건설업에서는 고령화에 따른 숙련 작업자의 감소, 타 업종에 비해 낮은 생산성, 높은 노동 재해 발생률이 문제로 지적되고 있다. 인력 절감, 생산성 및 안전성 향상의 문제를 근본적으로 해결하기 위해 차세대 건설 생산 시스템이 요구되고 있으며, 현재 진동롤러, 불도저 및 덤프트럭 등과 같은 건설기계의 자동화가 이루어지고 있다. 또한 건설 분야의 메이커뿐만 아니라 AI, 기계학습 및 VR 등과 같은 새로운 기술을 보유한 회사들이 참여해 다양한 원격화(무인화) 및 자동화 기술의 개발이 진행되고 있다.

 

우리는 2009년부터 건설기계의 자동화 기술을 핵심으로 한 차세대 건설 생산 시스템(A4CSEL®; 쿼드 액셀)의 연구 개발을 진행하고 있다. 해당 시스템의 특징은 시공 상황에 따라 작업 계획을 사람이 담당하고, 시공 중에 정형화된 작업을 자동화 건설기계로 자동 시공하는 것이다(그림 1). 이 시스템에 의해 소수의 작업 감독자가 여러 대의 건설기계를 관리함으로써 건설 시공의 안전성 및 생산성 향상이 기대된다. 더욱이 자동화가 진전된 시공 시스템을 창출하기 위해서는 연구 개발의 과제를 명확히 하고, 과제를 해결하는 기술을 개발해 자동화 시공 시스템의 설계론을 확립할 필요가 있다.

 

 

지금까지 유사한 과제를 해결하고 발전해 온 산업 분야 중 하나는 제조업의 공장 자동화(Factory Automation, 이하 FA)이다. 우리는 FA의 역사(기술 개발 내용 및 그 후의 발전)를 참고로 과제의 추출 및 해결 기술의 개발을 진행할 계획이다.

 

따라서 이 글에서는 자동화 시공 시스템의 설계론을 확립하는 것을 목표로, 자동화 시공 시스템을 다수의 자동화 건설기계를 운용하기 위한 대규모 시스템으로 파악하고 필요한 기능을 생각해 본다. 역할에 따라 필요한 시스템을 분산적으로 구축해 실현할 수 있다는 것을 보여주고, 이러한 시스템의 설계를 System of systems(이하, SoS)의 관점에서 논의한다. 또한 지금까지의 연구 개발 및 시험 적용에서 얻은 지식을 바탕으로 개별 시스템에 대한 설계에 대해 생각한다.

 

이 글의 구성은 다음과 같다. 우선 건설업에 이용되는 원격화(무인화) 시공 시스템 및 자동화 시스템의 역사적 경위와 현재의 ICT 이용에 대해 설명한다. 그리고 A4CSEL을 참고해 자동화 시스템의 실장 상황을 소개한 후, SoS의 개념을 참고해 대상을 추상화한 대규모 분산 시스템에 대한 설계 기법을 생각해 본다. 마지막으로는 시스템의 개별 역할 및 필요한 기능에 대해 개괄적으로 설명한다.

 

건설의 자동화 상황

 

이하에서는 시공의 자동화에 관한 기술 개발의 역사적 경위에 대해 다루면서 원격화(무인화) 시공 및 자동화 시공에서 이용되고 있는 ICT의 이용에 대해 개괄적으로 설명한다.

 

1. 역사적 경위

건설 시공의 원격화·자동화에 관한 기술 개발은 최근에 시작된 것이 아니라 약 60년 전(1967년)부터 실시되어 왔다. 1960년대 무렵에 건설기계의 원격화 개조가 실현됐으며, 1980년대 이후에는 건설기계의 개조에 그치지 않고, 사람이 주로 작업하는 건축 현장에서 로봇의 도입도 빈번히 연구됐으며 또한 건설기계를 자동화 개조한 전용기에 의한 실험 등도 보고되고 있었다. 실용화에 있어서는 재해 현장 등의 원격화(무인화) 시공이나 광산의 채굴 운반용 덤프의 자동화 및 굴착 기계의 원격화에 그치고 있으며, 일반적인 건설기계를 이용한 자동화 시공에서 실용화되어 상품화된 건설기계나 시스템은 거의 없다.

 

2. 원격 조작에 의한 ‘무인화 시공’

일반적으로 ‘무인화 시공’이란 ‘건설기계와 그 주변에 카메라를 탑재하거나 설치하고, 촬영한 영상을 원격 조작실까지 무선 전송(중략)된 영상을 보면서 건설기계를 원격 조작’하는 것을 의미한다. 건설기계의 원격화 자체는 이미 기술 개발이 이루어져 있었는데, 1994년의 운젠(雲仙) 후겐산(화산 분출로 용암이 바다까지 흘러가 큰 재해를 겪은 일본 나가사키현 운젠시의 산)의 복구공사에 적용한 것을 시작으로 다양한 재해 현장의 복구공사에 실용화되어 왔다.

 

원격화 시공에서는 건설기계 조작의 전자화와 영상 및 조작 지시값의 전송에 이용되는 무선기기가 주된 기술 개발이다. 조작이나 작업의 판단은 건설기계를 조작하는 오퍼레이터가 영상을 보고 판단한다. 따라서 지시값에 대한 차체 정보의 센싱이나 무선통신에 의한 피드백이 이루어지는 경우는 드물다. 또한 영상의 전송 지연 발생, 혹은 경사의 인식이나 작업의 반력을 얻기 어려운 등의 요인으로 인해 원격 조작에 의한 시공 작업이 어려워진다.

 

3. ‘자동화 시공’

현재 ‘자동화 시공’이 구체적으로 지칭하는 내용은 각 실시자에 따라 다르며, 공장의 자동화를 FA라고 부르는 것과 같은 일반 명칭도 없다. 따라서 이 글에서는 ‘여러 대의 자동화된 건설기계나 유인 또는 원격 조작 건설기계가 연계해 수행하는 시공’으로 정의한다.

 

원격화 시공과 마찬가지로 재해 대응 등에도 이용되고 있지만, 주로 건설기계 오퍼레이터의 감소나 고령화 대책, 생산성·안전성 개선 향상을 위한 대책으로 이용이 고려되고 있다.

 

지금까지 건설기계 단독의 자동화는 1980년대에 이루어졌으나, 전용 개조된 건설기계에 의한 것이 많아 보급은 되지 않았다. 최근에는 2010년대부터 대형 종합건설사들이 자동화 시공을 위한 기술 개발을 시작하고 있다. 자동화 시공의 연구 개발이 진행되고 있는 요인으로는 아래 항목을 들 수 있다.

 

•유인 탑승의 건설기계 조작의 전자화(바이와이어 기술(주1))

•기계의 위치·자세를 계측하기 위한 GNSS(주2), IMU(주3) 및 카메라 LiDAR(주4) 센서 등의 저가격화

•머신 가이던스(주5) 및 머신 컨트롤(주6)의 보급

•계산기기 및 통신기기의 저가격화

•소프트웨어 개발 환경의 다양화

 

이러한 배경을 바탕으로 처음에는 자동화 시공을 목적으로 하지 않고, 시공 성과의 데이터화나 저숙련 건설기계의 도입을 목적으로 한 ‘정보화 시공’이 추진되어 왔다. 관련해서 2015년 1월에는 일본 코마츠사가 스마트 컨스트럭션을 발표했고, 같은 해 11월에는 일본 국토교통성이 i-Construction 구상을 발표했다. 정보화 시공에 이용되는 건설기계의 보급도 자동화 시공 기술의 연구 개발에 뒷받침이 되어 2024년 4월에는 i-Construction이 ‘2.0’으로 갱신되고 자동화 시공에 대해 언급되고 있다.

 

4. 시공의 자동화

다시 시공을 자동화한다는 것의 의미에 대해 생각해 본다. 확실히 ‘건설기계를 전자화하고 소프트웨어 기술에 의해 자동 제어가 가능해진 자동화 건설기계’는 시공의 자동화를 실현하기 위해 필요한 수단이지만, 이것만으로 자동화 시공을 수행하기에는 불충분하다. 또한 심층학습이나 생성 AI 등과 같은 인공지능 기술의 발전은 주목할 만하지만, 2024년 현재의 시점에서 자동화 기계에 AI 기술을 단순히 도입하더라도 건설기계 오퍼레이터 작업을 대체해 ‘시공을 자동화하는 것’은 불가능하다.

 

지금까지 우리가 현장에서 시공의 자동화를 위해 수행해 온 경험으로부터, 자동화 시공에는 다음의 요건이 필요하다고 생각하고 있다.

 

1. 일정 작업 단위(예를 들어 1일의 시공)를 작성하기 위한 전제로서, 구축물 전체를 시공하기 위한 계획(수개월에서 수년)인 ‘전체 시공 계획’이 있다.

2. 전체 시공 계획에 대응한 건설기계 작업이 정해지고, 수행하는 건설기계의 기종이 할당되어 있다.

3. 건설기계가 수행하는 각 작업에 대해, 각 작업을 실현하는 움직임(이하, 태스크)으로 분류할 수 있다.

4. 태스크를 실현하기 위해 건설기계 조작을 절차화하는 방안이 있다.

5. 태스크에 대응한 건설기계 조작을 자동화할 수 있는 자동화 건설기계가 도입되어 있다.

6. 계획에 따라 자동화 건설기계에 작업의 할당이나 지시를 하는 기능을 가진 시스템이 있다.

7. 건설기계의 상태를 감시하고, 여러 대의 자동화 건설기계가 간섭하는 작업을 자동 조정하는 기능을 가진 시스템이 있다.

 

여기서 요건 1∼4는 ‘시공 및 작업의 표준화’이며, ‘자동화만’을 위해 필요한 내용은 아니다. 그러나 유인 시공이 필요로 하는 것 이상으로, 자동화 건설기계를 이용하는 경우에는 구체적인 표준화된 절차가 필요하다. 요건 5는 일반적인 ‘자동화 시공’의 기능이며, 실제 시공을 수행하기 위해서는 요건 6과 같이 계획의 진행을 관제하는 시스템이나 요건 7과 같이 건설기계의 상태 및 여러 대의 건설기계 간의 움직임을 관리하는 시스템이 필요하다.

 

자동화 시공은 근시안적으로 인력 부족이나 건설기계 오퍼레이터의 고령화 등에 대한 대책으로 인식되기 쉬우나, 위의 요건을 고려한 시점에서 자동화 시공을 바라보면 제조업이 자동화를 통해 생산성이 향상되고 여러 가지 변혁이 이루어진 것처럼 건설업에서도 ‘자동화’ 시공 시스템은 생산성 및 안전성을 향상시키기 위해 시공을 질적으로 변혁하는 수단이 될 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

자동화 시공 시스템과 SoS

 

이하에서는 자동화 시공 시스템의 전체 구성을 추상화하는 것을 시도한다. 추상화에서는 SoS과 같은 개념을 참고로 해서 대규모 시스템의 설계 기법에 대해 생각한다. 여기서 SoS를 가지고 언급하는 동기는 다음 두 가지 관점에서 비롯된다.

 

우선 첫 번째는 건설 시공의 실시 형태에서이다. 생산성은 시공 전체를 통해 파악할 필요가 있다. 한편 일반적으로 건설기계가 수행하는 각 작업은 시공을 수행하는 데 있어 순서나 실행 조건 등의 제약은 있지만, 다른 작업과의 결합도는 느슨하기 때문에 자동화 건설기계나 그들의 움직임을 조정하기 위한 관제·관리 시스템은 독립의 시스템으로 간주할 수 있다.

 

두 번째 관점은 경제적 사업적인 관점에서이다. 2024년 현재 ‘자동화 시공’이 안정된 시장을 가진 사업으로는 실시되지 않고 있다. 사업화를 위해 앞에서 열거한 기능을 실현하는 각 시스템의 구축에서 도입까지 일관되게 단일 조직에서 수행할 것이라고 단정할 수 없으며, 오히려 여러 조직에서 수행할 것으로 예상된다. 따라서 각 시스템의 요건을 충족할 수 있도록 작성하면, 이들을 조합한 전체 시스템의 안정 동작을 보장하는 설계가 중요하다고 생각한다.

 

1. A⁴CSEL의 실행 상황

앞에서 제시한 내용의 실현 방법을 구체적으로 보여주기 위해 여기서는 카지마건설주식회사가 개발한 A⁴CSEL을 하나의 예로 들어 자동화 시공에서 운용하고 있는 시스템의 구성을 나타낸다. 여기서는 실시한 형태로서 보여주는 것을 목적으로 하며, 이 글에서 말한 설계론에 따른 사례가 아니라는 것에 주의하길 바란다.

 

그림 2는 댐 시공에 이용된 자동화 시공 시스템의 개략도이다. 이 시스템은 댐 공사에서 둑 몸이라고 불리는 본체 부분에 대해 성토 작업을 자동 시공하기 위해 불도저, 진동롤러 및 덤프트럭과 같은 3종류의 자동화 건설기계를 이용한 작업을 계획해 관제·관리를 수행하는 시스템이다.

 

 

이 시스템에서는 4종류의 시스템이 연계해 동작하고 있다. 그림 2의 위에서 순서대로 ‘시공 계획 시스템’, ‘시공 관제 시스템’, ‘건설기계 관리 시스템’ 및 각 자동화 건설기계를 움직이는 ‘자동 제어 시스템’이다. 또한 각 시스템의 역할은 이하와 같다.

 

‘시공 계획 시스템’에서는 운반된 토질 재료의 양을 바탕으로 1회당 성토를 수행할 영역의 크기를 정한다. 정해진 영역에 따라 덤프트럭의 운반로와 하역 위치, 그리고 불도저와 진동롤러의 작업 영역이 요구되며, 하나하나의 작업 절차를 간트 차트 등의 계획 데이터로 정리한다. 또한 계획 작성자의 인터페이스가 되는 시스템이기도 하다.

 

‘시공 관제 시스템’은 전체를 통합하는 하나의 시스템으로, 시공 시에 계획 시스템에서 도출된 계획 데이터에 기반해 작업을 진행하기 위해 이용된다. 작업 절차에 따라 자동화 건설기계 간의 연계를 도모한다. 또한 시공 감시자가 작업의 진척 상황 등을 감시하는 인터페이스가 되는 시스템이다.

 

‘건설기계 관리 시스템’은 동일 기종마다 시스템을 준비하고(총 3개), 각 자동화 건설기계의 상태 감시 및 동일 기종의 건설기계 간의 간섭 감시와 정지, 그리고 건설기계 작업의 동작 계획 생성에 이용했다. 시공 관제보다는 건설기계 측에 가까운 시스템으로 운용 시의 모니터링이나 시공 계획 및 자동화 건설기계의 불량 발생 시의 인터페이스가 되는 시스템이다.

 

‘자동 제어 시스템’은 각 자동화 건설기계에 탑재되어 있으며, 건설기계 관리 시스템의 지령에 따라 시공 작업을 자동으로 한다. 또한 주어진 지시에 따른 작업의 실시뿐만 아니라 차체 이상 시나 장애물 감지 시의 정지 및 회피와 같은 일정 정도의 자율적인 동작도 자동으로 하고 있다.

 

그림 2에 기재되어 있지 않지만, 시공 계획의 문제점을 확인하기 위한 해당 자동 제어 시스템을 기반으로 건설기계 시뮬레이터와 건설기계 오퍼레이터가 탑승하거나 혹은 원격 조작으로 시공하고 있는 건설기계와 자동화 건설기계가 간섭 없이 연계해 작업을 수행하기 위한 내비게이션 시스템도 도입되어 있으며, 자동화 시공과 함께 실제 적용을 하고 있다.

 

2. 자동화 시공 시스템의 구조

여기서는 앞에서 말한 시스템 구성에서 그 내부 구조나 시스템 운용 시의 시간적인 이용 형태에 주목해 추상화를 추진하는 것을 생각한다. 그림 2는 자동화 시공 전체의 개요를 일람하고 설명하는 데는 적합하지만, 실제 사용법이나 각 시스템의 역할 분담을 추상화하고 명확화하기 위해서는 각각의 역할에 맞는 도면의 고안이 필요하다. 따라서 자동화 시공 시스템을 4개의 시스템으로 분류한다(그림 3).

 

 

그림 3에서는 전체의 동작을 2개의 단계로 나눠 나타내고 있다. 먼저 사전 단계에서는 시공을 ‘계획’하고 가상화된 건설기계에 의한 시뮬레이션(이하, ‘Sim’)으로 적용 가능성을 검증한다. 다음으로 시공의 실시 단계에서는 시공의 계획 데이터를 바탕으로 시공을 ‘관제’하고, 이에 대응한 작업을 실현하기 위해 자동화 건설기계를 ‘제어’한다.

 

또한 그림 3에서는 직렬적으로 시스템을 나타내고 있는 그림 2와는 달리, 단계가 시간적으로 다른 점과 각 시스템의 결합을 대비해 표현하고 있다. 좌우의 위치 관계로 단계의 시간적인 관계를 나타내고, 화살표의 종류로 시스템 간의 결합 차이를 나타내고 있다. 실선 화살표는 같은 시각으로 연계해 동작하는 관계성을, 점선 화살표는 같은 시각으로 연계하지 않지만 시스템 간에 정보의 공유가 일정 빈도로 이루어지는 관계성을 각각 나타내고 있다.

 

앞에서 자동화 시공 시스템을 도입하는 목적 중 하나로 ‘생산성 향상’을 들었다. 따라서 생산성 관점에서 자동화 시공 시스템의 각 시스템과 PDCA 사이클의 관련에 대해서도 그림 3에 나타내고 있다. 그림 3의 오른쪽에 위치한 ‘계획’과 ‘Sim’은 Plan에 관련된 시스템이며, 한편 왼쪽에 위치한 ‘관제’와 ‘제어’는 Do에 관련된 시스템이면서 동시에 시공 결과의 데이터를 자동으로 수집할 수 있기 때문에 Check에 관련이 있다.

 

PDCA 중에서 남겨진 Action은 시공 결과를 바탕으로 계획이나 시공의 개선을 도모하는 공정이며, 그림 3의 왼쪽 단계의 시공 결과를 오른쪽 단계로 이행하는 과정이다. 현재로서는 시스템화하기 어려운 과정이기 때문에 그림 3에는 구체적인 시스템으로 도식화되어 있지 않다.

 

3. 시스템 설계의 사고방식

앞에서 나타낸 자동화 시공 시스템의 구조에 대해 SoS 관점에서 논의를 하기 위해 해당 시스템의 운용 시 조건이 되는 ‘그림 3의 각 시스템은 사람이 정하는 목적이나 조건 하에서 시스템과 접하는 주변 환경과의 상호작용에 제약을 받는다’는 것에 주목한다. ‘계획’이나 ‘관제’는 계획 작성자나 시공 감시자 등과 같은 휴먼 인터페이스의 제약이 있으며, ‘제어’ 및 그 가상화 시스템인 ‘Sim’에서는 건설기계나 토질 재료 등과의 물리적 제약이 있다.

 

 

그림 3의 각 단계를 SoS의 부분 구조로서 그림 4의 형식으로 표현해 생각한다. 그림 4에 나타낸 ‘시스템’은 프로그램이나 컴퓨터와 같은 정보 기술로 실현되며 내부 구조도 여러 개의 서브시스템으로 구성된다. 또한 ‘시스템’이 동작하는 영역을 사이버 공간으로 하고, 이들의 인터페이스 부분에서 물리적 공간과 접하는 것을 ‘경계 시스템’, 그렇지 않은 것을 ‘중간층 시스템’이라고 각각 부르며, 다음과 같은 성질을 생각할 수 있다.

 

가) 경계 시스템은 사이버 공간과 물리적 공간을 중개하며 설계에서는 물리적 공간의 실체에 제약을 받는다.

나) 사이버 공간 내의 설계는 제약이 적고, 경계 시스템을 접속할 때의 중간층으로서 각각의 제약을 완화할 수 있을 것으로 기대된다.

 

그림 3에 나타낸 각 시스템은 경계 시스템이며, 외부와의 상호작용에 의한 제약을 받는다. 따라서 각 시스템을 연결하는 중간층 시스템으로서 새로운 시스템의 도입을 생각한다. 여기서 도입한 시스템을 자동화 시공 시스템에서는 ‘관리’라고 부른다. 그림 5에서는 그림 3의 중앙에 관리 시스템을 배치한 것을 나타낸다.

 

 

중간층 시스템인 관리 시스템은 주로 관제와 제어를 중개·조정하는 역할을 하며, 동일한 형식으로 계획과 Sim을 중개·조정하는 것도 한다. ‘계획’, ‘관제’, ‘제어’, ‘Sim’ 시스템에서 ‘관리’의 도입에 의한 추상화로, 각각이 대처해야 할 제약에 주력한 설계가 가능해진다.

 

개별 시스템에 관한 고찰

 

이하에서는 그림 5의 관리 시스템을 도입한 자동화 시공 시스템의 각 시스템 설계를 위해 고려해야 할 요건에 대해 생각한다. 또한 시스템 조작자 이미지와 그 역할 및 시스템 구축의 실시자에 대해서도 생각해 본다.

 

1. 계획 시스템

시공 계획은 시공 전체를 정하는 설계 단계와 시공 작업의 실행 단계의 두 가지로 나눌 수 있다. 설계 단계는 FA에서 공장의 제조 라인 설계에 해당되며, 전체 시공 계획을 수립하기 위해 공사 방법이나 시공 영역 설정, 건설기계의 종류·수량, 가설 공사 도로 계획 등의 생산 프로세스 설계를 한다. 현재로서는 이 단계에 대해서는 시스템화가 어렵다. 시공 작업 단계는 각종 작업의 구체적인 계획으로, 계획 기법으로 주어진 생산 프로세스에 대응하는 시공 절차·건설기계 할당 및 공정 최적화의 기능 설계를 들 수 있다.

 

계획 시스템은 두 단계 모두 시공의 전문 기술자가 주된 사용자이며, BIM/CIM(주7)이나 시공 CAD 도면, 그리고 그동안의 경험에서 계획 수립에 필요한 사항을 수집해 시스템에 입력한다. 시스템은 이를 바탕으로 시공 작업의 구분 및 순서를 결정하고, 사용자는 출력된 결과를 시뮬레이션 등을 통해 가시화해 시공 절차의 타당성을 확인한다.

 

기존의 건설기계 오퍼레이터에 의한 유인 작업과는 달리, 자동화 건설기계로 작업할 수 있는 제약이 있기 때문에 시공 작업 단계에 이용하는 시스템을 조작하는 사용자에게는 자동화 건설기계에 관한 지식이 요구된다. 계획 시스템의 사양 작성에는 토목 시공에 관한 지식·경험이 필요하기 때문에 종합건설사나 건설기계 전문 시공회사 등이 담당할 것으로 예상된다.

 

2. 관제 시스템

관제 시스템을 통해 계획 시스템이 출력한 시공 계획을 바탕으로 시공의 진척이나 자동화 건설기계의 상태를 감시할 수 있다. 또한 계획 시와 조건이 다른 경우, 날씨 영향이나 건설기계의 불량 등에 대처도 가능하다. 해당 시스템에 요구되는 사양으로서 소수 인원으로 시스템 감시·관리를 실현하는 것, 매뉴얼화·단순화된 용이한 조작성 외에도 시공 결과에 기반한 품질 관리 정보를 간편하게 획득하는 것 등을 들 수 있다. 원격의 분산 감시·관리 기능을 통해 운용성의 향상도 기대할 수 있다.

 

관제 시스템을 조작하는 사용자로는 시공 실시나 안전 대응에 관해 일정한 교육을 받은 기능자가 예상된다. 사용자는 계획 시스템이 출력한 데이터를 수집해 현장의 상황을 고려한 계획의 타당성을 확인한다. 시공 계획이나 제어 시스템이 실행 가능 상태인 것을 확인한 후, 시공 진척에 따라 지시나 감시용으로 제시된 정보를 기초로 계획의 변경이나 건설기계의 유지보수 등의 조작을 한다. 필요에 따라 시공 실적을 지정 형식으로 출력하고 필요한 서류를 작성한다.

 

해당 시스템의 구축에 있어 앞에서 제시한 기능이나 각종 현장에서 이용할 수 있는 범용성, 시스템 자체의 불량이 시공에 영향을 미치지 않도록 하는 유지보수성 및 정보 보안 대응 등 다양한 기능·비기능 요건을 고려할 필요가 있다. 이를 위해 미래적으로는 시스템 통합에 능숙한 전문가의 참여가 생각된다.

 

3. 제어 시스템

제어 시스템의 역할은 주어진 작업 조건, 탑재된 기체 및 그 제어 성능, 그리고 주변 작업 환경의 계측 결과에 따라 지시 내용을 원하는 정도로 시공하는 것이다. 앞에서 말했듯이 건설기계가 전자화되어 있는 것은 필수 조건이지만, 시공을 수행하기 위해서는 건설기계의 작업을 계획하는 것(이하, 동작 계획)이 필요하다. 동작 계획에 필요한 정보로는 작업 영역·제약 조건·제어 성능 및 환경 계측 정보가 필요하며, 움직임에 따라서는 다른 건설기계의 동작 계획도 필요할 수 있다.

 

동작 계획의 기능을 실장하는 시스템으로는 제어 시스템과 관리 시스템(나중에 설명할 예정)이 생각될 수 있는데, 각각 장단점이 있다. 제어 시스템에 실장하는 경우, 제어 시스템에는 자율성이 요구되며 독립성이 높아진다. 한편 관리 시스템에 실장하는 경우는 제어 시스템에 대한 자율성 요구는 낮아지지만, 제어 시스템의 관리 시스템에 대한 의존도가 높아진다.

 

통신기기의 사양이나 통신 환경도 자율성의 필요성에 영향을 미친다. 제어 시스템은 이동체에 탑재되어 있기 때문에 여기서의 통신 품질은 무선통신이 대상이 된다(다른 시스템 간에는 유선통신이 가능하다). 통신 품질을 충분히 확보할 수 있는 경우는 판단 기능을 클라우드 시스템과 같이 관리 시스템 측에 실장할 수 있다. 통신 품질이 낮은 경우에는 제어 시스템에 대한 자율성 실장을 고려해야 한다.

 

또한 시공을 관제하는 사용자가 직접적으로 제어 시스템을 조작할 필요는 없지만, 제어 시스템이나 자동화 건설기계의 유지보수 등을 지원하기 위한 특별한 인터페이스를 장비하고 있을 것으로 예상된다.

 

해당 시스템을 구축하는 데 있어, 건설기계에 가까운 ‘기체 제어 수준’과 작업에 가까운 ‘동작 계획 수준’으로 나누어 생각한다. 기체 제어 수준에서는 기체 정보의 획득이나 각 조작의 제어를 위해 건설기계의 구조나 내부 회로를 잘 아는 건설기계 관련 시스템 개발자가 유력할 것으로 생각된다. 한편 동작 계획 수준에서는 시공 작업에 대한 건설기계의 동작이나 자율성 부여에 필요한 건설 분야의 숙련된 시스템 개발자의 참여가 예상된다.

 

4. Sim 시스템

Sim 시스템은 자동화 건설기계, 시공 대상 및 환경을 가상화함으로써 계획 시스템에서 수립한 계획이 문제없이 작동하는지를 사전에 검증하는 데 이용된다. 각 시스템은 계획 및 관제에 의해 조작하는 것을 고려하고 있다.

 

가상화할 모든 대상을 단일 조직에서 구축하는 것은 어렵고, 가능하더라도 실제 시공에 비해 개발 공수나 시간이 너무 많이 소요되면 의미가 없다. 따라서 건설 시공에 관련된 다양한 기술 개발의 실시자가 참여할 수 있는 플랫폼을 고려할 필요가 있다. 현재 달 표면에서 건설하는 것을 대상으로 한 시뮬레이션 플랫폼의 검토를 진행하고 있다. 검토 과정에서 각종 시뮬레이터에 대한 접속 사양은 협조적으로 실시하고, 시뮬레이터의 실장에 대해서는 성능이나 기능을 각 개발자가 독립적으로 수행할 수 있도록 하는 것이 필요하다고 생각한다.

 

5. 관리 시스템

관리 시스템은 개념적으로 중간층 시스템으로서 위의 경계 시스템에서 얻은 정보를 해석하고 변환해 각 경계 시스템에 전달한다. 이때 각 경계 시스템이 각각 관련된 제약에만 전념할 수 있도록 의존 방향을 고려해 추상화 인터페이스를 설계할 것을 고려하고 있으며, 이 인터페이스를 통해 시공 현장이나 사용하는 건설기계에 대한 범용성을 실현할 수 있기를 기대하고 있다.

 

관리 시스템의 형태는 하나의 바위와 같은 프로그램으로 동작하는 프로세스가 아니라, 수많은 전문적인 처리를 하는 프로세스 모듈과 이들이 연결된 상호 데이터 통신 시스템(데이터의 전송, 축적 및 관리를 한다)의 형식을 취할 것으로 예상된다. 프로세스 모듈의 한 예로는 앞에서 말한 ‘동작 계획’ 모듈을 생각할 수 있다. 데이터 전송 시스템에는 각종 분산 메시지 시스템의 이용이, 데이터 축적 시스템에는 RDB(주8)나 KVS(주9)의 이용이 예상된다.

 

맺음말

 

이 글에서는 자동화 시공 시스템의 구조에 대해 다수의 시스템이 접속된 대규모 시스템인 SoS의 관점에서 경계 시스템의 제약에 따른 설계와 중간층 시스템으로서 관리 시스템의 역할에 대해 고찰했다. 한편, 자동화 시공 시스템에 관련된 정보 통신 시스템에 대해서는 자동화 시공 시스템의 각 시스템에서 보면 필요한 사양(통신량이나 지연 시간)을 충족하면 되기 때문에 논의하지 않았다(다른 기회가 있다면 소개하고 싶다).

 

우리가 연구 개발하고 있는 시스템은 제조업의 FA를 참고하면서 자동화 시공 시스템의 미래상을 예측하고 있다고 앞에서 언급했는데, 제조업에서도 새로운 도전으로서 ‘스마트 매뉴팩처링’이 시작되고 있다. 또한 분산 시스템에 관한 설계는 지금까지도 많은 논의가 이루어지고 있으며, 이들과의 관계성에 대해서도 앞으로는 해당 시스템의 실용화 추진과 병행해 다양한 관계자와 의견 교환을 진행해 나갈 계획이다.

 

--------------------------------------------------------------------

(주1) 전기적으로 검출한 조작 정보에 기반해 액추에이터를 제어하는 기술.

(주2) Global Navigation Satellite System 위성 측위 시스템의 총칭. GPS(Global Positioning System)는 미국이 운영하고 있는 위성 측위 시스템을 말한다.

(주3) Inertial Measurement Unit 관제 계측 장치. 가속도 및 각속도를 검출하는 센서.

(주4) Light Detection And Ranging 조사한 빛의 반사광을 검출해 조사 방향에 있는 대상물까지의 거리를 계측하는 센서. 3차원 형태의 측정에 이용된다.

(주5) 설계 데이터와 작업기계의 위치 관계를 모니터 등에 표시하는 기능으로 MG(Machine Guidance)로 약칭된다.

(주6) 설계 데이터에 맞춰 작업기계를 자동 제어하는 기능으로 MC(Machine Control)로 약칭된다.

(주7) Building / Construction Information Modeling / Management. 3차원 모델을 도입해 계획·설계의 단계에서부터 시공 및 유지 관리 단계에 걸쳐 관련된 정보를 쉽게 공유하는 것을 목적으로 한다.

(주8) Relational DataBase : 관계형 데이터 모델에 기반한 데이터베이스로, 소정의 대수 연산이나 논리 연산을 이용해 원하는 결과를 도출할 수 있다.

(주9) Key-Value Store : 연상 배열형 데이터 스토리지 구조로, 사전이나 해시 테이블이라고 불리는 데이터 구조로 데이터를 축적한다. RDB와는 다른 방법으로 동작한다.