숙련된 기술자가 없어도 도로와 토공 건설 현장의 균일한 다짐 시공 품질을 보장하고, 작업 성능 효율성도 극대화시킬 수 있는 ‘지능형 다짐 기술’이 개발돼 화제다.
특히, 기존의 제도적인 문제점들을 보완하기 위해 국내 최초로 스마트건설 관련 국가 기준인 ‘지능형 다짐공 표준시방서’도 선보여 눈길을 끌고 있다.
숙련 기술자 없어도 도로 토공 건설현장서 균일한 ‘다짐 시공 품질’ 가능
롤러 부착 ‘센서 데이터’ 해석 GPS로 측위 데이터 연계 실시간 품질관리
일반적인 도로 건설 현장에서는 아스팔트 포장 작업 전 지지력 강화와 안전성 확보를 위해 지반 기초를 다지는 작업이 이뤄진다. 마지막 단계인 롤러를 활용한 다짐 작업에서는 다짐 정도를 평가하는 추가적인 시험이 시행된다.
하지만, 기존의 전통적인 방식에서는 다짐 공정과 품질검사 공정이 분리돼 작업 효율이 낮은 것으로 알려져 있다.
실제로 현장 일점시험인 평판재하시험과 들밀도시험 결과를 바탕으로 품질검사가 이뤄지기 때문에 전체 현장의 품질을 실시간, 연속적으로 관리하는 데 한계가 있다.
또한, 지반 기초 작업 시 건설장비 운전자의 숙련도에 따라 시공 품질이 크게 좌우된다. 하지만, 최근 여러 요인들로 인해 숙련된 운전자 확보에 어려움이 따르고 있다.
특히, 반복적인 작업으로 인해 작업자가 열악한 환경 속에서 다양한 위험에 노출되는 문제도 해결해야 할 숙제로 남아 있다.
이에 이 연구에서는 이 같은 문제들을 해결할 수 있는 ‘토공 품질관리 자동화 기술’(이하 지능형 다짐 기술)을 개발했다.
이 기술은 롤러를 활용한 다짐 작업 과정을 자동화해 실시간으로 다짐 품질을 관리할 수 있는 기술로, 특히, 공정 간소화를 통한 생산성 향상은 물론 균일한 시공 품질 보장이 가능해 도로와 토공 현장에서 작업 성능 효율을 극대화할 수 있는 기술로 평가받고 있다.
실제로 이 기술은 다짐 롤러에 부착된 센서 데이터를 해석하고, 고정밀 GPS로부터 측정된 측위 데이터와 연계해 실시간으로 품질을 관리할 수 있다.
이와 함께 연구팀은 개발기술의 현장 적용을 위해 품질관리 상세 기준인 ‘지능형 다짐공 표준시방서’도 마련하는 성과를 도출했다.
한편, 이 기술은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래 지난 2020년부터 진행 중인 스마트건설기술개발 국가R&D사업인 ‘도로 실증을 통한 스마트건설 기술개발’(스마트건설사업단) 사업 중 3세부과제인 ‘디지털 기반 도로 건설장비 자동화 기술 개발’ 연구를 통해 선보였다.
스마트건설사업단은 건설사업의 디지털화·자동화를 위한 기술혁신과 스마트 생태계 조성을 비전으로 건설 생산성과 디지털화의 25% 이상 향상, 공사기간과 재해율 25% 저감을 목표로, 4개 중점분야, 12개 세부과제로 구성됐다.
현재 건설현장에서 발생하는 데이터 공유와 서비스 활용을 지원하는 스마트 건설 핵심 플랫폼과 디지털 트윈 기반의 관리 기술 개발 연구에 박차를 가하고 있다.
디지털 기반 도로 건설장비 자동화 기술 개발
최근 4차 산업기술이 전 산업분야로 확장되고 있는 가운데 건설 분야에서도 건설장비의 자동화 추세가 급격히 이뤄지고 있고, 건설장비에 요구되는 기능적 요구사항도 변화하고 있다.
과거에는 전통적으로 기계산업분야인 소재, 부품, 제어시스템 분야의 중요성이 높았다면, 현재와 미래의 스마트건설 시대에는 기계산업분야인 자동제어시스템을 기본으로 건설산업분야인 자동화된 건설장비를 활용하기 위한 작업공간 인식기술, 작업모드, 시나리오 생성 기술의 중요도가 높아지고 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 시공현장의 각종 데이터에 대한 수집, 모니터링, 분석, 예측, 공유를 위한 건설 특화 플랫폼 서비스 또는 솔루션 개발이 필요한 시점이다.
특히, 건설현장의 환경과 인력, 중장비 등에서 생성되는 디지털 데이터를 IoT 기술을 활용, 실시간으로 수집하고, 이를 클라우드 기반의 빅데이터 기술로 정제·분석한 후 현장에 즉시 활용해 건설현장의 생산성을 향상시키는 지능형 IoT 플랫폼의 중요도가 높아질 것으로 예상되고 있다.
이에 이 연구는 ICT 기술과 로봇 기술을 적용한 자동화 건설장비를 활용해 도로 시공을 자동화하는 한편, 자동화 장비와 연동해 품질을 실시간으로 디지털화해 평가·관리할 수 있는 시스템 개발을 목표로 진행되고 있다.
이를 위해 ‘시공 자동화’ 부문에서는 인구 고령화와 숙련자 확보의 어려움을 극복하고 작업측량 공정을 제거해 생산성을 향상시킬 수 있는 건설장비 작업 자동화, 자율주행, 원격제어 기술 등을 개발하고 있다.
‘품질관리 디지털화’ 부문에서는 도로 시공의 작업 연속성을 확보하고 품질관리 데이터 획득, 분석작업의 효율화를 통한 생산성 향상을 위한 국내 건설 환경을 고려한 품질관리 업무의 자동화·최적화 기술 개발 연구를 진행하고 있다.
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공정 간소화로 생산성 크게 향상
토공 품질관리 공정 수준 높아져
한국건설기술연구원 조진우 연구위원은 “자동화된 건설기기를 활용할 경우 일정한 시공의 품질을 보장받을 수 있고, 건설기기에 부착된 센서를 통해 건설노동자의 안전성까지 향상시킬 수 있다”고 말했다.
이어 “특히, 디지털화된 시스템은 공정 간소화를 통한 생산성 향상도 도모할 수 있다”고 강조했다.
이 같은 장점들을 실현하기 위해 연구팀은 ‘지능형 다짐 기술’을 활용하기 위한 장비와 시스템을 개발하고, 실시간으로 다짐 품질을 관리할 수 있는 환경 구축에도 성공했다.
조 박사는 “롤러를 활용한 다짐 작업에서는 다짐 정도를 평가하는 추가적인 시험이 다짐 작업이 완료된 이후에 시행되고 있지만, 이 시험은 비연속적이며 정확도에 대한 의문이 늘 제기되고 있다”고 지적했다.
이어 “반면, 개발한 지능형 다짐 기술은 다짐롤러에 부착된 센서 데이터를 해석하고, 고정밀 GPS로부터 측정된 측위 데이터와 연계해 다짐공정을 자동화·최적화하는 기술”이라며, “이를 통해 전체 토공 품질관리 프로세스의 자동화 공정 수준이 높아졌다”고 평가했다.
토목 기계 IT기술 융합 ‘스마트화’ 실현
실제로 이 기술은 토목과 기계, IT 기술의 융합을 통해 토목 건설 산업의 스마트화를 실현해 도로 건설공사 품질과 생산성 향상에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
이와 함께 연구팀은 실제 개발 기술들의 현장 적용을 위한 제도 마련에도 노력을 기울였다.
조 박사는 “기존의 제도적인 문제들을 해결하기 위해 지능형 다짐 값의 목표 결정방법과 이를 활용한 품질관리 상세 기준인 ‘지능형 다짐공 표준 시방서’를 마련했다”며, “이 시방서는 국내 최초의 스마트건설 관련 국가 기준으로, 건설 자동화 활성화를 위한 마중물 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 조 박사는 스마트건설기술개발사업의 3세부 과제인 ‘디지털 기반 도로 건설장비 자동화 기술 개발’ 연구 책임자로, 최종 목표인 기술이전, 교육, 현장적용 등 생태계 조성을 위해 연구에 박차를 가하고 있다.
그는 “크게 4단계로 구분되는 장비 자동화 기술 개발 연구는 1단계에서는 장비와 센서 등의 하드웨어 구축을, 2단계에서는 현장에서 발생하는 데이터를 송수신·저장·분석할 수 있는 소프트웨어 플랫폼 개발이 필요하다”고 소개했다.
이어 “3단계에서는 개발 기술의 현장 적용을 위한 국가 기준 수립을, 4단계에서는 기술이전, 교육, 현장적용 등의 생태계가 조성돼야 한다”고 밝혔다.
현재 미국과 같은 선도국의 경우 현재 3단계에서 4단계 사이의 개발 수준을 나타내고 있는 반면, 아직 국내에서는 일부 선행 연구들을 통해 1단계 수준인 하드웨어 구축단계에서 2단계 수준인 소프트웨어 플랫폼 구축단계에 진입하고 있는 것으로 알려져 있다.
조 박사는 “따라서 최종 목표인 4단계에게 도달하기 위해 자동화 장비와 관련된 국가 건설기준 제정과 현장 중심의 기술 개발에 적극 나서겠다”고 말했다.
