해상 풍력발전의 효율을 높이려면 먼 바다로 나가야 한다고 한다. 육지와 멀어 질수록 바다의 깊이가 깊어져 풍력 발전기를 고정시키기 어려워진다. 그런데도 먼 바다 위에 떠 있는 풍력 발전기는 꼿꼿하게 잘 서서 무너지지 않는다. 왜 그럴까. 혹시, 이런 의문을 가져 본 적이 있다면 “다중 자속 응답 기반 XAI를 활용한 부유식 해상풍력의 무어링라인 건전성 모니터링 기법 개발”을 주제로 하는 김주원 교수의 연구에 관심을 가져 보면 좋을 것이다. 

김교수의 최근 연구에 대해서 이야기를 들어 본다. 

  “풍력발전의 효율을 높이려면 먼 바다로 나가야 됩니다. 그렇게 되면 발전기를 해저에 고정시키기 어려워지니까 부유식으로 설치할 수 밖에 없는 것이죠” 바다에서 거대한 구조물을 안정적으로 유지하기 위해서는 수면 밑에 3개의 무개추를 달고 이를 케이블로 연결해서 중심을 잡는 방법이 있다고 한다. 만약 한 개의 케이블이라도 문제가 생긴다면 구조물 전체가 균형을 잃고 넘어질 가능성이 커진다. 

 따라서 해상 부유 풍력 발전을 유지하기 위해서는 케이블의 긴장력을 24시간 모니터링 하는 것이 중요하다. 인간이 24시간 확인할 수 없는 환경에서 센서를 활용해서 안정성을 모니터링하는 기술을 개발하는 것이 김교수의 연구 과제이다. 

 “한국에는 아직 해상 부유식 풍력발전기가 실치 된 적이 없기 때문에 제 연구는 미래를 대비한 기술이라고 볼 수 있어요.” 

해상에 풍력 발전기를 설치할 경우, 바닷물에 의한 부식과 파도나 태풍에 의한 영향으로 구조물이 피해를 입을 가능성이 육지에 설치할 경우 보다 더 높아진다. 구조물에 균열이 생기거나, 케이블의 단면의 굵기가 달라지는 것으로 케이블의 변화를 측정할 수 있다. 또, 온도에 따라서도 케이블이 늘어날 수 있기 때문에 이에 대한 보정값까지 계산해서 모니터해야 하는데 사람이 하기에는 너무 시간이 걸린다. 

 김교수의 연구는 AI를 사용하지만, 설명가능한 XAI(eXplainable Artificial Intelligence)를 도입하는 것이 특징이다. 일반적으로 AI는 결과가 어떻게 계산되었는지 설명할 수 없지만 XAI는 어떤 근거로 결과를 도출하게 되었는지 설명해 줄 수 있는 모델이라고 한다. 

 “구조물에 센서를 설치하고 수집된 신호들을 분석해서 과거의 데이터들과 비교하는데요, 지금은 AI가 이들 신호를 자동적으로 지수화 해서 판단할 수 있기 때문에 문제점을 손쉽게 발견할 수 있습니다”  

 이런 방식의 특징은 모니터링의 시간과 비용을 확연히 줄일 수 있다는 것이다.

 “이전에는 먼 바다에 있는 시설물까지 사람을 직접 보내거나, 무인 로봇을 보내서 시각적으로 점검을 해야 했어요” 
센서를 설치한다면, 원격으로도 진단이 가능하니까, 가성비가 뛰어난 것은 물론이고, 점검 작업에서 산업 재해가 발행할 수 있는 위험을 줄이게 된다. 이 연구가 결실을 맺으면 친환경 재생 에너지를 안전하고 효율적으로 생산할 수 있도록 보조하는 토대 기술을 제공할 수 있다. 

 “연구가 성과를 낸다면, 원격으로도 구조물을 모니터링 할 수 있기 때문에 하부 구조물을 설치하는 기술적인 효율성이 높아집니다”

 유지관리가 적정한 시기에 필요한 부분에서만 이뤄지게 되면, 구조물의 수명이 늘어나는 것은 당연하다. 모니터링 장치를 설치하면 초기 건설 비용은 상승할 수 있지만, 장기적인 유지 관리라는 관점에서 판단한다면, 오히려 비용을 절약할 수 있는 가성비가 뛰어나다. 

 “예를 들면, 풍력발전이외에도 적용되는데, 엘리베이터의 사례가 좋은 참조가 됩니다. 엘리베이터를 지탱하는 와이어 로프는 어느 부위에서 손상이 일어났는지 확인할 수 없기 때문에 일년 마다 로프 전체를 교체하도록 하고 있습니다” 

 김교수의 연구가 성과를 낸다면 모니터링 기술을 사용하여 손상 정도가 구조상에 문제가 없을 정도면 교체하지 않고도 사용할 수 있기 때문에 안전면이나 비용효과면에서 효율적일 수 있다. 

 케이블 형태의 와이어가 들어가는 구조물이라면 원격 모니터링과 진단 기술의 가능성은 비단 건축 토목 구조물의 안전 뿐만 아니라 이를 이용하는 사람들에 대한 안전까지 확보할 수 있는 것이다. 

 모니터와 진단 분야는 IT기술과 접목되어 4차 정보화 시대에 중요한 산업으로 발전할 것으로 보인다. 카메라 기술과 AI 기술을 융합하면 작업자의 행동을 기반으로 한 안전 모니터가 가능하고 사업장의 안전 시설 미비도 사고 발생전에 방지할 수 있다. 

 메타버스와 같이 일반인들의 주목을 받지는 못하지만, 우리가 살아가는 대부분의 구조물에 대한 안전을 높일 수 있는 연구라는 점에서 향후 연구 성과가 기대된다. 

 이런 측면에서 본다면 ‘스마트안전공학부’는 안전문제를 최신의 정보화 기술과 융합하는 것을 지향하고 있다. 
 이론적인 학습보다는 4차 산업 혁명에서 등장한 AR,VR기술들을 도입해서 현장과 교실이 통합되는 방향으로 교육과정을 개편하고 있다. 

인터뷰, 사진. 전략홍보팀