[논문]국내·외 TBM 시뮬레이터 개발 현황

최순욱; 이철호; 강태호; 장수호

doi:10.7474/tus.2020.30.5.433

국내·외 TBM 시뮬레이터 개발 현황
Current Status of Technical Development for TBM Simulator 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.5, 2020년, pp.433 - 445

최순욱 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터) , 이철호 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터) , 강태호 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터) , 장수호 (한국건설기술연구원 건설산업진흥본부)

초록
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TBM의 운전 전문인력은 세계적으로 부족한 상황이며 신규 인력의 시공경험 부족은 각종 시공리스크 발생 시 대응능력 저하를 가져올 수 있다. TBM 시공품질이 TBM 운전자의 숙련도와 경험에 크게 좌우되는 점과 숙련인력 부족에 의한 생산성 저하, 숙련도 저하에 의한 안전성 저하는 TBM산업에서의 자주 거론되는 문제점이다. 이를 위해 국외의 몇 개 업체와 기관에서 시뮬레이터를 개발하였고 국내에서도 시뮬레이터 개발이 이루어지고 있다. 국제터널협회에서는 강의실 교육, e-learning, 시뮬레이터 교육 및 현장 실습을 포함하는 포괄적인 교육을 계획하고 있다. 국내외 진행상황으로 볼 때, TBM 운전자 교육 및 인증 또는 라이센스를 통한 공식적인 교육 인정은 멀지 않은 미래에 표준이 될 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Professional TBM Operator is in short supply worldwide, and insufficient construction experience of new personnel using TBM can lead to a decline in response capabilities when various construction risks occur. The fact that the TBM construction quality greatly depends on the skill and experience of the TBM operator, and the decrease in productivity due to insufficient skilled manpower, and the decrease in safety due to the decrease in skill level are frequently discussed problems in the TBM industry. To this end, several overseas companies and organizations have developed simulators, and a simulator is being developed in Korea. The International Tunneling Association is planning a comprehensive training, including classroom training, e-learning, simulator training and field training. Given the progress at home and abroad, TBM driver training and formal recognition of training through certification or licensing is expected to become the norm in the near future.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Erector training using virtual reality(Herrenknecht, 2018)
그림 Fig. 2. Screenshot of the EPB simulator operating on a PC (Chorley, 2017)
그림 Fig. 3. Students working with the simulator (Chorley, 2017)
그림 Fig. 4. Education course of Bouygues Travaux Public (Herr, 2019)
그림 Fig. 5. THALIA Simulator (Bouygues Construction, 2017)
그림 Fig. 6. Proposed framework interaction schema (Jardόn et al., 2012)
그림 Fig. 7. Comparison of interface between virtual and real panel (Jardόn et al., 2012)
그림 Fig. 8. TBM driver certification scheme (ITA, 2019)
그림 Fig. 9. Overview of system configuration
그림 Fig. 9. Overview of system configuration (Continued)
그림 Fig. 10. Simulator hardware prototype I
그림 Fig. 11. Simulator hardware prototype II
그림 Fig. 12. Learning Management System
그림 Fig. 13. Example of function registration in the LMS
그림 Fig. 14. Example of BPMN (cutterhead drive)

AI 본문요약
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문제 정의

중국을 비롯하여 전세계적으로 TBM공법의 사용이 증가하는 추세에 있지만, 숙련된 운전자는 상대적으로 부족한 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 개발되고 있는 운전자 교육용 시뮬레이터에 대해 소개하고자 한다.
본 연구에서는 국외의 TBM 시뮬레이터 개발현황에 대해 알아보고 국내에서 진행되고 있는 TBM 시뮬레이터의 현황을 살펴보았다.
TBM의 운전 전문인력은 세계적으로 부족한 상황이며 신규 인력의 시공경험 부족은 각종 시공리스크 발생 시 대응능력 저하를 가져올 수 있다. 본 연구에서는 아직 진행단계인 국내외 TBM 시뮬레이터 기술에 대해 살펴보았다.
8). 이 제도의 목표는 TBM 운전자를 평가하는 독립적이고 표준화된 수단을 제공하여 궁극적으로 TBM 기반 작업의 전반적인 품질을 개선하는 ITA 인증을 제공하는 것이다(ITA, 2019).
국내 TBM 산업은 후발 진입하는 실정을 감안하여 선진국과의 기술격차를 줄이고 차별화된 관련기술의 확보 차원에서 독자적인 기술개발 분야가 필요하다. 이를 위하여 TBM 운전과 관련한 전문인력 양성 방안을 마련하고자 하였다. 전 세계적으로 TBM 터널 건설이 활성화됨에 따라 TBM을 안전하고 효율적으로 운전할 수 있는 전문인력의 수요가 늘어가고 있어서 전문인력 양성의 중요성이 높아지는 실정이며 이를 위하여 TBM 시뮬레이터를 활용한 TBM 운전 인력 양성과 정규화된 훈련 체계는 전문인력 양성에 있어서 효과적인 방안이다(KICT, 2018).

제안 방법

10과 같다. TBM 장비에 탑재되어 있는 운전실을 모사한 실물 크기의 시뮬레이터 하드웨어 프로토타입을 제작하였다. CBT에서 터치 패널을 이용하여 TBM의 운전조작이 이루어졌다면 시뮬레이터 하드웨어에서는 버튼과 스위치를 이용하여 운전조작이 이루어진다는 점에서 차이가 있다.
이러한 작업상황과 관련된 작업방식을 마이크로 터널링 장비의 운전을 위한 현실성 있는 함수 모델로 구성하였다. 개발된 시스템은 Fig. 7과 같이 실제 장비의 제어장치(pilot cabinet)와 유사한 Human-Machine Interface(HMI)로 구축하였고 그 인터페이스를 통해 운전자는 숙련 운전사의 노하우 기반으로 구현된 추론 엔진(inference engine)이 반영된 제어판(control panel)으로 편안하게 작업할 수 있게 하였다.
따라서 장비를 운용하는 운전자의 교육은 반드시 필요하다. 본 연구에서는 먼저 국외의 시뮬레이터를 이용한 장비운용 교육을 살펴보았다.
시뮬레이터 소프트웨어는 4가지 기본 프로그램으로 구성되며 크게 TBM 제어 패널(control panel)을 구현한 OP(Operation) APP, 각 APP들을 통제하기 위한 클라이언트 APP, TBM 장비 제어부분을 가시화하는 Modelview APP, TBM 굴진방향 및 자세를 확인하는 NaviView APP으로 구성되며 모든APP은 서버와의 TCP/IP 통신을 통해 TBM 장비의 설정값을 클라이언트에서 획득한 후 동작하게 된다. 클라이언트 APP은 우리나라에서 일반화된 시스템 운영체계인 윈도우 기반 OS에서 동작하도록 제작되었으며 클라이언트 앱들은 서로 JSON 형태로 데이터를 주고받고 통신을 통해 서버와 동기화된다.
시뮬레이터 하드웨어를 워크스테이션의 TBM 시뮬레이터에 연결시키는 방법으로 PLC(programmable logic controller)를 사용하였으며, 하드웨어의 각 버튼과 스위치에 대해LMS에서 정의된 각 키(key)를 연결시켜PLC 입력모듈과 출력모듈을 정의하였다. 통신은 국제표준의 통신방식인 모드버스 형태로 하였다.
이 시뮬레이터는 마이크로 터널링(micro tunneling)중에 생성되는 숙련된 TBM 운전사의 노하우를 선택적으로 수집하고 작업상황에 따른 노하우 기반 작업방식을 그룹화하여 시스템화하였다(Fig. 6). 이러한 작업상황과 관련된 작업방식을 마이크로 터널링 장비의 운전을 위한 현실성 있는 함수 모델로 구성하였다.
1과 같이 가상현실(virtual reality)을 적용한 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터는 실제 TBM 현장 조건에 맞춘 프로젝트별 시뮬레이션 환경을 제공하며, 운전자가 이렉터 컨트롤 패널 상의 조이스틱을 조작하여 이렉터의 3차원 동작과 속도조절에 대한 기술을 향상시킬 수 있도록 도와준다. 또한 시뮬레이션을 통해 자유도(degrees of freedom) 조작 및 추력 실린더(thrust cylinders), 세그먼트 피더(segment feeders), 진공흡입판(vacuum suction plate)에 대한 각각의 훈련을 할 수 있다.
6). 이러한 작업상황과 관련된 작업방식을 마이크로 터널링 장비의 운전을 위한 현실성 있는 함수 모델로 구성하였다. 개발된 시스템은 Fig.
이를 위해 ITA-CET위원회는 ITA WG14 및 굴착(excavation)과 관련된 ITAtech Activity Group(SubAG TBM Service Guideline)의 계획에 따라 TBM 운전자인증제도(TBM driver certification scheme)를 개발하기로 결정했다. 이 계획은 강의실 교육(설계자, 계약자, 소유자 및 공급자의 관점을 포함), e-learning, 시뮬레이터 교육 및 현장경험을 포함한 포괄적인 접근 방식을 사용한다(Fig.
4). 특히 THALIA는 15가지 시나리오에서 SLURRY TBM과 EPB TBM의 조작과 응답을 훈련하고 테스트하도록 설계되었다(Fig. 5). 이 시뮬레이터는 18개월 동안 개발된 것으로서 숙련된 TBM운전자에 의해 테스트되었고 Gustave Eiffel Training Center에서 6주간의 교육 프로그램을 통하여 10명의 자격을 갖춘 TBM 운전자를 배출한 바 있다(Bouygues Construction, 2017).

대상 데이터

KICT에서 개발하고 있는 시뮬레이터는 TBM의 기본적인 운전, 구동, 제어 등의 작업과정뿐만 아니라 지반조건에 따른 TBM의 압착, 끼임, 막힘 등에 대한 시공트러블 조건들을 포함하여 총 30개 이상의 시나리오를 포함한다. 각 시나리오는 Fig.
5). 이 시뮬레이터는 18개월 동안 개발된 것으로서 숙련된 TBM운전자에 의해 테스트되었고 Gustave Eiffel Training Center에서 6주간의 교육 프로그램을 통하여 10명의 자격을 갖춘 TBM 운전자를 배출한 바 있다(Bouygues Construction, 2017).
이 인증 제도는 다양한 까다로운 상황에서 TBM을 운전하는 방법에 대한 지식을 심화하고자 하는 운전자뿐만 아니라 미래의 운전자도 대상으로 한다. 인증에 사용되는 시뮬레이터는 제도에서 정의된 기준을 준수하는 승인된 것으로만 한정되며 교육생은 숙련된 TBM 전문가에 의해 교육된다.

이론/모형

시뮬레이터 하드웨어는 기본적으로 CBT를 기반으로 한다. 단지 하드웨어, 즉 제어 패널의 버튼과 스위치가 워크스테이션에 연결되고 각 버튼과 스위치 조작으로 워크스테이션에 탑재된 CBT가 작동되는 것이다.
시뮬레이터 하드웨어를 워크스테이션의 TBM 시뮬레이터에 연결시키는 방법으로 PLC(programmable logic controller)를 사용하였으며, 하드웨어의 각 버튼과 스위치에 대해LMS에서 정의된 각 키(key)를 연결시켜PLC 입력모듈과 출력모듈을 정의하였다. 통신은 국제표준의 통신방식인 모드버스 형태로 하였다. Fig.

성능/효과

제안된 HMI는 조작화면(command panel)과 계측화면(data panel)의 두 개의 화면으로 구성되며, HMI가 반영된 가상 파일럿 데스크(virtual pilot’s desk)는 교육시간과 비용을 절감할 뿐만 아니라 미래의 마이크로 터널링 장비 운전자와 그 장비에 대한 안전을 향상시킬 수 있다.

후속연구

모든 시뮬레이터에는 웹서비스 기반으로 교육을 관리하는 LMS(Learning Management System)가 탑재될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TBM산업에서 자주 거론되는 문제점은 무엇인가?	TBM의 운전 전문인력은 세계적으로 부족한 상황이며 신규 인력의 시공경험 부족은 각종 시공리스크 발생 시 대응능력 저하를 가져올 수 있다. TBM 시공품질이 TBM 운전자의 숙련도와 경험에 크게 좌우되는 점과 숙련인력 부족에 의한 생산성 저하, 숙련도 저하에 의한 안전성 저하는 TBM산업에서의 자주 거론되는 문제점이다. 이를 위해 국외의 몇 개 업체와 기관에서 시뮬레이터를 개발하였고 국내에서도 시뮬레이터 개발이 이루어지고 있다.
	KICT에서 개발하고 있는 시뮬레이터 시스템이 원격지 서버와 웹서비스를 통해 애플리케이션(application, 이후 APP)과 DB를 관리하는 3단계 구조로 구성된 이유는?	시스템 구성은 원격지 서버와 웹서비스를 통해 애플리케이션(application, 이후 APP)과 DB를 관리하는 3단계 구조를 가진다. 이러한 방식을 채택한 이유는 다양한 장비와의 연동, 교육장소 제약의 해제, DB 중앙화를 통해 관제 및 유지보수가 용이하기 때문이다. 즉, 시뮬레이터의 구동 정보와 교육자의 훈련 정보, 운전 시나리오 등을 서버에서 관리하여 장소의 제약 없이 본 연구에서 개발한 시뮬레이터를 구비한 곳에서는 동일한 자료와 훈련과정 공유가 가능하도록 구성한 것이다.
	KICT에서 개발하고 있는 시뮬레이터 소프트웨어의 4가지 기본 프로그램은 무엇인가?	시뮬레이터 소프트웨어는 4가지 기본 프로그램으로 구성되며 크게 TBM 제어 패널(control panel)을 구현한 OP(Operation) APP, 각 APP들을 통제하기 위한 클라이언트 APP, TBM 장비 제어부분을 가시화하는 Modelview APP, TBM 굴진방향 및 자세를 확인하는 NaviView APP으로 구성되며 모든APP은 서버와의 TCP/IP 통신을 통해 TBM 장비의 설정값을 클라이언트에서 획득한 후 동작하게 된다. 클라이언트 APP은 우리나라에서 일반화된 시스템 운영체계인 윈도우 기반 OS에서 동작하도록 제작되었으며 클라이언트 앱들은 서로 JSON 형태로 데이터를 주고받고 통신을 통해 서버와 동기화된다.

참고문헌 (11)

Ballantyne B., 2017, "UNCANNY VALLEY", Tunnels and Tunnelling, May 2017, pp. 30-31.
Bouygues Construction, 2017, TBM Pilot_A training program for the future, https://www.youtube.com/watch?vW_CzOBY5Gg8&t27s
Chorley S. 2017, "Use of "Command Chair" Simulator Technology to Optimize Modern TBM Performance", Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC 2017) Part 12: Innovation and Technology, Vol. 1, pp. 665-672.
Herr, R, 2019, ITACET training courses at the WTC 2019 in Naples, TunnelTalk, 23 May 2019.
Herrenknecht 2018, Erector simulator.pdf, www.herrenknecht.com.
Home, L., Chorley S., Willis, D., 2017, Training the key to reducing in-tunnel incidents, TunnelTalk, 12 Oct 2017.
ITA, 2019, ITA-CET PLANS TO DEVELOP A TBM DRIVER CERTIFICATION SCHEME, 16 DEC 2019, https://about.ita-aites.org/wg-committees/ita-cet/news/1806/ita-cet-plans-to-develop-a-tbm-driver-certification-scheme
Jardon A., Victores, J.G., Martinez, S., Balaguer, C., 2012 "EXPERIENCE ACQUISITION SIMULATOR FOR OPERATING MICROTUNELLING BORING MACHINES", Automation in Construction, Vol. 23, pp. 33-46.

상세보기
KICT, 2018, Development of the automated TBM cutterhead design technology and TBM control system, 2nd Report, Korea Institute of Civil engineering and Building Technology, Gyeonggi-do, Republic of Korea.
KICT, 2019, Development of the automated TBM cutterhead design technology and TBM control system, 3rd Report, Korea Institute of Civil engineering and Building Technology, Gyeonggi-do, Republic of Korea.
Shim, G. B., 2015, Status of & Tasks for Improvement of the Employment of Foreign Workers at Construction Sites, Construction & Economy Research Institute of Korea, Issue Focus No. 2015-21, p. 9.

저자의 다른 논문 :

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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