강구조물 도막상태평가를 위한 AI 기반 열화상·비전 융합계측시스템 김정현 기자 입력 2023-08-14 (월) 18:38  레이저 열원 무인로봇 활용, 도막 상태등급 자동 산정 건설시장이 포화상태에 이르면서 유지관리 분야가 부각되고 있다. 시설물 안전 및 유지관리에 관한 특별법이 2019년 제정되면서 강구조물의 내구성과 직결되는 도막상태평가의 중요성은 날로 높아지고 있다. 또한 점검로봇과 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등 4차산업혁명 기술을 접목한 외관조사 영상분석 기술이 등장하고 있다. 이에 한국과학기술원(KAIST)과 에스큐엔지니어링㈜은 열화상 및 비전 카메라를 융합한 레이저 열원을 이용한 장비로 강구조물의 도막 영상 이미지를 인공지능 기반 알고리즘으로 분석하여 도막 및 강구조물의 상태를 자동으로 계측하는 신기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 도막의 부식, 박리, 체킹, 초킹 등 열화 뿐만 아니라 열화 넓이, 분류, 두께를 수치화하고 시각화하여 도막 및 강구조물의 상태를 자동으로 확인할 수 있다. ■ 기술개발자 · 한국과학기술원 (총장 이광형) 대전광역시 유성구 대학로 291, W1-2동 4201호 ssslab.kaist.ac.kr · 에스큐엔지니어링㈜ (대표 이래철) 서울특별시 송파구 중대로 212 (가락동) 드림빌딩 4층 www.sqeng.co.kr ■ 건설신기술 제933호 보호 기간 : 2022. 04. 29. ~ 2030. 04. 28. (8년) 비접촉 방식 습도막 상태 실시간 자동 측정 신기술은 현장 상황에 따라서 레이저 열원 영구자석 기반 부착 이동형 무인로봇 또는 할로겐 열원 장비를 활용한다. 또한 모든 종류의 강재 구조물에서 적용할 수 있다. 비접촉 방식으로 습도막의 상태를 실시간으로 자동 평가할 수 있다. 기존기술의 경우 습도막 상태에서 수시로 두께를 측정하는 검사 장비는 전무한 실정이었다. 이에 따라 신기술은 2차전지 검사 및 3D 프린팅 등 신산업 분야와 기술 융합할 수 있다. 한국과학기술원과 에스큐엔지니어링㈜이 개발한 강구조물의 도막 상태평가를 위한 인공지능 기반의 열화상 및 비전 융합계측시스템은 이러한 기술력을 인정받아 건설신기술 제933호로 지정됐다. 보호기간은 2030년 4월 28일까지 8년이다. 레이저 열원과 할로겐램프 열원 적용 신기술의 주요 장비를 살펴보면 레이저를 열원으로 하는 무인로봇과 할로겐램프 열원, 열화상카메라, 비전카메라 등으로 구분할 수 있다. 열원으로 레이저 또는 할로겐을 활용하며 열화상·비전 카메라를 활용하여 도막 두께 및 부식, 박리, 체킹 등 열화 등급을 자동으로 검측한 후 도막 상태등급을 자동 산정한다. 이러한 결과를 바탕으로 강구조물 종합평가 점수 및 등급을 산정하게 된다. 신기술의 특징은 크게 ▲융합계측 시스템 ▲AI 기반 자동 도막 상태평가 ▲ 무인검사로봇 및 휴대용 장비 ▲장비제어 소프트웨어 기술로 구분할 수 있다. 융합계측 시스템은 열화상 및 비전카메라의 융합계측으로 결함종류 및 도막 내·외부의 결함을 탐지한다. 이때 부착 이동형 무인검사로봇과 할로겐형 인력측정 장비 등을 평가환경에 따라 활용할 수 있어 범용성이 높다. 검측결과는 인공지능 기반 자동 도막 상태평가를 통해 도막의 손상 내용을 자동으로 분류하고 면적을 수치화한다. 또한 AI 알고리즘을 활용하여 도막상태평가 등급을 자동 산출한다. 이러한 결과 확인과 검사 장비의 실시간 제어는 소프트웨어를 통해 가능하다.  융합계측, 도막 결함 탐지 및 분류 가능 신기술의 레이저 열원은 저출력 에너지로도 표면을 가열할 수 있다는 특징이 있다. 이에 따라 휴대용 장비로 활용할 수 있으며, 정밀검사가 필요한 현장에 적용될 수 있다. 반면 할로겐 램프 열원은 신속하게 고출력 열에너지를 방출하는 특징이 있다. 그러나 발전기를 필요로 하여 휴대가 불편하다. 내부결함 및 물성 분석이 필요한 현장에 적용될 수 있다. 신기술의 또다른 특징 중 하나는 융합계측시스템이다. 열화상 시스템을 이용한 도막 결함 검사는 도막 내외부에 발생한 결함을 탐지할 수 있지만 결함 종류를 구분할 수 없다. 반면 비전 시스템은 일정 수준의 결함 분류는 가능하지만 도막 표면에 발생한 결함만을 탐지할 수 있다. 이에 신기술은 각 시스템의 단점을 보완하여 도막 내외부 결함을 탐지하면서 분류가 가능한 융합계측시스템을 개발했다. 도막 두께 및 열화 검사 AI 알고리즘 신기술은 광주 제2순환도로 4구간, 영종대교, 성산대교, 신대구부산고속도로 등에서 활용됐다. 또한 당진화력 제1,3연료 하역부두 정밀안전점검에서는 무인검사로봇을 활용하여 구조물 측면부 중심으로 검사를 진행했으며, 삼성중공업㈜에서 발주한 선박용 도장의 상태평가를 진행했다. 신기술 절차를 살펴보면 먼저 대상 구조물 현장에서 검사 장비를 설치하고 도막 등급을 제외한 내구성능, 안전성능, 사용성능 등 기계산된 평가결과 값을 입력한다. 이어서 무인검사로봇 또는 할로겐 휴대용 검사 장비를 통해 도막 열화 탐지 및 두께를 측정한다. 그 후 소프트웨어를 통해 측정한 데이터를 확인 보정하고 도막 상태등급을 자동으로 평가한다. 신기술의 핵심은 도막 두께 및 열화 검사 알고리즘 개발이다. 외부 열원을 이용하여 열화상 영상과 비전 영상을 동시에 계측하고 이 둘을 정합하여 도막의 열화와 두께 등을 검사한다. 동일 영역을 동시에 계측하고 정합영상을 통해 두께 검사 알고리즘과 열화 검사 알고리즘을 적용하여 도막 두께와 도막 열화 결과를 도출해 내는 것이다. 또한 이종 영상 정합 알고리즘을 개발했다. 사전 촬영된 체커보드 이미지를 이용해 도출된 변환행렬로 이미지 정합을 한다. 이렇게 도출된 결합 매트릭스를 알고리즘에 내장시켜 자동으로 정합 이미지를 생성한다.  고정밀 AI 기반 도막 상태평가 자동화 기술 아울러 사각형 형태로 열화를 검출하는 인공지능 알고리즘과 이를 분류하는 알고리즘을 각각 구성하여 검사속도를 향상시켰다. 열화 검출 알고리즘으로 이미지 1장당 약 0.4초의 연산시간을 보이는 1-stage 형태의 YOLO 기법을 적용했다. YOLO 기법의 연산속도는 2-stage 형태의 기법보다 약 8배 이상 빠르다. YOLO 기법 기반 열화 검출 알고리즘을 통해 검출된 열화 영역을 VGG 네트워크 CNN 기법 기반 인공지능 알고리즘을 이용하여 부식, 박리, 체킹, 초킹으로 분류하고 이와 동시에 검출된 열화 영역은 이미지 이진화, 필터링 등 이미지 프로세싱을 통해 그 영역을 수치화한다. 도막두께분포 알고리즘은 열화상 이미지만을 사용한다. 도막두께에 따라 다는 열반응을 계측하여 두께를 수치화할 수 있다. 도막두께분포 알고리즘은 열원으로 가해진 열에너지에서 강재가 지닌 열에너지를 뺀 도막층의 열에너지 값을 기초로 두께를 수치화한다. 무인검사로봇, 드론 단점 보완 신기술의 또다른 특징 중 하나는 바로 무인검사로봇이다. 최근 들어 드론을 이용한 무인 항공기 유지관리기술이 두각을 나타내고 있다. 드론은 검사 수행에 수반된 공간 제약을 극복할 수 있다는 장점이 있지만 정밀한 위지 조작이 불가능하고 위치 오차에 대한 보정 작업을 필요로 한다. 신기술은 드론의 단점을 보완하고 실시간으로 검사를 할 수 있도록 영구자석을 이용한 무인검사로봇을 활용한다. 기존 영구자석 기반기술은 강한 자력으로 인해 강구조물 표면 도막을 벗겨내는 등 결함을 발생시켰으나, 신기술에서는 단위 면적당 자력을 감소시키고, 영구자석과 도막의 직접적인 접촉을 방지하는 우레탄 케이싱된 광폭 바퀴를 사용했다. 이처럼 신기술은 강구조물 도막에 발생하는 열화를 실시간으로 탐지, 분류, 측정할 수 있는 시스템으로 YOLO V2 기반의 인공지능 알고리즘과 VGG 네트워크 인공신경망 기반 인공지능 알고리즘을 사용한다. 준공 30년 이상 노후화 건축물, 안전사고 예방 기대 한편, 공공시설물 중 준공 30년 이상된 노후화 건축물은 2019년 FMS 기준 약 12%에 해당한다. 그 중 교량은 15%가 30년 이상된 것으로 나타났다. 구조물의 노화가 점점 가속화 되고 있으며 B,C등급의 구조물이 큰 폭으로 증가하고 있다 이에 따라 신기술은 효율적이고 경제적인 구조물의 유지관리를 통하여 구조물 붕괴 등으로 인한 산업 안전사고를 사전에 예방하여 국민 삶과 직결된 사회기반시설물 품질향상을 이룩할 것으로 기대된다. 김정현 기자 |
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