1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구 범위 및 방법
2. 기존 연구 고찰
2.1 건설업 및 타 산업 디지털 트윈 및 IoT 관련 연구 동향
3. 건설 현장 관리를 위한 CONS-DT(건설 현장 디지털 트윈)
3.1 건설 현장 관리 업무 프로세스
3.2 디지털 트윈 기반 건설 현장정보 맵핑 시스템 아키텍쳐 설계
3.3 시스템 검증
4. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 항공우주산업 분야에 이어, 제조업에서도 IoT 및 디지털 트윈 기반의 스마트 팩토리 구축 사례가 전 세계적으로 점차 증가하고 있는 추세이다(윤태호, 2020). 제조업은 외부 요인에 의한 개입이 적고 공정이 폐쇄적이기 때문에 디지털 트윈기술을 보다 빠르고 수월하게 적용이 가능하다. 즉, IoT 및 디지털 트윈 기술 적용 시 Sensing Data 및 디지털 트윈 모델을 기반으로 한 실시간 모니터링이 가능하기 때문에 보다 효율적인 생산 공정 관리가 가능하다. 기존에는 공정에 문제가 발생한 후 수행되는 사후 정비 및 정기 점검이 이루어졌지만 IoT 및 디지털 트윈 기술을 적용한 실시간 공정 관리 시스템 기반의 모니터링을 통하여 보다 선제적인 문제 예방 및 예측 정비가 이루어지고 있다. 제조업을 비롯한 다양한 산업 분야에서 IoT 및 디지털 트윈의 적용이 활발하게 이루어지고 있지만 건설업에서의 IoT 및 디지털 트윈 적용은 타 산업들과 비교했을 때 기술의 성숙도가 낮고, 도입 초기 단계에 머무르고 있는 실정이다. 본 연구에서는 건설업에서의 디지털 트윈 및 IoT 기술의 활용성을 높이고 건설 공사 시 보다 효율적인 현장관리가 가능하도록 IoT 및 디지털 트윈 기반의 실시간 토공사 현장관리 시스템을 제시한다.
1.2 연구 범위 및 방법
본 연구에서는 건설 공사 시 실시간 현장 및 장비 정보 습득과 분석을 통한 보다 효율적이고 정확한 현장관리와 건설 장비 제어를 위해 Fig. 1과 같은 절차에 의해 IoT 및 디지털 트윈 기반의 실시간 현장 관리 시스템을 구축하였다. 첫째, 기존에 연구되고 적용되고 있는 IoT 및 디지털 트윈 기술들 중 건설업에 관련된 연구 사례 및 문헌 고찰을 통해 기존 기술의 특징 및 문제점을 분석하여 개선 사항을 도출하였다. 둘째, 건설 현장관리 업무 프로세스 분석을 통해 디지털 트윈 및 IoT 기술 적용 가능 영역 및 개선 가능 영역을 도출하였다. 셋째, 디지털 트윈 및 IoT 기술 기반 실시간 건설 현장관리 시스템 아키텍쳐를 설계 및 구축하였다. 마지막으로 공동주택 건설현장을 대상으로 구현된 시스템을 적용하여 현장 관리 업무 개선 효과를 검증하였다.
2. 기존 연구 고찰
2.1 건설업 및 타 산업 디지털 트윈 및 IoT 관련 연구 동향
디지털 트윈은 물리 객체와 동일한 가상의 모델을 구현하여 대상 객체에 대한 모델의 시각화 및 시뮬레이션을 통해 데이터 분석이 가능하다. 또한, IoT 센서를 통해 수집된 데이터를 기반으로 원격 실시간 모니터링이 가능하며 빅데이터 분석을 통한 예측 및 진단이 가능하다. 이와 관련한 연구 동향으로는 디지털 트윈을 기반으로 한 수명 주기에 따른 최적화 및 의사결정 시스템에 관한 연구(Negri et al., 2017), 디지털 트윈 기반의 계획 및 스케줄링 시스템을 통한 생산 활동의 불확실한 요소에 대한 관리 및 제어(Wang et al., 2021) 등에 관한 연구가 진행되었다. 건설업에서는 이러한 디지털 트윈 및 IoT의 적용이 시설물 유지관리 단계에 중점적으로 적용되고 있다. 이와 관련한 연구 동향을 살펴보면 대상 객체에 대한 수명 주기를 보다 효율적으로 분석하기 위해 디지털 트윈을 기반으로 한 대상 객체의 수명 주기에 따른 최적화 및 의사결정 시스템에 관한 연구(Negri et al., 2017), 효율적이고 정확한 교량의 검측을 위한 3차원 디지털 트윈 모델 기반의 가상 교량의 구조적 건강 모니터링(Ye et al., 2019)과 교량 유지보수 시스템에 관한 연구(Shim et al., 2019)가 진행 되었다. 또한, 디지털 트윈 가상 모델 기반의 건설기계 제어 및 모니터링(Hasan et al., 2021), 인양 작업 시 안전 및 위험 관리를 위한 프레임워크에 관한 연구(Liu et al., 2021) 등 건설 자비 제어 및 안전 관리에 대한 연구도 진행되었다.
Table 1과 같이 디지털 트윈 및 IoT 기술 적용 사례 및 관련 연구 동향을 분석한 결과 주로 제조업 분야에서 디지털 트윈 및 IoT 기술의 적용이 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 건설업에 디지털 트윈 및 IoT 기술이 적용된 연구는 대부분 유지관리 단계에 초점이 맞춰져 있으며, 효율적인 건설 공사를 위한 시공단계에서 디지털 트윈 및 IoT를 적용한 실시간 건설현장 관리 관련 연구는 비교적 미비하다.
Table 1.
Prior work on digital twin
| 저자 | 주요 연구 내용 |
| Negri et al., 2017 | DT를 기반으로 한 수명 주기에 따른 최적화 및 의사결정 시스템에 관한 연구 |
| Shim et al., 2019 | 교량 유지보수 시스템을 위한 3차원 디지털 트윈 모델 |
| Ye et al., 2019 | 디지털 트윈의 가상 교량에 데이터를 업데이트해 구조적 건강 모니터링 |
| Liu et al., 2020 | 구조물의 안전성 평가를 위해 전체 수명 주기 동안 강철 구조물의 구조적 거동, 상태 및 활동을 모니터링 |
| Lu et al, 2020 | 건물 및 도시 수준에서 DT를 개발해 물리적 자산 및 도시의 효과적인 운영에 관한 연구 |
| Wang et al., 2021 | 디지털 트윈을 기반으로 한 계획 및 스케줄링 시스템을 형성해 생산 활동의 불확실한 요소에 대한 전면적인 관리 및 제어 |
| Liu et al., 2021 | 디지털 트윈(DT)을 기반으로 한 인양작업시 안전 위험 관리 프레임워크에 관한 연구 |
| Hasan et al., 2021 | 디지털 트윈의 가상 모델을 통한 건설기계 제어 및 모니터링 |
3. 건설 현장 관리를 위한 CONS-DT(건설 현장 디지털 트윈)
3.1 건설 현장 관리 업무 프로세스
토공사 현장에서의 건설 장비 운영 시스템에 관한 연구(Ahn et al., 2017)에 따르면 건설장비 운영시 가장 중요하게 여겨지는 요소는 계획토공량, 운반거리, 운반로상태, 장비사용료, 장비사용목적, 소음발생, 토량상태가 포함되어 있다. 또한, 토공현장에서 수행되는 건설장비의 운영방법은 Fig. 2와 같이 전체 토공량 파악 → 일일 처리량 파악 → 운반거리 및 운반로 상태 파악 → 덤프 소요대수 산정 → 월대 및 일대 선정 검토 후 반입의 처리 순서로 이루어지고 있으며, 건설장비 운반거리와 운반로 상태가 생산성에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 현재 건설장비 운용 방식의 문제점의 설문 결과는 실시간 작업상황을 반영하지 못하는 건설장비의 조합, 필요한 작업정보의 실시간 이용불가 등으로 나타났다.
건설 현장의 변동적인 현장 정보, 작업 정보를 실시간으로 파악할 수 없는 기존의 업무 방식을 해결하기 위하여 디지털 트윈 기반 건설 현장 정보 맵핑 시스템을 제안하며 현장 관리자가 현장 내부 또는 외부에서 실시간으로 작업정보와 현장정보를 이용할 수 있도록 한다. 기존의 2D 도면과 문서 기반 중심으로 진행되는 건설장비 운영방식을 Fig. 2와 같이 디지털 트윈 기반의 AR 시각화를 통해 진행하면, 현장의 실시간 정보들이 반영되어 보다 효율적인 장비 운용이 가능하다.
3.2 디지털 트윈 기반 건설 현장정보 맵핑 시스템 아키텍쳐 설계
본 연구에서는 건설 현장의 센싱 정보를 바탕으로 현장의 디지털 맵을 생성한 후, BIM 모델, 건설 장비 정보, 현장 및 자재 정보의 현장 관련 데이터들을 디지털 맵 상에 위치별로 매핑하여 관리자의 즉각적인 정보전달 및 정보 관리가 가능한 CONS-DT(Construction Site Digital Twin, 토공사 기반의 건설 현장 관리 디지털 트윈)시스템을 Fig. 3과 같이 제시한다.
현장의 3D 디지털 맵 구현을 위해 현장정보를 센싱하여 데이터를 획득한다. UAV 및 UGV 기반 지표면 센싱을 통해 위치 정보가 포함된 지표면 모델을 작성하며, 주 1회, 또는 현장 내 특이사항 및 임의의 공정 진행 시 사전에 수행된 비행 및 주행 경로를 따라 자동으로 센싱한다. 이때 생성되는 지표면 모델의 오차 범위는 토공사 현장에서 측량에 활용할 수 있을 정도의 5cm 이내를 목표로 한다. 현장 내 건설 장비 및 출입하는 장비들에 대하여 IoT 센서를 장착하여 장비의 운용 현황에 대한 데이터 또한 수집한다. 장비의 실시간 위치, 적재 용량 등과 같은 실시간 운용 정보가 이에 해당하며, 추후 데이터 정합 단계에서 3D 디지털 맵 상에 해당 위치별로 매핑된다.
Data Integration 단계에서는 현장의 공정 계획표, 각종 설계도서 및 시방서를 기준으로 현장 장비 운용 정보 및 공정 현황정보에 해당 위치 정보를 매핑한다. 이 데이터들은 3D 디지털 맵 해당 위치에 표시된다. 따라서 관리자는 문서 자료를 열람하지 않고, 해당 디지털 맵을 통해 현장의 모든 정보를 열람할 수 있다. 디지털 맵을 통해 현장을 관리하며 발생하는 특이사항 또는 피드백 등은 실시간으로 DB에 업데이트하며 디지털 맵 상에 반영되어 다른 관리자들 또한 확인할 수 있도록 한다. 데이터는 주기적으로 자동 업데이트되어 현장의 실시간에 가까운 디지털 트윈 모델 생성을 목표로 한다.
생성되는 3D 디지털 맵은 모바일 디바이스 기반 AR 어플리케이션을 통해 현장 관리자가 현장 내부에서 RTK 기반 위치 정보를 바탕으로 실시간 위치에 따라 정보를 읽고 쓰며 활용할 수 있다. 현장 외부에서 원격으로 현장 관리 업무를 수행할 시에는 PC 기반 3D Viewer 어플리케이션을 통해 디지털 맵을 활용할 수 있다.
현장 관리자는 Fig. 4와 같이 현장 내부에서 app로그인을 통해 DB서버에 저장되어있는 데이터베이스 중 자신의 위치에 해당하는 정보를 AR 시각화를 통해 열람할 수 있다. 해당 정보들은 실시간 현장 정보 변경사항 등을 반영하기 때문에, 현장과 관리자 간의 양방향 의사소통이 가능하다.
3.3 시스템 검증
디지털 트윈 기반 건설 현장정보 맵핑 시스템의 현장 적용 후 업무 개선 효과를 확인하기 위하여 Pilot test를 진행하였다. 3D 디지털 맵 획득을 위한 드론은 Table 2의 DJI Phantom 4 Pro를 사용하였으며, 토공사가 이루어지고 있는 홍천의 공동주택 건설현장을 대상으로 현장 검증을 진행하였다.
Table 2.
UAV specification
| 모델명 | DJI Phantom 4 Pro |
| 최대 비행 시간 | 약 30분 |
| 위치 포지셔닝 시스템 | GPS/GLONASS |
| 카메라 센서 |
1’’ CMOS 20Mp (5472 × 3648) |
3D 디지털 맵 생성을 위해 드론의 GPS 정보를 바탕으로 지오태깅된 이미지와 국토지리정보원의 가상기준점(VRS, Virtual Reference Station)을 활용하여 Fig. 5 및 Table 3과 같이 현장에서 획득한 지상 기준점의 위치정보와 Pix4D Mapper Pro를 기반으로 해당 현장의 3D Pointcloud Data를 생성하였다. 국토지리정보원 VRS의 경우 GNSS 기준국에 연결하여 각각의 기준국이 관측한 데이터를 실시간으로 수신하였으며 이를 위해 사전 Mountpoint를 설정하였다. 본 연구에서는 이동국 인근의 가상기준점 관측치 정보인 VRS-와 Single RTK로써 이동국에서 가장 가까운 위성기준점 실제 관측치를 기반으로 하는 (SB_AutoSelection-) VRS Mountpoint를 Table 4와 같이 설정 후 활용하였다.
Table 3.
Coordinates of Ground Control Point (GCP)
Table 4.
Virtual reference station (VRS) environment setting
| 서비스명 | VRS | |
| 접속경로 | vrs3.ngii.go.kr | fkp.ngii.go.kr |
| 포트 | 2101 | 2201 |
| ID | ACG83599 | |
| Password | Ngii | |
| Mountpoint | VRS-SB_AutoSelection- | VRS_32 |
현장 내부의 건설장비정보, 센서 기반의 현장정보들을 포인트 클라우드를 기반으로 해당 위치에 매핑하여 디지털 맵을 생성한다. 다음으로, 시스템 사용자의 위치 정보를 바탕으로 디지털 맵과 현장을 정합하기 위한 데이터 통합 모듈을 검증하였다. Fig. 6과 같이 현장의 3D 포인트 클라우드 시각화 모듈을 통해 GPS 위치 정보 기반 디지털 맵 AR 매핑 모듈을 통해 현장내 위치기반 AR 시각화 모듈의 성능을 검증하였다.
앞서 생성된 디지털 맵은 포인트 클라우드의 형태로 서버에 저장되어 현장 내에서 Fig. 7과 같이 모바일 디바이스의 AR application을 통해 확인할 수 있다. 화면 내의 장비들에 대한 운용 정보를 한눈에 파악할 수 있으며, 해당 구역에 대한 현황정보 또한 파악할 수 있다. 디지털 맵 또한 계속해서 서버에 업데이트 및 반영되어 사용자의 현재 위치 주변의 특이사항 또한 화면상에 표시할 수 있다.
현장 외부에서도 Fig. 8과 같이 PC Application을 통해 현장의 실시간 관리가 가능하다. 생성된 디지털 맵을 기반으로 정사영상을 통해 현 위치를 직관적으로 판단 가능하며, 3D Viewer에 현장의 장비 및 공정에 대한 정보를 해당 위치에 매핑하여 관리자가 원격으로 현장 관리 업무를 수행할 수 있다.
4. 결 론
건설 산업에서는 최근 4차 산업혁명 기술의 ICT 기술이 적용되고 있지만, 타 산업 대비 생산성 향상률이 저조하다. Ying (2004)의 토공사 지연 원인에 관해 분석한 연구에 따르면 건설 현장에서의 소통이 원활하지 못하며, 공종 별 장비의 부족 및 중복으로 인해서 공기 지연이 빈번하게 발생한다. 또한, 장비의 설치 및 고장으로 인해 공기 지연 현상이 나타났다.
이는 현장의 통합적인 관리가 이루어지지 않고, 공정 계획표상으로 필요할 때마다 장비를 대여하여 사용하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 건설 공사 시 현장 및 장비 정보 습득과 분석을 통하여 더욱 효율적이고 정확한 현장관리와 건설 장비 제어를 위해 실시간 건설 장비 정보 및 현장 센싱 정보 기반 CONS-DT 시스템을 구축하였고 다음 4가지로 활용할 수 있다.
(1) 장비의 실시간 운용 현황을 공정 계획표 상에 자동으로 업데이트하고, 특이사항 발생 시 관리자에게 해당 정보를 안내하여 종합적인 업무를 파악할 수 있다.
(2) 3D 디지털 맵 상에 위치 정보를 기반으로 현장정보를 맵핑하여 변동적인 현장 상황을 신속하게 반영할 수 있다.
(3) 광범위한 현장에서 디지털化된 AR정보를 지상기준점(GCP) 좌표를 기반으로 Fitting&Fixing하여 데이터의 정확성을 높일 수 있다.
(4) CONS-DT 시스템에 업데이트한 정보를 모듈화하여 차기 프로젝트의 가상화 시스템 정보상에서 지속적인 활용이 가능하다.
본 연구에서는 토공사 현장에서 작업자와 관리자 간의 신뢰 관계를 유지하기 위해 3D 디지털 맵 상에 위치 정보를 기반으로 현장정보를 매핑하여 실시간으로 실제 현장과 연동되는 CONS-DT 시스템을 구축하였다. 향후 연구로는 CONS-DT 시스템을 기반으로 외부에서 현장정보와 가상정보를 실시간으로 확인하며 업무를 지원할 수 있는 가상모듈을 개발하여 건설 현장의 디지털 化를 높일 수 있다.
