사장교와 같이 특수교량의 주 부재인 케이블의 장력을 무선 IoT 기반으로 실시간 관리할 수 있는 기술이 선보여 눈길을 끌고 있다.
이 기술은 교량 케이블에서 발생하는 이상 신호를 자동으로 감지하고, 케이블 상태를 스스로 분석해 문제점을 예측할 수 있는 ‘IoT 기반 자율형 케이블 자동 모니터링시스템’으로, 기존 유선 기반 계측시스템의 단점을 보완할 수 있는 대안기술로 평가받고 있다.
특히, 서울 올림픽대교와 300m 규모의 보성 기상관측탑에 적용을 통해 성능도 입증했다.
이상 신호 자동 감지 등 케이블 상태 스스로 분석 문제점 진단
서울 올림픽대교 · 300m 규모 보성 기상관측탑 적용 성능 입증
시스템 내부 256GB 저장 공간 확보 ‘유의미 정보’만 무선 전송
대표적인 케이블 지지 구조물인 사장교에서 케이블 부재는 하중을 전달하는 가장 중요한 부재 중 하나로, 사장교의 구조적 상태와 안정성 평가를 위해서는 케이블 상태에 대한 지속적인 모니터링과 이를 위한 상시 모니터링 시스템이 매우 중요하다.
상시 모니터링 시스템은 케이블에 부착된 가속도계를 통해 진동을 측정하고, 이를 토대로 케이블 장력과 감쇠비를 추정한다. 이 값들은 케이블의 상태 평가의 기초자료로 활용되고 있다.
하지만, 상시 모니터링 시스템은 지속적으로 진동 데이터를 측정하기 때문에 데이터 수집 시스템을 포함한 하드웨어가 안정적이고 전력 효율성이 높아야 한다는 전제 조건이 있다.
또한, 지속적으로 생성되는 대량의 진동 신호들을 사람의 개입을 최소화하며 안정적으로 분석할 수 있는 자율 모니터링 시스템도 필요로 한다.
현재 국내에서 대부분 사용되고 있는 유선계측시스템은 안정적인 데이터 수집과 저장이 가능한 반면, 교량의 응답을 측정하는 센서로부터 전력과 통신을 공급하기 위한 케이블 설치가 필수적으로, 이로 인해 센서 설치 수량과 위치 선정에 제약이 발생하고, 막대한 비용도 수반된다.
이 같은 문제 해결을 위해 최근 들어 연구를 통해 선보인 무선계측시스템들이 실제 현장에 활용되고 있지만, 전력이나 통신 등 제한된 환경으로 인해 교량 응답을 안정적으로 계측하는 데 어려움이 따르는 것으로 알려져 있다.
특히, 유선계측시스템과 동일하게 원시 데이터 계측, 데이터 송·수신, 원시 데이터의 통계처리 기능 등 대량의 데이터를 중앙 처리 방식으로 운영하고 있어 IoT 기술의 핵심인 분산 처리의 장점을 살리지 못하고 있는 실정이다.
이에 센서와 알고리즘을 통합해 교량 케이블에서 발생하는 이상 신호를 자동으로 감지하고, 케이블 상태를 스스로 분석해 문제점을 예측할 수 있는 ‘IoT 기반 자율형 케이블 모니터링 시스템’이 선보여 이목을 집중시키고 있다.
이 시스템은 지난해 과학기술정보통신부의 지원 아래 한국건설기술연구원의 중소·중견기업 지원사업의 일환으로 진행된 ‘Edge computing을 활용한 도메인 지식 기반 자율 케이블 모니터링 시스템 구현 연구’ 과제를 통해 개발됐다.
연구내용
이 연구는 ‘자율 케이블 모니터링 시스템 구현’을 위해 센서 이상신호 자동감지 기법과 진동법 기반의 케이블 장력과 감쇠비를 자동으로 추정할 수 있는 기술이 포함된 최적의 ‘엣지 컴퓨팅 알고리즘’ 개선과 함께 이를 위한 최적의 IoT 계측 센서 제작 및 현장 적용을 통한 제품 상용화를 목표로 추진됐다.
이를 위해 수집되는 데이터의 품질 향상과 사전 설정 없이 케이블 장력과 감쇠비를 자동으로 추정할 수 있는 알고리즘 기술 등 on-boarding processing이 적용된 시제품 제작 연구를 진행했다.
케이블 구조체의 구조 동역학적 배경지식을 통한 자율 모니터링 시스템 구현과 이를 통한 높은 확장성과 신뢰성, 효율성을 확보하기 위한 연구도 병행됐다.
또한, 개발 시제품의 시범 적용을 통해 현장 적용성과 센서를 검증하는 연구도 이뤄졌다.
세부적으로 살펴보면, ‘케이블 모니터링 최적 알고리즘 구현’ 부문에서는 도메인 지식 기반의 장력과 감쇠비 완전 자동 추정 알고리즘 개발 연구와 함께 온라인 학습 기반 센서 이상신호 자동 감지 알고리즘 개발, 연산 효율화 등 엣지 컴퓨팅을 위한 알고리즘 고도화, 특수교 장기계측 DB를 활용한 알고리즘 검증 등의 연구를 진행했다.
‘엣지 컴퓨팅 기술이 구현된 IoT 기반 센서 제작’ 부문에서는 알고리즘 적용 IoT 계측 센서 설계 및 시작품 제작, 시작품과 기존 센서와 정확도 비교 검증과 고도화 등의 연구를 수행했다.
‘상용화를 위한 현장 적용’ 부문에서는 현장 적용을 위한 대상 교량 선정 및 협의, 시제품 현장 적용 및 모니터링 등을 추진했다.
한편, 이 같은 연구를 통해 선보인 IoT 기반 자율형 케이블 모니터링 시스템은 센서가 수집한 데이터를 자체적으로 분석해 유의미한 정보만 무선(LTE)으로 전송, 전력 소모를 최소화할 수 있다. 별도의 무선 인프라 없이도 통신이 가능하다.
시스템 내부에는 256GB의 저장 공간을 확보해 통신 장애 발생 시에도 데이터의 안정적인 저장과 재전송이 가능하다.
특히, 지난해 서울시에서 관리 중인 올림픽대교 케이블 2개소에 시범 적용한 결과, 기존 유선 계측시스템의 장력 측정값 대비 평균 오차율 0.5%로 높은 정확도를 입증했다.
이 같은 성과를 토대로 현재 연구진은 동남아 시장 진출을 목표로 필리핀에 위치한 팡길만 교량(Panguil Bay Bridge)에 설치, 현지 적용 가능성을 검증하고 있다.
또한, 지난해 6월에는 기상청 국립기상과학원에서 운영 중인 높이 307m 규모의 보성 기상관측탑에 개발 기술을 적용하며 타 시설물로의 확장성 검증도 진행했다.
적용 결과, 개발 센서에서 측정한 데이터를 서버로 전송 시 수집된 데이터의 수신율은 99%, 장력 탐지율은 98.5%로 나타나 우수성을 입증했다.
기대효과
대용량·실시간 데이터 처리가 필요하지만 IoT 계측기술 적용이 어려웠던 기존 대상물에 엣지 컴퓨팅 기반의 IoT 센서를 적용할 경우 최적의 계측시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
또한, 기존에 안전관리에 취약했던 시설물에 대해서도 경제적으로 안전관리가 가능해 사회기반시설물은 물론 다양한 사업 분야의 시설물과 설비를 보다 효율적으로 사용하는 데 도움을 줄 전망이다.
특히, 예방적 유지관리를 지원함으로써 안전사고 예방에도 기여할 것으로 예상된다.
실제로 IoT 계측기술을 이용해 관심 시설물을 상시 모니터링할 경우 붕괴와 같은 재난·재해를 사전에 신속히 감지할 수 있어 시설물 이용자의 안전 확보와 불안감 해소에 크게 기여할 것으로 전망된다.
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알고리즘 탑재 시제품 제작 완료 현장 적용 ‘성공적’
한국건설기술연구원 박영수 수석연구원은 “이번 연구는 사장교의 케이블에 위치와 수량에 상관 없이 적용해 케이블 장력을 자동 추정할 수 있는 IoT 기반 자율형 케이블 자동 모니터링시스템 개발 연구”라고 소개했다.
이어 “연구에서는 교량의 케이블을 효율적으로 모니터링하기 위해 자동화와 높은 정확도를 확보할 수 있는 알고리즘을 개발하고, 개발된 알고리즘을 탑재·운영할 수 있는 IoT 센서를 제작했다”며, “이후 제작된 센서를 여러 현장에 적용하며 검증을 수행했다”고 밝혔다.
이 같은 연구를 통해 선보인 기술은 계측시스템을 통해 수집되는 케이블 장력 관련 데이터의 안정적인 수집·분석·전송은 물론 진동 신호의 잡음과 변동성에 대한 높은 강건한 특징을 갖고 있어 케이블의 안정적 관리에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
또한, 사전학습과 실행시간 등 복잡한 계산이 필요 없고 연산 과정에서 요구되는 비용도 낮아 현재 유선계측시스템 중심의 국내 케이블 모니터링 시장 구도에서도 충분한 경쟁력을 확보했다.
박 박사는 중점적으로 수행한 연구와 관련해 “개발된 알고리즘 탑재 시 안정적으로 케이블의 진동 데이터를 수집, 분석, 전송할 수 있는 최적의 제품 제작에 집중했다”고 강조했다.
이어 “또한, 제작된 제품을 실제 교량 현장에 적용한 후 알고리즘과 하드웨어 검증을 통한 개선 사항을 도출과 추가적인 개선 연구를 수행하며 완성도를 높였다”고 말했다.
연구진은 이 같은 연구를 통해 알고리즘이 탑재된 시제품 제작을 완료하고, 현재 국내 사장교인 묘도대교와 올림픽대교에 시범적으로 적용, 운영하고 있다.
박 박사는 “타 케이블 시설로의 확대 적용을 위해 필리핀의 엑스트라도즈교와 보성군에 위치한 3방향 지선식 철탑 구조인 보성기상관측탑에 시설물의 케이블 거동 특성이 반영된 알고리즘을 탑재해 장력을 추정할 수 있도록 개선했다”고 밝혔다.
이어 “현재 모든 기술은 연구에 참여한 기업에 이전된 상태로, 올해 일반국도 상에 위치하고 있는 엑스트라도즈교 3개소에 설치를 완료했다”고 소개했다.
‘2024 스마트건설 챌린지’에서 기술 혁신상 수상 ‘자긍’
연구진은 이 같은 시험 적용을 진행하며 무선 기반의 케이블 자동 모니터링시스템으로도 기존 유선계측시스템과 동일한 케이블 가속도 수집과 장력 추정이 가능하다는 점을 적극적으로 알리고 있다.
특히, 지난해 열린 ‘2024 스마트건설 챌린지’에서 ‘IoT 센서 기반 케이블 안전관리 서비스 플랫폼’ 기술로 혁신상을 수상하며 기술의 우수성을 대외적으로도 공인 받았다.
끝으로 박 박사는 “케이블 가속도 외에도 가속도와 기울기, 변위, 온도 등 다양한 교량의 응답으로부터 교량의 상태 정보를 정확하게 추정할 수 있는 데이터 분석 알고리즘 개발에 나설 계획”이라고 밝혔다.
이어 “이를 통해 교량 상태에 적합한 보수·보강 시기와 방법을 선정할 수 있는 연구를 수행할 예정으로, 궁극적으로 예방적 유지관리를 지원하고, 안전사고를 사전에 예방해 사회적 비용 절감에 기여해 나가겠다”고 덧붙였다.
