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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.6 pp.35-44
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.6.35

A Case Study on Efficiency Analysis of Cable Logging Operation in Korea

JoungWon You1,2, Hee Han2, JooSang Chung1,3*
1Department of Forest Sciences, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
2Department of Forest Policy and Economics, National Institute of Forest Science, Seoul 02445, Republic of Korea
3Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
Corresponding author: Joo-Sang Chung Tel: +82-2-880-4755 Fax: +82-2-877-2960 E-mail: jschung@snu.ac.kr
November 2, 2019 ; November 23, 2019 ; November 25, 2019

Abstract


The objectives of this study were to identify engineering problems in the design and installation of cable logging operation that affects productivity through case study of actual logging sites, and to analyze associated productivity loss and increased cost. As a result of the study, when the geographic conditions and engineering safety of the site are not sufficiently considered, deflection of the cable line can not be secured. Hourly productivity of the operation decreased to 65% and the logging cost increased by more than two times compared to the productive yarding operation, which lowered overall efficiency of the operation. Thus, it is required to spread filed technologies that minimize unnecessary production cost incurred due to the in-efficient logging operations as well as secure work safety and efficiency to expand cable logging operation throughout the country.



국내 가선집재 작업의 효율성 분석에 관한 사례연구

유 중원1,2, 한 희2, 정 주상1,3*
1서울대학교 산림과학부
2국립산림과학원 산림정책연구부
3서울대학교 농업생명과학연구원

초록


본 연구는 국내 가선집재 작업 현장 실태에 대한 사례 조사를 통해 작업의 생산성에 영향을 미치는 집재 작업의 설계와 가선 설치의 공학적 문제점을 파악하고, 그로 인해 손실되는 생산성과 증가되는 비 용을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 분석 결과, 가선집재 설계 시 현장의 지형적 입지여건과 공 학적 안전성이 충분히 고려되지 않아 대부분 가선의 처짐(deflection)을 확보하지 못하는 것으로 나타났 다. 이로 인해 시간 당 생산성이 최대 65%까지 감소하고, 집재비용이 2배 이상 증가되어 전반적인 작 업의 효율성이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 앞으로 국내에서 가선집재 작업이 확대되기 위해서는 작업 안전과 효율을 확보할 수 있는 가선의 설치와 장비의 운용, 불필요한 생산비용을 최소화할 수 있 는 현장 기술의 보급이 필요하다.



    서론

    우드그랩(woodgrab) 집재 작업은 소형 굴삭기에 배토판(blade) 및 유압식 집게(grapple)를 부착하여 단목으로 조재된 통나무를 밀거나 집어 던져 집재하 는 작업 방식이다(Seol et al., 2016). 이 방식은 생 산성이 높고 적용하기 쉬워 현재 국내 벌채 현장에 서 가장 많이 사용되고 있다.

    하지만 우드그랩 작업은 임목의 형질 또는 임목축 적에 따라 수확 가능한 원목의 경제적 가치를 고려 하지 않는다. 우드그랩 집재 작업의 수익성은 원목 의 규격이나 품질 보다는 생산량과 저렴한 비용에 의존하는 까닭이다. 따라서 장기적인 목재생산 임업 의 측면에서 바라보면 이러한 생산방식은 산주나 산 림경영활동의 수익성 증대에 도움이 되지 않는다. 더욱이 우드그랩 집재 작업은 무분별한 임내 작업로 개설과 주행 등으로 임지 환경을 훼손하고 작업자 안전에 심각한 위험을 초래한다(Kim & Park, 2013).

    전목집재 작업이 가능한 타워 야더(tower yarder) 등의 가선집재기는 국내와 같이 급경사지가 많은 산 악지형에서의 작업에 적합하고(Acer & Yoshimura, 1997; Park, 2002; Cuchet et al., 2004), 경제적 으로도 실용성이 높은 것으로 알려져 있다(Han et al., 2008).

    그러나 국내에는 가선집재기를 운용할 수 있는 숙련된 오퍼레이터가 부족하고 가선의 설치 및 운 용의 구조적 특성과 역학적 성질에 관한 작업자의 전반적인 이해도가 낮다(You, 2015). 또한 우리나 라 지형에 적합한 가선집재시스템 체계나 임도 등 의 기반시설도 충분히 갖춰지지 않다(Kim & Park, 2012, Seol et al., 2016). 이런 이유로 아직까지 가선집재작업은 현장에서 투입 비용 대비 생산성이 낮고 국내 현실에 적합하지 않은 기술로 인식되어 활발히 이용되지 못하고 있다.

    본 연구는 국내 가선집재 작업 현장 실태에 대한 사례 조사를 통해 작업의 생산성에 영향을 미치는 집재작업의 설계와 가선 설치의 공학적 문제점을 파 악하고자 수행되었다. 또한 그로 인해 손실되는 생 산성과 증가되는 비용을 정상적으로 운용되는 다 른 사례와 정량적으로 비교분석하고, 가선집재작업 이 현장에서 보다 효율적으로 운용되기 위한 개선 방안을 제시하고자 하였다.

    재료 및 방법

    1 연구대상지

    경상북도 영주시 봉화군에 위치한 6.2 ha 크기의 입목벌채구역을 연구대상지로 선정하였다. 해당 임 지는 50년 이상의 소나무, 낙엽송, 신갈나무로 구성 된 혼효림으로, 평균 흉고직경 34 cm, 평균 수고 20 m에 이르며 평균 경사가 40%로 가선집재에 적 합한 지역이다. 벌채는 동절기인 11월에 시행되었으 며, 모두베기로 벌채 작업이 진행되었다(Fig. 1).

    2 현장 조사 및 작업 설계의 타당성 분석

    현장 조사는 벌채 작업과 병행하여 진행되었다. 조사의 순서는 다음과 같다. 먼저 집재 거리나 방 향, 집재 면적과 토장(landing)의 위치 등 실제 집 재 작업이 이루어진 공간에 대한 모든 GPS 좌표를 현장에서 취득하였다. 또한 작업의 생산성과 투입 비용을 산출하기 위하여 사용된 장비(HAM300)의 제원(Table 1), 작업 소요 시간, 시간 당 집재량 등 을 조사하였다. Fig. 2

    대상지의 작업 여건은 GIS 지형 단면도(profile) 분석을 통해 정밀하게 조사되었다. 공간 분석에는 1:5,000 수치지형도, 1:25,000 임도망도, 항공사진 등이 이용되었으며, 사전에 작성된 임목수확사업 설 계서를 바탕으로 대상지 내 분포하는 임목자원의 양 과 특성을 파악하였다. 특히 본 연구에서는 사전에 계획된 작업 설계의 타당성을 함께 검토하기 위하여 설계서상의 가선집재작업 위치 좌표 데이터를 수집 하고 지형 단면을 추가로 분석하였다.

    3 가선집재작업의 생산성 분석

    3.1 작업시간의 측정

    작업시간은 조사 기간 동안 매일 집재작업의 시 작시간과 종료시간을 측정하여 계산하였다. 이 때 장비의 점검이나 수리와 같은 기계적 작업지연 (Mechanical dalay)과 휴식, 점심식사 등의 비기계 적 작업지연(Non-mechanical delay)을 별도로 기 록하여 전체 계획된 작업시간(Scheduled Machine Hours, SMH) 중 실제로 작업에 투입된 시간(Productive Machine Hour, PMH)을 산출하고, 가선집재장비 의 Utilization rate을 계산하였다. 식 (1).

    PMH=SMH-Mechanical dalays+Nonmechanical delays
    식 (1)

    Ut = P M H S M H × 100

    여기서, Ut: utilization rate (%), PMH: Productive Machine Hours (hr), SMH: Scheduled Machine Hour (hr)

    3.2 작업 생산량 산출

    작업의 생산량은 작업 종료 후 토장에 집재된 원목 의 검척을 통해 산출되었다. 원목의 재적은 Smalian 식을 적용하여 아래와 같이 계산되었다. 식 (2).

    V = A 1 + A 2 2 × L
    식 (2)

    • A1 : area (m2) of the small end of the log

    • A2 : area (m2) of the large end of the log

    • L : a log length (m)

    3.3 작업 생산성 및 생산비용 분석

    현장에서 조사된 작업시간과 생산량을 바탕으로 시간 당 생산량(m3/hr)을 산출하였다. 또한 작업을 위해 지출된 인건비와 장비 운용으로부터 발생된 각 종 고정비용 및 가변비용을 조사하여 작업에 투입된 총 생산비용과 시간 당 비용 단가(원/hr)를 산출하 였다. 최종적으로 생산재적 당 비용 단가(원/m3)는 시간 당 생산량을 시간 당 비용으로 나누어 계산하 였다. Table 2

    작업 지연(delay)에 따른 생산성 손실은 시나리오 분석을 통해 평가되었다. 실제 현장에서 일어난 작 업의 생산성을 바탕으로 기계적 지연(Mechanical delays) 요소가 제거되고 그만큼 실제 작업시간이 늘어날 경우와 기계적 지연 요소에 비기계적 지연 요소(Non-mechanical delays)가 추가로 제거될 경 우 작업 생산성의 변화를 살펴보았다(Table 3).

    결과 및 고찰

    1 가선집재작업 설계의 문제점

    먼저 가선집재기 설치를 위한 사전 계획도면의 공 학적 타당성을 검토한 결과 전체 22개 지점 중 약 60%인 13개 지점의 지형단면이 평평하거나 볼록한 형태로 가선의 쳐짐(deflection)을 확보할 수 없는 지형조건을 지닌 것으로 분석되었다(Fig. 3).

    가선의 처짐은 가선집재작업의 생산성에 영향을 미치는 가장 중요한 인자로(Chung, 1993), 지형이 오목한 형태일수록 가선이 충분한 처짐(deflection) 을 확보 할 수 있고 사고 발생의 위험이 적어진다. 또한 가선과 지면 사이에 충분한 clearance를 확보 할 수 있어 집재목이 지면에 끌리지 않아 산림 훼손 및 안전사고 발생이 낮아진다. 따라서 공학적으로 적절하지 않은 장소에 가선이 설치되는 경우 작업의 위험도가 높아지고 작업 생산성이 줄어들게 된다.

    한편 기존 설계도면에서는 가선집재작업이 총 22회 설계되었으나 실제 작업은 계획과 전혀 다른 위치에 서 이루어졌고(Fig. 4), 총 2건의 작업(상향집재 1 건, 하향집재 1건)만 이루어졌다(Fig. 5).

    2 가선집재작업의 현장 실태

    실제 현장에서 이루어진 두 곳의 작업을 분석한 결과 상향집재지의 경우 최대 집재거리 138 m, 최 대 횡취거리 37 m, 평균 집재거리 약 76.3 m로 분 석되었고 하향집재지의 경우 최대 집재거리 104 m, 최대 횡취거리 20m, 평균집재거리 약 58.1m로 분 석되었다. 또한 상향집재의 경우 가선집재작업 예정 면적인 총 0.98 ha 중 실제 작업면적은 0.42 ha로 약 43%만 작업이 이루어졌고 하향집재의 경우 총 1.25 ha 중 실제 작업면적은 0.28 ha로 약 22%만 작업이 이루어졌다.

    상향집재지의 profile을 분석한 결과 뒤 부분은 오목한 형태로 비교적 양호하나 앞부분의 경우 볼록 하거나 평평한 형태로 충분한 가선의 처짐을 확보할 수 없는 것으로 나타났다(Fig. 6). 그로 인해 지면 으로부터 일정한 높이의 clearance를 확보하기 위해 서는 가선 양쪽 지주목들에 큰 장력이 실려 전복사 고 등의 안전사고가 발생할 위험이 큰 것으로 나타 났다. 특히 지형 단면을 살펴보면 집재기 타워로부 터 약 30 m 및 약 80 m 위치의 사면변곡점(slope break points)은 가선이 지면에 닿거나 혹은 임목을 매단 반송기가 정상적으로 지나가기 매우 어려운 기 하학적 구조가 될 수 있어 매우 위험할 수 있다.

    하향집재지의 profile을 분석한 결과 전 지역이 볼록하거나 평평한 형태로 전체 구간에서 안전사고 의 발생 위험이 큰 것으로 나타났다(Fig. 7). 특히 cord와의 높이차 4m 지점(Fig. 7)에서는 실제 작 업 과정에서 반송기가 지면에 끌리는 상황이 발생 하였다(Fig. 8A). 이와 같은 상황으로 인해 집재작 업 시 반송기가 파손되거나 임지 및 벌채목이 훼손 될 수 있으며, 작업의 생산성에 큰 손실이 발생할 수 있다.

    3 가선집재 현장의 작업 생산성

    Table 45는 집재방향에 따라 소요된 작업시간 을 보여준다. 상향집재 1일차 PMH의 비율이 낮고 비기계적 지연(non-mechanical delay) 시간의 비 율이 큰 이유는 작업 첫날 장비 설치 후 짧은 시범 운행만 진행된 까닭이다. 2일차는 반송기의 고장으 로 인해 기계적 지연(mechanical delay)이 18분 소 요되었다. 3일차는 전날과 같이 반송기 고장으로 인 해 작업 지연이 1시간 5분 발생하였다. 4일차도 다 시 반송기의 고장으로 인해 오후 작업이 이루어지지 못하고 작업이 조기 종료되었다.

    하향집재 1일차의 경우에도 PMH는 9분에 불과하 였고, 2일차는 반송기 고장과 가선의 장력(tension) 을 견디지 못하고 Slack line을 연결한 도르레가 끊 어지는 사고로 인해 작업시간이 2시간 가량 지연되 었다. 3일차에는 다시 Slack line을 연결한 지주목 이 가선의 장력을 견디지 못하고 쓰러지는 사고로 인해 작업이 5시간 가량 지연되었으며, 4일차는 원 목조재 및 토장 정리 작업 위주로 진행되어 가선집 재작업 시간이 짧았다. 6일차의 경우 Slack line을 연결한 지주목이 또다시 쓰러지는 사고와 그로 인해 생긴 반송기의 고장으로 7시간 가량 작업이 지연되 었다.

    상향집재 작업과 하향집재 작업시간을 분석한 결 과는 상향집재에 비해 하향집재가 PMH가 상대적으 로 더 낮고 작업지연 시간이 높은 것으로 나타났다 (Table 6). 실제로 하향집재지의 경우 지형 여건이 상향집재지보다 불리하여 가선의 쳐짐을 확보할 여 유 높이가 부족하였고, 반송기가 지면에 끌리거나 지주목이 넘어지는 사고가 발생하여 utilization rate이 35%에 불과하였다.

    상향집재와 하향집재 모두 기계로 인한 작업지연 이 빈번했으며 대개는 반송기의 유압장치 및 원격 조정기(remote sensor)의 고장으로 인한 지연이었 다. 또한 상향집재와 하향집재 모두 작업 준비로 인 해 시작이 늦어지거나 기계 결함 등으로 조기에 종 료되는 경우가 많았다.

    상향집재작업은 총 5일간 181.52 m3을 생산하여 PMH 기준 시간 당 생산량은 약 7.6 m3/hr로 나타 났다(Table 7). 생산 비용은 약 15.8 백만원이 소요 되어, 단위재적 당 평균 집재비용이 약 44 천원/m3에 이르는 것으로 분석되었다(Table 8).

    하향집재작업은 총 6일간 89.39 m3을 생산하여 시간 당 생산량이 약 4.5 m3/hr인 것으로 나타났다 (Table 7). 하향집재 작업에 소요된 총비용은 약 22.9 백만원으로 단위재적 당 평균 집재비용은 약 57 천원/m3으로 산출되었다(Table 8).

    본 사례로부터 관측된 HAM300 가선집재기의 생 산성은 국내외에서 연구된 다른 가선집재작업의 생 산성과 비교하여 다소 높거나 낮은 것으로 나타났 다. 예컨대 상향집재 시 이번 연구에서 분석된 PMH 기준 시간 당 생산량 7.6 m3/hr는 Cho et al. (2014)이 비슷한 작업 조건에서 Koller K300과 K301-4를 이용하여 같은 상향집재 시 산출한 각각 의 생산량 2.3 m3/hr, 4.7 m3/hr이나 Senturk et al.(2007)의 연구결과(6.6 m3/hr)보다 높았다. 반면 Han et al.(2008)이 춘천집재기를 사용하여 분석한 생산량 11.8m3/hr보다는 낮은 생산성을 나타냈다.

    하향집재의 경우(4.5 m3/hr)에도 Kim & Park (2012)이 RME-300T 집재기로 작업한 생산량 3.4 m3/hr보다 높았지만, Han et al.(2008)의 연구 결과(13.1 m3/hr)보다는 낮았다. 이러한 차이로 인 해 집재 비용(57,000 원/m3)은 Han et al.(2008)의 결과를 기준으로 하향집재 시 최대 6배까지 증가하 는 것으로 나타났다.

    시나리오 분석결과, 기계적 작업지연으로 인한 생산 성은 상향집재 시 7.6 m3/hr에서 5.4 m3/hr로 약 30% 감소하며, 하향집재 시에는 4.5 m3/hr에서 2.6 m3/hr 로 약 43% 감소하는 것으로 나타났다(Table 9). 기 계적 결함과 연계한 비기계적 작업지연을 모두 고려 할 경우 작업의 생산성은 상향집재 시 50%, 하향집 재 시 65%까지 감소하였다. 사례 현장에서 이러한 작업 지연의 주 원인이 가선의 잘못된 설치로 인한 장비의 고장이나 안전사고 발생 때문이었음을 고려 할 때, 공학적으로 문제가 있는 가선집재작업의 설 계와 장비의 설치가 실제 현장에서 매우 큰 생산성 손실을 야기하고 있는 것으로 판단된다.

    결론

    우리나라는 가선집재작업의 광범위한 적용이 시급 히 필요한 상황이지만, 아직까지 대부분의 작업 현 장에서는 우드그랩 위주의 집재작업이 이루어지고 있는 실정이다. 본 연구는 국내 가선집재 작업 현장 실태에 대한 사례 조사를 통해 작업의 생산성에 영 향을 미치는 집재작업의 설계와 가선 설치의 공학적 문제점을 파악하고, 그로 인해 손실되는 생산성과 증가되는 비용을 분석하였다.

    그 결과, 가선집재 설계 시 현장의 지형적 입지여 건과 공학적 안전성이 충분히 고려되지 않아 대부분 가선의 처짐을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 이로 인해 발생되는 기계적 결함으로 시간 당 생산 성은 30% 이상 감소하고 비기계적 지연까지 고려할 경우 최대 65%까지 감소하여 집재비용이 2~3배 증 가하는 것으로 나타났다.

    하지만 본 사례연구의 결과를 통해 국내에서 이루 어지는 모든 가선집재작업의 설계가 공학적 타당성 에 맞지 않는다고 판단하기는 어렵다. 따라서 향후 추가적인 사례연구를 통해 가선집재작업 설계의 공 학적 타당성을 진단하는 연구가 필요하며, 이와 더 불어 가선집재 장비의 작업 생산성 개선을 위한 후 속 연구도 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2013069B10-1919-AA03)의 지원에 의 하여 이루어진 것입니다.

    Figures

    JALS-53-6-35_F1.gif

    Study area (left: uphill operation, right: downhill operation).

    JALS-53-6-35_F2.gif

    Tower Yarder (HAM300).

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    Land profiles of cable yarding position in operation design.

    JALS-53-6-35_F4.gif

    Difference between the design and execution of yarding operation (left: designed, right: executed).

    JALS-53-6-35_F5.gif

    Detail plan views of uphill and downhill yarding operations.

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    Ground Profile of the uphill yarding operation.

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    Ground Profile of the downhill yarding operation.

    JALS-53-6-35_F8.gif

    Examples of operational loss observed during the fIeld survey.

    Tables

    Machine specification of HAM300

    Machine time used in this study

    Simulation scenarios

    Machine time of uphill yarding operation

    Machine time of downhill yarding operation

    Comparison of machine time between uphill and downhill yarding operations

    Productions of uphill and downhill operations

    The cost of productions in uphill and downhill operations

    Comparison on productivity and costs in different scenarios

    References

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