계장기술(PROCON)

기획특집 Transforming the Asset Lifecycle with a Digital Twin

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 211회 작성일 21-08-13 13:50

본문

서 론

최근 4차 산업혁명의 바람이 휘몰아치면서 우리 사회는 커다란 변화의 기로에 서있다. 학계나 언론을 통해서 “디지털 트윈(Digital Twin)”이란 용어도 심심찮게 발견할 수 있다. 디지털 트윈 기술을 실제 생산 공장, 플랜트, 선박, 항공기, 오일과 가스설비, 에너지 등 자산 중심의 산업 분야에서 물리적인 물체 및 시스템을 운용상의 위험과 안정을 효과적으로 관리하면서도 고효율과 저비용의 혁신을 기대할 수 있는 가상의 디지털 세계에 고스란히 재현하는 방식의 복제 기술이라고 큰 맥락에서 정의되기도 한다.

최근의 디지털 트윈은 주로 건축물의 4D 시뮬레이션을 통해 건설 과정 중에 공간 설계 변경과 그 영향, 자재 반입과 소모, 실시간 공정률 확인 등으로 건설 비용을 획기적으로 줄이고, 건물의 생애주기 동안의 모든 정보를 통합 관리하게 되어 경제성이 인정되고 있다.

율시스템은 이와 같은 디지털 트윈 기반의 기술을 활용해 발전소 대상 디지털 트윈 서비스를 제공하고 있다. 1988년 설립되어 한국수력원자력, 한국전력기술, 국내 5개 발전사 및 주요 건설사의 협력 우수 업체로서 원자력 및 화력발전소 대상 3D 설계 및 모델링 서비스, 응력 해석, 3D 시뮬레이션 영상 콘텐츠 제작(시공 및 운전 원리) 등 엔지니어링 서비스와 3D 모델 기반 통합 설비관리 시스템, 지하시설물관리 시스템, 4D 시뮬레이션 시스템, Web Portal 등의 ICT 기반 솔루션 개발 및 구축 서비스를 제공하고 있다. 최근에는 4차산업 기술 요소인 가상현실(VR), 증강현실(AR), 역설계(Reverse Engineering) 기술을 활용한 디지털 트윈(Digital Twin) 서비스를 제공하고 있다.

본고에서는 4D 시뮬레이션(주기기, 부대 건축물) 기술을 활용한 가상의 건설 시뮬레이션으로 시공 간섭 제거 및 공정관리 최적화와 기존 내부 시스템 연계 및 검색 엔진 통합 개발로 분산된 건설 자료, 기술, 노하우의 실시간 통합검색체계 구축기술을 소개하고자 한다.

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4D 시뮬레이션 개요 및 목적

4D 시뮬레이션은 기존의 2차원 공정표(Schedule)와 시공 3D 모델이 연계하여 가상현실 기반으로 사전 시뮬레이션을 수행하여 시공 공법의 적정성, 공사 진행에 따른 건설 장비의 배치계획, 시공 장애 요소 등을 사전에 예방하고, 최적화된 시공계획의 수립을 가능하게 하는 공정표의 시간(Time)과 3D 설계 데이터(CAD)가 통합 구현되는 체계다.

4D 시뮬레이션 시스템은 그림 2와 같은 형태의 구축 프로세스를 가지고 있다. 도면 또는 이미지를 통해서 3D CAD로 설계 3D 모델을 제작한 후 공정표에 맞춰 해당 3D 모델을 분리하여 시공 3D 모델을 제작한다. 이렇게 만들어진 시공 3D 모델과 공정표는 데이터 연계를 통해 실시간 시공 공정관리가 가능한 4D 시뮬레이션 시스템으로 만들어진다.

또 4D 시뮬레이션 시스템은 건설/시공 단계의 Digital Twin 기술로서 발주 기관에서 건설 시공 시 발생하는 문제점(건설 지연 요소)을 사전 발굴하여 조치를 취하고, 업무 효율성 향상과 안전 제고 및 비용 절감 효과를 극대화하고자 하는 목적을 이루고자 사용한다. 또한 기존 시스템(ERP, LDM) 연계, ePMS(공정률, 자재정보, 건설정보 조회)는 발주 기관의 기존 내부 시스템과 연계하는 것으로, 한 시스템 내에서 흩어져 있는 데이터를 한 곳에서 조회가 가능하도록 개발한 것이 특징이다.

4D 기술 도입을 통해 형상 중심의 건설 공정 검증 및 통합검색 시스템 개발로 건설 기간 중 생산되는 기술 자료를 실시간 통합 제공함으로써 업무 효율성 향상 및 시스템을 통한 건설 이력관리로 빅데이터 분석 기반을 구축하겠다는 것이다.

4D 시뮬레이션을 통해 우리는 다음과 같은 목적을 이루어낼 수 있다.
• 향후 진행되는 공사의 실제 공정 시나리오를 기준으로 사전 시뮬레이션을 통해 공정 단계별 진행 상황과 계획 검증
• 복합공정으로 구성된 공사에서 분야 간 시공 간섭, 공간 활용, 공정 조정에 활용
• 공사 착수 전, 시공 단계별 시공성 및 간섭 등을 예측하여 발생 가능한 문제점과 시행착오를 제거하여 최적 시공계획 수립
• 다수의 수치화된 공사 정보를 시각적 공사 정보화를 통해 작업의 우선순위, 의사결정 등과 같은 개선 방안 도출
• 실시간 정보 Data(기존 시스템 연계)와 3D 모델 연계를 통한 자재 및 설계 현황 등 확인


4D 시뮬레이션 주요 기능

4D 시뮬레이션 시스템은 앞에서 언급한 것처럼 시공 3D 모델 기반의 시스템이다. 시스템의 사용자는 3D 모델 On/Off를 통해 사용자가 원하는 모델만 확인이 가능하며, Key Map을 통해 넓은 발전소 위치에서 정확하게 사용자의 위치를 확인할 수 있다. 또한 공정 스케줄과 연계되어 있어 실시간 설계/시공/기자재 반입/공정률 현황을 색상을 통해 확인 및 모니터링할 수 있다. 추가로 선행호기 정보를 확인하거나, 발주처의 Legacy 시스템과 연계하여 발주처 시스템을 별도의 시스템이 아닌 4D 시뮬레이션 시스템 내에서 확인할 수 있는 기능들을 선행호기 정보를 확인하거나, 사용자는 3D 모델 On/Off 하거나, Key Map을 통해 위치를 확인할 수 있다.

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각 기능들에 대한 상세한 내용을 소개하고자 한다.

1) 3D 모델과 Legacy 데이터 연계
3D 모델과 발주처 시스템의 데이터 연계 내용이다. 사용자가 발주처 시스템에 따로 접속하지 않아도, 4D 시스템 내에서 데이터를 볼 수 있는 이점이 있다.
2) 3D 모델 On/Off
3D 모델 On/Off는 사용자가 원하는 모델만 띄워 놓고 확인할 수 있는 기능이다. 패키지별, 공종별, 모델 타입별, 설비 계통별로 세분화하여 On/Off가 가능하다. 또한 4D 시뮬레이션 및 시공관리 시스템에 반영하여 사용할 수 있다.

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3) Key Map 기능
Key Map 기능을 통해 사용자 및 사용자가 선택한 모델의 위치를 파악할 수 있다. 또한 Key Map을 통해 이동할 수 있다. 사용자가 위치를 바로 알 수 있고, 이동을 쉽게 할 수 있는 편의성이 있다.

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4) 마일스톤 편집 기능
발주사의 마일스톤 정보를 가지고 3D 모델로 가시화하는 내용이다. 원하는 주요 공정 단계를 찾아가는 빠른 찾기 기능이라 볼 수 있다. 4D 시뮬레이션 도중에도 적용되어 원하는 주요 공정 위치부터 시뮬레이션이 가능하다.

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5) 선/후행 공정 시뮬레이션 기능
공정에는 선행되어야 하는 공정과 후행되어야 하는 공정이 있다. 큰 기기를 크레인으로 들여오는데, 상부 구조물이 막혀 있다면 문제가 된다. 이에 상부 구조물의 공정은 기기 설치 공정보다 뒤에 존재해야 한다. 이러한 현재공정에 대해 선후행 공정도 연계하여 가시화하였다.

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6) 선행호기 정보 공유 기능
여러 발전소 구축 시 선행호기 또는 같은 형태의 발전소를 기반으로 많이 구축한다. 선행호기에서 문제가 발생된 부분을 현행호기에 가시화하여 3D 모델 및 데이터로 문제점을 사전에 파악할 수 있다. 공사 전에 선행호기의 문제점을 확인한다면 선행호기보다 나은 공사를 할 수 있다.
7) 실시간 설계/시공/기자재 반입/공정률 관리
4D 시뮬레이션 시스템에서는 기준 날짜를 기점으로 설계/공정/기자재 반입/공정률 시작 날짜, 종료 날짜, 실적 시작 날짜, 실적 종료 날짜를 통해 비교 가시화를 할 수 있다. 이때 각 단계는 완료/진행 중/지연/미착수로 분류되며, 색상을 지정하여 가시화가 가능하다.

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결 론

지금까지 시공 3D 모델과 공정 스케줄을 연계한 시각적 4D 시뮬레이션 시스템에 대하여 설명하였다.

해당 시스템은 한국수력원자력에서 “사이버 발전소”라는 프로젝트에 적용되었다. 원자력발전소 현장과 똑같은 가상환경을 3차원 현실 모델링으로 구현하여 4D 시뮬레이션, VR/AR 시스템 등 원전 건설 단계부터 시공 공정 최적화, 설계 오류 및 시공 간섭 등의 문제점을 사전에 예방하여 건설 품질을 높일 수 있다.

해당 프로젝트는 신고리 5, 6호기 건설 재개 관련 원전 안전 건설 운영 대책 이행 항목으로서 4차 산업혁명 기술(3D·가상/증강현실)을 활용, 실제와 유사한 사이버 발전소를 구축하여 설계 오류 ·시공 간섭 등 문제점 사전 예방 및 건설 품질을 제고한다. 핵심 요소 기술인 빅데이터와 가상 및 증강현실을 3D 모델과 통합하여 3D 모델 중심의 원전 생애주기(설계-구매-시공-시운전-운영-폐로) 통합정보관리 시스템 구축까지 확대하여 선행 원전의 설계 오류, 재시공 경험 사례, 기기의 운전 원리 및 분해·정비 동영상 등을 가상/증강현실 시스템에 반영한다. 현장 작업자들의 전문지식 및 노하우 전달 체계 구축과 연계한 3D·가상 기술 확보를 통한 글로벌 경쟁력 제고를 최종 목적으로 두고 있다.

이러한 4차 산업혁명 기술을 확보함으로써, 에너지 효율은 물론 원전의 안정성도 더욱 높아질 것으로 기대하며, 높아진 기술력으로 글로벌 에너지 시장을 선도해 나갈 것을 기대하고 있다.


daniel.park@youlsys.co.kr