1. 개요

미시간 공대의 교통연구소(Michigan Tech Transportation Institute, MTTI)와 미시간 공대의 연구소(Michigan Tech Research Institute, MTRI)는 미시간 교통부(Michigan Department of Transportation, MDOT)와 자동차 연구센터(Center for Automotive Research, CAR)와 협력하여 교량 인프라의 상태를 평가하고 모니터링하기 위해서 원격감지 기술(remote sensing technologies)의 사용을 연구해왔음. 이 연구는 교량의 검사, 보수 및 수선 노력의 효율성과 비용 대비 효과성을 개선하기 위한 노력의 일환으로 미국 교통부의 연구 및 혁신기술청(USDOT Research and Innovative Technology Administration)에 의해 대부분 자금을 지원받았음.

원격감지 기술은 구조적 건전성 모니터링에서 실제적으로 사용하기 위해 교량의 상태 평가 데이타를 얻고 통합적인 의사결정 지원 환경의 일환으로 이들을 평가하기 위해 현장의 센서와 전통적인 검사방법과 상관관계가 있음. 전반적인 노력의 일환으로 자동차 연구센터의 연구원들은 교량 상태 평가를 위한 원격감지 기술의 폭넓은 적용과 교량 인프라 관리를 위한 의사결정 지원 시스템(decision support system, DSS)의 비용 대비 효과성의 평가를 수행하였음. 배경 연구, 실험실의 테스트, 현장 검증, 그리고 교량 검사 전문가들과의 인터뷰 후에, 비용 대비 효과적인 시행을 위해 가장 큰 잠재력이 있는 세 가지 기술이 부상하였음: 3차원 광학 교량 평가 시스템(3D Optical Bridge Evaluation System, 3DOBS), 열 적외선 영상(Thermal Infrared Imagery, ThIR), 그리고 초광대역 영상 레이다 시스템(Ultra Wide Band Imaging RADAR System, UWBIRS). 연구자들의 결론에 의하면, 교량 건전성 모니터링를 위한 원격탐지 기술에 대한 투자는 교량 검사의 기술적 성능을 향상시키고 교통기관들에 대한 자원 할당 결정 절차를 개선할 수 있음. 이러한 기술들의 사용은 의사결정 지원 시스템과 결합될 때 특히 혜택이 있을 수 있음.

2. 소개

정기적인 교량 검사(routine bridge inspections)는 교통기관들에 대한 자원 할당 결정 절차의 필수적인 요소임. 그러나 검사 자체는 상당한 양의 노동과 다른 자원을 필요로 함. 대부분의 교량에 대해 국가 교량 검사 기준(National Bridge Inspection Standards, NBIS)은 정기 검사를 24개월마다 실시할 것을 제안함. 정기 검사는 정기적으로 계획된 검사로, 교량의 물리적 및 기능적 상태를 결정하고, 초기 상태나 이전에 기록된 상태에 어떤 변화가 있는지 파악하며, 구조물이 현재의 서비스 요구사항을 계속해서 만족시키는지 확신하는데 필요한 관측과 측정으로 구성됨.

교량의 모니터링과 검사 절차를 개선하는데(고품질의 저비용 검사를 위해) 원격감지 기술의 잠재력을 평가하기 위해, 미시간 공대 교통연구소와 미시간 공대 연구소는 자동차 연구센터와 미시간 교통부와 협력하여 교량 인프라의 상태를 평가하고 모니터링하기 위한 원격감지 기술의 사용을 연구해왔음.

연구팀은 8가지의 원격감지 기술을 배치하고 테스트하였음:

1.  3차원 광학 교량 평가 시스템(3DOBS)
2.  브릿지뷰어 원격 카메라 시스템(BridgeViewer Remote Camera System, BVRCS)
3.  기가팬 스트릿뷰 형태의 사진(GigaPan StreetView-style Photography)
4.  열 적외선 영상(ThIR)
5.  디지탈 이미지 상관(Digital Image Correlation, DIC)
6.  광 탐지 및 거리측정(Light Detection and Ranging, LiDAR)
7.  초광대역 영상 레이다 시스템(UWBIRS): 지반침투 레이다(Ground Penetrating Radar, GPR)의 한 형태
8.  합성 조리개 레이다(Synthetic Aperture Radar, SAR)
 

2.1 기존의 교량 검사 사례

현재 대부분의 검사는 시각에 기반하고 있는데, 시각적 검사의 약점을 지적하며 비파괴 평가(non-destructive evaluation, NDE) 방법이 점차 인기를 얻고 있음. 미시간 주는 연방정부의 요구대로 24개월마다 교량에 대한 정기검사를 수행함. 정기검사 후에, 교량들 중 약 5 ？ 7%는 심도깊은 검사를 위해 선정되고 이는 차선의 폐쇄를 수반함. 전통적인 비파괴 평가의 구조적 건전성 모니터링 기법은 다음을 포함함:

· 변위 측정기(strain gauges)
· 휨 측정계(deflectometers)
· 가속도계(accelerometers)
· 활하중 차량(live load vehicles)
· 해머 사운딩(hammer-sounding)
· 체인 드래깅(chain-dragging)
· 사진(photographs)
 

2.2 현재의 교량검사 기법에 대한 비용 추정

교량검사 비용을 추정하는 것은 복잡한데, 왜냐하면 데이타가 대부분의 경우에 쉽게 가용하지 않기 때문임. 교통 유관기관의 경험이나 예산이 비용 추정을 위한 유일의 실제적 근거임. 대부분의 교통부는 정기 계획검사 비용을 정상적 또는 예방적 유지관리 예산에 포함하는데, 왜냐하면 교량검사는 종종 교통부의 전반적인 고속도로 유지관리, 보수 및 교통운영 프로그램의 일부이기 때문임. 이 연구는 문헌검토와 대면 인터뷰를 통하여 데이타를 수집하였고 현재의 교량검사에 대한 실제적인 기관의 비용 추정치를 구축하였음.

교량검사와 관리 전문가들의 보고에 의하면, 교량검사 비용의 주요 요소는 노동비용임. 대부분의 정기검사에 대해, 두 명으로 구성된 팀은 하루에 4 - 5개의 교량을 검사할 수 있음. 대규모 또는 복합 교량은 더 오랜 시간이 소요됨. 따라서, 정기검사의 비용은 크기, 위치, 교통량 및 건설 타입과 같은 여러 요소들에 근거하여 매우 다양할 수 있음. 비정기적 검사(예를 들어, 세부 검사)는 더 많은 비용이 들 수 있음.

2.3 교량의 세부검사(bridge scoping)

세부검사는 교량이 수선을 필요로 하는지를 결정할 때 수행되는 보다 강력한 교량검사 절차임. 교량의 세부검사에 대한 목적은 다양한 보수 대안을 위한 교량을 평가하고, 가장 경제적인 수선 또는 처리방법을 제안하며, 선정된 대안에 대한 작업의 범위와 비용 추정을 개발하는 것임. 개별 교량의 세부검사에 대한 작업은 두 가지 주요 단계를 포함함: 현장 검토(site review)와 공학 분석(engineering analysis). 미시간 교통부에 의하면, 주 소유의 약 167개 교량이 2010년에 세부검사를 받았고 교량 당 평균 비용은 9,329달러였음.

2.4 원격감지 기술의 혜택

아직 배치되지 않은 원격감지 기술의 경제적 평가는, 실제 사례로부터의 시장 데이타가 제한적이거나 존재하지 않는 환경에서 급속하게 진화하는 기술 또는 제품의 가치를 결정하는 것을 포함함. 게다가 전통적인 교량 검사의 결과 지표들과 원격감지 기술을 사용함으로써 파생된 결과 지표들이 종종 직접적으로 비교 가능하지 않다는 것은 복잡한 문제임. 그러나, 더 폭넓은 기술적 시각으로부터, 원격감지 기술의 사용은 적어도 다음의 혜택을 가질 것임.

· 새로운 데이타: 이 연구에서 테스트된 각 기술은 이전의 정기검사에서는 가용하지 않았던 유용한 데이타를 제공한다는 점에서 고유한 가치를 가지고 있음.
· 향상된 데이타: 검사비용은 일반적으로 교량 투자에 비교할 때 크지 않은데, 왜냐하면 교량의 생애주기 비용에서 4% 이하이기 때문임. 원격감지 기술의 더 큰 가치는 더 효율적인 교량 관리 시스템과 새로운 기술적 능력의 혜택인데, 이는 적시의 문제점 발견을 가능케 하고 차후의 비용 절감 및 더 긴 자산의 수명으로 이어짐.
· 보다 효율적인 교량 세부검사: 현장에서 테스트된 여러 원격감지 기술의 결과 지표들은 교량의 세부검사에서 요구되는 결과와 유사함.
· 안전: 원격감지 기술은 교량 검사인원들이 교통 밖에 있도록 함으로써 커다란 안전 상의 의미를 가지고 있음. 이러한 혜택은 새로운 기술이 차량에 장착되어 고속도로 속도와 비슷한 속도로 이동할 때 최대화될 수 있음.
 

3. 결론

교통 지출의 경제적 효율성을 증가시키기 위한 압력은 데이타 주도의 부재 차원의 교량검사 프로그램과 향상된 교량 관리 시스템(Bridge Management Systems)의 필요성을 만들어냈음. 이는 차례로 향상된 교량 관리 조치(예를 들어, 유지관리, 보존, 수선, 교체 결정)로 이어질 것임. 원격탐지 기술의 사용은 교량의 상태에 정성적이고 정량적인 측정을 제공함으로써 현재의 사례를 논박하는 잠재적 대안을 제공함. 실제적이고 비용 대비 효과적인 제품이 교통기관의 운영에 통합되도록 하기 위해, 이 경제적 평가는 센서기술을 채택하는 한계비용(marginal costs)과 이들이 제공하는 한계향상(marginal enhancements)을 비교함으로써 원격감지 기술의 비용 대비 효과성을 평가하였음.

새로운 원격감지 기술을 배치할지에 대한 결정은 교량 부재의 상태에 대한 새롭고 신뢰성있는 정보를 만들어낼 수 있느냐에 달려있음. 그러나, 원격감지 기술의 혜택은 한번에 여러 기술이나 프리미엄 서비스 팩키지(premium service package)를 배치함으로써 최적화될 수 있음(예를 들어, ThIR, 3DOBS, UWBIRS를 같이 사용하는 것). 연구에서 테스트된 여러 다른 배치 시나리오 하에서, 프리미엄 서비스 팩키지에 대한 평균 비용은 교량 당 약 1,000달러였음( ThIR만 사용했을 때의 평균 비용은 약 480달러, ThIR과 3DOBS를 함께 사용했을 때의 평균 비용은 580달러였음). 자본비용(장비 및 차량)은 10% 이하를 차지하였음. 두 개의 다른 배치 옵션(구매 및 운영 대비 계약 서비스)에 대한 구분점(tipping point)은 72 - 155개의 교량인데, 이는 서비스 옵션에 달려있음. 다시 말해, 이러한 수량 이상의 교량이 검사될 때는 교통기관이 구매하고 운영하는 것이 비용 대비 더 효과적일 수 있음.

원격감지 기술과 배치 절차의 혜택은 교량의 특정 위치, 타입과 교량의 수에 달려있음. 원격감지 기술의 비용 대비 효과성은 기존 교량의 검사(정기검사 및 세부검사)와 성공적인 통합에 상당히 달려있음. 원격감지 기술로부터의 교량상태 데이타와 통합된 의사결정 지원 시스템은 데이타의 접근성을 증가시킬 것이고, 교량 상태의 비교를 더 쉽고 정확하게 만들 것임. 이는 또한 의사결정 및 자원 할당을 도울 것임. 기존의 교통부 검사팀이 원격감지 기술을 사용하는 것에 대한 새로운 기능과 책임을 만족시킬 수 있을 것임. 따라서, 데이타 수집 기법을 표준화하고, 데이타 처리 단계를 단순화하며, 이해당사자들의 지원을 조장하는 보고 절차를 개발하는 것이 중요함.