슬기로운 디지털 트윈 댐·하천 플랫폼

 우리는 지금 인류 역사상 전무했던 급격한 “새로운 파괴적 변화”의 시대를 맞이하고 있다[1],[2]. 4차 산업혁명으로 촉발된 디지털 대전환은 COVID-19로 인해 한층 더한 디지털 초격차를 만들어내고 있으며, 이에 적응하는 기업과 개인은 새로운 가치와 부의 흐름을 만들겠지만 다수의 방관자와 변화에 대한 수용성이 약한 그룹은 “지금 무슨 일이 일어나고 있는 걸까?”라는 질문 속에서 퇴보하는 시대를 맞이하게 된 것이다. 글로벌 컨설팅 기업인 맥킨지는 2030년까지 디지털 전환을 통한 생산성 향상과 신규 먹거리 창출로 전 세계 GDP는 1경 5,000조 원이 추가 성장할 것이라 전망하였고, 혁신 없는 기업의 수명은 급속히 단축될 것으로 예측하였다[3]. 이러한 시장의 변화 속에서 디지털 플랫폼 기반의 기업들은 기존의 전통적인 산업 영역을 승자독식 구도로 빠르게 재편하고 있다[4].
 물과 관련된 수자원 분야도 거대한 디지털 혁신의 시대적 조류와 조우하고 있다. 디지털화에 기반해 일하는 방식과 물 인프라를 유지관리하는 방법에 변화를 줄 것인지, 기존의 기술들을 고수할 것인지를 자연스럽게 선택하게 된 것이다.
 댐과 하천 등 수자원 물 인프라 분야에서는 2019년부터 기존의 전통적인 토목공학 배경에서의 연구에서 나아가 물 인프라의 안전관리 분야에 접목 가능한 디지털화 기술 기초 연구를 시작하였다. 동시에 2020년에는 댐의 시설 안전관리를 주제로 디지털 트윈 1단계 구축 프로젝트를 진행하였다. 댐과 하천을 포함하여 물이 흘러가는 전체 유역에 대한 물 관리도 디지털 트윈 기술의 적용이 가능할 것으로 상상력은 확장되었다. 2021년에는 국가 시범사업으로 홍수에 대응하기 위한 우리나라 수자원 관리, 즉 유역 물 관리에 대한 디지털 트윈을 섬진강 수계에 대해 시범 구축하기에 이르렀다. 또한, 디지털 트윈 구축을 위한 초정밀 가시ㆍ비가시 정보 표출용 국산 시각화 프레임워크 연구개발 사업에도 참여하게 되었다. 2022년에는 디지털 트윈 유역 물 관리 시범사업을 보다 완성도 있게 개선하는 프로젝트를 추진 중에 있다. 2022년에 접어들면서 이러한 기술적 상상력은 디지털 트윈의 다양한 확장 연계 기술로서 메타버스 플랫폼(Metaverse platform)[5],[6]과 그 안에서의 경제 및 지적재산권 생태계 조성을 위한 블록체인(Block chain) 기술[7] 및 NFT(Non Fungible Token) 기술[8],[9]로 까지 세계관을 넓혀가고 있다.
 본 고에서는 디지털 트윈을 주제로 추상적인 이론 설명보다는 물 산업 영역에서 실제로 구현하고 있는 두 가지 적용사례에 대해 다루고자 하였다. 이와 더불어 디지털 전환시대를 준비하는 슬기로운 디지털 트윈 생활 태도에 대한 소견도 담고자 하였다.
 본 고에서는 디지털 트윈 물 인프라 관리 분야에서, 실무적인 차원에서의 프로젝트를 작은 선례로 소개한다. 현재 총 세 가지 프로젝트를 추진하였거나 추진 중인데, ① 디지털 트윈 댐 안전관리 플랫폼 1단계 구축사업[10], ② 섬진강 디지털 트윈 유역 물 관리 플랫폼 시범사업[11], ③ 수자원 분야 초정밀 디지털 트윈 시각화 프레임워크 기술 개발이 그것이다[12]. 마지막 기술 개발 R&D 사업은 현재 진행 중이므로 앞선 두 개 시범사업을 소개한다.

 일반적으로 디지털 트윈 선도사업을 기획하거나 시작할 때에 받는 가장 많은 질문 중 하나는 “Why digital twin?”일 것이다. 과거에도 정보통신과 시스템 통합(SI) 사업들은 존재하였는데, 왜 굳이 디지털 트윈 플랫폼을 예산을 투입하여 만드는가에 대한 공격을 받는다. 이 질문은 디지털 트윈으로 구축한 성과물에서 우리 기업이나 기관은 어떤 이익을 얻을 수 있는가에 대한 답이 필요하다는 표현이기도 하다.
 사실 디지털 트윈의 이점은 업무방식에 있어서의 생산성과 효율성의 혁신에 있다. 혹은 의사결정 프로세스 상의 시간의 절감과 신뢰도의 향상이라 할 수도 있다. 물 관리 분야에서 필자가 한마디로 정의하는 Why에 대한 대답은 “데이터 기반의 똑똑한 물 관리”를 위해서이다. 기존에도 수많은 업무를 관행대로 해 오던 것을 보다 직관적으로, 시각적으로, 신속하고 가치 있게 디지털 세상의 도움을 받아 해결하고자 하는 데에 있다. 디지털 트윈의 이점과 지향하고자 하는 방향성을 다음과 같이 다섯 가지로 정리할 수 있다[13].

• (데이터 시각화; data visualization) 데이터 분석 결과를 쉽게 이해할 수 있도록 시각적, 입체적으로 표현
• (직관화; intuition) 주어진 정보를 복잡한 추론 과정 없이 디지털 세상의 도움으로 정보 또는 지식을 습득
• (동기화; synchronization) 관련된 데이터 정보를 동기화하여 각기 다른 툴에서 연관 정보를 실시간으로 제공함으로써 생산성을 향상
• (정보의 가치화; Extract Value and Knowledge from Information) 공학적인 가치를 지닌 정보를 제공하여 신속한 의사결정에 기여
• (지속 가능한 활용성; Sustainable practice) 실무자가 실제 업무에 지속적으로 편리하게 사용할 수 있는 활용성 기반 플랫폼

 보다 중요한 인문학적 가치는 축이 바뀌는 새로운 디지털 세상에서의 새로운 질서에 먼저가 있어야 하기 때문이다. 이전에 없던 새로운 파괴적 혁신이 시작될 때, 선도적으로 시도해보고 접목해보고, 새로운 질서의 표준을 만들어 가는 것이 디지털 경제, 사회 체계에서 너무나도 중요한 태도이기 때문이다[9]. 메타버스 세상의 사회, 경제 패러다임이 새롭게 열릴 것을 믿는다면, 이를 위해 필수적인 현실세상과 업무방식의 디지털화가 중요할 것이며, 산업 영역에 있어서는 디지털 트윈 플랫폼이 그 중요한 축이 될 것이다.
 디지털 트윈의 물 관리 분야 시범사업에 보다 초점을 맞추어 그 배경과 필요성을 소개하자면 다음과 같다.
 국가의 중요 인프라 자원 중에 물은 고대사회로부터 이수와 치수가 모두 중요한 자원이므로, 이를 담보할 수 있는 물 인프라, 즉 수공구조물의 안전과 유지관리는 대단히 중대한 사안이라 할 수 있다.
 최근에는 인프라 노후화와 기후변화가 동인이 되는 물 관련 안전사고 및 수재해 발생으로 국민적인 관심이 부상하게 되었다. 댐과 하천의 홍수 대응 물 관리 분야도 예외는 아니어서 거대한 디지털 혁신의 시대적 조류와 조우하고 있다. 전례 없는 기후변화와 예측하기 어려운 집중호우 등은 댐 운영과 하류 하천 관리에도 어려움을 가중시키고 있다. 우리나라는 역대 최장 장마와 집중호우로 인해 2020년 8월 매우 큰 수재해를 입었다.
 이에 따라 4차 산업혁명 기반의 정부 정책에도 주목할만한 변화가 이루어지고 있다. 우선, 2020년 1월 1일을 기준으로 지속 가능한 기반시설관리법이 시행되어 선제ㆍ예방적 관리 정책으로의 전환이 이루어지고 있다[14]. 정부에서는 스마트 건설기술 로드맵(2018. 10) 및 지속 가능한 안전강화 종합대책(2019. 6)을 공포함으로서, 국가 인프라의 로보틱 드론 점검 및 디지털 트윈 기반 유지관리 정책 추진을 가시화하고 있다[15]. 댐 관리에도 동일한 변화가 있는데, 환경부에서는 물 관리 일원화 이후 댐 정책 패러다임을 ‘건설’에서 효율적 ‘유지관리’로 전환할 것임을 천명하였다[16].
 따라서 기후변화와 자연재해, 시설물 노후화에 대비하고, 물 관련 시설(댐, 하천 제방 등)의 안전한 운영을 위해 디지털 트윈 기술 기반의 물 안전 플랫폼을 개발하고자 선도 사업이 기획되었다.
 이러한 배경 하에 노후화에 대응하기 위한 디지털 트윈 댐 시설 안전관리 시범사업과 홍수에 대응하기 위한 디지털 트윈 유역 물 관리 선도사업을 추진하기에 이르렀다. 디지털 트윈 댐 안전관리 사업은 한국판 뉴딜의 스마트 댐 안전관리 사업(환경부, 2021-2025)으로 확장 기획되었다[17]. 디지털 트윈 유역 물 관리 사업은 과학기술정보통신부와 NIA(한국지능정보사회진흥원)가 추진하고 있는 “국가인프라 지능정보화(하천ㆍ댐 등 유역관리 실증) 사업”의 일환으로 K-water 컨소시엄에서 시범 추진하게 되었다[18],[19]. 이러한 내용은 정부의 디지털 트윈 활성화 전략에 담겼다[20]. 향후 환경부는 우리나라 전체 수계에 대한 디지털 트윈 물 관리 사업을 수행할 예정이다. 여기서 “국가 인프라 지능정보화 사업”은 국가 주요 인프라에 지능정보기술을 선도 적용하여 국가 경쟁력을 강화하고 지능정보산업을 육성하기 위한 사업이다. 본 고에서는 상기 두 가지 디지털 트윈 시범사업에 대해 간략히 소개한다.

 향후 한국판 뉴딜의 스마트 댐 안전관리 사업(환경부, 2020-2025)을 효과적으로 지원하고(환경부 2020), 차세대 지능형 댐 안전관리(intelligent Dam Safety Platform: iDSP) 구현을 위해 댐 시설물에 대한 1단계 디지털 트윈 스마트 유지관리 시범 사업을 기획하였다[10],[21]. 이를 바탕으로 2020년 10월부터 12월까지 약 3개월에 걸쳐 “디지털 트윈 댐 안전 플랫폼 1단계 시범 구축”을 추진하였다. 디지털 트윈 댐 안전 플랫폼 1단계 시범구축을 통해 높은 노후화 및 기후변화의 영향 하에 있는 중대형 방재시설인 댐 본체 토목 시설물에 대한 시범적 디지털 트윈 댐 안전 플랫폼을 구축ㆍ실증(전체분 사업의 약 10%에 해당)함으로써 향후 사업화 대비 문제점을 보완하고, 플랫폼 표준화 및 관련 산업 생태계 구축에 기여하고자 하였다. 1단계 기초 구축 내용은 다음과 같다.

 이번 장에서는 170km에 달하는 섬진강 유역 전체를 대상으로 수재해에 대응하기 위한 디지털 트윈 플랫폼 구축 시범사업을 소개한다([그림 3] 참조). 과학기술정보통신부와 NIA(한국지능정보사회진흥원)가 주관하는 국가인프라 지능정보화 사업의 일환으로, K-water 컨소시엄은 섬진강 유역에 대한 디지털 트윈 유역 물 관리 플랫폼 선도사업을 추진하고 있다[11],[19].

 디지털 트윈 유역 물 관리 플랫폼을 섬진강 수계에 대해 구축하기 위해서는 기본적으로 지형 정보와 시설물 정보에 대한 3차원 공간정보 가시화가 필수적이다. 공간정보 가시화를 위해서는 현실 세계의 댐과 하천에 대한 공간정보 취득과 모델링 과정이 필요하므로 본 사업에서는 드론 Photogrammetry 기술과 헬기 LiDAR 매핑 기술을 적용하였다.
 섬진강댐과 하류 하천을 연계하는 광범위한 수계에 대한 디지털 트윈 3D 가상환경을 고정밀로 구축하기 위해 항공 LiDAR 측량을 대신하여 헬기 LiDAR 측량을 수행하였다([그림 4] 참조). 본 사례에서는 점밀도 기준으로 25points/m2 이상을 목표로 하였다. 실제 획득된 데이터는 섬진강 하류 하천 173km 전 연장에 대해 목표치 이상의 정밀도로 현실 모델링을 수행하였다.

 섬진강 하천에 산재하는 교량과 보(weir)는 물의 흐름에 영향을 주는 시설물이다. 본 사업에서는 시설물에 대한 현실 모델링을 드론을 활용하여 별도 수행하였다. 섬진강 하천의 주요 교량 79개소와 3개 보에 대한 드론 Photogrammetry 모델을 생성하였고, 디지털 트윈 플랫폼 탑재를 위한 3D 모델 경량화 작업을 수행하였다([그림 5] 참조).

 홍수 분석 모의는 섬진강댐과 하천을 하나의 시스템으로 연계하여 홍수 분석을 수행하도록 구성하였다. 홍수 분석을 위해서 세 가지 종류의 자체 개발 소프트웨어를 탑재하였다. 강우 유출 해석을 위한 K-DRUM, 하천 하도분석을 위한 K-RIVER, 하천 범람해석을 위한 K-FLOOD를 플랫폼에 구현하였다. 이러한 홍수 모의는 지형 공간정보에 결합된 실시간 수위, 댐 운영 조건 등의 센싱 데이터를 기반으로 수행하도록 설계하였다. 현재 조건뿐만 아니라 기상정보나 댐 운영 조건이 변화될 때의 예측 시나리오에 따른 홍수 분석 모의도 가능하다. 또한, AI 기반의 댐 운영 시나리오에 따른 홍수 피해를 예측하는 기능과 댐 방류량 의사결정을 최적화할 수 있는 AI 홍수 분석 기능을 탑재하였다. AI 홍수 분석을 위해서 BAS(Big Data, AI, Simulation) 플랫폼 적용을 통한 스마트 홍수예측 시스템이 적용되었다. 이 모델은 홍수예측 관련 수리/수문학적 지식과 3D 공간정보를 활용한 가설적 모델을 생성하고, 수집된 데이터와 연동한 모델학습을 통해 홍수 예측 데이터의 정확도를 높이게 된다.

 디지털 트윈 플랫폼에 연계하는 물 관리 데이터는 댐 운영 자료와, 기상 관측 자료, 하천의 계측 자료, CCTV 영상 등이 있다. 우선 3차원 공간정보 플랫폼 상에 직관적 이해를 위해 연계하는 데이터로는 댐 운영 자료(저수위, 유입량, 방류량, 저수량 등), 하천 수위, 강우량 등이 있다. 이러한 데이터는 홍수 분석 모형의 입력 데이터로도 활용된다. 또한, 하천 수위 데이터와 CCTV 데이터 등 섬진강 수계 주요 시설물 위치 기반으로 데이터를 시각화하여 표출하게 된다.

 섬진강 유역 물 관리를 위한 디지털 트윈 플랫폼은 3D 공간정보를 기반으로 하천, 제방, 댐 등에 대한 트윈을 구현하였다.

 디지털 트윈을 기반으로 분석, 예측, 가시화가 가능한 통합 플랫폼을 구축하여 지형 정보, 분석 결과 가시화, 시뮬레이션을 통한 경보 등 다양한 서비스를 제공할 수 있는 국산 엔진 기반의 표준화된 플랫폼을 구현하였다([그림 6] 참조).

 홍수의 결과로 나타나는 하천 제방, 호안 사면 등 인프라 안전성 평가도 수치해석 기반으로 시범 탑재하였다. 취약부 하천 제방 및 사면을 시범 선정하여 수위 조건을 반영한 사면 안정해석과 침투류 해석을 수행한다.
 하천 제방의 수치해석을 위한 도면 정보 취득이 어렵기 때문에 해석 단면 생성을 지원하기 위해 드론 매핑에 의해 3D 모델링을 수행하고 이를 해석용 2D 단면으로 만드는 벡터라이징 툴(vectorizing tool)을 개발하였다. 이 과정에서 사면의 원하지 않는 식생이나 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 필터링(noize filtering) 기술도 개발하였다.

 홍수기 댐과 하천 유역의 제약사항 조사 또는 현장 모니터링을 위해서는 기존의 인력 조사의 한계를 벗어날 수 있는 드론 점검 체계가 유용하다. 그러나 강우와 강풍에도 비행 가능해야 하고, 비상착륙 시 물에서도 침수되지 않는 기능을 보유한 드론은 흔하지 않다. 본 프로젝트에서는 Level 5 단계의 완전 무인 자동화 드론 체계를 개발하였다. 강우 10mm와 강풍 10m/s 조건에서도 비행 가능한 드론 기체를 만들었다. 또한, 수상에 드론이 불시착하였을 때 침수되지 않는 드론을 개발하였다. 드론 스테이션을 제작하여 수직이착륙과 자동 충전이 가능하며, 이를 바탕으로 유역에 대한 정기 및 상시 모니터링 체계를 구현하였다.

 AI 지능형 CCTV 분석 체계도 개발하였다. 이상 상황을 인지하고 판단할 수 있는 딥러닝 기반 CCTV 영상 분석 데이터를 생성하고, 이를 디지털 트윈과 연계, 연동하여 이상 상황을 신속히 인지하고, 종합적인 판단을 지원한다. 객체 인식의 유형으로 사람, 차량, 수위표 등을 학습시켰으며, 조기 경보 시스템과 연계할 수 있도록 디지털 트윈 플랫폼을 구성하였다.

 다가오는 향후 10년은 디지털 트윈과 메타버스를 축으로 본격적인 디지털 산업, 경제 생태계가 만들어지면서 새로운 질서와 파괴적 혁신이 가속화될 것이다. 또한, 전세계적으로 4차 산업혁명에 따른 인프라의 디지털화가 가장 급진적으로 접목되는 시대가 될 것이다. 이러한 변화의 속도는 대다수의 일반인들이 감지할 수 없을 정도로 급격하기 때문에 효과적인 대응과 공감대 형성을 준비할 시간적 여유가 없는 실정이다[22]. 새로운 판이 생겨나는 시기에는 우리나라가 먼저 그 판에 올라타 있는 것이 중요하다[9].
 본 고에서는 이러한 거대 기술 흐름 속에서 물 관리 분야의 디지털 트윈 기술을 최초 시범 적용하고 있는 사례를 소개하였다. 물 인프라의 스마트 유지관리 분야에 접목 가능한 디지털 전환 기술에 대해 고찰해보고, 실 사례 중심으로 물 인프라 스마트 유지관리에 대한 개념과 실증 내용을 정리하였다. 차세대 스마트 유지관리를 위한 플랫폼 요소 기술군으로 드론, AI 손상분석, AI 계측 분석 지능화, 디지털 트윈, 증강현실 및 혼합현실 기술의 활용성이 기대되고 있다. 이러한 디지털 전환 요소기술들을 통합하여 차세대 지능형 댐 안전 플랫폼(iDSP)을 구현할 예정이다. 향후 선도 실증을 거쳐 기술의 유효성이 확인되면, 디지털 트윈 스탠다드 플랫폼을 확장하여 물 순환 전 과정을 아우르는 유역 물 관리 디지털 전환을 이룰 예정이다. 디지털 트윈 유역 물 관리 플랫폼은 홍수에 대응하는 기술적 신뢰도 및 생산성 혁신으로 데이터 기반의 똑똑한 물 관리를 구현하는 데에 기여할 것이다. 이러한 디지털 전환 플랫폼은 비단 물 관리 영역뿐만 아니라 타 SOC 인프라에도 유사하게 접목 가능할 것이다.
 급속하게 변화하는 디지털 혁신의 시대에 인프라의 스마트 유지관리를 구현하기 위해서는 “10%의 준비된 기술을 가지고 바로 지금 시작해보는 것이 90%의 완성된 기술을 가지고 10년 후에 시작하는 것보다 훨씬 바람직하다”는 자세를 견지하는 것이 기회비용과 시장 선점 측면에서 중요할 것이다.