KR101711606B1 - A similarity-based damage estimating method of offshore structures - Google Patents

A similarity-based damage estimating method of offshore structures Download PDF

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KR101711606B1
KR101711606B1 KR1020160091589A KR20160091589A KR101711606B1 KR 101711606 B1 KR101711606 B1 KR 101711606B1 KR 1020160091589 A KR1020160091589 A KR 1020160091589A KR 20160091589 A KR20160091589 A KR 20160091589A KR 101711606 B1 KR101711606 B1 KR 101711606B1
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natural frequency
damage
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민천홍
김형우
남보우
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한국해양과학기술원
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Abstract

The present invention discloses a method of estimating the damage to an offshore structure based on similarity, capable of exactly estimating a time point where the damage to a target structure is caused. The method includes the steps of: (a) calculating a variation rate of a natural frequency according to the change in a stiffness for each element of a target structure; (b) acquiring acceleration data by an acceleration sensor attached to the target structure; (c) estimating the natural frequency for each inspection cycle through a modal analysis during operation from the acquired acceleration data; (d) estimating a damage state of the target structure and a damage occurrence time of the target structure by analyzing a variation amount of the estimated natural frequency and determining a danger signal; (e) estimating a damage position of the target structure using a matrix of the variation amount of the natural frequency and the variation rate of the natural frequency; and (f) estimating a damage degree of the target structure caused at an estimated damage location.

Description

유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법{A similarity-based damage estimating method of offshore structures}A similarity-based damage estimating method of offshore structures is proposed.

본 발명은 해양 구조물의 손상 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 대상 구조물의 각 요소의 손상 정도에 따른 고유 진동수 변화량을 추출하고, 실제 응답 데이터로부터 고유 진동수 변화량의 유사도를 계산하여 대상 구조물의 손상 위치 및 손상 정도를 정확히 추정할 수 있는 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법에 관한 것이다.
In particular, the present invention relates to a method for estimating damage to an offshore structure, in particular, by extracting a natural frequency variation according to a degree of damage of each element of a target structure, calculating a similarity degree of natural frequency variation from actual response data, Based on the degree of similarity.

일반적으로 해양 자켓 구조물은 해양 석유 개발, 해양 온도 차 발전, 해양 풍력발전 등 해양산업에서 다양하게 적용되고 있다. In general, marine jacket structures are applied in marine industries such as offshore oil development, offshore thermal power generation, and offshore wind power generation.

이러한 해양 자켓 구조물은 극한 해양환경(파도, 조류, 해풍, 수압, 와류진동, 염분 등)에 장기간 노출된 상태로 운용되기 때문에 구조가 손상될 가능성이 높다. Such marine jacket structures are likely to be damaged due to long-term exposure to extreme marine environments (waves, algae, sea winds, water pressure, vortex vibration, salinity, etc.).

더욱이 해양에 위치한 특성상 손상이 발생될 경우 인명 피해, 환경 피해, 경제 피해 등이 매우 크게 발생될 수 있다. Furthermore, if damage occurs due to the nature of the ocean, damage to human life, damage to the environment, and economic damage can occur.

특히 2010년 4월 멕시코 만에서 발생한 마콘도(Macondo) 사고 이후 해양 구조물의 구조적 안전성에 대한 관심이 크게 고조되고 있으며, 구조물 건전성 감시를 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다.Especially, since the Macondo accident occurred in the Gulf of Mexico in April 2010, interest in structural safety of offshore structure has been increasing and there is a need for research for monitoring structural integrity.

또한, 해양 구조물이 해체되거나 수명 연장을 위한 유지/보수 작업이 필요한데, 초기 설계 수명 이상으로 사용하기 위해서는 운용 중에 발생된 크고 작은 손상을 판별하고 제때에 수리 작업을 수행하여야 한다. In addition, maintenance and repair works are required to dismantle the offshore structure or to extend the service life. In order to use it over the initial design life, it is necessary to identify large and small damage occurred during operation and repair work on time.

그리고, 안전한 해체 작업을 위해서는 운용 중에 발생된 손상 정보 및 수리 이력에 관한 정보 제공이 필요하다. In order to perform safe dismantling work, it is necessary to provide information on damage information and repair history generated during operation.

이러한 정보 제공을 위해서는 구조물에 발생된 손상을 추정하는 시스템의 적용이 요구된다.In order to provide such information, it is required to apply a system for estimating the damage generated in the structure.

현재까지 다음과 같은 다양한 손상 추정 기법들을 활용한 해양 자켓 구조물 손상탐지 연구가 활발히 진행되고 있다. To date, there have been many researches on damage detection of marine jacket structures using various damage estimation techniques as follows.

자켓 구조물의 손상 추정을 위해 소수의 모드 형상을 이용하거나, 소수의 진동 모드 특성치와 패턴 인식 알고리즘을 이용한 손상 추정 기법, 고유 진동수와 모드 형상을 이용해 자켓 구조물의 손상을 추정하는 기법, 모델 개선(Model updating) 기법, 조류 발전 구조물의 장기 건전성 모니터링을 위한 전기-역학적 임피던스 기반 모니터링 기법, 해상 풍력 발전기 지지 구조물 손상 추정을 위한 신경망 기법, 변형 에너지를 이용하는 기법, 메타 모델링 기반 손상 추정 기법 등이 있다.In order to estimate the damage of the jacket structure, a few mode shapes are used, a damage estimation method using a small number of vibration mode characteristics and a pattern recognition algorithm, a technique for estimating the damage of a jacket structure using a natural frequency and a mode shape, updating method, electro-mechanical impedance based monitoring method for long term health monitoring of tidal power generation structures, neural network technique for damage estimation of offshore wind turbine support structures, strain energy method, and metamodeling based damage estimation method.

하지만, 모델 개선 기법과 같은 연구들은 유한 요소 모델의 개선을 통해 손상을 추정하기 때문에 많은 계산량이 요구되는 단점이 있었다. However, studies such as the model improvement technique have been disadvantageous in that a large amount of calculation is required because the damage is estimated through improvement of the finite element model.

또한, 손상 전 모델과 손상 후 모델의 고유 진동수, 모드 형상 등과 같은 진동 특성 비교를 통해 손상 크기와 손상 위치를 추정하는 연구들은 초기 구조물의 진동 특성이 계측된 경우에만 손상 추정이 가능한 한계가 있었고, 현장 시설 운용자들이 적용하기에는 매우 복잡한 해석 절차를 가지는 단점이 있었다.In addition, studies on the estimation of damage size and damage location through comparison of vibration characteristics such as natural frequency and mode shape of pre-damage model and post-damage model have limitations in damage estimation only when the vibration characteristics of initial structure are measured, There is a disadvantage that the field facility operators have very complicated analysis procedures to be applied.

이에, 본 발명자들은 종래 기술의 모델 개선을 위한 반복 계산, 복잡한 손상 추정 절차, 손상 전 정보 필요 등의 단점을 개선하고자 고유 진동수 변화량의 유사도를 이용한 손상 추정 기법을 고안하기에 이르렀다. Therefore, the inventors of the present invention have devised a damage estimation technique based on the similarity of the natural frequency variation to improve the disadvantages of the iterative calculation, the complex damage estimation procedure, and the pre-damage information need for the model improvement of the prior art.

KR 2002-0016996 AKR 2002-0016996 A

본 발명의 목적은 대상 구조물의 각 요소의 손상 정도에 따른 고유 진동수 변화량을 추출하여 고유 진동수 변화량 행렬을 산출하고, 실제 응답 데이터로부터 고유 진동수 변화량이 계측되었을 때, 변형량의 유사도를 계산하여 대상 구조물의 손상 위치 및 손상 정도를 추정할 수 있는 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법을 제공하는 것이다. The object of the present invention is to calculate the natural frequency variation matrix by extracting the natural frequency variation according to the damage degree of each element of the target structure and calculate the similarity degree of the natural frequency when the natural frequency variation is measured from the actual response data, And to provide a method for estimating the damage of an offshore structure based on the degree of similarity that can estimate the damage location and degree of damage.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be clearly understood by a person skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법은 (a) 대상 구조물의 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율이 계산되는 단계; (b) 상기 대상 구조물에 부착된 가속도 센서가 가속도 데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 획득된 가속도 데이터로부터 작동 중 모달 해석을 이용하여 점검 주기별로 고유 진동수가 추정되는 단계; (d) 상기 추정된 고유 진동수의 변화량이 분석되고 위험 신호가 판별되어 상기 대상 구조물의 손상 여부 및 손상 발생 시점이 추정되는 단계; (e) 상기 고유 진동수의 변화량 및 고유 진동수 변화율 행렬을 이용하여 상기 대상 구조물의 손상 위치가 추정되는 단계; 및 (f) 상기 추정된 손상 위치에서 발생된 상기 대상 구조물의 손상 정도가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating damage to an offshore structure based on similarity, comprising the steps of: (a) calculating a natural frequency change rate according to a stiffness change of a target structure; (b) obtaining acceleration data by an acceleration sensor attached to the target structure; (c) estimating a natural frequency for each inspection cycle from the obtained acceleration data using modal analysis during operation; (d) estimating a damage of the target structure and a damage occurrence time by analyzing a variation amount of the estimated natural frequency and determining a danger signal; (e) estimating a damage position of the target structure using the change amount of the natural frequency and the natural frequency change rate matrix; And (f) estimating damage degree of the target structure generated at the estimated damage location.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 (a) 단계는 상기 요소별 강성 변화를 복수개로 구분하고 각 손상 정도에서 계산되는 n차 모드의 상기 고유 진동수 변화율이 산출되는 단계; 상기 요소별-모드별 상기 고유 진동수 변화율 데이터가 선형으로 그래프화되어 기울기가 계산되는 단계; 및 상기 계산된 기울기를 이용하여 상기 요소별 강성 변화에 따른 상기 고유 진동수 변화율 행렬이 산출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the step (a) of the similarity-based offshore structure damage estimation method of the present invention divides the element-based stiffness change into a plurality of elements, calculates the natural frequency change rate of the n- step; Calculating a slope by linearly graphing the natural frequency change rate data for each element and mode; And calculating the natural frequency change rate matrix according to the stiffness change by the element using the calculated slope.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 (d) 단계는 (d-1) 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부를 판단하기 위한 경고 지수가 산출되는 단계; (d-2) 분포도를 고려하여 상기 산출된 경고 지수가 정규화되는 단계; 및 (d-3) 상기 정규화된 경고 지수를 분석하여 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부 및 상기 손상 발생 시점이 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating a damage to an offshore structure, comprising the steps of: (d-1) calculating an alert index for determining whether the target structure is damaged; (d-2) normalizing the calculated warning index in consideration of the distribution chart; And (d-3) analyzing the normalized warning index to estimate the damage of the target structure and the time of occurrence of the damage.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 (e) 단계는 상기 손상 발생 시점에서 계측된 상기 경고 지수를 상기 고유 진동수 변화율 행렬에 대입하는 단계; 상기 고유 진동수 변화율 행렬의 각 행 벡터에서 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터 및 모니터링에 의해 계측된 제2 고유 진동수 변화율 벡터 를 설정하는 단계; 코사인 유사도 기법을 이용하여 상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 코사인 유사도를 계산하는 단계; 각 모드별로 계산된 상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율의 표준편차를 계산하는 단계; 상기 계산된 표준편차를 이용하여 크기 지수를 계산하는 단계; 계산된 상기 코사인 유사도와 상기 크기 지수의 곱을 통해 손상 지수를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 손상 지수를 이용하여 상기 대상 구조물의 상기 손상 위치가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the step (e) of the method for estimating damage to an ocean structure based on similarity of the present invention comprises the steps of: substituting the warning index measured at the time of occurrence of damage into the natural frequency rate matrix; Setting a first natural frequency change rate vector according to an i-th element change in each row vector of the natural frequency rate change rate matrix and a second natural frequency change rate vector measured by monitoring; Calculating a cosine similarity of the first and second natural frequency change rate vectors using a cosine similarity technique; Calculating a standard deviation of the ratio of the first and second natural frequency change rate vectors calculated for each mode; Calculating a size index using the calculated standard deviation; Calculating a damage index through the product of the calculated cosine similarity and the magnitude index; And estimating the damage location of the target structure using the calculated damage index.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 대상 구조물의 고유 진동수 변화율은 다음의 수학식에 의해 산출되고, 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00001
상기
Figure 112016070085067-pat00002
은 i번째 요소의 강성이 변경되었을 때 계산되는 j차 모드 고유 진동수이고, 상기 fj 는 강성이 변경되기 전 계산된 j차 모드 고유 진동수인 것을 특징으로 한다.In order to attain the above object, the rate of change of the natural frequency of the target structure in the method of estimating damage to an offshore structure according to the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00001
remind
Figure 112016070085067-pat00002
Is the j-th order mode natural frequency calculated when the stiffness of the i-th element is changed, and f j Is the j-th order mode natural frequency calculated before the rigidity is changed.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 고유 진동수 변화율 행렬은 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00003
상기 [S]의 각 행 벡터는 요소별 강성 변화에 따른 상기 고유 진동수 변화율이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00004
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the natural frequency rate matrix of the method for estimating damage to an ocean structure based on the degree of similarity of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00003
Each of the row vectors of [S] is a change rate of the natural frequency according to a stiffness change per element,
Figure 112016070085067-pat00004
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 점검 주기별로 추정된 고유 진동수는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00005
상기
Figure 112016070085067-pat00006
는 p번째 주기에서 측정된 고유 진동수들의 벡터이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00007
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수인 것을 특징으로 한다.In order to attain the above object, the natural frequency estimated by the inspection period of the method of estimating the damage based on the degree of similarity of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00005
remind
Figure 112016070085067-pat00006
Is a vector of natural frequencies measured in the p < th > period,
Figure 112016070085067-pat00007
Is the i-th natural frequency obtained in the p-th period.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 경고 지수는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00008
상기
Figure 112016070085067-pat00009
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00010
는 p-1번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the warning index of the similarity-based offense structure damage estimation method of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00008
remind
Figure 112016070085067-pat00009
Is the i-th order natural frequency obtained in the p-th period,
Figure 112016070085067-pat00010
Is the i-th natural frequency obtained in the (p-1) -th cycle.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 정규화된 경고 지수는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00011
상기
Figure 112016070085067-pat00012
는 p번째 주기까지 측정된 i차 모드 경고 지수의 평균이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00013
는 각각 p번째 주기까지 측정된 i차 모드 경고 지수의 표준편차이며, 상기
Figure 112016070085067-pat00014
는 상기 산출된 경고 지수인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the normalized warning index of the similarity-based offense structure damage estimation method of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00011
remind
Figure 112016070085067-pat00012
Is the average of the i-th mode alert index measured up to the p < th > period,
Figure 112016070085067-pat00013
Is the standard deviation of the i < th > mode mode alarm index measured up to the p <
Figure 112016070085067-pat00014
Is the calculated warning index.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 제2 고유 진동수 변화율 벡터는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00015
상기
Figure 112016070085067-pat00016
는 d번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00017
는 d-1번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the second natural frequency change rate vector of the method for estimating damage to an analogous-based offshore structure of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00015
remind
Figure 112016070085067-pat00016
Is the n-th order natural frequency obtained in the d-th period,
Figure 112016070085067-pat00017
Is the n-th order natural frequency obtained in the (d-1) -th cycle.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 코사인 유사도는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00018
상기
Figure 112016070085067-pat00019
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00020
는 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터이며,
Figure 112016070085067-pat00021
는 i번째 요소 변화에 따른 j차 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00022
는 j차 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the cosine similarity degree of the similarity-based offense structure damage estimation method of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00018
remind
Figure 112016070085067-pat00019
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00020
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the measured natural frequency,
Figure 112016070085067-pat00021
Is a j-th order first natural frequency change rate vector according to i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00022
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the natural frequency measured by the j-th order.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율은 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00023
상기
Figure 112016070085067-pat00024
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00025
은 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the ratio of the first and second natural frequency change rate vectors of the method for estimating damage to an offshore structure based on the degree of similarity of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00023
remind
Figure 112016070085067-pat00024
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00025
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the measured natural frequency.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 크기 지수는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00026
상기
Figure 112016070085067-pat00027
은 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율의 표준편차인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the magnitude index of the method for estimating damage of an ocean structure damage based on the degree of similarity of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00026
remind
Figure 112016070085067-pat00027
Is a standard deviation of the ratio of the first and second natural frequency change rate vectors.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 상기 손상 지수는 다음의 수학식에 의해 산출되고,

Figure 112016070085067-pat00028
상기 CSi는 i번째 요소 변화에 따른 코사인 유사도이고, 상기 MIi는 i번째 요소 변화에 따른 크기 지수인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the damage index of the method for estimating damage to an ocean structure based on the degree of similarity of the present invention is calculated by the following equation,
Figure 112016070085067-pat00028
The CS i is a cosine similarity according to the i-th element change, and MI i is a magnitude index according to the i-th element change.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법은 (a) 대상 구조물의 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율이 계산되는 단계; (b) 상기 대상 구조물에 부착된 가속도 센서가 가속도 데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 획득된 가속도 데이터로부터 작동 중 모달 해석을 이용하여 점검 주기별로 고유 진동수가 추정되는 단계; (d) 상기 추정된 고유 진동수의 변화량이 분석되고 위험 신호가 판별되어 상기 대상 구조물의 손상 여부 및 손상 발생 시점이 추정되는 단계; (e) 상기 고유 진동수의 변화량 및 고유 진동수 변화율 행렬을 이용하여 상기 대상 구조물의 손상 위치가 추정되는 단계; 및 (f) 상기 추정된 손상 위치에서 발생된 상기 대상 구조물의 손상 정도가 추정되는 단계;를 포함하고, 상기 (d) 단계는 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부를 판단하기 위한 경고 지수가 정규화되는 단계; 및 상기 정규화된 경고 지수가 표준 정규 분포표 상의 기준값 이상일 경우 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating damage to an offshore structure based on similarity, comprising the steps of: (a) calculating a natural frequency change rate according to a stiffness change of a target structure; (b) obtaining acceleration data by an acceleration sensor attached to the target structure; (c) estimating a natural frequency for each inspection cycle from the obtained acceleration data using modal analysis during operation; (d) estimating a damage of the target structure and a damage occurrence time by analyzing a variation amount of the estimated natural frequency and determining a danger signal; (e) estimating a damage position of the target structure using the change amount of the natural frequency and the natural frequency change rate matrix; And (f) estimating a damage level of the target structure generated at the estimated damage location, wherein the step (d) includes normalizing an alert index for determining whether the target structure is damaged ; And estimating whether the damage of the target structure is estimated if the normalized warning index is greater than or equal to a reference value on a standard normal distribution table.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the " Detailed Description of the Invention "and the accompanying drawings.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention and the manner of achieving them will be apparent by reference to various embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
However, the present invention is not limited to the configurations of the embodiments described below, but may be embodied in various other forms, and each embodiment disclosed in this specification is intended to be illustrative only, It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

본 발명에 의할 경우, 대상 구조물의 고유 진동수를 지속적으로 모니터링하는 경우, 고유 진동수 변화량을 이용한 경고 지수 분석을 통해 구조물에 손상이 발생되는 시점을 정확히 예측할 수 있다.According to the present invention, when the natural frequency of the target structure is continuously monitored, it is possible to accurately predict the point at which the damage occurs to the structure through the alert index analysis using the natural frequency variation.

구조물에 발생된 손상의 위치와 손상 크기를 판별하기 위해서 구조물의 고유 진동수 변화량만이 요구되기 때문에 추가적인 해석이나 모델 개선과 같은 작업이 필요하지 않게 된다. In order to determine the position of damage and the size of damage to the structure, only the natural frequency change of the structure is required, so no additional analysis or model improvement is required.

또한, 대상 구조물의 모델링 정보만 있으면 고유주파수 변형률 행렬을 산출할 수 있어 모니터링 시스템 없이 운용되어오던 해양 구조물의 손상 추정에도 적용 가능하게 된다.
In addition, it is possible to calculate the natural frequency strain matrix only by modeling information of the target structure, so that it can be applied to the damage estimation of an offshore structure that has been operated without a monitoring system.

도 1은 본 발명에 따라 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S100)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S400)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S600)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 대상 구조물의 손상 정도에서 계산되는 1차 모드 고유 진동수 변화율에 대한 표이다.
도 6은 도 5에 도시된 1차 모드 고유 진동수 변화율을 m번째 요소별 강성 변화 종류와 대비시킨 그래프이다.
도 7은 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법에 따라 데이터 로거를 이용하여 가속도 데이터를 저장하는 경우의 실제 사진이다.
도 8은 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법에 따라 실시간 계측 방법을 이용하여 가속도 데이터를 측정하는 경우의 실제 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 주파수 영역에서 웰 헤드(well head)로부터 수평 거리 대비 해저 수심 별로 응답 데이터를 측정하는 개념도이다.
도 10은 도 9에 도시된 개념도에 따라 주파수 영역에서 응답 데이터만을 이용하여 고유 진동수를 추정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 손상 추정 의뢰된 자켓 구조물의 구성도이다.
도 12는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 물성치에 대한 데이터 시트를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 손상 시나리오에 대한 표이다.
도 14는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 1차 내지 3차 모드 강성 변화율 에 대한 표이다.
도 15는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 강성 변화 종류 대비 강성 변화율에 대한 그래프이다.
도 16은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 1차 내지 3차 모드 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율에 대한 표이다.
도 17은 도 16에 도시된 1차 내지 3차 모드 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율에 대한 그래프이다.
도 18은 도 14에 도시된 손상의 측정 시점 대비 정규화된 경고 지수에 대한 그래프이다.
도 19는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 코사인 유사도에 대한 그래프이다.
도 20은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 벡터 크기 유사도에 대한 그래프이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating an overall operation of a method for estimating damage to an ocean structure based on similarity according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing the detailed operation of step S100 of the damage estimation method of the offshore structure shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing the detailed operation of step S400 of the damage estimation method of the offshore structure shown in FIG.
4 is a flowchart showing the detailed operation of the step S600 of the method of estimating the damage of the offshore structure shown in FIG.
FIG. 5 is a table of the rate of change of the first mode natural frequency calculated from the degree of damage of the target structure calculated according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a graph comparing the first-order mode natural frequency change rate shown in FIG. 5 with the m-th element-based stiffness change type.
FIG. 7 is an actual photograph of a case where acceleration data is stored using a data logger according to the method of estimating damage to an ocean structure based on the similarity of the present invention.
8 is an actual photograph of acceleration data measured using a real-time measurement method according to the method of estimating damage to an ocean structure based on the similarity of the present invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram for measuring response data according to a horizontal distance from a well head in the frequency domain, according to the water depth at the bottom of the sea, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph in which the natural frequency is estimated using only the response data in the frequency domain according to the conceptual diagram shown in FIG.
FIG. 11 is a configuration diagram of a jacket structure that is damaged and estimated in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
12 is a view showing a data sheet on the physical properties of the jacket structure shown in FIG.
13 is a table of damage scenarios of the jacket structure shown in FIG.
FIG. 14 is a table for the first through third mode stiffness change rates of the respective elements of the jacket structure shown in FIG.
FIG. 15 is a graph showing stiffness change rate versus type of stiffness change for each element of the jacket structure shown in FIG.
FIG. 16 is a chart showing the change rate of the natural frequency according to the change of the stiffness of the first to third mode for each element of the jacket structure shown in FIG.
FIG. 17 is a graph showing the rate of change of the natural frequency according to the first to third mode stiffness changes shown in FIG. 16. FIG.
18 is a graph of the normalized warning index versus the time of measurement of the damage shown in FIG.
19 is a graph showing the cosine similarity of each element of the jacket structure shown in FIG.
20 is a graph of vector size similarity for each element of the jacket structure shown in FIG.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before describing the present invention in detail, terms and words used herein should not be construed as being unconditionally limited in a conventional or dictionary sense, and the inventor of the present invention should not be interpreted in the best way It is to be understood that the concepts of various terms can be properly defined and used, and further, these terms and words should be interpreted in terms of meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.That is, the terms used herein are used only to describe preferred embodiments of the present invention, and are not intended to specifically limit the contents of the present invention, It should be noted that this is a defined term.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.Furthermore, in this specification, the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise, and it should be understood that they may include singular do.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Where an element is referred to as "comprising" another element throughout this specification, the term " comprises " does not exclude any other element, It can mean that you can do it.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Further, when it is stated that an element is "inside or connected to" another element, the element may be directly connected to or in contact with the other element, A third component or means for fixing or connecting the component to another component may be present when the component is spaced apart from the first component by a predetermined distance, It should be noted that the description of the components or means of 3 may be omitted.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, it should be understood that there is no third component or means when an element is described as being "directly connected" or "directly connected" to another element.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Likewise, other expressions that describe the relationship between the components, such as "between" and "immediately", or "neighboring to" and "directly adjacent to" .

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.In this specification, terms such as "one side", "other side", "one side", "other side", "first", "second" Is used to clearly distinguish one element from another element, and it should be understood that the meaning of the element is not limited by such term.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.It is also to be understood that terms related to positions such as "top", "bottom", "left", "right" in this specification are used to indicate relative positions in the drawing, Unless an absolute position is specified for these positions, it should not be understood that these position-related terms refer to absolute positions.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.Furthermore, in the specification of the present invention, the terms "part", "unit", "module", "device" and the like mean a unit capable of handling one or more functions or operations, Or software, or a combination of hardware and software.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.In this specification, the same reference numerals are used for the respective components of the drawings to denote the same reference numerals even though they are shown in different drawings, that is, the same reference numerals throughout the specification The symbols indicate the same components.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings attached to the present specification, the size, position, coupling relationship, and the like of each constituent element of the present invention may be partially or exaggerated or omitted or omitted for the sake of clarity of description of the present invention or for convenience of explanation May be described, and therefore the proportion or scale may not be rigorous.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
Further, in the following description of the present invention, a detailed description of a configuration that is considered to be unnecessarily blurring the gist of the present invention, for example, a known technology including the prior art may be omitted.

도 1은 본 발명에 따라 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating an overall operation of a method for estimating damage to an ocean structure based on similarity according to the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S100)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart showing the detailed operation of step S100 of the damage estimation method of the offshore structure shown in FIG. 1. FIG.

도 3은 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S400)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.FIG. 3 is a flowchart showing the detailed operation of step S400 of the damage estimation method of the offshore structure shown in FIG.

도 4는 도 1에 도시된 해양 구조물의 손상 추정 방법 중 단계(S600)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart showing the detailed operation of the step S600 of the method of estimating the damage of the offshore structure shown in FIG.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 대상 구조물의 손상 정도에서 계산되는 1차 모드 고유 진동수 변화율에 대한 표이다.FIG. 5 is a table of the rate of change of the first mode natural frequency calculated from the degree of damage of the target structure calculated according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 6은 도 5에 도시된 1차 모드 고유 진동수 변화율을 m번째 요소별 강성 변화 종류와 대비시킨 그래프이다.6 is a graph comparing the first-order mode natural frequency change rate shown in FIG. 5 with the m-th element-based stiffness change type.

도 7은 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법에 따라 데이터 로거를 이용하여 가속도 데이터를 저장하는 경우의 실제 사진이다.FIG. 7 is an actual photograph of a case where acceleration data is stored using a data logger according to the method of estimating damage to an ocean structure based on the similarity of the present invention.

도 8은 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법에 따라 실시간 계측 방법을 이용하여 가속도 데이터를 측정하는 경우의 실제 사진이다.8 is an actual photograph of acceleration data measured using a real-time measurement method according to the method of estimating damage to an ocean structure based on the similarity of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 주파수 영역에서 웰 헤드(well head)로부터 수평 거리 대비 해저 수심 별로 응답 데이터를 측정하는 개념도이다.FIG. 9 is a conceptual diagram for measuring response data according to a horizontal distance from a well head in the frequency domain, according to the water depth at the bottom of the sea, according to an embodiment of the present invention.

도 10은 도 9에 도시된 개념도에 따라 주파수 영역에서 응답 데이터만을 이용하여 고유 진동수를 추정한 그래프이다.
FIG. 10 is a graph in which the natural frequency is estimated using only the response data in the frequency domain according to the conceptual diagram shown in FIG.

도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다. The operation of the method for estimating damage to an offshore structure based on the similarity of the present invention will now be described with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.

먼저, 대상 구조물의 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율을 활용 가능한 최신의 정확성이 높은 자료를 이용하여 계산한다(S100). First, the change rate of the natural frequency according to the stiffness change according to the element of the target structure is calculated by using the latest and highly accurate data (S100).

이때, 대상 구조물의 고유 진동수 변화율은 다음의 수학식 1과 같다.
At this time, the natural frequency change rate of the target structure is expressed by Equation 1 below.

Figure 112016070085067-pat00029
Figure 112016070085067-pat00029

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00030
은 i번째 요소의 강성이 변경되었을 때 계산되는 j차 모드 고유 진동수를 의미하며, fj는 강성이 변경되기 전(손상이 없는 상태) 계산된 j차 모드 고유 진동수를 나타낸다.From here,
Figure 112016070085067-pat00030
Denotes the j-th mode natural frequency calculated when the i-th element stiffness is changed, and f j denotes the j-th mode natural frequency calculated before the stiffness is changed (no damage).

도 5에서와 같이, m번째 요소별 강성 변화를 몇 가지로 구분하여(예를 들면 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%) 적용하고(S110), 각 손상 정도에서 계산되는 n차 모드 고유 진동수 변화율을 산출한다(S120).5, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%) is applied to the m-th element (S110) The calculated n-th mode mode natural frequency change rate is calculated (S120).

다음으로, 요소별-모드별 고유 진동수 변화율 데이터를 선형으로 곡선 맞춤하면 도 6의 그래프와 같이 도시되고, 이 그래프를 이용하여 기울기를 계산한다(S130). Next, the natural frequency change rate data for each element-mode is linearly curved to be shown as a graph of FIG. 6, and the slope is calculated using this graph (S130).

계산된 기울기를 정리하면 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율 행렬은 다음의 수학식 2와 같이 획득할 수 있다(S140).
If the calculated slope is summarized, the natural frequency change rate matrix according to the stiffness change according to the element can be obtained by the following Equation 2 (S140).

Figure 112016070085067-pat00031
Figure 112016070085067-pat00031

여기서, [S]의 각 행 벡터는 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율을 나타내며, i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터를

Figure 112016070085067-pat00032
로 나타낸다.
Here, each row vector of [S] represents the rate of change of the natural frequency according to the change of stiffness per element, and the first natural frequency change rate vector according to the i-
Figure 112016070085067-pat00032
Respectively.

한편, 대상 구조물에 가속도 센서를 부착하여 가속도 데이터를 획득하는데(S200), 가속도 센서는 도 7과 같이 데이터 로거를 이용하여 데이터를 저장하거나, 도 8과 같이 실시간 계측 방법으로 이용 가능하다.Meanwhile, the acceleration sensor may be attached to the target structure to obtain acceleration data (S200). The acceleration sensor may store data using a data logger as shown in FIG. 7, or may be used as a real-time measurement method as shown in FIG.

다음으로, 작동 중 모달 해석(Operational modal analysis, OMA)를 이용하여 측정된 가속도 데이터로부터 고유 진동수를 추정한다(S300).Next, the natural frequency is estimated from the acceleration data measured using an operational modal analysis (OMA) (S300).

여기에서, 작동 중 모달 해석이라 함은 가진력을 부가하지 않고 구조물이 실제 작동하는 상태에서 측정하기 때문에 응답 신호만을 측정하여 분석하는 방법이다.Here, the modal analysis during operation is a method of measuring and analyzing only the response signal because the measurement is performed in a state where the structure is actually operated without applying an excitation force.

경계 조건 또는 구조물의 형상 때문에 가진력을 부가할 수 없는 경우에 사용되며, 주요 응용 영역은 차량, 비행기, 풍력 발전기, 매우 큰 건물이나 다리 등이다.It is used when the excitation force can not be added because of the boundary conditions or the shape of the structure. The main application areas are vehicles, airplanes, wind generators, very large buildings or bridges.

즉, 도 9 및 도 10에서 보는 바와 같이 주파수 영역에서 응답 데이터만을 이용하여 고유 진동수를 추정할 수도 있고(주파수 영역 모달 해석 등), 그 밖에 상용화된 다양한 작동 중 모달 해석 기법을 이용할 수도 있다. That is, as shown in FIGS. 9 and 10, the natural frequency can be estimated using only the response data in the frequency domain (frequency domain modal analysis, etc.), and various other commercially available modal analysis techniques can be used.

다음으로, 점검 주기별로 획득된 고유 주기의 변화량을 분석하고 위험 신호를 판별(S400)함으로써 대상 구조물의 손상 여부 및 손상 발생 시점을 판단한다(S500).Next, the change amount of the natural period obtained for each inspection period is analyzed and the risk signal is discriminated (S400), thereby determining whether the target structure is damaged and when the damage has occurred (S500).

실제의 경우 손상추정에 사용될 고유 진동수는 센서 기반의 신호 분석을 통해 획득되는데, 최근 규모가 큰 구조물(교량, 고층빌딩 등)의 고유 진동수 분석을 위한 다양한 신호 분석 기법들이 연구되어 왔다. In practice, the natural frequencies used for damage estimation are obtained through sensor-based signal analysis. Recently, various signal analysis techniques have been studied for natural frequency analysis of large-scale structures (bridges, high-rise buildings, etc.).

그런데, 규모가 큰 구조물의 경우 가진력의 크기와 위치를 파악하기 어렵기 때문에 기존에 많이 적용되던 전달 함수 기반 분석 기법의 적용이 어려운 한계가 있었다. However, in the case of a large-scale structure, it is difficult to grasp the size and position of the excitation force.

이러한 한계를 극복하기 위해 응답 데이터만을 이용한 분석기법이 개발되어 많은 연구에 적용되고 있고, 이러한 해석 기법을 활용하여 해양 구조물과 해양 라이저의 고유 진동수를 분석하려는 몇몇 연구가 진행되었다. In order to overcome these limitations, an analytical method using only response data has been developed and applied to many studies. Several studies have been carried out to analyze the natural frequencies of offshore structures and ocean risers using these analysis techniques.

본 실시예에서는 구조물에 부착된 가속도 센서를 통해 점검 주기별로 획득된 고유 진동수들을 정리하면 다음의 수학식 3과 같다.
In this embodiment, the natural frequencies obtained for each inspection period through the acceleration sensor attached to the structure are summarized as the following Equation 3.

Figure 112016070085067-pat00033
Figure 112016070085067-pat00033

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00034
는 p번째 주기에서 측정된 고유 진동수들의 벡터를 의미하며,
Figure 112016070085067-pat00035
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수를 나타낸다.From here,
Figure 112016070085067-pat00034
Denotes a vector of natural frequencies measured in the p-th cycle,
Figure 112016070085067-pat00035
Represents the i-th natural frequency obtained in the p-th period.

대상 구조물의 손상 여부를 판단하기 위한 경고 지수(warning index)는 다음의 수학식 4와 같다(S410).
The warning index for determining whether the target structure is damaged is expressed by Equation 4 below (S410).

Figure 112016070085067-pat00036
Figure 112016070085067-pat00036

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00037
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수이고,
Figure 112016070085067-pat00038
는 p-1번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수를 나타낸다.From here,
Figure 112016070085067-pat00037
Is the i-th natural frequency obtained at the p-th period,
Figure 112016070085067-pat00038
Represents the i-th natural frequency obtained in the (p-1) -th cycle.

또한, 분포도를 고려하여 경고 지수를 정규화하면, 정규화된 경고 지수(warning index)는 다음의 수학식 5와 같다(S420).
In addition, if the warning index is normalized considering the distribution, the normalized warning index is expressed by the following Equation 5 (S420).

Figure 112016070085067-pat00039
Figure 112016070085067-pat00039

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00040
와
Figure 112016070085067-pat00041
는 각각 p번째 주기까지 측정된 i차 모드 경고 지수의 평균과 표준편차이며,
Figure 112016070085067-pat00042
는 수학식 4에서 산출된 경고 지수를 나타낸다. From here,
Figure 112016070085067-pat00040
Wow
Figure 112016070085067-pat00041
Is the mean and standard deviation of the i-th mode alert index, measured up to the p-th period,
Figure 112016070085067-pat00042
Represents the warning index calculated in Equation (4).

p번째 주기에서 손상의 발생 여부를 판단하기 위해서는 다음과 같이 기준값(Threshold value)과의 비교가 필요하다. In order to determine whether the damage occurs in the pth cycle, it is necessary to compare with the threshold value as follows.

표준 정규 분포표를 참고하면 기준값이 3일 경우 손상이 발생된 가능성이 99.87% 이며, 2와 1일 경우 각각 97.7%와 84% 이다. The standard normal distribution table shows that the probability of occurrence of damage is 99.87% when the reference value is 3, and 97.7% and 84% when the reference value is 2 and 1, respectively.

만약, d번째 측정에서 계산된 정규화된 경고 지수가 기준값 이상일 경우 손상이 발생된 것으로 판단할 수 있으며, 이때 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터를 계산하면 다음의 수학식 6과 같다.
If the normalized warning index calculated at the d-th measurement is equal to or greater than the reference value, it can be determined that the damage has occurred. At this time, the second natural frequency change rate vector with respect to the change in the measured natural frequency can be calculated. same.

Figure 112016070085067-pat00043
Figure 112016070085067-pat00043

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00044
는 d번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수이고,
Figure 112016070085067-pat00045
는 d-1번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수를 나타낸다. From here,
Figure 112016070085067-pat00044
Is the n-th order natural frequency obtained in the d-th cycle,
Figure 112016070085067-pat00045
Represents the n-th order natural frequency obtained in the (d-1) -th cycle.

이와 같이 정규화된 경고 지수를 분석하여(S430) 손상의 발생 여부 및 발생된 시점을 추정한다(S440).
The normalized warning index is analyzed (S430), and whether or not the damage occurs is estimated (S440).

다음으로,고유 진동수 변화량과 변형량 행렬을 이용하여 대상 구조물의 손상 위치를 추정한다(S600).Next, the damage position of the target structure is estimated using the natural frequency variation and the deformation amount matrix (S600).

즉, 대상 구조물의 손상이 발생된 시점에서 계측된 경고 지수를 단계(S140)에서 수학식 2를 통해 획득된 고유 진동수 변화율 행렬에 대입하여 유사도 검색을 수행한다(S610).That is, the alert index measured at the time when the damage of the target structure is generated is substituted into the natural frequency change rate matrix obtained through Equation (2) in step S140 to perform similarity search (S610).

유사도 검색 결과를 분석하여 손상 발생점을 확률론적으로 유추한다. Analyzing the similarity search results, we probabilistically deduce the points of damage occurrence.

이때, 유사도 검색에 많이 이용되는 방법으로는 다음의 수학식 7을 이용한 코사인 유사도(Cosine similarity) 검색 방법이 있다.
At this time, a commonly used method for the similarity search is a cosine similarity search method using the following Equation (7).

Figure 112016070085067-pat00046
Figure 112016070085067-pat00046

여기에서, 상기

Figure 112016070085067-pat00047
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112016070085067-pat00048
는 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터이며,
Figure 112016070085067-pat00049
는 i번째 요소 변화에 따른 j차 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고,
Figure 112016070085067-pat00050
는 j차 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터를 나타낸다. Here,
Figure 112016070085067-pat00047
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00048
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the measured natural frequency,
Figure 112016070085067-pat00049
Is a j-th order first natural frequency change rate vector according to i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00050
Represents the second natural frequency change rate vector with respect to the change amount of the natural frequency measured in the j-th order.

이때, 코사인 유사도는 내적 공간의 두 벡터간 각도의 코사인값을 이용하여 측정된 벡터간의 유사한 정도를 의미한다. In this case, the cosine similarity means the similarity between the vectors measured using the cosine value of the angles between the two vectors in the inner space.

각도가 0 도일 때의 코사인 값은 1이며, 다른 모든 각도의 코사인 값은 1보다 작다. 따라서, 이 값은 벡터의 크기가 아닌 방향의 유사도를 판단하는 목적으로 사용되며, 두 벡터의 방향이 완전히 같을 경우 1, 90 도의 각을 이룰 경우 0, 180 도로 완전히 반대 방향인 경우 -1의 값을 갖는다. The cosine value when the angle is 0 degrees is 1 and the cosine value of all other angles is less than 1. Therefore, this value is used to judge the degree of similarity of the direction, not the size of the vector. If the directions of the two vectors are completely the same, 0, 180 when the angle is 90 degrees, -1 Respectively.

이 때, 벡터의 크기는 값에 아무런 영향을 미치지 않고, 코사인 유사도는 특히 결과값이 [0,1]의 범위로 떨어지는 양수 공간에서 사용된다.At this time, the size of the vector has no effect on the value, and the cosine similarity is used especially in the positive space where the result falls to the range [0, 1].

코사인 유사도는 어떤 개수의 차원에도 적용이 가능하여 흔히 다차원의 양수 공간에서의 유사도 측정에 자주 이용된다. Cosine similarity can be applied to any number of dimensions and is often used to measure similarity in multidimensional amniotic space.

아울러, 고유 진동수 변화량과 변형량 행렬을 이용하여 손상 위치를 추정하는데, 상세한 동작은 다음과 같다.In addition, the damage location is estimated using the natural frequency variation and the deformation amount matrix, and the detailed operation is as follows.

수학식 2의 고유 진동수 변화율 행렬에서 각 행 벡터는 각 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율을 나타내며, i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터를

Figure 112016070085067-pat00051
로 나타낸다(S620).In the natural frequency variation rate matrix of Equation (2), each row vector represents the natural frequency change rate according to the stiffness change for each element, and the first natural frequency change rate vector according to the i-
Figure 112016070085067-pat00051
(S620).

다음, 모니터링에 의해 계측된 제2 고유 진동수 변화율 벡터를

Figure 112016070085067-pat00052
로 표현한다(S630).Next, the second natural frequency change rate vector measured by monitoring
Figure 112016070085067-pat00052
(S630).

코사인 유사도 기법을 이용하여

Figure 112016070085067-pat00053
와
Figure 112016070085067-pat00054
의 코사인 유사도를 검색한다(S640). Using the cosine similarity technique
Figure 112016070085067-pat00053
Wow
Figure 112016070085067-pat00054
(S640). ≪ / RTI >

만일, 두 벡터의 방향이 완전히 일치하는 경우 1의 유사도 값을 갖는다. If the directions of two vectors are completely matched, they have a similarity value of 1.

이때, 코사인 유사도 기법은 두 벡터 방향의 유사성만을 판단하므로, 벡터 크기의 유사도는 별도로 평가해야 한다.At this time, since the cosine similarity technique judges only the similarity of two vector directions, the similarity degree of the vector size should be evaluated separately.

즉, 손상 위치를 추정하기 위해 두 벡터 간의 비율로서

Figure 112016070085067-pat00055
를
Figure 112016070085067-pat00056
로 나누면
Figure 112016070085067-pat00057
는 다음의 수학식 8과 같다. That is, in order to estimate the damage location,
Figure 112016070085067-pat00055
To
Figure 112016070085067-pat00056
Divided by
Figure 112016070085067-pat00057
Is expressed by the following equation (8).

만약,

Figure 112016070085067-pat00058
가
Figure 112016070085067-pat00059
와 크기는 다르지만 방향성이 일치하는 벡터라면
Figure 112016070085067-pat00060
의 각 성분은 모두 같은 값을 가질 것이다.
if,
Figure 112016070085067-pat00058
end
Figure 112016070085067-pat00059
And a vector whose size is different but whose directionality matches
Figure 112016070085067-pat00060
Will all have the same value.

Figure 112016070085067-pat00061
Figure 112016070085067-pat00061

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00062
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고,
Figure 112016070085067-pat00063
는 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터를 나타낸다. From here,
Figure 112016070085067-pat00062
Is the first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112016070085067-pat00063
Represents the second natural frequency change rate vector with respect to the change amount of the measured natural frequency.

아울러, 크기 지수는

Figure 112016070085067-pat00064
의 성분의 표준편차를 먼저 구한 후에(S650), 그 역수를 취하여 다음의 수학식 9와 같이 계산된다(S660).
In addition, the size index
Figure 112016070085067-pat00064
(S650), and then the inverse of the standard deviation is calculated as follows (S660).

Figure 112016070085067-pat00065
Figure 112016070085067-pat00065

여기에서,

Figure 112016070085067-pat00066
는 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율인
Figure 112016070085067-pat00067
의 표준편차를 나타내며, 모든 성분이 완전히 같을수록 표준편차는 0에 가깝게 된다.From here,
Figure 112016070085067-pat00066
Is a ratio of the first and second natural frequency change rate vectors
Figure 112016070085067-pat00067
And the standard deviation is closer to 0 as all the components are completely equal.

Figure 112016070085067-pat00068
가 작을수록 크기 지수는 커지며, 크기 지수가 클수록 해당 요소에 손상이 발생된 가능성이 큰 것으로 판단할 수 있다.
Figure 112016070085067-pat00068
The larger the size index, the greater the possibility that the element is damaged.

본 발명에서는 최종적인 손상 지수(Damage index)를 다음의 수학식 10과 같이 코사인 유사도와 크기 지수의 곱으로 정의하였으며(S670), 크기가 클수록 손상 가능성이 큰 것으로 고려하였다.
In the present invention, the final damage index is defined as a product of the cosine similarity and the magnitude index as shown in Equation (10) (S670).

Figure 112016070085067-pat00069
Figure 112016070085067-pat00069

여기에서, CSi는 i번째 요소 변화에 따른 코사인 유사도이고, MIi는 i번째 요소 변화에 따른 크기 지수를 나타낸다. Where CS i is the cosine similarity according to the i-th element change and MI i is the magnitude index according to the i-th element change.

이와 같이, 손상 지수를 통해 손상 지점을 추정하고(S680), 손상 지점에 해당하는

Figure 112016070085067-pat00070
의 평균을 손상의 크기로 고려한다.
Thus, the damage point is estimated through the damage index (S680), and the damage point
Figure 112016070085067-pat00070
Is considered as the magnitude of the damage.

다음으로, 추정된 손상 위치에서 발생된 대상 구조물의 손상 정도를 추정한다(S700).Next, the damage degree of the target structure generated at the estimated damage location is estimated (S700).

즉, 대상 구조물의 손상 위치가 정해지면 종래에는 메타 모델 기반 추정 기법, 유한 요소 업데이트 기법 등과 같은 다양한 기법을 이용하여 손상 정도를 추정하였다. In other words, once the damage location of the target structure is determined, the degree of damage is estimated using various techniques such as metamodel-based estimation method and finite element update method.

그런데, 손상 위치가 정해지지 않은 경우와 비교하면 매우 간단한 문제가 되지만, 상기 기법들은 여전히 모델을 기반으로 하는 단점이 있다.However, this is a very simple problem in comparison with the case where the damage position is not determined, but the above techniques still have the disadvantage of being model-based.

선형성이 강한 구조물일 경우, 단계(S140)에서 수학식 2를 통해 획득된 고유 진동수 변화율 행렬과 계측된 고유 진동수 변화량을 비교하여 손상 정도를 추정할 수도 있다. In the case of a structure having a strong linearity, the degree of damage may be estimated by comparing the natural frequency variation matrix obtained through Equation (2) with the measured natural frequency variation in step S140.

이러한 방법은 수치 모델 또는 유한 요소 모델을 필요로 하지 않기 때문에 계산이 매우 빠르고 모델의 정확도를 걱정할 필요가 없는 장점이 있다. This method does not require a numerical model or a finite element model, so that the calculation is very fast and there is no need to worry about the accuracy of the model.

더욱이 손상 위치와 손상 정도를 확률로 표현하기 때문에 현장 사용자가 적용하기에 전혀 문제가 없다.
Moreover, since the damage location and damage degree are expressed by probability, there is no problem to be applied to the field user.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 손상 추정 의뢰된 자켓 구조물의 구성도이다.FIG. 11 is a configuration diagram of a jacket structure that is damaged and estimated in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.

도 12는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 물성치에 대한 데이터 시트를 나타내는 도면이다.12 is a view showing a data sheet on the physical properties of the jacket structure shown in FIG.

도 13은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 손상 시나리오에 대한 표이다.13 is a table of damage scenarios of the jacket structure shown in FIG.

도 14는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 1차 내지 3차 모드 강성 변화율 에 대한 표이다.FIG. 14 is a table for the first through third mode stiffness change rates of the respective elements of the jacket structure shown in FIG.

도 15는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 강성 변화 종류 대비 강성 변화율에 대한 그래프이다.FIG. 15 is a graph showing stiffness change rate versus type of stiffness change for each element of the jacket structure shown in FIG.

도 16은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 1차 내지 3차 모드 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율에 대한 표이다.FIG. 16 is a chart showing the change rate of the natural frequency according to the change of the stiffness of the first to third mode for each element of the jacket structure shown in FIG.

도 17은 도 16에 도시된 1차 내지 3차 모드 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율에 대한 그래프이다.FIG. 17 is a graph showing the rate of change of the natural frequency according to the first to third mode stiffness changes shown in FIG. 16. FIG.

도 18은 도 14에 도시된 손상의 측정 시점 대비 정규화된 경고 지수에 대한 그래프이다.18 is a graph of the normalized warning index versus the time of measurement of the damage shown in FIG.

도 19는 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 코사인 유사도에 대한 그래프이다.19 is a graph showing the cosine similarity of each element of the jacket structure shown in FIG.

도 20은 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소별 벡터 크기 유사도에 대한 그래프이다.
20 is a graph of vector size similarity for each element of the jacket structure shown in FIG.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따라 손상 추정 의뢰된 2차원 자켓 구조물의 물성치는 도 12와 같고, 손상 시나리오는 5번 요소에서 3 %의 손상도를 가진다고 가정한다.First, it is assumed that the property values of the two-dimensional jacket structure requested for damage estimation according to an embodiment of the present invention are as shown in FIG. 12, and the damage scenario has a damage degree of 3% in the fifth element.

대상 구조물인 2차원 자켓 구조물에 가속도 센서를 부착하여 신호를 획득하고, 작동 중 모달 해석을 이용하여 측정된 가속도 데이터로부터 고유 진동수 변화율을 추정한 결과가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다.Figs. 16 and 17 show results obtained by attaching an acceleration sensor to a two-dimensional jacket structure as a target structure to obtain a signal, and estimating a natural frequency change rate from acceleration data measured using a modal analysis during operation.

본 실시예에서는 7회에 걸쳐서 1차 내지 3차 고유 진동수가 측정되었으며, 측정된 고유 진동수 행렬은 수학식 9와 같다.In this embodiment, the first to third natural frequencies are measured seven times, and the measured natural frequency matrix is expressed by Equation (9).

또한, 수학식 4를 이용하여 손상 여부 판단용 경고 지수를 산출하고, 수학식 5를 이용하여 경고 지수를 정규화한 결과, 도 18에서 보는 바와 같이 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소들 중에서 6번째 측정 시점에서 구조물에 손상이 발생된 것으로 1차 추정되었다.As a result of normalizing the warning index using Equation (5), the warning index for determining the damage is calculated using Equation (4). As a result, as shown in FIG. 18, among the elements of the jacket structure shown in FIG. 11, It was first estimated that the structure was damaged at the second measurement point.

또한, 수학식 6 및 7을 이용하여 코사인 유사도 기법으로 손상 위치를 추정한 결과, 도 19에서 보는 바와 같이 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소들 중에서 5번(1), 6번(0.9457), 8번(0.9948), 11번(0.9444)이 손상 위치 후보로 추정되었다(괄호 안은 코사인 유사도 수치). As a result of the estimation of the damage position using the cosine similarity technique using Equations (6) and (7), as shown in FIG. 19, five (1) and six (0.9457) of the elements of the jacket structure shown in FIG. , No. 8 (0.9948), and No. 11 (0.9444) were estimated as the damage location candidates (in parentheses, the cosine similarity value).

이때, 코사인 유사도 검색의 경우, 유사도 검색에 방향성이 중요한 인자로 작용하기 때문에 도 15에서 보는 바와 같이, 방향성이 유사한 위치들이 추정되는 결과를 보이고 있다. In this case, in the case of the cosine similarity search, since the directionality is an important factor in the similarity search, the positions having similar directions are estimated as shown in FIG.

다음으로, 두 벡터(

Figure 112016070085067-pat00071
,
Figure 112016070085067-pat00072
)의 크기를 비교하고 각 모드별 계산된 비율의 표준편차를 고려하면 도 20에서 보는 바와 같이, 5번 요소를 손상 위치로 판별하고 있음을 볼 수 있다. Next, two vectors (
Figure 112016070085067-pat00071
,
Figure 112016070085067-pat00072
), And considering the standard deviation of the calculated ratio for each mode, it can be seen that the fifth element is determined as the damage position as shown in FIG.

따라서, 결과적으로 코사인 유사도와 벡터 크기 유사도를 통해 도 11에 도시된 자켓 구조물의 각 요소들 중에서 5번 요소에 손상이 발생되었을 것으로 추정되었다.As a result, it was estimated that the damage occurred to the fifth element among the elements of the jacket structure shown in FIG. 11 through the cosine similarity and the vector size similarity.

한편, 본 실시예에서는 감도 행렬만 이용하여 손상 정도를 추정하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 각 1차 내지 3차 모드에서 추정된 손상 정도는 2.86%, 2.68%, 2.68%로 평균 2.74%의 강성 저하가 발생된 것으로 추정되었다.In the present embodiment, the degree of damage is estimated using only the sensitivity matrix, and the results are as follows. In the first to third modes, the estimated damage was estimated to be 2.86%, 2.68%, 2.68% and 2.74%, respectively.

여기에서, 강성 저하는 자켓 구조물의 결함 형태로 부식에 따른 단면 감소, 반복 하중에 의한 피로 손상, 용접부 균열 및 볼트 풀림에 의한 손상 등을 포함한다.Here, the decrease in rigidity is a defect type of the jacket structure, which includes a reduction in cross section due to corrosion, fatigue damage due to cyclic loading, cracks in welds, and damage due to bolt loosening.

이 추정 결과는 도 13에서 설정된 손상 시나리오의 손상 정도인 3%와 거의 일치하는 결과임을 알 수 있다.This estimation result is almost the same as the damage degree 3% of the damage scenario set in FIG.

정리하자면, 구조 건전성 평가를 위한 모니터링 중 6번째 시점에서 경고 지수를 분석하여 구조물에 손상이 발생된 것을 파악할 수 있었다. To summarize, the warning index was analyzed at the 6th point of the monitoring for the structural integrity evaluation, and it was found that the damage occurred to the structure.

하지만, 유사도 검색을 통해 손상 위치는 5번 요소로, 손상 정도는 2.74%로 추정되었다. However, through the similarity search, the damage location is estimated to be factor 5, and the degree of damage is estimated to be 2.74%.

이는 실제 손상 시나리오인 5번 요소에서 강성저하 3%가 발생되는 것으로 설정한 값과 거의 근접해 있음을 검증할 수 있었다.
It can be verified that this is close to the value set for 3% stiffness reduction in element 5, which is the actual damage scenario.

이와 같이, 본 발명의 유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법은 대상 구조물의 각 요소의 손상 정도에 따른 고유 진동수 변화량을 추출하여 고유 진동수 변화량 행렬을 산출하고, 실제 응답 데이터로부터 고유 진동수 변화량이 계측되었을 때, 변형량의 유사도를 계산하여 대상 구조물의 손상 위치 및 손상 정도를 추정한다. As described above, in the method of estimating the damage of an offshore structure based on the similarity degree of the present invention, the natural frequency variation matrix is calculated by extracting the natural frequency variation according to the degree of damage of each element of the target structure. When the natural frequency variation is measured from the actual response data, The degree of damage and the degree of damage of the target structure are estimated by calculating the similarity of the deformation amount.

이를 통하여, 대상 구조물의 고유 진동수를 지속적으로 모니터링하는 경우, 고유 진동수 변화량을 이용한 경고 지수 분석을 통해 구조물에 손상이 발생되는 시점을 정확히 예측할 수 있다.In this way, when the natural frequency of the target structure is constantly monitored, it is possible to accurately predict when damage occurs to the structure through the alert index analysis using the natural frequency variation.

구조물에 발생된 손상의 위치와 손상 크기를 판별하기 위해서 구조물의 고유 진동수 변화량만이 요구되기 때문에 추가적인 해석이나 모델 개선과 같은 작업이 필요하지 않게 된다. In order to determine the position of damage and the size of damage to the structure, only the natural frequency change of the structure is required, so no additional analysis or model improvement is required.

또한, 대상 구조물의 모델링 정보만 있으면 고유주파수 변형률 행렬을 산출할 수 있어 모니터링 시스템 없이 운용되어오던 해양 구조물의 손상 추정에도 적용 가능하게 된다.
In addition, it is possible to calculate the natural frequency strain matrix only by modeling information of the target structure, so that it can be applied to the damage estimation of an offshore structure that has been operated without a monitoring system.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
In addition, since the present invention can be embodied in various other forms, the present invention is not limited by the above description, and the above description is intended to be a complete description of the present invention, It will be understood by those of ordinary skill in the art that the present invention is only provided to fully inform the person skilled in the art of the scope of the present invention and that the present invention is only defined by the claims of the claims.

Claims (15)

(a) 제어부에 의해 대상 구조물의 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율이 계산되는 단계;
(b) 상기 대상 구조물에 부착된 가속도 센서가 가속도 데이터를 획득하는 단계;
(c) 상기 획득된 가속도 데이터로부터 작동 중 모달 해석을 이용하여 상기 제어부에 의해 점검 주기별로 고유 진동수가 추정되는 단계;
(d) 상기 제어부에 의해 상기 추정된 고유 진동수의 변화량이 분석되고 위험 신호가 판별되어 상기 대상 구조물의 손상 여부 및 손상 발생 시점이 추정되는 단계;
(e) 상기 고유 진동수의 변화량 및 고유 진동수 변화율 행렬을 이용하여 상기 제어부에 의해 상기 대상 구조물의 손상 위치가 추정되는 단계; 및
(f) 상기 추정된 손상 위치에서 발생된 상기 대상 구조물의 손상 정도가 상기 제어부에 의해 추정되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
(a) calculating a change rate of a natural frequency according to a stiffness change of a target structure by a control unit;
(b) obtaining acceleration data by an acceleration sensor attached to the target structure;
(c) estimating a natural frequency for each inspection cycle from the obtained acceleration data using the modal analysis during operation;
(d) estimating a damage amount and a damage occurrence time of the target structure by analyzing a variation amount of the estimated natural frequency by the control unit and determining a danger signal;
(e) estimating a damage position of the target structure by the control unit using the change amount of the natural frequency and the natural frequency change rate matrix; And
(f) estimating damage level of the target structure generated at the estimated damage location by the control unit;
≪ / RTI >
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는
상기 제어부가 상기 요소별 강성 변화를 복수개로 구분하고 각 손상 정도에서 계산되는 n차 모드의 상기 고유 진동수 변화율이 산출되는 단계;
상기 요소별-모드별 상기 고유 진동수 변화율 데이터가 선형으로 그래프화되어 상기 제어부에 의해 기울기가 계산되는 단계; 및
상기 계산된 기울기를 이용하여 상기 제어부에 의해 상기 요소별 강성 변화에 따른 상기 고유 진동수 변화율 행렬이 산출되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
The method according to claim 1,
The step (a)
Wherein the controller divides the element-by-element stiffness variation into a plurality of elements and calculates the natural frequency change rate of the n-th mode calculated at each degree of damage;
The natural frequency change rate data for each element and mode is linearly plotted and the slope is calculated by the controller; And
Calculating the natural frequency rate matrix according to the element-specific stiffness change by the controller using the calculated slope;
≪ / RTI >
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
(d-1) 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부를 판단하기 위한 경고 지수가 상기 제어부에 의해 산출되는 단계;
(d-2) 분포도를 고려하여 상기 제어부에 의해 상기 산출된 경고 지수가 정규화되는 단계; 및
(d-3) 상기 제어부에 의해 상기 정규화된 경고 지수를 분석하여 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부 및 상기 손상 발생 시점이 추정되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
The method according to claim 1,
The step (d)
(d-1) a warning index for determining whether the target structure is damaged is calculated by the control unit;
(d-2) normalizing the calculated warning index by the control unit in consideration of the distribution chart; And
(d-3) analyzing the normalized warning index by the controller to estimate the damage of the target structure and the occurrence time of the damage;
≪ / RTI >
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 3 항에 있어서,
상기 (e) 단계는
상기 손상 발생 시점에서 계측된 상기 경고 지수가 상기 제어부에 의해 상기 고유 진동수 변화율 행렬에 대입되는 단계;
상기 고유 진동수 변화율 행렬의 각 행 벡터에서 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터 및 모니터링에 의해 계측된 제2 고유 진동수 변화율 벡터가 상기 제어부에 의해 설정되는 단계;
코사인 유사도 기법을 이용하여 상기 제어부에 의해 상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 코사인 유사도가 계산되는 단계;
각 모드별로 계산된 상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율의 표준편차가 상기 제어부에 의해 계산되는 단계;
상기 계산된 표준편차를 이용하여 상기 제어부에 의해 크기 지수가 계산되는 단계;
계산된 상기 코사인 유사도와 상기 크기 지수의 곱을 통해 상기 제어부에 의해 손상 지수가 산출되는 단계; 및
상기 산출된 손상 지수를 이용하여 상기 제어부에 의해 상기 대상 구조물의 상기 손상 위치가 추정되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
The method of claim 3,
The step (e)
Wherein the warning index measured at the time of occurrence of the damage is substituted into the natural frequency rate matrix by the controller;
A first eigenfrequency change rate vector according to an i-th element change in each row vector of the natural frequency rate change rate matrix and a second natural frequency change rate vector measured by monitoring are set by the controller;
Calculating a cosine similarity of the first and second natural frequency change rate vectors by the controller using a cosine similarity technique;
The standard deviation of the ratio of the first and second natural frequency change rate vectors calculated for each mode is calculated by the controller;
Calculating a magnitude index by the controller using the calculated standard deviation;
Calculating a damage index by the controller through the product of the calculated cosine similarity and the magnitude index; And
Estimating the damage position of the target structure by the control unit using the calculated damage index;
≪ / RTI >
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 1 항에 있어서,
상기 대상 구조물의 고유 진동수 변화율은
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00121

상기
Figure 112017006368690-pat00122
은 i번째 요소의 강성이 변경되었을 때 계산되는 j차 모드 고유 진동수이고, 상기 fj 는 강성이 변경되기 전 계산된 j차 모드 고유 진동수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
The method according to claim 1,
The natural frequency change rate of the target structure is
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00121

remind
Figure 112017006368690-pat00122
Is the j-th order mode natural frequency calculated when the stiffness of the i-th element is changed, and f j is the j-th mode natural frequency calculated before the stiffness is changed.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 5 항에 있어서,
상기 고유 진동수 변화율 행렬은
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00123

상기 [S]의 각 행 벡터는 요소별 강성 변화에 따른 상기 고유 진동수 변화율이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00124
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
6. The method of claim 5,
The natural frequency rate matrix
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00123

Each of the row vectors of [S] is a change rate of the natural frequency according to a stiffness change per element,
Figure 112017006368690-pat00124
Is a first natural frequency change rate vector according to an i-th element change,
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 6 항에 있어서,
상기 점검 주기별로 추정된 고유 진동수는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00125

상기
Figure 112017006368690-pat00126
는 p번째 주기에서 측정된 고유 진동수들의 벡터이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00127
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
The method according to claim 6,
The natural frequency estimated for each inspection period is
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00125

remind
Figure 112017006368690-pat00126
Is a vector of natural frequencies measured in the p < th > period,
Figure 112017006368690-pat00127
Is the i-th order natural frequency obtained in the p-th period.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 4 항에 있어서,
상기 경고 지수는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00128

상기
Figure 112017006368690-pat00129
는 p번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00130
는 p-1번째 주기에서 획득된 i차 고유 진동수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
5. The method of claim 4,
The warning index
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00128

remind
Figure 112017006368690-pat00129
Is the i-th order natural frequency obtained in the p-th period,
Figure 112017006368690-pat00130
Is the i-th order natural frequency obtained in the (p-1) -th cycle.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 8 항에 있어서,
상기 정규화된 경고 지수는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00131

상기
Figure 112017006368690-pat00132
는 p번째 주기까지 측정된 i차 모드 경고 지수의 평균이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00133
는 각각 p번째 주기까지 측정된 i차 모드 경고 지수의 표준편차이며, 상기
Figure 112017006368690-pat00134
는 상기 산출된 경고 지수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
9. The method of claim 8,
The normalized alert index
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00131

remind
Figure 112017006368690-pat00132
Is the average of the i-th mode alert index measured up to the p < th > period,
Figure 112017006368690-pat00133
Is the standard deviation of the i < th > mode mode alarm index measured up to the p <
Figure 112017006368690-pat00134
Is the calculated warning index. ≪ RTI ID = 0.0 >
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 9 항에 있어서,
상기 제2 고유 진동수 변화율 벡터는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00135

상기
Figure 112017006368690-pat00136
는 d번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00137
는 d-1번째 주기에서 획득된 n차 고유 진동수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
10. The method of claim 9,
The second natural frequency change rate vector
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00135

remind
Figure 112017006368690-pat00136
Is the n-th order natural frequency obtained in the d-th period,
Figure 112017006368690-pat00137
Is the n-th order natural frequency obtained in the (d-1) -th cycle.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 10 항에 있어서,
상기 코사인 유사도는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00138

상기
Figure 112017006368690-pat00139
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00140
는 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터이며,
Figure 112017006368690-pat00141
는 i번째 요소 변화에 따른 j차 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00142
는 j차 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
11. The method of claim 10,
The cosine-
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00138

remind
Figure 112017006368690-pat00139
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112017006368690-pat00140
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the measured natural frequency,
Figure 112017006368690-pat00141
Is a j-th order first natural frequency change rate vector according to i-th element change,
Figure 112017006368690-pat00142
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a variation amount of the natural frequency measured in the j-th order.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율은
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00143

상기
Figure 112017006368690-pat00144
는 i번째 요소 변화에 따른 제1 고유 진동수 변화율 벡터이고, 상기
Figure 112017006368690-pat00145
은 계측된 고유 진동수의 변화량에 대한 제2 고유 진동수 변화율 벡터인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
5. The method of claim 4,
The ratio of the first and second natural frequency change rate vectors is
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00143

remind
Figure 112017006368690-pat00144
Is a first natural frequency change rate vector according to the i-th element change,
Figure 112017006368690-pat00145
Is a second natural frequency change rate vector with respect to a change amount of the measured natural frequency.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 12 항에 있어서,
상기 크기 지수는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00146

상기
Figure 112017006368690-pat00147
은 제1 및 제2 고유 진동수 변화율 벡터의 비율의 표준편차인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
13. The method of claim 12,
The size index
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00146

remind
Figure 112017006368690-pat00147
Is a standard deviation of the ratio of the first and second natural frequency change rate vectors.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
제 13 항에 있어서,
상기 손상 지수는
상기 제어부에 의해 다음의 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112017006368690-pat00148

상기 CSi는 i번째 요소 변화에 따른 코사인 유사도이고, 상기 MIi는 i번째 요소 변화에 따른 크기 지수인 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
14. The method of claim 13,
The damage index
Is calculated by the following equation by the control unit,
Figure 112017006368690-pat00148

Wherein CS i is a cosine similarity according to an i-th element change, and MI i is a magnitude index according to i-th element change.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
(a) 제어부에 의해 대상 구조물의 요소별 강성 변화에 따른 고유 진동수 변화율이 계산되는 단계;
(b) 상기 대상 구조물에 부착된 가속도 센서가 가속도 데이터를 획득하는 단계;
(c) 상기 획득된 가속도 데이터로부터 작동 중 모달 해석을 이용하여 상기 제어부에 의해 점검 주기별로 고유 진동수가 추정되는 단계;
(d) 상기 제어부에 의해 상기 추정된 고유 진동수의 변화량이 분석되고 위험 신호가 판별되어 상기 대상 구조물의 손상 여부 및 손상 발생 시점이 추정되는 단계;
(e) 상기 고유 진동수의 변화량 및 고유 진동수 변화율 행렬을 이용하여 상기 제어부에 의해 상기 대상 구조물의 손상 위치가 추정되는 단계; 및
(f) 상기 추정된 손상 위치에서 발생된 상기 대상 구조물의 손상 정도가 이용하여 상기 제어부에 의해 추정되는 단계;를 포함하고,
상기 (d) 단계는
상기 제어부에 의해 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부를 판단하기 위한 경고 지수가 정규화되는 단계; 및
상기 정규화된 경고 지수가 표준 정규 분포표 상의 기준값 이상일 경우 상기 제어부에 의해 상기 대상 구조물의 상기 손상 여부가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
유사도 기반 해양 구조물 손상 추정 방법.
(a) calculating a change rate of a natural frequency according to a stiffness change of a target structure by a control unit;
(b) obtaining acceleration data by an acceleration sensor attached to the target structure;
(c) estimating a natural frequency for each inspection cycle from the obtained acceleration data using the modal analysis during operation;
(d) estimating a damage amount and a damage occurrence time of the target structure by analyzing a variation amount of the estimated natural frequency by the control unit and determining a danger signal;
(e) estimating a damage position of the target structure by the control unit using the change amount of the natural frequency and the natural frequency change rate matrix; And
(f) estimating, by the controller, the degree of damage of the target structure generated at the estimated damage location,
The step (d)
The warning index for determining whether the target structure is damaged by the control unit is normalized; And
And estimating whether the damage of the target structure is estimated by the control unit when the normalized warning index is equal to or greater than a reference value on a standard normal distribution table.
Estimation Method of Marine Structure Damage Based on Similarity.
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