Case Study Research in Earthwork Site Digitization for Smart Construction

스마트 건설을 위한 토공현장 디지털화 적용성 검증

Abstract

Recently, various efforts have been tried in the construction industry to improve productivity by applying the fourth industrial revolution technology. Among the various technologies, researches for the automation and digitization of earthworks are being carried out steadily. As the interest in the benefits of digitalization of the earthwork field has increased, there have been more cases of technology development and application for digitalization of the earthwork field. However, there is not enough case study to present the analysis results of application cases. The purpose of this study is to verify the feasibility of applying the digitization technology of the earthwork in actual worksite. In order to digitize the worksite terrain, it is required the process of field measurement, measurement data registration, earthwork information input, and analysis cell generation. Particularly, it is possible to achieve information-enabled digitization rather than digitalizing only the shape through the input of the earthwork information and the analysis cell generation. By using the digital information of the earthwork field, it is possible to visually recognize the change of the earthwork field, so that it is expected to enhance the worker 's understanding and to be highly applicable to the management work. It is expected that the digital technology of earthwork site will be able to know the precise amount of volume change of the earthwork numerically, and it will be highly applicable to construction management.

1. 서론

4차 산업혁명기술이 고도화되면서 여러 산업에 걸쳐 영향을 미치고 있다. 하지만, 매킨지 보고서에 의하면, 건설산업은 타 분야에 비해 산업디지털화를 통한 생산성 향상이 낮은 것으로 분석되고 있다[1]. 이는 건설산업이 다른 산업에 비해 산업환경의 디지털화가 쉽지 않기 때문이다. 이런 가운데, 2016년에 World Economy Forum(WEF)은 건설인력의 부족 및 생산성 저하 문제를 해결하기 위한 다양한 미래건설기술을 전망하였다. 특히, 건설산업 생산성 향상을 위해서 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷, AR/VR 등 다양한 4차 산업혁명기술을 사용하여 건설산업을 혁신해야 한다고 이야기하고 있다[2].

국내에서도 4차 산업혁명기술을 활용한 스마트 건설기술의 중요성을 인식하고 관련기술 로드맵을 제시하고 기술개발을 위한 연구기획을 유관부처에서 추진하고 있다. 스마트 건설기술은 도로, 교량, 터널, 공동주택 등 건설산업 전반에 걸쳐 다양한 시섬물에 적용이 가능하며, 그 중 토공사에 대한 스마트화는 90년대 말부터 연구가 시작되었다. 현재는 토공현장 관제[4], 건설장비 작업계획[5-6], 토공작업 지원형 AR/VR[7] 등 다양한 연구가 이루어지고 있다. 토공현장 관제, 작업계획수립, AR/VR 구동을 위해서는 실제지형 및 설계지형이 디지털로 구현 및 연동되어야 하며. 이를 위한 기술들이 꾸준히 개발되고 있다[8-9]. 국외에서도 토공현장 디지털화 기술[10] 및 토공량 산정 기술[11]과 관련한 연구들이 다양하게 수행되고 있다.

토공현장 디지털화를 통한 편익에 대한 관심이 높아지면서 국내 토공전문 건설기업을 중심으로 토공현장 디지털화를 위한 기술개발 및 적용사례가 늘어나고 있으나, 이를 사례분석을 통해 발표하는 사례는 부족한 실정이다. 본 연구는 토공현장 디지털화 기술을 실제 토공현장에 적용하여 실제 현장에서의 기술 활용가능성을 검증하고자 한다.

2. 연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 토공지형 디지털화 과정을 거쳐 생성된 디지털 지형을 통해 건설현장 변화를 살펴보고, 분석셀을 이용하여 절토 및 성토지역을 분석하였다. 토공지형을 디지털화하기 위해서는 현장 계측, 계측데이터 정합, 토공정보 입력, 분석단위 생성의 과정이 요구된다[12]. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 프로세스를 통해 토공현장 디지털화를 구현하였다. 먼저 드론을 이용하여 사진측량을 수행하고, 이를 후처리하여 현재의 토공지형을 포인트 클라우드의 형태로 구현하였다. 현재 작업현장에 대한 포인트 클라우드와 3차원 설계도면을 정합하여 작업이 요구되는 절성토량을 분석하였다. 다음 단계로 건설기계장비의 작업계획(task planning) 도출을 위해 일정한 크기를 가진 육면체 분석셀(analysis cell)을 생성하여 준다. 토공작업에 대한 정확한 계획도출을 위해 분석셀 생성 이전에 토질속성정보를 입력하여 준다.

Fig. 1 Process of earthwork digitization

토공현장 디지털화 기술은 경기도 남양주에서 진행되고 있는 토공현장에 적용하였다. 적용 현장은 460m×370m(약 170,000m²)의 면적으로 산지를 정지하여 공동주택을 건설하기 위한 토공현장이다. 본 연구를 위한 드론계측은 2018년 5월 초부터 8월 말까지 4개월간 진행되었다.

Fig. 2는 5월 초에 촬영한 현장전경으로 토공작업이 전체대비 약 17% 수행된 상태를 보여주고 있다. 현장은 벌개 및 제근작업이 완료된 상태로 10개 가량의 작업지점을 나누어 절성토 작업이 이루어지고 있었으며, 덤프트럭이 이동할 수 있도록 운반로가 갖추어져 있었다.

Fig. 2 Earthwork Site

3. 토공현장 디지털화

토공현장의 디지털화를 위해서 우선 토공작업이 이루어지는 현장을 드론을 이용하여 계측한다. 드론계측을 위해 고도, 이동경로, 사진촬영빈도 등을 자동제어할 수 있는 드론기종을 사용하였다.

드론계측은 4개월간 총 4번(5월 4일, 5월 24일, 6월 5일, 8월 30일)에 걸쳐 이루어졌다. 드론을 이용한 사진측량이 제대로 이루어지도록 고도 50m 정도에서 사진촬영이 종방향 80%, 횡방향 70% 가량 겹칠 수 있도록 자동비행을 설정하여 드론계측을 수행하였다. Fig. 3은 자동비행을 위한 경로 및 사진촬영 지점을 보여주고 있다. 6월부터 일부 지점에서는 토공작업이 마무리되고 공동주택 건설이 시작되면서 타워크레인 설치되었으며, 크레인과의 충돌을 피하기 위해 고도를 100m까지 높여 드론측량을 수행하였다.

Fig. 3 Automatic Flight Path and Photographing Spots

드론계측 이후에는 후처리과정을 통해 촬영된 사진 이미지에서 3차원 포인트 클라우드를 취득한다. 본 연구에서는 드론으로부터 취득한 사진 이미지를 기반 Pix4D 소프트웨어를 사용하여 3차원 포인트 클라우드를 취득하였다.

후처리는 2차례로 나누어 이루어졌다. 1차 후처리에서는 드론을 통해 취득한 사진이미지만을 사용해서 포인트 클라우드를 추출한다. 1차 후처리를 통해 얻은 포인트 클라우드는 낮은 좌표 정확도를 보여준다. 따라서, 2차 후처리를 통해 좌표를 정밀하게 얻게 된다. 1차 후처리한 포인트 클라우드와 지상기준점(Ground Control Point, GCP) 좌표들을 이용해서 2차 후처리를 수행하게 된다. 드론을 통해 취득한 사진이미지 총 390장을 대상으로 후처리를 위해 총 6.5시간 가량이 소요되었다. 분석을 위해, 인텔 i7 3.2ghz CPU, 64gb 메모리, GeForce GTX 960 그래픽카드를 장착한 컴퓨터를 이용하여 사진들을 후처리 하였다.

Fig. 4는 취득한 포인트 클라우드를 통해 형상화된 토공현장의 모습이다. Fig. 4 (a)는 최초로 취득한 포인트 클라우드 이미지이며, (b)는 8월 30일에 취득한 포인트 클라우드 이미지이다. 초기 포인트 클라우드 이미지에서는 토공현장이 전체적으로 완만한 경사를 이루고 있는 반면에, 마지막 포인트 클라우드 이미지는 공동주택이 들어설 위치별로 시공기면이 생겨있는 것을 확인할 수 있다. 3차원 포인트 클라우드 이미지를 히스토리 관리하게 될 경우, 특정시기별로 작업진행사항을 확인하거나, 특정 위치별 변화를 추적관리 할 수 있다. 이는 현장작업자 및 사업관리자가 작업현황에 대해 파악하고 상호간 의사소통(communication)하는데 도움을 줄 것으로 예상된다.

Fig. 4 Point Cloud measured from Earthwork site

포인트 클라우드 형태의 현재 토공지형이 취득되면, 이를 3차원 설계도면과 비교하여, 완료작업량과 잔존작업량(절토량 및 성토량)을 분석할 수 있다.

Fig. 5는 토공현장 포인트 클라우드와 3차원 설계도면을 정합과정을 보여주고 있다. Fig. 5(a)는 후처리한 포인트 클라우드에서 현장 이미지를 제외하고 순수하게 포인트 클라우드만 추출한 데이터이고, (b)는 공동주택 건설을 위해 조성이 필요한 최종 정지면을 보여주는 3차원 설계도면이다. (c)는 포인트 클라우드와 3차원 설계도면을 기준좌표에 맞추어 정합한 상태를 보여주고 있다. 포인트 클라우드를 기준좌표에 맞추기 위해서 드론계측시 현장에 지상기준점(GCP)을 4군데 설치하고 광파기를 이용하여 좌표를 취득해두었다.

Fig. 5 Data Loading of Point Cloud and 3D Design

4. Cell을 이용한 분석

현장을 드론계측하고 이를 후처리하여 포인트 클라우드화하는 과정을 통해 토공현장에 대한 형상을 디지털화하였다. 하지만, 토공현장에 대한 형상만을 디지털화해서는 의미있는 정보를 생성하기 어렵다. 의미있는 정보를 생성하기 위해서는 토질 속성 부여 및 분석셀 생성 등의 디지털정보화 과정이 필요하다.

토공사의 스마트화 기술 가운데 건설장비 작업계획을 도출하기 위해서는 잔존토공량에 대한 정보 뿐만 아니라 토질속성 데이터가 필요하다. 토질속성에 따라, 수축계수(C값)와 팽창계수(L값)가 달라지고, 장비의 이동성이 결정되며, 투입장비 종류가 달라지기 때문이다. 따라서 토질속성의 디지털정보화는 중요한 과정이다.

토질속성 정보는 시추조사 및 토질조사 정보를 이용하여 입력이 가능하다[12]. 시추조사 및 토질조사 정보의 입력을 통해 깊이별 토사종류, 함수상태, 상대밀도, 지하수위 등 다양한 정보를 포인트 클라우드에 저장할 수 있다. 시추조사 및 토질조사 위치별로 입력한 정보를 보르노이(vornoid) 방법을 이용하여 분할된 영역별로 대표되는 토질속성을 영역내 포인트 클라우드에 입력한다. 토질정보 입력이 완료되면 포인트 클라우드는 기존의 좌표데이터, RGB값, 반사값(intensity) 정보 이외에 토질속성 정보를 가지게 된다.

포인트 클라우드의 형태로 된 상태에서는 장비의 위치, 이동경로, 작업범위 등을 설정할 때 선택의 자유도가 매우 높다. 이런 이유로 포인트 클라우드 형태로 토공작업 계획수립에 활용하기에 무리가 있다. 토공계획을 수립 시, 굴삭기의 작업위치 및 작업토공량에 따라 굴삭기의 작업시간이 결정된다. 또한, 덤프트럭의 이동경로에 따라 이동시간이 계산된다. 만약 일정한 분석단위가 주어지지 않고, 포인트 클라우드 상태에서 분석이 이루어진다면, 장비의 위치가 민감하게 결정되며, 작업량을 어떤 단위공간에서 고려해야 할지가 모호해진다. 또한 높은 자유도로 인해 이동경로의 결정도 쉽지않게 된다. 따라서, 효율적으로 작업계획을 수립하기 위해서는 분석에 필요한 최소단위인 분석셀(analysis cell)의 생성이 요구된다.

본 연구에서는 분석셀 생성을 위해 작업현장 포인트 클라우드를 이용하여 가로, 세로, 높이에 대한 길이 가운데 가장 긴 길이를 가진 정육면체를 만들고 이를 옥트리(octree)구조로 분류하여 3차원 형태의 분석셀을 생성하였다. Fig. 6 (a)는 최초 획득한 포인트 클라우드와 설계도면을 중첩한 그림이다. 빨간색으로 보이는 부분이 3차원 설계도면으로, 실제지형보다 높게 성토가 필요한 부분을 나타낸다. Fig. 6 (b)는 작업이 필요한 분석셀을 표시한 그림이다. 빨간색 분석셀은 설계도면보다 실제지형이 높은 곳으로 절토가 필요한 부분을 나타내며, 파란색 분석셀은 설계도면 보다 실제지형이 낮은 곳으로 성토가 필요한 부분을 나타낸다. 포인트 클라우드로 표현할 때보다 절성토가 필요한 구역을 더 쉽게 구분할 수 있다.

Fig. 6 Generation of Analysis Cells

Fig. 7은 드론측량 날짜별로 성토와 절토가 필요한 지점에 대한 변화가 있음을 보여주고 있다. 그림에서 빨간색으로 나타나는 절토구역이 시간이 지남에 따라 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 경우에 따라서는 성토가 필요한 부분이 나타나는 것을 볼 수 있다.

Fig. 7 Variation of Cut and Fill by work progress

Fig. 8을 자세히 살펴보면, 분석셀의 색깔변화뿐만 아니라 분석셀 자체의 증감이 있음을 확인할 수 있다. 이는 토공작업이 진행되면서 설계도면대로 작업이 진행된 지점의 분석셀은 절토 및 성토량이 없어 분석셀이 표시되지 않고, 분석셀이 없던 지점이 설계도면과 다른 지형을 가지게 되면 분석셀이 생성이 되면서 분석셀의 증감이 생긴다. Fig. 8은 같은 작업구역을 보여주고 있어, 작업진척에 따라 분석셀의 증감이 이루어지는 모습을 자세하게 볼 수 있다.

Fig. 8 Variation of Analysis Cells by work progress

Table 1은 작업이 진행되면서 토공현장 전체의 변화하는 성토량 및 절토량을 수치로 보여주고 있다. 절토와 성토가 필요한 작업량이 작업이 진행됨에 따라 줄어드는 것을 볼 수 있다. 전체 작업량(Total Volume)을 살펴보면, 초기물량인 558,817m³와 비교하여 8월 말의 전체 작업량이 50%이상 감소한 것을 볼 수 있다. 또한, Table 1에서 성토량과 비교하여 절토량이 10배 이상 많은 것을 알 수 있다. 이는 공동주택을 건설하기 위해 산비탈을 정지하는 사업의 특성을 잘 보여주고 있다.

Table 1. Volume Variation by work progress

5. 결론

생산성과는 거리가 먼 산업으로 여겨지던 건설산업에서 최근들어 4차 산업혁명기술을 적용한 생산성 향상을 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 토공사에 대한 자동화 및 디지털화를 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 본 연구는 토공 스마트화를 위해 요구되는 토공현장의 디지털화 기술을 실제현장에 적용하여 실제 활용성을 검증하고자 하였다.

토공현장 디지털화를 위해서는 현장계측, 데이터 후처리, 설계도면과의 정합, 토질속성 업데이트, 분석셀 생성 등의 과정이 요구된다. 본 연구에서는 이를 남양주 공동주택 현장에 적용해 보았다. 토공현장 디지털화를 통해 토공현장의 변화과정을 형상 및 정량적인 수치로 확인할 수 있었다. 토공현장 디지털정보를 이용하여 토공현장의 변화를 시각적으로 인지할 수 있어 작업자의 현장 이해를 높이고 사업관리자의 관리업무에 활용성이 높을 것으로 예상된다. 기존 토공량 파악이 덤프트럭 출입 파악을 통해서 이루어져 작업량 파악이 대략적인 수준에서 이루어져 왔다. 이에 반해, 토공현장 디지털기술을 활용하면, 수치적으로 작업토공량의 정확한 변화량을 파악할 수 있어, 사업공정관리 및 기성관리에 활용성이 높을 것으로 기대된다.

본 연구를 통해 토공현장 디지털기술의 현장적용성을 살펴보았으나, 생성된 분석셀의 활용에 있어서 제한적인 적용성만 살펴보았다. 분석셀은 토공현장의 건설장비의 관제 및 작업계획에서 더 높은 활용효용이 있다. 따라서 향후 분석셀을 활용한 건설장비의 관제 및 작업계획에 관한 현장적용성 연구가 필요할 것이다.