KR101386395B1 - 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템 - Google Patents

스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템 Download PDF

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sensing
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허광희
전준용
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건양대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 최적 센서위치 결정 알고리즘과, FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해서, 실시간으로 스마트 구조물의 구조적 상태를 평가하는 구조적 상태 평가 시스템에 있어서, 기설정되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하기 위한 다수 개의 센서의 최적 계측 위치를 결정하고, 기설정되어 있는 FE모델 개선 알고리즘을 통해, 연산횟수를 최소화하여 상기 스마트 구조물의 수치모델을 도출하는 계측부(100) 및 상기 계측부(100)와 무선 네트워크를 통해 연결되고, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치하여, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하는 다수 개의 센서(210)로 구성되는 멀티 센싱부(200)를 포함하여 구성되며, 상기 계측부(100)는 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물에 대한 구조적 상태를 진단 및 평가하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에 관한 것이다.

Description

스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템 {Structural condition evaluation system for smart structure using multi sensing}
본 발명은 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에 관한 것으로서, 최적위치 결정 알고리즘을 통한 건설 구조물에 구비되어 있는 센서들의 합리적이고 효율적인 위치 결정 및 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 기본 구조물 구성에 활용하여, 실시간 멀티 센싱을 통해 스마트 구조물의 다양한 정보를 계측, 획득하고 구조적 안전도를 평가, 분석하여 진동에 대한 실시간 대응, 제어할 수 있는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 건설 구조물은 시공 후 다양한 유해환경(조건)의 노출로 인해 점진적인 노후화뿐만 아니라, 특정 이벤트에 의한 구조적 결함이 발생될 수 있으며, 이는 당초 설계된 기대수명을 단축시키거나 예견치 못한 손상(파괴) 등의 심각한 구조적 문제를 야기시킬 수 있다.
다시 말하자면, 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 변화한다. 또한, 건설 구조물은 재료 및 시공기술의 발전과, 설계법 등의 변천으로 복잡, 다기능화 되었으며, 그 규모 또한 점차 장대형화되고 있다.
하지만, 구조물의 상태가 일정하게 유지되면 구조물의 동적 거동 특성으로 나타나는 대상 구조물의 고유 진동수와 감쇠계수, 모드 형상 등은 일정하게 유지되고, 이러한 구조물을 원형 구조물(Integrity Structure)이라고 한다.
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 중장기적인 관점에서 지속적인 건전도 모니터링과 진단, 유지, 관리의 노력은 매우 중요하며, 이를 위해 기준된 시점에서 구조적 상태의 온전한 규명(SI, Structural Identification)이 선행되어야 한다. 최근들어, 구조물 스스로가 구조적 상태를 인지/판단하고, 적절한 대응능력을 갖추도록 한 스마트 구조물(Smart Structure)의 기술이 요구되었다.
이를 위해서, 구조물 상시 모니터링 시스템(SHM, Structural Health Monitoring)의 역할이 중요하게 이용되고 있다. 이러한 점에서 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있으며, 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 과정을 통하여 이루어지게 된다.
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.
이러한 시스템은 구조물을 가진시키기 위한 인위적인 입력 가진을 구조물에 발생시켜야 하고, 이로 인한 많은 문제점 등으로 인해 조건부에 근거한 건전도(Health) 모니터링에 그치고 있는 실정이다.
따라서, 불특정 외력에 대하여 건설 구조물의 구조적 안전도를 평가하고, 필요시 위기대응 능력을 갖추기 위해서, 구조물 외에 별도의 유사시에도 작동 가능하고, 멀티 센싱을 통해 다양한 구조물 정보를 수집 가능하며, 실시간 계측 및 대응이 가능한 계측 및 제어 시스템이 절실히 요구되고 있다.
이 때, 구조물에 구비되는 다수의 센서 위치(계측점)을 목적 모드에 적합하도록 선택적으로 줄일 수 있다면, 경제성과 효율성을 동시에 높일 수 있는 효과가 있다. 특히, 실시간/장기적 계측을 요구하는 건전도 모니터링은 계측 데이터의 처리가 매우 수치 집약적이며, 수많은 반복 연산을 요구하기 때문에, 결국 감시정보의 질을 최대화하면서 계측기의 수량을 최소화하는 것이 상당히 중요한 일이다.
이에 따라, 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 최적위치 결정 알고리즘을 통한 건설 구조물에 구비되어 있는 센서들의 합리적이고 효율적인 위치 결정 및 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 기본 구조물 구성에 활용하여, 실시간 멀티 센싱을 통해 스마트 구조물의 다양한 정보를 계측, 획득하고 구조적 안전도를 평가, 분석하여 진동에 대한 실시간 대응, 제어할 수 있는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에 관한 것이다.
국내 등록 특허 제10-0587821호("시설물의 안전성 확보를 위한 자동 측정 및 제어 시스템")에서는 안전성이 요구되며 지속적인 모니터링이 필요한 교량이나 터널에 대하여, 그 안전 상태를 계속하여 측정하며, 감리회사, 안전 진단 회사와 같은 민간관리주체 및 국가, 지방자치단체 등과 같은 공공관리주체에서 필요시 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, 안전 진단 회사에서 원거리에 있는 시설물에 설치된 측정장비를 제어할 수 있는 기능을 구비한 시설물의 안전성 확보를 위해 사용되는 자동 측정 및 제어 시스템을 개시하고 있으며,
유럽 특허 제2012-168249호("A method for monitoring a structure based on measurements of a plurality of sensors")에서는 건물, 교량 등의 구조체에 설치된 복수 개의 센서로부터 측정된 수집값을 이용하여, 구조의 현상 결함을 식별하기 위한 모니터링 방법을 개시하고 있다.
국내등록특허 제10-0587821호(등록일자 2006.06.01.) 유럽특허 제2012-168249호(공개일자 2013.10.16.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 최적위치 결정 알고리즘을 통한 건설 구조물에 구비되어 있는 센서들의 합리적이고 효율적인 위치 결정 및 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 기본 구조물 구성에 활용하여, 실시간 멀티 센싱을 통해 스마트 구조물의 다양한 정보를 계측, 획득하고 구조적 안전도를 평가, 분석하여 진동에 대한 실시간 대응, 제어할 수 있는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은, 최적 센서위치 결정 알고리즘과, FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해서, 실시간으로 스마트 구조물의 구조적 상태를 평가하는 구조적 상태 평가 시스템에 있어서, 기설정되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하기 위한 다수 개의 센서의 최적 계측 위치를 결정하고, 기설정되어 있는 FE모델 개선 알고리즘을 통해, 연산횟수를 최소화하여 상기 스마트 구조물의 수치모델을 도출하는 계측부(100) 및 상기 계측부(100)와 무선 네트워크를 통해 연결되고, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치하여, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하는 다수 개의 센서(210)로 구성되는 멀티 센싱부(200)를 포함하여 구성되며, 상기 계측부(100)는 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물에 대한 구조적 상태를 진단 및 평가하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 멀티 센싱부(200)는 상기 다수 개의 센서(210)로부터 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(220) 및 상기 디지털 신호를 송출하고, 상기 계측부(100)로부터의 진동 제어 신호를 수신하는 무선송수신장치(230)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 댐퍼(Damper)를 포함하며, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값에 따라 상기 계측부(100)로부터 진동 제어 신호를 전달받아 상기 댐퍼의 동작을 실시간 제어하는 제어부(300)를 더 포함하여 구성되며, 상기 계측부(100)는 기설정되어 있는 진동제어 알고리즘을 통해, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값에 따라 상기 스마트 구조물의 구조적 상태를 진단하고, 이에 대응하는 상기 진동 제어 신호를 생성하여 전달하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 전원의 공급을 위한 전원부(400)를 더 포함하여 구성되며, 상기 전원부(400)의 주 전원으로는 태양 전지(solar battery), 풍력 발전(wind energy) 및 파동 발전(wave energy) 중 적어도 어느 하나이며, 부 전원으로는 리튬 이온 전지(Li-ion battery)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 상기 계측부(100)에 의해서 결정된 센서의 최적 계측 위치 정보와, 상기 계측부(100)에 의해서 도출된 상기 스마트 구조물의 수치모델 정보와, 상기 멀티 센싱부(200)에 의해서 계측된 신호 정보와, 상기 계측부(100)에 의한 상기 스마트 구조물의 구조적 상태 정보를 저장 및 관리하는 저장하는 저장부(500)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 최적 센서위치 결정 알고리즘인 최적운동에너지법(EOT, Kinetic Energy Optimization Techniques)을 통해서, 관심모드를 기준으로 전체 변형운동에너지의 기여도를 자유도별로 상호 비교하고, 상대적으로 작은 기여도를 포함하는 자유도를 순차적으로 제거하여 다수의 계측점(자유도) 중 목적된 기준응답을 최적으로 측정할 수 있는 이종의 다수 개의 센서의 개수 및 위치를 결정하는데 효율적으로 활용될 수 있으며, 이를 통해서 전체 자유도 기준으로 약 20% 내외의 센서만으로도 충분히 유효한 구조적 응답을 획득할 수 있게 된다.
또한, FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘인 직접행렬개선법(DMUM, Direct Matrix Updating Method)을 통해서, 스마트 구조물에서 측정한 구조응답을 반영하여 이에 상응하는 FE모델을 구성함으로써, 초기 FE 모델링 오차를 극복하고 현(기준) 시점의 스마트 구조물 동특성을 반영한 기본 구조물을 정의하는데 효과적으로 적응될 수 있는 장점이 있다.
더불어, 직접행렬개선법은 단 한 번의 연산으로 강성 및 질량의 보정치를 결정하므로, 종래의 오차행렬법(EMUM, Error Matrix Updating Method) 등과 같은 반복법에 비해 시간적, 경제적인 효과가 뛰어난 장점이 있다.
이를 통해서, 스마트 구조물에 구비되어 있는 다수 개의 센서는 합리적이고 효율적인 최적의 위치에서 스마트 구조물의 다양한 정보를 수집할 수 있으며, 이를 이용하여 기본 구조물 구성에 활용함으로써, 스마트 구조물의 구조적 안전도를 용이하게 평가할 수 있으며, 유사시 신속하게 작동 가능하면서도 실시간 계측, 분석 및 대응할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템을 간략하게 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템을 상세하게 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템의 중앙제어 구성을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템의 분산제어 구성을 나타낸 예시도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
건설 구조물은 재료 및 시공기술의 발전과, 설계법 등의 변천으로 복잡/다기능화되었으며, 그 규모 또한 점차 장 대형화되고 있다. 최근에는 구조물 스스로가 구조적 상태를 인지/판단하고, 적절한 대응능력을 갖추도록 한 스마트 구조물의 기술이 요구되었다.
결국은, 불특정 외력에 대하여 건설 구조물의 구조적 안전도를 평가하고, 필요시 위기대응 능력을 갖추기 위해서는, 구조물 외 별도의 계측 및 제어 시스템이 요구된다.
이에 따라, 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 최적위치 결정 알고리즘을 통한 건설 구조물에 구비되어 있는 센서들의 합리적이고 효율적인 위치 결정 및 FE(유한요소, Finite Element) 모델개선 알고리즘을 통한 기본 구조물 구성에 활용하여, 실시간 멀티 센싱을 통해 스마트 구조물의 다양한 정보를 계측, 획득하고 구조적 안전도를 평가, 분석하여 진동에 대한 실시간 대응, 제어할 수 있는 구조적 상태 평가 시스템이다.
본 발명에서는 유연한 구조적 거동특성을 갖는 사장교를 일예로 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 일실시예에 불과하며, 스마트 구조물을 포함한 다양한 구조물에 모두 적용될 수 있다.
유연한 구조적 거동특성을 갖는 사장교는 공용 중 발생진동에 취약하기 때문에, 시공 후 체계적이고 지속적인 건전도 모니터링이 병행되어야 한다. 이를 위해, 먼저 상세 FE(유한요소, Finite Element) 해석 및 모달 실험을 통해 만족한 수준에서 기본 구조물(baseline structure)을 정의하고, 이로부터 실 구조물에 준하는 모달 특성값을 추출하여 추후 건전도 모니터링을 위한 평가 기준으로 활용할 수 있다.
이 때, 최소의 계측점(혹은 자유도)로부터 최상의 구조응답을 획득할 수 있고, 또한 최소의 계측점에 대한 구조응답을 수치적으로 대변할 수 있는 FE 모델을 도출할 수 있다면, 경제성 및 효율성이 높은 건전도 모니터링이 가능하다.
이에 따라, 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 최적 센서위치 결정과 FE 모델 개선을 통한, 사장교의 SI(구조적 상태의 온전한 규명)을 수행할 수 있다.
자세하게는, 최적 센서위치의 결정은 사장교의 유연함으로 인해 낮고 좁은 고유진동수 대역을 갖는 구조적 거동 특성을 고려하여, 최적운동에너지법(EOT, Kinetic Energy Optimization Techniques)을 적용하였으며, FE 모델 개선은 수치모델의 도출을 위한 연산횟수를 최소화하도록 직접행렬개선법(DMUM, Direct Matrix Updating Method)을 적용하였다.
이를 통해서, 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 최적센서 위치는 목적모드를 위해 전체 계측점 대비 약 20% 이내로 축소할 수 있으며, FE 모델 개선은 실 구조물의 동특성(고유진동수 오차율 및 모드 상관도) 대비 약 1% 미만의 정확도를 가지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 계측부(100), 멀티 센싱부(200), 제어부(300), 전원부(400) 및 저장부(500)를 포함하여 구성될 수 있으며, 최적 센서위치 결정 알고리즘과 FE모델 개선 알고리즘을 통해서, 실시간으로 스마트 구조물의 구조적 상태를 평가한다.
상기 계측부(100), 멀티 센싱부(200), 제어부(300), 전원부(400) 및 저장부(500)는 무선 네트워크를 이용하여 상호간에 연결될 수 있다.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 계측부(100)는 상기 멀티 센싱부(200)에 구비되어 상기 스마트 구조물의 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하는 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치를 결정할 수 있으며, 상기 스마트 구조물의 수치모델을 최소의 연산횟수로 도출할 수 있다.
여기서, 상기 다수 개의 센서(210)를 통해서 검출되는 신호로는, 온습도, 변위, 하중(응력), 변형률, 기울기, 속도, 가속도, 중성화, 균열계 등이며, 상기 다수 개의 센서(210)는 이종의 다수 개의 센서로 구성되어, 관리자가 탄력적으로 변경, 확장 및 적용하여 구비할 수 있다.
즉, 상기 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치를 결정할 수 있다.
이 때, 상기 최적 센서위치 결정 알고리즘으로는 최적운동에너지법(EOT, Kinetic Energy Optimization Techniques)을 적용하게 되며, 최적운동에너지법은 구조물의 변형 운동 에너지를 활용하여 최적 계측 위치를 결정한다.
상기 스마트 구조물로부터 측정된 변형운동에너지가 최대가 되는 동역학적 모달정보를 획득하고, 이 때, 구해진 모드형의 선형 독립성이 존재하는 고유 시스템에서 최소의 에너지를 나타내는 지점을 순차적으로 제거함으로써, 최적계측 시스템을 구성할 수 있다.
일반적인 건설 구조물의 운동에너지 분포는 하기의 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014018368285-pat00001
여기서, KE는 운동에너지(Kinetic Energy)이며,
Figure 112014018368285-pat00002
는 측정된 모드형 벡터이며,
M은 질량 매트릭스이다.
이 때, 질량 매트릭스 M을 상삼각 행렬(L)과 하삼각 행렬(U)로 분해하여, 각각
Figure 112014018368285-pat00003
, M=LU롤 표현할 수 있으며, 감소된 측정인자에 따른 모드형의 projection은 하기의 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014018368285-pat00004
이를 통해서, 상기 스마트 구조물의 운동 에너지의 측정을 최대화할 수 있는 최소화된 계측기, 즉, 센서의 개수 및 위치를 결정하게 된다.
허나, 에너지 매트릭스가 랭크 빈약도를 일으킬 경우, 더 이상 센서의 개수를 제거해서는 안 되며, 질량 행령이 정칙(Nonsingular Matrix)일 때,
Figure 112014018368285-pat00005
요소의 행 랭크, N은
Figure 112014018368285-pat00006
매트릭스에서 선형 독립된 사영 벡터(Linearly Independent Projected Vector)의 수와 같다.
이에 따라, 에너지 매트릭스 자신의 고유치
Figure 112014018368285-pat00007
와 고유벡터
Figure 112014018368285-pat00008
를 고려하면,
Figure 112014018368285-pat00009
가 N의 크기를 가진 사각대칭 양치행렬(Positive-definite Matrix)이기 때문에, 최적운동에너지법의 각각의 연산 절차에서 구하는 고유쌍의 연산에는 영향이 없다.
각각의 잔여 센서의 기여도는 하기의 수학식 3과 같이, EOT 벡터로 나타낼 수 있다.
Figure 112014018368285-pat00010
EOT 벡터는 측정된 모드형이 선형 독립이므로, 하기의 수학식 4와 같이, 직교 벡터를 이루어야 한다.
Figure 112014018368285-pat00011
본 발명의 계측부(100)는 미리 설정(저장)되어 있는 FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해, 상기 스마트 구조물의 수치모델을 최소한의 연산횟수로 도출하게 된다. 이 때, 상기 FE모델 개선 알고리즘으로는 직접행렬개선법(DMUM, Direct Matrix Updating Method}을 적용할 수 있으며, 직접행렬개선법은 수치모델의 도출을 위한 연산횟수를 최소화하도록 할 수 있다.
기존 구성된 초기 구조물(Initial Structure)에 변경 구조물(Modified Structure)이 추가 혹은 제거되면, 변경 후 전체 구조물의 동특성이 변화하게 된다. 이 때, 구조적 변경 전, 후의 동특성은 하기의 수학식 5와 같은 고유치 문제로 나타낼 수 있다.
Figure 112014018368285-pat00012
여기서, [K]는 강성행렬,
[M]은 질량행렬,
[△K]와, [△M]은 변경으로 인한 구조물의 강성과 질량의 변화행렬,
Figure 112014018368285-pat00013
는 각각 구조 손상 전의 고유치와 고유벡터,
Figure 112014018368285-pat00014
는 각각 변경 후의 고유치와 고유벡터이다.
구조물의 변경에 의한 강성 [△K] 및 질량 [△M]의 변화를 구하는 방법 중 본 발명의 계측부(100)에서는 FE모델 개선의 효과와 모달 변화량 계산 시, 반복 연산의 요구 등을 고려하여, 보다 사용이 용이하면서도 우수한 모델개선의 효과를 볼 수 있도록 직접행렬개선법을 적용하였다.
여기서, 라그랑지 승수를 이용하여 강성 및 질량행렬의 변경량의 크기를 제한하면서 측정된 고유치를 만족하도록 구성된 목적함수는 하기의 수학식 6과 같다.
이 때, 직접행렬개선법을 적용함으로써, 단 한 번의 행렬연산(Direct)으로 강성 및 질량 각 항에 대한 변화량을 계산할 수 있다.
Figure 112014018368285-pat00015
여기서, [KA] 및 [MA]는 변경 전의 구조물의 강성 및 질량행렬,
[KU] 및 [MU]는 변경 후의 구조물의 강성 및 질량행렬이다.
이를 이용하여, [KA]와 [KU]의 관계는 하기의 수학식 7과 같으며,
[MA]와 [MU]의 관계는 하기의 수학식 8과 같다.
Figure 112014018368285-pat00016
Figure 112014018368285-pat00017
이 때, 상기의 수학식 7에서의 [△K]는 하기의 수학식 9의 관계식을 이용하여, 하기의 수학식 10과 같이 정의된다.
Figure 112014018368285-pat00018
Figure 112014018368285-pat00019
또한, 상기의 수학식 8에서의 [△M]은 하기의 수학식 11의 관계식을 이용하여, 하기의 수학식 12와 같이 정의된다.
Figure 112014018368285-pat00020
Figure 112014018368285-pat00021
본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템의 계측부(100)에서의 FE모델 개선의 대상이 FE 해석 및 모달 실험의 결과이므로, 밑첨자 A는 해석(Analysis)에 의한 결과치를 의미하며, 밑첨자 X는 실험(Experiment)치를 의미한다.
즉, 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에서의 상기 계측부(100)는 상기 최적 센서위치 결정 알고리즘인 최적운동에너지법을 적용하여, 상기 스마트 구조물의 다양한 물리량을 계측하는 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치를 결정하게 되며, 상기 FE모델 개선 알고리즘인 직접행렬개선법을 적용하여, 상기 스마트 구조물의 수치모델을 최소의 연산횟수로 도출하게 된다.
상기 멀티 센싱부(200)는 상기 계측부(100)와 무선 네트워크를 이용하여 연결되며, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치한 상기 다수 개의 센서(210)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 다수 개의 센서(210)는 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하여 상기 계측부(100)로 전달하게 된다.
이를 이용하여, 상기 계측부(100)는 상기 다수 개의 센서(210)로부터 다양한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물에 대한 구조적 상태를 진단 및 평가할 수 있다.
이 때, 상기 멀티 센싱부(200)는 A/D 변환기(220), 무선송수신장치(230)를 더 포함하여 구성되고,
상기 A/D 변환기(220)는 상기 다수 개의 센서(210)에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있으며,
상기 무선송수신장치(230)는 상기 A/D 변환기(220)에서 변환한 상기 디지털 신호를 상기 계측부(100)로 송출하고, 상기 계측부(100)로부터 진동 제어 신호를 수신할 수 있다.
이 때, 상기 진동 제어 신호는 상기 제어부(300)에 포함되어 있는 댐퍼(Damper)의 동작을 제어하기 위한 신호이며, 상기 댐퍼의 제어력을 받아 상기 스마트 구조물의 진동이 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템에서 상기 제어부(300)의 중앙제어를 구성한 예시도이며, 도 4는 상기 제어부(300)의 분산제어를 구성한 예시도이다.
상기 제어부(300)는 상기 댐퍼를 포함하여 구성되며, 상기 계측부(100)로부터 또는, 상기 멀티 센싱부(200)로부터 상기 진동 제어 신호를 전달받을 수 있다. 상기 계측부(100)로부터 상기 진동 제어 신호를 전달받을 경우, 중앙제어를 수행하게 되며, 상기 멀티 센싱부(200)로부터 상기 진동 제어 신호를 전달받을 경우, 분산제어를 수행하게 된다.
도 3에 의한 중앙제어의 경우,
상기 제어부(300)는 상기 계측부(100)로부터 상기 진동 제어 신호를 전달받아, 상기 댐퍼의 동작을 실시간 제어하게 된다.
여기서, 상기 계측부(100)는 미리 설정되어 있는 진동제어 알고리즘을 통해, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)들로부터 전달받은 계측값을 이용하여, 상기 스마트 구조물의 구조적 상태를 진단하고, 이에 대응하는 상기 진동 제어 신호를 생성하게 된다.
상기 계측부(100)는 생성한 상기 진동 제어 신호를 상기 멀티 센싱부(200)와, 상기 제어부(300)로 전달하며, 상기 멀티 센싱부(200)로 전달된 상기 진동 제어 신호를 통해, 제어 출력을 확인하여, 상기 제어부(300)로 전달된 상기 진동 제어 신호에 따라 실제 상기 댐퍼의 동작 제어를 수행하게 된다.
또한, 도 4에 의한 분산제어의 경우,
상기 제어부(300)는 상기 멀티 센싱부(200)로부터 상기 진동 제어 신호를 전달받아, 상기 댐퍼의 동작을 실시간 제어하게 된다.
여기서, 상기 멀티 센싱부(200)는 상기 계측부(100)에서 진단 및 평가한 상기 스마트 구조물의 구조적 상태를 미리 설정되어 있는 진동제어 알고리즘에 이용하여, 상기 진동 제어 신호를 생성하게 된다.
상기 멀티 센싱부(200)에서 상기 진동 제어 신호를 생성할 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(300)의 댐퍼는 다수 개 구비될 수 있으며, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)를 통해서 생성된 상기 진동 제어 신호마다 상기 댐퍼의 동작 제어를 수행하게 된다.
이 경우, 상기 계측부(100)는 상기 진동제어 알고리즘이 설정되어 있지 않아, 상기 멀티 센싱부(200)로부터 전달받은 계측값에 따른 상기 스마트 구조물의 구조적 상태의 진단 및 평가에 의한 실시간 구조물 응답 및 상기 진동 제어 신호에 따른 진동 제어 모니터링이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 전원부(400) 및 저장부(500)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 전원부(400) 및 저장부(500) 역시 상기 멀티 센싱부(200)와 마찬가지로, 상기 계측부(100)와 무선 네트워크를 이용하여 연결된다.
상기 전원부(400)의 주 전원으로는 태양 전지(solar battery), 풍력 발전(wind energy) 및 파동 발전(wave energy) 중 적어도 어느 하나이며, 부 전원으로는 리튬 이온 전지(Li-ion battery)를 사용하여, 상기 멀티 센싱부(200)에서 지속적인 계측을 수행하여, 상기 계측부(100)로 전송하도록 할 수 있다.
상기 저장부(500)는 별도의 저장수단을 의미하며, 상기 계측부(100)에 의해서 결정된 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 계측 위치 정보와, 상기 계측부(100)에 의해서 도출된 상기 스마트 구조물의 수치모델 정보와, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)로부터 계측된 신호 정보와, 상기 계측부(100)에 의한 상기 스마트 구조물의 구조적 상태 정보를 저장 및 관리할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은 상기 계측부(100)에서 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)의 최적 개수 및 위치를 결정하고, 이에 따라 위치한 상기 다수 개의 센서(210)로부터 전달받은 상기 스마트 구조물의 다양한 정보를 이용하여, 상기 계측부(100)에서 상기 스마트 구조물의 구조적 상태 정보를 평가하게 된다.
이를 통해서, 상기 계측부(100)에서 상기 최적 센서위치 결정 알고리즘으로 최적운동에너지법을 적용함으로써, 관심모드를 기준으로 전체 변형운동에너지의 기여도를 자유도별로 상호 비교하고, 상대적으로 작은 기여도를 포함하는 자유도를 순차적으로 제거함으로써, 다수의 계측점(자유도) 중 목적된 기준응답을 최적으로 측정할 수 있는 센서 개수 및 위치의 결정을 효율적으로 수행할 수 있다.
유연적 구조적 거동특성을 갖는 사장교를 일 예를 들자면, 총 3개의 저차 휨 모드를 고려했을 때, 총 39개 계측점 중 위치가 결정된 약 7개 내외(전체 자유도 기준으로 약 20% 내외)의 센서만으로도 충분히 모델 사장교의 유효한 구조적 응답을 획득하게 된다.
또한, 상기 계측부(100)에서 상기 FE모델 개선 알고리즘으로 직접행렬개선법을 적용함으로써, 초기 FE모델링 오차를 극복하고, 현(기준) 시점의 구조물 동특성을 반영한 기본 구조물을 정의하는데 효과적으로 적용될 수 있다. 특히, 단 한번의 연산으로 강성 및 질량의 보정치를 결정할 수 있으므로, 종래의 반복법에 비해 시간적, 경제적 효과가 뛰어난 것을 알 수 있다.
더불어, 상기 제어부(300)에서의 중앙 또는, 분산 댐퍼 동작 제어를 통해, 구조물의 규모에 무관하게 실시간 진동 제어가 가능한 장점이 있다.
이에 따라, 구조적으로 복잡하여 이에 상응하는 다수의 계측점(자유도)이 존재하면서, 상대적으로 낮고 좁은 간격의 고유 진동수를 갖는 대형 구조물에 대한 건전도 모니터링과 더불어, 진단, 유지 관리를 수행함에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템을 이용할 경우, 구조적 상태의 온전한 규명(SI)을 위해 요구되는 기본 구조물의 구조적 상태 평가를 경제적, 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 계측부
200 : 멀티 센싱부
210 : 계측 센서 220 : A/D 변환기
230 : 무선송수신장치
300 : 제어부
400 : 전원부
500 : 저장부

Claims (5)

  1. 최적 센서위치 결정 알고리즘과, FE(유한요소, Finite Element)모델 개선 알고리즘을 통해서, 실시간으로 스마트 구조물의 구조적 상태를 평가하는 구조적 상태 평가 시스템에 있어서,
    기설정되어 있는 최적 센서위치 결정 알고리즘을 통해, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하기 위한 다수 개의 센서의 최적 계측 위치를 결정하고,
    기설정되어 있는 FE모델 개선 알고리즘을 통해, 연산횟수를 최소화하여 상기 스마트 구조물의 수치모델을 도출하는 계측부(100); 및
    상기 계측부(100)와 무선 네트워크를 통해 연결되고, 상기 계측부(100)에서 결정한 최적 계측 위치에 위치하여, 상기 스마트 구조물로부터 구조적 상태 평가를 위한 신호를 검출하는 다수 개의 센서(210)로 구성되는 멀티 센싱부(200);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 계측부(100)는
    상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값들을 실시간으로 전달받아, 상기 스마트 구조물에 대한 구조적 상태를 진단 및 평가하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티 센싱부(200)는
    상기 다수 개의 센서(210)로부터 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(220); 및
    상기 디지털 신호를 송출하고, 상기 계측부(100)로부터의 진동 제어 신호를 수신하는 무선송수신장치(230);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은
    댐퍼(Damper)를 포함하며, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값에 따라 상기 계측부(100)로부터 진동 제어 신호를 전달받아 상기 댐퍼의 동작을 실시간 제어하는 제어부(300)를 더 포함하여 구성되며,
    상기 계측부(100)는
    기설정되어 있는 진동제어 알고리즘을 통해, 상기 멀티 센싱부(200)의 다수 개의 센서(210)에 의한 계측값에 따라 상기 스마트 구조물의 구조적 상태를 진단하고, 이에 대응하는 상기 진동 제어 신호를 생성하여 전달하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은
    전원의 공급을 위한 전원부(400);
    를 더 포함하여 구성되며,
    상기 전원부(400)의 주 전원으로는 태양 전지(solar battery), 풍력 발전(wind energy) 및 파동 발전(wave energy) 중 적어도 어느 하나이며, 부 전원으로는 리튬 이온 전지(Li-ion battery)을 사용하는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템은
    계측된 신호 정보, 센서의 최적 계측 위치 정보, 스마트 구조물의 수치모델 정보, 스마트 구조물의 구조적 상태 정보 중 적어도 어느 하나를 저장 및 관리하는 저장하는 저장부(500);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 구조물을 위한 멀티 센싱을 이용한 구조적 상태 평가 시스템.
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