건설환경공학부/글로벌스마트시티융합전공의 윤성민 교수 연구팀이 디지털 트윈 환경을 활용하여 건물 운영단계에서 자율적으로 진화하고 자가 보정하는 가상센싱 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존 가상센서 기술은 주로 제조산업에서 제품을 대상으로 하여 실험실 환경을 통해 연구·개발되어 왔다. 하지만, 건물분야는 ‘every building is different’라는 건축적 특성과 복잡한 시스템으로 구성된 설비적 특성상, 실험실 환경을 구축하고 고성능 가상센서를 개발하는 데에 어려움이 있었다. 특히 가상센서를 개발하는 과정에서 대상 변수에 대한 실물 센서가 요구되는 기술적 모순이 존재했다.

이번 연구는 이러한 한계를 극복하고, 실험실을 넘어 실제 건물의 디지털 트윈 환경에서 가상센서를 자율적으로 생성·확장하며 지속적으로 자가 보정할 수 있는 혁신적인 모델링 기법과 알고리즘을 개발하였다. 이 기술은 물리적 변수의 직접적인 측정값에 의존하지 않고, 건물 시스템의 물리적 이론과 주변 센서 데이터를 융합한 nonintrusive indirect modeling을 통해 현장 중심의 가상센싱(in-situ virtual sensing) 개념을 구현하였다.

<건물 디지털 트윈에서 현장 중심의 가상센싱 기술: 건물 운영단계에서 자율적으로 가상센서의 생성, 확장, 지속적 보정이 가능>

실증 연구 결과, 이 기술은 겨울철 약 3개월 동안 국내 공동주택의 지역난방 시스템에서 온수 온도의 RMSE 0.27 °C, 중앙식 HVAC 시스템에서 유량 기준 연간 MAPE 1.5% 미만의 정확도로 성능을 입증했다.

<디지털 트윈 리빙랩과 겨울철 3개월 지역난방시스템 실증 결과>

윤성민 교수는 “현장 중심의 가상센싱 기술은 일반적인 HVAC 시스템의 리턴 라인에서 사용되는 모든 온도계와 유량계를 대체할 수 있으며, 대규모 플랜트, 반도체 클러스터, 커뮤니티 단위, 캠퍼스 등 대규모 HVAC 시스템에서 실물 센서의 설치 및 유지관리 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 아울러, GPT agents를 활용한 가상센싱 기반의 인공지능 운영관리 기술을 개발하고 있으며, 성균관대학교 반도체디스플레이학과 삼성전자 SSIT 프로그램과 연계하여 반도체 클러스터에서의 적용성을 검토하고 있다고 덧붙였다.

<가상센싱 기반 도시건물 운영관리 플랫폼: T-ranno>

이 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업(우수신진연구)의 지원을 받았으며, 그 성과는 2023년 12월에 JCR 최상위 저널(Top in JCR category)인 국제 학술지 Journal of Industrial Information Integration에 게재되었다.

- 논문명: In situ virtual sensors in building digital twins: framework and methodology

- 저자: 윤성민, 구자범, 최영웅 (성균관대학교)

- 저널: Journal of Industrial Information Integration (IF 15.7, 게재연도 기준)

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jii.2023.100532