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과제현황 목록

과제기본정보

노후 시설물 진단 및 스마트 안전관리를 위한 장단기억 신경망과 손상검출 신경망 활용 IoT 드론 융합 디지털 트윈 서비스 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 22TBIP-C161921-02
국가과학표준분류 1순위 농림·수산 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 농림·수산 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 과제유형 개발
과제명 노후 시설물 진단 및 스마트 안전관리를 위한 장단기억 신경망과 손상검출 신경망 활용 IoT 드론 융합 디지털 트윈 서비스 개발
주관연구기관 (주) 유인프라웨이
총괄연구 책임자 성명 김종훈
소속 (주) 유인프라웨이 직위 연구소장
기관 대표번호 031-206-8453 FAX 031-624-3407
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 470,000,000 32,000,000 282,000,000 314,000,000 784,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 본 과제는 IoT, 드론, 인공지능, 디지털트윈 기술을 융합하여 노후 시설물 진단과 건설현장 안전관리용으로 이용할 수 있는 고도화된 시스템을 제공하는데 그 목표를 두고 있음. IoT 장비, 디지털 트윈 개발은 ㈜유인프라웨이가 축적한 기술이 활용되고, 드론 제작 및 테스트는 ㈜한국건설방재연구원의 노하우와 경험이 적용됨.

인공지능 관련 기술은 ㈜유인프라웨이가 한국과학기술원(KAIST)로부터 기술이전 받은 특허“데이터 예측 정확도 기반 IoT 단말의 데이터 전송 주기 제어를 위한 IoT 게이트웨이 및 그의 동작 방법(등록번호: 10-2153829)”와 ㈜한국건설방재연구원이 세종대학교 산학협력단으로부터 기술이전 받은 특허“초고해상도 디지털 이미지 생성을 통한 자동화 구조물 손상 검출 시스템 및 그 방법(등록번호: 10-2157610)” 이 적용됨. KAIST 이전기술은 LSTM 신경망을 이용한 IoT 장치의 데이터 전송 주기 제어 기술로 IoT 드론 데이터 수집 모듈 개발에 활용됨. 세종대학교 이전기술은 손상 검출 신경망(SrcNet)을 이용한 균열 이미지 탐색 기술로 디지털 트윈의 시설물 손상 검출 기능 개발에 이용됨.

노드/게이트웨이 기능을 겸용할 수 있는 IoT 장비는 드론에 탑재되어 지상에 설치된 IoT 장비와 무선 네트워크 망을 형성하게 됨. 지상과 공중에 설치된 무선 네트워크 망을 통해 보다 넓은 면적과 다양한 위치에서 데이터 수집이 가능해지고, 데이터 수집이 어려운 음영지역의 최소화라는 효과를 얻을 수 있게 됨. 그리고, IoT 장비에 적용되는 LSTM 신경망은 무선 데이터 전송주기를 지능적으로 제어하여 반복적이고 불필요한 데이터 수집을 최소화할 수 있다는 특징을 가짐. 참고로, 기존 IoT 장비의 경우 단순반복적인 형태로 무선 데이터를 전송하기 때문에 전송 과정에서 데이터가 중복되거나 불필요한 정보를 들어가는 현상이 상당수 발생하고 있는 것이 현실임.

본 과제에서 개발되는 IoT 드론은 영상촬영 작업에 사용되는 기존 드론과 달리 디지털 트윈과 연동이 가능하다는 또 다른 특징을 보유함. 신개발 디지털 트윈은 대용량 데이터를 신속하게 웹 스트리밍(Web Streaming)하는 기술이 이용하여 개발됨. 디지털 트윈에 노후 시설물 또는 건설현장의 3D BIM 모델 파일, 사진측량 3D 현실모델 파일이 업로드된 상태에서 지상 IoT 장비와 IoT 드론이 전송하는 데이터를 신속하게 확인할 수 있는 기능이 제공되고, IoT 드론의 위치와 이동경로를 실시간으로 파악할 수 있는 기능도 사용자에게 제공됨. 또한, 사용자는 지상 IoT 장비와 IoT 드론의 작동을 디지털 트윈 안에서 제어할 수도 있고, 자동알람과 이슈체크 등의 협업기능도 제공됨. 손상 검출 신경망(SrcNet)을 이용한 시설물 손상 검출 기능을 통해 손상 검출 부위 자동마킹, 검색, 변화추적 등의 기능이 제공됨.

개발기술의 신뢰성 확보와 사업화를 위해 IoT 드론의 국립전파연구원 적합성평가 인증(KC 인증)과 디지털 트윈의 TTA 한국정보통신기술협회 Good Software 1등급 인증(GS 인증)을 취득할 예정임. 이와 함께 공공기관 테스트베드에서 공인시험기관 확인 및 검증시험을 통해 객관적인 성능검증 작업을 진행할 계획임.
최종목표 본 과제를 통해 테이터 예측능력 향상과 손상 검출 자동화를 지원하는 인공지능 기술이 적용된 다목적 IoT 드론과 디지털 트윈의 개발을 통한 노후 시설물 진단 및 건설현장 안전관리 서비스의 고도화를 최종 목표로 하여 1단계에서는 다목적 IoT 드론 개발 및 디지털 트윈 개발을 진행하고 2단계에서는 IoT 드론의 국립전파연구원 적합성평가 인증(KC 인증)과 디지털 트윈의 TTA 한국정보통신기술협회 Good Software 1등급 인증(GS 인증)을 취득 하고, 이와 함께 공공기관 테스트베드에서 공인시험기관 확인 및 검증시험을 통해 객관적인 성능검증 작업을 진행하여 개발기술의 신뢰성 확보와 사업화를 목표로 함.
연구내용 및 범위 * 1단계
○ 주관연구기관(유인프라웨이)
1. 인공지능 기능을 이용한 신뢰성 향상 및 데이터 예측
LSTM 신경망 모듈 제작 및 IoT 프로세서의 데이터 송수신
LSTM 신경망을 이용한 IoT 센서 수집 데이터 전송주기 조절
환경조건이 제어된 조건에서 반복실험
2. IoT 드론 운용 기능 향상
드론 탑재용 IoT 무선 통신 모듈 제작 및 센서 모듈 제작 : RGB 카메라, IR 카메라, 온도, 습도, 일산화탄소, 이산화탄소, 미세먼지 센서
드론 탑재, 디지털 트윈 연동용 IoT 게이트웨이 모듈(센서링 노드, 중계기 겸용)
통합 운용 테스트용 지상 IoT 장비 100대, 드론 탑재 IoT 5대
3. 디지털 트윈과 IoT 드론 융합 기능
IoT 드론 등록, 관리, 이동 경로 추적
디지털 트윈에서 멀티 IoT 드론 확인, 데이터 송수신 및 드론 탑재 IoT 게이트웨이의 제어
4. 시설물 진단, 현장 안전관리용 디지털 트윈 서비스 기능 구현
IoT 장비 수집 데이터 변화에 따른 디지털트윈 모델 업데이팅
3D BIM 데이터, 대용량 3D 현실모델의 웹스트리밍
WebMap/BIM 데이터/현실모델/IoT 드론 데이터 융합 디지털 컨텍스트
주요 이슈 등록/갱신, 사용자 알람 등의 협업기능
공동기관 개발 시설물 손상 검출 신경망 모듈과 디지털 트윈 연동
미세먼지, 폭염, 화재 등 이상징후 자동 알람, SNS 연계
5. 공신력 확보
IoT 드론 관련 모듈 적합성평가 인증
IoT 드론, 디지털 트윈 운용 관련 KOLAS V&V 시험 및 성적서

○ 공동연구기관(한국건설방재연구원)
1.인공지능 기능을 이용한 손상 검출 정확성 향상
디지털 트윈 연동을 위한 균열 검출용 SrcNet 신경망 모듈
반복적인 현장 테스트 및 학습용 시뮬레이션 데이터를 이용한 검출 정확도
2. IoT 드론 운용 기능 테스트
IoT 장비 탑재를 위한 관련 드론 부품 제작, 드론 본체 5대 제작
IoT 드론 운용 테스트, 환경 센서값 수집 테스트, 균열 촬영
IoT 드론과 지상 IoT 장비 통합 운용
3. 디지털 트윈과 IoT 드론의 융합 기능 테스트 및 피드백
디지털 트윈에서 멀티 IoT 드론 이동경로 확인, 데이터 송수신, 제어
디지털 트윈에서 드론 탑재 IoT 게이트웨이의 제어 반응속도
4. 시설물 진단, 현장 안전관리용 디지털 트윈 서비스
드론 근접 촬영을 통한 사진측량용 고해상도 이미지 확보
사진측량기법을 이용한 디지털 트윈용 고해상도 3D 현실모델
디지털 트윈 웹 스트리밍을 위한 3D 현실모델 보완

* 2단계
○ 주관연구기관(유인프라웨이)
1. IoT 드론 운용 기능 개선
드론 탑재용 IoT 무선 통신 모듈, 센서 모듈
드론 탑재, 디지털 트윈 연동용 IoT 게이트웨이 모듈(센서링 노드, 중계기 기능 강화)
테스트 베드를 위해 기존 통합 운용 시험용 IoT 장비 업그레이드
2.디지털 트윈과 IoT 드론 융합 기능 개선
IoT 드론 등록, 관리, 이동 경로 실시간 추적, 조회
디지털 트윈에서 멀티 IoT 드론 확인, 데이터 송수신, 제어
디지털 트윈에서 드론 탑재 IoT 게이트웨이의 제어
3. 시설물 진단, 현장 안전관리용 디지털 트윈 서비스 개선
IoT 장비 수집 데이터 변화에 따른 디지털트윈 모델 업데이팅
3D BIM 데이터, 대용량 3D 현실모델의 웹스트리밍
WebMap/BIM 데이터/현실모델/IoT 드론 데이터 융합 디지털 컨텍스트
주요 이슈 등록/갱신, 사용자 알람 등의 협업기능 개선
공동기관 개발 시설물 손상 검출 신경망 모듈과 디지털 트윈 연동
미세먼지, 폭염, 화재 등 이상징후 자동 알람, SNS 연계
5. 공신력 확보
디지털 트윈 운용 KOLAS V&V 시험 진행 및 성적서 취득
디지털 트윈 서비스 TTA GS(Good Software) 시험 및 1등급 인증
6. 공공기관 테스트베드 시험(주관-공동 공동)
현장 구축(지상 IoT 장비 설치, 3D 현실모델 제작, IoT 드론 운용) 및 예비 테스트
KOLAS V&V 시험 진행 및 성적서

○ 공동연구기관(한국건설방재연구원)
1. 인공지능 기능을 이용한 손상 검출 정확성 향상
디지털 트윈 연동을 위한 균열 검출용 SrcNet 신경망 모듈
반복적인 현장 테스트 및 학습용 시뮬레이션 데이터를 이용한 검출 정확도
2. IoT 드론 운용 기능 개선 테스트
IoT 장비 탑재를 위한 관련 드론 부품 추가 제작, 기존 제작된 드론 본체 성능 개선
IoT 드론 운용 테스트, 환경 센서값 수집 테스트, 균열 촬영 테스트 데이터
3. 디지털 트윈과 IoT 드론의 융합 기능 현장 테스트
디지털 트윈에서 멀티 IoT 드론 이동경로 확인, 데이터 송수신, 제어
디지털 트윈에서 드론 탑재 IoT 게이트웨이의 제어 반응속도
4. 시설물 진단, 현장 안전관리용 디지털 트윈 서비스 기능 개선
드론 근접 촬영을 통한 사진측량용 고해상도 이미지
사진측량기법을 이용한 디지털 트윈용 고해상도 3D 현실모델 제작
디지털 트윈 웹 스트리밍을 위한 3D 현실모델 보완
5. 공공기관 테스트베드 시험(주관연구기관 공동연구기관 공동)
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 다목적 IoT 드론 개발 및 디지털 트윈 개발을 목표로 함

○ 주관연구기관(유인프라웨이)
1. 인공지능 기능을 이용한 데이터 예측 신뢰성 향상
- LSTM 신경만을 이용한 IoT 드론 데이터 예측 오차 10% 이내, R2 0.85 이상 확보
2. IoT 드론 운용 기능 향상
- IoT 드론용 환경 센서링 기능 구현 : RGB 카메라, IR 카메라, 온도, 습도, 일산화탄소, 이산화탄소, 미세먼지(PM 1.0, PM 2.5, PM 10) 센서(총 7개 센서)
- IoT 드론과 지상 IoT 통합 운용 기능 구현 : 1km2 면적에서 지상 IoT 100대, IoT 드론 5대 통합 운용(디지털 트윈에서 IoT 드론과 지상 IoT 통합 운영 조건)

○ 공동연구기관(한국건설방재연구원)
1. 인공지능 기능을 이용한 손상 검출 정확성 향상
- 디지털 트윈 내장 SrcNet 신경망 모듈 제작의 콘크리트 균열 검출율 92% 이상 확보
2. IoT 드론 운용 기능 테스트
- IoT 장비 탑재용 드론 제작 및 현장 테스트
- IoT 드론과 지상 IoT 통합 운용 테스트 : 1km2 면적에서 지상 IoT 100대, IoT 드론 5대 운용 테스트 (디지털 트윈에서 IoT 드론과 지상 IoT 통합 운영 조건)

다목적 IoT 드론 개발
- 드론 장착용 IoT 무선 통신 모듈 개발(2.4GHz 대역)
- 드론 장착용 IoT 센서링 모듈 개발(영상/열화상/가스 등)
- IoT 드론 수집 데이터 처리용 LSTM 신경망 모듈 개발
- IoT 드론 하드웨어 최적화 및 운용 소프트웨어 개발
- 양방향 제어용 디지털 트윈용 IoT 게이트웨이 개발
- 국립전파연구원 적합성평가 인증취득(KC 인증)
연구성과 기술적 기대성과 IoT 드론과 이와 연동되는 디지털 트윈은 시설물 진단과 안전관리에 보다 체계적인 서비스를 제공할 수 있을 것으로 예상됨. 기존에는 현장을 확인하거나, 사진측량용으로 드론을 사용했기 때문에 다양한 서비스 제공이 어려웠음. 하지만, IoT 드론의 경우 노드 형태로 각종 데이터를 수집하거나, 지상 IoT 장비와 송수신하는 게이트웨이 역할도 할 수 있음. 또한 IoT 드론과 연동되는 디지털 트윈은 직관적인 시설물 진단 정보와 안전관리 정보를 확인할 수 있는 장점을 가지고 있음
사회 경제적 파급효과 ○ 신개발 서비스를 이용할 경우, 서비스 사용자는 드론으로 촬영해서 재구성한 자신만의 3D 현실모델을 자유롭게 업로딩 할 수 있으며, 시간과 장소에 구애받지 않고 웹 스트리밍을 통해 자신의 현실모델을 확인할 수 있게 됨. 또한, 여러 개의 고해상도 현실모델을 Web Map 상에 배치할 수 있으며, 마우스 클릭만으로 신속하게 모델과 모델 사이를 이동할 수 있게 됨. 이러한 기능은 전국에 산재한 다양한 노후 시설물 관리에 편리하게 적용할 수 있음. 다양한 노후 시설물을 드론으로 촬영 후 고해상도 대용량 3D 현실모델로 재구성한 후 신개발 서비스에 업로딩 하면, Web Map 상에서 자연스럽게 현실모델 데이터를 관리할 수 있는 이점을 얻게 됨. 기존에는 드론 사용자가 자신이 촬영한 사진을 개인 PC에서 일일이 찾아보는 불편함을 감수해야 했고, 어렵게 제작한 3D 현실모델도 용량이나 소프트웨어 문제로 웹상에서 확인하기가 매우 불편하였음. 신개발 서비스는 3D 현실모델 제작과 모델 데이터 관리가 필요한 드론 사용자나 기관에 매우 유용한 서비스가 될 것으로 예상함.

○ 3D 현실모델 관리 기능 뿐만 아니라, 신개발 서비스는 디지털 트윈에서 3D 현실모델과 IoT 장비를 매칭시키는 기능을 제공하기 때문에, 정적인 현실모델을 동적인 디지털 컨텍스트로 전환시킬 수 있는 장점이 있음. 전술한 바와 같이 IoT 장비가 증가하면서, 위치파악, 제어 등에 어려움이 발생하지만, 신개발 서비스를 이용하여 3D 현실모델과 IoT 장비를 매칭시켜 놓을 경우, 직관적인 관리가 가능해진다는 큰 효과를 얻을 수 있음.

○ 신개발 서비스는 또한 강력한 협업 기능과 함께 이상징후를 신속하게 통보하는 알람기능도 갖추고 있음. 건설현장 관계자들이 현장에서 발생하는 주요이슈를 웹 상에 등록해놓고, 이에 대해 의견교환을 하면서, 이슈를 관리하는 기능이 제공되며, IoT 장비가 설치되지 않은 위치에 IoT 드론을 이동시켜 주변을 관찰하면서 이상징후가 포착되면 디지털 트윈을 통해 SMS 단체 문자를 보내거나, SNS 계정에 통보하는 기능도 제공됨. 따라서, 신개발 서비스를 이용할 경우 스마트한 안전관리가 가능해진다는 효과를 얻을 수 있음.
활용방안 ○ 본 과제의 성과물은 디지털 트윈 기반 위에서 인공지능, IoT, 드론, 3D 현실모델 관련 기술이 응용되는 혁신적인 서비스(이하 신개발 서비스)임. 경영적인 측면에서 보았을 때, 인공지능, IoT, 드론, 3D 현실모델, 디지털 트윈은 새롭게 등장한 와해성 기술(disruptive technology)로 볼 수 있음. 본 과제에서 개발된 새로운 서비스는 이들 와해성 기술의 총합으로, 기존 와해성 기술의 고객들이 주요 고객이 될 수 있을 것으로 예상됨.

○ 현재 드론의 편리성과 안전성 등 여러 가지 장점 때문에 시설물 진단 분야에서는 드론의 사용이 폭발적으로 증가하고 있는 추세임. 하지만, 사진 촬영용으로 주로 사용하고 있어, 드론 사용자들의 다양한 욕구를 충족시키지 못하고 있는 것도 사실임.

○ 최근에는 드론으로 촬영된 이미지를 사진측량 기법을 이용하여 3D 현실 모델(reality model, textured model)로 재구성한 후, 활용하는 방법이 폭발적인 인기를 끌고 있음. 핀란드 헬싱키와 같이 도시 전체를 3D 현실 모델로 구축하여 다양한 분석에 활용하는 사례도 점점 증가하고 있음.

○ 지난 수년간 IoT 기술의 폭발적인 성장과 발전으로, IoT 기술은 보편화되고 있지만, IoT 장비의 증가와 함께 데이터 수집의 신뢰성이 중요한 이슈로 등장하고 있음. 이러한 이슈의 해결을 위해 인공지능 기술의 사용이 점점 증가하고 있는 상황임. 저전력, 초소형 인공지능 하드웨어의 등장으로 향후 인공지능 기술이 결합된 IoT 장비의 사용이 보편화될 것으로 전망됨.

○ IoT 기술은 보편화 되고, IoT 장비는 지속적으로 증가하고 있지만, IoT 장비의 관리는 여전히 2차원 대쉬보드 형태의 모니터링 시스템에 의존하고 있는 경우가 많음. IoT 장비 수량이 적은 경우에는 위치파악, 제어 등에 어려움이 없지만, 수량이 증가하고, 관리자가 바뀌는 경우 IoT 장비 관리에 큰 어려움이 발생하는 것이 현실임. 이러한 어려움을 해결하기 위해 여러 기업들이 새로운 관리 시스템에 큰 관심을 가지고 있는 상태임.

○ 노후 시설물 진단, 건설현장 안전관리에서도 드론과 IoT 장비의 사용이 증가하고 있지만, 저렴한 비용으로 간편하게 이용할 수 있는 체계적인 통합 서비스가 없는 상황임. 신개발 서비스는 이러한 서비스 공백을 충분히 메꿔줄 수 있을 것으로 전망하고 있음.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 IoT 드론 LSTM 신경망 손상 검출 신경망 디지털 트윈 3D 현실 모델
영문 IoT Drone LSTM neural networks Demage detection Digital Twin 3D Realistic Mesh
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