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미국 국토개발국

리얼리티 캡처 및 3D 모델을 활용한 핵심 인프라 보호

THE FUTURE OF MAKING THINGS

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사진 제공: 미국 국토개발국

글렌캐니언 댐의 미래를 위한 토대를 마련하는 첨단 기술 도구

애리조나주 글렌캐니언 댐은 생활에 필수적인 수자원과 전력을 미국 서부 지역에 공급합니다. 하지만 지난 반세기 동안 운영하면서 시설이 노후화되었으며, 기상이변으로 인한 유량 변동 때문에 피해를 입기도 했습니다. 미국 국토개발국은 댐의 상태를 평가하고 향후 수 세대에 걸쳐 이를 보호하기 위해 리얼리티 캡처 및 3D 모델링을 활용하고 있습니다. 이러한 과정 속에서 미국 국토개발국다. 하은 새로운 기술이 전 세계의 핵심 인프라를 보존하는 데 어떤 도움을 줄 수 있는지를 보여줍니다.

글렌캐니언 댐 발전소의 David Winslow(오른쪽). 사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/오토데스크

미국 서부 수자원 및 전력 공급

1902년 미 의회는 관개를 통해 건조지를 사용할 수 있도록 "개간"하는 것을 목표로 국토개발국을 설립했습니다. 국토개발국은 현재 서부에 자리한 17개 주에서 492개의 댐을 유지 관리하며 매년 3,100만 명이 넘는 사람들에게 10조 갤런의 수자원을 공급하고 있습니다. 연간 400억 kWh의 전기를 생산하는, 미국에서 두 번째로 큰 재생 수력 발전 주체입니다.

설립 후 한 세기가 지난 지금, 국토개발국의 사명은 진화하고 있습니다. 미 서부 지역 사회를 유지하는 데 그치지 않고 세월로 인해 황폐해진 자산을 되찾는 것입니다. "이러한 시설은 대단히 중요한 국가 자산입니다." 유타주 솔트레이크시티 국토개발국의 CAD 관리자 및 토목 엔지니어인 David Winslow의 말입니다. "그리고 우리에게는 향후 수백 년 동안 주위에 있게 될 것을 관리할 임무가 있습니다. 우리 세대가 사라지고 한참이 지나도 이러한 구조물은 여전히 그 자리를 지킬 것입니다. 하지만 그러려면 올바르게 운영하고 유지 관리해야 합니다."

글렌캐니언 댐 발전소의 David Winslow(오른쪽). 사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/Autodesk

인프라 유지 관리: 글로벌 과제

글렌캐니언 댐은 1950~1970년대의 세계적인 댐 건설 붐 속에서 1963년에 완공되었습니다. 해당 기간 동안 이집트 나일강의 아스완 하이 댐, 일본의 쿠로베 댐, 인도의 이두키 댐, 브라질의 일랴소우테이라 댐, 스위스의 콘트라 댐을 비롯해 매년 약 1,000개의 댐이 완공되어 전 세계 각 지역에 전기 및 수자원을 공급하고 홍수를 제어하는 역할을 했습니다.

당시에는 이러한 방대한 인프라 프로젝트를 수행하는 데 도움을 주는 CAD가 없었습니다. 전 세계에서 가장 큰 콘크리트 댐 중 하나인 글렌캐니언은 "계산자와 삼각함수표를 사용해 건설되었습니다."라고 Winslow가 말합니다. "모든 도면을 제도대에서 손으로 작성했습니다." 종이 평면도와 청사진에 의존할 수밖에 없었던 국토개발국은 노후화, 기후 및 유량의 극단적인 변화 등이 댐의 상태에 미치는 영향에 대해 충분한 정보를 얻을 수 없었습니다.

이것은 글렌캐니언만의 문제가 아닙니다. 세계은행에 따르면 전 세계 58,000개가 넘는 대형 댐의 과반수가 50년 이상 운영되었습니다. 댐의 유지 관리와 복구를 위해 더 나은 도구를 찾는 것은 분명히 글로벌 과제입니다.

1960년대의 글렌캐니언 댐. 사진 제공: 미국 국토개발국

"우리는 수천 장의 2D 도면으로 이 시설을 관리하는 일에서 벗어나야 했습니다. 글렌캐니언과 관련하여 댐, 협곡의 벽, 댐 저수 구역 상류, 강 하류, 그리고 발전소 안팎에 대한 포괄적인 3D 모델이 정말 필요했습니다."

- David Winslow, 미국 국토개발국 CAD 관리자 및 토목 엔지니어

 

댐의 노후화 진단을 위한 새로운 기술 도구

미국 국토개발국은 구조물의 상세한 3D 디지털 모델, 즉 "가상" 글렌캐니언 댐을 만들 수 있는 최고의 도구와 기술을 선택하기 위해 오토데스크와 상담했습니다. 3차원 데이터는 국토개발국의 2D 종이 문서가 제공할 수 있는 것 이상의 깊이와 맥락을 제공합니다. 또한, 디지털 데이터는 동적입니다. 오래된 청사진처럼 과거에 머물러 있지 않습니다. 디지털 모델은 업데이트할 수 있고 새 시나리오는 시뮬레이션할 수 있으며 향후 수 세기 동안 원본 데이터 세트와 대조하여 변화를 측정할 수 있습니다.

3D 모델은 글렌캐니언 댐의 유지 및 관리를 돕는 수많은 새로운 기능을 국토개발국에 제공할 수 있습니다. 이를 사용하면 현재 손상된 부분을 더 쉽게 파악하고 진단하여 복구할 수 있을 뿐 아니라 발생 가능한 손상을 예측하고 방지할 수 있을 것입니다.

그런데 CAD 이전에 건설된 구조물에 대한 컴퓨터 모델은 어떻게 제작해야 할까요? 그 답은 리얼리티 캡처입니다.

"우리는 수천 장의 2D 도면으로 이 시설을 관리하는 일에서 벗어나야 했습니다. 글렌캐니언과 관련하여 댐, 협곡의 벽, 댐 저수 구역 상류, 강 하류, 그리고 발전소 안팎에 대한 포괄적인 3D 모델이 정말 필요했습니다."

- David Winslow, 미국 국토개발국 CAD 관리자 및 토목 엔지니어

 

방대한 현장의 대규모 데이터 캡처

리얼리티 캡처에는 객체에 대한 데이터(크기, 형태 및 위치에 대한 시각적 정보 및 치수)를 수집해 컴퓨터 모델로 컴파일하는 작업이 포함됩니다. 미국 국토개발국은 과학 및 기술 프로그램의 자금을 투자해 오토데스크와 계약을 맺고, 필요한 데이터를 수집하고 3D 모델을 제작하면서 직원들이 절차와 프로세스를 지켜 보게 했습니다. 2016년 8월, 국토개발국과 오토데스크는 현장에 대한 기록을 남기기 위해 소위 LiDAR라고 불리는 레이저 기반 스캐너, 소나 및 카메라를 사용해 댐의 데이터를 캡처하는 작업에 착수했습니다.

오토데스크 팀은 댐과 그 주변을 스캔하고 사진을 촬영했는데 이것은 하루 12시간씩 일주일 내내 작업해야 했던 대규모 과제였습니다. 팀원들은 수력 발전소 내/외부, 댐의 하류 및 상류, 댐의 꼭대기, 주변 경관, 방문객 센터의 일부에 대한 이미지와 치수를 수집했습니다. 고급 도구를 사용해 지상, 수상, 공중에서 700건의 LiDAR 스캔과 수천 장의 사진 및 동영상 자료를 수집했습니다.

사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/오토데스크

Winslow(왼쪽)가 댐과 협곡 벽의 고정밀 3D 측정값 및 시각 자료를 캡처하기 위해 레이저 스캐너를 사용하고 있는 프로젝트 팀을 관찰하고 있습니다.

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레이저 기반 기술 LiDAR를 사용하면 빛의 펄스를 전송하고 이것이 원래 위치로 되돌아오는 데 소요되는 시간을 측정하여 거대한 댐 현장의 치수를 파악할 수 있습니다.

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Autodesk 파트너 e-Trac이 파월 호수 저수지에서 소나를 사용해 댐의 수중 표면을 스캔하는 ROV(원격 작동 차량)를 조종하고 있습니다.

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Autodesk 팀원들이 공중 수송용 헬리콥터에서 촬영한 중첩되는 풍경 항공 사진은 사진 측량이라 불리는 프로세스에서 3D 디지털 모델로 변환됩니다.

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Autodesk 팀원들은 카메라가 장착된 드론을 사용해 천장이 매우 높은 수력 발전소 주 발전실의 내부를 스캔했습니다.

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Autodesk 팀원들은 카메라가 장착된 드론을 사용해 천장이 매우 높은 수력 발전소 주 발전실의 내부를 스캔했습니다.

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사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/Autodesk

Autodesk ReMake로 작성한 글렌캐니언 댐의 모델.

데이터를 디지털 모델로 변환

글렌캐니언을 스캔한 결과, 풍부하고 사실적인 3D 포인트 클라우드에 놀라운 시각적 요소와 수백만 개의 데이터 포인트가 캡처되었습니다. 사진 측량이라 불리는 프로세스에서 중첩되는 사진을 병합하여 사진 모델을 작성했습니다. 이 모든 원시 데이터를 한데 모으기 위해 팀은 ReCap Pro를 사용해 더 크고 포괄적인 포인트 클라우드를 컴파일했습니다.

팀은 포인트 클라우드를 Revit으로 가져온 후 구조용 강에서 수력 발전기까지 아우르는 댐의 개별 구성요소를 담은 3D 기술 모델을 구축했습니다. 이 모델은 오래된 2D 도면을 첨단 포인트 클라우드 데이터와 함께 매핑하여 기존 데이터와 신규 데이터를 통합해 주므로, 이를 통해 댐의 개별적인 부분 및 구성요소를 파악하는 외에도 이러한 것들이 체계를 이루어 결합되는 방식을 파악할 수 있습니다.

프로젝트 마지막 단계에서 팀은 기술 모델을 InfraWorks로 가져와 댐의 성능에 대한 실시간 데이터 스트림(예: 방류되는 물의 양 및 발전량)을 추가합니다. 댐의 동적인 가상 표현으로 나타나는 그 결과를 통해 댐 운영자는 대비해야 하는 위험 및 활용 가능한 기회를 식별할 수 있습니다.

Autodesk ReMake로 작성한 글렌캐니언 댐의 모델.

미래 예측

미국 국토개발국은 글렌캐니언 댐의 동적 3D 모델을 모든 기술 수준의 운영자와 직원을 위한 도구로 사용할 예정입니다. Winslow는 "이것은 다목적 모델이 될 것입니다."라고 합니다. 또한, 이 모델은 대중을 교육하는 새로운 방법을 제공합니다. 예를 들어, 특히 안전상 방문객의 접근이 금지된 영역에 대한 가상 댐의 동영상 안내 자료를 공유할 수 있습니다. 미국 국토개발국은 네바다주의 후버 댐과 워싱턴주의 그랜드 쿨리 댐 등 다른 댐에 대해서도 유사한 3D 모델을 작성할 계획입니다.

가장 중요한 것은 이 모델이 미래의 불확실성에 대비하기 위한 핵심 도구라는 점입니다. "물의 흐름과 날씨는 매년 변하기 때문에 저수지 유입량이 얼마나 될지는 알 수 없습니다."라고 Winslow가 말합니다. "국가의 미래를 위해 이번 세기를 넘어 지속적으로 수자원을 공급할 최고의 방법을 찾기 위해 노력하고 있습니다." 그는 또한 동적 3D 모델이 "다양한 분야에서 사용되어 시간이 지남에 따라 시설 관리를 향상하는 데 도움을 줄 수 있는 도구"라고 설명합니다.

수백만 개의 데이터 포인트를 기반으로 댐과 그 주변을 정확하게 시각화하는 3D 모델

LiDAR 장치로 광범위한 글렌캐니언 댐 현장을 캡처하고 있는 팀원의 모습. 사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/오토데스크

전 세계에 영향을 미치는 기술 도구

오늘날, 전 세계의 댐 운영자는 불확실한 미래에 대비해야 합니다. 현재 글렌캐니언과 같은 구식 댐을 복구하기 위한 이니셔티브가 진행되고 있습니다. 1959년에 완공된 아프리카의 카리바 댐, 1968년에 완공된 캘리포니아주의 오로빌 댐, 1987년에 완공된 호주의 버데킨 폭포 댐을 예로 들 수 있으며, 인도네시아, 인도, 아르메니아 및 베트남에서 댐을 업그레이드하기 위한 국영 프로그램도 있습니다. Winslow는 글렌캐니언 댐에서 처음 시도된 3D 모델 작성 프로세스를 사용하면 "전 세계의 댐 소유주와 운영자들이 시설을 더 잘 운영하고 관리할 수 있을 것입니다."라고 말합니다.

리얼리티 캡처와 3D 디지털 모델은 노후화되고 있는 발전소, 교량, 항만 및 기타 핵심 인프라 시설은 물론, 글렌캐니언 및 기타 노후화된 댐의 시설을 시각화하고 상태를 모니터링하며 미래 성능을 예측할 수 있도록 해 주는 동적 도구입니다. 이 도구를 사용하면 더 효과적이고 비용 효율적인 유지 관리를 통해 인프라를 더 오래 사용할 수 있습니다.

LiDAR 장치로 광범위한 글렌캐니언 댐 현장을 캡처하고 있는 팀원의 모습. 사진 제공: BOR(미국 국토개발국)/Autodesk

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