기계/조선

계측과 제어_Vol.60 2021.11 특집 (757~759)

사회 인프라 센싱의 새로운 조류
내각부 SIP 인프라의 모니터링 관계에 대한 연구 소개

1. 인프라와 그 유지보수(Maintenance)의 특징

도로, 철도, 항구, 공항, 상하수도, 전력, 가스, 공원 등 소위 말하는 토목적인 인프라스트럭처(이하, 인프라)는 민간 기업이 관리하는 것도 있으나, 정부나 지자체가 보유 관리하는 것이 압도적으로 많다. 공통적으로 말할 수 있는 것은 ‘공적이며 차별 없이 모두가 사용할 수 있는 것’이라는 것이다. 일본의 세계적인 경제학자인 우자와(宇沢) 씨가 1970년대에 제창한 3가지 사회적 공통자본 중 하나는 ‘인프라’이며, 나머지 두 가지는 하천, 바다, 대기, 흙 등으로 구성되는 ‘자연 환경’과, 의료, 교육 등의 ‘제도 자본’으로 정의 내리고 있다.

이 사회적 공통 자본이란, 하나의 국가 또는 지역에 거주하는 모든 사람들이 윤택한 경제생활을 영위하며 우수한 문화를 전개하여, 인간적으로 매력적인 사회를 안정적으로 지속하는 것을 가능하게 하는 사회적 장치를 의미한다. 지금 세계에서는 지구온난화로 인한 기후 불안정화, 기상 재해의 증가를 경험하고 있으며, 자연 환경의 악화는 전 인류에게 위협이 되고 있다. 이처럼 매일같이 사용하고 있는 인프라의 노후로 기능이 상실된다면 우리의 일상생활이 무너지게 되는 것은 어쩌면 당연하다. 역사 작가인 시오노(塩野) 씨는 “인프라란 인간이 인간다운 삶을 살아가기 위해 필요한 대사업’이며 “인프라만큼 그것을 만든 민족의 자질을 잘 보여주는 것은 없다”라고 말하고 있다.

인프라는 제방이나 성토처럼 흙이나 자갈과 같은 자연 재료도 사용되지만, 전형적인 예로 교량과 같이 철이나 콘크리트 등의 인공 재료가 사용되는 경우가 많다. 당연히 인공재료는 시간이 흐름에 따라 노후로 인해 손상된다.

자동차과 같은 대량의 공업 제품과는 달리, 인프라는 각각 개별적으로 설계되어 시공되기 때문에 같은 교량이라고 해도 각각의 성능은 크게 다르다. 또한, 인프라를 둘러싼 비, 바람, 지진 등의 외적인 자연 조건은 서로 다르며, 교량을 통과하는 자동차 등의 외적인 인위적 조건 또한 다르다고 할 수 있다.

인프라의 공용(供用) 기간은 짧게는 40~50년, 길게는 100년이 넘는다. 1964년의 도쿄올림픽과 함께 만들어진 도카이도신칸센(東海道新幹線), 도메이(東名)고속도로 및 슈토(首都)고속도로는 이미 60년 가까이 경과되어, 자산 가치로서는 거의 제로에 가깝지만, 사회적 가치는 세월의 흐름과 함께 커지고 있다. 좋은 인프라란 그런 것을 말한다. 현재, 제2 도메이고속도로가 상당부분 완성되었으며, 리니어신칸센이 건설 중에 있으나, 도카이도신칸센 및 도메이고속도로는 그대로이며, 철거할 수는 없다. 안전성을 확보하면서 계속해서 사용할 수밖에 없는 상황인 것이다. 다만, 앞으로 일본에서는 저출산이 진행되어 어려운 재정 기반 속에 일부 인프라가 철거될 것임에 틀림없다.

2. 인프라 점검 모니터링의 중요성

인간은 고령화가 되면, 체력이나 건강 면에서 개인차가 크게 벌어진다. 인프라도 마찬가지다. 다만, 앞에서 말한 것처럼 개별성이 높아, 종류가 많은 인프라에서는 더욱 개체의 차이가 크다. 그러므로, 기존 인프라의 각각의 상태를 파악하는 것이 불가결하다고 할 수 있다.

학교나 기업에 있어서 검사를 수반하는 정기 건강검진이 도입된 지 50년 정도가 경과되었을까? 미국에서 교량 등 인프라의 외관에 의한 정기 점검을 2년에 한 번씩 도입하게 된 것은 노후로 인한 사고가 잇따른 후였던 1970년 전반으로, 지금으로부터 약 50년 전이다.

외관점검의 도입은 인프라의 상태 파악과 그것에 기반한 보수라는 인프라 매니지먼트의 합리화가 크게 기여했다. 다만, 점검이 시행되었다고 해서 사고가 없어진 것은 아니다. 2006년의 캐나다 퀘백 주에서 수 명의 사망자를 낸 교량의 거더(Girder, 교량의 기둥과 기둥을 연결하는 상부 구조물)의 붕괴 사고에서는 콘크리트 거더 안이 철근의 부식으로 인해 엉망이 되어 있는 것을 외관 상으로는 발견하지 못해 붕괴되고 말았다. 최근 사례로는 2018년에 이탈리아의 고속도로에 가설된 모란디교에서 거더를 매단 콘크리트로 둘러쌓인 강봉이 부식으로 인해 끊어져 길이 200m가 넘는 대형 교량이 붕괴되면서 40명 이상의 사망자가 발생한 사고를 들 수 있다. 외관점검으로는 보이지 않는 부분의 열화(劣化)나 손상이 진행되더라도 방치될 수 있다.

인간의 경우는 그 사람의 병이나 이상이 다른 사람에게 직접적인 영향을 주지는 않는다. 한편, 철도, 도로, 상하수도, 전력 등 대표적인 인프라스트럭처는 각각의 네트워크 시스템으로 구성되기 때문에 한 곳의 기능이 정지되면 시스템 전체에 영향을 미치게 된다. 철도 등에서 가끔씩 변전소 전력 설비에 이상이 생겨 전력 공급이 끊어지면, 경우에 따라서는 수 십km 범위에 해당하는 철도의 기능 마비로 이어진다. 이는 인프라의 유지보수의 특징 중 하나이다.

외관점검에 있어서, 높은 곳이나 수중 등 사람이 접근하기 힘든 곳을 없애는 것이 과제이며, 공중이나 수중 드론 등은 유효하다. 또 하나는, 사람이 시행하여 시간이 걸리는 것과 위험한 것을 자동차 등의 고속 이동체를 통해 촬영한 화상으로부터 사람 눈에 필적하는 손상 검출 기술이다. 터널의 콘크리트 점검 등이 이에 해당된다.

또 다른 하나는 눈으로는 찾아낼 수 없는 콘크리트 속의 철근의 녹이나, 강판 뒷면의 녹이나 균열, 지면 아래의 빈 공간, 아스팔트 포장 밑의 콘크리트 균열 등을 비접촉 센서로 검출하는 기술이다. 이는 인간의 건강검진이나 정밀 검사에 해당되지만, 현지에서, 그것도 야외에서 하는 센서를 통한 검사라는 점에서 어려움이 따른다.

3. 내각부 SIP 인프라의 스타트

인프라의 유지 보수에 관하여 일본에서 최초로 경종을 울린 것은 1999년에 산요(山陽)신칸센 터널의 콘크리트 블록이 붕괴된 사건일 것이다. 2007년 미국 미네소타 트러스교의 교량 붕괴 사고 또한 인프라 유지보수에 대한 관심을 끌어올렸다. 그 후 5년 뒤인 2012년 12월에 중앙 자동차도의 사사고(笹子)터널에서 현수재가 누락됨에 따라 길이 약 130m의 천장 콘크리트 판이 붕괴하여 9명의 사망자가 발생했다. 외관점검에서 놓쳤기 때문이다. 유지보수가 비교적 잘 정비되고 있다고 생각되는 고속도로에서 일어난 사고였기 때문에 그로 인한 충격은 더욱 컸다.

사사고터널 사고의 사회적 파장은 상당한 것으로, 내각부 과학기술회의(현재의 과학기술 이노베이션회의)에서 인프라 유지보수의 고도화가 논의되어, 내각부가 주도한 전략적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)의 10가지 과제 중 하나로서 SIP 인프라 유지보수가 2014년 4월부터 시작되었다. 연간 약 30억엔의 프로젝트로, 5년에 걸쳐 시행되어 필자는 그 PD(프로그램 디렉터)를 맡았다. SIP의 포인트는 성청(省庁) 간의 연대이며 민·관·학이 협력하여 시행하는 것으로서, 건설회사 및 토목 컨설턴트가 주체가 되어 시행하는 국토교통성의 사업과는 크게 달랐다. SIP 인프라의 1,000명이 넘는 참가자 가운데 약 절반이 토목 계열이었으나, 나머지 절반은 비토목 계열로 로봇이나 센싱 기술의 전문 기술자들이었다. 비토목 계열의 첨단분야 전문가가 계획에 참여한 것은 지극히 획기적이었다고 할 수 있다. 약 70개 팀이 형성되었으나, PD로서 유의했던 점은 인프라를 피부로 느끼는 토목 계열의 사람을 상황에 따라 다소 강제적으로 첨단기술 개발 팀에 합류시켜 수평적인 구조로 만든 것이다. 타 분야에서 개발된 기술을 인프라에 도입할 때 인프라의 특징을 감안하여 기술을 조합시킬 필요가 있으나, 기존에는 그 조합이 부족해, 보기에는 사용할 수 있다고 생각했던 것이 시행 단계에서 종료되는 경우가 많았다. 그 아픈 경험을 극복하기 위해 시행한 것에도 SIP 인프라의 특징이 있다. 슬로건은 ‘사용하고 싶어지는 기술을! 그것이 가능하면 이노베이션’이었다.

4. SIP 인프라에 있어서의 점검·모니터링 관계의 연구

SIP 인프라는 로봇, 점검 모니터링 진단 등 비토목 계열이 주체인 4가지 분야와, 그것들의 첨단 기술을 인프라에 적용하기 위한 에셋 매니지먼트 기술로 구성되어 있다.

전체에서는 59개의 과제에 대응했으나, 가장 많았던 것은 점검 모니터링의 진단으로, 그 수는 50%가 넘는다. 로봇 기술, 이동체를 사용한 로봇도 13개에 달해, 그 대부분은 기존의 외관점검의 대체가 되는 센싱 기술의 개발이었으므로 절반 이상의 연구가 센싱 분야에서 시행되었다고 할 수 있다.

인프라의 경우, 일반적으로 현지에서 공용(供用) 하에 점검을 단기간 동안 시행하기 때문에 최대한 비접촉으로, 또한 선형 구조물이 많아 이동체로 시행되는 것과 자동차나 드론을 사용해 시행되는 것이 바람직하다. 실제로 레이저, 전자파, 레이더, 소나(Sonar), X선, 화상 등으로부터의 신호를 사용하는 센싱이 전개되었다. 위성정보를 사용한 것도 있다. 본 특집호에서는 그 중에서 8개를 소개하고 있다. 또한, 정보의 디지털화는 각각의 인프라 유지보수 및 통계적인 분석에 있어서도 상당히 중요하며, 그것에 관련된 것도 포함되어 있다.

5. 맺는말

SIP 인프라는 2019년 3월에 종료되어 이미 2년 반이 경과되었으나, SIP 인프라에서 시행되었던 다양한 연구개발은 여러 가지 형태로 지속되고 있다. 이는 매우 기쁜 일이다. 비즈니스로서 성공적으로 점검에 사용되고 있는 것도 있으며, 다른 연구 프로젝트를 획득하여 연구 개발을 하고 있는 것도 있다. 벤처 기업이 설립되어 그곳에서 실장화하기 위한 기술을 연마하는 곳도 있다. SIP 인프라 외에도 물론 다양한 센싱 기술이 개발되고 있지만, SIP 인프라가 여러 가지 의미에서 타 분야와의 융합을 통해 기술 개발을 시행하는 흐름을 만들었다고 자부하고 있다.

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