KR101188903B1

KR101188903B1 - 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템

Info

Publication number: KR101188903B1
Application number: KR1020100134657A
Authority: KR
Inventors: 박경훈; 선종완; 황윤국; 송재준
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-10-08
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: KR20120072771A

Abstract

관리주체가 적정한 목표 관리수준의 정의와 관리주체 간 균등한 성능지수를 확보할 수 있고, 예산요구의 적정성 및 신뢰도를 확보할 수 있으며, 교량 유지관리 예산 배분 절차의 효율성을 증진시킬 수 있는, 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템이 제공된다. 교량 관리정보 분석 시스템은, 교량정보 관리를 위해 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 수집된 데이터를 이용하여 교량 대체원가를 평가하고, 세부 성능척도별 영향인자를 결정하며, 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가하는 교량 현재 성능 및 가치 평가부; 관리목표 성능수준을 결정하고, 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능을 예측하며, 관리목표 성능수준에 미치지 못한 유지관리 대상을 분석하고, 미래 투입 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리목표 성능수준을 조정하는 관리목표 수립부; 및 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 조치에 따른 가치/비용을 분석하며, 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상의 선정 및 예산 배분에 관한 의사결정을 수행하는 유지관리 계획 수립부를 포함한다.

Description

교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템{SYSTEM FOR ANALYZING BRIDGE MANAGEMENT INFORMATION CONSIDERING RISK AND VALUE OF BRIDGE, }

본 발명은 교량 관리에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 교량의 위험도(Risk)와 가치(Value)를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템에 관한 것이다.

현재의 교량 현황자료(국토해양부, 2010)를 살펴보면, 최근 10년간 약 44%의 교량이 건설되었으며, 1990년대 이후 20년 이내 준공된 교량이 전체의 약 79.9%이고, 1980년대 이후 30년 이내 준공된 교량이 전체의 약 92.3%인 것을 확인할 수 있다. 또한, 국도상의 교량의 약 98%가 대규모 유지관리 조치가 필요하지 않는 등급이다. 이러한 자료를 통해서 국내의 경우, 아직까지 대다수 교량의 사용기한이 내구수명에 도달하지 않았기 때문에 현재 교량의 구조 성능 및 상태는 매우 좋은 수준인 것을 확인할 수 있다.

하지만 과거의 추세를 살펴보면, 최근 20년 이내부터 10년 이내에 건설된 교량(44%)의 첫 번째 유지관리 시기, 그와 동시에 20~30년 이내 건설된 교량(48.3%)의 개축 시기가 순차적으로 도래할 것으로 예측되며, 이와 같은 상황이 동시에 발생하는 경우, 유지관리 예산 요구는 지금과는 비교할 수 없을 정도로 급속히 증가할 것으로 예측된다. 그러나 정부부처 간의 예산확보 경쟁의 증가, 최근 노령화 인구 증가에 따른 경제활동 인구의 감소 등으로 인해 예산의 안정적인 확보가 어려울 것으로 예측된다.

또한, 기존의 교량 유지관리체계는 점검이나 진단을 통해 열화, 결함, 손상 등과 같은 비정상적인 상태가 발견되면, 이를 조치하기 위한 예산을 반영하는 방법으로 유지관리를 수행하고 있다. 현재는 유지관리 수요가 비교적 적기 때문에 기존 체계를 통해서 안전한 상태를 유지하고 있으나, 유지관리 필요 예산이 급속히 증가하는 경우, 시설물을 관리하기 위한 충분한 예산을 확보하지 못할 가능성이 농후하다. 이에 따라 구조물 성능의 저하와 극단적으로 성수대교와 같은 구조물 붕괴사고를 유발할 수 있기 때문에 구조물의 안전수준 확보가 전제된 상태에서 각 세대 간에 예산을 효율적 분배하기 위한 방법의 개발이 필요한 시점이다.

한편, 가장 발전된 형태의 교량관리 시스템으로 평가받는 미국의 폰티스(Pontis) 시스템의 경우, 효율적인 예산 집행과 보수 우선순위를 결정하는 지표로 건강지수(Health Index: HI)를 사용하고 있다. 즉, 유지관리 비용 대비 효과(요소 가치 향상 + 편익)를 분석함으로써 비용 편익비(B/C ratio, cost-benefit ratio)를 최대화 하는 방식으로 의사결정을 수행하는 일련의 의사결정 체계에서 건강지수(HI)는 효과 부분을 정량화하는데 사용된다.

이러한 건강지수(HI)의 경우, 교량을 구성하는 총 요소에 대해 열화를 고려한 현재 요소가치(Cost)의 총합을 열화를 고려하지 않는 총합으로 나눈 값에 100을 곱한 방식으로 산정되며, 부재의 가치와 열화를 전체 교량 가치로 정량화 했다는 점이 특별하다 할 수 있다.

한편, 일본의 경우, 손상, 성능, 사용성, 중요도를 이용하여 우선순위 결정 방법을 제안하고 있다. 각각의 인자를 평가하기 위해 전문가 설문조사 등 정성적인 평가 결과를 바탕으로 모델을 개발하여 사용하고 있다. 이러한 방법은 손상, 성능 등 공학적인 지표만으로 의사결정을 수행하던 기존의 대부분의 교량관리시스템에 비해 보다 합리적인 의사결정을 유도할 수 있을 것으로 예측된다.

국내의 경우, 아직까지 교량관리시스템은 교량 정보의 저장 역할만 수행할 뿐이며 교량정보 관리 기술, 즉, 성능 및 비용 예측을 통한 의사결정 기술에 대한 고려는 미흡한 실정이다.

한편, 교량 유지관리 관련 국내의 연구개발 사항을 살펴보면, 프로젝트 수준에서 상태 및 성능 예측을 통해 생애주기비용이 최소화되는 유지관리 전략을 수립하는 방향과 프로젝트 수준의 해를 이용해 네트워크 유지관리 전략을 도출하는 개념 모델이 제안되고 있다.

또한, 자산관리 관점에서 교량 및 공공시설물 수준의 자산관리 시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이때, 서비스 수준(Level of Service: LOS)이라는 성능평가 지표를 이용하여 비용 대비 서비스 수준의 향상 정도를 가지고 의사결정을 수행한다.

전술한 Pontis에서 사용하는 건강지수(HI)의 경우, 지수에 영향을 주는 인자가 해당 부재의 상태등급으로 한정되어 있으며, 등급 저하에 따라 등가의 비율만큼 지수가 감소하는 것으로 모델링되어 있다. 이러한 방법을 사용하게 되면, 유지관리 관련 의사결정은 결국 교량 가치가 크고 상태등급이 낮은 교량에 예산배분의 우선순위를 부여하는 방식으로 이루어진다.

하지만 이러한 접근 방법은 도로의 중요 구성요소인 교량 본연의 역할인 차량이나 사람의 이동이 가능하게 하는 수단으로서의 기능적 가치는 고려하지 않고 있으며, 가스관, 상하수도관, 고압선 등의 라이프라인의 연결통로로서의 부차적인 기능과 교량 하부에 존재하는 강, 바다, 철도, 도로, 주거지 등의 하부시설물에 대한 영향도를 고려하지 못하고 있다.

특히, 예산은 한정되어 있기 때문에 교량이 처해있는 사회적, 경제적 및 환경적인 조건에 따라 관리수준이 구분되어 관리되는 것이 효율적인데 반해서, 기존의 평가 방법은 교량이 보유하고 있는 기능의 적절성 여부만 평가할 뿐이며 그 기능의 확보가 적정한지, 즉, 영향(effect)에 대한 고려는 미흡한 실정이다.

한편, 교량 유지관리 의사결정 관련 일본의 접근법은 전문가 설문조사를 통해 획득한 비정량적인 모델을 사용한다는 문제점, 회계학적 가치를 고려하지 못하고 있다는 문제점, 우선순위 평가에 한정되어 있다는 문제점이 있다.

국내 유지관리 관련 연구 개발된 사항에서는 생애주기 성능 및 비용 분석을 통해서 비용 효율적인 최적해 도출을 목적으로 하지만, 정작 구조물의 가치나 중요도 등은 고려하지 않는다. 또한, 자산관리 접근법에서는 사회기반시설물의 통합관리 관점에서 성능을 평가하기 위한 지표로 LOS를 사용하나 LOS를 산정하는 방법의 비정량성, 관리주체가 이해하기 힘들다는 문제점을 가지고 있다.

1) 대한민국 등록특허번호 제10-0606861호(출원일: 2004년 07월 16일), 발명의 명칭: "시설물 유지관리 시스템 및 시설물 유지 관리 방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-0760625호(출원일: 2005년 01월 18일), 발명의 명칭: "시설물 관리 시스템" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-0748078호(출원일: 2006년 04월 05일), 발명의 명칭: "생애주기 성능 및 비용에 기초한 사회기반 구조물의 최적 유지관리 전략 수립 방법" 4) 대한민국 공개특허번호 제2009-0072223호(공개일: 2009년 07월 02일), 발명의 명칭: "사회기반 구조물의 생애 주기 성능 및 비용에 기초한 네트워크 수준의 최적 관리 체계 수립 방법" 5) 대한민국 공개특허번호 제2010-0076708호(공개일: 2010년 07월 06일), 발명의 명칭: "공공시설물 자산관리정보 시스템"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 위험도와 가치를 고려함으로써, 관리주체가 적정한 목표 관리수준의 정의와 관리주체 간 균등한 성능지수를 확보할 수 있고, 예산요구의 적정성 및 신뢰도를 확보할 수 있는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 교량 유지관리 예산 배분 절차의 효율성을 증진시킬 수 있고, 향후 특정시기 교량 유지관리 예산이 집중되는 문제에 대비할 수 있는, 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템은, 교량정보 관리를 위해 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 교량 대체원가를 평가하고, 세부 성능척도(Performance Measure)별 영향인자를 결정하며, 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가하는 교량 현재 성능 및 가치 평가부; 관리목표 성능수준을 결정하고, 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능을 예측하며, 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 유지관리 대상을 분석하고, 미래 투입 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리목표 성능수준을 조정하는 관리목표 수립부; 및 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 조치에 따른 가치/비용을 분석하며, 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상의 선정 및 예산 배분에 관한 의사결정을 수행하는 유지관리 계획 수립부를 포함하되, 상기 세부 성능척도별 성능지수(Performance Index: PI)는 가치함수(Value Function)를 이용하여 선호도를 정량적으로 고려하며, 상기 성능척도별 영향인자는 위험 사건의 발생가능성에 따른 평가기준 및 위험수준에 노출된 빈도/결과에 따른 영향을 고려하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 성능척도(Performance Measure: PM)는 중차량 통과 가능하중과 연관된 설계하중, 교량의 일상적 관리수준과 연계된 건전성 평가, 및 재해나 사고의 특수한 조건과 연계된 재해 취약도로 구분될 수 있다.

여기서, 상기 영향인자는 대체원가와 중차량 교통량을 기반으로 하여 산정되며, 상기 위험사건의 발생가능성 및 상기 영향인자에 따라 위험도 등급이 분석될 수 있다.

여기서, 상기 데이터 수집부는, 교량 정보관리 시스템을 이용하여 기본제원 및 상세제원 정보를 수집하고, 교통량 정보제공 시스템이나 현장조사를 통해 추가적인 데이터를 수집 및 관리할 수 있다.

여기서, 상기 교량 현재 성능 및 가치 평가부는, 상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 개축비용, 도로이용자비용의 합으로 대체원가를 산정하고, 교량 가치를 평가하는 교량 대체원가 평가부; 상기 교량정보와 대체원가를 이용하여 세부 성능척도별 영향인자를 결정하는 영향인자 결정부; 및 상기 세부 성능척도별 평가기준(발생 가능성)과 영향인자를 고려하여 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가하는 교량 성능지수 평가부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 관리목표 수립부는, 관리주체가 현재 교량 성능지수와 성능척도별 평가기준을 검토하여 상기 프로젝트 및 네트워크 수준 대표 성능지수와 세부 성능척도별 관리 목표값을 결정하는 관리목표 성능수준 결정부; 미래 성능 수준의 검토와 유지관리 대상의 선별을 위해서 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능 예측을 수행하는 미래 성능 예측부; 상기 미래 성능예측 분석 결과 중에서 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 대상을 선별하는 유지관리 대상 분석부; 상기 유지관리 대상에 대해 교량정보 중에서 물량 부분과 비용 모델을 이용하여 미래 비용을 예측하는 미래 비용 예측부; 및 미래 투입되는 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리 목표 성능수준을 조정하는 관리목표 성능수준 조정부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 관리목표 성능수준 조정부는, 상기 관리 목표 성능수준을 만족하지 않는 경우에 반복해서 관리목표 성능수준을 조정할 수 있다.

여기서, 상기 유지관리 계획 수립부는, 유지관리 예산이 확정된 상태에서 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 대상을 선별하는 유지관리 조치에 따른 가치/비용 분석부; 및 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상을 선정하고, 예산을 배분하는 의사결정부를 포함할 수 있다.

삭제

본 발명에 따르면, 위험도와 가치를 고려함으로써, 관리주체가 적정한 목표 관리수준을 정의와 관리주체 간 균등한 성능지수를 확보할 수 있고, 적정한 목표 관리수준을 정의할 수 있으며, 예산요구의 적정성 및 신뢰도를 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 교량 유지관리 예산 배분 절차의 효율성을 증진시킬 수 있고, 향후 특정시기 교량 유지관리 예산의 집중되는 문제에 대비할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템에 적용되는 성능지수(Performance Index: PI)에 대한 회귀모델을 성능척도별로 구분하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약을 고려한 최적화 방법의 동작흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약과 성능제약을 고려한 최적화 방법의 동작흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 성능지수의 평가 절차를 나타내는 동작흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 목표 성능관리 수준의 수립 절차를 나타내는 동작흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 업무 프로세스의 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템의 데이터 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템 및 그 방법은, 성능지수(Performance Index: PI)가 가치함수(Value Function)를 이용하여 선호도를 정량적으로 고려하는 방식으로 가치 저하 산정 방법이 개선된다. 또한, 국내 실정을 고려하여 설계하중, 건전도지수, 재해 취약도의 3가지 기준을 도입하고, 이러한 기준은 추가나 변경이 가능하다. 또한, 성능지수(PI)는 위험도 개념의 도입을 통해서 영향인자가 정량적으로 고려된 평가 결과를 획득할 수 있기 때문에 중요한 구조물에 더 많이 더 시급히 예산을 투자할 수 있게 된다. 또한, 교량의 대체원가를 교량의 개축비용과 도로이용자비용의 합으로 정의함으로써 교량의 회계학적 가치와 지리적, 부차적인 가치 및 기능적 가치를 고려한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템 및 그 방법은, (1) 교량의 성능 평가를 위한 성능지수의 선정 및 평가지침, (2) 위험도 개념을 적용한 세부 성능 평가인자별 평가 방법, (3) 가치이론(Value Theory)을 이용해 발생 가능한 다양한 조합별 평가 결과의 선호도 결정 방법, (4) 각각의 세부 성능 평가인자별 선호도를 활용해 프로젝트 수준 및 네트워크 수준 대표 성능지수 및 세부 평가인자별 대표 성능지수 평가를 위한 방법, (5) 산정된 교량별, 세부 성능평가 인자별 성능지수를 이용해 관리주체의 유지관리 전략 및 계획수립 관련 의사결정을 지원하기 위한 방법, (6) 가치를 고려한 교량 유지관리 의사결정 지원 시스템의 세부 구현 절차, 및 (7) 교량 관리정보 분석 시스템 개발을 위한 프로세스 및 데이터 흐름의 순서로 설명된다.

(1) 교량의 성능평가를 위한 성능척도의 선정 및 평가지침

본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템은 우선적으로 대상 교량이 제공하는 성능수준과 미래 성능의 변화를 정량적으로 평가하고, 교량 유지관리와 관련하여 의미 있는 결과를 제공할 수 있도록 성능척도를 정의한다. 즉, 국내 실정을 고려하여 교량의 성능을 평가하기 위한 세 가지 성능척도 및 평가기준을 정립한다.

본 발명의 실시예에서는 국내 교량관련 기준을 참조하여 교량의 성능척도로 중차량 통과 가능하중과 연관된 설계하중, 교량의 일상적 관리수준과 연계된 건전성 평가, 및 재해나 사고 등 특수한 조건과 연계된 재해 취약도로 구분하여 성능척도(Performance Measure: PM)를 정의하며, 이를 정리하면 표 1과 같다. 표 1은 성능척도의 정의 및 평가를 나타낸다.

이 중에서 설계하중은 일반적으로 교량의 설계 및 시공 시 결정되는 특징으로 생애주기 동안 일정하게 유지되는 특성을 갖고 있다. 또한, 교량이 설치된 해당지역의 중차량 통행량이 증가하는 경우, 관리주체는 내하성능 확보를 위해 공사를 통해 설계하중을 증가시킬 수 있으며, 이 값은 통상적인 가격의 변동을 고려하지 않는 경우, 시계열에 따라 변화하지 않는 특성을 갖는다.

또한, 건전성 평가는 교량의 노후화와 관계된 인자로 시공 당시 A등급으로 건설되지만, 시계열에 따라 B등급, C등급으로 저하될 수 있으며, 현재 통상적으로 B등급 이상을 유지하도록 하고 있다. 건전성 평가시, 관리주체의 목표 성능관리 수준에 따라 유지관리 조치를 통해 저하된 성능수준을 개선할 수 있으며, 일반적으로 건전성평가 등급이 낮을수록 이를 조치하기 위한 비용이 더 많이 소요되는 특징을 갖는다.

또한, 재해 취약도는 일반적으로 교량의 설계 및 시공 당시 설계기준에 따라 결정되는 값이다. 하지만 설계 기법의 변화 등으로 현재 요구되는 수준의 성능이 확보되지 않는 경우가 존재하는데, 주변 환경의 변화(예를 들면, 기후변화에 의한 홍수위의 변화 등)로 인해 설계 당시보다 더 높은 수준의 성능 수준을 유지해야 하는 경우도 발생된다. 이러한 재해 취약도를 개선하기 위해 일반적으로 내진보강이나 숭상(嵩上) 등의 조치가 취해지며, 이 값은 가격의 변동을 고려하지 않는 경우에는 시계열에 따라 변화하지 않는다.

(2) 위험도 개념을 적용한 세부 성능 평가인자별 평가 방법

동일한 수준의 건전도지수를 갖는 두 교량이 있다고 가정해도 통행량이 많거나 가치가 높은 교량이 그렇지 않은 교량에 비해 조치 우선순위가 앞서거나 보다 많은 예산이 투입되는 것이 타당하지만, 정의된 성능지수(PI)의 평가기준만으로는 이와 같은 의사결정을 내릴 수 없다.

따라서 이러한 점을 고려하기 위해서 위험도 개념을 도입하여 표 1에서 정의한 '평가기준(예를 들면, 위험 사건의 발생가능성, level, probability, magnitude)을 평가하는 단계'와 '영향(예를 들면, 위험수준에 노출된 빈도/결과, occurrence, impact)을 고려한 단계'로 구분하여 이들을 동시에 고려하는 방식으로 세부 성능 평가인자별 평가 방법을 제공한다. 이러한 두 가지 영향인자를 고려하는 방식으로 현실적인 적용 가능성을 고려하여 정성적인 위험도 매트릭스(Matrix) 방법을 이용한다.

예를 들면, 설계하중의 경우, 영향인자가 낮은 수준일 때 상위 등급으로 정의되며, 반대로 영향인자가 높은 수준일 때 낮은 수준으로 정의된다. 이때, 단 Level 1은 현재 설계기준의 설계 차량하중 43.2ton을 초과해 설계된 것이므로 영향인자에 대한 적용을 제외하며, Level 2는 현재 설계기준상 최고 수준으로 건설된 것이므로 영향정도가 보통(Medium) 이하인 경우는 A 등급으로 정의된 특징을 가지고 있다. 만약 관리주체가 C등급 이상 유지할 것을 관리목표로 선정한다면, 설계 차량하중이 32.4ton(Level 3)로 건설된 교량의 경우, 그 영향 정도가 Medium 이상이고, 설계 차량하중 24.3ton(Level 4)로 설계된 경우 Low 이상이며, 그 이하(Level 5)로 설계된 경우 모든 교량에 대해 조치가 취해져야 한다는 것을 의미한다. 전술한 내용을 위험도 매트릭스 형태로 나타내면 표 2에 도시된 바와 같다. 표 2는 설계 하중에 대한 세부 성능척도별 위험도 매트릭스(Matrix)를 나타낸다.

또한, 건전성 지수의 경우에도 발생 가능성과 영향도에 따라 위험도를 정의한다. 표 3에 도시된 바와 같이, 발생가능성이 Level 2인 경우를 살펴보면 영향도가 매우 낮으면 A, 매우 높은 경우 C로 정의된다. 만약 현재 관리 기준에 따라 B등급 이상으로 관리한다고 할 때, 영향인자가 매우 낮은(Very Low) 경우 건전성지수 D등급(Level 4) 수준에서 조치를 취하게 되며, 영향인자가 매우 높은(Very High) 경우 건전성지수 B 등급(Level 2) 수준에서 조치를 취하는 것으로 정의된다. 이와 같은 접근 방법은 기존의 교량에 대한 영향도를 고려하지 않은 방법에 비해 합리적인 것으로 판단된다. 표 3은 건전성 지수에 대한 세부 성능척도별 위험도 Matrix를 나타낸다.

또한, 재해 취약도의 경우 발생가능성에 대한 2가지 평가 결과(예를 들면, 조치되어 있음, 조치되지 않음)에 대해 영향인자를 고려하는 방식으로 정의된다. 만일 조치되어 있는 경우라면 영향인자와 상관없이 최고 등급으로 정의되며, 또한 조치되어 있지 않은 경우라면 각각의 발생 가능한 위험사건에 대해 순차적으로 등급을 배분하는 방식으로 정의된다. 따라서 표 4에 도시된 바와 같이, 영향인자가 Level 1로 평가되는 경우 모두 A등급이 부여되며, Level 5(무조치)의 경우 위험사건의 종류에 따라 B~E까지 등급을 정의할 수 있다. 표 4는 재해 취약도에 대한 세부 성능척도별 위험도 Matrix를 나타낸다.

한편, 영향인자는 각 세부 성능척도별로 미치는 영향이 상이하다는 점을 고려하기 위해 개별적으로 정의된다. 예를 들면, 설계하중의 경우 일상적인 차량 통행 보다는 중차량과 연관되는 인자이다. 왜냐하면 중차량 통행량이 많은 지역, 노선일수록 설계하중을 초과할 확률이 클 것으로 예측되며, 이는 다시 붕괴나 손상의 확률을 높일 것이 자명하기 때문이다. 따라서 설계하중에 대한 영향인자를 5단계로 구분하기 위해서 네트워크 내 전체 교량에 대한 중차량 통행량 자료를 수집하고, 이를 표 5에 도시된 바와 같이 5구간으로 구분함으로써 획득할 수 있다. 즉, 네트워크 내 전체 교량에 대한 중차량 교통량의 확률분포 모델에서 임의의 교량에 통과하는 교통량의 발생확률을 산정하는 방식으로 결정할 수 있다. 표 5는 설계하중에 대한 영향인자 결정을 나타낸다.

또한, 건전성지수와 재해 취약도는 모두 교량의 안전과 상관되는 인자로서, 교량의 손상이나 열화의 경우 및 극단적으로 붕괴하는 경우, 이에 대한 영향을 고려하기 위한 목적으로 정의된 값이다. 교량에 이와 같은 사건이 발생한 경우, 복구비용이 소요되며, 조치 기간 동안에 도로 통행의 제한과 그로 인해 도로이용자비용이 소요된다. 또한, 교량 하부에 도로, 수로나 철도가 존재하는 경우나 교량에 부착시설물(고압선, 상하수도관, 통신선) 등이 존재하는 경우 교량의 비정상적인 상태로 인해 추가적인 영향을 받을 수 있다. 따라서 이러한 점을 고려하여 영향인자를 산정하여야 한다.

이들을 고려하기 위해서 네트워크 내 전체 교량에 대해 대체비용을 산정하고, 이들에 대한 확률분포 모델을, 표 6에 도시된 바와 같이, 5구간으로 구분하는 방식으로 영향인자를 정의할 수 있다. 여기서, 대체비용은 개축비용(설계, 시공, 감리, 검사, 가시설비용, 해체폐기비용)과 교통량, 우회도로 교통량, 우회도로 길이 등을 종합적으로 고려하여 결정되는 도로이용자비용의 합으로 산정되는 값이다. 이러한 대체비용의 구성요소 중에서 개축비용에는 교량의 회계학적인 가치가 포함되며, 하부시설 종류에 따른 시공방법의 변화와 부착시설물의 이전 설치비 등을 고려하는 방식으로 지리적, 부차적인 가치가 포함된다. 또한, 통과시간 지체로 인해서 차량 이용자에게 발생되는 시간지연비용과, 통과속도 감소로 인해 발생되는 추가적인 주유비 등의 차량통행비용의 합으로 계상되는 도로이용자비용의 고려를 통해서 교량의 기능적 가치가 포함된다. 이때, 단 현재 점검/진단 등을 통해 주기적으로 관리되고 있는 시점에서 갑작스런 붕괴로 인한 구조물의 손실의 확률은 매우 작을 것으로 평가되므로, 이로 인한 위험비용은 고려하지 않는다. 표 6은 건전도지수와 재해 취약도에 대한 영향인자 결정을 나타낸다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템 및 그 방법은, 세 가지 성능척도와 평가기준에 따라 선정된 등급을 발생가능성으로 정의하고, 회계학적 가치, 기능적 가치, 지리적 가치, 부차적 가치를 고려할 수 있도록 교량 대체원가의 개념을 정립하며, 대체원가와 중차량 교통량을 기반으로 한 영향인자 산정방법을 제시하고, 발생가능성과 영향인자를 통한 위험도 등급 분석 방법을 제시한다.

(3) 가치이론( Value theory )을 이용한 발생 가능한 다양한 평가 결과별 선호도 결정 방법

본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템에서, 교량의 성능은 다양한 세부 성능평가 지표의 조합으로 구성되고, 각각의 평가 인자가 서로 다른 중요도를 가지며, 목표에 대한 바람직한 정도를 규정할 수 있는 경우, 다속성 가치이론(Multi-Attribute Value Theory: MAVT)을 적용하여 대표 선호도 값으로 정의할 수 있다. 이러한 다속성 가치이론(MAVT)을 적용하기 위해서는 관련 속성들의 목표에 대한 바람직한 정도를 반영하는 종합적인 가치함수(value function)를 산출하여야 하며, 이러한 가치함수는 사용자, 관리자의 선호구조(preference structure)를 반영하여야 한다.

또한, 각 성능지수(PI)별 평가기준은 같은 물리적인 특성, 규모, 정도, 크기를 갖는 것은 아니며, 각각의 PI별 평가 결과가 바람직한 순으로 선형 증가하는 가치를 갖는다고 가정할 수 없다는 점을 고려하여야 한다. 예를 들면, 관리주체가 교량의 건전도지수를 A(매우 좋음)~E(매우 나쁨)로 구분하고, A와 B(좋음)로 관리하는 것은 허용하지만 C(보통) 이하로 관리하는 것은 허용하지 않는다면, A나 B등급으로 유지하는 것은 C등급으로 유지하는 것에 비해 현저히 큰 가치를 갖는다고 할 수 있으며, 또한, C등급을 A, B등급으로 향상시키는 것은 B등급을 A등급으로 향상시키는 것에 비해 가치 측면에서 우수하다고 할 수 있다. 이러한 점을 해결하기 위해서 다속성 가치이론(MAVT)을 이용하여 세부 성능 평가척도별로 가치함수를 정의할 수 있다.

또한, 일반적으로 성능을 평가하기 위해 선정된 각 성능지수(PI)는 등가의 가치(중요도)를 갖는 것은 아니며, 각 PI별로 중요도를 결정할 수 있다. 각각의 성능지수(PI)별 가치함수는 상호독립(mutually independent)이라 가정할 수 있으며, 이때, 각 교량의 대표성능인

는 세부 성능지수(PI)별 가치함수 값과 가중치의 곱의 총합(Summation)의 형태로 나타낼 수 있다.

이때,

로 주어진다. 여기서,

는 각각 세부 평가척도 (

)별로 발생가능성과 영향인자에 관한 다양한 설계인자를 고려하여 결정된 평가등급(예를 들면, A~E 중 하나의 값)을 나타내며,

은 세부 평가지표의 수를 나타내고,

는 각각 세부 평가척도별 가중치를 나타내며, 그리고

는 세부 성능지수(PI)별 단일속성 가치함수(single attribute value function)를 나타낸다.

이러한 성능지수(PI)별 가치함수를 결정하기 위해서는 우선 각 평가등급간의 변화(즉, E→D, D→C, C→B, B→A)의 중요도 순서를 선호도에 따라 결정할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 각 등급의 변화 중에서 그 중요도가 가장 낮은 경우와 비교하여 나머지 등급 변화의 중요도를 상대적인 값으로 결정하는 방법을 적용한다. 이를 위해서 최하위 등급인 E와 최상위 등급인 A를 각각 0%와 100%의 가치(value)를 가지는 것으로 가정할 수 있다. 이러한 각 등급변화에 따른 중요도의 변화를 수학식으로 나타내면 수학식 2와 같다. 즉, 수학식 2는 등급 E에서 D의 변화가 최하위 중요도 순서를 가지는 것으로 가정한 상태에서 정의된 수학식을 나타낸다.

여기서,

는 평가등급 결과값을 의미하며,

,

및

는 최하위 중요도의 등급변화(여기서는

)를 기준으로 평가한 나머지 등급변화의 상대적인 중요도 값이다. 그리고

,

및

의 값은 수학식 2의 세 연립방정식을 풀이하여 결정할 수 있으며, 그 결과를 정리하면 다음의 수학식 3과 같다.

각 세부 성능지수(PI) 항목별 평가를 위한 가치함수를 결정하기 위해 학계, 업계 및 연구소 등 다양한 기관으로부터 교량유지관리 전문가집단을 구성하고, 각 항목별로 집단토론 및 설문조사를 수행하는 방식으로 결정할 수 있으며, 이때, 표 7은 표 1을 통해 제시한 성능척도 중 건전도지수에 대한 가치함수를 결정하기 위한 설문조사결과의 예를 나타내고 있다. 표 7은 세부 성능척도별 가치함수 개발을 위한 설문조사 사례를 나타낸다.

이러한 전문가 집단 평가 결과를 함수 형태로 이용하기 위해서 수학식 4와 같이 선형, 2차 및 3차 다항식 회귀분석을 수행하는 방식으로 결정할 수 있다.

여기서, 각 항목별로 평가를 위해 등급을 활용하며, 평가등급이 E등급(=1)일 때 가치함수의 최소값을 0%, 평가등급이 A등급(=5)일 때 최대값은 100%를 의미한다. 또한, 선형모델(c=0일 때)을 사용하는 경우, 그 계수 a는 -25, b는 25로 결정되며, c≠0 및 d≠0일 때, 그 계수는 회귀분석을 통해 결정될 수 있다. 이때, 각 성능척도별 가치함수는 결정계수가 큰 회귀모델을 선택할 수 있는데, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템에 적용되는 성능지수(Performance Index: PI)에 대한 회귀모델을 성능척도별로 구분하여 나타낸 그래프이다.

한편, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수의 평가를 위해 구분된 세부 평가척도가 대표 성능지수에 미치는 영향의 정도가 다른 점을 고려하기 위해 중요도(가중치)를 정의하여야 한다. 예를 들면, AHP(Analytic Hierarchy Process) 기법이 한 번에 두 개의 대상(objects) 또는 기준(criteria)을 비교하는 방법(개별 비교법, pair-wise comparison method)으로 수학적 일관성이 검증된 종합적인 우선순위 또는 가중치를 결정할 수 있다는 점에 착안하여, 세부 평가인자별 중요도(가중치)를 결정하는데 이러한 AHP 기법을 적용할 수 있다.

이러한 세부 평가척도별 중요도 판단을 위해 개별 비교법 적용시 5점, 7점, 9점 척도를 적용하여 선호도를 평가할 수 있다. 표 8은 성능척도별 가중치 평가를 위한 설문조사 시트로서, 성능척도에 대한 가중치 분석을 위한 5점 척도의 설문 양식을 나타낸다.

(4) 각각의 세부 성능 평가인자별 선호도를 이용해 프로젝트 수준과 네트워크 수준 대표 성능지수 및 세부 평가인자별 대표 성능지수 평가를 위한 방법

본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템 및 그 방법은, 프로젝트 수준과 네트워크 수준 성능지수를 평가하기 위해 평가에 필요한 기초 자료(설계하중, 건전성지수, 내진보강유무 등)를 수집하고, 전술한 표 1 ~ 표 4를 이용하여 각 성능척도별 등급(A~E)을 결정할 수 있다. 그 후 성능 평가척도별로 정의된 가치함수를 이용해 등급에 따른 성능지수(

)를 결정한다. 이 결과와 세부 성능 평가척도별 가중치(

)를 이용해 대상 교량

의 현재 대표 성능지수(

)를 분석하며, 교량의 세부 성능 평가척도 및 교량별로 정의된 가중치(

)를 이용하여 네트워크 수준의 대표 성능지수(

)을 분석할 수 있다.

전술한 과정을 통해 획득된 프로젝트 수준의 세부 평가척도별 성능지수를 이용하여 목표 성능수준에 미치지 못한 대상을 선별(gap 분석)할 수 있으며, 유지관리 전 후의 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수의 차와 투입되는 비용의 비교를 통해 비용 투입의 적절성을 판단하는데 사용할 수 있다.

여기서,

는 세부 성능척도,

는 개별 교량,

은 세부 성능척도의 수,

은 교량의 수를 의미한다. 또한,

은 네트워크(network)의 약자로 개별 교량의 집합을 의미하며, 집합을 규정하는 방법에 따라 소규모 관리주체가 될 수도 있고 국가 차원의 대규모 네트워크가 될 수도 있다.

이때,

는 교량(

)의 세부 성능척도(

)에 대한 성능지수를 의미하며, 교량(

)의 세부 성능척도(

)에 대해 결정되는 등급(

)를 가치함수

에 대입함으로써 얻을 수 있다. 또한,

는 교량(

)에 대한 세부 성능지수를 종합해 하나의 대표값으로 나타낸 것으로, 개별 세부성능지수(

)와 세부 성능척도별 가중치(

)의 곱을 모든 성능척도에 따라 합한 값이 산정되며, 0과 100% 사이의 값이다.

또한, 네트워크 수준 세부 성능척도별 성능지수(

)는 네트워크에 속한 교량의 개별 성능척도별 성능지수(

)와 네트워크를 구성하는 전체 교량의 대체원가의 합과 해당 교량(

)의 대체원가의 비로 결정되는

의 곱을 네트워크 내의 전체 교량에 대해 합한 값으로 결정되며, 마찬가지로 0과 100% 사이의 값이다.

(5) 유지관리 전략 및 계획 수립 관련 의사결정을 지원하기 위한 방법

본 발명의 실시예에 따른 위험도와 자산가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템 및 그 방법은 교량 유지관리 전략 및 계획 수립을 지원한다. 이러한 지원을 위해 선택된 성능척도에 대해 성능지수를 판단하고, 목표 관리수준(Target PI)과의 비교를 통해 유지관리 대상을 결정한다. 이때, 유지관리 예산은 한정되어 있기 때문에 결정된 대상을 지금 유지관리 할 것인가, 조치를 이연할 것인가를 결정해야 하며, 이와 같은 의사결정을 위해 유지관리 대상의 조치 비용과 조치 후 성능향상 정도를 파악하여야 한다.

이하, 1) 유지관리 대상 선택, 2) 유지관리 조치비용 및 조치 후 성능지수의 판단, 3) 2)에서 결정된 결과를 이용하여 유지관리조치의 우선순위 산정, 4) 유지관리 조치 후 성능수준의 변화 분석, 5) 1)~4)의 결과를 이용한 의사결정 정식화 및 알고리즘에 대해 설명한다. 이와 같은 과정을 통해 최적 의사결정을 수행한다는 것은 결국 유지관리가 필요한 대상들 가운데 차년도에 유지관리 할 대상을 결정한다는 의미하며, 이와 같은 과정을 반복함으로써 연차별 계획을 수립할 수 있다.

1) 유지관리 대상 선택

앞서 제시한 수학식 5를 통해 세부 평가척도별 성능지수를 이용해 프로젝트 및 네트워크 수준 성능지수를 산정할 수 있다. 하지만 세부 평가척도별 지수를 이용해 상위수준의 결과를 얻는 과정에서 개별 항목별 특성은 사라지기 때문에 프로젝트수준 및 네트워크 수준 대표 성능지수를 이용하는 방식으로는 적절한 대안을 산정할 수 없다. 예를 들면, 프로젝트 수준 즉, 교량수준의 성능지수가 90점(%)을 유지해야 한다고 목표 관리수준을 정했을 때 프로젝트 수준의 성능 평가 값을 통해 대상은 결정될 수 있지만, 어떤 조치를 취해야 하는지는 확인할 수 없으며, 네트워크 수준도 마찬가지의 문제점이 발생하게 된다. 또한, 세부 평가척도별 성능지수 값은 미시적인 값으로 전체 교량의 의사결정에 이용하기에는 타당하지 않다는 것을 알 수 있다.

따라서 프로젝트 및 네트워크 수준의 평가 결과는 투입 예산과 성능향상의 적절성 판단(투입 비용 대비 효과 검토) 등 거시적인 의사결정을 위해 사용되며, 개별 교량의 현재의 세부 성능척도별 성능지수가 관리 목표 수준에 도달하지 못할 때(

) 유지관리 대상은 생성된다.

2) 유지관리 조치비용 및 조치 후 성능지수의 판단

유지관리 대상이 선별된 후 유지관리 조치 비용과 조치 후 성능향상 정도를 산정할 수 있어야 한다. 유지관리 조치 비용은 실제 기본/대안 설계나 비용 데이터베이스(Database)를 통해 획득되며, 조치 후 성능향상 정도도 마찬가지로 현상에 대한 공학적 판단, 성능 DB를 통해 획득할 수 있다. 각 교량의 세부 성능지수별로 유지관리 비용(

)은 결정되며, 성능향상 정도는 조치 전 후 성능상태의 차 즉,

를 계산함으로써 계산할 수 있다. 여기서,

는 after의 약자이며,

는 before의 약자, 나머지 인덱스는 수학식 5의 설명을 참조할 수 있다.

3) 우선순위 산정

선별된 유지관리 대안의 우선순위를 판단하기 위해 조치 후 가치향상의 정도

와 비용(

)의 비로 평가되는 비용가치

를 이용해 우선순위를 판단할 수 있다. 성능향상의 정도는 유지관리 대상을 조치하였을 때의 성능향상의 정도를 의미하며, 다양한 세부 평가척도가 존재하고 개별 교량의 가치가 다르므로 정규화하여 평가하게 된다. 이를 위해 개별 대안 조치 후 성능향상 정도를 네트워크 수준의 값으로 정규화해 평가하며, 이를 정식화하면 수학식 6과 같다. 또한, 성능향상 정도만 가지고는 비용-효율적인 의사결정을 수행할 수 없기 때문에 성능향상의 정도를 투입비용으로 나누어 정규화된 가치향상정도로 표현하며, 이를 정식화하면 수학식 7과 같다.

여기서,

는 교량(

)의 대체비용으로 기존 교량이 노후화되거나 또는 사고, 재해 등으로 사용할 수 없게 되었을 때 기존 교량과 동등한 기능을 수행하는 구조물로 대체하기 위해 필요한 비용을 의미한다. 대체비용은 직접공사비(설계비, 시공비, 감리비, 시험비 등 포함)와 기존교량의 해체 폐기비용, 공사를 수행하기 위해 차선 차단 등의 교통통제로 인해 발생가능한 도로이용자비용의 합으로 정의할 수 있다. 직접공사비용은 가교설치비용, 기존시설물의 이설비용 등도 포함된 전체 공사비이다. 수학식 7을 의미적으로만 살펴보면 기존의 비용효율성(Benefic Cost: B/C) 분석과 유사한 개념으로서, 투입되는 비용이 교량 가치의 향상에 비해 적절한지 여부를 나타낸다.

4) 유지관리 조치 후 성능수준의 변화

유지관리 조치가 수행된 후 세부 성능평가 항목 및 대표 성능지수의 변화는 수학식 8 및 수학식 9로 평가할 수 있다.

여기서,

는 조치 후 상태의 변화(after)를 의미하며,

는 특정 교량(

)의 성능척도(

)에 대한 유지보수가 결정되었을 경우 1, 그렇지 않을 경우 0을 나타내는 이진(binary) 특성을 갖는 설계변수이다.

5) 의사결정 정식화 및 알고리즘

전술한 3)에서 각 조치 항목별로 선정된 우선순위는 전체 교량 및 각각의 세부 성능척도별로 정규화된 순위이므로 이를 이용하여 유지관리 예산에 따라 금년도에 수행할 작업과 이연할 작업을 적절히 분배할 수 있지만, 이러한 결과는 일반적으로 최적 결과는 아니다. 이와 같은 문제는 전형적인 순위최적화 문제로 각각 수학식 10 및 수학식 11과 같이 정식화 할 수 있으며, 유전자알고리즘, 휴리스틱(heuristic) 분석, 정수계획법 등 다양한 방법을 통해 그 해를 산정할 수 있다. 하지만 정수계획법의 경우, 규모가 큰 경우에 해를 찾지 못할 가능성이 높고, 해석시간이 많이 걸리기 때문에 sequential binary search 문제를 해결하기 위해서 휴리스틱 기법이 유용하다. 이때, 의사결정 알고리즘은 크게 2개로 구분된다. 예를 들면, 성능제약을 고려하지 않고 예산제약만 고려하여 효율이 가장 높은 후보군의 조합을 선택하는 경우(도 2 참조)와 성능제약과 예산제약을 모두 고려하여 후보군의 조합을 찾는 경우(도 3 참조)로 구분할 수 있다.

여기서,

는 설계변수로 교량(

)의 세부 성능척도(

)에 대해 정의된 유지관리 대안의 선택 여부를 의미하며,

는 세부 성능 평가척도(

)의 네트워크 수준 관리목표,

는 네트워크 수준의 대표 성능지수의 목표값,

는 유지관리 예산의 제약을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약을 고려한 최적화 방법의 동작흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약과 성능제약을 고려한 최적화 방법의 동작흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약을 고려한 최적화 방법은, 먼저, 현재 성능지표를 평가하고(S101), 목표 성능지표를 설정한다(S102).

다음으로, 현재 성능이 목표 성능보다 작은지 확인하여(S103), 현재 성능이 목표 성능보다 작으면, 유지관리 조치 필요한 후보군(비용, 성능)을 선정한다(S104).

다음으로, 후보군을 조합하고(S105), 비용가치(VC)를 산정하고 내림차순으로 정렬한다(S106). 다음으로, 최대 비용가치 후보군을 채택한 후(S107), 관리주체 수준 비용 및 성능수준을 산정한다(S108).

다음으로, 예산이 남았는지 확인하고(S109), 예산이 남은 경우, 예산이 남지 않을 때까지 전술한 S107 단계 및 S108 단계를 수행한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 예산제약과 성능제약을 고려한 최적화 방법은, 현재 성능이 목표 성능보다 작지 않은 경우, 유지관리 조치 필요한 후보군(비용, 성능)을 선정하고(S111), 후보군을 조합하며(S112), 후보군을 성능향상에 대한 순으로 정렬한다(S113).

다음으로, 성능 향상이 가장 높은 대상을 선택하고(S114), 관리주체 수준 비용 및 성능수준을 산정한다(S115). 다음으로, 후보군이 남았는지 확인하여(S116), 후보군이 남았다면, 전술한 S114 단계로 되돌아간다.

다음으로, 후보군이 남지 않은 경우, 최대 비용가치 후보군을 채택한 후(S117), 관리주체 수준 비용 및 성능수준을 산정한다(S118). 다음으로, 예산이 남았는지 확인하고(S119), 예산이 남은 경우, 예산이 남지 않을 때까지 전술한 S117 단계 및 S118 단계를 수행한다.

다음으로, 예산이 남지 않지 않은 경우, 성능 제약조건을 만족하는지 확인하고(S120), 성능 제약조건을 만족하지 않는다면, 성능 향상 폭이 가장 높은 대상을 선택하고, VC가 가장 낮은 후보군은 선택하지 않는다(S121).

(6) 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템의 세부 구현 절차

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템의 개략적인 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 교량 관리정보 분석 시스템은 크게 데이터 수집부(110), 교량 현재 성능 및 가치 평가부(120), 관리목표 수립부(130) 및 유지관리 계획 수립부(140)를 포함한다. 이를 구현하기 위해 기본적으로 세부 성능평가 항목별 가치함수 모델, 위험도 매트릭스, 가중치 결정이 필요하며, 기본 정보는 교량 정보관리 시스템과 교통량정보제공시스템, 현장조사를 통해 획득된다.

먼저, 성능지수의 평가는 표 9에서 정의된 항목에 대해 개발된 모델을 이용하여 수행될 수 있다. 개발될 모델을 갱신주기에 따라 구분하면 1, 2, 3은 새로운 기준 도입 등 특별한 사유가 있을 시 관리주체에 의해 갱신되며, 4, 5는 갱신이 필요하지 않고, 6, 7은 수집되는 데이터를 이용해 시스템적으로 매년 갱신되는 모델이다. 표 9는 성능척도 평가를 위해 개발/갱신될 모델을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 데이터 수집부(110)는 교량정보 관리를 위해 데이터를 수집한다. 구체적으로, 데이터 수집부(110)는 교량 정보관리 시스템을 이용하여 기본제원 및 상세제원 정보를 수집하고, 교통량 정보제공 시스템이나 현장조사를 통해 추가적인 데이터를 수집 및 관리할 수 있다.

예를 들면, 교량정보관리시스템을 통해 평가를 위한 관련 데이터(연장, 폭, 형식, 지반조건, 하부 노선/수로/철도 유무, 내진 보강 유무, 홍수위, 하부여유고, 우회도로 길이, 설계하중, 점검 및 진단자료) 수집한다. 또한, 교통량정보제공시스템(http://www.road.re.kr)을 통해 교통정보(일평균교통량, 중차량교통량, 우회도로 교통량)를 획득한다. 마지막으로 현장조사 등을 통해 부착시설물의 종류 등을 수집한다.

교량 현재 성능 및 가치 평가부(120)는 상기 데이터 수집부(110)에서 수집된 데이터를 이용하여 교량 대체원가를 평가하고, 세부 성능척도별 영향인자를 결정하며, 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가한다.

구체적으로, 상기 교량 현재 성능 및 가치 평가부는, 교량 대체원가 평가부, 영향인자 결정부 및 교량 성능지수 평가부를 포함할 수 있고, 상기 교량 대체원가 평가부는 상기 데이터 수집부(110)에서 수집된 데이터를 이용하여 개축비용, 도로이용자비용의 합으로 대체원가를 산정하고, 교량 가치를 평가한다. 상기 영향인자 결정부는 상기 교량정보와 대체원가를 이용하여 세부 성능척도별 영향인자를 결정하며, 상기 교량 성능지수 평가부는 상기 세부 성능척도별 평가기준(발생 가능성)과 영향인자를 고려하여 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가한다.

이때, 상기 세부 성능척도별 성능지수(Performance Index)는 가치함수(Value Function)를 이용하여 선호도를 정량적으로 고려하며, 상기 성능척도별 영향인자는 위험 사건의 발생가능성에 따른 평가기준 및 위험수준에 노출된 빈도/결과에 따른 영향을 고려한다. 또한, 상기 성능척도(Performance Measure: PM)는 중차량 통과 가능하중과 연관된 설계하중, 교량의 일상적 관리수준과 연계된 건전성 평가, 및 재해나 사고의 특수한 조건과 연계된 재해 취약도로 구분될 수 있다. 또한, 상기 영향인자는 대체원가와 중차량 교통량을 기반으로 하여 산정되며, 상기 위험사건의 발생가능성 및 상기 영향인자에 따라 위험도 등급이 분석될 수 있다.

예를 들면, 수집된 데이터를 이용해 앞선 위험도 개념을 적용한 세부 성능 평가인자별 평가 방법에 따라 성능지수를 평가한다. 성능지수의 판단은 교량별, 세부 평가척도별로 수행된다. 표 9의 기준에 따라 발생가능성을 이 값과 네트워크 내 교량 중차량 통행량 통계분석을 통해 획득한 설계하중 관련 영향인자와 대체비용을 통계분석 해 획득한 건전성지수, 재해 취약도 관련 영향인자를 가지고 표 2~4의 위험도 매트릭스를 이용해 각 성능척도별 평가등급을 결정한다. 그 후 성능척도별 가중치와 성능척도 및 교량별 가중치와 수학식 5를 이용하여 프로젝트 및 네트워크 수준별 대표 성능지수를 산정한다. 이와 같은 절차를 도식적으로 정의하면 도 5에서 S141 내지 S148 단계로 나타낼 수 있지만, 상세한 설명은 생략한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 성능지수의 평가 절차를 나타내는 동작흐름도이다.

도 4를 다시 참조하면, 관리목표 수립부(130)는 관리목표 성능수준을 결정하고, 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능을 예측하며, 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 유지관리 대상을 분석하고, 미래 투입 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리목표 성능수준을 조정한다.

구체적으로, 상기 관리목표 수립부(130)는, 관리목표 성능수준 결정부, 미래 성능 예측부, 유지관리 대상 분석부, 미래 비용 예측부 및 관리목표 성능수준 조정부를 포함할 수 있다.

상기 관리목표 성능수준 결정부는 관리주체가 현재 교량 성능지수와 성능척도별 평가기준을 검토하여 상기 프로젝트 및 네트워크 수준 대표 성능지수와 세부 성능척도별 관리 목표값을 결정하며, 상기 미래 성능 예측부는 미래 성능 수준의 검토와 유지관리 대상의 선별을 위해서 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능 예측을 수행한다. 또한, 유지관리 대상 분석부는 상기 미래 성능예측 분석 결과 중에서 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 대상을 선별하며, 상기 미래 비용 예측부는 상기 유지관리 대상에 대해 교량정보 중에서 물량 부분과 비용 모델을 이용하여 미래 비용을 예측한다. 또한, 상기 관리목표 성능수준 조정부는 미래 투입되는 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리 목표 성능수준 조정하며, 이때, 상기 관리 목표 성능수준을 만족하지 않는 경우에 반복해서 관리목표 성능수준을 조정할 수 있다.

관리목표 수립은 교량 유지관리 정책수립하거나 예산요구 전 다양한 근거자료를 생성하기 위해 사용되며 2단계로 진행된다. 첫 번째 단계는 전략적인 측면의 세부 성능척도별 관리 목표를 수립하는 단계이며, 그 다음 단계는 현재 성능수준, 전략적 측면의 목표 달성을 위해 필요한 예산의 규모를 고려해 연차별 달성목표를 정하는 단계로 구분된다.

첫 번째 단계에서는 현재 프로젝트 및 네트워크 수준 대표 성능지수 평가 결과와 세부 평가척도별 평가 기준 검토를 통해 의사결정자는 가장 바람직한 관리 수준을 정의한다. 하지만 이 기준은 예산 등의 제반사항을 고려하지 않은 상태에서 결정된 초기 값이므로 실현가능한 연차별 목표 성능관리수준으로 조정되어야 한다. 이를 위해 관리주체는 세부 성능척도별 목표 성능 관리수준을 결정하고 이 값에 미치지 못한 성능지수를 갖는 교량에 대해 유지관리 대안을 생성한다. 그 후 그 대안을 조치하기 위한 필요비용과 대안 조치 후 성능향상 정도를 분석한다. 이와 같은 과정을 통해 획득한 필요 예산과 조치 후 성능에 대한 분석자료에 근거하여 목표 성능관리수준의 적절성 여부를 판단하게 되며, 적절하지 않을 경우 관리수준의 조정과 상기 언급한 절차의 반복을 통해 새로운 분석자료를 산정하게 된다. 이와 같은 절차를 도식적으로 살펴보면 도 6에서 S151 내지 S160 단계로 나타낼 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 목표 성능관리 수준의 수립 절차를 나타내는 동작흐름도이다. 참고로 관리목표 수립 과정 중에 분석된 조치비용, 조치 후 성능지수, 산정된 예산에 대한 정보는 다음 단계인 유지관리 계획 수립에 사용될 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 유지관리 계획 수립부(140)는 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 조치에 따른 가치/비용을 분석하며, 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상의 선정 및 예산 배분에 관한 의사결정을 수행한다.

구체적으로, 유지관리 계획 수립부(140)는 유지관리 조치에 따른 가치/비용 분석부 및 의사결정부를 포함하며, 상기 유지관리 조치에 따른 가치/비용 분석부는 유지관리 예산이 확정된 상태에서 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 대상을 선별하며, 상기 의사결정부는 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상을 선정하고, 예산을 배분한다.

도 4를 다시 참조하면, 유지관리 계획 수립부(140)는 배정된 예산을 효율적으로 활용하기 위해 최적의 대상을 결정하는 의사결정문제에 대한 시스템 적인 답을 구한다. 이때, 유지관리 계획은 분석 목적에 따라 전술한 도 2 및 도 3의 최적화 알고리즘을 이용하여 결정될 수 있으며, 선정되지 않는 대안은 내년으로 이연되며 그 해 발생된 다른 유지관리 대상들과 다시 비교함으로써 유지관리 여부를 판별하게 된다.

그러나 이와 같이 시스템적으로 산정된 해는 지역 예산 배분과 같은 비공학적인 사항은 포함되어 있지 않기 때문에 의사결정권자의 합리적인 판단에 따라 일부 수정될 가능성이 있다.

(7) 교량 관리정보 분석 시스템 개발을 위한 프로세스 및 데이터 흐름

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 업무 프로세스의 동작흐름도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템의 데이터 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 방법에서 업무 프로세스의 동작흐름은, 먼저, 개별 교량별로 기본제원, 상세제원, 교통량 정보, 부착시설 정보를 포함하는 교량정보를 생성하는 교량정보 관리를 수행한다(S171).

다음으로, 양의 실수 값으로 교량별로 정의되는 교량 대체원가를 생성하는 교량 대체원가 평가를 수행한다(S172).

다음으로, 0~100% 사이의 실수로 세부 성능척도별, 교량별로 정의되는 교량별 영향인자를 생성하는 영향인자를 결정한다(S173).

다음으로, 0~100% 사이의 실수로 프로젝트 및 네트워크 수준에 따라 세부 성능척도별, 교량별로 정의되는 교량 현재 성능지수를 생성하는 교량 성능지수 평가를 수행한다(S174).

다음으로, 각 성능척도별 성능지수의 최소값, 프로젝트 및 네트워크 수준 성능지수의 최소값으로 구성되며, 0~100% 사이의 값인 목표 성능관리수준을 생성하는 관리목표 성능수준 결정을 수행한다(S175).

다음으로, 교량 현재 성능지수와 데이터 구조를 분석 년도만큼 생성하는 미래 성능지수를 예측한다(S176).

다음으로, 교량 및 성능척도별 유지관리 대상을 분석하며(S177), 이때, 유지관리 대상은 0, 1로 표시할 수 있고, 0은 미대상이고, 1은 대상을 나타낸다.

다음으로, 유지관리 대상으로 선택된 경우, 교량 및 성능척도별 유지관리 대상에 따라 필요한 조치비용 데이터를 생성하여 미래 비용을 예측한다(S178).

다음으로, 각 성능척도별 성능지수의 최소값, 프로젝트 및 네트워크 수준 성능지수의 최소값으로 구성되는 목표 성능관리수준을 조정한다(S179). 이때, 목표 성능관리수준은 0~100% 사이의 값으로 나타낸다.

다음으로, 목표 관리수준 및 예산 제약에 따른 유지관리 대상, 투입비용, 가치 향상정도의 유지관리 조치에 따른 가치/비용을 분석한다(S180).

다음으로, 확정된 유지관리 대상, 교량별 성능척도별 유지관리 예산, 프로젝트 및 네트워크 수준 유지관리 조치 전후 성능지수에 따라 의사를 결정한다(S181).

도 8은 교량 관리정보 분석 시스템 개발을 위해 크게 4가지 조직(110, 120, 130, 140)과 그에 파생하는 11개 프로세스(S171~S181), 11개의 데이터베이스(151~161), 2개의 분석을 위한 모델 DB(171, 172)에 대해 프로세스 및 데이터 흐름도를 작성한 결과이다. 여기서, 조직은 데이터 수집부(110), 교량 현재 성능 및 가치 평가부(120), 관리목표 수집부(130) 및 유지관리 계획 수립부(140)로 구분될 수 있다.

또한, 데이터베이스는 교량정보 DB(151), 교량 대체원가(152), 교량별 영향인자 DB(153), 교량 현재 성능지수 DB(154), 목표 성능관리수준 결정 및 조정 DB(155), 교량의 미래 성능지수 DB(156), 유지관리 대상 DB(157), 유지관리 예산 DB(158), 확정된 유지관리 대상 DB(159), 분석결과 DB(160), 확정 유지관리 예산 DB(161) 등을 포함할 수 있다. 이때, 2개의 분석을 위한 모델 DB(171, 172)는 성능 및 비용 예측 모델을 제외하면 본 발명의 실시예에 따른 방법에 따라 결정된다. 예를 들면, 성능척도의 결정, 가치함수 모델, 위험도 매트릭스는 전술한 바와 같다. 또한, 성능 및 비용 모델(171, 172)은 미래 성능 예측과 선정된 유지관리 대상에 대해 유지관리 비용을 예측하는데 사용되는 모델이다.

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 위험도와 가치를 고려함으로써, 관리주체가 적정한 목표 관리수준을 정의와 관리주체 간 균등한 성능지수를 확보할 수 있고, 적정한 목표 관리수준을 정의할 수 있으며, 예산요구의 적정성 및 신뢰도를 확보할 수 있다. 또한, 교량 유지관리 예산 배분 절차의 효율성을 증진시킬 수 있고, 향후 특정시기 교량 유지관리 예산의 집중되는 문제에 대비할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들면, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 데이터 수집부
120: 교량 현재 성능 및 가치 평가부
130: 관리목표 수립부
140: 유지관리 계획 수립부

Claims

교량정보 관리를 위해 데이터를 수집하는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 교량 대체원가를 평가하고, 세부 성능척도별 영향인자를 결정하며, 세부 성능척도(Performance Measure)별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가하는 교량 현재 성능 및 가치 평가부;
관리목표 성능수준을 결정하고, 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능을 예측하며, 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 유지관리 대상을 분석하고, 미래 투입 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리목표 성능수준을 조정하는 관리목표 수립부; 및
가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 조치에 따른 가치/비용을 분석하며, 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상의 선정 및 예산 배분에 관한 의사결정을 수행하는 유지관리 계획 수립부를 포함하되,
상기 세부 성능척도별 성능지수(Performance Index: PI)는 가치함수(Value Function)를 이용하여 선호도를 정량적으로 고려하며, 상기 성능척도별 영향인자는 위험 사건의 발생가능성에 따른 평가기준 및 위험수준에 노출된 빈도/결과에 따른 영향을 고려하는 것을 특징으로 하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서,
상기 성능척도(Performance Measure: PM)는 중차량 통과 가능하중과 연관된 설계하중, 교량의 일상적 관리수준과 연계된 건전성 평가, 및 재해나 사고의 특수한 조건과 연계된 재해 취약도로 구분되는 것을 특징으로 하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서,
상기 영향인자는 대체원가와 중차량 교통량을 기반으로 하여 산정되며, 상기 위험사건의 발생가능성 및 상기 영향인자에 따라 위험도 등급이 분석되는 것을 특징으로 하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서,
상기 데이터 수집부는, 교량 정보관리 시스템을 이용하여 기본제원 및 상세제원 정보를 수집하고, 교통량 정보제공 시스템이나 현장조사를 통해 추가적인 데이터를 수집 및 관리하는 것을 특징으로 하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서, 상기 교량 현재 성능 및 가치 평가부는,
상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 이용하여 개축비용, 도로이용자비용의 합으로 대체원가를 산정하고, 교량 가치를 평가하는 교량 대체원가 평가부;
상기 교량정보와 대체원가를 이용하여 세부 성능척도별 영향인자를 결정하는 영향인자 결정부; 및
상기 세부 성능척도별 평가기준(발생 가능성)과 영향인자를 고려하여 세부 성능척도별 성능지수, 프로젝트 및 네트워크 수준의 대표 성능지수를 평가하는 교량 성능지수 평가부를 포함하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서, 상기 관리목표 수립부는,
관리주체가 현재 교량 성능지수와 성능척도별 평가기준을 검토하여 상기 프로젝트 및 네트워크 수준 대표 성능지수와 세부 성능척도별 관리 목표값을 결정하는 관리목표 성능수준 결정부;
미래 성능 수준의 검토와 유지관리 대상의 선별을 위해서 현재 교량 성능지수와 성능예측 모델을 이용하여 미래 성능 예측을 수행하는 미래 성능 예측부;
상기 미래 성능예측 분석 결과 중에서 상기 관리목표 성능수준에 미치지 못한 대상을 선별하는 유지관리 대상 분석부;
상기 유지관리 대상에 대해 교량정보 중에서 물량 부분과 비용 모델을 이용하여 미래 비용을 예측하는 미래 비용 예측부; 및
미래 투입되는 비용과 성능 사이의 관계를 검토하여 관리 목표 성능수준을 조정하는 관리목표 성능수준 조정부를 포함하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제6항에 있어서,
상기 관리목표 성능수준 조정부는 상기 관리 목표 성능수준을 만족하지 않는 경우에 반복해서 관리목표 성능수준을 조정하는 것을 특징으로 하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
제1항에 있어서, 상기 유지관리 계획 수립부는,
유지관리 예산이 확정된 상태에서 가치성능 모델의 우선순위와 가치/비용의 합을 최대화할 수 있는 유지관리 대상을 선별하는 유지관리 조치에 따른 가치/비용 분석부; 및 세부적인 조정을 통해 유지관리 대상을 선정하고, 예산을 배분하는 의사결정부를 포함하는 교량의 위험도와 가치를 고려한 교량 관리정보 분석 시스템.
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