IoT, 디지털트윈, AI 등 4차 산업기술을 이용해 하천홍수에 대한 실시간 모니터링은 물론 하천에서 발생이 예상되는 재난피해에 대한 실시간 대응이 가능한 ‘실시간 하천재해관리기술’이 개발돼 이목을 집중시키고 있다.
이 기술은 영상 기반의 하천 수위, 유속, 유량을 측정할 수 있는 가능한 모니터링 소프트웨어와 플랫폼으로, 향후 하천모니터링과 홍수 대응 디지털트윈 적용 분야에 나가야 할 방향을 제시했다는 점에서 호평을 받고 있다.
영상 기반 하천 수위 유속 유량 ‘측정’ 가능 소프트웨어 플랫폼 개발
하천관리기술 등 3개 과제에 15개 기관 80여 연구진 참여 7년간 진행
최근 기후변화와 이상홍수 발생으로 인해 하천 내 재난 피해가 증가하고 있는 가운데 특히, 대부분의 경우 하천 제방의 월류도 함께 발생하며, 이로 인한 인명피해 증가 등 잠재적 피해요인도 커지고 있는 실정이다.
실제로 지난 몇 년간 전국을 휩쓴 폭우로 인해 호남지방과 중부내륙에서 많은 피해가 발생한 바 있다.
홍수로 인한 하천범람은 인명과 재산에 대한 직접적인 피해는 물론 하천환경과 수생태계 변화에도 복합적으로 영향을 미친다.
하지만, 하천재난에 대한 기존의 대응 방식은 상류 댐 방류 시 알림 기능이나 홍수 발생 시 관계자가 직접 하천에서 통제를 하는 수준에 머무르고 있다.
특히, 소하천이나 도시에서 벗어난 지역은 이마저도 어려운 실정인 것으로 알려져 있다.
이 같은 현실 극복을 위해 환경부와 한국환경산업기술원의 지원 아래 한국건설기술연구원을 중심으로 ‘능동형 하천정보 운영을 통한 다차원 하천관리 체계구축 및 활용기술 개발’ 연구가 진행됐다.
이 연구는 수자원, 기상, 방재, 환경, 국토지반, 하천시설물 등의 하천통합정보와 IT 기술융합 기반의 통합하천관리(Integrated River Management) 실현을 위한 분야별 실무 기술 및 기법 개발과 통합 운영프로그램 개발을 목표로 7년간 진행된 연구다.
현재 ‘하천환경 및 치수 평가 기술 개발’, ‘하천시설 및 공간 통합관리기술 개발’, ‘도시하천유역 요소기술 연계 적용 및 관리기술 개발’ 등 3개 과제에 총 15개 기관, 80여 명의 연구진이 참여하고 있다.
‘하천환경 및 치수 평가기술 개발’ 연구는 하천공간기반 환경·치수 연계평가 기술과 최적의 방안을 도출할 수 있는 의사결정지원 프로그램 개발 과제로, 효율적 연구를 위해 치수 분야와 하천환경 분야로 구분해 연구를 진행하고 있다.
‘하천시설 및 공간 통합관리기술 개발’ 연구는 하천시설 생애주기 관리 기술(정보취득, 유지관리 등) 선제적 적용 및 3차원 공간정보시스템 활용을 통해 하천시설 유지관리비용 절감이 가능한 하천시설과 공간 통합관리기술을 개발하고 있다.
‘도시하천 유역 요소기술 연계 적용 및 관리기술 개발’ 연구에서는 도시하천 유역에 치수, 하천환경, 친수공간 및 하천시설물이 종합적으로 고려된 도시하천유역관리계획 수립지침 개발과 통합관리프로그램 개발을 통한 도시하천유역 종합계획 실용화 달성에 나서고 있다.
한편, 이 같은 연구 중 IoT, 디지털트윈, AI 등 4차 산업기술을 적용해 재난피해를 저감, 대응하기 위한 실시간 하천재해 관리기술 개발 연구가 진행되고 있어 눈길을 끌고 있다.
연구내용
이 연구에서는 인명 피해 최소화를 목표로 진행한 연구를 통해 하천 내 수위, 유속, 유량 등을 모니터링하고, 홀로렌즈를 통한 원격지 제어와 디지털트윈을 이용해 하천 홍수재난에 대응할 수 있는 기술을 선보였다.
이 기술은 영상 기반으로 CCTV 등과 같이 기존에 설치된 영상 장치로부터 필요한 데이터를 확보, 활용할 수 있는 장점을 갖고 있다.
확보된 영상 이미지를 통해 수위를 비롯해 유속, 유량, 하천 내 사람이나 차량 등 객체를 인식할 수 있고, IoT 기술과 연계해 실시간으로 자료를 수집할 수 있다.
또한, 고글 형태의 원격제어 장치인 홀로렌즈를 이용, 원격으로 하천의 수위 상황을 모니터링하고 홍수 상황에 대응할 수 있다.
특히, 디지털트윈을 활용해 사람이 많이 모이는 하천변이나 과거 피해가 많은 지역과 같은 대상지역과 동일한 가상공간을 만들고, 가상 홍수 재현도 가능하다.
가상홍수는 50년, 100년 빈도 홍수 등 예측되는 홍수 시나리오와 이상홍수 조건에 따라 흐름해석을 수행한 후 실제 홍수 흐름을 시각적으로 재현할 수 있다.
즉, 홍수 시 대상 하천 내 고수부지, 친수시설, 하천별 도로 등 사람이 이용하는 곳에 발생하는 재해를 가상공간에서 미리 재현할 수 있다.
특히, 연구팀은 지난 2020년부터 예천군의 한천, 부산시의 에코델타시티, 김해시의 대청천 등 실제 하천에 테스트 베드와 시범사업을 진행하며, 기술의 적용성과 가능성을 검증하는 데 성공해 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다.
한편, 이 같은 성과는 지난 2020년부터 2년 간 건설연의 주요사업의 일환으로 진행된 ‘원격 하천구조물 자동관리기술 및 스마트하천·홍수 관리시스템 개발’ 연구를 기반으로 도출됐다.
이 연구는 인공지능을 이용한 하천 이용 안전관리시스템 개발 연구로, 하천 유역을 대상으로 다종의 카메라를 이용해 영상정보를 수집하고, 물리적 센싱을 통해 수위와 유속, 온·습도를 포함한 환경정보를 수집한다.
상공에서는 초분광 등 다양한 영상정보를 수집, 인공지능 분석장치가 수집된 정보를 분석하고, 분석정보를 축적하면서 지속적인 분석과 3차원 가상현실을 접목시키면서 정보를 가시적으로 볼 수 있게 재생산한다.
이를 기반으로 제방 붕괴 내지 홍수를 포함한 재난 발생 여부를 실시간 모니터링과 가상공간 재현 영상으로 향후 대응에 대한 부분을 예측하고 준비할 수 있다.
이로 인해 직관적인 정보와 위험 상황을 해당 하천 관리 주체와 하천을 이용하는 대중에게 정보를 제공하고, 하천 내 부적절한 사람 내지 차량의 입수와 표류 여부를 분석, 긴급 상황에 대처할 수 있다.
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시각적 표출 3D모델 적용
현 기술 가능성 한계 검토
한국건설기술연구원 강준구 연구위원은 “최근 기후변화로 인한 이상홍수를 고려할 때 하천주변에 노출된 재난 위험에 대한 대응기술이 필요하다”며, “따라서 이 연구에서는 누구나 볼 수 있는 기술 개발에 초점을 맞추고, 영상 기반의 실시간 하천모니터링과 재해관리를 위한 방안을 모색했다”고 말했다.
이어 “이를 위해 기존의 CCTV 등 다양한 영상획득 장치 활용이 가능하고, 영상을 이용해 수위를 비롯해 유속, 유량 등 수리특성을 실시간으로 파악하는 IoT 기술 개발 연구를 진행했다”며, “또한, 하천 내 객체 인식 등 AI 기법을 활용한 피해 대응에 대한 방안 분석도 진행했다”고 밝혔다.
이 같은 연구는 재난 발생 시 이를 알리기 위한 방법으로 가상공간과 디지털트윈 적용 방안을 분석하는 등 ‘원격 하천구조물 자동관리기술 및 스마트하천·홍수 관리시스템 개발’ 연구에 기반을 두고 있다.
강 박사는 “이 연구는 가상공간에서 실제 홍수를 재현하는 연구와 그 결과를 적용할 수 있는지에 대한 부분”이라며, “이 같은 연구를 통해 도출된 결과를 기반으로 다양한 수치해석과 시각적 표출 3D 모델을 적용하고, 현재 기술에 대한 가능성과 한계를 검토했다”고 설명했다.
이어 “또한, 가상 홍수시나리오를 연계해 가상홍수에서 실제 홍수 등 시각적인 자료 제공에 대한 가능성 검토도 이뤄졌다”고 말했다.
실제 홍수 시 대상지역에 피난처 제공 ‘큰 의미’
이 연구에서는 대상지역에 대한 가상공간의 VR은 현장에서 피난처 등을 제공할 수 있도록 개발하는 성과를 거둬 의미가 남다르다.
강 박사는 “이 기술은 홍수 시 대상 하천 내 고수부지와 같이 사람들이 많이 이용하는 곳에 발생하는 재해를 가상공간에서 미리 확인할 수 있다”며, “또한, 홍수나 재난 발생 시 원격지 컨트롤을 위한 방안으로 실시간 하천모니터링과 하천 재난관리 방안에 대해 홀로렌즈를 활용한 실효성을 검토하고 이에 맞는 플랫폼 개발을 시범사업으로 개발, 운영했다”고 소개했다.
끝으로 강 박사는 “향후에는 가상공간에서 발생한 다양한 홍수 상황을 실제 모니터링 시스템 자료와 연계해 발생 가능성이 높은 피해 상황을 예측해 재난에 대응할 수 있 기술 개발에 나설 예정”이라고 밝혔다.
이어 “특히, 재난문자(영상) 또는 유튜브 연결 링크 발신을 통해 위험 지역 내에 있는 사람들에게 재난 상황 알림과 대피 장소에 대한 정보를 영상으로 제공할 수 있는 기술개발 연구도 진행할 계획”이라고 덧붙였다.
