건설기계의 SDM 플랫폼 기술 동향
<목차>
0. 요약
1. 기술의 배경
2. SDM 기술의 개념
3. 시장 동향
4. 관련 기술 동향
5. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- SDM(Software-Defined Machine)은 건설기계의 주요 기능을 하드웨어가 아닌 소프트웨어 중심으로 정의하여 장비의 다양한 기능 개발과 서비스 제공을 가능하게 하는 새로운 개념의 건설기계이다.
- 최근 건설기계산업은 디지털전환과 스마트 건설 환경 조성에 따라 데이터 기반 운영, 자동화, 친환경 요구에 대한 대응이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이를 위해 작업 보조 기능, 장비 데이터의 수집 활용을 위한 텔레매틱스 기술, 무인 작업 기술을 비롯한 다양한 기술이 개발되고 있다. 하지만 이를 양산 장비에서 운용하기에 적합한 하드웨어 아키텍처나 소프트웨어 플랫폼은 부족한 상황이다.
- SDM은 자동차산업의 SDV(Software-Defined Vehicle)와 유사하게 E/E 아키텍처와 클라우드 기반 시스템을 핵심 요소로 다양한 소프트웨어 모듈과 데이터 서비스를 통합해 건설 현장에 적합한 맞춤형 솔루션 제공이 용이할 뿐 아니라 글로벌 건설기계 시장의 디지털 혁신을 선도할 잠재력을 지니고 있다.
- 내에서는 최근 SDM 플랫폼 개발 과제가 시작되었으며, 이를 통해 건설기계산업의 새로운 기술 방향을 주도하여 지속 가능성과 기술 경쟁력을 높이고자 한다.
1. 기술의 배경
1) 소프트웨어 중심 개념의 등장
- 제조업은 지난 20년간 단순한 제품 판매에서 벗어나 지속적인 서비스를 제공함으로써 고객과의 접점을 극대화하고 제품의 가치를 높일 수 있는 방법으로 점차 확산되었다. 이는 증가하는 제품 내 소프트웨어의 비중, AI를 비롯한 소프트웨어 기술 발전과 맞물려 광범위한 분야에서 소프트웨어 기반 서비스로의 전환을 불러일으켰고, 다양한 분야에서 SDx(Software Defined Everything)가 주요 이슈로 등장하였다.
2) 건설기계와 유사한 자동차산업의 변화
- 주요 산업군 중 건설기계와 유사한 자동차 분야도 다르지 않다. 전기차로의 전환, 자율주행 기능, 사용자 경험의 극대화를 위한 각종 서비스 제공 플랫폼으로서 소프트웨어 정의 차량(SDV)에 대한 관심이 집중되고 있다.
- 다양한 논의를 통해 소프트웨어 정의 차량(SDV)이라는 모호할 수 있는 개념은 몇 가지 핵심기술 요소로 구체화되는데, E/E 아키텍처, 소프트웨어 플랫폼, 하드웨어 플랫폼과 클라우드 정도로 구분할 수 있다. E/E 아키텍처는 자동차의 다양한 소프트웨어를 하드웨어 의존성을 낮추고 구동하기 위한 기반이며, SDV에서는 기존의 도메인 기반에서 중앙집중화와 표준화를 지향하는 방향으로 변화하고 있다. 소프트웨어 플랫폼은 OS를 포함하고 다양한 서비스를 위한 소프트웨어 구성 요소의 유기적이고 안전한 동작 환경을 제공하며, 하드웨어 플랫폼은 AI와 자율주행을 비롯한 복잡한 소프트웨어의 구동에 필요한 컴퓨팅 자원을 담당한다. 클라우드는 단순히 사용자에게 제공하는 서비스를 위한 데이터 플랫폼의 기능과 더불어 차량의 소프트웨어를 지속적으로 개발하고 개선하기 위한 인프라 제공 역할을 한다.
2) 건설기계 산업 환경의 변화와 SDM의 필요성
- 그렇다면 SDV에서 표방하는 소프트웨어 중심 전략은 건설기계에도 유효할까? 이를 확인하기 위해서 먼저 건설기계를 둘러싼 산업 환경의 변화를 살펴볼 필요가 있다.
- 건설기계산업은 전방산업인 건설산업의 영향이 매우 큰데, 최근 건설산업의 디지털 전환이 가속화되면서 이에 맞춘 변화를 건설기계 분야에도 요구하고 있다. 가장 큰 변화는 스마트 팩토리처럼 건설 공정 사이클이 데이터를 중심으로 재구성되고 건설 현장에서 객체 간 데이터가 교환/활용되면서 다양한 서비스 창출이 가능한 환경이 조성되고 있다.
- 건설 공정 중 토목공사는 건설기계를 통해 수행되기 때문에 건설장비는 장비 상태와 작업량 등 건설 공정 내 핵심 데이터를 원활히 제공할 수 있어야 한다. 또한 건설 인력의 노령화와 신규 노동 인력의 감소, 지속 가능성 확보를 위한 탄소배출 저감 등 건설산업의 메가트렌드 대응에 필요한 작업 자동화 기능, 친환경 에너지원 적용 등을 위해 AI를 포함한 고도화된 소프트웨어의 탑재와 업데이트가 용이해야 한다.
- 서비스화 측면에서 건설기계는 자동차 분야에 비해 SDx로의 전환이 용이한데, 이는 가시화된 서비스 모델의 사업적 구체성 때문이다. SDM을 통해 건설기계는 작업 생산성을 확보하기 위한 공정 운영 서비스나 장비 가동률 극대화를 위한 PHM(Predictive Health Monitoring)과 같은 서비스 제공이 가능할 것으로 예상되며, 이는 건설회사와 장비 임대회사를 대상으로 한 현실적이고 필요성이 높은 서비스라 볼 수 있다.
- 따라서 SDV를 비롯 타 산업에서 확산되는 소프트웨어 중심 패러다임을 도입하면 변화하는 환경에서 고객이 요구하는 핵심 가치에 부합하는 서비스와 기능의 효과적인 개발이 가능하다. 또한 SDx를 구성하는 여러 요소 기술들은 이미 타 산업에서 검증된 성공을 담보하기 때문에 건설기계 도입을 위한 선제적인 기술 개발이 필요하다.
2. SDM 기술의 개념
- 소프트웨어-정의 건설기계(Software-Defined Machine)는 제품의 주요 기능과 핵심 가치가 하드웨어가 아닌 소프트웨어를 통해 정의되거나 결정되는 것을 의미한다. 이는 소프트웨어의 비중이 하드웨어보다 월등히 높거나 고도화된 소프트웨어가 적용된다는 단순한 의미를 넘어 장비를 구성하는 하드웨어와 소프트웨어가 분리된 구조를 바탕으로 시장 및 제조사의 제품 기능 개발 요구에 대응하기 위한 패러다임이다.
- 또한 SDM은 건설장비가 기능 단위의 모듈 조합을 통해 구성되는 소프트웨어 서비스를 중심으로 설계·개발될 뿐만 아니라 건설 현장에서도 각종 소프트웨어 기반 서비스를 중심으로 장비 운용을 가능케 하는 기술적 접근으로 볼 수 있다.
- 따라서 SDM 사용자는 장비의 기능이 동적으로 추가, 변경, 개선됨을 경험할 수 있다. 제조사 또한 제품 기능 구현을 위해 하드웨어 의존적인 하위 시스템 구조에서 벗어나 다양한 단위 모듈의 재사용과 상호 조합을 활용할 수 있어 제품 개발 및 제조 과정에서 다양한 이점을 기대할 수 있다.
1) SDM 핵심 요소기술-E/E 아키텍처와 하드웨어 플랫폼, 소프트웨어 및 클라우드 플랫폼
- E/E 아키텍처는 건설기계의 전통적인 유압 기반 시스템을 제어하기 위한 전자 유압 모듈을 중심으로 향후 친환경화 대응에 필요한 모터 기반 구동기술 및 배터리, 수소연료전지, 수소엔진 등 다양한 기능의 통합이 가능하도록 확장성과 유연성을 제공해야 한다. 건설기계는 장비 크기가 커서 하네스 비용 절감 효과가 크고 자동차 대비 구성품의 종류나 개수가 적어 중앙집중형 E/E 아키텍처로의 전환이 보다 용이할 것으로 예상된다.
- CGU(Connectivity Gateway Unit)는 플랫폼의 외부 네트워크와 보안 관련 기능을 담당하며 장비 내 통신을 관리한다. 메인 제어기에 해당되는 CCU(Centralized Computing Unit)는 다양한 소프트웨어 및 AI 기반 서비스 동작에 필요한 컴퓨팅 리소스 제공을 담당하고, 일부 대역폭이 큰 센서류의 경우 직접 연결될 수 있다. ZCU(Zonal Control Unit)는 전자 유압 부품을 중심으로 지능화에 필요한 센서 등의 인터페이스를 제공하며, 장비에 따라 2~3종으로 구분될 수 있다.
- 소프트웨어 플랫폼은 CCU 및 ZCU에 필요한 OS, 하이퍼바이저를 비롯하여 서비스 모듈의 연계와 구동을 위한 소프트웨어 프레임워크 등으로 구성된다. SDM의 기능을 구성하는 다양한 소프트웨어의 설계 및 운용을 위해 소프트웨어 공학적 방법론인 SOA(Service-Oriented Architecture)를 활용하며, 다양한 단위 기능 서비스나 모듈의 조합을 통한 소프트웨어 개발을 지원한다.
- 클라우드 플랫폼은 소프트웨어 플랫폼과 연계하여 장비에서 수집된 데이터를 활용한 다양한 클라우드 기반 서비스 개발에 필요한 IT 리소스를 제공한다. OTA, 지속적인 제품기능의 보완과 개선을 위한 소프트웨어 개발을 지원하는 DevOps(Development + Operations) 플랫폼과 함께 제품 기능 개발 시 하드웨어와 분리된 소프트웨어 개발 환경을 구성하기 위한 디지털트윈 모델 또한 포함되어야 한다. 특히 건설 현장 운용장비에 적절한 서비스가 제공되기 위한 장비클라우드 플랫폼-사용자(건설사, 건설 현장) 플랫폼 간의 데이터 연계 파이프라인과 건설 현장의 사용자가 일관성 있는 장비 데이터를 제공받을 수 있도록 적절한 데이터 활용 환경(예: Common Data Environment)도 제공해야 한다.
3. 시장 동향
- SDM은 현재 업계에서 명확하게 정의된 개념이나 SDM을 표방한 제품이 없다 보니 관련 시장 규모를 정확히 추정하기는 어렵다. 하지만 지능형 건설기계, 전기식 건설기계, 텔레매틱스 등 관련 분야와 제품으로 간접적인 추정이 가능하다. 참고로 글로벌 건설기계 시장은 2023년 기준으로 약 110만 대의 생산량과 약 2,000억 달러의 시장 규모를 기록하였으며, 이는 자동차 시장의 약 1/15 수준이다.
- 자동화 건설기계 시장은 2031년까지 약 318억 달러로 확대될 전망이다. 또한 데이터 기반 서비스의 핵심 부품인 텔레매틱스 시장은 2029년까지 약 25억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다.
- 탄소배출 이슈 대응을 위한 전기 건설기계의 경우 파워트레인의 제어를 포함 전기차와 유사하게 SDM 형태를 가질 것으로 예상되며, 21%의 연평균 성장률로 2044년에 이르러서는 의미 있는 수준의 점유율이 전망된다.
4. 관련 기술 동향
- SDM은 건설기계가 제공해야 할 각종 기능을 효과적으로 제품화하기 위한 전략이다. 그러므로 현재 국내외 제품에 적용된 최신 기능과 함께 업계에서 개발 중인 기술을 통해 간접적으로 기술 동향을 살펴보고 국내에서 세계 최초로 시도하는 SDM 플랫폼 기술 개발에 대해서도 소개하고자 한다.
- MG, MC 제품은 초기에 기존 장비에 부가적으로 설치하는 애프터마켓 제품으로 개발되어 제어 장치, 디스플레이 장치 등 구성품이 별도의 하드웨어와 탑재된 소프트웨어로 구성된 형태가 시장의 주류를 형성하고 있다. 다음 그림에서 보는 것처럼 제어 기능 또한 유압 제어, GNSS 수신 등 세부 기능별 전용 하드웨어로 구분된 분산형 아키텍처 구조를 적용하여 기능 개선이나 업데이트가 용이하지 않다.
- 관련 시장이 확대됨에 따라 주요 완성차 제조사는 MG, MC 기능을 전문 기술을 갖춘 협력사(Trimble, Leica 등) 솔루션에 의존하던 방식에서 벗어나 관련 기능을 내재화하려는 경향을 보이고 있으며, MC 기능이 지원되는 제품군을 계속 확대하고 있다. 이는 데이터 기반 서비스를 위해 각종 장비 데이터의 통합을 고려하고 있음을 간접적으로 보여준다.
- (Caterpillar) 중대형 굴착기 전 기종, 그레이더, 도저 일부 기종
- (Komatsu) 굴착기(중대형 5종), 도저(13개 기종)
- (Volvo) 25톤, 38톤 굴착기 등
1) 무인 자율 작업 기술
- Gravis는 취리히연방공과대학교 연구실에서 창업한 회사로서 무인 자율 작업을 위한 굴착기 기술을 개발하고 HD현대그룹을 비롯한 주요 건설기계 업체와 협업을 진행하고 있다. 몇 가지 센서를 제외하면 대부분 하드웨어는 캐빈 상부의 박스에 집중되어 다른 장비에도 적용이 용이하도록 구성되어 있다. 소프트웨어의 경우 인지, 판단, 제어 등 다양한 서비스를 제공하는 모듈로 구성하고 모듈 간 통신 프레임워크는 DDS(Data Distribution Service)를 활용하고 있다.
- 또한 디지털트윈 기반의 시뮬레이션 환경을 이용하여 하드웨어 시스템과 독립적으로 개발 및 검증이 가능한 소프트웨어 개발 환경을 구성하고 있다.
- HD현대그룹(구 현대중공업)에서는 2019년 한국 보령에서 Concept-X 시연과 2023년 미국 라스베이거스의 CONEXPO 2023 전시회에서의 Concept-X2 캐빈리스 무인 장비 시연을 거쳐서 건설 현장의 무인화 솔루션 제공을 목표로 개발하고 있다. 굴착기, 도전, 휠로더, 굴절식 덤프트럭 등 다양한 장비에 대한 무인, 원격 솔루션을 포함하며, 드론 측량 데이터로부터 데이터 분석을 통해 공사 계획을 수립하고 실행하는 체계를 갖추고 있다.
2) 데이터 기반 서비스 기술
- 건설장비 분야의 텔레매틱스는 장비의 고장 방지를 위한 가동 시간의 극대화, 공회전 시간의 감소, 원격 모니터링 등을 위해 주요 제조사에서 서비스를 시작하였다. 초기에는 엔진과 장비의 고장 코드와 상태 정보, GPS 기반 위치 모니터링 등 한정된 기능에 그쳤으나 점차 제조사에서 수집된 빅데이터 기반 분석 서비스를 포함하여 고장이나 유지보수 주기 도래 전 점검 안내, 서비스 인력과의 연계 등을 제공하는 서비스로 변화하고 있다.
- 이러한 기능은 제조사와 고객 간 구체적인 PaaS(Product as a Service) 사례로서 CAT., Komatsu와 같은 선진사는 설계, 공정 정보와 연계하여 건설 현장별로 차량 상태, 가동률 및 공정 진행을 관리하는 종합 서비스 제공 형태로 발전시키고 있다.
- Trimble의 경우 데이터 활용 범위를 더욱 확장하여 장비 데이터를 설계, 조달 등 공정 전체 데이터 프로세스와 결합, 프로젝트에 관련된 모든 관계자가 데이터 접근과 활용이 가능하도록 공통 데이터 환경(CDE, Common Data Environment)을 개발하였다. 이는 건설기계 클라우드에서 가지고 있는 각종 데이터의 연계 및 활용을 원활하게 지원할 수 있는 서비스가 필수적임을 의미한다.
3) SDM 기반 건설기계 개발을 위한 기술 개발
- 최근 HD현대그룹을 중심으로 산업통상자원부의 지원을 받아 SDM 기반 건설기계 개발을 위한 SDM 플랫폼 기술 개발이 시작되었다. 해당 연구개발 과제는 건설기계에 적합한 중앙집중형 E/E 아키텍처와 제어기 개발, 제어기에 탑재되는 소프트웨어와 클라우드 시스템 그리고 개발된 하드웨어와 소프트웨어 플랫폼을 활용하여 세계 최초로 SDM이 적용된 굴착기를 개발하고 기능을 검증하는 부분을 포함한 3개의 세부 과제로 구성되어 있다.
- 먼저 하드웨어 부분에서는 유압 시스템 중심의 건설장비에 적용 가능한 전장 부품 확보, 전장 하네스의 감소 및 자율화 대응에 적합한 확장성 있는 제어기 기술 개발에 중점을 두었다. 소프트웨어와 클라우드 플랫폼 부분에서는 장비 기능, 성능 개선을 위한 OTA와 함께 작업 현장 운용 서비스 등 킬러 서비스 상용화에 필요한 요소 기술을 개발하고 있다.
5. 시사점
- 건설기계산업은 건설산업의 디지털 변환으로 촉발된 서비스화, 고령화 및 인구구조 변화와 탄소배출에 따른 지속 가능성 확보 등 많은 변화를 요구받고 있다. 이에 주요 선진사들은 장비 자동화 기능 개발과 함께 단순한 장비 제조를 넘어 건설산업 내 서비스 제공자로 자리매김하기 위한 장비 간 연결성의 확보, 데이터 기반 서비스 개발 등 비즈니스 확장을 위한 대응에 나서고 있다. 중국 건설기계 업체들의 급격한 성장과 함께 글로벌 선진사의 추격이 쉽지 않은 현재 상황은 국내 건설기계산업의 지속적인 성장을 위해 기술 개발 전략에 변화가 필요함을 의미한다.
- 한편 클라우드, AI 등 소프트웨어 기술과 고성능 하드웨어(HPC)의 발전이 IT 분야를 넘어 자동차 분야까지 영향을 끼치고 다수의 자동차 기업들이 SDV를 양산 차에 적용하기 위한 계획을 앞다투어 발표하는 점은 건설기계 분야에도 시사하는 바가 크다.
- 건설장비의 기능 개발에 소프트웨어–중심 방식(SDM)을 적용하고 소프트웨어 중심 생태계를 구성한다면 제품 개발 기간의 단축, OTA를 통한 유지보수 측면의 장점과 함께 다양한 분야에서 검증된 소프트웨어 기술 적용이 용이하여 글로벌 고객에게 의미 있는 서비스 제공이 가능할 것으로 기대된다
- SDM을 통해 사용자는 필요한 기능을 구독이나 서비스 형태로 클라우드에서 다운로드하여 장비에 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 경험이 많지 않은 작업자가 도심지의 관로 매설 작업과 같은 복잡한 환경에서의 주변 작업물과 작업자의 충돌을 방지하고 숙련자의 작업 방법을 안내해 주는 작업 종류별 가이드 서비스, 장비의 모니터링 정보 기반 고장 예지보전 서비스, 작업 현장 가동률 극대화를 위한 플릿 운영 서비스, 탄소배출 저감, 고장 방지를 위해 작업 현장의 토질 상태에 맞춘 유압 및 파워트레인의 실시간 튜닝 서비스 등 다양한 서비스를 예상해 볼 수 있다.
- 한편 SDM은 글로벌 건설기계 분야에서 아직 가시화되지 않은 새로운 개념을 적용하는 것이므로 기회와 위험 요소가 공존하며, 이를 극복하기 위한 선제적인 국가 R&D 지원이 필요하다. 최근 산업통상자원부 산하 기술 개발 과제(과제명:‘건설기계 자율화 대응을 위한 SDM 플랫폼 기술 개발’)가 시작된 점은 국내 건설기계산업이 기술 패러다임을 주도할 수 있는 기회를 확보한다는 측면에서 중요하다고 하겠다. SDM이 확산되기 위한 업계의 관심과 함께 소프트웨어 전환을 위한 인력 양성 및 기술 역량 강화에 지속적인 지원이 필요하다.
출처 및 참고자료
1. “소프트웨어로 달리는 자동차, 완성차 업계가 꿈꾸는 미래”, Samjong INSIGHT, Vol. 88, 2024.
2. “The Next normal in construction: How disruption is reshaping the world’s largest ecosystem”, McKinsey & company, 2020.06.
3. “Equipment-as-a-Service: From Capex to Opex-new business models for the machinary industry”, Monitor Deloitte, 2021.02.
4. “글로벌 생성형 AI 시장(모델별, 2022년)”, 삼성SDS; “Generative AI Market Size, Share & Trends Analysis Report By Component (Software, Services), By Technology, By End-use, By Application, By Model, By Region, And Segment Forecasts, 2024-2030”, Grand View Research.
5. Construction Machinery Telematics - Market Share Analysis, Industry Trends & Statistics, Growth Forecasts 2024-2029”, Modor Intelligence, 2024.01.
6. “Smart Cities - Global Strategic Business Report”, Research and Markets, 2024.11.
7. R. L. Johns, et. al., “A framework for robotic excavation and dry stone construction using on-site materials”, Science Robotics Vol 8, Issue 84, 2023.11.22.
8. 김희수, “무인 굴착기의 힘 … 하루 22시간 작업-HD현대사이트솔루션 시연회”, 매일경제, 2023.09.22.
9. 김동욱, “굴착기 만드는 건설 중장비 회사도 ‘IT 개발자’ 확보 총력...이유는?”, 한국일보, 2022.05.13.
10. 허성욱, “[ET시론]디지털 기반의 산업 대전환 ‘SDX’”, 전자신문(ETnews), 2024.09.02.; NIPA 제공.
작성자
박근석 첨단기계 PD | KEIT 기계로봇장비실 최승준 책임 | 건설기계부품연구원 융복합기술본부
'산업기술' 카테고리의 다른 글
| 철스크랩 글로벌 공급망 현황 및 제강 공정 디지털화 적용기술 개발 동향 (0) | 2025.02.01 |
|---|---|
| 스마트 제조장비용 제어기(CNC) 기술 (0) | 2025.01.28 |
| 산업용 펌프 기술 개발 동향 및 우수성과 소개 (0) | 2025.01.27 |
| 탄행블랙홀에 내팽겨쳐진 국가전략산업 (0) | 2025.01.27 |
| 차세대 첨단산업 핵심 제조장비 개발 로드맵 (0) | 2025.01.27 |
댓글