인류가 탄생한 이후 산업이 발전하고 산업 발전과 더불어 선박, 철도, 자동차, 비행기 등 다양한 교통수단이 발전하였다. 철도는 증기기관차가 시속 8㎞로 달리던 것을 시작으로 이제는 시속 500㎞ 이상으로 운행이 가능한 수준으로 발전하였는데, 앞으로 어디까지 발전할 것일까?
4차 산업혁명 시대를 맞이하고 있는 현시점에서 우리나라 미래철도가 어떤 방향으로 나아가야 할지 고민해 보고, 기술적으로 그리고 경제적으로도 경쟁력이 있는 미래철도 산업 육성 전략을 수립할 필요가 있다. 본 칼럼은 이러한 필요성에 부응하여 국내 전문가들이 전문가 시각으로 보는 우리나라 철도의 미래발전 방향을 아래와 같은 내용으로 연속 게재하고자 한다. <편집자 주>
윤혁진 한국철도기술연구원 ICT대중교통연구실장
철도 교량의 손상은 구조적 안전성과 사용 가능성에 중대한 문제를 야기한다.
교량의 상태를 모니터링하고 사용 가능성을 유지하기 위해 일반적으로 훈련된 검사자가 특수 장비를 사용해 점검을 수행하지만, 이는 비용이 많이 들고 때로는 비효율적이다. 손상된 교량 점검 수요가 급격히 증가함에 따라 점검에 대한 적체가 증가하고 있으며, 기존 방법은 시간과 비용이 많이 소요된다. 이에 따라 드론(UAV)과 같은 대안적이고 효과적인 솔루션에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
최근 UAV 기술이 빠르게 발전함에 따라서 미국 교통부 등 해외 선진국에서는 교량 검사에 UAV를 사용하기 위한 많은 시도를 하고 있다.
미국 연방고속도로청(FHWA)에 따르면, 미국 내 61만 9,600개 이상의 교량 중 4만 3,000개 이상이 열악한 상태에 있는 것으로 나타났다. 아래 그림은 2021년 FHWA가 발표한 최신 연례 보고서를 바탕으로 각 기간별 미국 교량의 비율과 교량 상태를 보여준다.
시간이 지남에 따라 교량 상태가 점진적이지만 일관되게 개선되고 있지만, 여전히 50% 이상의 교량이 40년 이상 된 상태이며, 60% 이상이 양호하지 않은 상태에 있어, 비용을 최소화하면서 교량 검사를 수행할 수 있는 기술이 필요하다.
미시간 교통부는 2015년 4월부터 교량 검사를 위한 UAV 테스트를 진행하였다. UAV로 촬영된 이미지를 통해 포트홀과 마모를 감지하였고, RGB 카메라, 적외선 및 LiDAR 센서를 사용하였다. UAV가 안전성을 높이고 검사 비용을 절감할 수 있으며, 여러 센서를 동시에 사용하는 것이 데이터 수집 정확도를 크게 향상시킨다는 것을 보여주었다.
코레일의 노후교량 안전진단 현장. / 사진=코레일
오레곤 교통부는 교량 검사에 UAV를 활용하는 주 전역 연구를 수행하였으며, 외풍 조건이 교량 근처에서 UAV를 운영하는 데 가장 중요한 환경 변수라는 것을 발견하였다. 또한 고품질 이미지를 얻기 위해 주변 조명 조건과 카메라 설정이 중요하다는 점도 밝혔다. 초기 및 정기 검사에서는 UAV의 사용이 가장 효과적이라고 판단하였다.
미네소타 교통부는 교량 검사의 UAV 적용성과 효과를 평가하는 포괄적인 연구를 수행하였다. 첫 단계에서는 GPS 없이도 작동이 가능하며 상부 촬영이 가능한 카메라를 장착한 UAV가 교량 검사에 더 적합하다는 것을 확인하였다. 두 번째 단계에서는 다양한 구조 유형과 크기의 교량에 대한 시연을 확대하여 SenseFly Albris UAV를 사용하였다. 세 번째 단계에서는 39개의 교량을 SenseFly Albris와 Flyability Elios UAV로 검사하였다. 드론을 쉽게 조종하고, 제한된 공간에 접근할 수 있는 능력, 비용 효율성 등이 장점으로 나타났고, 짧은 배터리 수명과 케이지로 인한 비디오 간섭, 공기 흐름에 의한 문제 등은 단점으로 나타났다. 교량 표면의 직접적인 접촉이 없는 정기 검사에 UAV를 사용하는 것이 적합하며, 충돌 방지 시스템이 장착된 UAV와 충돌 내성 플랫폼의 사용이 필요하다고 판단하였다.
위스콘신 교통부는 세 종류의 도로 교량의 손상 상태 평가에 두 종류의 UAV를 사용하였다. UAV 장비의 품질이 교량 검사 결과의 품질에 중요한 영향을 미치며, 이미지 해상도와 적절한 각도에서 촬영 능력이 중요하다고 판단하였다. 아이다호 교통부는 피로 균열을 감지하기 위해 UAV를 활용한 교량 하부 검사를 진행하였고, 시각 스펙트럼과 열 영상 처리를 통해 피로 균열 및 기타 교량 결함을 감지하는 것이 가능하다는 결론을 얻었다. 이를 위해 UAS 플랫폼, 온보드 전자장치 및 데이터 수집 센서 선택이 중요하다고 판단하였다.
주로 사용된 UAV는 아래와 같다.
더욱 활발한 적용을 위해서는 기술의 고도화가 필요한 부분이 존재한다. 비행 시간(지속성), 페이로드, 내비게이션, 센서(결함 유형) 제한이 있다. 대부분의 UAV에는 추적, 경로 지점 비행, 그리드 비행과 같은 자동 비행 기능이 포함되어 있지만, 이들은 UAV가 명확한 경로를 갖추어야 한다는 전제하에 작동한다. 이 때문에 조종사들은 UAV의 안전을 보장하기 위해 장애물과 목표물에서 멀리 비행하며 데이터 품질을 타협하는 경우가 많다.
이를 극복하기 위해서 AI기반의 완전 자율비행 기술이 활발하게 연구되고 있으며, 몇몇 초기 제품이 상용화되어 시장에 출시된 상황이고 더높은 수준의 기술이 속속 등장할 것으로 예상된다. 이처럼 UAV를 이용한 교량 점검 기술은 AI 기술의 발전에 힙입어 수동, 반자동을 넘어서 완전 자율점검 단계로 진일보하고 있다.
우리도 급변하는 기술 발전 방향에 맞추어 선도적인 기술을 개발하고 국내외 테스트베드(Test Bed)에서 신뢰성있는 검증을 완료한다면 많은 수요가 있는 북미 시장진출이 가능하리라 생각된다.
/ 윤혁진 한국철도기술연구원 ICT대중교통연구실장
인류가 탄생한 이후 산업이 발전하고 산업 발전과 더불어 선박, 철도, 자동차, 비행기 등 다양한 교통수단이 발전하였다. 철도는 증기기관차가 시속 8㎞로 달리던 것을 시작으로 이제는 시속 500㎞ 이상으로 운행이 가능한 수준으로 발전하였는데, 앞으로 어디까지 발전할 것일까?
4차 산업혁명 시대를 맞이하고 있는 현시점에서 우리나라 미래철도가 어떤 방향으로 나아가야 할지 고민해 보고, 기술적으로 그리고 경제적으로도 경쟁력이 있는 미래철도 산업 육성 전략을 수립할 필요가 있다. 본 칼럼은 이러한 필요성에 부응하여 국내 전문가들이 전문가 시각으로 보는 우리나라 철도의 미래발전 방향을 아래와 같은 내용으로 연속 게재하고자 한다. <편집자 주>
철도 교량의 손상은 구조적 안전성과 사용 가능성에 중대한 문제를 야기한다.
교량의 상태를 모니터링하고 사용 가능성을 유지하기 위해 일반적으로 훈련된 검사자가 특수 장비를 사용해 점검을 수행하지만, 이는 비용이 많이 들고 때로는 비효율적이다. 손상된 교량 점검 수요가 급격히 증가함에 따라 점검에 대한 적체가 증가하고 있으며, 기존 방법은 시간과 비용이 많이 소요된다. 이에 따라 드론(UAV)과 같은 대안적이고 효과적인 솔루션에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
최근 UAV 기술이 빠르게 발전함에 따라서 미국 교통부 등 해외 선진국에서는 교량 검사에 UAV를 사용하기 위한 많은 시도를 하고 있다.
미국 연방고속도로청(FHWA)에 따르면, 미국 내 61만 9,600개 이상의 교량 중 4만 3,000개 이상이 열악한 상태에 있는 것으로 나타났다. 아래 그림은 2021년 FHWA가 발표한 최신 연례 보고서를 바탕으로 각 기간별 미국 교량의 비율과 교량 상태를 보여준다.
시간이 지남에 따라 교량 상태가 점진적이지만 일관되게 개선되고 있지만, 여전히 50% 이상의 교량이 40년 이상 된 상태이며, 60% 이상이 양호하지 않은 상태에 있어, 비용을 최소화하면서 교량 검사를 수행할 수 있는 기술이 필요하다.
미시간 교통부는 2015년 4월부터 교량 검사를 위한 UAV 테스트를 진행하였다. UAV로 촬영된 이미지를 통해 포트홀과 마모를 감지하였고, RGB 카메라, 적외선 및 LiDAR 센서를 사용하였다. UAV가 안전성을 높이고 검사 비용을 절감할 수 있으며, 여러 센서를 동시에 사용하는 것이 데이터 수집 정확도를 크게 향상시킨다는 것을 보여주었다.
오레곤 교통부는 교량 검사에 UAV를 활용하는 주 전역 연구를 수행하였으며, 외풍 조건이 교량 근처에서 UAV를 운영하는 데 가장 중요한 환경 변수라는 것을 발견하였다. 또한 고품질 이미지를 얻기 위해 주변 조명 조건과 카메라 설정이 중요하다는 점도 밝혔다. 초기 및 정기 검사에서는 UAV의 사용이 가장 효과적이라고 판단하였다.
미네소타 교통부는 교량 검사의 UAV 적용성과 효과를 평가하는 포괄적인 연구를 수행하였다. 첫 단계에서는 GPS 없이도 작동이 가능하며 상부 촬영이 가능한 카메라를 장착한 UAV가 교량 검사에 더 적합하다는 것을 확인하였다. 두 번째 단계에서는 다양한 구조 유형과 크기의 교량에 대한 시연을 확대하여 SenseFly Albris UAV를 사용하였다. 세 번째 단계에서는 39개의 교량을 SenseFly Albris와 Flyability Elios UAV로 검사하였다. 드론을 쉽게 조종하고, 제한된 공간에 접근할 수 있는 능력, 비용 효율성 등이 장점으로 나타났고, 짧은 배터리 수명과 케이지로 인한 비디오 간섭, 공기 흐름에 의한 문제 등은 단점으로 나타났다. 교량 표면의 직접적인 접촉이 없는 정기 검사에 UAV를 사용하는 것이 적합하며, 충돌 방지 시스템이 장착된 UAV와 충돌 내성 플랫폼의 사용이 필요하다고 판단하였다.
위스콘신 교통부는 세 종류의 도로 교량의 손상 상태 평가에 두 종류의 UAV를 사용하였다. UAV 장비의 품질이 교량 검사 결과의 품질에 중요한 영향을 미치며, 이미지 해상도와 적절한 각도에서 촬영 능력이 중요하다고 판단하였다. 아이다호 교통부는 피로 균열을 감지하기 위해 UAV를 활용한 교량 하부 검사를 진행하였고, 시각 스펙트럼과 열 영상 처리를 통해 피로 균열 및 기타 교량 결함을 감지하는 것이 가능하다는 결론을 얻었다. 이를 위해 UAS 플랫폼, 온보드 전자장치 및 데이터 수집 센서 선택이 중요하다고 판단하였다.
주로 사용된 UAV는 아래와 같다.
더욱 활발한 적용을 위해서는 기술의 고도화가 필요한 부분이 존재한다. 비행 시간(지속성), 페이로드, 내비게이션, 센서(결함 유형) 제한이 있다. 대부분의 UAV에는 추적, 경로 지점 비행, 그리드 비행과 같은 자동 비행 기능이 포함되어 있지만, 이들은 UAV가 명확한 경로를 갖추어야 한다는 전제하에 작동한다. 이 때문에 조종사들은 UAV의 안전을 보장하기 위해 장애물과 목표물에서 멀리 비행하며 데이터 품질을 타협하는 경우가 많다.
이를 극복하기 위해서 AI기반의 완전 자율비행 기술이 활발하게 연구되고 있으며, 몇몇 초기 제품이 상용화되어 시장에 출시된 상황이고 더높은 수준의 기술이 속속 등장할 것으로 예상된다. 이처럼 UAV를 이용한 교량 점검 기술은 AI 기술의 발전에 힙입어 수동, 반자동을 넘어서 완전 자율점검 단계로 진일보하고 있다.
우리도 급변하는 기술 발전 방향에 맞추어 선도적인 기술을 개발하고 국내외 테스트베드(Test Bed)에서 신뢰성있는 검증을 완료한다면 많은 수요가 있는 북미 시장진출이 가능하리라 생각된다.
/ 윤혁진 한국철도기술연구원 ICT대중교통연구실장