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Executive Summary
목차
제1장 서론 21
1. 서론 21
1.1. 연구개요 21
1.2. 연구배경 및 필요성 22
1.3. 최종 연구개발 목표 24
1.4. 당해연도 연구개발 목표 25
제2장 지하시설물 관리 기술 현황 분석 26
1. 국내 정책 및 노후화 현황 26
1.1. 기반시설관리법 제정 26
1.2. 안전강화 종합대책 27
1.3. 노후 기반시설 관리 및 안전 강화 27
1.4. 국내의 지하시설물 관리 현황 28
1.5. 지하매설배관 구조적 건전성 평가 28
2. 위험지도(Hazard Map) 개발 현황 조사 31
2.1. Hazard MAP의 개요 31
2.2. Hazard MAP의 방재 지리 정보 32
2.3. 토사 재해 Hazard Map의 작성 매뉴얼 34
2.4. 홍수 Hazard Map의 작성 매뉴얼 43
3. 지하시설물 위치·선형 조사 기술 현황 46
3.1. 지하시설물 물리탐사기술 개요 46
3.2. 물리탐사 적용항목 48
3.3. 지하시설물 물리탐사 기술 현황 49
3.4. 지하시설물의 물리탐사 기술 적용 사례 53
4. 지하시설물 건전도 조사 기술 현황 조사 54
4.1. 지하 콘크리트 시설물의 열화 원인 54
4.2. 지하 콘크리트 시설물 성능평가 기법 63
제3장 지반함몰 위험 지도 제작 및 AI 분석 DB 구축 72
1. 지하 공간 위험예측 분석 DB 구축 72
1.1. 국내 지하정보 DB 구축 및 활용 현황 72
1.2. 국외 지하정보 DB 구축 및 활용 현황 80
1.3. 국내외 지하정보 DB 구축 및 활용 현황 시사점 83
1.4. 지반함몰 영향분석용 입력데이터 설계 84
1.5. 지하정보 추출데이터 신뢰성 분석 모듈 개발 88
1.6. 지반함몰 입력 DB 관리 모듈 개발 91
1.7. 지반함몰 영향분석용 지하정보 신뢰성 분석 및 입력 DB 관리시스템 93
1.8. 지반함몰 위험지도 영역설계 94
제4장 지하매설관 위치·선형 조사 기법 95
1. 개요 95
2. 매설관 위치정보 조사 기술 98
2.1. 최종목표 및 연구범위 98
2.2. 위치조사 장비 시작품 제작 99
2.3. 파일럿 테스트 현장 구축 105
2.4. 시작품 성능평가 107
3. 소결 112
제5장 지하시설물 건전성 평가 및 위험도 분석 알고리즘 113
1. 개요 113
2. 지하시설물 파손가능성 예측을 위한 빅데이터 구축 115
2.1. 지하시설물 속성정보 분류 115
2.2. 위험도 분석인자 선정 116
2.3. 데이터 수집을 위한 기본단위 설정 133
2.4. 열수송관 속성정보 DB 구축 139
2.5. 지하시설물 빅데이터 구조 설계 145
3. 지하시설물 구조적 건전성 평가 알고리즘 설계 161
3.1. 개요 161
3.2. 데이터 기반 지하시설물 파손확률 추정 161
3.3. 구조적 건전성 평가점수 부여 및 보정 171
3.4. 구조적 건전성 평가등급 제시 179
4. 파손가능성과 파급효과를 고려한 위험도 분석 모델 설계 180
4.1. 개요 180
4.2. 지하시설물 파손시 파급효과 분석 180
4.3. 지하시설물 위험도 분석 184
5. 위험도 분석 소프트웨어 시작품 개발 186
5.1. 개요 186
5.2. 사용 환경 187
5.3. 소프트웨어 실행절차 189
제6장 결론 199
참고문헌 201
부록 202
서지자료 214
Bibliographic Data 215
판권기 216
표 1.1. 연차별 연구 목표 24
표 1.2. 당해연도 연구개발 세부사항 25
표 2.1. 국외 상수도관로 자산관리 체계 현황 29
표 2.2. 열수송관 위험등급 구분 30
표 2.3. 물리탐사, 비파괴 검사, 측량의 정의와 방법 46
표 2.4. 종래형 물리탐사와 방재·유지관리 분야에서의 물리탐사와의 차이 47
표 2.5. 종래형 물리탐사의 대응 심도와 탐사효율 47
표 2.6. 유지관리 분야의 주요 조사 목적 48
표 2.7. 매설관의 조사기가와 조시 대상의 적용성 53
표 2.8. 타격방향에 따른 반발경도 보정 65
표 2.9. 초음파 속도에 의한 콘크리트 품질 등급표(표면법) 67
표 4.1. 국외 상수도관로 자산관리 체계 현황 97
표 4.2. 관련 세계 최고수준 및 최종목표 98
표 4.3. 영상 센서 특징 조사 99
표 4.4. 매설관 세부 측량 결과 105
표 4.5. 실험 결과 111
표 5.1. 지하시설물 속성정보 분류 116
표 5.2. 각 지사별 열수송관 구축현황 및 경과연수 비교 117
표 5.3. 중점관리구간 선정기준 120
표 5.4. 중점관리구간에 대한 등급분류기준 121
표 5.5. 열수송관 부식진단 측정결과에 대한 판정기준 122
표 5.6. 중점관리구간 진단결과에 따른 보수기준 122
표 5.7. 열수송관 위험등급 구분 124
표 5.8. 전도 분류기준 126
표 5.9. 열수송관 속성정보 데이터 확보 가능여부 130
표 5.10. 열수송관 속성정보와 파손확률, 파급효과 상관성 분석 132
표 5.11. 구조적 건전성 평가인자, 평가후보인자 구분 132
표 5.12. 파급효과 분석인자 구분 133
표 5.13. 8개 지사 데이터 수집 현황 141
표 5.14. 손상원인 및 위치별 이상건수 144
표 5.15. 빅데이터 특징(7V) 146
표 5.16. 빅데이터 전처리(pre-processing)의 다섯 가지 단계 147
표 5.17. 하둡을 구성하는 컴포넌트 149
표 5.18. 관경별 파손확률 및 가중치 설정 169
표 5.19. 사용목적별 가중치 설정 170
표 5.20. 관리주체별 파손확률 170
표 5.21. 관리주체별 가중치 설정 171
표 5.22. 부속시설물의 종류에 따른 파손가능성과 가중치 173
표 5.23. 부속시설물의 밀집도에 따른 파손가능성과 가중치 174
표 5.24. 보수이력의 종류에 따른 파손가능성과 가중치 175
표 5.25. 보수이력의 밀집도에 따른 파손가능성과 가중치 175
표 5.26. 토양 부식성 평가항목별 측정결과에 대한 조건값 176
표 5.27. 부식환경에 따른 파손 가능성과 차감점수 177
표 5.28. 감시시스템을 활용한 차감점수 178
표 5.29. 파급효과 Matrix 구성 184
그림 1.1. 지하 공간 정보 정확도 개선 및 매설관 안전관리 기술개발의 개요도 21
그림 1.2. 지하공간통합지도 개념도 22
그림 1.3. 지하 공간 통합지도 내 시설물별 데이터 오류율 23
그림 2.1. 지속가능한 기반시설 안전강화 종합대책 내 추진전략 및 중점 추진과제 26
그림 2.2. 지하매설물 노후화 현황 27
그림 2.3. 2014~2018 노후 기반시설 투자 현황 27
그림 2.4. 열수송관 위험등급 및 잔존수명 산출 30
그림 2.5. 일본 국토지리원에서 간행하고 있는 방재 지리 정보 31
그림 2.6. 토지 조건도 (Hakodate의 일부 사례) 32
그림 2.7. 도시권 활단층의 일부 사례 32
그림 2.8. 화산지형 조건도의 예 33
그림 2.9. 소형 지도의 예 33
그림 2.10. 연안 해저 지형도와 연안지역 토지 조건도 33
그림 2.11. 토사재해 Hazard Map의 작성 순서 36
그림 2.12. 사례 1 : 공통항목만을 기재(기반도에 All soft 적용) 40
그림 2.13. 사례 2 : 공통항목만을 기재(기반도에 Aii soft 적용) 40
그림 2.14. 사례 3 : 공통항목만을 기재(사례 1에 소축척의 지도를 사용한 경우) 41
그림 2.15. 사례 4 : 공통항목 및 지역항목을 기재 41
그림 2.16. 사례 5 : 공통항목 및 지역항목을 기재 42
그림 2.17. 사례 6 : 공통항목 및 지역항목을 기재(사례 4에 소축척으로 기재) 42
그림 2.18. 공동·지하 매설물의 조사 대상 시설물의 예 49
그림 2.19. 지중 레이더 탐사장치 50
그림 2.20. 지중 레이더 탐사 결과 예(기록과 해석 결과) 51
그림 2.21. RC 레이더 기기 및 팀사 상황 52
그림 2.22. 전자유도법에 의한 매설관 조사 및 측정 상황 52
그림 2.23. 건조와 탄산화에 의한 콘크리트의 중량감소 55
그림 2.24. 상대습도에 따른 건조수축과 탄산화 56
그림 2.25. 콘크리트의 탄산화와 pH의 변화 57
그림 2.26. 화학적 침식에 의한 콘크리트의 열화 메커니즘 58
그림 2.27. 지하수의 누수로 인한 콘크리트의 열화 59
그림 2.28. 콘크리트의 동해에 의한 성능저하 과정 62
그림 2.29. 표면법에 의한 발․수진자의 배치도(TX :발진자, TR :수진자) 68
그림 2.30. 탄산화에 따른 철근의 녹 발생 현황 70
그림 2.31. 물-시멘트비, 탄산화깊이 및 재령과의 관계 71
그림 3.1. 지하공간안전정보시스템 메인화면 72
그림 3.2. 국토지반정보 통합DB센터 서비스 화면 73
그림 3.3. 지반정보통합관리 시스템 서비스 화면 73
그림 3.4. 시설물통합관리시스템 시설유지관리업체 조회 기능 74
그림 3.5. 국가상수도정보시스템 상수도통계 74
그림 3.6. 국가하수도정보시스템 하수도 통계
그림 3.7. 도로굴착복구시스템 항공사진 지도와 굴착공사 조회 76
그림 3.8. 도로점용 정보마당 메인페이지 76
그림 3.9. 건설사업정보시스템의 지도정보 메뉴 77
그림 3.10. 농어촌지하수관리시스템의 농어촌지하수 지도 78
그림 3.11. 국가광물자원지리정보망의 WEB GIS 메뉴 78
그림 3.12. 급경사지 정보 입력 화면 79
그림 3.13. 지질정보서비스시스템의 지질주제도 80
그림 3.14. USGS에서 제공되고 있는 미국 지질도 80
그림 3.15. USGS에서 운영되고 있는 GeoLog Locator 81
그림 3.16. 지진관측소의 지질 · 지반정보(NIED, 2019) 81
그림 3.17. J-SHIS 내의 활성 단층 지도 (NIED, 2019) 82
그림 3.18. Gsj Navi 상에 가시화된 일본 지진재해도 (AIST, 2019) 82
그림 3.19. 국립 암반 울타리도와 Petrel 모델, 영국의 지질학 지도 뷰 83
그림 3.20. 데이터 추출 경계 84
그림 3.21. 입력데이터 표현방식과 표현 범위 85
그림 3.22. DB 접속 초기화면 86
그림 3.23. 지역 선택 화면 86
그림 3.24. 시추정보 항목 선택 화면 87
그림 3.25. 항목 및 속성 정보 설계 87
그림 3.26. 데이터 신뢰도 평가 기능 88
그림 3.27. 데이터 신뢰도 평가 기능 화면 89
그림 3.28. 데이터 신뢰도 평가 기능 화면 89
그림 3.29. 오류데이터 제거 과정 90
그림 3.30. AI 분석시스템 연동 구성도 91
그림 3.31. 지반함몰 분석용 지하공간통합지도 데이터 조회 기능 91
그림 3.32. DB 통합관리 기능 일부 92
그림 3.33. 추출데이터 입력 경로 및 정보 설정 92
그림 3.34. 관리시스템 기능의 각 화면 및 전체 관리시스템 UI Example 93
그림 3.35. 지반함몰 위험지도의 구성도 94
그림 3.36. 지반함몰 위험지도 예시 94
그림 4.1. 지하매설물 노후화 현황 96
그림 4.2. 2014~2018 노후 기반시설 투자 현황 96
그림 4.3. 관내 조사를 통한 지하시설물 위치정보 조사 연구범위 99
그림 4.4. ZED2 카메라 외관 100
그림 4.5. 영상 촬영 SDK 화면 101
그림 4.6. 센서 정보 SDK 화면 102
그림 4.7. 댑스 정보 SDK 103
그림 4.8. 위치 추정 및 매핑 SDK 103
그림 4.9. 실제 매설관 내부 관측에 활용되는 무인 이동체 ROBOCAM 1 104
그림 4.10. 위치정보 취득 센서 탑재 모듈 및 시작품 104
그림 4.11. 한국건설기술연구원 연천SOC실증연구센터 위치 105
그림 4.12. 플랜트실증시험 사이트에 마련된 지중매설관 유출입부 106
그림 4.13. Photoscan coded marker 예시 107
그림 4.14. 머물러 있는 구간에서의 영상 108
그림 4.15. 일정 구간에 머물러 있는 이동체 위치 108
그림 4.16. SfM을 통해 관측된 내부 영상 109
그림 4.17. SfM을 통해 계산된 매설관 전체 선형 109
그림 4.18. IMU 값을 초기값으로 설정하고 SfM을 처리한 결과(외부) 111
그림 4.19. IMU 값을 초기값으로 설정하고 SfM을 처리한 결과(내부) 111
그림 5.1. 지하시설물 건전성 평가 및 위험도 분석 절차 114
그림 5.2. 열수송 이중보온관 내부구조(감지선 포함) 118
그림 5.3. 열수송관 감시시스템 구성도 119
그림 5.4. 한국지역난방공사 관리구간 설정방법 120
그림 5.5. 한국지역난방공사 기대여명 산출 및 위험등급 구분 123
그림 5.6. FMEA 분석법과 Risk Matrix를 활용한 시설물별 위험도 분석(프랑스) 127
그림 5.7. Risk Matrix를 통한 열수송시설 위험도 분석 및 개선대상 선정(스웨덴) 129
그림 5.8. 파손확률과 파급효과를 고려한 Risk Matrix 작성(핀란드, Fortum) 130
그림 5.9. 한국지역난방공사 배관정보(데이터) 구축 134
그림 5.10. 이탈리아 지역냉난방시스템 구축시 열수송관 단위 길이 137
그림 5.11. 열수송관 기본단위 설정 예시 139
그림 5.12. 한국지역난방공사 열수송관 현황도(배관정보) 속성정보 140
그림 5.13. 한국지역난방공사 열수송관 현황도 데이터 테이블 정의서 140
그림 5.14. GIS기반 배관 위치정보 및 속성정보 확인 141
그림 5.15. 차단밸브 및 맨홀/핸드홀 GIS기반 위치정보 및 속성정보 142
그림 5.16. 기타 부속시설물 종류별 GIS기반 위치정보 및 속성정보
그림 5.17. GIS기반 보수지점 위치정보 및 속성정보 143
그림 5.18. GIS기반 중점관리구간 위치정보 및 속성정보 144
그림 5.19. 감시시스템 운영현황 145
그림 5.20. 빅데이터 프로세싱(Big data processing) 146
그림 5.21. 빅데이터 전처리 (1), (2) 단계 147
그림 5.22. 빅데이터 전처리 (3) 단계 148
그림 5.23. 빅데이터 전처리 (4), (5) 단계 148
그림 5.24. 하둡의 기본적인 아키텍처(architecture) 150
그림 5.25. 지사별 배관 속성정보 데이터 151
그림 5.26. MySQL Workbench 152
그림 5.27. MySQL Workbench DB연결 152
그림 5.28. MySQL Workbench 데이터 임포트 과정1 153
그림 5.29. MySQL Workbench 데이터 임포트 과정2 154
그림 5.30. MySQL Workbench 데이터 임포트 과정3 154
그림 5.31. 데이터베이스 테이블 155
그림 5.32. Pipe 테이블 관계 155
그림 5.33. Pipe 테이블 속성 156
그림 5.34. Pipe table records 156
그림 5.35. Pipe_type table records console 157
그림 5.36. Corporation 테이블 속성 157
그림 5.37. idCorporation 158
그림 5.38. Corporation table schema console 158
그림 5.39. City table 속성 159
그림 5.40. City table records 159
그림 5.41. City table schema console 159
그림 5.42. Pipe_type table 속성 160
그림 5.43. pipe_type table records 160
그림 5.44. Pipe_type table schema console 160
그림 5.45. 열수송관 관종별 사용연수에 따른 파손발생 가능성 예측 162
그림 5.46. 지하매설배관의 사용연수-파손확률 상관관계 예시 162
그림 5.47. 열수송관 준공연도별 파손확률 분석 163
그림 5.48. 사용연수별 관 연장 및 파손건수 분석(2010~2019, 8개 지사) 164
그림 5.49. Fitting 모델별 사용연수-파손확률 상관관계 분석 결과 166
그림 5.50. 사용연수-파손확률 상관관계 분석 167
그림 5.51. 열수송관 관경별 파손확률 분석 168
그림 5.52. 열수송관 주요 8개지사별 사용연수 170
그림 5.53. 파급효과 분석인자별 특징 분석 183
그림 5.54. 열수송관 건전성 평가 Risk Matrix 185
그림 5.55. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 주요 내용 186
그림 5.56. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 주요 기능 187
그림 5.57. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 H/W, S/W 구성도 188
그림 5.58. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 초기 실행 화면 189
그림 5.59. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 메인화면 190
그림 5.60. 배관정보 데이터 불러오기 191
그림 5.61. 배관정보 시각화 및 속성정보 확인 191
그림 5.62. 기본단위별 속성정보 확인 192
그림 5.63. 지점정보 시각화 및 속성정보 확인 193
그림 5.64. 감시시스템 Loop 정보 불러오기 193
그림 5.65. 소프트웨어 화면 초기화 194
그림 5.66. 배관 내 지점정보별 밀집도 산출결과 195
그림 5.67. 열수송관 위험도 분석 결과 확인 195
그림 5.68. 열수송관 위험도 분석 결과 내보내기 196
그림 5.69. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 기능(화면) 196
그림 5.70. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 기능(시설물 선택) 197
그림 5.71. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 기능(데이터 보기) 197
그림 5.72. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 기능(시설물 속성정보 확인) 197
그림 5.73. 지하시설물 위험도 분석 소프트웨어 기능(기본단위 및 밀집도 산출조건 설정) 198