작성일 : 19-05-20 13:14
첨단 기술이 융합된 미래도로의 교량 (제139호)
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도로 환경 변화 

4차 산업혁명의 핵심기술인 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 로봇, 3D 프린팅, 빅데이터, 인공지능의 개발이 본격화되고 적용이 확산됨에 따라 모든 산업 분야에 근본적인 변화를 불러일으키고 있으며, 연관된 신산업 분야도 창출되고 있다. 도로 분야에서는 이들 핵심기술과 함께 넓은 범주에서 4차 산업혁명 기술로 포함되는 자율주행차가 가까운 시일 내에 상용화가 될 것으로 예상되며, 상용차의 군집주행(Truck Platooning) 관련 기술 개발도 활발하게 이루어지고 있다. 이들 첨단 기술은 도로의 건설, 운용 및 시설물 관리에 혁신적인 변화를 초래할 것이다. 

도로를 포함한 건설산업 분야에서는 4차 산업혁명 첨단기술과 함께 3차원 건설정보모델링 기법인 BIM(Building Information Modeling)의 융합을 통해 생산성과 효율성 향상 등을 도모하기 위한 노력이 활발하게 진행되고 있다. 국토교통부도 건설산업에 BIM, 드론, IoT, 빅데이터 등의 첨단기술 융합을 통해 건설산업의 패러다임을 변화하기 위한 스마트건설 기술 활성화 로드맵을 2018년에 발표하였으며 대형 국가연구과제로 추진 중이다. 또한 도로의 관리주체들도 첨단 기술을 활용해 건설과 유지관리 효율성 향상을 위한 노력을 기울이고 있다. 첨단 기술의 융합은 도로 시설물 중 가장 고도의 기술력이 필요한 교량의 생애주기 전 단계에 걸쳐 도입되고 있다.


건설 기술 혁신 

3차원 시각화 모델을 활용하여 각종 시설물의 설계-건설-유지관리에 걸친 전주기의 각종 데이터를 생성 및 관리하고, 프로젝트 참여자 사이의 공유를 통해 생산성 향상을 위한 3차원 BIM 기술이 다양하게 개발 및 적용되고 있다. 건축물 및 플랜트 건설 분야에서 시작되어 다양한 건설산업 분야로 확대 적용 중인 3차원 BIM은 건설 산업의 미래에 가장 큰 영향을 미칠 기술로 꼽히고 있으며, 정부의 방침에 따라 일정 규모 이상의 공공 공사에는 적용이 의무화되고 있다. 도로건설 분야에서는 입체 구조물인 교량에 3차원 BIM의 적용이 가장 활발하게 이루어지고 있다. BIM 모델을 이용하여 각종 부재의 시공과 장비의 작업성을 사전에 시뮬레이션해보고, 사물인터넷 기술을 활용하여 현장에서 측정된 데이터와 각종 정보를 모델에 반영하여 건설을 관리하는 것이 미래 교량 건설의 한 모습이 될 것이다. 3차원 BIM을 확대 적용함에 따라 대부분의 신설 교량에는 설계 및 건설 정보가 담긴 디지털트윈(Digital Twin)이 만들어질 것이다. 디지털트윈은 유지관리 단계로 이관되어 교량의 점검, 보수, 보강 등의 정보를 지속적으로 축적하고 관리하기 위한 교량유지관리시스템으로 활용될 것이다. 

3차원 설계데이터를 활용하여 소형 구조체나 부품, 실물 모형을 적층으로 만들어 내는 3D 프린팅 기술도 건설산업분야에서 주목하는 4차 산업혁명 기술 중 하나이다. 합성수지, 고무, 고분자 물질 등이 3D 프린팅의 재료로 주로 활용되지만, 콘크리트와 같은 기존의 건설재료를 활용한 3D 프린팅 건설 관련 연구개발이 우리나라뿐만 아니라 기술 선진국을 중심으로 다양하게 수행되고 있다. 스페인, 중국, 미국 등에서는 3D 프린팅을 이용하여 소형 콘크리트 교량을 이미 건설하였으며, 네덜란드에서는 2018년에 강재 교량을 건설하였다. 3D 프린팅 기술을 활용하면 기존 건설 기술로는 구현하기 어려웠던 다양한 형상을 보다 용이하게 구현할 수 있으며, 구조적으로 최적화된 형상을 구현할 수 있다. 향후 건설에 적합한 재료의 개발과 응용이 활성화되고 프린팅 장비의 대형화와 비용의 문제가 해결되면 보다 폭 넓게 교량 건설에 활용할 수 있을 것이다. 


교량 스마트화

교량의 손상이나 결함은 차량 주행과 이용자의 안전에 큰 영향을 주므로 각 도로관리 주체는 시설물의 유지관리 관련 법률과 시행령, 지침 등에 따라 정기적으로 교량의 상태를 점검하고 있다. 그러나 손상을 적절한 시기에 인지하지 못하는 경우도 있으며, 점검이나 보수를 위해 교량의 통행을 전면 차단해야하는 경우도 종종 발생한다. 

스마트 교량은 유무선 센서, 통신, 네트위크 등의 사물인터넷 기술과 인공지능 등을 이용하여 교량의 상태와 건전도에 대한 정보를 자동으로 측정하고 예측해서 도로관리자나 주행 차량에 관련 정보를 전달할 수 있는 교량을 일반적으로 의미한다. 또한 구조적인 문제가 발생하는 경우 스스로 감지하고, 균열을 스스로 보수할 수 있는 자기치유형(Self-healing) 콘크리트나 도장과 같은 스마트 재료도 스마트 교량의 주요 요소가 될 것이다. 

센서와 정보통신기술을 이용한 교량 관리는 20여 년 전부터 장대 케이블 교량을 중심으로 시작되었다. 서해대교, 영종대교, 이순신대교와 같은 주요 케이블 교량에는 100여 개 내외의 센서와 데이터 처리 및 분석 시스템으로 구성된 구조물건전도계측시스템(Structural Health Monitoring System)을 설치하여 케이블이 받는 힘과 같은 교량의 건전도에 관련된 값들을 실시간으로 측정하고 있다. 서해대교 계측시스템은 2015년 낙뢰로 인한 화재사고 전후에 교량의 구조적 상태와 케이블 파단에 따른 구조계의 변화를 실시간으로 파악할 수 있게 해주었다. 홍콩, 중국, 미국, 유럽을 중심으로 수백 개의 센서로 구성된 계측시스템이 주요 교량에 운영되고 있다. 

그러나 교량 계측시스템은 설치와 운용에 많은 예산과 전문 인력을 필요로 하여 일반 교량으로 확대되지 못하고 케이블 교량으로 설치가 제한된 실정이다. 미래의 자율주행차 기반 도로네트워크에서는 교량의 건전도 관련 정보를 도로관리자뿐만 아니라 V2I(Vehicle to Infrastructure)를 통해 차량에 실시간으로 전달할 수 있는 스마트 교량이 보다 광범위하게 요구될 것이다. 또한 노면 결빙 및 마찰계수, 강풍과 같이 자율주행차량의 주행 조건에 큰 영향을 주는 교량상의 환경적인 요소들도 측정되어 전달하여야 한다. 이를 위해서는 하나의 센서로 다양한 정보를 수집할 수 있는 저비용 다기능 센서, 소요되는 전원을 스스로 공급할 수 있는 에너지 자립형 센서 등이 개발되어야 한다. 또한 센서에서 측정된 다양한 정보를 수집, 분석하고 유의미한 정보를 빠른 시간 내에 도출하기 위한 빅데이터, 인공지능 기술도 접목되어야 한다. 


스마트 유지관리 

현재 국내에는 21,000여 개의 도로교가 있으며, 향후 10년 이내에 절반 이상의 교량이 30년 이상의 노후시설물로 분류될 것이다. 이들 노후교량의 안전성과 사용성(Serviceability)을 확보하기 위해서는 지속적인 점검과 유지관리가 필수적이다. 현재는 교량기술자가 구조물에 최대한 접근해서 육안관측이나 비파괴 시험을 수행한 후, 이상 유무를 점검하고 있다. 그러나 교량 내부의 협소한 부위나 고소(高所) 교량 같은 경우에는 접근이 어려워 실질적인 점검과 유지관리가 이루어지지 않는 경우도 있다. 

교량의 유지관리의 효율성 제고에도 4차 산업혁명의 첨단 기술이 활용되고 있다. 디지털 카메라, 열화상 카메라, 비파괴 검사장비 등을 탑재한 자율주행 드론이나 로봇을 활용하여 접근이 어려운 부위의 점검과 손상을 조사하기 위한 기술이 다양하게 개발되고 있다. 특히 인텔(Intel)과 같은 글로벌 업체들도 관심을 갖고 자율주행 드론을 이용한 교량 점검 기술을 개발하고 있어, 배터리 용량 제한 등의 기술적인 문제가 해결되면 교량의 유지관리 현장에 폭 넓게 활용될 것이다. 


결어

미래의 도로 교량은 4차 산업혁명 기술과의 융합을 통해 스마트 교량으로 진화할 것이며, 건설 및 유지관리의 생산성과 효율성도 크게 향상될 것으로 기대된다. 스마트 교량은 손상, 노면상태 등을 스스로 인식하고, 차량이나 관리자한테 정보를 실시간으로 전달할 수 있는 기능을 갖게 된다. 교량의 설계, 건설 및 유지관리에 관련된 모든 정보는 디지털트윈과 연계되어 지속적으로 관리될 것이다. 교량의 스마트화는 자율주행자동차가 운행하는 미래도로의 안전성 및 사용성 확보에 크게 기여할 것이다.

스마트 교량을 실현하기 위해서는 교량 엔지니어들이 4차 산업혁명에 따른 기술 변화를 적극적으로 수용해야 하며, 타 분야 엔지니어들과의 소통과 협업이 필요하다. 또한 현재는 교량 관리 주체에서 아웃소싱 등을 통해 필요 기술을 주로 개발하고 있지만, 향후에는 혁신적인 기술과 아이디어를 보유한 스타트업 기업들이 스마트 교량 관련 기술을 개발하고 제공할 수 있는 생태계의 구축과 정책적인 지원이 활발해져야 한다.                              


길흥배 _ hgil@ex.co.kr



 
   
 

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