KR102297468B1 - 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법 - Google Patents

디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법 Download PDF

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Abstract

디지털 트윈 모델링 장치가 제공된다. 상기 디지털 트윈 모델링 장치는, 지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축하는 데이터 구축부와; 상기 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행하는 3D 모델링부와; 상기 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결하는 물리엔진 연결부와; 소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 상기 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션 하는 시뮬레이션부를 포함한다.

Description

디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법{DIGITAL TWIN MODELING APPARATUS AND MODELING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법에 관한 것이다.
스마트 시티의 도시운영관리 시스템으로 디지털 트윈 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 디지털 트윈 시스템은 도시의 구성 요소를 가상의 공간에 동일하게 구현하여 센서의 실시간 연동을 통해 대상 객체에서 발생한 데이터의 관리 및 시뮬레이션을 위한 환경을 구축한 것이다.
디지털 트윈 시스템을 통해 획득된 데이터는 최적 도시 운영을 위한 기반 자료로 사용되므로 데이터를 기반으로 하는 공간 구현의 정밀함, 시뮬레이션의 정확성과 더불어 데이터의 신뢰성이 요구된다.
대표적인 도시 디지털 트윈 개발 방법으로 BIM(Building Information Model)과 GIS(Geospatial Information System)의 표준 데이터 포맷을 통합하여 활용하는 방법이 계속해서 시도되고 있으나, 현재의 기술 수준으로는 도시 데이터를 완전히 제공할 수 없으며, 통합이 완료된다고 하더라도 사용자 서비스를 위한 웹서비스 환경에서는 용량 문제로 인한 부하 문제가 여전히 남아 있다.
이에, 3차원 모델과 별도의 공간 DB를 논리적인 연결을 통해 객체와 같이 표현하는 기존의 3차원 GIS 구축 방법론을 활용할 수 있으나, 현재 GIS 개발 도구들은 별도의 물리 엔진(physical engine) 모듈 설치 외에는 물체의 충돌 반응, 유체 역학 계산 등 물리 시뮬레이션 구현이 불가능하다.
따라서, 스마트시티의 실질적인 서비스 도출을 위한 웹 기반 서비스나 3차원 물리 시뮬레이션(3D physics simulation) 등의 기능 구현 가능성이 함께 고려된 현실적인 모델링 방법이 필요하다.
한국등록특허공보 제1934308호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 스마트시티의 실질적인 서비스 도출을 위한 웹 기반 서비스나 3차원 물리 시뮬레이션(3D physics simulation) 등의 기능 구현 가능성이 함께 고려된 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 건축물 내부의 실 단위 스케일까지 구현할 수 있는 디지털트윈 시스템 구축을 위한 모델링 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 물리엔진을 활용한 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 디지털 트윈 모델링 장치가 제공된다. 상기 디지털 트윈 모델링 장치는, 지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축하는 데이터 구축부와; 상기 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행하는 3D 모델링부와; 상기 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결하는 물리엔진 연결부와; 소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 상기 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션 하는 시뮬레이션부를 포함한다.
상기 지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 데이터 구축부는, 상기 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고, 상기 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 상기 건축물통합도면 형상 파일 또는 상기 국가중점데이터 형상 파일을 상기 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완할 수 있다.
상기 3D 모델링부는, 상기 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고, 기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고, 건축물, 토목 구조물의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모뎅링을 수행할 수 있다.
상기 3D 모델링부는, 상기 모델링 지역의 수치표고모델과 정사영상 데이터를 기반으로 지형 3D 모델링을 수행하고, 상기 모델링 지역의 도로 데이터, 도로 연석의 크기나, 도로 폭 등을 포함하는 상세 도면을 기반으로 도로 3D 모델링을 수행할 수 있다.
상기 활용 케이스 알고리즘은 침수량 계산 알고리즘을 포함할 수 있다.
상기 시뮬레이션부는 상기 물리엔진의 파티클 시뮬레이션 기능을 활용하여 침수량을 시뮬레이션 하고, 상기 침수량을 상기 3D 모델에 시각적으로 표시할 수 있다.
상기 침수량 계산 알고리즘은, 실시간 강우량에서 유출량을 뺀 값으로 침수량을 도출할 수 있다.
상기 유출량은 부지 내 유출 계수에 계획 강우 강도를 곱한 값으로 도출되고, 상기 부지 내 유출 계수는 특정 객체의 유출계수에 상기 객체가 전체 면적에 차지하는 비율의 합으로 도출될 수 있다.
상기 시뮬레이션부는 상기 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 상기 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 상기 3D 모델에 침수 지역을 표시할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 디지털 트윈 모델링 방법이 제공된다. 상기 디지털 트윈 모델링 방법은, 지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축하는 데이터 구축 단계와; 상기 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행하는 3D 모델링 단계와; 상기 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결하는 물리엔진 연결 단계와; 소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 상기 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계를 포함한다.
상기 지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 데이터 구축 단계는, 상기 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고, 상기 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 상기 건축물통합도면 형상 파일 또는 상기 국가중점데이터 형상 파일을 상기 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완할 수 있다.
상기 3D 모델링 단계는, 상기 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고, 기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고, 건축물, 토목 구조물(교량, 터널 등)의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모뎅링을 수행할 수 있다.
상기 활용 케이스 알고리즘은, 누적 강우량과 모델링 지역의 면적을 곱한 강우 입체를 만들고, 맨홀, 도로 및 필지의 절대 투수율을 기반으로 상기 모델링 지역의 총 투수율을 도출하고, 상기 강우 입체에서 상기 총 투수율의 비율을 제외한 실질 강우 입체를 도출하는 과정을 포함하는 침수량 계산 알고리즘을 포함할 수 있다.
상기 시뮬레이션부 단계는 상기 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 상기 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 상기 3D 모델에 침수 지역을 표시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스마트시티의 실질적인 서비스 도출을 위한 웹 기반 서비스나 3차원 물리 시뮬레이션(3D physics simulation) 등의 기능 구현 가능성이 함께 고려된 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 건축물 내부의 실 단위 스케일까지 구현할 수 있는 디지털트윈 시스템 구축을 위한 모델링 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물리엔진을 활용한 디지털 트윈 모델링 장치 및 이를 이용한 모델링 방법이 제공된다.
이를 통해, 도시의 공간정보를 효율적으로 표현하고 이를 기반으로 서비스를 구현하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 모델링 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 따른 공간 DB 구축을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활용 케이스 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리엔진의 파티클 시뮬레이션 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 모델링 방법을 설명하는 제어 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 시스템의 아키텍처를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 시스템 구현 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
상술된 바와 같이, 스마트시티(Smart city)란, 도시가 당면한 과제를 효율적이며 효과적으로 신속하게 해결해 낼 수 있는 도시, 또는 시민의 일과 삶의 질을 높이고 지속가능한 도시를 구성하는 기본 개념을 의미한다.
또한, 디지털트윈은 현실 공간의 특정 대상을 모델링하고 그 대상에서 발생하는 데이터를 실시간 수집하여 이를 가상공간의 다양한 환경이나 조건에서 시뮬레이션 및 분석하고 최적의 결과를 도출하여 다시 현실에 적용함으로써 동기화하는 기술을 의미할 수 있다.
스마트시티를 위한 디지털트윈을 구현하려면 공간의 개념이 필수적이며 도시를 구성하는 실세계의 공간정보(데이터)를 기반으로 구축하는데, 현재 이를 위한 BIM-GIS 데이터 통합 관련 연구성과는 아직 활용할 수 있는 단계가 아니며, 스마트시티의 실질적인 서비스 도출을 위한 웹 기반 서비스나 3차원 물리 시뮬레이션(3D physics simulation) 등의 기능 구현 가능성이 함께 고려된 현실적인 방법이 필요하다.
이러한 스마트시티 디지털트윈 모델의 구현 기준은 시민들에게 제공할 서비스 수준(LOS, Level of Service)에 따라 결정된다. 일례로 객체의 기하정보(Geometry)의 디지털 재현(Digital Representation) 수준을 나타내는 LOD(Level of Detail), LOA(Level of Accuracy), LOP(Level of Precision)는 도시분야에서 제조산업에 비해 상대적으로 낮은 수준이 요구된다. 도시 전체를 대상으로 광범위한 서비스를 제공하기 위해서는 거시적 관점과 미시적 관점에서의 공간정보가 요구되는데, 전자는 GIS(Geospatial Information System)의 영역이라 할 수 있으며, 후자는 BIM(Building Information Model)의 영역이라 할 수 있다.
스마트시티의 디지털트윈 시스템은 도시 내 크고 작은 여러 자산과 다양한 공간적 범위를 대상으로 하는 서비스들을 관리하는 도시운영관리 시스템으로서 GIS와 BIM 공간정보가 모두 필요하므로 두 표준의 통합이 요구되고 있다.
본 발명은 스마트시티를 위한 도시운영관리 시스템으로서의 디지털트윈 구축을 위해 도시의 공간정보를 효율적으로 표현하고 이를 기반으로 서비스를 구현하는 방법을 제시하고 사례 연구 결과를 통해 그 효용성을 파악하고자 한다. 또한, 본 발명에 따른 디지털 트윈 모델링 장치는 건축물 내부의 실 단위 스케일 구현까지 가능한 LOD 4 이상의 디지털트윈 시스템 구축을 제안하며, 이를 위하여 물리엔진을 기반으로 하는 모델링 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 모델링 장치의 제어 블록도이다.
도시된 바와 같이, 디지털 트윈 모델링 장치는 데이터 구축부(10), 3D 모델링부(20), 물리엔진 연결부(30) 및 시뮬레이션부(40)를 포함할 수 있다. 도 1은 설명의 편의를 위하여 모델링을 위한 기능을 수행하는 각 구성별로 표현한 것이고, 디지털 트윈 모델링 장치는 각종 데이터를 저장하고 있는 서버 및 서버와 통신하면서 모델링 방법을 구현하는 클라이언트 단말로 구현될 수 있다.
데이터 구축부(10)는 지형 정보, 예컨대 GIS 정보를 기반으로 공간 DB를 구축하며, 공간 DB에 앞서 데이터 세팅 과정을 수행할 수 있다. 데이터 구축부(10)는 기존의 데이터를 그대로 사용하는 것이 아니라 서비스에 따라 필요한 부분만을 시각화 하기 위하여 공간 DB를 구축할 수 있다.
지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상(Shape) 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
데이터 구축부(10)는 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고, 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 건축물통합도면 형상 파일 또는 국가중점데이터 형상 파일을 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 따른 공간 DB 구축을 설명하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 데이터 구축부(10)는 누락된 데이터에 대하여 동일한 건물 ID의 데이터들에 대해 건축물통합도면 형상 파일과 국가중점데이터 형상 파일 각각의 “BD_MGT_SN” 컬럼과 “UFID” 컬럼을 기준으로 매칭 작업을 통하여 누락된 데이터를 보완할 수 있다.
3D 모델링부(20)는 구축된 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행할 수 있다. 구체적으로, 3D 모델링부(20)는 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고, 기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고, 건축물, 토목 구조물(교량, 터널 등)의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모뎅링을 수행할 수 있다.
3D 모델링부(20)는 3D 모델링 기능이 포함된 특정 엔진 또는 툴에 도로명주소 형상 파일을 입력하여 개발자가 정의한 기준 좌표계로 일치 시킨 후, 시설물의 수직투영선(Footprint)이 만드는 면적(건축물의 경우 건축면적)에 3M를 곱한 높이만큼 수직 방향 돌출 (Extrude)하는 알고리즘을 적용하여 LOD 1의 3D 모델 구현할 수 있다. 여기서, 3M는 일반적인 층고를 의미하며, 일반적인 층고를 토대로 3D 모델을 구현하는 것은 건축물 층고 데이터가 대부분 누락되어있기 때문이다.
이후, 3D 모델링부(20)는 건축물, 토목 구조물(교량, 터널 등)의 상세도면을 바탕으로 3D 모델링 툴을 활용하여 LOD 2~4의 3D 모델을 만들수 있다. LOD 3 이상의 3D 모델 기반 디지털트윈 시스템의 경우, 현재의 웹 기반 환경 적용에 대한 기술적 한계로 인해 어려움이 많이 발생하므로, 본 실시예에서는 LOD 2 수준의 3D 모델에 항공사진 이미지를 맵핑하여 구현하는 LOD 2.5 수준의 3D 모델을 제작할 수 있다.
3D 모델링부(20)는 대상지, 즉 모델링 지역의 수치표고모델(DEM)과 정사영상 데이터를 3D 모델링 툴에 삽입하여 기준 좌표계로 일치시킨 뒤, 수치표고 모델의 높이 데이터를 활용하여 3D화하고 보간(Interpolation)을 통해 해상도를 높인 뒤, 정사영상 데이터를 맵핑하여 지형 3D 모델을 제작할 수 있다.
또한, 3D 모델링부(20)는 도로 데이터를 3D 모델링 툴에 삽입하여 기준 좌표계로 일치시킨 뒤, 도로 연석의 크기나, 도로 폭 등을 상세도면이나 그 외 자료를 활용하여 도로 3D 모델링을 수행할 수 있다.
물리엔진 연결부(30)는 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결할 수 있다.
구체적으로, 물리엔진 연결부(30)는 물리엔진(예컨대, Unity)에 각 3D 모델을 삽입하여 3D 모델 간 간섭이나 회전, 그 외 이상 현상 등 기준 좌표계 일치 여부를 확인하고, 각 3D 모델에 대한 공간 DB의 좌표 데이터와 대조하여 오류를 확인할 수 있다.
또한, 물리엔진이 여러 데이터를 저장하고 있는 데이터 베이스와 실시간으로 양방향 통신을 할 수 있도록 통신 네트워크 모듈이 활성화 되고, 물리엔진에서 건축물 속성 정보 확인을 위한 명령 실행 시, 자동으로 네트워크 모듈과 연결되여 공간 DB에 해당하는 정보가 3D 모델링 이미지에 표시될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델을 도시한 도면이다. 도 3과 같이, 본 실시예에 따른 3D 모델링 결과, 도로 및 건물의 층고가 고려된 3차원 이미지가 획득될 수 있다. 또한, 물리엔진에서 공간 DB가 링크 되어 소정의 정보가 3D 모델링 이미지에 표시될 수 있다.
시뮬레이션부(40)는 소정의 활용 케이스 또는 사용 케이스(use case) 알고리즘을 기반으로 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션 할 수 있다.
일 예에 따라, 활용 케이스 알고리즘은 침수량 계산 알고리즘을 포함할 수 있고, 시뮬레이션부(40)는 물리엔진의 파티클 시뮬레이션 기능을 활용하여 침수량을 시뮬레이션 하고, 침수량을 3D 모델에 시각적으로 표시할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활용 케이스 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 침수량(IX)은, 실시간 강우량에서 유출량, 구체적으로 계획우수유출량을 뺀 값으로 도출될 수 있다. 이러한 침수량은 침수 강우강도(IX), 실시간 강우량은 실시간 강우 강도(IA), 유출량은 부지 내 유출 계수(C)에 계획 강우강도(IB)를 곱한 값으로 대체될 수 있다.
부지 내 유출 계수(C)는 특정 객체의 유출계수에 해당 객체가 전체 면적에 차지하는 비율의 합으로 도출될 수 있다. 예를 들어, 객체가 아스팔트 도로와 주거지역(단독주택지역)이라고 할 경우, 부지 내 유출 계수(C)는 아스팔트 도로 유출계수(C2)에 전체 면적 대비 도로 면적의 비율(49.36%)을 곱한 값과, 주거지역 유출계수(C1)에 전체 면적 대비 주거지역 면적 비율(50.64%)을 곱한 값의 합으로 도출될 수 있다. 각 객체의 유출계수는 객체의 성질에 따라 미리 설정될 수 있다. 아스팔트 도로 유출계수(C2)가 0.6이고, 주거지역 유출계수(C1)가 0.7인 경우 도 4와 같이 부지 내 유출 계수(C)는 대략 0.65로 도출될 수 있다.
이런 경우, 만약 실시간 강우 강도(IA)가 200mm/hr이고, 계획 강우강도(IB)가 100mm/hr라면, 침수 강우강도(IX)는 도 4의 연산과 같이 135mm/hr로 계산될 수 있다.
이후, 시뮬레이션부(40)는 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 3D 모델에 침수 지역을 표시할 수 있다. 시뮬레이션부(40)는 실제 빗방울의 크기를 고려하여(바닥과의 충돌 및 1차 반발력에 의한 물방울 번짐은 미미한 것으로 간주) 탄성력을 0으로 하고 마찰력은 그대로 유지하여 자유 낙하 시뮬레이션을 통해 물이 모여 침수가 예상되는 지역을 판단할 수 있다. 이 때, 경사지에서의 유동 시뮬레이션이 필요할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리엔진의 파티클 시뮬레이션 기능을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5와 같이, 물방울에 대한 물리 시뮬레이션 결과를 높이 맵(height map)으로 추출하고, 이를 DB로 물리엔진인 unity에 입력하여 침수 지역을 시각적으로 표시할 수 있다.
도 6은 누적 강우량에 대한 침수 지역의 변화를 시각화한 것으로, ① 부터 ⑤로 갈수록 넓은 지역이 침수되는 것이 시뮬레이션 되고 있다. 예를 들어, 실시간 강우량이 65mm/hr로 계산되는 경우, ③ 번 영상은 침수 강우량이 30mm/hr 일 때의 모델링 이미지를 나타낸다. 시간이 지날수록 침수 지역이 확대되는 것을 확인할 수 있다.
다른 예에 따라, 활용 케이스는 화재 발생 시 최적 대피 경로 도출 서비스 일 수 있고, 이를 위하여 시뮬레이션부(40)는 행위 기반 모형 기능(에이전트 모델링 기능, agent-based modeling)과 길찾기 A.I.를 활용한 네비게이션 기능을 중점적으로 활용할 수 있다. 시뮬레이션부(40)에 의한 화재 발생 시 최적 대피 경로 도출 서비스는 디지털트윈 모델에서 얻을 수 있는 대상 지역의 기하(Geometry) 정보와 물리엔진의 에이전트 모델링 기능을 활용하여, 화재 발생 시 대피자가 안전대피소 위치까지 가장 빠르게 도달할 수 있는 최적 경로를 시각화할 수 있으며, 이는 실내에서 실외까지 도시의 모든 공간에 적용할 수 있다. 또한, 에이전트 모델링에 입력된 사용자의 속도 정보를 활용하여 최적 경로 도착까지의 소요 시간 등, 화재 발생 긴급구난 시 골든타임(Golden-time)과의 관계도 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 모델링 방법을 설명하는 제어 흐름도이다. 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 모델링 및 시뮬레이션 방법을 정리하면 다음과 같다.
우선, 디지털 트윈 모델링 장치는 지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축할 수 있다(S710).
이 때, 지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상(Shap) 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 데이터 구축 단계는 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고, 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 건축물통합도면 형상 파일 또는 국가중점데이터 형상 파일을 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완할 수 있다.
3D 모델링부(20)는 디지털 트윈 모델링 장치는 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행할 수 있다(S720).
상기 3D 모델링 단계는, 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고, 기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고, 건축물, 토목 구조물(교량, 터널 등)의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모뎅링을 수행할 수 있다.
이 후, 물리엔진 연결부(30)는 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결할 수 있고(S730), 시뮬레이션부(40)는 소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션할 수 있다(S740).
일 예에 따라, 활용 케이스 알고리즘은 누적 강우량과 상기 모델링 지역의 면적을 곱한 강우 입체를 만들고, 맨홀, 도로 및 필지의 절대 투수율을 기반으로 상기 모델링 지역의 총 투수율을 도출하고, 강우 입체에서 총 투수율의 비율을 제외한 실질 강우 입체를 도출하는 과정을 포함하는 침수량 계산 알고리즘을 포함할 수 있다.
시뮬레이션부(40)는 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 3D 모델에 침수 지역을 표시할 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디지털 트윈 모델링 장치 및 모델링 방법은 물리엔진을 활용하여 스마트시티의 LOD 2.5 디지털트윈 시스템을 구축하고 이를 도시운영관리 시스템에 활용할 수 있다. 또한, 일부 디지털트윈 모델을 LOD 3.5 수준으로 구축함으로써, 건축물 실내 공간 정보를 활용한 서비스 제공 가능성을 제시하였으며, 물리엔진을 디지털트윈 시스템의 저작 도구로 활용함으로써, 웹 시각화 엔진 단독으로 구현 불가능했던 A.I. 시뮬레이션의 적용 가능성을 확인하였다. 궁극적으로 이러한 모델링을 활용한 스마트시티 서비스 개발 시, 소요 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 시스템의 아키텍처를 도시한 도면이다.
상술된 바와 같이, 디지털 트윈 모델링 장치는 또는 디지털 트윈 모델링 시스템은 도 8에 나타난 바와 같이 클라이언트와 서버로 크게 2부분으로 구현될 수 있다.
서버란 공간 DB 분리를 위한 별도의 서버를 의미하며, 서버에는 공간 DB와 데이터허브(Data Hub)로부터 전송된 센서 데이터(Use Case data), 그리고 인공지능 학습·추론을 위한 별도의 인공지능 플랫폼으로부터 전송된 데이터 및 그 외의 데이터들을 정리하여 적재해놓는 디지털 트윈 데이터베이스(Database)를 포함하고, 이를 관리하기 위한 데이터베이스 관리 시스템(DBMS), DBMS와 데이터허브, 클라이언트간(Client)의 통신 기능을 수행하는 네트워크 모듈(Network module)을 포함할 수 있다. 여기서, 데이터허브는 각종 센서로부터 수집된 데이터의 활용 및 관리를 위한 별도의 서버로 구현될 수 있다.
도 1의 구체적인 모델링이 구현될 수 있는 클라이언트는 사용하는 물리엔진의 종류와 개발자의 개발방식, 제공 서비스의 종류에 따라 다양한 구성을 포함할 수 있고, 도 8의 클라이언트의 아키텍처에서 확인할 수 있듯이 디지털트윈 시스템이 제공하는 서비스 활용 케이스의 수가 늘어날수록 관리해야 하는 데이터의 수가 기하급수적으로 늘어나게 되고, 데이터의 구조 자체가 매우 복잡해질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 트윈 시스템 구현 과정을 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 시스템 개발의 주요 과정은 디지털트윈 모델 구현 범위를 지정하는 워크 스콥(Work scope) 단계와 이를 위한 기반 데이터를 준비하는 데이터 세팅(Data setting) 단계, GIS 정보 기반 공간 DB(Spatial database) 구축 및 지형지물 3D 모델링 하는 단계, 공간 DB와 3D 모델을 물리엔진에서 논리적 연결(logical link) 단계 및 디지털트윈 시스템에서 제공하고자 하는 서비스에 따라 알고리즘 개발 및 활용 케이스의 구현 단계로 구성될 수 있다.
도 9의 각 단계에 대한 설명은 도 1 내지 7을 참조로 설명된 부분과 대동 소이하므로 중복된 설명은 생략된다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 스마트시티를 위한 도시운영관리 시스템으로서의 디지털 트윈 구축을 위해 도시의 공간정보를 효율적으로 표현하고 이를 기반으로 서비스를 구현하는 방법이 제시되고 있으며, 구체적인 사용 케이스를 제안함으로써 모델링의 효용성을 파악할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 차원 모델은 스마트 시티 데이터 허브로 연계된 도시 관리 서비스의 가상화 기술로 활용될 수 있으며, 홍수 관리 또는 화재 시 대피로 등과 같은 사용 케이스 별 특성이 반영된 가상 모델로 제공될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 10의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 디지털 트윈 모델링 장치, 클라이언트 단말 등) 일 수 있다.
도 10의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 디지털 트윈 모델링 장치에 있어서,
    지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축하는 데이터 구축부와;
    상기 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행하는 3D 모델링부와;
    상기 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결하는 물리엔진 연결부와;
    소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 상기 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션 하는 시뮬레이션부
    를 포함하며,
    상기 지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 데이터 구축부는,
    상기 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고,
    상기 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 상기 건축물통합도면 형상 파일 또는 상기 국가중점데이터 형상 파일을 상기 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완하고,
    상기 3D 모델링부는,
    상기 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고,
    기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고,
    건축물, 토목 구조물의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모델링을 수행하고,
    상기 3D 모델링부는,
    상기 모델링 지역의 수치표고모델과 정사영상 데이터를 기반으로 지형 3D 모델링을 수행하고,
    상기 모델링 지역의 도로 데이터, 도로 연석의 크기나, 도로 폭 등을 포함하는 상세 도면을 기반으로 도로 3D 모델링을 수행하고,
    상기 3D 모델링부는,
    LOD 2 수준의 3D 모델에 항공사진 이미지를 맵핑하여 LOD 2.5 수준의 3D 모델을 제작하고,
    상기 활용 케이스 알고리즘은 침수량 계산 알고리즘을 포함할 수 있고,
    상기 시뮬레이션부는 상기 물리엔진의 파티클 시뮬레이션 기능을 활용하여 침수량을 시뮬레이션 하고, 상기 침수량을 상기 3D 모델에 시각적으로 표시하고,
    상기 침수량 계산 알고리즘은,
    실시간 강우량에서 유출량을 뺀 값으로 침수량을 도출하고,
    상기 유출량은 부지 내 유출 계수에 계획 강우 강도를 곱한 값으로 도출되고,
    상기 부지 내 유출 계수는 특정 객체의 유출계수에 상기 객체가 전체 면적에 차지하는 비율의 합으로 도출되고,
    상기 시뮬레이션부는 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 상기 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 상기 3D 모델에 침수 지역을 표시하는 것
    을 특징으로 하는 디지털 트윈 모델링 장치.
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  7. 디지털 트윈 모델링 방법에 있어서,
    지형 정보에 기초하여 공간 DB를 구축하는 데이터 구축 단계와;
    상기 공간 DB를 기반으로 지형지물 3D 모델링을 수행하는 3D 모델링 단계와;
    상기 공간 DB와 모델링된 3D 모델을 소정의 물리엔진에 논리적으로 연결하는 물리엔진 연결 단계와;
    소정의 활용 케이스 알고리즘을 기반으로 상기 물리엔진을 구동하여 가상의 시나리오를 시뮬레이션하는 시뮬레이션 단계를 포함하며,
    상기 지형 정보는 특정 모델링 지역에 대한 도로명주소 형상 파일, 건축물통합도면 형상 파일 및 국가중점데이터 형상 파일 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 데이터 구축 단계는,
    상기 도로명주소 형상 파일의 데이터 속성(Attribute)을 기준으로 기본 DB를 구축하고,
    상기 기본 DB의 데이터(Field)가 누락된 경우, 상기 건축물통합도면 형상 파일 또는 상기 국가중점데이터 형상 파일을 상기 도로명주소 형상 파일과 비교하여 중첩되는 건축물 ID를 기반으로 상호 데이터 현황을 대조함으로써 누락된 데이터를 보완하고,
    상기 3D 모델링 단계는,
    상기 도로명주소 형상 파일을 소정의 3D 툴에 입력하여 기 설정된 기준 좌표계로 일치시키고,
    기설정된 층고 정보를 활용하여 시설물에 대한 수직 방향 돌출을 표현하는 1차 3D 모델링을 수행하고,
    건축물, 토목 구조물(교량, 터널 등)의 상세도면을 기반으로 2차 3D 모델링을 수행하고,
    상기 3D 모델링 단계는
    LOD 2 수준의 3D 모델에 항공사진 이미지를 맵핑하여 LOD 2.5 수준의 3D 모델을 제작하고,
    상기 활용 케이스 알고리즘은, 실시간 강우량에서 유출량을 뺀 값으로 침수량을 도출하는 침수량 계산 알고리즘을 포함하고,
    상기 유출량은 부지 내 유출 계수에 계획 강우 강도를 곱한 값으로 도출되고, 상기 부지 내 유출 계수는 특정 객체의 유출계수에 상기 객체가 전체 면적에 차지하는 비율의 합으로 도출되고,
    상기 시뮬레이션 단계는 실질 강우 입체를 기설정된 크기의 파티클로 변환하고, 상기 파티클에 대한 자유 낙하 시뮬레이션을 기반으로 상기 3D 모델에 침수 지역을 표시하는 것
    을 특징으로 하는 디지털 트윈 모델링 방법.
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