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중소기업 기술로드맵 조회결과

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도로 및 지상시설물 안전진단 시스템 SW
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

도로 및 지상시설물 안전진단 시스템 SW 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 시설물 안전진단 시스템 SW는 도로 및 지상시설물 등 구조물에 센서를 부착하여 계측하고, 이를 이용하여 시설물의 손상위치 파악 및 손상에 따른 상태를 평가하는 SW를 의미
  • 범위 : 무선기반 센서 디바이스에 신호처리 및 해석 기능 등을 기반으로 한 스마트 센서로 발전하고 있으며, 현장에서의 일반 모니터링이 아닌 원격지에서의 실시간 모니터링을 수행하면서 활용에 대한 확장성이 더욱 커지고 있는데, 시설물의 변위나 가속도, 진동 등 소수의 센서로부터 전체 시설물의 상태를 모니터링 하는 전역적인 기법과 변형률이나 전기 역학적 임피던스 및 파형전달 특성 등을 이용하여 국부 구조계나 특정 부재를 모니터링 하는 국부적인 기법을 모두 포함
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

안전산업 육성 추진상황(2016)에 따르면, 안전산업의 세계 시장 규모는 2016년 3,540억 달러에서 연평균 6.9%씩 증가해 2021년에는 4,940억 달러에 도달할 전망

[ 대기오염 방지설비 세계 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

안전산업 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 354,000 378,400 404,500 432,400 462,200 494,000 6.9

* 출처 : 안전산업 육성 추진상황(관계부처 합동, 2016)

나. 국내시장

시설물 정밀안전진단 및 안전점검 분야의 국내 시장 규모는 2016년 2,339억 원에서 연평균 13.2%씩 증가해 2021년 4,353억 원에 도달할 전망

[ 시설물 정밀안전진단 및 안전점검 분야의 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

시설물 정밀안전진단 및 안전점검 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 2,339 2,649 2,999 3,396 3,845 4,353 13.2

* 출처 : 시설물 안전관리 평가(국회예산정책처, 2016), 위 표는 2011~2015년까지의 연평균 증가율을 적용해 예측한 값임

2015년 기준 민간업체의 정밀안전진단 및 안전점검 시장 점유율은 90.7%(수주금액 약 1,875억 원)이고, 한국시설안전공단 점유율은 9.3%(수주금액 약 191억 원)

4.기술분석
가. 기술환경 분석

센서

  • ICT 기반의 기술로 구조 건전성 모니터링을 수행하기 위하여 관련된 기본 기술 중 가장 필수적인 요소
  • 센서는 물리적 혹은 화학적 자극에 반응하거나 감지하는 장치로서 현장의 자극과 직접적으로 상호작용을 하는 장치
  • 센서는 측량 또는 통제를 위하여 나중에 기초로 사용되거나 해석될 수 있는 장치에 의하여 생산된 출력신호나 전기충격을 의미
  • 일반적으로 센서라고 지칭하는 장치는 “온도, 압력, 유량, 또는 그들의 변화, 혹은 빛, 소리, 전파 등의 강도를 감지하여 그 정보 수집시스템의 입력신호로 변환하는 디바이스(device)”라고 말 할 수 있음
  • 측정 대상에 센서를 부착하여 물리량이나 화학량을 선택적으로 포착하고 유용한 신호(주로 전기적 신호)로 변환하여 출력하는 장치를 말함

[ 센서의 분류 ]

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센서의 분류
센서분야주요기능 및 적용 제품(시스템)
트랜스듀서
  • 어떤 종류의 신호 또는 에너지를 다른 종류의 신호 또는 에너지로 변환하는 장치
  • 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 장치
  • 에너지 전달, 모니터링, 통제의 목적으로 사용됨
  • 트랜스듀서는 김지된 정보를 유용한 신호로 변환하는 변환장치
액추에이터
  • 입력된 신호에 대응하여 작동을 수행하는 장치
  • 센서의 기능은 외부로 부터의 자극이나 신호를 선택적으로 감지
  • 감지된 원초적 신호를 유용한 전기적 신호로 변환하는 기능
  • 액추에이터는 센서와 반대로 원하는 물리량(유량, 구동 전류
탐지기
  • 센서에서 발생한 신호를 이용하거나 이해할 수 있는 형태로 변환하는 전기장치로 조립된 부품
측정
  • 측정 대상의 속성에 대하여 일정한 법칙에 따라 수치를 부여하는 것
  • 측정은 길이, 부피, 시간, 온도에 해당하는 네 가지 기준 가운데 하나와 관련된 어떤 것의 양과 길이를 결정하는 것
  • 일반적으로 측정은 역학, 열, 전기, 자기장, 빛에너지 상태와 관련됨

* 출처 : IT 융-복합 산업 혁신을 위한 스마트센서 산업 육성 사업 예비타당성 조사보고서

  • 시설물 구조 건전성의 측정을 위한 센서의 구비요건으로는 측정 정밀도, 감도, 선택도, 안정도, 복귀도를 들 수 있음

    • 부대요건으로는 기능성, 적용성, 규격성, 생산성, 보존성 등을 들 수 있으며 일반적으로 기본요건 및 부대요건이 많을수록 신뢰성이 좋은 센서라고 할 수 있음
    • 정밀도와 감도, 안정도가 좋은 센서를 사용하여야 구조물의 변위 및 운동량, 역학량 등을 정밀하게 감지할 수 있어 보다 신뢰성 있는 구조 건전성 모니터링을 수행 할 수 있음

[ ICT 기반 네트워크 기술 ]

[ ICT 기반 네트워크 기술 ]
구분내용
근거리 네트워크 Zigbee
  • 근거리 통신을 지원하는 IEEE 802.15.4 표준 중 하나
  • 세계 대부분 지역에서 ISM(Industrial Scientific Medical band) 밴드인 2.4 GHz 무선 주파수대역 사용
  • 기존의 구조 건전성 모니터링의 센서 네트워크에 가장 많이 사용된 통신 수단임
Bluetooth
  • 근거리 통신을 지원하는 블루투스의 무선 시스템은 ISM 주파수 대역인 2400~2483.5MHz를 사용함
  • 최고 수준의 저전력 통신 표준과 안정적인 네트워크 페어링 기술로 인해 센서를 이용한 시설물 안전진단 관리에 적합한 네트워크 기술임
중.장거리 네트워크 LPWA (Low-Power Wide-Area)
  • 사물인터넷(IoT) 분야에서 사용하는 기술 가운데 하나로 IoT 서비스 범위를 확대하기 위해 근거리 무선통신의 가장 큰 단점인 ‘단거리’를 극복한 저전력 광역 통신 기술로서 구조 건전성 모니터링의 주요 통신 수단으로 발전 할 수 있음
LTE-MTC (LTE Machine-Type Communications
  • 저전력 설계, 저가 장비 공급, 낮은 구축비용, 안정적인 커버리지, 대규모 단말 접속 구현 등이 핵심 요구사항으로 고려되는 IoT 전용 접속기술로서 통신사의 LTE망을 활용하므로 시설물 안전관리를 위한 센서 데이터 수집 범위를 광범위하게 확대 할 수 있음
NB LTE (NarrowBand-Int ernet of Thing)
  • 이동통신망을 통해 저전력 광역(LPWA: Low Power Wide Area) 통신을 지원하는 협대역 사물 인터넷 표준으로 LTE-M과 유사한 통신 표준
LoRaWAN ( Low Power Wide Area Network)
  • 900MHz대 주파수를 사용하여 저전력 원거리 통신을 지향하는 사물 인터넷 망으로 데이타 통신 속도는 0.3 kbps to 50 kbp로 낮아 저전력이 가능함
  • 구조 건전성 센서 모니터링을 위한 독립된 구조의 중거리 통신 수단으로서의 역할이 가능함
SIGFOX
  • 시그폭스는 별도의 기지국 또는 중계 장비 없이 다양한 사물에 칩셋 기반의 통신 모뎀을 연결, 가까운 거리에서 서로 꼭 필요한 데이터들만 주고받을 수 있도록 하면서 별도의 망 구축 비용과 전력 소모를 최소화한 기술임
  • 저렴한 모듈과 통신비용으로 실시간 연속적인 데이터 수집을 필요로 하는 구조 건전성 모니터링용 통신 수단으로 활용 가치가 높음

사물인터넷(Internet of Things, IoT)

  • 시설물에 대한 실시간 안전관리를 위한 구조 건전성 모니터링의 가장 기본적인 적용 기술
  • 사물인터넷은 사람과 사물, 사물과 사물 간 언제 어디서나 서로 소통할 수 있도록 하는 미래 인터넷 기술을 의미
  • 사물인터넷은 지금까지 USN, M2M, IoT등 다양한 연결기술의 개념으로 발전되어 왔으며, 주로 M2M에서 IoT로 기술범위의 확산과 기술 트랜드의 변화로 인한 연결기술 논의가 활발히 진행되고 있음

[ 사물인터넷의 용어 구분 및 정의 ]

[ 사물인터넷의 용어 구분 및 정의 ]
구분내용
USN (Ubiquitous Sensor Network) ITU-T 센서가 수집한 정보를 상황인식 기능에 의하여 처리한 후 때와 장소, 대상을 불문하고 지식 서비스를 제공하는 현존하는 물리적 네트워크상의 개념적인 네트워크
M2M (Machineto- Machine IEEE 가입자 장치(suscriber station)와 기지국(base station)을 거쳐 코어-네트워크에 위치하는 서버간의 정보 교환 혹은 가입자 장치간 인간의 개입 없이 발생하는 정보 교환
IoT (Internet of Things) ITU(‘05) 모든 사물에게 네트워크 연결을 제공하는 네트워크의 네트워크
EU(‘07) 대상물들(objects)간에 통신이 가능한 네트워크와 서비스
CASAGRAS 데이터 수집과 통신기능을 통하여 물리적 객체와 가상의 객체를 연결해주는 글로벌 네트워크 기반구조
IETF 표준 통신 프로토콜을 기반으로 독자적인 주소를 가지며 상호 연결된 객체들의 전 세계 네트워크

* 출처 : 윤미영・권정은, “창조적 가치연결, 초연결사회의 도래”, 제10호, 한국정보화진흥원, 2013.

  • 사물인터넷의 기술적인 발전과 시대적 트랜드에 따라서 센서 네트워크는 USN에서 M2M, 그리고 지금의 IoT로 발전함
  • ICT 기반의 구조 건전성 모니터링에 적용 가능한 사물인터넷의 기본조건으로 센서와 유무선 통신, 네트워크 인프라, 그리고 IoT 서비스 인터페이스 기술을 들 수 있음

[ 사물인터넷의 주요기술 ]

[ 사물인터넷의 주요기술 ]
구분내용
센싱기술
  • 전통적인 온도/습도/열/가스/조도/초음파 센서 등에서부터 원격 감지, 레이더, 위치, 모션, 영상 센서 등 유형 사물과 주위 환경으로부터 정보를 얻을 수 있는 물리적 센서를 포함하는 기술
  • 기존의 독립적이고 개별적인 센서보다 한 차원 높은 다중(다분야) 센서 기술을 사용하기 때문에 한층 더 지능적이고 고차원적으로 건축 시설물의 안전관리 정보를 추출할 수 있음
유무선 통신 및 네트워크 인프라 기술
  • 사물인터넷의 유무선 통신 및 네트워크 장치로는 기존의 WPAN, WiFi, 3G/4G/LTE, Bluetooth, Ethernet, BcN, 위성통신, Microware, 시리얼 통신, PLC 등, 인간과 사물, 서비스를 연결시킬 수 있는 모든 유무선 네트워크를 의미함
  • 구조 건전성 모니터링을 구축하는 대상 시설물을 모니터링 하는 센서 계측 정보를 수집하기 위한 기본 인프라 기술로서 통신 인프라의 발달로 더 많은 계측량과 영상 데이터와 같은 대용량 데이터까지 활용할 수 있음
IoT 서비스 인터페이스 기술
  • IoT 서비스 인터페이스는 IoT의 주요 3대 구성 요소(인간 사물 서비스)를 특정 기능을 수행하는 응용서비스와 연동하는 역할
  • IoT 서비스 인터페이스는 정보의 센싱, 가공/추출/처리, 저장, 판단, 상황 인식, 인지, 보안/프라이버시 보호, 인증/인가, 디스커버리, 객체 정형화, 온톨러지 기반의 시맨틱, 오픈 센서 API, 가상화, 위치확인, 프로세스 관리, 오픈 플랫폼 기술, 미들웨어 기술, 데이터 마이닝 기술, 웹 서비스 기술, 소셜네트워크 등, 서비스 제공을 위해 인터페이스(저장, 처리, 변환 등) 역할등을 의미
  • 구조 건전성 모니터링을 이용한 시설물 안전관리 담당자의 현장 업무를 수행할 경우에는 안전관리 현장에 맞는 사용자 인터페이스 적용이 필

* 출처 : 민경식, “사물 인터넷(Internet of Things)”, 한국인터넷진흥원, 2012.

  • 사물인터넷을 구현하기 위해서는 기본적으로 센싱기술과 통신 네트워크를 구현하기 위한 네트워크 인프라 기술, 그리고 이용자들에게 서비스를 제공해주는 인터페이스 기술로 구분 가능
  • 특히 IoT 서비스 인터페이스 기술에는 단순한 센서 데이터 모니터링 기술뿐만 아니라 데이터의 가공, 판단, 상황인지, 보안, 시맨틱 처리, 데이터 마이닝 등 첨단 데이터베이스 처리기술을 통한 서비스 제공 기술을 의미

빅데이터(Big Data)

  • 대규모의 건축 시설물들에 대하여 구조 건전성 모니터링을 수행하게 되면 더 많고 다양한 정보가 실시간성으로 증가함
  • 빅데이터는 기존 데이터베이스 관리도구로 시설물 안전관리 데이터를 수집, 저장, 관리, 분석할 수 있는 역량을 넘어서는 대량의 정형 또는 비정형 데이터 집합을 의미
  • 빅데이터의 정의는 데이터 규모와 기술 측면에서 출발했으나, 빅데이터의 가치와 활용효과 측면으로 의미가 확대되는 추세
  • 시설물 안전관리에 적용하는 빅데이터 분석은 정형적인 데이터를 분석하던 기존의 데이터 마이닝과는 근본적인 차이가 있어 사람의 전문성이 필요
  • 빅데이터 분석 시 동일한 데이터라 하더라도 분석모델과 알고리즘을 어떻게 설계하는가에 따라 결과가 전혀 다르게 나올 수도 있어 잘못된 분석결과는 시설물 안전관리 담당자의 의사결정이나 정책결정의 오류로 이어질 가능성이 있으므로 보다 정밀한 알고리즘과 모델링을 통한 적용이 필요
  • ICT 기술이 적용되어 시설물에 다양하고 복잡한 센서를 사용하게 되면 기하급수적인 규모의 데이터가 발생
    • 대규모 시설물들에 대하여 더 많고 다양한 정보는 실시간으로 정보가 증가하게 될 것이고 데이터의 처리 및 분석 속도는 상당히 중요한 요소가 됨
    • 수많은 데이터의 구조화와 중복처리 문제해결, 이종 데이터간의 결합을 통한 새로운 의미정보 발견을 통한 안전성 검증 등은 빅데이터 기술을 통해서 가능
    • ICT 기술 기반의 구조 건전성 모니터링에 적용되는 빅데이터 기술은 데이터 처리와 알고리즘 분석으로 시설물 안전에 관한 예·경보 시스템을 구현하는 기본 기술이 될 것임

인공지능(Artificial Intelligence : AI)

  • 인공지능은 인간의 학습능력과 추론능력, 지각능력, 이해능력 등을 사고하고 학습하며 컴퓨터가 스스로 방법을 연구하는 컴퓨터공학의 한 분야
  • 구조 건전성 모니터링으로 수집된 데이터를 분석하게 되면 합리적인 진단, 분석, 예측이 가능함
  • 위험 발생 가능성을 미리 예측하고 안전관리 담당자의 의사결정을 지원 할 수 있어 예방 중심의 안전관리를 수행하기 위해서는 인공지능의 역할이 필요
  • ICT 기술을 적용한 구조 건전성 모니터링 시스템에 적용 가능한 인공지능 기술은 분석된 빅데이터 기술을 기반으로 데이터 처리와 인공지능 알고리즘 분석을 통해 재난과 사고를 사전에 예방할 수 있는 예·경보 시스템을 구현 가능

드론

  • 고층빌딩, 철탑, 교량, 댐등 사람이 직접 육안관측이 어렵거나 센서 모니터링의 범위가 넓은 대형 시설물들의 외관 조사를 위해 드론의 적용은 매우 효과적
  • 드론은 국내 항공법상 초경량 비행장치의 무인비행 장치로서 조종사가 탑승하지 않고 무선전파 유도에 의한 비행이 가능한 무인기를 총칭
  • 드론의 기본 구성은 하드웨어로서의 요소와 소프트웨어적인 요소로 구분됨

[ 드론의 구성요소 ]

[ 드론의 구성요소 ]
  
하드웨어 비행체 기체에 실리는 추진장치, 연료장치, 전기장치, 항법전자장치, 전기장치및 통신장비 등을 포함
소프트웨어 지상통제장치 임무계획 수립과 비행체 및 임무 탑재체의 조종 명령, 통제, 영상 및 데이터의 수신 등 무인항공기 운용을 위한 주 통제 장치
임무탑재체 카메라, 합성구경 레이더, 통신중계기 등의 임무 수행을 위한 장비
데이터링크 비행체 상태의 정보, 비행체의 조종 통제, 임무 탑재체가 획득·수행한 정보 등의 전달에 요구되는 비행체와 지상간의 무선통신 요소
이착륙장치 비행체가 지상으로부터 발사, 이륙하고 착륙, 회수하는데 필요한 장치
지상지원 지상 지원설비 및 인력 등을 총칭, 무인항공기의 효율적인 운용에 필요한 분석, 정비, 교육 장비 시스템을 포함

* 출처 : 월간로봇(2009)

  • 시설물 안전관리에 사용되는 드론은 철탑, 고층 빌딩등 높은 시설을 관측할 때 발생할 수 있는 돌풍을 견딜 수 있고, 관측 장비를 탑재 할 수 있는 규모와 기능이 필요
  • 드론 기체에 온도센서, 조도센서, 가스 센서등 각종 센서들과 GPS, 카메라, 적외선카메라, 초음파 장비등 용도에 맞는 각종 장비를 장착하여 운용 가능
  • 드론으로 서설물의 외관 상태를 촬영한 사진이나 동영상 결과를 실시간으로 지상에 전송할 수 있으며, 이동체 센서 및 통신장비로서의 드론은 센서와 계측장비를 통해 측정한 데이터 값을 직접 수신 받아 전송할 수 있음
  • 기술이 발달함에 따라 드론의 개념과 사용 용도도 많이 발전하고 있음

    • 교량, 건축물, 철탑, 경사면 등 사람이 관측하기 어려운 다양하고 위험한 시설물들에 대한 고공·근접 촬영 등을 통한 시설물 안전관리도 수행 가능
    • 안전관리를 위한 드론은 그 외에 다양한 재난 및 안전관리 분야에 적용할 수 있는 가능성이 매우 큰 기술
5. 핵심요소기술 선정

[ 도로 및 지상시설물 안전진단 시스템 SW 분야 핵심요소기술 ]

도로 및 지상시설물 안전진단 시스템 SW 분야 핵심요소기술
분류핵심요소기술개요
시설물 안전진단용 지능형 디바이스 패키지 기술 고정식 스마트 센서 및 이동식 측정센서(드론)의 운용지속성 및 내구성 강화 기술 실 환경 운영 정합도 90% 이상 목표
저전력 통신 및 무선통신 이중화 기술 데이터 전송 실패율 10% 미만 목표
지능형 디바이스 패키지 기술 5종 이상 선택적 계측 목표
지능형 데이터 분석 및 예측진단 기술 이기종 데이터 연계를 통한 시설물 건전성 데이터 수집 기술 5개 이상 이종센서의 정보변환 및 연결 목표
의사결정 모형분석 및 모델링 기술 시설물 이상 징후 진단 정확도 목표
시설물 관리 및 서비스 플랫폼 연계 및 통합 기술 이종 시스템 통합 연동 미들웨어 기술 이종 시스템간 연동 목표
산업용 서비스 기반의 통합플랫폼 기술 데이터통합을 위한 메타데이터 표준화 목표
현장사용자 중심 모바일 인터페이스 기술 실시간 모바일 응용 인터페이스 보장 목표