초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
스마트 브리지 Level 3 실현을 위해 장기 운영이 가능한 IoT 센서를 개발하고 도심 내 모든 교량으로 확장될 수 있는 클라우드 시스템 개발
⦁ 세부목표 1) 스마트 브리지 Level 3 실현을 위한 초저전력 IoT 센서개발
⦁ 세부목표 2) 등가 디지털 모델 기반 클라우드 컴퓨팅 및 데이터 관리 체계 개발

◼ 전체 내용
⦁ 지속가능한 스마트 시티를 위해 최근 급격한 교량의 노후도 증가로 인한 성능저하 문제를 해결하기 위한 스마트 브리지 개발이 필요

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
스마트 브리지 Level 3 실현을 위해 장기 운영이 가능한 IoT 센서를 개발하고 도심 내 모든 교량으로 확장될 수 있는 클라우드 시스템 개발
⦁ 세부목표 1) 스마트 브리지 Level 3 실현을 위한 초저전력 IoT 센서개발
⦁ 세부목표 2) 등가 디지털 모델 기반 클라우드 컴퓨팅 및 데이터 관리 체계 개발

◼ 전체 내용
⦁ 지속가능한 스마트 시티를 위해 최근 급격한 교량의 노후도 증가로 인한 성능저하 문제를 해결하기 위한 스마트 브리지 개발이 필요
⦁ 국내의 경우, 소수의 특수 교량은 고가의 센서를 통해 유지관리가 진행되고 있지만, 다수의 일반 교량은 경제적·기술적 한계를 이유로 유인점검만 시행되고 있어 점검주기가 길고 정확한 상태파악에 한계가 있음
⦁ 그러나 최근 고도성장기 이후 급격하게 증가한 교량들의 노후화 문제가 동시에 일어나고 있어(청담1교 등) 더 큰 피해를 예방하고 체계적인 관리를 위해선 진보된 점검방식이 필요
⦁ 이에 다수의 교량에 적용할 수 있는 저비용·고성능의 센서를 개발하고 디지털 트윈, 교량 상태평가 알고리즘과 클라우드를 이용해 경제적이고 체계적인 교량의 유지관리 프레임워크를 제안함
⦁ 본 기관의 주력 연구 분야인 IoT 센서 및 클라우드 관련 연구를 모두 통합·보완하여 스마트 브리지 구현을 성공적으로 이뤄낼 수 있을 것으로 기대됨

◼ 1년차
ㅇ 목표
고해상도 초저전력 멀티 메트릭 IoT 센서 시스템 개발
⦁ 0.2mg 이하의 가속도 노이즈, 1μs 이하의 변형률 DAQ 개발
⦁ LTE-M 통신 인터페이스 하드웨어 및 소프트웨어 제작
⦁ 대기 시 초저전력 (1mA 이하) 운영, 이벤트 발생 시 0.1초(세계 최고) 이내 작동
⦁ 이종데이터 융합을 위한 등가 디지털 엔지니어링 모델 개발
⦁ 등가 디지털 엔지니어링 모델기반 변위 및 등가 강성 측정 기술개발

알고리즘 최적화 및 데이터 관리 서버 구축
⦁ 초저전력 센서 및 상태평가 알고리즘 고도화·최적화 작업
⦁ 데이터 저장을 위한 클라우드 서버 백엔드 설계 및 제작
⦁ 교량용 스키마 제안

ㅇ 내용
고해상도 멀티 메트릭 IoT 센서 시스템 개발
⦁ (고해상도 동적 계측 하드웨어): 3축 가속도, 3채널 변형률을 24bit, 1000Hz급 샘플 주파수로 센싱할 수 있는 고성능 센서 회로 프로토타입 제작
⦁ (교량 현장에 PC가 필요 없는 LTE 통신 지원 시스템 개발): 저전력 LTE-M 통신을 지원하는 LTE-M 인터페이스를 개발해 베이스 스테이션이 필요 없는 자립형 센서개발
⦁ (자동 오류 감지 및 복구 알고리즘): 현장 계측 시 발생 가능한 여러 오류(전력 부족, 통신실패 등)를 자가진단하고 스스로 해결하는 알고리즘을 탑재해 센서가 일부 장애로 멈추지 않고 지속 운영되도록 개발
⦁ (등가 디지털 엔지니어링 모델): 이종데이터를 융합하여 산출한 변위 및 등가 강성을 기반으로 현실 교량의 트윈을 디지털 공간상에 구현하는 기술개발 및 검증. 실시간 연동을 통해 실시간 변위 및 등가 강성이 판단 가능

알고리즘 최적화 및 데이터 관리 서버 구축
⦁ (센서 보드 성능 최적화): 개발한 IoT 센서가 장기간 작동이 가능하도록 최적화하고 소비, 대기, 충전전류량을 확인
⦁ (클라우드 서버): 교량의 계측데이터를 추출하고 서버에 저장하기 위한 기본 백엔드 서버 시스템 제작
⦁ (데이터 스키마): 교량 기본정보와 교량별 계측데이터가 클라우드에서 체계적으로 관리될 수 있도록 데이터 스키마(DB Schema) 정의

◼ 2년차
ㅇ 목표
클라우드 컴퓨팅 알고리즘 고도화
⦁ 딥러닝 기반 고유진동수·충격계수 분석 기술개발
⦁ 등가 디지털 엔지니어링 모델의 경량화, 최적화 및 실시간 모델 업데이팅 기술개발

디지털 트윈을 이용한 웹/앱 서비스 및 최종 성능평가
⦁ 등가 모델 및 계측·분석 데이터가 웹/앱으로 연동되어 BIM을 통해 3D 시각화 서비스를 제공할 수 있는 실무자 중심 서비스 개발
⦁ 센서 패키징 및 KC 인증
⦁ 테스트베드를 통한 성능검증

ㅇ 내용
클라우드 컴퓨팅 알고리즘 고도화
⦁ (딥러닝 기반 데이터 상태 처리 기술): 계측된 이종데이터를 통해 자동으로 고유 진동수 및 충격계수를 산정할 수 있는 딥러닝 알고리즘 개발
⦁ (등가 디지털 엔지니어링 모델 통합): 모델 경량화·최적화를 통해 Flask와 연동하여 실시간 업데이트 및 등가 강성·변위 자동 추정기법 개발

디지털 트윈을 이용한 웹/앱 서비스 및 최종 성능평가
⦁ (웹 애플리케이션·웹 대시보드): 교량별 데이터 확인과 센서제어가 가능한 앱/웹을 개발해 실무자가 스마트폰 하나로 수많은 교량과 교량별 데이터를 상시점검할 수 있도록 도모. BIM 연동을 통한 3D 시각화 서비스 제공
⦁ (인증 평가): 공인기관을 통해 개발된 센서를 인증받고 상용화를 대비한 센서 시제품 제작
⦁ (현장 검증): 남양주에 위치한 팔당 육교에서 개발한 통합 프레임워크를 장기간 적용하고 현장 적용성 여부 평가

□ 연구개발성과
연구개발 성과
⦁ 초저전력 LTE-M 기반 다물리량 계측 IoT 센서 시스템 (KC 인증)
⦁ 딥러닝 기반 고유진동수·충격계수 자동 추출 알고리즘
⦁ 디지털 트윈 3.0 수준의 등가 디지털 엔지니어링 모델과의 실시간 연동
⦁ 교량 데이터 관리 및 3D 시각화를 위한 스마트폰 애플리케이션 및 웹 대시보드

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
연구개발성과 활용방안 및 기대효과
⦁ 타 한국판 뉴딜 사업에 활용: 디지털 SOC 사업의 일환인 디지털 항만, 디지털 상하수도, 스마트 건물 등 다양한 뉴딜 사업에 활용할 수 있음
⦁ 데이터 댐 구축 및 딥러닝 활용: 교량의 가속도, 변형률 및 변위 데이터를 지속적으로 수집할 수 있어 데이터댐 구축을 통해 차후 구조물 모니터링에 있어 매우 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대됨
⦁ 지속적인 센서 교체 및 유지관리가 용이: 오픈소스 하드웨어를 기반으로 개발하여 향후 업그레이드 시 신속하게 센서의 교체 및 펌웨어 업그레이드가 가능
⦁ 세계적인 일반 교량 모니터링 표준 구축: 아직 세계적으로 선점되지 않은 일반 교량의 모니터링을 위한 데이터 표준을 구축하여 새로운 시장을 개척할 것으로 기대됨

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 7
• 2) 연구개발과제의 연차별 목표 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행내용 ... 9
• 2.1. 1차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 9
• 2.2. 2차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 16
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 32
• 1) 연구수행 결과 ... 32
• 2) 목표 달성 수준 ... 49
• 4. 연구개발성과 및 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 50
• 5. 연구개발성과 관리 및 활용 계획 ... 51
• 1) 연구성과 총괄 ... 54
• 2) 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 59
• 끝페이지 ... 66