Development of Collaborated Self-Control System for an Automated Earthworks

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토공작업 자동화를 위한 협업 시스템의 개발

Development of Collaborated Self-Control System for an Automated Earthworks

정황훈․조기용

Hwang Hun Jeong and Ki Yong Cho

1. 서 론

미국을 비롯한 대부분의 선진국이 가지고 있는 사회 문제 중 하나인 고령화는 숙련 인력의 퇴직으 로 인한 생산성 감소를 야기하는 사회 현상으로 농 업이나 건설업과 같이 생산성이 낮고, 인력의 직접 적인 영향이 큰 산업에서 많은 문제점을 발생 시킨 다¹⁾. 스마트 건설기술은 건설업에 있어 고령화로 인 해 발생하는 생산성의 저하, 건설 안전 문제를 해결 하기 위한 방안으로, 건설에 첨단기술(BIM(Building Information Modeling), 드론, 로봇, IoT(Internet of Thing), 빅데이터, AI(Artificial Intelligence) 등)을 융 합한 기술이다. 이러한 스마트 건설 기술은 영국 (Construction2025, 2013), 일본(i-Construction, 2017), 싱가포르(Construction 21, 2016) 등에서 건설 산업의 생산성 향상을 위해 정책을 추진하고 있는 중이며, 3D 프린팅 기술(미국), 콘크리트 주택(중국) 등의 새 로운 형태의 건설기술을 적용하고 있는 중이다.

하지만, 한국의 건설 산업의 경우 정보통신, 제조, 석유 가스 산업에 비해 디지털화에 때린 생산성 증 가율이 매우 낮은 편(1%)이며, 건설 기술의 개발 또 한 기술 선진국들을 추격하는 단계에 있다.

건설기계부품연구원은 건설기계 관련 기술에 대 한 심층 연구와 시험 인증을 통해 국내 건설기계산 업의 진흥을 목적으로 설립된 전문생산기술 연구원 으로 특수 목적 기계용 부품 및 시스템을 개발, 시 험하기 위한 인프라를 구축하고 있다. 본 기술해설 에서는 스마트 건설 기술에 대한 기술동향을 살펴 보고, 본원에서 수행하고 있는 토공작업 자동화를 위한 협업 시스템 개발에 대하여 소개하고자 한다.

2. 스마트 건설기술 동향

스마트 건설 기술은 건설의 전 단계에 첨단 기술 을 적용하여, 숙련공이 없거나 작업 인력이 부족하 더라도 균일한 건설 품질을 유지하면서도 건설 현

장에서의 안전을 보장하는 기술을 의미한다. 설계 영역에서는 건설 및 운영을 위한 통합관리를 3D 가 상공간에서 수행하는 기술, 시공 영역에서는 날씨나 민원 등에 영향을 받지 않고, 비숙련 인력이 고도의 작업이 가능하도록 하는 기술, 유지관리 영역에서는 시설물의 정보를 실시간으로 수집하고 분석하여 최 적의 상태를 유지하는 기술이다.

2.1 시장 동향

스마트 건설 기술에 있어 1999년에서 2019년까지 가장 많은 투자가 이루어진 부문은 프로젝트 관리 부분으로 21억 달러에 이르며, 그 뒤를 이어 BIM(5.24억 달러), Connectivity(4.21억 달러), Smart Equipment(1.61억 달러) 순이다²⁾.

Fig. 1 Global construction technology investment

세계 상위 20위 건설기계업체는 2018년 기준 미 국의 Caterpillar, John Deere, Terex를 비롯하여 일본 의 Komatsu, Hitachi Construction Machinery 그리고 스웨덴의 Volvo Construction Equipment, 중국의 XCMG, Sany, Zoomlion, 독일의 Liebherr, 한국의 두 산인프라코어, 현대건설기계 등이 포함되어 있다³⁾.

국내 건설기계 시장의 경우 국내 SOC(Social Overhead Capital) 투자의 감소에 따라 지속적인 감 소가 예상된다. 하지만, 머신 가이던스 및 머신 컨

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Table 1 Market share of Top 20 construction equipment company

rank company head

quarter

market share(%)

1 Caterpillar USA 12.6 2 Komatsu Japan 11.9 3 John Deere USA 5.5 4 Hitachi Construction

Machinery Japan 5.5 5 Volvo Construction

Equipment Sweden 5.2

6 XCMG China 4.8

7 Sany China 4.6

8 Liebherr Germany 4.4 9 Doosan Infracore Korea 3.7

10 JCB England 3.0

11 Terex USA 2.8

12 Sandvik Mining and

rock Technology Sweden 2.5 13 Zoomlion China 2.3 14 Epiroc Sweden 2.3 15 Metso Finland 2.0 16 Oshkosh Access

Equipment(JLG) USA 2.0 17 Kobelco Construction

Machinery Japan 1.9 18 CNN Industrial Italia 1.6 19 Sumitomo Heavy

Industries Japan 1.6 20 Hyundai Construction

Equipment Korea 1.5

트롤 장비의 경우 도심지 재개발에 따른 시공시 간 단축 및 소음, 분진 최소화 및 초고층화에 따른 정밀 시공 수요 증가에 따라 지속적인 수요 증가가 예상된다.

Fig. 2 Estimation of local construction market (한국건설기계산업협회, 2019년 10월 실적 기준)

글로벌 머신컨트롤 시장은 주요 센서와 측정시스 템인 Total Station, GNSS, Laser Scanners, Airborne Systems, GIS Collectors가 전체의 약 95.7%을 차지하 고 있으며(2020년 기준), Total Station과 GNSS가 전 체의 55.7%로 가장 큰 부분을 차지하고 있고 2013

∼2022년 기간 동안 GNSS가 15.8%의 CAGR로 가 장 높다.

건설장비 시장에서 자율 작업 및 자율 주행의 지 능화 기술 적용이 가장 큰 시장은 굴착기이다. 따라 서 본 원고에서는 굴착기에 대한 협업 시스템 개발 과제에 대해 설명하고자 한다.

Fig. 3 Excavators expected to hold the largest size of the M.C market

2.2 기술 동향

혁신적인 생산성 향상이 가능한 스마트 건설 기 술은 향후 미래의 새로운 비즈니스 모델로 급부상 하고 있으며, 새로운 가치 창출을 위한 ICT 융합을 통해 건설기계의 스마트화가 가속화되고 있는 실정 이다. 이에 따라 건설기계 자동화를 위한 전자제어 구동 부품의 국산화, 건설 융합 스마트 시스템 및 서비스 통합 기술 개발이 추진되고 있으며, 건설기 계-작업자-인프라 간의 연결성 확보와 건설기계 완 성차의 지능화 및 핵심 기능 부품의 전자화가 필수 로 요구되고 있다. 특히 실제 사용 환경에서의 안전 및 효율성에 대한 장기적인 실증이 요구되고 있다.

Caterpillar, Komatsu 등 전통적인 건설장비 제조 선진사는 머신 컨트롤 장비와 무인장비 개발을 위 한 기술을 진행 중이며, Trimble, Topcon, Leica 등 센서 솔루션 공급업체는 기존 장비에 GNSS 및 각 종 센서 융합 기술을 바탕으로 한 After Market用 MG/MC 솔루션 시장 선점을 위해 노력하고 있다.

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이러한 솔루션 공급업체는 지능형 건설장비를 포함 한 토공 운영을 효율화하는 통합 공정 관리 솔루션 을 새로운 비즈니스 모델로 선정하고 장비 제작사 와 협업을 통하여 빠르게 시장을 창출하고 있다.

국내 자율주행 및 인공지능, 통합 운영 분야는 국 가 주도의 R&D 사업으로 활발하게 진행 중이며, 종 합시공사 중심으로 지능화 기술을 작업장 안전 관 점에서 시범적으로 진행하고 있다. 두산인프라코어, 현대건설기계는 자사 굴착기에 외산 MG(Machine Guidance) 기술을 사용자가 옵션으로 장착할 수 있 도록 서비스 출시하였으며, 빠르게 자체 MC (Machine Control) 기술 상용화에 노력하고 있다.

2020년 전후로 각각 20톤급 굴착기에 대한 제품 출 시를 계획하고 있다.

Table 2 Self-Control technology of Construction Equipment

Company Self-Control System

Hyundai Construction Equipment

Machine Guidance Excavator

Doosan Infracore

Machine Guidance Excavator

Concept X

KOCETI

Smart excavator

Yongshin DNC

Smart excavator

Table 3 construction management and operation system

Company Management and Operation System

KICT

Smart Management and Operation platform

Daewoo Engineering

& Construction

Daewoo Smart Construction

Hyundai Engineering

& Construction

HIos Platform

Taesung SNI

Taesung SNI BIM

Hanyang Univ.

SiteCop^TM

최근 IoT 및 네트워크 기술을 바탕으로 건설 플 랫폼 기술이 개발되고 연구가 진행되고 있으며, 관 련 기술의 급격한 발전에 의해 대형 건설사를 위주 로 플랫폼을 실제로 적용하고 있는 사례가 국내에 서도 나타나고 있으나, 아직 전면적인 확산에는 이 르지 못한 상태이다.

2.3 정책 동향

건설기술 선진국에서는 스마트 건설기술의 상용 화를 위해 다양한 정책을 실시하고 있다. 국내의 경 우 조달청의 업무지침에 따라 BIM 기술을 설계 과 정에 한하여 부분적으로 적용하고 있으며, 측량이나 토공량 산출을 드론을 이용해 일부 현장에서 시범 도입하고 있다. ICT 기술의 경우 현장과리 목적으로 일부 기업에서 제한적으로 사용하고 있으며, 시공 정보 공유를 위한 AR/VR 기술이 개발되고 있다.

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Table 4 Trend of Smart Construction Policy

Country Policy

영국

- ‘Construction 2025’를 통해 건설산업 혁신 방안으로 건설 산업의 스마트화를 강조.

- ‘Government Construction Strategy 2016-2020’에서 ‘디지털기술 활용 확대’

를 지시

일본

- 숙련인력 감소(2014, 340만명 → 2024, 110만명)에 대히해 2025년까지 건설생산 성 20% 향상을 목표로 ‘I – Construction’

을 추진

- 건설과정에 3차원 데이터 도입, ICT 장비 등 신기술을 활용하여 건설을 자동화, 무 인화 함.

- 시공 자동화 장비 개발(Komatsu)

싱가포르

- ‘Construction 21 운동’을 통해 생산성 향 상 추진

- 자동화 장비 및 로봇, BIM/가상 설계 및 시공 등 7대 핵심 기술 분야를 선정하고 기술개발 로드맵 발표(2016)

- 국가사업에 BIM을 의무화하고, 도시관리 차원에서 Virtual Singapore(도시 전체 3D 모델링)로 확대

미국

- 스마트 건설기술 스타트업 활성화 및 BIM 적극 활용

- 빅데이터, IoT 기술, 웨어러블 장비 등을 개발하여 현장관리에 활용함으로써 건설 현장의 생산성 및 안정성을 향상

- AutoDesk, Bentley 등은 건설 전 프로세스 의 정보를 통합관리하는 BIM을 연구 - DAQR사는 BIM 데이터를 스마트 헬멧에

탑재하여 시공 정보를 실시간으로 확인 - Onuma사는 자동화 기술로 1시간에 1,000

만 개의 설계안을 만들고 최적 설계안을 결정

3. 협업 시스템 개발

산업통상자원부에서 지원하고, 건설기계부품연구 원에서 주관하고 있는 “토공작업 자동화를 위한 협 업 운영 시스템 및 무인 굴착기 기술 개발”사업은 ICT 기술과 로봇 기술을 적용한 굴착기를 활용하여 소규모 토공현장의 굴착기-트럭, 굴착기-굴착기 사 이의 협업 작업을 무인화하고, 공정 계획 및 운영 플랫폼과 연계하여 소규모 작업장에 적합한 굴착기- 트럭 협업 운영시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 또한, 굴착기 버켓 끝단을 기준으로 작업지형 을 실시간 계측하여 시공 정보를 실시간으로 디지

풀 전자 제어 밸브 시스템 및 모듈화

Temperature sensor Accelerometer

Steering angle sensor

Valve module

Remote & I/F device GNSS antenna

Machine position module

Total station target Communication

Controller

환경인식 자율 작업, 자율 주행 협업 운영 시스템

공정 계획 및 모니터링

협업 자동화70%이상, 토공 생산성20%향상

굴착기 자율 작업과 경로 추종 주행 기술을 통한 협업 작업 자동화 및 운영 시스템 - (핵심기술 1) 굴착기-트럭 협업 자동화 기술 개발

•경로 추종 주행 및 자율 작업이 가능한 Level 3 지능형 굴착기 기술 개발

• Vision 기반 객체 인식 및 협업 작업 모션 제어 기술 개발

•작업자 운전 분석을 통한 AI 기반 경로 추종 제어 기술 개발 - (핵심기술 2) 협업 자동화를 위한 관제 및 운영 시스템 개발

•토공 작업 관제 및 공정 스케쥴링 시스템 개발

•지능형 굴착기 차량 운영 시스템 개발

센서, 제어기, 사용자 인터페이스

Fig. 4 The project’s object

털화하여 협업을 계획/운영함으로써 협업 작업 자동 화율 70% 및 토공 작업 생산성 20% 향상을 목표로 한다.

과제의 최종목표를 달성하기 위하여 굴착기-트럭 협업 자동화 기술 및 협업 자동화를 위한 운영 시 스템을 개발할 예정이며, 각 핵심기술에 따른 세부 기술을 선정하여 연구를 구체화하였다.

4. 결 론

인구 구조의 고령화는 각 산업 구성원 비율에서 숙련공을 줄여 산업의 생산성을 떨어뜨리는 문제 점을 발생시킨다. 현재의 업무 프로세서 내에서 인 력의 비중이 큰 건설 산업은 고령화에 영향이 타 산업에 비해 크기 때문에 스마트 건설기술을 적용 하여 산업의 생산성 향상시킬 필요가 있다. 특히 작업자의 안전 부분에 있어 스마트 건설기술은 필 수 불가결한 기술이다. 본 해설에서는 “토공작업 자동화를 위한 협업 운영 시스템”의 타당성을 확 인하기 위하여 다음과 같이 스마트 건설기술을 확 인하였다.

- 스마트 건설 기술이 필요한 이유를 사회현상(고 령화)을 통해 확인하였고, 스마트 건설 기술에 대한 정의를 수행하였다.

- 건설 기계 시장 동향을 확인하고, 이에 따른 기 술 동향 및 정책 동향을 확인하였다.

- 건설기계부품연구원에서 수행하는 스마트 건설 기술 과제의 최종목표를 정의하고 이를 수행하기 위한 간략한 절차를 설명하였다.

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후 기

이 연구는 2020년도 산업통상자원부 및 산업기술 평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임 (‘20010776’)

참고 문헌

1) 국토교통부, “건설 생산성 혁신 및 안전성 강화 를 위한 스마트 건설기술 로드맵”, 국토교통부, pp. 1～6, 2018.

2) 한국건설산업연구원, “건설동향브리핑”, 한국건설 산업연구원, No. 740, pp. 1, 2020.

3) 정만태, “세계건설기계산업의 최근 시장·기업 동 향과 시사점”, KEIT, pp. 70∼79, 2020.

[저자 소개]

정황훈