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스마트 기반 시설은 첨단 하드웨어와 소프트웨어가 함께 작동하여 지능적인 실시간 의사 결정을 내릴 수 있도록 지원하는 스마트 자동화 시스템을 의미합니다. 스마트 기반 시설은 센서, 사물 인터넷(IoT) 장치, 건물 정보 모델(BIM), 실시간 데이터 분석 및 기타 응용 분야별 기술을 결합하여 물리적 기반 시설을 모니터링하고 성능을 최적화합니다.
스마트 기능을 통해 물리적 기반 시설을 훨씬 효율적으로 운영하고 성능을 개선하며 배출량을 줄일 수 있습니다. 사회의 스마트 기반 시설 예로는 대중 교통, 에너지, 공공 서비스, 스마트 건물 기술 및 스마트 도시 기반 시설이 있습니다.
스마트 기반 시설의 기능은 다음과 같은 기본 구성 요소 덕분에 가능합니다.
센서는 스마트 기반 시설의 초석입니다. 간단한 온도 및 습도 센서에서 고급 IoT 센서에 이르기까지, 센서는 주변 환경에 대한 데이터를 수집하는 역할을 합니다. 이러한 데이터가 없으면 광범위한 스마트 기술 시스템은 주변 환경을 인식하지 못하므로 실시간으로 또는 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 없습니다.
기존 센서와 더불어 영상 카메라는 환경 내에서 비디오를 녹화하고, 자산을 인식하고, 물체를 추적하는 데 사용됩니다. 이러한 카메라는 외부 환경의 기둥이나 내부 환경의 벽에 장착할 수 있을 뿐 아니라 드론, 위성, 기타 항공기에 탑재하여 대규모 기반 시설을 모니터링할 수 있습니다. 기존 센서가 환경 자극을 추적하는 반면, 영상 카메라는 환경에 대한 시각적 이미지를 제공합니다.
스마트 기반 시설은 실시간으로 서로 통신하는 모든 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소에 의존합니다. 효율적인 통신 기술 없이는 스마트 기반 시설(그리고 스마트 기술 전반)이 불가능합니다. 현재 무선 네트워크는 5G 통신을 기반으로 센서, 영상 카메라, IoT 장치를 소프트웨어 분석이 수행되는 중앙 제어 시스템에 연결합니다.
BIM은 기하학적 데이터와 의도된 기반 시설에 대한 설계 속성(재료 데이터, 비용 등)을 결합하여 건물, 서비스 또는 교통 환경의 3D 모델을 생성합니다. BIM에 포함된 데이터를 통해 실시간 모니터링 및 예측 유지보수 작업을 수행하여 기반 시설을 보다 안전하고 지속 가능하며 최적인 위치에 구축할 수 있습니다.
BIM은 새로운 기술이 아니지만 최근 몇 년 동안 더욱 발전해 왔으며, 디지털 트윈은 물리적 기반 시설의 수명주기와 노화 가능성, 최적의 운영 방식에 대해 더 많은 정보를 제공합니다.
BIM과 레이저 스캐닝 및 사진 측량과 같은 현실 캡처 툴을 지리 정보 시스템(GIS)과 결합하면 환경의 정보에 더 많은 컨텍스트를 추가할 수 있습니다. 이를 통해 시스템은 위치 인식, 다양한 컨텍스트에 대한 민감도, 정확성 및 효율성을 높여 의사 결정을 개선할 수 있습니다. GIS로 컨텍스트화할 수 있는 정보의 예는 다음과 같습니다.
이러한 컨텍스트화된 정보를 통해 기반 시설을 배치하기 전에 지리적 및 환경적 요인을 사전에 더 쉽게 파악할 수 있으므로 이러한 정보가 중요합니다. 건설이 시작되었지만 공공 서비스 연결에 구역 제한 또는 문제가 발생하는 경우 문제 발생 시점에 계획 문제를 해결하는 것은 훨씬 어렵고 비용이 많이 듭니다.
오늘날에는 다양한 유형의 스마트 기반 시설이 존재하며, 각각 다른 기술을 사용하여 배치 및 일상적인 운영을 모니터링하고 최적화합니다. 몇 가지 주요 유형을 살펴보겠습니다.
스마트 그리드는 전력망의 에너지를 생산하고 관리하는 방식을 변화시키고 있습니다. 전력망의 디지털화는 전력망의 에너지 효율성, 에너지 소비 및 지속 가능성을 개선하고 더 넓은 에너지 생태계를 더욱 긴밀하게 연결할 수 있도록 합니다. 기존의 많은 전력망에서는 공공 서비스 회사와 소비자 간에 단방향 통신만 가능했지만, 스마트 그리드는 양방향 통신을 제공합니다. 또한 스마트 그리드에는 분산된 에너지 자원(DER)의 에너지 하중을 관리하기 위해 전력망 곳곳에 다양한 센서와 IoT 장치(기존 장비에서 개조 가능)를 배치합니다. 이러한 DER에는 재생 에너지원(RES)과 전기차(EV)가 포함되며, 각각은 국부적인 에너지를 간헐적으로 추가하고 제거합니다.
분산 제어 시스템은 전력망 내 자산의 실시간 데이터 수집 및 모니터링을 통해 최대 사용량 시간대의 에너지 흐름을 원활하게 합니다. 이를 통해 가동 중단 시간을 더 쉽게 예측하고, 정전 및 송전선로의 고장을 신속하게 감지하고(수작업 없이), 정전 후 전력을 더 빠르게 복구하고, 재생 에너지를 전력망에 통합할 수 있습니다.
하중 수요 측면에서 스마트 그리드는 전기자동차 및 기타 에너지 소비원으로 인한 국지적인 하중 급증을 감지할 수 있습니다. 또한 스마트 그리드는 재생 에너지원에서 너무 많은 에너지가 유입되어 송전선로에 국지적인 병목 현상이 발생하는지 여부를 파악할 수 있습니다. 실시간으로 하중 변화를 감지함으로써 전력을 재라우팅하여 송전망을 최적화하고, 하중 요구 사항에 따라 송전선로에서 전력을 차단하거나 추가하여 모든 사용자가 전력을 안정적으로 이용할 수 있도록 합니다.
교통 관리 시스템은 스마트 기반 시설의 또 다른 예입니다. 이러한 시스템은 시간 및 일정을 기반으로 하며, 하루 중 특정 시간대의 예상 교통량을 기반으로 신호등의 흐름을 결정합니다. 그러나 교통 흐름은 매일 달라지며, 사고가 발생하면 교통 상황이 완전히 바뀔 수 있습니다. 예상치 못한 상황에 대처하기 위해 스마트 교통 관리 시스템은 실시간으로 동적 교통 제어를 수행할 수 있는 고급 일정 기능을 갖추고 있습니다.
첨단 카메라, 각 정류장에서 차량 수를 지속적으로 계산하는 안테나, 고급 알고리즘을 결합하여 신호를 동적으로 변경함으로써 교통 흐름을 개선할 수 있습니다. 또한 횡단보도 신호 시간을 조정하여 보행자 안전을 강화하는 데에도 도움이 됩니다.
미래에는 실시간 교통 센서 시스템과 자율주행 자동차(AV)를 통합하여 차량과 신호등이 서로 통신할 수도 있습니다. 이러한 통합은 더 광범위한 스마트 교통 시스템과 스마트 도시 환경의 일부가 될 수 있으며, 현재의 스마트 시스템보다 모든 것이 더욱 긴밀하게 연결될 것입니다.
스마트 물 관리 시스템은 핵심 스마트 기반 시설 요소이며 물 공급 및 기존 배관 기반 시설 유지보수와 관련된 여러 문제를 해결하는 데 사용할 수 있습니다. 현재 공공 서비스 회사들은 센서를 도입하여 잠재적인 문제를 더 효과적으로 측정, 관리 및 파악하고 더 큰 문제로 발전하기 전에 해결하고 있습니다. 스마트 물 관리 시스템은 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다.
첨단 감지 기술이 통합된 차세대 건물은 건물 내 특정 공간의 사용 여부를 기반으로 내부 환경을 모니터링하는 스마트 기술 덕분에 환경에 미치는 영향을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 자동 조명 제어, HVAC 설정 조정을 통한 공기질 및 습도 조절, 실내 온도 및 CO2 수준 측정 등 스마트 건물은 거주자에게 더욱 쾌적한 생활 환경과 삶의 질을 제공합니다.
운영 측면에서 스마트 모니터링 시스템은 엘리베이터, 펌프, 전기 시스템 등 건물의 모든 부분이 항상 정상적으로 작동하는지 확인하고, 예상치 못한 가동 중단이 발생하지 않도록 예측 및 예방 유지보수 프로그램을 예약할 수 있습니다.
모든 신기술과 마찬가지로 스마트 기반 시설 기술에도 구현 및 사용에 따른 장점과 한계가 있습니다.
스마트 기반 시설 기술의 장점은 다음과 같습니다.
반면에 현재 스마트 기반 시설 기술의 한계는 다음과 같습니다.
여기서는 다양한 유형의 시뮬레이션 소프트웨어에 대해 알아보고 유사한 소프트웨어가 여러 스마트 기반 시설의 설계 및 구현을 발전시키는 데 어떻게 사용되는지 살펴봅니다.
시뮬레이션 소프트웨어는 구성 요소 수준부터 시스템 수준에 이르기까지 더욱 정교화된 스마트 그리드를 설계하는 데 도움이 됩니다. 다음은 몇 가지 시뮬레이션 툴의 예입니다.
Ansys Maxwell 고급 전자기장 솔버: 이 전자기학 툴은 스마트 그리드에 사용되는 변압기, 스위치 기어 및 기타 전력 전자 장비를 설계하는 데 사용됩니다. 높은 성능을 보장하기 위해 구성 요소를 통과하는 열 효율, 암페어 및 전류를 조사합니다.
Ansys Icepak 전자 장치 냉각 시뮬레이션 소프트웨어 이 열 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 온도 환경에서 구성 요소의 성능을 평가합니다. 높은 전류로 인해 많은 열을 발생시키는 전력전자부터 장시간 태양열에 노출되는 자산에 이르기까지, Icepak 소프트웨어는 최대 서지 조건에서 구성 요소가 어떻게 작동하는지 조사하여 과열되지 않도록 할 수 있습니다.
Ansys Twin Builder 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 플랫폼과 Ansys TwinAI AI 기반 디지털 트윈 소프트웨어: 이러한 소프트웨어 시스템은 스마트 그리드 시스템을 전체 규모의 환경 수준에서 분석하고 그리드의 전체 제어 시스템 알고리즘을 설계할 수 있는 디지털 트윈 환경을 구축합니다. 이를 통해 구성 요소의 성능 저하, 잠재적 결함, 유지보수 주기, 스마트 그리드에 사용되는 다양한 센서의 최적 위치 및 성능을 파악할 수 있습니다. 디지털 트윈은 물리적 그리드의 가상 환경을 구축한 다음 물리적 자산의 실시간 데이터를 사용하여 다양한 잠재적 운영 시나리오를 조사할 수 있습니다.
스마트 교통 시스템에 사용되는 센서와 카메라는 기둥에 장착되며, 시간이 지남에 따라 마모와 파손을 일으키는 바람 및 열 하중과 같은 환경 요소를 견딜 수 있을 만큼 내구성이 있어야 합니다. 광학 카메라, 적외선 카메라, 표준 비전 카메라 등 어떤 카메라를 사용하든, Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어는 이러한 시스템의 성능 저하 데이터를 수집하고 안개나 비와 같은 악천후 조건에서 시스템이 어떻게 작동할지 시뮬레이션합니다.
반면에 Ansys SCADE Suite는 중요 임베디드 소프트웨어용 모델 기반 개발 환경으로, 제어 시스템 모니터링을 뒷받침하는 임베디드 소프트웨어를 시뮬레이션하여 카메라 데이터가 실시간 제어 시스템에 어떻게 입력되고 두 기술이 어떻게 통신하는지 보여줍니다. 이를 통해 교통 관리 시스템에서 발생할 수 있는 모든 잠재적인 예외 상황을 식별하고 파악할 수 있습니다.
Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어는 파이프를 통과하는 물의 흐름과 누수를 시뮬레이션할 수 있는 전산 유체 역학(CFD) 툴입니다. 누수가 있는 파이프에서는 정상적인 파이프와는 다른 소음을 내며, Fluent 소프트웨어에서 이 소음을 시뮬레이션하여 스마트 모니터링 장치를 훈련시킬 수 있습니다. 알고리즘이 소음 차이를 학습하면 센서는 물 흐름 소음만으로 국부적인 누수를 쉽게 감지할 수 있습니다.
Twin Builder 소프트웨어와 TwinAI 소프트웨어를 사용하여 수도관 네트워크의 가상 디지털 트윈 환경을 구축할 수도 있습니다. 디지털 트윈은 다음과 같은 다양한 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다.
건물의 내부 환경은 다양한 방식으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어, Fluent 소프트웨어는 건물 내부의 공기 흐름 패턴을 분석하고 복도 또는 방의 온도 구배를 파악할 수 있습니다. 이를 통해 시스템이 다양한 방을 모니터링하고 항상 쾌적한 온도를 유지하는 방법을 시뮬레이션할 수 있습니다.
조명의 경우, Ansys Speos CAD 통합 광학 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어는 건물 내 조명의 최적 위치를 파악하여 최소한의 조명 기구로 최대의 조도를 달성하고 에너지를 절약할 수 있도록 지원합니다. 또한 Speos 소프트웨어는 배선 및 조명 기구 설치 전에 최적의 위치를 제안할 수 있으며, 이 기능은 실제 설치 후에는 문제를 수정하기 어렵기 때문에 유용합니다.
Maxwell 소프트웨어는 엘리베이터, 중앙 냉난방 시스템, HVAC 시스템 등에서 발생할 수 있는 건물 내 음향 진동 및 소음 수준을 측정하여 거주자에게 더욱 조용한 환경을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 센서는 시뮬레이션 데이터를 사용하여 훈련시킬 수 있으며, 덕트 시스템의 소음 변화만을 기반으로 덕트에서 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 정확히 찾아낼 수 있습니다. 또한 Maxwell 소프트웨어는 스마트 건물 운영에 필요한 제어 시스템 소프트웨어 및 하드웨어를 시뮬레이션하여 운영 중 단락이나 과열이 발생하지 않도록 할 수 있습니다.
다양한 환경에서 여러 기반 시설 시스템을 효과적으로 관리하고 모니터링하기 위한 물리적 및 디지털 기술은 이미 개발되었습니다. 앞으로 많은 스마트 기반 시설 기술이 인공지능(AI)를 기반으로 구동될 것이며, 모든 센서 입력은 AI 알고리즘에 의해 읽히고 해석될 것입니다. 자동차 부문의 소프트웨어 정의 차량과 마찬가지로, 머지않아 소프트웨어 정의 건물, 소프트웨어 정의 교통 정보 시스템, 소프트웨어 정의 물 관리 시스템이 등장할 것입니다.
시뮬레이션을 활용하여 더욱 견고한 스마트 기반 시설 시스템을 개발하는 방법을 알아보려면 기술 팀에 문의해 주십시오.
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