건축/환경에너지

Nikkei Construction_2019.2.11 새 기술 (p24-26)

건설현장 등의 드론활용

● 500만엔대 저가 레이저 드론 등장
고밀도 점군 데이터 취득, 재해 현장 등에 강한 요구

Terra Drone(도쿄)은 IMU(관성계측장치)를 사용하지 않는 방법으로 가격을 기존의 3분의 1인 550만~600만엔 정도로 억제한 레이저 스캐너 탑재형 드론(이하 레이저 드론)을 공급하기 시작하였다.

레이저 드론이라는 것은 소형의 3차원 레이저 스캐너나 GNSS(위성을 이용한 측위시스템의 총칭), 스캐너의 자세나 가속도를 계측하는 IMU를 탑재한 드론을 말한다. 지상을 향해 근적외 레이저를 조사하여 반사되는 레이저의 시간 차로 지형을 측량∙계측한다.

수목이 우거진 지표면의 3차원 점군 데이터를 얻을 수 있다는 것이 장점이다. 벌채 전의 공사 현장의 지형데이터를 쉽게 취득할 수 있다는 강점을 살려, 태양광 발전 시설의 조성 현장이나 재해 현장의 현상 파악 등에서 사용되고 있다.

테라드론의 일본총괄책임자인 세키(関) 씨는 “레이저 드론은 특히 토사재해 현장에서의 이용 가치가 높다. 안전성이나 신속성은 물론 기존의 항공 측량과 비교하여 고밀도 점군 데이터를 취득할 수 있기 때문에 미세한 지형의 변화를 포착할 수 있다”라고 말한다. 앞으로는 삼림 관리에의 적용도 확대될 것으로 보이는 유망한 기술이다. 한편, 스캐너나 IMU가 고가이기 때문에 판매 가격이 1,500만~3,000만엔이나 한다는 점이 보급의 저해 요인이었다.

테라드론이 제공하기 시작한 ‘Terra Lidar’는 IMU 대신에 저가에 가벼운 1주파 RTK-GNSS 안테나를 기체에 6개 탑재하여 각각으로 계측한 위치 정보에 근거하여 자세를 산출하는 시스템이다. 고가의 IMU를 탑재하지 않아도 되기 때문에 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 와세다대학 스마트사회기술융합연구기구의 스즈키(鈴木) 주임연구원이 내각부의 혁신적 연구개발추진프로그램(ImPACT)에서 개발한 기술을 적용하였다.

레이저 스캐너는 미국 Velodyne의 VLP-16을 채용. 정밀도는 동일한 VLP-16을 채용하는 프랑스 Yellow Scan의 레이저 계측시스템 ‘YellowScan Surveyor’와 동등한 수준이다. 옐로우스캔의 제품은 비교적 저가인 편이지만 기체를 포함한 가격은 1,500만엔이나 된다.

구입자의 이점은 낮은 가격만이 아니다. IMU에는 시간이 경과하면서 관측 오차가 축적되어 정밀도가 나빠진다는 결점이 있어 자세의 초기화(initialize)가 필요했다. 드론의 비행가능 시간 15~20분 중에 초기화 비행에는 3~6분이 걸린다. IMU를 사용하지 않으면 이 공정을 생략할 수 있어 수고를 줄일 수 있고 배터리도 절약할 수 있다. 계측 데이터의 해석은 테라드론이 수탁한다. 요금은 월 10만엔부터다.

● 드론으로 촬영하고 AI가 발파 여부 판정
산악 터널을 자율 비행

도다건설(戸田建設)은 Rist(도쿄)와 공동으로 산악터널공사 발파 적합성을 드론과 AI(인공지능)를 사용하여 자동 판정하는 시스템 ‘Blast Eye’를 개발하였다. 발파 후에 자율 비행하는 드론이 작업 현장의 암석에서 사방으로 튄 돌덩이 모양을 촬영. 3차원화한 데이터를 바탕으로 AI로 발파 결과를 자동 판정한다.

중경질암(中硬質岩) 산악 터널에서는 일반적으로 발파 1회당 그 적절성을 판정한다. 천공 수, 위치, 각도나 폭약의 양 등을 조합한 차기 발파 패턴을 검토한다. 판정에는 작업 현장과 암석에서 떨어져 나온 돌의 모양을 사용한다. 전자는 발파 굴착의 계획 라인에 대한 요철을 3차원 레이저 스캐너 등으로 데이터화하면 숙련공이 아니더라도 정량적으로 판정할 수 있다. 후자는 적절한 모양이 애매하기 때문에 숙련공이 경험을 바탕으로 판정할 수 밖에 없었다.

GPS를 수신하지 못하는 폐쇄 공간에서 드론의 자율 비행을 가능하게 하기 위해서는 카메라나 레이저 스캐너의 정보를 바탕으로 드론이 주위의 3차원 지도를 작성하면서 스스로 위치 등을 추정하는 ‘Visual SLAM’을 사용한다. 그러나 좁고 단조로운 터널 내에서는 가령 SLAM을 사용해도 비행 시에 참조할 수 있는 노면의 특징점이 적고, 조도도 충분하지 못하기 때문에 드론의 자율 비행은 곤란했었다.

그래서 도다건설은 변화가 거의 없는 노면 상에서가 아니라 강철제를 지지하는 부분이나 락볼트 등 특징점을 포착하기 쉬운 터널 상부(둑마루 부분)에 비행 지역을 설정한다. 특수한 고휘도 LED라이트나 기체 상부의 2쌍의 스테레오 카메라를 이용하여 천장부의 특징점을 확실하게 포착함으로써 자율 비행을 가능하게 하였다.

미리 촬영 위치를 프로그래밍한 드론은 작업 현장에 다가가면 기체 하부에 설치한 디지털카메라로 조금씩 위치를 바꾸면서 20장 정도 사진을 촬영. 그 사진들을 이미지 처리하여 3차원 데이터를 작성한다.

또한 모의 터널을 만들어 ‘양호’ ‘보통’ ‘불량’의 3 타입의 발파를 상정하여 돌 모양을 재현한다. 그들을 촬영하여 3차원 데이터화하였다. 약 150쌍의 교사 데이터를 AI에게 학습시킴으로써 돌 모양을 통해 발파 여부를 판정할 수 있도록 하였다. 3차원 데이터의 입력에서 발파 여부 판정까지 걸리는 시간은 10초 정도다. 정답률 확인용 데이터를 각각 10쌍씩 준비하여 AI의 판정 결과와 비교한 결과, 정답률은 85% 정도였다.

● 감시카메라의 이미지로 하천 수위를 자동 판독
반사시트를 사용하여 야간에도 문제 없이 정밀도 실현

니혼코에이(日本工営)는 토목연구소, 브레인즈(도쿄)와 공동으로 하천에 설치한 감시카메라 영상을 해석하여 야간이나 악천후에서도 수위를 고정밀도로 자동 판독하는 기술을 개발하였다. 어두운 장소에서도 카메라 이미지에 쉽게 비치는 반사시트를 둑이나 둑을 보호하는 구조물에 설치하여, 그 수몰 상황을 이미지 해석으로 산출하여 수위로 환산한다.

조명등 등의 빛이 적은 산간부의 하천에서는 야간이나 악천후에 감시 카메라로 촬영한 이미지가 어두워서 유용한 정보를 얻기 어렵다. 이 때문에 수해 위험성이 높을 때에 하천의 상태를 정확하게 파악하지 못한다는 우려가 있었다.

니혼코에이 등은 도로 표식에 사용되는 재귀반사시트에서 착안하였다. 어둠 속에서 촬영하면 카메라에서 나오는 미약한 빛을 반사하여 하얗게 떠오르는 특징을 활용, 반사시트의 수몰 상황으로 수위를 측정하는 방법을 만들었다. 구체적으로는 이미지 상의 밝기가 주위와 크게 다른 곳을 반사시트로서 자동으로 검출하여 그 하단을 수면 위치로 간주한다. 단시간에 일정 이상의 수위 상승이 보이는 경우에는 관리자에게 경계 정보를 발신하는 시스템도 이미 구축하였다.

현재 브레인즈가 특허를 출원 중이다. 국토교통성 주부지방정비국에서 시험적으로 도입하여 정밀도를 검증하고 있다. 지금까지의 검증 결과, 자동 판독 정밀도가 육안으로 판독한 것과 거의 동일하다는 사실을 확인할 수 있었다. 줌 기능 등이 없는 간이형 감시카메라로도 약 50m 이내의 거리에 반사시트를 설치하면 수위 판독이 가능하다고 한다.

감시카메라의 이미지로 파악할 수 있는 하천의 변화는 수위만이 아니다. 니혼코에이 등은 하천 물의 탁한 정도를 감지하여 토사 유출량을 추정하는 기술도 개발하고 있다.

수면의 이미지 일부를 추출하여 빛의 삼원색인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)을 각각 0~255의 수치로 나타내는 RGB치로 각 화소의 색을 변환한다. 하천 물이 탁해져 갈색으로 변했을 때는 적색을 나타내는 R의 수치가 상대적으로 커지는 경향 등을 이용하여 탁한 정도를 평가한다.

그 외에 카메라 영상에서 수면에 일어나는 흰 물결을 검출∙추적함으로써 유속을 산출하는 기술도 개발 중이다. 수위나 하천 물의 맑기 정보와 조합하여 위험도의 판정 등에 활용할 수 있다.

국토교통성이 추진하는 ‘혁신적 하천기술 프로젝트’에서는 중소 하천을 간이형 카메라로 감시하는 기술 보급을 지원하고 있다. 단, 복수의 하천에 설치한 모든 카메라를 사람이 확인하기 위해서는 많은 시간과 수고가 필요하다. 이미지나 영상에 발생한 변화를 자동 감지하는 기술에 대한 기대가 높아지고 있다.

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