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K-water AI연구센터, 곳곳에 인공지능 ‘물관리 분야 AI 확산’ 총력

창간 25주년 탐방 K-water AI 연구센터

오성덕 기자 | 기사입력 2023/11/14 [13:12]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2023/11/14 [13:12]
K-water AI연구센터, 곳곳에 인공지능 ‘물관리 분야 AI 확산’ 총력
창간 25주년 탐방 K-water AI 연구센터
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인공지능을 활용해 효율적, 경제적, 과학적인 물관리 실현에 앞장서고 있는 ‘K-water AI 연구센터’. 

 

현재 AI 연구센터에서는 스마트정수장과 수질·수환경, 수자원-유역DT, CV·시설안전, 재난대응, 전주기 AI 개발관리를 위한 클라우드 도입 등 다양한 분야에서 AI기술을 적용하며 똑똑한 물관리 실현에 앞장서고 있다. 

 

2021년 디지털 기반 물관리 ‘첫 발’...AI 솔루션 개발 ‘구슬땀’

홍수 예보 기법 등 ‘수도계량기 동파위험 정보’ 기술개발 추진

 

지난 2021년 5월 디지털 기반 물관리를 위해 첫 발을 내딛은 AI 연구센터는 업무 프로세스 정립, 공통 요소기술 확보, 효과적인 AI 솔루션 개발 등의 업무를 수행하며 국내 물관리 분야의 기술 경쟁력 강화에 크게 이바지하고 있다. 

 

센터에서는 ‘스마트 정수장/수질·수환경’ 분야에서 AI 기반 공주 스마트 막여과 정수장 시범구축을 비롯해 AI 하이브리드 취수원 유입수질(Mn) 예측, 한강(팔당호) 수질주간예측 개선, 수도미터 동파경보 기능 고도화, 국가 장기용수 수요예측, 여수 산업 용수 수요추정 등의 사업을 전개하며 AI를 통해 기존의 전통적 스마트 물관리 개선에 앞장서고 있다. 

 

‘수자원-유역DT’ 분야에서는 AI를 활용한 효율적이고 정확한 댐·하천의 홍수분석을 위해 이상 홍수 대응 홍수방어시설 최적운영 기술개발과 함께 한강보 수위예측과 하천수위예측 고도화, AI를 활용한 실시간 댐 홍수분석 기술개발 연구를 진행하고 있다. 

 

‘CV/시설안전, 재난대응’ 분야에서는 수자원 인프라 안전 디지털 정보화 혁신기술 개발 연구를 통해 사진을 활용한 3D 구현기술인 NeRF(Neural Radiance Field) 기술의 수자원시설물 적용에도 박차를 가하고 있다.

 

또한, 드론 영상 기반 댐 결함 검출 체계 구축과 댐 결함 CV 알고리즘 선정평가, CCTV 분석을 통한 도시 하천 DT 구축 AI기술개발, CV를 이용한 정수장 약품투입 관리, 수자원시설 안전관리를 위한 AI 기반 자율점검 기술연구를 수행하며 보다 안전한 물관리 시설물의 관리에도 구슬땀을 흘리고 있다. 

 

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▲ AI 기반 가상센싱을 통한 수위예측 및 적용 방안    

 

‘자연어처리’ 분야에서는 거대언어모델과 자연어처리를 활용한 기술정보분석, 자연어처리기반 사내규정, 법령정보 제공 챗봇 개발, AI양정 가이드라인과 유사문서 검색 알고리즘 고도화 등을 통해 기술 트렌드 분석과 다양한 업무의 효율화를 위해 노력을 기울이고 있다. 

 

이외에도 전주기 AI 개발 관리를 위한 클라우드 도입을 통해 AI의 효율적 개발과 공유를 위한 노력과 함께 지난 2021년부터 매년 대국민 K-water AI 경진대회를 개최하며 K-water의 AI 기술 선도에 대한 국민 인식 제고와 사내 현안에 대한 최신 AI 기술의 신속한 적용과 내재화에도 집중하고 있다. 

 

한편, 센터는 현재 추진 중인 다양한 연구의 진행사항과 연구성과물을 코드형태로 Git-Hub 등에도 공유하는 등 물관리 분야의 AI 확산을 위해 역량을 집중시키고 있다. 

 

또한, 향후 센터에서 개발한 물관리 AI 기술을 클라우드를 통해 공유함으로써 사용자의 GPU와 같은 고성능 컴퓨팅 리소스의 사용에 대한 한계와 복잡한 분석용 프로그램 세팅 없이도 AI 기술을 경험할 수 있는 기회를 제공할 예정이다. 

 

특히, 기존의 코드중심의 AI 분석 User Interface 개선을 통해 보다 쉽게 물관리에 AI를 적용할 수 있는 터전도 마련해 나갈 계획이다. 

 

대표과제

센터에서는 ‘AI를 적용한 홍수예보 기술’ 개발에 나서고 있다. 

 

이 과제는 AI를 활용해 기존의 수리학적-수문학적 모델을 보완하기 위한 과제로, 수치시뮬레이션의 결과를 동화시켜 새로운 데이터를 증강, 생성하고 학습에 포함, 지금까지 측량이나 측정을 수행하지 못한 지점에서 AI 홍수예보가 가능케 하는 기법을 개발하고 있다. 

 

이 기법은 기존 대비 90% 이상의 획기적인 예측력을 유지하는 동시에 예측기간을 사전예보에 적합한 1일 이상으로 증가시킬 수 있다. 

 

연구팀은 향후 이 기술을 국가에서 추진하고 있는 ‘댐-하천 디지털트윈 구축’과 공사의 ‘Digital Garam+’ 등의 시스템에 탑재, 서비스에 나설 예정이다. 

 

AI 기반의 ‘수도계량기에 대한 동파위험 정보 제공 기술’ 개발도 추진했다. 

 

이 연구에서는 수도계량기의 수도계량기함 내부 온도를 추정하는 모델을 실측 온도에 따라 생성하고, 지역별 가상 온도센서를 구축해 각지의 수도계량기 동파위험정보를 제공하고, 수도계량기별로 구축한 가상 온도센서 알고리즘을 통해 수도계량기별 동파위험정보를 제공하는 기술을 개발하고 있다. 

 

신뢰도 높은 정보서비스를 위해 연구팀은 국가수도정보센터와 함께 전국단위의 효과적인 동파위험 정보서비스 제공을 목표로 온도센서를 통해 측정되는 실측온도 기반의 서비스 제공 지역과 온도센서에서 측정된 온도데이터와 계량기의 현장 여건을 고려한 가상센서 기반의 온도 예측 지역을 결합한 하이브리드 방식의 정보서비스 구현에 집중했다. 

 

현재 국가상수도정보시스템에서 서비스가 이뤄지고 있다. 

 

물환경 분야에서도 ‘데이터 증강 기반의 가상센싱 하이브리드 개념 적용’ 연구에 노력을 기울이고 있다. 

 

망간에 대한 수질기준 초과 사례가 지속적으로 발생하고 있는 가운데 센터에서는 취수원인 댐과 저수지에서의 수질(망간) 예측 정확도 향상과 예측기간 확대를 위한 연구를 수행했다. 

 

저수지의 취수측에서의 망간발생농도를 사전적으로 예측하는 데 초점을 맞추고 저수지 내 수질과 기상 조건을 비롯해 저수지에서의 성층현상과 탈성층 등에 대한 수리적 변동 파악을 위해 기존의 2·3차원 수치모형을 보완하기 위한 수단으로 기상, 수문, 수질 자료를 입력변수로 하는 머신러닝 모델을 구축했다. 

 

이와 함께 저수지 내 성층 특성을 분석하고 단기 예측에 활용하기 위한 수단으로 성층의 강도지표를 추정하고 기상조건에 따른 수체내의 수온 특성을 예측하는 가상센서 모델을 구축, 연계하는 기법도 도입했다. 

 

이를 통해 대상지역인 주암댐에서의 기존 데이터 모형의 예측성능의 정확도를 예측 시기에 따라 기존 대비 최소 20%이상까지 개선시키는 성과를 도출했다. 

 

센터는 이를 기반으로 향후 대청댐에 적용하는 등 조류경보제나 예보에 적용할 수 있는 활용 방안 모색에 나서고 있다. 

 

 

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드론 활용 댐 누수 균열 검출 등

‘가상센서’ 개념 도입 연구 ‘집중’

 

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▲ 김성훈 센터장    

K-water연구원 김성훈 센터장은 “지난 2021년 5월 디지털 전환 시대의 핵심기술인 AI를 물관리 기술 전 분야에 접목하며 선도적인 스마트 물관리 역할을 담당할 R&D 전문 조직으로 AI 연구센터가 설립됐다”고 소개했다. 

 

이어 “이 같은 설립 취지에 맞춰 현재 수량·수질, 재해 대응, 시설안전 등 분야별로 산재한 문제 해결을 위해 AI 알고리즘과 DB, 소프트웨어 등을 연결하는 플랫폼과 클라우드 활용 연구 등 다양한 분야의 연구를 수행하고 있다”고 밝혔다. 

 

특히, 수자원과 상·하수도 분야의 시설관리와 이와 관련한 수리·수문영역 데이터 기반의 연구에 역량을 집중시키고 있다. 

 

김 센터장은 “물재해 관리 관점에서의 디지털 전환은 근본적인 어려움이 존재한다”며, “기상과 기후라는 제어 불가능한 불확실성에 더해 댐이나 하굿둑과 같이 중·대형 사회기반시설과 맞물려 있어 디지털 전환에 조심스러운 접근이 필요하다”고 설명했다. 

 

이어 “불확실성은 경우에 따라 효과적이고 효율적인 제어, 즉 최적화에 만족스럽지 않은 결과를 도출할 수 있는 만큼 이 같은 문제 해결을 위해 센터에서는 생성형 AI 기반의 ‘가상센서’ 개념을 도입, 적용하는 연구에 집중하고 있다”고 말했다. 

 

딥러닝 변환기술 기법 도입 연구도 추진

 

이와 함께 국가에서 추진 중인 ‘스마트댐안전관리 사업’ 중 드론을 활용한 댐 결함 검출 연구를 담당하며 드론으로 촬영된 다목적댐과 용수댐의 박리·박락, 균열, 누수 등을 검출하는 컴퓨터 비전 기반의 기술 개발에도 노력을 기울이고 있다. 

 

특히, 최신 기술인 딥러닝 변환기술 기법 도입 연구를 수행하는 등 국내 시설물들의 디지털 전환에 한 획을 긋기 위한 과감한 시도에도 나서고 있다.

 

김 센터장은 “이 같은 노력들로 올해 컴퓨터 비전 AI 분야 최고의 학술단체인 ICCV 주관 컴피티션에서 상위를 차지하고, NerF분야 레퍼런스가 되는 논문 게재에도 당당히 이름을 올렸다”고 강조했다.

 

센터는 이 같은 성과들을 기반으로 디지털 기반의 물관리를 위한 업무 프로세스 정립과 공통 요소기술 확보, 효과적인 AI 솔루션 개발 등 고유 목적 달성을 위해 유관기관과 AI 전문기관과의 협력을 추진하고 있다. 

 

김 센터장은 “대덕특구 내 출연연은 물론 육군본부의 빅데이터센터와의 협업, 클라우드 기반 연구 활성화를 위해 전문기관인 아마존, 구글, 네이버 등과도 네트워킹을 지속적으로 진행하고 있다”고 말했다. 

 

이어 “빅데이터의 시대에는 빅데이터를 생산, 활용할 수 있는 기술 역량이 무엇보다도 중요하다”며, “앞으로도 AI연구센터는 건설기술분야와 물관리에서 AI를 효과적이고 전문적으로 활용할 수 있는 기반을 마련하는 한편, 공유와 협력의 자세로 기술을 선도하는 조직으로서 최선을 다할 것”이라고 밝혔다. 

 

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