1.1 연구배경 및 목적

인프라 엔지니어링 산업은 전체 건설 생애주기 동안 과학기술과 지식을 접목하여 고부가가치와 일자리를 창출할 수 있는 산업이지만 건설 인프라 시설의 시공(또는 조립)을 지원하는 분야로 그 중요성이 저평가되어오고 있다. 그러나 인프라 엔지니어링 분야의 실제 부가가치율과 고용유발계수는 각각 63.3 %와 14.13으로 국내 산업에 미치는 효과는 제조업의 3배 이상이다^{(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2020)}. 특히 시공(조립) 이전의 프로젝트 관리․기본설계 등의 전방가치사슬은 비용적인 측면에서 총 사업비의 10 ~ 15 % 미만이지만 전체 토목 인프라 시설의 가격과 품질을 좌우한다. 이처럼 설계·엔지니어링 단계의 기술 경쟁력 확보가 중요하지만 국내 설계·엔지니어링 분야는 체계적으로 기술을 축적하여 기술자들에게 제공하고 공유할 수 있는 방법이 부족하다. 대한건설정책연구원^{(Korea Research Institute for Construction Policy, 2020)}에 따르면 건설업의 노동생산성은 제조업과 비교하여 지속적으로 하락하고 있으며, 선진국 대비 스마트 건설기술 수준은 70 %, 기술격차는 4년으로 조사되었다. 그리고 건설 엔지니어링 분야의 기술수준은 선진국의 70 ~ 80 % 수준^{(Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, 2019)}에 불과하다.

제조업의 경우 제조과정에서 발생하는 문제를 해결하는 알고리즘에 관한 연구뿐만 아니라 제조 공정으로부터 데이터를 활용해 지속적인 분석을 수행할 수 있도록 하는 데이터 분석 플랫폼 관련 연구가 진행되고 있으며, 플랜트 분야의 경우 설계 자동화 등 기술정보 플랫폼 개발 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 그러나 제조업과 플랜트 분야의 기술정보 플랫폼 연구는 토목 인프라 산업 특성을 적절하게 반영하고 있지 않아 토목 인프라 설계 실무 적용에 한계가 있다. 또한, 인프라 엔지니어링 플랫폼 개발을 위해 인프라 설계에 대한 분류체계가 필요하지만 시공 단계의 작업분류체계가 2000년대 초반에 개발되었고, 2010년대에는 BIM (Building Information Modeling) 설계를 위한 도로 객체분류체계 개발에 관한 연구가 수행되었지만, 설계 단계에서 생산되는 정보와 성과품을 체계적으로 관리할 수 있는 기술이나 인프라 설계의 작업분류체계에 관한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 도로 분야를 중심으로 인프라 엔지니어링 플랫폼 프로토타입을 개발하기 위해 인프라 엔지니어링 플랫폼에 필요한 인프라 설계 공정을 정의하고, 이를 바탕으로 설계 데이터베이스와 설계 도구를 개발하고자 한다.

1.2 연구 방법

인프라 엔지니어링 플랫폼 개발을 위하여 필요한 기능을 설계 공정 관리, 설계 도구, 설계 데이터베이스와 기타 지원 도구로 정의하고 엔지니어링사의 기간계 시스템과 연계될 수 있도록 인프라 엔지니어링 플랫폼의 프레임워크를 개발하고자 한다. 이때, 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 제공해야 하는 설계 공정 관리 기능을 토목 인프라 시설을 상하수도, 수자원, 도로 및 공항, 철도, 항만으로 구분하고 도로 설계 공정 조사 결과를 바탕으로 도로 설계 업무 작업분류체계(WBS, Work Breakdown Structure)를 제안하고, 설계 성과품을 공정별로 관리할 수 있도록 설계 데이터베이스 구축 방안을 개발하고자 한다. 그리고 제안된 도로 설계 업무 작업분류체계를 기반으로 하여 도로 구조물 설계에 필요한 설계 도구를 조사하고, 순차적으로 개발하고자 한다. 개발된 인프라 엔지니어링 플랫폼 프로토타입은 실무 설계 엔지니어를 대상으로 시험 운영하고, 엔지니어의 요구사항을 조사하여 추가 개발 방향에 대해서 수립하고자 한다.

2.1 설계 플랫폼 관련 기술 및 정보 DB 인프라

제조업의 경우 제조과정에서 발생하는 문제를 해결하는 알고리즘에 관한 연구뿐만 아니라 제조 공정으로부터 데이터를 활용해 지속적인 분석을 수행할 수 있도록 하는 데이터 분석 플랫폼 관련 연구가 진행되고 있으며^{(Seo et al., 2019)}, 해외 건설 엔지니어링사는 컴퓨터와 정보통신 기술을 이용하여 기업의 모든 유/무형 지적 재산을 사업관리시스템을 통해 구축하고 공유하고 있다. 해외 건설 엔지니어링사에서 개발되고 있는 사업관리시스템은 엔지니어링 단계부터 건설, 자재 공급, 프로젝트 컨트롤, 계약, 조달 업무를 통합적으로 수행할 수 있지만, 건설 업무 프로세스 관리 측면에서는 기능적인 보완이 필요한 것으로 보고되었다^{(PMPGM and University of Seoul, 2017)}. 국내 건설사의 경우 H-PMIS(H건설), U-현장관리시스템(S물산), DSC(D건설) 등 자체 PMIS를 구축하여 사용하고 있다. D건설은 2016년부터 DSC (Daewoo Smart Construction) 개발을 시작하여 2019년에 국내 3개 고속도로 현장에 DSC를 적용하였다^{(Dawoo Engineering and Construction, 2019)}.

국내 주요발주처의 정보시스템 운영 현황을 살펴보면, 한국도로공사는 고속도로의 건설 및 엔지니어링을 관리하는 건설사업관리시스템을 운영 중이며 한국도로공사의 건설사업관리시스템은 Hi-설계, Hi-설계(CITIS), Hi-건설, Hi-건설(CITIS)의 4개 시스템으로 구성되어 있다. 국가철도공단은 협렵사용 사업관리시스템(CPMS, Contract Project Management System)과 공단 사용자를 위한 종합사업관리시스템을 운영하고 있다. 그리고 한국수자원공사는 건설사업관리시스템(CMS․CITIS)을 통해 사업 계획부터 종료까지 사업수행 전 과정에 걸쳐 감독원과 수급사 간의 문서교환, 정보 공유 등에 활용하고 있다^{(Ok and Kim, 2013)}. 국내 인프라 엔지니어링사의 경우 설계 플랫폼 관련 개발 사례는 조사되지 않았으며 상세설계나 설계 공정 관리를 위해 인프라 엔지니어링사가 적용할 수 있는 상용 PMIS (Project Management Information System) 제품은 Table 1과 같다^{(PMPGM and University of Seoul, 2017)}. Table 1의 상용 PMIS 제품은 설계사나 시공사의 프로젝트 수행을 위한 문서공유와 간편한 건설공정관리표 등을 제공하지만 대부분 프로젝트 준공과 동시에 사용을 중지하는 것이 일반적이기 때문에 기업의 지적 재산의 지속적인 축적에 어려움이 있다.

2.2 건설정보분류체계

인프라 엔지니어링 플랫폼의 설계 공정 관리 기술을 개발하기 위하여 건설정보분류체계(construction information classification system)를 조사하였으며 건설정보분류체계는 건설분야에서 발생하는 모든 관련 정보 항목들을 분류목적에 따라 체계적으로 분류할 수 있는 고유코드를 의미한다^{(Kang, 2001)}. 현재 국내에서 개발된 건설정보분류체계는 도로 및 하천을 중심으로 개발되었으며 Fig. 1과 같이 인프라 구조물을 공간, 건설 결과, 건설 자원, 건설 절차 등을 토대로 정보분류체계를 규정하고 있으며^{(Nam and Kim, 2018)}, 국토교통부는 전자설계도서 작성·납품지침-도로·하천분야^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)}에서 도로 분야에 대해서 Fig. 1처럼 작업분류체계를 제공하고 있다.

Fig. 1. Work Breakdown Structure (WBS) Diagram for Road Sectors

^{Lee et al.(1995; 2002)}은 ISO체계 및 Uniclass체계와 호환할 수 있도록 Fig. 2와 같이 시설물분류, 공간분류, 부위분류, 공종분류 및 자원분류 등 인력, 자재, 장비 5개 파셋(facet)으로 통합건설정보분류체계를 제안하였다. ^{Lee et al.(1995; 2002)}은 건설 정보 분류에 있어서 시공 관점의 합성원칙과 설계관점의 분석 원칙이 합쳐진 분석합성의 원칙을 적용하였으며 Table 2와 같이 시설물을 계획하고 설계하는 관점에서 분해하면 시설물이라는 것은 각종 공간의 합이며 이러한 공간은 여러 가지의 부위로 분해가 될 수 있다고 보았다. 또한, 각각의 부위를 형성하기 위하여 여러 가지 자원이 투입되어 나타나는 공종을 분해하는 분석 원칙이 적용된다^{(Nam and Kim, 2018)}.

Fig. 2. Concept of the Integrated Construction Information Classification System

3.1 인프라 엔지니어링 플랫폼 시스템 구성

인프라 엔지니어링 플랫폼 개발을 위해 필요한 시스템 구성과 기능을 Fig. 3과 Table 3에 나타내었다. Fig. 3과 Table 3을 살펴보면 인프라 엔지니어링 플랫폼은 설계 과정에서 발생하는 관련 기술과 설계보고서, 각종 세부 계산서, 설계도서뿐만 아니라 프로젝트 관련 재정정보, 공사비용, 공사 기간, 관련법과 제도, 설계 또는 시공과정에서 발생할 수 있는 리스크를 설계 공정에 따라 정보화할 수 있다. 또한, 설계 엔지니어는 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 토목 인프라 설계를 위해 필요한 소프트웨어(설계 도구)를 웹 기반으로 사용할 수 있다. 데이터베이스에 저장된 정보들은 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 AI (Artificial Intelligence) 기술을 활용하여 평가되고, 인프라 엔지니어링 플랫폼은 설계 정보에 대한 평가 결과를 기반으로 하여 엔지니어의 설계 의사 결정을 지원하게 된다. 공정별 설계 과정에서 발생하는 이슈들은 프로젝트 기반으로 관리하고 다른 설계 프로젝트에서도 활용할 수 있으며, 외부 전문가 또는 발주처의 엔지니어도 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 도구, 설계 정보 및 관련 이슈 사항을 공유하고 정보를 교환할 수 있다.

Fig. 3. Infrastructure Engineering Platform System

3.2 도로분야 설계 작업 분류체계 개발

인프라 엔지니어링 플랫폼의 설계 공정 관리 기능을 개발하기 위하여 국내 건설정보관리체계와 ISO 분류체계를 조사하였으며, 도로 공사에 대한 작업분류인 시설물, 공간, 부위, 공종, 자원 파셋을 설계 공정에 적용하기 힘들어 설계 업무에 대한 파셋 구조와 작업 분류체계를 Fig. 4와 같이 작성하였다. 설계 작업 분류체계의 파셋 구조는 엔지니어링사의 사업 모델(Level 1), 설계 분야(Level 2)와 설계 구조물(Level 3)을 작업 분류체계의 상위 파셋으로 하고 있다. 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 공정 관리 기능은 설계 단계(Level 4), 설계 공정(Level 5) 및 단위설계(Level 6)를 중심으로 개발하였으며 설계 작업 분류체계를 통해 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 엔지니어는 설계 프로젝트를 생성하고 프로젝트 계약, 설계 및 준공과 같은 설계 절차와 관련 자료를 관리할 수 있다. 특히 인프라 구조물 설계시 설계 단계(계획 단계, 기본설계, 실시설계와 기본 및 실시설계)별로 설계 공정과 설계 수준이 상이하므로 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 동일 공정으로 획일화하여 관리할 수 없기 때문에 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 단계를 구분하여 공정관리 할 수 있도록 하였다. Fig. 4는 도로 구조물(Level 3)의 기본 및 실시설계 공정(Level 4)를 Level 6의 사전 조사와 최적 노선 선정 공정을 중심으로 나타낸 것이며, 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 작업 분류체계에 부여된 고유 코드를 사용하여 여러 설계 공정을 조합하고 새로운 설계 공정을 생성할 수 있다.

Fig. 4. Design Breakdown System of a Road Design Field

3.3 플랫폼 데이터베이스 설계

인프라 설계 프로젝트의 설계 공정 및 관련 정보는 토목 인프라 시설 또는 구조물과 설계 단계별 특성이 반영된 데이터베이스에 저장하고 관계형 데이터베이스(RDB, Relational Database)로 구축하고자 한다. 관계형 데이터베이스 시스템은 데이터 원소들을 재결합시켜 새로운 관계를 만들 수 있으며 설계 데이터 이용에 많은 다양성을 부여할 수 있다^{(Choi and Park, 2021)}. 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 설계 프로젝트는 기간계 시스템의 계약정보를 바탕으로 신규 프로젝트를 생성하고, 프로젝트 특성과 공정을 생성하고 관리할 수 있도록 Table 4와 같이 데이터베이스 스키마(scheme)를 설계하였다. Table 4에서 테이블 명(table name)은 데이터베이스 구축시 데이터의 중복 방지와 유지보수를 위하여 사용되며, Table 4의 필드(field)에서 PK (주요키, Primary Key)와, FK(외래키, Foreign Key)는 관계형 데이터베이스를 개발하기 위해 데이터베이스 스키마 작성과 데이터베이스 구축에 사용된다.

Table 4를 살펴보면 인프라 엔지니어링 플랫폼 저장 정보는 설계 프로젝트 생성, 수행 및 관리로 구분되며, 신규 설계 프로젝트는 프로젝트의 최상위 정보(project master)를 바탕으로 생성되고, 프로젝트를 수행하면서 프로젝트 속성, 설계 공정 및 성과품 등을 관리할 수 있도록 하였다. 프로젝트 속성을 통해 엔지니어가 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 유사 프로젝트나 기존 설계 정보를 효율적으로 검색할 수 있다. 또한, 구조물별 프로젝트 수행 표준화를 위하여 설계 공정의 표준 정보와 설계 수행 지침, 주의사항을 지원할 수 있는 도움말 정보를 저장할 수 있다. 설계 성과품(문서, 스프레드시트 및 도면 등)은 설계 프로젝트 또는 설계 공정을 기준으로 관리할 수 있다.

Fig. 5는 개발된 데이터베이스의 테이블간 관계도(Entity-Relationship Diagram, ERD)를 나타낸 것이다. Fig. 5를 살펴보면 프로젝트 설계 공정(project design process)는 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 관리하고자 하는 설계 프로젝트가 생성된 후 표준 설계 공정(standard design process)으로부터 필요한 설계 공정을 생성할 수 있도록 하였다. 이때 생성된 설계 공정별 가중치를 부여하여 공정 관리가 가능하며 가중치 등을 데이터베이스가 제공하는 기본값을 사용할 수 있지만, 필요에 따라 프로젝트 특성에 부합되는 공정별 가중치를 사용할 수 있다. Table 5는 신규 프로젝트를 생성하기 위한 최상위 정보를 저장하기 위한 데이터베이스 테이블 구조이다.

Fig. 5. Project Management Module ERD for the Infrastructure Engineering Platform

4.1 플랫폼 대시보드 개발

인프라 엔지니어링 플랫폼은 단일 프로젝트가 아니라 여러 프로젝트를 동시에 관리 할 수 있도록 인프라 엔지니어링 플랫폼의 대시보드에서 제공해야 하는 정보를 부서 프로젝트 정보와 부서 수금 및 부서원 현황 정보로 구분하였다. 부서 프로젝트 정보는 엔지니어가 소속된 부서의 모든 프로젝트와 수행하고 있는 프로젝트를 의미하며, 부서 프로젝트는 Fig. 6(a)와 같이 프로젝트명, 발주처 및 수행기간 정보를 제공하며, 도로 설계 엔지니어가 수행하고 있는 프로젝트는 프로젝트 공정률, 승인요청 공정 정보와 프로젝트와 관련된 파일 업로드 현황 및 프로젝트 수행과 관련된 설계 이슈에 대한 기본 정보를 제공할 수 있도록 개발하였다. 부서 수금 및 부서원 현황 정보에서는 Fig. 6(b)와 같이 도로 설계 프로젝트 수주와 수금을 구분하여 금액을 월과 년도로 구분하여 제공할 수 있도록 개발하였으며, 부서원에 대한 정보도 총 인원과 직급별로 구분하여 확인할 수 있도록 하였다.

Fig. 6. Infrastructure Engineering Platform Dashboard

4.2 도로 설계 공정 관리 모듈 개발

인프라 엔지니어링 플랫폼의 설계 공정 관리 모듈은 도로 설계 작업 분류체계를 기반으로 하여 개발하였다. 도로 엔지니어는 설계 공정 관리 모듈을 통해 참여 프로젝트를 조회할 수 있으며, 설계를 수행코자 하는 프로젝트를 선택하면 해당 프로젝트 수행 정보와 세부설계공정을 확인할 수 있다. Fig. 7(a)는 개발된 프로젝트 조회 화면으로 프로젝트 담당업무, 착수일과 준공일, 공정률, 프로젝트 속성, 참여자를 조회하고, 도로 설계 공정 생성과 착수계 작성 업무를 수행할 수 있다. Fig. 7(a)에서 프로젝트를 선택하면 Fig. 7(b)와 같이 선택된 프로젝트의 전체 설계 공정과 공정별 진행 상태를 조회하고, 기간계 시스템에 저장되어 있는 계약과 수금 정보 등도 확인할 수 있다. 만약 엔지니어가 상세 공정을 선택면 공정별 자료 업로드 상황을 확인하거나 공정과 관련된 설계 성과품 또는 관련 자료들을 저장할 수 있으며, 프로젝트 수행을 위해 필요한 유사 프로젝트 성과품을 참조할 수 있다. 또한, 초급 엔지니어의 설계 지원을 위하여 공정별 설계 유의사항이나 설계 방법을 도움말 기능이 개발되었으며, 도움말 내용을 확인하면서 설계를 진행할 수 있다.

Fig. 7. Road Design Project Information Management

4.3 플랫폼 기반의 설계 도구 개발

도로 설계 단계에 엔지니어는 전문 시뮬레이션 소프트웨어(Abaqus, Midas, Ansys, XP-SWMM, SoundPLAN 등), 도면 작성 소프트웨어(CAD, 그래픽 S/W 및 BIM 설계 도구 등)와 문서 작성 소프트웨어를 사용하게 된다. 그러나 도로 설계를 위해 이러한 전문 소프트웨어 이외에도 다양한 엑셀 기반의 설계 도구가 사용되고 있으며, 본 연구를 통하여 조사된 엑셀 기반 설계 도구는 Table 6과 같다. 조사된 설계 도구는 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 순차적으로 개발되고 있으며, Fig. 8은 개발 완료된 웹 기반 인구추정 설계 도구와 공사기간산정 설계 도구이다. 설계 엔지니어는 인프라 엔지니어링 플랫폼의 자동 문서화 기능을 통해 설계 결과를 플랫폼 데이터베이스 저장할 수 있을 뿐만 아니라 엑셀 파일, 문서 파일(hwp, docs) 또는 PDF 파일 형태로 개인 컴퓨터에 내려받아 보고 자료나 보고서 작성 시 활용할 수 있다.

Fig. 8. Developed Road Design Tools in the Infrastructure Engineering Platform

4.4 플랫폼 운용 효과 분석

개발된 프로토타입의 인프라 엔지니어링 플랫폼에 대하여 D엔지이어링사 소속 엔지니어를 대상으로 사용자 검증연구를 수행하였으며, 77건의 사용자 의견이 조사되었다. 조사된 사용자 의견은 Table 7과 같이 카테고리별로 분류하여 정리하였다. 사용자 의견은 인프라 설계(기술), 플랫폼 개발, 플랫폼 운영과 기타 의견으로 구분하였으며, 인프라 설계에 대한 의견이 35개로 45 %를 차지하였다. 인프라 설계에 대한 의견 중 설계 데이터에 대한 의견은 설계 공정별 성과품인 관련 데이터 파일, 문서 파일과 CAD 도면 등을 플랫폼에서 쉽게 관리할 수 있도록 기능 개선이 필요하다는 의견이 많았다. 설계 데이터베이스에 대한 의견은 인프라 엔지니어링 플랫폼에 단순히 데이터 구축만 하는 것이 아니라 구축되는 문서, 도면 데이터를 인프라 엔지니어링 플랫폼에서 활용할 수 있는 전략이 필요하고, 이를 바탕으로 향후 인프라 엔지니어링 플랫폼 개발에 반영해야 한다는 의견이었다. 인프라 엔지니어링 플랫폼의 운영에 대한 의견은 UI (User Interface), 플랫폼 아키텍처와 기타 의견으로 구분하였으며, 플랫폼 UI의 개선이 필요하다는 의견이 많았다.

플랫폼 운영에 대한 의견은 개발된 인프라 엔지니어링 플랫폼과 기존 설계자원관리시스템인 EDMS와의 차별성이 부족하며, 개발된 플랫폼의 추가 기능과 설계 도구를 설계 엔지니어와 지속적인 협업을 통해 개발해야 하며, 설계 엔지니어가 플랫폼 개발 아이디어 도출을 위해 개발된 기능의 교육이 필요한 것으로 나타났다. 또한, 플랫폼 운영 측면에서 개방성도 중요하지만 중요한 사내(또는 부서) 정보와 성과품, 통계 자료들에 대한 접근(문서 확인 또는 다운로드 등) 권한이 필요하며 자료별 접근 권한은 직급과 프로젝트 참여자를 조합하여 관리해야 한다는 의견 등이 제안되었다. 이상과 같이 인프라 엔지니어링 플랫폼에 대한 사용자 검증 결과 본 연구를 통해 개발되고 있는 플랫폼은 클라우드 기반으로 개발되고, 구조물과 설계 단계별로 설계 공정이 표준화되어 있어 초급 엔지니어의 설계 기술 습득 및 자료 활용 측면에서 활용도가 높은 것으로 나타났다. 그러나 개발된 플랫폼과 기존 설계자원관리시스템과의 차별성이 부족하며, 향후 AI 활용 등 플랫폼에 축적된 자료와 정보를 바탕으로 플랫폼 활용 엔지니어에게 설계 공정별 필요 정보를 제공할 수 있는 기능 개발이 필요한 것으로 나타났다.