KR101493231B1 - 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법 - Google Patents
지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법 Download PDFInfo
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Abstract
지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템 및 이의 구동방법을 개시한다.
상기 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템은 수리구조물의 거동을 계측하는 수리구조물 계측모듈(100); 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진계측모듈(200); 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 발생된 상기 수리구조물의 전기비저항 발생량과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 전기비저항 발생량이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보를 제공하는 모니터링 서버(300); 및 상기 상태이상정보를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 수리구조물 관리서버(400)를 포함한다.
상기 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템은 수리구조물의 거동을 계측하는 수리구조물 계측모듈(100); 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진계측모듈(200); 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 발생된 상기 수리구조물의 전기비저항 발생량과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 전기비저항 발생량이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보를 제공하는 모니터링 서버(300); 및 상기 상태이상정보를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 수리구조물 관리서버(400)를 포함한다.
Description
본 발명은 전기비저항 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지진발생에 따른 댐 및 저수지와 같은 수리구조물의 거동변화를 실시간으로 감시하여, 지진발생으로 인한 수리구조물의 전체 또는 부분적 거동변화에 따른 안정성 평가를 위하여 예상 피해 정도를 외부에 제공할 수 있도록 구성되는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템과 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법에 관한 것이다.
전기비저항 탐사는 다양한 분야에 이용되는 물리탐사법 중 하나로 국내에서 가장 많이 활용되는 탐사법이다. 전기비저항 탐사는 단층, 파쇄대 등의 지질이상대 탐지에 효과적이며, 댐 및 저수지와 같은 수리구조물의 안정성 평가를 위한 기초 물리탐사법 중 하나이다.
일반적으로 지반구조물의 연약대나 누수구간 탐지를 위해서 전기비저항 탐사가 수행된다. 특히 댐 및 저수지와 같은 대규모 수리구조물의 경우 정기적으로 정밀안전진단이 실시되고 있다. 그러나 이러한 정밀안전진단은 1회의 전기비저항 탐사로 얻은 자료로서 모니터링 및 분석하는 방법으로 이루어지는 실정이다.
한편, 최근에 지진 발생 빈도가 증가하는 추세이며, 지진증가에 따른 수리구조물의 안전성 평가가 새로운 화두로 대두되고 있으며, 국내에 설치된 수리구조물의 경우, 내진설계시 수리구조물의 안정성 평가를 위한 제체 거동변화를 고려하지 않고 설계되어 왔다.
따라서, 지진발생으로 인한 수리구조물의 붕괴, 파손에 따른 피해는 실로 증가될 수 있다. 이에 본 발명에서는 이러한 문제점을 최소화시키도록 지진발생에 따른 수리구조물의 거동변화를 실시간으로 감시할 수 있고, 지진발생으로 인한 수리구조물의 전체 또는 부분적 거동변화에 따른 예상 피해 정도를 외부에 제공할 수 있는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법을 제안하고자 한다.
한국지리정보학회지 17(1) 144-158 1226-9719 KCI-수변구조물 재해 위험에 대응하기 위한 피해 평가 인벤토리 개념 설계{Conceptual Design of Damage Assessment Inventory in Response to Disaster Risk for Infrastructures Close to River}
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 댐 및 저수지와 같은 지반 수리구조물의 거동변화를 전기비저항을 통해 모니터링하고 지진 발생에 따른 비저항의 변화가 지진계측과 연동됨과 함께 수리계측 자료를 비교분석할 수 있도록 구성되는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 구축하고자 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기한 바와 같은 연계 통합시스템을 이용하여 거동변화에 따른 예상 피해 정도를 외부에 제공함으로써, 지진발생 후 수리구조물에 대한 안전성 및 피해정도를 최소화시킬 수 있는 수리구조물 모니터링 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템은 수리구조물의 거동을 계측하는 수리구조물 계측모듈(100); 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진계측모듈(200); 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 측정된 상기 수리구조물의 전기비저항 분포도의 평균값과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 평균값이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보 및 알람신호를 제공하는 모니터링 서버(300); 및 상기 상태이상정보 및 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 수리구조물 관리서버(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수리구조물은 댐, 저수지, 보, 제방, 교량, 옹벽, 사면 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 수리구조물 계측모듈(100)은 상기 수리구조물의 적어도 하나 이상의 위치에 구비되어, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도 중 적어도 하나를 측정하는 센서들을 구비한 적어도 하나 이상의 센서부(110); 상기 수리구조물의 전기비저항을 측정하는 전기비저항 측정모듈(120); 상기 적어도 하나 이상의 센서부(110)들 각각의 구동을 제어하는 제어부(130); 및 상기 모니터링 서버(300)와 무선인터페이스를 통해 연동하여, 상기 적어도 하나 이상의 센서부(110)들 및 상기 전기비저항 측정모듈(120)에서 측정된 정보를 송신하고, 상기 모니터링 서버(300)에서 제공하는 제어신호를 수신하는 비저항측정 송수신콘솔(140)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 센서부(110)는 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력 및 장력 중 적어도 하나 이상을 측정하는 응력/압력측정센서(111); 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하를 계측하는 변위계측센서(112); 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중을 측정하는 동적하중측정센서(113); 상기 수리구조물의 표면온도를 계측하는 온도측정센서(114); 상기 수리구조물 내부 지하수위 및 인접수면의 수위를 측정하는 수위측정센서(115); 상기 수리구조물의 유전율 및 함수비를 계측하는 TDR 측정센서(116); 및 상기 수리구조물의 경사도를 측정하는 경사도측정센서(117)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기비저항 측정모듈(120)은, 상기 수리구조물 내에 횡방향 또는 종방향으로 배열되고, 복수 개의 전극들이 다채널 구조로 형성되어 구성된 전극배열(121); 상기 전극배열(121)들 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 도통 또는 단선시키기 위한 채널별 스위칭 유닛들(SW1 내지 SWn)을 구비한 스위칭 박스(122); 및 상기 스위칭 박스(122)의 구동을 제어하여, 상기 전극배열(121)에 측정된 채널별 전기비저항값을 상기 모니터링 서버로 제공하는 스위칭 제어부(123)를 포함하고, 상기 스위칭 제어부(123)는 상기 채널별 스위칭 유닛들(SW1 내지 SWn) 각각의 제어시간구간을 서로 같거나 또는 다르게 적용시키도록 상기 스위칭 박스(122)를 제어하도록 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 전극배열(121)들 각각은 단극(Pole-Pole), 단극-쌍극자(Pole-Dipole), 쌍극자(Dipole-Dipole), 슐럼버져(Schlumberger), 웨너(Wenner), 변형된 단극(Modified Pole-Pole) 및 변형된 쌍극자(Modified Dipole-Dipole) 배열 중 어느 하나를 탐사현장에 적합하도록 선택하고, 선택된 상기 전극배열은 전류전극 및 전위전극을 포함하며, 상기 전류전극으로 제공된 전류량에 의해 상기 전위전극에서 측정된 전위차를 이용하여 전기비저항을 계측하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 지진계측모듈(200)은 실시간으로 지반에서 발생되는 지진신호(shaking and shocking signals)를 감지한 후 이에 따른 지진정보를 출력하는 적어도 하나 이상의 지진계측기(210); 상기 적어도 하나 이상의 지진계측기(210)에서 출력된 상기 지진정보를 합산 후, 지진정보 평균값을 산출하여 제공하는 MCU(220); 무선인터페이스를 이용하여 상기 MCU에서 산출된 지진정보 평균값을 상기 모니터링 서버(300)로 제공하는 지진계측 송수신콘솔(230)을 포함하고, 상기 지진계측기(210)는, 서로 다른 직교 좌표축(rectangular coordinate)을 갖는 3개 성분(3 components)의 진동센서가 탑재되며, 상기 3개의 성분은 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 및 연직(축)성분(vertical component)인 것을 특징으로 한다.
상기 모니터링 서버(300)는, 실시간으로 지진계측기(210)에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하는 지진기록계(310); 상기 지진기록계(310)에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 전기비저항 분포도 산출부의 구동신호를 생성하는 지진이벤트 트리거 생성부(320); 내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간이 설정되며, 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 전기비저항 분포도 산출부(330); 기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈(100) 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 제공하는 수리구조물 거동변화 판단부(340); 상기 수리구조물 거동변화 판단부(340)에서 제공된 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기 전기비저항 분포도 산출부(330)에서 제공된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 상기 전기비저항 분포도 산출부(330)에서 제공된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 제공하는 비교판단부(350); 상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호를 상기 수리구조물 관리서버(400)로 제공하는 알람부(360); 및 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 단계별로 예측피해정보를 제공하는 예상피해정보 제공부(370);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 예상피해정보 제공부(370)는, 상기 수리구조물의 종류, 크기, 지리적 위치, 상기 수리구조물의 생애주기, 설계년도, 보수/보강회수에 따라 서로 다른 예상피해정보를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 지진정보는 지진데이터표준(mini-SEED), 매 초당 분석데이터(MMA)가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 수리구조물 관리서버(400)는, 상기 알람신호 및 상기 단계별 예상피해정보를 수신하여 상기 알람신호에 따른 등급을 분석한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 및 피해범위 내에 해당하는 지역주민들의 연락정보를 추출하는 정보처리부(410); 및 상기 알람신호의 따른 등급별 재난경고메시지를 생성하여, 상기 추출된 연락정보로 재난경고메시지를 제공하는 재난경고메시지 제공부(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 무선 인터페이스는 지그비(Zigbee)통신, ISA100, WirelessHART, Bluetooth, Wave, NFC 중 적어도 하나의 통신방식을 이용하여 통신을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 기재된 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법은 수리구조물 계측모듈(100)을 이용하여 수리구조물의 거동 및 전기비저항을 측정하는 단계(S100); 지진계측모듈(200)을 이용하여 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 단계(S200); 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 측정된 상기 수리구조물의 전기비저항 분포도의 평균값과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 평균값이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보 및 알람신호를 제공하는 수리구조물 모니터링 단계(S300); 및 상기 상태이상정보 및 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 재난경고메시지 제공단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모니터링 단계(S300)는 실시간으로 상기 지진계측기(210)에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 단계(S310); 지진기록계(310)에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 전기비저항 분포도 산출부의 구동신호를 생성하는 단계(S320); 내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간을 통해 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 단계(S330); 기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 제공하는 단계(S340); 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기 전기비저항 분포도를 산출하는 단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 상기 전기비저항 분포도를 산출하는 단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 제공하는 단계(S350); 상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호 및 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 수리구조물 관리자 서버로 제공하는 단계(S360)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 이용하면, 지진 감시와 수리구조물의 거동변화에 따른 모니터링을 일원화시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진 발생시 대형 수리구조물의 내부 또는 외부 거동변화의 발생여부를 신속하게 인지할 수 있어, 즉각적인 수리구조물의 복구/보수가 가능함으로써, 피해발생규모를 최소화시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한 지진 발생시 지진 발생 이전과 이후의 수리구조물의 체제 전반에 걸친 내부특성변화를 측정하고 분석가능하여 수리구조물의 지진재해 대응능력을 보강시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진 발생 전후의 전기비저항 변화비와 당시 지진 계측자료를 토대로 안전성 평가, 지진재해 경보발령을 위한 방대한 기초계측자료를 확보할 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진재해로 인하여 지리적 위치별 및 종류별에 따른 수리구조물의 거동특성별로 통합관리함으로써, 수리구조물의 유지보수에 따른 비용적인 측면을 최소화시킬 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에서 제시하는 지진계측기의 위치를 나타낸 예시도로서, 도 2a는 수리구조물의 지표 또는 내부에 위치하는 지표형 지진계측기를 나타내며, 도 2b는 수리구조물의 지반 내에 위치하는 시추공형 지진계측기를 나타내며, 도 2c는 지표형과 시추공형을 함께 사용되는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수리구조물 계측모듈을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 센서부의 예시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전기비저항 측정모듈을 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 6a는 일반적인 전기비저항 탐사기의 모식도이다.
도 6b는 균질 매질에서의 전류 및 등선위선 분포도의 예시도이다.
도 6c는 비균질 매질에서의 전류 및 등전위선 분포도의 예시도이다.
도 7a는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 5m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7b는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 5m의 단극 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7c는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 10m의 변형된 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7d은 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 10m의 변형된 단극 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 8은 도 1에 도시된 지진계측기를 나타낸 블록도이다.
도 9는 도 1에 도시된 수리구조물 모니터링 서버를 나타낸 블록도이다.
도 10은 도 1에 도시된 수리구조물 관리서버를 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법의 흐름도이다.
도 12는 도 11에 도시된 S300을 보다 상세하게 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에서 제시하는 지진계측기의 위치를 나타낸 예시도로서, 도 2a는 수리구조물의 지표 또는 내부에 위치하는 지표형 지진계측기를 나타내며, 도 2b는 수리구조물의 지반 내에 위치하는 시추공형 지진계측기를 나타내며, 도 2c는 지표형과 시추공형을 함께 사용되는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수리구조물 계측모듈을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 센서부의 예시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전기비저항 측정모듈을 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 6a는 일반적인 전기비저항 탐사기의 모식도이다.
도 6b는 균질 매질에서의 전류 및 등선위선 분포도의 예시도이다.
도 6c는 비균질 매질에서의 전류 및 등전위선 분포도의 예시도이다.
도 7a는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 5m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7b는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 5m의 단극 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7c는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 10m의 변형된 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 7d은 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선 내의 전극들 간격이 10m의 변형된 단극 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항 탐사결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.
도 8은 도 1에 도시된 지진계측기를 나타낸 블록도이다.
도 9는 도 1에 도시된 수리구조물 모니터링 서버를 나타낸 블록도이다.
도 10은 도 1에 도시된 수리구조물 관리서버를 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법의 흐름도이다.
도 12는 도 11에 도시된 S300을 보다 상세하게 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 시스템(1000)은 수리구조물 계측모듈(100), 지진계측모듈(200), 모니터링 서버(300) 및 수리구조물 관리서버(400)를 포함한다.
상기 수리구조물 계측모듈(100)은 수리구조물의 거동을 계측하는 기능을 수행하며, 상기 수리구조물은 예컨대, 댐, 저수지, 보, 제방, 교량, 옹벽, 사면 중 어느 하나일 수 있다.
상기 수리구조물 계측모듈(100)은 센서부(110), 전기비저항 측정모듈(120), 제어부(130) 및 비저항측정 송수신콘솔(140)을 포함한다.
상기 센서부(110)는 상기 수리구조물의 적어도 하나 이상의 위치에 구비되어, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 상기 센서부(110)는 응력/압력측정센서(111), 변위계측센서(112), 동적하중측정센서(113), 온도측정센서(114), 수위측정센서(115), TDR 측정센서(116) 및 경사도측정센서(117)를 포함할 수 있다.
상기 응력/압력측정센서(111)는 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력을 측정하는 기능을 수행한다.
상기 변위계측센서(112)는 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하를 계측하는 기능을 수행한다.
상기 동적하중측정센서(113)는 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중을 측정하는 기능을 수행한다.
상기 온도측정센서(114)는 상기 수리구조물의 온도를 계측하는 기능을 수행한다.
상기 수위측정센서(115)는 상기 수리구조물 내부 지하수위 및 인접수면의 수위를 측정하는 기능을 수행한다.
상기 TDR 측정센서(116)는 상기 수리구조물의 유전율 및 함수비를 계측하는 기능을 수행한다.
상기 경사도측정센서(117)는 상기 수리구조물의 경사도를 측정하는 기능을 수행한다.
다음으로, 상기 전기비저항 측정모듈(120)은 수리구조물 내에 위치하며, 수리구조물 내부 전기비저항을 실시간을 측정하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 도 5를 참조하면, 상기 전기비저항 측정모듈(120)은 전기비저항 전극배열(121), 스위칭 박스(122) 및 스위칭 제어부(123)를 포함한다.
상기 전기비저항 전극배열(121)은 채널 형태로 구성된 복수 개의 전극들로 구성되며, 상기 복수 개의 전극들은 내부에 적어도 하나 이상의 전류전극 및 적어도 하나 이상의 전위전극들로 구성될 수 있다.
참고로, 일반적인 전기비저항 탐사기는 전원과 연결되어 있는 전류계를 통해 두 개의 전류전극(C1, C2)에 전원을 공급한 후, 두 개의 전위전극(P1, P2)와 연결되어 있는 전위계(Voltmeter)를 통해 전위차를 측정하고 전위차를 흘려준 전류로 나눈 값 즉 저항값을 읽게 된다(도 6a 참조).
즉, 전기비저항 탐사를 위하여 균일한 지하매질에 전류 전극 C1과 C2를 통해 일정한 전류를 흘려주면 전류는 전류 경로(Path)를 통해 C1에서 C2로 흘러간다. 이때 전류 경로에 수직하게 같은 값의 전위를 갖는 등전위선이 형성되며, 이 등전위선은 지면까지 이어지게 되고 지표에 설치된 전위계는 전위전극 P1과 P2 사이의 전위치를 측정한다.
전류전극과 전위전극의 위치, 흘려준 전류량과 측정된 전위차를 이용하면 균질한 지하 매질의 정확한 비저항값을 알 수 있게 된다.
그러나, 이상체가 지하에 존재하게 되면 전기비저항 탐사를 위하여 흘려주는 전류는 전기비저항이 낮은 물질 쪽으로 더 많이 흐르게 되며 결국 전류 경로에 수직인 등전위선에 변형을 일으키고 지표면에서 측정되는 전위차에도 영향을 미치게 된다. 이로부터 지표면에서 측정한 전위차를 이용하여 지하매질의 전기적인 이상대에 관한 정보를 가지고 있고 겉보기 비저항을 얻을 수 있다(도 6b, 도 6c 참조).
이와 같이, 전기비저항 탐사는 상술한 바와 같은 방법으로 지하에 일정한 전류를 흘려보낸 후, 전위차를 측정하여 겉보기 비저항을 구하고 이를 해석하여 지하의 지질구조, 파쇄대나 지하수 등의 분포를 파악하는 방법이다.
전기비저항 탐사에 사용되는 전극배열법은 단극(Pole-Pole), 단극-쌍극자(Pole-Dipole), 쌍극자(Dipole-Dipole), 슐럼버져(Schlumberger), 웨너(Wenner), 변형된 단극(Modified Pole-Pole) 및 변형된 쌍극자(Modified Dipole-Dipole) 배열 등이 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7a는 수리구조물의 횡방향으로 탐사측선내의 전극간격이 5m의 쌍극자 배열을 이용한 전기비저항 탐사의 역해석 결과를 전기비저항 분포도로 나타낸 것이고, 도 7b는 5m의 단극 배열을 이용한 전기비저항 탐사의 역해석 결과이며, 도 7c는 10m의 변형된 쌍극자 배열을 이용한 전기비저항 탐사의 역해석 결과이다.
따라서, 본 발명에서 제시하는 전기비저항 측정모듈(120)의 구동원리는 앞에서 상술한 전기비저항 탐사와 동일함으로 보다 상세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 스위칭 박스(122)는 복수 개의 전극들과 선택적으로 스위칭되어, 상기 복수 개의 전극 배열 중에서 선택되어 계측된 전기비저항값을 상기 제어부(130)로 제공하는 기능을 수행한다.
상기 제어부(130)는 상기 적어도 하나 이상의 센서부(110) 및 전기비저항 측정모듈의 구동을 제어하는 기능을 수행한다.
상기 비저항측정 송수신콘솔(140)은 상기 모니터링 서버(300)와 무선인터페이스를 통해 연동하여, 상기 적어도 하나 이상의 센서부(110)들 및 상기 전기비저항 측정모듈(120)에서 측정된 정보를 송신하고, 상기 수리구조물 관리서버(400)에서 제공하는 제어신호를 수신하는 기능을 수행한다.
다음으로, 상기 지진계측모듈(200)은 상기 수리구조물의 주변부 지역 및 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 계측한 후, 계측된 지진정보를 모니터링 서버(300)로 제공하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 도 2a 내지 도 2c 참조를 참조하면, 상기 지진계측모듈(200)은 적어도 하나 이상의 지진계측기(210), MCU(220) 및 지진계측 송수신콘솔(230)을 포함한다.
상기 적어도 하나 이상의 지진계측기(210)는 실시간으로 지반에서 발생되는 진동 신호(shaking and shocking signals)를 감지한 후 감지된 신호를 상기 MCU(220)로 제공하는 유닛일 수 있으며, 상기 지진계측기(210)는 상기 수리구조물의 주변지역의 지반 내에 위치하는 시추공형이거나 또는 상기 수리구조물의 하부 또는 상부에 위치하는 지표형으로 제작될 수 있다.
다음으로, 상기 MCU(220)는 상기 적어도 하나 이상의 지진계측기(210)에서 계측된 계측정보를 합산한 후, 평균값을 산출하는 기능을 수행한다.
상기 지진계측 송수신콘솔(230)은 무선인터페이스를 이용하여 상기 MCU(220)에서 산출된 산출정보를 모니터링 서버(300)로 제공하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 지진계측기(210)는 직교 좌표축(rectangular coordinate)과 같은 3개 성분(3 components)의 진동센서가 탑재되어 있다, 3개의 성분은 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 그리고 연직(축)성분(vertical component)일 수 있다.
이때, 상기 3개의 성분들을 각각 남북 방향, 동서 방향 그리고 중력에 대한 연직 방향으로 맞추도록 설계된다. 또한, 3개의 진동센서는 그 외형이 평면도 상에서 원형인 것이 전통적으로 일반적이며, 사각형에 가까운 모양이나 여러 변형된 형태로 제작되기도 한다.
참고로, 지진계측은 지진경보대응(earthquake alert and response)을 위한 자료 제공은 물론이고 자료 축적 및 데이터베이스 확보를 통해 내진설계(earthquake-resistant design)를 위한 토대원(fundamental resources)으로도 유용하게 이용되므로, 신뢰성 높은 설치 운용이 전제되어야만 그 활용 분야들의 신뢰도 역시 확보될 수 있다.
본 발명에서 제시하는 지진계측기는 속도계측 또는 가속도계측 원리에 기반하여 외부 진동 발생여부를 파악한다.
또한, 지진계측기는 대개 지표면이나 시설물 내외부의 요소나 부재의 표면과 같이 자연상태의 대기(공기)와 접하는 위치에 기반 조성(base work) 및 수준 조정(level adjustment)을 통해 연직성(verticality)을 확보하고 방위(azimuth)를 고려하여 설치하게 된다.
예외적으로 고가의 비용이 소요되는 시추공(borehole)을 조성한 지진계측의 경우 대기와 접하는 자유장(free-field)이 존재하지 않으며, 그 설치나 운영은 지진학(seismology)이나 지진공학(earthquake engineering) 전문가들이 계획, 설치 및 운영 과정에서 전반적으로 관여해 오고 있으므로 그릇된 자료를 획득할 정도의 오류가 발생하는 상황은 매우 드물다.
반면, 자유장에 설치되는 계측기에 기반한 지진계측은 상대적으로 저비용이면서도 보편적이다. 이런 이유로 그 설치 수량도 최근 전세계적으로 급속도로 많아짐에 따라 지진학이나 지진공학 전문가들이 배제된 채 비전문가들에 의해 단순 설치되는 사례들이 빈번해 지고 있으며, 그에 따른 설치 운영 오류들을 흔히 찾아볼 수 있다.
다음으로, 상기 모니터링 서버(300)는 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시점부터 일정 기간동안, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 발생된 상기 수리구조물의 전기비저항 발생량과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 전기비저항 발생량이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보를 제공하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 상기 모니터링 서버(300)는 지진기록계(310), 지진이벤트 트리거 생성부(320), 전기비저항 분포도 산출부(330), 수리구조물 거동변화 판단부(340), 비교판단부(350), 알람부(360) 및 예상피해정보 제공부(370)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 지진기록계(310)는 실시간으로 상기 지진계측기에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 지진이벤트 트리거 생성부(320)는 상기 지진기록계에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 상기 전기비저항 분포도 산출부의 구동신호를 생성하는 기능을 수행한다.
상기 전기비저항 분포도 산출부(330)는 내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간이 설정되며, 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항 값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 기능을 수행한다.
상기 수리구조물 거동변화 판단부(340)는 기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 상기 비교판단부로 제공하는 기능을 수행한다.
상기 비교판단부(350)는 상기 수리구조물 거동변화 판단부에서 제공된 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기 전기비저항 분포도 산출부에서 제공된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 상기 전기비저항 분포도 산출부에서 제공된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 상기 알람부 및 상기 예상피해정보 제공부(370)로 제공하게 된다.
상기 알람부(360)는 상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호를 상기 수리구조물 관리서버로 제공하게 된다.
상기 예상피해정보 제공부(370)는 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 단계별로 예측 및 제공하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 예상피해정보 제공부는 수리구조물의 종류, 크기, 지리적 위치에 따라 다를 수 있으며, 또한, 상기 수리구조물의 생애주기, 설계년도, 보수/보강회수에 따라 다를 수 있다. 따라서, 동일한 종류의 수리구조물이라 하더라도 예상피해정보는 서로 다를 수 있다.
따라서, 상기 본 발명에서 제공하는 모니터링 서버(300)는 지진발생시에, 수리구조물 내의 전기비저항 변화를 감시함으로써, 지진에 따른 수리구조물의 거동변화를 전기비저항을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 뿐만 아니라, 지진 발생후, 수리구조물에 대한 피해를 수리구조물의 고유진동 상수와 지진 데이터를 이용하여 수리구조물의 안전성 평가를 위한 기초 연구 자료를 제공할 수 있다.
다음으로, 상기 수리구조물 관리서버(400)는 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 기능을 수행한다.
상기 수리구조물 관리서버(400)는 상기 모니터링 서버(300)에서 예측된 단계별 예상피해정보가 상기 수리구조물에 따라 설정된 기준예상피해정보를 초과할 경우, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자, 상기 수리구조물이 설치된 지역의 지역주민의 휴대단말 및 소방방재청, 지역 경찰서, 재난대피본부 등 자연재해에 따른 피해예방을 수행하는 관공서의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로, 상기 수리구조물 관리서버(400)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 정보처리부(410) 및 재난경고메시지 제공부(420)를 포함한다.
상기 정보처리부(410)는 상기 알람신호 및 상기 단계별 예상피해정보를 수신하여 상기 알람신호에 따른 등급을 분석한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 및 피해범위 내에 해당하는 지역주민들의 연락정보를 추출하는 기능을 수행한다.
상기 재난경고메시지 제공부(420)는 상기 알람신호의 따른 등급별 재난경고메시지를 생성하여, 상기 추출된 연락정보로 재난경고메시지를 제공하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 재난경고메시지는 수리구조물의 위치, 수리구조물의 상태, 수리구조물로 인한 예상피해지역, 수리구조물의 관리자, 지진정보, 예측피해정보 등에 관한 정보를 포함하는 메시지일 수 있다.
한편, 소방방재청, 지역 경찰서, 재난대피본부 등 자연재해에 따른 피해예방을 수행하는 관공서의 관리서버에 제공되는 재난경고메시지는 수리구조물의 시설물관리번호, 시설분류코드, 관리번호, 센서의 시리얼넘버, 수리구조물의 위치, 수리구조물의 상태, 수리구조물로 인한 예상피해지역, 수리구조물의 관리자, 모니터링 서버에서 산출된 예상피해정보 등을 포함하는 스크립트 형태의 정보메시지일 수 있다.
상기 휴대단말은 PDC(Personal Digital Cellular)폰, PCS(Personal Communication Service)폰, PHS(Personal Handyphone System)폰, CDMA-2000(1X, 3X)폰, WCDMA(Wideband CDMA)폰, 듀얼 밴드/듀얼 모드(Dual Band/Dual Mode)폰, GSM(Global Standard for Mobile)폰, MBS(Mobile Broadband System)폰, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)폰, 스마트(Smart) 폰, 핸드폰 등과 같은 통신 기능이 포함될 수 있는 휴대용 기기, PDA(Personal Digital Assistant), 핸드 헬드 PC(Hand-Held PC), 노트북 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 와이브로(WiBro) 단말기, MP3 플레이어, MD 플레이어 등과 같은 휴대 단말기, 그리고 국제 로밍(Roaming) 서비스와 확장된 이동 통신 서비스를 제공하는 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) 단말기 등을 포함하는 모든 종류의 핸드 헬드 기반의 무선 통신 장치를 의미하는 휴대용 전기전자장치로서, CDMA(Code Division Multiplexing Access) 모듈, 블루투스(Bluetooth) 모듈, 적외선 통신 모듈(Infrared Data Association), 유무선 랜 카드 및 GPS(Global Positioning System)를 통한 위치 추적이 가능하도록 하기 위해 GPS 칩이 탑재된 무선 통신 장치와 같은 소정의 통신 모듈을 구비할 수 있으며, 마이크로프로세서를 탑재함으로써 일정한 연산 동작을 수행할 수 있는 단말기를 통칭하는 개념으로 해석될 수 있다.
이하에서는 앞에서 상술한 본 발명의 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법(S1000)은 수리구조물 계측모듈(100)을 이용하여 수리구조물의 거동 및 전기비저항을 측정하는 단계(S100), 지진계측모듈(200)을 이용하여 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진정보 측정단계(S200), 실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 측정된 상기 수리구조물의 전기비저항 분포도의 평균값과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 평균값이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 예측피해정보 및 알람신호를 제공하는 수리구조물 모니터링 단계(S300) 및 상기 예측피해정보 및 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 재난경고메시지 제공단계(S400)를 포함한다.
여기서, 상기 수리구조물 모니터링 단계(S300)는 실시간으로 상기 지진계측기(210)에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 지진정보 기록/저장단계(S310), 지진기록계(310)에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 전기비저항 분포도 산출부의 트리거신호를 생성하는 트리거신호 생성단계(S320), 내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간을 통해 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 전기비저항 분포도산출단계(S330), 기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 제공하는 기준 전기비저항 임계값 제공단계(S340), 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기한 전기비저항 분포도산출단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 전기비저항 분포도산출단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 제공하는 등급별 초과신호 출력단계(S350); 상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호 및 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 수리구조물 관리자 서버로 제공하는 알람신호/예상피해정보 제공단계(S360)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템을 이용하면, 지진 감시와 수리구조물의 거동변화에 따른 모니터링을 일원화시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진 발생시 대형 수리구조물의 내부 또는 외부 거동변화의 발생여부를 신속하게 인지할 수 있어, 즉각적인 수리구조물의 복구/보수가 가능함으로써, 피해발생규모를 최소화시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한 지진 발생시 지진 발생 이전과 이후의 수리구조물의 체제 전반에 걸친 내부특성변화를 측정하고 분석가능하여 수리구조물의 지진재해 대응능력을 향상시킬 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진 발생 전후의 전기비저항 변화비와 당시 지진 계측자료를 토대로 안전성 평가, 지진재해 경보발령을 위한 방대한 기초계측자료를 확보할 수 있다는 이점을 제공한다.
또한, 지진재해로 인하여 지리적 위치별 및 종류별에 따른 수리구조물의 거동특성별로 통합관리함으로써, 수리구조물의 유지보수에 따른 비용적인 측면을 최소화시킬 수 있다는 이점을 갖는다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다.
전술한 실시 예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는 데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템
100: 수리구조물 계측모듈 200: 지진계측모듈
110: 센서부 120: 전기비저항 측정모듈
130: 제어부 140: 비저항측정 송수신콘솔
111: 응력/압력측정센서 112: 변위계측센서
113: 동적하중측정센서 114: 온도측정센서
115: 수위측정센서 116: TDR 측정센서
117: 경사도측정센서 121: 전극배열
122: 스위칭 박스 123: 스위칭 제어부
210: 지진계측기 220: MCU
230: 지진계측 송수신콘솔 310: 지진기록계
300: 모니터링 서버 320: 지진이벤트 트리거 생성부
330: 전기비저항 분포도 산출부 340: 수리구조물 거동변화 판단부
350: 비교판단부 360: 알람부
370: 예상피해정보 제공부 400: 수리구조물 관리서버
410: 정보처리부 420: 재난경고메시지 제공부
100: 수리구조물 계측모듈 200: 지진계측모듈
110: 센서부 120: 전기비저항 측정모듈
130: 제어부 140: 비저항측정 송수신콘솔
111: 응력/압력측정센서 112: 변위계측센서
113: 동적하중측정센서 114: 온도측정센서
115: 수위측정센서 116: TDR 측정센서
117: 경사도측정센서 121: 전극배열
122: 스위칭 박스 123: 스위칭 제어부
210: 지진계측기 220: MCU
230: 지진계측 송수신콘솔 310: 지진기록계
300: 모니터링 서버 320: 지진이벤트 트리거 생성부
330: 전기비저항 분포도 산출부 340: 수리구조물 거동변화 판단부
350: 비교판단부 360: 알람부
370: 예상피해정보 제공부 400: 수리구조물 관리서버
410: 정보처리부 420: 재난경고메시지 제공부
Claims (14)
- 수리구조물의 거동을 계측하는 수리구조물 계측모듈(100);
상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진계측모듈(200);
실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 측정된 상기 수리구조물의 전기비저항 분포도의 평균값과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 평균값이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 상태이상정보 및 알람신호를 제공하는 모니터링 서버(300); 및
상기 상태이상정보 및 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 수리구조물 관리서버(400);를 포함하고,
상기 수리구조물 계측모듈(100)은,
상기 수리구조물의 적어도 하나 이상의 위치에 구비되어, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도 중 적어도 하나를 측정하는 센서들을 구비한 적어도 하나 이상의 센서부(110);
상기 수리구조물의 전기비저항을 측정하는 전기비저항 측정모듈(120);
상기 적어도 하나 이상의 센서부(110) 및 상기 전기비저항 측정모듈(120)의 구동을 제어하는 제어부(130); 및
상기 모니터링 서버(300)와 무선인터페이스를 통해 연동하여, 상기 적어도 하나 이상의 센서부(110)들 및 상기 전기비저항 측정모듈(120)에서 측정된 정보를 송신하고, 상기 모니터링 서버(300)에서 제공하는 제어신호를 수신하는 비저항측정 송수신콘솔(140);을 포함하며,
상기 모니터링 서버(300)는,
실시간으로 지진계측기(210)에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하는 지진기록계(310);
상기 지진기록계(310)에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 전기비저항 분포도 산출부의 구동신호를 생성하는 지진이벤트 트리거 생성부(320);
내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간이 설정되며, 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 전기비저항 분포도 산출부(330);
기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈(100) 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 제공하는 수리구조물 거동변화 판단부(340);
상기 수리구조물 거동변화 판단부(340)에서 제공된 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기 전기비저항 분포도 산출부(330)에서 제공된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 상기 전기비저항 분포도 산출부(330)에서 제공된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 제공하는 비교판단부(350);
상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호를 상기 수리구조물 관리서버(400)로 제공하는 알람부(360); 및
상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 단계별로 예측피해정보를 제공하는 예상피해정보 제공부(370);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수리구조물은,
댐, 저수지, 보, 제방, 교량, 옹벽, 사면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 센서부(110)는,
상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력 및 장력 중 적어도 하나 이상을 측정하는 응력/압력측정센서(111);
상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하를 계측하는 변위계측센서(112);
상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중을 측정하는 동적하중측정센서(113);
상기 수리구조물의 표면온도를 계측하는 온도측정센서(114);
상기 수리구조물 내부 지하수위 및 인접수면의 수위를 측정하는 수위측정센서(115);
상기 수리구조물의 유전율 및 함수비를 계측하는 TDR 측정센서(116); 및
상기 수리구조물의 경사도를 측정하는 경사도측정센서(117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 전기비저항 측정모듈(120)은,
상기 수리구조물 내에 횡방향 또는 종방향으로 배열되고, 복수 개의 전극들이 다채널 구조로 형성되어 구성된 전극배열(121);
상기 전극배열(121)들 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 도통 또는 단선시키기 위한 채널별 스위칭 유닛들(SW1 내지 SWn)을 구비한 스위칭 박스(122); 및
상기 스위칭 박스(122)의 구동을 제어하여, 상기 전극배열(121)에 측정된 채널별 전기비저항값을 상기 모니터링 서버로 제공하는 스위칭 제어부(123);를 포함하고,
상기 스위칭 제어부(123)는,
상기 채널별 스위칭 유닛들(SW1 내지 SWn) 각각의 제어시간구간을 서로 같거나 또는 다르게 적용시키도록 상기 스위칭 박스(122)를 제어하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 전극배열(121)들 각각은,
단극(Pole-Pole), 단극-쌍극자(Pole-Dipole), 쌍극자(Dipole-Dipole), 슐럼버져(Schlumberger), 웨너(Wenner), 변형된 단극(Modified Pole-Pole) 및 변형된 쌍극자(Modified Dipole-Dipole) 배열 중 어느 하나를 탐사현장에 적합하도록 선택하고,
선택된 상기 전극배열은 전류전극 및 전위전극을 포함하며,
상기 전류전극으로 제공된 전류량에 의해 상기 전위전극에서 측정된 전위차를 이용하여 전기비저항을 계측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 지진계측모듈(200)은,
실시간으로 지반에서 발생되는 지진신호(shaking and shocking signals)를 감지한 후 이에 따른 지진정보를 출력하는 적어도 하나 이상의 지진계측기(210);
상기 적어도 하나 이상의 지진계측기(210)에서 출력된 상기 지진정보를 합산 후, 지진정보 평균값을 산출하여 제공하는 MCU(220);
무선인터페이스를 이용하여 상기 MCU에서 산출된 지진정보 평균값을 상기 모니터링 서버(300)로 제공하는 지진계측 송수신콘솔(230)을 포함하고,
상기 지진계측기(210)는,
서로 다른 직교 좌표축(rectangular coordinate)을 갖는 3개 성분(3 components)의 진동센서가 탑재되며, 상기 3개의 성분은 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 및 연직(축)성분(vertical component)인 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 예상피해정보 제공부(370)는,
상기 수리구조물의 종류, 크기, 지리적 위치, 상기 수리구조물의 생애주기, 설계년도, 보수/보강회수에 따라 서로 다른 예상피해정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 지진정보는,
지진데이터표준(mini-SEED), 매 초당 분석데이터(MMA)가 포함된 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수리구조물 관리서버(400)는,
상기 알람신호 및 상기 단계별 예상피해정보를 수신하여 상기 알람신호에 따른 등급을 분석한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 및 피해범위 내에 해당하는 지역주민들의 연락정보를 추출하는 정보처리부(410); 및
상기 알람신호의 따른 등급별 재난경고메시지를 생성하여, 상기 추출된 연락정보로 재난경고메시지를 제공하는 재난경고메시지 제공부(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 무선 인터페이스는,
지그비(Zigbee)통신, ISA100, WirelessHART, Bluetooth, Wave, NFC 중 적어도 하나의 통신방식을 이용하여 통신을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템.
- 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 및 제9항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 기재된 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법에 있어서,
수리구조물 계측모듈(100)을 이용하여 수리구조물의 거동 및 전기비저항을 측정하는 수리구조물의 거동/전기비저항 측정단계(S100);
지진계측모듈(200)을 이용하여 상기 수리구조물의 주변부 지역 또는 내부에 구비되어, 지진 발생에 따른 지진 정보를 실시간으로 측정하는 지진정보 측정단계(S200);
실시간으로 상기 수리구조물 계측모듈(100) 및 상기 지진계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 저장관리하며, 지진 발생시, 상기 지진 강도에 따라 가변되는 상기 수리구조물의 전기비저항의 분포도를 산출한 후, 기 설정된 시간동안에 측정된 상기 수리구조물의 전기비저항 분포도의 평균값과 내부에 설정된 구간별 전기비저항 임계값을 비교한 후, 상기 평균값이 상기 구간별 전기비저항 임계값을 초과할 경우, 상기 구간별 전기비저항 임계값에 따른 상기 수리구조물의 예측피해정보 및 알람신호를 제공하는 수리구조물 모니터링 단계(S300); 및
상기 예측피해정보 및 상기 알람신호를 수신한 후, 상기 수리구조물의 유지보수 관리자 및 소방방재청의 관리서버로 재난경고메시지를 제공하는 재난경고메시지 제공단계(S400);를 포함하고,
상기 수리구조물 모니터링 단계(S300)는,
실시간으로 상기 지진계측기(210)에서 제공된 지진정보를 기록 및 저장하는 기능을 수행하거나 또는 기준 임계값을 초과하는 지진정보를 기록 및 저장하는 지진정보 기록/저장단계(S310);
지진기록계(310)에서 기록된 지진정보들 중 최대지반가속도(PGA) 값을 추출한 후, 내부에 구비된 기준 임계값과 비교판단하여 상기 최대지반가속도 값이 상기 임계값을 초과할 경우 전기비저항 분포도 산출부의 트리거신호를 생성하는 트리거신호 생성단계(S320);
내부에 임의로 설정된 복수 개의 전기비저항 구간을 통해 전기비저항 측정모듈에서 제공된 전기비저항값들을 상기 복수 개의 전기비저항 구간에 적용시켜 수리구조물 전체에 해당하는 전기비저항 분포도를 산출하는 전기비저항 분포도산출단계(S330);
기 설정된 시간 동안에 상기 수리구조물 계측모듈 내에 구비된 적어도 하나 이상의 센서들 각각에서 계측된 정보들, 예컨대, 상기 수리구조물에 가해지는 간극수압, 토압, 동수압, 응력, 장력, 상기 수리구조물에 발생하는 지표변위, 지중변위, 침하, 상기 수리구조물에 발생하는 동적 하중, 상기 수리구조물의 온도, 상기 수리구조물의 내부 지하수위 및 인접수면의 수위, 수리구조물의 유전율 및 함수비, 상기 수리구조물의 경사도의 평균값을 스크립트 정보로 생성하며, 상기 스크립트 정보에 해당하는 수리구조물의 거동변화에 따른 기준 전기비저항 분포도의 임계값을 제공하는 기준 전기비저항 임계값 제공단계(S340);
상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값과 상기 전기비저항 분포도를 산출하는 단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도를 비교판단한 후, 상기 전기비저항 분포도를 산출하는 단계(S330)에서 산출된 전기비저항 분포도가 상기 임계값을 초과할 경우, 초과범위에 따른 초과신호를 제공하는 등급별 초과신호 출력단계(S350);
상기 초과신호의 크기에 따라 서로 다른 형태의 알람신호 및 상기 기준 전기비저항 분포도의 임계값에 따른 수리구조물의 거동에 따른 예상피해정보(예컨대, 상기 수리구조물에서 발생 가능한 범람, 유실, 파손, 붕괴, 침수, 침투, 세굴, 균열, 철근노출, 휨, 이격, 변형, 파이핑 중 적어도 하나 이상이 포함)를 수리구조물 관리자 서버로 제공하는 알람신호/예상피해정보 제공단계(S360);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합 시스템을 이용한 수리구조물 모니터링 방법.
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR20140119130A KR101493231B1 (ko) | 2014-09-05 | 2014-09-05 | 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR20140119130A KR101493231B1 (ko) | 2014-09-05 | 2014-09-05 | 지진계측 및 전기비저항 모니터링 연계 통합시스템 및 이를 이용한 수리구조물 모니터링 방법 |
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101659735B1 (ko) * | 2015-04-01 | 2016-09-26 | 한국철도기술연구원 | 강우침투 깊이 및 지반붕괴 감지 장치 및 방법 |
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