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문제 정의
- 본 연구에서는 시뮬레이션 모델의 구축을 위해서 복잡한 건설 현장의 다양한 상황을 표현하는데 있어 필요한 여건을 제공하는 사건 중심(Event-Oriented)의 시뮬레이션 모델링 기법을 적용하여 실제 터널 버력처리 공정을 대상으로 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 불연속 사건 모델 구축을 위한 단계적 절차는 다음과 같다.
- 또한 건설 주요 공정에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 유사 공종에 대해 최소한의 수정으로 적용이 가능하다. 본 연구에서는 현장 장비 운영 데이터의 활용과 주요 공정에 대한 시뮬레이션 모델의 적용성을 검증하여 건설 공정계획 수립 시 시뮬레이션의 활용도를 높이고자 한다.
- 표 2와 같이 실제 수행된 현장 프로세스 및 데이터의 시간 값을 속도로 계산한 후 분류된 구간별로 속도 데이터들의 평균, 표준편차 및 변동계수 (COV)를 구하여 통계적 수치로써 나타내었다. 작업 차량 간 무선 교신을 통하여 차량 간 거리 및 위치를 파악함으로써 갱내 진출입 차량 간의 양방향 교행 발생 시 이동 특성도 분석하고자 하였다. 본선 내부 진출입 구간(C丄.
가설 설정
- 0m3)에 대한 적재 횟수를 산정하였다(표 5). 일반적으로 터널의 1회 굴착 길이는 3.0~3.5 정도이므로 60m2X 30m=180m3, 15TON 트럭(8.0m8) 23대의 버력량을 가정하였다. 백호우 용량과 트럭 대수별 시뮬레이션 수행결과는 그림 7 및 표 6과 같이 나타났다.
제안 방법
- 2) 트럭의 투입은 사갱입구에서 약 2분 간격으로 실시한다(현장 상황 반영 : 트럭의 투입 시간은 횡갱간 이동 시간을 초과하지 않으며, 순차적으로 한 대씩 투입).
- 1992)를 사용하였다(그림 3). 각 구간별 지연시간(Delay time)은 표 2와 같이 현장에서 측정한 시간 데이터를 속도로 변환한 후 그 값들의 평균값(평균 속도)을 이용하여 도출된 시간값을 입력하였으며 막장에서의 적재 시간 역시 측정값들의 평균 적재 시간값을 입력하였다. 이는 실제 현장을 시뮬레이션으로 재현함에 있어 구축된 모델의 적정성을 검증하기 위함이다.
- 시뮬레이션의 수행 후, 결과 분석을 통하여 현장에서 측정한 데이터와의 검증을 수행하였다. 또한 버력 처리시스템의 운행 주기(Cycle Times)를 결정하는 주요 요인을 분석하였으며, 장비 운영 계획의 수립에 있어서 시뮬레이션의 활용방안을 제시하였다.
- 모델을 구축함으로써 현장 특성을 구현하였다. 또한, 실제 건설공사에 대한 시뮬레이션의 활용성을 검토하고 현장 측정 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교 . 분석함으로써 시뮬레이션 모델의 적정성을 검증하였다.
- 0 그.리고 2.0同에대하여 트럭 대수를 4대, 6대, 8대 그리고 10대로 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였다. 백호우의 운행 주기는 현장에 측정한 데이터를 사용하여 1회 운행시간을 구하였으며, 백호우 용량별로 15TON 트럭(8.
- 0同에대하여 트럭 대수를 4대, 6대, 8대 그리고 10대로 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였다. 백호우의 운행 주기는 현장에 측정한 데이터를 사용하여 1회 운행시간을 구하였으며, 백호우 용량별로 15TON 트럭(8.0m3)에 대한 적재 횟수를 산정하였다(표 5). 일반적으로 터널의 1회 굴착 길이는 3.
- 본 연구에서는 교행 상황을 구현하고자 한번 이상의 운행 주기 (Cycle Times)가 발생한 영주방향의 버력처리 공정을 대표적으로 적용하였다. 버력처리 공정은 적재 -트럭 이동- 덤핑의 반복적인 주기로 이루어지며, 적재 장소와 교행 장소(횡갱 및 대기소)에서 트럭의 대기가 발생한다.
- 본 연구에서는 영동선~도계간 철도이설공사 현장의 버력 처리공정을 대상으로 하여 사건중심(Event -Oriented)의 시뮬레이션 모델을 구축함으로써 현장 특성을 구현하였다. 또한, 실제 건설공사에 대한 시뮬레이션의 활용성을 검토하고 현장 측정 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교 .
- 본 현장의 여건을 고려하여 주요 장비인 트럭과 백호우를 변수로 설정하였으며, 버킷 용량 0.4, 0.6, 1.0 그.리고 2.
- 또한, 실제 건설공사에 대한 시뮬레이션의 활용성을 검토하고 현장 측정 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교 . 분석함으로써 시뮬레이션 모델의 적정성을 검증하였다. 백호우 용량과 트럭의 투입대수를 변화 시켜 시뮬레이션을 수행한 결과, 백호우 용량을 높여 적재 시간을 줄이더라도 트럭 대수 증가에 따라 트럭간의 교행지체 시간과 막장에서의 대기 시간이 길어지게 되어 결과적으로 전체운행 시간의 단축효과가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 사갱 입구에서 출발하는 작업 차량에 탑승하여 구간별 이동 시간, 횡갱 내 대기 시간, 버력의 적재를 위한 대기 시간, 적재 시간, 적재 후 구간 별 막장 이탈 시간 그리고 임시 사토장에서의 적재된 버력의 덤핑 시간 등을 측정하였다. 표 2와 같이 실제 수행된 현장 프로세스 및 데이터의 시간 값을 속도로 계산한 후 분류된 구간별로 속도 데이터들의 평균, 표준편차 및 변동계수 (COV)를 구하여 통계적 수치로써 나타내었다.
- 시뮬레이션은 반복적으로 수행되는 토목 공사를 시간, 비용 측면에서 효율적으로 계획할 수 있도록 지원할 수 있을 뿐만 아니라, 건설 공사에 필요한 장비 운영 계획의 수립에 있어서 중요한 도구를 제공한다. 실제로 현장은 굴착량에 따라서 트럭 이동 거리 및 횡갱의 수 등의 조건이 변화되므로 시뮬레이션을 활용한 장비 운영 계획을 실시함으로써 보다 신뢰성 있는 의사 결정자료를 제공할 수 있을 것이다.
- 사건 중심의 시뮬레이션 모델 구축 방법론을 적용한 대표적인 프로그램인 SIGMA (Schruben 1992)을 이용하여 시뮬레이션 모델링을 구축하였으며. 시뮬레이션의 수행 후, 결과 분석을 통하여 현장에서 측정한 데이터와의 검증을 수행하였다. 또한 버력 처리시스템의 운행 주기(Cycle Times)를 결정하는 주요 요인을 분석하였으며, 장비 운영 계획의 수립에 있어서 시뮬레이션의 활용방안을 제시하였다.
대상 데이터
- 영주방향 현장의 버력 처리 시스템은 사갱입구로부터 막장까지의 거리에 따른 작업 효율성을 고려, 백호우와 덤프트럭을 이용한 장비조합으로 구성되어있다. 또한, 12시간을 단위로 일일 두 차례 발 파 및 굴착이 이루어지며 버력처리 공정은 전체 공정의 35%로써 가장 큰 비중을 차지하고 있어 시뮬레이션 모델 구축의 대상으로 선정하였다. 현장 현황과 터널 굴착 주기 및 막장에서의 교행 프로세스는 그림 1과 같으며, 표 1에서는 버력처리 공정이 이뤄지는 구간을 운행 조건에 따라서 분류하였다.
- 본 연구에서 적용한 현장은 영동선 동백산~도계간 철도 이설 건설공사로서 총 연장 16.2km인 장대 터널이며, 구간의 높이차로 인해 루프(Loop)형으로 설계되었다. 영주방향 현장의 버력 처리 시스템은 사갱입구로부터 막장까지의 거리에 따른 작업 효율성을 고려, 백호우와 덤프트럭을 이용한 장비조합으로 구성되어있다.
- 작업 차량 간 무선 교신을 통하여 차량 간 거리 및 위치를 파악함으로써 갱내 진출입 차량 간의 양방향 교행 발생 시 이동 특성도 분석하고자 하였다. 본선 내부 진출입 구간(C丄.~대기지점까지의 진입구간 및 막장~C.L.까지 이탈구간)에서 획득한 데이터를 시뮬레이션 모델링 구축에 있어서 입력 데이터로 활용하였다.
- 영동선 동백산~도계간 철도이설공사 현장에서 측정한 데이터를 활용하여 시뮬레이션 모델링의 입력값으로 적용하였다. 사건 중심의 시뮬레이션 모델 구축 방법론을 적용한 대표적인 프로그램인 SIGMA (Schruben 1992)을 이용하여 시뮬레이션 모델링을 구축하였으며.
데이터처리
- 시뮬레이션 모델의 적정성을 검증하기 위하여 버력처리 공정의 측정 데이터와 시뮬레이션 결과 데이터를 비교 . 분석하였다.
- 버력의 덤핑 시간 등을 측정하였다. 표 2와 같이 실제 수행된 현장 프로세스 및 데이터의 시간 값을 속도로 계산한 후 분류된 구간별로 속도 데이터들의 평균, 표준편차 및 변동계수 (COV)를 구하여 통계적 수치로써 나타내었다. 작업 차량 간 무선 교신을 통하여 차량 간 거리 및 위치를 파악함으로써 갱내 진출입 차량 간의 양방향 교행 발생 시 이동 특성도 분석하고자 하였다.
이론/모형
- 각 사건의 상태 변화와 사건 간의 상관관계 정의를 통하여 버력 처리 시스템의 시뮬레이션 모델을 구축하였으며, 사건 중심의 시뮬레이션 모델링을 지원하는 소프트웨어인 SIGMA(Schruben 1992)를 사용하였다(그림 3). 각 구간별 지연시간(Delay time)은 표 2와 같이 현장에서 측정한 시간 데이터를 속도로 변환한 후 그 값들의 평균값(평균 속도)을 이용하여 도출된 시간값을 입력하였으며 막장에서의 적재 시간 역시 측정값들의 평균 적재 시간값을 입력하였다.
- 사건 중심의 시뮬레이션 모델 구축 방법론을 적용한 대표적인 프로그램인 SIGMA (Schruben 1992)을 이용하여 시뮬레이션 모델링을 구축하였으며. 시뮬레이션의 수행 후, 결과 분석을 통하여 현장에서 측정한 데이터와의 검증을 수행하였다.
성능/효과
- 4에 나타내었다. 1회 굴착의 버력량을 처리하는데 소요된 전체 시간은 약 173.7분으로써, 구성 비율은 진입 시 이동시간 14.9%, 회귀 시 이동 시간 15.9%, 교행에 의한 지체 시간 7.7%, 적재를 위한 소요 시간 61.5%로 나타났다. 전체 작업 중에서 백호 우의 적재 시간이 가장 많은 비중을 차지하고 있으며, 터널의 연장으로 인해 트럭의 이동시간이 그 다음 비중을 나타내었다.
- 4) 막장 방향 차량과 야적장 방향 차량의 교행 발생 시 야적장 - 방향 차량 우선통과, 막장 방향 차량은 횡갱에서 대기한다. 5) C.
- 대형화되고, 작업공정이 복잡하게 연결되어 있어 엔지니어의 직관과 경험을 바탕으로 공정 계획을 수립하기에는 한계가 있다. 건설관리 도구로서 시뮬레이션을 활용하여 다양한 공정계획 시나리오를 검증할 수 있다면 시간과 비용 측면에서 상당한 절감 효과를 얻을 수 있다. 시뮬레이션이란 실제로 한 시스템이 구축되기 전에 축소된 물리적인 모형이나, 수학적 인 모델, 또는 시스템을 묘사하는 다양한 모델을 구축하고, 이를 통해 다양한 환경(시스템의 효율성에 영향을 미치는 매개변수들) 아래에서 시스템의 거동을 실험함으로써 그 시스템의 거동을 사전에 예측하거나, 다양한 목적(시간, 비용의 효율성, 위험분석 등)을 만족시키는 시스템을 설계하기 위한 도구이다 (김 경주 2000).
- 분석함으로써 시뮬레이션 모델의 적정성을 검증하였다. 백호우 용량과 트럭의 투입대수를 변화 시켜 시뮬레이션을 수행한 결과, 백호우 용량을 높여 적재 시간을 줄이더라도 트럭 대수 증가에 따라 트럭간의 교행지체 시간과 막장에서의 대기 시간이 길어지게 되어 결과적으로 전체운행 시간의 단축효과가 감소하는 경향을 나타내었다. 구축된 시뮬레이션 모델은 현장 여건 변화를 반영하여 유사한 공정에 최소한의 수정을 통해 적용할 수 있음은 물론, 언급된 방법론을 이용하여 새로운 시뮬레이션 모델링의 구축 또한 가능할 것이다.
- 분석하였다. 버력량을 처리하는데 소요된 시간은 현장 측정은 약 174분이고, 시뮬레이션 결과는 약 177분으로 거의 유사하게 나타났다.
- 이러한 요인들을 고려하여 버력처리 공정의 전체 운행주기를 단축시키고 투입 장비를 효율적으로 운영할 수 있도록 장비 운영 계획을 수립하여야 할 것이다. 본 현장 조건에서는 트럭 투입대수 6~8 대(15T0N)와 백호우 버킷용량 0.6~ 1.0m범위 내에서 투입 장비를 계획하는 것이 가장 적절할 것으로 판단된다.
- 본 현장의 버력처리 시스템에서 가장 높은 비율을 나타내는 장비의 운행 주기는 백호우의 작업 시간으로 분석되었다. 현재 위치에서는 막장의 암질 여건으로 인하여 1회 굴착량이 적어 적재 장비로써 백호우를 활용하고 있는데, 적재 효율을 높이기 위해서는 백호우의 버킷 용량을 높이거나 로더와 같은 특수 장비를 적용하는 것이 처리 시스템의 전체 운행 주기를 단축할 수 있는 가장 중요한 요소로 판단된다.
- 전체 작업 중에서 백호 우의 적재 시간이 가장 많은 비중을 차지하고 있으며, 터널의 연장으로 인해 트럭의 이동시간이 그 다음 비중을 나타내었다. 시뮬레이션 데이터로부터 얻어진 분석 결과는 표 4와 그림 5 과 같이 전체 소요 시간은 177.3분이며, 구성 비율은 진입 시 이동 시간 14.6%, 회귀 시 이동 시간 15.6%, 교행에 의한 지체 시간 9.6%, 적재를 위한 소요 시간 60.2%로써 현장 측정 결과와 거의 유사한 것으로 분석되었다. 소요 시간을 비교해 보면, 교행에 의한 지체 시간에 의해 차이를 나타내는데 실제 현장에서는 첫 번째 트■럭의 덤핑 후 터널 재진입시 트럭 간 상호 무전 연락을 통해 막장에서의 적재 대기열이 '0' 이 되기 전에 막장에 도착하도록 양보했기 때문이다.
- 교행에 의한 지체 시간은 첫 번째 트럭이 덤핑 후 다시 적재하기 위해 터널 내로 진입하여 적재 차량에 의해 횡갱에서 대기한 시간으로써, 백호우의 작업 휴지 시간으로 분석되었다. 최초 6대의 트럭이 진입하여 각 대기 장소에서 적재 대기열을 이루는데, 대기열이 '0'이 되기 전에 첫 번째 트럭이 덤핑 후 적재 장소에 도착하는 것이 백호우의 작업효율을 높이는 것으로 나타났다.
후속연구
- 백호우 용량과 트럭의 투입대수를 변화 시켜 시뮬레이션을 수행한 결과, 백호우 용량을 높여 적재 시간을 줄이더라도 트럭 대수 증가에 따라 트럭간의 교행지체 시간과 막장에서의 대기 시간이 길어지게 되어 결과적으로 전체운행 시간의 단축효과가 감소하는 경향을 나타내었다. 구축된 시뮬레이션 모델은 현장 여건 변화를 반영하여 유사한 공정에 최소한의 수정을 통해 적용할 수 있음은 물론, 언급된 방법론을 이용하여 새로운 시뮬레이션 모델링의 구축 또한 가능할 것이다. 건설공정에 대한 시뮬레이션의 활용도를 높이기 위해서는 실제 현장 조건이 반영된 데이터 축적과 모델링 구축에 대한 연구가지속적으로 이루어져야 한다.
- 도구를 제공한다. 실제로 현장은 굴착량에 따라서 트럭 이동 거리 및 횡갱의 수 등의 조건이 변화되므로 시뮬레이션을 활용한 장비 운영 계획을 실시함으로써 보다 신뢰성 있는 의사 결정자료를 제공할 수 있을 것이다.
- 이러한 요인들을 고려하여 버력처리 공정의 전체 운행주기를 단축시키고 투입 장비를 효율적으로 운영할 수 있도록 장비 운영 계획을 수립하여야 할 것이다. 본 현장 조건에서는 트럭 투입대수 6~8 대(15T0N)와 백호우 버킷용량 0.
- 이동 거리, 버력 처리량, 교행 가능 조건 등의 현장 여건을 파악한 후 사용 가능한 장비, 즉 트럭과 적재 장비를 선정하여 시뮬레이션을 수행하고, 동적 요소인 투입 장비 대수 및 용량을 결정함으로써 장비 운영 계획을 수립하는 과정을 설명하고 있다. 제한된 현장 여건에 대하여 가변 조건의 요소들을 변화시켜 장비조합 시나리오를 구성하고 시뮬레이션 결과를 검토하여 트럭의 투입 대수 및 용량 그리고 적재 장비를 결정함으로써 최종적으로 버력처리 시스템의 장비 운영 계획을 완료할 수 있다.
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