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Nikkei X-TECH_2022.7.20

고속도로에 매설한 광섬유로 교통상황을 파악
NEC, AI를 사용해 측정하는 새로운 방법 개발

광섬유 위를 차량이 주행할 때에 전해지는 진동을 바탕으로, 교통상황을 파악한다. NEC는 22년 5월, 고속도로에 매설된 통신용 광섬유를 이용해 교통상황을 가시화하는 시스템을 중일본고속도로(NEXCO)에 22년 3월에 납품했다고 발표했다.

고속도로에서 발생할 정체를 예측하려면 교통상황을 정확히 파악해야 한다. 그래서 고속도로 사업자들은 다양한 센서를 이용해 도로를 통과하는 차량 수와 차량 속도를 취득하고 있다.

예를 들면, 도로 위에 설치한 카메라나 도로 아래에 매립한 루프코일로 차량 수나 속도를 계측하는 방법 등을 들 수 있다. 또한 번호판이나 차량탑재 ETC 정보를 취득해 고속도로 입구에서 출구까지 소요된 시간을 측정하는 방법도 있다.

그러나 기존의 방법에는 과제도 있다. 교통상황을 보다 정확하게 파악하기 위해서는 카메라나 루프코일을 고밀도로 설치해야 하는데, 그렇게 하려면 많은 비용이 든다. 번호판이나 ETC를 활용하는 방법은 차량이 PA(파킹 에어리어)에 다가가면 정확히 계측하기 어렵다. 정보를 실시간으로 취득하는 것도 어렵다.

-- 차량 통과 시의 진동으로 광섬유의 신호가 변화 --
NEC는 이러한 과제를 해결하기 위해 고속도로에 매설된 기존의 통신용 광섬유를 센서로서 활용한다. 차량이 통과하면 진동으로 광섬유에 외부 압력이 가해진다. 그 결과, “광섬유가 약간 늘어나면서 흐르는 신호의 위상이 변화한다”(NEC 디지털 테크놀로지 개발연구소의 히노(樋野) 디렉터).

변화된 신호는 빛의 속도로 센싱 장치에 도달한다. 위상 변화가 발생한 시간과 광섬유 끝단에 설치한 센싱 장치에 도달한 시간을 계측하면, 센싱 장치로부터 위상이 변화한 지점까지의 거리를 알 수 있다. 이런 '신호 왜곡'을 연속 취득해 광섬유가 매설된 구간의 차량 수나 속도를 실시간으로 파악하는 것이다.

취득한 데이터를 세로축에 시간, 가로축에 거리를 지정한 그래프에 표시하면, 각 차량의 정보를 궤적으로 나타낼 수 있다. 직선에 가까운 궤적이라면 차량은 어느 구간이나 동일한 속도로 통과하고 있는 것이다. 반면 정체가 발생하면 차량의 속도는 자주 변화하기 때문에 직선이 되지 않는다.

-- AI 처리를 반복해 모든 차량의 궤적을 취득 --
NEC의 히노 디렉터는 “광섬유를 활용한 센싱 대응은 수십 년 전부터 있었다”라고 설명한다. 타사에서는 센서용 광섬유를 상품화하는 움직임도 있다.

그러나 NEC는 추가 비용이 들지 않도록 기존의 광섬유를 센서로 활용하기로 했다. 하지만 기존의 광섬유에서 취득할 수 있는 데이터에는 노이즈가 많이 포함되어 있어 실현이 어려웠다.

NEC는 이러한 과제를 새롭게 개발한 AI(인공지능)로 해결했다. 궤적을 추출하는 처리에서는 우선 센싱 장치로부터 얻어진 데이터를 성형한다.

그 후에 AI를 통해 명료한 데이터로부터 각 차량 별로 궤적을 추출하고, 추출에 성공한 데이터를 마스킹한다. 남은 데이터는 미약한 신호 때문에 판독하기 어렵다. 그래서 미약한 궤적을 증폭시켜 다시 추출 처리를 한다. 이러한 처리를 반복하면서 모든 차량의 궤적을 취득할 수 있다고 한다.

AI 학습 모델의 개발에는 지도학습(Supervised Learning)을 채용한다. 노이즈가 섞인 주행 궤적의 모의 데이터와 궤적을 올바르게 추출한 데이터를 20만쌍 만들고, 신경망을 통해 학습을 반복했다.

-- 센서의 소프트웨어화에 기여하다 --
NEC 도시인프라솔루션사업부문의 사쿠라이(櫻井) 시니어 프로페셔널은 개발한 센서 기술에 대해 "통신과 AI의 융합에 의한 센서 기능의 소프트웨어화다"라고 설명한다.

기존형 센서는 단일 목적으로 밖에 이용할 수 없었다. 예를 들어 교통상황을 파악하는 루프코일은 통과 차량을 측정한다는 목적 외에 이용하는 것은 현단계에서는 어렵다.

그러나 NEC가 개발한 시스템은 통신용 광섬유를 데이터의 송수신이라는 목적 외에 센서로 활용한다. 의외의 기기가 센서가 될 수 있는 가능성을 제시했다.

AI를 활용하면 단일 목적을 위해 설치한 센서를 다른 용도로 이용할 수 있을지도 모른다. 마치 개수나 변경을 통해 기능을 추가할 수 있는 소프트웨어처럼 말이다. 이번에 NEC가 개발한 시스템은 센서의 가능성을 넓히는 좋은 예라고 생각한다.

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