KR100820660B1 - 원격서버를 이용한 지하철 인접 건물 안전도 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물의 안전도 측정 장치는 지하철이 주행하는 철로 중 민원 발생구간이나 구조물에 대한 피해가 예상되는 지하철 주행 구간을 설정하고, 지하철 주행에 따른 가속도신호를 측정하는 가속도 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기의 출력신호인 가속도 신호를 속도 및/또는 변위 신호로 변환시키고, 그 신호를 원격지로 전송시키는 현장측 서버; 및 상기 현장측 서버로부터 전송된 신호를 받아 그 신호를 바탕으로 표준 지하철 진동 수치와 비교, 분석하여 인접 건물의 안전도를 측정하고 모니터링하는 원격측 서버를 포함한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 지하철 진동에 따른 인근 구조물의 영향평가를 위하여 고가의 진동속도 측정용 무빙 코일(moving coil) 형식의 센서를 사용하지 않고 값싼 가속도센서와, 제어부 기반 신호처리 프로그램을 이용하여 상시 모니터링 시스템을 구현하여 지하철 주행시 발생되는 진동에 의한 인접구조물의 진동가속도를 측정하고 이를 구조물의 국제표준 척도인 속도 및 변위로 변환하여 구조물의 피해 정도를 정량적으로 평가함으로써 지하철 진동에 의한 구조물 피해관련 민원을 효과적으로 해결할 수 있다.
또한, 상기 속도 및 변위로 변환된 신호를 원격으로 전송시킴으로써 원격에서 현장 상태를 실시간으로 파악할 수 있어 현장 대처 능력을 향상시킬 수 있다.
지하철 진동, 원격측 서버, 현장측 서버, 진동 가속도, 신호처리 알고리즘
Description
도 1은 본 발명에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치를 지하철 내에 설치된 것을 간략히 보여준 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치에서의 데이터 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 센서부 200 : 현장측 서버
210 : A/D 변환기 220 : 현장측 제어부
203 : 현장측 송/수신기 300 : 원격측 서버
310 : 원격측 송/수신기 320 : 원격측 제어부
330 : 메모리부 340 : 디스플레이부
350 : 키패드
본 발명은 원격서버를 이용한 지하철 인접 건물 안전도 측정 방법에 관한 것으로, 특히 고가의 센서를 사용하지 않고 값싼 가속도센서를 이용하여 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정을 원격에서 용이하게 할 수 있는 원격서버를 이용한 지하철 인접 건물 안전도 측정 방법에 관한 것이다.
지하철 주행에 따른 진동이나 건설현장에서 발생되는 진동에 의해 인근 지역 구조물에 대한 피해관련 민원이 점차 증가하고 있는 추세인 바, 이를 측정/평가하기 위하여 기존에는 이송용 진동 속도 측정기(Portable vibration level meter)를 지참한 작업자가 일정시간 민원발생 현장에 상주하며 이를 측정/평가하였다. 그러나 이러한 진동원은 24시간 발생한다는 점에서 작업자의 측정치 중 최대치가 전체 진동의 최대치를 대표하지 못하며 또한 야간 등 측정하지 않는 시간대에서 최대치가 발생할 가능성이 많아 점차로 24시간 연속자동계측에 대한 필요성이 대두되고 있다.
지하철이나 건설현장 진동의 국제적 피해 척도는 속도나 변위신호이므로 일반적인 가속도 측정용 센서인 피에조 센서 대신 고가의 진동속도 측정용 무빙 코일(moving coil) 형식의 센서를 사용하여야 하며 또한 진동신호와 같은 동적신호의 연속계측을 수행하고 원거리에서 모니터링을 하기 위해서는 고가의 다이나믹 데이터 로거(Dynamic Data Logger)를 사용해야 한다. 이와 같은 이유로 지하철이나 건 설현장의 진동피해에 따른 민원에 적극적이고 효과적인 대응이 어려우며 또한 경제적인 문제점이 크게 대두되고 있는 현실이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 고가의 진동속도 측정용 무빙 코일(moving coil) 형식의 센서를 사용하지 않고 값싼 가속도센서와, 제어부 기반 신호처리 프로그램을 이용하여 상시 모니터링 시스템을 구현하여 지하철 주행시 발생되는 진동에 의한 인접구조물의 진동가속도를 측정하고 이를 구조물의 국제(국내)표준 척도인 속도 및 변위로 변환하여 구조물의 피해 정도를 정량적으로 평가함으로써 지하철 진동에 의한 구조물 피해관련 민원을 효과적으로 해결하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 속도 및 변위로 변환된 데이터를 원격으로 전송시킴으로써 원격에서 현장 상태를 실시간으로 파악하고 조치할 수 있도록 하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치는, 지하철이 주행하는 철로 중 소정 지하철 주행 구간을 설정하고 지하철 주행에 따른 가속도신호를 측정하는 가속도 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지 털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기의 출력신호인 가속도 신호를 속도 및/또는 변위 신호로 변환시키고, 그 신호를 원격지로 전송시키는 현장측 서버; 및 상기 현장측 서버로부터 전송된 신호를 받아 그 신호를 바탕으로 표준 지하철 진동 수치와 비교, 분석하여 인접 건물의 안전도를 측정하고 모니터링하는 원격측 서버를 포함한다.
또한, 본 발명은 원격측 서버에서 인접 건물의 안전도 측정 결과를 현장측 서버에도 전송시켜 현장 작업자가 모니터링하여 후속 조치를 취할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명에서는 표 1 내지 표 4를 참조하여 국내 및 해외 허용 구조물 진동 기준(허용치)을 살펴보기로 한다.
그 첫째로, 국내 허용 구조물 진동 기준을 살펴보면 표 1 및 표 2와 같다.
<표1> 건물의 상태에 따라 최대 허용 지반진동(DIN 4150 드래프트)
| 최대지반속도 | 적 용 대 상 | |
| mm/sec | dB | |
| 2 | 106 | 역사적으로 매우 가치있는 사적이나 상당히 노후된건물 |
| 5 | 114 | 눈에 보이는 균열과 같은 결함이 있는 벽돌로 지은 건물 |
| 10 | 120 | 작은 결함도 없는 구조적으로 매우 안정적인 건물 |
| 10-40 | 120-132 | 철근콘크리트나 강구조로 된 공업용 건물과 같이 매우 강한 건물 |
<표2> 서울과 부산 지하철에서 적용하는 진동속도 기준
| 등급 | 건축물의 종류 | 최대 속도 허용치 mm/sec | |
| f≥30Hz | f<30Hz | ||
| Ⅰ | 문화재(역사적으로 매우 오래된 건물) | 2.0 | 1.5 |
| Ⅱ | 낡은 건물(아파트, 상가)이나, 주택, 병원등 진동에 민감한 작은 균열 또는 결함을 지닌 건물 | 3.0 4.0 5.0 | 2.0 2.5 3.5 |
| Ⅲ | 주택, 아파트, 상가 등으로 균열이 없는 양호한 일반적인 건물로 등급Ⅱ를 제외 | 5.0 - 7.0 | 3.5 - 5.0 |
| Ⅳ | 산업 시설용 공장으로 철근 콘크리트로 보강된 건물 | 10.0 - 30.0 | 5.0 - 20.0 |
그 둘째로, 해외 주요국 구조물의 진동허용치 및 진동 수치에 따른 건물 피해 정도를 살펴보면 표 3 및 표 4와 같다.
<표3> 해외 주요국 구조물의 진동허용치
| 주요국 | 건축물 종류 | 최대 속도 또는 변위 허용치 |
| 독일 (DIN 4150Z) | 유적이나 고적 등의 문화재 | 0.2cm/sec |
| 균열 등의 결함이 있는 건물, 빌딩 | 0.5cm/sec | |
| 결함이 없는 빌딩 | 1.0~4.0cm/sec | |
| 회벽이 없는 공업용 콘크리트 구조물 | 1.0~4.0cm/sec | |
| 오스트리아 (CA-23, 1967) | 15Hz 미만의 주파수를 갖는 진동인 경우 | 0.02cm |
| 15Hz 이상의 주파수를 갖는 진동인 경우 | 1.9cm/sec | |
| 영국 | 인구 조밀지역의 터널발파 | 1.0cm/sec |
| 인구 희박지역의 터널발파 | 2.5cm/sec | |
| 주파수 12Hz 이하의 노천 석탄채광장 | 1.2cm/sec | |
| 기타 | 0.5cm/sec |
<표4> 진동 수치에 따른 건물 피해 정도
도 1은 본 발명에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치를 지하철 내에 설치된 것을 간략히 보여준 도면이다.
도 1을 참조하면 지하철 주행 구간(A)에 1개 이상 설치되는 가속도 센서(원형으로 표시함) 등이 있다.
가속도 센서의 설치 위치는 상기 주행구간(A)내 어디라도 무방하지만, 지하철(1)이 다니는 철로(2)나 진동에 의한 피해가 예상되는 구조물에 설치되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치는 크게 센서부(100), 현장측 서버(200) 및 원격측 서버(300)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 현장측 서버(200) 및 원격측 서버(300)를 일종의 컴퓨터라 보면 된다. 단, 일반적인 컴퓨터에 가속도를 속도 및 변위로 변환시키는 알고리즘, 변환된 속도 및 변위 수치가 국내 및 국제 표준에 부합하는지 알아보는 알고리즘 등을 더 포함한다고 보면 된다. 이에 대한 설명은 하기에 보다 상세히 이루어진다.
상기 센서부(100)에는 가속도 센서 등이 있으며, 센서에 대한 상세한 설명은 도 1에서 이루어졌으므로 여기서는 생략하기로 한다.
상기 현장측 서버(200)는 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Converter; ADC)(210), 현장측 제어부(220) 및 송/수신기(230)를 포함한다. 또한, 미도시되어 있지만, 상기 현장측 서버(200)에 원격측 서버에 구비된 디스플레이부, 메모리부, 키패드 등도 포함시킬 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환기(ADC)(210)에서는 센서부 출력신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 상기 변환된 디지털 신호는 진동 가속도 신호이다.
상기 현장측 제어부(220)에서는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(210)의 출력신호인 진동 가속도 신호를 속도 및/또는 변위 신호로 변환시킨다.
상기 아날로그-디지털 변환기(ADC)(220)는 도 2에 도시된 바와 같이 현장측 서버(200)에 포함시켜도 무방하지만, 현장측 서버(200)에 포함시키지 않아도 무방하다.
현장측 송/수신기(230)에서는 현장측 제어부(220)에 의해 변환된 진동 속도 및/또는 변위 신호를 원격측 서버(300)(보다 상세하게는 '원격측 서버의 송/수신기'를 말함)로 전송시킨다. 또한, 현장측 송/수신기(230)에서는 원격측 서버(300)의 송/수신기로부터 보내온 데이터를 받아 현장측 제어부(220)에 전송시키는 역할도 수행한다.
한편, 원격측 서버(300)는 원격측 송/수신기(310), 원격측 제어부(320), 메모리부(330), 디스플레이부(340), 키패드(350)를 포함한다.
원격측 송/수신기(310)는 현장측 송/수신기(230)와 데이터를 주고 받는 역할을 수행한다.
메모리부(330)에는 현장측 서버(200)에서 전송된 데이터가 저장되고, 또한, 상기 데이터를 분석시킬 알고리즘 및 원격측 제어부의 제어 알고리즘 정보뿐만 아니라 상기 알고리즘에 의해 분석된 데이터들도 저장된다.
디스플레이부(340)는 상기 원격측 제어부(320)의 제어에 의해 센서부의 검측정보(가속도 신호), 변환된 속도 및 변위 신호, 데이터 분석 알고리즘을 통한 검측정보의 분석 데이터를 수치나 그래픽으로 표시하고, 각종 제어동작 상태 등을 표시 한다.
상기 테이터 분석 알고리즘은 센서부(100)에서 검측되어 변환된 속도 및 변위 신호가 표준 지하철 진동 수치에 적합(부합)하는지 그 여부를 판단하기 위한 알고리즘(지하철 주행에 따른 인근 건물 안전도 측정 알고리즘)을 말한다.
키패드(350)에는 원격측 서버 조작자가 기능 선택 및 무선 정보 수신과 통신포트를 통한 정보 전송 등을 제어하는 각종 기능키 등이 구비된다.
원격측 제어부(320)는 현장측 서버(200)와 통신하여 현장측 서버(200)로부터 전송되는 데이터(속도 및 변위 신호)들을 수신하고, 그 수신된 데이터를 상기 데이터 분석 알고리즘에 의해 수치 데이터 및 그래픽 데이터화하여 표시제어함과 아울러 저장 등을 제어한다.
도 3은 본 발명에 따른 원격 서버로부터 지하철 주행에 따른 인접 건물 안전도 측정 장치에서의 데이터 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에서는 가속도 센서를 지하철이 주행하는 소정 구간(A)에 설치(S101)하여 가속도를 측정한다.(S102)
그런 후 아날로그-디지털 변환기(210)에 의해 센서출력신호를 디지털 신호로 변환(S103)시킨 후 상기 디지털된 진동 가속도 신호를 진동 속도 및 변위 신호로 변환시키는 알고리즘(시간영역 적분 및 주파수영역 적분)(S104)(S105)을 통해 속도 및 변위신호로 변환시킨다.(S106) 그런 후, 상기 진동 속도 및 변위신호는 현장측 송/수신기(230)에 의해 원격측 서버(300)에 전송된다.(S107) 그러면 원격측 서버의 제어부에서는 상기 데이터를 가지고 데이터 분석 알고리즘을 통해 지하철 주행에 따른 인접 건물 위험도를 측정할 수 있다.(S108)
본 발명의 일실시예에서는 현장측 서버에서 센서 출력신호인 진동 가속도 신호를 진동 속도 및 변위 신호로 변환하였지만, 이러한 작업을 원격측 서버(200)에서 실시하여도 무방하다.
또한, 도 2 설명부분에서도 간략히 설명이 이루어졌지만, 본 발명에서는 원격측 서버(300)에서 실시된 인접 건물의 안전도 측정 결과를 현장측 서버(200)에 전송시켜 현장 작업자가 모니터링하여 후속 조치를 취할 수 있도록 할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 적용되는 가속도 신호를 속도 및 변위신호로 변환시키는 알고리즘에 대해 살펴보기로 한다.
즉, 본 발명에서는 지하철의 동적 변위를 측정하고자 하는 위치에서의 가속도를 측정한 뒤, 다음과 같은 신호처리기법을 이용하여 변위를 산출한다.
(가) 시간 영역의 적분
측정된 가속도 기록을 a(t)라 하면 속도 성분은 식(1)과 같이 표현된다.
식(1)을 적분하면 변위성분 x(t)는 식(2)와 같고
식(2)의 변위성분 중, 측정된 가속도 기록에 의한 항과 초기 조건에 의한 항을 구분하여 표시하면 추정된 변위는 식(3)과 같다.
즉 초기 조건이 0인 경우에는 식(4)와 같이 측정된 가속도 신호만을 적분하여 변위응답을 구할 수 있다.
(나) 주파수 영역이 적분
푸리에 변환의 정의로부터 측정된 가속도 응답의 푸리에 변환을 구하고 이를 식(6)과 같이 푸리에 사인변환과 푸리에 코사인변환으로 분리하여 표시할 수 있다.
측정된 가속도 기록의 푸리에 변환으로부터 변위응답을 구하기 위하여 식(7)의 미분치 정리를 도입하여, 식(6)에 대입하면
식(8)의 관계식을 유도할 수 있다.
여기서,
측정된 가속도 신호의 푸리에 변환으로부터 식(8-b)을 이용하여 변위응답의 푸리에변환 X(ω)를 구할 수 있으며 시간 영역에서의 변위응답 x(t)는 식(9)의 푸리에 역변환으로부터 구할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명은 지하철 진동에 따른 인근 구조물의 영향평가를 위하여 고가의 진동속도 측정용 무빙 코일(moving coil) 형식의 센서를 사용하지 않고 값싼 가속도센서와, 제어부 기반 신호처리 프로그램을 이용하여 상시 모니터링 시스템을 구현하여 지하철 주행시 발생되는 진동에 의한 인접구조물의 진동가속도를 측정하고 이를 구조물의 국제표준 척도인 속도 및 변위로 변환하여 구조물의 피해 정도를 정량적으로 평가함으로써 지하철 진동에 의한 구조물 피해관련 민원을 효과적으로 해결할 수 있다.
또한, 상기 속도 및 변위로 변환된 신호를 원격으로 전송시킴으로써 원격에서 현장 상태를 실시간으로 파악할 수 있어 현장 대처 능력을 향상시킬 수 있다.
Claims (2)
- (a)지하철이 주행하는 철로를 포함한 철로 인근 건물에 가속도센서를 설치하여 지하철 주행에 따른 진동 가속도신호를 측정하는 단계;(b)상기 센서 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계;(c)현장측 서버는 상기 디지털 신호로 변환된 진동 가속도 신호를 진동 속도 또는 진동 변위 신호로 변환시키고, 그 신호를 원격지의 원격측 서버로 전송시키는 단계;(d)원격측 서버에서는 지하철 인접 건물의 종류나 상기 건물들의 상태에 따라 국내 또는 국제 진동 표준을 제시하는 도표에서 허용 진동 데이터를 확인하는 단계;(e)원격측 서버에서는 현장측 서버에서 전송된 진동 데이터와 단계 d에서 확인된 지하철 인접 건물의 허용 진동 데이터를 비교, 분석하는 단계; 및(f)단계 e에서 두 데이터 값의 비교 결과를 현장측 서버에 전달하여 조치가 이루어지도록 하는 단계;를 포함하여,상기 현장서버를 통해 전송된 지하철 인접건물에 대한 진동데이터를 바탕으로 지하철 인접건물의 안전도를 측정하는 원격서버를 이용한 지하철 인접 건물 안전도 측정 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 단계 d에서 언급한 구조물의 국내 또는 국제 진동 표준을 제시하는 도표는 아래 <표1>이며,상기 단계 d의 원격측 서버에서는 지하철 인접 건물의 상태가 <표1>에 나타난 4가지 경우에 해당하는 건물 중 하나인지 체크하고;상기 단계 e의 원격측 서버에서는 상기 체크된 건물의 최대지반진동속도와 상기 현장측 서버에서 전송된 진동 속도를 비교, 분석하며;상기 단계 f의 원격측 서버에서는 상기 체크된 건물의 최대지반진동속도와 상기 현장측 서버에서 전송된 진동 속도를 비교, 분석한 결과, 현장측 서버에서 전송된 진동속도가 최대지반속도를 초과하면 이러한 결과를 현장측 서버에 전달하여 신속한 조치가 이루어지도록 함을 특징으로 하는 원격서버를 이용한 지하철 인접 건물 안전도 측정 방법.<표1>
최대허용 지반진동속도 (mm/sec) 적 용 대 상 2 역사적으로 매우 가치있는 사적이나 상당히 노후된 건물 5 눈에 보이는 균열과 같은 결함이 있는 벽돌로 지은 건물 10 작은 결함도 없는 구조적으로 매우 안정적인 건물 10-40 철근콘크리트나 강구조로 된 공업용 건물과 같이 매우 강한 건물
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