KR101338321B1 - 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법 - Google Patents

수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법 Download PDF

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이승희
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Abstract

본 발명은 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지진가속도 계측시스템에서 실시간 지진감시를 통해 지진 발생시 경보를 발령하고 안전진단 시스템에서 지진 신호를 이용해 실시간 구조물의 안전성을 평가하여, 피해상황 파악 및 신속한 피해복구 조치 등에 즉각 활용할 수 있는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수리구조물 실시간 안전 계측 시스템은 주요시설물에 설치되어 각각의 위치에서 독립적으로 지진감지 및 지진기록을 하고, 지진 여부를 판단하여 지진 발생시 경보를 발령하는 지진가속도 계측시스템과, 수리구조물에 설치되어 상기 지진가속도 계측시스템의 지진신호를 이용하여 지반 및 수리구조물의 물성 변화를 탐지하고 전기비저항 탐사에 의해 안전성을 평가하는 안전진단 시스템을 포함한다.

Description

수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법 {REALTIME SAFETY MEASUREMENT SYSTEM OF HYDRAULIC STRUCTURE AND ANALYSIS METHOD THEREOF}
본 발명은 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지진가속도 계측시스템에서 실시간 지진감시를 통해 지진 발생시 경보를 발령하고 안전진단 시스템에서 지진 신호를 이용해 실시간 구조물의 안전성을 평가하여, 피해상황 파악 및 신속한 피해복구 조치 등에 즉각 활용할 수 있는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법에 관한 것이다.
우리나라에 지진이 발생하는 경우 기상청은 지진관측결과를 SMS 등을 통하여 신속히 통보하고 있지만 현재까지는 경보 시스템 위주로 진행되고 있어, 지진 발생 후, 중요구조물에 대한 안전진단시스템의 기능은 매우 미흡하다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 최근 인명과 재산피해를 막대하게 초래하는 지진이 일본, 뉴질랜드, 터키 등 전 세계적으로 빈번하게 발생하고 있다.
특히 2011년 3월 일본 동북부 지역의 태평양판과 북아메리카판 경계에서 발생한 규모 8.8의 지진은 예상을 뛰어 넘는 규모의 지진 해일로 인하여 막대한 피해를 입었다.
이러한 예는 지진의 발생시기, 위치 및 규모를 예측할 수 없는 현 시점에서, 그 피해를 최소화하기 위하여 보다 체계적인 지진방재 시스템을 구축하고 또한 지진과 관련한 피해를 신속히 분석할 수 있는 시스템을 마련하는 것이 매우 중요함을 보여준다.
우리나라는 유라시아판 내부에 위치하여 태평양판, 북아메리카판, 유라시아판, 필리핀판 경계에서 다소 떨어져 지진에 대한 위험성이 상대적으로 작지만 과거의 지진피해기록과 최근 계기지진기록은 결코 지진 안전지대가 아님을 나타내고, 실제로 언제든지 심각한 피해를 줄 수 있는 규모 6.5 이상의 지진이 발생할 수 있음을 많은 과학자가 경고하고 있다.
따라서 정부에서도 이를 인식하고 지진과 지진 해일로 인한 재해로부터 국민의 생명과 재산 및 주요기간 시설을 보호하기 위하여 범정부적 지진방재 종합대책 수립 및 지진재해대책법을 제정하여, 지진이 발생하면 기상청은 지진관측결과를 SMS, Fax, email 등을 통하여 3분 이내에 통보하고 있다.
또한, 2015년까지 지진조기경보시스템을 구축하여 수십 초대로 지진 통보가 가능하도록 구축사업을 진행하고 있다.
그러나 현재 진행되고 있는 국가적 지진방재 대책은 경보 시스템 위주로 추진되고 있어, 지진 발생 후 국가 주요 기간시설, 특히 수리구조물에 대한 안전진단의 기능은 매우 미흡하다.
한편, 중요 수리구조물에 대하여 정기적인 안전진단 시스템을 실시하고 있으나 측정주기가 불규칙하게 실시하다.
특히 수리구조물은 다른 구조물과 달리 민가가 위치하는 하류에 설치되는 경우가 많아 큰 피해가 예상된다.
즉 수리구조물의 1차 피해, 수리구조물의 구조손실, 붕괴 및 파괴에 따른 재산 피해와 인명 피해 등의 2차 피해, 1차와 2차 피해로 인하여 발생하는 식량 및 전력 재난 등의 3차 피해가 발생하게 된다.
이러한 피해를 방지하기 위해서는 수리구조물의 변화를 신속히 파악하여 안정성을 평가할 수 있는 시스템 구축이 필요하다.
등록번호 10-0956789(등록일자 2010년04월30일) 공개번호 10-2009-0101432(공개일자 2009년09월28일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지진가속도 계측시스템에서 실시간 지진감시를 통해 지진 발생시 경보를 발령하고 안전진단 시스템에서 지진 신호를 이용해 실시간 구조물의 안전성을 평가하여, 피해상황 파악 및 신속한 피해복구 조치 등에 즉각 활용할 수 있는 결과를 제출할 수 있도록 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 제공하고자 하는 목적은 지진가속도 계측시스템과 실시간 안전진단 시스템의 연동으로 피해상황을 파악하고 신속한 피해복구 조치를 취해 지진발생 이후 수리구조물 파괴로 인한 피해를 줄일 수 있는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템 및 그 분석방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수리구조물 실시간 안전 계측 시스템은 주요시설물에 설치되어 각각의 위치에서 독립적으로 지진감지 및 지진기록을 하고, 지진 여부를 판단하여 지진 발생시 경보를 발령하는 지진가속도 계측시스템과,
수리구조물에 설치되어 상기 지진가속도 계측시스템의 지진신호를 이용하여 지반 및 수리구조물의 물성 변화를 탐지하고 전기비저항 탐사에 의해 안전성을 평가하는 안전진단 시스템을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 수리구조물 실시간 안전계측 시스템의 분석방법은 지진가속도 계측시스템에서 초당 샘플수를 갖는 실시간 지진계측자료를 SEED로부터 데이터만을 필터링한 miniSEED나 GCF(greatest common factor: 최대공약수) 포맷으로 저장하고 모니터링 하는 방식으로 지진계측자료를 모니터링하고, 지진신호에 대하여 초당 샘플수의 최소, 최대, 평균값을 이용하여 최대지반가속도(PGA)를 산출하고 그 최대지반가속도를 모니터링하여 지진 여부를 판단하는 단계;
안전진단 시스템에서 상기 지진신호를 이용하여
Figure 112013073842596-pat00001
(여기서 dpresent는 측정시점이고, dreference는 기준자료이며, Δd는 기준자료와 측정시점의 차)를 제한하지 않고 입력자료로 활용하고, 상기 입력자료는 측정시점에서 지반상태가 변화하지 않는다는 전제조건하에 평활화 제한을 가한 최소자승 지반해석법과 지반변화가 있는 시점을 해석하는 변화율 역산해석법(difference inversion)으로 지반을 해석하는 단계; 및
상기 안전진단 시스템에서 상기 해석한 지반을 영상화하되, 지반변화영상을 격자로 분류해서 해석에 맞는 측정값을 이용하여 영상화하고, 이때
Figure 112013073842596-pat00002
(α는 해석결과에서 임의의 각도이며, x 및 y는 지반영상화 좌표, ZE, ZW, ZN, ZS은 측정지점에서의 지반변화값)와 같은 방향성 미분 분석알고리즘을 적용하여 영상화하는 단계를 포함하여 구성된다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 지진가속도 계측시스템에서 실시간 지진감시를 통해 지진 발생시 경보를 발령하고 안전진단 시스템에서 지진 신호를 이용해 실시간 구조물의 안전성을 평가하여, 피해상황 파악 및 신속한 피해복구 조치 등에 즉각 활용할 수 있는 결과를 제출할 수 있다.
또한, 지진가속도 계측시스템과 실시간 안전진단 시스템의 연동으로 지진발생 이후 수리구조물 파괴로 인한 피해를 줄일 수 있고, 실시간으로 다양한 정보를 모니터링 할 수 있는 국가적 DB 구축의 기반을 마련할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 안전계측 시스템의 개략도이다.
도 2a와 도 2b는 도 1에 나타낸 지진가속도 계측시스템을 구성하는 자유장 계측시스템과 지표가속도 계측시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지진감시 운영 소프트웨어 개요도이다.
도 4a와 도 4b는 도 3의 운영에 따른 지진자료 실시간 모니터링 화면과 최대지반가속도 모니터링 화면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 안전진단 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 해석방법 중 평활화 제한 최소자승 해석법에 의한 영상이다.
도 7은 본 발명에 따른 방향성 미분 분석알고리즘을 적용한 경우의 지반변화영상이다.
도 8은 전기비저항과 투수계수와의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 안전계측 시스템의 개략도이다.
도시된 바와 같이 안전계측 시스템은 지진가속도 계측시스템(100)과 안전진단 시스템(200)으로 이루어진다.
지진가속도 계측시스템(100)은 주요시설물에 설치되어 각각의 위치에서 독립적으로 지진감지 및 지진기록을 하고, 유선 네트워크로 데이터를 송신하며 이렇게 수집된 데이터는 모니터링 PC를 통하여 실시간으로 확인할 수 있다.
상기 지진가속도 계측시스템(100)은 지표형 가속도계, 시추공형 가속도계, 지진기록계, 통신장비, 광변환기, 무정전전원장치(UPS), 환경감시장치, 지진감시모니터링시스템, 센서함체, 및 지진기록함체를 포함하여 구성된다.
상기 지표형 가속도계는 지진에 의한 지표의 진동가속도를 측정한다.
상기 시추공형 가속도계는 지진에 의한 지하의 진동가속도를 측정한다.
상기 지진기록계는 지표형 가속도계나 시추공형 가속도계에 연결되어 지진의 진동을 알아내 지진파를 기록하되, 120dB 이상의 동적범위를 기록한다.
상기 통신장비는 허브, 라우터, 모뎀을 포함하고 외부와 연결된다.
상기 광변환기는 상기 통신장비에 연결되고 외부의 광패턴으로부터 디지털 신호를 생성한다.
상기 무정전전원장치는 정전시에도 안정적으로 전원을 공급한다.
환경감시장치는 상기 통신장비에 연결되고 주위 환경의 온도, 습도 등을 감지한다.
안전진단 시스템(200)은 막대한 인적, 물적 피해를 야기하는 댐이나 저수지 같은 수리구조물에 설치되어 지반 및 수리구조물의 물성 변화를 탐지하는 시스템으로, 양방향 CDMA 통신을 포함하는 임베디드 방식의 시스템으로써 수위, 수온, 지중 경사계, 투수계수, 안전도 지수, 누수거동 정보 등의 매우 다양한 자료를 취득하고 분석한다.
또한, 양방향 CDMA 통신으로 사무실에서 실시간으로 모니터링하여 수리구조물의 안정성을 평가할 수 있다.
상기 지진기록계가 설치된 수리구조물에서 사용자가 임의로 지정한 트리거 수준을 넘어갈 경우 발생하는 지진신호원으로부터 국가통합 관측망이 운영하는 출력신호를 이용하여 안전진단 시스템(200)에서 지반이나 수리구조물을 평가한다.
<지진가속도 계측시스템의 하드웨어>
도 2a와 도 2b는 도 1에 나타낸 지진가속도 계측시스템을 구성하는 자유장 계측시스템과 지표가속도 계측시스템의 구성도이다.
본 발명에 따르면 지표가속도 계측시스템(120)은 수리구조물인 댐마루 정상과 하단에 각각 설치되고, 이 수리구조물과 떨어져 자유장 계측시스템(110)이 설치된다.
도 2a에 도시된 바와 같이 자유장 계측시스템(110)은 환경감시장치(111), 지진기록계(112), 광변환기(113a,113b), 통신장비(114), 무정전전원장치(115), 시추공형 가속도계(116)를 포함하여 구성된다.
환경감시장치(111)는 수리구조물과 떨어진 주위 환경의 온도, 습도 등을 감지한다.
시추공형 가속도계(116)는 지표가 아닌 지하에 설치되어 지진(地震)의 진동가속도를 측정한다.
지진기록계(112)는 상기 시추공형 가속도계(116)와 연결되어 지진의 진동을 알아내 지진파를 기록하되, 120dB 이상의 동적범위를 기록한다.
무정전전원장치(115)는 배터리와 충전기로 이루어져 외부 전원의 공급없이도 지진기록계(112)에 전원을 공급한다.
통신장비(114)는 허브, 라우터, 모뎀으로 이루어져 자유장 계측시스템(110)을 외부와 연결하여 데이터를 주고받을 수 있도록 한다.
광변환기(113a,113b)는 광전 변환기의 일종으로, 광 패턴으로부터 디지털 신호를 생성한다.
미설명 부호 117은 광분배기이다.
도 2b에 도시된 바와 같이 지표가속도 계측시스템(120)은 환경감시장치(121), 지진기록계(122), 광변환기(123), 무정전전원장치(125), 센서(126), 광분배기(127)를 포함하여 구성된다.
상기 센서(126)는 지표에 설치되어 지진의 진동가속도를 측정하는 지표형 가속도계이다.
환경감시장치(121)는 수리구조물 주위 환경의 온도, 습도 등을 감지한다.
지진기록계(122)는 상기 센서(126)와 연결되어 지진의 진동을 알아내 지진파를 기록하되, 120dB 이상의 동적범위를 기록한다.
무정전전원장치(125)는 배터리와 충전기로 이루어져 외부 전원의 공급없이도 지진기록계(122)에 전원을 공급한다.
광변환기(123)는 광전 변환기의 일종으로, 광 패턴으로부터 디지털 신호를 생성한다.
미설명 부호 127은 광분배기이다.
<지진감시 소프트웨어>
지진 계측은 지진기록계(160)에서 초당 샘플수를 갖는 실시간 지진계측자료를 SEED로부터 데이터만을 필터링한 miniSEED나 GCF(greatest common factor: 최대공약수) 포맷으로 저장하고 모니터링 하는 방법으로 이루어진다.
지진감시 소프트웨어는 지진관측자료 모니터링을 비롯하여 지진발생 유무를 파악할 수 있는 최대지반가속도(peak ground acceleration:PGA) 모니터링, 그리고 이벤트 발생기록 등의 정보로부터 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 지진감시 운영 소프트웨어 개요도이다.
운영 소프트웨어는 먼저 서버(140) 즉, 지진감시 모니터링시스템의 스토리지(141)에 저장된 실시간 모니터링 신호를 불러오고 분석을 하는 지진자료 실시간 모니터링(142)을 수행하여 각 성분별 측정자료를 제어하고 도시한다.
다음 지진신호에 대하여 초당 샘플수의 최소, 최대, 평균값을 이용하여 최대지반가속도(PGA)(143)를 산출하고 최대지반가속도 모니터링(144)을 수행하여 지진 발생시 각 관측소별 지진신호에 대한 최대값 및 시간 등이 기록하며, 지진신호 발생시(이벤트 검출시) 경보(145)를 발생한다.
또한, 지진신호 발생시 선정된 관계자의 이동단말로 SMS(146)를 송신한다.
또한, 지진발생시 신호 및 최대지반가속도, 시간 등을 함께 기록하고, 지진보고서(147)를 송신한다.
<안전진단 시스템의 하드웨어 구성>
수리구조물의 안정성 평가에 전기비저항 탐사가 가장 널리 사용된다.
전기비저항 탐사는 누수구간 탐지에 효과적으로 적용되는 기술이나 정기적/비정기적 정밀안전진단 외에는 특별한 시행이 이루어지지 않고 있어 효과적인 누수구간 탐지를 위해서는 모니터링 탐사법이 훌륭한 대안이 될 수 있다.
도 5는 도 1에 나타낸 안전진단 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이 안전진단 시스템(200)은 현장에 설치되는 임베디드기반의 자료획득시스템(220)과 제어시스템(210)으로 구성된다.
상기 제어시스템(210)은 인터넷 등의 근거리통신망(LAN) 또는 CDMA 통신방식을 이용하여 현장의 자료획득시스템(220)을 제어하며, 자료획득, 저장, 분석 및 보고서를 제출한다.
상기 제어시스템(210)은 시스템 제어부(212)를 기반으로 동작되는 프로세싱 유닛(214)과 DB(216)를 구비하며, 시스템 제어부(212)는 LAN 모듈(217)과 CDMA 모듈(218)을 통하여 자료획득 시스템(220)과 데이터를 송수신하는 구성을 갖는다.
여기에서 시스템 제어부(212)는 프로세싱 유닛(214)을 구동하여 탐사 제어 및 분석을 수행하며, 프로세싱 유닛(214)은 탐사 제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재할 수 있다.
그리고 DB(216)는 탐사 결과에 대응하는 데이터를 저장한다.
상기 필드 시스템(220)의 센서부(240)는 디지털 센서류(242)와 아날로그 센서류(244)를 포함하며, 디지털 센서류(242)에는 경사를 측정하는 틸트 센서 및 가속 센서 등이 포함될 수 있고, 아날로그 센서류(244)에는 온도 센서나 습도 센서 등이 포함될 수 있다.
또한, A/D 유닛(230)은 스위칭 박스(232)와 전기비저항 센서(234), 송신스위치 제어부(236)와 수신스위치 제어부(238)로 구성되며, 스위칭 박스(232)는 복수 개의 채널을 가지며 각 채널에 대한 스위칭을 수행하여서 전기비저항 센서(234)와 측정 CPU(222) 간의 통신을 수행하는 허브 역할을 수행한다.
상기 전기비저항 센서(234)는 전기비저항 측선을 연결하는 전극들이 어레이로 구성되고 각 전극들이 스위칭 박스(232)의 각 채널에 병렬로 연결된 구성을 갖는다.
측정 CPU(222)는 LAN 모듈(227)과 CDMA 모듈(228)을 통하여 제어시스템(210)과 통신을 수행하면서 전기비저항 탐사의 송수신을 제어하고 전기비저항 센서(234)를 이용하여 탐사를 수행하여 자료를 획득하는 제어를 수행하며, 탐사된 자료를 저장하는 플래시 저장소인 메모리(224)를 구비한다.
또한, 측정 CPU(222)는 센서부(240)의 디지털 센서류(242) 및 아날로그 센서류(244)들이 접속되어서 탐사 환경에 대한 종합적인 정보를 취득한다.
또한, 측정 CPU(222)는 C2 C1 P1 P2의 정방향 순서로 측정과 P2 P1 C1 C2의 역방향 순서로 측정을 수행하기 위한 계측 신호를 송신하며, 송신스위치 제어부(236)는 측정 CPU(222)의 제어에 동기하여 스위칭 박스(232)를 제어하도록 구성되어서 상기 계측 신호가 스위칭 박스(232)에 연결된 전기비저항 센서(234)로 전달되는 타이밍을 제어한다.
그리고 측정 CPU(222)는 수신스위칭 제어부(238)의 수신 타이밍을 제어하도록 구성되며, 그에 따라서 수신 스위칭 제어부(238)는 계측 신호에 대응하여 발생하는 전기비저항 센서(234)의 계측 정보를 스위칭박스(232)를 통하여 전달하도록 구성되고, 이와 같이 수신된 계측 정보를 측정 CPU(222)에 전달된다.
스위칭 박스(232)는 전기비저항 센서(234)의 각 전극에 연결된 전기비저항 측선을 명령에 따라 연결해 주는 시스템이며 일반적인 전기비저항 탐사에서 많이 사용되는 배전반의 기능을 통합하여 구성될 수 있다.
그리고 측정 CPU(222)와 기능적으로 분리되게 구성되며 그에 따라 낙뢰 등에 의한 시스템의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 현장의 자료획득시스템(220)은 수리구조물에 설치된 다중채널 자료수신 센서(234,244)를 통해 획득된 아날로그 신호를 A/D 컨버터(226)를 통해 디지털로 변환한다.
상기 A/D 유닛(230)의 스위칭박스(232)는 프로그램 제어방식으로 운영되는 다중 계전기(relay)로 이루어진다.
상기 다중 계전기는 시스템의 특성상 고전압 고압전류에 안정신호 수신을 위한 정밀 제어 모듈을 채택하고, 각 채널별로 보호회로를 채택하여 뇌우에 의한 손상을 방지한다.
상기 수리구조물에 설치된 전기비저항 센서(234)로부터 다중 계전기 즉, 스위칭박스(232)를 통해 획득되는 자료를 24BIT의 A/D 컨버터(226)를 통해 신속히 자료를 획득한다.
<안전진단 시스템의 분석 소프트웨어>
수리구조물은 일변화에 따라 다양한 변화하는 것으로 알려져 있으며, 이를 위해서는 다량의 모니터링 자료가 필요하다.
따라서 자료해석을 위해서는 다량의 자료를 제어하고 분석하는 기능이 요구되고, 모니터링 자료는 측정일, 시간, 그리고 수위, 온도, 파일 경로, 파일 이름 등 다양한 변수가 있으며, 자료의 품질을 한눈에 표현할 수 있어야 한다.
이와 같은 다량의 모니터링 측정자료를 기반으로 분석한 결과, 측정시점에서의 측정자료는 기준시간대의 측정자료와의 관계에서 5%를 초과하는 변화를 보이지 않으므로 측정자료의 변화를 자동으로 제거하고 분석하는 입력자료로서 활용될 수 있다.
이는 다음과 같은 수학식 1로 표현된다.
Figure 112013073842596-pat00003
여기서 dpresent는 측정시점이고, dreference는 기준자료이며, Δd는 기준자료와 측정시점의 차를 의미한다.
상기 수학식 1에서 주의할 점은 짧은 시간에 큰 규모로 지반이 변화하는 조건이 발생할 수도 있다는 것으로, 수리구조물에서 이러한 대표적인 예가 지진이나 사면붕괴에 따라서 구조물에 영향을 미치는 경우이다.
이러한 경우 지진가속도 계측시스템의 신호원을 이용하여 수학식 1을 제한하지 않고 입력자료로 활용한다.
상기한 방식으로 해석 프로그램에 맞도록 변환된 측정자료는 다양한 지반해석기법에 의거하여 해석하는 작업을 거치게 되는 바, 지반을 해석하는 방법은 측정시점에서 지반상태가 변화하지 않는다는 전제조건하에 해석하는 방법과 지반변화가 있는 시점을 해석하는 두 가지 방법으로 구분된다..
전자는 평활화 제한을 가한 최소자승 지반해석법이며, 다른 하나는 변화율 역산해석법(difference inversion)이다.
본 발명에 따른 자료 해석법은 현장에서 측정된 측정값과 수치 지하구조 모델에서 계산되는 이론 측정값의 차이, 즉 실측치와 이론치 간의 오차 ε을 최소화하는 모델을 찾는 데에 있다.
여기서 지하 전기비저항 분포를 ρ라하고, 실제로 오차의 제곱을 최소화하는 방법을 취하여 최소자승 역산이라고 한다.
그러나 오차만을 최소화하는 지하구조 모델을 계산함은 실제로는 의미가 없는 모델이 계산될 가능성이 클 뿐만 아니라, 계산과정에서 오차가 수렴하지 않고 발산하여 역산할 수 없는 경우가 대부분이다.
바로 이 때문에 단순히 오차를 최소화하는 방법을 취하지 않고, 지하 구조모델에 어떤 규칙성을 갖도록 하면서 오차를 최소화하는 방법을 위한다.
모델에 규칙성을 부여하는 방법 중 가장 많이 사용되는 것이 물성이 부드럽게 변화하도록 하는 것인데, 이를 평활화제한 최소자승역산이라 한다.
이는 다음의 수학식 2로 표시된다.
Figure 112013073842596-pat00004
상기 수학식 2에서 λ는 상수로서, 오차의 최소화와 지하구조 모델에 가하는 제한, 두 항목 사이의 균형을 유지하는 역할을 하며 라그랑지 곱수(Lagrangian multiplier)라고 한다.
상기 λ가 작은 경우에는 주로 오차를 최소화하는 방향으로, λ가 큰 경우에는 지하 모델의 규칙성을 강조하는 방향으로 역산이 진행된다.
한편, 유한요소법(FEM:Finite Element Method) 역산의 설정변수로는 Lagrangian multiplier(라그랑지 곱수)와 Maximum Number of Iteration(최대 반복계산 회수)를 설정하여 역산을 수행한다.
도 6은 상기 평활화 제한 최소자승 해석법에 의한 영상을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이 수행된 역산결과는 DIPRO for Wondow(지구물리탐사 기술 중 지하 구성물질의 물리적 성질 중의 하나인 전기비저항 차이를 이용하여 지하 구조를 영상화하는 전기비저항 탐사 자료 처리/해석/영상화 소프트웨어)와 마찬가지로 필드데이터 가단면도(Field Data Pseudosection), 이론데이터 가단면도(Theoretical Data Pseudosection), 2D 상대구조(2D Resistivity Structure)의 3가지 결과단면이 컬러 영상으로 도시되며, 또한 추가로 기존의 DIPRO for Window와 달리 2D 결과단면에 댐 수위정보가 도시된다.
또한, 본 발명에 따른 변화율 해석법은 지반 모델변수가 시간에 지남에도 큰 변화가 없다고 가정하고 모델변수의 변화량을 최소화하는 방법이다.
이러한 해석법은 모델변수에 공간적 평활화제한을 가하는 동시에 시간적 제한을 가하는 방법이다.
상기 가정을 모두 만족하는 목적함수는 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112013073842596-pat00005
여기서
Figure 112013073842596-pat00006
은 time weighting matrix이고,
Figure 112013073842596-pat00007
은 normalized changes of model parameters in time이다.
결국, 수학식 3은
Figure 112013073842596-pat00008
에 시간경과 역산에 필요한 시간상수(time constraint)(
Figure 112013073842596-pat00009
)를 포함시킨 함수이다.
이 해석결과에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 수리구조물의 특성에 맞게 수위의 정보를 한눈에 알아볼 수 있으며, 이를 통해 측정시스템에서 읽어진 데이터나 서버에 기록된 측정자료를 불러와서 해석함으로써 사용자가 수리구조물의 정보를 하나하나 입력할 필요가 없는 편리성을 제공한다.
한편, 지반변화영상을 격자로 분류해서 해석에 맞는 측정값을 이용하여 영상화하고 다음 수학식 4와 같은 방향성 미분 분석알고리즘을 적용함으로써 도 7과 같이 지반변화영상을 한눈에 알아볼 수 있다.
Figure 112013073842596-pat00010
여기서 α는 해석결과에서 임의의 각도이며, x 및 y는 지반영상화 좌표이다. 또한, ZE, ZW, ZN, ZS은 측정지점에서의 지반변화값을 의미한다.
또한, 수리구조물의 안정성 평가는 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 모니터링 자료에서는 Archie의 경험식을 이용하여 공극율을 산출하고 이를 바탕으로 안전도 지수를 산출할 수 있으며, 도 8의 관계식에 의해 전기비저항과 투수계수와의 관계를 도출한다.
이와 같이 수리구조물 실시간 안전계측 시스템이 지진감지 및 경보기능을 담당하는 지진가속도 계측시스템(100)과 안전진단 시스템(200)으로 구성되어 상기 지진가속도 계측시스템(110)에서 지진 발생시 최대 지반가속도 값에 의해 경보를 발생하고, 이때의 지진신호는 안전진단 시스템(200)으로부터 기록된 현장측정자료를 찾아 자동분석보고서를 제출한다.
이를 통해 사용자가 편리하게 지진 및 지반정보를 제공받음으로써 신속하게 경보발령 및 구조물 안정성 평가를 진행할 수 있다.
또한, 지진가속도 계측시스템(100)과 연동하는 환경감시장치에서 측정되는 온도, 습도 등의 정보 및 안전진단시스템에서 측정되는 저수지의 수온, 수위 등의 정보도 함께 기록됨으로써 수리구조물 관리에 효과적이다.
또한, 전기비저항에 의한 실시간 변화량으로부터 안전도 지수를 산출할 수 있으며, 통계적 분석에 의한 투수계수 산출로부터 실시간 누수량 및 누수거동 모니터링기술을 제공할 수 있다.
100: 지진가속도 계측시스템 110: 자유장 계측시스템
120: 지표가속도 계측시스템 200: 안전진단 시스템
210: 제어시스템 220: 자료획득시스템

Claims (11)

  1. 주요시설물에 설치되어 각각의 위치에서 독립적으로 지진감지 및 지진기록을 하고, 지진 여부를 판단하여 지진 발생시 경보를 발령하는 지진가속도 계측시스템; 및
    수리구조물에 설치되어 상기 지진가속도 계측시스템의 지진신호를 이용하여 지반 및 수리구조물의 물성 변화를 탐지하고 전기비저항 탐사에 의해 안전성을 평가하는 안전진단 시스템; 을 포함하고,
    상기 안전진단시스템은 근거리통신망(LAN) 또는 CDMA 통신방식을 이용하여 현장의 자료획득시스템을 제어하며, 자료획득, 저장, 분석 및 보고서를 제출하는 제어시스템과,
    상기 제어시스템의 제어에 의해 지반 및 수리구조물의 전기비저항과 그 주위 환경의 정보를 획득하여 상기 제어시스템에 송신하는 자료획득시스템을 구비하며,
    상기 자료획득시스템은 디지털 센서류와 아날로그 센서류를 포함하는 센서부와,
    전기비저항 측선을 연결하는 전극들이 어레이로 구성되는 전기비저항 센서와,
    복수 개의 채널을 가지면서 각 채널에 대한 스위칭을 수행하는 스위칭 박스와,
    상기 제어시스템과 통신을 수행하면서 전기비저항 탐사의 송수신을 제어하며 전기비저항 센서를 이용하여 탐사를 수행하여 자료를 획득하는 제어를 수행하고, 탐사된 자료를 메모리에 저장하며, 상기 센서부의 디지털 센서류 및 아날로그 센서류들이 접속되어서 탐사 환경에 대한 종합적인 정보를 취득하고, 정방향과 역방향 순서로 측정을 수행하기 위한 계측 신호를 상기 스위치 박스로 송신하며, 상기 스위치 박스로 상기 계측 신호를 송신하기 위하여 송신 스위치 제어부를 제어하여 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어하고, 계측 정보를 전달받으며, 상기 스위칭 박스로부터 상기 계측 정보가 전달되도록 수신 스위칭 제어부를 제어하여 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어하는 측정 CPU와,
    상기 전기비저항 센서나 아날로그 센서류의 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 A/D 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지진가속도 계측시스템은 지진에 의한 지표의 진동가속도를 측정하는 지표형 가속도계와, 지진에 의한 지하의 진동가속도를 측정하는 시추공형 가속도계와, 상기 지표형 가속도계나 시추공형 가속도계에 연결되어 지진의 진동을 알아내 지진파를 기록하는 지진기록계와, 허브, 라우터, 모뎀을 포함하고 외부와 연결되는 통신장비와, 상기 통신장비에 연결되고 외부의 광패턴으로부터 디지털 신호를 생성하는 광변환기와, 정전시에도 상기 지진기록계에 안정적으로 전원을 공급하는 무정전전원장치(UPS)와, 상기 통신장비에 연결되고 주위 환경의 온도, 습도 등을 감지하는 환경감시장치와, 지진감시모니터링시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지진기록계에 사용자가 임의로 지정한 트리거 수준을 넘어갈 경우 발생하는 지진신호로부터 국가통합 관측망이 운영하는 출력신호를 이용하여, 상기 안전진단시스템에서 지반 및 수리구조물의 안전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 박스는 프로그램 제어방식으로 운영되는 다중 계전기(relay)로서, 각 채널별로 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지진가속도 계측시스템은 초당 샘플수를 갖는 실시간 지진계측자료를 SEED로부터 데이터만을 필터링한 miniSEED나 GCF(greatest common factor: 최대공약수) 포맷으로 저장하고 모니터링 하는 방식으로 지진계측자료를 모니터링하고,
    지진신호에 대하여 초당 샘플수의 최소, 최대, 평균값을 이용하여 최대지반가속도(PGA)를 산출하고 그 최대지반가속도를 모니터링하여 지진 여부를 판단하는 것을 특징으로 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  8. 주요시설물에 설치되어 각각의 위치에서 독립적으로 지진감지 및 지진기록을 하고, 지진 여부를 판단하여 지진 발생시 경보를 발령하는 지진가속도 계측시스템; 및
    수리구조물에 설치되어 상기 지진가속도 계측시스템의 지진신호를 이용하여 지반 및 수리구조물의 물성 변화를 탐지하고 전기비저항 탐사에 의해 안전성을 평가하는 안전진단 시스템; 을 포함하고,
    상기 안전진단시스템은 지진가속도 계측시스템의 지진신호를 이용하여
    Figure 112013097862583-pat00011
    (여기서 dpresent는 측정시점이고, dreference는 기준자료이며, Δd는 기준자료와 측정시점의 차)를 제한하지 않고 입력자료로 활용하고,
    상기 입력자료는 측정시점에서 지반상태가 변화하지 않는다는 전제조건하에 평활화 제한을 가한 최소자승 지반해석법과 지반변화가 있는 시점을 해석하는 변화율 역산해석법(difference inversion)으로 지반을 해석하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변화율 역산해석법(difference inversion)은 지하 모델변수가 시간에 지남에도 큰 변화가 없다고 가정하여 모델변수에 공간적 평활화제한을 가하는 동시에 시간적 제한을 가하는 방법이고, 상기 가정을 만족하는 목적함수는
    Figure 112013073842596-pat00012
    (여기서
    Figure 112013073842596-pat00013
    은 time weighting matrix이고,
    Figure 112013073842596-pat00014
    은 normalized changes of model parameters in time)인 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 안전진단시스템은 해석한 지반을 영상화하되, 지반변화영상을 격자로 분류해서 해석에 맞는 측정값을 이용하여 영상화하고, 이때
    Figure 112013073842596-pat00015
    (α는 해석결과에서 임의의 각도이며, x 및 y는 지반영상화 좌표, ZE, ZW, ZN, ZS은 측정지점에서의 지반변화값)와 같은 방향성 미분 분석알고리즘을 적용하여 영상화하는 것을 특징으로 하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템.
  11. 지진가속도 계측시스템에서 초당 샘플수를 갖는 실시간 지진계측자료를 SEED로부터 데이터만을 필터링한 miniSEED나 GCF(greatest common factor: 최대공약수) 포맷으로 저장하고 모니터링 하는 방식으로 지진계측자료를 모니터링하고, 지진신호에 대하여 초당 샘플수의 최소, 최대, 평균값을 이용하여 최대지반가속도(PGA)를 산출하고 그 최대지반가속도를 모니터링하여 지진 여부를 판단하는 단계;
    안전진단 시스템에서 상기 지진신호를 이용하여
    Figure 112013073842596-pat00016
    (여기서 dpresent는 측정시점이고, dreference는 기준자료이며, Δd는 기준자료와 측정시점의 차)의 수식을 제한하지 않고 입력자료로 활용하고, 상기 입력자료는 측정시점에서 지반상태가 변화하지 않는다는 전제조건하에 평활화 제한을 가한 최소자승 지반해석법과 지반변화가 있는 시점을 해석하는 변화율 역산해석법(difference inversion)으로 지반을 해석하는 단계; 및
    상기 안전진단 시스템에서 해석한 지반을 영상화하되, 지반변화영상을 격자로 분류해서 해석에 맞는 측정값을 이용하여 영상화하고, 이때
    Figure 112013073842596-pat00017
    (α는 해석결과에서 임의의 각도이며, x 및 y는 지반영상화 좌표, ZE, ZW, ZN, ZS은 측정지점에서의 지반변화값)와 같은 방향성 미분 분석알고리즘을 적용하여 영상화하는 단계; 를 포함하는 수리구조물 실시간 안전계측 시스템의 분석방법.
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