1. 서 론
2. 타워크레인 작업기록장치 기능 및 개발
2.1. 기능요구조건
2.2. 작업기록장치 시제품 개발
3. 타워크레인 운행기록장치 시험적용
3.1. 시험적용 환경
3.2. 시험적용 결과
4. 결 론
1. 서 론
타워크레인은 건설 현장의 필수 장비이지만, 높은 인명피해를 유발하는 중대 산업재해의 주요 원인으로 지적되고 있다. 타워크레인 사고 저감 대책 연구에 따르면 2013년부터 2017년 사이 총 26건의 사고가 발생하고 그중 사망 29명, 부상 44명으로 조사되었다.(1) 국내 타워크레인 사고 통계는 그 심각성을 여실히 보여주며, 이는 사회적, 경제적 손실로 이어지고 있다. 기존의 사고분석은 전문가 의견이나 현장 작업자의 주관적인 진술에 의존하는 경우가 많아 객관성과 신뢰성이 부족하다는 한계를 지니고 있다. 또한, 관리 데이터의 부족과 복잡한 사고원인으로 인해 정확한 원인 규명 및 효과적인 예방 대책 마련에 어려움을 겪고 있다.
2017년과 2019년에는 타워크레인에서 기인한 대형 사고 발생 이후 정부는 관련 법규를 개정하여 설치·해체 및 검사 절차를 강화하였지만, 근본적인 원인 해결에는 미흡한 실정이다. 타워크레인 사고는 작업에 대한 상황을 알 수 없고 현장의 증언이나 작업자의 의견 수렴에 초점을 맞추어 진행되어 직접적인 사고원인을 규명하는 데는 한계가 있었다. 타워크레인 운용할 때 작업 상태를 알 수 있는 기록이 존재하지 않은 상태에서 나오는 추정의 형태로 원인을 찾아내는 방법으로 진행됐다.
운영시스템에 대한 기록장치는 다른 산업 부분에서 활발히 활용되고 있다. 자동차산업에서는 최근 급발진 사고에 대한 원인을 증명하기 위한 연구가 진행되고 있다.(2) 자동차 블랙박스의 사고분석 사례를 분석하여 EDR(Event Data Recorders) 개선에 관한 연구 또한 진행된 사례가 존재하고 있다.(3) EDR(Event Data Recorder) 보고서를 활용한 교통사고 조사 연구도 진행되었다.(4) 시내버스에도 운행기록을 모니터링하여 운전기록이나 습관을 기반으로 개별적 관리체계를 구축하는 연구가 진행되었다.(5) 첨단기술의 흐름에 맞추어 자율주행차의 사고조사를 위해 EDR분석을 통해 조사 기준을 개발하는 연구도 있었다.(6) 이와 같은 연구들은 자동차의 사고기록장치를 기반으로 한 연구이다.
하지만, 국내 타워크레인에는 이와 같은 작동에 대한 기록장치 기반이 조성되어 있지 않은 실정이다. 그러나, KS B ISO 10245-3(7)에서도 타워크레인의 작업기록장치 설치를 권고하고 있으며, 일부 해외 제작사에서는 이미 이러한 기능을 탑재한 제품을 출시하고 있다.(8)
이에 본 연구는 타워크레인의 작동 상태와 주변 환경에 대한 기록장치(작업기록장치)를 개발하고 운용되고 있는 타워크레인에 작업에 대한 신호를 감지할 수 있는 센서와 그 신호를 기록하는 장치 및 기록에 대한 분석 내용을 제시하고자 하며, 이를 통해 타워크레인의 안전성과 효율성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
2. 타워크레인 작업기록장치 기능 및 개발
2.1. 기능요구조건
타워크레인 작업은 중량물을 상승시켜서 원하는 지점으로 이동(작업반경 내 이동 및 선회)하여 하강시키는 역할을 한다. 이 작업 시 중량물의 하중과 작업을 이동하는 위치의 정보의 데이터가 필요하며 다음과 같은 4가지의 기능이 요구된다.
첫 번째로 타워크레인의 작업반경에 대한 정보가 필요하다. 하지만, 지브의 형태로 T형과 L형에서 구성이 다르다.(9) T형의 경우 메인지브를 트롤리로 이동하여 작업 범위를 설정하고 L형의 경우 메인지브의 각도를 이용한다. 그래서 작업 범위를 알 수 있는 센서는 트롤리의 이동범위와 지브 각도를 알 수 있어야 한다.
둘째, 중량물의 하중이나 작업 범위에서의 들어 올릴 수 있는 하중에 대한 정보가 필요하다. 이는 타워크레인에서 주로 사용하는 과부하방지 장치와 유사한 기능이 요구된다.
또한, 타워크레인이 선회할 때 기준점을 잡고서 선회할 때 기준점으로부터 회전 각도를 알 수 있는 데이터가 요구된다.
그리고 타워크레인이 작업할 때 그 당시의 날씨를 알 수 있어야 한다. 대부분 기상청의 자료를 통하여 비, 눈, 맑음 등의 내용을 넓은 범위에서 알 수 있다. 하지만 풍속은 타워크레인 작업 중지와 연관된 사항으로 넓은 범위의 내용보다는 현장의 내용이 중요하다.
이러한 신호를 센서로 감지, 계기장치(인디게이터)로 수집하고 계기장치(인디게이터)에서 별도의 데이터를 저장할 수 있는 장치로 이동하는 시스템으로 구성되어야 한다. 데이터의 신호는 1초 단위로 수신하고 저장하는 방식으로 구성하였다. 이 데이터 기록장치는 타워크레인 내부서 설치하고 충격이나 고장이 발생할 수도 있으므로 외부에서도 저장할 수 있도록 설계가 필요하다.
2.2. 작업기록장치 시제품 개발
2.2.1. 시스템 개요
본 연구에서는 타워크레인의 운용 데이터를 수집하기 위해 다양한 센서를 Fig. 1과 같이 설치하였다. 주요 센서로는 데이터 수집 박스, 로드셀, 각도센서, 선회 엔코더, 풍속계 등이 있으며, 각 센서는 타워크레인의 작업 상태를 실시간으로 모니터링하는 역할을 수행한다. 각 센서의 역할은 다음과 같다.
타워크레인에 설치된 로드셀은 중량물의 하중을 감지하여 현재 작업 중량을 측정하는 중량감지장치 역할을 한다. 작업 범위를 감지하기 위하여 T형의 경우 트롤리 윈치에 포텐셔미터를 설치하였으며 L형의 경우 각도센서(0도∼90도)를 지브에 설치하여 반경에 대한 정보를 제공하는 작업반경감지장치 역할을 한다. 타워크레인 방향의 정보는 턴테이블에 선회 엔코더를 설치하여 0도부터 360도의 회전 각도를 측정할 수 있도록 하여 회전감지장치 역할을 수행한다. 이러한 작업기록에 대한 센서는 조종실의 모니터로 수신되고 데이터화하여 타워크레인에 별도로 설치된 데이터 수집 박스의 저장장치에 저장되는 구조이다. 또한, 타워크레인 상부에 설치된 데이터 수집 박스는 데이터를 수집하고 처리하는 역할을 수행하였다. 수집된 데이터는 시간, 날짜, 하중, 작업 반경 등을 포함하며, 내부 메모리에 저장되거나 외부 서버로 LET통신을 통하여 전송되어 작업 환경을 안전하게 관리한다.
2.2.2. 중량감지 장치
중량감지장치는 타워크레인 메인지브 또는 켓헤드의 호이스트 와이어로프 경로상에 설치하는 로드셀이 담당한다. 이는 기존 타워크레인 설치된 센서로서 Fig. 2와 같다.
센서의 원리는 와이어로프의 장력으로부터 로드셀에 가해지는 압력을 전압으로 감지하여 중량을 감지하고 하중으로 변환한다. 이 감지량은 후크에 중량물이있는 경우나 없는 경우 모두 알 수 있다. 감지된 신호는 계측장치(인디게이터)에서 톤단위(분해능 10-1)로 데이터화 되어 데이터 수집박스로 전송하도록 구성되었다.
2.2.3. 작업반경감지 장치
작업반경은 2.1절에서 설명한 바와 같이, T형과 L형으로 나누어 고려해야 한다. T형의 경우 트롤리 윈치 드럼 외부의 축 연장 선상에 설치한다. 이 센서는 포텐셔미터(Fig. 3)이고 타워크레인에 트롤리 윈치에 설치된 상태이며 회전을 감지하여 트롤리 윈치의 정회전 및 역회전식 메인지브의 거리를 계산하여 데이터를 전송한다.
L형 지브의 경우 메인 지브의 대각 브레이싱 또는 브라켓에 설치된 각도 센서(Fig. 4)를 이용하여 작업반경을 측정하였다. 각도 센서가 감지한 지브의 각도 값은 메인 지브의 길이와 함께 삼각함수를 이용한 계산을 통해 작업 반경으로 변환된다. 변환된 작업반경 데이터는 조종실 모니터에 미터 단위(분해능 10-1)로 표시되고, 동시에 데이터 수집 박스로 전송되어 체계적으로 관리된다.
위의 언급된 작업반경은 X축으로 이동하는 내용이었으며 Y축(상·하)에 대한 작업반경을 알 수 있도록 호이스트 위치 드럼 외부 축의 연장 선상에 포텐셔미터를 설치하였다. 이는 Fig. 3과 같은 형태이며 타워크레인에 설치된 안전장치를 이용한 센서이다. 이 센서를 통해 후크의 높이 상태를 알 수 있도록 하였으며 미터 단위로 데이터화 하여 데이터 수집 박스로 전송한다. 0점의 기준은 공사현장의 가장 바닥면(지하)으로 정하였다.
2.2.4. 슬루잉 회전감지장치
타워크레인의 정확한 선회 각도 측정을 위해 턴테이블의 선회 링 기어에 엔코더를 추가로 설치하였다(Fig. 5). 엔코더는 턴테이블의 회전을 디지털 신호로 변환하여 실시간으로 선회 각도를 측정하며, 기준점을 타워크레인 정면으로 설정하여 0°부터 360°까지의 각도를 측정한다. 측정된 선회 각도 데이터는 데이터 수집 박스로 전송되어 다른 센서 데이터와 함께 통합 관리된다. 이를 통해 타워크레인의 정확한 작업 위치를 파악할 수 있다.
2.2.5. 풍속측정장치
타워크레인 작업 환경의 안전성을 확보하고 작업 중지 기준을 마련하기 위해 Fig. 6과 같이 풍속계를 설치하였다. 풍속계는 타워크레인의 최상단 또는 켓헤드에 설치되어 실시간으로 풍속을 측정하고, 측정된 풍속 데이터를 전압 신호로 변환한다. 변환된 전압 신호는 조종실 모니터를 통해 초속 미터 단위로 표시되며, 동시에 데이터 수집 박스로 전송되어 체계적으로 관리된다. 측정된 풍속 데이터는 작업 환경의 안전성 평가에 활용될 뿐만 아니라, 강풍 시 작업 중지를 위한 기준으로 활용되어 작업자의 안전을 확보하는 데 필요성이 강조된다. 특히, 타워크레인의 높이에 따른 풍속 변화를 고려하여 최상단에 풍속계를 설치함으로써 더욱 정확한 풍속 정보를 얻을 수 있도록 하였다.
2.2.6. 모니터링 장치
다양한 센서(로드셀, 포텐셔미터, 각도 센서, 엔코더, 풍속계)로부터 수집된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 조종실 모니터에 실시간으로 표시하였다. 즉, 각 센서에서 측정된 데이터는 내부 통신망을 통해 조종실 모니터로 전송되어 작업 상태를 수치화된 데이터로 확인할 수 있도록 하였다. 더 나아가, 통신망을 통해 외부 PC(Fig. 7)와 연결하여 원격으로 작업 현장을 모니터링할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이를 통해 작업자는 조종실에서뿐만 아니라 외부에서도 타워크레인의 실시간 상태를 파악할 수 있다.
2.2.7. 데이터 저장 시스템
데이터 수집박스는 Fig. 8과 같이 타워크레인 상부에 설치하여 각 부에서 발생하는 데이터화된 신호를 수집하고 프로세서를 통해 별도의 내장 저장장치에 저장하거나 LTE 통신 장비를 통해 클라우드로 전송하는 시스템이다.
3. 타워크레인 운행기록장치 시험적용
3.1. 시험적용 환경
본 연구를 위해 총 8대의 타워크레인(T형 5대, L형 3대)을 대상으로 건설현장에 설치하여 적용실험을 수행하였다. 다양한 건설 현장 환경에서의 타워크레인 운용 데이터를 확보하기 위해, 경기, 충청, 경상, 호남 지역의 대표적인 건설 현장에 설치한 8대의 타워크레인을 선정하였다. 각 타워크레인은 규모와 작업 특성이 다르며, 10개월 동안 지속해서 운용 데이터를 수집하여 분석하였다.
3.2. 시험적용 결과
개발된 시스템은 타워크레인의 다양한 운용 데이터를 1초 단위로 정확하게 수집하여 실시간으로 시각화하는 데 성공하였다. PC 화면(Fig. 9)을 통해 작업 하중, 작업반경, 지브 방향 등 필수적인 정보를 확인할 수 있었으며, 시스템의 정상 작동 여부도 실시간으로 모니터링할 수 있었다. 이를 통해 작업자는 타워크레인의 운용 상태를 한눈에 파악하고, 안전한 작업 수행을 위한 정보를 얻을 수 있다.
또한, 개발된 시스템을 통해 수집된 데이터는 기존 연구 결과와 비교하여 높은 정확도를 보였다. 특히, 하중 측정값은 기존 로드셀의 측정값과 95% 이상 일치하는 결과를 나타냈다. 이는 개발된 시스템이 타워크레인의 운용 데이터를 정확하게 수집하고 분석할 수 있음을 의미한다.
개발된 시스템을 통해 수집된 데이터를 기반으로 타워크레인의 운용 패턴을 분석하였다. 분석 결과, 타워크레인은 주로 반복적인 작업을 수행하며, 특정 작업 영역에서 집중적으로 운용되는 것으로 나타났다. Fig. 10은 개발된 시스템을 통해 수집된 세부 작업 데이터를 시각화한 것이다. Fig. 10(a)은 시간대별 하중 변화를 나타내며, 분석 결과 4톤 중량물을 주로 취급하는 것으로 나타났다. Fig. 10(b)은 후크 높이 변화를 나타내며, 지상 1층(약 20 m)에서 주로 작업이 이루어졌음을 보여준다. Fig. 10(c, d)은 작업반경과 작업 각도의 상관관계를 보여주며, 각도가 커질수록 작업반경이 감소하는 일반적인 패턴을 확인할 수 있었다.
수집된 데이터를 시간별로 분석하여 작업 시간, 오류 시간, 휴무 시간 등을 도출하였다. Fig. 11은 시간대별 작업 시간 비율을 나타낸 그래프이다. 분석 결과, 대부분의 시간대에서 정상적인 작업이 이루어졌으나, 일부 시간대에서는 노이즈 신호로 인한 오류 데이터가 발생하였다. 이는 노후화된 전선 등으로 인한 센서 오류로 판단되며, 향후 데이터 신뢰도 향상을 위해 센서 교체 등의 개선이 필요하다.
Fig. 12에는 수집된 데이터의 분포를 나타내었다. 분석 결과, 전체 데이터의 약 2/3가 실제 작업기록으로 확인되었으며, 나머지는 휴일 기록 또는 노이즈에 의한 오류 데이터로 판단되었다. 이는 개발된 시스템이 타워크레인의 운용 데이터를 효과적으로 수집하고 있음을 의미한다.
Fig. 13의 분석 결과, 타워크레인의 월별 가동 시간은 설치 초기와 겨울철에 다소 감소하는 경향을 보였으며, 나머지 기간에는 비교적 일정한 수준을 유지하였다. 이는 설치 초기의 진행 상황, 겨울철 기상 악화 및 기상 조건, 명절 연휴 등 다양한 요인이 복합적으로 작용할 수 있다.
Fig. 14는 오전 8시경 수행된 한 건의 작업에 대한 상세 데이터를 보여준다. 후크 높이가 감소하고, 작업반경이 증가하며, 작업 각도가 감소하는 과정을 통해 중량물을 인양하여 지상으로 내리는 작업이 수행되었음을 확인할 수 있다. 특히, 7시 56분경 작업반경이 25 m에서 40 m로 확대되면서 작업 각도가 65도에서 55도로 감소하는 등 작업 패턴의 변화가 뚜렷하게 나타났다.
작업 데이터 시스템에 대한 종합적인 성능평가 결과, 시스템 구성 및 데이터 저장 방식은 적합한 것으로 판단된다. 하중, 작업반경 등 주요 데이터를 정확하게 수집하고 있으며, 센서 및 데이터 수집 장치의 안정적인 작동을 통해 신뢰성 있는 데이터를 확보하였다.
다만, 일부 노후화된 타워크레인의 배선으로 인해 데이터에 노이즈가 발생하는 현상이 확인되어 데이터 정확도에 미미한 영향을 줄 수 있었다. 이러한 문제 해결을 위해 영상 기록장치 추가를 통한 데이터 검증 및 보완을 고려할 수 있으며, 장기적인 관점에서는 노후화된 배선 교체를 추진하여 데이터 신뢰도를 더욱 향상할 수 있었다.
외부 환경에서의 장기간 운용 결과, 센서 및 수집 장치의 안정적인 작동을 통해 외부 환경에서의 지속적인 사용이 가능함을 확인되었다.
하지만, 분석 결과 일부 노이즈 발생 및 데이터 이상 현상이 확인되어 시스템의 안정성에 관한 추가적인 연구가 필요함을 확인하였다. 특히, 타워크레인 노후화에 따른 배선문제로 노이즈 발생 현상은 시스템의 신뢰도를 저해하고, 정확한 데이터 분석을 어렵게 만드는 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 작업기록장치 이외의 영상을 기록할 수 있는 장치 등의 후속 연구가 필요하다.
본 연구를 통해 구축된 시스템을 통해 타워크레인 작업의 사고조사 분석의 기초 자료취득에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 건설 현장의 기록 관리 시스템 개발에도 중요한 기여할 수 있을 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 타워크레인 작업기록장치의 성능 및 신뢰성을 종합적으로 평가하고, 이를 현장에 적용하여 다양한 데이터를 수집·분석하였다. 그 결과, 장치 구성, 데이터 수집 방법, 저장 방식 등은 대체로 적절하게 설계되었으며, 각 센서에서 수집된 데이터는 높은 정확도를 보여 시스템의 신뢰성을 확보하였다.
외부 환경에서 장기간 운용한 결과, 센서 및 데이터 수집 장치는 안정적으로 작동하였으며, 극한의 기상 조건에서도 시스템이 지속해서 데이터를 수집할 수 있음을 확인하였다. 이는 타워크레인 작업 기록장치가 실제 건설 현장에서 유용하게 활용될 수 있음을 시사하며, 안전성 향상 및 사고 예방에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
다만, 일부 노후화된 타워크레인의 배선 문제로 인해 데이터에 미세한 노이즈가 발생한 사례가 있었다. 이러한 문제는 향후 배선 교체를 통해 해결될 수 있을 것이며, 추가로 영상 기록장치와 같은 보조 장치 도입을 고려할 수 있다. 이를 통해 데이터의 신뢰도를 더욱 향상하고, 작업 환경의 안전성을 강화할 수 있을 것이다.
향후 연구에서는 다양한 환경 조건에서의 장기간 실험을 통해 데이터 신뢰성을 더욱 높이는 방법을 모색해야 하며, 데이터 분석 기술을 고도화하여 타워크레인의 운용 패턴을 실시간으로 분석하고, 이상 상황을 자동으로 탐지하는 기능을 추가하는 것도 유의미할 것으로 보인다.
