[논문]가상 시뮬레이션에 의한 도로설계정보 최적화 방법론 및 지원체계 개발

문현석; 강인석

[국내논문] 가상 시뮬레이션에 의한 도로설계정보 최적화 방법론 및 지원체계 개발
Development of VR Simulation Algorithm and System for Supporting Optimal Road Design Information 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.10 no.4 = no.50, 2009년, pp.101 - 110

초록
AI-Helper

본 연구는 기존 시공단계 중심의 VR시뮬레이션 활용체계를 설계단계까지 확장하여 도로의 최적 설계정보 지원을 위한 시각화 분석 기능을 개발하는 것이 목적이다. 연구에서는 설계지원을 위한 VR기능으로 도보 선형(alignment)에 의한 토공 시뮬레이션, 대안 노선 선정 시뮬레이션 구조물 타입 선정 시뮬레이션 및 지하시설물 분석 시뮬레이션 기능들을 제안하고 있다. 이러한 VR시뮬레이션 기능을 통해 노선 및 토공 상태의 시각적 확인이 가능하고, 대안 노선의 가상적인 모의 배치를 수행함으로써 최적 설계노선을 선정할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 도로설계정보 지원을 위한 VR시뮬레이션 기능 개발 방법론 및 시스템(VR Presenter)을 구현하며, VR기능을 적용한 개선된 도로설계 프로세스를 제안하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The current virtual reality(VR) simulation functions in construction project are focused on the construction phase. This study attempts to extend the application of VR functions to the design phase. This study suggests various VR functions such as earthwork simulation by road alignment, alternative route selection simulation, structure type selection simulation and underground structure visualization simulation. These functions can visualize road route and earthwork condition and select an optimal design route by simulating virtual placement of alternative route. This study configures systematic methodology for suggested VR simulation functions and develops VR system by the functions. Finally this study suggests an improved design process of road construction project by using the developed VR functions

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이를 위해 최소의 선형 속성을 입력하고 선형이 배치되는 다수의 경로를 동시에 지정함으로써 최적의 도로선형 및 경로를 선정할 수 있도록 하는 시각화 기반의 대안 검토방식이 요구된다. 따라서 본 절에서는 최적의 선형을 선정할 수 있는 도로선형 대안 검토 시뮬레이션 구현 방법론을 제안하고 있다.
이를 위해 도로설계의 수행 전에 지하시설물을 고려한 최적의 도로설계가 가능하도록 기능을 구성할 필요가 있다. 본 절에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 지하시설물의 DB정보를 통해 매설 위礼 깊이 및 종류 등의 확인함으로써 최적의 도로배치 위치 및 시공순서를 결정할 수 있도록 지하시설물 검토 시뮬레이션 구현 방법론을 제안하고 있다.
본 연구에서 구현되는 시뮬레이션 기능들은 효율적인 설계정보 지원을 위한 시각적 분석 결과를 제공하는 것이 목적이다. 본연구의 시스템 구성을 위해 통합정보 모형(Data Model)은 가상객체 정보를 참조하는 Object Data Model, 시뮬레이션 기능을 지원하는 요소 기능의 Element Data Model과 이들 Data Model 과 연동되어 설계지원을 가능하게 하는 VR Simulation Data Model로 구성되어 있다.
본 연구는 도로설계 업무의 효율적 지원을 위한 VR 시뮬레이션 기능의 구축과 활용 방안을 제시하고 있다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

제안 방법

이를 위해 본 연구에서는 VR 기반의 도로설계 수행을 위한 요구기능을 우선적으로 분석한다. 그리고 각 기능의 구축 및 운영에 소요되는 입력 및 출력 정보를 도출한다.
또한 UML(Unified Markup Language)의 Activity Diagram 을 활용하여 기능구현 알고리즘과 기능 정의에 따른 시각적 기능의 인터페이스 구성 방법론을 구축한다. 이를 기반으로 도로설계지원을 위한 VR시뮬레이션 기능을 개발하여 실제 설계정보 적용으로 제시된 방법론을 검증하고 있다.
토공 시뮬레이션은 도로의 노선 위치를 지정하고 토공 3D 모델을 자동 생성 한다. 이를 통해 노선의 방향, 위치 및 표고에 따른 성토 상태와 토공 단면의 수계(water system)를 검토할 수 있다.
도로 선형 대안 시뮬레이션은 도로의 최적 대안 노선 선정을 위해 다중 선형을 지정함으로써 기존 노선대비 신규 노선의 타당성을 확인한다. 구조물 대안 검토 시뮬레이션은 지형정보에 다양한 구조물의 가상 모델을 배치하여 교량 및 도로의 타입을 시각적으로 확인할 수 있다.
본 장에서는 앞서 분석된 기능 분류 및 입 . 출력 정보를 기반으로 도로설계 업무에서 VR 기반의 시각적 기능 인터페이스 (interface)의 구성 방법론을 제시한다. 이러한 기능 구축 방법론은 UML(Unified Markup Language)의 Activity Diagram 모델링 기 법을 활용하여 그림 2와 같이 구성하고 있다.
수집하고 공사구역을 확인한다. 지형정보를 삼각망 (triangular network) 정보로 변환하고 맵핑 과정을 수행하여 실제 지형과 동일한 디지털 지형 데이터를 구축한다. 이를 기반으로 도로 차선(lane), 토공 구배(slope), 도로 높이 및 색상 속성등의 파라미터(parameter)를 정의한다.
토공생성이 활성화되면 중심선을 기준으로 성토(filling) 구간을 포함한 도로선형이 생성된다. 또한 단면(section) 검토와 거리 (distance) 측정을 통해 도로설계 지원을 위한 기본적 정보를 제공한다. 거 리 측정은 선택된 두 지점 사이의 X, y, z좌표 값의 차이를 통해 확인할 수 있으며, 각 지점의 거리 및 지형경사에 따른 각도를 계산하여 그 결과를 실시간으로 화면에 표현한다.
선형 생성이 활성화되면 매개변수 (parameter) 속성에 따라 시각적 변환 알고리즘을 통해 대안 노선의 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 기능을 통해 대안별 선형의 좌표, 토공량(earth volume) 및 거리 분석을 수행하여 최적 대안 노선의 의사결정 정보를 제공하게 된다.
이를 위해 구조물의 3D모델을 다양한 형식으로 정의하고 신속하게 동일 부위를 변경함으로써 최적의 구조물 대안을 선정할 수 있는 阳시뮬레이션 기능이 요구된다. 본 연구에서는 지형정보의 구성 후 대안 구조물의 형식을 검증할 수 있도록 구조물(교량, 도로, 터널 등) 의 3D모델링 절차를 시스템에 구성하고 있다. 지형정보와 3D 모델은 동일한 좌표값을 포함하고 있다.
그러므로 좌표 매칭을 통해 각 구조물의 3D모델을 지형의 다양한 위치에 배치할 수 있다. 이를 통해 구조물 주변 환경을 고려한 경관(Bird's Eye View) 시뮬레이션을 수행할 수 있고, 거리 및 단면 분석을 통해 인접한 지역과의 배치 타당성을 시각적으로 검증한다.
우선 지하시설물 현황 DB를 기반으로 3D모델링을 수행하고 구성된 3D모델을 실좌표값과 매칭하여 지형정보에 배치한다. 이를 기반으로 객체의 충돌탐지 알고리즘에 의해 지장물간 간섭 (interference) 상태를 시각적으로 확인한다.
배치한다. 이를 기반으로 객체의 충돌탐지 알고리즘에 의해 지장물간 간섭 (interference) 상태를 시각적으로 확인한다. 본 연구에서 충돌탐지 알고리즘에 의한 객체 간섭은 그림 3에서와 같이 선택된 객체를 기준으로 간섭되는 모든 객체의 X, y, z 좌표값을 계산하고 두 객체 사이의 좌표(거리)차이를 계산함으로써 충돌 상태를 검증할 수 있다.
즉 지히-시설물이 배관일 경우 해당 3D 모델은 모든 엔티티 (Entity) 의 표면 요소가 좌표 값을 포함하고 있다. 그러므로 기준 객체의 표면 좌표값과 해당 객체가 놓여지는 위치에 충돌하는 3D 객체들 사이의 최단거리를 계산하여 충돌 여부를 확인한다. 하나의 지하시설물 3D객체는 연관된 많은 객체들과 충돌 여부를 확인하기 위해 허용된 충돌거 리를 인식한다.
본연구의 시스템 구성을 위해 통합정보 모형(Data Model)은 가상객체 정보를 참조하는 Object Data Model, 시뮬레이션 기능을 지원하는 요소 기능의 Element Data Model과 이들 Data Model 과 연동되어 설계지원을 가능하게 하는 VR Simulation Data Model로 구성되어 있다. 그림 4는 각 시뮬레이션 기능들의 속성간 정보흐름 및 기능의 연관 관계도를 보여주는 ERD(Entity Relationship Diagram) 이다.
저장된 중심선을 순차적으로 지정하여 선택된 중심선의 수만큼 도로 선형의 3D모델이 자동적으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 기능을 통해 기존 계획 노선 대비 대안 노선을 시각적으로 비교 . 분석할 수 있다.
분석할 수 있다. 또한 주변과의 인접도와 단면 분석을 통해 최적 토공량을 산정할 수 있는 정보를 제공한다.
검토하는 화면을 제시한 것이다. 본 기능에서는 시선제어 (View Control) 기능을 통해 원히는 위치에서 구조물의 소망이 가능하도록 구성하였다. 즉 구조물이 배치될 지역의 민원 예상 지역의 주변 거리.
즉 구조물이 배치될 지역의 민원 예상 지역의 주변 거리. 위치, 일조권 분석 등을 검토한다. 지하매설물의 형태를 시각적으로 확인하며, 객체 간 간섭 거토를 통해 설계변경을 최소화 할 수 있다.
1) 도로설계정보 지원을 위한 VR 기반의 기능 구축을 위해 도로설계에서의 VR 활용 특성 분석을 통한 VR시뮬레이션 기능의 개발 범위를 제시하였다.
2) 도로설계를 위한 VR시뮬레이션의 각 기능에 소요되는 정보와 도출되는 성과물을 통합한 VR 기반 도로설계 통합정보 체계를 구성하였다. 연구에서는 토공 상태검증 시뮬레이션, 도로선형 검증 시뮬레이션, 구조물 형식검증 시뮬레이션, 지하시설물 검증 시뮬레이션을 주요 V圧기능으로 구성하였다.
구성하였다. 연구에서는 토공 상태검증 시뮬레이션, 도로선형 검증 시뮬레이션, 구조물 형식검증 시뮬레이션, 지하시설물 검증 시뮬레이션을 주요 V圧기능으로 구성하였다.
3) Activity Diagram을 활용하여 VR시뮬레이션 기능 및 활용 프로세스 방법론을 구성하였다. 이는 도로설계를 위한 vm시뮬레이션 기능 구축용 알고리즘으로 활용될 수 있다.
이는 도로설계를 위한 vm시뮬레이션 기능 구축용 알고리즘으로 활용될 수 있다. Activity Diagram은 연구에서 제시한 4개의 V * 기능 구성을 위한 독립적 절차와 통합된 절차로 병행하여 구성하였으며, 이로써 기능별 VR 설계정보의 연계성을 확보하였다.
4) 제시된 V田기능 구성 방법론에 근거하여 도로 설계정보 시각화를 위한 海시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 실제 설계정보를 이용하여 4개 /기능의 실무 적용성을 검토하였으며 , 시스템의 /기능을 활용한 개선된 도로설계업무 프로세스를 제시하였다.
위한 海시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 실제 설계정보를 이용하여 4개 /기능의 실무 적용성을 검토하였으며 , 시스템의 /기능을 활용한 개선된 도로설계업무 프로세스를 제시하였다. 특히 연구에서 구축된 VR 시스템은 도로 공사용 4D CAD엔진과 통합 환경에서 구동이 가능하므로, 시공단계 중심의 4D CAD 활용성을 설계단계까지 확대하는 인터페이스 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 적용하는 설계 단계는 상세설계를 구체화할 수있는 계획설계(Design Development) 단계로 범위를 구성한다. 본 단계에서는 기본설계에서 분석된 정보를 포함하며, 상세설계를 지원하는 기능으로 제시할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 개발된 시스템의 주요 모듈은 Visual Basic 6.0 언어를 이용하였으며, VR 인터페이스 모듈은 Cortona 3D 엔진을 적용하였다. 또한 지형 데이터에 정의된 파라미터 및 객체 속성 값들의 데이터베이스 저장을 위해 * MDB를 활용하여 관리하고 있다.

성능/효과

확인한다. 구조물 대안 검토 시뮬레이션은 지형정보에 다양한 구조물의 가상 모델을 배치하여 교량 및 도로의 타입을 시각적으로 확인할 수 있다.
저장된 중심선을 순차적으로 지정하여 선택된 중심선의 수만큼 도로 선형의 3D모델이 자동적으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 기능을 통해 기존 계획 노선 대비 대안 노선을 시각적으로 비교 .

후속연구

개발된 시스템은 실제 설계정보를 이용하여 4개 /기능의 실무 적용성을 검토하였으며 , 시스템의 /기능을 활용한 개선된 도로설계업무 프로세스를 제시하였다. 특히 연구에서 구축된 VR 시스템은 도로 공사용 4D CAD엔진과 통합 환경에서 구동이 가능하므로, 시공단계 중심의 4D CAD 활용성을 설계단계까지 확대하는 인터페이스 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

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http://www.autodesk.com/ (2008)
http://www.solibri.com/ (2008)
http://www.forum8.co.jp/ (2008)

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용어 설명 출처 목록 (6)

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