보고서 정보
주관연구기관 |
한남대학교 Hannam University |
연구책임자 |
이승엽
|
보고서유형 | 단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2024-03 |
과제시작연도 |
2023 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
연구관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO202400005924 |
과제고유번호 |
1711182906 |
사업명 |
개인기초연구(과기정통부) |
DB 구축일자 |
2024-09-02
|
키워드 |
상수도관망.수리해석 모형.디지털트윈.인공지능.시설물 노후.Water distribution System.Hydraulic Analysis Model.Digital Twin.Artificial Intelligence.Aging Infrastructure.
|
초록
▼
□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 목표는 실용화가 가능한 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 원천기술을 개발하는 것이다. 구체적으로 (1) 수리 상태 모의 정확도 향상을 위한 인공지능 기반 네트워크 디지털트윈 플랫폼 개발, (2) 검·보정된 입력 변수 기반 상수도 네트워크 구성요소의 노후도 추정방법론 구축, (3) 지속 가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 알고리즘 제안이 본 연구의 핵심성과이다. 이를 위해 1차년도 연구 목표는 상수도 네트워크 상태 추정 및 시각화를 위한 인공지능 기반 상수
□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 목표는 실용화가 가능한 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 원천기술을 개발하는 것이다. 구체적으로 (1) 수리 상태 모의 정확도 향상을 위한 인공지능 기반 네트워크 디지털트윈 플랫폼 개발, (2) 검·보정된 입력 변수 기반 상수도 네트워크 구성요소의 노후도 추정방법론 구축, (3) 지속 가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 알고리즘 제안이 본 연구의 핵심성과이다. 이를 위해 1차년도 연구 목표는 상수도 네트워크 상태 추정 및 시각화를 위한 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 적용성을 분석하는 것이다. 2차년도에는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구현 방안 및 네트워크 모형 입력변수 검․보정 후 구성요소별 노후도 추정 방법론을 구축한다. 3차년도 연구 목표는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 기반 구축 및 시뮬레이션 분석하는 것이다. 4차년도에서는 지속가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 방법론을 개발하여 개발한 디지털트윈 플랫폼의 구축과 사용 예시를 제공하고자 한다. 마지막으로 5차년도의 연구 목표는 개발 네트워크 디지털트윈 플랫폼을 테스트베드에 적용 후 고도화 연구를 진행하는 것이다.
○ 전체 내용
1차년도는 아이디어 개발단계로, 문헌 조사 및 사례 분석을 통해 인공지능 상수도 네트워크 모형 입력변수와 네트워크 상태를 실시간 추정하는 방법론 조사와 해당 방법론의 디지털트윈 플랫폼 구현 가능성을 검토한다. 최적화, 베이지안 추론, 기계학습 기반 등 기존 제시된 네트워크 모형 검·보정 방법을 조사하고 장단점을 파악한다. 또한, 타 사회기반시설 실시간 상태 예측을 위한 인공지능 기반 디지털트윈 적용 사례와 구조물 건전성 모니터링(System Health Monitoring)을 통한 구조적 상태 예측 사례를 조사한다. 마지막으로 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼의 적용 방안 및 타당성을 검토하고, 이를 통해 디지털트윈 플랫폼에 네트워크 검·보정과 네트워크 상태 모의 모형 적용 방안을 도출한다.
2차년도에는 방법론을 구축한다. 구성요소별 노후도 추정 방법론과 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구축안을 수립한다. 이 때, 실시간으로 수집되는 SCADA의 데이터를 훈련하기 적합한 인공지능 모델을 결정해야하고, 실시간 훈련 데이터 기반 각 입력변수를 추정할 수 있는 알고리즘 개발계획을 수립을 같이 진행한다. 네트워크모형 검․보정으로 결정된 구성요소별 입력변수에 따른 노후도 정의 방법론을 구축할 계획이다. 최종적으로 인공지능과 네트워크모형 검․보정 모형, 디지털트윈의 연계 방안을 검토하여 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구축안을 수립할 예정이다.
3차년도에는 디지털트윈 플랫폼 구축을 위한 요소 기술들을 구현하고, 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 기반을 구축한다. 검·보정 모형의 경우 입력변수는 확률분포 형태로 가정하고, 인공지능 모델이 확률분포의 평균과 표준편차를 실시간 학습데이터 기반으로 결정한다. 이때 평균은 입력변수로, 표준편차는 입력변수의 신뢰도로 활용할 예정이며, 이를 토대로 디지털트윈 플랫폼의 주요 요소 기술을 수립할 예정이다.
4차년도는 플랫폼의 구축과 활용 예시를 제공한다. 본 연구에서는 지속가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위를 결정하는 것을 예시로 제공한다. 상수도 네트워크의 지속가능성 지표는 Triple Top Line(TTL) 방법론 기반으로 제안하고, 지속가능성을 극대화할 수 있는 구성요소를 결정하는 알고리즘을 개발한다. TTL 방법론은 경제, 환경, 사회적 편익을 고려한 지속가능성 정량화 방법이다.
마지막 5차년도에는 플랫폼을 현장 검증한다. 본 연구의 목표는 실용화가 가능한 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 원천기술을 개발하는 것이기에, 테스트베드 적용 및 검증을 통한 고도화를 수행하며 필요시 수정모형을 개발할 예정이다.
○ 1단계
● 연구 목표
1단계의 연구목표는 상수도 디지털트윈 플랫폼 개발 개발을 위한 요소 기술을 확립하는 것이다. 요소기술은 상수도 네트워크 구성요소의 상태 추정 기술, 플랫폼 연계를 위한 정밀한 수리해석 모형의 구현, 인공지능을 연계한 수리해석 모형의 고도화로 구분할 수 있다. 이와 같은 요소기술들을 개별로 개발하여 다음 단계에서의 플랫폼 구현을 위한 기반을 마련한다. 연차별 목표로, 1차년도는 상수도 네트워크 상태 추정 및 시각화를 위한 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 적용성을 검토한다. 2차년도에는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구현 방안 및 네트워크모형 입력변수 검·보정 후 구성요소별 노후도 추정 방법론을 구축한다. 3차년도 연구 목표는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구축 및 시뮬레이션 분석힌다.
● 연구 내용
1단계 연구는 총 3개 차년도로 구성된다. 먼저 1차년도에는 상수도 네트워크 상태 추정 및 시각화를 위한 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 적용성 검토를 수행한다. 이를 위해 기존 상수도 네트워크 상태(노후도와 같은 구조적 상태, 수리 상태(Hydraulic State), 등)와 네트워크모형 입력변수 추정 방법 및 사례 분석을 수행한다. 또한, 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 적용 방안 및 타당성 검토하여 향후 디지털트윈 플랫폼 도입을 위한 요구사항을 파악한다.
2차년도에는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 구현 방안 및 네트워크모형 입력변수 검․보정 후 구성요소별 노후도 추정 방법론을 구축한다. 이를 위해 상수도 네트워크모형 입력변수 검·보정 결과 바탕 구성요소별 노후도 추정 방법론울 개발한다. 이는 다시 자산관리라고 하는 체계로 확대되어 기존 상수도 네트워크의 자산관리를 위한 방향성 수립에 활용한다. 또한, SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템, 인공지능, 상수도 네트워크모형, 디지털트윈 플랫폼 연계 방법론 개발하여 향후 플랫폼이 개발하여 도입될 때 실시간 운영 자료에 대한 활용이 가능하도록 한다. 추가로, 검․보정된 모형의 활용도를 극대화하기 위해 비정상상황 지역화 및 대응전략 수립에 대한 내용을 탐색한다.
마지막 3차년도에는 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 기반 구축 및 시뮬레이션 분석을 목표로 한다. 이를 위해 인공지능 기반 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼을 구축을 위한 이미지 해석기법의 기반을 마련한다. 또한, 검·보정 정확도를 위한 중요(Critical) 센서 파악 및 정확도 향상을 위한 센서 추가 위치를 결정하는 알고리즘을 제시한다. 추가로 플랫폼을 활용할 수 있는 비정상 상황 대응 전략 수립에 활용 예시를 제공한다.
○ 2단계
● 연구 목표
2단계의 연구목표는 최종 디지털트윈 플랫폼의 구현 및 고도화이다. 앞서 1단계에서 디지털트윈 플랫폼 구현을 위한 요소 기술들이 개발되었으며, 이들 요소 기술을 연계하여 디지털트윈 플랫폼 구현하는 것이 목표이다. 연차별 목표로는, 4차년도에서는 지속가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 방법론을 개발하여 개발한 디자인트윈 플랫폼의 실제 사용 예시를 제공하고자 한다. 마지막으로 5차년도의 연구목표는 개발 네트워크 디지털트윈 플랫폼을 테스트 베드에 적용해보고 평가 후 고도화 연구를 진행하는 것이다.
● 연구 내용
2단계 연구는 총 2개 차년도로 구성된다. 우선 4차 년도에는 지속가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 방법론 개발하는 것이 주요 연구 내용이다. 세부적으로는 상수도 네트워크 지속가능성 정량화 방법을 제시하고 이를 모듈화하여 구축하는 것이 해당한다. 또한, 자산관리 체계 하에서 구성요소 노후 및 교체 시 지속가능성 증감에 따른 교체 우선순위 결정 알고리즘을 구현하는 것이 주요 연구 내용으로 포함된다. 마지막으로 이를 토대로 다양한 비정상 상황을 모의할 수 있는 방안과 해당 비정상 상황에서의 대응 방안을 제시할 수 있는 알고리즘도 탑재하여, 실질적인 활용도를 높일 수 있도록 한다.
마지막 5차 년도의 경우 개발된 네트워크 디지털트윈 플랫폼을 실제 테스트베드에 적용하고 이를 고도화하는 것이 주요 연구내용이다. 우선 인공지능 기반 네트워크 디지털트윈 플랫폼 테스트베드를 선정해야 하는데, 가장 이상적으로는 실제 관망도와 실시간 운영 데이터를 확보하는 것이 중요하다. 다만, 보안 등의 이유로 이를 확보하지 못할 경우, 실제 관망에 대한 정보를 활용하되, 데이터는 가상 데이터를 생산하여 사용하는 것으로 한다. 다음으로, 인공지능 기반 네트워크 디지털트윈 플랫폼 고도화 및 개선 방안 연구의 경우, 이러한 데이터를 토대로 운영할 때 플랫폼 상에서 추가로 연구가 필요하거나 수정이 되어야 하는 항목에 대해서 trouble-shooting을 하는 과정이다. 해당 과정을 통해서 완성도 높은 디지털트윈 플랫폼을 구현하는 것이 최종 연구 내용이다.
□ 연구성과
본 연구의 목표는 실용화를 위한 상수도 네트워크 디지털트윈 플랫폼 원천기술을 개발하는 것이다.
정성적으로는, (1) 수리상태 모의 정확도 향상을 위한 인공지능 기반 네트워크 디지털트윈 플랫폼 개발, (2) 검․보정된 입력변수 기반 상수도 네트워크 구성요소의 노후도 추정 방법론 구축, (3) 지속가능성 극대화를 위한 노후 구성요소 교체 우선순위 결정 알고리즘 제안이 본 연구의 핵심 연구성과임.
정량적으로는, SCI(E)급 Q1 논문 3편에 각각 게재 및 투고할 예정임.
□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
(1) 스마트 워터 시장 규모가 전 세계적으로 연평균 29%에 육박하는 높은 성장률을 나타내고 있으며, 이에 따라 네트워크모형의 중요도는 높아질 것이다. 본 연구의 성과로 독자적인 원천기술의 확보로 향후 스마트 워터 관련 연구에서 기술적 우위를 점할 수 있을 것이다.
(2) 국내 상수도 네트워크의 노후 관리에 관한 관심 및 필요가 커졌고, 본 연구에서 제안하는 방법론과 같이 효율적으로 노후관을 정비할 수 있는 방법론이 필요하다.
(3) 대부분 수리해석 기반 연구는 정밀하게 검·보정된 네트워크모형을 필요로 한다. 정확한 구성요소별 노후도 검증 및 검·보정된 네트워크모형은 향후 수리해석 기반의 다양한 연구에서 수요가 매우 높을 것으로 기대하며, 해당 연구를 활용한 다양한 파생 연구들로 인한 부가가치 창출도 예상된다.
(4) 구조적 특성은 비교적 단시간에 큰 폭으로 바뀌지 않기에, 검․보정된 입력변수 값이 단시간에 큰 폭으로 변동하는 것은 해당 구성요소의 누수 및 파손과 같은 구조적 결함의 신호로 간주할 수 있기에 본 모형은 비상사고 모니터링도 가능할 것으로 기대한다.
(5) 개발한 디지털트윈 플랫폼은 관로 정밀 진단 비용이 소비되지 않으며 동시에 유사한 수준으로 구성요소의 상태를 진단할 수 있다. 또한 관로 진단 시 단수 및 교통 정체 등이 수반되지 않기에 사회적 영향을 최소화 할 수 있다.
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요약문 ... 2
- 목차 ... 6
- 1. 연구과제의 개요 ... 7
- 1) 연구의 목적 ... 7
- 2) 연구의 필요성 ... 7
- 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
- 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
- 1) 연구수행 결과 ... 8
- 2) 목표 달성 수준 ... 13
- 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
- 4) 중요 연구변경 사항 ... 14
- 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 15
- 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
- 6. 다음 단계 연구계획 ... 15
- 1) 연구 목표 및 내용 ... 15
- 2) 연구 추진전략 ... 15
- 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
- 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
- 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 16
- 끝페이지 ... 30
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.