- 영상, IoT 및 AI를 이용해 하천수위, 유속 및 유량 등을 실시간 모니터링 자료와 연계하여, 가상공간에서 발생 가능성이 높은 홍수 피해 상황을 예측하여 재난 대응에 활용

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 실시간 영상을 기반으로 홍수 시 하천 모니터링 및 재난에 대응할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

최근 기후변화와 이상홍수 발생으로 인한 하천 내 재난 피해가 증가하고 있다. 지난 몇 년간 전국을 휩쓴 폭우로 인해 호남지방과 중부내륙에서 많은 피해가 발생하였으며, 대부분의 경우 하천 제방의 월류도 함께 발생하였다. 이에 따른 인명피해 증가 등 잠재적 피해요인이 커지고 있다. 하천 홍수범람은 인명 및 재산에 대한 직접적인 피해가 발생할 뿐만 아니라 하천환경 및 수생태계 변화에도 복합적으로 영향을 미치게 된다. 그러나 기존의 하천재난 대응은 상류 댐 방류 시 알림 기능이나 홍수 발생 시 관계자가 직접 하천에서 통제를 하는 수준이다. 소하천이나 도시에서 벗어난 지역은 이조차도 어려운 실정이다. 따라서 하천 주변 지역에서의 홍수 재난 대응 기술이 필요하다.

이에 건설연 수자원하천연구본부 연구팀은(팀장: 강준구 박사, 연구단 책임자: 여홍구 박사) IoT, 디지털트윈, AI 등 4차 산업을 적용하여 재난피해를 저감하고 대응하기 위한 실시간 하천재해 관리기술을 개발하였다. 특히, 인명피해를 최소화하기 위한 목적으로 하천 내 수위, 유속, 유량 등을 모니터링하고, 홀로렌즈를 통한 원격지 제어와 디지털트윈을 이용하여 하천 홍수재난 대응에 활용하였다. 실제 하천에 테스트 베드와 시범사업을 진행하여 기술의 적용성과 가능성을 검증하였다.

개발된 기술은 영상을 기반이기 때문에 CCTV 등과 같이 기존에 설치된 영상 장치로부터 필요한 데이터를 확보하여 활용할 수 있다. 영상 이미지를 통해 수위, 유속, 유량 및 하천 내 객체(사람, 차량 등)를 인식할 수 있고, IoT 기술과 연계해 실시간으로 자료를 수집할 수 있다. 또한, 고글 형태의 원격제어 장치인 홀로렌즈를 이용하여 원격으로 하천의 수위 상황을 모니터링하고 홍수 상황에 대응할 수 있다.

디지털트윈을 활용하여 대상지역(사람이 많이 모이는 하천변이나 과거 피해가 많은 지역)과 동일한 가상공간을 만들고, 가상 홍수를 재현할 수 있다. 가상홍수는 50년 빈도 홍수, 100년 빈도 홍수 등 예측되는 홍수 시나리오 및 이상홍수 조건에 따라 흐름해석을 수행한 후 실제 홍수 흐름을 시각적으로 재현할 수 있다. 즉, 홍수 시 대상 하천 내 고수부지, 친수시설, 하천별 도로 등 사람이 이용하는 곳에 발생하는 재해를 가상공간에서 미리 경험할 수 있는 것이다. 

향후 연구 방향으로는 가상공간에서 발생한 다양한 홍수 상황을 실제 모니터링 시스템 자료와 연계하여, 발생 가능성이 높은 피해 상황을 예측하여 재난에 대응할 수 있도록 할 예정이다. 예를 들면, 예상치 못한 이상홍수나 태풍으로 인해 하천의 수위가 급격히 증가하여 하천변에 위험이 닥쳤을 때, 디지털트윈(VR 등)을 통해 피난처를 파악하고, 위험지역 사람에게 대피할 수 있도록 알림을 보낼 수 있다.  재난문자 또는 유튜브 연결 링크 발신을 통해 위험 지역 내에 있는 사람들에게 재난 상황 알림과 대피 장소에 대한 정보를 영상으로 제공할 수 있도록 하는 것이 연구과제의 다음 목표라 할 수 있다. 

주요 성과물인 모니터링 소프트웨어와 IoT/디지털트윈 적용 시스템은 한국건설기술연구원이 주관으로 ㈜자연과기술, ㈜HTI코리아와 협업 개발하였다. 향후 다양한 재난피해 지역에 활용이 가능한 원천기술을 확보했다는 점에서 의의가 있다. 

김병석 원장은 "실시간 하천재해 관리기술은 하천공학과 첨단기술의 융합적 연구로 향후 하천모니터링과 홍수 대응을 위한 디지털트윈 적용 분야로의 가능성과 방향성을 제시한다고 할 수 있다."며 "앞으로 기후변화로 인한 이상홍수로 예상되는 재난방지 이슈에 대응하고 홍수로 인한 인명피해도 저감할 수 있는 다양한 연구를 위해 노력할 것”이라고 밝혔다. 

본 성과는 건설연의 주요사업 기술사업화지원사업(‘20~’21) 「원격 하천구조물 자동관리기술 및 스마트하천/홍수 관리시스템 개발」과 환경부(한국환경산업기술원) 국가연구개발사업(’16 ~ ’23, 주관, 한국건설기술연구원) 「능동형하천정보 운영을 통한 다차원하천관리 체계구축 및 활용기술개발」의 예산 지원을 받아 수행되었다. 2020년부터 한천(예천군), 에코델타시티(부산), 대청천(김해)에 테스트 베드를 구축하여 운영 중이며, 향후 2025년까지 진행될 계획이다. 

  - 상시 침수 감시 및 위험 긴급알림으로 인명피해 저감 효과 기대 

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 홍수 시 저지대 주택 및 지하 시설물(지하차도, 지하주차장, 도로암거 등)의 침수 상황을 상시로 감시하고 위험을 경보할 수 있는 초소형 센서 및 플랫폼 기술을 개발했다고 밝혔다.

  지난해 8월 폭우로 인해 서울시 신림동 반지하 주택에서 일가족 3명이 침수로 인해 숨졌다. 또한, 9월 태풍 힌남노의 영향으로 포항시 인덕동의 한 아파트 지하 주차장에서는 9명이 급작스럽게 유입된 빗물에 의해 사망하는 사고도 있었다.

이러한 도시침수 피해의 경우, 하천 범람 등의 ‘외수 침수’ 보다   집중호우에 따른 배수 시설의 배수 한계 초과에 의한 ‘내수 침수’의 경우가 세 배 이상 많은 것으로 나타났다. 배수관에서 넘친 빗물이 땅으로 스며들지 못하고 그대로 저지대로 흘러서 급격히 침수가 발생하는 것이다.

  현재 정부 및 지자체는 여름철 배수시설물 집중 정비를 통해 침수 사고를 예방하려는 노력을 기울이고 있다. 침수계측, 강우관측소, 예측강우, CCTV 영상 등의 데이터를 기반으로 한 도시 침수 모니터링 시스템을 운영 중이다. 하지만 복잡한 도시환경에서 저지대 주택, 지하차도, 지하주차장, 그 외 지하 시설물 및 통행로 등에 대하여 개별 단위로 직접적인 침수 상황을 모니터링하기에는 어려운 실정이다.

  이에 건설연 미래스마트건설연구본부 연구팀(팀장: 장봉주 박사)은 이러한 도시 곳곳의 현장 침수 상황을 직접 모니터링하고 실시간으로 경고 알림을 줄 수 있는 초소형 센서와 플랫폼을 개발했다. 이 기술은 산업용 레이더와 신호처리 알고리즘을 통해 사람, 자동차 등 복잡하고 빠르게 변화하는 주변 환경과 유입되는 빗물을 정확히 구분할 수 있으며, 1cm 단위로 침수위와 빗물의 유입 속도를 계산할 수 있다. 

  연구팀은 이 기술을 ‘WAVE-Surf(Waterlevel And VElocity based Surveillance system for Urban & Road Flooding)’로 명명하였으며, 레이더를 기반으로 하는 도시 침수 감시 기술이라는 뜻을 내포하고 있다.

이 기술은 연구팀이 소하천, 계곡 홍수 감시를 위해 개발하였던 RF-WAVE(RainFall, Water-level And VElocity)를 도시의 환경에 맞춰 개량한 것이다. 따라서 복잡한 도시에서 최소한의 정보량으로 매 초 단위의 침수 상황을 관제센터로 실시간 전송할 수 있다. 또한, 미리 설정해 둔 위험 침수위와 자체 계산한 침수 속도를 근거로 위험을 판단하고 즉시 경고 알림을 보내서, 빠른 대피를 안내할 수 있다. 그리고 장치에 탑재된 IoT 기능을 이용하여 현장의 기상 상황을 수집함으로써, 현재 발생한 침수가 강우에 의한 것인지 다른 원인에 의한 것인지도 판별할 수 있다.

  개발된 기술은 기존의 CCTV 영상 분석이나 강수량에 의존한 간접적인 분석 방법과는 달리 현장에서 직접 수위를 관측하여 즉각 대응 가능한 기술이다. 따라서 긴급 상황에서 빠르고 정확한 침수정보를 제공할 수 있어, 도시 침수 모니터링 및 대응에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

  연구팀은 다양한 침수 환경을 가정한 실증 테스트를 통해, 개발 기술의 고도화 및 성능 기준을 정립할 예정이다. 또한, 디지털 트윈에 기반한 자세한 현장 정보를 결합하여 정확한 침수 위험 정보를 제공하기 위해 노력 중이다. 

  김병석 원장은 “개발된 기술은 여름철 집중호우에 따른 도시 침수재해에 대응하기 위한 스마트시티 안전관리 기술로서, 국민들의 안전을 지키는 동시에 시민들이 안심하고 일상생활을 누릴 수 있도록 지원하는 과학 기술이 될 것”이라고 밝혔다. 

  본 성과는 과학기술정보통신부(정보통신기획평가원)의 국가 R&D 사업 중「디지털트윈 테스트베드 구축(2022~2025년)」과 한국건설기술연구원의 주요사업 중 「수재해 감시 및 수재원 활용을 위한 디지털페어링 핵심요소 기술 개발(2019~2020)」의 지원을 받아 수행되었다.

 - 앙코르 유적 복원 관련 지반보강 및 지표 배수 개선 기술 지원

 - 캄보디아 압사라청(APSARA National Authority) 직원 대상 현지 역량강화 교육

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 한국국제협력단(이사장 직무대행 이윤영, 이하 KOICA)의 ODA 사업을 통해 캄보디아 앙코르 유적 프레아피투 사원과 코끼리 테라스 보존 및 복원사업을 추진 중이라고 밝혔다. 

  캄보디아에서 관광 산업은 국내 총생산(GDP)의 약 12%를 차지할 정도로 중요한 분야이며, 2019년 기준 매년 660만 명 이상의 외국인 관광객들이 캄보디아를 방문한다. 이에 유네스코와 캄보디아 정부는 고대도시 앙코르 유적 보존 및 복원 프로젝트를 지속적으로 추진 중이다.

  코끼리 테라스는 캄보디아 앙코르 유적 내에 있는 300m에 달하는 규모로 코끼리 부조가 있는 석조 구조물을 말하며, 과거 크메르 제국의 왕들이 공식 행사를 진행하였다고 알려져 있다. 앙코르 유적은 우기 시 유적지의 배수가 원활하지 않고, 점토질 모래층이 두껍게 분포해 있다. 점토질 모래층은 암석의 풍화로 생긴 풍화토에 비해 점성이 있고, 단단하지 못해 하중을 잘 견딜 수 없는 특징이 있다. 따라서 우기 시 코끼리 테라스 구조물이 불규칙적으로 침하하는 현상이 반복적으로 발생하고, 이에 따라 구조물이 기울 수 있기 때문에 문화유산 복원공사가 필요한 상황이었다. 이에 건설연은 기술적 대안 제시를 위해 KOICA 무상원조 ODA 사업에 공동수행기관 자격으로 참여하여 프레아피투 사원과 코끼리 테라스 보존 및 복원사업을 진행 중이다. 

  건설연 지반연구본부 정재형 박사와 이광우 박사 연구팀은 주요 기술 중 지반 및 지하수 처리 분야에 참여하고 있다. 연구팀에서는 유적지의 지질 및 지층 분포상태를 조사하고 지반 안정성을 평가하여 기울어진 구조물의 보강방안을 제시하였다. 또한, 지하수위계 및 강우량계를 설치하여 시간 흐름에 따른 강우량과 지하수위를 파악하여 합리적인 지표 배수 체계를 제시하였다. 

  건설연은 유적지라는 특성을 고려하여 지반 비파괴 탐사법을 주로 이용하였으며, 구체적으로는 전기비저항탐사 기법과 지표투과레이더 기법을 활용하였다. 전기비저항탐사 기법은 인공적으로 지하에 전류를 흘려주고, 이때 발생한 전위를 측정하여 지하의 전기저항 분포를 알아내어 지반 상태를 추정하는 방식을 말한다. 지표투과레이더 기법은 지하에 탄성파를 발사하고 그 반사되는 파를 분석하여 지반의 상태를 추정하는 방식이다.

  또한, 효과적인 지반보강 방안을 찾기 위하여 기초지반의 지지력 및 침하량을 파악할 수 있는 동적콘관입시험(DCPT, Dynamic Cone Penetration Test)을 적용하였다. 동적콘관입시험이란 강철봉 앞에 원추형 시험체를 붙여 일정한 깊이를 관입하는 데 필요한 해머 타격 횟수로 지반 저항을 측정하는 방식을 말한다. 시추조사와 달리 구멍을 뚫지 않고 기초지반의 지지력을 확인할 수 있다는 장점이 있어 본 사업에서 활용되었다. 

  이러한 지반 조사를 바탕으로 복원공사 완료 후 구조물이 다시 침하하지 않도록 지반 다짐 방법을 제시하여, 복원공사를 기술적으로 지원하였다. 즉, 건설연은 캄보디아 앙코르 유적 문화재 복원 과정에서 과학적인 조사 방법에 근거한 기술 지원을 통해 효과적으로 복원 사업이 진행될 수 있도록 하였다. 

  또한, 건설연은 캄보디아 압사라청(APSARA National Authority) 및 산하기관 직원 15명을 대상으로 지난 1월 31일부터 2월 2일까지 캄보디아 현지에서 복원 사업에 필요한 역량강화 기술 교육을 진행하였다. 역량강화 교육에서는 지반 조사 및 지하수 현황 파악에 관한 실용 기술을 중심으로 이론, 현장 실습, 토론 등이 이루어졌다. 

  건설연 김병석 원장은 “해외 문화유산 복원은 다음 세대들에게 문화재의 원래 구조를 전달한다는 기술적인 의미가 있을 뿐만 아니라, 캄보디아의 지속 가능한 경제 발전에도 기여할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 건설연에서는 원형을 최대한 보존함과 동시에 안전하고 의미 있는 문화유산 복원이 균형적으로 이루어질 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

  본 성과는 한국건설기술연구원이 공동 수행기관으로 참여한 KOICA ODA 사업 “캄보디아 앙코르유적 프레아피투 사원과 코끼리테라스 보존 및 복원 2차 사업(2019~2025), 주관기관: 한국문화재재단”을 통해 도출되었다.

2023년 5월 1일자로 승진인사를 다음과 같이 실시하였습니다.

□ 승진인사(5월 1일)

○선임연구위원 

김강석

김경우

김동규

김원재

백남철

오윤석

유용호

정성원

조정래

최창호

최현상

○선임행정위원 

이재종

○연구위원 

권기현

김기현

김영민

김유민

노창균

박민수

박원영

윤혜진

이상윤

정승현

조원범

조진우

○행정위원 

박재광

백경진

○수석연구원 

서승환

이강훈

정아영

조연미

○수석기술원

인기호

○수석행정원 

임세현

정수경

○전임기술원 

나무영

○책임주무원 

소혜란

안미숙

전은아

○선임주무원 

박영수

○선임지원직 

김인혜

김지혜

김휘성

윤지혜

정성희

  - BIM기반의 디지털 설계기술을 활용하여 교통사고 다발구간인 위험도로 선정 과정의 효율 극대화 

  - 3D 기반의 평가모델을 통해 도로의 기하구조 문제를 해결할 수 있는 최적 개선안 도출  

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 교통사고 다발 구간인 위험도로를 효과적으로 선정하고, 선정된 위험도로의 최적 개선안을 찾을 수 있는 평가모델을 개발했다고 밝혔다. 

  국토교통부와 지방자치단체에서는 교통사고 예방을 위해 ‘국도 및 지방도 위험도로 선형개량사업’을 추진하고 있다. ‘선형개량사업’은 급경사, 급커브 등 대형 교통사고 발생 가능성이 큰 도로 내 특정 구간을 선정하여, 불합리한 구조를 개선해 교통사고를 예방하고 도로 기능을 향상하기 위해 추진되는 사업이다. 이때 선형개량사업을 위한 대상지를 선정하기 위해 도로의 커브와 경사 같은 기하구조, 교통사고 건수 및 교통량, 지역 특성, 투자 사업비 등의 다양한 요소들을 평가하는데, 기하구조에 대한 점수 비중이 가장 크다. 즉, 교통사고 발생의 다양한 원인 중 도로의 형상을 결정짓는 구조적인 요소인 ‘기하구조’를 교통사고의 주요 원인으로 파악하고 있다는 것을 의미한다.

  기존의 위험도로 개선을 위한 절차는 사고분석, 위험도로 선정, 개선방안 수립 과정의 순서로 진행되는데, 단계별로 개선안을 도출해야 한다. 또한, 개선안 도출 방식은 2D로 진행되어, 도출된 개선안에 대한 설계기준 적합성 검증도 필요하다. 즉, 1개의 위험도로 타당성 평가를 위해서 교통 분석 및 평가, 선형 대안 노선 계획 도출 및 노선 설계 수행 등 약 0.4억 원의 비용과 최소 1.5개월의 시간이 소요된다. 

  이에 건설연 BIM클러스터의 문현석 박사 연구팀은 타당성 평가 과정에서 비용을 25% 절감할 수 있고, 기간을 50% 단축할 수 있는 BIM 기반의 위험도로 평가모델을 개발하였다. BIM(Building Information Modeling)이란 건설 생애주기 동안의 모든 정보를 생성, 활용, 관리, 협업하기 위해 입체설계를 활용한 디지털 정보관리 기법을 말한다. 개발된 평가모델은 기존의 여러 단계로 진행되던 위험도로 선정을 효과적으로 진행할 수 있도록 하였으며, 나아가 도로의 기하구조 상의 문제점을 해결할 수 있는 최적의 개선방안을 도출할 수 있다.

  연구 성과의 개발은 다음과 같이 진행되었다. 먼저 위험도로 선정을 위해 도로교통공단의 교통사고 통계 빅데이터(TAAS, Traffic Accident Analysis System, 교통사고정보개방시스템)를 분석하여 기하요인과 교통사고 발생 간의 상관관계를 확인하였다. 2012~2020년에 국도 및 지방도에서 발생한 교통사고(사망사고 기준) 37,128건 가운데, 회전구간과 오르막차로와 같은 위험 조건을 모두 만족하는 사례 1,138건(3%)을 추출하였다. 이 중에서 교통사고가 2회 이상 발생한 도로 구간 77건을 선별하였다. 선정된 77건은 모두 위험도로이며, 구체적으로 4건의 사례에 대해 지형도 및 로드뷰 분석을 통해 심층 분석을 진행하였다. 

  위험도로가 선정되면, 기하구조를 분석하여 굴곡부를 직선화하거나 얼마나 직선화할지 등을 결정하는 개선안을 도출해야 한다. 건설연에서 개발한 평가모델은 간단한 조건과 변수 입력만으로도 쉽고 빠르게 복수의 개선안을 3D 모델로 시각화하여 생성할 수 있다. 또한, 도출된 여러 개선안에 대해 교통사고 위험도 수치를 비교하고, 설계기준 만족 여부를 즉시 평가할 수 있다. 이러한 과정을 통해 정책 결정자들은 교통사고 발생 위험도를 최소화할 수 있는 최적의 개선안을 쉽게 선별할 수 있다.

  개발된 기술의 가장 큰 장점은 평가모델을 통해 위험도로 선정에서부터 최적 개선안 도출까지의 의사결정 과정을 한 번에 통합하고, 3D기반의 디지털 방식으로 전환하여 효율을 극대화한 것이다. 

  김병석 원장은 “본 기술은 도로 선형개량사업뿐만 아니라 안전을 고려한 신규 도로의 신속한 디지털 설계과정에도 적용될 수 있으며, 빅데이터, AI 등을 융합하여 건설산업의 디지털 전환 시대의 핵심 기술로서 활용될 것”이라고 밝혔다.

  본 성과는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원)의 건설교통기술촉진연구사업으로 수행한“지능화 기술기반의 위험도로 선형개량 모델 생성 및 기하 검증 핵심기술 개발(2021~2022, 공동연구기관: 서영엔지니어링)”의 지원을 받아 개발되었다.

 - 건설연, 하수에서 암모니아를 선택적으로 회수할 수 있는 흡착 소재 개발

 - 탄소중립형 하수처리장 구축을 위한 핵심기술 확보

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 다양한 오염물질들이 존재하는 하수로부터 손쉽게 암모니아를 선택적으로 제거 및 활용할 수 있는 흡착소재를 개발했다고 밝혔다.

  하수 속의 암모니아는 대표적인 오염물질로서 깨끗하게 정화하지 않으면 하천의 부영양화(녹조)를 일으키고 하수처리장에서 악취를 발생시키는 주원인 물질이다. 또한, 토양산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되기도 한다. 

  하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화․탈질공정을 거쳐 처리하고 있으나 처리과정에서 많은 에너지와 자원이 투입된다는 문제점이 있다. 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량(2019년 기준)은 3,650GWh로서 국내에서 공급된 총 전력량(520,499GWh)의 0.7%에 해당한다. 이 중 30% 이상의 전력이 수중 질소(암모니아 포함)를 제거하기 위해 사용된다.

  암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되는 등 다양한 산업 활동에 필요한 유용한 자원으로 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나, 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 또한 고온․고압 조건을 요구하는 하버-보슈법을 통해 생산되므로 에너지 소모량이 많은 것으로 알려져 있다. 만약, 하수 내에 있는 암모니아를 기존의 방법을 통해 제거하지 않고 회수하여 사용할 수 있다면, 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며, 궁극적으로는 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있다.

  하수 내 암모니아를 회수하기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있으나 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취문제, 개발 소재의 기술적 한계 등으로 인해 상용화된 기술은 찾기가 어렵다.

  이에 건설연 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착소재 개발에 성공하였다. 개발한 흡착제는 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 높은 암모니아 선택성을 가지고 있으며 암모니아 흡착효율 또한 다른 흡착제들에 비해 월등히 높다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리가 가능하여 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 또한, 개발 흡착제는 단단한 결합구조로 되어 있어 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점도 있다.

  개발된 흡착제는 이온교환수지에 Copper hexacynoferrate(이하 CuHCF)라는 나노물질이 화학적으로 결합된 나노복합체이다. CuHCF는 암모니아를 선택적으로 흡착하는 물질로 알려져 있으나 나노입자이기 때문에 수처리에 직접 적용 시 사용한 후 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 그러나 건설연에서 개발한 소재는 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있는 특징을 갖고 있으며, 방사성 세슘 흡착용 소재 개발 과정에서 도출된 나노복합체 합성 원천기술을 토대로 개발되었다.

  기존의 보편적인 생물학적 처리기술은 하수 속 암모니아를 질산화/탈질공정을 통해 질소가스 형태로 대기 중으로 배출하여 암모니아를 제거하였다. 그러나 건설연에서 개발한 기술은 물리적으로 암모니아를 하수로부터 분리하여 회수하고 자원화하였다는 점에서 큰 차별성이 있다. 

  개발된 기술은 암모니아의 처리과정에서 배출되는 온실가스 배출을 획기적으로 저감하여 탄소중립에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 회수한 암모니아는 수소, 비료 등과 같은 유용한 물질을 생산하는 데 활용될 수 있을 것이다.

  김병석 원장은 “하수처리시설은 환경오염방지를 위해 필수적인 사회기반시설이나 운영과정 중에 전력이 많이 소모되고 많은 온실가스가 배출되어 탄소중립적 관점에서 개선의 여지가 큰 시설이었다. 건설연에서 개발한 흡착재가 하수처리장에 상용화되어 보급된다면, 전력소비량과 온실가스 배출량을 획기적으로 저감할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

  본 성과는 “Facile synthesis of copper-substituted Prussian blue analog immobilized ion exchange resins for high-performance ammonium recovery from wastewater: Adsorption kinetics, isotherms, and regeneration”으로 환경공학분야 세계최고수준의 저널인 Chemical Engineering Journal 2월호(‘23.02.01)에 게재되었으며 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 “탄소중립을 위한 차세대 환경기술 연구(2021~2022)” 과제를 통해 개발되었다. 

 - 약 3,730건의 북한 건설 자료 확보 및 「북한인프라자료관」 운영 

 - 「로동신문」을 분석한 「남북건설뉴스」 분기별 발간

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 다양한 북한 건설 관련 자료를 수집하여 「북한인프라자료관」을 구축하여 운영 중에 있으며, 산·학·연 전문가뿐만 아니라 일반인도 자료를 열람할 수 있다. 이를 통해 북한 인프라에 대한 이해도 증진과 남북 인프라 협력을 위한 기술적 토대를 마련해 나갈 예정이다. 또한, 북한의 대표적 관영매체인「로동신문」과 북한 건설 자료를 분석하여 「남북건설뉴스」를 분기별로 발간하고 있다고 밝혔다.

  현재 북한의 인프라 건설협력 사업은 UN 안보리와 국제사회의 대북제재 시행 이후, 사실상 전면 중단된 상태이다. 그러나 만약 북한 건설시장이 개방된다면 중국, 러시아, 일본 등 주변국뿐만 아니라 선진국과의 치열한 경쟁을 피할 수 없을 것이다. 이에 현 단계에서는 대북제재를 고려한 남북 건설협력 추진 방향을 마련하고, 단계적 비핵화 상황을 고려한 시나리오별 접근이 필요하다. 

  북한의 경제개방 시 인프라 분야는 국가경제 발전을 위한 핵심 기반으로 엄청난 건설 수요가 있을 것으로 예상된다. 이러한 건설수요에 대응하고, 경쟁국 대비 기술적 비교 우위를 확보하기 위해서는 남북한의 혼재된 건설 용어와 기준의 차이에 대해 자세히 알고 있어야 한다. 남북한은 분단 이후 건설용어와 건설기준에서 상당한 차이를 보이고 있다. 예를 들면, 보통 포틀랜드시멘트보다 강도가 높은 시멘트를 남한에서는 ‘고강도 시멘트’, 북한에서는 ‘고마르까세멘트’로 통칭하고 있다. 또한, 남한은 교량 설계 시, 콘크리트와 철근의 강도를 각각 18∼90MPa(메가파스칼), 300∼600MPa(메가파스칼)까지 사용이 가능한 반면에 북한은 20∼40MPa(메가파스칼)과 250∼300MPa(메가파스칼)까지 적용하고 있는 것으로 분석되었다. 이처럼 남북한의 건설 용어와 기준의 차이는 국내 민간기업 등이 남북협력 사업 추진 시 사업의 위험 요소가 될 수 있다. 따라서 남북한의 건설 용어와 기준을 비교하여 정보를 제공하고, 국내 기업들이 주도적으로 남북협력 사업을 준비할 수 있도록 기술적 지원이 필요하다.

  이에 건설연 남북한인프라특별위원회에서는 북한 개방 시 효율적인 남북 인프라 연계를 위하여 맞춤형 특화기술 개발, 남북한 건설 기준 연계방안, 북한 인프라 정보 공유와 협력 플랫폼 등의 다양한 연구를 수행하고 있다. 또한, 북한의 인프라 현황, 건설동향 및 건설기준 등을 파악하기 위하여 2019년 과학기술정보통신부로부터 특수자료 취급기관 인가를 받은 「북한인프라자료관」을 운영 중이다. 현재 보유 중인 북한 인프라 관련 자료는 도로, 철도, 건축, 환경, 구조, 상하수도 등의 분야별 총 3,730건의 도서이다. 이 자료에는 북한의 기술자료뿐만 아니라 건설 법규, 기준, 규격, 교육도서, 정기간행물이 포함되어 있다.

  또한, 국내 최초로 북한의 대표 관영매체인 「로동신문」 내용을 분석하여 「남북건설뉴스」를 분기별로 발간하고 있다. 「남북건설뉴스」에서는 북한의 건설 관련 정책 동향, 국토 개발 사업 및 지방건설 추진 현황, 건설 재료와 자재의 생산 및 개발 등에 대해 다루고 있다. 나아가 북한의 인프라 환경 실태 자료에 대한 아카이브 구축 및 빅데이터 플랫폼 개발 연구를 지속적으로 진행하여 체계적인 북한 인프라 정보를 제공할 예정이다.

  「남북건설뉴스」는 건설연 홈페이지() 자료실에서 공개하고 있으며, 개별 이메일 구독을 원하는 경우 담당자(kim6069@kict.re.kr)에게 요청하면 구독할 수 있다.   

  건설연 김병석 원장은 “북한의 경제 개방 시 한반도 인프라 구축을 성공적으로 이끌어 나가기 위해서는 북한의 건설현황 분석 및 남북 건설 기준·용어의 통합 마련을 위한 철저한 준비가 필요하다.”며 “건설연에서는 체계적인 건설기술 자료 확보를 통해 국내 유관 기관, 기업 등에 북한 건설과 관련된 올바른 정보를 공유할 수 있도록 노력하겠다.”라고 밝혔다. 

  본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 주요사업 “남북한 공동번영을 위한 인프라 통합·연계 기반 구축 연구('21~'22)”를 통해 진행되었다.

- 건설연, 기존 제방 보강을 위해 바이오폴리머와 골재를 섞은 혼합재를 제방 표면에 코팅하는 기술 개발

- 기존 흙 제방과 식생 제방에 비해 6시간 이상 제방 붕괴 지연으로 유사시 시민 대피와 보수를 위한 충분한 시간 확보 가능

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 친환경 바이오 폴리머를 이용한 보강재와 골재 혼합물을 활용하여 제방의 붕괴를 방지할 수 있는 보강공법을 개발했다고 밝혔다.

수자원학회의 수해조사(2020.12.~2021.7.)에 따르면 수년간 전국을 휩쓴 폭우로 인해 호남지방과 중부내륙에서 많은 피해가 발생하였으며, 이는 상당 부분 하천 제방의 붕괴로 인한 것으로 밝혀졌다. 홍수로 인한 하천의 범람이 제방 붕괴의 주요 원인으로서 전체의 40%를 차지한다. 

하천제방 붕괴와 이에 따른 홍수는 인명 및 재산에 대한 직접적인 피해를 발생시킬 뿐만 아니라 하천환경 및 수생태계 변화에도 복합적으로 영향을 미친다. 

하지만 기존 기술은 제외지(물이 흐르는 하천 구간)의 제방사면에서 강한 물 흐름에 대한 보강기술 부분만 제시되고, 제방 범람 시 제내지(마을, 농경지 등) 쪽 제방사면의 붕괴 방지에 대한 기술은 제시되지 않고 있다. 또한, 제방의 축조 높이는 하천 조건에 따라 설계빈도 홍수량에 의해 결정된다. 즉, 80년 홍수 빈도로 설계된 제방은 100년, 200년 빈도의 홍수가 왔을 때는 제방이 버티지 못하고, 월류할 수 있다. 최근의 기후변화로 인한 집중 호우 및 홍수 등이 빈번하게 발생함에 따라 설계 빈도 이상의 돌발 홍수에 대한 위험이 커진 것이다. 

이에 건설연 수자원하천연구본부 연구팀(팀장: 안홍규 박사, 강준구 박사)은 바이오폴리머(Biopolymer, BP)를 이용하여 제방표면을 강화함으로써 제방 붕괴를 방지하고 지연시킬 수 있는 새로운 제방 보강 기술을 개발하였다. 바이오폴리머란 식물에서 축출한 접착성을 가진 친환경성 재료를 말한다. 개발된 기술은 바이오폴리머와 골재를 섞은 혼합재를 제방표면에 코팅하여 보강하는 방식이다. 바이오폴리머가 접착제와 코팅제 역할을 하여 강도를 확보하는 원리이며, 현장에서 간편하게 시공할 수 있다는 장점이 있다. 

바이오폴리머를 골재와 혼합하면, 획기적으로 물 흐름에 대한 저항 강도를 향상시켜 홍수 시 높은 수압과 빠른 유속조건에서도 표면토의 침식과 소재의 이탈 없이 제방을 안전하게 보호할 수 있다. 또한, 친환경성 재료를 활용하기 때문에 식생 조기 활착과 생장이 가능하므로 하천 생태기능 회복과 내구성을 극대화할 수 있다는 장점이 있다. 

연구팀에서는 개발된 기술 검증을 위해 실제 홍수를 재현하는 실규모 제방 월류 실증 실험을 수행하였다. 스케일 적용을 통한 축소실험으로는 제방 붕괴에 따른 원인과 과정을 평가하고 기술의 신뢰성을 확보하는 데 한계가 있기 때문이다. 5차례 수행된 실규모 실증 실험을 통해 기술의 실효성을 분석 및 입증하고, 현장 적용성 및 안정성을 확인하였다. 

저수지 범람 실험 결과 기존 제방은 흙제방이 약 15분, 식생제방이 약 30분을 버텼지만, 개발된 제방보강 기술은 범람 후 4시간 이상 버티는 것으로 확인되었다. 또한, 하천과 동일한 형태의 상황을 재현한 하천 범람 실험에서는 6시간 동안 붕괴가 일어나지 않아 제방 붕괴 방지 효과를 확인하였다. 이와 같은 결과는 제방의 물이 범람하였을 때, 대피와 보수를 위한 충분한 시간을 확보하여 시민의 생명과 재산을 안전하게 보호할 수 있다는 점을 시사한다. 

김병석 원장은 “개발된 친환경 바이오폴리머 재료를 활용한 제방 붕괴 방지 기술은 홍수 피해를 예방할 수 있는 안전기술일 뿐만 아니라 탄소중립 등 환경적 이슈에도 대응할 수 있는 융합적 연구성과라는 점에서 의의가 있다.”라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 주요사업 “친환경 신소재를 활용한 호안 대체 및 제방보강 기술개발(`20~`21)”과 국토교통부(국토교통과학기술진흥원)의 국토교통기술사업화지원사업 “피마자유기반 바이오폴리머를 활용한 하천 호안 및 하상보고기술의 현장적용성 강화를 위한 응용기술개발(`21~`23, 주관기관: 에스비비)”의 예산을 지원받아 개발되었다. 

 - 건설연, 첨단 드론기술을 적용한 항만시설물 점검체계 개발

 - 열악한 점검환경에서 점검자의 안전을 지켜 안전사고 미연에 방지

  한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 드론과 AI분석 기법을 활용하여 항만시설물의 접근이 어려웠던 영역을 점검할 수 있고, 손상정도를 정량적으로 평가할 수 있는 신뢰성 있는 점검체계(이하 드론 활용 항만시설물 점검체계)를 개발하였다.

  항만시설물은 우리나라 수출입 화물 물동량의 90% 이상을 처리하며 물류에 있어서 중추적인 기능을 담당하고 있는 핵심적인 사회기반시설이다. 이러한 항만시설물은 2020년을 기준으로 30년 이상 경과된 시설물이 284개소로 약 26%에 해당하며, 2040년에는 80%를 초과할 것으로 예상된다. 항만시설물의 노후화가 빠르게 진행되고 있는 한편, 기후변화에 따른 자연재해 발생 가능성이 지속적으로 증가하고 있어, 노후 항만시설물의 점검 및 관리의 필요성이 부각되고 있다. 

  항만시설물 점검 시 점검자들이 점검용 선박을 타고 직접 시설물에 가까이 접근하여 균열, 파손 등 위치를 확인하고 손상 수준을 측정하면서 검사를 수행하는 것은 쉬운 일이 아니다. 또한, 접근의 어려움으로 인해 검사가 제대로 이루어지지 않아 점검 사각지대가 생길 수도 있으며, 점검 중에 안전사고가 발생할 수도 있다.

  이에 건설연 구조연구본부 연구팀(팀장: 민지영 박사)은 최근 여러 방면에서 다양하게 활용되고 있는 드론을 항만시설물 점검에서도 사용할 수 있도록 점검체계를 개발하였다. 개발된 드론 활용 항만시설물 점검체계는 시설물의 안전은 물론 점검자의 안전까지도 확보할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 또한, 드론으로 촬영된 영상을 인공지능을 활용하여 분석하기 위해 정량적인 평가 기준을 마련함으로써 평가체계의 신뢰성을 제고하였다.

  드론 활용 항만시설물 점검체계에서는 날개가 고정된 비행기 모양의 고정익 드론이 150 m 미만의 높은 고도에서 영상을 촬영하여 항만 내 전체 시설물의 형상변화를 점검하고 평가한다. 또한, 헬리콥터 모양의 회전익 드론은 시설물에 7 m 까지 접근하여 항만시설의 균열, 파손, 부식 등 손상을 자세하게 점검하고 평가한다. 건설연은 드론을 활용하여 구조물의 형상 및 손상을 모두 혹은 각각 평가할 수 있는 하이브리드형 점검체계를 구성하였으며, 그 데이터를 정량적으로 관리하는 프로세스를 개발하였다. 

  항만시설물의 경우 일반 인프라 시설물에서 나타나는 손상뿐만 아니라, 선박이나 파랑(해수의 주기적인 운동)에 의한 파손, 마모, 침식, 충격손상 등 더욱 세분화된 손상이 발생한다. 또한, 국토부의 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침’에 따르면 손상을 정량적으로 평가하는 교량, 터널 등과 달리 항만시설은 점검자가 정성적으로 판단 및 평가하기 때문에 주관적 판단에 따라 평가 결과에서 차이가 발생할 수도 있다. 

  드론으로 근접 촬영한 점검영상은 점검자의 육안에 의한 판단이 아닌 AI 기법을 통하여 손상 발생 정도를 정량적인 수치로 분석해야 하므로 그에 따른 정량적 평가기준이 필요하다. 이에 항만공사, 국토안전관리원, 항만시설 진단‧점검업체, 드론운용기업 등을 대상으로 의견을 수렴하여, 현행 점검지표 및 평가기준을 드론 점검체계에 적합하도록 개선하였다. 개발된 드론 활용 항만시설물 점검체계에서는 사용연수 경과에 의한 자연적인 ‘열화손상’과 선박, 파랑 등에 의한 ‘외부요인손상’으로 손상평가 점검지표를 이원화하였다. 

  AI 기법을 통하여 손상 발생 정도를 평가하기 위해서는, 항만시설에 발생한 균열, 박락(철근부식에 의한 콘크리트 덮개의 탈락), 파손 등 손상을 포함한 학습데이터를 구축하여야 한다. 이때, 선 형상의 균열, 면 형상의 박리, 박락, 파손, 충격손상 등을 구분한다. 면 형상 손상은 열화손상과 외부요인 손상이 모두 해당하므로 이를 구분하기 위하여 내부 철근이 노출되었는지 여부를 함께 판별한다. 철근이 노출되면 형상 손상은 열화손상으로, 그렇지 않은 손상은 외부요인 손상으로 분류할 수 있다. 건설연에서 이미 보유한 학습데이터를 바탕으로 최신 AI 분석 모델을 적용하여 손상을 평가하였을 때 90% 이상의 정확도를 확보할 수 있었다. 

  항만시설물 안전점검 대상은 현재 약 100여 개로 항만시설 1개당 8명의 인력이 투입되어 최소 10일 이상이 소요된다. 정기 안전점검은 매년 2회 이상 수행되어야 함에 따라 많은 인력과 시간이 필요하다. 인천항만공사 관계자는 “드론을 활용하면, 육상에서 접근이 어려운 영역까지 효율적으로 점검할 수 있으므로 유지관리 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 인력 관리 측면에서도 더할 나위 없이 좋을 것”이라고 밝혔다. 

  건설연 김병석 원장은 “개발된 드론 활용 항만시설물 점검체계는 기존의 재래식 점검방식에 비하여 빠르고, 정확하고, 안전하게 점검할 수 있는 실무적인 방안으로써 항만시설물과 점검자의 안전을 모두 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

  본 성과는 산업통상자원부의 드론활용서비스 지원사업으로 “산업용 드론중심 해안지역 특화 스마트 시설물 능동형 관리기술 및 사업모델 개발(2020~2022)”과제를 통하여 도출되었다.