[논문]차세대 스마트도시 시설물의 플랫폼 정의와 디지털 체인

양승원; 김진웅; 김성아

doi:10.13161/kibim.2020.10.4.011

차세대 스마트도시 시설물의 플랫폼 정의와 디지털 체인
Next Generation Smart-City Facility Platform and Digital Chain 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.10 no.4, 2020년, pp.11 - 21

양승원 (성균관대학교 대학원 미래도시융합공학과) , 김진웅 (성균관대학교 대학원 미래도시융합공학과) , 김성아 (성균관대학교 건축학과)

Abstract ▼ AI-Helper

With increasing interest and research on smart cities, there is also an increasing number of studies on urban facilities that can be built within smart cities. According to these studies, smart cities' urban facilities are likely to become high value-added industries. However, the concept of smart city is not clear because it involves various fields. Therefore, in this study, the definition of Next-Generation(N.G) Smart City Facilities with Digital Twin and Digital Chain is carried out through a multidisciplinary approach. Based on this, Next-Generation Smart City Facilities will be divided into High Value-Added Products and Big Data Platforms. Subsequently, the definition of the Digital Chain containing the data flow of the entire process built through the construction of the Digital Twin proceeds. The definitions derived are applied to the Next-Generation Noise Barrier Tunnel to ensure that data is exchanged at the Digital Twin stage, and to review the proposed configuration of the Digital Chain and Data Flow in this study. The platform definition and Digital Chain of Next-Generation Smart City Facilities proposed in this study suggest that it can affect not only the aspects of data management that are currently in the spotlight, but also the manufacturing industry as a whole.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Process of Research
표 Table 1. Digital Transformation Case
그림 Figure 2. Various Flatforms common Structure (Choi, 2011)
그림 Figure 3. Digital Chain Diagram (Shin and Kim, 2007)
표 Table 2. Analysis of Public Facilities in Seoul (2017)
그림 Figure 4. Conceptual Diagram of N.G Smart City Facilities
그림 Figure 5. Platform Overview of N.G Smart City Facilities
그림 Figure 6. Digital Chain of N.G Smart City Facilities
그림 Figure 7. N.G Noise Barrier Tunnel : High Value Added Product Platform
그림 Figure 8. N.G Noise Barrier Tunnel : Big Data Platform
그림 Figure 9. Conceptual Model of Digital Chain for N.G Noise Barrier Tunnel Platform

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구의 목적은 스마트시티에 적용되는 도시시설물을 일컫는 용어인 ‘스마트도시 시설물’의 정의를 명확히 하며, 스마트도시 시설물 중 하나인 방음터널을 대상으로 4차 산업혁명과 스마트시티의 대두에 따른 패러다임의 변화를 반영하는 차세대 플랫폼 정의와 이를 기반으로 구성되는 디지털 체인을 제안하는 것이다. 제안되는 스마트도시 시설물의 차세대 플랫폼 정의는 기존에 논의된 단순 협업 플랫폼에 그치지 않고, 고부가가치 제품으로서의 스마트도시 시설물 및 빅 데이터 플랫폼으로서의 역할을 수행할 수 있는 것을 의미한다.
2014년 한국건설기술연구원에서 수행한 연구는 이를 뒷받침하는 것으로, 국민복지 향상 및 도시시설물 피해 예방 등 국가적 차원의 선결과제를 해결하기 위한 핵심기술 분야인 지능형 도시시설물 관리체계를 통해 풍요롭고, 안전하며, 쾌적한 도시를 구현하고자 했다. 또한, '수동적 관리체계'를 벗어나 도시시설물의 현 상태를 지속적으로 모니터링하고 발생 가능한 상황을 사전에 예측하여 재해 등에 사전 예방·대응할 수 있는 '능동적 관리체계'를 플랫폼으로써 구현하고자 했다(KICT, 2014).
본 연구는 현재 다양한 분야에 걸쳐있는 스마트도시 내의 차세대 도시시설물 및 구성가능한 플랫폼 정의를 도출하고, 디지털 체인의 형태를 제안하기 위하여 다음과 같은 방법을 채택하였다. 첫째, 본 연구에서 다루는 내용과 배경, 개념에 대한 사전 정의를 진행하기 위한 관련 선행연구를 고찰한다.
본 연구에서는 스마트도시 시설물, 그리고 차세대 스마트도시시설물의 정의를 명확히 하며, 산업혁명과 스마트시티의 대두에따른 패러다임의 변화를 반영하는 차세대 플랫폼 정의와 이를 기반으로 구성되는 디지털 체인을 제안했다. 특히, 이를 스마트시티 곳곳에 배치될 필요성을 가지는 방음터널에 반영하여, 차세대방음터널 디지털 체인의 개념모델을 제안 및 자이로센서 기반의데이터 플로우 바탕의 구축을 통해 실현가능함을 확인했다.
셋째, 도출된 차세대 스마트도시 시설물의 개념 모델을 기존 도시시설물 중 하나인 방음터널에 적용하여 자이로센서 바탕의 데이터 플로우를 포함하는 디지털 체인의 부분구축을 수행한다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 차세대 도시시설물의 기능과 디지털 체인을 적용 가능한지 확인한다.
특히, 이를 스마트시티 곳곳에 배치될 필요성을 가지는 방음터널에 반영하여, 차세대방음터널 디지털 체인의 개념모델을 제안 및 자이로센서 기반의데이터 플로우 바탕의 구축을 통해 실현가능함을 확인했다. 이를통하여 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 구현에는 모듈화를 통한 고부가가치 가능성을 포함하며, 디지털 모델-물리모델의 상호보완적 활용을 통한 가치 창출을 염두에 두며 구성되는 디지털 체인 개념 모델의 역할에 대해 제시했다. 또한, 차세대 방음터널을 대상으로 구조성능을 파악하기 위한 자이로센서기반의 데이터 플로우를 구축하여, 본 연구에서 제안한 차세대스마트도시 시설물의 디지털 체인의 구성이 가능함을 확인하였다.

제안 방법

셋째, 이 개념을 포괄하여 적용하여 설계, 시공, 유지관리, 해체에 이르는 생애주기와 특수성을 고려한 데이터 플로우를 포함하는 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인을 정의한다. 넷째, 정의한 내용을 도시시설물 중 하나인 방음터널에 적용하여, 본 연구에서 제안한 차세대 도시시설물의 기능과 디지털 체인을 적용하여 설계단계에서부터 유지관리 단계에까지 영향을 끼치며 스마트도시에서 요구하는 기능들을 수행하도록 지원할 수 있는 모델을 제안한다.
첫째, 현재 스마트시티뿐만 아니라 다양한 개념들과 배경이 짧은 간격으로 등장하며 소개되고 있기에, 본 연구에서 다루는 내용에 대한 사전 정의가 필요하다. 둘째, 도출한 차세대 스마트도시 시설물의 정의를 바탕으로, 스마트시티에서 플랫폼으로 활용될 수 있는 차세대 스마트도시 시설물의 플랫폼 정의에 대한 정의를 제안한다. 이 과정에서 단순 공작물 제조업에머물러 있던 기존 도시시설물을 패러다임의 변화에 맞추어 적용되는 다양한 기술이 융합된 첨단 공학의 산물로 고도화하기 위한기술과 조건을 고려하여 고부가가치 플랫폼 및 빅 데이터 플랫폼으로서 역할을 수행할 수 있는 차세대 스마트도시 시설물의 플랫폼 정의를 도출한다.
특히, 도시시설물뿐만 아니라 본 연구에서 다루는 다학제적 개념들을 광범위하게 살펴본다. 둘째, 요소기술을 적용한 차세대 스마트도시 시설물의 고려 사항을 분석하고 각 내용이 반영되어 구성된 개념 모델을 제안한다. 셋째, 도출된 차세대 스마트도시 시설물의 개념 모델을 기존 도시시설물 중 하나인 방음터널에 적용하여 자이로센서 바탕의 데이터 플로우를 포함하는 디지털 체인의 부분구축을 수행한다.
제안되는 스마트도시 시설물의 차세대 플랫폼 정의는 기존에 논의된 단순 협업 플랫폼에 그치지 않고, 고부가가치 제품으로서의 스마트도시 시설물 및 빅 데이터 플랫폼으로서의 역할을 수행할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 제안되는 디지털 체인은 설계, 제작, 운영, 폐기에 이르기까지의 전 주기에 걸쳐 ‘물리적 사물 및 시스템의 동적 S/W모델’을 다루는 디지털 트윈이 적용되는 개념이다. 이는 설계단계에서부터 유지관리 단계에까지 영향을 끼치며 스마트도시에서 요구하는 기능들을 수행하도록 지원할 수 있다.
본 연구에서 제안한 차세대 스마트도시 시설물 정의를 바탕으로, 이를 물리적 측면, 비-물리적 측면으로 나누어 볼 수 있다. 이 관점을 통해, 기존의 도시시설물에서 도출할 수 있는 물리적 측면의 요소와 스마트시티의 구성 요소로서 요구되는 비-물리적 측면의 요소로 세부 요소를 도출할 수 있다.
본 연구에서는 디지털 체인의 구성을 위하여 차세대 방음터널의 형상을 Rhino 및 Grasshopper를 통해 파라메트릭 디자인을 활용한 디지털 모델을 구성했다. 이를 물리 모델(축소 모형)으로 생성하는 과정에서 3D 프린팅을 활용하였다.
둘째, 요소기술을 적용한 차세대 스마트도시 시설물의 고려 사항을 분석하고 각 내용이 반영되어 구성된 개념 모델을 제안한다. 셋째, 도출된 차세대 스마트도시 시설물의 개념 모델을 기존 도시시설물 중 하나인 방음터널에 적용하여 자이로센서 바탕의 데이터 플로우를 포함하는 디지털 체인의 부분구축을 수행한다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 차세대 도시시설물의 기능과 디지털 체인을 적용 가능한지 확인한다.
형상을 Rhino 및 Grasshopper를 통해 파라메트릭 디자인을 활용한 디지털 모델을 구성했다. 이를 물리 모델(축소 모형)으로 생성하는 과정에서 3D 프린팅을 활용하였다. 이후, 실제 방음터널에 부착 가능한 센서 중 하나인 자이로센서를 부착하여 디지털 트윈 단계에서의 데이터의 교환이 이루어지는지 확인했다.
디지털 모델을 기반으로 도면 및 설계 문서가 작성되어야 하며, 사전제작 기법을 적용하여 시공 과정에서 발생하는 비용을 절감할 수 있어야 한다. 이후, 결정된 디지털 모델을 기반으로 구축되는 물리 모델 간 센서 부착을 통해 상호 간의 데이터 연결이 되도록 하며, 이를 통해 물리 방음터널에서 수집된 데이터는 클라우드 시스템(Cloud System)을 비롯한 저장소에 저장토록 한다. 이때, 수집되는 데이터의 종류는 적설량, 분진 양, 교통량, 태양광발전량, 방음터널 부재의 수명 등으로 제한하며, 해당 데이터를 기반으로 관제, 운영, 최적화 프로그램을 구동할 수 있도록 데이터 플로우를 계획해야 한다.
이를 물리 모델(축소 모형)으로 생성하는 과정에서 3D 프린팅을 활용하였다. 이후, 실제 방음터널에 부착 가능한 센서 중 하나인 자이로센서를 부착하여 디지털 트윈 단계에서의 데이터의 교환이 이루어지는지 확인했다. 물리모델에 부착된 자이로센서의 데이터는 Arduino IDE를 거쳐 Rhino 및 Grasshopper로 이어져 실제 물리 모델에서의 거동 변화를 디지털 모델에서도 확인할 수 있었다.

대상 데이터

이후, 실제 방음터널에 부착 가능한 센서 중 하나인 자이로센서를 부착하여 디지털 트윈 단계에서의 데이터의 교환이 이루어지는지 확인했다. 물리모델에 부착된 자이로센서의 데이터는 Arduino IDE를 거쳐 Rhino 및 Grasshopper로 이어져 실제 물리 모델에서의 거동 변화를 디지털 모델에서도 확인할 수 있었다. 이러한 과정을 통하여 본 연구에서 제안한 디지털 체인의 구성 및 데이터 플로우의구성이 이루어지는지 검토하였으며, 위 과정을 바탕으로 구성되는 차세대 방음터널의 디지털 체인은 Figure 9와 같이 정리할 수 있다.

이론/모형

이는 Grieves와 Vickers(2017)가 2002년과 2010년에 디지털 트윈을 정의한 이후 2016년에 ‘실제 물리적 제조 제품을 완벽하게 설명하는 일련의 가상 정보 구성체’로 재정의한 이후였다. 이러한 이유로 본 논문에서의 디지털 트윈은 Grieves와 Vickers의 정의를 사용한다(Kahlen, Flumerfelt et al., 2017).

성능/효과

③ 디지털 패브리케이션: 도시시설물의 형태가 포함할 수 있는비정형성은 정밀한 설계와 시공에 있어 변수로 작용하지만, 디지털 패브리케이션을 통한 다품종 소량 생산은 이러한 문제를 해결할 수 있다.
첫째, 플랫폼은 시스템이 모듈화되어 있다는 것을 전제로 한다. 둘째, 플랫폼은 하드웨어 혹은 소프트웨어, 서비스, 기술, 거래일 수도 있으며 이들의 합으로 구현될 수 있다. 셋째, 플랫폼을 통해 다양한 시스템이 만들어져야 한다.
구성 요소를 제품화(모듈화) 하여 각 모듈의 상호 대체가 가능하며 호환이 가능할 경우 제조업과의 연계를 통한 산업 생태계 활성화와 도시미관 개선에 기여할 수 있다. 또한, 유지보수 비용 측면에서 전체 시설물을 교체하는 것보다 부품화된 모듈을 교체하는 것이 유리하며, 일부의 모듈을 변경하는 것으로 형태적인 요소의 변경이 가능하므로 도시미관 개선의 측면에서 유리하다. 이를 실현하기 위해서는 모듈화를 통해 다품종 대량생산이 가능한 체계를 갖추어야 하며, 제품의 표준화가 선결되어야 한다.
이를통하여 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 구현에는 모듈화를 통한 고부가가치 가능성을 포함하며, 디지털 모델-물리모델의 상호보완적 활용을 통한 가치 창출을 염두에 두며 구성되는 디지털 체인 개념 모델의 역할에 대해 제시했다. 또한, 차세대 방음터널을 대상으로 구조성능을 파악하기 위한 자이로센서기반의 데이터 플로우를 구축하여, 본 연구에서 제안한 차세대스마트도시 시설물의 디지털 체인의 구성이 가능함을 확인하였다. 단, 디지털 체인 내부 트윈의 구현 대상은 현실 세계에 존재하는 모든 물리적인 요소와 정보라고 할 수 있으나, 그 구현 과정은 막대한 비용, 시간, 인력이 수반되기 때문에 항상 모든 것을구현할 수는 없다.
먼저, 스마트도시 시설물은 ‘스마트도시’와 ‘도시시설물’로대변되는 용어의 합성어로, 표면적 개념 또한 기존에 사용되던 ‘가로시설물’의 정의와 ‘스마트도시’의 정의를 통합한 개념을 적용할 수 있다. 더불어서, 스마트도시 시설물의 개념에는 기능적인 면모가 기존의 도시시설물보다 더욱 부각될 필요가 있다.
본 연구에서 제안한 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인 개념 모델은, 이전에 수행된 Cho(2010)의 가로시설물을 통한 공간 소셜 네트워킹 서비스 구현, Yoon(2016)의 공공 디자인의 모듈화를 통한 고부가가치 산업으로써의 도시시설물의 개념, Lim(2018)의 협업 플랫폼으로서의 스마트시티 및 스마트도시 시설물의 디지털 트윈의 개념에 이어서 스마트도시 시설물에 적용될 수 있는 효용성 및 부가가치 창출을 구현할 수 있는 바탕이 될 수 있다. 이러한 점에서 디지털 체인의 적용과 대상에 적합한 데이터 플로우의 도입은 각 단계에서 수집된 데이터를 바탕으로 관제, 운영, 최적화 프로그램을 통한 현황 파악 및 기타 수요 관측을 통하여 시설물 생애주기 전체의 품질 향상, 품질 보증 비용 절감 및 서비스 향상, 개발 비용 전반의 비용 절감과 기간 단축의 효과, 운영 단계에서의 지속적인 최적화를 통한 운영비용을 절감하는 효과를 가져올 수 있다.
데이터 관리가 가능한 것이 될 수 있다. 이를 통하여 생애주기 전체의 품질 향상을 꾀함과 동시에, 품질 보증 비용 절감 및 서비스 향상을 가능케 할 수 있으며, 개발 비용 전반의 비용 절감과 기간 단축의 효과를 가져올 수 있다. 또한, 운영 단계에서의 지속적인 최적화를 통한 운영비용을 절감할 수 있다.
것이다. 제안되는 스마트도시 시설물의 차세대 플랫폼 정의는 기존에 논의된 단순 협업 플랫폼에 그치지 않고, 고부가가치 제품으로서의 스마트도시 시설물 및 빅 데이터 플랫폼으로서의 역할을 수행할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 제안되는 디지털 체인은 설계, 제작, 운영, 폐기에 이르기까지의 전 주기에 걸쳐 ‘물리적 사물 및 시스템의 동적 S/W모델’을 다루는 디지털 트윈이 적용되는 개념이다.
또한, 핵심개념으로 다음 네 가지를 내포하고 있다고 설명한다. 첫째, 플랫폼은 시스템이 모듈화되어 있다는 것을 전제로 한다. 둘째, 플랫폼은 하드웨어 혹은 소프트웨어, 서비스, 기술, 거래일 수도 있으며 이들의 합으로 구현될 수 있다.
구성되는 디지털 체인을 제안했다. 특히, 이를 스마트시티 곳곳에 배치될 필요성을 가지는 방음터널에 반영하여, 차세대방음터널 디지털 체인의 개념모델을 제안 및 자이로센서 기반의데이터 플로우 바탕의 구축을 통해 실현가능함을 확인했다. 이를통하여 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 구현에는 모듈화를 통한 고부가가치 가능성을 포함하며, 디지털 모델-물리모델의 상호보완적 활용을 통한 가치 창출을 염두에 두며 구성되는 디지털 체인 개념 모델의 역할에 대해 제시했다.

후속연구

운영플랫폼의 역할을 맡을 수 있다. 동시에 시설물 계획단계에서부터 분석, 시뮬레이션한 결과를 피드백하여 문제 조기 해결 및 최적화된 설계를 가능케 한다. 또한, 빅 데이터, 인공지능 등의 기술을 기반으로 축적된 스마트시티의 정보로부터 새로운 가치를 창출할 수 있도록 분석/시뮬레이션 기능을 하는 예측 플랫폼의 역할을 맡을 수 있다.
따라서, 스마트시티에 적용되는 스마트도시 시설물은, 이전에진행된 U-City 정책에서 집중적으로 적용된 신도시 사업지구보다는 기성 시가지에 적용된다는 관점에서 기존시설물에 첨단화를 야기하며, 기성 시가지의 물리적인 환경을 개선하는 역할을맡게 될 것으로 예상된다. 또한, 스마트도시 시설물은 스마트시티에 적용되는 세부 구성 요소이자, 스마트시티를 구성하기 위한필수적인 시설이다.
이를 재구성하여 도식으로 재구성하면, Figure 3과 같다. 따라서, 이를 바탕으로 시설물 모니터링, 선제적 시설물 유지보수 예측, 시뮬레이션을 위한 가상 테스트 베드, 모니터링 데이터 바탕의 설계 최적화의 활용이 가능하다.
이때 방음터널에 내장되는 센서는 모니터링을 통한 방음터널의 스마트유지관리를 지원한다. 또한, 빅 데이터 분석은 방음터널의 설계 최적화 기술로 활용될 수 있다. 더불어서, 차세대 방음터널이 빅데이터 플랫폼으로 기능하기 위해서는 지식정보 혹은 데이터가 도시 또는 기존 플랫폼과 상호 운용성이 보장되는 프로토콜을 기반으로 생성되고 가공되어야 한다.
이는 수집된 데이터 기반의 모니터링을 통한 차세대 스마트도시 시설물의 스마트 유지관리를 가능하게 한다. 또한, 빅 데이터 분석은 차세대 스마트도시 시설물의 설계 최적화 기술로 활용될 수 있다. 이러한 빅 데이터 플랫폼으로 기능하기 위해서는 지식정보 혹은 데이터가 도시 또는 기존 플랫폼과 상호 운용 성이 보장되는 프로토콜을 기반으로 생성되고 가공되어야 할 필요성이 있다.
이를 바탕으로 도시 자체의 디지털 트윈을 구현할 수 있다. 또한, 시설물이 건설된 후 시설물에서 발생하는 정보를 기반으로 시설물이 도시에 미치는 영향력 분석이 가능하며 시설물의 개선을 통해 차후 유지·보수 단계에서 활용 가능한 데이터를 도출할 수 있다. 비-물리적인 플랫폼인 정보 플랫폼은 도로 시설물과 도시 모니터링 역할이 가능한 빅 데이터 플랫폼으로도 발전될 수 있다.
이를 통해 본 연구에서 제안한 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 실현 및 실효성에 대한 검증을 진행할 필요가 있다.
채택하였다. 첫째, 본 연구에서 다루는 내용과 배경, 개념에 대한 사전 정의를 진행하기 위한 관련 선행연구를 고찰한다. 특히, 도시시설물뿐만 아니라 본 연구에서 다루는 다학제적 개념들을 광범위하게 살펴본다.
1과 같다. 첫째, 현재 스마트시티뿐만 아니라 다양한 개념들과 배경이 짧은 간격으로 등장하며 소개되고 있기에, 본 연구에서 다루는 내용에 대한 사전 정의가 필요하다. 둘째, 도출한 차세대 스마트도시 시설물의 정의를 바탕으로, 스마트시티에서 플랫폼으로 활용될 수 있는 차세대 스마트도시 시설물의 플랫폼 정의에 대한 정의를 제안한다.
추후 연구에서는 본 연구에서 제시한 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 부분 적용을 통해 설정되는 여러 종류의 도시시설물의 특성에 맞는 데이터 플로우의 가이드라인 작성이 필요하다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 차세대 스마트도시 시설물의 디지털 체인의 실현 및 실효성에 대한 검증을 진행할 필요가 있다.
그러나, 고부가가치 산업으로서의 스마트도시 시설물에 관한 연구는 관련된 여러 분야의 다(多)학제적 연구가 필수 불가결함에도 여러 관점의 스마트시티와 스마트도시 시설물의 개념들이 혼재되어 있어 비롯되는 혼란이 존재하고 있다. 특히, 각 학제 간 협업의 경우 기준과 개념의 차이로 발생하는 문제가 증가함에 따라 스마트시티에 적용되는 스마트도시 시설물에 관한 연구의 통합이 요구되고 있으므로 시설, 지역, 종류별로 스마트도시 시설물 기준에 대한 연구가 진행될 필요가 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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