디지털트윈을 활용한 저류지 유출저감효과 평가 :Evaluation of Outflow Reduction Effect of Detention Pond Using Digital Twin

김성모

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성모 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 윤홍식

발행연도: 2023

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

디지털트윈을 활용한 저류지 유출저감효과 평가

김성모 대한토목학회 학술대회 2023.10 학술대회자료

디지털트윈을 활용한 저류지 유출저감효과 평가

김성모 2023.01 학위논문

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본 연구에서는 영구저류지와 임시 침사지 및 저류지를 모니터링하고 유출저감효과를 평가하기 위한 방안을 연구하고 테스트베드를 통해 검증해 보았다. 재해영향평가는 개발사업에 따라 일정 규모 이상이면 반드시 수행해야 하는 업무로 자연재해대책법에 정의되어 있으나, 설계되는 저류지의 규모의 적정성과 설계된 대로 시공되는지, 홍수시의 저류지의 유출저감효과는 어떤지에 대해서는 상세히 분석된 바가 없었다. 이에 본 연구에서는 디지털트윈 기술을 통하여 저류지를 모니터링하고 유출저감효과를 평가하는 시도를 최초로 수행하였다.
BIM(Building Information Modeling)은 건축 산업을 시작으로 토목 산업에서는 도로, 단지, 철도 등 다양한 분야에서 접목되고 있는데, 3D 모델 객체와 그 객체가 담고 있는 형상정보, 속성정보를 연결하여 통합관리하고, 이러한 통합 DB를 CALS(Continuous Aquisition for Life-cycle Support)의 사상을 바탕으로 여러 분야에서 지속적으로 활용하기 위한 개념이자 기술이다. 본 연구에서는 저류지에 적용하기 위한 BIM 모델을 개발하고 적용하였다.
또한 임시침사지겸 저류지와 영구저류지(지역외 저류시설의 On Line 저류방식)의 유출저감효과 평가를 위해 디지털트윈 기반으로 세 가지의 접근을 시도하였다. 첫째로, 재해영향평가에서 설계된 대로 저류지가 잘 시공되었는지 평가하는 모델을 생성하였는데, 이는 향후 저류지의 이행실태점검과도 연계된다. 저류지 설계과정에 대한 분석을 기반으로 저류지 설계 결과물의 속성정보와 형상정보를 BIM 기법으로 정의하였다. 저류지의 시공 결과물은 드론을 활용하여 카메라 취득 영상과 Lidar 데이터를 3D 모델링에 활용하고 가시화 위주의 디지털트윈 기술을 통해 분석하였다. 둘째로, 영구저류지와 임시침사지 겸 저류지에 대해 계측 모니터링을 수행하여 데이터를 수집하였다. 이를 위해서 유입량, 유출량 데이터를 센서기반으로 자동 추출하며 모니터링하고 그 결과를 저장하였다. 세째로, 저류지의 유출저감효과 평가를 위해서 재해영향평가 보고서에 기록되어 있는 30년빈도 또는 50년빈도의 강우빈도를 가정하여 설계된 테스트베드 저류지의 제원을 바탕으로 2년, 5년, 10년, 20년 등 저빈도의 유출수문곡선과 방류수문곡선을 도출하여 기대저감효과를 산정하고, 홍수기의 임시침사지 겸 저류지, 영구저류지의 계측 모니터링을 통해서 실제 유출수문곡선과 방류수문곡선을 도출하고 실제저감효과를 산정하였다.
상기의 접근들에 의한 결과물은 게임엔진인 Unity 3D 기반의 3차원 그래픽 소프트웨어로 디스플레이하여 디지털트윈 가시화 단계를 구현하였다. 저류지의 설계모습, 시공모습, 활용모습 그리고 마지막으로 효과평가에 대한 결과를 통합 관리하며, 건설현장에서는 저류지의 이행실태점검을 위한 자체 평가 및 사전 데이터를 준비하는데 활용하고자 한다.
해당 저류지에 대한 기대저감효과와 실제저감효과를 바탕으로 최종적으로는 기대저감효과 대비 실제저감효과의 비율을 산정하였으며 상기 프로세스를 임시침사지와 영구 저류지 테스트베드에 적용시켜 보았다.
향후에는 재해영향평가 빅데이터를 구축하고 다양한 회귀분석식을 상기 분석 결과에 따라 수정하는 방안을 도출할 수 있으며, 그에 따라 저류지 모니터링을 위한 가이드라인을 수립하고 저류지의 적정규모 설계를 위한 기준을 제시할 수 있다.

In this study, a method for monitoring permanent and temporary detention ponds and evaluating outflow reduction effects was studied and verified through a test bed. There has been no detailed analysis on the appropriateness of the scale of the designed detention pond, whether it is constructed as designed, and the use of the detention pond in case of a flood. Therefore, in this study, the first attempt was made to evaluate the effectiveness of detention pond through digital twin technology. Three approaches were attempted based on digital twin to evaluate the effectiveness of detention ponds. First, a model is created to evaluate whether the detention pond is well constructed as designed in the disaster impact assessment. Attribute information and shape information of the design results of detention ponds are defined by the BIM technique. The construction results of the detention pond are analyzed using a digital twin technology focused on visualization and utilizing the camera-acquired image and lidar data for 3D modeling using drones. Second, data is collected by performing instrumentation monitoring on permanent and temporary detention ponds. Inflow and outflow data are automatically extracted and monitored based on the sensor and the results are stored. Third, by comparing the monitoring results with the BIM-based detention pond design values, a model to evaluate the outflow reduction effect of the detention pond is developed and evaluated. In order to evaluate the effectiveness of detention ponds, low-frequency outflow and discharge hydrologic curves are based on the specifications of the test bed disaster reduction facility designed assuming the 30-year or 50-year rainfall frequency. The expected reduction effect was calculated by deriving, and the actual outflow hydrological curve and the discharge hydrologic curve were derived and the actual reduction effect was calculated through the measurement and monitoring of the detention ponds during the flood season. Finally, the ratio of the expected and actual reduction effects was calculated, and the above process was applied to the detention pond test bed.

#저류지 #디지털트윈 #유출저감효과 #재해영향평가 #BIM

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 동향 3
1.2.1 BIM 3
1.2.2 방재와 4차산업혁명기술 4
1.2.3 재해저감시설 효과평가 6
1.3 저류시설의 종류와 설계방법 9
1.3.1 저류시설의 종류 9
1.3.2 재해영향평가에서 저류시설의 설계 12
1.4 디지털트윈 구축 개요 14
1.4.1 디지털트윈 개요 14
1.4.2 드론을 활용한 디지털트윈 3D 모델 구축방안 17
1.5 디지털트윈 구축방안 23
1.5.1 디지털트윈 요구 데이터 23
1.5.2 디지털트윈 구축목표 25
1.5.3 디지털트윈 모델 27
1.5.4 디지털트윈 데이터 구축방안 34
1.6 연구 목적 및 범위 36
제 2 장 저류시설 BIM 모델 개발 39
2.1 저류시설의 설계방법 고찰 39
2.2 저류시설의 BIM 모델 개발 결과 43
제 3 장 저류시설 모니터링 및 유출저감효과 평가모델 개발 48
3.1 저류시설 디지털트윈 구축방안 48
3.1.1 저류시설 디지털트윈 모델 48
3.1.2 저류시설 디지털트윈 구축방안 50
3.1.3 설계, 시공 및 유지관리 단계에서의 적용방안 54
3.1.4 디지털트윈 통합 S/W 개발 55
3.2 저류지 모니터링 및 유출저감효과 평가 모델 개발 62
제 4 장 테스트베드 적용 결과 67
4.1 테스트베드 선정 67
4.2 홍수량 산정 및 저류지 홍수추적 76
4.3 계측기의 설치와 모니터링 82
4.3.1 계측기 설치 82
4.3.2 드론에 의한 계측과 모니터링 88
4.4 모니터링 및 유출저감효과 평가 결과 94
제 5 장 결 론 104
참고문헌 107
ABSTRACT 116

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