KR101815891B1 - 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법 - Google Patents

실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 제작할 때, 미리 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내부에 일체형으로 제작함으로써 센서의 외부 노출에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 있고, 또한, MEMS 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 횡방향 하부철근 및 종방향 하부철근 사이에 고정시킴으로써 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제작 시 MEMS 센서 모듈과 효율적으로 일체화시킬 수 있으며, 또한, 하나의 선상에 일정 간격으로 MEMS 센서 모듈이 설치됨으로써 종단부에서 필요한 전원을 공급하여 센서데이터를 획득할 수 있는, 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 궤도 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법 {MEMS SENSOR MODULE-EMBEDDED PRECAST-CONCRETE SLAB PANEL FOR MONITORING REALTIME TRACK BEHAVIOR, AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 콘크리트 슬래브 궤도에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 콘크리트 슬래브 궤도용 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(Precast Concrete Slab Panel)을 제작할 때 미리 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내부에 일체형으로 제작하는, 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열차 등이 주행하게 되는 궤도(Track)는 노반 위에 도상(Roadbed)을 마련하고, 그 도상 위에 침목 및 레일을 배치한 것이 널리 알려져 있다. 여기서, 도상은 레일 및 침목으로부터 전달되는 열차 하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고, 침목을 소정 위치에 고정시키는 역할을 하는 궤도재료로서, 자갈(또는 쇄석)이나 콘크리트가 사용된다.
이러한 궤도의 구조는, 노반 위에 형성한 도상에 침목을 배열하고, 그 위에 한 쌍의 레일을 일정 간격으로 평행하게 부착하는 것이 일반적이다. 이러한 궤도를 구성하는 도상으로는 밸러스트(Ballast), 슬래브(Slab) 등이 있으며, 노선의 다양한 조건을 고려하여 선정되고 있다. 특히, 자갈, 쇄석 등의 밸러스트를 이용한 밸러스트 도상 궤도가 널리 알려져 있다.
이러한 자갈, 쇄석 등의 밸러스트는 침목을 확실히 유지하고, 열차로부터 레일 및 침목을 거쳐 전해지는 하중을 노반에 균등하게 분산시키며, 궤도에 탄성을 갖게 하며, 댐핑 등의 보수 작업을 용이하게 실시할 수 있어야 하고, 궤도의 배수를 좋게 하여 분니나 잡초의 발생을 방지하는 등의 기능을 갖고 있다.
한편, 열차의 고속화에 따라 궤도 구조가 자갈궤도에서 점차 콘크리트 궤도 부설로 변화하고 있다. 예를 들면, 고속철도 등의 궤도를 부설함에 있어서 궤도틀림 발생이 큰 문제가 되고 있고, 자갈을 이용한 일반 자갈도상 궤도의 경우, 열차 통행시의 자갈 비산 등의 문제가 크게 대두되고 있다. 따라서 토사 지반에 대해서도 콘크리트 궤도를 이용하는 방안이 고려되고 있다.
한편, 도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트 궤도인 침목 직결궤도를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 콘크리트 궤도인 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 도면이다.
종래의 기술에 따른 콘크리트 궤도는, 크게 도 1a에 도시된 침목 직결궤도(10) 및 도 1b에 도시된 콘크리트 슬래브 궤도(20)로 구분할 수 있다. 구체적으로, 침목 직결궤도(10)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 하부지반(11), 바닥 콘크리트(12), 콘크리트 도상(13), 침목(14) 및 레일(15)을 포함하며, 초기 건설비용이 저렴하고 중량이 작아서 시공성이 우수하며, 궤도의 선형 및 부등침하 발생시 유지보수가 유리한 장점을 가지고 있으나, 종방향 및 횡방향 수평저항력 확보를 위한 전단보강장치의 설치가 필수적으로 요구된다.
또한, 콘크리트 슬래브 궤도(20)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 하부지반(21), 콘크리트 도상(22), 콘크리트 슬래브 패널(23) 및 레일(24)을 포함하며, 종방향 및 횡방향 수평저항력 확보에 유리하며, 좌굴에 대한 위험이 낮아 궤도 틀림 발생이 적게 발생되는 장점이 있는 반면에, 초기 건설비용이 높고 중량이 커서 시공성이 불량하며, 노반 부등침하로 인한 대변형 발생시에 궤도 조정이 불리하다는 단점이 있다.
한편, 도 2는 종래의 기술에 따른 궤도거동 모니터링이 가능한 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 궤도거동 모니터링이 가능한 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도의 경우, 콘크리트 강화 노반층(HSB: 31), 도상 콘크리트(TCL: 32), 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(33), 침목체결장치(34) 및 레일(35)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 열차 고속화와 유지보수 효율화를 위하여 콘크리트 궤도가 적용되고 있다. 이때, 자갈궤도의 경우, 궤도의 처짐 발생시에 처짐의 원인과는 상관없이 통상적인 도상자갈 보충만으로 열차의 안전운행이 보장되지만, 콘크리트 궤도의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 궤도의 과도한 처짐 발생시 콘크리트 강화 노반층(HSB: 31)이나 도상 콘크리트(TCL: 32)의 손상으로 유지보수가 어려워지는 문제점이 발생한다.
따라서 콘크리트 궤도의 경우, 과도한 처짐이 발생하기 이전에 상시 모니터링을 통하여 궤도 상태를 파악하여야 한다. 하지만, 현재는 궤도검측차를 통한 정기적 검측만을 수행하고 있기 때문에, 궤도틀림 발생 이후에 궤도정정 작업으로 유지보수를 수행하고 있다. 하지만 궤도틀림이 궤도 하부지반에서의 강성 변화, 공동(Cavity) 등의 원인으로 발생할 경우, 궤도검측차의 검측으로 인한 궤도틀림의 유지보수는 근본적인 해결방안을 제시해 줄 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 궤도틀림이 심하게 발생하는 개소 또는 원인 규명이 필요하다고 판단되는 개소에 대해서는 궤도 변위 측정을 위해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 계측센서인 변위계(43) 또는 가속도계(44)를 직접 침목 또는 슬래브에 일정 기간 부착하여 데이터를 계측하고, 계측이 완료된 후에 계측센서(43, 44)를 철거하고 있다.
구체적으로, 변위계(43)를 통한 데이터 수집을 위해서는 콘크리트 궤도 또는 콘크리트 도상의 절대적 변위를 계측하기 위한 고정된 고정점이 필요하며, 이를 위해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지말뚝(41)을 성토층에 관입하여 고정점으로 활용하고 있다. 또한, 변위계(43)를 지지말뚝(41)에 고정시키기 위한 변위계 고정장치(46), 지지대(42) 및 지지대 고정장치(45)가 필요하게 된다.
또한, 각각의 계측센서인 변위계(43)와 가속도계(44)에서의 데이터를 수집하기 위해서는 각각의 계측센서(43, 44)에서 케이블(47)을 활용하여 데이터로거까지 연결하여 사용하여야 하는 불편함이 있으며, 별도의 전원을 공급해야 하는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 각각의 계측센서인 변위계(43)와 가속도계(44)가 궤도시스템 외부에 설치됨에 따라 궤도의 정기점검을 위한 인력의 순회점검 등으로 인해 외부 충격이 가해질 수 있으며, 각각의 계측센서인 변위계(43)와 가속도계(44)의 유지보수가 어렵다는 문제점이 있고, 또한, 지하철을 제외한 일반적인 선로는 외부에 위치하고 있어 강한 자외선, 강우, 강설에 노출되어 장기적인 계측을 하기에는 불리하여 상시 모니터링으로 활용하기에는 어려움이 있다.
이러한 어려움으로 인해 현장에서는 궤도검측차를 통하여 궤도틀림을 관리하고 있으며, 특별히 정밀계측이 필요한 경우, 한시적으로 계측센서(43, 44)를 설치하여 정기적으로 데이터로거를 연결하여 데이터를 수집하는 수동적인 방법을 채택하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-986139호(출원일: 2008년 6월 20일), 발명의 명칭: "선로 궤도의 변형 감지 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1291591호(출원일: 2011년 11월 30일), 발명의 명칭: "광섬유 브릴루앙 산란 센서를 이용한 철도 콘크리트 도상 변형 감시 시스템 및 방법" 대한민국 공개특허번호 제2011-36356호(공개일: 2011년04월07일), 발명의 명칭: "콘크리트 슬래브 궤도의 처짐 가능성 평가 방법" 대한민국 공개특허번호 제2013-128384호(공개일: 2013년 11월 26일), 발명의 명칭: "조기 열차 검출을 위한 시스템 및 방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 제작할 때, 미리 MEMS 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내부에 일체형으로 제작함으로써 센서의 외부 노출에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 있는, 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, MEMS 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 횡방향 하부철근 및 종방향 하부철근 사이에 고정시킴으로써 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제작 시 MEMS 센서 모듈과 효율적으로 일체화시킬 수 있는, 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 종방향 하부철근 및 횡방향 하부철근을 배근하고, 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 형성되는 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널; 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내에 일정 간격으로 매립 형성되고, 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 센서가 궤도거동을 측정하는 적어도 하나 이상의 MEMS 센서 모듈; 전원라인 및 데이터라인으로 이루어지고, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내에 매립되어 상기 MEMS 센서 모듈에 각각 연결되는 연결배선; 및 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 종단부 측면의 외부에 설치되고, 상기 연결배선의 전원라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈에 전원을 공급하고, 상기 연결배선의 데이터라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈로부터 데이터를 수집하는 제어함을 포함하되, 상기 MEMS 센서 모듈 및 연결배선은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조시 미리 매립되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널과 일체화되고, 상기 MEMS 센서 모듈에 의해 실시간으로 궤도거동을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 MEMS 센서 모듈은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조시에 상기 종방향 하부철근 및 횡방향 하부철근 사이에 배치되고, 상기 종방향 하부철근과 횡방향 하부철근을 고정점으로 하여 고정될 수 있다.
여기서, 상기 MEMS 센서 모듈은, 상기 연결배선의 전원라인 및 데이터라인과 각각 연결되는 입출력단자; 궤도거동을 모니터링하도록 수직 경사각, 수평 경사각 및 가속도를 측정하는 MEMS 센서; CPU로 구현되어 상기 MEMS 센서 모듈을 제어하는 모듈 제어부; 및 상기 MEMS 센서에 의해 측정된 센서데이터를 전송하는 센서데이터 전송부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연결배선은 상기 종방향 하부철근에 고정되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 종단부까지 연장되어 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 상기 외부로 노출되어 상기 제어함에 연결되는 상기 연결배선을 보호하도록 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내에 매립 형성되는 중공관을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 유선통신 또는 무선통신을 통해 상기 제어함으로부터 센서데이터를 수집하여 데이터베이스 내에 저장하고, 상기 센서데이터에 따라 궤도거동을 모니터링하는 원격 서버를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어함은, 상기 MEMS 센서 모듈에 전원을 공급할 수 있도록 상기 연결배선의 전원라인과 연결되는 전원공급부; 상기 MEMS 센서 모듈에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있도록 상기 연결배선의 데이터라인과 연결되는 데이터 수집부; 및 상기 데이터 수집부에서 수집된 센서데이터를 원격 서버로 유선통신 또는 무선통신을 통해 전송하는 제1 통신모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 원격 서버는, 상기 제어함의 제1 통신모듈을 통해 전송되는 센서데이터를 수신하는 제2 통신모듈; 상기 제2 통신모듈을 통해 수신된 센서데이터를 저장하는 데이터베이스; 및 상기 데이터베이스 내에 저장된 선세데이터에 따라 궤도거동을 실시간으로 모니터링하는 궤도거동 모니터링부를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법은, a) 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 형성하기 위한 거푸집 상에 종방향 하부철근 및 횡방향 하부철근을 배근하는 단계; b) 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내에 적어도 하나 이상의 MEMS 센서 모듈을 배치하는 단계; c) 전원라인과 데이터라인으로 이루어진 연결배선을 상기 MEMS 센서 모듈에 각각 연결하는 단계; d) 상기 거푸집 상에 콘크리트를 타설 및 양생하여 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 형성하는 단계; g) 상기 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 종단부 측면에 제어함을 부착하는 단계; 및 h) 상기 연결배선의 전원 라인을 상기 제어함의 전원공급부에 연결하고, 상기 연결배선의 데이터 라인을 상기 제어함의 데이터 수집부에 연결하는 단계를 포함하되, 상기 MEMS 센서 모듈 및 연결배선은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조시 미리 매립되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널과 일체화되고, 상기 MEMS 센서 모듈에 의해 실시간으로 궤도거동을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 제작할 때, 미리 MEMS 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 내부에 일체형으로 제작함으로써 센서의 외부 노출에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에 따르면, MEMS 센서 모듈을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 횡방향 하부철근 및 종방향 하부철근 사이에 고정시킴으로써 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제작 시 MEMS 센서 모듈과 효율적으로 일체화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 선상에 일정 간격으로 MEMS 센서 모듈이 설치됨으로써 종단부에서 필요한 전원을 공급하여 센서데이터를 획득할 수 있다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트 궤도인 침목 직결궤도를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 콘크리트 궤도인 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 궤도거동 모니터링이 가능한 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 나타내는 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 MEMS 센서 모듈의 구체적인 구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도를 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 구비한 콘크리트 슬래브 궤도는, 콘크리트 도상(110), 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120), 레일체결장치(130) 및 레일(140)을 포함하며, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 MEMS 센서 모듈(210)이 하나의 선상에 일정 간격으로 배치되어 일체화되고, 제어함(220)이 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부 측면에 부착된다. 즉, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 제작할 때 미리 MEMS 센서 모듈(210)을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내부에 일체형으로 제작된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종방향 하부철근(121a) 상에 배치되고, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부에서 중공관(240) 내부를 통해 연결배선(230)이 외부로 노출되고, 상기 연결배선(230)이 상기 제어함(220)에 연결된다.
이때, 상기 제어함(220) 내부에는 전원공급부(221) 및 데이터 수집부(222)가 설치되어, 상기 연결배선(230)을 통해 상기 MEMS 센서 모듈(210) 내에 전원을 공급하고, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있다.
구체적으로, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 나타내는 구성도이고, 도 6은 도 5에 도시된 MEMS 센서 모듈의 구체적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120), MEMS 센서 모듈(210), 연결배선(230), 제어함(220) 및 원격 서버(250)를 포함한다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)은 거푸집에 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b)을 배근하고, 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 형성된다. 후술하는 바와 같이, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부에는 MEMS 센서 모듈(210)의 센싱이 가능하도록 전원이 연결되며, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서 데이터를 수신하는 데이터 수집부(222)가 설치된다. 이때, 상기 데이터 수집부(222)로 수신된 데이터는 제1 통신모듈(223)을 통해 원격 서버(250)로 전송되어 저장된다.
MEMS 센서 모듈(210)은 적어도 하나 이상 하나의 선상에 일정 간격으로 배치되고, 즉, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 일정 간격으로 매립 형성되고, 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 센서(212)가 궤도거동을 측정한다. 여기서, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시에 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 배치되고, 상기 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정될 수 있다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은, 상기 연결배선(230)의 전원라인 및 데이터라인과 각각 연결되는 입출력단자(211); 궤도거동을 모니터링하도록 수직 경사각, 수평 경사각 및 가속도를 측정하는 MEMS 센서(212); CPU로 구현되어 상기 MEMS 센서 모듈(210)을 제어하는 모듈 제어부(213); 및 상기 MEMS 센서(212)에 의해 측정된 센서데이터를 전송하는 센서데이터 전송부(214)를 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
도 5를 다시 참조하면, 연결배선(230)은 전원라인 및 데이터라인으로 이루어지고, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 매립되어 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 각각 연결된다. 예를 들면, 상기 연결배선(230)은 상기 종방향 하부철근(121a)에 고정되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부까지 연장되어 외부로 노출되며, 상기 외부로 노출되어 상기 제어함(220)에 연결되는 상기 연결배선(230)을 보호하도록 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 매립 형성되는 중공관(240)을 포함할 수 있다.
제어함(220)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부 측면의 외부에 설치되고, 상기 연결배선(230)의 전원라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급하고, 상기 연결배선(230)의 데이터라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈(210)로부터 데이터를 수집한다.
구체적으로, 상기 제어함(220)은 전원공급부(221), 데이터 수집부(222) 및 제1 통신모듈(223)을 포함한다.
상기 제어함(220)의 전원공급부(221)는 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 전원라인과 연결된다.
상기 제어함(220)의 데이터 수집부(222)는 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 데이터라인과 연결된다.
상기 제어함(220)의 제1 통신모듈(223)은 상기 데이터 수집부(222)에서 수집된 센서데이터를 상기 원격 서버(250)로 유선통신 또는 무선통신을 통해 전송한다.
도 5를 다시 참조하면, 원격 서버(250)는 유선통신 또는 무선통신을 통해 상기 제어함(220)으로부터 센서데이터를 수집하여 데이터베이스(DB) 내에 저장하고, 상기 센서데이터에 따라 궤도거동을 모니터링한다.
구체적으로, 상기 원격 서버(250)는 제2 통신모듈(251), 데이터베이스(252) 및 궤도거동 모니터링부(253)를 포함한다.
상기 원격 서버(250)의 제2 통신모듈(251)은 상기 제어함(220)의 제1 통신모듈(223)을 통해 전송되는 센서데이터를 수신한다.
상기 원격 서버(250)의 데이터베이스(252)는 상기 제2 통신모듈(251)을 통해 수신된 센서데이터를 저장한다.
상기 원격 서버(250)의 궤도거동 모니터링부(253)는 상기 DB(252) 내에 저장된 선세데이터에 따라 궤도거동을 실시간으로 모니터링한다. 즉, 상기 DB(252)에 저장된 센서데이터의 경우, 상기 궤도거동 모니터링부(253)를 통하여 실시간 궤도거동 현황을 분석하여 파악할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제작 시, 콘크리트 슬래브 궤도의 수평 경사각, 수직 경사각 및 가속도를 측정할 수 있는 MEMS 센서 모듈(210)을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내부에 일체형으로 제작함으로써 계측센서의 외부 노출에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 이웃하는 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)과 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)간 연결은, 도 5에 도시된 바와 같이, MEMS 센서 모듈(210)간 연결배선(230)을 제어함(220)까지 연장되도록 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 제작함으로써, 콘크리트 슬래브 궤도의 시공 완료 후에 상기 연결배선(230)을 상기 제어함(220)에 연결하고, 이후, 상기 연결배선(230)의 보호를 위해 연결배선 보호케이스(260)로 마무리한다.
한편, 도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 나타내는 평면도이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널에서, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시에 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 배치되고, 상기 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정될 수 있다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)은 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 배근하여 형성되고, 이때, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은, 도 7b에 도시된 바와 같이 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b) 사이에 위치시키며, 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정시킨다. 즉, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 제작시에 거푸집 자체를 뒤집은 상태에서 철근을 조립한 후에 콘크리트를 타설하므로, 철근 조립 상태에서 상기 MEMS 센서 모듈(210)을 편리하게 부착하기 위해서 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)에 고정한다. 이때, 센서간 연결배선(230)은 상기 종방향 하부철근(121a)에 고정시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은 콘크리트 타설 시 모르타르와 물에 의한 손상을 방지하기 위한 방수 처리된 케이싱 처리를 하는 것이 바람직하다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 상기 MEMS 센서 모듈(210) 및 연결배선(230)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시 미리 매립되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)과 일체화되고, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 실시간으로 궤도거동을 모니터링할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널은, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 요구되는 트리거 및 측정주기를 설정하여 열차 주행 시 또는 일정 주기 간격으로 실시간 궤도거동 현황을 파악할 수 있다.
[멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널 제조방법은, 먼저, 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 형성하기 위한 거푸집(도시되지 않음) 상에 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b)을 배근한다(S110).
다음으로, 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 일정 간격으로 적어도 하나 이상의 MEMS 센서 모듈(210)을 배치한다(S120). 이때, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 일정 간격으로 배치되고, 상기 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정된다.
다음으로, 전원라인과 데이터라인으로 이루어진 연결배선(230)을 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 각각 연결한다(S130).
다음으로, 상기 연결배선(230)을 상기 종방향 하부철근(121a)에 고정하고(S140), 다음으로, 종단부까지 연장된 연결배선(230)을 중공관(240)을 통해 외부로 인출한다(S150).
다음으로, 상기 거푸집 상에 콘크리트를 타설 및 양생하여 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 형성한다(S160).
다음으로, 상기 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부 측면에 제어함(220)을 부착한다(S170). 구체적으로, 상기 제어함(220)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 전원라인과 연결되는 전원공급부(221); 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 데이터라인과 연결되는 데이터 수집부(222); 및 상기 데이터 수집부(222)에서 수집된 센서데이터를 상기 원격 서버(250)로 유선통신 또는 무선통신을 통해 전송하는 제1 통신모듈(223)을 포함한다.
다음으로, 상기 연결배선(230)의 전원 라인을 상기 제어함(220)의 전원공급부(221)에 연결하고, 상기 연결배선(230)의 데이터 라인을 상기 제어함(220)의 데이터 수집부(222)에 연결한다(S180).
후속적으로, 상기 수집된 센서데이터를 유선통신 또는 무선통신을 통해 원격 서버(250)로 전송하고, 상기 원격 서버(250)는 상기 제어함(220)의 데이터 수집부(222)에서 전송된 센서데이터를 데이터베이스(DB) 내에 저장하고, 상기 센서데이터에 따라 궤도거동을 모니터링하게 된다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 제작할 때, 미리 MEMS 센서 모듈(210)을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내부에 일체형으로 제작함으로써 센서의 외부 노출에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, MEMS 센서 모듈(210)을 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 횡방향 하부철근(150a) 및 종방향 하부철근(150b) 사이에 고정시킴으로써 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 제작 시 MEMS 센서 모듈(210)과 효율적으로 일체화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 선상에 일정 간격으로 MEMS 센서 모듈(210)이 설치됨으로써 종단부에서 필요한 전원을 공급하여 센서데이터를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법에 의해 제조된 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 사용하여 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 콘크리트 슬래브 궤도를 시공할 수 있다는 점은 당업자에게 자명하므로, 상세한 설명은 생략한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 콘크리트 도상(TCL)
120: 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(Precast Concrete Slab)
130: 레일체결장치
140: 레일
121a: 횡방향 하부철근
121b: 종방향 하부철근
210: MEMS 센서 모듈
220: 제어함
230: 연결배선
240: 중공관
250: 원격 서버
211: 입출력단자
212: MEMS 센서
213: 모듈 제어부
214: 센서데이터 전송부
221: 전원공급부
222: 데이터 수집부
223: 제1 통신모듈
251: 제2 통신모듈
252: DB(데이터베이스)
253: 궤도거동 모니터링부

Claims (15)

  1. 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b)을 배근하고, 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 형성되는 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120);
    상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 일정 간격으로 매립 형성되고, 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 센서(212)가 궤도거동을 측정하는 적어도 하나 이상의 MEMS 센서 모듈(210);
    전원라인 및 데이터라인으로 이루어지고, 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 매립되어 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 각각 연결되는 연결배선(230);
    상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부 측면의 외부에 설치되고, 상기 연결배선(230)의 전원라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급하고, 상기 연결배선(230)의 데이터라인을 통해 상기 MEMS 센서 모듈(210)로부터 데이터를 수집하는 제어함(220); 및
    유선통신 또는 무선통신을 통해 상기 제어함(220)으로부터 센서데이터를 수집하여 데이터베이스(DB) 내에 저장하고, 상기 센서데이터에 따라 궤도거동을 모니터링하는 원격 서버(250);를 포함하되,
    상기 MEMS 센서 모듈(210) 및 연결배선(230)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시 미리 매립되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)과 일체화되고, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 실시간으로 궤도거동을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시에 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 배치되고, 상기 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정되는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  3. 제1항에 있어서, 상기 MEMS 센서 모듈(210)은,
    상기 연결배선(230)의 전원라인 및 데이터라인과 각각 연결되는 입출력단자(211);
    궤도거동을 모니터링하도록 수직 경사각, 수평 경사각 및 가속도를 측정하는 MEMS 센서(212);
    CPU로 구현되어 상기 MEMS 센서 모듈(210)을 제어하는 모듈 제어부(213); 및
    상기 MEMS 센서(212)에 의해 측정된 센서데이터를 전송하는 센서데이터 전송부(214)
    를 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결배선(230)은 상기 종방향 하부철근(121a)에 고정되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부까지 연장되어 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부로 노출되어 상기 제어함(220)에 연결되는 상기 연결배선(230)을 보호하도록 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 매립 형성되는 중공관(240)을 추가로 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어함(220)은,
    상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 전원라인과 연결되는 전원공급부(221);
    상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 데이터라인과 연결되는 데이터 수집부(222); 및
    상기 데이터 수집부(222)에서 수집된 센서데이터를 상기 원격 서버(250)로 유선통신 또는 무선통신을 통해 전송하는 제1 통신모듈(223)
    을 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  8. 제7항에 있어서, 상기 원격 서버(250)는,
    상기 제어함(220)의 제1 통신모듈(223)을 통해 전송되는 센서데이터를 수신하는 제2 통신모듈(251);
    상기 제2 통신모듈(251)을 통해 수신된 센서데이터를 저장하는 DB(데이터베이스)(252); 및
    상기 DB(252) 내에 저장된 선세데이터에 따라 궤도거동을 실시간으로 모니터링하는 궤도거동 모니터링부(253)
    를 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널.
  9. a) 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 형성하기 위한 거푸집 상에 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b)을 배근하는 단계;
    b) 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120) 내에 적어도 하나 이상의 MEMS 센서 모듈(210)을 배치하는 단계;
    c) 전원라인과 데이터라인으로 이루어진 연결배선(230)을 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 각각 연결하는 단계;
    d) 상기 거푸집 상에 콘크리트를 타설 및 양생하여 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)을 형성하는 단계;
    g) 상기 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 종단부 측면에 제어함(220)을 부착하는 단계; 및
    h) 상기 연결배선(230)의 전원 라인을 상기 제어함(220)의 전원공급부(221)에 연결하고, 상기 연결배선(230)의 데이터 라인을 상기 제어함(220)의 데이터 수집부(222)에 연결하는 단계
    를 포함하되,
    상기 MEMS 센서 모듈(210) 및 연결배선(230)은 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)의 제조시 미리 매립되어 상기 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널(120)과 일체화되고, 상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 실시간으로 궤도거동을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 b) 단계의 MEMS 센서 모듈(210)은 상기 종방향 하부철근(121a) 및 횡방향 하부철근(121b) 사이에 일정 간격으로 배치되고, 상기 종방향 하부철근(121a)과 횡방향 하부철근(121b)을 고정점으로 하여 고정되는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계의 연결배선(230)은 상기 종방향 하부철근(121a)에 고정하고, 종단부까지 연장된 상기 연결배선(230)을 중공관(240)을 통해 외부로 인출하는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 g) 단계의 상기 제어함(220)은,
    상기 MEMS 센서 모듈(210)에 전원을 공급할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 전원라인과 연결되는 전원공급부(221);
    상기 MEMS 센서 모듈(210)에 의해 측정된 센서데이터를 수집할 수 있도록 상기 연결배선(230)의 데이터라인과 연결되는 데이터 수집부(222); 및
    상기 데이터 수집부(222)에서 수집된 센서데이터를 원격 서버(250)로 유선통신 또는 무선통신을 통해 전송하는 제1 통신모듈(223)
    을 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 h) 단계에서 수집된 센서데이터를 유선통신 또는 무선통신을 통해 원격 서버(250)로 전송하는 단계를 추가로 포함하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 원격 서버(250)는 상기 제어함(220)의 데이터 수집부(222)에서 전송된 센서데이터를 데이터베이스(DB) 내에 저장하고, 상기 센서데이터에 따라 궤도거동을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널의 제조방법에 의해 제조된 멤스 일체형 프리캐스트 콘크리트 슬래브 패널을 사용하여 시공되는 실시간 궤도거동 모니터링이 가능한 콘크리트 슬래브 궤도.
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