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Nikkei X-TECH_2021.9.27

가시마의 전자동 공사
많은 중장비들의 자율주행 실현
중장비의 스마트함에 의존하지 않는 기계 연계가 핵심

가시마(鹿島)가 개발하고 있는 쿼드액셀(A4CSEL)의 진면목은 서로 다른 종류의 중장비들이 연계되어 자율주행한다는 점과 중장비의 대수가 많다는 점에 있다.

아키타(秋田) 현 내에서 공사가 진행되고 있는 나루세(成瀬)댐 현장에서는 덤프트럭이 운반해 온 제체 재료 CSG(현지에서 얻는 돌이나 모래, 시멘트, 물을 혼합한 재료)를 작업 현장에 하역하면 불도저가 그것을 바닥에 넓게 깔고, 진동 롤러가 재료를 전압해 굳힌다. 이러한 일련의 작업을 중장비들이 자율주행으로 해내고 있다.

공사 현장의 중장비를 둘러싼 환경은 산업용 로봇들이 즐비한 공장과는 크게 다르다. 동일한 장소에서 단일 작업을 반복하는 것이 아니라, 서로 다른 장소에서 복잡한 동작이 요구되기 때문이다.

이런 환경 아래에서 임기응변으로 자율주행을 실행하는데 필요한 쿼드액셀의 ‘두뇌’인 제어 기기에는 복잡하고 고도의 기술이 많이 도입되어 있을 것이라고 생각되기 쉽다. 하지만 실제로는 단순한 규칙들을 통해 누구도 이루지 못했던 공사현장의 공장화를 이뤄내고 있다.

여기에서는 쿼드액셀에 의한 중장비들의 자율주행 절차에 대해 자세히 살펴보도록 하겠다. 두뇌가 되는 시스템은 세 가지이다. 시공 계획 시스템과 시공 관제 시스템, 중장비 관리 시스템이다.

자율주행으로 시공하기 위해서는 우선 시공 계획 시스템을 통해 당일 시공 내용을 결정해야 한다. 이 시스템에서는 작업일의 시공 범위를 CAD 상에서 정하고, 어느 기계를 몇 대 배분하는가 등의 조건을 설정한다. 예를 들어, 불도저 3대, 덤프트럭 5대, 진동 롤러 5대와 같은 식이다.

중장비의 종류에 따른 작업 내용이나 중장비 간의 작업 순서는 바뀌지 않는다. 중장비마다 미리 설정된 시공 패턴을 시공 범위에 적용시켜 각 중장비의 작업 구획을 배분해나간다.
여기에서 세분화된 구획에서의 중장비 작업 시간은 시뮬레이션이나 실험 등을 토대로 파악할 수 있다. 작업들의 여러 조합 가운데 최적의 조합을 계산하는 것이 시공 계획 시스템의 역할이다.

-- 시간 이외의 기준으로도 평가 --
시공 계획 시스템에서는 생산 스케줄러가 활용되고 있다. 생산 스케줄러는 공장 생산을 최적화하기 위해 작성된 소프트웨어로, 가시마에 중도 입사한 생산 스케줄러 소프트웨어 개발자가 직접 개발한 소프트웨어를 개량해 최적의 공정을 산출할 수 있도록 했다.

나루세댐의 경우, “1시간 작업에 약 100개의 작업이 존재한다. 피크 시에는 70시간의 연속 운전이 예정되고 있어, 7,000개 작업 정도의 조합을 생각하지 않으면 안 된다”(가시마 기술연구소의 미우라(三浦) 프린서펄 리서처). 이것을 인력으로 실시하는 것은 어렵다.

이에 가시마는 각 중장비들의 작업을 원활하게 연계해 최적의 공정을 찾아내는 작업에 AI(인공지능)의 힘을 빌렸다. 시간의 틈새를 조금이라도 없앨 수 있는 계획을 수많은 조합들 속에서 찾아내는 것이다. 이렇게 해서 효율적인 공정표를 얻을 수 있었다.

실제 현장에서는 작업 시간만으로 최적의 공정을 결정하는 것이 아니다. 중장비 대수를 줄여 비용을 낮추는 조합이나 중장비의 총 이동 회수를 줄여 안전성을 높이는 조합 등도 생각할 수 있다.

예를 들면, 덤프트럭 5대의 경우에는 시공 시간은 8시간 20분, 4대는 9시간 30분, 6대는 7시간 50분이 요구된다고 하자. 여기서 시간만 놓고 보면 6대로 진행하는 것이 바람직하다. 하지만 코스트 기준에서 보면 5대의 경우가 가장 저렴하다고 계산되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 목적에 대응하는 우선 사항에 따라 최적의 방법을 선택해 나간다.

-- 다른 중장비의 움직임은 측위 데이터로 판단 --
공정과 작업 구획이 결정되면 실제 중장비로 작업이 가능해진다. 중장비가 단독으로 자율주행을 통해 시행하는 작업은 지난 회까지의 기사에서 소개한 바와 같이, 높은 정밀도로 실현될 수 있다. 하지만 작업 교체 시에는 서로 다른 중장비 간의 운전 제어가 필요하다. 각각의 중장비가 마음대로 움직이면 충돌사고 등이 발생될 수도 있다.

그렇다면, 복수의 중장비 간의 제어는 어떻게 이루어지는 것일까? 자율주행이라고 해서 다른 중장비들의 움직임 등을 중장비 스스로 순차적으로 관찰하고 그 움직임에 따라 스스로 생각하거나 판단하지는 않는다.

중장비는 기본적으로 사전에 정해진 규칙에 의해 움직인다. 제어의 요점은 중장비의 측위 데이터이다. 쿼드액셀은 중장비의 측위 데이터를 기반으로 각 중장비가 서로 방해하지 않고 작업할 수 있는 시스템을 갖추고 있다.

예를 들면, 덤프트럭과 불도저를 연계할 때에는 덤프트럭이 하역하는 위치는 계획 단계에서 정해진다. 덤프트럭의 측위 데이터를 바탕으로 덤프트럭이 정해진 장소에 하역해 불도저의 작업을 방해하지 않는 구역까지 퇴출했는지 여부를 확인한 이후에 불도저가 바닥에 까는 작업을 시작한다.

각각의 중장비가 다음 작업으로 이동할 수 있을지 여부는 시공 관제 시스템에서 나오는 작업 가능 여부를 나타내는 신호를 토대로 판단한다.

중장비 간에 작업을 방해할 우려가 큰 구역에 대해서는 측위 오차와 실제 이동 시에 발생하는 운전 오차 등을 추가해 ‘간섭 존’을 정해놓는다. 이 구역에 중장비가 있을 경우 다른 중장비는 그 구역에 들어가지 않도록 규칙으로 정해놓고 있다.

이러한 규칙들로 인한 대기 시간 등에 따라 작업 시간이 지연될 가능성이 있다. 그렇지만 이전 작업이 끝나고 나서 다음 작업으로 진행되는 작업 절차가 명확하게 되어 있기 때문에 시공 계획이 파탄나는 사태에는 이르지 않는다. 실제 시공 시간이 어긋나는 경우에는 그 실적 데이터를 바탕으로 작업 별로 정해진 설정 등을 재검토할 수 있도록 하고 있다. 뿐만 아니라 중장비가 고장 등으로 이탈했을 경우를 대비해 계획을 자동으로 다시 만드는 기능 개발도 추진되고 있다. 다수의 중장비 제어를 위한 두뇌의 진화는 멈추지 않고 있다.

여러 가지 주변 상황을 센서로 측정해 중장비의 시스템이 판단하지 않도록 한 것은 데이터 교환이나 측정에 필요한 데이터량이 너무 많아지기 때문이다. 데이터량이 많아지면 데이터 통신 환경 정비가 어려워지거나, 방대한 데이터를 연산 처리하기 위한 배터리를 확보해야 하는 문제가 발생하기도 한다. 중장비 측의 판단은 어디까지나 사람의 침입 등 돌발적인 상황만을 회피하는 시스템으로 했다.

각각의 영역에서 중장비의 이동경로는 중장비를 관리하는 시스템을 통해 생성된다. 예를 들어, 덤프트럭의 경우, 출발점이나 하역 지점이 설정된 이후에 자동적으로 경로가 정해진다.

나루세댐에서는 표면이 탄탄한 주행 도로를 달리기 때문에 바퀴 자국 등의 문제를 신경 쓰지 않아도 된다. 현장에서 시간의 경과로 도로 표면이 변하는 리스크를 고려해 주행 루트를 자동 조정하는 기능은 설치하지 않아도 된다.

 -- 끝 --

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