도시기반시설의 유지관리, 첨단기술로 안전해진다
도시기반시설의 유지관리, 첨단기술로 안전해진다
  • 강영호 기자
  • 승인 2022.05.30 11:42
  • 댓글 0
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[공학저널 강영호 기자] 땅속에 매설된 지하관로는 외력과 온도신축, 흙의 특성과 지하수, 기초지반 등의 영향을 받아 균열과 구멍 등의 손상이 발생되고 누수가 발생된다. 이러한 지하관로의 손상은 다양한 사고를 발생시킬 수 있어 이를 예방하기 위한 첨단 기술이 요구되고 있다.

강관인 열수송관은 구조적으로 파손되기는 어려우며, 대부분 연결부나 기초지반의 부등침하로 인해 손상이 발생될 수 있다. 이러한 지하관로의 누수를 탐지하는 대표적인 물리탐사 기법인 GPR은 전자파를 지표면에 방사시킨 후 반사체에서 되돌아온 반사파를 감지하는 것이다.

하지만 지하관로의 존재 유무나 누수 여부를 획득된 영상정보에서 정확히 판단하기는 어렵고, GPR의 음향을 이용한 방법은 매설된 지하관로 주변의 소음으로 인해, 누수 여부나 정확한 위치를 감지하기는 매우 어렵고, 전류를 이용한 방법도 이러한 물리적 한계가 있다.

이에 따라 물리탐사를 이용한 누수 감지 기술보다 손상을 실시간 감지하기 위해서는 모니터링이 가능한 센싱 기술이 필요하며, 연장이 매우 긴 지하관로의 손상을 감지하기 위해서는 토양수분계 또는 지중 온도계를 무수히 많이 설치해야 한다.

이러한 지점형 센서의 공간적 한계를 개선한 것이 분포형 센서인데 분포형 센서는 수리구조물의 침윤선이나 침투거동을 파악하기 위한 연구용 목적으로 많이 활용됐고, 케이블에 전기(TDR) 또는 빛(OTDR)을 주사한 후 반사파의 특성을 분석해 물리량을 측정하는 방식이다.

TDR은 전기를 이용하므로 모체가 금속이고, OTDR은 빛이므로 석영으로 만들어진 유리를 사용한다. OTDR은 빛을 매개로 하기 때문에 온도 측정에 적합하고, TDR은 전기펄스를 매개로 하므로 유전율 변화에 의한 토양수분량 측정에 적합하다.

서울기술연구원은 이러한 지하관로의 손상을 감지할 수 있는 분포형 TDR센싱 기술을 지난 2020년에 개발에 성공했다. 이 기술은 분포형 TDR센서와 TDR계측기기으로 구성되며, 최대 1km까지 10cm간격으로 계측이 가능하다.

TDR계측기기에서 생성된 약 250mV의 전기펄스를 분포형 TDR센서에 주사하게 되고 반사돼 오는 전기펄스를 감지해 지하관로 손상에 의해 유발되는 주변 지반의 토양수분량 또는 지중 온도 변화를 감지하게 된다. 분포형 센서(계측선)는 전기펄스가 이동하는 평각선(스테인리스 스틸)에 PVC(Poly Vinyl Chloride)로 피복된 계측선으로 내구성이 높고 광케이블에 비해 매우 저렴하다.

또한 100m 단위의 롤 형태로 제작돼 현장에서 운반과 설치가 간편하고, 함께 개발된 연결 키트로 10분 내로 쉽고 빠르게 접합할 수 있다는 것이 장점으로 손꼽힌다.

서울기술연구원 도시인프라연구실 박민철 수석연구원(사진, 우)은 “땅속에 매설된 관로의 손상을 감지하는 것을 기술적으로 매우 어려운 부분이기 때문에 대부분의 관리주체에서는 펌프와 밸브에 설치된 압력계로 누수 발생 유무를 판단하고 있다”며 “물리탐사와 분포형 센서 기술은 첨단 기술의 발전과 함께 활발히 연구 중에 있으며, 실제 운영이 가능할 단계까지 지속적인 고도화가 필요하다”고 말했다.

그는 이어 “현재 서울기술연구원은 지하관로 스마트 모니터링 기술을 2022년까지 개발 완료하고 실용화와 서울시 도입을 목표로 하고 있다”며 “이 기술을 통해 서울시의 지하관로를 선제적으로 유지관리하고 파열사고를 예방할 수 있기를 기대하고 있다”고 덧붙였다.

이러한 도시기반시설 관련 계획, 시공, 관리 등의 전 분야에 혁신기술 도입체계를 마련해 시민중심의 안전과 성능이 보장된 스마트 도시환경을 조성하고 있는 곳이 서울기술연구원 도시인프라연구실이다.

인프라 관리에서는 교량, 지하관로, 터널, 도로관리, 기후대응, 기반시설에 대한 통합관리에 대해 세부적인 기술 연구와 정책을 마련하고 있다. 대표적으로 터널의 균열 등 손상 방지를 위한 가이드라인에 대한 연구를 진행 중이다.

지하철 터널 정기점검은 열차 미운행 시간에 육안으로 점검하다보니 점검시간 과다, 측정 정확도 저하, 안전사고 위험, 점검 결과에 대한 발주처 검증이 불가능하다는 문제점이 있었다. 또한 기존의 점검방식은 점검자가 별도의 리프트를 이용한 약 6m 높이의 철도터널 박스를 점검은 위험성이 높고, 효율성도 떨어진다. 뿐만 아니라 터널 표면의 손상을 점검자의 육안으로만 확인해야하기 때문에 점검의 정확도 역시 떨어진다는 한계가 뒤따르고 있다.

이를 해결하고자 개발된 영상정보를 통한 콘크리트 표면손상 감지 기술은 민간과 학계에서 활발히 연구되고 있지만, 딥러닝 기반 영상분석을 위한 학습 데이터셋의 확보는 어려운 실정이다.

또한 점검 자동화를 위해서는 철도 터널의 환경과 점검차의 특성에 적합한 촬영 기법, 장비의 마련이 필수지만 현재 철도터널을 주행하며 영상정보를 획득하기에 적합한 촬영 기법과 장비가 개발돼 있지 않은 상황이다. 이에 서울기술연구원은 시범사업을 통해 철도터널의 특수한 환경에 적합한 촬영용 카메라의 ISO, F값, 셔터 스피드와 조명시설 조도 등을 비교분석하는 것이 목표로 연구개발에 힘쓰고 있다.

서울기술연구원 연구기획실 김종욱 전임연구원(사진, 좌)은 “터널 점검 자동화 기술의 도입과 운영을 위해서는 요소 기술들과 전체 시스템에 대한 기술적 체계, 요구사항들이 마련돼야 하지만 민간 주도의 연구의 경우 기술의 개발에만 초점을 맞추게 된다는 한계가 있다”며 “이번 연구에서는 민간 또는 학계에서 개발한 점검 자동화 기술을 검토할 뿐만 아니라 기술적 체계를 마련하고, 도시철도 터널에 시범적용을 통해 실효성을 상세히 검토해 이를 근거로 스마트 점검기술의 도입과 운영방안을 제시하고자 한다”고 말했다.

이처럼 서울기술연구원은 다양한 첨단 기술을 활용해 기조성된 도시기반시설을 고도로 유지관리하는 것에 대한 연구를 수행해 왔다. 이를 기반으로 앞으로는 시민 중심의 인프라 구축계획을 수립하고 산업 전 분야의 미래건설산업 성장을 위한 정책과제도 수행할 예정이다.

또한 이러한 연구를 통해 서울시민이 최첨단의 다양한 기술들을 활용한 안전하고 쾌적한 도시에서 편안한 삶을 영위할 수 있도록 인프라 전 분야로 연구범위를 확대해 나갈 계획이다.


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