과거 건설공사의 목표는 원가절감과 공기단축을 통한 효율성 증진이었다. 이에 비하여 안전관리는 오랜 기간 동안 소홀히 되어온 것이 사실이다. 하지만 최근 건설 산업 내에서 안전관리로 패러다임 전환이 일어나고 있으며, 이에 따라 안전관리의 중요성이 부각되고 있다. 또한 건설공사가 보다 대형화, 복잡화됨에 따라 사고의 규모가 더욱 더 커지고 있어, 건설현장에서는 보다 확실한 안전관리가 요구되고 있다. 이러한 배경 하에 본 연구는 작업자 중심의 현장 안전관리 시스템을 제안하고자 한다. 시스템 요소기술로는 위치 추적 기술(RTLS-Real Time Locating System), BIM(Building Information Modeling)기반의 모니터링 시스템(BIM Based Monitoring System), 데이터 마트(Data Mart), 알람 기술(Alarm System)이 복합적으로 적용된다. 본 시스템을 통하여 현장에서는 가변적인 상황 및 작업자에 대한 관리가 가능하게 됨으로써 기존의 정적인 관리 형태에서 벗어나 보다 폭 넓은 안전관리가 가능해 질 것이다. 또한 작업자 중심의 안전관리를 통하여 보다 체계적이고, 발전된 형태의 실시간 안전관리를 하고자 한다.
과거 건설공사의 목표는 원가절감과 공기단축을 통한 효율성 증진이었다. 이에 비하여 안전관리는 오랜 기간 동안 소홀히 되어온 것이 사실이다. 하지만 최근 건설 산업 내에서 안전관리로 패러다임 전환이 일어나고 있으며, 이에 따라 안전관리의 중요성이 부각되고 있다. 또한 건설공사가 보다 대형화, 복잡화됨에 따라 사고의 규모가 더욱 더 커지고 있어, 건설현장에서는 보다 확실한 안전관리가 요구되고 있다. 이러한 배경 하에 본 연구는 작업자 중심의 현장 안전관리 시스템을 제안하고자 한다. 시스템 요소기술로는 위치 추적 기술(RTLS-Real Time Locating System), BIM(Building Information Modeling)기반의 모니터링 시스템(BIM Based Monitoring System), 데이터 마트(Data Mart), 알람 기술(Alarm System)이 복합적으로 적용된다. 본 시스템을 통하여 현장에서는 가변적인 상황 및 작업자에 대한 관리가 가능하게 됨으로써 기존의 정적인 관리 형태에서 벗어나 보다 폭 넓은 안전관리가 가능해 질 것이다. 또한 작업자 중심의 안전관리를 통하여 보다 체계적이고, 발전된 형태의 실시간 안전관리를 하고자 한다.
The main goal of construction projects from the past has been enhancing efficiency by reducing cost and time. but, seeing the current condition of safety management of many construction companies nowadays, it is true that not much attention has been paid to safety management for a long time. However...
The main goal of construction projects from the past has been enhancing efficiency by reducing cost and time. but, seeing the current condition of safety management of many construction companies nowadays, it is true that not much attention has been paid to safety management for a long time. However, there are paradigm shift from the cost and term of works to safety management in the construction industry, from this circumstance the safety management is evaluated more importantly. Though less accident happens compared to past, the accidents are getting greater because construction projects nowadays are bigger and more complex and monetary loss from the accidents are increasing. Also, the severity is getting greater and even fatal. For this reason, more improved safety management is very necessary. Therefore, we are to propose more efficient system for safety management in this thesis. Technical parts for developing system include many technique such as Real Time Locating system, and other techniques like Monitoring module based on BIM, Data Mart, Alarm are also applied together. Through this system, in the construction site, safety management is performed more effectively and widely because the system can manage the human resource and fluid situation. Also, safety manager can conduct more systematically and advanced safety management through human resource dominated safety management.
The main goal of construction projects from the past has been enhancing efficiency by reducing cost and time. but, seeing the current condition of safety management of many construction companies nowadays, it is true that not much attention has been paid to safety management for a long time. However, there are paradigm shift from the cost and term of works to safety management in the construction industry, from this circumstance the safety management is evaluated more importantly. Though less accident happens compared to past, the accidents are getting greater because construction projects nowadays are bigger and more complex and monetary loss from the accidents are increasing. Also, the severity is getting greater and even fatal. For this reason, more improved safety management is very necessary. Therefore, we are to propose more efficient system for safety management in this thesis. Technical parts for developing system include many technique such as Real Time Locating system, and other techniques like Monitoring module based on BIM, Data Mart, Alarm are also applied together. Through this system, in the construction site, safety management is performed more effectively and widely because the system can manage the human resource and fluid situation. Also, safety manager can conduct more systematically and advanced safety management through human resource dominated safety management.
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문제 정의
이러한 배경 하에 본 논문에서는 위치추적기술을 적용시킨 BIM(Building Information Modeling)기반의 건설현장 안전관리 시스템을 개발하고자 한다. 본 시스템은 위치추적기술을 통하여 작업자를 관리하며, 이를 통하여 재해의 간접 원인인 불안전한 상태 및 행동을 제거함으로써 재해의 발생을 예방하는 시스템이다. 또한 공종별 위험 상황 및 그에 따른 대책을 예고함으로써, 현장 안전관리자가 그 현장의 상태에 따라 효과적인 안전관리를 할 수 있도록 지원할 것이다.
본 연구는 건설 현장의 시공단계 안전관리 활동을 위한 시스템 개발에 관한 연구이며, 연구의 범위는 건설현장에 적합한 요소기술의 개발, 각 요소기술 간의 연계, 데이터의 흐름 파악, 프로토콜 정의, 최종적으로는 시스템 개발 진행 상황을 보여주는 것으로 범위를 한정한다.
이러한 배경 하에 본 논문에서는 위치추적기술을 적용시킨 BIM(Building Information Modeling)기반의 건설현장 안전관리 시스템을 개발하고자 한다. 본 시스템은 위치추적기술을 통하여 작업자를 관리하며, 이를 통하여 재해의 간접 원인인 불안전한 상태 및 행동을 제거함으로써 재해의 발생을 예방하는 시스템이다.
이는 보다 효과적으로 안전 관리 활동을 위해서는 불안전한 상태와 더불어 불안전한 행동에 대한 관리 역시 필요함을 의미한다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 이를 보완하기 위한 현장 안전관리 시스템을 개발하고자 한다.
이에 본 연구는 하인리히와 버드의 도미노이론 기반으로 작업자 중심의 현장 안전관리 시스템을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 시스템은 작업자의 불안전한 행동을 관리함으로서 재해발생의 직접원인을 제거하여 재해를 예방하는 시스템이다.
제안 방법
2) 파악된 문제점을 바탕으로 이를 해결하기 위한 현장 안전관리 시스템을 제안한다.
3) 제안한 시스템의 개발을 위해 시스템에 적용되는 요소기술을 분석 및 발전시키며, 이를 바탕으로 요소기술 간의 연계방안을 도출해 낸다.
TOA 측위 기술을 이용하여 작업자의 위치 좌표를 도출한 후에는 이를 전송하기 위해서 무선 네트워킹 기술이 적용되어야 하는데, 네트워킹 방법 또한 다양한 기술들이 존재하여 이를 비교 ∙ 분석하였다.(이남수 2006)
(이종국 2009) 이에 대하여 오차율 감소를 목적으로 실험을 진행한 결과, 실험 초기에는 위치 추적 신호의 특성상 콘크리트 및 철제 등의 장애물이 존재할 경우 신호의 세기가 감쇠하여 오차의 결과 값이 약 1m정도로 비교적 크게 발생했다. 그래서 이에 대한 대안으로 어시스턴트 태그(Assistant Tag)를 적용하였다. 여기서 어시스턴트 태그란 장애물이 있는 환경을 장애물이 없는 환경으로 전환시키기 위한 해결책으로, 어시스턴트 태그를 장애물 주변에 설치하게 된다.
우선 작업자의 위치 좌표는 기본적으로 x좌표, y좌표, 층 정보의 형식으로 ArchiCAD의 Application Development Kit로 전송되며, 다음으로는 ArchiCAD 내에서 도면 정보를 기초로 원점을 지정하게 된다. 그리고 정의한 원점을 바탕으로 모델링한 건물의 x좌표, y좌표, 층 정보를 폴리건 좌표로 도출한다. 도면의 폴리건 좌표까지 도출되면, 리더의 위치를 지정하게 되는데, 이는 리더의 위치를 기본으로 작업자와의 거리를 산정하여, 작업자의 좌표와 도면의 좌표를 일치시키기 위함이다.
다음으로 알람 기술은 작업자에게 알람을 보내기 위하여 알람 수신기와 송신기가 요구되지만, 이 부분을 각각 위치 추적 기술의 엔진과 태그에 적용시킴으로써 현장 내에서 적용 가능하도록 하드웨어를 최소화 시켰다. 또한 태그, 즉 알람 송신기의 크기와 출력 면에서도 크기는 최소화시키고, 출력은 최대화시킴으로써 공사현장의 소음에 대비하고, 작업자의 작업에 방해되지 않도록 개발하고 있다.
또한 이는 작업자의 위치추적에의 적용 뿐 아니라, 자재 및 물류의 실시간 위치추적을 통하여 자재관리, 물류관리 분야에도 많은 도움을 줄 것이라 생각된다. 또한 모니터링 시스템 모듈은 작업자 중심의 안전 관리 시스템의 도입을 통하여 기존의 가변적인 직접원인인 불안전한 행동에 대한 관리의 가능성을 제시하였다.
작업자의 위치좌표를 파악하기 위한 태그(Tag)와 리더(Reader), 그리고 파악된 작업자의 위치좌표를 1차적으로 처리하는 베이스 스테이션(Base-station), 마지막으로 작업자의 모든 위치 좌표를 전송받아 저장하는 엔진(Locating Engine)으로 구성된다. 본 시스템에서는 이 4가지 하드웨어를 이용하여 작업자의 위치좌표를 도출하게 된다.
이에 본 연구는 하인리히와 버드의 도미노이론 기반으로 작업자 중심의 현장 안전관리 시스템을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 시스템은 작업자의 불안전한 행동을 관리함으로서 재해발생의 직접원인을 제거하여 재해를 예방하는 시스템이다. 본 시스템은 기본적으로 작업자의 위치좌표를 중심으로 구현되며, 작업자가 위험 지역에 진입하였을 경우 알람을 보내어 사고의 발생을 예방하게 된다.
본 연구에서 채택한 위치 추적 기술은 CSS(Chirp spread spectrum)를 기반으로 한 실시간 위치 인식 시스템으로 4가지 하드웨어로 구성된다. 작업자의 위치좌표를 파악하기 위한 태그(Tag)와 리더(Reader), 그리고 파악된 작업자의 위치좌표를 1차적으로 처리하는 베이스 스테이션(Base-station), 마지막으로 작업자의 모든 위치 좌표를 전송받아 저장하는 엔진(Locating Engine)으로 구성된다.
하드웨어 장치는 기본적으로 알람 수신기와 알람 송신기로 구성되는데, 알람 수신기는 알람 송신기로부터 알람 신호를 받아 울리게 되며, 알람 송신기는 서버로부터 알람 신호를 전송받아 알람 수신기로 전송하게 된다. 본 연구에서는 알람 송신기와 알람 수신기를 위치 추적 기술의 하드웨어 장치인 위치 추적 엔진과 태그에 적용하도록 한다. 다음으로 서버에서는 알람 전송 알고리즘을 이용하여 작업자의 좌표와 위험지역의 좌표를 기반으로 알람 전송 여부를 판단한다.
본 연구에서는 이와 같이 알람과 위치 추적 기술을 연계 적용함으로써 위치 추적 기술과 알람 기술을 구현하기 위한 하드웨어를 통합하여 적용한다. 또한 이와 같은 과정을 통하여 본 시스템의 현장 적용성을 높이도록 한다.
시스템의 요소기술로는 위치 추적 기술, BIM 기반의 실시간 모니터링 모듈, 알람 기술, 데이터 마트 기술이 적용되었으며, 각 요소기술은 건설 현장에 맞도록 발전시켜 적용하였다. 이 과정 속에서 각각의 요소기술들은 안전관리 분야뿐만 아니라 다양한 분야의 적용 가능성을 찾을 수 있었는데, 우선 위치 추적 기술은 오차율을 20cm까지 줄임으로써 건설 현장에 적용 가능한 정도의 기술력을 확보할 수 있었다.
실시간 모니터링 기술은 기본적으로 다양한 현장에 대한 적용성, 안전관리자의 사용성, 실시간 모니터링 기능을 충족하여야 하는데, 본 연구에서는 이 세 가지 기능을 충족시키며, 작업자의 좌표를 적용하기 위한 대안으로 Cell Unit System, Pixel Unit System, BIM Tool을 분석하였다. <표 4>는 이 세 가지 대안을 비교 ∙ 분석한 표로서 구현방법과 기능을 보여주고 있다.
한편, 현장 적용성 판단을 위해 현장 내에서 실험을 실시하였다. 실험은 TOA측위 기술과 CSS무선 네트워킹 기술을 적용하였으며, 장애물이 존재하는 환경과 장애물이 존재하지 않는 환경에서 실시하였다. 실험을 하기 위해서는 기본적으로 엔진을 설치하며, 이어서 베이스스테이션과 태그와 리더를 설치한다.
연구 시스템은 위치 추적 기술을 이용하여 도출한 작업자의 위치좌표를 바탕으로 실시간으로 작업자를 관리할 수 있는 모니터링 모듈을 포함한다. 실시간 모니터링 모듈은 BIM기반의 3D 상에 작업자의 위치를 표시하게 되며, 안점관리자가 위험 지역을 입력 및 제거함으로써 작업자의 위험 지역 진입 여부를 판단하게 된다.
마지막으로 BIM Tool을 이용한 방법은 BIM의 parametric한 특성을 적용하여 구현하는 방법이다. 이 방법은 다양한 분야에 높은 적용성을 가지게 되며, 사용성 측면에서도 용이한 장점을 가지고 있어, 최종적으로는 BIM Tool 중 ArchiCAD를 본 시스템에 적용하였다.
이 세 가지 기술에 대한 분석 결과, RSSI기술은 큰 오차의 발생으로 정확한 위치좌표를 요구하는 본 시스템의 특성에는 적합하지 않으며, TDOA기술은 정확도 부분에서는 양호하지만, 시각 동기가 필요하여 시각 동기 구축의 어려움으로 구현이 불가능하다. 이에 비하여 TOA기술은 정확도 측면에서도 양호하며, 또한 위치추적 범위에서도 비교적 넓은 범위의 위치추적이 가능하여 본 시스템에는 최종적으로 TOA방법을 적용하도록 한다.
이와 관련하여 하인리히는 그의 전통적 도미노 이론에서 사고발생의 근원을 사회적인 풍토나 개인의 유전적 특성에 있다고 보았으며, 버드는 하인리히의 이론을 수정하여 수정된 도미노 이론을 제시하였다. 버드의 이론에서는 모든 재해의 근본원인을 ‘관리상의 결함’에 있다고 봄으로써 재해의 근본원인을 재정립하였다.
본 연구에서 채택한 위치 추적 기술은 CSS(Chirp spread spectrum)를 기반으로 한 실시간 위치 인식 시스템으로 4가지 하드웨어로 구성된다. 작업자의 위치좌표를 파악하기 위한 태그(Tag)와 리더(Reader), 그리고 파악된 작업자의 위치좌표를 1차적으로 처리하는 베이스 스테이션(Base-station), 마지막으로 작업자의 모든 위치 좌표를 전송받아 저장하는 엔진(Locating Engine)으로 구성된다. 본 시스템에서는 이 4가지 하드웨어를 이용하여 작업자의 위치좌표를 도출하게 된다.
한편 본 연구에서는 데이터 마트(Data Mart)를 바탕으로 위치 추적 기술, 모니터링 모듈, 그리고 알람 기술의 데이터를 통합하여 처리하게 되는데, 는 데이터를 처리하는 서버를 중심으로, 본 연구에 적용되는 기술들의 데이터 흐름도(Data Layout)를 표현하고 있다.
한편, 현장 적용성 판단을 위해 현장 내에서 실험을 실시하였다. 실험은 TOA측위 기술과 CSS무선 네트워킹 기술을 적용하였으며, 장애물이 존재하는 환경과 장애물이 존재하지 않는 환경에서 실시하였다.
이론/모형
본 시스템에는 가변적인 요소인 불안전한 행동 관리를 위한 위치 추적 기술(Real Time Locating System), 작업자의 위치좌표를 바탕으로 작업자의 상태를 BIM 기반의 3D 상에서 확인하기 위한 BIM 기반의 모니터링 모듈, 작업자가 위험 상황, 즉 불안전한 상태에 진입하였을 경우 알람 신호를 보내주기 위한 알람 기술(Alarm System), 마지막으로 앞의 기술들을 지원하기 위한 데이터 마트(Data Mart)기술이 적용된다. <그림 3>는 각각의 요소기술에 대한 하드웨어와 소프트웨어 그리고 기능들을 보여주고 있다.
분석 결과, 본 연구에서는 의 여러 가지 네트워크 기술 중 UWB방식의 일종인 CSS방식을 적용한다.
성능/효과
마지막으로 BIM기술을 안전관리 분야에 도입함으로서 현재 공사비 또는 공사기간 부분에 주로 적용이 시도되었던 상황에서 벗어나, 안전 관리 분야에 대한 적용가능성을 찾을 수 있었다.
이를 위해서는 작업자가 위험지역에 진입하기 전에 알람신호를 전송하고, 작업자가 이를 인지하기 위한 시간을 고려하여 기본 조건으로서 위험 지역의 허용 범위(Boundary)를 지정하여야 한다. 본 시스템에서는 성인 남자의 평균 초당 이동속도를 기준으로 하여 1.5m를 기본 값으로 설정하며, 현장의 조건에 따라 변경사항이 존재할 경우에는 시스템 내에서 수정하여 적용가능하게 하였다.
사고 발생 메커니즘을 바탕으로 하여 기존 연구를 고찰한 결과, 정적인 안전 관리 분야인 안전관리 상의 결함(간접원인)에 관한 연구와 기인물과 가해물의 불안전한 상태에 관한 연구(직접원인)는 비교적 활발히 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 이에 비하여 재해의 직접원인인 불안전한 행동에 관한 연구는 부족한 상황임을 확인할 수 있었다.
<그림 10>은 어시스턴트 태그를 적용하여 실험한 결과 값을 나타낸다. <그림 10>을 확인하면 오차율이 비교적 작게 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 최대 오차율은 약20cm정도로 발생하고 있으며, 대체적으로 3개의 리더가 안정된 신호를 감지하고 있다.
시스템의 요소기술로는 위치 추적 기술, BIM 기반의 실시간 모니터링 모듈, 알람 기술, 데이터 마트 기술이 적용되었으며, 각 요소기술은 건설 현장에 맞도록 발전시켜 적용하였다. 이 과정 속에서 각각의 요소기술들은 안전관리 분야뿐만 아니라 다양한 분야의 적용 가능성을 찾을 수 있었는데, 우선 위치 추적 기술은 오차율을 20cm까지 줄임으로써 건설 현장에 적용 가능한 정도의 기술력을 확보할 수 있었다. 또한 이는 작업자의 위치추적에의 적용 뿐 아니라, 자재 및 물류의 실시간 위치추적을 통하여 자재관리, 물류관리 분야에도 많은 도움을 줄 것이라 생각된다.
위의 여러 가지 기술중 현재 대표적으로 적용되는 기술은 TOA기술과 RSSI기술, 그리고 TDOA이다. 이 세 가지 기술에 대한 분석 결과, RSSI기술은 큰 오차의 발생으로 정확한 위치좌표를 요구하는 본 시스템의 특성에는 적합하지 않으며, TDOA기술은 정확도 부분에서는 양호하지만, 시각 동기가 필요하여 시각 동기 구축의 어려움으로 구현이 불가능하다. 이에 비하여 TOA기술은 정확도 측면에서도 양호하며, 또한 위치추적 범위에서도 비교적 넓은 범위의 위치추적이 가능하여 본 시스템에는 최종적으로 TOA방법을 적용하도록 한다.
후속연구
본 시스템은 위치추적기술을 통하여 작업자를 관리하며, 이를 통하여 재해의 간접 원인인 불안전한 상태 및 행동을 제거함으로써 재해의 발생을 예방하는 시스템이다. 또한 공종별 위험 상황 및 그에 따른 대책을 예고함으로써, 현장 안전관리자가 그 현장의 상태에 따라 효과적인 안전관리를 할 수 있도록 지원할 것이다.
이 과정 속에서 각각의 요소기술들은 안전관리 분야뿐만 아니라 다양한 분야의 적용 가능성을 찾을 수 있었는데, 우선 위치 추적 기술은 오차율을 20cm까지 줄임으로써 건설 현장에 적용 가능한 정도의 기술력을 확보할 수 있었다. 또한 이는 작업자의 위치추적에의 적용 뿐 아니라, 자재 및 물류의 실시간 위치추적을 통하여 자재관리, 물류관리 분야에도 많은 도움을 줄 것이라 생각된다. 또한 모니터링 시스템 모듈은 작업자 중심의 안전 관리 시스템의 도입을 통하여 기존의 가변적인 직접원인인 불안전한 행동에 대한 관리의 가능성을 제시하였다.
앞으로 본 연구는 시스템의 개발 후 현장의 안전관리자와 작업자에 대한 현장 테스트를 통하여 현장 적용성 및 실용성을 확보하여할 것이며, 요소기술의 발전을 통하여 위치 추적 기술의 오차율 및 실시간 데이터 처리 속도를 높여야 할 것이다.
우측 중간의 리스트는 위험 지역에 진입한 작업자의 리스트를 나타내고 있으며, 우측 하단은 건물의 개략적인 레이아웃(Layout)을 나타내며 작업자의 위치를 개략적으로 보여주게 된다. 이와 같이 현재 시스템은 마지막 개발단계에 있으며, 개발을 마친 후 현장 테스트를 통하여 현장 적용성 및 실용성을 확인해 보아야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건설공사의 성격이 대형화, 복잡화됨에 따라 건설재해의 모습은 어떻게 변화하나?
국내 및 해외 건설공사 재해율을 살펴보면, 전체 안전사고 재해율은 매해 줄어들고 있는 추세이지만, 최근 건설공사의 성격이 대형화, 복잡화됨에 따라, 건설 재해의 성격이 사망 등의 대재해로 변화하고 있으며, 손해 또한 더욱 커지고 있다. 이러한 배경 하에서 안전관리의 중요성은 더욱 커지고 있다.
최근 건설공사의 목표는 ?
과거 건설공사의 목표가 원가관리와 공정관리였다면, 최근 건설공사의 목표로서 안전관리가 새로운 패러다임으로 대두되고 있다.
위치추적기술을 적용시킨 BIM(Building Information Modeling)기반의 건설현장 안전관리 시스템을 개발 목적은?
이러한 배경 하에 본 논문에서는 위치추적기술을 적용시킨 BIM(Building Information Modeling)기반의 건설현장 안전관리 시스템을 개발하고자 한다. 본 시스템은 위치추적기술을 통하여 작업자를 관리하며, 이를 통하여 재해의 간접 원인인 불안전한 상태 및 행동을 제거함으로써 재해의 발생을 예방하는 시스템이다. 또한 공종별 위험 상황 및 그에 따른 대책을 예고함으로써, 현장 안전관리자가 그 현장의 상태에 따라 효과적인 안전관리를 할 수 있도록 지원할 것이다.
참고문헌 (15)
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안홍섭, 고성석, 이찬식, '건설현장의 안전관리 개선방안에 관한 연구', 대한건축학회 논문집, v. 12 n. 12, 1996, pp. 265-276
양용철, 최훈, 김재준, '건설공사 안전사고 예방을 위한 안전관리 체크리스트 개선과 공정관리와의 연계운영 방법', 한국건설관리학회 논문집, v. 5 n. 2, 2004, pp. 123-135
유재민 외 3인, 'RFID 시스템을 이용한 건설 자동화 방안 도출을 위한 기초 연구', 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집, 2008, pp. 731-734
이남수 외 5인, 'RFID와 무선네트워크 기술을 이용한 자재위치 파악 방안', 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집, 2006, pp. 523-528
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Frank E. Bird & George L. Germain, Practical Loss Control Leadership, International Loss Control Institute, Inc., 1992
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