1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
건축, 토목 등 건설공사에 BIM (Building Information Modeling)의 활용성이 증대되면서 BIM 모델의 궁극적 활용 단계인 유지관리단계에서의 활용도도 지금보다 높아질 것 으로 예상된다. 유지관리단계에 설계 및 시공 정보의 활용성 을 높이기 위해서는 기 생성된 정보들의 신뢰성이 확보되어 야 한다. 즉, 유지관리단계는 설계단계와 시공단계에서 생성 되는 많은 정보를 필요로 하기 때문에 효율적인 유지관리업 무를 수행하기 위해서는 생애주기 동안 생성된 정보의 품질 과 신뢰성이 보장되어야 한다(Kim & Yu, 2016). 설계 및 시 공단계에 사용된 BIM 모델도 최종 인증된 모델이 유지관리
단계로 전송되어야 하며, 다양한 부서에서 장기간 재활용되 는 최종 모델의 신뢰성이 확보되어야 유지관리단계 활용성 을 높일 수 있다. Hwang and Kim (2016)은 BIM 기반 유지 관리에 대한 선행연구 분석 및 관리자 면담을 통해 BIM 활 용 유지관리 측면에서의 문제점을 정리한바 있다. 이들은 BIM을 유지관리에 활용함에 있어 시간과 비용의 절약을 위 해 정보 생산자는 정확한 정보를 생산하고 그것을 전달하는 것에 최선을 다해야 한다고 주장하였다.
하지만 Kang (2018)은 기획단계에서 설계, 시공단계를 거 쳐 유지관리단계까지 넘어오는 건설 프로젝트 데이터는 프 로젝트 진행과정에서 불완전하거나 목적불명의 과도한 데 이터 혹은 노이즈 등이 추가되어 전체 프로세스의 신뢰성이 무너질 수 있으며, 건설 분야에서 데이터 신뢰성을 확보하는 전통적 방법들과 BIM과 같은 새로운 방법들은 아직 데이터 신뢰성을 확보하고 있다고 보기 어렵다고 주장하였다. 그는 건설 프로젝트 생애주기에서 디지털 모델의 신뢰성과 투명 성을 확보하고, 이를 효과적으로 공유하여 이해당사자들이 BIM 등 디지털 모델의 가치변화를 신속하게 합의할 수 있는
* Corresponding author: Kang, Leenseok, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeonsang National University, Jinju 52828, Korea E-mail: [email protected]
Received December 4, 2020: revised December 30, 2020 accepted January 13, 2021
블록체인기술을 활용한 토목공사 생애주기 BIM 모델의 신뢰성 확보 방안
이재희1ㆍ문현석2ㆍ강인석3*
1
경상대학교 토목공학과 박사과정ㆍ
2한국건설기술연구원 수석연구원ㆍ
3경상대학교 토목공학과 교수
Application of Blockchain Technology to Verify Reliability of Life Cycle BIM Model for Civil Engineering Project
Lee, Jaehee1, Moon, Hyounseok2, Kang, Leenseok3*
1
Grauduate School Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University
2
Senior Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
3
Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University
Abstract : As the utilization of the BIM model increases in the design and construction stages of a construction project, the utilization of BIM in the maintenance stage can also increase. In the maintenance stage, BIM objects created in the design and construction stages that have already been completed are used. Therefore, it is necessary to verify the reliability of whether the used BIM object is a certified model created in the design stage. In particular, the reliability of the BIM model becomes more important in a project such as railway facilities composed of various construction activities with civil engineering, architecture, electricity, signal, and track work. This study proposes a methodology of using blockchain technology as a way to secure the reliability of the BIM model used in the maintenance phase, and constructs the block structure and detailed process for applying the blockchain technology to BIM. In addition, by applying this process to the BIM model of an actual facility to generate a block, it was confirmed that the blockchain technology can be used as a tool to secure the reliability of the BIM model.
Keywords : BIM, Blockchain Technology, Maintenance, Reliability
방안으로 블록체인기술(Blockchain technology)을 제시한 바 있다.
본 연구에서는 설계 및 시공단계에 제작된 BIM 모델이 오 랜 공사기간동안 재활용된 후 유지관리단계로 전송되는 과 정에서 BIM 모델의 신뢰성을 확보하기 위한 방법론으로 BIM 모델에 블록체인기술을 적용하는 프로세스를 제시하 고, 실제 BIM 모델을 적용하여 신뢰성 검증 도구로서의 활 용 가능성을 파악하고자 한다. 이러한 BIM 모델의 신뢰성 확보는 토목, 건축, 전기, 신호, 궤도 등의 다양한 공정과 관 리부처에서 장기간 BIM 모델이 관리되는 철도시설물 프로 젝트 등에서 더욱 중요성을 갖게 된다.
1.2 연구 동향 및 연구 방법
Moon and Park (2018)은 발주자(민간, 정부) 및 전문건설 업체의 정보가 한정적이고 제한적으로 공유되고 있어 민간 공사를 비롯한 관급공사의 신뢰도가 낮으므로, 블록체인기 술이 갖는 특징인 분산형 정보 공유기술을 활용하여 건설공 사 이해관계자들 간의 신뢰성 및 정보의 투명성을 향상시킬 수 있음을 제안하였다. Kang (2018)은 BIM, 블록체인, 스마 트 계약(Smart Contract)과의 관계를 살펴보며 건설 분야에 블록체인 기반 스마트 계약 개발 방법을 제시한 바 있다. 그 는 건설 프로젝트에서 의사결정에 필요한 데이터들이 오염 되어 있거나 그 품질을 검증하는 과정을 거치치 않은 경우가 많아 신뢰성 문제를 일으킬 수 있으며, 블록체인기술이 데이 터의 신뢰성 확보를 위한 플랫폼으로 활용될 수 있다고 주장 한 바 있다. 또한 Yoo (2019)는 건설 산업에 블록체인기술이 적용된다면 사업 타당성 검토는 물론 각종 계약, 설계, 시공 및 완공 후 유지관리까지 각 단계별 업무의 혁신과 품질향상 뿐만 아니라 안전관리, 원가관리를 통해 생산성 증가 및 건 설 산업분야의 효율성과 신뢰성을 담보할 수 있다고 하였다.
Mathews, M. et al. (2017)은 BIM과 시공 및 건물 운영 프 로세스에 대한 신뢰문제를 해결할 수 있는 블록체인의 조합 이 시각적 증거의 장부를 기록하고 블록을 사용하여 이해관 계자들의 진정한 협업을 위한 플랫폼으로서의 잠재력이 있 음을 주장하였고, 영국 ICE (Institution of Civil Engineers) 의 보고서(Penzes, 2018)에서는 건설 산업에 블록체인을 접 목하여 지불 및 프로젝트 관리 측면, BIM 및 스마트 자산관 리 측면에서 활용 가능한 예를 제시함으로써 블록체인이 디 지털 시대에 건설업계의 보다 투명한 협업 도구가 될 수 있 음을 시사하였다.
국내·외 BIM과 블록체인이 연관된 연구 사례를 통해 BIM 과 블록체인기술의 결합이 건설 프로젝트 정보의 신뢰성 및 투명성 확보를 위한 도구 혹은 플랫폼으로서의 가능성이 충 분함을 확인할 수 있다(Christopher, 2017; Mathews, 2017;
Lee, 2020). 하지만 두 기술 분야를 구체적이면서 직접적으 로 접목한 사례 연구는 드물다. 기존 연구동향에서 블록체인 기술 개념 위주의 연구를 제시한 것과는 달리, 본 연구에서 는 구체적인 블록체인의 BIM 모델 연동방안 및 블록생성 절 차를 제시한 후, 실제 BIM 모델에 블록체인기술을 접목하여 블록을 생성하고 확인함으로써 유지관리단계에 활용되는 BIM 모델의 신뢰성 확보 도구로서 활용성을 검증하고 있다.
본 연구를 수행하기 위한 방법은 우선 블록체인기술이 적 용된 대표적인 사용예인 비트코인 블록체인을 조사하여 블 록체인의 특성, 기본 구조 및 원리, 종류에 대해 분석한다. 그 다음 BIM과 블록체인기술 연동 상세 프로세스 및 모듈과 이 에 적합한 블록 구조형태를 제시한다. 제시된 블록체인기술 연동 프로세스 및 모듈을 기반으로 하여 BIM 블록을 생성함 으로써 블록체인기술이 유지관리단계 BIM 정보의 신뢰성 제고를 위한 효율적인 도구가 될 수 있는지 분석한다.
2. 블록체인기술 개요
2.1 블록체인기술 특성
블록체인기술은 당사자들 간에 발생한 거래의 내역을 트 랜잭션(Transaction; Tx)이라는 거래내역 저장소에 기록하 여 저장하고, 하나의 블록을 구성한 후 이를 다수의 사람들 에게 분산 공유함으로써 거래내역의 인증과 위·변조를 방지 할 수 있는 기술이다. 즉, 블록체인은 분산화 된 인증 및 검 증 기술로써 신뢰할 수 있는 제 3자 또는 중앙의 존재를 필 요로 하지 않고, 컴퓨터 네트워크를 통해 거래가 이루어지는 것을 확인·감독하고 실행하는 기술이다(Satoshi, 2008).
블록체인기술은 거래기록과 관리권한을 갖는 참가자들 개개인이 하나의 노드(Peer)가 되어서 노드 간(Peer-to- Peer) 네트워크를 구성하고, 데이터블록을 분산하여 공유 및 관리하는 기술로써, 거래의 내역 데이터를 담고 있는 블 록은 서로 연결된 체인(Chain)의 형태로 나타낼 수 있다. 블 록체인에서는 거래내역에 대한 원장(Ledger)을 기반으로 블 록을 생성하여 네트워크 참여자들에게 전파하고, 각 참여 자들은 블록을 통해 동일한 거래내역 원장사본을 갖게 된 다. 새로운 거래가 발생할 때마다 블록의 생성 및 전파 과 정이 반복되며, 이러한 과정에서 블록체인의 특성인 중앙 집중식 조직의 권한과 역할이 축소되어 중앙서버 구축비 용을 절감할 수 있고, 손실 데이터 복구가 용이한 탈중앙 성(De-centralization), 해시 알고리즘을 통해 생성된 데이 터 블록의 무단 수정 및 복제가 불가능한 데이터의 무결성 (Integrity), 네트워크 참여자 모두가 공유함으로써 확보되는 정보의 투명성(Transparency)과 신뢰성(Trustability)을 확 보할 수 있다.
2.2 블록체인 기본 구조 및 원리
블록체인기술이 적용된 대표적인 사례인 비트코인의 블 록구조는 <Fig. 1>과 같이 블록헤더(Block header)와 블록바 디(Block body)로 구성된다.
블록바디는 수많은 거래내역의 트랜잭션들로 구성되어 있는데, 트랜잭션들은 <Fig. 1>의 좌측과 같이 이진 머클트 리(Merkle tree)구조를 이루고 머클루트 해시(Merkleroot hash)를 구성하여 블록헤더에 반영된다. 블록헤더는 버전 (Version), 이전블록 해시(Pervious hash), 머클루트 해시, 타 임스탬프(Timestamp), Bits, 임시값(Nonce)으로 구성되며, 이러한 정보들이 모여 블록해시(Block hash)를 생성한다. 블 록을 생성하는 것은 블록해시를 구하는 과정이며, 비트코인 블록체인에서 블록해시를 생성하는 과정은 <Fig. 2>와 같다.
거래내역들이 SHA-256 해시 알고리즘을 통해 64자리의 길이값을 갖는 트랜잭션으로 기록되고, 여러 트랜잭션들이 모여 머클루트 해시를 생성한다. 머클루트 해시는 버전, 이 전블록 해시, 타임스탬프와 임시값과 합산되어 해시 연산을 통해 블록해시를 생성하게 된다. 생성된 블록해시는 Bits를 통해 구해낸 목표값(Target값)과 비교하여 블록해시 값이 목표값보다 작으면 블록생성이 완료되고, 블록해시 값이 목 표값보다 클 경우 임시값을 증가시켜 다시 해시 연산을 수
행한다. 비트코인의 경우 다수의 인원이 블록해시 생성과정 에 참여하여 블록해시 연산을 수행한다.
2.3 블록체인 네트워크 종류
블록체인은 참여자들의 참여형태에 따라 크게 퍼블릭 블록체인(Public blockchain), 프라이빗 블록체인(Private blockchain), 컨소시엄 블록체인(Consortium blockchain)으 로 구분할 수 있다.
퍼블릭 블록체인은 인터넷이 연결된 누구나 자유롭게 참 여할 수 있는 블록체인 네트워크로 참여자 모두가 직접 블 록생성과정에 참여하여 보상을 획득할 수 있다. 하지만 거래 내역이 새 블록에 저장되고 참여자들에게 전파되는 과정에 서 시간이 많이 소요되고 검증작업에 컴퓨팅 연산능력과 전 력을 필요로 하기 때문에 비효율적인 측면이 있다.
프라이빗 블록체인은 거래원장을 분산 공유한다는 점은 유사하지만, 독자적인 블록체인 네트워크 운영주체가 따로 존재하므로 운영주체의 검증을 통해 새로운 블록이 승인되 고, 운영주체의 승인을 얻은 제한된 인원만이 네트워크에 참 여할 수 있는 폐쇄형 블록체인이다. 프라이빗 블록체인은 거 래내역을 전송하는 노드의 수가 적고 합의 절차 과정이 생 략되기 때문에 거래의 처리속도가 빨라 에너지측면에서 효 율적일 수 있으나, 전체 네트워크의 신뢰성이 관리주체에 의 존하게 된다는 단점이 있다.
컨소시엄 블록체인은 다수의 참여자들이 동일한 목적을 위해 하나의 컨소시엄을 구성하여 그 안에서 작동하도록 만든 블록체인으로 프라이빗 블록체인과 유사하나 새로운 블록의 승인이 다수 권한 주체들의 협의를 통해 운영된다 (Nam, 2018). 이에 따라 본 연구에서는 다수의 건설 프로젝 트 참여자들에게 블록 생성권한과 블록 승인권한을 부여할 수 있고, 네트워크 참여자들의 책임감 및 신뢰성, 투명성을 향상 시킬 수 있는 컨소시엄 블록체인 네트워크를 적용한다.
3. BIM 모델 신뢰성 제고를 위한 블록체인기술 연동 방법론
3.1 BIM 모델과 블록체인기술 연동 프로세스
본 논문에서 제시하는 유지관리단계 BIM 모델 신뢰성 제 고를 위한 블록체인기술 연동 상세 프로세스는 <Fig. 3>과 같다.
BIM 모델과 블록체인을 연동하기 위해서는 우선 건설 프 로젝트 참여자들을 설정하고 입력한다. 참여자들은 프로젝 트 초기 단계에서 정확한 업무의 범위 및 내용을 정하고, 블 록체인기술을 적용하여 프로젝트의 성공적인 수행과 참여 자들 간의 원활한 협업 및 정보교환이 이루어 질수 있도록
Fig. 1. Basic structure of the block
Fig. 2. Block generation process
컨소시엄 블록체인 네트워크를 구축해야한다. 다음으로 블 록체인 네트워크 내에서 프로젝트 참여자들의 개인키 및 공 개키를 생성·저장한다. 건설 프로젝트가 진행됨에 따라 기 획단계에서는 기획안, 사전 설계정보 등의 정보들이 생성되 고, 설계단계에서는 기획의도에 부합하는 BIM 설계 모델 정 보들이, 시공단계에서는 BIM 모델이 갖는 수치정보, 속성정 보에 맞게 시공된 정보 등 각 생애주기 단계별로 방대한 양 의 정보들이 발생하고, 발생된 정보는 다른 참여자들의 업무 수행이나 다음 생애주기 단계에서 사용될 수 있도록 트랜잭 션으로 정확하게 기록, 관리한다. 블록생성에 필요한 정보들 을 모아 하나의 블록을 생성하고 이를 프로젝트 참여자들에 게 전파하여 검증을 받게 된다. 검증이 끝난 블록에는 검증 내역이 반영되고 최종블록이 생성된다. 생성 완료된 블록은 저장되며, 유지관리 업무 담당자는 이를 통해 정확하고 신뢰 성이 있는 정보를 이용할 수 있다.
3.2 BIM 모델의 블록구조 및 생성 프로세스 3.2.1 블록의 구조
본 논문에서 제시하는 블록구조는 <Fig. 4>와 같이 블록헤 더, 블록바디, 승인내역으로 구성된다. 블록헤더는 블록 생 성자 정보, 이전블록 해시, 머클루트 해시, 타임스탬프 / 블 록바디는 트랜잭션 내역들 / 승인내역은 참여자들의 공개키 값과 검증 타임스탬프를 각각 포함한다. 건설 프로젝트 참여 자들이 생성한 정보들은 트랜잭션으로 저장되어 머클루트 해시를 만들어 블록헤더에 반영되고, 블록해시를 생성하여 하나의 블록을 완성한다. 생성된 블록은 프로젝트 참여자들 의 검증을 거쳐 완전한 블록으로 완성된다(Lee, 2020).
기존 블록구조와 비교하였을 때, 버전정보 대신 블록 생성 자 정보를 반영하여 블록생성의 책임 소재를 분명하게 하도 록 하였다. 또한 컨소시엄 블록체인 네트워크 형태를 이용하 기 때문에 별도의 채굴과정이 필요하지 않기 때문에 Bits와 임시값을 생략할 수 있어 전력소모와 컴퓨터 연산능력을 필 요로 하지 않아 경제적이다. 추가적으로 승인내역에는 블록 의 검증을 증명하는 참여자(검증자) 공개키 값과 검증 타임 스탬프를 포함하여 블록의 신뢰성과 투명성을 확보하도록 하였다.
3.2.2 블록의 생성 프로세스 및 상세 모듈
본 논문에서는 블록체인기술을 통해 신뢰성이 확보된 BIM 모델 및 정보가 하나의 블록으로 생성되어 건설 프로젝 트 유지관리단계에서 활용되기까지의 과정과 세부 구성 모 듈을 <Fig. 5>와 같이 제시한다.
<Fig. 5>의 a) 네트워크 구성 모듈에서는 건설 프로젝트 참여자를 입력하여 BIM 협업관계 및 블록체인 네트워크를 구축하고 블록체인 네트워크 참여 허가 및 신원확인, 인증 을 위해 ‘비대칭 암호화 방식(공개키 암호화 방식)’을 이용하 여 참여자들의 개인키(Private key) 및 공개키(Public key) 를 생성한다. 기존 비트코인 블록체인기술에서 사용하는 타 원곡선 암호화(Elliptic Curve Cryptography)방식을 사용하 며, 타원곡선 암호화 표준 문서에 정의된 secp256k1 규격의 타원곡선 함수식과 곡선 상에 있는 임의의 점들의 합 연산 을 통해 도출된 결과값을 해시화하여 네트워크 참여자들의 개인키 및 공개키를 생성하고, 이를 네트워크 구성 모듈에 저장한다. 저장된 참여자들의 개인키 및 공개키 대조를 통해 블록체인 네트워크 참여자의 신원확인, 블록생성권한, 블록 검증권한, 블록 생성 책임감을 향상시킬 수 있다.
b) 트랜잭션 관리 모듈에서는 네트워크 구성 모듈에 의해 개인키 및 공개키를 부여받아 블록체인 네트워크 참여자격 을 갖추고, 블록생성 권한을 부여받은 참여자가 건설 프로젝 트를 수행하며 발생되는 구체적인 프로젝트 내용과 설계안,
Fig. 3. Integration process of BIM and blockchain technology
Fig. 4. Structure of block
BIM 모델 도면, 수치정보와 같은 기하학적 정보, 상세 속성 및 구성 재료와 같은 비기하학적인 정보, 관련문서 등의 상 세정보 사용자가 입력하거나 BIM 모델의 속성정보를 불러 와서 기록한다. 기록된 상세 BIM 정보들은 SHA-256 방식 의 해시 알고리즘을 통해 256바이트, 64자리의 고정된 문자 열로 반환되어 트랜잭션으로 기록되어 무결성과 신뢰성을 확보하게 된다. 해당 모듈에서는 해시로 기록된 트랜잭션을 추적하거나 조회하여 해당 정보가 어디에서 사용되었는지, 어느 블록과 연계되어 있는지를 확인할 수 있다. 또한 입력
된 건설 프로젝트 트랜잭션들은 머클트리 구조를 통해 머클 루트 해시를 생성하여 블록헤더에 반영된다.
c) 블록해시 생성 모듈에서는 블록 생성자 정보, 이전블록 해시, 머클루트 해시, 타임스탬프 값들을 해시 연산하여 블 록해시를 생성한다. 블록 생성자 정보는 네트워크 구성 모듈 에서 생성된 참여자의 공개키 값을 사용한다. 이전블록 해시 는 현재 생성하고자 하는 블록의 이전블록의 해시값을 블록 관리 모듈에서 불러오며, 머클루트 해시는 트랜잭션 관리 모 듈에서 생성된 건설 프로젝트 정보들에 의해 생성된 머클루 트 해시값을 사용하며, 타임스탬프는 블록을 생성하고자 하 는 시간값을 사용한다. 나열된 값들을 해시 연산하여 블록 해시를 생성함으로써 하나의 블록이 생성된다.
d) 전파 및 검증 모듈에서는 생성된 블록을 프로젝트 참여 자 모두에게 전파하여 검증을 받는다. 발주자가 기획단계에 서 프로젝트와 관련된 구체적인 정보를 하나의 블록으로 만 들고 이를 설계자, 시공자, 하도급자 등 다른 네트워크 참여 자에게 전파한다. 블록을 전파 받은 검증자들은 블록에 담겨 진 도면 혹은 문서 정보에 오류가 있는지 면밀히 검증한 후, 검증자 공개키, 검증 타임스탬프 등의 검증내역을 반영하 여 최종 블록이 완성된다. 검증과정에서는 PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance; PBFT) 합의 알고리즘(Castro
& Liskov, 2002)을 통해 두 번의 합의 절차를 걸쳐 악의적인 의도를 갖고 블록생성을 거절하는 참여자가 존재하여도 합 의를 도출할 수 있는 사용한다.
블록체인기술을 통해 생성된 블록은 생성단계에서 전체 프로젝트의 참여자들의 검증을 받기 때문에 투명성·신뢰성 을 한층 더 보장받게 된다.
e) 블록 관리 모듈에서는 검증까지 끝난 최종 블록이 저장 된다. 유지관리단계에서 사용자는 모듈 내에 저장된 블록을 통해서 업무수행에 필요한 BIM 모델 혹은 BIM 정보를 획득 하여 이용할 수 있다. 블록에 담겨져 있는 BIM 정보들은 블 록체인기술 특성에 의해 무결성을 확보하고 있고, 생성된 블 록이 다른 참여자들에게 공유 및 검증되어 한층 강화된 신 뢰성과 투명성을 갖게 되므로 별도의 검증과정 없이 사용자 가 유지관리 업무 수행에 블록에 담긴 정보를 적극 활용할 수 있다.
4. BIM과 블록체인기술 연동 모델
4.1 BIM 모델을 이용한 블록체인 생성 4.1.1 참여자 개인키 및 공개키 생성
본 논문에서 제시한 방법에 따라 네트워크 구성 모듈에서 건설 프로젝트 참가자인 설계자의 개인키 및 공개키를 생성 하면 <Fig. 6>과 같다.
Fig. 5. Generation process of block and module for
integration of BIM model
비트코인 블록체인에서 사용하는 secp256k1 규격의 타원 곡선암호화방식의 Python 오픈소스를 사용하였으며, 모델 및 상세 정보의 경우 직접 제작하거나 배포된 라이브러리 등을 사용하였다. 곡선 상 임의의 점들의 합 연산을 통해 프 로젝트 참여자(발주자, 설계자, 시공자, 하도급자)들의 공개 키 및 개인키를 생성한다.
향후 설계자가 부여받은 개인키를 네트워크 구성 모듈에 입력하면, 해당 모듈에서는 저장되어있는 공개키 값들을 대 조하여 그에 대응하는 설계자의 공개키를 반환해주며, 이와 같은 방식으로 네트워크 참여자라는 것을 인증할 수 있다.
또한 그 외 참여자들은 출력된 공개키 값을 통해 네크워크 구성 모듈에 입력하면 해당 참여자가 해당 프로젝트의 참여 자라는 것을 알 수 있고, 설계자라는 것을 확인할 수 있다.
즉 개인키를 통해 네트워크 참여자라는 것을 인증할 수 있 고, 공개키를 통해 다른 참여자들이 같은 블록체인 네트워크 에 속한 관계자라는 것을 구별할 수 있다.
4.1.2 트랜잭션 및 머클루트 해시 생성
<Fig. 7>은 개인키 및 공개키를 통해 신원 인증을 받은 발 주자가 해당 건설 프로젝트 개요와 관련된 BIM 모델 및 정 보들을 트랜잭션 관리 모듈을 통해 생성하는 모습이다. 트랜 잭션 관리 모듈에서는 교량 BIM 모델을 통해 얻을 수 있는 11개의 주요정보를 트랜잭션(Tx1~Tx11)으로 기록한다. 기 록된 교량모델의 정보 트랜잭션은 이진 머클트리 형태의 연 산과정을 거쳐 머클루트 해시를 생성한다.
4.1.3 블록 생성 및 검증
<Fig. 8>은 블록을 생성하는 과정이다. 블록해시 생성 모 듈에서 블록을 생성하고자 하는 현재 시간을 타임스탬프화 하고, 생성하고자 하는 블록의 이전블록 해시값을 불러온다.
만약 생성하고자 하는 블록이 첫 번째 블록(Genesis 블록)일 경우 이전블록 해시가 존재하지 않기 때문에 값을 갖지 않
는다. 본 논문에서는 이전블록 해시가 존재하지 않는다는 의 미에서 ‘-’의 해시값을 사용하였다.
블록 생성자에는 설계자의 공개키값을, 머클루트 해시에 는 교량 BIM 모델 및 정보를 통해 생성한 11개의 트랜잭션 들을 통해 계산한 머클루트 해시값을 입력하여 블록연산을 수행하면 블록해시가 생성됨으로써 하나의 블록이 만들어 진다. 생성된 블록은 다른 참여자들에게 전파되어 검증과정 을 거친다. 블록을 생성한 설계자는 전파 및 검증 모듈을 통 해 자신이 생성한 블록을 발주자, 시공자, 하도급자 등 블록 체인 네트워크 내의 다른 참여자들에게 전파하고, 다른 참여 자들은 PBFT 합의 알고리즘의 형태로 전파 받은 블록을 검 증하고, 이 과정에서 모든 검증자의 공개키 및 검증 타임스 탬프가 반영되어 해당 블록의 신뢰성을 확보하게 된다. 블록 정보에 참여자들의 검증 내역이 포함된 최종블록이 블록 관 리 모듈에 저장되고 블록생성과정이 끝난다.
Fig. 6. Generation of private and public keys for participants
Fig. 8. Generation of block hash using block information
Fig. 7. Generation of transaction and merkle root hash
4.2 BIM 블록의 신뢰성 검증
기존의 BIM 모델 및 정보는 생성된 후 다른 참여자들의 합의나 별도의 검증을 거치지 않는다. 그렇기 때문에 건설 프로젝트가 진행되면서 생성된 정보가 기획, 설계, 시공단계 를 걸쳐 유지관리단계까지 넘어오는 과정에서 다양한 정보 들이 추가되고, 누적되고 또는 삭제된 사실을 확인할 수 없 다(Lee, 2020). 따라서 유지관리 업무를 수행하기 위해 시설 물의 도면을 이용하거나 관련 문서를 통해 정보를 취득할 경우에도 해당 도면 혹은 문서가 신뢰할 수 있는 정보를 지 니고 있는지, 검증을 받은 정보인지 확신할 수 없다.
하지만 BIM 모델 및 정보에 블록체인기술을 적용하여 블 록을 생성하고 해당 블록을 모든 참여자에게 공유한다면
<Fig. 9>와 같이 블록의 생성 정보와 블록체인 네트워크 참 여자들이 검증을 했다는 공개키값과 검증 타임스탬프를 확 인할 수 있어 신뢰성 및 투명성을 확보할 수 있다.
또한 BIM 모델 및 정보의 임의 수정, 무단 복제, 정보의 추 가 및 변경이 발생 시 트랜잭션 관리모듈에 의해 해시값들 이 변경되고, 이를 다른 블록의 해시값과 비교하여 사용자에 게 제시해 주기 때문에 해당 모델 및 정보가 위·변조 되었다 는 사실을 <Fig. 10>과 같이 쉽게 알아낼 수 있다.
<Fig. 10>좌측은 교량 상부 원본 3D 모델과 그 치수 도면 이고, 우측은 임의 수정된 교량 3D 모델과 치수 도면이다.
3D 모델 상에서 육안으로 구분하기 어려운 수치의 변경이 발생하더라도 해당 정보가 트랜잭션 관리 모듈을 통해 트랜 잭션화 되면 해당 정보의 해시값이 완전히 바뀌게 되고, 결 국 전체 머클루트 해시는 물론 전체 블록의 해시값 또한 바 뀌게 된다. 수정된 정보를 통해 생성된 블록은 사용자들의 검증을 거쳐야 하며, 사용자들은 해시값을 대조하여 해당 파 일이 변경되었다는 것을 쉽게 파악할 수 있다.
4.3 철도시설물 BIM 모델의 블록체인 적용 사례 BIM에 블록체인 기술을 접목한 BIM 정보 블록은 프로젝 트 진행에 따른 시설물의 BIM 모델 요소들이 블록체인 내 에 영구적으로 기록되므로, 생애주기별 BIM 모델의 변화 흐 름을 보다 체계적이고 정확하게 파악할 수 있다. 특히 <Fig.
11>과 같이 토공, 교량, 터널, 궤도, 전기 및 신호 등 매우 다 양한 공정들이 긴 구간에 걸쳐 진행되는 철도 시설물 공사 등의 경우에는 BIM 모델, 관련 BIM 정보, 일정정보, 속성정 보 등 매우 세부적 수준의 정보들까지 트랜잭션화 되어 무 결성을 갖춘 정보로 변환할 수 있다. 그리고 필요한 공정 정
Fig. 9. Securing the reliability and transparency of BIM model and information
Fig. 10. Hash comparison of original data and modified data
Fig. 11. Verification of BIM model by blockchain in a railway
construction project
보들을 모아 머클루트 해시를 생성하고, 생성자 정보, 타임 스탬프, 이전블록 해시와 연산하여 하나의 블록을 생성한 후 참여자들의 검증을 통해 신뢰성을 확보할 수 있다.
<Fig. 12>는 철도시설물 구성요소 중 하나인 전차선의 BIM 모델과 속성정보를 블록체인화 하여 비교한 사례이다.
전차선의 경우 매우 넓은 범위에서 일정한 거리만큼 위치하 고 있으며, 비슷한 형태로 인하여 사용자가 다양한 BIM 모델 및 정보들 중에서 해당 전차선 정보만을 사용하기 위해서는 별도의 검증과정을 통해 정보의 신뢰성을 확보해야 한다.
블록체인기술을 적용할 경우에는 동일한 모델의 두 전차 선이 서로 다른 구역에 위치하였을 때 각각의 전차선이 갖 는 위치정보, 공정정보, WBS 코드 등 세부 속성정보들이 서 로 달라 트랜잭션의 구성이 달라진다. 전차선 15.3과 전차 선 28.4는 동일한 라이브러리로 제작되어 형상, 치수정보가 동일하여 단순 모델만으로 구분하기에는 어렵지만, 전차선 15.3과 전차선 28.4가 배치되는 위치 구역 정보, 상세 위치 좌표, 공정일정정보가 서로 상이하기 때문에 해당 세부정보 들이 트랜잭션으로 반영되면 서로 다른 머클루트 해시가 생 성된다.
이를 통해 동일한 조건하에 블록을 생성하더라도 블록을 구성하는 해시정보가 달라지므로 최종적으로는 전차선별로 다른 블록이 구성된다. 또한 여러 참여자들이 블록을 구성하 는 상세정보를 확인하고 검증하기 때문에 생성된 두 블록이 서로 다른 속성정보를 반영하고 있다는 것을 모두가 확인할 수 있다. 이를 통해 사용자는 원하는 전차선 세부정보를 포 함한 블록을 사용하여 별도의 검증과정을 거칠 필요 없이 효
율적으로 BIM 모델을 활용할 수 있다. 이러한 블록체인기술 이 갖는 특성인 투명성과 신뢰성은 잘못된 정보의 사용으로 인한 유지관리 업무에 오류가 발생하는 상황을 방지할 수 있 고, 모든 참여자들의 검증을 거친 BIM 모델 및 정보의 블록 을 사용함으로써 정보의 신뢰성을 확보하기 위한 검증과정 을 생략할 수 있어 유지관리 업무의 효율성을 높일 수 있다.
5. 결론
본 연구에서는 유지관리단계에서 BIM 모델의 신뢰성확보 를 위한 방안으로 4차 산업혁명 핵심기술 중 하나인 블록체 인기술을 사용하는 방법론을 제시하였다.
블록체인기술을 분석하기 위해 대표적 사용예인 비트코 인 블록체인을 조사하여 블록의 기본 특성 및 정보, 생성방 법을 파악하고 실제 BIM 모델에 접목하기 위한 블록의 구 조, 상세 프로세스를 제시하여 실제 BIM 모델의 블록을 생 성하였다.
그 결과 개인키, 공개키를 생성하여 건설 프로젝트 및 블 록체인 네트워크 참여자들로 하여금 블록의 생성자와 블록 검증자 역할을 할 수 있도록 하여 블록의 생성 및 검증과정 에서 신뢰성과 투명성을 한층 더 보장받을 수 있도록 하였 다. 또한 원본 BIM 모델 및 정보와 임의 수정된 BIM 모델 및 정보를 사용하여 블록을 생성해 보고, 해시값을 비교해 봄으 로써 블록체인 기술이 정보의 변화에 얼마나 민감하고, 얼 마나 정확한지 확인할 수 있었다. 이를 통해 건설 프로젝트 진행과정에서 발생할 수 있는 불완전한 데이터의 생성 혹은 노이즈 등의 추가를 방지할 수 있다. 또한 설계단계에 생성 된 철도시설물의 BIM 모델에 적용하여 모델의 신뢰성을 확 인하는 과정을 검증해 봄으로써 실무 활용성을 제시하였다.
이러한 BIM 모델과 블록체인의 연동기술은 철도시설물과 같이 이질적인 공정들과 다양한 관리 부처가 포함되는 장기 간의 건설 프로젝트에서 생애주기에 발생되는 BIM 모델의 신뢰성을 확인할 수 있으므로 기존 BIM 업무에서 확인할 수 없었던 모델 정보의 검수에 유용한 도구로 활용될 수 있다.
본 연구에서 제시한 블록체인 적용 방법론을 건설 프로젝 트의 전체 생애주기 과정에 적용한 것이 아닌 설계단계만 적용하여 검증했다는 점과 블록을 생성한 트랜잭션의 범위 가 지정되어 있지 않다는 점, 그리고 생성된 블록을 검증하 기 위한 체크리스트 등이 부재하다는 한계점이 있다. 특히 블록의 생성과 검증을 위한 트랜잭션 범위, 체크리스트 등의 부재는 과도한 블록의 생성과 이에 따른 블록의 검증 업무 의 증가로 오히려 효율을 저하시키기 때문에 정확한 정보의 생성과 마찬가지로 필요한 블록의 생성과 정확한 검증과정 이 필요하다.
Fig. 12. Block comparison of BIM model in a railway construction
project
향후 이러한 한계점을 보완하기 위한 블록의 생성 범위, 검증 체크리스트 등의 연구가 진행되어 건설 프로젝트의 기 획단계부터 유지관리단계까지 블록체인 기술이 접목된다면 더욱 구체적으로 BIM 활용 업무에 블록체인 기술을 적용하 는 사례가 될 수 있다. 또한 방대한 양의 BIM 모델 및 정보 를 통해 블록을 생성하고 검증하는 처리의 속도 문제와 저 장 및 관리 용량에 대한 기술적인 연구가 필요할 것이다.
감사의 글
본 연구의 일부는 2020년 국토교통과학기술진흥원 연구 비 지원사업(20RBIM-B158185-01)으로 진행되었습니다.
References
