KR101064620B1 - 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성토다짐현장에서의 과학적인 성토다짐관리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다짐 로울러에 가속도계와 GPS(DGPS, RTK, VRS)를 유기적으로 연결하여 실시간 위치정보와 실시간 다짐정도를 측정하여 분석하고, 표시하는 성토다짐 관리시스템에 관한 것이다.

본 발명은 다짐 로울러의 바퀴에 장착되어 3축 방향 가속도를 측정하는 가속도계; 상기 가속도계에 의해 측정된 가속도값을 알고리즘 프로그램에 의해 상대적인 다짐정도를 나타내는 반발력 정수인 CV(Compaction Value)로 변환하는 성토다짐 평가부; 다짐 로울러의 실시간 위치정보를 취득하여 상기 CV와 매치시켜 하나의 신호로 송신하는 통신/제어부; 및 상기 통신/제어부로부터 수신된 신호를 분석하여 다짐 로울러 운전자에게 분석결과를 전달하는 관제부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템을 제공한다.

성토다짐, 다짐 로울러, 가속도계, 반도체칩, GPS, ZigBee, DGPS, VRS, RTK, INS, CV

Description

가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템{Compaction Control System using Accelerometers}

본 발명은 성토다짐현장에서의 과학적인 성토다짐관리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다짐 로울러에 가속도계와 GPS(DGPS, RTK, VRS)를 유기적으로 연결하여 실시간 위치정보와 실시간 다짐정도를 측정하여 분석하고, 표시하는 성토다짐 관리시스템에 관한 것이다.

다짐은(Compaction) 흙의 전단 강도를 증진시키고 압축성을 감소시키기 위하여 실시하는 것으로 토목, 건설공사에 있어 흙 쌓기 구간의 필수 공정이다. 이러한 다짐은 다짐 로울러를 통하여 수행하며, 균일한 강도의 다짐을 여러층 반복하여 다지게 된다. 한 층의 높이는 일반적으로 30㎝이며, 층다짐 완료 후 측량을 통하여 토공량을 산정하고, 해당 흙 쌓기 층에서 소정의 “다짐도(실내 다짐시험을 실시하여 구한 최대 건조밀도에 대한 현장측정 건조 밀도의 비를 백분율로 나타낸 것)”가 발현되는지 여부를 검사하고 이상이 없는 경우 다음 층의 작업을 수행하게 된 다.

이때 다짐도 측정은 무작위로 선정된 위치에서 실시하며, 현재는 평판재하시험, 현장밀도측정시험, 방사선 동의원소측정법등을 주로 사용하여 시험을 하고 있다. 이들 다짐도 검사기법들은 오랫동안의 토질역학적인 검증과 충분한 현장 적용 사례를 통하여 다짐관리상 효용성이 입증되었다고 볼 수 있으나, 일정 횟수 이상의 로울러 주행과 검사의 방법을 통해 다짐도를 확인하므로 많은 시간과 노력이 소요되며, 위치별 다짐정도의 편차 극복이 어렵고 과다짐(Over-compaction)을 유발할 가능성이 있어 실제 시공 현장에서는 공사관리상 커다란 애로사항이 되고 있다.

이에 따라 역학적 원리가 분명하면서 보다 신속하고 간편하게 다짐정도를 평가할 수 있는 새로운 다짐관리 방법에 대한 필요성이 제기되고 있다. 또한 넓은 다짐현장에서 다짐 로울러의 통제 또한 거의 불가능한 실정이어서, 과다짐 뿐만 아니라 전혀 다짐이 이루어지지 않은 지역도 존재할 수 있으며, 이는 부실 공사의 원인이 되기도 한다.

이러한 새로운 다짐관리 방법에 대한 필요성이 제기됨에도 불구하고 과학적이고 합리적인 다짐관리 방법은 현재까지 존재하지 않았다.

본 발명은 다짐 로울러에 가속도계와 GPS(DGPS, RTK, VRS)를 유기적으로 연결하여 실시간 위치정보와 실시간 다짐정도를 측정하고, 분석하고, 표시하는 성토다짐관리 시스템을 제공함으로서, 다짐정도를 정확하게 판단하여 다짐공사 부실로 인해 발생될 수 있는 문제점을 미연에 방지하고, 공기단축과 예산절감을 실현함을 그 목적으로 한다.

상기한 과제는 본 발명에서 제공하는 가속도계를 이용하여 표층의 진동 반발력을 측정하고 이를 분석하여 제공되는 CV와 GPS(DGPS, RTK, VRS) 또는 ZigBee가 제공하는 다짐 로울러의 위치정보를 조합하여 분석한 데어터를 기반으로 성토다짐관리를 수행하는 시스템에 의해 해결될 수 있다.

본 발명에 따르면 다짐 로울러 주행시 실시간으로 제공되는 데어터(구간별 다짐도, 다짐횟수, 다짐 로울러 궤적, 다짐 로울로 위치, 층관리 정보 등)를 통해 신속하고 간편하고 정확한 성토다짐관리를 수행하며, 과거 다짐도 검사기법(평판재하시험, 현장밀도측정시험, 방사선동위원소측정법등)시행 시 발생하였던 구간별 다짐정도의 편차, 과다짐 등을 획기적으로 줄일 수 있으며, 공기단축 및 부실공사방 지를 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 다짐 로울러의 바퀴에 장착되어 3축 방향 가속도를 측정하는 가속도계; 상기 가속도계에 의해 측정된 가속도값을 알고리즘 프로그램에 의해 상대적인 다짐정도를 나타내는 반발력 정수인 CV(Compaction Value)로 변환하는 성토다짐 평가부; 다짐 로울러의 실시간 위치정보를 취득하여 상기 CV와 매치시켜 하나의 신호로 송신하는 통신/제어부; 및 상기 통신/제어부로부터 수신된 신호를 분석하여 다짐 로울러 운전자에게 분석결과를 전달하는 관제부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템의 구성 개념도이다. 도 2는 아날로그 가속도계와 연계된 성토다짐 평가부의 구성 개념도이다. 도 3은 반도체칩 가속도계와 연계된 성토다짐 평가부의 구성 개념도이다. 도 4는 통신/제어부의 구성 개념도이다. 이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 구성요소별로 구체적으로 설명하기로 한다.

1. 가속도계

상기 가속도계는 다짐 로울러의 바퀴에 장착되어 3축 방향 가속도를 측정하 는 것으로서, 아날로그 센서가 부착된 아날로그 가속도계 또는 실리콘 웨이퍼 3장이 겹쳐져 다짐 로울러의 진동에 따라 전하를 축적하는 센서 엘리먼트가 구비된 반도체칩 가속도계를 적용할 수 있다.

상기 센서 엘리먼트 중 가운데 있는 실리콘 웨이퍼는 에칭(etching)하여 축전기의 한쪽 전극으로 만든다. 이때 축전기 전극은 공중에 떠있는 형상이 되도록 에칭하여 다짐 로울러 바퀴의 진동에 따라 전하를 모으도록 구성한다. 이러한 센서 엘리먼트는 콘덴서의 원리와 동일한 것으로서, 상기 센서 엘리먼트를 자동차에 부착시켰다고 가정하면 자동차가 출발하면 공중에 떠있는 축전기의 한쪽 전극이 뒤로 쳐지면서 전하를 모으게 되는 것과 마찬가지인 것으로 설명할 수 있다. 즉, 상기 센서 엘리먼트에 모이는 전하값은 가속도가 되며, 센서 엘리먼트 개를 3축(X, Y, Z축) 방향으로 위치시키면 3축(X, Y, Z축) 방향의 가속도를 얻을 수 있다.

2. 성토다짐 평가부

상기 성토다짐 평가부는 상기 가속도계에 의해 측정된 가속도값을 알고리즘 프로그램에 의해 CV(Compaction Value)로 변환시키는 구성요소이다.

상기 가속도계가 아날로그 가속도계인 경우, 상기 성토다짐 평가부는 아날로그 방식으로 취득한 가속도값을 디지털화하는 A/D(Analog-to-Digital) 변환기 및 디지털화된 가속도값에서 노이즈(고역 잡음 성분)를 제거하는 필터부를 포함하여 구성된다. 즉, 기존의 아날로그 센서를 이용한 아날로그 가속도계에서 CV, RMV, HZ를 아날로그값으로 얻고 이를 A/D 변환기를 통해 디지털화하고, 필터부에서 잡음 성분을 필터링하여 디지털화된 반발력 정수(CV : Compaction Value)를 얻을 수 있어 이를 통신/제어부에 전송하는 것이다.(도 2 참조)

한편, 상기 가속도계가 반도체칩 가속도계인 경우에는, 상기 성토다짐 평가부는 상기 센서 엘리먼트에서 축적한 전하를 전압으로 변환하는 C/V(Charge-to-Voltage) 변환기, 상기 전압을 디지털화하는 A/D(Analog-to-Digital) 변환기 및 디지털화된 가속도값에서 노이즈(고역 잡음 성분)를 제거하는 필터부를 포함하여 구성된다.(도 3 참조)

이러한 과정을 거쳐 상기 성토다짐 평가부에서는 알고리즘 프로그램을 통해 노이즈가 제거된 디지털화된 신호에 대한 전압 대비 가속도 맵핑을 거쳐 정량화된 가속도값을 얻는다.

이렇게 정량화된 가속도값은 변환 알고리즘 프로그램을 거쳐 반발력 정수(CV : Compaction Value)로 변환된 후 후술할 통신/제어부를 거쳐 관제부로 넘어가게 된다.

위와 같은 가속도 멥핑과 가속도값을 CV로 변환시키는 작업은 마이크로 프로세서, PC, 아날로그 연산기등 다양한 처리기를 사용하여 실행할 수 있다.

3. 통신/제어부

상기 통신/제어부는 다짐 로울러의 실시간 위치정보를 취득하여 상기 CV와 매치시켜 하나의 신호로 송신하는 구성요소이다. 즉 임의의 한 점에서 정밀 좌표 값(X, Y, Z)과 그 점에서의 CV를 매칭시키는 것이다. 다짐 로울러의 실시간 위치에 관한 고정밀 좌표와 CV의 매칭 데이터는 후술할 관제부로 전송된다. 상기 관제부에서는 스크린을 통해 관제실의 관제정보, 작업구간별 다짐 정도, 다짐 로울러의 궤적 등을 표시되도록 할 수 있으며, 이렇게 관제부가 취득, 분석하는 정보들은 다짐 로울러 운전자에게 제공되도록 할 수 있다.(도 4 참조)

상기 통신/제어부는 GPS를 이용한 다짐로울러의 위치정보를 취득하여 성토다짐평가부에서 취득한 CV를 포함한 다짐정보와 통합하고, 통합된 데이타를 근거리 통신용 ZigBee 또는 광역통신용 CDMA를 통해 무선 송신하는 것을 특징으로 한다. 상기 통신/제어부가 GPS를 사용하는 경우에는 DGPS, RTK, VRS, INS등의 좌표 보정방법을 사용할 수 있다. 상기 통신/제어부에서는 취득한 다짐 로울러의 위치정보에 CV를 하나의 통신 규약으로 일치시키는 과정(위치정보-CV 매칭과정)을 거처 만들어진 신호를 후술할 관제부로 송신한다. 이러한 신호는 관제센터 및 운전자에게도 시각 또는 청각 수단을 통해 송신되도록 할 수 있다.

상기 통신/제어부와 성토다짐 평가부, 관제부, 관제센터, 다짐 로울러 운전자간의 로컬 통신은 CDMA, HSDPA, 와이브로, 무선랜, 블루트스, 지그비, R-F모뎀 등을 사용할 수 있으며, 통신이상시 메모리부를 통하여 별도로 저장된 데이터를 이동형 메모리카드를 사용하여 본 발명에 따른 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템으로 전달할 수 있도록 구성할 수 있다. 이때 메모리부는 USB, CF, SD, 메모리스틱 등을 사용할 수 있다. 또한 상기 통신/제어부의 로컬 통신은 직렬통신, 병렬통신 또는 직병렬 겸용통신으로 수행할 수 있고, 유선, 무선 또는 유무선 혼용방식을 적용할 수 있다.

4. 관제부

상기 통신/제어부로부터 수신된 신호를 분석하여 다짐 로울러 운전자에게 분석결과를 전달하는 구성요소이다. 상기 관제부에는 상기 분석결과를 성토층의 다짐도 및 다짐횟수 정보로 제시하고, 다짐 로울러 운전자에게 다짐 필요 지점을 지적하도록 구성할 수 있다. 이러한 관제부는 별도의 관제실 내에 설치하거나 상기 통신/제어부와 연계설치할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템의 구성 개념도이다.

도 2는 아날로그 가속도계와 연계된 성토다짐 평가부의 구성 개념도이다.

도 3은 반도체칩 가속도계와 연계된 성토다짐 평가부의 구성 개념도이다.

도 4는 통신/제어부의 구성 개념도이다.

Claims (5)

1. 다짐 로울러의 바퀴에 장착되어 3축 방향 가속도를 측정하는 가속도계;

   상기 가속도계에 의해 측정된 가속도값을 알고리즘 프로그램에 의해 상대적인 다짐정도를 나타내는 반발력 정수인 CV(Compaction Value)로 변환하는 성토다짐 평가부;

   GPS를 이용한 다짐로울러의 위치정보를 취득하여 성토다짐평가부에서 취득한 CV를 포함한 다짐정보와 통합하고, 통합된 데이타를 근거리 통신용 ZigBee 또는 광역통신용 CDMA를 통해 무선 송신하는 통신/제어부; 및

   상기 통신/제어부로부터 수신된 신호를 분석하여 다짐 로울러 운전자에게 분석결과를 실시간으로 전달하는 관제부; 를 포함하여 구성되되,

   상기 가속도계는 아날로그 가속도센서가 구비된 아날로그 가속도계이거나, 실리콘 웨이퍼 3장이 겹쳐져 다짐 로울러의 진동에 따라 전하를 축적하는 센서 엘리먼트가 구비된 반도체칩 가속도계이며,

   상기 성토다짐 평가부는 아날로그 방식으로 출력된 가속도값을 디지털화하는 A/D(Analog-to-Digital) 변환기 및 디지털화된 가속도값에서 노이즈를 제거하는 필터부를 구비하거나, 상기 센서 엘리먼트에서 축적한 전하를 전압으로 변환하는 C/V(Charge-to-Voltage) 변환기 그리고 상기 전압을 디지털화하는 A/D(Analog-to-Digital) 변환기 및 디지털화된 가속도값에서 노이즈를 제거하는 필터부를 구비하고,

   상기 관제부는 상기 분석결과를 성토층의 다짐도 및 다짐횟수 정보로 제시하고, 다짐 로울러 운전자에게 다짐 필요 지점을 지적하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가속도계를 이용한 성토다짐 관리시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images