KR101523696B1 - 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템 및 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 교면을 타격하는 노면충격부; 상기 노면충격부에 의해서 상기 교면에서 발생하는 충격음 데이터를 획득하는 충격음 데이터 획득부; 상기 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하는 시간영역 신호 변환부; 상기 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환하는 주파수영역 신호 변환부; 및 상기 충격음의 주파수영역 신호를 분석하는 주파수 신호 분석부;를 포함하며, 상기 주파수 신호 분석부는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템 및 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것이다.
콘크리트 노면 또는 콘크리트 교량 바닥판의 열화로 인한 손상을 조사하기 위하여 육안조사를 포함하여 다양한 파괴 및 비파괴 평가 방법이 사용되고 있다.
이러한 종래의 방법들에는 도면 또는 콘크리트 바닥판의 일부 구간에서 코어 샘플(core sample)을 채취하여 열화된 깊이 및 열화상태 등을 조사하는 파괴시험 방법과 다양한 물리, 역학적 원리를 이용하여 교량 바닥판을 파손하지 않고 조사하는 비파괴시험 방법이 있다.
대표적인 비파괴시험 방법인 망치 타격법(hammer hitting)과 체인 드래그법(chain dragging)은 망치로 바닥판을 타격하거나 체인을 끄는 동안 노면 또는 바닥판에서 발생하는 소리(음향)로부터 열화 또는 층분리 상태를 평가하는 것이다.
그 외에, 전자기파의 원리를 이용한 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR) 측정법, 타격시 전파속도를 이용한 임팩트 에코법(Impact Eco, IE), 온도차를 이용한 열화상 카메라(Infrared Thermography, IR) 측정법, 전위차를 이용한 하프셀 포텐셜(Half-Cell Potential) 측정법 등 다양한 종류의 비파괴 검사 방법이 최근 들어서 해외에서 연구개발 및 적용되고 있다.
해외 연구결과에 따르면, 종래의 비파괴시험 방법들 중 체인 드래그법이 지표투과레이더와 같은 첨단 장비를 사용한 방법보다 신뢰성이 더 높은 것으로 알려져 있으며, 체인 드래그법에 데이터 획득 시스템(Data Acquisition System, DAQ)을 추가하여 보다 간편하고 객관적으로 시험을 수행할 수 있는 자동 체인드래그 시스템도 개발되었다.
하지만, 이러한 기존의 체인 드래그법도 점검자가 수동으로 카트를 밀면서 시험을 수행하기 때문에 넓은 범위를 조사하기에는 비효율적일 뿐만 아니라 교통 흐름에 방해가 되고 점검자 및 이용자의 안전성도 떨어지는 실정이다.
종래의 GPR의 경우에는 이동 측정 방법으로 인해서 열화 또는 손상 측정 위치의 불일치, 즉각적인 결과 확인 불가능 등의 문제점이 있다.
또한, 기존의 망치 타격법도 점검자의 청각에 의존하기 때문에 점검자에 따라 측정 결과가 다르다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 망치 타격에 의해 발생하는 소리(음향) 또는 충격음은 발생한 후 얼마되지 않으면 없어지는 한계가 있다.
기존의 망치 타격법은 아스팔트 콘크리트와 강화 콘크리트의 층으로 형성된 노면 또는 교면에 적용하는 경우에 아스팔트 콘크리트와 강화 콘크리트 사이의 상태를 판단하거나 측정할 수 없는 한계도 있다.
한편, 한국공개특허 제10-2006-0102581호에 "교량 및 노반의 상태평가를 위한 하중재하/측정 자동화시스템"이 개시되어 있으나, 이 시스템은 노면을 주행하면서 노면에 충격을 가한 후 얻은 소리를 주파수 분석하는 것은 아니다.
따라서, 종래의 망치 타격법과 같은 원리를 이용하면서도 소리를 주파수의 관점에서 분석할 수 있는 노면 손상 탐지 기술에 대한 필요성이 커지고 있다.
특히, 망치타격법으로부터 발생한 음향데이터를 획득하여 자동화 프로그램을 통해 음향을 분석함으로써 콘크리트 교량 바닥판의 정상부분 및 열화부분(손상부분)을 현장에서 즉시 파악할 수 있는 기술에 대한 요구도 점차 커지고 있다.
본 발명은 주파수 응답특성에 기반하여 신속하게 노면이나 교면포장 또는 교량 바닥판의 손상 여부를 판단할 수 있는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템 및 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공한다.
본 발명은 주파수 파동 분석 및 최대 진폭의 형태를 분석하여 아스팔트 포장과 시멘트 슬라브 층과의 부착여부, 손상여부 등을 판단할 수 있는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템 및 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공한다.
본 발명은 충격음을 이용하여 현장에서 즉시 노면이나 교면포장의 손상 여부를 판단할 수 있는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템 및 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템은, 교면을 타격하는 노면충격부; 상기 노면충격부에 의해서 상기 교면에서 발생하는 충격음 데이터를 획득하는 충격음 데이터 획득부; 상기 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하는 시간영역 신호 변환부; 상기 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환하는 주파수영역 신호 변환부; 및 상기 충격음의 주파수영역 신호를 분석하는 주파수 신호 분석부;를 포함하며, 상기 주파수 신호 분석부는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 신호의 크기 또는 진폭을 이용하여 노이즈와 충격음을 분리하고 충격음 데이터를 획득할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 신호에 대해서 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 상기 주파수 스펙트럼의 패턴의 스큐(skewness)를 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 상기 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하며, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비를 이용하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
상기 주파수 신호 분석부는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단할 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 의하면, 본 발명은 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템을 이용한 노면 손상 분석 방법에 있어서, 충격음 데이터를 획득하는 단계; 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하여 시간영역 신호를 획득하는 단계; 시간영역 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하는 단계; 시간영역 신호로부터 주파수영역에서의 신호를 획득하는 단계; 및 충격음의 주파수영역 신호를 분석하여 주파수 응답 특성을 분석하는 단계;를 포함하며, 상기 분석 단계에서는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하는 손상 분석 방법을 제공할 수 있다.
상기 분석하는 단계에서는 상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 상기 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 신호에 대해서 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다.
상기 분석하는 단계에서는 상기 주파수 스펙트럼의 패턴의 스큐(skewness) 또는 상기 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하되, 상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하고, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다.
상기 분석하는 단계에서는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단할 수 있다.
상기 주파수 스펙트럼 패턴의 스큐는 하기 [수학식]을 이용하여 산출될 수 있다.
[수학식]
(Xi는 i번째 최대진폭주파수에서의 진폭 데이터, 
는 가중치, σ는 표준편차, N은 피크의 개수)
본 발명은 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공할 수 있다.
본 발명은 본 발명은 주파수 응답특성에 기반하여 현장에서 신속하게 노면이나 교면포장의 손상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명은 아스팔트 콘크리트와 강화 콘크리트 사이에서 손상이 발생하는 경우에도 손상 여부, 손상 정도 등을 측정하고 평가할 수 있다.
본 발명은 충격음 데이터에 따른 신호에서 최대 진폭을 가지는 주파수에 대한 정보를 이용하여 시각적으로 노면의 손상 여부를 판단하기 때문에 손상과 비손상에 따른 결과를 명확하게 구분할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 2의 주파수 신호 분석부에 따른 소프트웨어 인터페이스 화면을 보여 주는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 분석 시스템에 의해 얻은 신호 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 2의 주파수 신호 분석부에 따른 소프트웨어 인터페이스 화면을 보여 주는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 분석 시스템에 의해 얻은 신호 데이터를 보여주는 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템의 구성을 보여주는 블록도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 방법을 설명하는 순서도, 도 5는 도 2의 주파수 신호 분석부에 따른 소프트웨어 인터페이스 화면을 보여 주는 도면, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 분석 시스템에 의해 얻은 신호 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 일반적인 도로의 노면, 교량의 교면 등에 적용될 수 있으며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 교량의 교면에 적용하는 경우를 예시로서 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 충격재하장치(20)에 의한 타격에 의해 노면(10)에서부터 발생하는 음향데이터를 획득하고 DAQ(Data Acquisition Card)로 아날로그 데이터로 전환하여 컴퓨터(40)의 프로그램(50)을 사용하여 주파수 거동 형태를 분석하는 음향 신호 수집 및 분석이 가능한 시스템이다. 충격음 데이터는 노면, 교면 또는 교면포장(10)에 근접하여 마련되는 마이크로폰(30) 등에 의해서 획득한 후 DAQ로 전달될 수 있다. 컴퓨터(40)에 마련된 프로그램을 사용하여 충격음 신호 및 주파수 해석을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 교면포장 또는 노면에서 발생하는 충격음향을 측정하거나 수집하는 마이크로폰(30), 충격음을 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 데이터 로거(Datalogger), 충격음으로부터 손상, 열화정도를 분석해 주는 소프트웨어 내지 프로그램을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 손상 분석 시스템(100)은 제어부(110), 노면충격부(120), 충격음 데이터 획득부(130), 시간영역 신호 변환부(140), 주파수영역 신호 변환부(150), 주파수 신호 분석부(160) 및 화면표시부(170)를 포함할 수 있다. 보다 자세하게는, 교면(10, 도 1 참조)을 타격하는 노면충격부(120), 노면충격부(120)에 의해서 교면(10)에서 발생하는 충격음 데이터를 획득하는 충격음 데이터 획득부(130), 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하는 시간영역 신호 변환부(140), 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환하는 주파수영역 신호 변환부(150) 및 충격음의 주파수영역 신호를 분석하는 주파수 신호 분석부(160)를 포함할 수 있다. 상기와 같이 구성된 노면 손상 분석 시스템(100)은 주파수 신호 분석부(160)에서 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 차량 등 이동수단에 장착되거나 견인되는 형태로 구현될 수 있다. 이럴 경우 본 발명에 따른 시스템(100)은 교량 교면 위를 주행하는 이동수단에 의해서 견인되는 노면충격부(120)가 교면을 타격하여 발생하는 충격음(impact sound)을 분석하여 교면의 손상여부, 콘크리트 교량 바닥판의 열화도, 노면의 층분리/박리 등을 평가할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 교통흐름을 방해하지 않으면서 노면의 열화와 노면포장의 층분리 상태등을 현장에서 신속하게 평가할 수 있고, 신뢰성을 확보할 수 있다.
노면충격부(120)는 해머 또는 이와 유사한 형태의 노면 타격 부재(미도시)를 구비할 수 있다. 제어부(110)는 노면충격부(120)가 노면이나 교면포장을 타격하게 하거나, 정지하여 특정한 노면 등을 반복적으로 또는 주기적으로 타격하도록 제어할 수 있다. 노면충격부(120)에 의해서 노면을 타격하게 되면, 그 결과로서 충격음(impact sound)가 발생하게 된다.
노면충격부(120)는 상기 충격음이 가청주파수를 가지도록 상기 노면을 타격할 수 있다. 여기서, 가청주파수는 사람(즉, 점검자)가 들을 수 있는 소리의 주파수를 의미한다. 본 발명의 노면충격부(120)는 20~20,000 Hz의 주파수를 가지는 충격음이 발생하도록 노면을 타격할 수 있다. 주파수가 20~20,000 Hz인 경우는 저주파수라고 할 수 있다. 본 발명에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 저주파수 대역의 충격음을 이용하기 때문에 노이즈의 영향을 줄일 수 있다.
여기서, 충격음은 소리 내지 음향 데이터를 포함하거나 의미할 수 있으며, 충격음은 가청 주파수 및 그 외의 주파수를 포함할 수 있다. 소리는 시간이 경과함에 따라 사라져 버리는 한계가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템(100)은 소리 즉, 충격음 데이터를 분석하여 노면의 손상 여부를 탐지하지 않고, 충격음 데이터를 획득한 후 이를 주파수로 변환하여 주파수를 분석하는 것에 특징이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 시스템은 충격음을 획득 내지 포집하기 위한 충격음 데이터 획득부(130)를 구비할 수 있다.
충격음 데이터 획득부(130)는 적어도 하나의 마이크로폰(microphone, 미도시)을 포함할 수 있다. 상기 마이크로폰은 노면과 근접하도록 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 마이크로폰을 사용하는 것이 충격음 데이터 획득에 유리하며, 복수개의 마이크로폰을 사용하는 경우에는 동일한 간격 또는 방사상으로 배치되는 것이 바람직하다.
충격음 데이터 획득부(130)에서 얻어진 충격음은 시간영역 신호 변환부(140)에 의해서 시간영역에서의 신호로 전환될 수 있다. 시간영역에서의 신호는 시간이 경과할수록 신호의 크기 등이 변하거나 없어질 수 있고, 획득된 충격음에는 분석하고자 하는 충격음 뿐만 아니라 주변의 소음 즉, 노이즈도 포함될 수 있다. 따라서, 시간영역 신호를 주파수영역에서의 신호로 변환하여 시간에 의한 영향을 배제하고 노이즈와 목적 신호의 분리를 용이하게 할 필요가 있다.
본 발명에 따른 시스템(100)은 주파수영역 신호 변환부(150)에 의해서 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 주파수영역 신호 변환부(150)는 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 이용하여 상기 주파수영역 신호를 획득할 수 있다.
주파수 영역으로 변환된 충격음 내지 신호는 주파수에 대한 진폭 크기 변화를 나타내는 그래프로 표현될 수 있다. 이러한 그래프는 교면포장 또는 노면의 손상 여부에 따른 주파수 스펙트럼의 진폭 변화 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 보여 주는데, 이러한 정보를 이용하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
주파수영역 신호에서 원하는 충격음 신호와 노이즈를 쉽게 분리할 수 있는데, 본 발명의 주파수 신호 분석부(160)는 신호의 크기 또는 진폭을 이용하여 노이즈와 충격음을 분리하고 충격음 데이터를 획득할 수 있다. 주파수 영역에서 충격음 신호의 진폭이 노이즈의 진폭 보다 상대적으로 크기 때문에 이러한 차이를 이용하여 충격음 신호를 분리해 낼 수 있다.
한편, 충격음 신호를 분리(isolation)하기 전에 신호의 정규화(normalization)를 위해서 고대역 필터(high pass filter)를 사용할 수도 있다.
노이즈와 분리된 충격음 신호 즉, 주파수영역으로 변환된 충격음 신호는 주파수 신호 분석부(160)로 전달되고, 주파수 신호 분석부(160)는 신호의 진폭(amplitude)이 최대(peak)가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
우선, 주파수 신호 분석부(160)는 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 최대진폭주파수는 신호의 진폭이 최대가 될 때의 주파수를 의미하며, 노면의 손상 여부에 따라서 1개 또는 복수개의 값을 가질 수 있다.
도 5에는 본 발명의 주파수 신호 분석부(160)에 따른 소프트웨어 인터페이스 또는 분석 프로그램 인터페이스(program interface) 화면이 예시적으로 도시되어 있다. 인터페이스 화면에는 시간영역 및 주파수영역에서의 신호가 그래프 형태로 보여지며, 최대 진폭(Max. Amplitude) 및 그에 대응하는 주파수(Frequency, Hz)도 보여준다(우측 하단 그래프 위에 표시된 점선 박스 참조).
본 발명에 따른 노면 손상 분석 시스템(100)은 충격음 신호의 주파수 또는 주파수 스펙트럼에서 나타나는 정보를 이용하여 손상 여부를 판단하는데 특징이 있다.
우선, 도 6에는 손상이 있는 교면(도 6(a) 참조)과 손상이 없는 교면(도 6(b))에 대한 충격음 신호가 주파수 영역에서 그래프로 표시되어 있다. 도 6(a)를 참조하면 손상이 있는 교면의 경우에는 최대진폭주파수가 약 300 Hz, 그 크기(진폭)는 약 29 정도이다. 반면에 도 6(b)를 참조하면 손상이 없는 교면의 경우에는 최대진폭주파수가 약 2100 Hz, 그 크기는 약 1.9 정도이다. 최대진폭주파수의 값을 비교해 보면, 손상이 있는 교면 보다 손상이 없는 교면의 최대진폭주파수가 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 주파수 신호 분석부(160)는 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단하게 된다.
또한, 주파수 신호 분석부(160)는 상기 주파수 스펙트럼의 패턴의 스큐(skewness)를 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다. 도 6에서 알 수 있듯이, 손상이 있는 교면의 주파수 스펙트럼 모양과 손상이 없는 교면의 주파수 스펙트럼 모양이 상이함을 알 수 있다. 여기서, 스큐(skewness)는 주파수 그래프에서 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이라고 할 수 있다. 즉, 도 6에서 첨예하게 위쪽으로 뾰족하게 위치하는 지점을 연결한 모양이라고 할 수 있다. 주파수 신호 분석부(160)는 이러한 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다. 도 6(a)의 경우에는 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결하면 왼쪽 위쪽에서부터 오른쪽 아래쪽으로 연결되는 선모양이 된다. 즉, 대략적으로 음(minus)의 기울기를 가지는 직선이라고 할 수 있다. 반면에 도 6(b)의 경우에는 정규분포곡선 또는 2차곡선의 모양을 가진다고 할 수 있다. 도 7을 참조하면 손상이 있는 경우와 손상이 없는 경우 스큐의 차이점을 명확히 알 수 있다.
이와 같이, 주파수 신호 분석부(160)는 상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하며, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다.
한편, 주파수 신호 분석부(160)는 하기 [수학식 1]에 의해서 주파수 스펙트럼의 스큐를 산출할 수 있다.
[수학식 1]에서 Xi는 i번째 최대진폭주파수에서의 진폭 데이터, 
는 가중치(weighted mean), σ는 표준편차(standard deviation), N은 피크의 개수를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 손상이 있는 교면의 경우에는 최대진폭의 크기는 약 29 정도인 반면에, 손상이 없는 교면의 경우에는 최대진폭의 크기는 약 1.9 정도이다. 이러한 점을 고려하여, 주파수 신호 분석부(160)는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비(ratio)를 이용하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균(Average amplitude of peak frequencies above 1000 Hz)에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균(Average amplitude of peak frequencies below 1000 Hz)의 비(ratio)를 β파라미터(parameter)로 정의한다. β파라미터는 하기 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]에서 기준 주파수는 1000 Hz이다.
주파수 신호 분석부(160)는 기준 주파수(1000 Hz)를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수(1000 Hz) 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단할 수 있다.
하기 [표 1]에는 손상 여부가 다른 교면 시료들에 대한 스큐, β파라미터가 각각 표시되어 있다.
| 파라미터 | Unbonded | Bonded1 | Bonded2 |
| 스큐(skewness) | 1.011 | 0.354 | 0.475 |
| β(A<1000/A>1000) | 38.402 | 0.143 | 0.378 |
[표 1]에서 Unbonded는 손상이 있는 시료를 나타내고 도 6(a)의 주파수 스펙트럼을 가지는 시료이다. Bonded1, Bonded2는 손상이 없는 시료를 나타내고 도 6(b)의 주파수 스펙트럼을 가지는 시료이다. [표 1]의 결과에 의하면, 손상이 있는 시료(Unbonded)의 스큐값이 손상이 없는 시료(Bonded1,2)의 스큐값 보다 큰 것을 알 수 있다. 또한, 스큐값이 1 보다 크면서 양(positive)의 값을 가지는 경우에는 주파수 스펙트럼의 패턴이 평균값의 좌측부분에 많이 비대칭된 상태라고 할 수 있다. 반면에 스큐값이 0~0.5의 범위를 가질 경우에는 주파수 스펙트럼의 패턴이 평균값 주변에서 대칭적으로 분포되는 상태라고 할 수 있다.
β파라미터 값도 손상이 있는 경우가 손상이 없는 경우 보다 월등히 큰 값을 가진다는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템(100)은 충격음 신호의 주파수 스펙트럼의 특이성을 수량화하여 손상 유무를 분석할 수 있다. 스큐값과 β파라미터 값이 0에 근사할수록(가까울수록) 시료의 결합 상태가 좋다고 할 수 있고, 손상이 없다고 판단할 수 있다. 이와 같이, 스큐값과 β파라미터 값을 사용함으로써 노면의 손상 여부를 현장에서 쉽게 분석해 낼 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명은 상기한 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템(100)을 이용한 노면 손상 분석 방법에 있어서, 충격음 데이터를 획득하는 단계(1100); 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하여 시간영역 신호를 획득하는 단계(1200); 시간영역 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하는 단계(1300); 시간영역 신호로부터 주파수영역에서의 신호를 획득하는 단계(1400); 및 충격음의 주파수영역 신호를 분석하여 주파수 응답 특성을 분석하는 단계(1500);를 포함하며, 상기 분석하는 단계(1500)에서는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단할 수 있다.
분석하는 단계(1500)의 결과를 이용하여 노면의 손상 여부를 평가(1600)할 수 있다.
분석하는 단계 또는 주파수 응답 특성 분석 단계(1500)는 최대 진폭 주파수 추출하는 단계(1510), 최대 진폭 주파수 파동을 분석하는 단계(1520) 및 최대 진폭 주파수의 양적 인자를 도출하는 단계(1530)를 포함할 수 있다.
분석하는 단계(1500)에서는 상기 주파수 신호 분석부(160)는 상기 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 상기 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 신호에 대해서 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다. 이는 최대 진폭 주파수를 추출하여(1510) 수행될 수 있다.
한편, 최대 진폭 주파수의 양적 인자를 도출하는 단계(1530)에서는 스큐(Skewness)와 β파라미터를 양적 인자(quantitative parameter)로 도출할 수 있다. 이러한 양적 인자를 이용하여 분석하는 단계(1500)에서는 상기 주파수 스펙트럼의 패턴의 스큐(skewness) 또는 상기 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하되, 상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하고, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단할 수 있다. 스큐값은 상기 [수학식 1]에 의해서 산출될 수 있다.
또한, 양적 인자를 이용하여 분석하는 단계(1500)에서는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비(ratio) 즉, β파라미터가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단할 수 있다. β파라미터는 상기 [수학식 2]에 의해서 산출될 수 있다.
도 8에는 노면충격부(120)의 타격 각도(impact angle)가 충격음 신호에 미치는 영향을 보여 주는 그래프들이 도시되어 있다. 도 8의 (a), (c), (e)는 시간영역(Time-domain)에서의 신호를 보여주는 그래프이고, (b), (d), (f)는 주파수영역(Frequency-domain)에서의 신호를 보여주는 그래프이다. 또한, (a), (b)는 손상이 있는 교면(unbounded interlayer), (c)~(f)는 손상이 없는 교면(bonded interlayer)에 대한 그래프이다. 노면충격부(120)의 타격 각도는 교면 또는 노면에 가해지는 충격 에너지(impact energy)를 나타내는데, 도 8의 그래프들로부터 타격 각도는 충격음 신호의 응답 특성에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
상기한 노면 손상 분석 방법은 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다.
한편, 본 발명은 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 충격음을 이용한 노면 손상 탐지 시스템 및 방법에 의하면, 노면 또는 교량의 포장면, 교량의 바닥판의 손상 여부를 실시간으로 판단할 수 있으며, 아스팔트 콘크리트와 강화 콘크리트의 층으로 형성된 노면 또는 교면의 손상 뿐만 아니라 아스팔트 콘크리트와 강화 콘크리트 사이의 경계면의 손상 여부도 판단할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템
110 : 제어부
120 : 노면 충격부
130 : 충격음 데이터 획득부
140 : 시간영역 신호 변환부
150 : 주파수영역 신호 변환부
160 : 주파수 신호 분석부
170 : 화면표시부
110 : 제어부
120 : 노면 충격부
130 : 충격음 데이터 획득부
140 : 시간영역 신호 변환부
150 : 주파수영역 신호 변환부
160 : 주파수 신호 분석부
170 : 화면표시부
Claims (15)
- 교면을 타격하는 노면충격부;
상기 노면충격부에 의해서 상기 교면에서 발생하는 충격음 데이터를 획득하는 충격음 데이터 획득부;
상기 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하는 시간영역 신호 변환부;
상기 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환하는 주파수영역 신호 변환부; 및
상기 충격음의 주파수영역 신호를 분석하는 주파수 신호 분석부;를 포함하며,
상기 주파수 신호 분석부는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하되, 상기 주파수 스펙트럼의 패턴은 상기 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 나타내는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 신호의 크기 또는 진폭을 이용하여 노이즈와 충격음을 분리하고 충격음 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 노면의 손상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 신호에 대해서 노면에 손상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 상기 주파수 스펙트럼의 패턴의 스큐(skewness)를 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하며, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비를 이용하여 노면의 손상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 주파수 신호 분석부는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 시스템.
- 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 이용한 노면 손상 분석 방법에 있어서,
충격음 데이터를 획득하는 단계;
상기 충격음 데이터를 시간영역에서의 신호로 전환하여 시간영역 신호를 획득하는 단계;
상기 시간영역 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하는 단계;
상기 시간영역 신호로부터 주파수영역에서의 신호를 획득하는 단계; 및
상기 주파수영역에서의 신호를 분석하여 주파수 응답 특성을 분석하는 단계;를 포함하며,
상기 분석하는 단계에서는 신호의 진폭이 최대가 되는 최대진폭주파수 또는 주파수 스펙트럼의 패턴을 분석하여 노면의 손상 여부를 판단하되, 상기 주파수 스펙트럼의 패턴은 상기 주파수 스펙트럼의 피크 진폭 지점들을 연결한 모양을 나타내는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 분석하는 단계에서는 상기 주파수 신호 분석부는 상기 최대진폭주파수의 크기를 비교하여 상기 최대진폭주파수가 상대적으로 작은 신호에 대해서 노면에 손상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 분석하는 단계에서는,
상기 피크 진폭 지점들을 연결한 모양이 정규 분포 곡선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 없다고 판단하고, 기울기가 음인 직선 모양을 가지는 경우에는 노면에 손상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 분석하는 단계에서는 기준 주파수를 초과하는 최대진폭주파수에서의 진폭 평균에 대한 상기 기준 주파수 보다 작은 최대진폭주파수에서의 진폭 평균의 비가 0에 근사한 경우에 노면에 손상이 없다고 판단하는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 주파수 스펙트럼 패턴의 스큐는 하기 [수학식]을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 충격음을 이용한 노면 손상 분석 방법.
[수학식]
(Xi는 i번째 최대진폭주파수에서의 진폭 데이터,는 가중치, σ는 표준편차, N은 피크의 개수)
- 제10항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체.
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