휴리스틱스 기반 모듈 설계 및 알고리즘 구축을 통한 지능형 굴삭시스템의 Task Planning System 개발

Abstract

현재 전 세계적으로 이미, 대부분의 산업에서는 생산라인이 자동화되었으며, 이러한 첨단생산시스템의 구축은 생산성 및 경제성의 향상, 부족한 인력난 해소, 산업재해에 대한 안전성확보, 품질 및 경쟁력의 향상 등 수많은 이익을 가져왔다. 그러나 건설 산업에서의 자동화는 일반적인 산업생산라인과 달리 끊임없는 불확정적인 사건의 발생과 이에 따른 지능적 판단 및 처리 능력의 필요성으로 인하여 해결해야 할 많은 어려움이 따르기 때문에 여전히 건설 기계장비 사용을 통한 노동력 투입에 의존하고 있다. 이러한 건설 산업의 낙후된 생산시스템을 개선하기위하여 유럽, 미국, 일본 등 선진국에서 건설 자동화를 위한 끊임없는 연구가 진행 중이며, 도로 포장, 다짐 및 작업프로세스가 비교적 단순한 반복형작업에 대하여 자동화가 많이 이루어 졌지만, 건설 현장에서 가장 비중을 많이 차지하는 토공 작업에 대하여 아직 자동화 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 국내에서는 지난 2006년 말, 건설 산업의 주요공종인 토공사의 첨단 자동화 생산시스템 구축을 위하여 국토해양부 건설기술혁신사업의 일환으로 두산인프라코어(주)의 주관아래 지능형 굴삭시스템(Intelligent Excavating System)의 개발이 시작되었다. 지능형 굴삭시스템 개발을 위하여 필요한 세부핵심기술은 크게 ‘지능형 Task Planning System 개발 및 응용’, ‘작업환경 인식 기반 지능형 제어기술’ 및 ‘작업특성을 고려한 지능형 굴삭시스템 개발 및 시스템 통합’의 세 가지 기술이다. 세부핵심기술 중 Task Planning System은 토공사에서 굴삭로봇의 효율적인 작업계획생성을 위한 자동화계획생성시스템으로서, 비정형(amorphous)의 글로벌 영역(Global area)을 대상으로 굴삭로봇의 전반적인 동선을 결정짓는 개략적 계획을 수립하고, 투입되는 굴삭로봇의 제원 및 특성, 지장물 및 다양한 작업환경을 고려한 지형의 세분화과정과 함께 작업계획을 구체화시킨다. 또한, Task Planning System은 작업계획의 생성과 함께 그 내용을 굴삭로봇에 명령하고, 작업에 대한 내용을 피드백(feedback)하여 Task Planning Simulator Interface를 통해 시각화하며, 이는 운전자 및 감독관에게 최소입력 및 모니터링을 통해 실시간 시공관리를 가능케 하여 안전하고 효율적인 작업을 보장하게 한다. 본 연구에서는 가상현실기반 Task Planning System의 개발과정에 대하여 크게, 세 단계로 구분하여 설명하였다. 첫 번째 단계에서는 굴삭로봇을 활용한 토공사에서의 효율적이고 시행착오가 적은 Task Planning System 개발을 위하여, 숙련된 작업자의 휴리스틱스(heuristics)를 정리하고, 이것을 바탕으로 Task Planning System의 모듈을 구성하고 설계한 내용에 대하여 소개하였다. 두 번째 단계로는 시스템을 구성하는 모듈별 부여된 기능을 수행하기 위하여 논리적으로 표현되어야 하는 최적화된 알고리즘 구축에 대한 연구내용을 설명하고, 마지막 세 번째 단계에서는 시스템을 구성하는 각 모듈이 개발되고 통합된 내용과 함께 내용을 검증하기위하여 경기도 양주시 고암동 토공현장에서 3D Laser Scanner를 통해 획득된 지형모델을 적용하여 Case-Study를 수행하였으며, 해당 모델을 통하여 기능의 검증이 어려운 경우, 특정 형상의 지형을 대상으로 부분적인 Case-Study를 수행하였다.