GPS를 이용한 성토다짐 관리기법 개발

 

 

GPS를 이용한 성토다짐 관리기법 개발

 

 

한국건설기술연구원 선임연구원 김주형

한국건설기술연구원 수석연구원 조삼덕

 

토목공사에서 성토 작업은 흙을 쌓아 넓은 부지를 조성하거나 도로 등을 건설하는데 반드시 필요한 주요공정이다. 성토의 목적은 각 공사의 목적이나 종류에 따라 다른데, 넓은 부지를 조성하는 경우 주위 지역과 고저차를 일치시켜 부지 사용상에 편의를 제공하기 위해 성토를 수행하며, 도로의 경우에는 하부에 전달되는 하중을 분산시키거나 연약지반을 미리 압밀시키기 위해 성토를 수행한다.

 

Ⅰ. 서론

성토공정에서는 성토 흙 확보를 위한 절토 및 토취 공정, 토취장에서 성토 위치까지의 흙 운반 및 포설 공정 그리고 성토체가 어느정도 이상의 강도를 가지고 과도한 침하가 발생하지 않도록 하기 위해 성토재료를 일정한 사용 기준 이상의 값을 갖도록 다짐하는 것이 핵심 공정이라 할 수 있다. 이와 같은 일련의 핵심 공정들은 전체 공사비, 공사시간 등에 막대한 영향을 미치나 대부분 체계적인 관리시스템의 부재로 작업자 자신의 인위적인 판단에 의해 작업이 진행되는 것이 대부분이다. 따라서 현재까지도 과거 인력에 의해 개별적으로 관리되어 왔던 성토관리시스템은 전체적인 공정에 첨단 기술을 접목시켜 체계적으로 관리하는 종합 시스템 개발이 필요하다. 특히, 국내의 성토 다짐공정관리는 평판 재하시험 (KS F 2310)이나 현장에서 모래 치환법에 의한 흙의 밀도 시험방법 (KS F 2311), 흙의 다짐 시험방법 (KS F2312) 등을 이용한 일점시험 (spot test)으로 전체의 성토다짐을 관리하고 있어 현재의 시험관리 방법으로는 전체 성토 부지의 다짐도를 판단할 수 없다.

최근 일본과 미국을 위시한 선진국에서는 IT를 접목한 건설기술들이 속속 선보이고 있다. 이 중 가장 대표적인 것이 GPS (Global Positioning System)를 이용한 건설기술이다. GPS는 건설기계의 위치를 추적함으로써 다수의 건설기계의 움직임과 경로 등을 한자리에서 파악할 수 있어 공정관리에 매우 효과적인 도구로 사용할 수 있다. 본 연구에서는 넓은 토목공사 부지에서 움직이는 롤러의 궤적을 추적하는 기술을 개발하여 효율적인 성토다짐관리시스템의 요소기술을 개발하고자 하였다.지구온난화와 기상이변 등의 전세계적인 기후변화에 따라 국제적으로 저탄소 녹색혁신 기술의 수요 증가하고 있다. 이는 1997년 체결된 교토의정서에는 2012년 까지 1990년의 CO2 배출량을 5.2%까지 저감하고, 배출권거래제, 공동이행제도와 청정개발체제를 도입한 것이 큰 요인이 됐다. 이 중 배출권거래제는 유럽을 중심으로 활발히 진행되고 있으며 연간 1조원 이상의 거래가 이루어지고 있어 현재에는 에너지 소비를 줄임으로써 경제적 효과도 얻을 수 있다.

 

Ⅱ. 연구개발 내용

(1) GPS 측위의 원리

GPS의 측위방법은 위치를 정확히 아는 위성에서 출발한 위성신호를 수신기가 받아 전파의 도달 시간 측정으로 계산하여 자신의 위치를 결정한다. 즉, 임의의 지점에 존재하는 위성에서부터의 신호는 수신기와 위성간의 거리를 알 수 있게 하고 이 거리는 그림 1에 나타낸 것과 같이 위성을 중심으로 한 반지름의 원으로 표시할 수 있다.

 

그림 1. GPS 측위의 원리

 

이러한 원의 표면상 한 점에 수신기의 위치가 존재한다는 것을 알 수 있다. 수신기의 위치를 더욱 한정시키기 위해서 우선 두 개의 위성으로부터 신호를 받아 거리를 계산하였다고 한다면 수신기의 예상 위치는 그림 2(a)에 나타낸 것과 같이 두 원의 접선면 위에 존재하게 된다.

(a) 2개 위성 사용 (b) 3개 위성 사용 (c) 4개 위성 사용

 

그림 2. 다수 위성 사용시 GPS 측위의 원리

 

두 점 중 한 점은 사용자의 위치와 매우 큰 차이를 가지므로 또 다른 한 점을 사용자의 위치로 파악할 수 있다. 실제 계산에서는 수신기의 위치 위도, 경도, 고도 외에 신호가 전달되는 과정에서 발생되는 오차의 미지수를 합쳐 총 4개의 미지수가 생기기 때문에, 수신기의 위치를 알기 위해서는 적어도 4개의 위성 신호가 필요하며 실제 위성 데이타는 동기신호로써 수신기에 전달된다.

1983년 미국은 100억 달러를 투자한 위성 항법 시스템인 GPS가 1993년에 본격 가동되며 10년간 민간용으로 전세계에 무상 서비스할 것을 발표하였다. 또한, 2000년 5월 군용과 민간용 사용자의 위치정보 정확도 차이를 유발시키기 위해 작용하던 인위적인 오차요인인 SA(Selective Availability) 작동을 중단함으로써 민간용 GPS 사용자의 정확도가 20m 이하의 수준으로 향상되었다. 현재 GPS를 이용한 응용분야 연구는 민간용 측위 정밀도의 향상으로 더욱 광범위한 분야에 적용, 증가하고 있는 추세이다.

 

 

(2) 정밀위성위치 확인시스템 (DGPS)를 이용한 궤적추적

정밀위성위치 확인시스템 (Differential Global Positioning System)은 정밀 위성체와 GPS 수신기와의 의사거리에 포함되어 있는 여러 종류의 공통 오차요인을 각 수신기에서 그 만큼의 오차를 보정함으로써 위치오차를 크게 줄일 수 있다는 이론에서 응용된 방법이다. 즉, 두 개의 수신기의 상대적인 위치계산에는 그 공통오차 성분이 자연히 상쇄되어 제거되므로 정확한 상대적 위치를 계산할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 미리 정확하게 위치를 알고 있는 지점에서 측정한 위성- 수신기간의 의사거리 측정오차를 인접한 다른 수신기에 전달하여 적용시킴으로써 각각의 측정거리를 공통 오차만큼 보정할 수 있다.

 

그림 3. DGPS를 이용한 다짐롤러 궤적 추적 개요도

 

그림 3은 본 연구에서 개발한 DGPS를 이용한 다짐롤러 궤적 추적 개요도이다. 본 연구에서는 수신데이타를 실시간으로 각각 수신 완료 후에 GPS 수신데이타에 포함되어 있는 위성의 궤도데이타와 시간데이타 및 위치데이타를 이용해 DGPS 처리를 하여 이동국 수신데이타에 오차분을 제거하고, 그 결과를 다시 이동국의 출력데이타로 취하는 후처리 방식을 사용하였다.

 

(3) 이동국 위치데이타 분석

이동국 즉, 진동롤러에서 실시간으로 취합된 GPS 수신데이타는 매 순간 마다 다짐장비의 위치를 표시할 수 있는 좌표데이타이다. 본 시스템에서는 모든 데이타를 압축 처리하여 데이타베이스(DB)화 한 후에 다짐장비 위치를 추적하여 궤적을 나타냄으로써 다짐장비의 작업진행 동선 및 지역을 파악할 수 있다. 이동국에서 취득된 위치데이타는 DGPS처리 후, 실시간의 경우는 취득데이타 자체의 오차가 2㎝이내의 고정밀 정확도를 갖는다. 다짐 데이타의 분석은 위치데이타를 궤적데이타로 변환하고 궤적데이타를 쎌 데이타로 베이스화하여 분석하며, 이때 하나의 궤적데이타는 4개의 50㎝×50㎝ 셀로 표현된다. 그림 4는 쎌 데이타 구성과 데이타베이스의 분석시 색으로 구분이 가능하도록 지정해 주는 방법에 대한 표시이다.

 

 

 

그림 4. 이동국 위치 데이타 분석

 

(4) 층구분 분석

본 연구에서 개발한 시스템에서 층구분 알고리즘은 1차 분석(다짐경로, 다짐속도, 다짐횟수분석)이 완료된 후 다짐층 분석과 다짐 두께 분석이 이루어지는 2중 분석 구조로 되어 있다. 본 시스템에서는 다짐영역을 50㎝×50㎝의 셀로 나누고 다짐장비의 경로를 지나가는 단위 셀의 최종 높이 값을 적용한다. 층 구분은 다짐 경로상의 높이 값을 비교하여 시방서 상의 1층 두께의 50%이상 즉, 30㎝ 두께 성토시 15㎝이상, 3 곳(시속 4㎞시 약 3.3m 이동)이상 변화가 연속적으로 발생할 때 층 구분이 되도록 되어 있다.

(a) 경로상의 층 구분 예 (b) 단면으로 본 층 구분 예

 

그림 5. 30㎝ 층다짐을 하는 경우 층 구분 예

 

그림 5는 통상적인 30㎝ 층다짐을 하는 경우 층 구분 예를 나타낸 것으로 우측 두 점(Z 값 = 1.01 영역) 이 동일한 층을 이루고 좌측 5점(Z값 = 1.15, 1.30, 1.31, 1.27, 1.25 영역)이 우측 영역보다 +1층임을 알 수 있다. 그러나 현재까지 개발된 시스템에서는 분석 작업자가 일일이 작업 영역의 높이 값을 알 수 없는 한계점이 있다.

 

 

 

 

Ⅲ. 개발시스템의 검증시험

 

(1) 시스템 정확도 검증시험

개발된 시스템 중 GPS에 의해 취득되는 3차원 좌표의 정확도를 검증하고, 다짐관리 프로그램에서 궤적 등의 출력 결과가 현장과 일치하는지 여부를 검증하기 위해 검증시험을 수행하였다. 본 시험은 그림 6에 나타낸 것과 같이 실제 ○○현장에서 40m×10m 면적의 부지를 정해 3개의 층에 대한 다짐을 28회 시행하였다. 그림 7은 첫번째 층에 궤적, 횟수, 속도, 층 두께를 나타낸 검증시험 결과를 나타낸 것이다.

 

그림 6. 검증시험 평면도

 

그림 7. 검증시험 결과 (첫번째 층)

 

 

본 시스템에 대한 검증시험 결과 이동국 GPS블록의 신호에 끊김 없이 정확한 좌표가 생성되고, GPS블록의 위치 정보가 정확하게 Server블록으로 전송되는 것을 확인하였다. 또한, GPS의 3차원 위치정보의 정확도가 매우 높으며 다짐롤러의 궤적 및 궤적의 중첩구간이 뚜렷하게 표시되었다. 결과적으로 검증시험에서는 본 시스템의 정확도가 높게 평가되었으나, 전파 간섭 및 DGPS 초기화 손실에 의한 일부 데이타의 손실에 대한 대책이 문제점으로 지적되었다. 이 문제점은 GPS기지국 블록과 이동국 블록 간의 DGPS 보정치의 전송 간섭, 이동국 GPS블록의 GPS신호 수신의 간섭에 의해 발생되는 것으로, 다짐 롤러의 GPS안테나 장착 위치의 조정과 무선 Radio 모뎀의 출력 주파수 증폭에 의한 해결책을 제시하였다.

 

(2) 시스템의 현장 적용성 검증시험

본 연구에서 개발된 성토다짐관리시스템의 현장 적용성을 검증하기 위해 시스템 정확도 검증시험을 수행한 동일 현장에 개발된 시스템을 현장에 투입하여 현장 적용성을 평가하였다. 본 현장 적용성 검증시험은 진동다짐롤러 2대가 7일간, 3층의 다짐성토를 수행하는 것으로 대상으로 하였다. 우천으로 인한 작업의 지연과 부분적으로 우천 후 성토재의 재포설 및 재다짐이 시행된 구간이 발생하였으나, 충분한 다짐자료 수집이 가능하였다. 그림 8은 현장 적용성 검증시험시 다짐롤러의 궤적, 다짐횟수, 속도를 나타낸 것이다.

 

그림 8. 현장 적용성 검증시험 결과 (첫번째 층)

 

본 시스템의 현장 적용성 검증시험 결과, 다짐 횟수 부족구간이나 다짐 속도 초과구간이 발생하지 않은 것으로 나타났으며, 다짐이 불충분하다고 판단되는 지역에 들밀도시험 및 평판재하시험 시행 개소 선정할 수 있어 부실 시공부분에 대한 시험 관리로 시공품질 향상할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한, 본 시스템을 이용하면 일일 작업 가능한 작업면적과 다짐층 두께를 예측할 수 있어 작업별 총 성토면적 및 성토량이 산출 가능하며, 작업 현황의 그래픽화로 체계적인 공사관리 및 효율성증대 할 수 있을 것으로 판단되었다.

그러나 본 시스템의 장점에도 불구하고 현재까지 개발된 시스템은 시작품으로 몇가지 해결해야 할 문제점도 있는 것으로 확인되었다. 예를 들면, 성토공사 현장에서는 성토와 다짐이 동시에 진행되므로 각 층을 작업 진행 순서에 의한 명확한 층으로 구분할 수 없는 애로점이 있다. 즉, 그림 9에 나타낸 것과 같이 성토재 포설이 층을 의미하므로, 포설이 행해지는 구간마다 새로운 층이 생성된다. 따라서, 동시에 다수의 층이 시공되는 경우와 일부 구간이 그림 9(b)와 같이 다수의 층이 시공되는 경우가 발생하는데 이 경우, 층의 개념이 모호하므로, 결국 층의 분리는 단차(Level) 자료에 의한 수평적인 층의 개념 도입이 필요하다. 이와 같은 문제점들은 본 시스템이 적용되지 않는 경우에도 현장 관리에서 해결해야 할 근본적인 문제로 본 시스템에서 구축한 X,Y의 수평방향 좌표 뿐만 아니라 연직방향 좌표인 Z좌표 구축도 추후 개발될 시스템에 표현할 수 있는 다짐시스템 개발이 필요하다고 할 수 있다.

 

(a) 이상적인 성토체 다짐층 개념

 

(b) 실제 성토 개념

그림 9. 성토체 다짐층 개념

 

 

 

 

 

Ⅳ. 요약

 

본 연구에서 개발한 GPS를 이용한 성토다짐관리시스템을 현장에 적용한 결과, 다음과 같은 잠정 결론을 내릴 수 있었다.

 

(1) 다짐 현장에서 진동 다짐롤러의 궤적과 다짐 횟수, 다짐 속도, 다짐고 분석 등 각 모듈에서 다짐현장의 좌표와 정확히 부합한 것으로 나타났다.

(2) 또한, 각 모듈에서 분석한 자료를 통해 다짐 불충분 지역의 파악이 가능하며 그 정확한 좌표의 포착 또한 가능하여, 재다짐 필요영역을 현장 사무실에서 신속하게 파악할 수 있다. 부실 시공부분에 대한 체계적인 관리로 시공품질의 향상을 도모할 수 있었다.

(3) 다만 이동국 GPS 블록과 기지국 간의 신호 간섭으로 간헐적으로 데이터 송수신이 끊겨 데이타 일부가 유실되는 사례가 있었으나, 기지국 블록의 라디오 모뎀 출력 확대, 다짐롤러에서 발생하는 전자파 및 진동 자기장에 의한 간섭을 최소화 할 수 있는 고무막 보강 그리고 Kalman Filtering (1960)에 의한 위치 값 보정으로 데이터 연속성이 유지되어 다짐 롤러의 궤적은 연속적으로 얻을 수 있었다.

(4) 본 시스템의 가장 큰 특징인 다짐 현장관리 모듈에서는 다짐궤적, 다짐 횟수, 다짐 속도, 다짐 두께 등이 현장도면 상에 다양한 색으로 각 수치를 나타냄으로서 현장에서 작업자가 쉽게 다짐작업 상황을 파악할 수 있었다.

(5) 개발된 시스템의 GPS는 매우 높은 수평 다짐관리 정확도를 제공해 주는 반면에 수직층에 대한 정확도는 상대적으로 낮다. 특히 현장에서는 다짐과 성토가 동시에 진행되는 만큼 여러가지 공정이 함께 진행되는 현장에서 다짐이 진행되는 지역과 성토만 진행되는 지역의 구분을 정확하게 구분하기가 어려웠다. 따라서 추후 개선된 시스템에서는 수직방향의 위치도 수평방향 만큼의 정확도를 가질 수 있도록 개선되어야 할 것으로 판단된다.

 

본 연구에서 개발된 시스템은 GPS를 기반으로 한 이동국의 궤적추적기술로 현재 유럽과 미국을 중심으로 활발히 개발되고 있는 연속다짐평가(Continuous Compaction Control) 기법을 융합하여 개발한다면 성토다짐 현장에서의 시공 및 관리 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.