[논문]지하공동구 디지털 트윈 체계 및 요구기능 설계에 관한 연구

정민우; 이희석; 신동빈

doi:10.5392/jkca.2021.21.07.248

지하공동구 디지털 트윈 체계 및 요구기능 설계에 관한 연구
A Study on the Design of Digital Twin System and Required Function for Underground Lifelines 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.21 no.7, 2021년, pp.248 - 258

정민우 (안양대학교 도시정보공학과) , 이희석 (안양대학교 도시정보공학과) , 신동빈 (안양대학교 도시정보공학과)

초록
AI-Helper

지하공동구의 도시 생명선 기능유지를 위해서는 24시간 모니터링을 수행해야 하며 부족한 인력을 대체하기 위한 기술개발이 필요하다. 일반적인 관리방법으로는 지하 공간 특성을 반영하기 어려워 본 연구에서는 지하공동구를 대상으로 공간정보 기반의 디지털 트윈 시스템 요구사항을 도출하였다. 물리적 공간과 가상공간으로 구분하였으며, 물리적 공간은 멀티모달 영상센서 체계 구축의 기반이 되는 센서의 종류와 배치도를, 가상공간은 지하공동구에 대한 시스템 아키텍처를 구성하였다. 그리고 업무에 따른 시스템 기능을 제시하였다. 지하공동구 디지털 트윈을 통해 재난을 예방하고, 조기에 대응하여 도시 생명선의 기능유지에 효과적일 것으로 예상한다.

Abstract ▼ AI-Helper

24-hour monitoring is required to maintain the city's lifeline function in the underground facility for public utilities. And it is necessary to develop technology to exchange the shortage of human resources. It is difficult to reflect the specificity of underground space management in general management methods. This study proposes underground facility for public utilities digital twin system requirements. The concept of space is divided into physical space and virtual space, and the physical space constitutes the type and layout of the sensor that is the basis for the construction of the multimodal image sensor system, and the virtual space constitutes the system architecture. It also suggested system functions according to the task. It will be effective in preventing disasters and maintaining the lifeline function of the city through the digital twins.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 지하공동구의 모니터링을 위해 물리적 공간의 환경을 멀티모달 영상센서 기반으로 수집하여 디지털 트윈 환경을 구현하고 현실과 가상공간을 연결하여 효과적으로 지하공동구 관리업무에 활용할 수 있는 디지털 트윈 체계를 제시하였다.
본 연구에서는 지하공동구의 특성을 반영한 디지털 트윈 구축 방안을 제시하였다. 지하공동구 업무담당자를 대상으로 인터뷰를 진행하여 방향성을 도출하였으며, 지하공동구 디지털 트윈은 현실 물리적 공간에 배치되는 센서와 가상공간을 구현하는 시스템으로 구분하였다.
이러한 배경에서 본 연구는 지하공동구의 디지털 트윈시스템 요구사항 및 기능 도출이 목적이다. 이를 위해 지하 공동구 특성을 고려하여 디지털 트윈 체계에 대한 방향성을 정립한다.

제안 방법

물리적 공간은 시설물 관리업무를 일부 대체할 수 있도록 멀티모달 영상센서 체계 구축의 기반이 되는 센서의 종류와 배치도를 구성하였다. 가상공간에서 지하 공동구에 대한 공간정보기반의 효율적인 운영 및 관리, 업무지원을 위한 시스템을 데이터, 분석, 서비스 3 개의 레이어로 디지털 트윈 아키텍처로 구성하였다. 데이터 레이어는 지하공동구의 효율적인 업무지원을 위해 3차원 공간정보 DB와 센서 DB로 구분하였고, 분석 레이어는 멀티모달 영상센서에서 수집된 데이터를 AI 학습을 통해 이상상황을 추론하는 멀티모달 영상센서 기반의 분석 모듈과 의사결정을 지원을 위한 업무지원시스템으로 구성하였으며, 서비스 레이어는 준 실시간 모니터링과 가시화 서비스로 크게 분류하였다.
이를 위해 지하 공동구 특성을 고려하여 디지털 트윈 체계에 대한 방향성을 정립한다. 그리고 지하공동구와 관련된 업무 관계자를 대상으로 심층 인터뷰를 진행하여 지하공동구 관리의 주요 이슈와 요구사항을 도출한다. 도출된 이슈를 기반으로 지하공동구 디지털 트윈 구축을 위한 물리적 공간과 가상공간 설계 방안을 제시하고, 마지막으로 다양한 이상 상황에 대한 시나리오를 적용하여 지하 공동구 업무지원을 위한 시스템 요구기능을 제시한다.
가상공간에서 지하 공동구에 대한 공간정보기반의 효율적인 운영 및 관리, 업무지원을 위한 시스템을 데이터, 분석, 서비스 3 개의 레이어로 디지털 트윈 아키텍처로 구성하였다. 데이터 레이어는 지하공동구의 효율적인 업무지원을 위해 3차원 공간정보 DB와 센서 DB로 구분하였고, 분석 레이어는 멀티모달 영상센서에서 수집된 데이터를 AI 학습을 통해 이상상황을 추론하는 멀티모달 영상센서 기반의 분석 모듈과 의사결정을 지원을 위한 업무지원시스템으로 구성하였으며, 서비스 레이어는 준 실시간 모니터링과 가시화 서비스로 크게 분류하였다. 마지막으로 지하 공동구 디지털 트윈 요구사항을 관리실 근무자와 현장 근무자로 구분하여 지하공동구 디지털 트윈 기능 요구사항을 제시하였다.
그리고 지하공동구와 관련된 업무 관계자를 대상으로 심층 인터뷰를 진행하여 지하공동구 관리의 주요 이슈와 요구사항을 도출한다. 도출된 이슈를 기반으로 지하공동구 디지털 트윈 구축을 위한 물리적 공간과 가상공간 설계 방안을 제시하고, 마지막으로 다양한 이상 상황에 대한 시나리오를 적용하여 지하 공동구 업무지원을 위한 시스템 요구기능을 제시한다.
지하공동구 디지털 트윈구축을 위해 기본적인 공간정보는 현실 세계와 가상세계를 연결할 수 있도록 더욱 정밀한 데이터로 설계할 필요가 있다. 따라서 디지털 트윈 선행연구에서 모델링에 활용한 CityGML과 BIM IFC 표준을 검토하였다.
데이터 레이어는 지하공동구의 효율적인 업무지원을 위해 3차원 공간정보 DB와 센서 DB로 구분하였고, 분석 레이어는 멀티모달 영상센서에서 수집된 데이터를 AI 학습을 통해 이상상황을 추론하는 멀티모달 영상센서 기반의 분석 모듈과 의사결정을 지원을 위한 업무지원시스템으로 구성하였으며, 서비스 레이어는 준 실시간 모니터링과 가시화 서비스로 크게 분류하였다. 마지막으로 지하 공동구 디지털 트윈 요구사항을 관리실 근무자와 현장 근무자로 구분하여 지하공동구 디지털 트윈 기능 요구사항을 제시하였다. 지하공동구 특징과 업무 요구사항을 고려하여 효율적인 디지털 트윈 시스템 기능을 제시하였으며, 이는 지하공동구 모니터링 및 시설 관리를 위해서 실용적으로 활용할 수 있을 것으로 사료 된다.
본 연구에서는 기존 연구와는 달리 지하공동구의 특수성과 현실세계를 정확하게 반영할 수 있는 디지털 트윈 구축을 위해 우선적으로 물리적 공간을 설계하였다. 현실을 반영하기 위해 [그림 2]와 같이 멀티모달 영상 센서를 설치한 환경을 지하공동구의 디지털 트윈 구현을 위한 물리적 환경으로 제안한다.
학습데이터 구축과정은 멀티모달 영상 데이터의 추출, 정제, 변환 등 전처리 과정을 거치고 데이터 라벨링(data labeling) 과정을 통해 AI 학습 목적에 맞는 적절한 분류기준으로 라벨링 된 데이터(labeled data) 를 적재한다. 앞서 살펴본 요구사항에서 도출된 지하 공동구의 센서를 통해 인지하여 점검하는 항목인 화재, 시설물 파손, 불법 침입, 지진을 기준으로 분류하고 전처리 과정을 거쳐 멀티모달 영상정보를 고품질의 학습데이터를 구축한다. 구축된 학습데이터는 AI 학습 모델을 통해 지하공동구에서 발생할 수 있는 이상 상황에 대해 멀티모달 영상센서 데이터를 통해 분석과정을 수행하여 점검 항목에 대한 관측이 가능하다.
이러한 배경에서 본 연구는 지하공동구의 디지털 트윈시스템 요구사항 및 기능 도출이 목적이다. 이를 위해 지하 공동구 특성을 고려하여 디지털 트윈 체계에 대한 방향성을 정립한다. 그리고 지하공동구와 관련된 업무 관계자를 대상으로 심층 인터뷰를 진행하여 지하공동구 관리의 주요 이슈와 요구사항을 도출한다.
본 연구에서는 지하공동구의 특성을 반영한 디지털 트윈 구축 방안을 제시하였다. 지하공동구 업무담당자를 대상으로 인터뷰를 진행하여 방향성을 도출하였으며, 지하공동구 디지털 트윈은 현실 물리적 공간에 배치되는 센서와 가상공간을 구현하는 시스템으로 구분하였다. 물리적 공간은 시설물 관리업무를 일부 대체할 수 있도록 멀티모달 영상센서 체계 구축의 기반이 되는 센서의 종류와 배치도를 구성하였다.
지하공동구의 유지 및 관리하기 위한 가상공간에서 물리적 공간을 제어하기 위해 센서 DB를 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 5가지 기능으로 [표 3]과 같이 구분하였다.
지하공동구의 특징을 살펴보면 보안 시설이기 때문에 관계자 외에 외부인의 출입을 금지하고 있으며, 이동이 없는 정적인 공간으로 지하공동구의 효율적인 유지관리와 업무지원을 위한 심층 인터뷰를 진행하여 지하 공동구의 관리 측면에서 이슈를 도출하였다.
디지털 트윈과 관련된 연구 현황을 살펴보면 디지털 트윈 구축 시 모델링 측면에서 CityGML과 IFC 등 데이터를 확장하여 구축하는 데 초점이 맞춰져 있다. 하지만 본 연구에서는 디지털 트윈 본연의 기능을 중심으로 현실을 반영하는 가상세계를 구현하기 위해 물리적 세계를 반영하기 위한 물리적 센서 설계를 통해 제시하고자 한다.
본 연구에서는 기존 연구와는 달리 지하공동구의 특수성과 현실세계를 정확하게 반영할 수 있는 디지털 트윈 구축을 위해 우선적으로 물리적 공간을 설계하였다. 현실을 반영하기 위해 [그림 2]와 같이 멀티모달 영상 센서를 설치한 환경을 지하공동구의 디지털 트윈 구현을 위한 물리적 환경으로 제안한다. 멀티모달 영상 센서는 광, 소리, 가스 등의 개별 센서 데이터를 영상 기반으로 융·복합하여, 상황 분석에 대한 확실성을 높이기 위한 센서를 말한다.

대상 데이터

데이터 레이어는 지하공동구의 효율적인 업무지원을 위해 3차원 공간정보 DB와 센서 DB로 구성하였다. 3차원 공간정보 DB는 시설물의 위치와 형상 및 속성을 나타내는 BIM 기반의 3차원 공간정보 DB와 지하 공동구의 시설물 속성정보를 저장 관리하는 시설물 DB, 지상과 지하를 연계하여 입체적인 공간을 분할하는 3차원 격자 DB는 [표 2]와 같이 분류하였다.
인터뷰는 청주시 시설관리공단 환경사업부 공동구 팀 5인을 대상으로 2020년 8월 26일에 공동구 재난관리 DT연구단에서 진행하였다. 인터뷰 주요 내용으로는 관리 및 운영방식, 이벤트 사례, 이벤트 대응 방식, 공동구 문제점 및 개선 요구사항 등이 있다.

성능/효과

지하공동구 업무담당자 요구사항 및 시나리오에 따른 시스템 최소 요구기능을 바탕으로 구성하였으며, 지하 공동구 디지털 트윈 시스템 구축 시 최소 요구사항 활용이 가능하다.

후속연구

본 연구는 초기 단계로 향후 연구에서는 지하 공동구 디지털 트윈 데이터 형태와 IFC 표준을 적용한 디지털 트윈과 실제 현실 정보를 반영하기 위한 센서 정보 등 구성요소에 관한 세부적인 연구, 실제 디지털 트윈 구현 이후 지하공동구 관리에 효과적인지 실질적인 검증과정이 필요하다. 향후 지속적인 연구를 통해 분야별 특성을 고려한 디지털 트윈 구축 방안을 제시하고 타 시스템 및 표준과 연계할 수 있도록 지속적으로 연구한다면 스마트시티 구현에도 이바지할 것으로 기대된다.
마지막으로 지하 공동구 디지털 트윈 요구사항을 관리실 근무자와 현장 근무자로 구분하여 지하공동구 디지털 트윈 기능 요구사항을 제시하였다. 지하공동구 특징과 업무 요구사항을 고려하여 효율적인 디지털 트윈 시스템 기능을 제시하였으며, 이는 지하공동구 모니터링 및 시설 관리를 위해서 실용적으로 활용할 수 있을 것으로 사료 된다.
본 연구는 초기 단계로 향후 연구에서는 지하 공동구 디지털 트윈 데이터 형태와 IFC 표준을 적용한 디지털 트윈과 실제 현실 정보를 반영하기 위한 센서 정보 등 구성요소에 관한 세부적인 연구, 실제 디지털 트윈 구현 이후 지하공동구 관리에 효과적인지 실질적인 검증과정이 필요하다. 향후 지속적인 연구를 통해 분야별 특성을 고려한 디지털 트윈 구축 방안을 제시하고 타 시스템 및 표준과 연계할 수 있도록 지속적으로 연구한다면 스마트시티 구현에도 이바지할 것으로 기대된다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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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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