건축/환경에너지

Nikkei Construction_2020.3.23 특집 요약 (p59~61)

인해전술의 도로 관리에 종지부
길이 250km의 도로 손상을 예측하는 ‘디지털 트윈’의 힘

방대한 규모의 인프라 점검은 현재, 건설업계에서 ‘극한 작업’으로 정착되었다. 한신고속도로(阪神高速道路)주식회사는 관리하고 있는 길이 250km의 도로를 가상공간에 재현하는 ‘디지털 트윈’ 도입을 검토 중이다. 손상 및 노후화를 예측할 수 있게 된다면 인해전술에 의존하고 있는 점검 및 관리에 종지부를 찍을 수 있을 것이다.

실제 다리나 도로, 환경을 데이터화해 가상공간에 현실과 똑 같은 세계를 구축하는 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’. 데이터를 실시간으로 집약하면서 노후화와 손상을 예측해 우선적으로 보수가 필요한 장소를 판단할 수 있게 된다. 유지 관리의 절차 및 비용을 큰 폭으로 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 구조물 내부의 손상도 쉽게 알 수 있게 된다.

한신고속도로 사는 관리하고 있는 길이 약 250km 도로에서 이 디지털 트윈 도입 시험을 추진하고 있다. 고속도로 전체의 형태와 무게, 소재, 성질, 강도 등을 가상공간에 재현할 계획이다.

“한신고속도로 사가 관리하고 있는 도로의 약 40%가 개통으로부터 40년 이상 경과되고 있다. 따라서 어떻게 유지 관리를 해야 할 지가 과제이다. 망치나 초음파를 이용해 사람이 전체를 점검할 경우, 방대한 시간과 노동이 필요하다”라고 한신고속도로 기술부 기술추진실의 모로(茂呂) 구조기술총괄과장은 말한다. 구조물의 노후화가 진행되고 있는 반면, 점검 및 관리를 담당하는 인력은 부족한 상태이다. 지금까지의 인해전술에 의존하는 관리 방법을 전환하지 않으면 안 되는 상황에 처해있다.

가상공간에는 노후화 및 손상의 진행 상황도 재현할 수 있다. 한신고속도로는 사장교(斜張橋)의 케이블을 비(非)파괴로 검사하는 ‘케이블 점검 로봇’, 도로 면의 노후화 및 포장도로 내부 손상을 주행하면서 점검하는 차량 ‘닥터패트(Doctor Pat)’ 등을 유지 관리 업무에 도입하고 있다.

이러한 센서와 로봇을 통해 수집한 구조물에 관련된 데이터를 실시간으로 집약해 가상공간에 반영한다.

-- 지진 피해 예측 --
한신고속도로는 지진 시 구조물 피해 예측을 목표로 디지털 트윈 개발을 추진해왔다. 문제는 모델을 구축하는 방법이다.

“낡은 구조물에 대한 정보는 당연히 2차원 도면 등에 보관하고 있다. 이것을 3차원으로 재현하기 위해서는 상당한 노력이 필요하다”라고 모로 과장은 지적한다.

이를 해결하기 위해 한신고속도로는 지진의 흔들림이 직접 전달되는 하부 구조에 착안. 관리하는 수 천 개의 모든 교각을 재질과 형태, 폭에 따라 12개 그룹으로 분류했다. 3차원 모델은 그룹 단위로 구축해 2차원의 낡은 도면을 모두 3차원으로 재현하는 수고를 없앴다. 상부 구조는 교량의 횡목(橫木)과 마룻대의 종류에 따라 7개 그룹으로 나눈 빔 구조 모델로서 간략화 하는 것을 목표로 했다.

과거 30년 간의 도로 설계와 관리를 통해 얻은 정보를 보유하고 있는 한신고속도로의 지리정보시스템의 데이터도 활용해 지반 등 주변 환경에 관련된 정보를 가상공간에 입력. 이를 통해 3차원 모델 상에서 지진 발생 시 피해가 발생하기 쉬운 구조물이나 요철이 생기기 쉬운 도로면 등을 광범위하게 파악해 사전에 대책을 마련한다.

재해 시 운전자의 행동을 분석해 차량의 움직임을 재현한 교통 흐름 시뮬레이션과 함께 교통 혼잡 및 사고가 발생될 것으로 예상되는 구간을 피한 긴급수송 계획을 세우는 것도 검토하고 있다.

-- 정밀한 모델로 부재(部材) 단위의 하중 파악 --
점검이나 유지보수 분야에서 디지털 트윈을 도입하기 위해서는 보다 정밀한 모델이 요구된다. 한신고속도로는 향후, 간략한 모델을 베이스로 상세화할 계획이다.

이미 2018년에는 도시바와 공동으로 5호 연안선의 히가시고베(東神戶)대교를 대상으로 2차원 설계 도면을 통해 최대한 현실에 가까운 3차원 모델을 구축했다. 약 8,000만 개의 점으로 이루어진 메시 모델을 만들어 교량에 설치된 센서로 계측한 하중 데이터를 이용해 교량의 변형을 높은 정밀도로 계산했다.

빔 구조로 치환되지 않는 정밀한 모델에서는 위험한 장소를 자세하게 알 수 있다. 예를 들어 차량 통과 시에 가해지는 하중이나 변형이 발생되는 형태를 교량의 부재 별로 분석할 수 있다.

“시뮬레이션의 목적에 따라 상부 구조는 빔 모델이 합리적인 경우도 있다. 유지 관리에 도움이 되는 정밀도를 확보할 수 있도록 연구해 나가겠다”(모로 과장).

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