[논문]도저 정지작업 시 머신 가이던스 시스템 적용에 따른 토공성과 향상 사례분석

문성우; 김상태

doi:10.6106/kjcem.2020.21.1.078

도저 정지작업 시 머신 가이던스 시스템 적용에 따른 토공성과 향상 사례분석
Performance Effectiveness Case Study of the Machine Guidance System for Dozer Eartwrok Grading Work 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.21 no.1, 2020년, pp.78 - 86

문성우 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김상태 (부산대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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도저는 고가의 건설장비로서 건설토공현장 정지작업에서 커다란 영향을 가져온다. 이러한 중요성에 따라서 머신 가이던스 시스템이 도저에 적용되어 토공 정지작업의 성과를 올리기 위한 노력이 진행되고 있다. 머신 가이던스 시스템은 정지작업 시 장비기사에게 정지작업에 필요한 굴삭깊이, 경사각도 등 정보를 제공하며, 장비기사는 제공되는 정보를 이용하여 측량기사의 도움을 최소화 하면서 정지작업을 진행할 수 있다. 이와 같이 머신 가이던스 시스템은 장비기사가 계획도면 상의 계획고에 맞추어 정지작업을 수행할 수 있도록 돕는 기능을 제공한다. 본 논문의 목적은 머신 가이던스 시스템이 기존 토공 정지작업과 비교하여 토공 정지작업에 가져오는 성과향상을 분석하는 것이다. 성과분석은 1) 생산성과 2) 정확도 2가지 관점에서 수행됐다. 여기서 생산성은 단위시간에 도출되는 작업량을 나타내며, 정확도는 계획도면에서 요구하는 계획고에서 벗어나는 정도를 나타낸다. 본 연구목적을 달성하기 위해 도저 머신 가이던스 시스템을 테스트 현장에 적용했으며, 적용결과 머신 가이던스 시스템이 전통적인 방법과 비교하여 생산성의 경우 46.59%, 정확도의 경우 46.96%만큼 증가되는 성과향상을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Dozer is an expensive construction equipment and has a significant performance impact on earthwork performance. A machine guidance system has been applied to dozer equipment as a solution that can improve the performance. The system can provide earthwork-related information to equipment operators so that earthworks can be carried out with minimum support from surveyors. Construction Equipment Machine guidance has the function of supporting earthwork according to an earthwork plan by providing excavation-related information to machine operators. The objective of this study is to evaluate the performance improvement of a machine guidance system for an dozer earthwork operation, and to compare the machine guidance method with the traditional method. The performance has been evaluated in two folds: 1) productivity and 2) accuracy. The productivity shows the quantity of earthwork for a given unit time. The accuracy shows the deviation of grading level from the designed level on the construction drawing for earthwork. The machine guidance system has been applied to a testing bed in a construction site. Data comparison analysis showed that the earth earthwork had 46.59% improvement in productivity as well as 46.96% improvement in accuracy, and is expected to provide a tool for applying smart constrction to the earthwork operation.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Research Procedure
그림 Fig. 2. Process for dozer grading test with a traditional method
그림 Fig. 3. General dozer grading work
그림 Fig. 4. Process for dozer grading test with a machine guidance system
그림 Fig. 5. Machine guidance dozer grading work
그림 Fig. 6. 3D planned model
그림 Fig. 7. Cross section view of the dozer grading area
표 Table 1. Factor of capacity of dozer according to Korean Standard
표 Table 2. Classification according to task
표 Table 3. Comparative evaluation of productivity
표 Table 4. Result of quality of volume and area

AI 본문요약
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문제 정의

머신 가이던스 시스템의 현장 적용성을 높이기 위해서는 토공작업 중 토공작업 시간단축, 비용절감 등의 효과뿐만 아니라 시방서에서 요구하는 시공 정밀도 및 높은 생산성을 동시에 확보할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 도저 머신 가이던스 시스템을 실제 토공현장에 적용했을 때 생산성 및 정확도를 정량적으로 분석하여 시스템의 도입효과를 검증하기 위해 수행됐다. 이러한 관점에서 도저 머신 가이던스 현장 테스트 결과를 진행하며 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구의 목적은 도저 특성에 따른 매커니즘을 분석하여 독자적으로 개발한 도저 머신 가이던스 시스템을 토공 정지 작업에 적용했을 때 기존 토공작업 방법에 대비하여 성능 향상을 생산성 및 품질 측면에서 분석하는 것이다.
여기서 생산성은 단위시간에 도출되는 작업량을 나타내며, 정확도는 계획도면 상의 계획고에서 벗어나는 정도를 나타낸다. 이러한 관점에서 본 연구는 표준품셈에서 제시하는 생산성을 기준으로 시스템의 도입효과를 정량적으로 검증했으며, 실증 테스트에서 기존의 토공 프로세스와 분석하여 품질향상의 정도를 검토했다.

가설 설정

전통적으로 진행되는 토공작업은 1) 토공측량, 2) 절토, 성토 및 운반 그리고 3) 검수측량의 순서에 따라서 진행된다. 토공작업을 위한 측량은 종단면도, 횡단면도 등의 2D 설계 도면을 바탕으로 굴착경계면의 좌표를 확인하고, 규준틀과 말뚝을 사용하여 설계도면과 관련한 경사도, 깊이, 폭 등의 토공정보를 제공한다.

제안 방법

도저 머신가이던스 정지작업의 정확도를 분석하기 위해 전통적 방식 및 머신 가이던스 방식의 두 가지 작업 후 시공기면에 대해 스캐닝을 진행했다. 대상 지역에 대하여 600만개 이상의 점군 데이터를 획득했으며, 이를 활용하여 이루어진 작업 후 생성된 시공기면과 계획도면을 비교 및 분석했다. [Fig.
도저 머신 가이던스의 성능평가를 진행하기 위해 실제 토공현장에서 테스트를 진행했으며, 최종 성능분석을 위한 단계적 절차는 [Fig. 4]와 같다.
도저 머신가이던스 정지작업의 정확도를 분석하기 위해 전통적 방식 및 머신 가이던스 방식의 두 가지 작업 후 시공기면에 대해 스캐닝을 진행했다. 대상 지역에 대하여 600만개 이상의 점군 데이터를 획득했으며, 이를 활용하여 이루어진 작업 후 생성된 시공기면과 계획도면을 비교 및 분석했다.
삽날의 용량(q)의 경우 도저의 급수 및 종별, 토사 운반거리를 고려하여 적용했으며, 체적환산계수(f)값은 현장에서 제공받은 값을 사용했다. 또한 토양의 조건을 고려하여 작업효율(E), 1회 싸이클시간(Cm)을 설정했다. 위 값들을 사용하여 산출된 단위 시간당 작업량은 61.
머신 가이던스 시스템의 도입효과를 검증하기에 앞서 양산시 OO지구 단지 조성현장을 방문하여 전통적 방식의 도저 정지작업 테스트를 진행했으며 그 절차는 [Fig. 2]와 같다.
또한, 실시간으로 제공되는 굴삭정보를 바탕으로 건설 장비 조종원이 현재 시공된 정도를 쉽게 파악하고 오시공이 일어난 부분에 대해 즉각적으로 재작업을 진행할 수 있기 때문에 더욱 정확하고 균등한 시공이 가능한 것으로 판단된다. 본 연구에서 실시한 도저 머신 가이던스 현장 테스트는 흐트러진 상태의 자갈 섞인 토양조건에서 진행됐다. 토양조건이 블레이드 작동에 영향을 줄 수 있다는 점을 고려하면 흐트러진 상태의 자갈 섞인 토양이 아니라면 다른 결과를 가질수 있다는 점을 시사한다.
사전 측량을 실시하여 계획도면에 대한 정보를 규준틀과 말뚝에 제시한 후 장비기사의 경험과 숙련도를 바탕으로 정지작업을 시행했다. 정지작업을 위해 사용된 장비는 캐터필러社의 D3C LGP를 사용했으며, 토양의 조건은 흐트러진 상태의 자갈 섞인 흙으로 나타났다[Fig.
연구목적을 달성하기 위해 도저의 작업성과는 생산성 및 시공단면의 정확도 두 가지 관점에서 평가했다. 여기서 생산성은 단위시간에 도출되는 작업량을 나타내며, 정확도는 계획도면 상의 계획고에서 벗어나는 정도를 나타낸다.
제시된 알고리즘 검증을 위해 제어 모듈과 센서모듈을 구성하여 도저 블레이드 하단의 위치 오차를 ±5cm 이하로 측정했다(Lee, 2018).
(2016)은 위치센서 GPS와 자세센서 IMU를 이용하여 블레이드의 Roll, Pitch, Yaw값을 추정해 내는 알고리즘을 제시했다. 추가적으로 IMU센서를 설치하여 GPS 측정 오차를 보정하는 방법을 사용함으로써 블레이드의 정확한 자세 추정의 필요성을 언급했다. 제시된 알고리즘 검증을 위해 제어 모듈과 센서모듈을 구성하여 도저 블레이드 하단의 위치 오차를 ±5cm 이하로 측정했다(Lee, 2018).
전통적으로 진행되는 토공작업은 1) 토공측량, 2) 절토, 성토 및 운반 그리고 3) 검수측량의 순서에 따라서 진행된다. 토공작업을 위한 측량은 종단면도, 횡단면도 등의 2D 설계 도면을 바탕으로 굴착경계면의 좌표를 확인하고, 규준틀과 말뚝을 사용하여 설계도면과 관련한 경사도, 깊이, 폭 등의 토공정보를 제공한다. 건설기계 운전기사는 육안으로 규준 틀과 말뚝에 제시되어 있는 굴삭 정보를 수집하고 절토 또는 성토를 한다.
Surface-Surface Method를 사용하여 계획도면 대비 단위 면적당 토공량 오차를 도출해 냈으며, 이를 바탕으로 시공기면의 품질을 평가할 수 있다. 확인된 성토량 및 절토량 모두 생성된 시공기면과 계획도면과의 오차로 볼 수 있기 때문에 절대값으로 환산하여 분석했다[Table 4].

대상 데이터

머신 가이던스에서 도저의 위치는 RTK-GPS 시스템을 사용하여 추적한다. GPS 데이터는 도저 블레이드에 부착된 2 개의 GPS 수신 안테나와 RTK-GPS 기지국을 이용하여 수신한다.
사전 측량을 실시하여 계획도면에 대한 정보를 규준틀과 말뚝에 제시한 후 장비기사의 경험과 숙련도를 바탕으로 정지작업을 시행했다. 정지작업을 위해 사용된 장비는 캐터필러社의 D3C LGP를 사용했으며, 토양의 조건은 흐트러진 상태의 자갈 섞인 흙으로 나타났다[Fig. 3].

이론/모형

6(a)]. 3차원 형태의 계획도면은 격자 형태로 구성된 TIN (Triangulated Irregular Network)형식 기반의 DEM (Digital Elavation Model)모델 이다. 생성된 DEM모델은 토공작업을 진행하고자 하는 대상지역의 모든 X, Y, Z 좌표정보를 포함하고 있다.
Surface-Surface Method를 사용하여 계획도면 대비 단위 면적당 토공량 오차를 도출해 냈으며, 이를 바탕으로 시공기면의 품질을 평가할 수 있다. 확인된 성토량 및 절토량 모두 생성된 시공기면과 계획도면과의 오차로 볼 수 있기 때문에 절대값으로 환산하여 분석했다[Table 4].

성능/효과

1) 생산성 분석을 위해 테스트를 진행하는 동안 소요된 시간을 분석한 결과 건설공사 표준품셈에서 제시한 시간당 작업 기준량에 대비하여 95.68%가 향상되었음을 확인했다. 또한, 전통적 도저굴삭 방식에 대비하여 46.
2) 실제 테스트 결과 도저 머신 가이던스 시스템 적용 시토공 정지작업에서 전통적 방식 대비 46.96%의 정확도 향상을 이루어냈다. 이는 측량 단계에서 발생하는 휴먼에러를 소거시킬 수 있기 때문이라고 유추할 수 있다.
여기서 함수비와 같이 세부적인 부분까지는 동일하게 설정하는데 한계가 있기 때문에 현장 기술자의 판단하에 건설공사 표준품셈에서 제시하는 기준을 근거로 토질조건을 동일하게 설정했다. 또한 3) 작업 난이도에 대한 영향을 배제하기 위해 설계도면 내 2~3%의 낮은 경사를 포함한 비교적 작업이 쉬운 구간으로 설정했으며, 4) 건설 장비 운전기사의 숙련도에 대한 영향을 배제하기 위해 운전기사는 20년 이상의 경력자를 투입했다.
정부에서는 2025년까지 스마트 건설기술 활용기반을 구축하고, 2030년 건설자동 화를 실현하는 가이드라인을 제시했다. 건설현장의 생산성을 50%이상 향상시키고, 사망 만인율을 1.66에서 1.0으로 줄이기 위한 건설 안전성 향상 전략을 수립했다. 또한, 발주기관에서는 건설현장의 스마트화 및 자동화를 활성화하기 위해 머신 가이던스 시방 가이드라인을 설정하고, 시범사업을 시행하여 발생할 수 있는 문제점을 파악하고 해결방안을 모색하고 있다(Ministry of Land of KOREA, Infrastructure and Transport, 2018.
동일한 방식으로 전통적인 도저 정지작업에 대한 시공기면을 분석했을 때, 추가로 성토해야하는 토공량 27.22㎥, 절토해야 하는 토공량은 1.17㎥로써 총 28.39㎥의 토공량 차이가 발생했다. 전통적인 도저 정지작업의 면적 247.
68%가 향상되었음을 확인했다. 또한, 전통적 도저굴삭 방식에 대비하여 46.59%의 생산성 향상을 확인했다. 도저 머신 가이던스 시스템은 사전 측량, 시공 중 측량, 재작업 등에 소요되는 시간에 줄여 생산성을 획기적으로 증대시킬 수 있다.
본 연구를 통해 머신 가이던스 기술을 도저에 적용했을때 생산성 및 품질 측면에서 만족할 만한 성능향상을 나타낸다는 것을 확인했다. 본 사례분석 연구에서 얻은 경험과 교훈은 머신 가이던스를 토공현장에 적용하기 위한 새로운 프로세스를 수립하고 추후 모터 그레이더, 진동롤러 등과 같은 다양한 건설장비에서의 스마트 시공을 위한 연구의 사전정보로 활용될 수 있을 것이다.
분석한 결과를 바탕으로 토공 정지작업에 머신 가이던스 시스템을 사용하면 전통적인 도저 정지작업에 비하여 전체 작업구간에 대해 평균적으로 5.4cm의 오차를 줄일 수 있으며, 전체 시공기면에 대하여 46.96% 품질을 향상시킬 수 있다는 것을 확인했다.
생산성 분석 결과 전통적인 방식의 경우 단위 시간당 작업량은 81.95㎥/hr가 도출되었으며, 머신 가이던스의 경우 120.13㎥/hr로써 전통적 방식 대비 46.59%가 향상되었 다. 이는 앞서 산출한 건설공사 표준품셈 대비 95.
8cm 이내의 정확성을 가진다. 수신된 데이터를 기반으로 도저 블레 이드 끝점의 X, Y, Z 좌표를 2cm 이내의 정확도로 추적할 수 있으며, 사용자 화면에서 실시간으로 이를 확인할 수 있다.
시공기면과 계획도면과의 작업 면적 대비 토공량 차이를 분석한 결과 머신 가이던스를 적용한 경우 계획된 굴착고를 맞추기 위해 추가로 성토해야하는 토공량 11.18㎥, 절토해야 하는 토공량은 1.30㎥로써 총 12.48㎥의 토공량 차이가 발생했다. 머신 가이던스를 사용하여 정지작업을 했을 때, 203.
(2013)은 도저의 이론적 이동속도와 실제 이동속도를 비교하여 도저에 걸리는 부하를 분석하는 매커니즘을 제시하고, 평탄화 작업을 위한 컨트롤 방식 및 굴삭, 운반을 위한 컨트롤 방식 두 가지로 제어할 수 있는 연구를 진행했다. 이를 이용하여 건설장비 운전기사는 토공 작업량에 따라서 최적의 조건으로 정지 작업을 진행할 수 있는 정보를 얻을 수 있으며 약 13%의 생산성 향상의 결과를 나타냈다.
소요된 시간을 확인한 결과 머신 가이던스 시스템을 적용했을 때 소요된 시간은 374초이다. 이에 비해 전통적 방식의 경우 총 1,247초가 소요되었으며, 실제 표토 정지작업에 소요된 시간은 527초, 사전측량 483초, 규준틀 및 말뚝을 설치하기 위해 소요된 시간은 237초이다.

후속연구

그러나 원천기술의 부족, 고가의 비용, 70% 이상이 산으로 둘러싸인 지리적 특성 등의 원인 때문에 머신 가이던스 시스템을 도저에 적용하여 생산성 및 품질 측면의 성과를 분석한 연구는 거의 진행되지 않았다. 따라서 효율성과 성능을 동시에 갖춘 머신 가이던스 기술을 개발하여 국내 토공 현장에 적용하고, 분석하여 성능 향상을 분석하는 사례 연구가 필요하다.
본 연구를 통해 머신 가이던스 기술을 도저에 적용했을때 생산성 및 품질 측면에서 만족할 만한 성능향상을 나타낸다는 것을 확인했다. 본 사례분석 연구에서 얻은 경험과 교훈은 머신 가이던스를 토공현장에 적용하기 위한 새로운 프로세스를 수립하고 추후 모터 그레이더, 진동롤러 등과 같은 다양한 건설장비에서의 스마트 시공을 위한 연구의 사전정보로 활용될 수 있을 것이다. 향후 연구에서는 다양한 건설장비 및 토공현장에서 실증 테스트를 꾸준히 진행하여 머신 가이던스 시스템 적용에 따른 성능분석에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
선정한 도저 굴삭 테스트 부지에 비해 실제 토공작업이 진행되는 현장은 매우 넓다는 점을 감안한다면 실제 토공현장에서의 전체 작업시간 대비 직접작업시간, 간접작업시간 및 비생산시간의 비율은 현장에 따라서 다소 차이가 발생할 수 있다. 측량 범위가 넓고, 시공 난이도가 높은 현장일수록 생산성은 더욱 증가할 것이라고 판단되며 일반화된 생산성 향상도를 도출하기 위해 서는 다양한 현장에서의 사례연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다.
본 사례분석 연구에서 얻은 경험과 교훈은 머신 가이던스를 토공현장에 적용하기 위한 새로운 프로세스를 수립하고 추후 모터 그레이더, 진동롤러 등과 같은 다양한 건설장비에서의 스마트 시공을 위한 연구의 사전정보로 활용될 수 있을 것이다. 향후 연구에서는 다양한 건설장비 및 토공현장에서 실증 테스트를 꾸준히 진행하여 머신 가이던스 시스템 적용에 따른 성능분석에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건설토공현장 정지작업에서 커다란 영향가져온 건설장비는 무엇인가?	도저는 고가의 건설장비로서 건설토공현장 정지작업에서 커다란 영향을 가져온다. 이러한 중요성에 따라서 머신 가이던스 시스템이 도저에 적용되어 토공 정지작업의 성과를 올리기 위한 노력이 진행되고 있다.
	머신 가이던스 시스템의 용도는 무엇인가?	이러한 중요성에 따라서 머신 가이던스 시스템이 도저에 적용되어 토공 정지작업의 성과를 올리기 위한 노력이 진행되고 있다. 머신 가이던스 시스템은 정지작업 시 장비기사에게 정지작업에 필요한 굴삭깊이, 경사각도 등 정보를 제공하며, 장비기사는 제공되는 정보를 이용하여 측량기사의 도움을 최소화 하면서 정지작업을 진행할 수 있다. 이와 같이 머신 가이던스 시스템은 장비기사가 계획도면 상의 계획고에 맞추어 정지작업을 수행할 수 있도록 돕는 기능을 제공한다.
	토공 작업 현장의 생산성은 개인의 숙련도에 크게 의존하나 숙련된 기능 인력 부족으로 일어나는 문제는?	2017). 필연적으로 비숙련공의 시공 오류, 재작업 발생, 측량 오차의 누적, 작업정보의 부족, 안전사고 발생 등이 증가하고 결과적으로 품질저하 및 건설 생산성 감소와 같은 문제를 발생시키고 있다(Ministry of Land of KOREA, Infrastructure and Transport, 2014).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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