KR101085973B1 - 구조물의 절대변위측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본원발명은 광학적반사가 가능한 표식 또는 레이저 수신이 가능한 수신센서를 포함한 표식과 상기 표식에 대하여 반대방향으로 빛을 방출하는 발광수단과 상기 발광수단의 방사방향 영상을 촬영 가능한 촬영수단을 구비하고, 측량선상에서 일정 구간마다 동일한 방향으로 설치되는 상기 표식과 촬영수단이 구비되는 측량구간설정부; 상기 다수의 촬영수단이 촬영하는 표식의 영상을 설정시간 동안 획득 및 수집하는 영상처리부; 및 상기 영상처리부로부터 각각의 영상을 전송받아 각각의 절대 변위를 산출하고 이를 합산하여 절대변위를 산출하는 변위산출부: 를 포함하는 구조물의 절대변위 측정시스템으로 구성된다.

본원발명은 상기와 같은 구성으로부터 구조물의 변위를 다수개의 구간으로 나누어 건물 등의 절대변위 측정의 정확성을 높이고 경제적으로도 우수한 측량 수단을 제공하는데 그 특징이 있다.

절대변위, 표식, 측량

Description

구조물의 절대변위측정 시스템{System for measuring absolute displacement of structure}

본 발명은 구조물의 절대변위를 측정하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 구조물의 최하단에서 최상단의 한점을 측량하는 방식과는 달리 구조물에 소정의 간격으로 측량포인트를 두어 이들 변위의 합으로 최상단의 변위를 구하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

건설기술의 발전과 함께 고층 건물 및 장대 교량 등의 건설이 증가하고 있다. 이러한 구조물들은 규모와 장비 등을 고려하여 기존 일반적인 건물 및 교량의 경우와는 달리 설계 및 시공되고 있다. 이러한 구조물의 경우 구조물 전체 또는 부재의 안정성을 확보하는 강도설계로 구성되는 구조설계분야에서도 상기 구조물의 경우 강도설계와 더불어 강성설계의 중요성이 증가되며 강성설계에 의하여 구조시스템이 결정되는 특징이 있다.

특히 고층건물에 있어서, 강성설계의 대표적인 지표인 풍하중에 의한 고층건물의 최대변위에 대한 제한 값은 기준에 제시되어 있지 않으나 일반적으로 시방서 에서 건물의 수평허용 높이를 1/400~1/600으로 제한하고 있기에 상기와 같은 정도의 범위에서 설계 및 시공되고 있다. 시공된 고층건물에서의 실제 최대변위 발생량은 강성평가에 대한 직접적인 평가지표이며, 나아가 건물의 안전성 및 사용성 평가에 대한 주요한 자료로 활용될 수 있다. 이러한 이유로 고층건물을 포함한 구조물의 최대변위 또는 변위 이력을 계측 및 모니터링하려는 연구가 다양한 방법으로 진행되어 왔다.

현재 구조물의 변위를 계측하는 방법으로는 다양한 방법이 존재하며,

특허등록 제10-0546053호 등에 의해 광섬유 센서를 사용하여 스트레인을 얻어 변위로 환산하는 방법이 공개되어 있다. 그러나 광섬유 센서의 특성상 특정 위치에서의 측정값은 거리분해능 이내에서의 값들의 누적치로 표현되기 되기 때문에 거리분해능을 벗어난 균열과 같은 손상은 그 존재 및 정도를 정확하게 확인하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

미국특허등록 제04000658호 등에 의해 가속도계(ACCELEROMETERS)를 이용하여 변위를 추정하는 방법이 공개되어 있다. 그러나 소형 및 경량인 가속도계를 이용한 방법은 횡 하중에 의한 수평진동 수준과 이력을 비교적 정밀하계 계측할 수 있는 장점을 가지고 있으나 변위의 기준점 설정, 이중적분에 의한 누적오차, 저장장치까지 케이블의 연장에 의한 노이즈 발생, 케이블 및 계측기기의 유지관리 등의 어려움으로 고층건물의 정확한 변위 계측에는 문제가 있다.

또한 공개특허 제2001-0076953호 등에 의해 레이저를 이용한 미세변위 계측 기기(ELECTRONIC DISTANCE MEASUREMENT INSTRUMENT)를 사용하는 방법이 공개되어 있다. 그러나 레이저 변위계를 이용한 측량은 정확도는 우수하나 매질에 민감하여 고도가 높아질수록 정확도가 떨어지는 단점이 있으며, 정확도가 높은 고출력의 레이저를 사용하게 되면 가격면에서 GPS와 차이가 거의 없으므로 경제성이 문제가 되며, 측정자의 숙련도에 따라 측정오차 발생가능성이 있으며, 정기적인 계측시 일관성이 결여된다는 문제점이 있다.

아울러 공개특허 제2006-0065768호 등에 의해 GPS(Global Positioning System)를 이용하는 방법이 공개되어 있다. 그러나 GPS를 이용하는 방법은 기존 측량법의 문제점인 측점간의 시계확보, 장거리 측정 문제, 우천이나 야간 측정 문제 등을 해결할 수 있으며 24시간 신호이용이 가능하다는 장점을 지니고 있으나, Real Time Kinematic 측량을 할 경우 정확도 저하문제와 이를 보정하기 위해서는 기준점에 최소 2대 이상이 필요하고 망조정과 같은 처리가 필요하며, 해상도 확보, 경제성에 문제가 있다. 또한 종래의 절대변위 측량시 쓰이는 GPS 측량은 실시간 동적측량시 약 ±1cm의 가격 또한 기본 구성시 최소 4천만원이 넘게 되는 현상이 발생하는데, 교량의 경우는 정확도 높은 측량을 위해서 교량의 SPAN마다 최소 2대 이상 설치해야 하는 현실을 고려했을 때 변위 모니터링에 대한 경제성이 문제되지 않을 수 없다. 또한 건물의 경우는 일반적인 건물의 허용변위를 높이의 1/400~1/600으로 두는 현실을 고려했을 때 최소한 기지점에 3대 이상을 두어 망조정을 해야 하는데 이러한 비용 역시 상당히 소요 되는게 현실이다.

또한 CCD 카메라 등을 이용한 비전측량은 경제적이며 높은 위치측정의 정확 도를 가지고 있으나 가시 환경에 영향을 많이 받으므로 장거리 측량은 다소 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 수신부와 송신부가 일체형으로 제작된 레이저 변위측량기나 카메라의 비전측량을 이용하여 측량의 정확도가 거리에 반비례하기에 이들 구조물의 변위를 일정구간 나누어 측정하는 방식으로 최종적으로 건물의 최상층의 절대 변위를 구하고 교량의 진동형상을 실시간으로 얻을 수 있는 수단을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 과제는 구조물의 변위를 다수개의 구간으로 나누어 건물 등의 절대변위 측정의 정확성을 높이고 경제적으로도 우수한 측량 수단을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 구조물 절대변위 측정시스템은, 복수개의 측정지점이 일렬로 위치하며, 각 측정지점에는 광학적 반사가 가능한 표식과, 발광수단과, 촬영수단이 설치되는 측량구간설정부; 상기 촬영수단이 촬영한 영상정보를 수집하는 영상처리부; 및 상기 영상처리부로부터 영상을 전송받아 변위를 산출하는 변위산출부; 를 구비하되,
상기 복수개의 측정지점 중 어느 하나인 제1측정지점의 발광수단으로 상기 제1측정지점에 인접한 제2측정지점의 표식에 광을 조사하여 상기 제2측정지점의 표식에서 반사되어 오는 광을 입력받아 상기 제1측정지점의 촬영수단이 상기 제2측정지점의 표식을 촬영함으로써 상기 영상처리부에 상기 제2측정지점의 영상정보가 수집되고, 상기 변위산출부는 상기 제1측정지점 촬영수단에서 촬영되어 획득되는 상기 제2측정지점의 영상정보가 상기 제1측정지점 촬영수단의 영상 맺힘 부위의 중심에서 벗어난 정도를 가지고 상기 제1측정지점에 대한 상기 제2측정지점의 변위를 산출하고,
상기 제2측정지점의 발광수단으로 상기 제2측정지점에 인접한 제3측정지점의 표식에 광을 조사하여 상기 제3측정지점의 표식에서 반사되어 오는 광을 입력받아 상기 제2측정지점의 촬영수단이 상기 제3측정지점의 표식을 촬영하여 상기 영상처리부에 상기 제3측정지점의 영상정보가 수집되고, 상기 변위산출부는 상기 제2측정지점 촬영수단에서 촬영되어 획득되는 상기 제3측정지점의 영상정보가 상기 제2측정지점 촬영수단의 영상 맺힘 부위의 중심에서 벗어난 정도를 가지고 상기 제2측정지점에 대한 상기 제3측정지점의 변위를 산출하고 여기에 상기 제1측정지점에 대한 상기 제2측정지점의 변위를 합산하여 상기 제1측정지점에 대한 상기 제3측정지점의 변위를 산출하는 것을 특징으로 한다.

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상기 광학적반사가 가능한 표식은 특정물체의 영상을 강조하기 위해 역광투사(Retro reflective)의 특성을 지니는 것으로 이루어지는 것이 바람직하며 이를 통해 특정시간에 구애 받지 않고 명확한 영상을 확보할 수 있으며, 아울러 후술할 적외선 LED 카메라와 연계하여 적외선을 반사하게 된다.

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상기 발광수단의 경우 적외선 LED를 장착하여 적외선을 발광하는 것이 바람직하다.

카메라 비전측량이나 레이저 측량의 경우 50m~ 200m 보다 바람직하게는 100m 내외에서 측정하는 것이 가장 경제적이고 비교적 정확한 측량이 가능하다는 것을 고려하여, 건물이나 교량의 각 구간이 100m 내외에서 측량 타겟과 측량부를 통합한 장비를 설치하여 측량구간설정을 구성하게 된다.

상기 발광수단이 장착된 촬영수단을 통해 절대변위의 측정자료가 되는 영상을 촬영하게 되는데, 상기 촬영수단으로는 전자제어식 줌 카메라 또는 적외선 LED 카메라를 통해 렌즈의 화각을 조정하고 원하는 위치에 초점을 설정하여 화면에 표식이 가득 차게 한 후, 움직임이 있는 경우 화소의 이동거리를 추적하여 변위를 모니터링하게 된다.

상기 영상처리부에서는 각 구간에 설치된 표식과 촬영수단을 통해 각각 표식의 영상을 수집하게 된다.

이러한 각각의 구간에서 획득 및 수집된 정보를 전송받아 이동거리에 따라 각각의 절대변위를 측정하고 이를 합산하여 절대변위를 산출하게 되고 이렇게 산출된 절대변위는 장대 구조물의 절대변위의 정확성과 경제성을 동시에 확보할 수 있다는 데 그 특징이 있게 된다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명은 해상도, 정밀성 등을 고려하여 각각 적정한 측량 설정을 통해 경제적인 면에서 50% 이상의 비용 절감 효과를 갖게 되며 절대변위의 측정의 정밀성에도 우수한 효과를 나타내며 아울러 건물의 반능동 제어시 소요되는 알고리즘의 정확성을 높일 수 있다는 데 그 우수한 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 절대변위 측정시스템에 대한 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.

카메라 비전 측량의 경우 특정물체의 영상을 강조하기 위해 역광투사(Retro reflective)의 특성을 지닌 다수개의 표식(110)이 각 타겟지점에 설치되고 상기 표식(110)으로 빛을 방출하는 발광수단(120)인 LED를 통하여 적외선이 방출되고 이러한 적외선 방출이 가능한 LED를 장착한 촬영수단(130)인 카메라가 상기 표식(110)과 함께 설치되고 이러한 것을 통해 본원발명의 측량구간 설정부(100)가 구성되게 된다.

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상기 각 타겟지점 간의 거리는 100m 내외로 하여 정밀도와 경제성을 함께 고려하게 된다.

또한 상기 촬영수단인 카메라에 대해 일정시간을 설정하고 아울러 화면에 표식이 가득 차게 화각 및 초점을 설정하게 된다.

상기 카메라에 장착된 LED를 통해 각각의 표식에 대해 적외선을 방출하고 움 직임을 포착하여 화소의 이동거리 등의 각각 구간의 영상을 영상처리부(200)로 전송하게 된다. 상기 영상 처리부에서는 이러한 각각 구간의 영상 데이터을 획득하여 각 구간별로 영상을 수집 및 저장하게 된다.

상기 영상처리부로부터 각각 구간의 영상 데이터를 전송받은 변위산출부(300)에서는 각각의 절대 변위를 산출하고 이를 합산하여 최종 절대변위를 산출하게 된다.

상기 절대변위 산출을 통해 종래 이용되고 있는 레이저 측량이나 카메라를 이용한 비전측량의 경우 문제가 되는 장대 구조물의 측량의 정확도를 해소할 수 있다는 데 그 특징이 있다.

도 2는 본 발명이 고층건물에 적용되는 실시예를 나타낸 예시 도면이다.

고층건물의 경우 상기 도1에서의 설명과 같은 작업을 수행하게 되는데 고층 건물의 경우 일반적으로 시방서에서 건물의 수평 허용범위를 건물높이의 1/400~1/600에 제한을 두고 있다는 점을 고려하여 건물의 수평변위를 측정함이 중요하게 고려되는데 100m 내외에서 각 타겟을 둠이 바람직하므로 총 높이 245m의 고층건물에 있어 지상에 기준이 될 수 있는 기지점(140)을 두고 고층건물의 중간부와 최상단에 상기 표식 및 촬영수단 등을 구비하여 기지점에서 중간층에서의 변위와 최상단에서 중간층의 변위를 확인하여 높은 정확도 및 경제적인 실시간의 동적인 변위 측량이 가능하게 된다.
구체적으로, 측정지점(11, 12, 13)마다 표식(110), 발광수단(120), 촬영수단(130)이 설치되며, 제1측정지점(11)에 있는 발광수단(120) 및 촬영수단(130)을 통하여 제2측정지점(12)에 있는 표식(110)을 사진촬영하고, 제2측정지점(12)에 있는 발광수단(120) 및 촬영수단(130)을 통하여 제3측정지점(13)에 있는 표식(110)을 촬영한다. 이러한 원리로 기지점(140)에 대한 제1측정지점, 제2측정지점, 제3측정지점의 구간별 변위를 알 수 있게 된다.
예컨대, 제1측정지점(11)의 발광수단(120)을 통해 제2측정지점(12)의 표식(110)에 적외선을 방출하여 표식(110)에서 반사되어 오는 적외선을 이용하여 제1측정지점(11)의 촬영수단(130)으로 제2측정지점(12)의 표식(110)에 대한 영상정보를 획득한다. 이러한 방식으로 영상처리부(200)는 각 측정지점(11, 12, 13)의 표식(110)에 대한 영상 데이터를 획득하여 저장한다. 그러면, 변위산출부(300)는 영상데이터를 통하여 구간별 절대변위를 산출하고 이를 합산하여 최종 절대변위를 산출한다.
이때, 변위산출부(300)는 촬영수단(130)이 획득한 영상정보가 촬영수단(130)의 영상 맺힘 부위의 중심에서 벗어난 정도를 가지고 변위를 산출한다. 한마디로 말해서 사진을 찍었을 때에 사물의 위치가 중심에서 벗어난 정도를 가지고 변위를 산출한다는 것이다.
상기 절대변위 산출을 통해 종래 이용되고 있는 레이저 측량이나 카메라를 이용한 비전측량의 경우 문제가 되는 장대 구조물의 측량의 정확도를 해소할 수 있다는 데 그 특징이 있다.

도 3은 본 발명이 장대교량에서 적용되는 실시예를 나타낸 예시 도면이다.

장대교량의 경우 상기 도1에서의 설명과 같은 작업을 수행하게 되는데 장대교량의 경우 역시 100m 내외에서 각 타겟을 두어 각각의 표식 및 촬영수단 등을 구비한 장비를 통해 각 개별적 구간의 변위를 측정하여 합산을 통해 이 또한 역시 높은 정확도 및 경제적인 실시간의 동적인 변위 측량이 가능하게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 구조물의 절대변위 측정시스템으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 절대변위 측정시스템에 대한 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.

도 2는 본 발명이 고층건물에 적용되는 실시예를 나타낸 예시 도면이다.

도 3은 본 발명이 장대교량에서 적용되는 실시예를 나타낸 예시 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 측량구간설정부 110: 표식 120: 발광수단 130: 촬영수단

140: 기지점 200: 영상처리부

300: 변위산출부

Claims (2)

1. 복수개의 측정지점이 일렬로 위치하며, 각 측정지점에는 광학적 반사가 가능한 표식과, 발광수단과, 촬영수단이 설치되는 측량구간설정부;

   상기 촬영수단이 촬영한 영상정보를 수집하는 영상처리부; 및

   상기 영상처리부로부터 영상을 전송받아 변위를 산출하는 변위산출부; 를 구비하되,

   상기 복수개의 측정지점 중 어느 하나인 제1측정지점의 발광수단으로 상기 제1측정지점에 인접한 제2측정지점의 표식에 광을 조사하여 상기 제2측정지점의 표식에서 반사되어 오는 광을 입력받아 상기 제1측정지점의 촬영수단이 상기 제2측정지점의 표식을 촬영함으로써 상기 영상처리부에 상기 제2측정지점의 영상정보가 수집되고, 상기 변위산출부는 상기 제1측정지점 촬영수단에서 촬영되어 획득되는 상기 제2측정지점의 영상정보가 상기 제1측정지점 촬영수단의 영상 맺힘 부위의 중심에서 벗어난 정도를 가지고 상기 제1측정지점에 대한 상기 제2측정지점의 변위를 산출하고,

   상기 제2측정지점의 발광수단으로 상기 제2측정지점에 인접한 제3측정지점의 표식에 광을 조사하여 상기 제3측정지점의 표식에서 반사되어 오는 광을 입력받아 상기 제2측정지점의 촬영수단이 상기 제3측정지점의 표식을 촬영하여 상기 영상처리부에 상기 제3측정지점의 영상정보가 수집되고, 상기 변위산출부는 상기 제2측정지점 촬영수단에서 촬영되어 획득되는 상기 제3측정지점의 영상정보가 상기 제2측정지점 촬영수단의 영상 맺힘 부위의 중심에서 벗어난 정도를 가지고 상기 제2측정지점에 대한 상기 제3측정지점의 변위를 산출하고 여기에 상기 제1측정지점에 대한 상기 제2측정지점의 변위를 합산하여 상기 제1측정지점에 대한 상기 제3측정지점의 변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물의 절대변위 측정시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 발광수단은 적외선 LED이고, 상기 촬영수단은 적외선 카메라인 것을 특징으로 하는 구조물의 절대변위 측정시스템.

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