[논문]단지조성 토공분야 건설 자동화 기술 도입을 위한 로드맵 수립

임동희; 윤희천; 김석규; 서종원

doi:10.12652/ksce.2019.39.6.0893

초록
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단지조성은 택지, 산업, 관광단지 등을 조성함에 있어 반드시 필요하다. 그러나 단지조성에서의 건설자동화기술 개발 및 적용은 다소 느린 편이다. 단지조성에 막대한 예산과 자원이 투입되는 만큼, 토공분야 건설자동화기술 적용을 통해 거둘 수 있는 긍정적 효과는 매우 크므로 단지조성 토공부문 건설자동화 기술을 우선적으로 개발해야 할 필요가 있다. 본 논문에서는 국내외 선진 토공 기술을 조사하여 개발 필요성이 있는 8가지 후보기술을 도출 하였으며, 이를 AHP와 연구개발부문 종사자를 주 대상으로 설문을 통해 기술 우선순위를 도출하였다. 그 결과 건설자동화 수준별 맞춤 관제 기술과 관제 플랫폼화 기술이 가장 높은 우선순위로 나타났으며, 민감도 분석을 통해서 평가 요인별 가중치에 따른 순위 변화 추이도 분석하였다. 이를 통해 단지조성 토공부문 건설자동화 기술의 연구개발 추진 및 로드맵을 수립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Land development is an essential process to provide lands for housing, industrial, and tourism complex. The development and application of construction automation technology in land development construction are, however, not matured yet. Since land development requires massive investment in terms of...

Land development is an essential process to provide lands for housing, industrial, and tourism complex. The development and application of construction automation technology in land development construction are, however, not matured yet. Since land development requires massive investment in terms of cost and effort, the benefits of implementing earthwork construction automation technology could also be enormous. As such, the deployment of advanced technology needs to be assessed. In this paper, by investigating domestic and international advanced earthwork technology, 8 candidate technologies to be developed is derived. These technologies are then prioritized using AHP and web-based survey that distributed to experts in the field of civil and infrastructure. As a result, advanced earthwork fleet management platformization and tele-operation systems for unmanned earthwork are identified as the top priority. Besides through sensitivity analysis, the trends of the technology rank by the weight distribution of the evaluation factor is investigated. Consequently, the research and development processes for the earthwork construction automation technology in land development are explored and based on the results, the research and development road map plan is established.

Keyword

표/그림 (10)

표 Table 1. Fleet Management Solutions that are Integrated with Construction Equipment
그림 Fig. 1. Establishment of the Road Map for Earthwork Technology
표 Table 2. Candidate Technology for Land Development Earthwork and its Detailed Descriptions
그림 Fig. 2. AHP Questionnaire for Construction Technology Evaluation
표 Table 3. The Number of Responses for Each Work Categorization and Years of Experience
그림 Fig. 3. Questionnaire form for Evaluation of Earthwork Related Technologies
그림 Fig. 4. The Results of Weights for Each Evaluation Factors
표 Table 4. The Number of Responses for Each Work Categorization and Years of Experience
표 Table 5. The Result of Sensitivity Analysis in Relation to Weight Distribution between the Weight of Necessity and Rest of 5 Evaluation Factors (Necessity/5 Evaluation Factors)
그림 Fig. 5. Earhwork Technology Roadmap for Land Development

AI 본문요약
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문제 정의

단지조성공사 토공부문 건설자동화 기술의 개발과 현장 적용을 위하여 본 연구에서는 단지조성공사의 토공부문에 적용가능한 건설자동화 기술을 도출하고, 그 기술을 연구개발함에 있어 반드시 선행되어야 할 기술 우선순위 분석을 수행하여, 보다 효율적인 국가 연구개발 자원의 투입과 개발을 도모하고자 한다. 2장에서는 국내외 선진기술들의 현황을 분석함으로써 단지조성공사 토공부문 건설자동화 후보 기술들을 도출하고, 3장과 4장을 통해 AHP 분석, 우선순위 설문 분석을 수행하고 기술간의 우선순위를 도출하였다.

제안 방법

단지조성공사 토공부문 건설자동화 기술의 개발과 현장 적용을 위하여 본 연구에서는 단지조성공사의 토공부문에 적용가능한 건설자동화 기술을 도출하고, 그 기술을 연구개발함에 있어 반드시 선행되어야 할 기술 우선순위 분석을 수행하여, 보다 효율적인 국가 연구개발 자원의 투입과 개발을 도모하고자 한다. 2장에서는 국내외 선진기술들의 현황을 분석함으로써 단지조성공사 토공부문 건설자동화 후보 기술들을 도출하고, 3장과 4장을 통해 AHP 분석, 우선순위 설문 분석을 수행하고 기술간의 우선순위를 도출하였다. 5장에서는 도출된 우선순위가 갖는 의미에 대하여 짚어보고 토공기술 발전을 위한 방향을 모색하였다.
이외에 토목 BIM 기술의 접목(Autodesk), 건설 IoT 센서 활용(i-Construction), 통신 인프라 기술(i-Construction) 등도 단지조성공사 토공부문에서 활용될 수 있는 것으로 조사되었다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 2개의 분류 기준 1) 토공 관제 기술 및 이와 관련된 인프라 기술, 2) 토공 장비 자동화 및 단지조성공사 현장 정보 취득 기술로 구분하고, 각각 4가지 세부기술들을 우선순위 도출의 후보기술로서 제안하였다. Table 2와 같이 각각의 세부기술에 대한 정의를 내렸으며, 이는 3장에서 다룰 설문지에 포함되어 전문가의 평가 의견을 수집할 때 기초자료로 사용되었다.
AHP는 Saaty(2008)가 개발한 의사결정 방법론으로써, 다기준 의사결정시 기준간의 가중치를 쌍대비교를 통해 산정하고 이를 토대로 각 대안별 정량 평가와 대안간 순위를 결정하는 데에 널리 활용되고 있다. 설문을 총 2단계로 진행되며, 기술 요인간 중요도 분석을 위한 AHP에는 총 10명이 참여하여, 기술 요인간 쌍대비교를 수행하였다. AHP 분석은 Dress (Ver.
8개 세부 기술간의 연구개발 우선순위를 도출하기 위하여, 본 연구에서는 평가 요인을 크게 2개(필요성 및 기대효과)로 나누었다. 첫 번째 필요성은 해당기술이 단지조성 및 택지개발의 토공 부문에 있어 얼마나 시급하게 필요한지 여부를 묻고, 기대효과에서는 다시 5개의 세부요인으로 나누어 평가 요인당 200점 만점으로 평가 점수를 산정하였다.
본 논문에서는 단지조성공사 토공부문 건설자동화와 관련된 후보 기술을 기 개발 및 운용중인 선진 기술을 분석함으로써 도출하였고, 이를 AHP를 통한 평가요인별 중요도 산정 및 필요성과 5가지 세부 평가요인별 우선순위 평가를 통해 각 세부 기술간의 연구개발 우선순위를 평가하였다. 대부분의 전문가는 연구개발 부문에 종사하고 있으므로 국가 R&D 사업의 차원에서 의미 있는 결과가 도출되었을 것이라 판단하며, 반면에 엔지니어링 및 시공부문 전문가의 의견의 비중이 낮다는 점을 고려하였을 때 실무에서 요구하는 기술 우선순위 의견을 제한적으로 청취하였다는 점은 본 연구의 한계라고 할 수 있다.
국가 연구개발 과제의 자원이 한정적이라는 점을 생각할 때, 상기 기술의 연구개발을 추진하기 위해서는 2개 부문 8개 세부 기술 중에서 필요성, 시급성, 및 각종 효과성을 고려한 우선순위를 평가함이 필수적이다. 본 연구에서는 다수의 연구부문 전문가를 주 대상으로, AHP (Analytic Hierarchy Process) 기법을 도입하여 기술 요인간의 중요도를 분석하고 우선순위를 분석하였다. 웹기반 설문지를 개발하여 배포 및 수거하여 설문에 소요되는 시간과 자원을 효율화하였으며, 설문 프로세스는 다음의 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 총 25명의 전문가를 대상으로 설문을 진행하였으며, 총 25명 중 22명은 연구직 종사자이며 평균 5.8년 종사하였으며 100 % 토목공학 전공자로 구성되었다. 이외에도 2명의 설계직군 종사자와 3명의 시공부문 종사자의 설문 정보를 취득하였다(Table 3).
8년 종사하였으며 100 % 토목공학 전공자로 구성되었다. 이외에도 2명의 설계직군 종사자와 3명의 시공부문 종사자의 설문 정보를 취득하였다(Table 3). 이들 25명의 설문은 연구진의 요청에 의하여 작성되었으며 직접적인 요청에 응한 참가자는 18명이며 나머지 7명은 1차 설문요청에 응한 참가자의 주변인의 설문 데이터로서 최종적으로 25명이 응답하게 되었다.
이외에도 2명의 설계직군 종사자와 3명의 시공부문 종사자의 설문 정보를 취득하였다(Table 3). 이들 25명의 설문은 연구진의 요청에 의하여 작성되었으며 직접적인 요청에 응한 참가자는 18명이며 나머지 7명은 1차 설문요청에 응한 참가자의 주변인의 설문 데이터로서 최종적으로 25명이 응답하게 되었다.

데이터처리

AHP 분석은 Dress (Ver. 1.7)프로그램이 사용되었으며, 쌍대비교간 기하평균을 이용하여 요인간 가중치를 분석하였다. 본 연구에서 사용한 기술 요인은 5가지 주요 요인(안전, 생산성, 장비 운용성, 노동 활용성, 품질)을 활용하였다.

성능/효과

앞서 살펴본 대로, 대부분의 토공부문 건설 자동화 기술은 건설 장비를 효율적으로 관리·제어하기 위한 기술과 건설장비의 작업 효율, 즉 건설장비 작업 생산성 자체를 증가시키기 위한 머신 가이던스 및 머신 컨트롤 기술로 크게 구분된다. 이외에 토목 BIM 기술의 접목(Autodesk), 건설 IoT 센서 활용(i-Construction), 통신 인프라 기술(i-Construction) 등도 단지조성공사 토공부문에서 활용될 수 있는 것으로 조사되었다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 2개의 분류 기준 1) 토공 관제 기술 및 이와 관련된 인프라 기술, 2) 토공 장비 자동화 및 단지조성공사 현장 정보 취득 기술로 구분하고, 각각 4가지 세부기술들을 우선순위 도출의 후보기술로서 제안하였다.
이는 실제 설문지의 코멘트에서도 “최근 각광받는 머신 가이던스, 머신 컨트롤 기술의 경우 시공 효율이 기존대비 50~100 % 향상되는 것뿐만 아니라 시공 품질도 증대되는 것으로 알려져 있음”과 같이 장비 운용성이 증가되는 것이 궁극적으로 품질을 향상시키는 것과 연결되어 있다고 판단하는 것으로 보인다. 이에 반해 노동력 활용성은 건설 자동화 기술의 목표중 하나인 무인화, 측량검측 감소, 원격 시공과 같은 노동집약적 산업의 탈피와는 거리가 만 평가요인으로서, 상대적으로 낮은 중요도를 가지는 것으로 분석되었다.
세부 기술중 1-4는 설문 대상자가 해석에 따라 연구부문 “자동화 수준”별 다양하고 심층적인 연구아이템들이 내재되어 있는 것으로 판단했을 가능성이 있다. 머신 가이던스, 머신 컨트롤, 원격, 완전 자율등 핵심 자동화 연구 아이템들이 종합적으로 포함되어 있는 연구과제로서 보일 수 있으며, 이것이 연구 개발자 입장에서는 폭넓은 범위의 연구개발 과제가 내포되어 있어 높은 평가를 준 것으로 판단될 수 있다. 일부 평가위원 중 필요성에 대한 배점에 관하여 지적한 바, 본 연구에서는 민감도 분석을 수행하였으며, 필요성의 배점이 60부터 30까지 낮추면서 세부평가요인의 배점을 높여 순위를 측정하였다.
대부분의 전문가는 연구개발 부문에 종사하고 있으므로 국가 R&D 사업의 차원에서 의미 있는 결과가 도출되었을 것이라 판단하며, 반면에 엔지니어링 및 시공부문 전문가의 의견의 비중이 낮다는 점을 고려하였을 때 실무에서 요구하는 기술 우선순위 의견을 제한적으로 청취하였다는 점은 본 연구의 한계라고 할 수 있다. 웹기반 설문지를 통해 일반적인 서면 평가가 가지는 설문 배포 및 수거에 걸리는 시간을 단축하였으며, 모든 설문응답자는 특별한 이상치 없이 일관된 응답의견을 보였다는 점에서 웹기반 설문지의 효율성 및 편의성 또한 확인할 수 있었다.
8개 세부 기술간의 연구개발 우선순위를 도출하기 위하여, 본 연구에서는 평가 요인을 크게 2개(필요성 및 기대효과)로 나누었다. 첫 번째 필요성은 해당기술이 단지조성 및 택지개발의 토공 부문에 있어 얼마나 시급하게 필요한지 여부를 묻고, 기대효과에서는 다시 5개의 세부요인으로 나누어 평가 요인당 200점 만점으로 평가 점수를 산정하였다. 앞서 AHP를 통해 5개 세부요인의 가중치를 산정하였으며, 필요성과 기대효과의 배점은 60대 40으로 하였다(Fig.
총 25명의 AHP 쌍대비교 데이터를 기하평균(Geometric mean)을 적용하여 분석한 결과, 생산성이 가장 높은 비중(0.45)으로 차지하는 것으로 분석되었고, 그 다음으로 안전(0.23), 장비 운용성(0.16)순 이었다. 일관성 지수(Consistency index)는 0.

후속연구

, 2011), 토공사를 효율화 할 수 있는 자동화 기술이 개발되어 적용된다면 거둘 수 있는 비용 절감 효과 및 공기 단축 효과는 매우 클 것이다. 특히 37개의 스마트시티 조성사업을 추진함에 있어 토공부문 스마트 시공 기술들이 적용되면 편리, 안전, 친환경 등을 통한 도시민의 만족도 향상, 효율적인 도시 관리 운영 및 도시 경쟁력 강화의 효과를 기대할 수 있을 것이다.
숙련공 부족에 대한 기술적 해결 및 건설 생산성, 품질, 작업환경 등의 향상 방안으로 이미 오래전부터 건설 자동화 및 로봇(Construction Automation Systems and Robot) 활용되어 왔으며, 건설기능인력 수급 불균형 심화, 노무 생산성 저하, 국제 경쟁력 약화, 핵심기술에 대한 해외 의존도 심화 등 건설 산업이 당면하고 있는 문제를 해결하기 위한 기술적 방안으로 건설기계의 자동화가 대두 된지 오래되었다. 특히 세계 건설 산업은 4차 산업혁명 기술과 융합하여 생산성을 향상하고 일자리 창출 및 미래 시장을 선점하기 위한 경쟁이 치열하게 전개되고 있으며, 국내에서도 건설사업의 생산체계 혁신을 위해 드론·BIM·센서·3D 프린터 등 첨단기술을 융·복합한 스마트 건설자동화로 전환을 모색중임을 고려할 때, 본 연구의 대상인 단지조성의 토공부문의 자동화 기술의 적용도 머지않을 것으로 기대된다.
특히, 미국의 경우 American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Caltrans 등의 정부 기관에서 스마트 머신 가이던스 시스템 기술을 적극적으로 지원하여 기술력 확보와 시장선도를 이루고 있다. 건설현장에서 건설장비 조종원의 수급이 원활하지 않아서 고령화가 진행되고 있다는 점을 비추어 보았을 때, 건설장비 조종원에게 스마트 머신 가이던스 시스템과 같은 쾌적한 토공작업 기능을 제공하여 이를 극복해야 할 것이다. 솔루션 운영사의 예로는 Leica Geosystems (Leica Geosystems, 2019)의 MCC (Machine Control Construction), Trimble의 Grade Control (Trimble Inc.
본 연구에서 높은 우선순위를 가진 토공부문 건설 자동화 기술은 기존의 건설 장비에 국한된 관제기술에서 벗어나 건설 정보를 하나의 플랫폼으로 통합하고, 이를 바탕으로 건설 장비의 원격 제어 및 원격 작업 생산성의 증대를 위한 수요자 측면의 요구를 정량화 한 결과로써, 향후 연구개발 기획 및 로드맵에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 순위가 낮은 세부 기술일지라도 국가 연구개발 정책 방향과 일치하거나, 특히 IoT 센서 개발과 같은 핵심 소재 및 부품 개발과 연관된 연구과제는 향후 건설 산업의 원천기술 확보를 위해 필요할 수도 있을 것이다.
본 연구에서 높은 우선순위를 가진 토공부문 건설 자동화 기술은 기존의 건설 장비에 국한된 관제기술에서 벗어나 건설 정보를 하나의 플랫폼으로 통합하고, 이를 바탕으로 건설 장비의 원격 제어 및 원격 작업 생산성의 증대를 위한 수요자 측면의 요구를 정량화 한 결과로써, 향후 연구개발 기획 및 로드맵에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 순위가 낮은 세부 기술일지라도 국가 연구개발 정책 방향과 일치하거나, 특히 IoT 센서 개발과 같은 핵심 소재 및 부품 개발과 연관된 연구과제는 향후 건설 산업의 원천기술 확보를 위해 필요할 수도 있을 것이다. 추후 연구로는 본 연구과제의 전문가 대상을 설계, 엔지니어링, 종합시공사, 전문건설사 등으로 폭을 넓혀서 보다 엔드유저 입장의 수요를 반영하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
순위가 낮은 세부 기술일지라도 국가 연구개발 정책 방향과 일치하거나, 특히 IoT 센서 개발과 같은 핵심 소재 및 부품 개발과 연관된 연구과제는 향후 건설 산업의 원천기술 확보를 위해 필요할 수도 있을 것이다. 추후 연구로는 본 연구과제의 전문가 대상을 설계, 엔지니어링, 종합시공사, 전문건설사 등으로 폭을 넓혀서 보다 엔드유저 입장의 수요를 반영하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 단지조성공사 토공부문 건설자동화와 관련된 후보 기술을 기 개발 및 운용중인 선진 기술을 분석함으로써 도출하였고, 이를 AHP를 통한 평가요인별 중요도 산정 및 필요성과 5가지 세부 평가요인별 우선순위 평가를 통해 각 세부 기술간의 연구개발 우선순위를 평가하였다. 대부분의 전문가는 연구개발 부문에 종사하고 있으므로 국가 R&D 사업의 차원에서 의미 있는 결과가 도출되었을 것이라 판단하며, 반면에 엔지니어링 및 시공부문 전문가의 의견의 비중이 낮다는 점을 고려하였을 때 실무에서 요구하는 기술 우선순위 의견을 제한적으로 청취하였다는 점은 본 연구의 한계라고 할 수 있다. 웹기반 설문지를 통해 일반적인 서면 평가가 가지는 설문 배포 및 수거에 걸리는 시간을 단축하였으며, 모든 설문응답자는 특별한 이상치 없이 일관된 응답의견을 보였다는 점에서 웹기반 설문지의 효율성 및 편의성 또한 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	택지, 산업, 관광단지 등을 조성함에 있어 반드시 필요한 것은?	단지조성은 택지, 산업, 관광단지 등을 조성함에 있어 반드시 필요하다. 그러나 단지조성에서의 건설자동화기술 개발 및 적용은 다소 느린 편이다.
	설문조사에서 토공 기술의 우선순위 중 가장 높은 것으로 나타난 것은?	본 논문에서는 국내외 선진 토공 기술을 조사하여 개발 필요성이 있는 8가지 후보기술을 도출 하였으며, 이를 AHP와 연구개발부문 종사자를 주 대상으로 설문을 통해 기술 우선순위를 도출하였다. 그 결과 건설자동화 수준별 맞춤 관제 기술과 관제 플랫폼화 기술이 가장 높은 우선순위로 나타났으며, 민감도 분석을 통해서 평가 요인별 가중치에 따른 순위 변화 추이도 분석하였다. 이를 통해 단지조성 토공부문 건설자동화 기술의 연구개발 추진 및 로드맵을 수립하였다.
	토공부문 스마트 시공 기술이 적용되면 기대되는 효과는?	,2011), 토공사를 효율화 할 수 있는 자동화 기술이 개발되어 적용된다면 거둘 수 있는 비용 절감 효과 및 공기 단축 효과는 매우 클 것이다. 특히 37개의 스마트시티 조성사업을 추진함에 있어 토공부문 스마트 시공 기술들이 적용되면 편리, 안전, 친환경 등을 통한 도시민의 만족도 향상, 효율적인 도시 관리 운영 및 도시 경쟁력 강화의 효과를 기대할 수 있을 것이다.

참고문헌 (16)

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