| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 인공지능기반의 발파굴착터널 주요 6개 요소 자동슬롯 머신 규칙기술 개발 ◼ 전체 내용 본 기초연구의 목표는 발파굴착(NATM)터널 주요 6가지 항목을 자동으로 슬롯 머신 규칙할 수 있는 인공지능 모델을 개발하는 것이며, 이를 통해 향후 실용화 연구시 터널슬롯 머신 규칙 전과정의 90%이상 자동화할 수 있는 빅데이터 및 인공지능 기반의 자동슬롯 머신 규칙시스템을 개발할 계획이다. ○ 일반적으로 터널슬롯 머신 규칙는 지반조사 결과를 토대로 이루어지며 지반분류, 선형 및 종단, 굴착단면, 굴착공법, 발파패턴, 지보패턴, 콘크리트라이닝, 보조공법, 방재 및 환기, 조명, 배수 및 방수, 계측, 갱구부, 단면확폭부와 접속부 슬롯 머신 규칙와 같은 세부 항목으로 구성된다. ○ 본 기초연구단계에서는 일반적인 터널슬롯 머신 규칙시 주요 6가지 항목인 지반(암반)분류, 굴착단면, 굴착공법, 발파패턴, 지보패턴, 보조공법의 슬롯 머신 규칙를 국토교통부 및 한국도로공사의 터널슬롯 머신 규칙기준 범위내에서 자동으로 슬롯 머신 규칙하도록 도와주는 인공지능 모델을 개발하였다. 이를 위해 총 74개의 터널슬롯 머신 규칙자료로부터 인공지능 분석에 필요한 데이터베이스를 구축하였고, 이 데이터를 이용하여 6개 슬롯 머신 규칙항목 각각에 대해 DNN, SVM, PCA_ANN, Random Forest, DT, XGBoost 등 6가지 머신러닝 알고리즘을 시험하여 최적의 결과를 도출하는 모델을 결정하였다. 이렇게 결정된 개별 모델의 실용적 활용을 위해 하나의 통합모델을 구축하여 상호 연동되도록 하였고, 통합모델의 용이한 활용 및 슬롯 머신 규칙의 시각화를 위해 간단한 GUI(Graphic User Interface)를 제작하였다. 결과적으로 이 GUI에 새로운 터널슬롯 머신 규칙 프로젝트에 대한 지반조사 결과 및 터널의 필요제원 등이 데이터로 주어지면 6가지 터널 슬롯 머신 규칙항목에 적합한 슬롯 머신 규칙결과를 도출하게 된다. ○ 터널은 용도에 따라 도로터널, 철도터널, 지하철터널, 전력구터널 등으로 구분될 수 있으며, 본 연구에서는 단면형태가 비교적 단순하고 슬롯 머신 규칙자료 획득이 상대적으로 용이한 도로터널을 대상으로 연구가 수행되었다. ○ 한편, 모든 인공지능기술 개발에 있어서 무엇보다 중요한 것이 데이터의 수와 품질이다. 이를 위해 본 연구에서는 국토교통부 건설사업정보(CALS)에 수록된 자료와 슬롯 머신 규칙사에서 수집한 슬롯 머신 규칙자료로부터 터널슬롯 머신 규칙와 관련된 95가지 세부항목에 대한 데이터를 수집하여 데이터베이스 형태로 정리하였다. 향후에도 지속적인 데이터 수집 및 정리를 통해 빅데이터화하여 다양한 관련 연구 및 새로운 기술개발을 위해 활용할 계획이다. ◼ 1년차 ❏ 목표 슬롯 머신 규칙항목별 데이터수집 및 적정 인공지능 알고리즘 평가 ❏ 내용 ○ 본 기초연구의 목표는 인공지능을 이용하여 발파굴착(NATM)터널 주요 6가지 항목 자동슬롯 머신 규칙를 위한 초기모델을 구축하는 것이며, 이를 위해 1차년도에는 데이터 수집 및 다양한 머신러닝 알고리즘의 기본적인 성능시험을 수행하는 것이 주된 내용이다. ○ 데이터 수집측면에서는 국토교통부 건설사업정보(CALS)에 수록된 자료와 슬롯 머신 규칙사에서 협조받은 자료로부터 핵심적인 세부항목이 누락된 자료를 제외하고 총 25개 터널슬롯 머신 규칙 프로젝트에 대한 슬롯 머신 규칙자료(터널슬롯 머신 규칙보고서, 지반조사보고서, 슬롯 머신 규칙도면, 수량산출서 등 4가지)를 수집하고 정리하였다. 이외에도 향후 실용화연구시 막장 암반분류 자동화 연구에 활용하기 위하여 현장 막장사진 및 Face mapping자료도 수집하였다. ○ 상기 터널슬롯 머신 규칙자료로부터 터널슬롯 머신 규칙의 주요 6가지 요소인 지반(암반)분류, 굴착단면, 굴착공법, 발파패턴, 지보패턴, 보조공법과 관련된 세부항목 총 95가지를 조사하여 엑셀시트에 데이터베이스화 하였고, 이중 64개를 머신러닝 분석에 활용하였다. ○ 머신러닝에 활용되는 알고리즘은 매우 다양하며, 데이터의 종류 및 형식에 따라 예측 성능 및 정확도가 다르게 나타난다. 따라서 수집된 데이터를 활용하여, 다양한 기계 학습 알고리즘중 논문분석을 통해 예측정확도가 높고 본 연구의 데이터타입에 적합하다고 판단되는 알고리즘 6가지, 즉, DNN, SVM, PCA_ANN, Random forest, Decision Tree, XGBoost와 같은 기계학습 알고리즘을 시험하였다. ◼ 2년차 ❏ 목표 슬롯 머신 규칙항목별 인공지능모델의 통합 연동 시험 및 GUI 개발 ❏ 내용 ○ 2차년도 연구의 목표는 6가지 터널 슬롯 머신 규칙항목에 대한 개별 인공지능 슬롯 머신 규칙모델을 개발한후 하나의 통합모델을 구축하여 결과의 시각화를 위한 GUI를 제작하는 것이다. 이를 위해 국토교통부 등 발주처 슬롯 머신 규칙기준에 기반하여 1차년도에서 시험 및 선정된 인공지능 알고리즘을 개량하였고, 추가적으로 수집된 슬롯 머신 규칙데이터를 사용하여 6가지 슬롯 머신 규칙항목별 최종 모델을 개발하였다. 이후 각각의 모델을 통합하여 상호 연동되는 하나의 통합 인공지능 모델을 구축하였고, 모델의 용이한 활용 및 슬롯 머신 규칙의 시각화를 위해 간단한 GUI를 제작하였다. ○ 일반적으로 인공지능 분석시 정상적 범위내에 있는 양호한 품질의 데이터가 많을수록 분석결과의 성능 및 정확도는 향상된다. 따라서 2차년도에도 1차년도와 동일한 방법으로 49개의 터널슬롯 머신 규칙자료를 추가적으로 수집하여 최종적으로 총 74개 슬롯 머신 규칙자료로부터 터널슬롯 머신 규칙 세부항목에 대한 데이터베이스를 구축하였다. □ 연구개발성과 ○ 총 74개 터널슬롯 머신 규칙프로젝트에서 터널슬롯 머신 규칙자료 (터널슬롯 머신 규칙보고서, 터널슬롯 머신 규칙도면, 지반조사보고서)를 수집하여 분석한 후, 데이터베이스화 하였음. - 이와는 별개로 향후 RMR평가의 객관성을 확보하기 위한 연구수행을 위해 시공이 완료되거나 시공중인 17개 터널현장에서 막장관찰 자료(암질평가표 또는 막장사진)도 수집함 ○ 수집된 터널슬롯 머신 규칙자료 각각에 대해 총 95개의 세부슬롯 머신 규칙항목을 조사하여 그중 머신러닝 분석에 필요한 실제 데이터 64개를 정리하였음. ○ 터널슬롯 머신 규칙 6개 항목에 대한 6가지 머신러닝 알고리즘 시험 및 적정 알고리즘(모델) 선정 - 시험한 머신러닝 알고리즘 : SVM(Support Vector Machine), PCA(Principal Component Analysis)+ANN(Artificial Neural Network), DNN(Deep Neural Network), DT(Decision Tree), RF(Random Forest), XGBoost - 터널슬롯 머신 규칙 주요 6개 항목에 적합한 인공지능 알고리즘을 선정하기 위하여 수집 및 정리된 터널슬롯 머신 규칙 데이터를 이용하여 분석한 결과, 지반분류는 SVM, 굴착공법은 RF, 굴착단면은 DNN, 발파패턴은 RF, XGBoost, DT, 지보패턴은 PCA+ANN, 보조공법은 DT가 최적의 성능을 나타내는 모델로 선정됨. ○ 6가지 슬롯 머신 규칙항목에 대한 인공지능 모델을 통합하고, 이를 간단한 GUI 프로그램으로 제작함. ○ 저널논문 4편 게재 완료(비SCIE 3편, SCIE 1편) - 비SCIE논문 : 머신러닝 기법을 활용한 터널 슬롯 머신 규칙 시 시추공 내 암반분류에 관한 연구(터널지하공간학회) 등 3편 - SCIE논문 : A Study of the Effects of Geological Conditions on Korean Tunnel Construction Time Using the Updated NTNU Drill and Blast Prediction Model(Applied Sciences) 1편 ○ 제작된 프로그램을 저작권 등록(소프트웨어) 완료 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ○ 성과활용계획 - 제작된 인공지능 기반 소프트웨어 초기 모델의 지속적인 개선을 통해 발파굴착터널 슬롯 머신 규칙 자동화에 활용할 수 있음. - 본 연구를 통해 수집된 터널슬롯 머신 규칙에 필요한 세부 항목이 동일한 형식으로 정리된 데이터 베이스를 이용하여 터널 슬롯 머신 규칙의 표준화 및 보다 선진화된 터널슬롯 머신 규칙에 활용가능. - 도로 및 철도와 같은 토목구조물의 스마트한 슬롯 머신 규칙로의 유도를 위한 모델에 활용가능. ○ 기대효과 - 기술적 측면 • 전세계적으로 4차산업혁명시대를 맞이하여, 전산업분야에서 인공지능을 활용하여 생산성, 정확성, 신속성이 향상된 작업으로의 전환 또는 기술개발이 이어지고 있음. 이와 같은 흐름에 따라 향후 건설기술도 인공지능을 활용하거나 접목한 기술개발이 필수적이며, 본 연구에서 개발된 기술도 현재의 노동집약적 슬롯 머신 규칙방식에서 스마트슬롯 머신 규칙방식으로의 전환을 촉발하는 촉매역할을 할 수 있다고 사료됨. • 본 연구를 통해 개발되는 인공지능 |
