건축/환경에너지

Nikkei Construction_2016.11.14. 특집 (p36~65)

건설생산성 극대화
CIM에 로봇, AI까지 총동원하여 한계돌파

ICT(정보통신기술)를 활용하여, 건설현장의 생산성을 2025년까지 20% 향상시킨다. 국토교통성의「i-Construction」정책에 대응하기 위해 건설회사 등은 분주히 움직이기 시작했다. 과열되고 있는 생산성 향상 현상은 한때의 열광으로 끝날 것인가? 또는 건설산업의 미래를 개척하는 교두보가 될 것인가?


Part 1. 잃어버린 20년을 찾아서
왜 지금, 생산성 향상에 열광하는가?

버블붕괴 후, 건설업의 노동생산성은 제조업에 크게 뒤쳐졌다. 이대로는 가까운 장래에 다가올 심각한 인재부족을 극복할 수 없을 것 같다는 위기감이 감돌았다. 이러한 위기감이 정부와 기업을 생산성 향상에 매진하도록 만들고 있다.

「i-Construction의 보급에 주력한다」. Hitachi Construction Machinery(日立建機)는 이러한 기조를 바탕으로, 히타치나카(常陸那珂) 공장 내에「ICT 데모 사이트」를 열었다. 1만 4000㎡의 부지에서 동사(同社)의 유압식 굴착기(Hyadraulic Shovel)을 사용한 정보화 시공 등을 체험할 수 있다. 이와 같은 시설을 전국에 설치한 KOMATSU의 뒤를 잇는다.

10월 3일 개소식에는 국토교통성에서 많은 관료들이 참가하였다. 모리 마사후미(森昌文) 기감(技監)을 시작으로 간부들의 축사가 이어졌다. 「국토교통성은 개소를 독촉했다」. Hitachi Construction Machinery의 후쿠모토(福本) 집행관은 이렇게 밝혔다. 국토교통성은 건설기계 제조업체와 타 업종의 기업들의 참여를 유도하며 건설현장의 생산성 향상에 매진하고 있다. 동성(同省)이 지속적으로 시책을 발표하는 모습에 많은 건설회사도 본격적으로 움직이기 시작했다.

건설업의 노동생산성은 버블 붕괴부터 현재까지 답보상태가 이어지고 있으며, 제조업과 큰 차이가 벌어졌다. 건설투자 감소율이 취업자 감소율을 웃돌고, 노동력 과잉 상태가 계속되었기 때문이다. 2015년도 건설투자액은 51조엔이다. 약 20년 전인 1996년과 비교하여 38% 감소했다. 한편, 건설업 취업자수는 25% 감소한 500만 명이었다.

왜 이제 와서 정부는 생산성 향상을 외치는 것일까? 생각할 수 있는 것은 가까운 장래에 찾아올 심각한 노동력 부족이다. 일본에서는 앞으로 수십 년 안에 생산 연령 인구(15~64세)가 격감한다. 2015년에 7682만 명이었던 노동력이 2050년에 5001만 명으로 감소한다. 산업 현장에서 노동인력 쟁탈이 격심해 진다면, 휴일이 적고 저임금인 건설업에는 승산이 전혀 없다. 따라서 공공 투자에 대한 삭감이 최고치에 이르고, 기업 경영이 안정된 지금이야말로 건설생산 효율화와 노동환경 개선을 추진해야 하는 것이다.

생산성에는 다양한 정의나 지표가 있지만 극히 단순화한다면, 투입량과 산출량의 비율이다. 건설회사가 현장의 생산성을 높이고 싶다면, 노동자수에 노동시간을 곱한 연 노동시간을 어떻게 삭감할 것인가가 중요해 진다. 가능한 적은 인원으로 품질이나 안전을 확보하면서 재빠르게 공사를 완공하기 위해 각 건설사는 지혜를 모으기 시작했다. CIM(Construction Information Modeling)에 로봇, AI(인공지능)까지 생각할 수 있는 모든 기술을 총동원하여 토목 현장 혁신을 위해 노력하고 있다.


Part 2. 기계화에 불이 붙었다
로봇이 육해공(陸海空)을  석권

건설현장에서 사람과 로봇이 협력하여 일하는 시대가 도래했다. 중노동이나 작업 속도 향상을 위해 투입되거나 한다. 부분적으로는 사람의 능력을 훨씬 능가하는 기술도 나타났다. 인재가 부족한 산업 분야를 중심으로 기계화는 계속 진행될 것이다.

길이 10m, 무게 160kg의 D51을 낚싯대처럼 가볍게 들어올린다. 주의를 알리는 전자음이 울리는 가운데, “철근의 왕자”는 장인에게 이끌려 보도진의 눈 앞을 가로질러 5m 정도 떨어진 위치에 멈추었다. 그 시간은 불과 80초. SHIMIZU건설이 9월 6일에 도쿄 외곽의 환상도로 공사현장을 무대로 개최한「배근(配筋) 어시스트 로봇」의 기자발표회 장면이다.

배근 어시스트 로봇은 크레인을 사용할 수 없는 지하 구조물의 콘크리트 공사에서 중량 철근의 배근 작업을 지원하는 로봇이다. 건설기계의 렌탈, 가설구조물 등을 취급하는 SC Machinery(요코하마시), Power Assisted Suits 개발로 알려진 Activelink(나라시)와 공동으로 개발했다. 가까운 시일 내에 실제 건설 현장에서 적용하여 효과를 상세하게 검증할 계획이다.

이 로봇은 사람의 팔처럼 어깨, 위팔, 팔꿈치, 아래팔, 손에 상당하는 5개의 파트로 구성된다. 어깨에 해당하는 파트를 고정시키고, 손에 해당하는 파트로 철근의 중심을 잡고 들어올린다. 최대 250kg의 철근을 반경 5m의 범위 안에서 운반할 수 있다. 직감적인 조작이 가능하고, 힘도 거의 들지 않는다. 그립을 잡고 움직이고자 하는 방향으로 약간의 힘을 주는 것만으로, 6축(軸) 센서가 조작자의 “의도”를 감지한다.「어깨」와「팔꿈치」의 선회부에 내장된 모터를 자동으로 제어하여 철근을 이동시킨다.

-- 클러치로 기계재해 방지 --
-- 분해해서 조립까지 20분 --
-- 40m깊이에서 2시간 수중작업 --
-- 가전 기술을 이용하여 품질 점검 --
-- 드론 측량의 제공권 다툼 절정 --
-- 작업의 완전자동화도 실현? --


Part 3. 이제는 감이나 경험에 의존하지 않는다
AI가 현장으로 온다

지금 세상은 인공지능(AI) 붐이다. 올해 3월에는 바둑 AI「알파고」가 최고실력자를 꺾어서 화제가 되었다. 환자에 따라 적절한 치료법을 선택하는 AI의 개발도 시작되었다. 토목산업도 예외가 아니다. 가능성을 감지한 건설회사는 기술개발을 착착 추진하고 있다. 뛰어난 지질기술자의「두뇌」를 산악터널 공사 현장에 투입한다. ANDO HAZAMA 와 NIPPON Systemware(도쿄)는 9월, AI를 이용하여 채굴 현장의 지질을 자동 평가하는 시스템을 개발하여 시험 운용을 시작했다. 특허출원도 마친 상태다.

만성적인 기술자 부족이 AI개발 배경이라고 할 수 있다. 지질 전문가가 모든 판정에 관여하는 것은 불가능에 가깝다.「현장의 토목기술자가 경험을 바탕으로 정성적 판단을 내릴 수 밖에 없는 것이 현실이다. 어떻게든 지원할 수 있는 방법은 없을까」. ANDO HAZAMA 토목설계부 기초기술그룹 지질기술팀의 우쓰키(宇津木) 부장이 눈여겨본 것이 AI를 활용한 화상인식기술이다. 암반의 등급을 평가할 때는 균열 간격이나 풍화의 정도와 같은 외견 관찰이 중요하다. 여기에 착안하여, 현장 사진을 통해 지질 상황을 추정할 수 없을까라고 생각했다.

-- 채굴현장 화상을「기계학습」 --
컴퓨터에 인간과 같은 학습능력을 부여한 기계학습의 일종인「Deep Learning(심층학습)」이라는 최신기술이 시스템의 핵심이다. 뇌의 신경회로를 모방한 정보처리 시스템으로 알려진「Neural Network」를 겹겹이 구축하여, 대량의 데이터를 학습시킨다. 그러면 시스템이 스스로 데이터의 특징을 학습하고, 미지의 데이터를 정밀하게 인식·분류할 수 있게 된다.

채굴 현장의 자동평가에 관한 심층학습은 다음과 같다. 우선,「문제」와「정답」을 세트로 한 데이터(교사 데이터)를 대량 준비한다. 문제에 해당하는 것은 현장의 사진, 정답에 해당하는 것은 촬영지점의 탄성파 속도다. 암반등급과 탄성파 속도에는 상관관계가 있다.

이번에는 화강암에 만든 2개의 터널을 대상으로 했다. 현장 사진은 시공 중에 촬영한 사진들이다. 탄성파 속도는 발파로 생긴 탄성파를 갱 벽에 설치한 지진계로 계측하는「TFT탐사」라고 부르는 기술로 굴착 시에 계측해 놓은 것이다. 다음으로 이들 데이터를 AI에 학습시킨다. 학습을 끝낸 AI에게 현장 사진을 보여주면 자동적으로 탄성파 속도를 추정한다. 정답률은 86.7%에 달했다. 「지질 기술자에게는 아직 뒤쳐지지만 현장 기술자가 판단하는 것 보다 뛰어나다」.

-- 발파사양의 자동평가에도 적용 --
-- 오퍼레이터의「판단」을 학습 --
-- 토목 AI 붐은 두 번째 --


Part 4. 토목도 GO!
품질관리는 AR에 맡겨라

현실공간의 영상에 다양한 정보를 축적하여 만든 AR(Augmented Reality, 증강현실)은, 건설 현장의 작업을 지원하는 데 안성맞춤이다. 완성된 작업 관리나 제품 검사에 적용하여, 품질 향상과 재 작업 삭감을 위한 움직임이 활발해졌다. 스마트폰 전용 게임「포켓몬GO」의 히트로 주목 받은 AR이 건설현장에도 붐을 일으키는 것 같다.

Sumitomo Mitsui Construction이 AR을 이용하여, 교량의 바닥 콘크리트의 표면을 재빨리 평평하게 완성하는 기술을 실현했다. 올해 5월에 발표했다. 복수의 장소에서 촬영한 사진을 근거로, 대상의 3차원 형상을 계측하는 스테레오 사진 측량과 조합한 것이 핵심이다. 우선, 2대의 DSLR(Digital Single-Lens Reflex camera)로 바닥 표면을 다른 방향에서 촬영한다. 2장의 사진을 해석하여, 콘크리트의 평평한 정도를 수치화한다. 다음으로 계측수치와 계획의 격차를 Contour Map(등고선표)으로 출력한다. 높이 방향의 계측오차는 1~2mm. 시공 시의 허용오차는 5~10mm정도이기 때문에, 정밀도는 충분하다. 계측과 해석은 불과 3분이면 된다.

Contour Map는 현장의 타설(打設) 관리자가 가진 태블릿 단말에 표시한다. AR기술을 활용하여 단말 카메라로 촬영한 현장의 영상과 중복시킨다. Frame Marker라고 부르는 표식을 현장에 두고, 영상에 입력시키면 단말 위치나 방향을 자동으로 인식한다. 어느 방향에서 촬영해도 Contour Map이 콘크리트 표면에 겹친다.

수정할 곳이 일목요연하기 때문에 작업자에게 그 장소에서 알기 쉽게 지시를 표시한다. 고르지 못한 땅을 평평하게 다져 다시 계측하고, 상태를 확인한다면, 평탄성 향상에 도움이 될 것이다. 다른 구조물에도 응용할 수 있다.「측량이나 계측은 의외로 손이 많이 가는 작업이다. 현장 기술자의 성력화(省力化)에도 도움이 된다」(Sumitomo Mitsui Construction의 가스가(春日) 전무).

-- 조립 전 검사를 통해 재 작업 박멸 --
-- 실수는 사람이 참여하는 용접 시에 발생 --


Part 5. CIM을 어떻게 하지?
이런 3차원은 필요없다

조사·설계부터 유지관리에 이르기까지, 모든 단계에서 3차원 데이터를 공유·활용하여 건설 생산성의 최적화를 도모한다. 국토교통성은 이런 이상(理想)을 내걸었다. 그러나 현장에는「데이터를 입력하는 것 자체가 목적이 되어 있다」라는 불만이 나온다. 타개책은 있는 것일까?

수도고속도로회사가 10월 19일에 구상을 밝힌「i-DREAMs」는 설계에서 유지관리까지, 한번의 3차원 데이터 활용을 위한 통합관리 시스템이다. 2017년도 내에 유지관리로 운영을 개시하고, 외부 판매도 검토한다. 시스템의 중핵은 수도고속도로의 기술과 Elysium(하마마쓰시), AERO ASAHI가 2014년 말에 베타판을 발표한「InfraDoctor」다. GIS(지리정보시스템)에 대장(臺帳), 점검결과, 구조물의 3차원 점군(點群) 데이터를 축적하여 교량 등의 유지관리에 활용한다.

디지털 지도상에서 조사하고 싶은 구조물을 선택하면, 관련 대장이나 3차원 점군 데이터를 열람할 수 있다. 3차원 점군 데이터는 주로 MMS(Mobile Mapping System)로 취득한다. 수도고속도로가 관리하는 구조물뿐 아니라 간판이나 조명과 같은 주변 정보도 동시에 취득한다. 2016년 안에 데이터를 모두 취득할 예정이다.

하나 하나의 점이 3차원 좌표를 갖기 때문에, 현장에 나가지 않아도 책상 위에서 간이 측량이 가능하다. 점군 데이터를 이용하여 2차원이나 3차원의 도면, FEM해석 모델을 반 자동으로 작성 가능하다. 지금까지 철도와의 입체교차부에서 공사를 계획할 때는, 한밤중의 기전(機電) 정지시간에 Total Station으로 측량하고, 도면을 작성하고 있었다. 측량과 도면의 작성에 필요한 시간이 종래의 8일에서 1.5일로 단축 가능하다.

-- 시공 중인 3차원 점군 데이터도 취득 --
-- 간소화로 선회한 TAISEI건설 --
-- 대기시간에 서류작성 완료 --


Part 6. 열쇠는 입찰·계약 제도
시공자의 노하우 주입

제조업 등에서 많이 도입하고 있는「Front Loading」은 설계 단계에 주력하여 비용절약, 납기단축, 품질을 향상하는 방법이다. 이를 실현하기 위해서는 시공자의 노하우가 반드시 필요하다. ICT(Information & Communication Technology, 정보통신기술)의 활용뿐 아니라, 입찰·계약 제도의 재고도 필요하다.

국토교통성의「i-Construction」은 지금, ICT을 이용하여 측량이나 시공, 완성작업 관리, 검사의 효율화가 중심이다. 단, 이차원의 공기단축이나 코스트다운을 목표로 한다면, 계획·설계 단계에서의 혁신이 본체다. 제조업 등에서 도입하고 있는「Front Loading」이 키워드다. 공정 후반에서 발생하는 재작업을 방지하기 위해 개발 초기 단계에 주력하여, 대폭적인 비용절약, 납기단축, 품질향상을 도모할 생각이다.

토목 산업에 있어서의 Front Loading의 구체적인 예는, CIM에 의한 철근의 간섭 체크나 시공 순서 검토를 들 수 있다. 그러나 그 진수는 다른 곳에 있다. 아래에서는 우선 획기적인 기술을 계속하여 세상에 소개한 본지의 연재기사「Doboku Juku(토목학원)」로 친숙한 가나이(金井) OBAYASHI건설회사 고문에게 Front Loading의 진정한 효용에 대해 들었다.

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조사·설계의 단계에서 인프라 기능이나 요구 성능을 정확히 파악하고, 최신 시공 기술을 도입한다면 놀랄 정도로 빠르고 싸게 시공할 수 있습니다. 예를 들면, 쉴드공법(Shield Method)으로 도시부에 지하 저류지(retention basin)를 건설할 경우, 터널의 기점과 종점에 입갱(立坑)을 만든 후, 입갱 사이를 굴착하여 잇는 것이 정석입니다. 입갱에는 쉴드기(Shield機)의 발진·도달 기지라는 기능이 있으며, 또한 사용 후의 입갱은 홍수를 터널 안으로 유도하는 기능을 합니다. 역으로 말하면, 입갱 없이 쉴드기의 발진·도달, 홍수 유입이 가능하다면 입갱은 생략할 수 있다는 말입니다.

그렇다면, OBAYASHI가 시나가와선(品川線) 오오이지구(大井地區) 터널 공사에 적용한 URUP공법을 적용하면 어떨까요? 이 공법은 지상에서 대각선으로 발진하고, 굴진을 끝내면 다시 지상에 도달하는 기술이다. 입갱이 없어도 지반에 이상을 일으키지 않고 발진이나 도달이 가능합니다. 홍수는 비스듬해도 유입이 가능하고, 오히려 비스듬한 편이 유입 시의 진동이나 소음을 방지할 수 있기 때문에 유리할지도 모릅니다. 즉, 입갱을 생략할 수도 있다는 것입니다.

-- 「유지관리도 쉬워진다」 --
-- 기술제안·교섭방식의 적용이 시작된다 --

     -- 끝 --