주메뉴 바로가기 본문바로가기
전제메뉴닫기

과제현황

  • home
  • 지식
  • 성과도서관
  • 과제·보고서
과제현황 목록

과제기본정보

건설현장 자동화를 위한 4D 시뮬레이션 및 강화학습 기반 타워크레인 자율운행 기초 기술 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163785-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 화학공정 | None | None 과제유형 기초
과제명 건설현장 자동화를 위한 4D 시뮬레이션 및 강화학습 기반 타워크레인 자율운행 기초 기술 개발
주관연구기관 서울대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박문서
소속 서울대학교산학협력단 직위 교수
전화번호 02-880-9083 FAX 02-887-2662
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 77,000,000 0 0 0 77,000,000
과제기본정보
연구개발개요 ● 본 연구는 건설산업에서 노동집약적 패러다임을 전환하고 건설장비 대상 자율주행 연구 기초기술을 확보하기 위한 “건설현장 자동화를 위한 4D 시뮬레이션 및 강화학습 기반 타워크레인 자율운행 기초 기술 개발”연구로, 건설현장을 4D 시뮬레이션 환경으로 구축하고 타워크레인 자율화기능을 강화학습 기반으로 설계, 실험 및 검증하는 것을 최종 목표로 함.
● 연구 1차년도에는 건설현장 4D 시뮬레이션 기반 타워크레인 운행환경을 구축하는 기술을 개발하는 연구를 수행함. 건설현장의 특성을 반영한 3차원 공간을 모델링, 작업계획 및 자재 등을 연계한 4D 시뮬레이션 환경을 구축, 타워크레인의 동작요소를 반영한 운행 모델링, 모방학습 인터페이스 개발 및 데이터셋 구축을 실시함.
● 연구 2차년도에서는 강화학습을 활용한 타워크레인 자율화 작업기능을 개발하는 연구를 수행함. 타워크레인의 자율운행을 위한 강화학습 프레임워크를 개발, 타워크레인의 자재 이송 기능과 안전 및 반진동 성능을 위한 강화학습을 수행함. 자율운행 성능을 검증하고 강화학습 모델을 보완함으로써 향후 확장 전략을 제안함.
● 이에 따라 본 연구의 핵심 성과물은 A) 건설현장 4D 시뮬레이션 기반 타워크레인 운행환경 구축 기술, B) 강화학습을 활용한 타워크레인 자율화 작업기능 개발 기술, C) 타워크레인 자율운행 Virtual-Model, 세 가지로 도출됨.
최종목표 본 연구는 건설현장의 모습을 가상환경으로 구축하고 건설장비(타워크레인) 자율화기능을 3D 가상환경에서 설계, 강화학습 및 검증을 통해 노동집약적인 건설산업 생산성과 안전성 향상을 목표로 함.
본 연구의 핵심 성과물은
1) 건설현장 특성을 반영한 3차원 공간과 정적/동적 객체별 행동 패턴을 표현하는 가상환경 모델 구축
2) 가상가상환경에서 타워크레인의 안전한 운행을 위한 데이터 수집 센서모듈 개발, 최적경로 알고리즘 및 실시간 안전경로 재탐색 강화학습 모델 개발
3) 가상데이터 기반으로 구현된 자율화기능 검증을 위하여 Scale-Model을 제작 및 실험 수행 및 결과 분석의 세 가지로 도출됨.
연구내용 및 범위 (A) 건설현장 및 외부환경 모델링을 통한 가상환경 구축
A-1. 건설현장의 3차원 환경 모델링
■ 건설현장에 적합한 물리엔진 환경설정 최적화: Unity, Unreal Engine 등 3D환경 구현 엔진들의 비교분석을 통해 최적 플랫폼 선정하고, 건설현장 모델링을 위한 기초적인 물리엔진 환경설정 수행
■ 건설현장 외부환경 조절을 위한 Parametric Model 개발: 건설장비운영에 있어 센서 인식률에 영향을 미치는 외부환경 요인을 도출하고, 이를 3D 환경 엔진 내 구현. 또한 실제 외부환경 데이터 기반 외부요인의 시간에 따른 변화 및 발생확률을 포함한 Parametric Model 개발

A-2. 건설현장의 동적/정적 객체 모델링
■ 가상환경 Fidelity 향상을 위한 3D 객체 생성: 건설현장 내 존재하는 건축물, 가시설물, 장비, 인부 등 주요 객체를 선정하고, 크기, 무게, 재질, 이동속도, 작동범위 등을 실제 데이터 기반으로 하여 3D 객체 생성
■ 가상환경 Fidelity 향상을 위한 동적객체 행동패턴 모델링: 각종 건설장비, 인부 등 동적 객체별로 주변 환경에 따라 변화하는 상태와, 상태에 따른 행동규칙을 Agent-based model 기반으로 모델링 및 3D 엔진에 연동하는 작업 수행

A-3. 건설현장 공사진행 단계별 시나리오 생성
■ 자율화장비 설계/실험을 위한 건설현장 시나리오 생성: 타워크레인 자율운행 초기모델의 학습 속도 및 작업 효율성 향상 도모하기 위하여 공종별 공사 데이터를 통한 객체 및 환경 정보를 반영한 학습 시나리오 생성
■ 장비자율화 기능 안정성 향상을 위한 주요 위험 이벤트 생성: 건설장비 관련 안전사고 사례 보고서 데이터 수집 및 분석하여 시나리오 대상 사례를 선정하고, 이를 반영한 가상환경 내 위험 이벤트를 생성함. 초기 모델개발 이후의 커리큘럼으로, 타워크레인 자율운행 모델이 난이도가 높은 시나리오를 학습하는 빈도를 높여 위험 상황에 대한 대응력을 높아지도록 유도

(B) 가상현장 시나리오 기반 건설장비 자율화기술 개발
B-1. 가상 운전 필요 데이터 수집을 위한 센서 모듈 개발
■ 가상환경 내 데이터 수집을 위한 센서 구현: 타워크레인이 주어진 시나리오에서 환경 및 객체를 인지할 수 있도록 라이다, 레이더, GPS, IMU와 같은 다양한 센서를 3D 엔진에서 제공하는 raycast, object global position 등 툴을 활용하여 구현함. 실제 센서를 3D 엔진 API 활용하여 가상센서로 구현
■ 안전한 장비운영을 위한 장애물 탐지기능 개발: 타워크레인이 이송 중 충돌사고가 발생하지 않기 위해 가상환경 내 구현된 센서를 사용하여 장애물의 크기, 위치를 탐지 및 추적
■ 자율화 모델의 이전성(Transferability) 확보를 위한 데이터 처리: 이미지 데이터 정보손실에 대응하기 위한 데이터 왜곡 (data distortion), 센서 위치 조정, 다양한 각도의 가상이미지 데이터 확장 (data augmentation) 등 기법을 활용하여 타워크레인 자율화 모델의 가상환경-현실 간 이전성 확보

B-2. 안전 작업수행 위한 Path Planning 기술
■ 장애물을 고려한 최적 경로 탐색알고리즘 개발: 객체 배치 시나리오 모듈을 통해 설정된 작업대상을 목적지로 양중하기 위하여 장애물의 위치 및 건설장비의 특성을 고려한 Path Planning 최적화 알고리즘 개발 및 가상환경 내 검증 수행
■ 타워크레인 자유도를 고려한 경로변환: 다관절 장비인 타워크레인의 자유도를 고려하여 장애물 회피할 수 있는 역동역학적 방법의 야코비안 행렬 활용을 통해 적절한 경로로의 변환 모델 개발

B-3. 자율제어 품질 향상을 위한 강화학습 모델 개발
■ 이송물 진동 최소화를 위한 강화학습 모델 개발: 장비 이송물 진동 감소를 위한 장비 운행기능을 위한 강화학습 프레임워크 개발 및 가상환경과 강화학습 프레임워크 연동 이후 최적 프레임워크 도출을 위한 다수환경 실험 수행

(C) 자율화 기능 Scale-Model 검증
C-1. Scale Model 제작
■ 가상데이터 기반으로 구현된 자율화기능 검증을 위한 Scale 모델 제작: 타워크레인 자율화 기능의 생산성, 안정성 검증을 위해 타워크레인 및 환경/객체 Scale 모델 제작

C-2. Scale Model 활용 자율화 기능 검증 수행
■ 가상환경 기반 자율화기능의 Transfer 실험 수행: 가상환경에서 개발된 기능을 제작된 Scale-Model 하에서 실험 수행하여 환경 인식, 이송 경로, 진동 최소화 등 움직임 제어 기능의 검증 수행
■ Scale-Model Test 결과를 활용한 자율화기능 보완: Scale 모델 실험에서의 문제점들을 분석하여 자율화 모델의 가상환경 및 인지, 판단, 제어 기능들을 보완
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 건설현장 4D 시뮬레이션 기반 타워크레인 운행환경 구축 기술 A. 건설현장 4D 시뮬레이션 타워크레인 운행환경 구축
A-1. 건설현장 4D 시뮬레이션 환경 구축
● 건설현장 골조공사 3차원 환경 모델링
● 건설작업 생성을 위한 작업계획-자재 연계 시뮬레이터 개발
A-2. 타워크레인 운행 모델링 및 모방학습 인터페이스 개발
● 타워크레인 동작요소 분석을 통한 스테이트 머신 정의
● 모방학습을 위한 타워크레인 조종 인터페이스 구현
A-3. 타워크레인 운행 모방학습 데이터셋 구축
● 타워크레인 운행 성능 측정 지표 정의
● 모방학습 인터페이스를 활용한 운행 시나리오 데이터셋 생성
연구성과 기술적 기대성과 기술적 측면: 타워크레인 자율화 기술 개발 및 End-to-End 네트워크 구축
● 본 연구는 건설현장의 4D 시뮬레이션을 통하여 End-to-End 네트워크 구축과 모방학습을 진행함. 이 과정에서 가상 Test-bed를 구성하여 주요 건설장비인 타워크레인 자율화를 실현함에 따라 현실 데이터 수집의 한계를 뛰어넘는 타워크레인의 실질적 자율화 실현을 도모할 수 있음. 더불어 4D 시뮬레이션 운행환경 구축 및 검증의 단계를 통하여 본 연구의 모델 실효성을 높일 계획임.
● 기존 연구들을 통하여서는 실제 환경 데이터를 수집함에 있어 어려움이 있었으나, 본 연구에서는 가상환경 구축을 통하여 주변 환경 데이터 뿐만이 아니라 정해진 작업 순서 및 시간에 따른 4D 시뮬레이션 환경 내 데이터 동시 구축이 가능함.
● 본 연구의 결과물로서 개발된 타워크레인 자율화 기술 및 구축된 4D 시뮬레이션 환경을 활용하여 추후 건설현장 전반에서의 강화 및 기계학습을 위한 데이터 생성에 사용될 수 있으며, 가상데이터를 기반으로 구현된 타워크레인의 자율화 기능 검증을 진행함.
사회 경제적 파급효과 업적 측면: 건설장비의 자율화 기능 개발을 통한 건설산업의 생산성 증진
● 본 연구의 목표와 같은 3D 및 4D 시뮬레이션의 개발과 활용은 장비 자율화를 추구하는 자동차, 제조업 기계, 로봇 등의 여러 산업에서 적극적으로 활용되고 있음. 하지만 건설산업에도 건설 자동화의 필요성이 날로 증가하고 있음에도 불구하고 이러한 기반 시뮬레이션 환경과 데이터가 전무하여 활발한 연구, 개발과 활용으로 이어지지 않고 있음.
● 본 연구는 건설현장 4D 시뮬레이션 기반 타워크레인의 자율화 기능의 프레임워크를 제시하여 건설산업 생산성 증진을 위한 건설장비 자동화 구현에 문제되는 각종 문제 및 이슈들을 해결할 수 있을 것으로 기대함. 이는 본 연구에서 중점적으로 다루는 타워크레인 이외에도 타 건설장비의 자율화 구현을 위한 기반이 되는 결과물을 도출 할 수 있으며 이를 통해 건설산업의 생산성을 향상을 도모할 수 있음.

학술적 측면: 기존 건설관리 시뮬레이션 연구의 한계점 극복 및 범용적 기초기술과 데이터 확보
● 건설관리기술 연구를 위한 동일한 환경 내에서의 다량 및 양질의 데이터 수집은 건설 프로젝트의 성격상 높은 비용과 기간으로 인해 많은 어려움이 있음. 이를 해결하기 위해 모델링 및 시뮬레이션이 그간 주된 연구방법론으로 활용되어 왔지만 기존의 시뮬레이션 모델들은 대부분 현실적인 제약으로 인해 건설장비 및 환경에 관한 생상성 변수를 일정한 값으로 가정하여 실제의 건설현장의 현실적인 정보 및 상황을 제대로 반영하지 못하였음.
● 본 연구의 4D 시뮬레이션을 통한 데이터 생성은 본 연구 내의 타워크레인 자율화 기능 구현에의 기여를 넘어 실제 건설현장 및 장비의 물리적 특성을 반영하는 프레임워크를 제시하는 것으로 기존의 연구에서 가정치로 두었던 많은 변수들을 실제의 현장 상황에 맞게 설정할 수 있게 하여 다른 건설현장 시뮬레이션의 기초 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대함.
활용방안 ? 가상환경 기반 건설 자율화 기술 성숙도 향상
■ 본 연구 제안은 노동집약적이었던 건설산업에서 기술기반 산업으로의 패러다임 전환을 위한 원천기술 확보와 건설장비 대상 자율주행 연구를 위한 기초기술 확보를 위한, “건설현장 자동화를 위한 4D 시뮬레이션 및 강화학습 기반 타워크레인 자율운행 기초 기술 개발” 연구이며, 건설현장의 모습을 4D 시뮬레이션 운행환경으로 구축하고 건설장비 자율화기능을 설계, 실험 및 검증하는 연구를 진행함으로써, 건설 타워크레인 자율운행을 위한 4D 시뮬레이션환경 개발과 수집 데이터를 대상으로 개별적인 기능 및 모듈 실험 단계의 TRL 4단계에서 모방학습 활용 강화학습 기반 타워크레인 자율운행 기술이 개발되고, Virtual-Model을 통해 자율화 기능 검증 및 사용가능성 증명단계인 TRL 7단계로 성숙시키는 것을 목표로 함.
■ 이에 본 연구진은 골조공사 현장의 3차원 모델링 및 공정이 연계된 4D 시뮬레이션 환경을 구축하고 타워크레인 운행 모델링 및 인터페이스를 개발하여 이를 기반으로 모방학습을 위한 데이터셋을 1차년도에 구축함. 이후 End-to-End 강화학습프레임워크를 개발하여 이를 바탕으로 타워크레인 자재 이송 기능, 안전/반진동 개선을 위한 기능들을 단계적으로 학습함. 최종적으로 4D 시뮬레이션 환경 및 타워크레인 자율작업 성능 검증을 위한 실험을 설계하고 수행하는 과정을 2차년도에 실시함.
■ 본 연구에서 검증된 건설 장비의 자율화 기능을 기반으로 지속적인 데이터베이스 업데이트를 통하여 건설공사 과정의 최적화 및 시뮬레이션을 통한 장비 운용 계획 수립이 가능하고 이는 건설 장비 대상 자율주행 연구를 위한 기초기술 확보로 활용될 것임.
■ 이러한 데이터의 축적은 사용자 및 모델의 조작데이터의 양을 축적할 뿐 아니라, 다양한 시뮬레이션 환경에서의 데이터를 확보할 수 있도록 하여 강화학습 모델의 강건성을 향상하는데 기여할 수 있음. 이때 표현되는 물리적 성질은 추후 물리적 현상 분석에의 활용 및 데이터베이스의 계속적 확장을 가능케 함.
■ 이는 궁극적으로 smart construction 지능형 건설기계로서의 발판으로 휴먼에러에 의한 안전사고 발생을 미연에 방지하고, 건설 장비 자동화 실현을 통한 생산성 증대를 가능케 함.
■ 본 연구에서 개발된 강화학습 모델을 활용하여 시뮬레이션을 통한 안전 관련 위험요소들을 사전에 감지 및 파악이 가능하고, 위험 이벤트 사전 인지 및 가상환경 위험 시나리오 기반의 안전사고 대비 및 실효성 있는 안전한 장비운영을 위한 안전 구축 방안 마련이 가능하고 추후 위험원의 계속적인 범위 확장이 가능함.
? 사업 목적과 건설 자동화 연구의 적합성
■ 자동화를 통하여 생산성을 도모하는 동시에 안전성을 확보하기 위한 다양한 시도가 있었으나, 건설산업 특성상 현장 변수를 반영하는 자동화의 실현으로 보기 어려움. 특히 가상환경 구축을 통하여 현장 내 데이터 수집의 한계를 극복하고 주요장비 중 하나인 타워크레인을 중심으로 자동화 기술을 도모하는 데 있어 도전적인 시도가 될 것임.
? 건설 장비 분야 신산업 창출
■ 건설현장은 특히 실제 현장을 재현한 가상환경 플랫폼 활용의 장점이 극대화되는 분야이며, 한국건설기술연구원(2018) 보고에 따르면 2008년부터 본격화된 국내의 건설경기 침체 장기화를 해결하기 위해 첨단기술의 개발·활용을 통한 창의적인 시장 발굴 및 건설 프로세스의 혁신을 통한 획기적인 생산성 개선 등 시장변화 전략 및 신개념 패러다임의 전환이 요구되고 있음.
■ 또한 정책적으로 건설 자동화 관련 연구 투자가 계속적으로 이루어지고 있으며, 국토교통부(2018) 제1차 국토교통과학기술 연구개발 종합계획(2018~2027)에서 융합기술을 통한 건설 지능화 실현과 더불어 동 계획의 「국토교통 8대 혁신성장동력」에서는 건설산업의 생산성 향상을 위해 ‘건설 자동화’ 등 지속적 기술 수요가 존재함.
? 관련 분야 연구 활성화 기반 마련
■ 본 연구는 논문, 특허 등 다양한 학술적, 기술적 성과를 통해 건설 자동화 기술 개발 연구자 및 연구단체, 건설장비 업체에서 활용 가능한 건설 장비 자율화 기초 기술을 제안함으로써 향후 실용화를 위한 추가 연구 활성화를 지원함.
■ 이를 통해 건설 분야 뿐 아니라 장비 자동화 분야의 유관기관 연구진들에게 연구 협력과 융합의 통로 역할을 수행할 수 있었음으로 사료되며, 활용성을 인정받아 연구 개발 진행의 대내외적 신뢰도를 증대시켰음.
■ 뿐만 아니라 본 연구의 연구 성과 기술, 모델 및 시나리오를 기반으로 오픈소스 플랫폼을 통하여, 데이터를 지속적으로 확장할 계획이기 때문에 보다 정교해진 기술을 통하여 국내외 연구자들의 건설장비 대상 자율주행 연구를 위한 기초 자료로써 활용 가능한 기반이 될 수 있을 것으로 예상됨.
핵심어
핵심어
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 타워크레인 건설무인화 장비자율화 시뮬레이션 가상환경
영문 Tower Crane Unmanned Construction Autonomous Driving Equipment Simulation Virtual Environment
최종보고서
핵심어
최종보고서
  • 담당부서해당 사업실
  • 담당자과제 담당자
  • 연락처 -