[논문]스마트건설 토공사 다짐 측정을 위한 IoT 기반의 DCPT 기술개발

박홍기; 배경호

doi:10.5762/kais.2020.21.11.501

스마트건설 토공사 다짐 측정을 위한 IoT 기반의 DCPT 기술개발
Development of DCPT Equipment based on IoT for Rod Tamping in Smart Construction 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.501 - 509

박홍기 (가천대학교 토목환경공학과) , 배경호 ((주)신한항업 연구소)

초록
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건설공사 토공사는 건설의 핵심공정으로 거의 모든 공정에서 사용되며 구조물의 안전과 직결된다. 이에 평판재하시험 및 들밀도 시험을 통하여 다짐의 정도를 분석하고 확인은 필수이다. 하지만 현재 다짐측정은 아날로그 방식으로 시행되기 때문에 현장에서 실시간 확인과 정확한 위치정보, 시간정보 및 작업자의 이력관리가 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 이러한 아날로그 방식의 다짐정보 구축의 문제를 해결하기 위하여 스마트건설 환경에 적합한 IoT (Internet of Things) 기반의 DCPT (Dynamic Cone Penetration Test) 기술을 개발하였다. 개발한 DCPT 기술은 국내외 개발현황을 바탕으로 개선사항을 도출하였으며, 디지털 환경에 적합한 IoT 기반의 DCPT를 개발하였다. 스마트폰 환경에서 운영되는 Smart DCPT 체계는 다양한 어플리케이션을 적용할 수 있는 유연성과 저비용, 고효율의 장점을 가지고 있다. IoT 기반의 DCPT는 디지털 다짐정보, 측정 횟수당 다짐정보, 위치정보, 시간정보, 작업자 인적관리 등을 종합적으로 기록하여 현장에서 분석하고 가사회한다. 또한 구축된 다양한 정보는 스마트폰을 통해 관리센터로 실시간 전송되기 때문에 건설공정 관리에 많은 기여가 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Earthwork in the construction field is a core process of construction, and it is used in almost all processes and is connected to the safety of the structure directly. Therefore, it is essential to analyze and confirm the road tamping through a plate bearing test and a field density test. The current analog measurement methods for road tamping measurement is difficult to check in real-time, accurate location information, time information, and the history management of workers in the field. Therefore, IoT (Internet of Things)-based DCPT (Dynamic Cone Penetration Test) was developed for a smart construction environment with a solution to the problem. The Smart DCPT system operated in a smartphone environment is IoT-based. The Smart DCPT system can apply various applications and has advantages of flexibility, low cost, and high efficiency. The IoT-based DCPT records the digital road tamping information, location information, time information, and worker information per measurement count. In addition, the various information is transmitted in real-time to the management center through a smartphone. This system is expected to contribute to the management of the construction process.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Roadmap of Smart Construction[6]
그림 Fig. 2. Concept map of Smart Earthwork[4]
그림 Fig. 3. Plate Bearing Test[19]
그림 Fig. 4. Field Density Test[23]
그림 Fig. 5. Domestic DCPT Manual[18]
그림 Fig. 6. Cone of DCPT[18]
그림 Fig. 7. (a) American dynamic cone penetration test equipment and (b) replaceable point tip[25]
그림 Fig. 8. Proposed Digital DCPT Diagram
표 Table 1. Tabulated Correlation of CBR versus DCP Index[25]
그림 Fig. 9. IoT Technology in DCPT
그림 Fig. 10. Blueprint of Mobile DCPT Application

AI 본문요약
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문제 정의

Smart DCPT API의 핵심기능은 작업현장 선정과 작업자의 입력을 시작으로 해당 프로젝트를 시작한다. 또한 측정당시의 위치정보와 현장사진촬영을 동시에 기록하여 구축정보의 신뢰성과 현실성을 높이고자 한다. 취득된 DCPT 정보는 현장에서 일차적인 분석 및 가시화를 실시하여 현장에서 바로 다짐의 정도 및 문제점을 파악한다.
적용된 IoT 기술은 센서를 이용하여 자유낙하 당시의 위치 정보, 기울기 등 자세정보, 시간정보, 관입량 측정정보, 측정횟수 및 작업자 정보, 블루투스를 이용한 전송센서가 적용된다. 또한 획득된 다짐정보와 위치정보 등의 부속정보를 통합하여 실시간으로 현장에서 다짐정보를 분석하고 가시화 기능을 구현하고자 한다. 최종적으로 구축된 다짐정보를 관리센터로 실시간으로 전송하여 성토 관리를 위한 공정관리에 사용되어야 한다(Fig.
이에 본 연구에서는 기존 다짐정보 구축 체계 및 관리 현황을 분석하고 위치정보, laser 다짐측정, 실시간 데이터 전송모듈 등으로 구성된 새로운 디지털 다짐정보 구축 및 서비스 방안을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 이러한 기존 아날로그 방식의 문제를 해결할 수 있는 IoT 기반의 DCPT 기술을 개발하였다. 연구성과로 미국의 DCPT 규정에 대한 분석을 실시하였다.

제안 방법

DCPT에 내장된 센서를 이용하여 다짐정보를 블루투스를 이용하여 스마트폰으로 전송하며 Fig. 10과 같이 개발된 API를 이용하여 측정 당시의 위치정보, 시간정보, 현장정보, 작업자 정보 등을 자동으로 기록화한다. 이러한 정보는 스마트폰에서 일차적인 분석과 현황파악을 실시한다.
IoT 기반 DCPT 기술개발은 국내외 관련 규정을 인용하여 8kg의 해머를 575mm 높이에서 자유낙하 시켜 추의 관입량을 측정하는 것을 핵심 내용으로 개발한다. 적용된 IoT 기술은 센서를 이용하여 자유낙하 당시의 위치 정보, 기울기 등 자세정보, 시간정보, 관입량 측정정보, 측정횟수 및 작업자 정보, 블루투스를 이용한 전송센서가 적용된다.
연구성과로 미국의 DCPT 규정에 대한 분석을 실시하였다. 또한 국내 국토교통부의 포장 하부구조 다짐관리 잠정지침(2011년4월)을 분석하여 IoT 기반의 DCPT 개발요소를 수립하였다. DCPT 개발원칙은 간편성, 신속성, 경제성 및 실시간이 핵심요소로 정의하였다.
시험 제한 조건으로는 연속된 낙하 횟수 5회 이상 관입량이 2mm/blow 이하 혹은 시험 중 수직도가 유지되지 않아 관입지점에서 핸들까지의 수평 변위량이 75mm 이상이 되면 시험을 종료하고 기존의 원 관입지점 300mm 이내에서 시험을 다시 수행한다. 또한, 콘에 마모가 발생할 경우 교체하여 사용한다[24,25].
이에 본 연구에서는 이러한 기존 아날로그 방식의 문제를 해결할 수 있는 IoT 기반의 DCPT 기술을 개발하였다. 연구성과로 미국의 DCPT 규정에 대한 분석을 실시하였다. 또한 국내 국토교통부의 포장 하부구조 다짐관리 잠정지침(2011년4월)을 분석하여 IoT 기반의 DCPT 개발요소를 수립하였다.
더불어 시험방법과 순서를 상세히 정의하여 현장 적용성을 높이고 있다. 하지만 본 지침서에서 정의된 DCPT 역시 아날로그 기반의 눈금자에 의한 관입량을 측정하고 이를 기록지에 수기로 기록하는 방식으로 다짐시험을 실시한다.

대상 데이터

3)[19]. 시험장치 및 기구는 재하판, 잭, 변위제 침하량 측정장치, 지지력장치, 시계 등으로 구성되어있다[20]. 평판재하시험의 경우 반력 확보를 위한 중차량의 반입이 반드시 필요하고 시험시간이 길고 절차가 번거로워 시험자의 숙련도가 중요하다는 단점을 가진다.

성능/효과

현재 국내에서는 DCPT 개발보다는 도로포장에서 하부구조의 지지력 평가를 위한 현장적용성 평가를 위한 가능성 중심으로 연구가 수행되었다. DCPT 성능 및 현장적용성을 판단하기 위해 DCPT를 California Bearing Ratio (CBR) 시험, 평판재하시험과 비교분석하여 현장에서 포장하부구조의 강성과 강도를 측정하는데 활용가능하며 실험방법이 간편하고 빠른 시간내에 수행이 가능하여 시공 품질관리 측면에서 효율적인 장비임을 입증하였다.[22]
다짐추 자유낙하 모듈은 도르래를 통해 반자동으로 다짐추를 낙하시키는 특징을 가지며 버튼식 걸쇠를 설치하여 편의성을 높였다. 다짐추 낙하를 통한 다짐깊이 측정은 laser 거리측정기로 구성된 거리측정 모듈을 통해 cm 이내의 정확도로 측정되며 위치정보모듈에서 측정된 위치정보와 함께 외부 다짐정보 저장 모듈로 전송된다.
이에 IoT 기반의 DCPT는 디지털 기반의 위치정보, 시간정보, 관측값이 자동으로 저장되고 이를 통합관리하는 솔루션이 필요하다. 따라서 본 연구에서 정의된 DCPT 기술개발은 IoT 기술을 적용하여 위치정보 모듈, 측정시간 저장 모듈, 디지털 관입량 측정모듈, 관입량 저장모듈, 측정데이터(위치, 시간, 관입량 등) 실시간 전송모듈, 측정데이터 현장 실시간 가시화 모듈을 핵심기술로 개발된다(Fig. 8).

후속연구

각종 건설장비에 부착된 고성능 센서를 활용하여 지형정보 등의 설계정보를 자동으로 취득하며 이를 이용한 인공지능 설계가 가능하다. 다음으로 시공단계에서는 각종 건설기계와 장비는 머신 가이던스 기술(machine guidance test, 각종 센서와 제어기, 위성항법시스템 등을 활용하여 장비의 자세와 위치, 작업 범위 등을 실시간으로 작업자에게 알려주는 기술)을 활용하게 될 것으로 예상된다. 또한 시설 구축은 정밀 측량성과와 실시간 정보 네트워크를 통하여 효율적으로 구축되며 이런 과정에서 현장 관리 능력은 향상될 것이다(Fig.
IoT 기반의 DCPT의 핵심모듈은 위치정보, 디지털거리측정장치, 전자기포관, 작업자의 로그인 및 이력관리, 실시간 현장분석 및 가시화 기능 마지막으로 취득된 디지털 다짐정보의 전송기능이다. 본 연구에서 제안하는 IoT 기반의 DCPT는 디지털 다짐정보의 실시간 취득, 관리, 전송기능은 작업자의 효율성 향상과 더불어 관리자의 실시간 공정관리 및 생산성 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.
시설물 준공 이후에도 기구축된 디지털 정보를 이용하여 시설물의 유지관리 및 점검에 스마트건설 기술은 효율적으로 사용될 것이다. 스마트건설 기술이 적용된 시설물은 빅데이터에 기반한 다양한 시뮬레이션이 가능하며, 예방적 유지관리를 통한 시설물의 수명 연장, 서비스 향상 등을 예상한다.

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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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