I. 제목
첨단센서 기반의 대형 건설현장 실시간 시공관리 기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
국가 경제규모의 성장에 발맞추어 건설현장의 대형화, 복합화 되어 가고 있는 추세이나 건설현장의 대규모화에 따른 인력, 자재, 장비 등의 건설 자원에 대한 효율적 관리가 원활하게 이루어지고 있지 않은 실정이다. 본 연구의 목적은 인력, 자재, 장비 등과 같은 주요 건설 자원의 흐름에 관한 정보를 다양한 첨단센서를 활용하여 적시에 파악할 수 있도록 하며, 이를 기반으로 한 효율적 시공관리를 통하여 공기단축, 원가절감, 건설품질 향상, 건설안전 확보 등의 효과를 얻을 수 있도록 하는데 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 최종 목표는 효율적인 건설현장 시공관리를 위하여 현수교와 사장교와 같은 특수 교량을 제외한 교량 및 터널 현장을 대상으로 첨단센서를 활용하여 자재, 인력 및 장비 등의 자원을 대상으로 하는 건설자원 관리기술과 3D 공간모델링 및 영상해석을 통하여 획득한 건설 구조물에 대한 실시간 동적 형상정보를 활용하는 첨단센서 기반의 실시간 통합관리 시스템을 개발하는데 있다. 이를 위하여 1차년도에 요구사항 분석 및 시스템 설계, 2차년도에 시스템 개발, 3차년도에 테스트베드 적용 및 시스템 보완의 연구개발 단계를 거쳐 최종적으로 시스템을 완성하였다. 주요 연구개발 내용 및 범위는 아래와 같다.
1. 실시간 동적 위치 기반 자원관리 기술 개발
■ RFID/USN 기반의 동적 위치 모니터링 및 위치기반 서비스 개발
• 자재관리 및 위치 모니터링을 위한 하드웨어 플랫폼 개발
• RFID를 활용한 자재관리 및 시공 진도관리 (터널, 교량 기초 및 하부공) 기술 개발
• USN을 활용한 시공 진도관리 (교량 상부공) 기술 개발
■ 터널 내부 위치인식을 위한 공간연속 위치인식 시스템 개발
■ 시공현장 장비-인력간 안전사고 예방을 위한 안전관리 시스템 개발
2. 형상정보 획득 및 물량산출 기술 개발
■ BIM 기반의 물량산출 알고리즘 개발
• 공법 및 물량산출 업무분석을 통한 BIM 기반 물량산출 알고리즘 개발
• 공종 코드번호 자동입력 시스템 및 수량산출서 문서자동화 시스템 개발
• 교량 및 터널 대상의 BIM 모델링 가이드라인 개발
• BIM 기반 설계 기법의 신뢰성 분석 수행
■ 3D 기반 형상정보 획득 기술 개발
• 3차원 모델링과 3차원 스캔 데이터를 이용한 시공오차 분석 시스템 구축
• 3D 스캔 데이터의 처리/가공을 위한 대용량/고속 DB 개발
• 이미지 형상 생성을 통한 백태, 누수 등의 특이사항 파악 기능 개발
• 미굴/여굴 등의 시공오차 분석 기능 개발
• 3D 스캔 데이터를 이용한 절리예측 알고리즘 개발
3. 매트릭스 기반 실시간 공정 관리 및 공정시각화 기술 개발
■ 매트릭스 기반 실시간 공정 관리
• 교량 및 터널 WBS/CBS/MBS 분류체계 정립
• 메모리 트리 기반의 분류 구조화 모듈 개발
• 수량/공정/공사비 통합을 위한 프레임워크 구축
• 매트릭스와 DB 연동기술 개발
• 매트릭스 기반의 공정관리 시스템 개발
• 통합시스템과의 공정 실시간 연동 기술 개발
• 매트릭스의 현장 적용 시스템 개발
■ 건설현장 실시간 공정시각화
• BIM 모델링 데이터 호환 모듈 개발
• 멀티 에디터(Multi Editor) 개발
• 스마트 오브젝트 프로토타입 데이터베이스 구축
• GDI+ 기반의 다이나믹 매트릭스 엔진개발
• DirectX 매트릭스 그래픽 시스템 개발
• CPM 툴과의 연계를 위한 시스템 개발
4.건설현장 실시간 통합관리 시스템 개발
■ 대형 건설현장을 위한 실시간 통합관리 시스템 개발
• 통합관리 서버를 위한 미들웨어 개발
• 통합관리 서버 접속을 위한 게이트웨이 개발
• 센서 노드 모니터링 기능 개발
• 실시간 공정보고 기능 개발
• 자재관리 S/W 개발
• 건설자원에 대한 동적 위치모니터링 기능 개발
• 공정관리 시스템 연계 기능 개발
• IFC 기반의 3D 모델 가시화 기능 개발
• IP 카메라 연동 기능 개발
■ 모바일 기기를 이용한 자원 흐름 및 공정 시각화 S/W 개발
• 실시간 점검/통보 기능 개발
• 자재검수 기능 개발
• 통합관리 시스템 연동 기능 개발
5.건설현장 실시간 통합관리 시스템 기반의 터널/교량 시공관리 기술 개발
■ 터널/교량 시공관리 기술 개발
• 터널 및 교량의 시공관리 업무 분석, 항목 선정
• 터널 및 교량의 시공관리 항목별 시공관리 업무 실시간 정보처리를 위한 전략 수립
• 공정시각화 및 실시간 정보처리를 위한 프로그램 구성 및 데이터 활용방안 연구
• 터널 및 교량 시공관리 프로세스 모델 제작
• 3D 객체모델 기반 DB에 필요한 정보 분석 및 연계
• 자료 처리를 위한 핵심요소 분석 및 전략 수립
• 공정정보 처리를 위한 핵심기술 분석
• 실시간 정보분석 모듈 기초설계
• 실시간 정보처리를 위한 입력 정보 체계 분석
• 최적화 알고리즘 적용방안 연구
■ 실시간 공정-원가 통합관리
• 시간-비용 상관관계 분석 모델 연구
• 실시간 데이터와 상관관계 분석 모델 통합
• 원천정보 가공 프로세스 구축
• 실시간 공정-원가 통합관리 방안 설계
• 실시간 공정-원가 통합관리 프로그램 개발
• 건설관리 데이터베이스 프레임워크 제작
■ 실시간 건설현장 형상정보 관리
• 형상정보의 유무선 실시간 전송을 위한 네트워크 구조 설계
• 구조물 형상관리용 미들웨어 구조 설계
• 형상정보 전송을 위한 고신뢰 실시간 전송 프로토콜 개발
• 형상정보의 실시간 전송을 위한 건설현장용 유무선 전송 모듈 H/W 개발
• 형상정보 전송 H/W의 현장 적용 및 실시간 통합관리 서버와의 연동
• 형상정보 전송 네트워크의 성능평가를 통한 최적화
IV. 연구개발 결과
1. 건설자원 관리용 실시간 위치인식 시스템
■ 터널 내부와 같은 대형 실내 공간 실시간 위치인식 지원
■ 실내 공간 위치인식을 위한 앵커 및 태그 개발
■ 인터넷을 이용한 온라인 모니터링 지원
■ 실내 위치인식 시 위치오차 2m 이내
■ GPS를 사용한 실내외 공간 연속 위치인식 지원
■ 앵커 추가에 따른 자동 업데이트 지원
2. 터널용 안전관리 시스템
■ 터널 작업자를 위한 실시간 위치 기반 안전관리
■ 작업자 안전관리를 위한 스마트 안전모 개발
■ 터널 낙석 모니터링을 위한 진동 센서 개발
3. 시공관리를 위한 모바일 Ad Hoc 네트워크
■ 형상정보 전송을 위한 무선 라우터 개발
■ 통합관리 서버 접속을 위한 게이트웨이 개발
■ USN 네트워크 연동 지원
■ 형상정보 전송을 위한 전송 프로토콜 개발
■ 이더넷과 IEEE 802.11b/g를 이용한 유무선 통신 인터페이스 연동
■ 다중 홉(multi-hop) 무선 환경에서의 비디오 스트리밍 지원
■ OpenWrt 기반의 네트워크 운용 및 관리 S/W 개발
■ 무선 메쉬 네트워크 환경에서 트래픽 가중치에 따른 분산 채널 할당 알고리즘 개발
4. BIM 기반 물량산출 프로그램
■ BIM 기반의 모델링 및 건설정보 분류체계에 의한 물량산출
■ 공종코드번호 자동입력 지원
■ 연동물량 및 전체물량 DB 관리 지원
■ BIM 기반의 수량산출서 문서자동화 지원
5. 3D 기반 형상정보 획득 시스템
■ 3차원 모델링 데이터와 스캔 데이터를 비교를 통한 3차원 시공오차 분석
■ 3차원 초고속 대용량 데이터베이스 개발
■ 터널 표면의 백태, 누수, 균열을 감시할 수 있는 유지보수형 프로파일러 개발
■ 이전 막장 정보를 이용한 전방 막장 절리 예측 프로그램 개발
6. 매트릭스 기반 공정관리 시스템
■ 매트릭스를 사용한 터널 및 교량 모델의 분류체계 적용에 의한 DB 구축
■ 센서 데이터의 실시간 매트릭스 반영을 통한 진도/비용 계산
■ 멀티 에디터 엔진 개밝
■ GDI+ 기반의 다이나믹 매트릭스 엔진 개발
■ DirectX 매트릭스 그래픽 시스템 개발
■ 수량, 공정, 공사비 데이터의 출력
■ CPM 툴과의 연계 지원
■ 통합 관리시스템과의 실시간 연동
7. 건설현장 실시간 통합관리 시스템
■ 통합관리 시스템을 위한 미들웨어 개발
■ IFC 기반의 3D 모델 가시화 기능 개발
■ 센서 데이터 모니터링 기능 개발
■ 건설자원에 대한 동적 위치모니터링 기능 개발
■ 실시간 공정보고 기능 개발
■ 실시간 점검/통보 기능 개발
■ 자재관리 기능 개발
■ 매트릭스 기반 공정관리 시스템 연동 기능 개발
■ 공사현장 IP 카메라 연동 기능 개발
8. 시공관리용 모바일 오피스
■ 작업일보 작성 기능 개발
■ 멀티미디어를 사용한 공정 보고 기능 개발
■ 자재검수 기능 개발
■ 통합관리 시스템 연동 기능 개발
9. 시공관리용 장비관리 시스템
■ 건설장비 모니터링을 위한 다목적 복합센서 개발
■ 다목적 복합센서를 활용한 건설장비 관리 기능 개발
■ 실제 공정을 고려한 장비의 작업 효율성 분석
■ 장비관련 실시간 공정-원가 관리 기능 개발
■ 건설장비 생산성 분석 지원
10. 터널/교량 시공관리 기술
■ 공정시각화 및 실시간 정보처리를 위한 프로그램 구성 및 데이터 활용방안 연구
■ 3D 객체모델 기반 DB에 필요한 정보 분석 및 연계
■ 실시간 정보처리를 위한 입력 정보 체계 분석
■ 터널 및 교량 시공관리 프로세스 모델 개발 및 제작
■ 건설관리 데이터베이스 프레임워크 제작
■ 시간-비용 상관관계 분석 모델 개발
■ 원천정보가공 프로세스 구축
■ 실시간 공정-원가 통합관리 방안 개발
V. 연구개발 결과의 활용계획
■ 시공 각 단계에서 발생하는 건설자원의 흐름과 같은 현장 진행 상황을 첨단 센서를 활용한 모니터링, 3D 모델링에 의한 시각적 구현, 구조 환경 측정에 의한 시뮬레이션 등의 다각적 방법으로 정확히 파악하여 발생 가능한 공기지연, 재해 재난, 민원발생, 안전사고 등을 미연에 방지함으로써 건설 생산성 제고에 일조할 수 있을 것으로 기대된다.
■ 건설현장을 위한 실시간 현장 모니터링 시스템은 건설현장의 자재, 인력, 장비 등의 자원에 대한 상황을 실시간으로 파악하는 것이 가능하게 함으로써 기존의 인력과 시간이 많이 소요되던 현장 자재관리 및 공정관리를 빠르고 정확하게 하며 PMIS와의 연동을 통한 공급사슬관리 시스템을 구축할 수 있도록 한다.
■ 실시간 정보에 기반하는 동적 공정관리 모델, 시간-비용 최적화 모델을 적용한 시스템을 통하여 실시간 정보에 따른 가변성을 극복하고 능동적이며 적극적인 현장 관리가 가능할 것으로 판단된다.
■ 실시간 위치인식 시스템은 대형 실내공간이 존재하는 다양한 산업분야 (터널 내부, 건축내부, 지하시설물, 해저터널, 지하 군사시설 등의 환경을 갖는 로봇분야, 군수분야, 자원관리 분야, 보안 분야 등)에서 제품화 가능하다.
■ 건설 장비 및 인력 동선 관리를 위한 안전관리 시스템은 작업시간 단축 및 재해 방지 의 효과가 있으며, 보안 분야, 위험물 접근 금지를 요하는 다양한 산업현장의 안전관리 시스템으로 제품화 가능하다.
■ 교량 시공진도 관리를 위한 USN 장비 및 건설현장을 위한 모바일 Ad Hoc 네트워크는 통신 인프라의 구축이 어려운 다양한 산업 환경을 위한 통신 네트워크로서 제품화 가능하다.
■ 3D BIM 모델과 연동되는 형상정보 획득 기술은 시공현장의 유지보수 및 관리 등에도 유용하게 사용될 수 있으며 광파기 측량의 대안기술로서 충분히 검토될 수 있다.
■ 건설 프로젝트에 있어서 기존의 PERT/CPM으로 공정을 관리하는 방식보다 사용자에게 보다 편리하고 쉬운 인터페이스를 제공하는 매트릭스 형태의 관리 기법은 사용자에게 보다 효과적이며 프로젝트 요소에 대한 최적의 맵핑 방법을 제공한다. 매트릭스를 통한 프로젝트 관리 방법은 우리나라가 해외 선진국과 비교하여 국제 경쟁력을 지니고 있으며, 차제에 매트릭스 기법을 도입하여 자동화를 꾀한다면 명실 공히 국제적인 기술력을 확보한 국가 기반 기술로 자리 잡을 수 있을 것이며 기술의 해외수출에도 기여 할 수 있을 것이다.
■ 매트릭스(Matrix)를 통하여 공정관리를 하게 되면 수량/원가/공정에 대한 효율적인 관리뿐만이 아니라 수집된 각종 자원들(인력, 장비, 자재)의 현황 및 공사 프로젝트 진척 상황 관련 데이터와 분류체계의 연관된 셀을 도출해내는 작업을 신속하게 반영할 수 있다.