초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
건설현장 작업자 사망사고와 운행선 인접공사 열차탈선으로 인한 시민재해 등 중대 재해 예방을 위한 메시네트워크 기반의 철도 구조물 다차원 형상관리 모니터링 시스템 사업화

◼ 전체 내용
철도 구조물의 다차원 형상관리 모니터링 시스템 구축을 위한 센서 디바이스 최적화 및 인공지능기반의 위험도 예측 인터페이스 개발

◼ 1단계[1차년도]
❏ 목표
○ 메시네트워크 기반의 다기능 센서 디바이스 최적화
○ 메시네트워크 기반의 구조물 형상관리 모니터링

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
건설현장 작업자 사망사고와 운행선 인접공사 열차탈선으로 인한 시민재해 등 중대 재해 예방을 위한 메시네트워크 기반의 철도 구조물 다차원 형상관리 모니터링 시스템 사업화

◼ 전체 내용
철도 구조물의 다차원 형상관리 모니터링 시스템 구축을 위한 센서 디바이스 최적화 및 인공지능기반의 위험도 예측 인터페이스 개발

◼ 1단계[1차년도]
❏ 목표
○ 메시네트워크 기반의 다기능 센서 디바이스 최적화
○ 메시네트워크 기반의 구조물 형상관리 모니터링 플랫폼 서비스 개발
○ 인공지능 기반의 구조물 빅데이터 분석
❏ 내용
○ 메시네트워크 기반의 다기능 센서 디바이스 개발
1) 다기능 센서모듈 개발 및 프로토콜 최적화
- PCB설계, 저전력 회로설계, 펌웨어 설계, 구조물별 하우징 설계
- 장치 제어정보, 장치 상태정보, 센싱 데이터 전송(3축 가속도, 각속도, 자이로, 온도, 모션트랙킹, 압력 등 _ 구조물별 요구 센서 적용)
2) 통신 내 센서모듈의 데이터 수집 및 공용망 통신을 위한 메시네트워크 기술개발
- 특수환경조건 송/수신 장치 개발
- 원거리 블루투스, 유·무선 메시네트워크 기술 적용
○ 데이터 분석기술 개발
1) 데이터 수집·전처리 기술 개발
- RS232C 통신, 무선통신, 데이터 수신, 데이터 저장
- 궤도, 터널 등 구조물별 필요 데이터 전처리
- 궤도분야 필수항목(수평틀림, 고저틀림, 뒤틀림) 수집·분석 및 데이터 전처리
- 터널분야 필수항목(3축 변위, 자이로, 모션트랙킹) 수집·분석 및 데이터 전처리
2) 데이터 분석 기술 개발
- 구조물별 형상관리 알고리즘 개발
- 계측 정밀도 확보 알고리즘 개발
○ 형상관리 모니터링 시스템 사업화 방향 정립
- 형상관리 모니터링 시스템 사용자 의견 도출
- 형상관리 모니터링 시스템 사업화 방향 정립
○ 구조물 형상관리 모니터링을 위한 플랫폼 서비스 개발
- 각 산업 현장 특성을 고려한 구조물 형상 모니터링 항목 정의
- CBD 개발 방법론 기반의 요구사항 분석 및 설계
- 웹 표준 및 접근성을 고려한 UI/UX설계, 반응형 웹 기술 적용
○ 궤도, 터널구간 형상관리 모니터링 시스템 구축기술 개발
○ 철도지하횡단 공법 시공 기준 및 철도보호지구 인접공사 기준 분석
- 현행 국내 철도구조물 계측 관리기준 분석
- 계측 관리기준 분석 결과를 활용한 구조물별 모니터링 항목 선정 및 계측설계
- 철도지하횡단 공법 시공 기준 분석
- 철도보호지구 인접공사 안정지침 기준 분석
○ 지하횡단공법 적용시 철도 구조물 변위 발생 메커니즘 분석
- 철도지하횡단 공법 시공시 변위 발생 메커니즘 분석
- 철도터널 굴착시 내공변위 발생 메커니즘 분석
○ 구조물별 위험인자에 따른 학습데이터 생성을 위한 수치해석
- 철도지하횡단 비개착 공법 적용시 궤도의 거동 분석을 위한 수치해석
- 철도보호지구 인접구간 비개착 공법 적용시 궤도의 거동 분석을 위한 수치해석
- 철도터널 굴착시 주변지반 및 터널의 내공변위 분석을 위한 수치해석

◼ 2단계[2차년도]
❏ 목표
○ 다차원 형상관리 모니터링 시스템 테스트베드 구축 및 운영
○ 철도 구조물 형상관리 모니터링 플랫폼 서비스 구현 및 시험
❏ 내용
○ 궤도, 터널구간 형상관리 모니터링 시스템 테스트베드 구축
○ 테스트베드 운영을 통한 다차원 형상관리 시스템 최적화
- 센서모듈 단일화를 통한 통합 분석환경 구축
- 다차원 형상관리 시스템 운영 매뉴얼 제작
○ 형상관리 모니터링 시스템 테스트베드 운영
○ 철도 구조물 형상관리 모니터링을 위한 플랫폼 서비스 구현 및 시험
- 웹 기반 관리자용 시각화 소프트웨어 개발
- 수집/저장/분석 모듈로 구분한 데이터플랫폼 개발
- 실시간 수집되는 센서 데이터와 이력데이터 전시, 분석정보는 그래프 기반으로 가시화하는 사용자 인터페이스
- 센서 데이터 관리(데이터 전송 주기, 데이터 형태의 변경 등) 및 시스템/사용자 관리 기능
- 설계 결과를 기반으로 모니터링 플랫폼의 데이터베이스, 사용자 인터페이스, 컨포넌트 구현
- 시스템 통합시험 수행
○ 테스트베드 계측 데이터 분석
- 현장 내 센서 디바이스와 관리자 스마트폰 연동
- 센서 데이터 실시간 확인 및 수집데이터 저장
- 센서 데이터 전송주기, 시간, 데이터 형태 변경
- 궤도에서의 계측 결과 및 변위 발생 원인 분석
- 철도터널에서의 내공변위 계측 결과 분석
○ 변수 간 상관도 및 중요도 분석
- 최적 알고리즘 선정
- 궤도 및 철도터널의 변위 발생에 기인하는 인자별 상관도 및 중요도 분석
○ 기계학습을 통한 궤도 및 철도터널 변위 예측 모델 제시
- 철도지하횡단 공법 적용시 궤도의 변위 예측 모델 제시
- 철도보호지구 인접공사시 궤도의 변위 예측 모델 제시
- 철도터널 굴착시 내공변위 예측 모델 제시

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
[연구성과 활용계획]
○ 본 연구에서 개발하는 메시네트워크 기반의 철도 구조물 다차원 형상관리 모니터링 시스템은 수요처(한국철도공사, 국가철도공단)의 요구사항을 만족할 수 있도록 다음 3단계로 최종목표를 달성하여 ‘24년부터 개발 기술의 사업화를 추진하겠음
○ 수요처인 한국철도 및 국가철도공단에서는 철도 신설 및 운행선 인접공사에서 열차운행에 지장을 주는 사고 또는 장애 발생으로 열차지연보상 등 인적·물적 피해가 반복적으로 발생함에 따라 열차안전운행 확보를 위한 열차운행선 공사현장 안전관리에 대한 특별대책을 수립 · 시행하여, 열차 안전운행확보 및 무사고 · 무재해 기여에 많은 노력을 기울이고 있음
○ 특히, 터널 굴착공사, 운행선 하부 횡단, 운행선 인접 굴착 및 성토 구간의 경우에는 터널붕괴, 노반침하, 선로변형을 사전에 감지하여 안전성을 확보하고자 필수적으로 계측을 시행토록 설계에 반영하여 추진중에 있어, 본 개발품은 과제종료 후 시설물 개량 및 4차 국가철도망 구축을 위한 운행선 인접공사에 즉시 적용이 가능함
○ 철도 운행선 인접공사를 추진함에 있어 기존 기술의 시간적인 제약 및 시공비 고가로 사업추진에 어려움을 겪고 있는 실정으로, 본 기술 적용 시 공사기간 단축 및 비용절감, 열차 및 고객의 안전확보가 가능할 것으로 예상되어 코레일 및 국가철도공단에서는 구매의향서를 제출과 본 연구과제에 참여, 연구개발 성공 시 즉시 건설 및 유지보수 사업 설계에 반영하여 본 연구개발 성과를 사업에 반영할 계획임
○ 또한, 국내 도시철도 운영기관, 국외 철도운영기관에 개발기술 적용이 가능함에 따라 사업화 확대를 위해 적극적인 기술홍보 및 설명회를 통해 본 연구개발 성과를 활용할 계획임
○ 아울러, 2023년부터 시행예정인 경부고속철도 오송~평택 복복선 건설 사업 시 운행선에 인접한 건설공사 시 본 연구의 개발품을 현장에 적용함으로써 열차안전운행 확보 및 중대 시민재해를 예방토록 추진할 예정임
[기대효과]
○ 기술적 측면
- 기존 아날로그 센서나 디지털 센서의 측정 데이터 값을 전송 받아 단순한 형태의 디스플레이 내지 가공 후 사용자에게 제공하는 방식에서 실시간으로 센서 모듈에서 전송하는 디지털 데이터를 서버에 저장하고 이를 분석·통계 과정을 거쳐 다양한 형태의 구조물 정보제공이 가능
- 기존 아날로그 센서나 디지털 센서의 측정 데이터 값을 전송 받아 단순한 형태의 디스플레이 내지 가공 후 사용자에게 제공하는 방식에서 실시간으로 센서 모듈에서 전송하는 디지털 데이터를 서버에 저장하고 이를 분석·통계 과정을 거쳐 다양한 형태의 구조물 정보제공이 가능
- 전송받은 센서 데이터를 바탕으로 위험도 분석 알고리즘을 거쳐 위험성 평가 시스템 구축이 가능
- 기술가치 평가서에 따르면 본 개발기술을 활용할 경우 , 메시 네트워크 기술을 적용함으로써 공용 통신회선까지 무선으로 연결이 가능하여 센서모듈 중 하나 이상이 통신 음영지역에 위치한 경우, 메시네트워크 내 다른 센서모듈과의 통신을 통해 스캐너에 센서 데이터를 전송하고 원격통신망을 통해 제어 시스템으로 데이터를 전송이 가능함에 따라서, 경쟁 제품들과 같이 데이터 수집을 위한 유선 연결 및 데이터 전송을 위하여 별도의 전용망 구축이 필요 없으므로 설치비용과 시간 단축이 가능하며 통신 음영지역에 구애받지 않고 센서모듈의 설치가 가능한 것으로 판단함
○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 기존 기술 대비 공사기간 20% 단축, 공사비 20% 절감 가능(야간 4시간, 단선 100m 설치 기준)
- 구조물별 최적화된 다기능 센서모듈 설계로 센서의 설치수량 감소 및 센서 간 단일 케이블 방식 또는 무선방식의 적용으로 시공성 및 경제성을 확보
- 철도건설 및 개량사업, 운행선 인접공사시 즉시 적용 및 실용화로 중소기업 신규 수익 및 고용 창출 기대
○ 사회적 측면
- 실시간 직관적인 다차원 형상관리시스템 기술개발로 위험요인에 대한 선제적인 대응과 신속한 유지보수를 통한 양호한 철도 구조물의 상태 관리가 가능하며, 철도차량 운행의 주행안전성 및 승차감 확보로 철도 이용 고객만족도 향상 가능
- 운행선 인접공사 사고·장애를 최소화하여 열차 안전운행 및 중대 시민재해 예방
- 작업능률 증가 및 작업시간 감소, 첨단 전문기술 분야로의 계측업 인계 인식변화에 기여

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 9
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 10
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 10
• 2) 연구개발과제의 단계별 목표 ... 22
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 28
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 85
• 1) 연구수행 결과 ... 85
• 2) 목표 달성 수준 ... 95
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 97
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 98
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 98
• 1) 연구성과 총괄 ... 98
• 2) 연구개발성과의 향후 년간 5 (활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 102
• 3) 연구개발성과의 추후 계획 ... 108
• 끝페이지 ... 110