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과제기본정보

교량의 실시간 거동예측 및 건전도 평가를 위한 인공지능 기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C152286-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 시설물점검 진단기술 적용분야 건설업
2순위 정보 통신 | 정보이론 | 인공지능 실용화대상여부 실용화
3순위 정보 통신 | 소프트웨어 | S W 솔루션 과제유형 응용
과제명 교량의 실시간 거동예측 및 건전도 평가를 위한 인공지능 기술 개발
주관연구기관 연세대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 김문겸
소속 한양대학교 에리카산학협력단 직위 연구원
전화번호 031-400-4965 FAX 031-436-8169
총 연구기간 2019-04-19 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-01-01 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 135,000,000 0 0 0 135,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 - 연구 개요
연구자가 기개발하여 이론적으로 검증된 알고리즘(인공 지능을 활용한 구조물의 실시간 거동예측)을 실제 거더 교량에 적용하여 실험적으로 확인하고 공용중인 거더 교량에 적용할 수 있는 인공지능형 실시간 건전성 평가 시스템 개발하고자 한다. 이를 위하여,

● AI 기법 활용하여 교량의 실시간 거동 예측 기술 검증 위한 실물 실험
● 검증된 AI 기법 활용 교량의 거동 예측 기술을 발전시켜 실제 구조물의 건전성을 평가할 수 있는 알고리즘 개발
● 개발된 AI 기법 활용 시스템을 실제 교량에 적용 및 검증
● 『인공 지능형 실시간 건전성 평가 시스템』의 실용화 가능한 통합 GUI 프로그램 개발
최종목표 - 최종 목표
연구자가 기개발하여 이론적으로 확증된 알고리즘(인공 지능을 활용한 구조물의 실시간 거동예측)을 실제 거더 교량에 적용하고 실험적으로 확인을 거처, 공용중인 거더 교량에 적용할 수 있도록 하는 실시간 건전성 평가 가능한 인공지능형 프로그램 개발

- 세부 목표
1) AI 활용 실제 교량 거동 예측 가능성 실험적 증명
2) 건전성 평가 알고리즘 개발
3) 개발된 알고리즘의 기술시범
4) GUI 기반의 건전성 평가 프로그램 개발
연구내용 및 범위 1) 1차 연도
① 개발 내용 및 범위
- 주관연구기관(연세대학교)
1) 연구개발 내용
-기개발된 AI 활용한 교량의 실시간 거동 예측 방법을 실제 교량(PSC I형 교량,
경간 30m)에 시험 계획 있음 (축방향 변형률 계측, 수직방향 처짐 예측)
-실제 교량 수치 해석
- 정적 하중(트럭하중) 또는 동적 하중을 실제 교량에 재하하여 변위 및 변형률
등을 계측 후, 수치 해석결과와의 비교를 통하여 수치 해석 모델 검증 계획
(해석 모델로부터 획득된 데이터의 신뢰성 확보)
-다양한 차량 하중을 재하한 수치 해석 결과(변형률, 처짐) data를 이용하여 인공
지능(인공 신경망) 학습
-차량하중이 지날 때 계측된 교량의 처짐과 인공 지능이 예측한 처짐과의 비교를
통하여 AI활용한 실제 교량의 실시간 거동 예측 가능성 실험적 증명
2) 연구 범위
-연구 및 실험 대상 교량은 경간 30m, 폭 13m 내외의 일반적인 거더교
-해석에는 교량의 주요 하중인 고정 하중, 차량 이동 하중 고려
-교량에는 결함이 없다고 가정
- 위탁연구기관(에이펙스소프트)
1) 연구개발 내용
-학습된 인공 지능 모델과 인터페이스 가능한 연동 모듈 개발
-실제 계측된 변형률 데이터로부터 거동을 시각적으로 보여주는 시뮬레이션 모듈 개발
2) 연구 범위
-주관기관에서 개발한 알고리즘을 GUI 프로그램에 탑재하는데 필요한 연계모듈,
시각화 모듈 개발
-데이터 변환에 대한 전문지식이 없는 일반 엔지니어가 쉽게 사용하고, 시각적으로 거동을 쉽게 파악할 수 있도록 GUI 개발

2) 2차 연도
① 개발 내용 및 범위
- 주관연구기관(연세대학교)
1) 연구개발 내용
-거더 교량 수치 모델에 결함을 반영하여 수치 해석 수행
-해석 결과로부터 얻을 수 있는 다양한 데이터를 이용하여 AI 학습
(변형률, 변위, 가속도, 속도, 경사도 등)
-AI가 예측한 데이터를 이용하여 교량의 결함 정도, 위치 등 예측 알고리즘 개발
-AI 활용하여 실시간 거동 및 실시간 건전성 평가를 동시에 수행하는 알고리즘 개발
2) 연구 범위
-연구 대상 교량은 경간 30m, 폭 13m 내외의 일반적인 거더교
-건전성은 일정 규모 이상의 결함으로
-결함의 종류는 거시적인 결함으로 제한(강도저하, 표면 결함 등)
- 위탁연구기관(에이펙스소프트)
1) 연구개발 내용
-인공지능 연계 모듈 고도화
- 다양한 계측값과 예측값으로 학습된 인공 지능 모델들과 연동할 수 있도록 멀티인터페이스 구축
(ex) 계측값 : 변형률, 예측값 : 처짐, 가속도 경우,
① 변형률 → 처짐 ② 변형률 → 가속도, 총 2개의 인공 지능 필요)
-시각화 모듈 고도화
- 시뮬레이션 프로그램에서 원하는 계측값과 예측값 모두 확인 할 수 있도록 개발
2) 연구 범위
-원하는 예측값을 시각적으로 파악할 수 있는 프로그램 개발
-대상 교량의 결함의 위치 및 정도를 시각적으로 파악하기 쉽게 GUI 개발

3) 3차 연도
① 개발 내용 및 범위(그림을 이용하여 시스템 구성도, 구조 등을 구체적으로 표현)
- 주관연구기관(연세대학교)
1) 연구개발 내용
-예측된 거동 및 결함 등을 바탕으로 실시간 구조물의 건전도 정량화하는 기법 개발
-최종적으로 개발된 프로그램을 이용하여 구조물에 적용 및 검증
-검증 결과를 바탕으로 오차 및 알고리즘 수정
2) 연구 범위
-시각적으로 확인할 수 있는 거동 및 결함을 바탕으로 구조물의 건전도를 실시간으로 정량화 할 수 있는 수식 또는 알고리즘 개발
-대상 구조물은 문헌 조사 또는 적절한 교량을 모색한다. 적절한 교량을 찾지 못한
경우, 유사한 환경의 실내 실험을 진행한다.
- 위탁연구기관(에이펙스소프트)
1) 연구개발 내용
-인공지능 연계 모듈 고도화
- 구조물의 건전도를 정량화 인공지능 모델을 탑재할 수 있도록 프로그램 개발
-통합 모니터링 시스템 구축
- 구조물의 계측값과 예측값, 통합진단을 동시에 서비스 할 수 있는 통합모니터링 시스템 개발
2) 연구 범위
-통합 프로그램은 전문적인 지식이 없는 사용자가 쉽게 이용할 수 있도록 개발
-거동 및 결함 등의 구조물의 상태 등은 최대한 파악이 쉽도록 시각화
-상용 Bridge Monitoring System에 확장이 유연할 수 있도록 Micro Service 형태의 모니터링 시스템 구축
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ① 개발 목표
- 주관연구기관(연세대학교): AI 활용 실제 거더 교량의 실시간 거동 예측 가능성 검증
- 위탁연구기관(에이펙스소프트): AI와 연동된 거동 예측 GUI 프로그램 개발 		② 개발 내용 및 범위
- 주관연구기관(연세대학교)
1) 연구개발 내용
-기개발된 AI 활용한 교량의 실시간 거동 예측 방법을 실제 교량(PSC I형 교량,
경간 30m)에 시험 계획 있음 (축방향 변형률 계측, 수직방향 처짐 예측)
-실제 교량 수치 해석
- 정적 하중(트럭하중) 또는 동적 하중을 실제 교량에 재하하여 변위 및 변형률
등을 계측 후, 수치 해석결과와의 비교를 통하여 수치 해석 모델 검증 계획
(해석 모델로부터 획득된 데이터의 신뢰성 확보)
-다양한 차량 하중을 재하한 수치 해석 결과(변형률, 처짐) data를 이용하여 인공
지능(인공 신경망) 학습
-차량하중이 지날 때 계측된 교량의 처짐과 인공 지능이 예측한 처짐과의 비교를
통하여 AI활용한 실제 교량의 실시간 거동 예측 가능성 실험적 증명
2) 연구 범위
-연구 및 실험 대상 교량은 경간 30m, 폭 13m 내외의 일반적인 거더교
-해석에는 교량의 주요 하중인 고정 하중, 차량 이동 하중 고려
-교량에는 결함이 없다고 가정

- 위탁연구기관(에이펙스소프트)
1) 연구개발 내용
-학습된 인공 지능 모델과 인터페이스 가능한 연동 모듈 개발
-실제 계측된 변형률 데이터로부터 거동을 시각적으로 보여주는 시뮬레이션 모듈 개발
2) 연구 범위
-주관기관에서 개발한 알고리즘을 GUI 프로그램에 탑재하는데 필요한 연계모듈,
시각화 모듈 개발
-데이터 변환에 대한 전문지식이 없는 일반 엔지니어가 쉽게 사용하고, 시각적으로 거동을 쉽게 파악할 수 있도록 GUI 개발
연구성과 기술적 기대성과 ● 기존의 건전성 시스템은 데이터를 얻는 방법을 개발하는데 주로 초점이 맞춰져 있었다. 이에 반해, 획득한 데이터를 이용하여 구조물의 건전성을 어떻게 평가하는지에 대하여는 조금 미흡한 점이 있었다.
● 본 연구에서는 획득한 데이터를 인공지능을 이용하여 더 의미 있는 데이터로 변환함으로써, 데이터 활용을 극대화 하는 방법을 제안하고자 한다.
● 개발된 인공지능 기술을 활용하게 되면, 센서로부터 받은 데이터를 실시간으로 의미 있는 데이터로 변환할 수가 있다. 의미 있는 데이터란, 실시간으로 구조물의 거동을 시각화하거나 처리하여 구조역학적인 판단이 가능한 데이터를 말한다.
● 예측된 거동 등을 바탕으로, 직관적으로 구조물의 상태를 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 개발한 알고리즘을 이용하여 최종적으로 구조물의 건전성을 실시간 평가할 수 있을 것으로 기대한다.
사회 경제적 파급효과 사회적 측면
● 개발된 연구가 공공 인프라구조물에 적용되면, 시민들 개개인이 소지한 휴대폰 어플리케이션 등을 통하여 이용 중에 있는 인프라구조물의 거동과 건전성 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 따라서, 보다 높은 심리적 안정감을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
● 또한, 구조물의 이상 징후가 발생하였을 때, 휴대폰 알림 등을 실시간으로 알려주면 만약의 상황에 큰 피해를 미리 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

경제적 측면
● 제안한 연구 개발이 이루어지면 건전성 평가를 위하여 설치해야 하는 센서 계측 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 기존 공공 인프라구조물의 건전성 평가는 대부분 오랜 기간 축적된 계측데이터의 변화 양상을 바탕으로 구조물의 건전성을 평가한다. 이러한 기존 방법은 많은 양의 센서를 필요로 하고, 다량의 데이터 중에서는 불필요한 데이터도 내포하고 있다.
● 본 연구는 데이터의 비효율적인 사용을 피하기 위하여, 인공지능을 이용해 구조물의 거동을 파악하기 위하여 필요한 계측데이터의 수와 위치를 최적화하는 방법을 포함한다. 최소의 계측 데이터로, 다양한 형태의 어떤 데이터도 추출할 수 있기 때문에 최소 비용으로 거동을 파악할 수 있다.
● 실시간 건전성 평가로 인하여 적절한 유지·보수 등을 통하여 비용 절감이 기대된다. 일시적인 구조물의 결함 또는 노후화 등으로 인한 영구적인 결함을 실시간으로 파악하여 대형 사고를 미리 예방할 수 있고, 적절한 유지·보수 작업이 이루어짐으로써 구조물의 수명 연장을 기대할 수 있다
활용방안 (1) 개발한 프로그램의 실용화 및 사업화
● 본 연구의 성과를 통하여, AI를 활용하여 교량의 실시간 거동 예측 및 건전도(결함)를 정량적으로 판단할 수 있게 된다.
● 연구 성과를 바탕으로 기존의 건전도 평가 시스템 기술을 가진 업체와의 경쟁을 통하여 사업적인 측면으로도 충분히 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.
● 실제로 연구를 같이 진행한 위탁기관을 포함하여, 건전도 평가 기술을 보유한 업체와의 기술공유를 바탕으로 수년 내에 사업화를 진행할 계획에 있다.

(2) 휴대용 모바일 장비를 이용한 건전성 평가 후속연구
● 본 연구는 교량 및 다양한 구조물에 실제로 계측 장비를 설치하여 계측된 데이터로부터 AI를 활용하여 실시간 거동 예측 및 건전도를 평가하는 것이다.
● 개발된 기술을 설치된 계측 장비가 아닌, 이미 간단한 센서(GPS, 가속도계 등)가 설치된 스마트폰 등에서 계측된 데이터를 이용하여 실시간으로 다양한 구조물의 건전도를 평가할 수 있는 방법에 대한 후속 연구를 진행할 계획에 있다.
● 후속 연구가 성공적으로 진행된다면, 새로운 계측 장비의 설치없이 일상 생활에서 스마트폰 등을 통하여 계측 되는 모든 데이터가 다양한 인프라 구조물의 건전도를 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

(3) 실제현장에 존재하는 다양한 구조물에 적용
● 본 연구에서는 인공지능 알고리즘을 이용하여 소수의 교량에 대하여 시험 및 검증을 수행한다.
● 연구 성과를 바탕으로 다양한 구조물에 대하여 수치 해석 및 실제 현장 실험을 통하여 개발한
알고리즘의 우수성을 확인해 보고자 한다.
● 다양한 구조물에 알고리즘을 적용해 봄으로써 기존의 건전성 평가 방법보다 경제적？기술적 측면에서 보다 나은 경쟁력을 갖을 수 있을 것으로 판단된다.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 인공지능 교량 거동예측 건전성 평가 GUI프로그램 개발
영문 Artificial Intelligence Bridge Behavior prediction Health evaluation Development of GUI program
최종보고서
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