1. 서 론

안전하고 지속가능한 건설현장의 운영을 위해 소음, 분진, 진동, 온 ․ 습도 등의 환경정보 모니터링은 매우 중요하다^{(Ballesteros et al., 2010; Eom and Paek, 2009; Lee et al., 2021)}. 소음은 건설 중장비(굴삭기, 덤프트럭 등)의 구동 및 작업으로 인한 기계적 소음, 도로/터널 현장의 발파로 인한 소음, 그 외 현장에서 발생하는 소음을 모두 포함한다^{(Noise and Vibration Control Act, 2023)}. 소음으로 인한 산업재해 사례는 2016년 472건에서 2021년 4,168건으로 꾸준히 증가하고 있다^{(Korea Occupational Safety and Health Agency, 2022)}. 소음으로 인한 국내 건설공사 관련 민원은 전체의 81.5%를 차지하고^{(National Environmental Dispute Resolution Commission, 2023)}, 이러한 민원은 평균 5.9개월의 공기 지연을 야기하며 공사 수행에 심각한 영향을 미치고 있다^{(Korea Occupational Safety and Health Agency, 2022)}. 분진은 건설 중장비(굴삭기, 덤프트럭 등)의 구동 및 작업으로 인해 발생하는 분진, 도로/터널 현장의 발파로 인한 분진, 그 외 일시적인 강한 바람에 의해 발생하는 분진 등을 모두 포함한다. 작업자가 심각한 분진에 지속적으로 노출되는 경우 건강에 치명적일 수 있고, 분진 발생으로 인해 시야를 확보하지 못해 안전사고가 발생할 수 있으며, 중장비의 기계적 결함에도 영향을 미친다고 알려져 있다^{(Hwang et al., 2022)}. 대기환경보전법 및 비산먼지 관리 매뉴얼에 따라 건설현장은 분진 발생량을 관리해야 한다^{(Clean Air Conservation Act, 2023; Ministry of Environment, 2021)}. 진동은 건설 중장비(굴삭기, 덤프트럭 등)의 구동 및 작업으로 인해 발생하는 진동, 도로/터널 현장의 발파로 인한 진동, 그 외 현장에서 발생하는 진동을 모두 포함한다. 건설현장의 진동은 주변 민가/건축물/농장 등에 영향을 미치기 때문에 면밀하게 관리되어야 한다. 온․습도는 건설현장의 작업계획을 수립하고 작업자의 건강과 안전을 관리하기 위해 사용된다. 온․습도가 너무 높거나 낮은 환경에서는 콘크리트 양생 등 현장 품질을 확보하기 어렵고, 작업자의 건강과 안전에 치명적인 영향을 미치기 때문에 작업을 중지하도록 권고하고 있다^{(Occupational Safety and Health Act, 2023)}.

소음, 분진, 진동, 온․습도를 측정하기 위한 센서가 상용되고 있지만, 비용, 안정성, 사용성 등의 이유로 인해 건설현장에서 사용하기 어려운 상황이다^{(Lee et al., 2022; Lee et al., 2023)}. 첫 번째로, 환경정보를 측정하기 위한 상용 센서는 단가가 수십에서 수천 만 원에 달하는 고가의 장비이다. 이에 따라, 대부분 건설현장의 출입구 주변이나 중장비의 주요 작업구역 등 극히 일부 지점에만 센서를 설치하고, 해당 센서로부터 측정된 수치로 전체 현장의 소음을 추정하고 있다^{(Kwon et al., 2018; Li et al., 2016; Mousavian et al., 2017)}. 하지만, 극히 일부 지점에서만 측정된 데이터로는 넓고 복잡한 건설현장의 환경정보를 대표하기 어렵다는 한계점이 존재한다. 두 번째로, 상용 센서는 건설현장과 같은 가혹한 환경에서 사용하도록 설계되지 않은 경우가 많기 때문에, 센서가 쉽게 고장나거나 측정값이 불안정한 이슈가 존재한다. 세 번째로, 건설현장의 소음, 분진, 진동, 온․습도를 모니터링하기 위해 개별적인 센서를 설치하고 관리하기 위한 인력, 비용, 공간의 확보가 어렵다는 한계점이 있다.

건설현장의 소음, 분진, 진동, 온․습도 등 환경정보 데이터 수집이 중요함에도 불구하고, 상용 센서들의 비용, 안정성, 사용성 문제로 인해 환경정보를 측정하는데 어려움을 겪고 있다. 본 연구는 상용 센서의 문제를 개선하여 건설현장의 소음, 분진, 진동, 온․습도를 효율적으로 측정할 수 있는 통합 센싱모듈을 개발하는 것을 목표로 한다. 구체적으로, 상용 센서의 1/20 수준의 비용으로 설치할 수 있으며, 야외의 가혹한 환경에서 일주일 이상 연속적으로 데이터를 센싱할 수 있고, 하나의 모듈에 통합되어 편리한 설치 및 관리 등이 가능하도록 개발했다. 현장에서 통합 센싱모듈을 효과적으로 사용하기 위해 Global Positioning System(GPS) 기능을 탑재하여 센서 설치 위치를 자동 파악하고, Long-Term Evolution(LTE) 무선통신망으로 센서와 데이터베이스 서버가 통신하며, 현장의 실시간 환경정보 업데이트를 위한 실시간 센싱(1분 이내)을 지원한다. 도로공사표준시방서, 환경영향평가서 작성 및 검토 매뉴얼, 소음․진동관리법, 대기환경보전법, 비산먼지 관리 매뉴얼 등 건설분야의 규정/법령/지침에 의거하여 건설현장에서 파악해야 하는 중요한 환경정보로 소음, 분진, 진동, 온․습도 등 4가지를 선정했다.

2. 선행연구 조사

3. 통합 센싱모듈 개발

3.2 통합 센싱모듈의 설계

센싱모듈은 현장에서 편리하게 사용하도록 간이 백엽상(지름 65 mm, 높이 142 mm) 내부의 원통에 설치 가능한 크기로 설계되었다(Fig. 1(a)). 간이 백엽상은 직사광선과 강우 등 외부로부터 센서를 보호하면서 공기 순환을 허용하고, 시중에서 손쉽게 구할 수 있다. 센싱모듈을 4개의 층으로 나누고 각 층에 센서와 모듈을 배치했다(Fig. 1(b)). LTE/GPS 모듈은 원활한 네트워크 통신을 위해 상단부에 배치했다. 분진 센서는 다른 센서에 비해 부피가 크고 작동 시 소음을 발생하기 때문에 다른 센서에 미치는 영향을 최소화하기 위해 소음, 온․습도, 진동 센서와 최대한 멀리 배치했다. MCU 모듈을 중단부에 배치하고, 전원 연결부를 하단에 배치하여 센싱모듈 설계를 완료했다.

Fig. 1. Conceptual Design of Sensing Module: (a) Instrument Shelter, (b) Sensor Placement

4. 통합 센싱모듈의 성능 검증을 위한 실험 설계

센싱모듈의 성능을 검증하기 위해 국가 인증을 받은 고가의 센서와 비교하는 실험을 수행했다. 특히, 건설현장에서 가장 자주 사용되며, 높은 정확도와 정밀도가 요구되는 소음과 분진에 대해 검증 실험을 진행했다. 온․습도의 경우, 현장 내부의 위치에 따라 값이 크게 변하지 않으며 기상청 데이터와 비교할 수 있기 때문에 별도의 검증 실험을 수행하지 않았다. 진동의 경우, 건설현장의 진동을 측정하기 위해서는 지면 또는 중장비에 센서를 부착해야 하는 이슈가 발생했다. 본 연구에서는 진동 데이터가 데이터베이스로 원활하게 수집되는 것까지 검증하고, 실제 진동값과 비교하는 후속 연구를 통해 센싱모듈을 개선할 계획이다.

4.1 소음 측정에 대한 성능 검증 실험

건설현장 환경정보 통합 센싱모듈의 소음 측정 성능을 평가하기 위해 기계소음 계측 분야의 전문가 자문을 바탕으로 서울대학교 반무향실(Semi-Anechoic Room)에서 실험환경을 구축했다. 반무향실은 외부 소음을 차단하고 소리의 반사를 방지하는 공간으로, 소음의 음향 레벨 측정에 사용되는 실험 환경이다(Fig. 2(a)).

소음 센서는 소리의 크기(dB)와 주파수(Hz)가 동일하다면 같은 소리로 인식하므로, 건설현장 중장비와 유사한 소음(87, 31.5~8,000)을 활용했다. 소음원을 중심으로 1개의 기준센서와 3개의 활용센서(센싱모듈)을 설치했다(Fig. 2(b)). 기준센서로는 2015년 환경부 환경측정기기 형식승인을 받았고, IEC61672-1 2003 Class 2 정밀 소음계 국제 표준을 만족하는 TES-53S 모델을 활용했다.

Fig. 2. Experimental Design for Noise Sensing Evaluation: (a) Semi-Anechoic Room, (b) Noise Sensor Placement

4.2 분진 측정에 대한 성능 검증 실험

건설현장 환경정보 통합 센싱모듈의 분진 측정 성능을 평가하기 위해 서울시 관악구 대기측정소의 대기환경시스템 기준센서와 측정값을 비교하는 실험을 진행했다(Fig. 3(a)). 센싱모듈을 기준센서에 가까이 설치한 뒤 측정값 평균을 비교했다(Fig. 3(b)).

Fig. 3. Experimental Design for Dust Sensing Evaluation: (a) Air Environment System, (b) Dust Sensor Placement

5. 연구 결과 및 고찰

5.1 센싱모듈 프로토타입 제작

센싱모듈의 현장 검증을 수행하기 위해 설계도를 바탕으로 센싱모듈 프로토타입을 제작했다(Fig. 4(a)). 센싱모듈의 설계 및 개발에 소요된 인건비와 재료비를 제외하고, 제작 및 양산에 소요되는 비용은 개당 38만 원이 소요되었다. 현장에서 많이 사용되는 환경정보 측정 센서의 개별 단가가 소음 약 98만 원(TES-53S), 분진 약 1,000만 원(OAQ-T3CC), 온․습도 약 35만 원(WH-2300S)으로 진동 센서를 제외하고 약 1,133만 원임을 고려할 때, 설치 단가를 약 3.3%(=38/1,133) 수준으로 감축했다. 센싱모듈은 소형 보조배터리와 함께 삼각대에 부착하여 현장에 설치된다(Fig. 4(b)). U자형 브라켓(Bracket)을 사용하여 삼각대의 목 부분에 간단히 고정할 수 있고, 크기가 작고 가벼워 공사 진행에 따라 센싱모듈의 위치를 조정할 수 있다.

Fig. 4. Installation of Integrated Sensing Module: (a) Sensing Module Prototype, (b) Site Installation

5.2 소음 측정에 대한 성능 검증 결과

일정한 시간(630초) 동안 소음을 측정한 뒤, 환경부의 “건설기계, 휴대용 음향기기 및 가전제품 소음도 검사방법” 고시에 따라 15초 단위의 평균값을 비교했다(Fig. 5). 또한, 기준센서(TES-53S)의 측정값과 센싱모듈의 측정값을 정확도(평균 오차)와 정밀도(분산 오차)의 측면에서 비교했다. 정확도(Accuracy)는 센싱모듈이 측정한 값($x_{m}$)과 기준센서가 측정한 값($x_{s}$)이 얼마나 유사한지 나타내는 지표로, 고가․고성능의 기준센서 대비 센싱모듈의 측정 성능을 파악하는데 활용된다(Eq. (1)). 정밀도(Precision)는 서로 다른 센싱모듈의 측정값이 얼마나 유사한지 나타내는 지표로, 본 연구를 통해 자체 개발 및 제작한 센싱모듈이 일정한 성능을 확보할 수 있는지 파악하는데 활용된다(Eq. (2)). 실험 결과, 평균 정확도 97.5%와 평균 정밀도 99.9%의 우수한 성능을 확보했다(Fig. 6). 이는 센싱모듈이 건설현장에서 사용되는 중장비 소음(약 87 dB)을 2.175 dB(2.5%) 오차로 정확하게 측정할 수 있음을 시사한다. 생활소음․진동의 규제기준이 소음의 크기를 5 dB 간격으로 설정하고 있으므로^{(Noise and Vibration Control Act, 2023)} 센싱모듈을 실제 현장에서 충분히 활용 가능한 것으로 판단된다.

(1)

$Accuracy=\left(1-\left |\dfrac{x_{s}-x_{m}}{x_{s}}\right |\right)\times 100$

(2)

$Precision=\left(1-\dfrac{STD(x_{m})}{AVERA\ge(x_{m})}\right)\times 100$

Fig. 5. Results of Noise Sensing(Measured Value)

Fig. 6. Results of Noise Sensing: (a) Accuracy, (b) Precision

5.3 분진 측정에 대한 성능 검증 결과

총 8시간 동안 실험을 진행했고, 환경부의 초미세먼지 간이측정기 성능인증제에 따라 1시간 동안 분진을 측정한 뒤 센싱모듈의 측정값 평균과 기준센서의 측정값 평균을 비교했다(Fig. 7). 정확도 계산은 소음 측정에 대한 성능 검증 시 사용한 수식을 활용했다(Eq. (1)). 실험 결과, 평균 정확도 89.7%의 준수한 성능을 확인했다(Table 5). 미세먼지 간이측정기 인증제도에 따르면 현장 성능평가에서 정확도를 80% 초과하는 센서를 1등급으로 분류하고 있기 때문에, 센싱모듈은 현장에서 충분히 활용 가능한 수준의 성능을 보이고 있다^{(Special Act on the Reduction and Management of Fine Dust, 2023)}. 기준센서와의 측정값 차이를 반복적으로 학습하여 후처리(Post-processing)하는 기술이나 건설현장에서 발생하는 분진에 맞춤화된 센서를 개발하는 후속 연구를 통해 성능을 향상할 수 있다.

Fig. 7. Results of Dust Sensing(Measured Value)

Table 5. Results of Dust Sensing(Accuracy)

Trial	Measured Value of Senging Module (μg/m3)	Measured Value of Standard Sensor (μg/m3)	Accuracy (%)
1	11	10	90.9
2	11	12	90.9
3	8	8	100.0
4	8	7	87.5
5	7	5	71.4
6	7	6	85.7
7	11	10	90.9
8	11	11	100.0
Average	-	-	89.7

6. 결 론

건설현장의 안전 및 지속가능성을 위해 소음, 분진, 진동, 온․습도 등 환경정보 모니터링이 중요하다. 이러한 환경정보를 측정하기 위한 상용 센서들은 비용, 안정성, 사용성 등의 이유로 건설현장에서 사용하기 어려운 실정이다. 본 연구는 상용 센서의 문제를 개선하여 현장의 환경정보를 효과적으로 측정할 수 있는 통합 센싱모듈을 개발했다.

본 연구의 결과물인 건설현장 환경정보 통합 센싱모듈은 상용 센서 대비 3.3% 수준의 비용만으로 소음, 분진, 진동, 온․습도 등 주요 환경정보를 측정할 수 있다. 센서 설치에 소요되는 비용을 효과적으로 감축함으로써 현장의 부담을 완화하고, 다수의 센서를 현장에 설치하도록 유도한다. 또한, 건설현장과 같이 가혹한 환경에서도 안정적으로 데이터를 수집하도록 설계되었으며, GPS와 LTE를 활용하여 데이터베이스 서버와 자동으로 통신한다. 이러한 특장점을 바탕으로 현장으로부터 대량 및 양질의 환경정보 데이터를 수집하는데 기여한다. 수집된 환경정보 데이터를 분석함으로써 (1) 환경 관련 규정/법령의 준수 여부에 대한 객관적인 평가, (2) 작업 계획에 따른 환경정보 발생 및 확산 시뮬레이션, (3) 데이터에 기반한 환경 저감대책 수립 등 다양한 현장 의사결정을 지원할 수 있다. 본 연구는 건설현장 환경정보 통합 센싱모듈을 개발하기 위해 (1) 넓고 복잡한 현장에 다수의 센서를 설치해야 하고, (2) 야외에 노출된 가혹한 환경에서 센서를 운용해야 하며, (3) 1분 이내의 실시간 데이터를 수집해야 하는 건설현장의 특성을 반영했다는 점에서 학술적 기여점을 확보했다. 본 연구의 결과인 건설현장 환경정보 통합 센싱모듈은 도로, 건물, 교량, 터널 등 다양한 특성을 가지는 건설현장의 환경정보 데이터를 효과적으로 수집하여 건설분야 환경정보 연구를 활성화할 수 있다. 또한, 플랜트, 제조, 항공, 항만 등 다른 산업에서도 사용 가능한 센싱모듈을 개발하는 후속 연구로 확장될 수 있다.

국내의 다양한 건설현장에서 연구 결과물의 성능을 검증했고, 이를 통해 후속 연구의 방향성을 수립할 수 있다. 첫 번째로, 진동의 정확한 측정을 위해 하드웨어 개선을 계획했다. 진동은 발파 공사와 관련된 민원의 주된 요소로, 건설현장 실무자들에게는 소음과 함께 가장 중요한 환경정보로 인식되고 있다. 하지만 현재 개발된 센싱모듈은 삼각대 위에 설치되기 때문에 현장 지면의 진동이 삼각대에 의해 감쇠되어 측정되는 한계점을 보였다. 후속 연구에서는 진동 센서를 지면에 부착하여 진동의 확산을 보다 정확하게 측정할 수 있도록 개선할 수 있다. 두 번째로, 현재 개발된 센싱모듈은 주로 넓고 평평한 도로 건설현장에서 검증을 수행했다. 좁고 높은 건축 현장, 공중에서 작업이 이루어지는 교량 현장, 어둡고 습한 터널 현장 등 다양한 조건에서 활용될 수 있도록 센싱모듈의 하드웨어/소프트웨어를 고도화할 수 있다.