BIM principle and Digital transformation: 해외 선진국 인프라 디지털트윈 연구개발 사례 소개

이 글은 최근 해외 선진국 인프라 디지털트윈 연구개발 사례에 대한 간략한 소개이다.

머리말

건물정보모델링(BIM)을 통해 조직은 자산의 디지털 표현을 생성하고 정보를 관리할 수 있다. 이 기술은 잘 활용하기에 따라 프로젝트의 설계 및 건설 단계에 새로운 일관성과 효율성을 가져올 수 있다.

BIM 프로세스는 설계 및 건설 단계의 3D 정보 모델링에 널리 채택되었지만 자산의 수명 주기 전반에 걸쳐 사용되기에는 한계가 있다. 설계 및 건설 단계를 넘어, 인프라 디지털트윈 채택을 통해 애플리케이션을 확장하여, 미래에 대비할 필요가 있다.

오늘날 시설, 제조 시스템, 센서 및 기타 IoT 장치의 데이터는 디지털 모델과 통합된다. 인더스트리 4.0과 같은 트렌드에서 제안한 바와 같이 이러한 이기종 데이터 세트에서 얻은 통찰력은 건물, 시설물, 인프라에서 일어나는 일을 더 잘 이해할 수 있도록 한다. 이는 효율성과 성능을 개선하는 데 없어서는 안 될 요소가 되었다.

디지털 트윈은 사용자에게 구축된 자산에 대한 인사이트를 제공한다. 이를 위해서는, 자산 표현이 디지털이어야 한다. 또한, 시간이 지남에 따라 변화할 수 있도록, 데이터는 동적이어야 한다. 이를 위해서는 현실 세계 변화와 동기화하기 위한 실용적인 솔루션이 필요하다.

BIM은 설계, 구성 및 운영을 지원하는 자산의 상세한 3D 모델을 제공한다. 따라서 디지털 트윈에 필요한 중요한 정보를 보유하고 있다. 정기적으로 업데이트되는 현실 데이터, IoT 센서 데이터에 "실제 모델"을 연결하는 것이 "Live" 디지털 트윈의 기초이다.

인프라 디지털 트윈은 실제 객체와 양방향으로 연결된다. 건물, 인프라, 도시에서 들어오는 실시간 데이터를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 정보나 명령을 인프라로 다시 보내 실시간으로 작업에 영향을 미칠 수 있다.

인프라 디지털 트윈의 적용은 다양한 사용 사례로 확장될 수 있다.

예측적 유지보수

예측 유지 관리 시나리오에서 디지털 트윈은 데이터를 생성하고 사용 가능한 센서 데이터와 결합하여 예측 유지 관리 알고리즘을 실행할 수 있다. 유지 보수 회사는 이를 사용하여 시스템의 어떤 구성 요소가 예상대로 수행하는지 정확하게 예측할 수 있다. 이를 바탕으로 기술자 할당을 최적으로 계획할 수 있으며, 필요한 예비 부품은 사전에 자동으로 주문된다.

시설물 운영 관리

점유 패턴과 에너지 소비를 이해하는 것은 에너지 유틸리티를 관리하는 데 필수적이다. 시설 수명 주기 동안 CO2 발생은 점점 더 중요해지고 있다. 라이브 디지털 트윈으로 이런 의사결정 정보를 좀 더 쉽게 얻을 수 있다.

디지털트윈 기술연구사례 1 - DUET 프로젝트

DUET(Digital Urban European Twins) 프로젝트는 이름에서 알 수 있듯이 유럽 도시의 디지털 트윈, 즉 가상 복제본을 생성하여 도시를 보다 잘 설계, 운영 및 관리할 수 있도록 하는 데 중점을 둔다.

유럽 연합 Horizon 2020 연구 혁신 프로그램에서 자금을 지원하는 프로젝트로, 중요한 정책 결정을 내리기 전에 시 공무원이 변화의 실제 영향을 이해할 수 있도록 함으로써 도시 정책 결정을 개선하는 것을 주요 목표로 한다.

프로젝트 컨소시엄

예를 들어, 도시 설계를 실제로 구현하기 전에 디지털 트윈에서 가상으로 아이디어를 테스트할 수 있다. 시 행정에 관련된 여러 정부 기관 간의 사일로를 허물고 이들 간의 협력을 개선한다.

DUET 플랫폼에서 도시의 음영 영역 시각화.

시 공무원, 학계, 연구원, 데이터 모델링 전문가, 디지털 트윈 기술 전문가 등 다양한 배경을 가진 유럽 전역의 여러 조직이 DUET 이니셔티브에 참여하고 있다. 3D 도시 모델을 개발하고, 도시 계획 시뮬레이션 솔루션을 제공하는 회사인 Virtual City Systems 이 참여하고 있다.

프로젝트 구현에는 지도, 토폴로지, 3D 모델, 교통, 날씨, 소음 등 다양한 도시 데이터 세트를 가져올 수 있는 기본 플랫폼이 포함된다. 벨기에, 그리스, 체코 등 유럽 각 주요 국가 도시에 대한 사용 사례가 구현되었다. 예를 들어 대기 오염 연구(아테네) 등 사용 사례의 전체 목록은 https://citytwin.eu 에서 탐색할 수 있다 .

건물 인프라 자산의 경우 BIM 모델과 디지털 트윈의 주요 차이점은 BIM 모델은 정적인 반면 디지털 트윈은 동적이라는 것이다. 센서, IoT 장치, 리얼리티 캡처 장치, 카메라 등의 사용("A Digital Twin for a Health Care Facility using IoT and Edge Computing Devices" 참조), 물리-가상 시스템 연결성 등은 큰 차이점이다.

DUET 프로젝트를 위해 구축된 기술 플랫폼은 개방적이고 유연하며 확장 가능하게 설계되었다. 이 플랫폼은 데이터 다양성을 고려한다. 이 플랫폼은 IoT, 교통, 소음, 온도, 공해 등과 같은 다양한 데이터 소스를 추가 구성할 수 있는 기능이 포함된다.

DUET 플랫폼의 소프트웨어 아키텍처(https://www.digitalurbantwins.com/technical-approach)

DUET 플랫폼은 클라우드 기반이며 웹 브라우저를 통해 액세스할 수 있다. 그래픽 뷰어 왼쪽에 있는 패널에서 콘텐츠를 켜고 끌 수 있는 옵션을 제공한다.

플랫폼에 연결할 특정 데이터 세트 선택

이 플랫폼을 기반으로 다양한 스마트시티 서비스가 개발되고 있다. Pilsen시의 공원에 태양광 사용 장비를 설치하는 경우, 태양광이 충분한 위치를 검색할 필요가 있다. 도시 감시 카메라의 경우 시야각 측면에서 이상적인 설치 위치를 찾는 것도 중요하다. DUET 플랫폼은 다음 두 가지 요구 사항에 모두 사용되었다.

태양광 장비 설치 위치 식별하기 위한 마커 배치

카메라 객체의 시야 탐색

플랫폼은what-if 분석을 지원한다. 이 기능을 적용한 사례 중 하나는 다리 폐쇄가 겐트 시에 미칠 교통량에 대한 영향을 예측하는 것이다. 이 구현에서는 DUET를 Ghent 트래픽 모델에 연결해야 했다. 이 기능을 통해, 이전과 이후의 트래픽을 표시할 수 있을 뿐만 아니라, 트래픽이 증가한 거리와 감소한 거리를 보여주는 델타 맵도 표시할 수 있었다. 또한, 폐쇄로 인한 트래픽 경로 재지정 외에도 플랫폼은 공기 및 소음 모델과 연동하여, 소음 및 대기 오염에 대한 변화의 영향을 제공할 수 있다.

DUET 기반 도로 폐쇄 영향 시뮬레이션(교통량, 대기질, 소음)

디지털트윈 기술연구사례 2 - smartBRIDGE 함부르크 프로젝트

smartBRIDGE 함부르크 프로젝트가 언급하는 교량은 독일 함부르크에 있는 사장교인 Köhlbrand 교량으로, 함부르크에서 가장 잘 알려진 랜드마크 중 하나이다. 총 길이가 3.6km인 이 다리는 독일에서 두 번째로 긴 다리로 매일 약 36,000대 차량이 다리를 건너고 있다.

기존의 검사 유지 관리 프로세스는 문제가 발생하면 문제를 해결한다 점에서 "반응적"이다. 함부르크 항만청은 교량을 실시간으로 모니터링하여 가능한 모든 문제를 감지하고, 수정하는 예측적 유지 관리를 적용하고자 하였다.

교량 디지털 트윈을 생성하려면, 생성할 교량의 BIM 모델이 필요했다. BIM 개념이 존재하지 않았던 1970년대 초반에 다리가 건설되었기 때문에 처음부터 BIM 모델을 만들었다. Köhlbrand 교량의 BIM 모델은 여러 BIM 응용 프로그램에서 생성되었다. 기존 교량의 3차원 형상을 스캔한 리얼리티 캡처, 항공 UAV 이미지 촬영, 라이다 스캔, Scan to BIM 기술 등으로 교량의 "실제 모델"을 개발하였다.

3차원 스캔, 리얼리티 캡쳐, Scan to BIM 변환(octavius, 2021.10)

BIM 실행 계획(BIM Execution Plan)에는 객체 분류, LOD 정의, 협업 방법, 상호 운용성 정의, BCF(BIM Collaboration Format) 활용 방안 등을 포함하였다.

교량 BIM 모델 생성 애플리케이션 및 프로세스.

BIM 모델을 동적 디지털 트윈으로 변환하기 위해 다른 주요 데이터 소스와 통합되었다.

첫 번째는 식별된 교량 위치에 배치된 센서에서 실시간 데이터를 수집하고 분석하는 IoT 시스템이었다. 이러한 센서는 500개가 넘고 각 물리적 센서에는 BIM 모델에 해당하는 디지털 센서가 있다.

IoT 센서 기반 교량 디지털트윈

두 번째는 전통적으로 수집된 교량 검사 및 유지 관리 데이터였다. 집계 데이터는 운영 및 유지 관리에 사용되는 교량의 자산 관리 시스템에서 사용할 수 있다.

기존 유지보수 이력 데이터

smartBRIDGE 함부르크 프로젝트 팀은 이 데이터를 시각화하기 위한 브라우저 기반 인터페이스를 개발했다. 각 센서를 포함하여, 각 개별 객체 요소의 세부 정보까지 드릴다운할 수 있다. 센서가 실시간으로 데이터를 캡처하기 때문에 교량 엔지니어는 언제든지 교량의 정확한 상태를 확인할 수 있다.

디지털 트윈은 자동 유지보수 알림을 설정할 수 있어야 한다. 예를 들어, 구조 응력을 모니터링하는 센서 데이터를 디지털 트윈과 연결해 놓고 모니터링할 수 있다. 해당 센서 판독값이 특정 임계값을 초과하는 경우 알림을 발행하도록 경고가 설정되었다.

디지털 트윈은 수행 중인 분석에 영향을 미치는 모든 변수를 시뮬레이션하여 what-if 분석을 지원한다. 교량 사장교 부분에서 상태가 심각해질 수 있는 와이어 파손수가 시뮬레이션될 수 있다. 이를 통해, 미래에 발생할 수 있는 잠재적인 시나리오에 맞게 교량을 개선할 수 있다.

가상 시뮬레이션

결론

건축, 도시 설계와 관련된 흥미로운 통계는 의사 결정과 관련된 데이터의 80%가 사용되지 않는다는 것이다. 디지털트윈을 통해, 더 많은 건물 도시 데이터를 가져오고, 시각화하고, 분석하여, 더 나은 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있을 것이다.

앞서 언급된 사례를 보면 알겠지만, 인프라 산업 분야를 위한 디지털트윈을 구현하기 위해서는 건설 도메인 엔지니어 뿐 아니라, 디지털 전환 도구 사용 경험이 풍부한 전문가 조직이 필수적이라는 것을 알 수 있다. IT분야에서 요구사항을 신속히 파악하고 시장 진입을 하고 싶을 때 보통 플랫폼 전략을 사용한다.

전통산업인 건설분야에서 할 수 있는 일이라고는 요구사항 정리밖에 없을 때, 디지털 전환의 혜택은 이런 IT 플랫폼 기업이 가져갈 것이다. 현재도 건설 디지털 전환 R&D 비용은 이런 전문가 조직에 대한 아옷소싱, 인프라 구축 비용으로 지출된다. 건설 엔지니어링 산업이 근본적으로 변화되지 않는 이상, 이 현상은 더욱 심화될 것이라 본다. 이제, Silo화된 프로세스에 매몰된 분야는 디지털 전환의 물결에서 변화할 것인지 침몰할 것인지 선택을 강요받고 있는 것 같다.

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