전기전자/정보통신

Nikkei Computer_2021.9.16  CASE STUDY (p70~73)

건설현장에 ‘디지털트윈(Digital Twin)’
사람과 기계 등, 빌딩 전체를 가시화

가시마(鹿島)가 IoT를 활용한 건설현장 원격관리 시스템을 개발했다. 건설현장의 기자재와 작업자의 위치 및 몸 상태를 실시간으로 표시하는 것으로, 만성적인 인력 부족을 배경으로 내놓은 생산성 향상을 위한 대책의 일환이다.

“건설현장의 실시간 상황을 직감적으로 파악하기 위한 디지털트윈을 실현한 것으로, 현장을 효율적으로 관리하기 쉽고, 사고 방지에도 도움이 되고 있다”. 가시마의 이번 시스템 개발을 주도한 건축관리본부 건축기술부 기술기획그룹의 아마누마(天沼) 씨는 이렇게 말한다.

가시마가 개발한 디지털트윈은 IoT를 이용한 건설 현장의 원격관리 시스템 ‘3D K-Field’이다. 장비 및 작업자의 위치 데이터나 가동 데이터 등과 건축물의 도면 데이터를 조합해 PC 화면에 표시. 공사 관리자 등이 현지 사무소나 본사·지점에서 현장 구석구석의 상황을 마치 직접 눈으로 보는 것처럼 확인할 수 있다.

그 구조는 이렇다. 건설 현장의 고소작업차나 지게차 등에 각각 소형 비콘을 설치. 현장에서 작업하는 작업자는 비콘이 부착된 헬멧을 쓰거나, 이를 대체할 앱이 설치된 스마트폰을 소지한다. 시스템은 비콘을 통해 5초 간격으로 위치를 측정. 이것을 클라우드 상에 집약하고, 건물의 도면 데이터에 중첩해 위치 정보를 표시한다.

3D K-Field의 가장 큰 특징은 이 PC 화면에 있다. 구체적으로는, 디스플레이 시스템으로 컴퓨터의 3차원 공간 상에서 설계하는 BIM(빌딩·인포메이션·모델링) 시스템을 채택했다. 이 BIM 시스템 안에서 기자재 및 인간 형태의 객체가 애니메이션처럼 움직인다.

3D K-Field는 위치 데이터와 가동 데이터 분석 기능도 갖추고 있다. 예를 들면, 장비의 이동 궤적을 3D 도면 상에 표시하거나, 사람의 체류 상황을 히트 맵으로 나타낸다.

“건설현장의 입체적인 모델을 보면서 지금까지 인지하지 못했던 과제를 발견할 수 있을 것이다. 현장의 관습이나 베테랑 작업자의 노하우도 가시화 해나가고 싶다”(아마누마 씨).

또한 3 DK-Field는 장비나 작업자의 위치 정보 이외에도 다양한 데이터를 수집·축적한다. 예를 들면, 장비에는 비콘 뿐만이 아니라 가동을 감지하는 센서를 설치해 관리한다. 또한 웨어러블 단말기를 사용해 작업자의 심박수나 체온 등의 생체 정보를 수집하거나, 현장에 설치된 카메라 영상을 취득하기도 한다. 현장을 출입하는 공사 차량의 위치 정보도 GPS 단말기를 통해 관리하고 있다.

-- 인력 부족으로 생산성 향상이 급선무 --
가시마는 2019년 2월부터 외부 시스템 개발업체와 3D K-Field 공동 개발에 착수해, 약 반년 만에 베타 버전을 출시했다. 가시마 스마트생산 비전의 시범 현장 검증을 거쳐 올 봄부터 현장 적용을 본격적으로 시작했다. 2024년까지 전국적으로 전개해나갈 계획이다.

가시마가 3D K-Field를 개발한 배경에는 만성적인 인력 부족 문제가 있다.

건설업계에서는 2008년 9월 리먼 쇼크 이후의 경기 침체로 인해 건축 수요가 급감. 지방을 중심으로 많은 건설사들이 문을 닫으면서 인부들의 대량 이직을 초래했다.

이후 경기가 회복되면서 건설 투자는 공공과 민간 모두 증가 추세에 있다. 하지만 건설업에 종사하는 인부들의 감소는 이어지고 있으며, 고령화에도 제동이 걸리지 않고 있다.

이러한 업계의 공통 과제를 해결하기 위해 각 건설업체들은 IT를 활용한 현장의 자동화·성인화(省人化)를 서두르고 있다. 가시마도 예외는 아니다.

2018년 11월에는 건축 생산 프로세스를 변혁해 생산성 향상을 목표로 하는 ‘가시마 스마트생산 비전’을 내걸고, ‘모든 프로세스를 디지털로, ‘관리의 절반은 원격으로’, ‘작업의 절반은 로봇으로’라고 하는 3개의 컨셉트를 공개했다. 3D K-Field는 이러한 컨셉트를 실현하는 기술 중 하나라고 할 수 있다.

3D K-Field의 개발 목적은 3가지가 있다. 첫 번째는 건설 현장 전체를 소수의 인력으로 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 것이다. 현장을 관리하는 일은 통상적으로 시공 계획이나 작업 공정 작성, 재료 발주 등 계획 업무와 현장 내 작업 지시 및 진척 상황 확인, 트러블 대응 등 현장 업무로 나뉜다. 두 업무 모두 주로 건설업체의 신입사원이 맡고 있으며, 사무실과 현장을 하루에도 몇 번씩 오가며 방대한 작업을 하고 있는 실정이다.

“3D K-Field를 통해 현장 업무를 원격으로 실시할 수 있게 된다면, 신입사원은 보다 중요한 계획 업무에 집중할 수 있을 것이다”(아마누마 씨).

두 번째는 기자재를 운용·관리하는 비용 및 수고를 줄이는 것이다. 기자재는 가시마 같은 건설회사가 렌탈업체로부터 빌려 협력업체에 임대하는 것이 일반적이다. 고층건물 등 대규모 건설 현장의 경우, 고소작업차만 수백 대를 대여한다. 3D K-Field를 통해 얻을 수 있는 기자재의 가동 실적을 분석하면 필요한 만큼의 기자재를 빌릴 수 있어 렌탈 비용을 절감할 수 있다.

기자재의 위치 정보를 파악해 작업자가 필요한 기자재를 찾는 시간도 줄일 수 있다. 이 뿐만 아니라 기자재의 분실 방지에도 도움이 될 것으로 가시마는 보고 있다. 기자재 반환은 건물 준공 시에 한꺼번에 이루어지며, 이때 기자재의 분실을 알게 되어 수 천만엔을 변상하는 케이스도 있다고 한다.

세 번째 목적은 공사 차량의 효율적인 운행 관리이다. 건설 현장에서는 여러 가지 조정작업이 발생한다. 예를 들어, 건물의 기초를 만드는 콘크리트 타설 작업에서는 일정 시간 내에 생콘크리트를 틀 안에 넣어야 하기 때문에 콘크리트 펌프카 등이 출입하는 시간을 엄밀하게 관리해야 한다.

공사 관리자 등이 3D K-Field를 통해 공사 차량의 위치 정보와 현장 작업 진척 여부를 파악할 수 있게 되면 보다 정확하고 효율적인 운행 관리가 가능해진다.

-- 위치 측정의 정밀도보다 도입의 용이함을 중시 --
가시마가 실제로 3D K-Field를 개발하면서 고심한 포인트는 두 가지이다. 하나는 실내에서의 측위 방법이다. 비콘이나 센서의 데이터는 건설 중의 빌딩 각층에 20미터 간격으로 배치된 ‘게이트웨이’라고 부르는 무선 중계기를 통해 클라우드로 전송된다.

이 비콘과 게이트웨이 간은 무선통신 기술의 블루투스 저소비전력 버전인 BLE(Bluetooth Low Energy)로 통신한다. 비콘의 위치는 BLE 전파의 강약과 게이트웨이의 위치를 기반으로 3점 측위를 해, 오차 3~5미터의 정밀도로 산출한다.

당초에는 보다 높은 정밀도의 측위 방법도 검토했었다. 애플의 아이폰도 탑재하는 초광대역 무선통신 규격 UWB(Ultra Wide Band)를 이용하는 방법이나, 가속도와 자기, 각속도 등 각종 센서를 활용하는 PDR(Pedestrian Dead Reckoning, 보행자용 상대 측위)이라고 불리는 방법 등이다.

하지만, 이러한 방법은 비콘의 전파를 수신하는 게이트웨이의 설치 장소를 엄밀하게 설계해 정확하게 설치할 필요가 있다. 가시마는 “3DK-Field를 전국적으로 전개하기 위해서는 비콘과 센서, 게이트웨이를 현지 관리자나 작업자가 단시간에 간편하게 설치할 수 있어야 한다”(아마누마 씨)라고 생각해 수 미터의 오차에도 BLE를 채택했다.

동일한 이유로 기자재의 가동 상황 파악도 일부러 간이적인 방법을 채택했다. 예를 들어, 고소작업차의 가동 상황은 단순한 마그네틱 센서를 통해 작업대가 움직였는지 여부만을 감지한다.

-- 전국 전개를 위해 AWS 채택 --
또 다른 포인트는 3D K-Field의 시스템 기반으로 미국 아마존웹서비스(AWS)의 퍼블릭 클라우드를 선정한 점이다. 측위 방법과 마찬가지로, 전국의 건설 현장에 신속하고 저렴하게 전개하는 것에 중점을 두었다.

현장에서 일하는 작업자 수나 기자재의 수는 공사 규모나 공정의 진척 상황에 따라 큰 폭으로 바뀌고, 현장에서 수집해 처리하는 데이터량도 크게 변동한다. 건설 현장의 공사기간은 1년에서 길어야 3년 정도로 비교적 짧다.

가시마는 이러한 도입 환경의 특성을 고려해 AWS측에서 서버를 자동으로 관리하는 서버리스 아키텍처를 도입. 더 나아가 앱과 동작 환경을 통합 관리하는 가상화 기술인 컨테이너를 이용해 데이터 처리량이 급증했을 때 컨테이너 대수와 데이터베이스의 성능을 자동으로 조정하는 장치를 마련했다.

공사 사무소나 본사 지점에서 접속량이 늘어나도 시스템의 반응이 저하되지 않도록 AWS가 제공하는 콘텐츠 전송 네트워크(CDN)인 ‘Cloud Front’도 이용한다.

또한 앱 출시 프로세스를 자동화하는 'AWS Code Pipeline'을 중심으로 빌드 기능인 'AWS Code Build'와 디플로이 기능인 'AWS Code Deploy'를 결합해 고속으로 앱을 프로그래밍, 테스트, 디플로이 할 수 있는 기반 구축. 일반적으로 5일 정도 소요되는 환경 구축 작업을 약 2시간으로 단축했다고 한다.

이처럼 AWS를 곳곳에 활용해 개발하고 있는 3D K-Field. 공사 현장 별 초기 비용은 중간 규모의 건설 현장의 경우 수 백만엔 정도, 운용 코스트는 월 수 십만엔 정도라고 한다. 가시마는 시스템의 멀티테넌시(Multitenancy)도 한층 더 추진해 새로운 코스트 절감을 목표로 하고 있다.

건설 현장의 작업 생산성을 높이기 위해 개발한 3D K-Field의 적용 범위도 점차 확대해나갈 방침이라고 한다. 이미 스마트빌딩이나 스마트시티를 위한 솔루션으로서 사내외 시설에 도입하기 시작하고 있다.

 -- 끝 --

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