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안녕하세요! 더그로우 입니다. 저의 첫 블로그에서는 제가 요즘 관심있는 분야인 콘테크(Con-tech)!

콘테크의 다양한 기술 영역 중에서도 생성형 AI 기반 설계도면 생성 Task 를 다룬 논문을 소개해드리고자 합니다!

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먼저! 콘테크는 무엇이고, 왜 중요할까요?

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1. 콘테크의 부상 및 설계의 중요성

23년 4월 인천의 한 아파트 지하주차장이 붕괴되었습니다.

사고조사위원회에 따르면, 설계 단계부터 지하주차장 기둥에 철근이 누락되어 있다고 하는데요,

해당 사고 이후, LH 무량판 구조의 아파트 단지를 전수 조사하여, 102개 단지 중 20곳에서 철근 누락을 추가적으로 확인하였습니다.

이러한, Human Error 로 인한 부실시공 및 건설 근로자 부족 현상, 그리고 건축자재 가격 급등으로

최근 몇 년간 건설업계에서는 DT를 도입하여 설계의 효율화 및 안정성 제고를 위해 노력하고 있습니다.

건설 현장에 AI, Big Data, 사물인터넷, 드론, VR/AR 등의 첨단 기술을 적용하는 것을 콘테크라고 합니다.

McKinsey 의 Construction Technology Industry Map ('18) 에 따르면, 다양한 기술 중 특히 인공지능은 건설업계 전반에 장기간에 걸쳐 핵심 가치를 창출할 것으로 보았습니다.

[ 그림 1 ] Construction Technology Industry Map ( McKinsey, 2018 )

그럼, 인공지능은 건설업계에서 어떻게 사용될 수 있을까요?

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2. 생성형 AI 가 건설을 만났을 때,

인공지능은 건설 공정 전반에 걸쳐 사용될 수 있습니다.

건설 공정은 설계(Engineering) - 구매(Procurement) - 시공(Construction) 으로 3단계로 구분할 수 있는데,

이 중 Engineering을 전문적으로 하는 현대엔지니어링, 삼성엔지니어링 등의 엔지니어링 회사이며,

시공을 전문적으로 하는 기업은 현대건설, 삼성물산 등의 건설회사 입니다.

건설 과정을 좀 더 자세히 보면, 발주처가 기획을 한 후, FEED 를 발주합니다. FEED 단계에서는 설계 중 개념설계, 기본설계에 해당하며,

PFD 및 P&ID 등의 설계 도면이 산출물로 나오게 됩니다.

FEED 후, EPC 발주가 이뤄지며, EPC사들이 입찰에 참여하여 상세 설계 및 조달,시공 까지 진행됩니다.

인공지능이 각 단계에서 적용 되 대표적인 사례는 다음과 같습니다.

• FEED 단계 : P&ID, PFD 도면 생성

• 입찰 단계 : AI 기반 ITB 분석 지능화

• 상세 설계 단계 : AI 기반 문서 자동 인식 및 3D 설계자동화

• 조달 단계 : 자율 주행 기반 3D Route Simulation

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3. 생성형 AI 로 그리는 설계도면

제가 소개드릴 논문은 FEED 단계에서 이뤄지는 “P&ID, PFD 도면 생성 Task" 를 다루는 논문 입니다.

Toward automatic generation of control structures for process flow diagrams with large language models (Edwin et al., 2023)

보통 설계도면은 이미지 형태를 가지고 있어, 객체인식 및 OCR 등의 Computer Vision 기술이 많이 사용되는 데요,

자연어 처리 기술을 적용한 도면 생성이라니..!!!!! 흥미로운 주제였습니다.

사실 P&ID 는 PFD 보다 복잡하여, 본 논문에서 P&ID 도면 생성 까지 다루진 않았습니다.

하지만, P&ID 도면 생성의 첫 시발점이 되는 PFD 생성! 그 중에서도 제어장치가 없는 PFD에서 제어장치가 있는 PFD를 생성하는 것이 본 논문의 Target 입니다.

본 논문에서 제안한 모델 구조는 아래와 같습니다.

[ 그림 2 ] PFD 도면 생성 Algorithm 구조도 ( Edwin et al., 2023 )

설계도면은 특성 상 객체(Symbol, Node)에 해당하는 기계장치 및 계측장비가 있고, 유체의 흐름을 나타내는 배관(Line, Edge)이 있기 때문에

방향이 있는 그래프로 표현이 가능합니다. P&ID 인식을 통하여, 그래프로 변환 후, 그래프 구조를 입력값으로 SFILES을 사용하여 문자열 포맷으로 변환합니다.

SFILES는 Simplified Flowsheet Input-Line Entry-System 의 약자로 P&ID, PFD 등의 설계도면을 문자열 형태로 표기한 것인데요,

1989년 발표한 분자구조를 문자열로 변환한 표기법인 SMILES 에서 영감을 받아 만들어졌습니다.

예를 들어, [ 그림 3 ] 의 PFD 를 SFILES 표기법으로 문자열로 변환한 형태는 다음과 같습니다.

[ 그림 3 ] SFILES 를 이용한 PFD 문자열 변환 예시

SFILES 2.0은 SFILES 보다 더 복잡한 도면에 쉽게 적용할 수 있도록 일부 규칙이 변경되었습니다.

언어 모델은 T5 Model 적용하였고, 적용 결과, top-5 accuracy 기준 74.8% ( 10,000장 도면 기준 ) 을 보였다고 합니다.

본 논문은 아래 글로 마무리를 합니다.

"According to the UNESCO AI may assist humans in decision-making for efficiency reasons, but an AI algorithm does not replace human responsibility in safety-critical decisions"

"인공지능은 인간을 보조하기 위한 것이지, 궁극적인 책임을 대체할 수 없다" 는 이야기 인데요,

건설 업계에서 인공지능의 요구하는 정확도 수준은 매우 높습니다. 앞선 부실 공사 사례와 같이 사람의 생명과 안전으로 이어지기 때문이죠.

본 논문의 향후 계획으로는 복잡한 P&ID 생성하는 것, 그리고 도면 검증입니다, 앞으로 건설 업계에서 AI의 영향이 기대됩니다!

해당 논문에서 사용한 SFILES2, T5 모델은 GitHub 및 Huggingface 에 공개되었으니, 한번 확인해보셔도 좋을 것 같습니다!