기계/조선

계측과 제어_22.9 총론: 특집 요약 (p627-629)

건설 시공을 혁신하는 시스템 제어
건설 시공 기술의 현재와 혁신적 기술에 대한 기대
도쿄대학 대학원 공학계연구과 교수 나가타니 케이지(永谷 圭司) 씨

키워드: 건설시공, 토목, 건축, 건설기계

1. 머리말
본 특집 ‘건설 시공을 혁신하는 시스템 제어’에서는 단순히 제어 기술을 소개하는 것이 아니라 건설 시공 현장에서 얻은 경험이나 교훈까지 포함한 기사를 실었다. 상세한 내용은 각 기사에서 소개하겠지만 본고에서는 본 특집 기사의 간단한 소개에 저의 개인 의견을 더해 최근 건설 분야의 연구개발을 소개한다.

최근의 건설 현장에서는 ‘저출산으로 인한 젊은 취업자 수 감소’ 및 ‘고령화에 의한 숙련기술자/기능자 부족’의 문제가 두드러지고 있다. 건설업 핸드북에 실려 있는 ‘건설업 취업자의 연령별 구성비 추이’에서도 알 수 있듯이, 건설업에 대한 수요나 기대가 이어지고 있는 가운데 이 상황이 극적으로 단기간에 개선될 전망은 적다. 

이 문제를 해결하기 위해서는 생산성(예를 들면, 가치/(취업자수ⅹ일)) 향상이 필수다. 이를 실현하기 위해 ICT(정보통신기술)나 RT(로봇기술)를 활용한 신기술 개발에 기대하고 있다. 현재 국토교통성이 추진하는 i-Construction이나 인프라 DX(디지털 트랜스포메이션)에 관한 시책이 추진되고 있다. 

이러한 상황에서 건설업체, 측량기기업체, 건설기계업체 등이 무인화 기술이나 오퍼레이터 어시스트 기술 등의 사회 구현이 추진되었다. 건설 시공의 자동화를 실현하기 위해서는 각 요소 기술뿐만 아니라 그것을 조합해 움직이는 ‘시스템 제어 기술’ ‘현장에서 시행 피드백 공유’ ‘현장 시행을 위한 시책’과 같은 다양한 방면에서 혁신이 중요하다.

또한 건설 분야는 크게 건축 분야와 토목 분야로 나뉜다. 이는 건설 분야 종사자에게는 당연한 것이지만 SICE 독자를 포함한 다른 분야의 사람들은 잘 모를 수도 있다. 건축 분야는 기본적으로 건물을 건설하는 분야이고, 토목 분야는 그 이외(도로, 교량, 터널, 댐 등)를 건설하는 분야이다. 

두 분야 모두 생산성 향상이 필요하다는 점, 대상이 옥외에 있다는 점, 중요 대상을 다룬다는 점, 기계나 시스템에 임기응변 대응이 요구된다는 점 등 공통점은 많다. 그러나 자동화하고 싶은 기계나 기술은 다른 경우가 많다. 

본 특집에서는 미야구치(宮口) 씨의 사례를 소개하며, 자동화 기술에 관한 과거/현재/미래에 대해 매우 알기 쉽게 설명한다. 또한 본 특집에서는 토목 분야에 관한 해설, 사례도 소개하고 있다.

2. 토목 시공의 자동화 기술
우선 토목 분야의 토목 시공에 관한 화제를 소개한다. 최근 토목 시공에서 머신 가이던스(이하 ‘MG’), 머신 컨트롤(이하 ‘MC’) 기술의 진척에는 주목해야 할 것이 있다. 

MG란, 건설기계의 위치/자세를 RTK-GNSS(Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite System)나 IMU(Inertial Measurement Unit) 등에서 고정밀도로 취득해, 그 위치/자세와 3차원 시공도를 건설기계에 탑재하는 오퍼레이터에 제시함으로써 수평실과 같은 시공을 위한 표식을 하지 않아도 공사를 할 수 있는 기술이다. 

간단히 설명하면, 앞으로 얼마나 파면 되는지를 디스플레이에 표시해서 오퍼레이터에게 알려주는 시스템으로, 건설기계의 조작 자체는 오퍼레이터가 한다. 

한편, MC는 MG로 취득한 건설기계의 위치/자세 및 시공도면에 따라서 건설기계의 작업기 일부를 자동 제어함으로써 오퍼레이터의 작업 부담을 줄일 수 있는 기술이다. 간단히 설명하면, 오퍼레이터가 파야 할 깊이보다 더 파려고 해도 건설기계가 동작을 제한해서 팔 수 없도록 하는 시스템으로, 건설기계의 기본 조작은 오퍼레이터 한다. 

예를 들면, 굴착기를 이용해 경사면을 성형하는 작업에서는 굴착기의 작업기 끝에 달린 버킷을 이용해 경사면을 정밀하게 깎아야 하기 때문에 오퍼레이터는 숙련 기술이 필요했다. 

그러나 이 같은 작업에 MC를 활용하면 굴착기의 동작 중에 설계한 경사면보다 깊게 버킷의 날이 들어가지 않도록 버킷 위치가 자동적으로 제한되기 때문에 조작을 잘못해서 버킷의 날 끝을 경사면에 깊게 찔러 버리는 문제를 피할 수 있다.

이들 MG, MC 기술은 최근에 크게 진보해 실제 시공에도 적극적으로 이용되기 시작했다. 이들 기술을 실현하기 위해서는 건설기계의 위치/자세 추정이 필수다. 위치에서는 RTK-GNSS가 널리 이용되게 되면서 센티미터 오더의 위치 추정이 가능해졌다. 

자세 추정에서는 건설기계 본체를 개조할 수 있는 경우에 본체 내의 유압 실린더에 스트로크 센서를 내장해 실현했다. 또한 중장비 세계 1위 기업인 캐터필러(Caterpillar)는 기체 전체를 전자제어화한 ‘디지털 플랫폼’을 추진하고 있고, 모든 건설기계에 이를 대응시킬 준비가 정비되고 있어 앞으로는 표준 건설기계에서도 자세 추정이 가능해진다.

한편, Trimble이나 Novatron 등은 IMU(Inertial Measurement Unit)를 굴착기의 붐이나 암에 장착(Retrofit)해서 건설기계의 자세 추정을 실현했다. 통상의 건설기계에 기기를 장착함으로써 MG화를 할 수 있기 때문에 많은 건설회사가 이 기술의 도입에 주목하고 있다. 

또한 고마쓰는 앞에서 말한 기술을 통괄해, 토목 시공의 생산성을 향상시키는 스마트 컨스트럭션을 제안, 정보화 시공 및 IoT를 베이스로 한 시공 시스템 개발을 추진해 왔다. 현재는 드론으로 취득한 3차원 데이터를 바탕으로 시공 계획을 세움과 동시에 ICT 건설기계를 이용한 시공 및 이를 통괄하는 시스템을 팩키지화해서 건설회사에 제공하고 있다.

이처럼 토목 시공에 관한 연구개발은 종합건설회사나 건설기계업체가 정력적으로 추진하고 있다. 또한 기술도 한 걸음씩 진화하고 있지만 완전 자동 시공을 실현하는 데까지는 아직 많은 허들이 남아 있다. 현시점에서 완전 자동화 시공을 실현하기 위한 대표적인 대응은 가시마건설의 쿼드악셀이 선두라고 할 수 있다. 

댐건설의 자동화에 쿼드악셀을 도입, 오이타가와댐이나 나루세댐 등에서 실제 시공이 이뤄져왔다. 이들 현장에서는 복수의 범용 건설기계에 GNSS, 자이로, 레이저 스캐너 등의 계측기기 및 제어용 PC를 탑재함으로써 자동 기능을 부가, 이들의 협조 동작으로 자동 시공을 실현했다. 이 자동 시공에 관해서는 하마모토(浜本) 씨의 해설 기사를 참고하기 바란다.

3. 레트로핏에 의한 건설기계의 원격화/자율화
앞 장에서 말한 캐터필러처럼 모든 건설기계를 전자제어화해 나가는 시도는 상당히 매력적이지만 모든 건설기계가 그 같은 기술을 탑재하기에는 아직 시간이 필요하다. 그 때문에 기존 건설기계의 조종석에 조작 레버를 제어하는 기계를 레트로핏(Retrofit)하고, 오퍼레이터에 의한 원격 조종화나 건설기계의 자율화를 실현하는 기술 개발이 최근에 활발하게 이루어지고 있다.

규슈지방 정비국과 후지타가 개발한 굴착기용 간이 원격 조종 장치 ‘로보Q’는 그 선두주자이며, 실제 무인화 시공에도 다수 활용되어 왔다. 또한 현재는 로보Q뿐만 아니라 다양한 타입의 레트로핏 원격 조종 기술이 제안되고 있다. 

이 레트로핏 기술에 대해서는 오노(大野) 교수의 ‘대형 6륜 덤프트럭의 자동주행’을 참고하기 바란다. 또한 오바야시구미의 스기우라(杉浦) 씨도 사례를 소개하면서 레트로핏에 의한 중장비의 자율화에 대해 언급하고 있다. 

토목 시공의 레트로핏 기술에 대해서는 “응답 속도가 작고 자동제어에 적합하지 않은 과도기 기술이다(모든 건설기계가 전자제어화된 건설기계로 바꿀 때는 필요 없어진다)”는 의견도 있다. 그러나 토목 시공 자동화 기술을 가속시키기 위해 현재로서는 꼭 필요한 기술이라고 필자는 생각한다.

4. 토목 시공 개발을 지원하기 위한 기술
지금까지 ICT나 RT를 이용한 토목 시공의 기술 개발에 대해 서술해 왔다. 앞으로 이들 기술 개발을 가속하기 위해서는 협조 영역인 미들웨어나 시뮬레이터에 관한 기술 개발도 중요하다고 생각한다. 자동화 기술에 대해서는 지금까지 종합건설업체나 건설기계 업체, 측량기기업체 등이 각각 팀을 만들어, 각각 독자적으로 연구개발을 추진해 왔다. 

그 때문에 다른 업체 간에서 센서의 상호 이용은 기본적으로 불가능하며, 소프트웨어나 시스템의 재이용성도 빈약하다. 이 문제점을 고려해 토목연구소에서는 하드웨어를 추상화하고 기초적인 룰과 데이터의 정의 및 구조를 공통화한 건설기계용 표준 플랫폼인 OPERA(Open Platform for Earthwork with Robotics and Autonomy)를 제안했다. 이 플랫폼은 토목연구소의 굴착기에 구현해 기본적인 동작을 실현했다. 이 대응에 대해서는 스즈키(鈴木) 씨의 해설을 참고하기 바란다.

그럼 현재는 시뮬레이터 기술은 제조업뿐만 아니라 다양한 연구개발 분야에서도 필수 기술이 되었다. 물론, 현재 기술로는 물리 세계를 완전히 사이버 공간에서 재현하기는 어렵기 때문에 시뮬레이션에서 기능한 기술이 꼭 실세계에서 동일하게 기능한다고는 할 수 없다. 

그러나 “시뮬레이션 환경에서 기능하지 않는 것은 실세계에서도 기능하지 않는다”는 것은 명백하다. 시뮬레이터에서 ‘가능한 것’과 ‘불가능한 것’을 제대로 구분해 연구개발을 추진함으로써 다양한 분야에서 연구개발 속도는 비약적으로 향상했다.

한편, 토공 분야는 대상으로 하는 소재가 ‘토사’인 경우가 많기 때문에 토사 시뮬레이션에 대한 기대가 크다. 그러나 토사와 기계와의 상호작용을 높은 정확도로 시뮬레이션하기는 다른 소재에 비해 어렵다. 

그 때문에 테라메카닉스(Terramechanics)라는 학문을 중심으로 기계와 흙과의 상호작용에 관한 다양한 연구개발이 지금까지 추진되어 왔다. 최근에는 CM Labs에서 출시한 기계의 훈련을 주요 목적으로 한 Vortex Studio라는 시뮬레이터 내의, 실시간 토사 시뮬레이션 성능이 상당히 높아 많은 기업이나 연구기관에서 활용되고 있다.

다만 이 시뮬레이터는 기계의 오퍼레이터 훈련에 필수인 실시간성을 중시하기 때문에, 특히 점성도가 높은 토사의 현상을 충실하게 재현하지 못했다. 이처럼 토사에 관한 시뮬레이션은 아직 발전 도중이다. 본 특집에서는 나가하라(永原) 씨가 동력학 계산 엔진으로서 AGX Dynamics를 내장한 시뮬레이터 프로토타입 개발에 대해 소개했다. 

이 시뮬레이터는 앞에서 말한 토목연구소의 OPERA와 함께 이용하는 것은 불가능하기 때문에 이에 의한 자율시공 기계나 시스템 개발의 가속을 기대할 수 있다. 

우치무라(内村) 교수는 해석 속에서 중기계와 토사의 상호 작용을 수치적으로 산출하는 시뮬레이터 및 이 시뮬레이터와 심층학습을 활용한 불도저에 의한 분무 작업에 관한 연구를 소개했다. 마쓰모토(松本) 씨는 시뮬레이션 활용을 포함한, 첨단기술을 이용한 토목 시공에서 과제를 해결한 사례를 소개했다.

5. 토목 건설 프로세스에서의 자동화
6. 맺음말

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