KR100947042B1 - 구조물 상시 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조물 상시 모니터링 시스템에 관한 것으로, 특히 스트레인 게이지를 이용하여 구조물의 진동 또는 응력 등을 센싱하고, 이 센싱된 스트레인 데이터를 무선 센서 네트워크 시스템을 통하여 전송함으로써, 시스템 구축의 비용을 절감할 수 있고, 많은 수의 센서들을 배치할 수 있어 시스템 확장을 용이하게 하는 구조물 상시 모니터링 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템을 이루는 구성수단은, 구조물 상시 모니터링 시스템에 있어서, 구조물의 주요 부분에 배치되어 구조물의 진동 또는 응력 신호를 센싱하여 출력하는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서, 상기 스트레인 게이지 센서로부터 출력되는 신호를 스트레인 데이터로 변환한 후, 상기 스트레인 데이터를 복수개의 패킷들로 구성된 라운드(round) 별로 나누어서 전송하는 스트레인 데이터 전송 노드, 상기 스트레인 데이터 전송 노드와 무선으로 연결되어, 상기 전송된 스트레인 데이터를 수집 및 분석하여 상기 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링하는 베이스 스테이션을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
구조물, 모니터링, SHM

Description

구조물 상시 모니터링 시스템{Structural Health Monitoring System}
본 발명은 구조물 상시 모니터링 시스템에 관한 것으로, 특히 스트레인 게이지를 이용하여 구조물의 진동 또는 응력 등을 센싱하고, 이 센싱된 스트레인 데이터를 무선 센서 네트워크 시스템을 통하여 전송함으로써, 시스템 구축의 비용을 절감할 수 있고, 많은 수의 센서들을 배치할 수 있어 시스템 확장을 용이하게 하는 구조물 상시 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 건설 구조물은 시간이 경과함에 따라 노후화가 발생하고, 또한 바람, 지진, 차량 등에 의해 시간에 따라 불특정하게 발생하는 하중을 받게 되며, 구조물의 거동 역시 시간 및 작용하는 하중에 따라 변화하게 된다.
하지만, 구조물의 상태가 일정하게 유지되면 구조물의 동적 거동 특성으로 나타나는 대상 구조물의 고유 진동수와 감쇠 계수, 모드 형상 등은 일정하게 유지되고, 이러한 구조물을 원형 구조물(Integrity Structure)이라고 한다.
그러나, 노후화나 기타 손상은 구조물의 특성을 반영하는 질량, 강성 등의 요소에 변화를 나타나게 하고, 이러한 변화는 원형 구조물의 동적 특성치의 변화를 야기시킨다.
따라서, 구조물의 동적 특성을 상시로 모니터링할 수 있는 시스템이 구축된다면, 실시간으로 구조물의 상태를 평가하고, 안정성을 확보할 수 있게 된다. 최근 들어 고층 빌딩과 장대교량과 같은 대형 토목 구조물이 증가함에 따라서 구조물 상시 모니터링 시스템(Structural Health Monitoring System : SHM)의 역할이 중요하게 이용되고 있다.
이러한 점에서 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있다. 이와 같은 모니터링 기술은 건물, 교량 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단함으로써 구조물의 안전성을 극대화하고, 구조물의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술이다.
이러한 모니터링 기술은 주로 구조물에 부착된 센서에서 데이터를 획득하고, 이들 데이터를 변환하여 구조물의 손상도 평가를 위한 데이터를 분석하는 과정으로 대별된다.
그러나, 효과적인 구조물 상시 모니터링 시스템을 설계하는데 있어서는 매우 많은 기술들을 필요로 하며, 특히 구조물 손상 식별(Damage Identification) 기법과 데이터 획득 및 전송 기술들은 가장 중요하고 기본적인 요소들이다.
상기 일반적인 구조물 상시 모니터링 시스템(Structural Health Monitoring System : SHM)은 보통 유선 측정 장비 또는 단일 홉(single-hop) 무선 센서들을 기반하여 이루어진다. 이러한 시스템에서는 센서들의 수가 제한적이고 시스템 확장성이 감소된다. 특히 유선에 기반을 둔 구조물 상시 모니터링 시스템은 시스템 초기 구축을 위하여 많은 시간과 비용이 요구된다.
따라서, 현 시점에서는 시스템을 구축하기 위한 시간 및 비용을 감소하고, 시스템 확장성이 보장되며, 많은 센싱 데이터를 손실 없이 고속으로 처리할 수 있는 구조물 상시 모니터링 시스템이 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 스트레인 게이지를 이용하여 구조물의 진동 또는 응력 등을 센싱하고, 이 센싱된 스트레인 데이터를 무선 센서 네트워크 시스템을 통하여 전송함으로써, 시스템 구축의 비용을 절감할 수 있고, 많은 수의 센서들을 배치할 수 있어 시스템 확장을 용이하게 하는 구조물 상시 모니터링 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템을 이루는 구성수단은, 구조물 상시 모니터링 시스템에 있어서, 구조물의 주요 부분에 배치되어 구조물의 진동 또는 응력 신호를 센싱하여 출력하는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서, 상기 스트레인 게이지 센서로부터 출력되는 신호를 스트레인 데이터로 변환한 후, 상기 스트레인 데이터를 복수개의 패킷들로 구성된 라운드(round) 별로 나누어서 전송하는 스트레인 데이터 전송 노드, 상기 스트레인 데이터 전송 노드와 무선으로 연결되어, 상기 전송된 스트레인 데이터를 수집 및 분석하여 상기 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링하는 베이스 스테이션을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트레인 데이터를 멀티홉 전송 방식으로 전송하기 위하여, 상기 스트레인 데이터 전송 노드와 상기 베이스 스테이션 사이에 데이터 중개 노드가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트레인 데이터 전송 노드는, 상기 스트레인 게이지 센서로부터 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부, 상기 증폭부로부터 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부, 상기 노이즈가 제거된 신호를 디지털 신호로 변환하여 스트레인 데이터를 출력하는 A/D 컨버터, 상기 스트레인 데이터를 순서대로 저장하는 버퍼 및 상기 버퍼에 저장된 스트레인 데이터를 복수개의 패킷으로 구성된 라운드 별로 나누어서 전송하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 A/D 컨버터는 상기 스트레인 데이터를 12비트씩 연속적으로 출력하고, 상기 버퍼는 상기 12비트의 스트레인 데이터를 순서대로 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 라운드를 구성하는 패킷 중, 마지막 패킷에 응답 요청 플래그를 부가하여 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 수단을 가지는 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템에 의하면, 스트레인 게이지를 이용하여 구조물의 진동 또는 응력 등을 센싱하기 때문에, 저 비용으로 구조물 상시 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다.
또한, 저가인 스트레인 게이지를 사용하기 때문에, 많은 수의 스트레인 게이지를 구조물에 배치할 수 있어, 구조물의 많은 부분들의 상태를 모니터링할 수 있 고, 시스템 확장성도 향상되는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결 수단 및 효과를 가지는 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템은 스트레인 게이지(strain gauge) 센서(10), 상기 스트레인 게이지 센서(10)와 연결되는 스트레인 데이터 전송 노드(20) 및 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)와 무선으로 연결되는 베이스 스테이션(30)을 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 스트레인 게이지 센서(10)에서 전송되는 스트레인 데이터를 멀티홉 전송 방식으로 전송하기 위하여 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)와 상기 베이스 스테이션(30) 사이에 데이터 중개 노드(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 스트레인 게이지 센서(10)는 "스트레인", 즉 물체에 회력이 작용하여 물체의 변형이 일어나는 효과를 이용하여 재료의 응력, 스트레인을 측정하는 센서이다. 상기 스트레인 게이지 센서(10)는 저가이므로, 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템에 적용한다.
상기 스트레인 게이지 센서(10)는 구조물의 기둥 또는 천장과 같은 주요 부분에 배치된다. 더 나아가, 상기 스트레인 게이지 센서(10)는 구조물의 많은 부분 에 다수 배치될 수 있다. 이와 같이 배치된 스트레인 게이지 센서(10)는 구조물의 진동 또는 응력을 실시간으로 센싱하여 아날로그 신호로 센싱 값을 출력한다.
상기 스트레인 게이지 센서(10)로부터 출력되는 신호는 스트레인 데이터 전송 노드(20)로 입력된다. 상기 스트레인 게이지 센서(10)와 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)는 일대일로 연결되고, 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
상기 스트레인 게이지 센서(10)로부터 출력되는 신호는 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)에서 디지털 값인 스트레인 데이터로 변환된다. 그리고, 이 스트레인 데이터는 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)에서 라운드(round) 별로 나뉘어서 상기 베이스 스테이션(30)으로 무선 전송된다. 상기 각 라운드는 복수개의 패킷들로 구성된다. 각 라운드를 구성하는 패킷의 수는 사전 세팅에 의하여 변경될 수 있다.
한편, 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)와 상기 베이스 스테이션(30) 사이에 데이터 중개 노드(미도시)가 포함되는 경우에는, 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)는 상기 스트레인 데이터를 라운드 별로 나누어서 상기 데이터 중개 노드로 무선 전송하고, 상기 데이터 중개 노드는 전송받은 스트레인 데이터를 라운드 별로 나누어서 상기 베이스 스테이션(30)으로 전송한다.
상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)는 상기 스트레인 데이터를 최소화하여 전송할 필요가 있고, 상기 데이터 중개 노드 또는 베이스 스테이션과의 스트레인 데이터 전송에 있어서 데이터 손실을 최소화하여 전송할 필요가 있다.
상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)의 세부적인 구성이 도 2에 도시되어 있 다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)는 증폭부(21), 필터부(23), A/D 컨버터(25), 버퍼(27) 및 제어부(29)를 포함하여 이루어진다.
상기 증폭부(21)는 상기 스트레인 게이지 센서(10)로부터 출력되는 신호(진동 또는 응력 등의 스트레인 신호)를 증폭하여 출력한다. 상기 스트레인 게이지 센서(10)에 의하여 센싱된 신호는 미비한 신호이기 때문에 일단 증폭할 필요가 있다.
상기 증폭부(21)로부터 출력되는 증폭된 신호는 필터부(23)에 입력된다. 상기 필터부(23)는 상기 증폭부(21)로부터 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거한 후 출력한다. 상기 증폭된 신호에는 센싱된 스트레인 신호 이외에 불필요한 노이즈 신호가 포함된다. 따라서, 로우패스 필터로 구성된 필터부(23)를 이용하여 노이즈 신호 성분을 제거할 필요가 있다.
상기 노이즈 성분 신호가 제거된 신호는 A/D 컨버터(25)로 입력된다. 상기 A/D 컨버터(25)는 상기 노이즈 성분 신호가 제거된 신호를 디지털 신호로 변환하여 스트레인 데이터를 출력한다. 여기서, 이 스트레인 데이터는 디지털 데이터로서 12비트씩 출력된다. 즉, 상기 A/D 컨버터(25)는 상기 스트레인 데이터를 12비트씩 연속적으로 출력한다. 이와 같이 12비트씩 출력되는 스트레인 데이터는 순서대로 상기 버퍼(25)에 저장된다.
상기 A/D 컨버터(25)로부터 출력되는 스트레인 데이터는 버퍼(27)에 전달되어 순서대로 저장된다. 즉, 상기 버퍼(27)는 상기 A/D 컨버터(25)로부터 연속적으로 출력되는 12비트의 스트레인 데이터를 순서대로 연속해서 저장한다.
구체적인 저장 방법을 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 A/D 컨버 터(25)로부터 출력되는 첫 번째 스트레인 데이터(제1 스트레인 데이터)는 상기 버퍼(27) 중 최상층 버퍼(2 바이트)에 순서대로 저장되고, 상기 A/D 컨버터(25)로부터 출력되는 두 번째 스트레인 데이터(제2 스트레인 데이터)는 상기 버퍼(27) 중 최상층 버퍼(2 바이트)의 비어있는 4비트 공간과 다음 버퍼(최상층 버퍼 아래에 있는 버퍼)의 8비트 공간(최상위 비트로부터 8번째 비트까지의 공간)에 저장된다.
즉, 상기 각각의 스트레인 데이터(제1 스트레인 데이터, 제2 스트레인 데이터 등)는 2바이트 버퍼에 각각 하나씩 저장되는 것이 아니라, 비어있는 각 버퍼의 영역에 순서대로 연속해서 저장된다.
상기 버퍼(27)에 저장되어 있는 스트레인 데이터는 상기 제어부(29)의 제어에 따라 무선으로 전송된다. 이 전송된 스트레인 데이터는 상기 베이스 스테이션(30)으로 바로 전송되거나, 데이터 중개 노드(미도시)를 거쳐 무선 멀티홉 전송 방식으로 상기 베이스 스테인션(30)으로 전송된다.
상기 제어부(29)의 제어에 따라 상기 버퍼(27)에 저장된 스트레인 데이터는 라운드(round)로 나뉘어져 연속해서 전송된다. 상기 각 라운드(round)는 복수개의 패킷들로 구성된다. 상기 각 라운드를 구성하는 패킷들의 수는 세팅에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼(27)에 저장되어 전송할 패킷의 수가 100개이고, 각 라운드가 5개의 패킷으로 구성된다면, 상기 제어부(29)는 상기 100개의 패킷을 20개의 라운드로 분할하여 전송한다.
상기 제어부(29)가 상기 스트레인 데이터를 전송할 때는 상기 라운드를 구성하는 패킷 중, 마지막 패킷에 응답 요청 플래그를 부가하여 전송한다. 그러면, 상 기 베이스 스테이션(30) 또는 데이터 중개 노드(미도시)는 상기 응답 요청 플래그를 확인한 후, 소정의 응답 메시지 데이터를 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)의 제어부(29)에 전송한다.
상기 베이스 스테이션(30) 또는 데이터 중개 노드(미도시)가 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)의 제어부(29)에 전송하는 응답 메시지 데이터는 손실된 패킷 정보를 포함한 데이터이거나 라운드를 구성하는 모든 패킷이 수신되었음을 의미하는 성공 메시지 데이터를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 베이스 스테이션(30) 또는 데이터 중개 노드(미도시)는 패킷들을 전송받는 중에, 패킷에 포함되는 응답 요청 플래그를 확인한 경우에는 라운드를 구성하는 패킷들을 분석하여 손실된 패킷이 존재하는지를 확인한다. 확인 결과, 손실된 패킷이 없는 경우에는 성공적으로 라운드를 구성하는 모든 패킷이 전송된 것이므로, 성공을 의미하는 응답 메시지 데이터를 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)의 제어부(29)에 전송한다. 이 응답 메시지 데이터를 전송받은 제어부(29)는 다음 라운드를 구성하는 패킷들을 전송한다.
만약, 상기 확인 결과, 손실된 패킷들이 있는 경우에는 라운드를 구성하는 모든 패킷이 전송되지 않은 것이므로, 손실된 패킷들의 번호를 상기 응답 메시지 데이터에 기록하여 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20)의 제어부(29)에 전송한다. 그러면, 상기 제어부(29)는 상기 응답 메시지 데이터에 포함된 손실된 패킷들의 번호를 확인한 후, 상기 손실된 패킷들을 재전송한다. 이때, 손실된 패킷 중, 마지막 패킷에 응답 요청 플래그를 부가하여 전송한다.
상기와 같이 스트레인 데이터 전송 노드(20)로부터 직접 또는 데이터 중개 노드(미도시)를 거쳐 멀티홉 무선 전송 방식으로 전송된 스트레인 데이터는 베이스 스테이션(30)에 수집 및 분석된다. 상기 베이스 스테이션(30)은 상기 스트레인 데이터 전송 노드(20) 또는 데이터 중개 노드(미도시)와 무선으로 연결되어 상기 스트레인 데이터를 전송받는다.
상기 베이스 스테이션(30)은 상기 전송된 스트레인 데이터를 수집 및 분석하여 상기 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링한다. 도 4는 상기 베이스 스테이션(30)에서 이루어진 모니터링의 일예를 보여준다. 즉, 상기 베이스 스테이션(30)에서는 실시간으로 전송받은 스트레인 데이터를 디스플레이하고, 나중에 데이터 액세스가 가능하도록 데이터베이스에 저장한다.
도 1은 본 발명인 구조물 상시 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 구성요소인 스트레인 데이터 전송 노드의 세부 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 베이스 스테이션에서의 모니터링 예시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 스트레인 게이지 센서 20 : 스트레인 데이터 전송 노드
21 : 증폭부 23 : 필터부
25 : A/D 컨버터 27 : 버퍼
29 : 제어부 30 : 베이스 스테이션

Claims (5)

  1. 구조물 상시 모니터링 시스템에 있어서,
    구조물의 주요 부분에 배치되어 구조물의 진동 또는 응력 신호를 센싱하여 출력하는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서;
    상기 스트레인 게이지 센서로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호의 스트레인 데이터로 변환한 후, 상기 변환된 스트레인 데이터들을 순서대로 내장된 버퍼에 저장하고, 상기 버퍼에 저장된 스트레인 데이터들을 복수개의 패킷으로 구성된 라운드 별로 나누어서 전송하되, 마지막 패킷에 응답 요청 플래그를 부가하여 전송하는 스트레인 데이터 전송 노드;
    상기 스트레인 데이터 전송 노드와 무선으로 연결되어, 상기 전송된 스트레인 데이터를 수집 및 분석하여 상기 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링하되, 상기 응답 요청 플래그를 확인하고 라운드를 구성하는 패킷들을 분석한 결과 손실된 패킷이 없는 경우 전송 성공을 의미하는 응답 메세지를 상기 스트레인 데이터 전송 노드로 전송하는 베이스 스테이션을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물 상시 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트레인 데이터를 멀티홉 전송 방식으로 전송하기 위하여, 상기 스트레인 데이터 전송 노드와 상기 베이스 스테이션 사이에 데이터 중개 노드가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 구조물 상시 모니터링 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스트레인 데이터 전송 노드는,
    상기 스트레인 게이지 센서로부터 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부, 상기 증폭부로부터 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부, 상기 노이즈가 제거된 신호를 디지털 신호로 변환하여 스트레인 데이터를 출력하는 A/D 컨버터, 상기 스트레인 데이터를 순서대로 저장하는 버퍼 및 상기 버퍼에 저장된 스트레인 데이터를 복수개의 패킷으로 구성된 라운드 별로 나누어서 전송하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물 상시 모니터링 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 버퍼는 2바이트 크기의 다수 개의 층으로 구성되고,
    상기 A/D 컨버터는 상기 스트레인 데이터를 12비트씩 연속적으로 출력하되, 버퍼 내 비트 공간의 공백없이 연속해서 순서대로 저장하는 것을 특징으로 하는 구조물 상시 모니터링 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은
    상기 패킷들을 분석한 결과 손실된 패킷이 있는 경우 손실된 패킷들의 번호를 상기 응답 메세지에 포함하여 상기 스트레인 데이터 전송 노드에 전송하는 것을 특징으로 하는 구조물 상시 모니터링 시스템.
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