[논문]블록체인기술을 활용한 토목공사 생애주기 BIM 모델의 신뢰성 확보 방안

이재희; 문현석; 강인석

doi:10.6106/kjcem.2021.22.1.116

[국내논문] 블록체인기술을 활용한 토목공사 생애주기 BIM 모델의 신뢰성 확보 방안
Application of Blockchain Technology to Verify Reliability of Life Cycle BIM Model for Civil Engineering Project 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.22 no.1, 2021년, pp.116 - 124

이재희 (경상대학교 토목공학과) , 문현석 (한국건설기술연구원) , 강인석 (경상대학교 토목공학과)

초록
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건설공사의 설계 및 시공단계에 BIM 모델의 활용성이 증대되면서 유지관리단계의 BIM 활용성 증대도 예상되고 있다. 유지관리단계에는 이미 작업이 완료된 설계 및 시공단계에 생성된 BIM 객체들을 사용하게 되므로, 활용하는 BIM 객체가 설계단계에 제작된 인증 모델인지 신뢰도 검증이 필요하다. 특히 철도시설물과 같이 토목, 건축, 전기, 신호, 궤도 등 다양한 공정과 기관으로 구성된 BIM 활용 프로젝트에서는 BIM 모델의 신뢰도가 더욱 중요도를 갖게 된다. 본 연구에서는 유지관리단계에서 사용하는 BIM 모델의 신뢰도를 확보하기 위한 방안으로 블록체인기술을 사용하는 방법을 제안하고 있으며, 이를 위해 BIM에 블록체인기술을 적용하기 위한 블록의 구조와 상세 프로세스를 구성하였다. 또한 이러한 과정을 실제 시설물의 BIM 모델에 적용하여 블록을 생성함으로써 블록체인 기술이 BIM 모델의 신뢰도 확보를 위한 도구로 사용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the utilization of the BIM model increases in the design and construction stages of a construction project, the utilization of BIM in the maintenance stage can also increase. In the maintenance stage, BIM objects created in the design and construction stages that have already been completed are used. Therefore, it is necessary to verify the reliability of whether the used BIM object is a certified model created in the design stage. In particular, the reliability of the BIM model becomes more important in a project such as railway facilities composed of various construction activities with civil engineering, architecture, electricity, signal, and track work. This study proposes a methodology of using blockchain technology as a way to secure the reliability of the BIM model used in the maintenance phase, and constructs the block structure and detailed process for applying the blockchain technology to BIM. In addition, by applying this process to the BIM model of an actual facility to generate a block, it was confirmed that the blockchain technology can be used as a tool to secure the reliability of the BIM model.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Basic structure of the block
그림 Fig. 2. Block generation process
그림 Fig. 3. Integration process of BIM and blockchain technology
그림 Fig. 4. Structure of block
그림 Fig. 5. Generation process of block and module for integration of BIM model
그림 Fig. 6. Generation of private and public keys for participants
그림 Fig. 7. Generation of transaction and merkle root hash
그림 Fig. 8. Generation of block hash using block information
그림 Fig. 9. Securing the reliability and transparency of BIM model and information
그림 Fig. 10. Hash comparison of original data and modified data
그림 Fig. 11. Verification of BIM model by blockchain in a railway construction project
그림 Fig. 12. Block comparison of BIM model in a railway construction project

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 설계 및 시공단계에 제작된 BIM 모델이 오랜 공사기간동안 재활용된 후 유지관리단계로 전송되는 과정에서 BIM 모델의 신뢰성을 확보하기 위한 방법론으로 BIM 모델에 블록체인기술을 적용하는 프로세스를 제시하고, 실제 BIM 모델을 적용하여 신뢰성 검증 도구로서의 활용 가능성을 파악하고자 한다. 이러한 BIM 모델의 신뢰성 확보는 토목, 건축, 전기, 신호, 궤도 등의 다양한 공정과 관리부처에서 장기간 BIM 모델이 관리되는 철도시설물 프로젝트 등에서 더욱 중요성을 갖게 된다.
본 연구에서는 유지관리단계에서 BIM 모델의 신뢰성 확보를 위한 방안으로 4차 산업혁명 핵심기술 중 하나인 블록체인기술을 사용하는 방법론을 제시하였다.

가설 설정

d) 전파 및 검증 모듈에서는 생성된 블록을 프로젝트 참여자 모두에게 전파하여 검증을 받는다. 발주자가 기획단계에서 프로젝트와 관련된 구체적인 정보를 하나의 블록으로 만들고 이를 설계자, 시공자, 하도급자 등 다른 네트워크 참여자에게 전파한다.
e) 블록 관리 모듈에서는 검증까지 끝난 최종 블록이 저장된다. 유지관리단계에서 사용자는 모듈 내에 저장된 블록을 통해서 업무수행에 필요한 BIM 모델 혹은 BIM 정보를 획득하여 이용할 수 있다.

제안 방법

그다음 BIM과 블록체인기술 연동 상세 프로세스 및 모듈과 이에 적합한 블록 구조형태를 제시한다. 제시된 블록체인기술연동 프로세스 및 모듈을 기반으로 하여 BIM 블록을 생성함으로써 블록체인기술이 유지관리단계 BIM 정보의 신뢰성 제고를 위한 효율적인 도구가 될 수 있는지 분석한다.
이를 통해 건설 프로젝트 진행 과정에서 발생할 수 있는 불완전한 데이터의 생성 혹은 노이즈 등의 추가를 방지할 수 있다. 또한 설계단계에 생성된 철도시설물의 BIM 모델에 적용하여 모델의 신뢰성을 확인하는 과정을 검증해 봄으로써 실무 활용성을 제시하였다.
본 연구를 수행하기 위한 방법은 우선 블록체인기술이 적용된 대표적인 사용예인 비트코인 블록체인을 조사하여 블록체인의 특성, 기본 구조 및 원리, 종류에 대해 분석한다. 그다음 BIM과 블록체인기술 연동 상세 프로세스 및 모듈과 이에 적합한 블록 구조형태를 제시한다.
블록체인기술을 분석하기 위해 대표적 사용예인 비트코인 블록체인을 조사하여 블록의 기본 특성 및 정보, 생성 방법을 파악하고 실제 BIM 모델에 접목하기 위한 블록의 구조, 상세 프로세스를 제시하여 실제 BIM 모델의 블록을 생성하였다.
(Nam, 2018). 이에 따라 본 연구에서는 다수의 건설 프로젝트 참여자들에게 블록 생성권한과 블록 승인권한을 부여할 수 있고, 네트워크 참여자들의 책임감 및 신뢰성, 투명성을 향상 시킬 수 있는 컨소시엄 블록체인 네트워크를 적용한다.
그다음 BIM과 블록체인기술 연동 상세 프로세스 및 모듈과 이에 적합한 블록 구조형태를 제시한다. 제시된 블록체인기술연동 프로세스 및 모듈을 기반으로 하여 BIM 블록을 생성함으로써 블록체인기술이 유지관리단계 BIM 정보의 신뢰성 제고를 위한 효율적인 도구가 될 수 있는지 분석한다.
또한 컨소시엄 블록체인 네트워크 형태를 이용하기 때문에 별도의 채굴과정이 필요하지 않기 때문에 Bits와 임시값을 생략할 수 있어 전력소모와 컴퓨터 연산능력을 필요로 하지 않아 경제적이다. 추가적으로 승인내역에는 블록의 검증을 증명하는 참여자(검증자) 공개키 값과 검증 타임 스탬프를 포함하여 블록의 신뢰성과 투명성을 확보하도록 하였다.

대상 데이터

비트코인 블록체인에서 사용하는 secp256k1 규격의 타원곡선암호화방식의 Python 오픈소스를 사용하였으며, 모델 및 상세 정보의 경우 직접 제작하거나 배포된 라이브러리 등을 사용하였다. 곡선 상 임의의 점들의 합 연산을 통해 프로젝트 참여자(발주자, 설계자, 시공자, 하도급자)들의 공개키 및 개인키를 생성한다.

이론/모형

블록을 전파 받은 검증자들은 블록에 담겨진 도면 혹은 문서 정보에 오류가 있는지 면밀히 검증한 후, 검증자 공개키, 검증 타임스탬프 등의 검증내역을 반영하여 최종 블록이 완성된다. 검증과정에서는 PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance; PBFT) 합의 알고리즘(Castro & Liskov, 2002)을 통해 두 번의 합의 절차를 걸쳐 악의적인 의도를 갖고 블록생성을 거절하는 참여자가 존재하여도 합의를 도출할 수 있는 사용한다.
5>의 a) 네트워크 구성 모듈에서는 건설 프로젝트참여자를 입력하여 BIM 협업관계 및 블록체인 네트워크를 구축하고 블록체인 네트워크 참여 허가 및 신원확인, 인증을 위해 ‘비대칭 암호화 방식(공개키 암호화 방식)’을 이용하여 참여자들의 개인키(Private key) 및 공개키(Public key) 를 생성한다. 기존 비트코인 블록체인기술에서 사용하는 타원곡선 암호화(Elliptic Curve Cryptography)방식을 사용하며, 타원곡선 암호화 표준 문서에 정의된 secp256k1 규격의 타원곡선 함수식과 곡선 상에 있는 임의의 점들의 합 연산을 통해 도출된 결과값을 해시화하여 네트워크 참여자들의 개인 키 및 공개키를 생성하고, 이를 네트워크 구성 모듈에 저장한다. 저장된 참여자들의 개인키 및 공개키 대조를 통해 블록체인 네트워크 참여자의 신원확인, 블록생성권한, 블록 검증 권한, 블록 생성 책임감을 향상시킬 수 있다.
만약 생성하고자 하는 블록이 첫 번째 블록(Genesis 블록) 일경우 이전블록 해시가 존재하지 않기 때문에 값을 갖지 않는다. 본 논문에서는 이전블록 해시가 존재하지 않는다는 의미에서 ‘-’의 해시값을 사용하였다.

성능/효과

BIM에 블록체인 기술을 접목한 BIM 정보 블록은 프로젝트 진행에 따른 시설물의 BIM 모델 요소들이 블록체인 내에 영구적으로 기록되므로, 생애주기별 BIM 모델의 변화 흐름을 보다 체계적이고 정확하게 파악할 수 있다. 특히 <Fig.
b) 트랜잭션 관리 모듈에서는 네트워크 구성 모듈에 의해 개인 키 및 공개키를 부여받아 블록체인 네트워크 참여 자격을 갖추고, 블록생성 권한을 부여받은 참여자가 건설 프로젝트를 수행하며 발생되는 구체적인 프로젝트 내용과 설계안,BIM 모델 도면, 수치정보와 같은 기하학적 정보, 상세 속성 및 구성 재료와 같은 비기하학적인 정보, 관련문서 등의 상세정보 사용자가 입력하거나 BIM 모델의 속성정보를 불러와서 기록한다. 기록된 상세 BIM 정보들은 SHA-256 방식의 해시 알고리즘을 통해 256바이트, 64자리의 고정된 문자열로 반환되어 트랜잭션으로 기록되어 무결성과 신뢰성을 확보하게 된다.
그 결과 개인키, 공개키를 생성하여 건설 프로젝트 및 블록체인 네트워크 참여자들로 하여금 블록의 생성자와 블록 검증자 역할을 할 수 있도록 하여 블록의 생성 및 검증과정에서 신뢰성과 투명성을 한층 더 보장받을 수 있도록 하였다. 또한 원본 BIM 모델 및 정보와 임의 수정된 BIM 모델 및 정보를 사용하여 블록을 생성해 보고, 해시값을 비교해 봄으로써 블록체인 기술이 정보의 변화에 얼마나 민감하고, 얼마나 정확한지 확인할 수 있었다.
블록이 구성된다. 또한 여러 참여자들이 블록을 구성하는 상세정보를 확인하고 검증하기 때문에 생성된 두 블록이 서로 다른 속성정보를 반영하고 있다는 것을 모두가 확인할 수 있다. 이를 통해 사용자는 원하는 전차선 세부정보를 포함한 블록을 사용하여 별도의 검증과정을 거칠 필요 없이 효율적으로 BIM 모델을 활용할 수 있다.
또한 원본 BIM 모델 및 정보와 임의 수정된 BIM 모델 및 정보를 사용하여 블록을 생성해 보고, 해시값을 비교해 봄으로써 블록체인 기술이 정보의 변화에 얼마나 민감하고, 얼마나 정확한지 확인할 수 있었다. 이를 통해 건설 프로젝트 진행 과정에서 발생할 수 있는 불완전한 데이터의 생성 혹은 노이즈 등의 추가를 방지할 수 있다.
블록체인에서는 거래내역에 대한 원장(Ledger)을 기반으로 블록을 생성하여 네트워크 참여자들에게 전파하고, 각 참여자들은 블록을 통해 동일한 거래내역 원장사본을 갖게 된다. 새로운 거래가 발생할 때마다 블록의 생성 및 전파 과정이 반복되며, 이러한 과정에서 블록체인의 특성인 중앙집중식 조직의 권한과 역할이 축소되어 중앙서버 구축 비용을 절감할 수 있고, 손실 데이터 복구가 용이한 탈중앙성(De-centralization), 해시 알고리즘을 통해 생성된 데이터 블록의 무단 수정 및 복제가 불가능한 데이터의 무결성 (Integrity), 네트워크 참여자 모두가 공유함으로써 확보되는 정보의 투명성(Transparency)과 신뢰성(Trustability)을 확보할 수 있다.
3D 모델 상에서 육안으로 구분하기 어려운 수치의 변경이 발생하더라도 해당 정보가 트랜잭션 관리 모듈을 통해 트랜잭션 화 되면 해당 정보의 해시값이 완전히 바뀌게 되고, 결국 전체 머클루트 해시는 물론 전체 블록의 해시값 또한 바뀌게 된다. 수정된 정보를 통해 생성된 블록은 사용자들의 검증을 거쳐야 하며, 사용자들은 해시값을 대조하여 해당 파일이 변경되었다는 것을 쉽게 파악할 수 있다.

후속연구

하지만 두 기술 분야를 구체적이면서 직접적으로 접목한 사례 연구는 드물다. 기존 연구동향에서 블록체인기술 개념 위주의 연구를 제시한 것과는 달리, 본 연구에서는 구체적인 블록체인의 BIM 모델 연동방안 및 블록생성 절차를 제시한 후, 실제 BIM 모델에 블록체인기술을 접목하여 블록을 생성하고 확인함으로써 유지관리단계에 활용되는 BIM 모델의 신뢰성 확보 도구로서 활용성을 검증하고 있다.
사례가 될 수 있다. 또한 방대한 양의 BIM 모델 및 정보를 통해 블록을 생성하고 검증하는 처리의 속도 문제와 저장 및 관리 용량에 대한 기술적인 연구가 필요할 것이다.
본 연구에서 제시한 블록체인 적용 방법론을 건설 프로젝트의 전체 생애주기 과정에 적용한 것이 아닌 설계단계만 적용하여 검증했다는 점과 블록을 생성한 트랜잭션의 범위가 지정되어 있지 않다는 점, 그리고 생성된 블록을 검증하기 위한 체크리스트 등이 부재하다는 한계점이 있다. 특히 블록의 생성과 검증을 위한 트랜잭션 범위, 체크리스트 등의 부재는 과도한 블록의 생성과 이에 따른 블록의 검증 업무의 증가로 오히려 효율을 저하시키기 때문에 정확한 정보의 생성과 마찬가지로 필요한 블록의 생성과 정확한 검증과정이 필요하다.
이러한 BIM 모델과 블록체인의 연동기술은 철도시설물과 같이 이질적인 공정들과 다양한 관리 부처가 포함되는 장기간의 건설 프로젝트에서 생애주기에 발생되는 BIM 모델의 신뢰성을 확인할 수 있으므로 기존 BIM 업무에서 확인할 수 없었던 모델 정보의 검수에 유용한 도구로 활용될 수 있다.
향후 설계자가 부여받은 개인키를 네트워크 구성 모듈에 입력하면, 해당 모듈에서는 저장되어있는 공개키 값들을 대조하여 그에 대응하는 설계자의 공개키를 반환해주며, 이와 같은 방식으로 네트워크 참여자라는 것을 인증할 수 있다. 또한 그 외 참여자들은 출력된 공개키 값을 통해 네크워크구성 모듈에 입력하면 해당 참여자가 해당 프로젝트의 참여자라는 것을 알 수 있고, 설계자라는 것을 확인할 수 있다.
향후 이러한 한계점을 보완하기 위한 블록의 생성 범위, 검증 체크리스트 등의 연구가 진행되어 건설 프로젝트의 기획단계부터 유지관리단계까지 블록체인 기술이 접목된다면 더욱 구체적으로 BIM 활용 업무에 블록체인 기술을 적용하는 사례가 될 수 있다. 또한 방대한 양의 BIM 모델 및 정보를 통해 블록을 생성하고 검증하는 처리의 속도 문제와 저장 및 관리 용량에 대한 기술적인 연구가 필요할 것이다.

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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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