건축/환경에너지

Nikkei Construction_2021.6.28 특집 요약 (p28-47)

가속되는 건설 DX
건설 ICT 2021

국토교통성과 건설회사 등이 총력을 기울여 디지털 트랜스포메이션(DX)을 추진하고 있다. 코로나19 대책으로 원격 임장을 급속히 확대. AI(인공지능)를 활용한 수도관의 열화 예측이나 드론의 시계 외 비행 등 새로운 도전도 잇따르고 있다.

Part 1. 수주자도 발주자도 리모트
오바야시구미가 시작한 원격 임장의 진화형

영상이나 음성을 사용해 먼 곳에서 공사 검사와 진척 상황을 확인하는 ‘원격 임장’. 오바야시구미는 수발주자 쌍방이 시험장에 가지 않고 품질을 시험하는 원격 임장에 나섰다. 발주자뿐 아니라 수주자 입장에서도 업무 방식을 개혁하는 대응이 시작되었다.

시즈오카현 오야마마치에서 진행되는 신토메이 고속도로 육교 공사. 프리스트레스트 콘크리트(PC) 상부 구조를 시공하는 오바야시구미는 21년 2월, 콘크리트 품질 시험에서 새로운 원격 임장을 시작했다. 자사와 발주자인 NEXCO 나카니혼의 양측 담당자가 각각 시험장에서 떨어진 곳에서 상황을 확인하는 원격 임장이다. 그 이름은 '원격 대리 입회'다. 압축 강도 시험이나 팽창률 시험에 도입했다.

시험 장소는 내용에 따라 다르다. 고후시나 가나가와현 지가사키시 등의 오바야시구미의 현장사무소나, 시즈오카현 누마즈시에 있는 NEXCO 나카니혼의 사무소에서는 현의 경계에 걸치는 시험장도 있다.

통상은 시공에 관해 충분한 지식을 갖춘 기술사나 콘크리트 주임기사 등 시공 현장의 유자격자가 발주자와 함께 시험장에 나가야 한다.

오바야시구미는 이 공사에서, 시공 현장과 관련 없는 협력회사의 유자격자를 시험장에 파견했다. 장부 데이터를 공유하는 태블릿이나 웨어러블 카메라 등 원격 임장에 사용하는 기기류를 빌려주고, 사용 방법을 설명했다. 시험 상황을 영상회의로 공유하며, NEXCO 나카니혼의 담당자와 오바야시구미의 유자격자 쌍방이 각각 떨어진 장소에서 확인하는 시스템을 만들었다.

시험이 많을 때는 주 1, 2회 정도 있는 콘크리트 시험에서, 70~80%에 원격 대리 입회를 도입했다. 이동 시간을 절약할 수 있어 인원수가 한정적인 유자격자의 생산성이 높아졌다고 한다.

-- IT 전문 인력이 2주 동안 상주 --

● [원격 임장 연구] 시야의 제한을 의식한 카메라 워크를

Part 2. 진화하는 기기와 앱
영상 멀미 및 촬영 누락에 대한 대책도 만전

원격 임장이 확산되면서 진일보한 촬영 기기나 앱을 능숙하게 다루는 공사 현장이 많아졌다. 손떨림 보정 기능이나 360도 이미지가 개개 현장의 과제를 해결한다. 원격 기술은 실증실험에서 실제로 시공 현장에서 활용하는 단계로 이행하고 있다.

“지면을 굴착할 때 지하수가 샘솟거나 암반층을 발견했을 때는, 원격지에 있는 발주자에게 영상을 보여주면 즉석에서 대응책을 상담할 수 있다”. 도호쿠 지방의 깊은 산속에서 전력시설 조성공사를 담당하는 시미즈건설 도호쿠 지점 토목부의 와다(和田) 공사주임은 말한다.

와다 주임은 헬멧에 소형 카메라를 달고 현장을 걷는다. 기복이 많은 현장을 걸으며 전방이나 발 밑을 보기 때문에 카메라는 흔들리기 쉽다. 그래서 영상을 보는 측에는 ‘영상 멀미’의 위험이 발생한다. 하지만 발주자인 도호쿠전력네트워크는 “카메라를 손에 들고 신중하게 찍고 있다고 생각했다”라고 말한다.

비밀은 카메라의 이미지 처리 기능에 있다. 작티(Xacti, 오사카시)가 개발한, 상하∙ 좌우∙전후를 축으로 한 전방향 흔들림을 억제하는 기능 ‘익스터빌라이저’다. 물리적으로 손떨림을 막는 기구가 없기 때문에 가벼운 것이 특징이다.

시미즈건설은 또한 응용범위를 탐색했다. 레일을 따라서 이 카메라를 주행시켜, 토사를 옮기는 컨베이어벨트를 원격 점검하는 ‘레일 캠’을 개발. 카메라가 고저 차이나 커브가 있는 레일을 시속 약 40km로 주행해도 영상이 흔들리지 않기 때문에 컨베이어 전체를 단시간에 감시할 수 있다. 시미즈건설은 국내 현장에서 실증을 끝냈다. 이번에 건설기계 렌털 기업인 Kanamoto가 1대 약 100만 엔(세금 별도, 프로젝트 단위)부터 렌털을 시작했다.

카메라로 현장 모습을 기록할 때 종종 발생하는 ‘촬영 누락’을 방지하는 기술도 등장했다. 도큐건설은 360도 카메라로 촬영한 이미지를 클라우드에서 공유하는 리코의 서비스 ‘THETA 360.biz’를 이용. 도쿄메트로 긴자선 시부야역에서 홈 이전 공사 등에 도입했다.

마우스 조작이나 태블릿의 드래그로 360도 이미지의 시점을 움직여, 고개를 움직이듯이 상하좌우를 바라볼 수 있다. 동시에 이미지를 보고 있는 방향이 평면도 상에 표시된다. 지금 어디를 보고 있는지를 파악하기 쉽다.

역의 홈이나 선로 위 공사는 작업 시간이 막차 후부터 첫차 전까지로 한정된다. 사진이나 도면을 사용해 작업 전에 제대로 절차를 협의할 필요가 있지만, 시공 현장의 배후나 주변까지는 좀처럼 찍지 못한다. 도큐건설의 이케다(池田) 소장은 “떨어진 장소의 지면 모습을 나중에 확인할 수 있어 자재 두는 곳을 논의할 수 있었다”라며 만족스러워한다.

원격 현장에서는 카메라 촬영이나 장부 기입, 통신 등 용도에 따라 복수의 기기나 소프트웨어를 조합하는 경우가 많아 번잡해지기 쉽다. 이를 해결한 것이 미쓰이스미토모건설이다.

영상통화나 장부 데이터 편집 기능을 정리한 iPad용 앱 ‘엔켄(遠検)’을 19년에 개발. 20년에 동일본고속도로회사의 간에쓰자동차도로 마츠카와바시 바닥판 교체 공사의 재료 검사에 도입했다. 수발주자 쌍방이 이 앱을 설치한 iPad를 갖고 있다.

iPad의 화면을 2분할해서, 한쪽에는 쌍방의 카메라 영상을 표시, 다른 한쪽에는 전표를 확대∙축소 표시한다. 전표에는 수발주자 쌍방이 문자 등을 쓸 수 있고, 그 내용이 상대방 화면에도 반영된다. 화면의 레이아웃 등에 제약이 있는 일반적인 영상회의 툴에 비해 사용하기 쉽다.

Part 3. 번거로운 배근 검사를 자동화
이미지 해석으로 검사 시간을 4분의 1로 단축

많은 인력과 시간을 들여야 하는 번거로운 콘크리트 배근 검사. 최근에는 이미지 해석 기술을 이용해 자동으로 철근 간격이나 직경을 산출하는 시스템이 속속 등장하고 있다. 국토교통성은 배근 검사 시스템과 원격 임장을 조합한 업무 개혁을 전국에서 시행할 계획이다.

철근에 튜브 모양의 마커를 달고, 칠판에 필요 사항을 기입하고, 검척 로드를 두고 사진을 촬영. 측정한 수치를 야장(野帳)에 기입하고, 사무실로 돌아와 정리한다. 이러한 배근 검사의 번잡한 작업을 줄이기 위해 많은 회사가 자동화를 추진하고 있다.

국토교통성도 관민연구개발투자확대프로그램(PRISM)을 활용한 프로젝트를 통해 지원한다. 20년도는 이 프로젝트 아래, IHI인프라건설, 가시마, 시미즈건설, JFE 엔지니어링, 미쓰이스미토모건설을 각각 포함한 5개의 컨소시엄(기업연합)이 배근 검사 자동화 시스템을 시행했다.

그 가운데 한발 앞서 있는 것이 시미즈건설과 샤프로 구성된 컨소시엄이다. “우리는 시행이 아니고 이미 ‘실장’했다"라며, 시미즈건설 기술연구소 인프라기술 그룹의 요시타케(吉武) 그룹장은 자랑한다. 다른 컨소시엄은 시스템을 사용한 검사와 기존 방식의 검사를 모두 실시해 정밀도 등을 검증했다. 이에 대해 시미즈건설은 현장에서는 기존 방법을 생략하고, 시스템으로 자동 계측한 수치를 정식 검사 결과로 채용했다.

시미즈건설 등의 시스템의 특징은 3안 카메라를 사용하는 점이다. 각 렌즈로 촬영한 3장의 이미지의 차이를 통해 깊이를 포함한 3차원 정보를 파악. 이미지 해석으로 철근의 직경이나 배근 간격 등을 자동 산출한다. 3차원으로 위치를 파악하기 때문에 앞쪽과 안쪽의 2단 철근을 동시에 계측할 수 있다.

카메라에서 철근까지의 거리는 1m 정도다. 촬영거리 확보가 안 되면 비스듬히 찍어도 괜찮다. 최대 45도까지 기울일 수 있다고 한다. 정밀도는 철근 지름에서 ±1mm, 배근의 평균 간격에서 ±5mm로 관리 기준 내에 들어 있다.

이 시스템을 사용하면 통상 3명이 작업해야 하는 배근 검사가 1명이면 된다. 후쿠아먀현 도호쿠중앙자동차도로 히가시네가와바시(橋)의 상부 공사에서는, 1 블록 당 검사 시간을 기존의 20시간에서 5시간으로 줄일 수 있었다.

-- MR 디바이스를 사용해 원격 임장 --

Part 4. AI로 수도관의 열화 예측
빅데이터로 탈 ‘낡은 순서 교체’

낡은 수도관일수록 쉽게 파손된다고 단정할 수 없다. 효고현 아사고시의 누수 실적을 통해 밝혀진 사실이다. 미국 스타트업 기업 FRACTA는 관의 지름이나 재질, 주변 토양 등의 데이터에서 AI를 이용해 파손 확률을 산출. 이를 바탕으로 교체의 우선 순위를 정하면 유지관리 비용을 줄일 수 있다.

“누수 실적 데이터를 건네주지 않았는데 산출된 파손 확률이 실태와 맞았다”. 효고현 아사고시 도시정비부의 고다니(小谷) 과장은 놀라움을 감추지 못했다.

아사고시의 상수도관 파손 확률을 구한 곳은 미국 AI 개발 스타트업 FRACTA다. 20년에 아사고시가 수도관을 제조∙판매하는 일본주철관(도쿄)에 수도관의 열화 예측과 대장 정비를 발주했다. 일본주철관은 FRACTA에 AI를 사용한 파손 확률 산출 등을 위탁했다.

시는 약 36㎢ 구역에서 약 1만 3,000호에 급수하고 있다. 1990년대에 부설했기 때문에 법정 내용연수인 40년이 되지 않는 수도관이 많다. 그래도 누수가 자주 발생해 보수 비용이 많이 들었다.

시에서 상수도를 담당하는 직원은 현재 4명으로, 2000년대 전반에 비해 3분의 1 가깝게 줄었다. 전원이 누수 대응에 바빠, 효율적인 교체 계획을 세울 필요가 생겼다.

직원들 사이에서는 “장소에 따라 관의 열화 진행에 차이가 있다. 관을 낡은 순서로 교체해서는 안 된다”라는 인식이 있어, 관로 별로 파손 확률을 산출할 필요성을 의식하고 있었다. 그러나 당초에는 분석 방법의 검토는커녕 데이터 정비도 충분하지 않았다.

관로의 위치정보는 GIS(지리정보시스템)로 관리하며, 관의 소재나 구경 등의 데이터와 연관시키고 있다. 그러나 데이터의 일부는 전자화되어 있지 않았다. 부설 연도에서 약 50%, 구경에서 약 14%, 관의 종류에서 약 15%의 전자 데이터가 각각 누락되어 있었다. 누수 실적은 일람을 전자화했지만 관로 데이터와는 별도로 관리. 상세한 보수 내용은 종이로 기록하고 있었다.

FRACTA는 지금까지 미국이나 일본에서 관로 데이터와 누수 실적, 그리고 토양이나 하천, 교통, 기상 등 외부 환경 데이터 100종 이상을 AI에게 학습시켜 수도관의 파손 확률을 산출하고 있다. 국내에서는 가나가와현에서 운영하는 수도나 가와사키시, 고베시, 아이치현 도요타시 등의 수도사업자의 시설에서 실적을 쌓아 왔다. 국내외에서 약 100개의 사업자를 고객으로 두고 있다.

아사고시에서는 새로운 시도로서, 시의 누수 실적 데이터를 사용하지 않고 파손 확률 산출을 시도했다. 개발을 거듭해 온 AI에 아사고시의 관로 데이터와 외부 환경 데이터만을 입력. 누락된 관로 데이터는 종이 자료에서 보완했고, 일부는 배수지 정비 시기 등으로 추정했다.

산출한 파손 확률은 18년부터 20년까지의 누수 실적과 대조했다. 우선은 낡은 관로일수록 파손되기 쉽다고 상정한 ‘경과 연도 모델’과 비교. 경과 연도별 모델에서는 부설 연도가 오래된 상위 50%의 관로에 포함되는 누수 실적이 약 절반으로, 무작위로 관로를 선택하는 것과 다르지 않은 결과가 되었다.

한편, 지금까지 학습시킨 국내외 데이터에 근거하는 ‘일본 범용 모델’로 파손 확률을 구하면, 확률이 높은 상위 10%의 관로에서, 검증 대상인 3년간의 누수 54건의 반수 가까이가 발생했다. 경과 연도 모델에 비해 정밀도가 높다는 것을 확인할 수 있었다.

이 계산과는 별도로 FRACTA는, 관로 데이터와 외부 환경 데이터와 함께 기존대로 아사고시의 누수 실적(05~17년)을 학습시킨 ‘지역 특화 모델’을 제작. 또한 각 관로에서 일본 범용 모델과 지역 특화 모델로 산출한 파손 확률의 중간치를 취한 ‘하이브리드 모델’을 만들었다. 모두 경과 연도 모델보다 높은 예측 정밀도를 얻을 수 있었다.

“주철관은 염화비닐관에 비해 오래 간다는 인식이 있었다. 그러나 FRACTA의 예측에서는 일부 주철관에서 생각 이상으로 파손 확률이 높게 나왔다. 정말로 그 관이 쉽게 파손되는지 앞으로의 경과를 주시하고 싶다”(아사고시 고다니 과장).

시는 앞으로 예측 결과를 바탕으로 파손 확률이 높은 관로를 우선해서 교체한다. 파손 확률이 낮고, 법정 내용연수를 초과해도 사용이 가능해 보이는 관은 길게 운용할 생각이다. 향후 40년간, 부설 연수에 근거해서 교체하는 것보다 비용을 약 20~30% 삭감할 수 있을 것으로 전망한다.

아사고시는 예측 결과가 시의 업무 효율도 개선할 것으로 기대하고 있다. 도로의 유지 관리를 담당하는 과와 수도관의 파손 확률 정보를 공유하면, 도로를 임시로 보수할 때, 동시에 관로도 교체할지 확인할 수 있다고 한다.

일본수도협회에 따르면, 전국의 관로 총연장 중 1년간 경신한 비율을 나타내는 ‘교체율’은 18년도 실적에서 0.68%. 현재의 페이스라면 모든 관을 교체하는 데 140년 이상 걸린다. 내용연수를 크게 웃도는 숫자다.

앞으로는 인구 감소로 수도요금 수입이 줄어드는 지방자치단체 중심으로 수도시설의 유지관리가 어려워진다. “열화 예측이나 중요한 시설로 연결되는 관로 등을 고려해 교체 계획을 세울 필요가 있다”(FRACTA 일본법인의 히구치(樋口) 대표).

Part 5. 시계의 ‘벽’을 뛰어넘는 드론
상공 300m의 무선 중계로 시계 외 비행

나라현 도쓰카와무라에서 21년 3월, 국토교통성이 방재 목적으로 전국 최초 드론의 시계 외 비행을 실시했다. 전파가 지형적으로 차단되기 때문에 다른 드론을 상공 300m에 띄워 무선 중계했다. 시계 외 비행이 가능해지면 산악지대 등에서 드론의 활용 범위가 크게 넓어진다.

산악지대 등 사람이 접근하기 어려운 곳의 광범위한 조사에서 드론은 큰 위력을 발휘한다. 그러나 거기서 방해가 되는 것이 시계의 ‘벽’이다. 조종사가 볼 수 없는 곳까지 띄우는 시계 외 비행은 심사가 매우 까다로워 허가를 받기가 어렵다.

그 허들을 뛰어넘어 붕괴 사면 조사에서 시계 외 비행을 완수한 곳은, 국토 교통성의 기이산케이사보사무소와 대규모토사재해대책기술센터다. 2곳은 21년 3월 23일 나라현 도쓰카와무라에서 실증실험을 실시했다. 지금까지 민간에 의한 물류 목적의 시계 외 비행은 있지만 방재 및 인프라 관리를 위한 비행은 전국 최초다.

드론 비행은 장소나 시계의 상태 등에 따라 레벨이 4단계로 나뉜다. 이번 비행은 무인지대를 시계 외에서 자율 비행시키는 3단계다.

드론으로 조사한 곳은, 11년의 태풍으로 대규모 심층 붕괴가 발생해 하천 흐름이 막힌 구리다이라지구다. 지속적인 감시가 필요하지만 대상 범위가 넓기 때문에 시계에서만 날리는 드론으로는 제대로 조사할 수 없었다.

시계 외 비행에서 문제가 된 것이 통신 환경이다. 현장은 험준한 산악지대로 드론이 이착륙하는 강변은 깊은 골짜기에 해당한다. 전파가 산에 가려, 직선거리로 2km가량 떨어진 곳까지 비행하는 드론에 도달하지 못한다. 촬영용과는 별도로 중계용 드론을 한 대 더 준비했다.

실증실험에서는, 중계용 드론을 이착륙 지점의 거의 바로 위 약 300m 높이에서 공중 정지. 촬영용 드론을 약 6km의 루트를 따라 15분간 자율 비행시켜 경사면을 자동 점검했다. 동영상과 정지화면을 동시에 촬영할 수 없기 때문에 같은 루트를 2회 비행. 촬영한 정지화면은 270장에 달한다.

-- 국산 산업용 드론을 채용 --

Part 6. 다가오는 BIM/CIM의 원칙화
2년 후를 전망하며 중소 건설회사 지원

국토교통성이 발주한 모든 설계∙공사에서 BIM(Building Information Modeling)/CIM(Computer Integrated Manufacturing) 모델을 원칙적으로 활용하는 목표 시기까지 앞으로 2년이 남았다. 국토교통성은 3차원 모델 성과물의 작성 요령을 책정해, 21년도부터 대규모 안건의 설계 업무에 적용하고 있다. 1년 늦게 원칙화가 시작되는 공사에서도 필수적인 CIM 대응을 위해 중소 건설회사를 지원하는 움직임도 나오기 시작했다.

Part 7. 인프라 DX 대공세
정부는 잇달아 거점 개설을 통해 보급 도모

국토교통성이 인프라 DX 거점을 잇따라 개설하며 보급을 위해 공세를 펴고 있다. 직원뿐만 아니라 민간기업과 지방장치단체에도 개방해 첨단기술을 체험할 수 있는 장으로 만든다. 고속통신 환경을 정비하고 무인화 시공 등의 기술 개발도 추진할 생각이다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Construction] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.