건축/환경에너지

Nikkei Construction_2019.10.28 특집 요약 (p30-51)

상식을 바꾸는 드론의 활용
건설업계의 활용과 새로운 용도

공사현장의 공중 촬영이나 측량에서 점점 상식이 되고 있는 드론 활용. 그 기세는 가속되고 있고 점차 새로운 용도로 활용의 장을 넓히고 있다. 하천이나 산간 지대의 인프라 유지 관리와 아울러 구조물의 완성도 계측에서 공정 관리까지. 혁신을 계속하고 있는 드론의 최전선을 취재했다.

Part 1. 관리자가 직접 이용 영역을 확대
하천이나 사방(砂防)의 일상 점검에 활용

측량이나 공중촬영 등 민간회사가 선도해 온 드론의 활용에 국토교통성이 본격적으로 착수했다. 하천이나 사방 시설의 점검이나 관리에서 드론을 일상적으로 사용한다. 기준 작성이나 매뉴얼 정비를 위한 움직임도 활발해졌다.

19년 10월 2일, 사이타마현 도네가와(利根川)의 하천부지 상공에 1대의 드론이 떴다. 다소 긴장한 얼굴로 드론을 조종하고 있는 사람은 국토교통성 간토지방정비국(간토지정)의 직원이다. 하천 관리의 새로운 시대의 개막이다.

국토교통성은 하천의 일상 관리에서 드론 활용을 시작한다. 공중에서 하천 바닥이나 제방 모양을 3차원으로 계측하거나 하천 부지의 불법 투기를 감시한다.

앞서고 있는 곳은 간토지정이다. 19년 2월, 간토지정의 직원으로 구성된 드론 조종팀 ‘간토 River-SKY-i’를 결성했다. 각 사업소에서 1인 이상을 선발해, 19년 11월부터의 본격 운용을 위해 훈련을 계속하고 있다. 이 날은 팀의 멤버가 간토지정이 새롭게 구입한 드론의 첫 비행에 도전했다. ‘TDOT GREEN’(1대에 2,980만엔)이라는 특수한 레이저 스캐너를 탑재한 기체다.

근적외선 레이저를 사용한 통상의 스캐너로는 수면 하의 지형을 계측하지 못한다. 그러나 근적외선보다 파장이 짧은 그린레이저를 조사(照射)하는 TDOT GREEN은 수심 5~6m의 하천 바닥을 계측할 수 있다. 젖어 있는 육상의 지형도 동시에 취득 가능하다.

이 스캐너는 국토교통성이 17년에 시작한 ‘혁신적 하천관리 프로젝트’ 하에서 측량업체인 PASCO와 Amuse Oneself(오사카시)가 공동 개발했다. 국토교통성이 목표하는 하천의 ‘3차원 관리’에서 중심적인 역할을 담당할 것으로 기대를 받고 있다.

-- 제방의 변형을 바로 파악 --
-- 하천 순찰의 자동화에도 착수 --
-- 사방댐에서 드론 점검을 장려 --

Part 2. 지상기준점(GCP)을 없애라
완성도 관리에 대한 길이 열렸다

드론을 사용한 공중 촬영 측량에서 지상기준점(GCP)의 설치만이 자동화에서 뒤처져 있었다. 그러나 현장을 돌아다녀야 하는 이 작업을 생략하는 기술이 드디어 나타났다. 그 앞에는 드론이 밀리미터 단위의 정밀도로 구조물을 계측해 완성도 관리를 담당하는 미래가 펼쳐진다.

드론을 이용한 공중 촬영 측량은 지금은 누구나 간단하게 할 수 있다. 비행 루트의 결정부터 조종, 사진 촬영, 3차원 군점 데이터의 작성까지 거의 모든 것을 자동으로 처리할 수 있기 때문이다. 유일하게 ‘지상기준점(GCP)’이라는 플레이트를 현장 내에 설치하며 돌아다니는 작업만이 사람의 노동력을 요한다.

지상기준점이라는 것은 드론에게는 안표다. 공중 사진에서 군점 데이터를 만들 때 계측한 좌표를 보정해 오차를 최소한으로 하는 역할을 한다. 현장 내에 설치해 미리 GNSS(위성을 사용한 측위시스템의 통칭) 등으로 정확한 좌표를 취득해 두지 않으면 안 된다.

이 지상기준점을 생략할 수 있을까? 오바야시구미는 현장의 가일층의 성력화(省力化)를 위해 지상기준점이 없어도 계측 오차를 억제하는 방법 검증을 시작했다. 국가에 의한 공중 사진 측량의 기준 개정도 전망하고 있다.

드론을 사용한 기존의 공중 사진 측량 절차는 다음과 같다. 드론은 우선 지상기준점이 찍히도록 자동으로 비행하며 현장을 연속 촬영. 연속되는 2장의 사진이 80% 정도 겹치도록 촬영 간격을 조정한다.

그 후에 점군 처리 소프트웨어가 미세하게 어긋난 2장의 사진의 공통점을 찾아내, 각각의 촬영 장소와의 위치 관계를 통해 삼각측량의 요령으로 좌표를 산출. 자동으로 점군 데이터를 만든다. 그것을 지상기준점의 좌표로 보정하면 오차를 수십 cm 이하로 억제할 수 있다.

일반적으로 드론에 탑재한 GNSS 만으로 점군 좌표를 구했을 때는 수 미터의 오차가 발생한다. 그래서 국토지리원의 ‘UAV(드론)를 이용한 공공측량매뉴얼’은 지상기준점의 설치를 필수로 규정하고 있다. 국토교통성이 18년 3월에 작성한 드론을 이용한 토목공사의 완성도 관리 요령도 이를 답습한다.

-- 전자기준점으로 오차를 제거 --
-- 국토교통성의 프로젝트에서 실증 --
-- 비행 고도를 낮춰 고해상도로 촬영 --
-- 고도를 낮춰 오차 10mm 이하로 --

Part 3. 용도를 넓히는 신기술 속속 등장
수중이나 지하라도 볼 수 있다

인프라 점검이나 조사 현장에서 업무 협력을 지원하는 드론이 속속 등장하고 있다. 수중이나 관로로 들어가 인프라를 점검하거나 하늘에서 지질을 구분하는 등 의외의 용도에서도 활약하고 있다.

▶ 댐 점검: 음파를 무기로 수면 밑에 진입

하늘만 나는 드론이 아니다. 최근에는 수중 드론 시장이 활발하다. 기존에 댐이나 잔교 등의 수중 점검은 잠수부가 직접 확인하는 수밖에 없어 허술한 부분이 있었다. 수중 드론은 이러한 난제를 해결한다.

벤처기업 FullDepth(도쿄)가 독자적으로 개발한 ‘DiveUnit300’은 깊이 300m까지 잠수할 수 있는 수중 드론이다. 기체 크기는 폭 41cm, 안길이 64cm, 높이 38cm에 무게는 약 28kg이다. 전면에 카메라를 설치해 수중을 자유자재로 움직인다. 한번 충전으로 4시간 동안 조사할 수 있다.

촬영한 영상은 기체에서 최장 1.5km의 광파이버를 통해 수상에서 대기하는 선박에 실시간으로 전송한다. 또한 FullDepth가 개발한 클라우드 시스템을 사용해 원격지 사무소의 컴퓨터로도 영상을 체크할 수 있다. 지금까지 오키나와현의 댐 점검을 비롯해 50건이 넘는 실증 시험을 실시. 19년 4월에는 3억 4,000만엔의 자금 조달을 결정, 양산에 착수했다.

수중 드론이 가동하는 현장에는 하늘과는 전혀 다른 혹한 환경이 있다. 가장 심한 문제는 탁한 물이다. FullDepth의 이토(伊藤) 사장은 “댐의 탁한 물 속에서는 불과 몇 미터 앞도 보이지 않는다”라고 설명한다. 잠수부가 잠수를 해도 시야를 거의 확보하지 못하기 때문에 점검할 장소를 찾는 것부터 시작해야 한다.

-- ‘제2의 눈’으로 점검 대상을 발견 --
-- 국토교통성은 로봇 활용에 긍정적 --

▶ 다리 점검: 드론 전도사가 전개하는 가격 파괴

“50만엔 이하의 시판 드론으로도 다리는 점검할 수 있다. 예산이 적은 지방자치단체에서도 도입 가능하다”. 건설업용 드론 스쿨인 D아카데미(요코하마시)의 요다(依田) 대표가 이렇게 단언하며 내놓은 것은 기체의 상부에 카메라를 고정해 전면과 상면을 동시에 촬영할 수 있도록 개조한 범용 드론이다. 기체는 30만엔 정도, 카메라는 약 5만엔이다.

이미 지바현 기미쓰시(市)의 다리에서, 기미쓰시와 I-NET(요코하마시)과 공동으로 효과를 실증하고 있다. 드론을 수동 조종으로 비행시켜 길이 약 50m의 트러스교의 상판 밑면을 연속 촬영. 그 데이터를 연결해 1장의 정사 영상(Ortho Image)으로 변환했다. 열화 상황은 사진으로 한눈에 파악할 수 있었다.

카메라의 줌 기능 등을 사용하면 강재의 녹이나 받침(Bearing)의 손상도 눈으로 확인할 수 있다고 한다. 기미쓰시는 20년의 본격 도입을 목표로 직원이 직접 이 시판 드론을 조종해 점검에 이용하기 시작했다.

요다 대표는 “0.1mm 단위로 정확하게 균열 폭을 확인할 수 있는 비싼 고성능 드론에는 미치지 못한다. 그러나 많은 지자체가 우선 원하는 것은 열화한 많은 다리의 보수 순위를 싸고 간단하게 파악하는 기술이 아닐까 생각한다”라고 말한다.

대략적으로 열화 상황을 파악한 후에는 손상된 곳을 중심으로 근접 육안 확인으로 상세하게 점검하면 된다는 생각이다. 그것만으로도 점검에 요하는 시간이나 비용을 압축할 수 있다.

-- 일부러 충돌방지 센서를 작동 --

▶ 지하 조사: 자기장의 변화로 지질을 하늘에서 ‘투시’

럭비공과 같은 모양의 하얀 수신기를 단 드론이 산간 지역을 비행한다. 사람의 출입이 어려운 험악한 산의 지하에 분포하는 지질이나 지하수를 하늘에서 ‘투시’하기 위해서다.

전자기를 사용해 암석의 경도 등을 구하는 공중전자(電磁)탐사라는 방법을 이용한다. NEOSCIENCE(오사카)가 기기를 개발, ‘D-GREATEM’이라 이름 붙였다.

공중전자탐사의 구조는 다음과 같다. 우선, 계측하고 싶은 범위를 둘러싸듯이 지상에 케이블을 깐다. 다음으로 수신기를 상공에 띄운 상태에서 케이블에 강한 전류를 흐르게 해 자기장을 발생시킨다. 전류를 멈추면 이번에는 자기를 띤 지반에서 암석의 경도나 함수율 등에 따라 다른 강도의 자기장이 발생한다. 수 밀리초의 간격으로 전류의 온오프를 반복해 지반이 발산하는 자기장의 변화를 기록한다.

그것을 분석하면 지반의 비저항(단위 길이 당의 전기저항) 분포를 깊이 방향으로 얻을 수 있다. 비저항은 암석의 경도 등과 상관이 있기 때문에 부근의 보링 조사 결과와 비교하면 지질을 추정할 수 있다.

계측하고 싶은 곳의 지상에서 자기장을 수신할 필요가 있기 때문에 광범위를 조사하기 위해서는 드론이 최적이다. 복수의 장소에서 지질 정보를 취득하면 3차원으로 가시화할 수 있다.

▶ 관내 점검: 토사와 물을 뚫고 어둠 속을 주행

직경 800mm가 넘는 ‘중대 구경’ 하수도관은 일반적으로 사람이 안으로 들어가 점검한다. 그러나 바닥에 토사나 진흙이 쌓여 있어 들어갈 수 없는 장소는 많다. 철거를 하려 해도 관로의 깊은 곳까지 쌓여 있는 토사는 대략적인 양조차도 파악하기 어렵다. 손으로 토사를 제거하면서 점검할 수 밖에 없었다.

닛수이콘(NSC, Nihon Suido Consultants)이 구모타상회(니가타현), 요코하마국립대학, 요코하마시와 공동 개발하고 있는 것은 기체 위에 장착한 바퀴로 관로의 천장을 주행하는 드론을 사용한 점검 방법이다. 드론이 토사나 물 위를 헤쳐나가며 탑재한 카메라로 퇴적 토량을 파악하거나 벽면의 균열 등을 조사한다.

기체의 밑에 장착한 4개의 프로펠러로 부상, 바퀴를 관로에 부착시켜 이동하는 구조다. 후방에 장착한 5번째 프로펠러로 전진한다. 주행 중에 물 위로 떨어져도 고장이 나지 않도록 플로트(부표)를 다리 부분에 장착했다.

관로 내에서는 초당 1m 정도로 주행한다. 한번 충전으로 10분간 가동하며 연장 약 600m를 조사할 수 있다. 조종자는 관로 내에 들어갈 필요가 있지만 촬영한 이미지는 사무소에서 확인할 수 있기 때문에 육안 점검과 비교해 체재 시간은 줄어든다.

닛수이콘 등은 16년부터 시판 드론을 관로 내에서 비행시켜 점검하는 방법을 모색하고 있었다. 그러나 관로 내에는 GNSS 전파가 미치지 않기 때문에 내벽이나 퇴적 토량 등에 부딪히지 않도록 수동으로 조종해야 한다. 점검에 사용할 수 있는 고정밀도의 균일한 품질의 이미지를 얻기 위해서는 숙련 조종자를 배치해야 했다.

그래서 도입한 것이 천장을 주행하는 방식이다. 상하 방향으로 제어할 필요가 없어지면 누구라도 조종할 수 있게 된다. 앞으로 프로펠러 수를 늘리거나 바퀴 구조를 개량해서 주행 안정성을 높여 20년에 실용화한다.

▶ 다리 보수: 이제는 건설기기, 1시간 비행 가능한 경이로운 스태미나

Part 4. 공정이나 안전도 지켜본다
‘하늘 나는 현장 감독’에게 맡겨라

매일 돌아다니며 현장을 체크하는 건설회사의 감독. 드론이 현장을 순회하는 것이 당연한 일이 되면 업무의 일부를 맡길 수 있을 것이다. 이미 공정이나 안전 관리에 사용하는 사례가 나오기 시작했다. 현장의 기술혁신은 재해 시의 드론 활용으로도 이어진다.

다이세이건설 토목기술부의 구로키(黒木) 기술부장은 “향후 기술자 부족에 대비해 현장 관리 방법을 업데이트할 필요가 있다”라며, 드론을 사용한 현장의 ‘4차원 공정관리’를 기대한다.

4차원 공정관리라는 것은 정기적으로 현장의 시공 상황을 3차원 모델화해 공사 진척 등을 시계열로 가시화하는 방법을 말한다. 현장의 3차원 모델은 드론에 의한 공중 사진 측량으로 만든 3차원 점군 데이터에, 동시에 기록한 공중촬영 사진을 붙여 생성한다.

다이세이건설은 CAD 소프트웨어 기업 Autodesk, 미국 일리노이대학교, 미국 Reconstruct와 공동으로 실증을 추진하고 있다. 무대는 국토교통성 도호쿠지방정비국이 발주한 나루세댐의 원석산(原石山: 댐의 재료가 되는 암석 등을 채취하는 산) 채취 공사다. 다이세이건설 등은 일주일에 1번 드론으로 현장을 순회하며 산 전체를 3차원 모델화하고 있다.

최신 정보로 경신된 현장의 3차원 모델과, 공정과 연결한 3차원 설계데이터(CIM모델)을 합하면 공사의 진척을 확인할 수 있다. 진척이 늦어진 곳이나 작업 종류도 바로 알 수 있다.

기존에는 기술자가 도면이나 수량, 공정표 등을 비교하며 작업 종류별로 진척을 관리할 필요가 있었다. “현장의 ‘가시화’는 공정의 정보 공유나 시공 계획의 재검토에 크게 도움이 된다”(구로키 기술부장).

Autodesk에 따르면 미국의 건축공사에서는 다이세이건설 등이 도입한 것과 같은 시스템에 AI(인공지능)를 병용. 과거의 공사 진척 상황 등을 바탕으로 장래의 공정 지연 위험을 추측하고 있다.

-- 데이터 처리는 클라우드화로 전자동 --
-- 현장을 상시 순회해 안전 관리 --
-- 점군 데이터를 의지해 자동 순회 --

 -- 끝 --