건축/환경에너지

Nikkei Construction_2018.3.26 특집 요약 (p42~63)

건설현장은 ‘공장’이 될 수 있을까?
업계 전체가 시행하기 시작한 토목의 ‘자동화’ 대작전

건설현장을 최첨단 공장으로---. 시공의 자동화는 건설업계가 수 십 년 전부터 추구해 온 목표였으며 국토교통성이 추진하는 i-Construction의 이념이기도 하다. 건설회사는 머지않아 찾아올 심각한 인력부족의 시대를 대비해 오랜 꿈의 실현에 나섰다. 인공지능(AI) 및 IoT(사물의 인터넷)와 같은 혁신적인 기술을 무기 삼아, 과연 현장은 공장으로 거듭날 수 있을 것인가?

■ 가시마(鹿島)의 쿼터 엑셀을 철저히 해부
자동화의 비밀을 알려준다

가시마의 A⁴CSEL(쿼터 악셀)은 중장비의 자동화를 중심으로 한 차세대 건설 생산시스템. 건설현장의 ‘공장화’를 시사하는 기술이다. 그 알려지지 않은 개발의 내막을 가시마의 대표에게 자세히 물어보았다.

가시마가 2015년에 당당히 내놓은 ‘A⁴CSEL(쿼터 악셀)’은 중장비의 자율주행을 통해 인력부족의 극복을 위한 차세대의 건설 생산 시스템이다. 레이저 스캐너 및 IMU(관성계측장치), GPS(전 지구적 측위 시스템), 제어용 PC를 부착한 범용의 중장비에 태블릿 타입의 단말기로 지시를 내리면 독자적으로 개발한 알고리즘(처리 순서)에 따라 중장비가 스스로 가동된다. 향후에는 한 명이 10~20대의 중장비를 조종할 수 있게 된다.

지금까지 자동화된 중장비는 진동롤러, 불도저, 대형 덤프트럭의 3종류. 55톤급의 덤프트럭으로 운반해 온 토사를 불도저로 뿌리고 진동롤러로 전압(轉壓)한다. 2016년에는 국토교통성의 오이타가와(大分川) 댐의 둑몸 구축공사에서 일련의 작업을 실험했다.

가시마는 어떻게 3종류의 중장비를 자동화할 수 있었던 것일까? 또한 그 다음 단계는 무엇을 목표로 하고 있는 것일까? 개발을 지휘하는 가시마 기계부자동화시공추진실의 미우라(三浦) 실장의 취재를 토대로, 알려지지 않았던 개발 내막에 대해 살펴보았다.

-- 진동롤러는 핸들 조작이 생명 --
미우라 실장이 최초로 시도한 것은 진동롤러의 자동화이다. 시속 1.4~2km로 직진하다가 방향을 틀어 1.8m 옆으로 어긋나게 해서 다시 직진하는 작업을 반복하기 때문에 다른 중장비에 비해 조작이 간단해 보이기 때문이다. 그렇지만 오퍼레이터에 따라 좋고 나쁨이 결정된다.

이를 배경으로, 우리는 기술이 뛰어난 오퍼레이터가 시연한 데이터를 뽑아 능숙하게 조작하는 비결을 모색하기로 했다. 40m정도 앞에 막대를 세우고 일직선으로 주행을 시켰다. 조사를 통해 핸들 조정이 중요한 열쇠가 된다는 사실을 알게 되었다. “도로 지반의 재료에 따라 핸들을 돌리는 속도가 다르다”(미우라 실장). 달리기 쉬운 재료일 경우에는 핸들을 천천히 돌리며, 그렇지 않을 경우에는 빨리 돌리는 식이다.

또한 숙련된 오퍼레이터는 차체를 극단적으로 사행(蛇行)하지 않도록 하고 있었다. 목표로 하는 주행 경로에 따르기 위해 핸들을 급하게 꺾거나 구불구불하게 사행하면서 완주를 해버리면 옆 레인의 완주에도 지장을 주기 때문이다.

이렇게 능숙한 오퍼레이터의 조작방법을 주행 제어 알고리즘에 도입하여 사카이(酒井)중공업 제품의 토공용 진동 롤러를 개조하여 자동으로 전압을 시킨 결과, 오차는 목표로 했던 ±10cm 이하로 줄일 수 있었다.

-- 경로를 만드는 것이 어려운 불도저 --
-- 현장의 변화에 대응하는 덤프트럭 --
-- 다다노(TADANO), 크레인의 자동화에 착수 --

■ 무인화 시공부터 자동화를 목표
원격 조종의 발전형으로 1인 3역을 실현

무인화 시공은 중장비를 원격 조종하여 안전한 위치에서 작업을 진행하는 기술이다. 중장비 자동제어 알고리즘(처리 순서)의 개발에 돌입한 가시마에 반해, 구마가이구미(熊谷組)는 ‘무인화 시공의 진화’야 말로 자동화를 향한 지름길이라고 보고 있다.

질퍽거리는 급경사 길을 ‘1호기’라고 씌어있는 무인의 부정지 운반차(不整地 運搬車)가 올라간다. 대기 장소에 도착하자, 방향을 바꿔 유압 쇼벨 앞까지 이동. 그러자 이번에는 출발 지점에서 ‘2호기’라고 씌어있는 무인의 부정지 운반차가 달리기 시작한다.

2호기가 대기장소를 향하여 언덕을 넘는 동안, 무인의 유압 쇼벨이 1호기의 짐받이에 토사를 싣는다. 2호기가 대기소에 도착하면 토사를 모두 실은 1호기가 반출장소를 향해 언덕을 내려가기 시작했다. 즉각 2호기가 유압 쇼벨의 앞에 이동한다.

이것은 구마모토(熊本) 지진으로 붕괴한 아소 오하시지구의 사면 방재공사의 현장을 이용하여 구마가이구미가 2017년 11월 15일에 시행한 실험의 모습이다.

-- 사전에 시연, 기계에 경로를 가르치다 --
-- ‘실현 장소로 적용하기 쉽다’ --
-- 원격 조종을 중심으로 현장을 집중 관리 --

■ COLUMN
산악 터널 공사의 자동화는 가능할까?

산악 터널 공사의 현장에서 숙련된 작업자 부족이 심각하다. 앞으로는 성(省)인화 및 체굴 현장의 낙석재해 방지를 위해 기계화를 진행하는 움직임이 활발해질 전망이다. 자동화에는 무엇이 필요한지를 생각해 보도록 하겠다.

산악 터널 공사에서는 NATM을 표준 공법으로 채택함으로써 널말뚝 공법의 시대와 비교해 비약적으로 생산성이 향상되었다. 터널 1m당 필요한 작업자 수는 도카이도(東海道) 신간선에서 57.6명이었으나, 나가노(長野) 신간선에서는 8.1명으로 격감. 또한 최근에는 6.3명까지 감소되었다.

그렇지만 앞으로는 더욱 기계화 및 자동화가 활발하게 이루어질 전망이다. 그 배경에 있는 것이 숙련된 작업자 부족이다. 건설회사로부터 “아마추어와 같은 기술자가 늘고 있다”라는 목소리가 들려 온다. 체굴 현장의 낙석재해가 계속해서 끊이질 않는 것도 기계화가 필요하게 된 이유 중 하나이다.

특히 후생노동성 1월 18일에 개정한 ‘산악 터널 공사의 체굴 현장에 대한 낙석 재해 방지 대책에 관련된 가이드 라인’의 영향이 크다. 체굴 현장에서의 작업을 지금보다 더욱 기계화하도록 촉구했기 때문이다. 가이드라인에서는 장약(裝藥)작업의 원격화 및 지보공(支保工)을 설치하는 등의 기계화를 추진할 것을 요구하고 있다.

-- 지산(地山) 평가의 자동화가 열쇠 --
-- 원격 조종에 의한 무인화도 --

■ 건설 로봇 붐이 도래
단순∙중노동 작업은 로봇에게 맡겨라

과거에 유행하던 건설 로봇이 다시 각광을 받고 있다. 다이세이(大成)건설 및 시미즈(清水)건설은 주로 콘크리트 공사 등의 철근 공사를 대상으로, 단순하지만 중노동인 작업을 기술자 대신 맡아서 하는 로봇을 현장에 도입하기 시작했다. 보급의 중요한 열쇠는 저비용화이다.

허리를 굽히고 대량의 철근을 결속시키는 것은 단조로우면서도 고된 작업이다. 다이세이건설과 지바(千葉)공업대학이 공동으로 개발한 ‘T-iROBO Rebar’는 철근을 철도의 레일처럼 만들어 이동하면서 자동으로 결속작업을 하는 로봇이다. 2018년도부터 현장에 본격적으로 투입될 예정이다.

레이저 센서로 철근의 교차부분을 감지하여 본체에 탑재되어 있는 시판용 자동 철근 결속기로 결속시킨다. 철근의 끝부분과 장애물도 레이저 센서로 감지, 자동으로 측면으로 이동함으로써 결속작업을 이어간다.

개발을 담당한 지바공업대학 미래로봇 기술연구센터의 니시무라(西村) 연구원은 “센서는 특수한 것이 아닌 단순한 것으로 골랐다”라고 말한다. 다이세이건설 건설기술개발 로보틱스 팀의 다카하시(高橋) 과장은 “현장은 사용환경이 어렵기 때문에 비싸고 금방 고장이 잘나는 ‘하이테크’ 로봇은 사용할 수 없다”라고 설명한다.

바닥 면적이 큰 건물의 현장 등에 특히 효과를 발휘한다. 토목 분야에서도 지금까지 도로교의 건설 현장에서 철근 콘크리트 바닥의 양단부 시공에 시범적으로 사용된 적이 있다.

다이세이건설의 조사에 따르면, 철근 결속작업은 철근 공사 전체의 약 20%를 차지한다. 이것을 로봇으로 대체할 수만 있다면 인력절감 효과는 크다. 로봇에 결속작업을 맡기면서 철근 기술자가 다른 작업을 병행할 수 있으므로 철근 공사 전체에서는 10~20%정도 작업 효율이 높아진다.

당사는 철근 결속 로봇 외에도 청소 및 용접 등의 작업을 담당하는 9개의 건설 로봇의 개발을 마친 상태이다. 주로 단순하면서 고통을 동반하는 작업을 타깃으로 자동화를 추진하고 있다.

-- 최대 250kg의 중량 철근도 문제 없다 --
-- 저비용화는 필수 --

■ 이업종도 크게 주목
꼭 알아야 하는 IoT 비즈니스

현장의 성(省)인화 및 자동화를 진행하는데 있어 IoT(사물의 인터넷)는 꼭 필요한 기술이다. 센서로 취합한 대량의 데이터를 해석하여 현장의 생산성 향상을 위해 활용하는 것은 물론, 데이터를 활용해 새로운 비즈니스를 일으키는 것을 목표로 하는 움직임도 있다.

2월 20일 도쿄 오데마치(大手町)의 회의 장소에서 한 기업이 개최한 설명회. 지방의 중소 건설회사 및 도쿄에 본사를 둔 대기업 건설회사 외에도 IT기업, 통신판매 사업자, 보험회사까지 평상시에는 마주 대할 일이 없는 업종의 사람들이 새로운 비즈니스 찬스를 위해 회의장에 한데 모였다.

이 설명회를 개최한 것은 랜드로그(LADNLOG)라는 기업이다. 고마쓰와 NTT도코모, SAP 재팬, 옵팀(Optim)의 4개 회사가 2017년 10월에 공동으로 설립했다. 회사명과 동일한 이름의 토목용 IoT 플랫폼인 ‘랜드로그’를 운영하고 있다.

랜드로그는 드론 및 센서 등의 IoT기기로 취득한 현장의 지형 데이터 및 중장비의 가동 데이터 등을 클라우드 상에 집약시켜, 제3자가 사용하기 편하게 가공하여 어플리케이션 개발기업에게 제공한다. 어플리케이션 개발은 등록만 하면 누구나 가능하다. 개발자는 랜드로그를 이용함으로써 사용자 관리 및 과금 관리 등의 서비스를 받을 수 있다.

앱은 순차적으로 출시해 나간다. 조만간 트럭의 운행관리 앱인 ‘TRUCK VISION’ 등을 공개할 예정이다. 고마쓰가 2015년부터 전개하고 있는 ‘스마트 컨스트럭션’은 랜드로그 상에서 실행되는 앱으로 이행한다. 랜드로그 상에서 개발한 앱을 건설회사가 사용하게 함으로써 현장의 생산성 향상을 도모한다.

플랫폼으로 흡수될 현장의 데이터를 늘리기 위해 랜드로그는 데이터를 수집하는 방식 자체도 스스로 개발하고 있다. 드론에 의한 사진측량을 매일 쉽게 실행하며 토공사의 진행과정에 활용되는 ‘일일 드론’ 및 현장에 설치한 카메라 영상을 인공지능(AI)으로 해석하여 기계의 가동 상황 및 작업 내용 등을 기록하는 ‘일일 카메라’가 그것이다.

-- 새로운 비즈니스를 창출 --
-- 손해보험 회사 등이 이름을 올린다 --
-- 플랫폼 간의 연대가 진행 --

■ 토목 분야의 가까운 미래에 대한 대담한 예측
자동화로 현장 및 구조물은 어떻게 달라지나?

시공의 자동화가 진행되면 현장의 레이아웃부터 구조물의 형태, 그리고 기술자에게 요구되는 기술까지 토목 사업은 크게 변화하게 될 것이다. 자동화에 나선 기술자를 취재함으로써 토목 분야의 가까운 미래를 예측해 본다.

지금부터 약 30년 전, 1980년대 후반부터 1990년대 전반까지의 버블경기 시대에 건설 로봇의 개발이 붐이었던 적이 있었다. 건설러시였던 당시에는 ‘인력부족’이 문제였다. 호황을 누리던 대형건설회사들은 모두 로봇개발에 많은 자금을 투입했다. 토목학회 건설용 로봇위원회에서 위원장을 맡고 있는 리쓰메이칸(立命館)대학의 다테야마(建山) 교수는 “당시의 일본은 건설 로봇으로 세계의 선두를 달리고 있었다”라고 증언한다.

그러나 버블이 붕괴하고 건설 수요가 줄어들게 되자 정세는 급변하게 되었다. 일손부족의 해소가 진행되어 투자여력을 잃게 된 건설회사들은 단번에 로봇 개발에서 손을 떼기 시작했다.

그리고 대형건설회사가 버블기 이래 좋은 실적을 보이고 있는 지금, 다시 한번 자동화의 붐이 일게 되었다. 그 원동력은 예전과 같이 ‘인력부족’을 위한 대응이다. 이번에는 해소될 기미는 보이지 않고 점점 더 심각해 질것이 틀림없다. 자동화는 건설업의 존속을 좌우하는, 당시보다 더 절실한 과제가 되어 있다.

중장비의 자율주행 및 로봇의 도입이 진행된다면 토목은 어떤 변화가 올 것인가? 반대로 시공의 자동화를 가속화 시키기 위해서는 무엇을 과감하게 바꾸지 않으면 안될 것 인가. 5가지 시점에서 대담한 예측을 해 보았다.

▶토목의 미래 ①; 현장이 바뀐다
현재의 건설현장은 사람이 작업하는 것을 전제로 디자인되고 있다. 앞으로 자동화된 중장비 및 로봇 전체를 활용하여 건설현장의 ‘공장화’를 목표로 한다면, 기계가 움직이기 쉽게 현장의 모습 자체를 바꿔 갈 필요가 있을 것이다.

▶토목의 미래 ②; 중장비의 형태가 변한다
자동화사 진행되면, 중장비의 형태도 크게 바뀔 가능성이 있다. 고마쓰 스마트 컨트럭션 추진본부의 시카(四家) 본부장은 “자동화하면 캐빈(운전석)은 필요 없어진다. 현재 고마쓰에서는 운전석이 없는 무인 덤프트럭을 개발한 상태이다”라고 말한다.

▶토목의 미래 ③; 설계가 변한다
중장비의 자동화 및 로봇의 활용과 세트로 생각하지 않으면 안 되는 것이 구조물의 규격(부재 사이즈 등)의 표준화이다. “설계의 재미가 없어진다”라는 의견도 적지 않으나, 가능한 공장에서 제작한 기성 제품을 사용하고 현장에서 사람 손을 거치는 작업을 줄여나가지 않으면 자동화 및 성인화는 진행될 수 없다.

▶토목의 미래 ④; 비즈니스가 변한다
인력부족이 심각해지게 되면 모두가 넓게 약간의 이익을 나눠 갖는 지금과 같은 건설 시장은 더 이상 꾸려나갈 수 없게 된다. 품질이 좋은 것을 “효율적으로” 만드는 회사가 살아남는 그런 시대가 올 것이다.

▶토목의 미래 ⑤; 기술자가 변한다
시공의 자동화를 추진하기 위해서는 IT 및 일렉트로닉스, 로보틱스 등의 지식이 반드시 필요하다. 현재, 건설회사가 보유하고 있는 인재는 대부분이 대학에서 토목이나 건축을 배워 온 기술자. 전기 및 기계의 전문가도 있기는 하지만, 소수파이다. 기업은 앞으로 인재의 다양화를 추진해가지 않으면 안 된다.

 -- 끝 --