 자율주행 기술과 대중교통 서비스의 결합을 통해 기존 대중교통이 가지는 한계를 해소하려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 고도화된 자율주행 기술은 운전자를 필요로 하지 않아 적어도 운용 인력과 이에 대한 재정 부분에서 기존 대중교통이 가지는 한계를 일부 극복할 수 있기 때문이다. 한국건설기술연구원은 2021년 4월부터 자율주행 기술을 활용한 대중교통 모빌리티 서비스를 개발하기 위해 ‘실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 기술 개발’이라는 국가연구개발사업(연구책임자: 문병섭 선임연구위원)을 수행하고 있다. DRT를 포함한 기존 대중교통의 서비스 개념을 확장하는 콘셉트로 실시간 수요 대응형 자율주행 대중교통 서비스를 개발하는 것이 목표이다. 기존 서비스와 차별화되는 것이 무엇인지, 또한 필자는 왜 미래 대중교통의 아이콘 이라고 하는지를 소개하고자 한다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 정의 본 서비스는 자율주행 기술에 기반한 실시간 수요대응 대 중교통 모빌리티 서비스로 미국 자동차공학회(Society of Automotive Engineers: SAE)가 정의한 자율주행 레벨 4 수준의 자율주행차량으로 고정된 노선 없이 이용객이 원하는 목적지까지 운송을 담당하는 First-and-last mile 서비스 를 목표하고 있다(그림 1). 안전한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 자동차를 제작해 수요 대응형 서비스를 개발하고 있다. 종전의 유사한 수요 대응형 서비스와의 차별화를 위해 개별 이용자의 통행 패턴을 기억하고 학습한 상태에서 실시간으로 변화하는 도로 및 교통상황을 고려해 최적의 동적 경로를 생성하고 이용객을 운송하는 서비스다. 본 서비스를 제공하기 위해 9인승 규모의 소형 차량을 제작 중이고 사전에 할당된 경로와 이동시간 허용 범위 내에서 합승이 가능하다. 본 서비스에서 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 기능과 합승이 가능한 자율주행버스라는 점은 분명 기존 서비스와 확연히 차별화되는 새로운 미래 대중교통의 아이콘이다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 구성 및 기능 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 버스를 이용해 안전하고 쾌적한 수요 대응형 대중교통 서비스를 제공하기 위해 서비스의 운행/관제를 담당하는 센터시스템이 필요하다. 또한, 자율주행 기술에 기반한 대중교통 서비스이므로 서비스 공공성과 운영 효율성을 평가하기 위한 평가 시스템이 요구된다. 자율주행 소형 버스, 센터시스템, 평가 시스템 외에도 차량 보관 및 충전을 위한 시설이 필요 하다. 실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 제공을 위한 시스템 구성은 그림 2와 같다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스를 제공하기 위한 핵심 기능은 각각 센터시스템과 차량, 사용자 모바일 앱에 포함된다(그림 3). 먼저 운전자가 없는 레벨 4 자율주행 시스템에 기반한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 사용자 모바일 앱이 필요하다. 모바일 앱은 서비스 호출, 사용자 인증, 과금 기능을 포함하고 예약 및 운행 정보를 확인하는 장치이다. 센터시스템은 실시간 수요 대응 서비스 제공을 위한 핵심 기능을 담당한다. 여기에는 이용객의 통행 이력을 분석해 호출 수요를 예측하고 서비스 제공 지역에 필요한 차량 대수를 사전에 배차하는 알고리즘과 호출 지점부터 가장 인접한 가상 정류장을 선택하는 알고리즘이 포함된다. 또한, 실시간 도로 및 교통 상황을 반영하여 출발지부터 목적지까지 최적의 동적 경로를 생성하고 합승 수요 발생시 최소 우회 시간 내에서 경로를 갱신하는 기능을 포함한다. 차량은 자율주행 시스템 및 사용자 인증을 위한 차내 단말기, 안전을 위해 차량에 탑승하는 안전요원과 자율주행 시스템 간의 상호작용을 위한 시스템(Human-machine interface)을 포함한다. 센터시스템과 차량은 실시간으로 교통 정보 메시지(TIM; Travel Information Message)와 웨이포인트 메시지 (Waypoint message), 개별 차량 주행 정보(PVD; Probe Vehicle Data)를 송수신하며 서비스를 제공한다. 여기에서 PVD는 자율주행 소형 버스의 주행 궤적정보를 포함해 차량 상태 정보를 포한한 메시지이다. 웨이포인트 메시지는 운 전자가 없는 자율주행 대중교통 서비스를 구현하기 위한 핵심 메시지이다. 차량의 이동 경로를 의미하는 글로벌 패스 (Global path) 정보를 포함하며 기본적으로 차량이 경유하는 노드 좌표와 노드 간 예상 도착 시간(ETA; Estimated Time of Arrival)을 필수로 포함한다. 미래 대중교통 서비스를 개발하기 위한 다양한 노력 자율주행 레벨 4 수준은 운전자 관여 수준이 ‘Mind-off’ 인 상태로 운전자는 주변 상황인지, 주행 판단 및 차량 제어에 관여하지 않고 책임지지 않는 상태이다. 운전자가 없는(Driverless) 자율주행 기술을 적용한 대중교통 서비스는 다수의 이용자를 대상으로 하기 때문에 서비스 개발도 중요하나 서비스에 대한 철저한 검증 기술 개발도 필요하다. 지금까지 수행된 자율주행 기술을 활용한 수요 대응 서비스 (Autonomous Mobility-on-Demand: AMoD) 관련 연구를 보면 대부분의 연구에서 개발 시스템의 성능 확인만을 수행했다(Zhang et al. 2016; Barbier et al. 2019). 이용객의 안전을 보장하고 대중교통 서비스로의 성공적인 안착을 위해 개발이 불가피한 검증 기술에 대해 필자는 교통공학 이론을 접목하여 새로운 서비스 검증 기법을 개발하고 있다(장지용 외, 2023). 대중교통임에도 세계 최초로 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 신개념 서비스, 고정된 노선 없이 동적 경로를 따라 주행하며 합승이 가능한 자율주행 대중교통 서비스, 여기에 공공의 안전을 고려한 자율주행 대중교통 서비스 검증 기술 개발은 곧 우리에게 다가올, 우리가 경험할 새로운 미래 대중교통을 선도하는 기술이 될 것으로 기대한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국운수산업연구원(2024), 버스교통, Vol 81 pp 24~37. • Barbier M Renzaglia A., Quilbeuf, J., Rummelhard, L., Paigwar, A., , Laugier, C., Legay A., Ibanez-Guzman, J., and Simonin, O. (2019, June). “Validation of perception and decision-making systems for autonomous driving via statistical model checking.” In 2019 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), Paris France pp 252 259. • Zhang R., Rossi, F., and Pavone, M. (2016, May). “Model predictive control of autonomous mobility on demand systems.” In 2016 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), Stockholm, Sweden, pp.1382-1389. •장지용, 문병섭, 하정아. (2023). Lv. 4 자율주행 기술 기반 수요 대응 모빌리티 시스템 성능 검증 방법론 개발. 한국도로학회논문집, 25(6), pp 357~367. 도로교통연구본부 게시일2024-08-28 조회수 892
• 2050 탄소중립을 위한 전기도로(electronic road) 건설 2050 탄소중립을 위한 전기도로(electronic road) 건설 ▲ 백남철 KICT 도로교통연구본부 선임연구위원 탄소를 줄여야 산다 도시의 삶이 30년 뒤에 크게 달라지는 것은 무엇일까? 교통과 에너지 부문만큼은 크게 변화될 것 같다. 2030년 전기·수소차 450만 대 보급 등 교통 부문 전동화(electrification)가 급속히 추진되고 있기 때문이다. 장기적으로 탄소중립 전동화의 전제 조건은 그린허싱(Greenhushing)(*1) 없는 전주기 탄소배출 정보의 투명성 확보다. 내연기관을 전동화하는 것은 최종 목표가 아니라 시작점일 뿐이다. 전기차에 공급하는 전력원 전체가 탄소중립이 되어야 전기차는 탄소중립 대안이 될 수 있다.단기적으로 극복해야 할 문제는 전기차 대중화의 상승세(모멘텀)가 약화되고 수요가 급격히 둔화하는 케즘존(*2)이 나타났다는 것이다. 전기차 수요 감소의 주요 원인은 ▲ 충전 후 주행 거리가 짧을 것이라는 불안, ▲ 제한된 충전 인프라 등이다. 이를 종합하면 배터리 용량에 대한 ‘범위 불안’이라고 할 수 있다. 범위 불안은 전기차 에어컨과 난방 사용, 사용 년수 증가 및 충전 인프라 부족에 따라 증폭되는 경향이 있다.이 글에서는 ‘범위 불안’을 해소하기 위한 전기도로 기술을 소개하고 그 필요성을 검토하고자 한다. 이를 위해 먼저 전기차 등 모빌리티 친화적 인프라 관련 국가 계획을 검토하였다. 다음으로, 설문조사를 실시하였다. 설문조사는 도로교통 인프라 건설 부문 전문가 50인에 대해 인터뷰 및 온라인 조사를 실시하였다. 또한, 2023년 ITS 학술 대회에 참여한 관련 전공자 등 50인에 대하여 대면 조사를 실시하였다. 조사 기간은 2023년 11월 13일부터 동년 11월 30일까지였다. 관련 문헌 검토 전기차 범위 불안을 해소하기 위한 충전 인프라 관련 계획을 검토하였다. 구체적으로 스마트도시 종합계획, 교통 인프라 계획, 전력망 계획에 관한 국가 계획을 검토하였다. 1. 도시 부문: 제4차 스마트도시 종합계획(안, ’24. 1. 25.) 제4차 스마트도시 종합계획(안)을 검토해 보면, 전기차 충전 인프라 부문이 다소 부족하다. 물리적 공간-디지털 데이터–충전 서비스 차원에서 부족한 부문을 보완할 수 있다.첫째, 전기차에 사용되는 전기는 무탄소 전력(CF100)이어야 한다. 둘째, 내연기관에서 e-mobility로의 교통수단 전환을 증빙하는 데이터를 수집하고 탄소 크래딧(credit)화해야 한다. 셋째, 도시와 지역을 연결하는 전기도로(electric road)계획이 필요하다. 스마트도시 개념만으로는 전력망 공급이 지역 민원에 의해 차질이 생긴다. 도시와 지역을 하나의 거대한 인프라 공동체로 묶는 스마트 지역(smart region) 개념이 필요하다. 전기차의 범위 불안을 해소하기 위해서는 시민들이 도로를 따라 지역을 넘어서 전기충전 선형 서비스(linearservices)를 체감할 수 있어야 하기 때문이다. 2. 교통 부문: 관련인프라 관련계획 (1) 제2차 국가 도로망 종합계획(2021~2030년): 10×10, 6R2 제2차 국가도로망 종합계획에서는 전기차 충전 시설 등 모빌리티 친화적 인프라도 정비될 예정이다. 10×10 6R2 국가도 로망은 기존 간선 도로망(고속도로, 일반 국도, 국지도, 지방도 총 31,686 ㎞)에 연계해서 이루어진다. 매년 약 7조 원 수준의 국가 재정이 투입될 예정이다. 도로망을 건설하면서 전기차 충전 인프라를 동시에 건설한다면 상당한 비용 절감이 예상된다. (2) 제4차 국가철도망 구축계획(2021~2030) 도로에서 철도로 교통 정책 중심이 이동하고 있다. 2030년까지 철도망을 2배로 확충할 계획이다. 제4차 국가철도망 구축 계획에 확정된 사업 연장만 1,448 km(58.7조 원)이다. 복선 전철화되는 철도망과 결합된 무탄소 전력 공급계획, 철도역의 전기차 충전소 서비스가 필요하다. 3. 전력 부문: 제10차 장기 송변전 설비계획(2022~2036) 최근 국가 에너지 안보를 목표로 하는 제10차 장기 송변전 설비 계획이 발표되었다. 여기서는 전력망을 고속도로처럼 간선-지선을 체계화하는 계획이 포함되었다. 안정적 전원을 확보하기 위한 초고압직류송전(HVDC) 등이 제안되었다.초고압직류송전(HVDC)은 서해안의 해상 풍력 무탄소 전력을 수도권으로 끌어오기 위한 것이다. 수도권 도시부도로의 HVDC 매설과 전기도로(electric road)의 시공 테스트 베드 구축이 필요하다. 4. 관련계획 시사점 스마트도시 계획, 교통 인프라 계획, 국가전력망 계획을 아우르는SOC 건설 계획이 미비하다. 스마트도시와 교통 인프라를 건설할 때 전력망을 동시에 건설한다면 관련 비용을 크게 절감할 수 있다. 첫째, 제10차 장기 송변전 설비계획의 ‘직류 전력망(HVDC)’은 지하 매설이 가능하므로 국가 간선 도로와 철도망 개설 사업과 병행할 수 있다. 지하 매설을 한다면 콘크리트 구조물 초기 비용은 조금 들겠지만, 전주기적으로 상당한 비용 절감 및 국가 경쟁력 강화가 예상된다. 또한, 무엇보다도 전기차 충전소 등에 신재생에너지의 효율적인 송배전이 가능하다. 이러한 이유로 미국 교통부에서는 도로에 매설하는 직류전력망(HVDC) 연구 개발을 통해 전기차 대중화 시대를 앞당기고 있다. 우리나라에서도 해상풍력 무탄소 에너지를 도시로 끌어오는 직류전력망과 10×10 국가간선도로 건설 확장 계획을 연계 결합할 수 있다. 둘째, 국가전력망과 국가간선도로망 건설이 지역 민원으로 인하여 적시에 건설되지 못하고 있다. 전력망 사업을 도로망 사업과 병합하면, 전력망 개별 사업으로 추진할 때보다 건설시기가늦춰지는 것을 막을 수 있다. 전력망이 수도권으로 적시에 연결되지 못해서 생기는 사회적 비용과 산업 발전 정체를 해소해야 한다. 교통 용량과 동시에 무탄소 전력의 송배전 능력도 늘릴 수 있어야 전기차를 미래산업 성장동력으로 키울 수 있다. 제4차 스마트도시 종합계획을 스마트 그린지역(smart greenregion) 개념으로 개선하고, ‘제2차 국가도로망 종합계획’과 ‘제10차 장기 송변전 설비계획’을 융합한다면 전기차를 미래 성장동력으로 계속 키울 수 있다. 또한, 도로, 전력망 개별 구축 비용을 절감하면서, 각종 민원을 해소할 수 있을 것이다. 셋째, 도시와 지역을 연결하는 도로, 철도 사업을 ‘플랫폼’으로 연결하고 이용자 데이터 수집 인증(MRV: Monitoring, Reporting,Verification)을 통해서 기본사업 대비 옵션사업의 탄소중립 크래딧을 확보할 수 있다. 2026년부터는 우리나라 기업이 유럽에 제품을 수출하고자 한다면 탄소세에 해당하는 크래딧을 구매해야 한다. 이왕이면 국내에서 만들어진 크래딧을 구매하는 것이 기업과 국가에게 모두 이익이 될 수 있다. 국내에서 매년 약 14조 원의 정부 재정을 투입하여 수행하는 인프라 사업에서 자발적 탄소 크래딧을 확보할 수 있다. 대안 분석 1. 미래 10x10, 6R2 기반 모빌리티 인프라 기술 10x10, 6R2을 활용한 모빌리티 친화적 인프라 구축 방안을 검토하였다. 먼저, 1차 사전인터뷰 전문가 조사를 통하여 모빌리티 친화적 인프라 기술 종류에 대하여 조사하였다. MicroMobility 전용도로, 전기차 충전 인프라, 수소차 충전 인프라,미세먼지 저감도로, 탄소포집 녹화도로 등이 제시되었다.2차 설문조사에서 도로교통 부문 탈탄소화를 위해 초단기적(3년 이내)으로 긴급한 부문에 대하여 조사하였다. 탈탄소화(CO2 배출량 감소 부문)를 위해서 초단기적으로 긴급한 부문은 전기차 충전 인프라의 기술 개발이라는 답이 46.7%였다. 2. 전기차 충전인프라 구축 대안 검토 1차 사전 조사를 통하여 전기차 충전 인프라 구축의 한계를 밝혔다. 전기차의 충전시간을 낮추면서 전기차 주행거리를증가시키는 방법은 전기차 배터리의 무게를 줄이는 것이다.이를 위해서는 도로에 충전시설을 매설하는 방법이 있다. 이는 도로건설산업, 전력산업, 전기차 산업, 교통운영관리 사업을 융복합하는 것이다. 2차 설문조사에서 전기차 보급의 장벽인 ‘충전 인프라 부족과배터리 수명의 한계’를 보완하는 도로 인프라 기술로서 ‘무선충전도로’ 개발이 게임체인저가 될 수 있을지에 대하여, 응답자의 60.0%가 무선충전도로 개발이 필요하다고 응답하였다. 대안 평가 1. 기존 주유소의 고속충전기: 지점서비스(point service)형 충전인프라 지점서비스형은 전기차 교통량을 중심으로 전기차 충전 인프라를 운영하는 것을 말한다.한국에는 약 2,500만 대의 차량이 등록(2022년 기준)되어 있으며, 이 중에서 승용차가 약 2,000만 대가 등록되어 있다.2023년 현재 전국에 전기차는 47만여 대, 전기차 충전기는 24만여 기다. 이 중 급속 충전기는 2만 5,000기, 완속 충전기는 21만 5,000기다. 정부는 2030년까지 수송 부문 국가 온실가스 감축 목표에 따라 전기차 총 420만 대, 충전기 123만 기를 보급하기로 했다. 2030년 기준 급속 충전기(50~100 kW,30~60분)는 14만 5,000기, 완속 충전기(40 kW 미만, 4~8시간)는 108만 5,000기가 보급되어야 한다. 초급속(100 kW 초과, 30분 이내)는 순수한 민간사업자가 진행하고 있다. 지점 서비스형 충전 인프라의 경우에는 고속도로 휴게소 초급속 충전이 필요하다. 고속도로 이용 차량 100대 당 1대의 초급속 충전(350 kWh급의 슈퍼차저)이 필요하다. 차량 2,000만 대가 운행된다면, 20만 대의 슈퍼차저가 필요하다. 1기당 1억 원이 소요된다면 20조 원 수준의 금액이 필요하다. 여기서 고속 충전소(소위수퍼차저)는 120 kW급을 가정하였고, 스웨덴 Lund대학에서 제시한 충전 용량 킬로와트당 약 80만 원을 기준으로 하였다.지점 서비스의 경우에는 전기차는 80 kW 용량의 배터리를 장착해야 하며, 선형 서비스에 비해서 타이어 소모와 도로포장 파손이 더 많아서 시민, 기업, 국가 모두에게 비용이 가중된다. 배터리 용량은 2024년 기준 LG에너지솔루션에서 생산하는 순수 전기차 80 kWH를 기준으로 산정하였다. 지점 서비스형 충전 인프라를 구축한다면 전기차는 80 kWh의 배터리 용량이 필요할 것이다. 선형 서비스(linear service)형 충전 인프라, 즉, 무선충전 도로를 기반으로 한 충전 인프라를 구축한다면, 전기차 용량은 20 kWh이면 충분하다.골드만삭스의 2025년 전기차 배터리 가격 전망을 보면 kWh당 약 10만 원 수준으로 예측한다. 2. 전기도로(electric road) 건설: 국가 간선도로망의 전동화 전기도로는 도로에 무선충전기를 매립하는 것을 말한다. 즉,전기차와 함께 국가 간선도로망을 전동화하는 것이다. 국가간선도로망(2022년 현재 약 31,200 km)은 남북 10축, 동서 10축으로 개편된다. 간선도로망의 도로포장 덧씌우기 공사는10년에 1번 정도 이루어진다. 전기도로(electric road)는 전기차 배터리의 무게를 1/5로 줄이면서 전기차를 더 오래 더 멀리 달리게 할 수 있다. 국가 간선도로망의 목표는 전국 어디에서는 30분 이내에 간선도로망을 이용할 수 있게 하는 것이다. 국가 간선도로망을 전기도로로 개발하자는 관점에서 본다면 전기차는 30분 이상만 유지할 수 있는 배터리를 장착하면 된다. 즉, 차량의 무게가 감소하는 만큼 도로 관리 비용이 절감되며 탄소가 절감될 수 있을 것이다. 미래 국가 간선도로망은 전동화를 중심으로 무선 충전되는버스전용차로와 화물트럭 도로 자율주행 전용차로 등 모빌리티 전동화 서비스가 급속히 확산될 것이다. 전기차 배터리를 작고 가볍게 하는 전기도로 건설은 2050 탄소중립의 신성장동력이 될 수 있다. 전기도로는 1개 차로당 1 km당 약 13억 원으로 추산된다. 우리나라 간선 도로 중에서 약 20,000 km(고속도로와 일반국도 도로 연장)에 양방향 설치한다면 총 52조 원이 소요된다. 단, 2022년 미국에서 무선충전도로 시험연구에서는 1.6 km 설치에 약 170억 원이 소요되었다고 한다. 시험차량에 설치되는 고가의 무선충전기 등 각종 시험장비와 전력망 공급, 시험차량 제작 및 연구개발 비용이 포함된 금액이다. 전기도로는 전기차가 도로를 달리면서 주기적으로 충전해 주기 때문에 지점 서비스에 비해 1/4의 용량을 가진 배터리를 운영해도 된다. 전기도로를 보유한 국가와 시민 전기차 대중화를 위해서는 범위 불안을 해소해야 한다. 그 근본적 해소방법은 전기도로(electric road)다. 전기도로는 전기차 이동 중 자동으로 무선 충전되는 기술이다. 전기도로 없는 전동화는 어떻게 될까? 먼저, 당국은 고속도로 휴게소마다 많은 수의 고속 충전기를 설치해야 할 것이다. 시민들은 장거리 주행을 위해 배터리 용량이 큰 차량을 선호하게 될 것이다. 그만큼 도로포장은 더 파손되어 세금이 도로보수에 사용되고, 폐배터리는 크게 늘어나 사회적 비용은 증가하게 될 것이다. 반면, 전기도로를 보유한 국가의 시민들은 보다 싸고 가벼운 전기차를 보유할 수 있게 된다. 전기도로가 있으면, 전기차배터리 용량이 전기도로가 없을 때보다 25% 이하로 감소하기 때문이다. 도로는 덜 파손되고, 폐배터리는 그만큼 감소하게 될 것이다.지금처럼 전기차 도입 초기에는 고속충전기를 도입하는 것이 타당하지만, 일정 수준으로 전기차가 증가하면 전기도로도입을 고려해야 한다. 전기도로 없이 충전기 지점 서비스만으로는 교통정체 상습구간이나 정체시간대에 전기차 충전 수요를 감당하기 어려울 것이다. 전기도로는 전기차 충전소의 지점 서비스가 부족하거나 어려운 구간을 보완하는 기술이다. 전기도로는 도시부의 특정 상습 정체 구간의 탄소중립을 위해 경쟁적 우위를 점유할 수 있다.(참조: Stefan Tongur, 2018)또한, 전기도로는 도시와 지역을 연결하면서 탄소를 감축하는 ‘스마트 지역(smart region) 사업모델이다. 예를 들어, 평택항과 서울 간 상시 정체 구간에 전기도로를 건설한다면, 수도권 전역에 관련산업을 키울 수 있다. 즉, 시민에게 인센티브를 지급하고, 도로관리자는 비용을 절감하며, 전력공급자는탄소중립 ESS(에너지저장시스템)를 확보하고, 기업들은 탄소감축 크래딧도 확보하는 ‘전기도로 신산업’이 탄생하게 될 것이다. 또한 전기도로는 고속도로 통행료 시스템과 함께 운영할 수 있다. 도로 유지관리에 드는 막대한 예산을 사용자 부담 원칙으로 합리화할 수 있다는 장점도 있다.따라서, 전기도로는 기업에는 새로운 기회, 국민에게는 교통비 절감, 국가에는 탄소중립 NDC 달성에 기여하게 될 것이다. 전기도로는 교통의 전동화와 함께, 동시에 노후화된 도로를 정비하고, 미래 성장 동력 개발에 일조할 수 있다. ――――――――――――――――― 참고자료 관계부처합동(2021) 2050 탄소중립 시나리오(안). • 국토교통부(2022) 모빌리티 혁신 로드맵. • 관계부처합동(2023) 탄소중립 녹색성장 국가전략 및 제1차 국가 기본계획. • 국토교통부(2021) 제2차 국가도로망종합계획(2021~2030). • 국토교통부(2021) 제4차 국가철도망구축계획(2021~2030). • 국토교통부(2024) 제4차 스마트도시 종합계획(2024~2028) 수립을 위한 공청회 자료. • 백남철(2022) 시간을 잡는 방법, 대학신문. • 백남철, 류승기(2023) 미래 첨단 모빌리티 인프라 구축, 2023 ITS 학술대회. • Stefan Tongur (2019) The role of business models in the transition toElectric Road Systems, https://www.nordicenergy.org. • Stefan Tongur (2018) Preparing for takeoff: Analyzing the developmentof electric road systems from a business model perspective (Doctoraldissertation, KTH Royal Institute of Technology). • Intelligent Transport (2020) Electric road systems and theSwedish evolution, https://www.intelligenttransport.com/transportarticles/106866/electric-road-systems-and-the-swedish-evolution. • The Loop Team (2020) Overcoming electric vehicle range anxiety 도로교통연구본부 게시일2024-04-29 조회수 1263
• 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 ▲ 전성일 KICT 도로교통연구본부 수석연구원 우리나라 노후 도로포장 연장의 증가와 함께 도로포장 유지보수 비용이 급증하고 있다. 또한 노후 도로에서는 움푹 팬 형태의 파손들이 있는데 이것이 교통사고 위험성을 증가시키고 있다. KICT 도로교통연구본부 전성일 수석연구원은 안전한 도로주행과 지속가능한 도로 이용을 위해 노후화된 도로를 효과적으로 보수할 수 있는 기술을 소개한다. 안녕하세요, 개발 기술에 대한 소개를 부탁드립니다. “안녕하세요. 운전하다 보면 교통량이 많은 곳은 노후화가 빨리 일어나서 도로 중간중간에 움푹 팬 자국을 많이 보실 겁니다. 아스팔트 포장에서는 이것을 포트홀이라 하고, 콘크리트 포장에서는 이것을 스폴링이라 부릅니다. 포트홀과 스폴링은 자동차가 도로를 주행함에 있어 큰 위험 요소로 다가오니 보완이 필수적입니다. 해당 기술은 이러한 노후화 도로를 상대로 개발되었습니다. 노후화된 시멘트 콘크리트 포장도로를 효과적으로 유지보수할 수 있는 공법이며, 크게 두 가지 기술로 나누어져 있습니다. 첫 번째 기술은 콘크리트 재료 기술로 콘크리트 배합 과정에서 고흡수성수지(SAP: Super Absorbent Polymer)를 첨가하여 내부 양생 효과를 얻게 하는 기술입니다. 내부 양생은 콘크리트 내부 습도가 낮아질 때 물을 미리 흡수한 SAP가 다시 물을 방출하여 콘크리트 내부 습도를 높게 유지하는 것을 말합니다. 저희는 이걸 SAP 콘크리트라고 불러요. 이 내부 양생 효과로 인해 SAP 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 상대적으로 안정적인 수화반응을 하고, 수축이 저감되며 표면부 마모 저항성이 크게 향상되는 장점이 있습니다. 두 번째 기술은 철근을 자동 배근하면서 콘크리트를 포설하는 시공 기술입니다. 저희는 이 시공 기술을 구현하기 위해 3번의 시행착오를 거쳐 국내외적으로 유일한 전용 포 설 장비를 개발하였습니다. 본 시공 장비의 가장 주요한 특징은 콘크리트 공급용 스프레더(spreader), 철근 자동배근용 튜브(tube), 콘크리트 포설용 오거(auger), 다짐용 진동판, 그리고 마감용 롤러튜브(roller tube)와 슈퍼스무서(super smoother)를 하나의 장비에 일체화했다는 것입니다. 이와 같은 일체화 장비를 사용할 경우 공용 중인 도로에서 교통차단을 최소화하고 시공 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있습니다. 이 두 가지 기술을 조합한 ‘박층 연속철근콘크리트 덧씌우기포장 공법(UT-CRCP)을 개발했습니다.” 해당 기술을 개발하게 된 배경이 궁금합니다. “2022년 우리나라 도로포장 유지보수비용이 1조 원을 초과한 사실을 알고 계신가요? 2013년 대비 약 2배 정도 증가한 수치입니다. 한국도로공사의 경우 전면적인 유지보수가 필요한 노후 도로포장 연장이 현재 약 300 km입니다. 그런데 2040년엔 약 3,000 km 까지 급증할 것이라는 거죠. 2040년 고속도로 전체 노선에 약 60%가 노후 도로포장이 된다는 의미입니다. 이와 같은 노후 도로포장 연장의 증가는 국가 재정에 상당한 부담을 줄 수밖에 없어요. 장기적으로 도로 이용자의 안전에도 영향을 미칠 수 있습니다. 또 하나는, 우리나라 시멘트 콘크리트 포장의 형식은 대부분 줄눈 콘크리트 포장입니다. 이 포장 형식은 6 m마다 가로 방향줄눈(joint)을 설치하는데, 오래 사용하면 줄눈부를 중심으로 파손이 발생합니다. 파손이 시작되면 연쇄적으로 파손 부위가 확대되고 급속도로 노후화가 진전되겠죠. 이 때문에 도로 이용자들이 많은 불편을 호소하기도 합니다. 공학적 관점에서 적절한 보수를 통해 노후화 진전을 억제하는 것이 궁극적으로 예산을 절감할 수 있는 유일한 방법입니다. 그러나 그 동안 우리나라에서 적용된 보수 방법들은 열화된 콘크리트를 제거하고 새로운 콘크리트를 타설하는 방식으로 이어져 왔습니다. 타설 후에는 기존 포장과 동일한 위치에 줄눈을 설치하는데 일정한 공용기간이 지나면 이 줄눈 부위를 중심으로 재파손이 발생하게 되어, 충분한 공용수명을 확보하지 못하는 단점이 있었습니다.이러한 문제를 극복하고자 줄눈 콘크리트 포장(JPCP) 위에 연속철근 콘크리트 포장(CRCP)을 설치하는 설계 개념을 고안했어요. 기존 열화된 콘크리트를 일부 제거한 후 새로운 콘크리트로 덧씌우기할 때 종방향 철근을 배근해요. 그런데 완성된 도로포장 보수단면은 별도로 줄눈을 설치하지 않아도 됩니다. 이건 기존 콘크리트 포장의 가장 큰 약점을 제거했다는 의미가 됩니다. 일반적으로 CRCP는 균열 발생을 허용하는 포장 형식으로 균열 폭이 1 mm 이하로 유지되어 장기 공용성능이 우수한 것으로 알려져 있어요. 이 UT-CRCP 공법을 적용할 경우 도로 포장체가 JPCP 거동에서 CRCP 거동으로 전환된다는 사실을 장기 계측을 통해 확인했어요. UT-CRCP 공법이 우수한 장기공용성능을 나타낼 수 있다는 직접적인 증거가 되죠. 기존 기술들의 한계를 극복하고 신설 도로포장에 준하는 성능을 확보할 수 있다는 점. 또 장기적으로 국가 예산을 절감할 수 있는 기술이라고 말씀드릴 수 있습니다.” 기존에도 이와 같은 포장 공법이 있었나요? “미국에서 10년 전에 이와 유사한 형태로 시험시공이 된 사례가 있습니다. 최근에도 텍사스주 패리스(paris) 인근 도로에 적용되기도 했죠. 그러나 설계, 재료, 시공 방법에 큰 차이가 있어요. 이번에 KICT에서 개발한 이 공법은 ’CRCP on JPCP’ 개념을 구현할 수 있는 최적화된 기술이라고 감히 말씀드립니다.” 해당 기술은 현재 성능을 검증받은 상태입니다. 이 기술이 건설 신기술 인증을 받기까지 수많은 노력이 있었을 텐데, 앞으로의 계획이 궁금합니다. “저희는 이 기술을 도로포장 유지보수 분야에 적용될 수 있도록 개발하였습니다. 이 공법은 2년의 기획과 5년의 연구개발을 통해 나오게 되었죠. 연구개발 단계에서 네 번의 시험시공을 거쳤어요. 이 중 두 번은 공용 중인 국도에 적용했습니다. 이를 통해 연구 기간 내에 공법을 완성해 중소기업에 기술이전을 한 상태입니다. 말씀하신 바와 같이 건설 신기술 인증까지 마친 상태죠. 물론 연구자로서 여전히 부족한 부분이 있다는 것을 인정합니다. 향후 본 기술이 실질적인 적용 과정에 다다를 때 부족한 부분을 지속적으로 개선하여 공법의 완성도를 꾸준히 높여가겠습니다.” 앞으로 이루고자 하는 연구성과나 목표가 있을까요? “개발 기술과는 조금 다른 이야기이긴 하지만, 포틀랜드 시멘트는 지구온난화의 주범으로 취급당할 때가 있습니다. 포틀랜드 시멘트 생산과정에서 다량의 탄소가 발생한다는 것은 너무나 잘 알려진 사실이죠. 그런데 포틀랜드 시멘트의 주원료인 석회석에 열을 가할 때 그 자체에서 탄소가 발생한다는 사실은 많이 알려지지 않았어요. 인류가 석회석을 가공하여 결합재로 사용한 것이 약 9,000년을 넘었습니다. 가장 값싼 방법으로 결합재를 생산할 수 있기에 건설재료로 여전히 활용되고 있는 것입니다. 최근 탄소저감을 위한 시멘트 대체 재료 연구들이 있었지만, 실제 현장에 적용할 수 있는 방안은 아직 마련되지 못했습니다. 저는 탄소 발생량을 저감시키기 위해 포틀랜드 시멘트 사용량을 줄이는 것에 동의해요. 하지만, 이를 해결하기 위해 ‘대체 재료 사용’이 아닌 ‘장수명’이 대안일 수 있다고 생각합니다. 오래 사용하여 시멘트 사용량을 줄이자는 것입니다. 물론 이와 같은 논의가 과거에 없었던 것은 아니지만, 구체적인 액션 플랜을 만들지는 못하였습니다. 저는 이에 대한 노력이 다시 시작될 필요가 있다고 생각합니다. 현재 콘크리트 포장도로 설계수명은 20년입니다. 실제 공용 수명은 이보다 짧을 때도 있습니다. 이에 50년 성능, 아니 100년 성능을 목표로 한 콘크리트 포장도로를 구현할 수 있는 개념 및 공법이 필요하다고 생각하며, 이에 대한 연구 개발을 이어가고 싶습니다.” 도로교통연구본부 게시일2024-01-29 조회수 1199
• 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 1896
• 자율주행의 내일을 설계하다 ▲ 윤덕근 KICT 도로교통연구본부 선임연구위원 (자율협력주행 지원 인프라 연구팀) 앱 하나로 불러 타는 자율주행 셔틀, 골목길을 따라 조용히 배달 중인 무인 차량. 이제 자율주행은 뉴스 속 기술이 아니라, 일상에서 마주치는 새로운 교통 수단이 되고 있다. 자율주행 기술이 일상 속으로 스며드는 이 전환점에서, 한국건설기술연구원 도로교통연구본부는 새로운 해답을 제시하고 있다. 복잡한 도로에 질서를, 자율주행 인프라 가이던스(IG) 자율주행차가 일상 속으로 스며드는 시대, 다양한 차량과 보행자가 혼재된 복잡한 도로환경에서 ‘어떻게’ 안전하고 효율적으로 움직일 수 있을까? 도로교통연구본부 연구진은 이 질문에 해답을 제시한다. 도로 인프라에 설치된 AI가 도로 상황을 실시간 분석해 각 차량에 최적의 주행 경로와 속도, 차로 등을 맞춤형으로 제공하는 IG 기술은, 단순한 정보 제공을 넘어 주행 전략을 ‘권고’하거나 ‘지시’하는 수준까지 나아간다. 이는 자율차 간 기술 격차, 예측불가한 돌발 상황 등 미래도로 환경의 난제를 해결할 열쇠로 주목받는다. 하지만 기술의 발전만큼 법제도와 사회적 수용성 확보도 중요하다. 연구팀은 통신표지 도입을 위한 법 개정, 국내외 표준화 활동, 시민 체감형 IG-Nomad 서비스 개발 등 다방면에서 연구를 확장 중이다. 오랜 실도로 실증과 정책지원, 국제표준화 경험을 바탕으로 팀워크를 발휘하며 기술적 완성도를 높여가고 있는 이들의 도전은, 결국 모두를 위한 ‘똑똑한 도로’를 현실로 만드는 여정이다. 사용자 중심으로 진화한 대중교통, ‘가치타요’의 도전 복잡한 도심 한복판에서도 사용자의 요구에 따라 유연하게 이동하는 자율주행 셔틀 서비스가 등장하고 있다. 도로교통연구본부에서 개발 중인 ‘가치타요’는 미래형 대중교통의 새로운 모델로, 고정된 노선 없이 이용자의 통행 패턴과 실시간 교통 상황을 반영해 최적 경로로 운행하며, 합승 기능까지 가능한 스마트한 시스템을 갖췄다. 레벨 4 수준의 자율주행 기술과 인프라 협력 기반의 제어 시스템이 적용된 이 서비스는, 셔틀 차량 자체 개발은 물론 동적 경로 생성 알고리즘, 통합 관제, 서비스 검증 체계까지 전 과정을 아우른다. 특히 불특정 다수를 대상으로 하는 대중교통 서비스 특성상, 신뢰성과 안전성 확보는 핵심 과제로, 연구진은 새로운 검증 기준과 평가 기법을 마련하고 있다. 가치타요 연구진은 자율주행, 교통안전, 시스템공학 등 다양한 전문성을 지닌 인력으로 구성되어 있으며, 다수의 표준화 활동과 실증 경험을 바탕으로 기술의 완성도를 높여왔다. 차량 개발 과정에서 기관 변경 등 예기치 못한 어려움도 있었지만, 유기적인 협력과 빠른 대안 모색으로 문제를 해결해왔다. 연구진은 기존에 없던 서비스를 개척한다는 사명감으로 소통과 협력을 이어가며, 국내 자율주행 대중교통 기술의 새로운 이정표를 세워가고 있다. 기계와 사람이 함께 달리는 길, 인프라를 바꾼다 자율주행차가 일상이 되는 미래를 앞두고, 도로 인프라 역시 새로운 기준을 요구받고 있다. 도로교통연구본부에서 자율차의 주행 특성과 운영 환경을 반영해, 도로 공간을 새롭게 설계하고 인프라의 안전성을 평가하는 기술을 연구하고 있다. 자율차와 기존 차량이 공존하는 도로 상황에서 발생할 수 있는 다양한 변수에 대응하기 위한 제도와 기준 마련 역시 함께 추진 중이다. 연구진은 기존 도로 인프라가 사람 운전자를 기준으로 설계되어 있다는 점에 주목했다. 자율차는 예기치 못한 상황에 대응하는 방식 자체가 다르기 때문에, 같은 도로를 달리더라도 완전히 다른 조건이 된다. “지금까지의 도로가 사람을 위한 공간이었다면, 앞으로는 기계와 시스템을 함께 고려해야 합니다.” 자율차 도입이 교통 안전성과 이동성, 환경성 전반에 미칠 영향을 정량적으로 분석하고, 이에 적합한 도로 설계와 평가 방식을 연구하고 있는 이들은 기술 개발과 더불어, 개발된 연구 성과가 제도화될 수 있도록 관련 기준 마련에도 적극 나서고 있다. 자율주행 기술이 빠르게 진화하면서 도로교통 환경 역시 새로운 전환점을 맞이하고 있다. 도로교통연구본부 연구진은 각자의 전문 분야에서 이 변화에 선제적으로 대응하며, 기술과 사회가 함께 나아갈 수 있는 길을 설계해 나가고 있다. 이들의 연구가 축적될수록, 우리는 더욱 체계적이고 사람 중심적인 교통 환경에 가까워질 것이다. 앞으로도 한국건설기술연구원이 기술을 넘어서 제도와 사회적 공감대를 아우르는 미래 교통의 해답을 만들어가길 기대한다. 도로교통연구본부 게시일2025-04-24 조회수 104
• 첨단 건설 재료 설계기술 확보를 위한 나노 스케일 소재 평가 방법 연구 첨단 건설 재료 설계기술 확보를 위한 나노 스케일 소재 평가 방법 연구 ▲ 윤태영 KICT 도로교통연구본부 연구위원 첨단 분야에서의 소재 개발 연구 방법 소재 개발 기술 경쟁력에서 정확성과 신속성이 핵심적인 요소로 평가되는 바이오, 화학, 반도체나 배터리를 포함하는 첨단소재 분야에서는 과거 실험적 시행착오에 의존하는 방법에서 벗어나 계산과학과 소재정보학(material informatics)을 활용한 소재 개발 방법이 적극 활용되고 있다. 이러한 방법은 소재의 명칭이나 조성과 소재의 물성 사이의 연관성을 확인하는 기존의 단순한 회귀 분석 방법이 물질을 구성하는 분자구조의 특성, 조성, 상호작용을 활용하여 소재의 물성을 예측하는 정량적 구조-물성 상관관계(Quantitative Structure and Property Relationship, QSPR)를 정립하는 방법으로 대체된다. 회귀 분석을 활용하는 방법은 회귀모형 개발을 위한 데이터베이스를 구축하는 데 활용되지 않은 소재는 물성 예측 대상이 될 수 없으나, QSPR을 활용하는 방법은 데이터베이스 구축에 활용되지 않은 소재이더라도 유사한 분자구조를 가지고 있거나 분자결합 특성이 데이터 베이스 구축에 활용되었다면 물성 예측이 가능하다는 큰 차이가 있다. 그림 1은 소재 개발을 위한 전통적 연구 개발 방법론과 최근 활용되고 있는 연구 개발 방법론의 차이와 관련성을 개념적으로 나타낸다. 최근 소재 개발 연구는 과거와 다르게 실험을 통해 제한적으로 얻어진 자료만을 활용하지 않는다. 소재 개발에 활용될 대상 소재의 분자구조와 조성을 활용하여 분자 사이의 결합과 분리에 필요한 에너지를 분자동역학이나 양자역학을 활용하여 계산하며, 이들 역학적 이론은 밀도, 탄성계수, 점도, 용해도, 부착력 등의 역학적 물성 계산에도 활용될 수 있다. 그림 2는 분자동역학이나 양자역학을 활용하는 경우, 소재 내 비결정구조와 결정구조 사이에서 발생하는 상호작용의 결과로 나타나는 용해도나 부착력을 나타낸다. 건설 소재에 대한 나노 스케일 소재 개발 방법 활용 최근 안전에 대한 높아지는 요구 수준에 따라 건설 재료의 구조적 또는 기능적 적정성을 평가하는 방법은 더욱 세분화되고 있다. 또한 건설 재료가 환경에 미치는 영향이나 건설 재료의 성능 향상에 대한 관심도 증가하여 새로운 재료를 개발하기 위한 과정이 복잡해지고 있다. 예를 들어, 과거 도로포장에 사용되는 재료인 아스팔트 바인더를 평가하는 방법으로 간단한 공학적 물성이 활용되었지만, 1987년 미국의 연구 프로그램이 제안된 이후에는 복잡한 장비나 이론적 이해를 요구하는 점탄성이나 탄성 회복력과 같이 역학적 물성이 활용되고 있다. 또한 도로에서 융설 기능 확보를 위하여 탄소나노튜브나 흑연과 같은 발열 소재들이 첨가제로 고려되는 등 향후 소재나 부재의 성능을 평가하기 위한 실험의 복잡도는 더욱 높아질 것으로 예상된다. 다양한 기능을 포함하는 복잡도 높은 소재는 실험 방법이나 절차에 따라 평가 물성이 민감하게 달라지는 경향이 있다. 따라서 이러한 방법이나 절차에 따른 문제를 보완하기 위한 노력으로 실물 크기의 부재에 대한 실험적 평가가 선호되는 등 평가를 위한 시간과 비용이 크게 증가하고 있다. 소재의 나노 스케일 분자 구성과 조성을 활용한 계산 데이터를 중심으로 물성을 예측하는 나노 스케일 소재 평가 방법은 시간과 비용 측면에서 상대적으로 효율성이 매우 높은 방법이다. 그림 3은 도로포장에서 사용되는 아스팔트 혼합물에 대하여 분자동역학을 활용할 때 재료와 첨가제의 종류 및 노화 영향과 수분 함량 등 고려할 수 있는 다양한 정성적 변수를 나타낸다. 이러한 정성적 변수는 분자구조의 조성 등 특수한 정량적 정보로 세분화되고 용해도, 부착에너지, 인장강도, 점도, 탄성계수 등의 물성과 함께 기계학습에서 활용되어 학습에 활용되지 않은 새로운 건설 소재를 설계하거나 새로운 설계의 물성을 예측하는 데 활용된다. 나노 스케일 건설 소재 개발 방법과 건설 소재 기술의 미래 과거 우리나라의 건설 기술 개발 전략은 당시 선진국의 기술을 빠르게 받아들여 내재화하는 빠른 추종자(fast follower)전략을 활용하였다. 이러한 빠른 추종자 전략은 빠른 결과나 성과를 기대하는 국내 문화 특성, 국가 예산 규모의 제약과 문화 특성에 따른 경제성 중심의 선택과 집중 논리, 국내 건설 시장의 확장성 한계에 따라 앞으로도 유지될 것으로 예상된다. 그러나 정보의 일반화와 융합적 과학기술 개발 방법론의 보편화에 따른 분야별 장벽이 낮아지고 있는 상황에서 건설 분야 기술 개발에서 여전히 시스템 통합 역할만이 강조될 수는 없다. 주로 국가를 대상으로 수행되는 건설 분야에서 시민에게 필요한 핵심 기술을 적시에 효율적이고 안정적으로 제공하기 위해서는 부가가치가 높지 않거나 전문성에 대한 진입장벽이 높아서 다른 분야에서 접근하기 어려운 건설 분야에서의 기술 개발이 필요하다. 균질성이 낮고 복잡한 환경에서 활용되어 다른 분야에서 접근하기 어려운 나노 스케일 건설 소재 개발 기술이 성공적으로 구체화되면 건설 분야에서 핵심 기술을 포함한 시스템 통합의 좋은 사례가 될 수 있을 것으로 전망된다. 참고자료 윤태영(2024) 도로포장 재료 개발을 위한 소재정보학과 분자동역학 활용 연구 방법 고찰(I). 한국도로학회 v.26, no.4, pp.45-58. 윤태영, 문재필, 심승보, 주현진(2024) 유전자 알고리즘-PLSR 모델 기반 아스팔트 바인더의 분자 표현자와 밀도 관계 정립. 한국도로학회 v.26, no.4, pp.69-78. I Jeon, J Lee, T Lee, T Yun, S Yang (2024) In silico simulation study on moisture-and salt water-induced degradation of asphalt concrete mixture, construction and building materials v.417. 도로교통연구본부 게시일2025-02-24 조회수 266

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