1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

다수 및 다종의 건설장비가 건설현장에 투입되어 작업을 진행하는 대규모 토공사에서는 최적의 토공계획과 효과적인 건설장비의 운영이 매우 중요하며, 공사에 참여하는 작업자들간 실시간 정보교환은 토공의 생산성 향상을 위한 필수적인 요소이다. 현행의 토공작업은 세부적인 토공계획 및 건설장비 운영계획에 의하여 수행되기 보다는 작업자의 직관과 경험에 의존하여 실시되는 경향이 있으며, 효율적인 정보공유가 되지 못함으로 인하여 생산성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 기존의 연구에서 건설장비 플릿관리 시스템(Ahn et al., 2016)을 제안하고 있다. 이 시스템은 최적 토량배분 계획을 수립하고 건설장비의 효율적인 운영을 지원하며 건설장비의 이동경로를 제시하는 기능을 갖고 있다. 하지만 기존에 제시된 플릿관리 시스템을 실제 현장에 적용시키는 경우에 몇 가지 제약을 갖고 있다. 시스템이 단일 모듈로 구성되어 오피스와 각 건설장비에 동시에 설치하여 운영하는 것이 불가능하며, 복수의 모듈로 운영하도록 변경한다고 해도 모듈간 통신기능이 존재하지 않는다. 토량배분 계획의 경우에는 건설장비 이동경로 측면에서는 최적화 되어 있으나 절성토 구역매칭시 성토구역들이 분산되는 경우가 발생하여 다짐작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 좌표계가 통일되지 않아서 계획수립에 사용되는 토공현장 3D맵상에 건설장비의 실시간 위치표시가 표시되지 않았다.

본 연구에서는 기존에 제시된 플릿관리 시스템의 제약사항을 극복하기 위한 방법론을 제시하고 시스템에 적용함으로써 현장적용성을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 플릿관리 시스템에 현실적인 토공작업 프로세스 및 알고리즘과 적정히 분리된 모듈이 반영되게 함으로써 기존의 문제점을 해결하고, 토공작업 생산성의 향상과 현장관리자의 효과적인 의사결정이 가능하도록 하였다.

1.2 연구의 범위 및 방법

연구의 범위는 기존에 개발된 건설장비 플릿관리 시스템의 현장적용성 향상을 위한 방법론의 제공, 개선된 플릿관리 시스템을 위한 하드웨어 및 소프트웨어의 개발, 그리고 성능검증을 위한 현장테스트를 포함한다. 대상공종은 단지토공이며 플릿운영을 위한 건설장비는 굴삭기와 트럭을 대상으로 한정한다. 세부적인 연구범위와 방법은 아래와 같다.

1.2.1 관련 기술동향 분석

토량배분 방법론과 건설장비의 작업경로 수립 관련 연구 및 건설장비 플릿관리 연구에 대한 동향을 파악한다. 토공작업의 주요 프로세스 및 장비운영 관련 정보는 실제현장 데이터의 분석과 전문가 면담을 통하여 파악한다.

1.2.2 플릿관리 시스템 모듈구성 제시

기존에 개발된 플릿관리 시스템의 하드웨어와 소프트웨어 대한 분석을 실시하며 현장 적용성 측면에서의 문제점을 분석한다. 분석된 결과에 따라서 플릿관리 시스템의 모듈을 분리하고 각 모듈별 기능을 제시한다.

1.2.3 건설장비 이동정보를 파악하기 위한 지도좌표계 자동전환 모듈 제시

3D 스캐너를 통하여 취득된 3D 지반모델에 건설장비의 이동경로가 실시간으로 표시될 수 있도록 서로 상이한 지도좌표계를 일치시킬 수 있는 좌표계 자동변환 모듈을 제시한다.

1.2.4 플릿관리 시스템의 개선된 알고리즘 제시

토량계획 수립시 절토 및 성토 구역들이 작업의 연속성을 고려하여 인접하게 위치될 수 있도록 알고리즘을 개선한다. 또한 통과 가능한 구역인지와 상관없이 건설장비들이 절성토 구역의 중심좌표를 기준으로 직선으로 이동하도록 계획되었으나 개선된 시스템에서는 실제 이동이 가능한 구역인지를 고려하여 작업경로를 생성하도록 알고리즘을 개선한다.

1.2.5 플릿관리 시스템의 현장 테스트 실시

개선된 방법론에 근거하여 윈도우 기반 어플리케이션 소프트웨어로 개발하고, 서버모듈은 운영사무실에 모바일모듈은 굴삭기와 트럭에 설치하여 토공사 현장에서 실증 테스트를 실시하여 개선된 건설장비 플릿관리 시스템의 현장적용성을 확인한다.

연구를 수행하기 위한 연구의 방법은 Fig. 1과 같다.

1.3 관련 기술동향 분석

1.3.1 토공작업 및 건설장비 운영 관련 시스템

토공용 건설장비에 적용된 텔레매틱스 프로그램은 대표적으로 EARTHWAVE Technologies사의 “Fleetwatcher”, Catapillar사의 “VisionLink”, Topcon사의 “Sitelink” 등이 있다. 건설장비의 위치추적을 핵심기능으로 하여 장비의 유지관리를 목적으로 주로 운영되어지고 있다. 현장간의 거리가 광범위한 미국의 경우에는 현장의 장비를 보다 효과적으로 관리하기 위한 방안으로 GPS 추적기술을 적용한 플릿관리(Fleet management)가 사용되고 있다. 일본의 오바야시구미사는 부지조성이나 도로 토공부지조성이나 도로 토공 및 토사댐 등의 성토 공사에 있어 고정밀도로 시공관리가 가능한 성토관리 시스템 ‘COMPACT’를 개발하여 건설장비 운영에 사용하고 있다. 일본의 Fujita사는 입체영상, 그래픽과 GPS 데이터에 근거하여 건설장비의 원격조종이 가능한 시스템을 개발하여 현장에 적용하고 있다. Trimble사의 토공자동화 시스템은 그래픽을 이용한 머신 가이던스를 적용한 시스템으로 건설장비들의 위치정보를 GPS 시스템을 이용하여 실시간으로 업데이트 하여 장비 내에 설치된 모니터 상에 CAD 설계정보와 오버랩하여 보여줌으로써 작업자에게 절토위치와 성토위치에 대한 정보를 제공하고 있다. 또한 HMI (Human-Machine Interface)를 이용하면 측량말뚝을 설치하지 않아도 그래픽정보에 기반하여 절성토 구역에 대한 정보를 알 수 있게 되므로 효율적인 토공작업이 가능하다. 아직까지 기존의 시스템들의 경우에는 최적 토량배분 기능과 이것에 근거한 장비의 진로계획과 같은 시공 지원 기능은 개발단계에 있다.

1.3.2 플릿관리 시스템 기술

플릿관리 시스템(Ahn et al., 2016)은 토공계획에 따라 건설장비를 최적으로 운영하기 위한 기능을 제공하는 것으로 실시간으로 주어진 환경과 작업상황에 따라서 작업자의 적절한 의사결정을 지원하기 위해 개발된 것이다. 또한 이 시스템은 인력에 의존하고 있던 측량작업, 신호수에 의한 장비운용, 작업에 필요한 정보교환의 미비 등으로 인한 비효율성을 개선할 수 있도록 기능을 제공하고 있다. 하지만 기존의 시스템은 아직까지 프로토타입 형태의 시스템으로 실제 현장에 적용함에 있어서 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 개선이 필요한 것으로 분석되었다. 기존에 개발된 플릿관리 시스템은 단일 모듈로 설계되었으나, 이후 연구의 진척에 따라 하드웨어 측면에서 서버 모듈과 모바일 모듈로 나누어 개발될 필요가 대두되었으며, 소프트웨어 측면에서도 적용된 알고리즘의 개선이 필요한 것으로 나타났다. Fig. 2는 플릿관리 시스템의 개요도를 나타낸다.

2. 플릿관리 시스템 모듈구성

대규모 토공작업에 투입되는 건설장비의 실시간 가동률을 높이기 위하여 Ahn et al. (2016)은 플릿관리 시스템을 제안하고 있다. 이 시스템은 분산형 구조를 추구하고 있으며 구성은 각종 건설장비들, 장비들을 중재하기 위한 관제센터, 공사관리자와 장비운전자들로 이루어진다. 초기에 개발된 시스템은 관제센터와 각종 건설장비들에 탑재되는 모듈이 하나의 하드웨어로 구현이 되었다. 하지만 실제 현장에 적용하기 위해서는 시스템 구성주체별로 별도로 구분된 하드웨어를 갖추어야만 한다.

본 연구에서는 토공계획 및 장비할당 계획수립과 작업 이행과정의 모니터링, 그리고 각종 데이터 처리를 위한 관제센터는 서버모듈에서 기능을 수행하도록 하였으며, 각 장비레벨에서 처리되어야 하는 업무와 데이터 처리는 모바일 모듈에서 수행하도록 하드웨어를 분할하였다. 그리고 서버모듈과 모바일모듈간의 통신은 LTE (Long Term Evolution)방식이나 무선랜(Wireless Local Area Network)방식을 적용하도록 하였다. 계획, 작업수행 및 모니터링 관점에서 서버 모듈과 모바일 모듈간의 개괄적인 정보흐름 프로세스를 Fig. 3에 언급해놓았다.

2.1 플릿관리 시스템 서버모듈

서버 모듈에서는 토공계획, 장비할당계획, 장비이동경로 생성 등과 같이 계획기능과 실시간으로 이루어지는 작업진행 상황파악 및 장비의 상태를 모니터링하고 통제를 할 수 있는 기능을 수행한다. 토공계획은 작업시작일 전까지의 최신 데이터를 기반으로 매일 1회 수립되며, 장비할당계획은 실시간으로 장비의 상태를 파악한 이후에 전체 장비군의 실시간 투입률을 올릴 수 있도록 필요시 마다 수립되게 된다. 토공계획과 장비할당계획을 바탕으로 굴삭기, 트럭 및 다짐기가 이동을 해야 하는 경로가 생성된다.

단지토공에서 절성토 균형과 이동거리 최소화를 고려한 기존의 토량배분 방법론은 성토구역이 분산되는 경우가 발생하기에 성토작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있었는데 이 부분을 보완한 토량배분 방법론을 적용하였다. 단지내 절성토 작업의 경우에는 실시간 장비할당은 특정 트럭이 계획된 성토구역에서 성토작업을 완료한 시점에서 이루어지며, 단지간 절성토 작업의 경우에는 트럭이 성토를 완료하고 절토구역이 있는 단지로 들어오는 입구에 도착한 시점에서 이루어지도록 하였다. 각 장비별로 작업위치를 실시간으로 제공하고 이러한 정보를 모바일 모듈에서 시각적으로 확인할 수 있도록 하였다.

서버 모듈에서 다음과 같은 정보들이 관리되고 사용된다. 토공계획과 관련된 정보로는 설계정보, 보링정보, 절성토 구역(Work cell) 정보, 절성토 구역매칭(Task package) 정보, Task package (TP) 수행순서 등이 있으며, 장비할당과 관련된 정보로는 장비의 규격 및 생산성 정보, 장비군(Equipment cluster) 형성정보 등이 있다. 그리고 관리와 관련된 정보로는 작업진행 정보와 장비 상태 정보 등이 있다.

2.2 플릿관리 시스템 건설장비용 모바일 모듈

모바일 모듈은 각 건설장비에 부착된 태블릿 PC에 설치되는 것으로 건설장비 운전자들이 효율적으로 작업을 수행하는데 필요한 정보들을 그래픽 유저인터페이스(Graphic user interface)를 통하여 제공한다. 모바일 모듈에서는 장비 고유번호와 규격, 그리고 시간당 작업량 등에 관한 정보를 기본적으로 저장하고 있으며, 계획된 작업에 따라서 서버 모듈에서 모바일 모듈로 전송되는 정보들은 각 장비별로 다르게 제공된다. 굴삭기의 경우에는 해당 장비가 속한 장비군에 대한 정보, 계획된 작업을 위한 구체적인 굴삭위치 정보 및 절토량, 굴착위치별 이동순서 정보 등이 제공되고, 작업진행 중에는 누적 작업량, 이동거리 및 작업시간 등에 관한 정보가 제공된다. 트럭의 경우에는 장비군 정보, 구체적인 절토 적재위치와 성토위치 및 절성토 구역간 이동경로에 관한 정보가 제공되며, 작업 진행 중에는 누적 작업량, 이동거리 및 작업시간에 대한 정보가 제공된다. 그리고 성토가 완료되는 시점에서 전체 장비들의 생산성을 향상 시킬 수 있도록 장비군을 새롭게 형성하도록 요청하는 기능이 제공된다.

모바일 모듈을 사용함으로써 신호수나 측량말뚝의 도움 없이 각 건설장비 운전자들이 어떤 위치에서 어떤 작업을 수행해야 하는지 직관적으로 알 수 있도록 하며, 실시간으로 건설장비의 위치 및 작업상황을 알 수 있도록 지원한다.

3. 플릿관리 시스템 개선

3.1 지도좌표계 자동전환

각 건설장비에서 송신되는 GPS 좌표는 NMEA (The National Marine Electronics Association) 0183 형식 중 GPGGA (Global Positioning System Fix Data) Data 형식으로 송신된다. 이 데이터는 GPS (Global Positioning System) Fix Data로 시간, 위도, 경도, 고도의 정보를 알 수 있다. 수신된 위치데이터를 기준으로 X, Y좌표는 서버에서 시스템에 맞는 위치 좌표로 실시간 변환이 필요하다. 우리나라 TM (Transverse Mercator) 좌표계 원점의 경위도 값은 중부원점 N38, E127이다. TM좌표와 GPS좌표간의 관계를 식으로 나타내면 아래와 같다.

 (1)

여기서, h는 고도를 나타내며 는 각각 북쪽 자오선 방향과 동쪽방향 곡률 반경을 나타낸다. 그리고 는 TM좌표계의 위도와 경도의 상수이다.

 (2)

여기서, 와 e는 각각 지구 타원의 장축과 이심률이다.

GPS경위도와 우리나라 경위도는 사용하는 타원체의 제원이 다르므로 변환이 필요하다. 또, GPS경위도는 최근의 정밀 위성측지기술에 의하여 측정되고 표시되는데 비하여, 과거부터 사용되던 경위도는 삼각망의 정확도에 따라 지역별로 다소의 오차가 포함되어 있으며, 측지측량에 따른 오차와 일본의 측지계로부터 옮겨오는 과정에서 포함된 오차 등이 포함되어 있으므로 좌표변환시 좌표축의 이동, 회전, 축척변경(Translation, Rotation, Scaling)이 필요하다. 한국의 경우 경도에 따라 원점을 결정해야 하기 때문에, 10.405초 가산의 유무를 설정해야 한다. 동경 126도 미만은 서부원점 126~128도는 중부원점 128~130도 동부원점 130도 초과점에 대해서는 동해원점을 위와 같이 설정하여 건설기계의 위치 오차를 최소화 한다.

X는 NMEA Data에서 E, W의 경도값으로 값을 대치하고, Y는 N, S의 위도 값으로 대치한다. 이때 서버에서 수신 받은 좌표는 도, 분, 초의 값으로 Radian의 값으로 변환한 후 TM 좌표를 WGS84 변환한다. 지리좌표계는 위도(φ), 경도(λ), 높이(h)로 구성되는 좌표계로서 타원체상에서의 위치표현에 편리하다. 임의 점 Q의 위도(φ)는 점 Q을 통과하는 타원체의 법선과 적도면이 이루는 각으로 정의하며 적도면을 위도 0°양극쪽으로 진행할수록 북위 90°남위 90°로 접근한다. 경도(λ)는 그리니치 천문대를 통과하는 자오선과 점 R을 통과하는 자오선 사이의 각으로 정의하며 그리니치 자오선으로부터 적도를 따라 동쪽으로 360°까지 표현하거나 서쪽으로 360°까지 표현한다. 그리고 높이 h는 점 Q의 법선을 따라 측정된 타원체로부터 거리를 나타낸다.

지심직각좌표계는 원점을 타원체중심과 일치하도록 하였으며 타원체의 중심으로부터 그리니치 자오선과 적도면이 만나는 점으로 연장선을 그어서 X축으로 정의한다. 또한 X축으로부터 적도면을 따라 동쪽으로 90°위치에 Y축을 정의한다. 타원체의 회전축을 Z축으로 한다. GPS경위도의 변환은 Fig. 4와 같다.

3.2 토량배분 알고리즘 개선

3.2.1 일반사항

일반적으로 시공자의 직관과 경험에 의해서 토공사가 수행되는 경우가 많기 때문에 토공의 생산성이 저하되는 경우가 많이 발생하고 있다. 지금까지 많은 연구자들이 토공계획의 효율성과 정확성을 높이기 위한 연구를 수행하였다. 선토공의 경우에는 유토곡선을 이용한 토량배분 방법(Easa, 1992; Easa, 1993; Easa, 1998)과 블록 이론적 접근방식(Burdett, et al., 2014)을 통해 토공량 산정방식이 제시되고 있으며, 면토공의 경우에는 수송모델을 이용한 토량배분 방법(Baek et al., 2015)이 제시되고 있다. 그리고 WBS (Work Breakdown Structure)와 AON (Activity-on-Node)를 기반으로 네트워크 모델을 자동으로 생성하고 토량이동을 최적화하는 연구(Li et al., 2016)도 진행되었다.

본 연구에서는 토공구획이 설정되면 절토량과 성토량의 균형을 맞추어 공사장내 1차 토량운반이 진행되도록 하였고, 그 균형이 이루어지지 않는 경우에는 토취장 및 사토장 등으로 2차 운반이 진행되도록 하였다. Table 1은 본 연구에서 적용된 토량배분 알고리즘을 수도코드(Pseudo code) 형식으로 표시한 것이다.

위의 알고리즘은 수요가 필요(성토지역)한 구획명과 필요 토량, 총수요량을 제시하여 구획별로 필요 토량을 알 수 있게 한다. 또한 토량이 남는(절토지역) 구획명과 필요 토량, 총 공급량을 제시하여 구획별로 잉여 토량을 알 수 있게 한다. 구획별 필요, 잉여 토량을 구분한 후 절성토 구간의 거리를 고려하여 토량 배분을 Table 2와 같이 실시한다.

3.2.2 알고리즘 개선

3.2.2.1 현장내 작업구역(Working Zone) 분할

현장내의 전체 작업구역은 굴삭기의 수와 동일하게 구분하며 각 작업구역의 크기는 투입된 굴삭기에 의한 작업량을 기준으로 비슷한 시점에서 동시에 작업이 완료될 수 있는 크기로 설정한다. 작업구역은 순수 절토구역(Cut Zone), 순수 성토구역(Fill Zone), 그리고 절성토 혼합구역(Cut and Fill Zone)로 구분된다. 기본적으로 굴삭기는 절토량이 존재하는 구간에만 투입이 되므로 순수 성토구역에는 투입하지 않는다. 따라서 전체 작업구역 분할시 순수 성토구역이 존재하는 경우에는 이곳을 제외하고 나머지 구간만을 굴삭기 수에 일치하게 분할하게 된다.

3.2.2.2 현장내 토량배분 우선순위

작업구역 분할이 완료되면 다음과 같은 순서로 토량배분 계획을 수립하게 된다.

 동일 작업구역내 절성토 배분

 작업구간 사이에 절성토 배분

 현장내 작업구역에서 현장 외부의 사토장 및 토취장 사이의 절성토 배분

Table 3에서 보는 바와같이 Souce에 위치한 절토구역의 특정 절토셀(Cut Cell)에서 Target에 위치한 성토구역의 특정 성토셀(Fill Cell)로 옮겨지는 형태를 8가지로 구분할 수 있다. 절성토량 균형상황에 따라서 하나의 Source에서 다수의 Target으로 이동이 가능하며, 다수의 Source에서 하나의 Target으로의 이동도 가능하다.

3.2.2.3 동일 작업구역내 절성토 배분

기존에 제시된 단지토공을 위한 절성토 배분계획은 절성토량의 균형과 최소 토량이동 거리만을 고려하였기 때문에 굴삭구역에서 굴삭기의 이동경로도 다소 비현실적인 면이 있었고 절성토 구역매칭시 성토구역이 산발적으로 선택되는 경우가 있어서 효과적인 다짐작업을 수행하는데 문제가 있었다. 본 연구에서는 이러한 점을 개선하기 위하여 기존의 토량배분 방법을 개선하였다.

우선 토량배분 계획이 수립되기 전에 굴삭구역내 절토셀은 실제 현장에서 굴삭기가 작업시 이동하는 패턴을 고려하여 작업 수행 일에 대상구역에서 가장 높은 곳에 위치한 절토셀을 최우선적으로 선택하여 절토작업을 시작하며 고저차가 없거나 적으면서 기존 절토셀의 인근에 인접한 절토셀로 이동하도록 하였다. 특정 절토셀과 매칭되어 토량을 이동할 성토셀의 선정은 최소 이동거리, 절성토량, 성토구역 연속성 점수, 그리고 강한 체인(Strong Chain) 및 약한 체인(Weak Chain) 개념을 도입하여 이루어지도록 하였다.

1) 절토셀 리스트 소팅 (Sorting)

기존에는 3D 지형을 굴삭기의 유효 작업반경을 고려한 크기로 분할하여 작업셀들을 형성하였으며 이러한 셀들의 정보를 사람들이 책을 읽을 때의 행태와 같이 도면의 좌측상단에서 우측하단으로 이동하면서 불러들여 와서 저장하였다. 토량배분도 이렇게 저장된 순서대로 계획이 수립되도록 하였다. 하지만 본 연구에서는 현장에서 굴삭기가 작업하는 순서를 고려하여 토량배분 계획이 수립될 수 있도록 절토셀을 소팅한 이후에 토량배분이 계획이 수립되도록 하였다. 절토셀의 소팅방법은 다음과 같다.

Step 1. 3D 도면에서 분할된 절토셀 정보를 Layered-Quad Tree에 저장하고 절토셀 List를 형성한다.

Step 2. 절토셀의 좌표값(X, Y. Z)에서 Z값을 비교하여 큰 값에서 작은 값 순으로 전체 List를 소팅한다.

Step 3. 만약 Step 2에서 동일한 표고값을 갖는 절토셀들이 있다면 그 셀들의 X값을 비교하여 큰 값에서 낮은 값 순으로 부분 List를 소팅한다.

Step 4. 만약 Step 3에서 동일한 X값을 갖는 절토셀들이 있다면 그 셀들의 Y값을 비교하여 큰 값에서 낮은 값 순으로 부분 List를 소팅한다.

Step 5. 소팅이 완료된 절토셀 리스트를 이용하여 순차적으로 토량배분 계획을 위한 Source에 속하는 셀로 저장한다.

2) 성토셀 리스트 소팅

성토셀 리스트도 절토셀 리스트와 마찬가지로 소팅을 통하여 토량배분 우선순위를 정하도록 한다. 성토셀 소팅방법은 다음과 같다.

Step 1. 3D 도면에서 분할된 성토셀 정보를 Layered-Quad Tree에 저장하고 성토셀 List를 형성한다.

Step 2. 성토셀의 좌표값 (X, Y. Z)에서 Z값을 비교하여 작은 값에서 큰 값 순으로 전체 List를 소팅한다.

Step 3. 만약 Step 2에서 동일한 표고값을 갖는 성토셀들이 있다면 그 셀들의 X값을 비교하여 큰 값에서 낮은 값 순으로 부분 List를 소팅한다.

Step 4. 만약 Step 3에서 동일한 X값을 갖는 성토셀들이 있다면 그 셀들의 Y값을 비교하여 큰 값에서 낮은 값 순으로 부분 List를 소팅한다.

Step 5. 소팅이 완료된 성토셀 리스트를 이용하여 순차적으로 토량배분 계획을 위한 Target에 속하는 셀로 저장한다.

3) 성토구역 연속성 점수, 주변셀 연속성 점수 및 연결체인 개념

절성토 구역매칭시 성토구역이 모여 있도록 계획이 수립되어야 효과적이며 연속적인 다짐작업이 가능하다. 특정 절토셀에 매칭되는 성토셀을 찾는 경우에 해당 성토셀이 연속적인 다짐작업이 가능한 상태인지 확인할 필요가 있다. 이러한 사항을 파악하기 위하여 성토구역 연속성 점수라는 개념을 도입하였고 연속성 점수와 주변셀 연속성 점수는 성토셀의 속성정보로 저장되게 된다.

Layered-Quad Tree 자료구조를 이용하면 특정 셀주위의 정보를 쉽게 취득할 수 있다. Fig. 5에서와 같이 성토셀A 주위에 바로 인접하게 위치한 성토셀의 개수에 따라서 0~8점 사이의 연속성 점수를 부여하게 된다. 비교 대상인 성토셀들의 연속성 점수가 동일한 경우에는 추가적으로 주변 성토셀들의 연속성 정도를 파악하도록 하였으며 주변셀 연속성 점수를 기준으로 한다. 주변셀 연속성 점수는 변과 모서리에 바로 인접한 성토셀들의 연속성 점수를 합산한 것으로 0~64 사이의 점수가 가능하다. 그리고 성토셀A의 변에 맞닿은 셀들은 Strong Chain을 가진 것으로 정의하며, 꼭짓점과 맞닿은 셀들은 Weak Chain을 가진 것으로 정의한다.

4) 개선된 절성토 구역매칭 방법

절토셀 및 성토셀 리스트를 소팅한 이후에 다음과 같은 과정으로 절토셀과 성토셀을 매칭시켜 토량배분 계획을 수립하게 된다. 기본적으로 절성토셀 매칭 이후에 절성토량 균형까지 이루어진 셀들의 경우에는 각 리스트에서 삭제되고 토량배분 계획 리스트에 순차적으로 등록되게 된다.

Step 1. 최초 성토셀 선정

‣ 공사관리자 선정 : 현장의 상황에 따라서 특정 위치를 성토셀로 선정한다.

‣ 시스템 자동 선정: 절토셀 리스트의 첫 절토셀에서 이동거리가 가장 가까운 성토셀을 검색하고 동일한 거리에 위치한 성토셀이 다수이면 성토구역 연속성 점수가 높은 셀을 우선 선정한다.

Step 2. 순차적 절성토셀 매칭

‣ 매칭결과 절성토량 균형이 맞은 경우: 절토셀 리스트에서 차순의 절토셀을 선정하고, 바로 이전 이루어진 매칭에서 성토셀의 연결체인을 검토한 이후에 성토셀 리스트에서 성토셀을 선정한다.

‣ 매칭결과 절토량이 많은 경우: 바로 이전 이루어진 매칭에서 성토셀의 연결체인을 검토한 이후에 성토셀 리스트에서 성토셀을 선정하여 매칭에 추가하여 절성토량의 균형을 맞춘다. 절성토량 균형을 위하여 성토셀이 더 필요한 경우에는 같은 방법으로 성토셀을 추가한다.

‣ 매칭결과 성토량이 많은 경우: 절토셀 리스트에서 차순의 절토셀을 선정하여 매칭에 추가하여 절성토량 균형을 맞춘다. 절성토량 균형을 위하여 절토셀이 더 필요한 경우에는 같은 방법으로 절토셀을 추가한다.

성토셀의 연결체인 검토결과 다음과 같이 성토셀을 선정한다.

- Strong Chain이 있는 경우: Strong Chain에 속한 성토셀 중에서 이동거리가 가까운 셀을 선정한다.

- Strong Chain이 없는 경우: 성토셀 리스트에서 현재 선택된 절토셀에서 이동거리가 가깝고, 연속성 점수 및 주변셀 연속성 점수가 큰 성토셀을 선정한다.

Step 3. 절토셀 및 성토셀 리스트 업데이트

절성토셀 매칭과 절성토량 균형이 완료된 셀들은 리스트에서 삭제되고 토량배분 계획 리스트에 매칭된 상태인 작업패키지(Task Package)로 순차적으로 등록된다.

Step 4. 절성토 구역 매칭 종료 및 배분계획 완료

절토셀 또는 성토셀 리스트에 잔여 셀이 존재하지 않으면 동일 작업구역내 절성토 배분계획을 완료한다.

Fig. 6에서와 같이 절토셀 A에서 성토셀을 선정하여 매칭을 하기 위하여 이동거리가 가장 짧은 성토셀을 검색한다. 성토셀 B, C, D가 동일한 거리에 위치하고 있기에 성토구역 연속점수를 비교한다. B의 점수는 0점, C의 점수는2점, 그리고 D의 점수는 2점으로 계산된다. 매칭을 위한 성토셀로는 B는 탈락 시키고 동일한 성토구역 연속성 점수를 갖는 C와 D는 추가적으로 주변셀 연속성 점수를 계산하여 비교한다. C의 주변셀 연속성 점수는 9이며 D의 주변셀 연속성 점수는 4이므로 C를 절토셀 A의 토량배분 대상셀로 매칭을 시킨다. 추가적으로 성토셀을 선정해야 하는 경우에는 매칭된 성토셀 C가 강한 체인을 갖고 있다면 강한 체인에 속한 성토셀 중에서 절토셀에서 가까운 셀(E)을 선정하게 된다.

5) 성토셀 군집점수 산정

토량배분 결과 성토셀이 연속되어 다짐작업의 효율성이 확보되었는지 여부를 확인하기 위하여 성토셀 군집점수라는 개념을 도입하였다. 성토셀 군집점수는 성토셀이 선정될 때 독립적인 성토셀인 경우에는 1점을 부여하고, 바로 이전에 선정된 성토셀의 강한 체인이나 약한 체인이 성토셀로 선정되면 이전 성토셀 점수에 1점을 가산하여 점수를 부여한다. 작업구역내 전체 성토셀 군집점수는 각 성토셀 군집점수를 합산한 것으로 하며, 토량배분 방법들의 비교시 이 점수가 큰 것이 다짐작업이 더 효율적인 것임을 나타낸다.

구체적으로 군집점수 산정방법을 설명하면 Fig. 7에서 보는바와 같다. 우선 하나의 절토셀과 하나의 성토셀이 절성토 균형을 이룬다고 가정한다. 기존에 토량배분 방법에 따르면 A셀과 가장 가까운 J셀이 매칭되고 군집점수 1점이 배당되고, B셀과 가장 가까운 H셀이 매칭되고 바로 이전에 매칭된 셀과는 연결되지 않기에 1점이 배당된다. C셀은 I셀과 매칭되는데 바로 이전에 매칭된 H와는 떨어져 있어서 역시 1점이 배당된다. D셀의 경우에는 G셀과 매칭되고 이 역시 바로 이전 셀인 I와 연결되지 않기에 1점이 배당되고, E셀은 F셀과 매칭되고 바로 이전 셀인 G와는 연결되어 있어서 1점을 가산하여 2점을 배당한다. 결국 기존의 토량배분 방법의 총 성토셀 군집점수는 6점이 된다.

개선된 토량배분 방법에 따르면 우선 A셀과 J셀이 매칭되고 1점을 배당한다. B셀과 I셀이 매칭되고 바로 이전 셀인 J와 연결되어 있어서 1점 가산한 2점을 배당한다. C셀은 H셀과 매칭되고 바로 이전 셀인 I와는 연결되지 않으므로 1점을 배당한다. D셀은 F셀과 매칭되고 바로 이전 성토셀과 연결되므로 1점을 가산한 2점을 부여하며, E셀은 G셀과 매칭되고 바로 이전 셀인 F와 연계되므로 1점을 추가로 가산하여 3점을 배당한다. 따라서 총 성토셀 군집점수는 9점이 되고 이것은 기존의 방법 보다는 성토구역이 좀 더 효율적으로 모여 있게 배분계획이 수립되고 있음을 나타내는 것이다.

3.2.2.4 작업구간 사이에 절성토 배분

작업구역간 토량배분은 Table 3에서 순수 절토구역(Cut Zone)과 절성토 혼합구역(Cut & Fill Zone (+)) 중에서 절성토량 균형을 맞추고 남은 토량이 존재하는 경우에는 순수 성토구역 (Fill Zone)과 절성토 혼합구역(Cut & Fill Zone (-))에 배분계획을 수립한다.

순수 절토구역(Cut Zone)과 절성토 혼합구역(Cut & Fill Zone (+)) 내의 잔여 절토셀들과 순수 성토구역 (Fill Zone)과 절성토 혼합구역(Cut & Fill Zone (-)) 내의 잔여 성토셀들을 상기절에 언급한 소팅방법과 동일하게 수행하여 리스트를 만들고 절성토셀 매칭을 수행하여 토량배분 계획을 수립한다.

3.2.2.5 현장내 작업구역에서 현장 외부의 사토장 및 토취장 사이의 절성토 배분

동일 현장내에서 전체 작업구역간 절성토 균형작업을 완료한 이후에 잔여 토량이 있거나 부족 토량이 발생하면 각각 현장외부의 사토장과 토취장을 매칭시켜 토량배분 계획을 수립한다.

3.3 건설장비 이동경로 개선

기존의 연구에서는 절성토 구역간 최단거리를 단순 계산하여 건설장비의 이동경로를 생성하였다. 하지만 실제 건설장비가 이동할 수 없는 높은 종단경사, 유수지, 시설물 등과 같은 장애물을 고려하지 않아서 실제 현장에 적용하는데 문제점이 있었다. 개선된 시스템은 공사 현장의 출입구, 현장내의 가도나 기존도로등과 같은 건설장비가 이동 가능한 구역과 건설장비가 통과할 수 없는 구역을 고려하여 건설장비의 이동경로가 생성되도록 하였다.

현장지형을 셀(Cell)로 세분화 시키고 셀의 속성으로 건설장비의 통과가능 여부를 판단하는 정보를 부여하였다. 토량배분계획에 따른 건설장비의 이동경로 생성은 단순히 절성토 구간의 직선거리를 연결한 것이 아니라 현장에서 건설장비가 실제로 이동 가능한 경로가 생성되도록 하였다(Fig. 8). 절성토 구역간 최단경로만 고려했을 경우에 S에서 E1의 경로가 가장 짧지만 이동불가 지역을 설정할 경우에는 E2로 이동했을 때의 경로가 현실적인 경로가 된다.

3.4 건설장비 플릿관리 개선

대규모의 건설장비가 투입되는 국내 현장에서는 신호수에 의존하여 건설장비의 조합을 조정하고 있으나 토공현장 전체의 건설장비들의 작업현황을 실시간으로 파악하여 최고의 효율로 건설장비를 운영하는데 한계가 있다. 기존의 연구에서는 별도의 신호수의 도움 없이도 효과적인 건설장비 운용이 가능한 건설장비 플릿관리 시스템(Ahn et al., 2016)이 제안되고 있다. 이 시스템에 따르면 해당 작업일에 수행되어야 하는 작업량과 투입되는 건설장비의 수와 시간당 작업량을 고려하여 건설장비를 군집화 하고 현장의 작업상황에 따라서 초기에 형성된 건설장비의 조합을 실시간으로 변경하는 방법을 제시하고 있다.

본 연구에서는 기존의 플릿관리 시스템 보다 현장상황과 작업상황을 고려하여 건설장비의 조합이 지속적으로 변경될 수 있도록 개선하였다. Table 4에서 보는바와 같이 작업상황과 장비의 잔여 작업량에 따라 새로운 조합을 지속적으로 형성하도록 하였다. 만약 트럭의 이동 중에 조합이 변경되면 작업자에게 혼란을 가중할 수 있기 때문에 새로운 건설장비 플릿의 조합이 형성되는 시점은 트럭운전자가 성토구역에서 할당된 성토작업을 완료하고 트럭에 설치된 모바일 모듈에서 새롭게 플릿구성을 요청할 때로 설정하였다.

4. 플릿관리 시스템 현장실험

4.1 현장실험 대상구역 및 플릿관리 모듈

개발된 플릿관리 시스템의 현장 적용성을 검증하기 위하여 사례연구를 진행하였다. 대상 프로젝트로는 Fig. 9과 같은 대규모 단지계획이 있는 토공사 현장을 선정하였다.

개발된 플릿관리 시스템은 시스템 서버모듈과 건설장비용 모바일 모듈로 구분하였다(Fig. 10). 서버모듈은 토량배분 계획을 수립하고 건설장비 플릿구성에 관련된 정보를 제공한다. 건설장비용 모바일 모듈은 운전자에게 작업경로 및 실시간 건설장비의 위치를 제공하고 작업현황에 관한 정보 및 새로운 건설장비 플릿구성을 요청하는 기능을 제공하게 된다. 현장실험을 통하여 각 모듈이 독립적으로 기능을 하는 것을 확인하였으며, 통신기능을 통하여 모듈간 원활한 정보전달이 가능함을 확인하였다.

4.2 개선된 기능의 적용성 확인

우선 지도좌표계의 자동변화 기능을 검증하기 위하여 노원구 공릉동 소재의 서울과기대 캠퍼스에서 실시한 실증 실험을 실시하였다. 장비의 현위치의 GPS좌표가 TM좌표로 변환됨을 확인하였고, 좌표값의 정확도 확인은 차량 네비게이션의 위치값과 비교하여 일치됨을 확인하였다(Fig. 11). 붉은색 원으로 나타나는 장비의 위치에 대한 좌표값이 화면에 표시된다. 시스템 화면에서 실지형위에 표시되는 위치정보가 오차범위 이내에서 제공될 수 있음을 확인하였다. 이러한 정보에 근거하여 건설장비 운전자는 현장내 보조인력이나 측량말뚝의 도움이 없이도 계획에 따라 절성토 구역을 파악하여 움직일 수 있도록 하였다.

토량배분 계획의 적절성을 확인하기 위하여 ○○산업단지를 대상 구역으로 설정하였다. 토공은 30일간 수행되는 것으로 계획되어 있었으며 그 중에서 처음 1일과 2일에 수행될 토공량을 기준으로 토량배분 계획을 수립하였다. Fig. 12에서 보는바와 같이 서버모듈에서 절성토 구역이 형성되고 토량배분 계획에 따라 건설장비 이동경로가 생성되는 것을 볼 수 있다. 또한 기존 토량배분 방식과는 달리 성토셀이 인접하여 연속되어 배분되도록 하여 다짐작업의 생산성이 올라갈 수 있도록 하였으며, 성토작업의 효율성을 측정하기 위하여 성토셀 군집점수를 비교하였다. 기존 플릿관리 시스템의 방식으로 토량배분 계획을 수립하고 본 논문에서 제시한 방식으로 토량배분 계획을 수립한 이후에 성토셀 군집점수를 비교하였다. 결과(Fig. 13)에 따르면 기존 방식보다 평균 33% 군집성이 개선된 것으로 나타났다. 즉 개선된 방법론을 적용하면 더욱 효율적으로 연속 다짐작업이 가능한 것으로 나타났다.

또한 건설장비의 이동경로 생성시 실제로 이동가능한 경로가 생성되는지 확인하여 보았다. 기존 플릿관리 시스템과는 달리 토량배분에 기반하여 시스템에서 셀 속성을 이동 불가지역(붉은 색)으로 설정하면 건설장비의 작업경로에서 붉은 색 구역은 선정되지 않고 이동 가능한 구역만을 대상으로 이동경로가 생성되는 것을 확인하였다. Fig. 14에서 보는바와 같이 수립된 토량배분 계획에 따라 각 건설장비별로 절토구역의 위치, 성토구역의 위치 및 이동경로가 모바일 모듈 화면에 제시되고 있으며, 개발된 시스템은 운전자가 이러한 정보를 바탕으로 효율적으로 작업을 수행할 수 있도록 환경을 제공하고 있다.

이번 테스트에서는 건설장비에 설치되는 모바일 모듈수가 부족하여 다수 건설장비가 투입되는 환경에서 건설장비 플릿구성이 효율적으로 재구성되는지 여부는 확인할 수 없었다. 시뮬레이션 환경에서는 최적의 장비군을 형성하는 것으로 나타났지만 실제 환경에서는 충분한 하드웨어가 준비되지 못하여 적절한 검증에는 한계가 있었다.

5. 결 론

토공작업시 관리자의 경험 및 직관에만 의존함으로써 생산성을 저하시키는 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다. 그러한 노력의 일환으로 수행된 건설장비 플릿관리 시스템의 개발은 효율적인 토량배분 기능과 작업정보의 실시간 공유기능을 제공함으로써 생산성 향상의 기반을 마련하였다. 기존에 개발된 플릿관리 시스템은 최적화 이론을 접목하여 토공계획을 수립하도록 하였으나 실제 현장에서 작업시 고려되어야 하는 점을 반영하지 못한 문제점과 단일 하드웨어로 구성되어 있어서 현장사무실과 건설장비에 동시에 탑재를 하여 사용하는데 문제가 있었다. 따라서 본 연구에서는 실제 현장에 적용 가능한 시스템으로 개선시키기 위하여 시스템의 하드웨어적인 구성과 소프트웨어의 내용을 개선하였다.

전반적인 토량배분 계획, 건설장비 이동계획 그리고 실시간 건설장비군을 형성하는 기능을 담당하는 서버모듈은 사무실에 설치할 수 있도록 하였으며, 건설장비에 탑재되는 모바일 모듈을 구성하여 각 장비별로 작업에 필요한 정보를 실시간으로 주고받을 수 있도록 하였다. 각 모듈간 통신을 와이파이 또는 LTE망을 이용하여 연결이 될 수 있도록 하였다. 또한 토량배분 과정에 있어서 기존의 알고리즘의 단점인 성토구역의 분산문제를 해결하였으며 현장실험 결과 개선된 알고리즘의 경우에 평균 33% 정도 성토셀들이 군집성이 개선된 것을 나타났다. 또한 현장의 맵과 건설장비의 실시간 위치가 동일한 화면에 나타날 수 있도록 좌표자동전환 기능을 부여함으로써 실시간으로 건설장비가 토량배분 계획에 따라 수립된 이동경로를 따라서 작업을 하고 있는지 확인이 가능하도록 하였다. 개선된 방법론의 효과를 검증해 보기 위하여 실제 토공현장을 대상으로 테스트를 실시하였고 본 연구에서 제시한 개선방안들이 효과가 있는 것으로 나타났다. 실시간 장비군 형성은 다수 및 다종의 건설장비들에 모바일 모듈을 탑재하고 실험을 해 보아야 정확한 결과를 알 수 있으나 제한된 모바일 모듈의 하드웨어로는 적절한 결과를 얻을 수가 없었다.

개선된 플릿관리 시스템은 현실적인 토공계획의 수립과 건설장비에 탑재 가능한 시스템 형태로서 개선이 되어 현장적용성이 높아졌으며, 효율적인 건설장비 운영과 현장관리자의 의사결정에 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 추가 연구에서는 다수의 모바일 모듈을 투입하여 건설장비들이 실시간으로 현장 및 작업정보를 이용하여 최적의 건설장비 플릿을 새롭게 형성할 수 있음을 검증해야 할 것이다.