디지털 트윈 기반의 지하 공동구 화재재난지원 통합 플랫폼 개발

1. 디지털 트윈 개요

디지털 트윈(Digital Twin)은 물리적 객체를 가상공간에 재현하여 실시간으로 모니터링하고 분석하는 기술이다. 물리적 객체의 상태를 추적하고, 이를 기반으로 시뮬레이션과 분석을 통해 의사결정을 지원한다. 주요 구성 요소는 물리적 객체, 디지털 모델, 데이터 연결, 분석 및 예측, 시각화 및 인터페이스로 이루어진다[1].

디지털 트윈의 작동 원리는 데이터를 실시간으로 수집하고 전송하여 클라우드나 데이터베이스에 저장한 후, 가상 모델을 생성하여 시뮬레이션을 통해 시스템을 최적화하는 과정이다. 이를 통해 실시간 모니터링과 제어를 할 수 있어 시스템의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 제조업, 헬스케어, 스마트시티, 재난관리 등 다양한 분야에서 운영 효율성을 높이고 위험을 줄이는 핵심 기술로 자리 잡았다.

2. 디지털 트윈 성숙도 모델

디지털 트윈 성숙도 모델은 디지털 트윈 기술의 발전 단계를 다섯 가지로 나누어 각 단계에서 필요한 기능과 기술 요구사항을 정의한 것이다[2]. Level 1은 물리적 객체의 기하학적 특성만을 모델링하는 형상모사 디지털 트윈 단계이며, Level 2는 데이터를 기반으로 물리적 객체의 동작을 모델링하고, 단방향 데이터 연결을 통해 상태를 반영하는 정적 디지털 트윈 단계이다. Level 3은 양방향 데이터 연결을 통해 실시간으로 상태를 반영하는 동적 디지털 트윈 단계로, 의사결정과 최적화가 가능해진다. Level 4는 상호작용 디지털 트윈은 디지털 트윈들 간의 연계, 동기화 및 연합적 동작 모델이며, 마지막 Level 5는 자율 디지털 트윈은 여러 디지털 트윈이 상호 연결되어 복잡한 시스템을 관리한다. 각 Level은 기술적 요구와 기능이 점차 발전하며, 디지털 트윈이 자율적이고 통합된 시스템을 지원하게 된다.

1. 디지털 트윈 정책 동향

디지털 트윈 기술은 정부의 주요 전략으로 자리잡고 있으며, 국가 인프라 관리와 과학적 의사결정을 지원하는 다양한 계획이 추진되고 있다. 디지털 플랫폼 정부위원회는 초연결 디지털 트윈 구축을 목표로, 고품질 데이터와 인공지능을 활용하여 국민의 안전에 직결된 의사결정에 디지털 트윈을 적용할 방안을 제시했다[3]. 주요 전략으로 국민 체감형 트윈 확산, 산업 고도화형 트윈 육성, 글로벌 협력형 트윈 개발을 제시했다. 이를 위해 16개 중점 과제와 민간 전문가 그룹을 운영하여 디지털 트윈 코리아 실현을 위한 방안을 마련하고 있다. 국토교통부는 2027년까지 3조 7,700억 원을 투입해 국가 디지털 트윈을 고도화하고, 15조 원으로 관련 산업 매출을 확장할 계획이다[4]. 과학기술정보통신부는 디지털 트윈 활성화 전략을 발표하며 디지털 뉴딜 2.0과 함께 신시장을 창출하고, 핵심 기술 및 서비스 기술개발을 촉진하며 민간 시장으로의 확산을 유도할 계획이다[5].

2. 디지털 트윈 국가사업 동향

디지털 트윈 기술을 활용한 국가 주요 인프라 관리와 과학적 의사결정을 지원하는 주요 사업 동향은 다음과 같다[6]. 도시 및 농어촌 가상모형 시범 구역에서는 부산 진구와 경북 포항에 4종의 디지털 트윈 서비스를 구축하였다. 부산 진구에서는 CCTV 최적지 분석, 노약자 보행 안전 등을 제공했으며, 경북 포항에서는 대기오염, 해양오염 등을 분석했다. 도시 침수 대응 체계 실증 사업에서는 한강 홍수통제소, 경북 포항, 경남 창원에서 디지털 트윈 기반의 대응 체계를 고도화했다. 대기오염 확산 모의실험 소프트웨어도 시화국가산업단지에서 실증되었다. 체육 및 문화 시설 안전관리를 위해 행복청정부세종청사 체육관에 안전관리 플랫폼이 구축되었고, 디지털 트윈 기반 재난안전관리 기술이 청주시 오창 지하 공동구에서 실증되었다. 이에 따라 약 112억 원의 매출을 달성하며 다양한 산업 분야로 기술이전이 이루어졌다. 이 사업들은 국가 인프라를 효율적으로 관리하고 안전성을 높이는 데 크게 기여했다.

1. 국내/외 디지털 트윈 기술 활용 사례

국내 디지털 트윈 기술은 다양한 활용 사례를 통해 그 가치를 입증하고 있다[7]. 전주시는 205km²에 달하는 도시 전역을 대상으로 디지털 트윈 플랫폼을 구축하여 실시간 하천 모니터링과 태풍‧침수 예측 시뮬레이션을 구현했다. IoT 센서와 CCTV 데이터를 활용해 재난 발생 전 위험을 감지하고 대응 방안을 제시하며, 사전 예방 중심의 재난관리로 전환했다. 한국국토정보공사는 국가 디지털 트윈 사업의 일환으로 과거 재난 데이터를 분석해 침수‧산사태를 예측하고, 스마트 도로 관리 시뮬레이션을 통해 안전성을 높이는 서비스를 제공한다. 또한, 포스코는 제철소에서 디지털 트윈을 적용해 화재‧가스 누출 등 산업 재난을 예방하고, 실시간 공정 모니터링으로 작업자 안전 강화에 기여하고 있다.

국외 디지털 트윈 기술은 전 세계 여러 산업에서 혁신적인 변화를 이끌고 있다[8]. 영국은 국가 디지털 트윈 프로그램을 통해 에너지 수요 예측과 자산 관리 등 다양한 분야에서 이를 활용하고 있으며, 싱가포르는 도시 열섬 현상을 해결하기 위해 기후 트윈을 도입했다. 대만은 ‘Earth-2’ 기후 디지털 트윈 플랫폼을 활용하여 기후변화와 태풍 예측을 개선하고 있다. 미국은 반도체 연구개발에 디지털 트윈을 적용하여 생산 효율성을 높이고 설계 최적화를 진행하고 있다. 마지막으로 아프리카는 림포포강 수자원 관리에 디지털 트윈을 도입하여 기후변화에 효과적으로 대응하고 있다.

1. 국내 공동구 현황

2023년 국토안전 통계연보[9]에 따르면, 전국 39개의 공동구가 설치되어 전기, 수도, 통신 등 통합 서비스를 제공하고 있다. 현재 공동구는 2종 시설물로 지방자치단체에서 관리하고 있다. 현재 공동구 시설의 사용 연수 조사 결과, 국내 대부분의 지하 공동구는 30년 이상 사용된 시설이 많아 노후화 문제가 심각하다. 전체 공동구의 약 30.8%가 30년 이상된 시설로, 이는 고장과 사고의 원인이 될 수 있으며, 시설 안전성을 위협하고 있다. 특히, 노후화된 공동구의 유지보수와 관리가 중요해지면서 정기적인 점검과 예방적 관리가 필요하다. 일부 지역에서는 시설 고장이나 사고가 발생할 수 있는 위험이 커지고 있어, 이를 해결하기 위한 지속적인 관리가 요구된다[10].

이러한 문제점을 고려하여 정부와 지방자치단체는 공동구 재난 예방을 위해 스마트 기술 도입을 확대하여 안전성 강화에 노력하고 있다[11].

결론적으로, 국내 지하 공동구는 도시화와 기술 발전에 발맞춰 꾸준히 발전하고 있지만, 노후화된 시설의 체계적인 관리와 안전성 강화를 위한 지속적인 투자와 노력이 필요한 상황이다.

2. 국내 공동구 재난 사례

지하 공동구 화재 사고는 도시 기능의 안정성을 위협하고 큰 경제적 피해를 유발한다. 최근 발생한 대표적인 공동구 사고 사례는 표 1과 같다[12]. 2000년 여의도 공동구 화재는 송전선 절연 접속함의 합선으로 발생하였다. 이 사고로 인해 사상자 4명, 약 16억 원의 재산 피해가 발생했다. 이 사고는 전력 공급망의 화재 취약성을 드러냈다. 2006년 구리 전력구 화재는 15만 4천 볼트 및 34만 5천 볼트 전력케이블과 통신 광케이블이 약 100m씩 소실되었다. 이는 고전압 설비의 관리 부족이 대규모 피해로 이어질 수 있음을 보여준다. 한편, 2018년 KT 아현지사 통신구 화재는 약 75억 원의 재산 피해를 초래했으며, 서울 지역 1/4에 달하는 통신망 마비로 이어졌다. 원인 미상인 이 사고는 현대 사회에서 지하 공동구의 관리 중요성을 부각시켰다.

3. 국외 공동구 재난 사례

최근 발생한 국외 공동구 재난 사례의 사고 사례를 표 2에 나타내었다. 2014년 대만 가오슝 지하 공동구 사고[13]는 프로필렌 가스가 하수구와 지하 배관을 통해 확산하여 폭발로 이어졌으며, 도로 붕괴와 대형 화재가 발생하여 광범위한 지역이 피해를 보았다. 2017년 영국 런던 홀본 전력 공동구[15]에서는 전기 케이블 단락으로 화재가 발생한 데 이어, 8인치 가스 메인 파이프 손상으로 가스 누출이 화재를 악화시켰다. 2023년 캐나다 밴쿠버 다운타운 지하 전력구[16]에서는 오일 스위치 가스켓 누출로 화재와 폭발이 발생, 수만 명의 주민과 기업이 정전을 경험했으며, 2024년 미국 코네티컷주 하트퍼드 지하 전력구[17]에서는 배전장치 과부하로 화재가 발생, 약 9,200가구와 사업체의 전력 공급이 중단되었다. 이들 사례는 가스 누출, 설비 과열, 단락 등 다양한 원인으로부터 공동구 재난이 발생하며, 정전, 화재, 사회적 피해로 이어질 수 있음을 보여준다.

1. 재난안전관리 통합 플랫폼 개요

공동구는 전기, 통신, 상하수도 등의 지하시설물을 공동으로 수용하는 시설로서 국가 핵심 기반 시설이다. 그러나 현재 공동구는 인력 중심으로 관리되고 있어 잠재적인 재난 발생 위험에 노출되어 있다. 특히 환풍기, 배수펌프 등 내부의 노후화된 관리 시설로 화재와 같은 재난이 발생할 수 있으며, 화재 발생 시 공동구 내부에 빠르게 확산되어 온도상승, 고농도 연무 및 유독가스 발생으로 인해 화재 발생 위치 파악 및 진출입로 확보가 어렵게 만든다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 과학기술정보통신부(주관부처), 행정안전부, 국토교통부, 산업통상자원부가 협력하여 2020년부터 2024년까지 총 5년에 걸쳐 “디지털 트윈 기반의 공동구 화재‧재난 지원 통합 플랫폼 기술개발” 사업을 추진하였다[18]. 이 사업은 국내 최초로 디지털 트윈을 활용한 재난 관리 연구개발 사업으로, 현장 정보 수집, 데이터 통합분석, 모델링 및 시뮬레이션, 초정밀 가시화 등 디지털 트윈을 구성하는 핵심 기술을 개발하여 화재, 침수, 지진과 같은 재난으로부터 공동구를 안전하게 관리하기 위한 서비스 개발을 목표로 하고 있다.

2. 디지털 트윈 기반 공동구 재난안전관리 서비스

본 사업을 통해 개발된 디지털 트윈 기반 화재‧재난 지원 통합 플랫폼에서 제공하는 주요 서비스(그림 1)는 평상시 공동구 관리 서비스와 재난 발생에 따른 화재‧재난대응 서비스로 구분할 수 있다.

평상시에는 다양한 고정형 센서와 레일형 로봇을 통해 수집한 데이터를 관제실 화면에 표출한다. 또한, 수집된 데이터를 종합 분석하여 이상징후를 감지하고 위험도 추론 및 재난확산 예측 시뮬레이션 결과를 활용하여 공동구에서 발생할 수 있는 다양한 이상상황을 감지하여 공동구를 안전하게 관리하기 위한 정보를 제공한다.

재난 발생 시에는 표준작전 절차(SOP)와 현장 상황정보를 통합 분석하여 재난의 유형과 위험도 수준에 따라 효과적으로 재난에 대응하는 데 필요한 정보를 제공한다.

그림 2는 공동구 재난안전관리 서비스시나리오를 나타낸 것이다.

평상시의 서비스시나리오는 근무자가 출근하면서부터 퇴근까지 평상시 활동에 대한 서비스로 근무자의 활동이나 업무에 따라 출입자 보안관리, 업무자동인수인계, 감시시설 모니터링, 순찰 지원, 안전 수칙 자동점검, 수용시설 관리 등이 플랫폼에서 제공된다.

재난 발생 시의 서비스시나리오는 이상상황이 감지부터 대응에 대한 서비스로 이상상황 경보 및 전파, 초동대응, 재난상황 경보 및 전파, 자동 대피경로 안내 등이 상황에 맞게 플랫폼에서 제공된다.

1. 플랫폼 구조 및 동작 원리

디지털 트윈 기반의 공동구 재난안전관리를 위한 통합 플랫폼은 재난(화재, 침수, 지진)을 포함하여 재난 발생 전에 나타나는 전조 징후, 징조 등 평상시와 다른 현상을 이벤트로 정의하고 이에 대응하는 구조로 설계되었다.

재난안전관리 분야에서는 신속하게 상황을 파악하여 이벤트가 확산되기 전에 적절한 대비 또는 대응함으로써 재난으로 인한 피해확산을 줄일 수 있다. 따라서 재난안전관리를 위한 디지털 트윈 플랫폼은 기본적으로 현장에서 수집한 다양한 데이터를 실시간으로 상황실 관제 화면에 표출할 수 있어야하며, 이벤트가 발생할 때 관계기관 담당자들이 최적의 의사결정을 할 수 있도록 신속하게 의사결정 지원정보와 관련 데이터를 이해하기 쉬운 형태로 제공할 수 있어야 한다.

그러나 신뢰성 있는 의사결정 지원정보를 추론하기 위해서는 복잡한 데이터 분석이 필요하며 이로 인해 처리시간이 길어질 수 있다. 특히, 데이터량이 많고 현장 공간이 복잡할수록 의사결정 지원정보를 추론하는 데 걸리는 시간이 증가하여 선제적 대응 시기를 놓칠 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 사업에서는 공동구 현장에서 수집한 데이터에 대해 간단한 기준치 비교 분석에서 이벤트의 피해확산을 고려한 인과성 분석까지 복잡도에 따라 데이터 분석과 의사결정 지원정보 추론을 세 단계로 구분하여 실행하는 디지털 트윈 플랫폼 구조를 설계하였다.

2. 디지털 트윈 기반 공동구 재난안전관리 통합 플랫폼 개발

디지털 트윈 기반 지하 공동구 화재‧재난안전관리 플랫폼 개발 내용은 크게 5개 분야로 구성된다.

가. 통합 플랫폼 핵심 기술개발

지하공간(공동구, 일반구 등)의 주요 라이프라인을 보호하기 위해 다양한 재난정보를 통합하여 예측‧관리가 가능한 디지털 트윈 기반 재난안전 예측‧관리 통합 플랫폼 핵심 기술을 개발하였다. 주요 개발 내용은 다음과 같다.

• 디지털 트윈 기반 재난안전관리 플랫폼 개발

• 고가용성‧고신뢰‧저지연 데이터 수집 및 전송 기술개발

• 화재‧재난관리를 위한 디지털 트윈 모형 생성‧관리‧분석‧표출 기술개발

• 지하 공동구 환경‧이상상황 및 의사결정 지원 추론 기술개발

디지털 트윈 기반 재난안전관리 플랫폼은 지하 공간 라이프라인 보호를 위한 재난안전 통합 플랫폼 기술로, 지하 공동구 내 다양한 재난정보를 통합하여 저장‧예측‧능동대응 관리하는 기술이다.

고가용성‧고신뢰‧저지연 데이터 수집 및 전송 기술은 중단 없는 실시간 데이터 전송을 보장하는 기술로 분산 아키텍처, 다중경로 네트워크로 가용성을 높이고, 데이터 무결성 검증과 오류 정정으로 신뢰성을 확보하였으며, 최적화된 네트워크 프로토콜로 밀리초 단위의 초저지연 데이터 전송하는 기술이다.

화재‧재난관리를 위한 디지털 트윈 모형 생성‧관리‧분석‧표출 기술은 수집된 정보를 통합하여 모형을 생성하고 상황(평상시, 재난상황)에 맞게 모형 태깅 및 정보 분할한다. 이렇게 정리된 모형은 용도에 맞게 표출된다.

지하 공동구 환경‧이상상황 및 의사결정 지원 추론 기술은 수집된 다중 환경 센서 데이터들로부터 인공지능과 기계학습 알고리즘으로 이상징후를 실시간 감지하고, 상황별 최적 대응 방안 도출 및 관리자에게 신속하고 정확한 의사결정을 지원해 안전사고 예방과 효율적인 재난 대응을 가능하게 하는 기술이다.

각각의 개발 기술의 대표 결과 및 핵심 정량적 성과를 표 3에 나타내었다.

나. 현장중심 예방‧대비‧대응 기술개발

대형(복합)재난의 확산을 예측하고 능동적으로 대응하기 위한 현장중심 예방‧대비‧대응 기술을 개발하며, 이를 지하 공동구에 실제 적용하여 실증한다. 주요 개발 내용은 다음과 같다.

• 지하 공동구 내 운영관리 및 화재‧재난 초동대응 이동형 지능 시스템 개발

• 디지털 트윈 기반 화재‧재난대응 통합관리 기술개발

• 디지털 트윈 기반 지하 공동구 화재‧재난 확산 예측 기술개발

지하 공동구 내 운영관리 및 화재‧재난 초동대응 이동형 지능 시스템은 화재나 재난 발생 시 신속히 현장에 투입되어 상황을 파악하고 대응하는 이동식 로봇 기반 시스템으로 실시간 영상 전송, 열화상 감지, 유해가스 측정, AI 기반 위험 예측 기능을 통해 인명 구조와 피해 최소화를 지원하는 첨단 재난대응 시스템이다.

디지털 트윈 기반 화재‧재난대응 통합관리 기술은 실제 환경을 가상공간에 정밀하게 복제하여 화재‧재난 상황을 실시간으로 모니터링하고, 시뮬레이션을 통해 최적 대응 경로와 방안을 도출하며, AI 예측 분석으로 피해를 최소화하는 스마트 재난관리 기술이다.

디지털 트윈 기반 지하 공동구 화재‧재난 확산 예측 기술은 지하 공동구의 3차원 가상모델에 실시간 센서 데이터를 연계하여 화재, 침수, 지진으로 인한 붕괴 등의 확산을 시뮬레이션하고, 인공지능 알고리즘으로 피해 범위와 진행 경로를 예측함으로써 신속한 대피 및 진화 전략 수립을 지원하는 선제적 재난 대응 기술이다.

각각의 개발 기술의 대표 결과 및 핵심 정량적 성과를 표 4에 나타내었다.

다. 3차원 공간정보 생성 및 갱신 기술개발

지하 공동구의 디지털 트윈화를 통해 재난 예측, 예방, 대응 및 복구를 실감적으로 지원하기 위한 (준)실시간 3차원 공간정보 생성 및 갱신 기술을 개발한다. 주요 개발 내용은 다음과 같다.

• 지하 공동구 공간정보 구축 및 관리 기술개발

• (준)실시간 지하 공동구 공간정보 갱신 기술개발

• 데이터 모델링 및 상호 인터페이스 기술개발

지하 공동구 공간정보 구축 및 관리 기술은 지하 공동구 내부의 3차원 형상을 정밀하게 측정하고, 지하 공동구의 구조물과 각종 시설물에 대한 3차원 정보모델을 구축하여 설계, 시공, 유지관리를 위한 정보를 통합 관리한다. 또한, 지하 공동구의 위치정보와 속성정보를 지리정보시스템에 통합하여 관리한다.

(준)실시간 지하 공동구 공간정보 갱신 기술은 3D 스캐닝, IoT 센서, 모바일 매핑 시스템을 활용해 지하 시설물의 변화를 실시간 감지하고, 클라우드 기반 플랫폼으로 데이터를 자동 업데이트하여 정확한 공간정보를 유지하는 기술이다.

데이터 모델링 및 상호 인터페이스 기술은 다차원 시공간 정보 기반 표준데이터를 모델링하여 표준 격자를 생성하고, 공간 객체의 상호 공유를 위한 표준 인터페이스를 개발하는 기술이다.

각각의 개발 기술의 대표 결과 및 핵심 정량적 성과를 표 5에 나타내었다.

라. 지능형 멀티 센서 및 탈출유도/구호 기술 개발

지하 공동구 내 재난 상황을 감지, 예측하고 대응하기 위한 지능형 멀티 센서(고정형 및 이동형 지능 시스템 탑재)와 탈출 유도 및 구호 기술을 개발한다. 주요 개발 내용은 다음과 같다.

• 화재‧재난 감지를 위한 고정형 멀티 센서 디바이스 개발

• 이동형 지능 시스템 탑재 기반 복합형상이상 감지 센서 기술개발

• 실시간 현장 중심 지하 공동구 관리 및 신속 대응 감지 기술개발

화재‧재난 감지를 위한 고정형 멀티 센서 디바이스는 다중(8종) 환경 감지 센서 및 출입자 위치추적 센서들을 개발하고, 센서들로부터 수집된 각종 데이터를 관리하거나 통합 전송 기능을 제공하는 기술이다.

이동형 지능 시스템 탑재 기반 복합형상이상 감지 센서 기술은 3차원 다중 센서 기반 공간정보 취득 센서, 이벤트 상황을 감지하기 위한 저조도/열영상 센서, 침수센서 등을 개발하는 기술이다.

실시간 현장 중심 지하 공동구 관리 및 신속 대응 감지 기술은 화재‧재난 시 다중 센서 수집 정보를 활용하여 탈출 유도‧구호를 위해 정확한 요구조자의 이동 경로 감시 및 탈출 경로 안내하는 기술이다.

각각의 개발 기술의 대표 결과 및 핵심 정량적 성과를 표 6에 나타내었다.

마. 표준화 추진(표준 분야)

디지털 트윈 기반 재난안전관리 플랫폼 개발을 통해 확보된 디지털 트윈 요소 기술의 국제 표준화를 추진하였다. IEEE 2888.1, 2, 3에 총 3건이 표준 제정되었으며, 각각은 사이버 및 물리적 세계를 위한 센서 인터페이스 사양, 사이버 및 물리적 세계를 위한 액추에이터 인터페이스, 사이버 세계와 물리적 세계 간 디지털 동기화에 해당하는 내용으로 제정되었다[19-21].

3. 디지털 트윈 기반 공동구 재난안전관리 통합 플랫폼 현장 적용 실증

지하 공동구 화재‧재난관리를 위한 실증은 단계적인 현장 적용 실증과 전주기 현장 실증을 진행하였으며, 이를 위해 현장 적용 실증 협력 체계 구성은 연구개발 기관, 관련 부처, 공동구 관리 사무소, 시설관리기관 간의 협의체로 진행되었다.

2023년 1차 현장 적용 실증은 개발된 기능의 전체 통합 실증으로 진행되었으며, 기능 간 인터페이스 및 기능 연동 목적으로 현장 적용 가능성을 시험하였다.

2024년 2차 현장 적용 실증은 전주기 대응(수집, 예측, 예방, 대응, 조사분석)에 맞춰 통합 플랫폼이 현장에 잘 운영될 수 있도록 객관적 검증 절차를 거쳤다. 실증을 거치는 동안 실증 현장에 최적화된 플랫폼 개발이 될 수 있도록 사용자의 요구사항을 주기적으로 반영하였다. 이렇게 해서 만들어진 플랫폼은 현장 사용자들이 빠르게 운영할 수 있도록 사용자 설명 및 연구개발 기간 내 시범적으로 사용할 수 있도록 하였다.