Nikkei Construction_2019.3.25 최신기술 트렌드 (p58-63)

미래의 토목∙건축 테크놀로지 (제2회)
원격 감시에 필수인 LPWA

저소비 전력으로 넓은 범위에 무선으로 통신할 수 있는 LPWA(Low Power Wide Area, 저전력 광역통신기술). 사람을 대신하여 센서가 인프라를 감시하는 시대가 도래하면서 현장에서의 정보를 사람이 있는 원격지로 ‘전송하는’ IoT(사물인터넷) 기술이 필수가 되었다. 인프라의 유지 관리, 시공 관리 등에서 LPWA가 도입되기 시작하였다.

1. 암석 감시
외진 장소의 인프라를 ‘원격 점검’

철도나 도로처럼 선상으로 이어진 구조물. 그것을 유지관리하기 위해서는 막대한 인원과 비용이 필요하다. 사람이나 물건을 운반한다는 특성상 사람이 살지 않는 외진 장소에도 인프라를 설치할 필요가 있다. 이상이 발생했을 때 현지로 확인을 나가는 것만으로도 큰 일이다.

그런 상황에서 JR서일본컨설턴트는 철도 연선의 경사면 암석에 가속도 센서를 설치, LPWA를 사용하여 원격으로 암석 상태를 감시하는 ‘낙석관리시스템’을 개발하였다. 암석의 건전성 정보를 항시 통신할 수 있다. 지진이나 호우 직후에 위험한 경사면을 순찰하는 등의 수고를 줄일 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.

특징은 ‘Low Power Wide Area’의 약자인 LPWA를 채용한 점에 있다. 소비 전력을 억제하면서 원거리까지 통신이 가능한 기술이다. 전망이 좋으면 수십 킬로미터까지 통신이 가능하다고 한다. 산이나 나무, 건물 등의 차폐물이 있더라도 수 킬로미터의 범위라면 통신이 가능하다. JR서일본컨설턴트가 2017년 12월부터 실시하고 있는 실증실험에 따르면 시골의 경사면에 있는 암석에 설치한 센서를 통해 3km 정도까지 정보를 발신할 수 있었다.

“낙석의 우려가 있는 장소는 사람이 살고 있지 않는 경우가 대부분으로 이동전화 전파가 도달하지 않는다. 그래서 전파가 통하는 역에 기지국을 설치하고 권외 통신을 LPWA가 커버한다. 역에 기지국을 설치하면 대부분의 노선은 감시가 가능하다”. JR서일본컨설턴트 IT시스템디자인부의 무카이(向井) 과장은 이렇게 설명한다.

실증실험에서는 이동전화의 통신지역 내에 있는 가까운 무인역에 기지국을 가설. 그곳까지 LPWA로 통신하며 기지국에서 이동회선을 사용하여 관계 부서 등에 통지하였다.

-- 메인터넌스 없이 5년간 유지 가능 --
또 다른 특징은 오래 사용할 수 있다는 점이다. 산속이나 시골에 설치하는 이상, 메인터넌스나 배터리의 교환을 위해 빈번하게 현지를 방문하는 상황은 피하고 싶다.

“내장 배터리로는 감시와 발신 기능을 5년 동안 유지할 수 없었다. 이동전화에서 보급된 고속통신이 가능한 LTE 등의 경우는 대량 전력을 소비하기 때문에 길게 유지하기 어렵다. 배터리를 많이 넣으면 되지만 그만큼 센서가 커지는 문제가 있다”(무카이 과장).

LPWA는 작은 용량밖에 정보를 통신하지 못하는 만큼 전력 소비량을 억제할 수 있다. 센서 배터리는 4~5년 정도 가동 가능하다. 센서는 1시간에 1회의 빈도로 정보를 통신한다. 이상을 감지한 경우는 경보를 발신하여 통신 빈도를 올리도록 원격지에서 조작하는 것도 가능하다.

JR서일본컨설턴트가 이용하는 LPWA는 교세라 커뮤니케이션시스템이 사업자가 되어 국내 서비스를 제공하는 ‘Sigfoc’다. 발신량 상한은 12바이트로 적지만 경사 정도나 충격 등의 정보라면 그 정도로도 충분하다.

하루 최대 발신 횟수에도 제한이 있다. 그 한편으로 싼 통신비에 특화되어 있다. 계약 회선이 100만회인 경우, 하루 2회의 발신으로 센서 1개 당 통신비는 연간 100엔이다. 복수의 장소에 설치하기 쉽기 때문에 토사재해 등의 감시에도 사용할 수 있을 것이다.

JR서일본컨설턴트는 토사 방지나 화산에서의 지반 감시 등에서도 실증실험을 추진할 예정이다.

2. 경사 감시
‘인프라 보호’에 필요한 비용을 50% 절감

전국에서 빈발하는 토사재해. 재해 전의 아주 작은 변위를 감지하여 알리는 기술이 요구되고 있다. 지금도 경사계를 경사면에 복수 설치하여 무선으로 접속하는 감시 센서는 있다. 그러나 근처에 기지국을 두고, 그곳에서 데이터를 집약한 후에 클라우드 등에서 발신할 필요가 있었다. 초기 도입비는 600만~1,000만 엔 정도의 고가로 수평 전개가 어렵다. 결국, 순찰을 통한 육안 검사에 의지했었다.

과제 해결을 위해 간단한 경사감시시스템을 고안한 것이 니시마쓰건설이다. 18년에 LPWA를 활용한 경사감시클라우드시스템 ‘OKIPPA 104’를 개발하였다. 기존의 유사 기술과 비교해 총 비용을 반감할 수 있다. LPWA의 통신 규격에는 Sigfox를 사용하고 있다.

니시마쓰건설 사업창생부의 쓰루타(鶴田) 과장은 개발 의도에 대해 “앞으로는 만드는 것만이 아니라 인프라를 지킬 수 있는 건설기업이 돼야겠다는 생각에서 모니터링이나 감시에 주목하였다. 생산연령인구가 감소하고 있는 가운데 인프라를 관리하는 담당을 사람에서 기계로 대체해 나간다”라고 설명한다.

설치는 간단해서 손바닥 사이즈의 소형 센터박스를 감시하고 싶은 장소에 설치하기만 하면 된다. 급전이나 배전을 위한 배선은 필요 없다. 센서박스는 1대당 19만 8,000엔이다. 매월 2,000엔의 클라우드 이용료로 바로 감시를 시작할 수 있다.

“2년간 이용할 경우, 월로 환산하면 약 1만에 정도다. 스마트폰을 이용하는 감각으로 모니터링할 수 있다”(쓰루타 과장). 1시간에 1회 발신하는 정도라면 2년간은 배터리를 교환할 필요가 없다.

-- 토사재해경계구역에 설치 --
이미 실제 필드에서의 실증실험도 진행되고 있다. 18년 3월에 토사재해경계구역으로 지정된 장소에 OKKIPA를 시범적으로 설치하였다.

“시행하고 있는 지자체는 처음에는 토사재해경계구역을 직접 순찰하려고 했기 때문에 수백 개나 되는 곳을 어떻게 순찰할지 많은 고민을 했었다”라고 쓰루타 과장은 말한다. 47개 도도부현(광역자치단체)이 토사재해경계구역을 지정하면 시정촌(기초자치단체)은 피난 체제 등을 정비하지 않으면 안 된다. 그러나 지정구역이 많으면 토사 상황을 고가의 센서로 관측하는 것은 비용 면에서 현실적이지 못하다.

지자체의 입장에서 토사재해경계구역에 설치하는 OKKIPA는 2개의 이점이 있다. 하나는 토사의 움직임을 항시 관측하여 주민에게 위험을 알릴 수 있다는 점. 다른 하나는 감시한 데이터는 대책 공사의 예산을 세우기 위한 명확한 근거에 된다는 점이다.

그 외에도 시공 관리에서도 경사감시시스템을 이용하고 있다. I-Construction의 추진 컨소시엄의 실증 매칭에서 국토교통성 규슈지방정비국 미야자키하천국도사업소의 니즈와 니시마쓰건설의 시즈가 일치. 절토(땅깎기) 현장에서, 18년부터 경사면을 광역에서 감시한다. 현장 부근에서는 사도(私道)가 공용되고 있다. OKKIPA를 사용하여 경사면을 감시함으로써 절토 공사가 사도에 미치는 영향 등을 확인하고 있다.

니시마쓰건설에서는 법면 이외에도 제방이나 호안 등 경사에서 이상을 감지할 수 있는 시설의 점검∙감시에 활용할 방침이다. 또한 니시마쓰건설은 드론과 OKKIPA를 연동시켜, 경보가 울린 센서의 위치 정보를 바탕으로 드론이 현지를 촬영하고 돌아오는 서비스도 전개하고 있다.

3. 수위 계측
지자체도 주목, 방재나 농업에 활용

총무성의 정보통신 백서에 따르면, 2021년에는 LPWA에 대응한 기기 대수가 16년 시점의 10배 이상이 될 전망이다. 국내에서는 면허가 필요 없는 주파수 920MHz대역을 이용한 통신규격 ‘Sigfox’나 ‘LoRaWAN’ 등이 먼저 사용된다.

예를 들면 Sigfox는 기지국 구역을 순조롭게 확대하는 중이다. 19년 여름에는 인구 커버율(총인구에서 차지하는 서비스 구역 내의 인구 비율)에서 97%를 목표한다. Sigfox LPWA솔루션사업부의 마쓰키(松木) 부장은 “서비스 수요가 있는 장소는 우선하여 기지국을 설치하는 것도 생각하고 있다”라고 말한다.

이용 환경이 정비되면서 인프라 관리에 LPWA를 사용한 실증실험에 착수하는 지자체도 증가하기 시작했다. 예를 들면, 시즈오카현 가와네혼초에서는 18년 1월, 교세라 커뮤니케이션시스템과 그 100% 자회사인 도카이브로드밴드서비스, 계측센서 업체인 OSASI Technos와 포괄 연계 협정을 체결하였다. Sigfox를 사용하여 방재나 농업에 관한 데이터 수집 등을 시작하였다.

-- 차밭 재배에 관한 데이터 수집 --
방재 용도에서는 홍수 발생시에 특화된 저가의 수위계 ‘위기 관리형 수위계’를 다리에 장착하여 게릴라 호우 등으로 급상승했을 때의 하천 수위를 계측한다.

OSASI Technos 미래창조부의 고지마(古島) 부장은 “통신하기 쉬운 계측기기의 설치 장소나 솔라의 용량, 배터리 등 지금까지 옥외 계측에서 축적해 온 노하우를 활용한다”라고 말한다.

그 외에 농업 용도에서는 가와네혼초의 특산품인 가와네차 재배에 관한 데이터를 수집한다. 지온이나 토양 수분, pH, 기온 등을 센서로 측정하여 Sigfox를 사용하여 클라우드로 통신한다. 지금까지 경험이나 감으로 추진해 온 재배 기술을 데이터를 사용해 정확하게 파악하여 생산성을 향상시키는 것이 목적이다.

실은 OSASI Technos는 JICA(국제협력기구)의 사업으로, 스리랑카의 차밭에 경사계나 지하수위계 등을 설치하여 데이터를 수집한 실적이 있다. 그곳에서의 기획을 가와네혼초의 사업에 활용할 수 있을 것 같다. 고지마 부장은 “토양 수분에 대해서는 일종의 방재용 데이터로서도 사용할 수 있다”라고 말한다.

후쿠오카시에서도 18년 3월부터 LPWA를 이용한 하천 수위계의 실증실험을 시작하고 있다. 후쿠오카시나 NTT-Neomeit(오사카시) 등이 LoRaWAN의 통신 구역을 구축. 시내의 2곳의 다리에 저가이면서 오래 사용할 수 있는 위기 관리형 수위계를 설치하였다. 하천 수위를 모니터링하여 중소 하천 감시시스템의 실현을 목표한다.

4. 하수관 내부 관측
맨홀 관통하여 수위 정보 발신

2015년의 수방법(水防法) 개정으로, 내수(內水, 둑 안이나 늪 따위에 고인 물) 피해의 우려로 ‘수위주지하수도(水位周知下水道)’로 지정되면 위험 범람 수위를 넘었을 경우에 그 정보를 수방관리자 등에게 통지해야 한다.

지금까지 하수도는 하천 등과 비교해 하수관 내부 수위를 항시 계측해야 한다는 개념이 그다지 없었다. 그러나 내수(內水) 범람 대책에 대한 관심이 높아지고 민간의 기술 혁신도 발전하면서 하수의 수위 관측에 새로운 조류가 생겨나고 있다. 그 중 하나가 NJS가 후지쓰와 후지쓰 규슈네트워크테크놀로지와 공동으로 개발한, 하수관 내부 수위 관측 정보를 LPWA로 통신하는 시스템이다.

-- 맨홀 뚜껑이 장해물 --
“가장 큰 과제는 맨홀 아래에서의 전송이다. 처음에는 비교적 심플한 안테나를 관내에 넣어 통신을 시험해 봤지만 통신 거리가 늘어나지 않았다”라고 NJS 개발본부의 오니시(大西) 부장은 말한다. 하수관 내부의 폐역(閉域) 공간에서 수위 정보를 무선으로 발신하려면 맨홀이라는 두꺼운 뚜껑을 통과시켜야 한다. 통신 거리가 짧아져 400m가 한도였다고 한다.

그래서 NJS 등이 주목한 것은 시판되고 있는 IC태그 내장 철 뚜껑이다. 일부분이 강화 플라스틱으로 되어 있어, 스마트폰을 갖다 대서 관로 정보 등을 판독하는 IC태그를 내장할 수 있도록 되어 있다. 개량하여 그곳에 무선 발신 안테나는 넣었다. 통신거리는 2배 이상인 1km를 확보. “다양한 관리자가 도입하기 쉽도록 저가의 시판 제품을 사용하고 싶었다”라고 오니시 사장은 말한다.

어느 지자체의 협력으로 강우 시의 수위 계측을 2년간 실증하였다. 1분 간격으로 실시하는 조건 하에서 1년간 배터리가 유지된다는 사실을 확인하였다. 통신 방식에는 LoRa를 개량한 방식을 채용. 보안을 강화하였기 때문에 도청의 걱정이 없다.

-- 수위만이 아니라 관측 고도화 --
수위의 실제 측정치를 알 수 있으면 빗물을 배제하기 위한 시설 계획의 재검토에도 사용할 수 있다. 지금까지 ‘빗물 배제 계획’ 등을 작성할 때는 수위계를 하수관 내부에 가설하여 수개월 동안만 수위를 계측했었다고 한다. 특정 기간의 변동밖에 파악할 수 없었다.

NJS의 오니시 사장은 “수위 변동을 보다 상세하게 알 수 있다면 계획을 원활하게 재검토할 수 있다. 수위의 시뮬레이션 결과를 실제 측정치와 대조할 수 있다는 것은 매우 중요하다”라고 말한다.

또한 기존에는 수위 계측의 가동 상황을 확인하기 위해 2주일에 1번은 관내에 들어갈 필요가 있었다. LPWA라면 무슨 문제가 발생하지 않는 한, 1년에 1번의 배터리 교환 시에만 들어가면 된다. 들어가는 빈도가 줄어들기 때문에 산소결핍증이나 황화수소 중독 등에 걸릴 우려도 줄어든다.

5. 구조물 모니터링
다리의 0.1mm 변위도 놓치지 않고 항시 통신

mtes Neural Networks(도쿄)는 다리에 장착한 센서로 경사나 진동 수 등을 감시하여 LPWA를 이용해 먼 곳으로 그 정보를 보내는 ‘구조물 헬스 모니터링 시스템’을 개발하였다.

지금까지 구조물의 미세한 변화를 계측하기 위해서는 정밀도가 높은 ‘Servo식 가속도 센서’가 필요했지만 비용이 비싸기 때문에 한정된 구조물이나 부위에만 설치했었다. mtes는 많은 디지털 기기를 내장한 초소형 디바이스 ‘MEMS센서’에 주목하였다. 기존의 Servo식 센서와 비교했을 때 낮은 측정 정밀도를 보완하기 위해 2개의 MEMS센서를 근접 배치한 저가의 센서를 개발하였다. mtes 관리본부사업관리부의 나카지마(中島) 부장은 “센서는 0.1mm의 변위까지 측정할 수 있는 정밀도다”라고 말한다.

또한 LPWA의 한 종류인 ‘LoRa’의 통신 사양을 커스터마이즈하여 ‘LoRa Private’도 개발하였다. 독자의 암호기술로 데이터의 누락을 방지하는 높은 보안을 실현한다.

기존에는 센서와 통신장치 일식에 100만~300만 정도가 필요했던 비용을 MEMS센서나 LPWA의 채용으로 비용을 한 자릿수 낮췄다.

이미 고령자 간호시설의 돌봄 서비스나 에너지 매니지먼트 분야에 채용. 구조물 분야에서는 대형 철도회사에서 채용하고 있다. 18년 3월에는 본격적으로 구름다리나 교량 등 6곳에 지진계를 설치하였다. 데이터는 항시 취득해 두고, 지진 전후의 수십 초 사이의 데이터를 고객에게 제공한다. 지진에 의한 치명적인 손상도를 평가한다.

또한 철도회사와 공동으로 세굴 등으로 기울어질 우려가 있는 교각에 경사계를 장착하여 항시 변위를 감시하는 일도 시작하였다.

-- 이미지 전송도 고려 --
mtes가 정보시스템종합연구소(도쿄)와의 제휴를 통해 도입하고 있는 데이터의 압축 기술과 LPWA를 조합하면 데이터 용량이 큰 이미지 발신도 가능해진다. 예를 들면 mtes가 17년부터 시작된 고령자의 돌봄 시스템의 실증실험에서는 감시카메라에서 이상을 인지한 경우에만 이미지를 LPWA로 발신하는 기술을 검토하고 있다.

그래서 중요한 역할을 담당하고 있는 것이 AI(인공지능)다. mtes는 18년 7월, AI 칩을 개발하는 미국 General Vision과 함께 RoboSensing이라는 합작회사를 설립. 클라우드가 아니라 센서 측에서 정보나 이미지 등을 처리하는 ‘엣지AI’ 기술의 확립을 목표한다.

“최근에는 지진이나 홍수가 빈번하게 발생, 구조물의 건전도를 감시하고 싶다는 수요도 증가하고 있다. 또한 역이나 선로에의 침입 감시에 대한 요구도 있다. 이미지 발신도 병행하여 추진하고 싶다”라고 나카지마(中島) 부장은 말한다.

 -- 끝 --