토공사는 타공종에 비하여 건설공사에서 차지하는 비용 및 공사기간의 비중이 높다. 이에 따라 토공사는 건설공사의 생산성에 높은 영향을 미치게 되는데, 종래의 토공사 시스템에서는 숙련된 굴삭조종자의 휴리스틱스에 의한 토공사 계획 및 토공작업을 수행하는 노동집약적 프로세스를 고수하고 있어 생산성을 높이기 힘든 상황이다. 이러한 당면과제를 극복하고자 본 논문에서는 BIM 기반의 지능형 굴삭시스템을 소개하며 굴삭 작업 계획 생성 시스템, 원격조종 및 자율 굴삭 작업에 필수적인 Human-Machine Interface(HMI), 웹기반 Project Management Information System(PMIS)이 개발되는 과정에서 적용된 BIM 요소기술에 대하여 검토하고, 적용된 결과를 제시하고자 한다.
토공사는 타공종에 비하여 건설공사에서 차지하는 비용 및 공사기간의 비중이 높다. 이에 따라 토공사는 건설공사의 생산성에 높은 영향을 미치게 되는데, 종래의 토공사 시스템에서는 숙련된 굴삭조종자의 휴리스틱스에 의한 토공사 계획 및 토공작업을 수행하는 노동집약적 프로세스를 고수하고 있어 생산성을 높이기 힘든 상황이다. 이러한 당면과제를 극복하고자 본 논문에서는 BIM 기반의 지능형 굴삭시스템을 소개하며 굴삭 작업 계획 생성 시스템, 원격조종 및 자율 굴삭 작업에 필수적인 Human-Machine Interface(HMI), 웹기반 Project Management Information System(PMIS)이 개발되는 과정에서 적용된 BIM 요소기술에 대하여 검토하고, 적용된 결과를 제시하고자 한다.
Earthwork is important in terms of construction time and duration, and highly related to the construction productivity. However, current earthwork system has stick to labor intensive process depending on skilled operator's heuristic decision making, so it is hard to improve overall productivity. To ...
Earthwork is important in terms of construction time and duration, and highly related to the construction productivity. However, current earthwork system has stick to labor intensive process depending on skilled operator's heuristic decision making, so it is hard to improve overall productivity. To overcome this drawback, this paper presents a BIM based Intelligent Excavation System(IES). The BIM technology is applied in the excavation task planning system, Human-Machine Interface for remote-control/autonomous work environment, and web-based Project Management Information System(PMIS) in the IES integration process, and the results are addressed.
Earthwork is important in terms of construction time and duration, and highly related to the construction productivity. However, current earthwork system has stick to labor intensive process depending on skilled operator's heuristic decision making, so it is hard to improve overall productivity. To overcome this drawback, this paper presents a BIM based Intelligent Excavation System(IES). The BIM technology is applied in the excavation task planning system, Human-Machine Interface for remote-control/autonomous work environment, and web-based Project Management Information System(PMIS) in the IES integration process, and the results are addressed.
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문제 정의
이러한 시스템들이 모두 통합이 되어 자동화된 굴삭 시스템을 개발하게 될 것이며, 그 중에서 본 논문에서는 지능형 굴삭 작업계획 생성 시스템과 통합과정에서의 인터페이스에 초점을 두어 BIM 요소 기술을 어떠한 방법으로 적용할 수 있는지 검토하고 이를 통해 도출된 다양한 기법 적용 가능성을 제시한다 (그림 2). 또한 지능형 굴삭시스템에서 적용된 BIM 기술들을 검토하여 본다.
본 논문에서는 이러한 BIM의 확장성을 이용하여 지능형 굴삭시스템 개발이라는 건설 자동화 프로젝트에서 작업계획 생성시 지형 모델 객체화, 3D 모델링, 장비 조종자를 위한 HMI 설계와 구성, 웹 기반 PMIS와의 시스템 통합에 BIM의개념과 요소기술을 적용하여 연구개발을 수행하였다. 제안된 방법과 결과로 미루어, BIM의 활용성 및 요소 기술 연계성이 점차 건설 자동화 분야로도 확장될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 판단되며, BIM과 건설자동화의 연계를 통한 BIM 및 건설 자동화 시장의 가치를 한 단계 높임과 동시에 건설 산업의 발전을 도모할 수 있을 것이다.
이러한 시스템들이 모두 통합이 되어 자동화된 굴삭 시스템을 개발하게 될 것이며, 그 중에서 본 논문에서는 지능형 굴삭 작업계획 생성 시스템과 통합과정에서의 인터페이스에 초점을 두어 BIM 요소 기술을 어떠한 방법으로 적용할 수 있는지 검토하고 이를 통해 도출된 다양한 기법 적용 가능성을 제시한다 (그림 2). 또한 지능형 굴삭시스템에서 적용된 BIM 기술들을 검토하여 본다.
이로써 장비 조종자의 안전하고 효과적인 굴삭작업을 가능케하고 현장관리자로 하여금 즉각적인 현장 상황 대응이 가능해 질 것이다.
제안 방법
1) 굴삭기에 장착된 GPS(X, Y, Z), 2) 굴삭기 캐빈내에 장착된 굴삭기의 3DM 자이로 센서(Roll, Pitch, Yaw), 3) 변위측정 센서가 내장되어 있는 유압실린더(Boom, Arm, Bucket의 각도), 4) 굴삭기의 몸체를 회전 정도를 측정하는 선회측정 센서, 총 4개의 스마트 센서가 필요하다. 그리고 지형 DB가 보관되어 있는 호스트(Host) 서버와 접근 권한을 가지는 클라이언트 (e.g. 로컬 스캐닝 시스템, Task Planning System)가 설정되어 있어 지형모델을 원하는 주기에 맞추어 업데이트 할 수 있도록 하여 컨트롤 스테이션(Slave)에서도 굴삭기 조종석(Master)에서와 거의 유사한 가상작업환경을 갖추도록 하드웨어 아키텍처를 설계하였다.
본 연구에서는 Task Planning System 개발 언어 플랫폼으로 Visual Basic을 적용하여 개발하였으며, 별도의 프로그램으로 구동되도록 설계되었다. 로컬 DB에 저장된 지형 정보를 읽어 들이게 되며, 버텍스(Vertex)간에 네트워크를 생성하여 Surface 모델링을 수행하게 된다(그림 5).
Zhang (2007)의 커버리지 이동 경로에 관한 연구, Jung 외 (2007), Sylvia 외 (2004)의 모바일 로봇의 이동 경로 생성등이 있다. 본 연구에서는 작업셀을 기초로 굴삭작업계획을 생성하게 되는데 다음의 3단계의 프로세스를 거치게 된다.
시공기면 등)를 입력하게 되며 데이터베이스형태로 서버에 저장된다. 이 지형 데이터베이스를 바탕으로 운용하게될 굴삭기의 종류 및 굴삭기의 붐, 암, 버킷 옵션정보와 토질 속성값을 이용, 지형분할 및 셀분할과 같은 작업영역을 설정하고 이동경로, 굴삭기가 위치하는 지점(플랫폼) 및 굴삭영역등의 토공 현장내에서 장비가 수행하게 되는 총체적 굴삭 작업 계획을 생성하는 것과 더불어 지형 데이터베이스 업데이트 및 장애물 감지, PMIS를 통합하는 것을 연구의 범위로 한다. 그리고 다른 2가지 연구 주제에 대하여, 굴삭 작업 계획을 바탕으로 컨트롤 스테이션과 굴삭기 사이의 무선 통신 모듈, 위치 정보 및 자세정보 수신, 굴삭기의 유압 시스템의 전자제어가 연구된다.
또한 지형 모델을 데이터베이스에 저장하여, 굴삭기의 캐빈(Cabin)상단에 부착된 주변지형정보 취득을 위한 로컬 스캐너로부터 발생되는 정보를 쉽게 업데이트 할 수 있도록 구성하고 있다. 이러한 지형 정보 관리 시스템을 기초로 하여 컴퓨터내에서 가상의 작업환경을 디스플레이할 수 있으며, 또한 그림 3에서 보는바와 같이 자유자재로 지형 네트워크 모델을 분할하여 각각의 레이어, 경계구역 모델 등을 객체화 하고 데이터베이스에 저장함으로써 지능형 Task Planning System을 구현하였으며, 이러한 방식은 BIM에서의 모델 콤포넌트 라이브러리 구현 기술과 유사하다고 할 수 있다.
이와 더불어 각각의 설계 콤포넌트들과 일정 및 비용등과 연계되어 현장 관리자가 공사 실행율을 파악하고 분석하는 시공단계의 BIM 기반 Performance Monitoring 요소 기술을 지능형 굴삭시스템에 확장/적용함으로써 웹 기반 실시간 프로젝트 관리 정보 시스템(PMIS)을 구현하였다. 지형 정보로부터 획득되는 굴착량을 PMIS 서버의 DB 내로 갱신함으로써 실시간 진행상황을 파악할 수 있고, Task Planning System에서 생성되는 계획작업량 대비 진척도를 평가할 수 있다(그림 11).
후속연구
특히 장비 조종 지원 인터페이스와 웹기반 Project Management Information System(PMIS)은 BIM의 실시간 모니터링 및 업데이트 기술의 적용으로 높은 건설 프로젝트 관리 효용성을 얻을 것으로 기대된다. 이러한 지능형 굴삭시스템을 토공사에 적용함으로써 효율적인 공사를 수행함으로써 공사 전체의 생산성 증대 효과를 기대할 수 있을 것이다.
장비 조종자는 그림 8의 ①에서 직감형 조이스틱을 이용하여 ②의 메인 디스플레이 창의 CCTV 화면을 보고 원격조종을 수행하며 서브 디스플레이 창에서 각종 추가 정보를 확인할 수 있다. 장비 조종자와 기계사이의 효율적인 인터페이스 개발을 위하여 BIM 기반으로 객체화된 지형 콤포넌트와 굴삭기를 동기화하여 디스플레이 함으로써 원격 조종 환경에서 장비 조종자가 알아야할 정보를 제공하고 그 결과를 조종자가 피드백하는 Human-Machine Interface (HMI)의 개발이 요구된다. 이를 위하여 가상환경, 즉 본 연구에서 취득된 지형 모델위에 3차원 굴삭기의 모델을 다음의 정보를 이용하여 매칭시키게 된다.
본 논문에서는 이러한 BIM의 확장성을 이용하여 지능형 굴삭시스템 개발이라는 건설 자동화 프로젝트에서 작업계획 생성시 지형 모델 객체화, 3D 모델링, 장비 조종자를 위한 HMI 설계와 구성, 웹 기반 PMIS와의 시스템 통합에 BIM의개념과 요소기술을 적용하여 연구개발을 수행하였다. 제안된 방법과 결과로 미루어, BIM의 활용성 및 요소 기술 연계성이 점차 건설 자동화 분야로도 확장될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 판단되며, BIM과 건설자동화의 연계를 통한 BIM 및 건설 자동화 시장의 가치를 한 단계 높임과 동시에 건설 산업의 발전을 도모할 수 있을 것이다.
이러한 총체적인 토공사의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건설 자동화에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 특히 토공사의 경우 능숙한 장비 운전자의 부재로 발생할 수 있는 안전사고, 생산성과 품질저하 및 장비조작 실수로 인한 재시공을 방지하고자 조종이 간편하고 장비 조종을 위한 조종자의 의사결정에 대한 지원기능을 갖춘 자동화 시스템이 요구되는데, 최근 급속도로 발전되어온 컴퓨터 기술, 위치정보(GPS, GIS)기술, 레이저 측량 기술, 각종 자세 제어 센서, 원격 조종 및 지능 제어 기술, 무선 통신 기술등의 원천기술의 활용으로써 현재 토공사의 당면과제에 대한 기술적 해결이 가능할 것이다. 현재 진행중인 지능형 굴삭 시스템(Intelligent Excavation System, IES)연구는 이러한 노력의 일환으로 진행중에 있으며 다음의 그림 1과 같이 지능형 굴삭 작업계획 생성 시스템, 작업환경 인식기반 제어 기술 시스템, 지능형 굴삭시스템 개발과 통합으로 이루어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지능형 굴삭시스템에서는 무엇을 기반으로 작업계획을 수립하는가?
지능형 굴삭시스템에서는 획득된 지형정보를 기반으로 작업계획을 수립을 하게 되며, 지능형 Task Planning System에서는 LiDAR 기술을 적용하여 취득된 디지털 지형 모델(Digital Terrain Model)을 사용하고 있다. 또한 지형 모델을 데이터베이스에 저장하여, 굴삭기의 캐빈(Cabin)상단에 부착된 주변지형정보 취득을 위한 로컬 스캐너로부터 발생되는 정보를 쉽게 업데이트 할 수 있도록 구성하고 있다.
토공사의 영향력이 전체 건설 사업의 성패를 결정지을 정도로 크다고 볼 수 있는 이유는 무엇인가?
토공사는 타공종에 비하여 건설공사에서 차지하는 비용 및 공사기간의 비중이 높다. 토공사의 공사비의 비중은 약 20% 내외이며, 토공사 중 운반 작업의 경우 전체 사업비의 6%를 차지하고 있다(박현용 외 2007). 즉 토공사의 영향력은 전체 사업의 성패를 결정지을 정도로 크다고 볼 수 있다.
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