Economic Feasibility Analysis for Introducing Integrated Management System for Supporting Underground Construction

施 工 管 理

第30卷 第5D 號·2010年 9月 pp. 513~522

지하구조물건설 현장지원 통합관리시스템 도입을 위한 경제적 타당성 분석

Economic Feasibility Analysis for Introducing Integrated Management System for Supporting Underground Construction

백현기*·장용구**·서종원***

Baek, Hyeon Gi·Jang Yong Gu·Seo, Jong Won

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Abstract

Underground construction for traffic networks, complexes, and storage facilities has risen as an effective land use plan for dealing with emerging problems such as overcrowded urban cities and traffic jams. This paper performed an economic fea- sibility analysis of the development of the integrated field management system which provides field workers and managers with 3D-based location tracking and clear communication during underground construction works. To conduct the analysis, processes and problems of field management for underground construction were analyzed and deduction in accidents and field management costs and productivity improvement were estimated as expected benefits. Based on computed benefits and costs, an economic analysis was conducted using Benefit/Cost ratio(B/C), Net Present Value(NPV), and Internal Rate of Return(IRR) and then sensitivity analysis was performed to cope with the uncertainty of assumed variables.

Keywords : field management, underground structure, tunnel, economic feasibility

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요 지

도시인구 과밀현상, 지상도로교통망 포화 등의 문제를 해결하기 위한 효율적 토지활용방안으로 지하도로교통망, 복합단지, 저장시설 등 다양한 형태의 지하구조물 건설이 증가하고 있다. 본 연구에서는 지하구조물 시공 시 열악한 환경에 적합한 작 업자의 3차원 위치와 통신 연락을 위한 현장지원 통합관리시스템 개발의 경제적 타당성 분석을 수행하였다. 본 분석을 위해 터널 및 지하철건설을 대상으로 현장조사 및 작업자 설문조사를 수행하여 현행 지하구조물 건설 현장관리 프로세스 분석, 문제점 파악 및 시스템 도입을 통해 발생할 것으로 예상되는 편익의 정량적 도출을 실시하였으며, 본 시스템 도입으로 발생 할 것으로 예상되는 사고감소, 현장관리비 절감, 생산성 향상을 편익으로 추정하고 경제성 분석기법인 편익/비용비(B/C), 순 현재가치(NPV), 내부수익률(IRR)을 활용하여 시스템 도입의 경제적 타당성 분석을 수행하였다. 분석 결과, 편익/비용비는 1.79로 도출되었으며, 순현재가치와 내부수익률은 각 103,423,797원, 47.01%로 산출되어, 본 시스템 도입의 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었으며, 변수들의 불확실성을 고려하여 민감도 분석을 실시하였다.

핵심용어 : 현장관리, 지하구조물, 터널, 경제적 타당성

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1. 서 론

최근 도시인구 과밀현상, 지상도로교통망 포화 등의 문제 를 해결하기 위한 효율적 토지활용방안으로 지하공간건설에 대한 관심이 급속히 증가하고 있다. 이에 지하공간개발에 대 한 다양한 연구가 행해졌으며, 신상영(2007)은 기술발전에 따른 지하공간개발 중장기 전망으로 단기적으로 지하 교통 망 구축, 지하공동구화 및 지하비축시설 설치, 중기적으로 한 국-중국, 일본을 연결하는 국제 간 해저터널 건설, 장기적으 로 지하터널을 통한 국제적 대도시간 자기부상열차 운행을

통해 일일생활권화 실현을 제시하였다. 현재 지하공간은 도 로교통망 형성을 위한 도로터널, 철도터널 및 지하철뿐만 아 니라 대규모 문화·상업·주거복합단지, 지하공동구, 에너지 및 식품저장시설 등 다양한 형태로 활용되고 있다.

지하구조물건설은 지상에서 진행되는 건설공사와 다른 지 형적 특수성의 영향으로 전파장애로 인한 통신장애, 지질예 측 불확실성으로 인한 공사지연, 심각한 인명 및 재산피해를 초래하는 건설재해와 같은 문제가 발생한다. 최근 지하구조 물의 대형화, 장대화, 대심도화로 지하구조물 건설현장 내부 음성통신장애로 인한 작업지시 및 보고 어려움, 작업자 위치

*한양대학교 건설환경공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국건설기술연구원 U-국토연구실 수석연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])

***정회원·교신저자·한양대학교 건설환경공학과 부교수·공학박사 (E-mail : [email protected])

추적의 불가로 인한 위치파악시간 소요 및 위험지역 출입통 제 어려움 등이 발생하고 있으며, 이는 공사효율성 및 작업 자 안전관리에 부정적 영향을 초래한다. 뿐만 아니라, 최근 건설현장 안전관리의 중요성이 부각되고 있지만, 붕괴사고가 빈번히 발생하는 지하구조물건설 현장 지형적 특성으로 인 한 통신환경 구축 어려움으로 작업자 안전관리 및 사고 발 생 후 구조작업에 어려움이 발생하고 있다(장용구 등, 2009).

이러한 문제를 해결하기 위해 최근 RFID(Radio Fre- quency Identification) 기술의 보급과 더불어 건설현장 내 자 재 및 인력관리시스템 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Jang과 Skibniewski(2009)는 센서기반의 건설자재 위 치추적 장비의 개발과 이를 통한 인력절감을 중심으로 경제 성 분석을 실시하였고, 이현수 등(2009)은 재해원인 중 가변 적 요소인 불안전한 행동 관리를 위해 위치추적기술을 적용 시킨 BIM(Building Information Modeling)기반의 건설현장 안전관리 시스템을 개발하였다.

최근 건설 자동화 장비 및 신공법 개발의 타당성 분석에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 이정호 등(2006)은 크랙실 링 자동화 장비의 개발 및 장비 도입에 따른 노무비 절감과 장비 개발을 위한 비용을 중심으로 경제적 타당성 분석을 실시하였고, 이준복과 한충희(2008)는 공동주택공사의 건설 용 리프트를 이용한 양중계획의 타당성 분석을 위해 작업효 율성에 대한 공기단축일수와 작업자의 인건비 절감액을 산 정하여 경제성 분석을 실시하였으며, 이태식 등(2005)은 건 설현장에 Telematics 기술 적용에 대한 경제성 분석을 위해 기술도입에 따른 초기투자 비용과 시스템 구축으로 인한 노 무비 절감, 작업시간 증대로 인한 생산성 증대를 중심으로 경제적 타당성 분석 고려요소를 도출하였다.

최근 IT기술의 발달과 더불어 GPS, PDA 등을 활용한 건설현장관리시스템 개발에 대한 연구가 진행되고 있지만, 지하구조물 건설단계에서 작업자 간 통신 및 위치파악 등의 현장관리를 위한 통합관리시스템 개발 및 개발을 위한 경제 적 타당성 분석에 대한 연구의 수행이 이루어지지 못하고 있다.

본 연구는 지하구조물 시공 시 열악한 환경에 적합한 작

업자의 3차원 위치와 통신 연락을 위한 현장지원 통합관리 시스템 개발의 경제적 타당성 분석을 위한 기초연구로서, 지 하구조물 중 폐쇄구조와 장대화로 현장관리의 어려움이 발 생하는 터널과 지하철건설을 대상으로 분석을 수행하였다.

본 분석을 위해 현장조사, 작업자 인터뷰 및 설문조사를 통 해 현재 진행되고 있는 지하구조물건설 현장관리 프로세스 분석 및 문제점 파악을 실시하였고, 이를 바탕으로 현장지원 통합관리시스템 도입에 따른 정량적 편익 도출을 실시하였 다. 경제성 분석기법인 편익/비용비(B/C: Benefit/Cost ratio), 순현재가치(NPV: Net Present Value), 내부수익률(IRR:

Internal Rate of Return) 분석 기법을 활용하여 경제성 평 가를 수행하였으며, 손익분기점 분석 및 변수들의 불확실성 을 고려하여 민감도 분석(sensitivity analysis)을 실시하였다.

2. 터널건설 및 재해 현황

2.1 국내 터널건설 현황

효율적인 국토활용을 위한 지하공간건설 방안 중 터널은 1900 년을 전후로 국내에 도입되어 2008년을 기준으로 그림 2 와 같이 약 1,500km가 건설되었다. 국내 터널은 교통망, 공동구, 수로 등 다양한 목적으로 건설되었으며, 이 중 국가 교통망 구축을 위한 도로터널, 철도터널 및 지하철이 총 1,334km 로 국내 터널건설 중 87%이상을 차지한다. 국토의 70% 가 산악부로 되어 있어 지형적 특성상 양호한 선형 확 보와 교통량 증가에 따른 차선 증가 및 신설도로 건설 확대 로 인해 도로 및 철도 터널의 건설이 증가하고 있고(한국터 널공학회, 2009), 이러한 경향은 1990년대 중반부터 뚜렷이 나타나고 있다.

국내 터널 중 절반이상을 차지하는 도로터널건설은 그림 3 과 같이 1990년 이후 급속히 증가하였으며, 2008년 기준 1154 개소, 연장 806km가 건설되었다. 더불어 1978년 남산3 호터널 건설을 시작으로 1km이상의 장대터널의 건설도 증가 하여 전체 도로터널 연장 중 46%인 368km가 건설되었으며 ( 국토해양부, 2009), 도로 직선화 및 고속화 추세로 장대터널 건설이 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 철도터널은 1905년 경부선 건설을 시작으로 현재까지 꾸준히 증가하여 전체

그림 1. 연구흐름도

그림 2. 국내 터널 현황

그림 3. 도로터널 연장 및 장대화 현황

576 개소, 355km가 건설되었으며, 이 중 190km가 경부고속 철도터널이다(한국철도기술연구원, 2008). 철도터널은 현재 건설 중인 오송~목포간 호남고속철도가 완공되면 400km로 증가할 것으로 예상되며, 고속철도 도입으로 인한 지속적인 건설 증가가 예상된다. 지하철은 1974년 7.8km 1호선 개통 을 시작으로 현재 서울을 포함한 6개 도시에서 건설이 이루 어졌으며 총 연장 567km 중 173km의 터널건설이 완료되었 고, 계속하여 건설이 진행 중이다.

2.2 터널건설 재해 현황

본 연구에서는 한국산업안전보건공단에서 발행하는 산업재 해원인조사 재해보고서를 바탕으로 2004-08년에 발생한 건 설재해 현황을 분석하였다. 분석 결과, 그림 4와 같이 지하 철·전철공사와 터널공사 중 발생한 건설재해는 전체 건설

재해 중 15.83%를 차지하는 토목공사의 각 3.02%, 0.89%

를 차지하는 것으로 분석되었다. 지하철·전철공사와 터널공 사 중 발생한 건설재해 유형을 조사한 결과, 그림 5와 같이 지하철·전철공사 중 발생한 건설재해는 추락과 전도·전복 이 절반 이상을 차지하였고, 터널공사의 경우 주로 전도·전 복 및 낙하·비래의 형태로 건설재해가 발생하는 것으로 분 석되었다.

3. 지하구조물건설 현장관리 분석

본 연구에서는 건설현장 방문조사, 작업자 인터뷰·설문조 사 실시, 문헌조사를 통해 지하구조물건설 현장관리 분석을 수행하였다. 작업자 인터뷰는 현재 진행 중인 터널건설현장 방문조사 시 경력 10년 이상의 현장관리자를 대상으로 건설 현장 작업 상황파악, 작업자 위치추적, 작업지시 및 상황보 고, 시설현황 등을 중심으로 이루어졌으며, 현장관리자와 작 업자를 대상으로 설문지를 배부하여 회수된 21부를 대상으 로 현장관리 프로세스 분석과 문제점 파악을 수행하였다.

3.1 현장관리 프로세스

일반적으로 터널 및 지하철건설현장은 현장사무실과 이격 된 거리에 위치하므로 본 연구에서는 건설현장과 현장사무 실간 현장관리와 건설현장내부의 현장관리로 나누어 분석하 였으며, 건설현장과 현장사무실간의 이격과 건설현장내부의 통신장애 특성을 중점으로 현장관리 프로세스를 파악하였다.

현장조사 및 작업자 인터뷰 결과 건설현장과 현장사무실간 이격거리와 건설현장의 지형적 특성으로 건설현장과 현장사 무실 간 원활한 통신이 이루어지고 있지 않기 때문에, 작업 지시 및 상황파악을 위해 관리자가 직접 건설현장을 방문하 는 형식으로 현장관리가 이루어지고 있는 것으로 파악되었 다. 현장관리를 위한 방문은 평균적으로 1일 2-4회 이루어지 고 1회 3-4명 현장방문을 실시하고 있으며, 1회 현장방문 그림 4. 터널건설 재해 현황: (a) 전체 건설재해, (b) 토목공사

그림 5. 건설재해 유형: (a) 지하철·전철, (b) 터널

표 1. 재해발생 형태 및 정의

발생형태 정 의

추락 사람이 인력(중력)에 의하여 건축물, 구조물, 가설 물, 수목, 사다리 등의 높은 장소에서 떨어지는 것

전도·전복 사람이 거의 평면 또는 경사면, 층계 등에서 구르 거나 넘어짐 또는 미끄러진 경우와 물체가 전도·

전복된 경우

충돌·접촉

재해자 자신의 움직임·동작으로 인하여 기인물에 접촉 또는 부딪히거나, 물체가 고정부에서 이탈하 지 않은 상태로 움직임(규칙, 불규칙)등에 의하여 접촉·충돌

낙하·비래 구조물, 기계 등에 고정되어 있던 물체가 중력, 원 심력, 관성력 등에 의하여 고정부에서 이탈하거나 또는 설비 등으로부터 물질이 분출되어 사람을 가해

협착·감김

두 물체 사이의 움직임에 의하여 일어난 것으로 직 선 운동하는 물체 사이의 협착, 회전부와 고정체 사이의 끼임, 로울러 등 회전체 사이에 물리거나 또는 회전체·돌기부 등에 감김

붕괴·도괴 토사, 적재물, 구조물, 건축물, 가설물 등이 전체적 으로 허물어져 내리거나 또는 주요 부분이 꺾어져 무너짐

자료: 한국산업안전보건공단(2006)

시 1시간정도 소요되는 것으로 파악되었다.

건설현장 내부의 경우 건설공정이 사이클로 이루어져 순 환·반복적으로 진행되며, 폐쇄구조 및 단방향성의 작업현 장 특수성으로 통신 거리 및 선명도 확보가 어려워 후속작 업 지시를 위해 작업자가 직접 현장 내·외부를 이동하여 작업자 위치파악 및 작업지시를 실시하고 있는 것으로 파악 되었다.

표 2는 현장관리 프로세스 분석을 위해 현장작업자를 대 상으로 실시한 설문조사 결과이다.

현장관리를 위한 작업 상황파악은 직접 현장방문을 통해 이루어진다는 응답이 78%로 가장 높았으며, 무선통신기기와 최종보고가 뒤를 이어, 작업 상황파악을 위해 주로 현장관 리자가 직접 현장방문을 실시하는 것으로 파악되었다. 작업 지시 및 후속작업 준비를 위한 작업자 위치추적은 그림 6(b) 와 같이 직접 현장방문을 통해 이루어진다는 응답이 67% 로 가장 높았으며, 무선통신기기와 현황판을 이용한다는 응답이 뒤를 이었다. 작업지시 및 상황보고는 주로 작업 전 일괄적으로 이루어지며, 순찰 혹은 무선통신에 의해 이루어 진다는 응답이 뒤를 이었고, 작업장 내부 작업지시 및 상황 전파를 위한 작업자 간 의사소통은 육성으로 이루어진다는 응답이 55%로 가장 높았으며, 무선통신기기와 수신호가 각 각 27%, 18%를 차지하였다. 설문 결과, 현장관리자 및 작 업자의 직접 현장방문 및 위치파악을 통해 현장관리가 이루 어지고 있는 것으로 파악되었으며, 이 과정에서 불필요한 이 동시간 및 경비, 상황보고지연 등의 문제가 발생하는 것으 로 파악되었다.

현재 사용하고 있는 무선통신기기의 불편사항에 대한 설문 을 실시하였으며, 그 결과 그림 7과 같이 통신거리 확보 어

려움, 휴대 및 사용 불편, 혼선발생, 터널 내 통신 불가, 낮 은 통신선명도 순으로 조사되었고, 새로운 현장지원 통합관 리시스템의 도입을 통한 현장관리 향상효과에 대한 응답은 많을 것 64%, 조금 있을 것 29%로 조사되어 통합관리시스 템 도입에 대한 작업자의 긍정적 입장을 볼 수 있다.

3.2 현장관리 문제점 파악

현장관리 프로세스 파악 및 작업자 인터뷰를 바탕으로 문 제점 파악을 실시하였으며, 표 2와 같이 터널공사의 지형적 특성으로 발생하는 통신장애, 작업자 위치 추적 어려움, 기 존 장비 사용의 불편성 등으로 인한 시간 효율성 저하, 이 동경비 발생, 작업지시 및 상황보고 어려움, 신속한 상황전 파 어려움 등의 문제점이 발생하는 것으로 파악되었다.

4. VI-GNSS 기반 현장지원 통합관리시스템

4.1 시스템 구성

VI-GNSS(Voice Integrated-Global Navigation Satellite System) 기반 현장지원 통합관리시스템은 우선 작업자의 안 전과 소통을 위한 작업자시스템과 작업자 및 감독관을 통한 특정 현장에 대한 관제를 위한 현장관제시스템, 그리고 각 현장들 별로 구축된 현장관제시스템을 통합하고 모니터링하 는 중앙관제시스템으로 구성된다. 전체 시스템은 그림 9의 구성요소를 갖추고 있다.

각각의 시스템별 개발조건으로는 먼저, 작업자시스템의 경 그림 6. 설문결과: (a) 작업 상황파악, (b) 작업자 위치추적, (c)

작업지시 및 상황보고, (d) 작업자 간 의사소통 방법

표 2. 현장관리 문제점 파악 현장관리 문제점 파악

• 터널공사현장과 현장사무실 간 통신 어려움으로 인한 현장방문으로 관리자 작업시간 효율성 저하 및 이동 시 이동경비 발생

• 현장내부 소음 및 분진으로 작업자 간 의사소통 및 위치파악 어려움으로 충돌 및 협착 등에 의한 건설재해 발생

• 터널공사현장 지형적 특성으로 발생하는 통신장애로 인해 무선통신장비에 의한 작업현장 내·외부간 작업지시 및 보고 어려움

• 현장 외부로의 신속한 상황전파 어려움으로 사고 및 긴급 상황 발생 시 신속한 대처 및 상황전파 어려움

• 후속 작업지시 및 작업자 위치파악을 위해 작업현장 내·외부로 이동하는 시간과 이동경비 발생

• 작업현장 방문 및 추적을 통한 작업자 위치파악으로 작업대기 시간 발생

• 기존 통신장비 휴대 및 사용의 불편함으로 인해 잦은 분실 발생

그림 7. 무선통신기기 불편사항

그림 8. 현장관리 향상 효과

우 초소형 통합센서 모듈, 통신 안테나를 내장하고 있어야 하며, 작업자에게 무게, 장착 등에 있어 부담을 주지 않도록 안전모 또는 안전띠 형태의 장착이 가능해야 한다. 그리고 실시간 기반의 작업자의 3차원 위치추적과 고소음 환경에서 도 고음질의 음성 통신이 가능해야 한다. 현장관제시스템은 현장별로 별도로 설치 및 관리되는 통신 및 관제 시스템으 로 현장성을 고려하여 임시 설치를 전제로 한 이동성을 갖 는 형태로 갖추어야 하며, 1:N의 형태로 현장과 다수 작업 자간 통신이 가능해야 한다. 중앙관제시스템은 현장별로 취 합되는 모든 정보 및 시스템 상태 정도를 관제할 수 있어야

하며, 특정 현장에서의 긴급 상황을 대비한 긴급구조 네트워 크를 갖추어야 한다.

4.2 시스템 요소기술

열악한 지하구조물 건설현장에서 작업자 위치추적 및 음성 통신환경을 구현하기 위한 본 시스템의 요소기술은 GNSS기 술, 관성센서기술, 무선측위기술, USN기술로 구상되며, 지하 공간에서 작업자의 지속적인 위치추적을 구현하기 위해 GNSS 기술과 자이로센서와 가속도센서로 구성된 관성센서기 술, 통신환경을 구축하기 위한 USN기술과 무선측위기술의 활용이 필요하다(장용구 등, 2009).

4.3 현장 적용성 실험

본 연구에서는 건설 중인 경부고속철도 금정터널 입구 4km 구간을 대상으로 실시한 시스템 prototype 요소기술 성 능실험결과(장용구 등, 2009)를 인용하여 시스템 도입의 기 술적 타당성 및 현장 적용성에 대한 검토를 실시하였으며, 요소기술 성능실험에 사용된 장비 및 성능실험대상은 표 3 과 같다.

본 시스템의 기술적 타당성 및 현장 적용성 평가를 위한 요소기술 성능실험 결과, GNSS 인식거리실험에서는 절대측 위방법 약 100m, 상대측위방법 약 200m까지 위치추적이 표 3. 요소기술 성능실험(장용구 등, 2009)

요소기술 사용 장비 특 성 성능실험

GNSS

NovAtel GNSS Set

GNSS Antenas

: GPS-533/GPS-600-LB/GPS702GG Reference GNSS : PROPAK-V3

• 위치인식 성능실험

- 절대측위방법과 상대측위방법 정확도 - 절대측위방법과 상대측위방법 한계 인식거리

• 위치인식 성능실험

- 절대측위방법과 상대측위방법 정확도 - 절대측위방법과 상대측위방법 한계 인식거리 GNSS Repeater Roger GPS unit

: GPS Repeater GPSR-1

관성센서

SurStar DR GNSS+GYRO • 위치인식 성능실험

- GNSS 측위방식과 관성센서 정확도 비교

• 위치인식 성능실험

- GNSS 측위방식과 관성센서 정확도 비교 HGA500 GNSS+ACCELEROMETER

USN

IF100USB

(Gateway 용 Chip) 2LED display for running status monitoring • 통신 성능실험

- 지하공간에서의 장애물 영향 - 한계 통신거리

• 통신 성능실험

- 지하공간에서의 장애물 영향 - 한계 통신거리

SeNet12224D

(Sensor Node 용) 무선 Ad-hoc, Multi-hop 네트워크 구성

무선측위 시스템

MOS-5404( 본체) 메쉬 네트워킹/Ad-hoc P-P 멀티호핑 가능

• 통신 성능실험 - 영상화면 전송율 - 쌍방향 음성통신 ET-5PP24(5.8G)

ET-OM11(2.4G)

( 안테나) Micro-Strip 기술로 설계된 평면 사각 안테나

그림 9. 전체 시스템 구성도

표 4. 현장지원 통합관리시스템 비용산정

비용 100,000,000 원(초기), 5,000,000원(연간)

산출방법 • 구축비용(초기비용) = (현장관제시스템 ×구축 수) + (작업자시스템 × 구축 수)

• 구축비용(연간비용) = (작업자시스템 × 구축 수) × 유지관리요율

산출근거

구성요소 단가 비고

현장관제시스템 약 50,000,000원 GNSS 기준국(20,000,000원)/RF서버(10,000,000원) 시스템 서버(10,000,000원)/관련 S/W(10,000,000원)

작업자시스템 약 50,000,000원

50user 사용 (1user당 1,000,000원-팩키지화 ×50user) 구성단가(350,000원)-패키지화시 1,000,000원

메인 시스템(150,000원)/통신모듈(50,000원)/안테나 모듈(100,000원)

배터리 모듈(20,000원)/골전도 모듈(10,000원)/악세서리(20,000원)

가능하였고, 상대측위방법 중 RTK-GNSS, DGNSS와 절대 측위방법을 대상으로 한 정확도 측정 결과, 시스템 비용 및 지하 위치정보 오차범위를 고려하여 코드해석방식의 DGNSS 기술 활용의 적합성을 확인하였으며, 10m 이내 오차 결과를 보인 관성센서의 정확도를 기반으로 DGNSS시스템과 관성 센서의 통합 활용이 가장 적합할 것으로 분석되었다. 통신성 능실험에서는 USN 노드의 경우 내부 안테나 활용 시 통신 거리가 20m로 파악되어, 장대화 현장 적용을 위해 외부안테 나 기반의 USN 노드 활용이 필요할 것으로 판단되었으며, 무선측위시스템의 경우 영상정보와 음성통신 모두 중간 중 계기 설치 없이 4km 이상 통신거리를 확보할 수 있는 것으 로 파악되어 열악한 건설현장에서 통신거리 확보가 가능할 것으로 판단되었다(장용구 등, 2009).

요소기술 성능실험을 통해 본 시스템의 도입으로 지하공간 에서의 작업자 위치파악 정확도 및 통신거리 확보가 가능할 것으로 판단되며, 지하공간건설 장대화 현장 적용성 향상을 위해 외부 안테나 기반 USN 노드의 활용이 필요할 것으로 판단된다.

5. 비용 및 편익항목 개발

5.1 비용산정

현장지원 통합관리시스템은 작업자의 3차원 위치와 통신 연락을 위한 VI-GNSS 통합기술기반 시스템으로 1개 현장관 제시스템과 N개 작업자시스템 조합으로 이루어진다. 본 연 구에서는 중앙관제시스템을 제외한 현장지원 통합관리시스템 의 prototype 개발 자료를 기반으로, 제작에 필요한 장비 및 개발비를 평균 개발 대수로 환산하여 초기 1개 현장관제시 스템과 50개 작업자시스템 구축비용으로 표 4와 같이 약 100,000,000 원으로 추정하였고, 작업자시스템 유지관리를 위 해 연간 10% 유지관리요율이 발생할 것으로 가정하여 5,000,000 원의 연간비용을 산정하였다.

5.2 편익산정

현장관리 프로세스 및 문제점을 바탕으로 현장지원 통합관 리시스템 도입을 통해 발생할 것으로 예상되는 편익항목을 표 5와 같이 크게 사고 감소편익, 현장관리비 절감편익, 생 산성 향상편익으로 추정하였다.

5.2.1 사고 감소편익

본 연구에서는 사고 감소편익을 화폐가치로 산출하기 위해 터널과 지하철건설공사를 대상으로 현장지원 통합관리시스템 도입으로 예상되는 재해발생형태별 사고 감소효과를 추정하 고, 건설재해로 발생하는 연간 평균 손실비용을 기반으로 식 (1) 을 통해 편익을 산출하였다.

(1) 식 (1)에서, B는 사고 감소편익, t는 대상공사 종류, k는 재해발생형태, C는 연평균 전체 건설재해 손실비용, T

는 전 체공사 중 대상공사 t의 비중, P

는 대상공사 t 중 재해발 생형태 k 발생확률, ∆P

는 대상공사 t 중 재해발생형태 k 발생 감소확률을 의미한다.

한국산업안전보건공단의 과거 재해사례 조사를 바탕으로 표 6과 같이 터널 및 지하철건설 중 발생한 중대재해 발생 형태 현황 및 대책자료를 분석하여 현장지원 통합관리시스 템 도입을 통해 발생할 것으로 예상되는 사고 감소효과를 추정하였다.

본 연구에서는 현장지원 통합관리시스템 도입으로 GNSS

B C

k 1=

∑

∑

× ^T

× P

× ∆ P

=

표 5. 예상 편익항목 도출

편익항목 상세내용

사고감소 편익

• 신속한 상황전파 및 대처로 인한 사고 예방편익

• 신속한 상황전파 및 대처로 인한 사고 피해정도 절감편익

• 사고 후 현장구조작업 기술지원 편익 현장관리비

절감편익 • 기존 현장관리 시설비 및 유지·관리비 절감 편익

• 현장 방문 시 소요되는 경비 절감편익

향상편익 생산성

• 의사소통 용이성 및 정확성으로 인한 편익

• 실시간 작업지시로 작업대기 소요시간 감소편익

• 작업자 위치파악으로 작업대기 소요시간 감소편익

• 작업변경 및 상황보고 용이성으로 인한 편익

• 작업자 역할 대체로 인한 노무비 절감편익

• 현장사무실 - 공사현장 이동시간 감소편익 기타 • 외부와 연결되었다는 작업자의 심적 안정감

표 6. 터널 및 지하철건설 재해 발생형태 현황 및 대책

발생형태 횟수 대책 비율(%)

추락 23

추락방지시설 설치 65.2

관리감독자 배치 17.4

작업방법 개선 13.0

안전교육 실시 4.3

붕괴 5

사면 기울기 준수 20.0

부석제거 20.0

사전조사 철저 60.0

낙하 17

사전조사 철저 11.8

부석제거 64.7

위험지역 출입금지 11.8

낙석방호조치 5.9

관리감독자 배치 5.9

감전 8

접지 37.5

누전차단기 설치 37.5

관리감독자 배치 12.5

수시 점검 실시 12.5

협착 13

유도자 업무 철저 46.2

관리감독자 배치 7.7

지지조치 실시 15.4

작업방법 개선 30.8

폭발 5

화약관리 철저 40.0

절연조치 실시 40.0

작업장 환기 실시 20.0

충돌 4

유도자 업무 철저 25.0

관리감독 철저 25.0

작업장 정리정돈 철저 25.0

기타 25.0

기타 2 위험지역 출입금지, 작업방법 개선 100.0

기술을 이용한 작업자 위치추적 및 골전도 통신모듈을 이용 한 선명한 음성통신환경 구현을 통해 과거 재해사례 대책자 료 분석 결과 중 위험지역 출입금지와 유도자 업무 철저에 관한 사고 감소효과가 있을 것으로 예상하여, 낙하, 협착, 충돌에 의한 재해에 대하여 각 11.8%, 46.2%, 25.0%의 사 고 감소효과가 발생할 것으로 추정하였다.

건설재해로 인한 손실비용을 산출하기 위해 한국산업안전 보건공단에서 제시하는 손실비용 산출 방법을 적용하여 치 료비, 휴업보상비, 장해보상비 등을 포함하는 직접손실액과 부상자 시간손실, 기기 등 재산손실 등을 포함하는 간접손실 액의 합으로 손실비용을 산출하였다. 이를 위해, 직접손실액 은 건설재해로 인한 산재보험급여지급액(근로복지공단 노동 보험연구원, 2010)으로 추정하였고, 간접손실액은 하인리히 방식에 의하여 직접손실액의 4배로 계상하여 표 7과 같이 연간 손실비용을 산출하였다.

식 (1)과 위의 도출된 항목별 결과를 바탕으로 연간 5,016,596,191 원의 사고 감소편익이 발생할 것으로 분석되었 으며, 1개 현장을 기준으로 분석을 수행하기위해 연간 사고 감소편익을 국토해양부에서 제공하는 2007년 발주기관별 세 부공종별 기성실적을 바탕으로 도로터널, 철도터널 및 지하 철 501개 현장수로 나누어 1개 현장에 대하여 추정하여, 1 개 현장에서 연간 10,013,166원의 사고감소편익이 발생할 것 으로 도출되었다.

5.2.2 현장관리비 절감편익

본 연구에서는 현장관리비 절감편익을 기존 현장관리 장비 절감과 이동 시 발생하는 경비절감으로 나누어 분석하였다.

현장조사를 통해 터널건설현장에서 사용하는 현장관리 장비 를 파악하였으며, 조사결과 작업자 간 의사소통을 위한 무선 통신장비, 작업자 위치 파악을 위한 출입자 현황판, 현장 상 황파악을 위한 CCTV 및 작업상황판, 위험상황 전파를 위한 유선전화기, 사이렌 등을 사용하는 것으로 파악되었다. 본 연 구에서는 현장지원 통합관리시스템 도입을 통해 기존 무선 통신장비의 역할을 최소화할 수 있을 것으로 판단되어, 조사 결과 가장 보편적으로 사용되는 무선통신장비인 무전기를 편 익도출 대상으로 선정하였다. 기존 무전기 사용은 지하공간 의 지형적 특성상 통신거리 확보 및 통신 선명도 확보에 어 려움을 해결하기 위해 터널공사현장 내부에 중계기를 설치 하여 사용하는 것으로 조사되었다. 무전기 사용대수와 중계 기 설치 대수는 현장마다 근로자 수와 통신환경 특성에 따 라 다르지만, 본 연구에서는 일반무전기의 경우 1개 현장 작업인원 50명을 기준으로 무전기 15대, 중계기 4대를 사용 하는 것으로 추정하였으며, 편익을 산출한 결과 표 8과 같 이 초기 장비구입 및 설치비용이 51,250,000원, 연간 전파 사용료 및 유지관리에 의한 비용이 1,305,000원으로 산정되

었다.

현장관리를 위해 현장사무실의 관리자가 직접 공사현장을 방문하면서 발생하는 이동경비와 후속작업 지시 및 작업자 위 치파악을 위한 공사현장 내·외부 이동경비를 최소화 할 수 있을 것으로 예상되어 편익으로 추정하였다. 현장관리 이동경 비는 현장사무실과 공사현장 사이의 현장관리자 이동경비와 공사현장 내·외부의 작업반장 이동경비로 나누어 이동 시 소요되는 연료비로 설정하였고, 현장사무실과 공사현장 사이 의 이동은 이동거리 5km, 1일 이동절감횟수 2회로 추정하였 으며, 공사현장 내·외부 이동은 1일 착암-버력처리-숏크리트 - 록볼트 3사이클, 1회 평균 이동거리 왕복 1km로 추정하여, 연간 1,120,000원의 편익이 발생하는 것으로 분석되었다.

5.2.3 생산성 향상편익

본 시스템 도입을 통해 작업자 간 음성통신이 가능하게 되며 현장지원 시스템이 모든 작업자를 대상으로 구축되므 로, 모든 작업자 간 음성통신이 가능하다는 점에서 작업인원 중 건설기계 이동을 유도하고 충돌을 방지하기위해 수신호 역할을 하는 건설기계운전조수의 역할을 최소화 할 수 있을 것으로 추정되어 편익으로 산정하였다. 표준품셈에서 제시하 는 1일 노무비용과 연간 실 작업일수를 300일로 가정하여 추정한 결과, 연간 16,584,600원의 편익이 산정되었다.

6. 경제성 분석

6.1 분석기법

경제성 분석은 제도 도입, 시스템 개발, 사업유치 등의 실 행 여부를 사전에 결정하는 분석기법 중 하나로, 건설산업에 서는 주로 항만, 고속철도 등 대규모 개발 사업에 대해 실 시되었으며, 최근 신공법 및 자동화 장비의 개발을 대상으로 확대되고 있다. 분석 방법은 일정기간동안 발생하는 비용과 편익을 화폐가치의 시간에 따른 변화를 고려할 수 있도록 동일한 시점에서 비교·분석하는 것이며, 본 연구에서는 경 제성 분석을 위해 주로 사용되는 평가기법인 편익/비용비, 표 7. 연간 건설재해 손실비용

년도 2004 2005 2006 2007 2008 산재보험급여

지급액(억원) 9,327 9,200 9,467 9,940 10,584 손실비용(억원) 46,633 45,997 47,334 49,697 52,920 자료: 근로복지공단 노동보험연구원(2010)

표 8. 무선통신장비 절감 편익

편익 51,250,000 원(초기), 1,305,000원(연간)

산출방법 • 절감비용(초기비용) = 장비비(1대) × 사용대수

• 절감비용(연간비용) = (장비비(1대) × 유지관리요율 + 통신비용) × 사용대수

산출근거

• 장비비(일반무전기, 1대): 750,000원

• 장비비(일반중계기, 1대): 10,000,000원

• 사용대수: 무전기 15대, 중계기 4대

• 통신비용: 3,000원(1대/분기) × 4분기

표 9. 현장 이동경비 절감 편익 편익 1,120,000 원(연간)

산출방법 • 절감비용 = 1회 이동거리 × 1일 이동절감횟수 ×연간 실 작업일수 ×연료비(L당) / 차량연비(km/L)

산출근거

• 1 회 이동거리: 현장사무실-공사현장 왕복 10km 공사현장 내·외부 왕복 1km

• 1 일 이동절감회수: 현장사무실-공사현장 2회 공사현장 내·외부 12회

• 연간 실 작업일수: 300일

• 연료비 및 차량연비: 1,400원/L, 12km/L

순현재가치, 내부수익률을 사용하여 분석을 수행하였다.

(2)

(3)

(4) 여기서, B

는 t년도에 발생한 편익, C

는 t년도에 발생한 비 용, i는 사회적 할인율, n은 평가기간을 의미한다.

편익/비용비는 식 (2)와 같이 표현되며 일정시점으로 할인 된 총 편익과 총 비용의 비율로서 일반적으로 그 값이 1보 다 클 경우 경제성이 있다고 판단하는 평가기법이고, 순현재 가치는 평가 전 기간에 걸쳐 발생한 편익과 비용을 산출하 여 각 시점에 할인율을 적용한 후 현재가치로 환산된 총 편 익과 총 비용의 차이로서 식 (3)과 같이 표현된다. 내부수익 률은 총 편익과 총 비용의 현재가치를 동일하게 만드는 할 인율로서, 기대되는 예상수익률을 의미하며, 일반적으로 사 회적 할인율 혹은 투자에 대한 최소기대 수익률 보다 클 경 우 경제성이 있다고 판단하는 평가기법으로, 식 (4)에서 r값 이 내부수익률이 된다.

6.2 분석의 전제

본 연구에서는 경제성 분석 기법인 편익/비용비, 순현재가 치, 내부수익률, 손익분기점 분석을 수행하였으며, 현장지원 통합관리시스템 도입으로 기존 통신장비를 대체할 수 있을 것으로 가정하여 이를 편익으로 산정하였다.

경제성 분석 과정에서 미래의 화폐가치를 현재가치로 환산 하기 위해 사용되는 사회적 할인율은 5.5%를 적용하였으며 ( 한국개발연구원, 2004), 편익과 비용을 비교 가능한 동일시 점으로 할인하기 위해 현장지원 통합관리시스템의 경제성 분 석기간을 무선통신장치의 사용연수인 8년으로 하였고, 사용 연수가 경과한 후 잔존가치는 없는 것으로 설정하였으며, 시 스템개발 투자에 대한 최소기대 수익률은 일반적 수준인 10% 로 가정하였다.

6.3 분석결과

그림 10은 현장지원 통합관리시스템 도입에 따른 초기 및 연간 비용과 발생편익을 보여주는 현금 흐름도이다. 본 시스 템 도입으로 인해 기존 현장관리장비보다 초기비용이

48,750,000 원 증가하지만, 시스템 유지·관리·보수비용을 제거한 순 연간편익이 24,022,766원 발생하는 것으로 산출되 었다.

현장지원 통합관리시스템 도입의 경제성 분석을 위해 현금 흐름을 바탕으로 편익/비용비, 순현재가치, 내부수익률을 분 석한 결과는 표 10과 같다.

경제성 분석 결과, 표 10과 같이 현장지원 통합관리시스템 도입의 편익/비용 비율은 1.79로 산출되었으며, 순현재가치와 내부수익률은 각 103,423,797원, 47.01%로 산출되었다. 이 는 각 지표의 경제성 확보의 기준치보다 큰 값으로, 현장지 원 통합관리시스템 도입으로 인해 추가적으로 발생하는 비 용보다 편익이 더 크다는 것을 의미하며, 본 시스템 도입의 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.

현장지원 통합관리시스템 도입을 통해 발생하는 편익이 어 느 시점에 투입비용을 초과하는지를 분석하는 손익분기점 분 석을 실시하였으며, 그 결과 손익분기점은 2.22년으로 분석 되었고, 이를 통해 약 2년3개월 사용기간을 기점으로 시스템 사용으로 인해 초기 투자비용을 상쇄하고 편익이 발생하기 시작하는 것으로 분석되었다.

6.4 민감도 분석

본 연구에서는 전제조건으로 설정한 변수들의 가정에 따라 분석의 결과가 달라지므로, 민감도 분석을 실시하여 가정된 변수들의 불확실성에 대한 결과 값의 변동을 분석하였다. 분 석전제조건으로 제시한 사회적 할인율과 사고감소편익 정도 B C ⁄ B

1 i + ( )

---

t 0=

∑

₍ --- _{1 i} ^C ₊

₎

∑

⁄

=

NPV B

1 i + ( )

---

t 0=

∑

₍ --- _{1 i} ^C ₊

₎

∑

–

=

IRR: B

– C

1 r + ( )

---

t 0=

∑

^{= 0}

그림 10. 현금 흐름도

표 10. 분석 결과

B/C NPV IRR

1.79 103,423,797 원 47.01%

그림 11. 민감도 분석: (a) 사회적 할인율, (b) 사고감소율

의 변화에 대한 분석 결과 값의 민감도 분석을 수행하였으 며, 결과는 다음과 같다.

사회적 할인율 변동에 대한 민감도 분석을 실시한 결과, 사회적 할인율이 증가할수록 편익/비용비 결과 값이 감소하 는 경향을 보이지만, 본 연구에서 가정한 사회적 할인율인 5.5% 를 기준으로 산출한 값과 비교하여 크게 변하지 않으며 모든 경우에서 편익/비용비의 경제적 타당성 기준치인 1.00 이상으로 나타나므로 사회적 할인율 변동에 대하여 경제적 으로 타당하다고 분석되었다. 그림 11(b)는 본 시스템 도입 으로 발생할 것으로 예상되는 사고감소효과에 대한 민감도 분석 결과로서, 본 연구에서 추정한 낙하, 협착, 충돌재해 감 소효과에 대하여 사고감소율의 변화 분석을 수행하였으며, 사 고감소율의 감소에 따라 편익/비용비가 작아지는 경향을 보 이지만 경제적 타당성 기준치 이상을 나타내는 것으로 분석 되었다. 사회적 할인율과 사고감소율 변동을 동시에 고려한 민감도 분석을 실시하였으며, 표 11과 같이 변수들의 변동에 대해 편익/비용비가 경제성 판단 기준치를 초과하는 것으로 분석되었다.

7. 결 론

본 연구에서는 지하구조물 시공 시 열악한 환경에 적합한 작업자의 3차원 위치와 통신 연락을 위한 현장지원 통합관 리시스템 개발의 경제적 타당성 분석을 실시하였다. 터널 및 지하철 건설현장을 중심으로 기존 현장관리 프로세스 파악 및 문제점 도출을 실시하였으며, 그 결과 현장사무실과 터널 공사현장 간 이격거리, 터널건설현장의 지형적 특성으로 인 한 통신장애, 작업자 위치 파악 어려움, 기존 무선통신장비 휴대 및 사용 불편 등의 문제점이 도출되었고, 본 시스템 도 입을 통해 크게 사고감소편익, 현장관리비 절감편익, 생산성 향상편익이 발생할 것으로 분석되었다. 편익을 정량적으로 산 출한 결과, 1개 현장을 기준으로 연간 10,013,166원의 사고 감소편익, 2,425,000원의 현장관리비 절감편익, 16,584,600원 의 생산성 향상편익이 발생할 것으로 도출되었다. 경제성 분 석 평가기법으로 편익/비용비, 순현재가치, 내부수익률을 사 용하여 본 시스템 도입의 경제적 타당성을 분석하였으며, 편 익/비용비는 1.79, 순현재가치는 103,423,797원, 내부수익률 은 47.01%로 도출되어 본 시스템 도입이 경제적 타당성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 손익분기점에 대한 분석

을 통해 2년3개월을 시점으로 초기비용을 상쇄하고 이익이 발생할 것으로 도출되었으며, 다양한 변수들의 향후 불확실 성과 가정사항의 변동을 고려하여 사회적 할인율과 사고감 소율에 대한 민감도 분석을 실시하여 변수들의 변동에 대한 경제적 타당성을 확보하는 것으로 분석되었다.

하지만 본 분석을 통해 도출된 결과는 현장지원 통합관리 시스템 개발을 위한 prototype 데이터와 할인율 등 변수들의 가정을 기반으로 한 것으로, 본 분석 결과의 활용 범위는 제한되며, 이를 극복하기 위한 향후 시스템 개발에 따른 현 장적용을 통한 다양한 분석이 요구된다.

본 연구의 결과는 향후 현장지원 통합관리시스템 개발을 위한 기초자료로서 활용될 수 있으며, 지하구조물뿐만 아니 라 다양한 건설현장 적용 및 건설 후 구조물 유지관리 활용 방안 등 추가적인 시스템 활용에 대한 연구 및 개발이 요구 된다.

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구분 사고감소율

할인율 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

2.5% 1.43 1.49 1.54 1.59 1.64 1.70 1.75 1.80 1.86 1.91

3.5% 1.41 1.46 1.51 1.56 1.61 1.66 1.71 1.76 1.81 1.87

4.5% 1.38 1.43 1.48 1.53 1.58 1.63 1.68 1.73 1.78 1.82

5.5% 1.35 1.40 1.45 1.50 1.54 1.59 1.64 1.69 1.74 1.79

6.5% 1.33 1.37 1.42 1.47 1.51 1.56 1.61 1.65 1.70 1.75

7.5% 1.30 1.35 1.39 1.44 1.48 1.53 1.58 1.62 1.67 1.71

8.5% 1.28 1.32 1.37 1.41 1.46 1.50 1.54 1.59 1.63 1.68

10.0% 1.25 1.29 1.33 1.37 1.42 1.46 1.50 1.54 1.58 1.63

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