'SHM(Structural Health Monitoring)-최첨단 건물 모니터링 시스템

건물 흔들리자… '내시경 센서'가 징후 포착, 자동 대피방송

김성민 기자-입력 : 2016.01.12 03:05 | 수정 : 2016.01.12 08:58

[최첨단 건물 모니터링 시스템 'SHM' 어떻게 작동하나]

퐁속계·GPS·가속도계·경사계…7개 종류 센서 20~30개 장착
안전 이상 징후 실시간 체크

기준값과 비교해 건물상태 분석… 데이터만 봐도 이상 부위 파악
손상 정도 평가, 위험여부 알려줘

1990년대 서울 성수대교나 삼풍백화점 붕괴 사고가 나자, 전문가들은 "이미 건축물에 이상 징후가 나타나고 있었다"고 말했다. 하지만 당시 건축·구조물 안전점검은 1년에 한두 번, 그나마도 형식에 그쳤다. 만약 당시 사고 위험을 실시간으로 감지할 수만 있었다면 어땠을까. 최근 건설업계에는 각종 건축·구조물의 이상 여부를 실시간으로 파악해 위험에 대응할 수 있는 'SHM(Structural Health Monitoring) 시스템' 도입이 확산되고 있다.

이 시스템은 건축·구조물의 내부 골조(骨組)와 상·하층부에 GPS(위성항법장치), 지진계, 풍향·풍속계 등 각종 센서(sensor) 수십 개를 달아 이상 징후를 실시간으로 검사한다. '건축물의 실시간 내시경'인 셈이다. 대우건설 등을 중심으로 2006년부터 초고층 빌딩, 문화재 건물 보수, 수상(水上) 건물 시공 등에 적용하고 있다. 초기에는 건물 상태를 단순 계측하는 수준에 머물렀지만 최근엔 인공지능 시스템이 스스로 이상 여부를 종합 판단해 관리자에게 위험 여부를 알려주는 방식으로 진화했다.

◇우주선이 시초…명동성당 공사에도 적용

SHM 시스템은 당초 항공우주산업에서 우주선의 이상 징후를 자동으로 포착해 알려주는 데서 비롯했다. 김지영 대우건설 기술개발팀 수석연구원은 "초장대(超長大) 교량 등 토목 부문에서 먼저 도입했고 최근에는 초고층 건축물에도 적용하고 있다"고 말했다. 국내에선 전남 나주 한국전력 신사옥과 인천 송도 동북아트레이드타워, 경남 거가대교, 경북도청, 제주월드컵 경기장 등에 적용 중이다.

▲ /그래픽= 송준영 기자

이 시스템은 2010년 한강에 인공섬(세빛둥둥섬)을 띄울 당시 구조물이 받는 충격을 모니터링하기 위해 적용됐다. 2014년엔 서울 명동성당 기도관 증축 공사 당시 각종 진동이 명동성당 본관 구조에 미치는 위험 여부를 알아보는 데도 활용됐다.

◇지진·폭발 등 위기 상황에서 건물 상태 분석

SHM 시스템은 4단계로 구성된다. 1단계는 풍동(風洞)·충격 실험 등을 통해 강한 바람이나 지진·폭발 같은 위기 상황에서 건축·구조물이 얼마나 견딜 수 있는지를 알아본다. 2단계에선 건물 구조 해석 모델을 만들게 된다. 다양한 위기 상황에서 건물이 어떻게 변하는지 분석하고 이를 바탕으로 위기 대응 절차와 센서 부착 위치 등을 선정한다. 이 과정에서 수백 번의 시뮬레이션을 통해 'A 상황일 때는 B 현상이 나타난다'는 내용을 시스템에 반복 학습시킨다. 실제 B 현상이 생기면 시스템이 자동으로 A를 원인으로 지목하도록 하기 위해서다. 김지영 수석연구원은 "컴퓨터로 구현한 인공신경망에 반복적인 패턴 학습을 시행해 건축·구조물에서 측정된 데이터만 보고도 어느 부위에 이상이 생겼는지 실시간으로 평가할 수 있다"고 했다.

◇초고층 빌딩 1개 동에 센서 30개 부착

3단계는 건물 각 부위에 센서를 다는 것이다. 예컨대 초고층 건물에는 7종의 센서 20~30개를 장착한다. 건물 옥상층에는 바람 세기와 방향을 측정할 수 있는 풍향·풍속계, 건물의 좌우 흔들림을 체크하는 GPS를 각각 설치한다. 건물 중심부에는 건물이 1초에 몇 번이나 흔들리는지 측정하는 가속도계, 건물 기울기를 체크하는 경사계 등을 부착한다. 건물 바닥층에는 지진을 측정하는 지진계를 설치한다. 센서들이 실시간으로 건물 상태를 계측한 데이터는 지상층에 있는 데이터 수집 장치에 모인 뒤 중앙 서버로 전달된다.

서버에는 이미 1·2단계를 통해 분석한 기준값이 저장돼 있다. 서버는 기준값과 센서들이 보내온 데이터를 비교해 건물 상태를 분석한다. 센서가 측정한 데이터가 기준값을 벗어나면 서버는 인공지능 시스템을 통해 어느 부위에 이상이 있는지 자동으로 판단하고 이를 건물 관리자의 스마트폰이나 컴퓨터를 통해 알려준다. 건물 입주자에게는 위험 발생 시 자동으로 대피 방송을 할 수도 있다. 대우건설 관계자는 "앞으로 인공지능과 사물인터넷 기술이 더 발달하면 SHM 시스템이 이상 징후를 분석하는 데 그치지 않고 이를 수리·보수할 수 있는 전문가에게까지 자동으로 연락하는 것도 가능하다"고 말했다.