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도로관리 빅데이터시스템 구축 용역 최종보고서 3-1단계

<목 차>

제1장 사업개요
1.1 일반현황 23
1.2 사업목표 23
1.3 3-1단계 과업개요 24
 1.3.1 과업 추진 방향 24
 1.3.2 과업 목표 24
 1.3.2 과업 범위 25
 1.3.3 과업 세부 내용 26
 1.3.4 과업 추진 체계 27

제2장 빅데이터 분석을 통한 최적 도로포장 관리전략 수립방안
2.1 최적 도로포장 관리전략 수립방안 개요 31
 2.1.1 추진배경 31
 2.1.2 도로포장 관리 최적화 시나리오 개요 35
2.2 노후포장 중점개선을 위한 도로포장 관리 수립방안 37
 2.2.1 개요 37
 2.2.2 시계열 포장상태조사 데이터베이스 구축 38
 2.2.3. 도로포장 파손분포현황 분석 54
 2.2.4. 동질성 구간 분할 알고리즘 구축 70
 2.2.5. 프로토타입 프로그램 개발 결과 및 검증 87
 2.2.6 소결 108
2.3. 포트홀 빈발구간 개선을 위한 도로포장 관리 수립방안 111
 2.3.1 개요 111
 2.3.2 포트홀 1:1 매칭 데이터베이스 생성 112
 2.3.3 포트홀 발생 현황 분석 119
 2.3.4 빅데이터 수집정보와 포트홀 발생 상관성 분석 125
 2.3.4 포트홀 발생량 예측 및 위험도 분류 138
 2.3.5 프로토타입 프로그램 개발 140
 2.3.6 소결 144
2.4 예방적 유지보수 확대적용을 위한 도로포장 관리 수립방안 147
 2.4.1 개요 147
 2.4.2 예방적 유지보수 공법 조사 및 선정 148
2.5. 도로관리전략 최적화 시나리오 분석 153
 2.5.1 개요 153
 2.5.2 최적화 시나리오 분석 알고리즘 개발 154
 2.5.3 프로토타입 프로그램 개발 결과 169
 2.5.4 최적화 시나리오 분석결과 173
 2.5.5 소결 181

제3장 빅데이터 실무활용 편의성 향상 및 데이터 신뢰성 개선방안 제시
3.1 실무활용 편의성 향상방안 제시 185
 3.1.1 도로관리 빅데이터 시스템 수집정보 데이터베이스 구축 185
 3.1.2 조건부 검색기능 프로토타입 프로그램 개발 186
 3.1.3 통계항목 및 통계기능 개선 방안 제시 188
3.2 포장상태 조사데이터 신뢰성 개선방안 제시 193
 3.2.1 과거 현장조사자료 위치정보 현행화 및 시스템 업로드 193
 3.2.2 시계열 포장상태 데이터를 활용한 역전구간 현황분석 195
 3.2.2 조사데이터 유효성 및 정확성 검증 프로토타입 프로그램 200
3.3 PQMS 데이터 입력 편의성 향상방안 제시 203

제4장 결론 및 향후계획
4.1 결론 217
4.2 향후계획 225

참고문헌

<표 목 차>
<표 2.1> 서울시 보수구간 공용년수별 기존 SPI(2021) 32
<표 2.2> 1년 주기 전수조사 이후 서울시 PMS 조사 및 분석 연장 38
<표 2.3>에는 표면결함의 각 항목별 발생 예시 및 분석 정량화 단위를 명시하였다 42
<표 2.4> 소성변형 예시 43
<표 2.5> 평탄성 불량구간 예시 44
<표 2.6> 기존 SPI 개정 이력 46
<표 2.7> 가중분배계수 49
<표 2.8> 서울시 균열 심각도 분류 기준 (서울시, 2021) 49
<표 2.9> 서울시 PMS 전수조사 이후 기존 및 신규 SPI 산정 현황 51
<표 2.10> 연평균 기존 SPI 감소량 범위별 연장 비율 54
<표 2.11> 연평균 신규 SPI 감소량 범위별 연장 비율 55
<표 2.12> 연평균 SCI 감소량 범위별 연장 비율 56
<표 2.13> 연평균 균열률 증가량 범위별 연장 비율 57
<표 2.14> 연평균 소성변형 증가량 범위별 연장 비율 58
<표 2.15> 노후포장 공법 및 카테고리 분류 59
<표 2.16> 급감/유지/일반구간 분류방안 60
<표 2.17> 도로기능별 포장상태 구간 분류 61
<표 2.18> 사업소별 포장상태 급감/유지구간 분류 62
<표 2.19> 도시고속도로 노선별 포장상태 급감/유지구간 분류 64
<표 2.20> 주간선도로 노선별 포장상태 급감/유지구간 분류 65
<표 2.21> 보조간선도로 노선별 포장상태 급감/유지구간 분류 66
<표 2.22> 통일로(22) 상행 1차로 동질성구간 분할결과 90
<표 2.23> 통일로(22) 상행 2차로 동질성구간 분할결과 91
<표 2.24> 통일로(22) 상행 3차로 동질성구간 분할결과 92
<표 2.25> 통일로(22) 상행 4차로 동질성구간 분할결과 93
<표 2.26> 통일로(22) 상행 다차로 동질성 구간 분할결과 94
<표 2.27> 통일로(22) 상행 다차로 동질성 구간의 공용성능 분석결과 96
<표 2.28> 기능 검증을 위한 현장답사 대상구간 (성동도로관리사업소 관할) 97
<표 2.29> 1-천호대로 현장답사 구간 검토결과 98
<표 2.30> 2-천호대로 현장답사 구간 검토결과 99
<표 2.31> 3-천호대로 현장답사 구간 검토결과 100
<표 2.32> 4-능동로 현장답사 구간 검토결과 101
<표 2.33> 5-겸재로 현장답사 구간 검토결과 102
<표 2.34> 6-이문로 현장답사 구간 검토결과 103
<표 2.35> 7-서울시립대로 현장답사 구간 검토결과 104
<표 2.36> 현장답사 결과 및 포장상태지수 비교 106
<표 2.37> 시스템 시연회 회의결과 107
<표 2.38> 포트홀 신고시스템 출력 데이터 구조 116
<표 2.39> 서부사업소 도로기능별 포트홀 발생현황 119
<표 2.40> 서부사업소 도시고속도로 포트홀 발생현황 122
<표 2.41> 서부사업소 주간선도로 포트홀 발생현황 123
<표 2.42> 서부사업소 보조간선도로 포트홀 발생현황 124
<표 2.43> 서울시 월별 포트홀 발생개수와 기상정보 126
<표 2.44> 버스전용차로 교통량과 포트홀 발생량 136
<표 2.45> 포트홀 발생빈도에 따른 위험도 분류 기준(안) 139
<표 2.46> 통일로(22) 상행 다차로 동질성 구간의 포트홀 매칭 결과 141
<표 2.47> 미국 예방적 유지보수 공법별 공사비와 내구연한 조사결과 148
<표 2.48> 국내 예방적 유지보수 공법별 공사비 조사결과 149
<표 2.49> 균열보수 재료별 특징 (서울시, 2019) 149
<표 2.50> 표면처리 재료별 특징 (서울시, 2019) 150
<표 2.51> 예방적 유지보수 공법 단가 및 공용성 증대효과 151
<표 2.52> PMS 최적화 방법 연구동향 156
<표 2.53> 보수공법별 공용수명 요약 162
<표 2.54> 재포장 횟수에 따른 공법별 공용수명 163
<표 2.55> 보수 공법별 공사비 단가 164
<표 2.56> 시나리오1 분석결과 174
<표 2.57> 시나리오2 분석결과 176
<표 2.58> 시나리오3 분석결과 178
<표 2.59> 시나리오4 분석결과 180
<표 2.60> 최적화 시나리오 전략 도출 요약 182
<표 3.1> 표준화 도로포장 조사 자료 양식 예시 185
<표 3.2> 표준화 도로포장 조사 자료 양식 예시 186
<표 3.3> 조건부 검색 결과를 활용한 도로관리 업무 187
<표 3.4> 노선별 평탄포장 조건 적용 검색 예시 187
<표 3.5> 노선별 노후포장 조건 적용 검색 예시 187
<표 3.6> 노선별 예방포장 조건 적용 검색 예시 188
<표 3.7> 품질관리 항목별 품질관리 내용 요약 189
<표 3.8> 연간 포장공사 실적, 공사면적, 폐기물 발생량 통계 190
<표 3.9> 월별 공사 총괄 190
<표 3.10> 포장관리기법별 실적 통계 191
<표 3.11> 사업소별 재료, 시공, 종합 품질관리지수 통계 191
<표 3.12> 제조사의 재료 품질관리지수 통계 192
<표 3.13> 시공사의 시공 품질관리지수 통계 192
<표 3.14> 2015 ~ 2017 조사자료 업로드 현황 195
<표 3.15> 포장상태 역전구간 예시 196
<표 3.16> 도로등급별 최대 포장상태지수 감소량 198
<표 3.17> 올림픽대로 역전구간 및 급감구간 분석 결과 199
<표 3.18> 강남대로 역전구간 및 급감구간 분석 결과 199
<표 3.19> 가마산로 역전구간 및 급감구간 분석 결과 199
<표 3.20> 도로포장 조사 데이터의 유효성 검사 알고리즘 201
<표 3.21> 도로포장 품질관리 (PQMS) 데이터 자동입력에 따른 효과 204

<그 림 목 차>
<그림 2.1> 서울시 기반시설 노후화 예상비율 31
<그림 2.2> 서울시 보수구간 공용성능변화 추이(2021) 32
<그림 2.3> 서울시 평균 SPI 변화추이 (2021) 33
<그림 2.4> 연도별 SPI 분포도 33
<그림 2.5> 서울시 연도별 포트홀 발생량 33
<그림 2.6> 예산투입 전략에 따른 예상결과 35
<그림 2.7> 최적화 시나리오 분석기법 36
<그림 2.8> 노후포장 중점개선을 위한 프로토타입 프로그램 개발 37
<그림 2.9> PMS 입력 DB 형식 40
<그림 2.10> 조사장비로 획득된 10m 단위 노면영상 예시 41
<그림 2.11> 직선자 방법을 통한 소성변형량 측정 43
<그림 2.12> 종단평탄성 측정 방식 (서울시, 2019) 44
<그림 2.13> 심각도에 따른 균열 형태 47
<그림 2.14> 2019년도 PMS 자료를 활용한 신규/기존 SPI 비교 50
<그림 2.15> 도로포장 빅데이터 시스템 52
<그림 2.16> 포장관리시스템 PMS 52
<그림 2.17> DB엑셀 데이터 추출 52
<그림 2.18> 시계열 도로포장상태 데이터베이스 53
<그림 2.19> 연평균 기존 SPI 감소량 범위별 연장 비율 54
<그림 2.20> 연평균 신규 SPI 감소량 범위별 연장 비율 55
<그림 2.21> 연평균 SCI 감소량 범위별 연장 비율 56
<그림 2.22> 연평균 균열률 증가량 범위별 연장 비율 57
<그림 2.23> 연평균 소성변형 증가량 범위별 연장 비율 58
<그림 2.24> 노후포장 공법별 구분기준 59
<그림 2.25> 포장상태 급감/유지 구간 분류 알고리즘 60
<그림 2.26> 도로기능별 포장상태 급감/유지구간 분류 61
<그림 2.27> 사업소별 포장상태 급감/유지구간 분류 63
<그림 2.28> 사업소별 포장상태 급감/유지구간 비율과 기존SPI 63
<그림 2.29> 사업소별 포장상태 급감/유지구간 비율과 신규SPI 63
<그림 2.30> 포장상태 동질성 구간 분할의 효과 70
<그림 2.31> 포장상태 조사용역 보수구간 산정 방법(~‘19) 71
<그림 2.32> 포장상태 조사용역 보수구간 산정 방법(‘20 이후) 71
<그림 2.33> 빅데이터 시스템 포장 셀 예시 72
<그림 2.34> 빅데이터 시스템 포장 셀 연도별 포장상태 평가결과 72
<그림 2.35> 실제 조사 시점과 데이터 입력 위치 73
<그림 2.36> 동질성 구간 분할 및 유지관리 적용 개념 74
<그림 2.37> CDA 방법 (Haider and Varma, 2016) 75
<그림 2.38> CDA의 한계 76
<그림 2.39> 웨이블릿 변환을 통한 IRI 동질성 구간 산정 (Cuhadar et al., 2002) 77
<그림 2.40> CART방법 예시(Misra and Das, 2003) 77
<그림 2.41> 동질성 구간 자동화 방안 78
<그림 2.42> 동질성 구간 자동화의 어려운 점 78
<그림 2.43> 동질성 구간 수와 분산의 최적점 79
<그림 2.44> 단차로 동질성 구간 알고리즘 구성 79
<그림 2.45> 평균과 개별 데이터 간의 오차 80
<그림 2.46> PELT 알고리즘 (Killick et al. 2021) 81
<그림 2.47> 패널티 값에 따른 구간 분할 결과 82
<그림 2.48> 최적 패널티 값 선정 방법 83
<그림 2.49> PELT와 CROPS를 접목한 동질성 구간 분류 알고리즘 84
<그림 2.50> 단차로/다차로 동질성 구간 분할을 통한 보수구간 산정 절차 85
<그림 2.51> R값 계산을 통한 다차로 동질성 구간 스크리닝 85
<그림 2.52> 동질성 구간 길이 임계값(Ls, Le) 개념도 86
<그림 2.53> 동질성 구간 알고리즘 흐름도 86
<그림 2.54> 프로토타입 프로그램의 동질성 구간 자동분할 기능 87
<그림 2.55> 기존 PMS 보수구간 리스트 88
<그림 2.56> 동질성 구간 자동분할 후 지도표출 기능 88
<그림 2.57> 통일로(22) 구간 89
<그림 2.58> 통일로(22) 상행 1차로 동질성구간 분할 결과 90
<그림 2.59> 통일로(22) 상행 2차로 동질성구간 분할 결과 91
<그림 2.60> 통일로(22) 상행 3차로 동질성구간 분할 결과 92
<그림 2.61> 통일로(22) 상행 4차로 동질성구간 분할 결과 93
<그림 2.62> 통일로(22) 상행 다차로 동질성 구간 변환 94
<그림 2.63> 프로토타입 프로그램의 공용성능 자동분석 기능 95
<그림 2.64> 통일로(22) 상행 동질성 구간 공용성능 자동분석 결과 예시 96
<그림 2.65> 포트홀 빈발구간 개선을 위한 프로토타입 프로그램 개발 112
<그림 2.66> 포트홀 신고보수 시스템 112
<그림 2.67> 포트홀 신고 절차 112
<그림 2.68> 2020년도 포트홀 발생위치 113
<그림 2.69> 포트홀 발생위치와 시관리도로 113
<그림 2.70> 포트홀 1:1매칭 알고리즘 114
<그림 2.71> 포트홀 신고시스템 출력 데이터 115
<그림 2.72> 포트홀과 동질성 구간 위치 매칭 116
<그림 2.73> 서부사업소 포트홀 1:1 매칭 데이터베이스 117
<그림 2.74> 1:1 매칭된 서부사업소 관할시도 포트홀 지도 118
<그림 2.75> 1:1 매칭된 서부사업소 관할시도 포트홀 지도(세종대로) 118
<그림 2.76> 서부사업소 시도구간 연도별 포트홀 발생개수 120
<그림 2.77> 서부사업소 연도별 km당 포트홀 발생빈도(도로기능별) 120
<그림 2.78> 서부사업소 ‘20년도 노선별 km당 포트홀 발생빈도(주간선) 122
<그림 2.79> 서부사업소 ‘20년도 노선별 km당 포트홀 발생빈도(보조간선도로) 123
<그림 2.80> 월 강수량과 포트홀 발생 비교 127
<그림 2.81> 월 강수량과 포트홀 선형회귀분석 결과 127
<그림 2.82> 일최대강수량과 포트홀 발생 비교 128
<그림 2.83> 일최대강수량과 포트홀 선형회귀분석 결과 128
<그림 2.84> 월 강수일수와 포트홀 발생 비교 129
<그림 2.85> 월 강수일수와 포트홀 선형회귀분석 결과 129
<그림 2.86> 월평균기온과 포트홀 발생 비교 130
<그림 2.87> 월평균기온과 포트홀 선형회귀분석 결과 130
<그림 2.88> 월평균 온도차와 포트홀 발생 비교 131
<그림 2.89> 월평균 온도차와 포트홀 선형회귀분석 결과 131
<그림 2.90> 균열률과 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 132
<그림 2.91> 면적균열률과 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 132
<그림 2.92> 소성변형과 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 133
<그림 2.93> 종단평탄성과 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 133
<그림 2.94> 기존SPI와 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 134
<그림 2.95> 기존SPI 변화량과 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 134
<그림 2.96> 신규 SPI와 포트홀 발생빈도 선형회귀분석 결과 135
<그림 2.97> ‘18~’19년도 포트홀 발생량과 ‘20년도 포트홀 발생량 비교 135
<그림 2.98> 버스교통량과 포트홀 발생량 선형회귀분석 결과 137
<그림 2.99> 포트홀 발생량 예측 알고리즘 138
<그림 2.100> 추세선을 통한 차년도 포트홀 발생량 예측 139
<그림 2.101> 포트홀 위험도 분석 알고리즘 140
<그림 2.102> 포트홀 빈발구간 관리 프로토타입 프로그램 141
<그림 2.103> 통일로(22) 상행 동질성 구간의 포트홀 매칭 결과 예시 142
<그림 2.104> 알고리즘을 통해 구축된 포트홀 위험도 지도 예시1 142
<그림 2.105> 알고리즘을 통해 구축된 포트홀 위험도 지도 예시2 143
<그림 2.106> 알고리즘을 통해 구축된 포트홀 위험도 지도 예시3 143
<그림 2.107> 알고리즘을 통해 구축된 포트홀 위험도 지도 예시4 143
<그림 2.108> 예방적 유지보수의 개념도 (조명환 외 2명, 2015) 147
<그림 2.109> 균열보수재의 상태 구분 (서울시, 2019) 150
<그림 2.110> 포그실 공법(좌), 슬러리실(우) 151
<그림 2.111> MSK 구간의 공용년수별 균열률 변화 추이(서울시, 2018) 151
<그림 2.112> 최적화 시나리오 분석 153
<그림 2.113> 최적화 기법의 직관적 이해 154
<그림 2.114> 최적화 방법의 필요성 155
<그림 2.115> Cancian(2015)의 최적화 분석방법 적용 결과 157
<그림 2.116> 보수공법별 공용성능의 개념도 159
<그림 2.117> 50mm 절삭 및 덧씌우기 공용성 모델 160
<그림 2.118> 100mm 절삭 및 덧씌우기 공용성 모델 161
<그림 2.119> 200mm 절삭 및 덧씌우기 공용성 모델 161
<그림 2.120> 재포장 횟수에 따른 공용수명 감소율 (2021, Tran) 162
<그림 2.121> 재포장 횟수에 따른 공용성 모델 163
<그림 2.122> 최적화 비용분석 알고리즘 165
<그림 2.123> 모집단 행렬의 형태 166
<그림 2.124> Local Random Search를 통한 모집단 생성 167
<그림 2.125> 교차조작 및 돌연변이를 통한 모집단 생성과정 167
<그림 2.126> Worst-First 보수우선순위 부여 169
<그림 2.127> 최적화 시나리오 분석 프로그램 기능 170
<그림 2.128> 최적화 시나리오 분석 입력변수 170
<그림 2.129> 최적화 시나리오 분석 결과 차트 171
<그림 2.130> 최적화 시나리오 분석결과 상세내용 171
<그림 2.131> 차년도 포트홀 발생계수 예측 172
<그림 2.132> 시나리오 분석결과에 따른 포장상태 개선 효과 표출 172
<그림 2.133> 시나리오1 분석결과 173
<그림 2.134> 시나리오2 분석결과 175
<그림 2.135> 시나리오3 분석결과 177
<그림 2.136> 시나리오4 분석결과 179
<그림 3.1> 역전구간 및 급감구간 분석 알고리즘 197
<그림 3.2> 도로등급별 포장상태지수 감소량(△SPI) 198
<그림 3.3> 포장상태 현장조사 자료 예시 201
<그림 3.4> 프로토타입 프로그램 개발 화면 및 사용결과 예시 202
<그림 3.5> 도로포장 품질관리 (PQMS) 데이터 자동입력 개요도 203