KR101883295B1 - 노면 상태 감지기 및 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노면 상태 감지기 및 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템에 관한 것으로, 그 목적은 포장도로의 노면 상태 감시가 필요한 장소마다 상시 또는 임시로 설치되어 초음파 센서와 선택적으로 설치되는 보조센서를 조합하여 일정 시간별로 측정하고, 수집된 도로상태 데이터를 저전력 무선통신망을 통해 클라우드서버로 전송하는 노면 상태 감지기와 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 내장된 모듈형센서부를 보호하면서 시야와 채광을 제공하는 상부케이스(11)와, 모듈형센서부의 회전범위 조절을 위한 모터(13)가 구비된 하부케이스(12)로 이루어진 센서 케이스부(10)와; 측정 대상 포장도로 노면을 감지하는 초음파 센서와, 선택된 하나 이상의 보조센서를 조합할 수 있는 구조로 이루어지고, 수집된 노면 상태 측정 정보와 설치 지점의 위치 정보를 클라우드서버에 전송하도록 구성된 모듈형센서부(20)와; 상기 센서케이스부를 지면으로부터 일정 높이로 이격시켜 지지하고, 각도를 조절하는 지지대부(30);를 포함하여 구성된 노면 상태 감지기와 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템을 발명의 특징으로 한다.

Description

노면 상태 감지기 및 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템{Road condition sensing apparatus and road pavement management system using thereof}

본 발명은 노면 상태 감지기 및 이를 이용한 도로포장 유지관리 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 도로변에 설치되는 IoT 기반의 독립형으로 작동하는 비접촉식 노면 상태 감지기를 구비하여 포장도로에 발생한 포트홀 또는 마찰력 저하가 발생한 미끄럼방지 포장 같은 불량 노면 상태 정보 또는 사전에 불량 노면 발생 가능성을 감지한 정보를 측정하고, 수집된 정보는 저전력 무선통신망을 통해 관리 클라우드서버로 전송하여, 클라우드서버에서 알고리즘 분석을 통해 도로노면 상태를 유지관리하는 도로유지관리 기술에 관한 것이다.

산업화가 진행되면서 안전한 차량의 운행을 위해 수많은 아스팔트 포장도로나 콘크리트 포장도로가 전국 방방곡곡에 건설되었거나 건설되고 있다.

하지만 포장도로는 차량 통행량 증가에 따른 충격과, 4계절 변화에 따른 수축과 팽창의 반복으로 인한 다양한 포트홀이 발생하고 있고, 또한 차량이 미끄러져 발생하는 교통 사고를 방지하기 위해 시공된 미끄럼 방지 포장이 노화 등으로 훼손되어 교통사고 위험이 높아질 수 있다는 문제점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 포장도로에 대한 지속적인 유지보수관리가 이루어져야 하지만 방대한 도로 길이와 관리인력 및 장비 부족으로 적절한 유지보수관리가 이루어지지 못한다는 현실적인 문제점이 있다.

도로 포트홀은 도로 표면에서 항아리 모양으로 약 150mm 이상으로 움푹 패였거나 떨어져 나간 포장면의 파손 상태를 의미한다. 발생원인은 도로의 결빙과 해빙으로 도로면의 수축과 팽창이 반복되어 도로면에서 침투한 수분이 포장면의 결합력을 약화시켜 노면홈(포트홀)을 발생시키게 된다. 자세히 설명하면 아스팔트 혼합물에 수분이 침투하여 골재와 바인더의 접착력이 약해지고, 차량 하중에 의해 발생한 내부 압력으로 취약한 부분의 골재가 탈리되며 발생한다. 특히 포트홀은 수분침투가 많이 발생할 수 있는 장마기간, 겨울철과 봄 기간에 집중적으로 발생한다.

2013년 국토교통부 자료에 따르면 포트홀 발생건수는 2008년 약 9만 건에서 2013년 7월까지 약 18만 건으로 6년 동안의 누적 발생 건수가 약 93만 건에 이른다. 2013년 국회 국토교통 위원회 보고에 따르면 전국에서 포트홀로 인한 사고가 최근 5년 동안 4,223건으로 과거 대비 5배로 급증하였으며, 이에 따른 포트홀 보수 비용은 71억 원(2008년)에서 1,308억 원(2013년)으로 약 18배 증가했다.

이처럼 매년 증가하고 있는 포트홀은 운전자의 안전과 자동차의 주행 안정성을 심각하게 악화하여, 교통사고의 원인으로 주목받고 있다. 이러한 이유로 정부와 각 지자체는 포트홀의 대책 마련에 고심하고 있다.

이하 종래의 포트홀과 미끄럼 방지 포장에 대한 유지관리 방법을 보다 구체적으로 살펴본다.

종래의 포트홀 조사는 현장에서 육안 조사하고 기록하는 수동적인 방식으로 매년 수 만개소의 포트홀이 발생하는 것에 어려움이 발생하고 있다. 그럼에도 대부분의 지자체 및 도로관리기관에서는 포트홀을 관리하기 위해 인력식 현장 수동 조사 방식을 주로 활용하여 포트홀을 조사하고 보수하고 있다. 하지만 도로 포트홀의 수동적 유지보수 방식은 포트홀의 탐지에서 보수에 이르기까지 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 인력에만 의존하기 때문에 효율적인 포트홀 관리라 볼 수 없다.

상기 수동방식과 달리 포트홀 정보를 자동으로 수집하기 위한 방법으로 최근에는 가속도 센서를 이용한 기술과 레이저 스캐닝을 이용한 기술 그리고 영상식, 매설식, 적외선 센서를 이용한 방법이 많이 연구되고 있다.

하지만, 상기 가속도 센서 기반 기술은 낮은 인식률과 제한된 센싱 영역의 문제가 있다. 또한, 레이저 스캐닝 기반 기술은 비용이 너무 큰 문제가 있다. 또한 영상식은 VDS, CCTV 카메라를 이용하는 것으로, 대부분 육안으로 도로상황을 감지하므로 야간과 악천후시 신뢰성이 떨어지며 별도의 관리센터 운영으로 많은 장비와 인력이 필요하게 된다. 또한 육안 식별을 이용함으로써 소성변형 및 밀림현상 측정이 불가능하며 다른 요인(그림자, 통퐁구, 맨홀, 날씨, 조도 등등)으로 인한 필터링이 어렵다는 구조적 문제점이 있다. 또한 매설식 노면 센서는 설치 및 유지보수 비용이 크고 시공기간이 오래걸리며 유지관리에 어려움이 있다는 단점이 있다. 또한 적외선 센서 방식은 온도 변화에 따른 측정 데이터의 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있다.

한편, 도로포장면에는 미끄럼방지 포장이 추가적으로 시공되는 곳이 있는데, 이러한 미끄럼방지 포장은 선형 불량 구간, 교차로 진입부, 긴 내리막구간 등 노면 미끄럼 사고 또는 그 가능성이 많은 구간에 마찰력을 증진시켜 교통사고를 예방하거나 감소시키는 목적을 가진다.

미끄럼방지 포장의 설치 장소로는 설계속도 60km/시 이상의 교차로 또는 횡단보도 접근부, 설계기준 이하의 곡선반경 설치 장소, 내리막 경사가 급한 구간 등에서 최소 요구 마찰계수가 낮은 곳으로 한다. 도로관리청이 본 기준과 미끄럼에 의하여 발생한 교통사고 실적을 토대로 판단하여 꼭 필요한 장소에만 미끄럼방지포장을 설치 한다. 신설도로(덧씌우기 포함)로서 도로의 구조 조건이 설계 기준치 이상이고 노면상태에 특별한 하자가 없는 한 별도의 미끄럼방지포장은 설치하지 않는다.

하지만 아직까지 상기와 같은 목적으로 포장된 미끄럼방지 포장면 상태를 지속적으로 관리하기 위한 유지보수관리 시스템이 없어서 인력에 의한 검사에 의존하고 있어서 마찰계수 저하에 따른 사고 위험을 미연에 방지하기 어렵다는 구조적 문제점이 있다.

한국 등록특허공보 등록번호 10-1546700(2016.08.18.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1715211(2017.03.06.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-1543342(2015.08.04.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2015-0012384(2015.03.04.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 포장도로의 노면 상태 감시가 필요한 장소마다 상시 또는 임시로 설치되어 초음파 센서와 선택적으로 설치되는 보조센서를 조합하여 일정 시간별로 측정하고, 수집된 도로상태 데이터를 저전력 무선통신망을 통해 클라우드서버로 전송하는 노면 상태 감지기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수개의 노면 상태 감지기들로부터 전송된 데이터들을 이용해 포트홀 또는 마찰력 저하가 발생한 미끄럼방지 포장과 같은 불량 노면 상태 정보를 분석하는 클라우드서버를 포함하여 측정대상 도로의 도로포장 상태를 유지관리하는 도로포장 유지관리 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 내장된 모듈형센서부를 보호하면서 시야와 채광을 제공하는 상부케이스와, 모듈형센서부의 회전범위 조절을 위한 모터가 구비된 하부케이스로 이루어진 센서 케이스부와;

측정 대상 포장도로 노면을 감지하는 초음파 센서와, 선택된 하나 이상의 보조센서를 조합할 수 있는 구조로 이루어지고, 수집된 노면 상태 측정 정보와 설치 지점의 위치 정보를 클라우드서버에 전송하도록 구성된 모듈형센서부와;

상기 센서케이스부를 지면으로부터 일정 높이로 이격시켜 지지하고, 각도를 조절하는 지지대부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기를 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 하부케이스의 모터는 모듈형센서부의 하부 보드와 축결합되어 회전범위 구간을 회전하도록 구성함으로써 모듈형센서부의 상부보드에 설치된 초음파 센서의 측정범위를 최대로 확보할 수 있도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 모듈형센서부는, 상부보드와 하부보드로 이루어진 복층구조로 이루어지고, 상부보드에는 측정 대상 포장도로 노면 상태를 센싱하는 초음파센서와, 보조센서가 설치되는 모듈형 센서 슬롯과, 차량 통과여부를 감지하는 모션센서와, 데이터 송·수신을 위한 저전력 무선통신 모듈과, 위치 정보를 생성하는 GPS 모듈과, 자체 전원 생성을 위한 태양전지가 설치되고, 하부보드에는 상기 초음파센서와 보조센서에서 생성된 측정 데이터, GPS 모듈(25)에서 생성한 위치데이터를 취합해 일정 시간별로 저전력 무선통신 모듈(24)을 통해 외부로 전송하도록 제어하는 중앙처리장치와, 태양전지에서 생성된 전기를 저장하는 충전지와, 상부보드와 하부보드간을 연결하는 상부보드 연결부가 설치되어 구성될 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 보조센서는 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 저전력 무선통신 모듈은 NB-IoT 또는 LoRa 방식일 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 지지대부는 지지대와, 지지대의 상부에 형성되어 각도조절과 고정기능을 구비한 힌지와, 지지대의 하부에 형성된 받침대로 구성될 수 있다.

본 발명은 다른 실시양태로,

포장도로를 따라 일정간격 또는 특정 지점에 하나 이상 설치되어 측정대상 도로포장면을 초음파센서와 보조센서를 조합하여 센싱 후 전송하는 상기 노면 상태 감지기와;

복수개의 노면 상태 감지기에서 무선 전송된 데이터를 인터넷 상의 클라우드서버에 전달하는 하나 이상의 중계기와;

노면 상태 감지기에서 전송된 데이터를 분석하여 포장도로의 훼손 여부를 판단하여 유지관리 업무를 수행하는 클라우드서버와;

상기 클라우드서버로부터 포장도로의 훼손이나 훼손가능 정보를 받아 처리하는 사용처 서버를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기를 이용한 도로포장 유지관리 시스템을 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 노면 상태 감지기는 중앙처리장치가 모션센서에서 동작 감지 신호가 없을 경우 초음파센서를 통해 측정한 도로면에 대해 측정한 Echo Pin의 시간 간격을 거리값으로 환산한 데이터, 보조센서가 측정한 데이터 및 위치데이터를 일정시간마다 저전력 무선통신 모듈을 통해 전송하도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 클라우드서버는 모듈형센서부의 초음파센서에서 전송된 측정 거리 데이터를 이용하여 각 거리마다의 Point Cloud Data로 전환하여 기준도로 면을 구성하는 과정과; 이후 최초로 구성된 기준도로 면 데이터를 기준으로 모듈형센서부에서 전송된 데이터가 규정된 오차 이상의 거리값이 발견되면 기준도로면과 다른 레이어의 도로 면을 작성하여 포트홀 또는 미끄럼방지포장면의 훼손 정보를 생성하는 과정을 수행할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 클라우드서버는 오차 이상의 거리값이 발견될 경우 보다 정확한 도면을 생성하기 위해 초음파센서와 노면과의 거리 데이터를 온도센서를 통한 기온 데이터로 보상하는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 모듈방식 비접촉식 센서를 포장도로의 노면 상태 정보가 필요한 장소마다 상시 또는 임시로 설치하여 포장도로에 발생한 포트홀 또는 마찰력 저하가 발생한 미끄럼방지 포장과 같은 불량 노면 상태 정보를 일정 시간별로 측정하고, 수집된 정보는 저전력 무선통신망을 통해 클라우드서버로 전송하여, 클라우드서버에서 알고리즘 분석을 통해 도로노면 상태의 훼손여부를 유지관리하고 이를 바탕으로 훼손이 발생할 경우 도로 유지보수 기관에 해당 정보를 알려 필요로 하는 보수가 진행되게 할 수 있다는 장점과,

또한 초음파센서 외에 추가적인 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 어느 하나를 더 조합하여 포트홀 또는 마찰력 저하 발생 전에 도로포장 상태의 저하를 감지하여 파손 전에 미리 도로 유지보수 기관에 알려 보수하도록 하여 경제적 손실을 감소시킬 수 있다는 장점과,

또한 초음파센서 외에 보조센서로 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 어느 하나 이상을 더 조합하여 겨울철과 같은 계절에 도로의 결빙이나 결빙 가능성 정보를 감지해 사고발생 위험성을 교통관제 기관에 전파함으로써 교통 사고 예방 기능을 제공할 수 있다는 장점과,

또한 노면 상태 감지기의 통신방식으로 저전력 장거리 통신인 NB-IoT 또는 LoRa 방식을 취함으로써 무선 통신가능 거리가 11~15km 정도여서 인터넷 접속을 위한 무선중계기를 촘촘하게 구성하지 않아도 되어 시스템 구축관리 비용이 적게 소요되고, 또한 가동을 위한 필요 전력도 태양전지를 이용 자체적으로 전원을 생성하여 독립적인 무인 작동이 가능하여 노면 상태 감지기의 유지보수 업무가 적어 관리인력이나 비용을 최소화 할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 분해 사시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 모듈형센서부의 회전 작동 예시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 케이스부의 회전 작동 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 시공 예시도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 시공 예시도이고,
도 6은 본 발명의 노면 상태 감지기를 이용한 도로포장 유지관리 시스템의 전체 시스템 구성도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 모듈형센서부의 회전 작동 예시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 케이스부의 회전 작동 예시도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 시공 예시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노면 상태 감지기의 시공 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 노면 상태 감지기(1)는, 내장된 모듈형센서부를 보호하면서 시야와 채광을 제공하는 상부케이스(11)와, 모듈형센서부의 회전범위 조절을 위한 모터(13)가 구비된 하부케이스(12)로 이루어진 센서 케이스부(10)와;

측정 대상 포장도로 노면을 감지하는 초음파 센서와, 선택된 하나 이상의 보조센서를 조합할 수 있는 구조로 이루어지고, 수집된 노면 상태 측정 정보와 설치 지점의 위치 정보를 클라우드서버에 전송하도록 구성된 모듈형센서부(20)와;

상기 센서케이스부를 지면으로부터 일정 높이로 이격시켜 지지하고, 각도를 조절하는 지지대부(30);로 이루어진다.

상기와 같은 구성을 가지는 노면 상태 감지기는 도로변 즉, 갓길(길어깨) 바깥쪽 및 시공 가능 구역에 설치되어 초음파 센서를 포함하는 센서들로 이루어진 모듈형 센서부가 측정 대상 도로노면을 일정 시간별로 측정하면서 포장도로에 발생한 포트홀(500) 또는 마찰력 저하가 발생한 미끄럼방지포장(600)과 같은 불량 노면 상태 정보를 감지하게 된다.

또한 노면 상태 감지기는 일정 거리마다 설치하는 것이 바람직하지만, 최소한 사고다발구간이나 미끄럼방지포장 구간 및 상습결빙 지역에 설치하는 것이 바람직하다.

이하 보다 상세하게 노면 상태 감지기(1)를 설명한다.

센서 케이스부(10)를 구성하는 상부케이스(11)는 반원구 형태의 투명재질로 구성된다. 투명한 반원구로 구성한 이유는 센서 케이스부(10) 내부에 장치된 모듈형센서부(20)의 각종 센서들이 도로면을 센싱시 불투명 재질로 구성시 노이즈나 감도 저하 등을 방지하면서 정밀한 측정이 이루어지도록 하기 위함이다. 또한 반원구를 투명재질로 구성한 이유는 채광을 통한 태양전지가 생산한 전기를 자체 전원으로 사용하여 구동되도록 함으로써 독립적인 무인 측정이 가능하도록 하기 위함이다. 이 때문에 외부 전원이 인가되지 않더라도 태양전지에서 발생된 전기와 이를 저장한 충전기의 전기를 사용하여 항시 안정적인 감지가 가능하게 된다. 반원구의 재질로는 경질재 투명 합성수지로 구성하는 것이 바람직하다.

센서 케이스부(10)를 구성하는 하부케이스(12)는 상부케이스(11)와 결합되어 일체를 이루게 구성되는데, 내부 공간에 모듈형센서부(20)가 얹혀져 설치된다.

또한 하부케이스는 모듈형센서부(20)가 얹혀진 부분부터 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 경사형 구조 즉, 역 고깔형 또는 역 원뿔형 형상을 가지게 구성하여 빗물등이 외부면을 따라 자연스럽게 흘러 내리도록 구성하였다. 또한 내부의 하부 중앙부에는 상부쪽으로 모터가 장치되어 모듈형센서부(20)의 하부를 이루는 원판형 보드의 중앙부와 모터 회전축이 결합되어 모듈형센서부를 필요한 각도로 회전시키도록 구성하였다. 이와 같이 회전구성을 구비함으로써 모듈형센서부(20)가 측정하고자 하는 포장도로면에 대한 영역을 극대화하기 위한 센서의 입사각을 최적화할 수 있도록 조절하게 된다. 모터의 구동전원은 모듈형센서부(20)의 충전기를 통해 공급하면 된다. 또한 모터의 회전 각도 조절은 모듈형센서부(20)를 조절하는 외부 클라우드 서버를 통해 제어할 수 있다.

또한 하부케이스의 하부에는 홈(도시생략)이 형성되어 지지대부(30)의 상부에 형성된 힌지가 체결되게 구성된다.

또한 하부케이스 하단부에는 온도센서 및 습도센서의 측정 값을 얻기 위해 일자형의 홈(도시 생략)을 내어 외부 온도·습도 값을 측정한다. 이와 같이 구성함으로써 측정값의 오류 발생 및 겨울철 결로 현상으로 내부 상부 투명 케이스에 물기가 발생하는 것을 예방하게 된다.

모듈형센서부(20)는 센서 케이스부(10)의 내부에 안치되어 구성되는데, 협소한 내부 공간 문제와 전체 크기를 최소화하기 위해 상부보드(B1)와 하부보드(B2)로 이루어진 복층구조로 구성하였다. 하부보드와 상부보드는 PCB보드로 인쇄회로가 미도시되었지만 하기에 설명되는 각 장치 구성들에 필요로 하는 구성들과 연결되어 데이터 또는 전원이 인가되게 구성됨은 물론이다.

상부보드(B1)에는 투명재질 반원구로 이루어진 상부케이스(11)를 통해 시야 및 채광이 확보된 상태에서 측정 대상 포장도로 노면 상태를 센싱하는 초음파센서(21)가 설치된다. 초음파센서는 모듈형센서부(20)의 하부보드와 축결합되어 모듈형센서부 전체를 회전시키는 모터가 하부케이스에 설치되어 일정 시간대 별로 한 번 측정시마다 모터가 최대각으로 회전하여 최대 회전 범위로 회전하게 되면서 초음파 측정 커버리지를 확보하면서 측정하게 된다.

또한 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 선택된 하나 이상의 보조센서가 설치되는 모듈형 센서 슬롯(22)이 설치된다.

또한 차량 통과시 초음파 센서 또는 보조센서가 작동하는 것을 방지하도록 차량 통과를 감지하는 모션센서(23)가 설치된다. 모션센서로는 적외선센서를 이용해 구성하면 충분하다. 적외선센서에 의한 모션감지 기술은 공지의 기술이므로 구체적인 작동원리 성명은 생략한다. 본 발명에서 중요한 것은 초음파센서 또는 다양한 보조센서를 이용해 센싱시 센싱의 신뢰성을 위해 모션센서가 차량을 감지시 해당 시간동안 측정을 하지 않도록 하여 데이터의 신뢰성을 높인 정보를 생성한다는 것이 중요하다.

또한 데이터 송·수신을 위한 NB-IoT 또는 LoRa 방식의 저전력 무선통신 모듈(24)이 설치된다. 이와 같은 NB-IoT 또는 LoRa 방식은 무선 통신가능 거리가 11~15km 정도여서 클라우드서버에 접속하기 위한 무선중계기와의 거리가 멀어도 안정적인 데이터 전송이 가능하게 되어 전체적인 설비비가 획기적으로 적어지게 된다.

또한 노면 상태 감지기가 설치된 지점의 위치 정보를 생성하는 GPS 모듈(25)이 설치된다. 클라우드 서버는 전송된 초음파 정보를 분석시 GPS 모듈(25)에서 전송된 위치정보를 이용해 해당 도로가 어디에 위치하는지를 확인할 수 있고, 이와 같은 도로지점 정보를 통해 도로 유지보수 기관이나 도로교통 기관에 해당 정보를 정확히 전달할 수 있게 된다.

또한 노면 상태 감지기의 작동을 위한 자체 전원 생성을 위해 태양광 발전을 위한 태양전지(26)가 설치된다. 태양전지는 본 발명에 따른 도로포장을 감시하기에 충분한 용량의 전기를 생산할 수 있으면 충분하다, 사용되는 태양전지는 다양한 상용 제품중에서 선택하면 된다.

하부보드(B2)에는 상부보드에 설치된 초음파센서와 보조센서에서 생성된 측정 데이터, GPS 모듈(25)에서 생성한 위치데이터를 취합해 일정 시간별로 저전력 무선통신 모듈(24)을 통해 외부로 전송하도록 제어하는 중앙처리장치(27)가 설치된다. 중앙처리장치(27)는 초음파센서 측정시 모션센서(23)의 정보에 따라 차량 통과 정보를 감지시 초음파 센서 또는 보조센서가 있을 경우 해당 측정을 멈추게 하거나 해당 시간의 정보를 유효한 정보로 취급하지 않도록 제어한다.

또한 태양전지(26)에서 생성된 전기 또는 사용하고 남은 여분의 전기를 저장하였다가 태양전지의 발전 효율이 떨어진 주간 또는 태양전지의 발전이 불가능한 야간에 안정적으로 전원을 공급해주는 충전지(28)가 설치된다.

또한 상부보드와 하부보드간을 연결하는 상부보드 연결부(29)가 설치된다.

지지대부(30)는 지지대(31)와, 이 지지대의 상부에 형성되어 각도조절과 고정기능을 구비한 힌지(32)로 구성된다. 지지대의 하부는 바람직하게는 앵커볼트 등의 고정구를 지면에 박을 경우 안정적으로 고정력을 제공할 수 있게 4각형 또는 다각형 또는 원판형 받침대(33)를 하부에 형성하여 구성하는 것이 좋다.

지지대의 주된 역할은 하중지지 역할과 함께 센서케이스부의 설치 높이를 지면과 일정높이로 이격시키기 위해 사용된다. 지지대가 일정 높이로 이격되면 센서케이스 내부에 장치된 모듈형센서부의 각종 센서들이 포장도로의 영역을 넓게 센싱할 수 있는 높이를 확보하게 된다.

또한 지지대 상부에 형성된 힌지(32)는 한 실시예로 볼마운트형 힌지로 구성되어 하부케이스에 삽입되어 체결된 후 하부케이스를 필요한 각도로 움직여 상하 각도를 조절한 후 레버 등의 고정부재를 회전시켜 잠그면 힌지의 움직임이 단속되어 특정 위치에서 각도가 고정되게 된다. 이와 같이 각도를 움직이게 되면 지지대의 높이와 함께 센서케이스 내부에 장치된 모듈형센서부의 각종 센서들이 포장도로의 영역을 넓게 센싱할 수 있는 각도를 확보하게 된다.

상기와 같이 구성된 노면 상태 감지기(1)는 모듈형센서부(20)의 메인 센서로 초음파 센서를 사용하고, 이를 보조하는 보조센서로 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 선택된 하나 이상을 조합하여 정밀한 도로노면 상태 측정이 가능하다.

먼저 초음파 센서(21)는 포트홀(500) 발생이나 미끄럼방지포장(600) 도로의 마찰력 저하 싱태를 감지하는 전술한 종래의 다양한 센서들과 달리 파장이 짧아 지향성, 직진성이 높아 데이터의 신뢰도가 높고, 전파속도가 일정(공기중 340m/s, 고체중 5000m/s 이상)하다는 점과, 주파수가 높을수록 빔의 분산각은 줄어들고 주파수가 낮을수록 투과력은 높아지고 멀리 전파한다는 점과, 투과매질(기체, 액체, 고체, 투명체, 불투명체)이 다양하고 액체와 고체의 경계면에서 반사, 굴절, 회절하는 성질을 이용하여 수집된 정보를 다른 센서 정보와 결합하여 알고리즘을 통한 분석을 통해 좀 더 정확한 데이터를 가공할 수 있다는 점, 그리고 철사, 로프, 체인, 가느다란 돌출봉 등 음파가 반사될 수 없는 가는 물체나 솜, 스펀지, 섬유, 눈 등 음파를 흡수하는 물체는 초음파로 감지할 수 없기에 도로 노면만의 상태 정보를 별도의 필터링 과정없이 신속하게 획득할 수 있다는 장점 때문에 메인 센서로 사용한다.

이러한 초음파 센서의 측정을 한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

중앙처리장치(27)가 초음파센서에 발진(Trigger)신호를 주면, 초음파센서의 트랜스미터(Transmiter)에서 40KHz 8 cycle의 Sonic burst를 발생시키고, Echo음을 초음파센서의 리시버(Receiver)에서 감지 한다.

중앙처리장치는 초음파 센서가 작동하여 음파가 물체에 부딪쳐 되돌아올 때까지의 시간을 측정함으로서 물체까지의 거리를 측정하게 된다. 음파는 15℃에서 초당 약 340m/s(거리 측정시 반드시 속도에 대한 정보 필요)이다.

중앙처리장치는 Echo Pin의 시간 간격을 측정하여 다음 식을 통해 거리값으로 환산하게 된다.

측정거리 = (ECHO Pin High Level 지속시간) × 음파속도(340m/sec)/2 (식)

이때 발생할 수 있는 입사각에 따른 초음파센서 측정값과 실제거리값 간의 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 문제는 하부보드와 연결된 모터를 사용하여 모듈형센서부(20)의 회전을 통해 보정하면 해결 된다.

한편, 본 발명은 메인 센서인 초음파센서 외에 모듈형 센서 슬롯(22)를 구비하여 다양한 보조센서를 추가하여 선택적으로 조합함으로써 보다 정밀하고 추가적인 도로상태 정보를 생성하도록 구성하였다.

모듈형 센서 슬롯(22)에 동시에 장착될 수 있는 보조센서의 개수는 필요한 목적에 따라 달라지는 것으로 특정한 개수가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

마찬가지로 모듈형 센서 슬롯(22)의 물리적 슬롯 개수가 본 발명을 한정하는 것이고, 이러한 모듈형 센서 슬롯(22)의 구성을 통해 다양한 보조센서를 선택하여 초음파센서와 조합하여 구성할 수 있다는 것이 중요한 기술적 사상으로 필요에 따른 모듈형 센서 슬롯(22)의 슬롯 개수가 많은 것을 사용하거나 복수개로 모듈형 센서 슬롯(22)를 구비하거나, 공간상의 문제일 경우는 하부보드에 추가적인 모듈형 센서 슬롯(22)을 구현하면 된다. 이때 하부에 장착되는 보조센서는 투명 재질 상부케이스의 유무가 필요하지 않은 센서를 장착하면 된다.

한 실시예로 본 발명에서는 보조센서를 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 선택된 하나 이상으로 조합할 수 있다. 이외에도 필요에 따라 추가적인 보조센서가 구비될 수 있음은 물론이다. 다만 상기 나열된 보조센서 개수로만 조합해서 구성해도 포트홀 발생이나 미끄럼방지 포장의 마찰력 저감 상태를 감지할 수 있고, 추가적인 도로상태 정보를 얻을 수 있어서 충분하다.

먼저, 보조 센서로 활용되는 온도센서는 실제 온도 측정 후 평균 기온에 따른 아스팔트 온도 변화 빅데이터를 활용하여 여름에는 타이어와 브레이크에 영향을 줄 수 있는 온도 도달 시 경고 및 아스팔트 파손 위험 온도 감지하고 겨울에는 결빙 가능한 온도인지 여부를 체크하게 된다.

또한 습도센서는 공기중 습도 함유량을 확인함으로써 여름에는 노면상의 미끄러움을 추정 할 수 있고, 겨울에는 노면 결빙의 위험도를 예측할 수 있다. 아스팔트 파손의 주요원인은 동결 융해이므로 여름과 겨울 온도 습도 데이터를 이용하면 아스팔트 강성이 얼마나 약해질지를 계산식으로 추정 가능하다. 따라서 이러한 습도센서를 통해 얻어진 데이터를 빅데이터로 활용하여 미연에 보수 및 보강할 수 있는 정보를 생설할 수 있게 된다.

그리고 충격감지센서는 도로의 급격한 하중이 발생할 시 노면의 강성이 약해지기 때문에 충격에 따른 피로하중을 추정 가능하게 된다.

따라서 초음파 센서에 보조센서를 선택 조합할 경우 터널의 진·출입구와 음지구간 등의 상습결빙지역일 경우 초음파센서 정보에 추가적으로 온도센서, 습도센서 및 충격센서 중에서 선택된 하나 이상의 보조센서 정보가 조합되면 보다 정밀하게 포트홀 발생 정보 뿐만 아니라 결빙지역을 파악하거나 예상할 수 있어서 신속한 정보전달 및 대응이 가능하다. 이로인해 본 발명에 따른 노면 상태 감지기(1)가 설치된 도로는 항시 안전한 유지 관리가 가능하게 된다.

또한 충격센서는 감지된 과적차량 정보를 단속 기관에 전파하는 센서로 활용할 수 있음은 물론이다.

도시된 도 4과 도 5처럼 본 발명에 따른 노면 상태 감지기(1)는 도로의 표준폭(도로시설 기준)기준 한 개 차로는 차로폭과 길어깨 포함 평균 5m 정도이기 때문에 5m 이상 측정이 가능한 초음파센서 특성상 설치가 필요한 지점의 도로 차선 수에 맞추에 일측면 또는 양측면 또는 중앙분리대를 포함하여 다양하게 설치하면 중첩된 촘촘한 센싱을 할 수 있다. 초음파센서의 측정 도달거리는 센서 성능에 따라 차이가 나므로 도로사정에 맞는 초음파센서를 사용하면 되므로 특정한 초음파센서의 도달거리가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

노면 상태 감지기(1)는 포장도로를 따라 일정 간격마다 설치하거나 사고가 자주 일어나는 곳 또는 미끄럼방지포장된 곳 처럼 측정이 꼭 필요한 지점에만 설치하여 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 노면 상태 감지기를 이용한 도로포장 유지관리 시스템의 전체 시스템 구성도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 도로포장 유지관리시스템은 포장도로를 따라 일정간격 또는 특정 지점에 하나 이상 설치되어 측정대상 도로포장면을 초음파센서와 보조센서를 조합하여 센싱 후 전송하는 노면 상태 감지기(1)와;

복수개의 노면 상태 감지기(1)에서 무선 전송된 데이터를 인터넷 상의 클라우드서버에 전달하는 하나 이상의 중계기(2)와;

노면 상태 감지기(1)에서 전송된 데이터를 분석하여 포장도로의 훼손 여부를 판단하여 유지관리 업무를 수행하는 클라우드서버(3)와;

상기 클라우드서버로부터 포장도로의 훼손이나 훼손가능 정보를 받아 처리하는 사용처 서버(4)를 포함하여 구성된다.

상기 클라우드서버(3)는 다음과 같은 과정을 통해 데이터를 분석해 포장도로면에 포트홀이 발생했는지 아니면 미끄럼방지포장의 마찰력 저감이 발생했는지 여부를 확인하여 포장도로의 훼손 여부를 분석하여 하게 된다.

먼저, 클라우드서버는 모듈형센서부(20)의 초음파센서(21)에서 측정한 시간 데이터를 거리 데이터로 환산한 측정 거리 데이터를 이용하여 각 거리마다의 Point Cloud Data로 전환하여 기준도로 면을 구성하는 과정을 수행한다. 각 도로별로 측정된 기준도로 면 값은 클라우드서버의 저장장치에 저장하여 참조값으로 관리한다.

이때 여러번의 측정 거리 데이터를 가지고 평균치를 산출한다.

클라우드서버는 일정 시간별로 초음파 센서가 측정한 시간 데이터를 거리 데이터로 환산한 데이터를 그 지점의 점(Point cloud data)으로 하여 이 점들을 삼각망으로 연결하여 면을 생성하는 알고리즘을 통해 면을 생성해내게 된다. 따라서 무수히 많은 좌표 데이터들이 모여서 공간적인 구성을 이루는 포인트 클라우드는 그 밀도가 높아지면 높아질 수록 점점 더 구체적인 데이터가 생성된다. 인터넷상의 클라우드 서버는 점 데이터들을 1분간 약 1500만개 이상 처리할 수 있다.

이후 최초로 구성된 기준도로 면 데이터를 기준으로 모듈형센서부(20)에서 전송된 데이터가 사전에 규정된 오차 이상의 거리값이 발견되면 기준도로면과 다른 레이어의 도로면을 작성하여 포트홀 또는 미끄럼방지포장면의 훼손 정보를 생성하는 과정을 가진다. 즉, 도로 파손시 파손 부분에 초음파가 부딪히면서 거리의 증가나 감소가 일어날시 이처럼 최초 산정한 평균값에서 허용치를 넘어가는 부분이 발생하면 알림이 뜨도록 구성할 수 있다.

또한 클라우드서버는 오차 이상의 거리값이 발견될 경우 보다 정확한 도면을 생성하기 위해 초음파센서(21)와 노면과의 거리 데이터를 온도센서를 통한 기온 데이터로 보상하는 과정을 가질 수 있다. 보상은 3cm까지 0.05mm로 한다.

상기에서 초음파는 지향각을 가지며, 센서 하나로는 모든 방향의 물체를 감지하지 못하기 때문에 여러 개의 초음파 센서를 사용하면 정밀한 포트홀 형상을 검출할 수 있게 된다.

한편 클라우드 서버는 노면 상태 감지기(1)의 모듈형센서부(20)에 선택적으로 장치된 센서가 온도센서나 습도센서일 경우 다양한 추가 데이터를 사용처 서버에 전송하게 구성할 수 있다.

기본적으로 온도센서나 습도센서는 초음파센서를 보조하여 온도에 따른 오차를 습득한 온도 데이터에 따라 보정하여 좀 더 정확한 포트홀 또는 미끄럼방지포장면의 훼손 여부를 검출하는 것이지만, 온도센서 및 습도 센서에서 전송된 대기 온도 데이터, 및 대기 습도 데이터로부터 노면 상태를 판정하며, 초음파센서의 정보와 통합하여 노면의 결빙 및 강우로 인한 미끄럼 예측에 도움을 줄 수 있다.

예를 들면 노면 표면 온도 데이터가 영하일 때, 대기 습도 데이터와 강우 판정 데이터가 미리 설정된 결빙 가능 환경 조건을 만족하면, 노면 표면 온도 데이터, 대기 온도 데이터, 및 대기 습도 데이터를 이용하여 미리 설정된 알고리즘을 실행하여, 실행 결과가 미리 설정된 결빙 판정 기준을 초과할 경우에 결빙 예상 판정 데이터를 생성하여 제공할 수 있다,

또한, 노면 표면 온도 데이터가 영상일 때, 대기 온도 데이터가 미리 설정된 결빙 가능 환경 조건을 만족하면, 노면 표면 온도 데이터, 대기 온도 데이터, 및 대기 습도 데이터로 미리 설정된 알고리즘을 실행하여, 실행 결과가 미리 설정된 결빙 판정 기준을 초과할 경우에 결빙 예상 판정 데이터를 생성할 수 있다.

상기 사용처 서버(4)는 도로 유지보수 기관이나 도로교통 기관의 서버로 클라우드서버(3)로부터 포트홀 발생 또는 미끄럼방지포장의 마찰력 저감과 같은 도로포장의 훼손정보나 훼손 가능 정보와 함께 GPS 정보를 함께 전송받게 되어 도로 유지보수 기관이나 도로교통 기관은 필요한 유지 보수 업무나 도로교통 관제 안내를 수행하게 된다.

상기와 같이 구성한 본 발명의 시스템은 긴 통신 커버리지를 가지는 노면 상태 감지기를 포장도로의 전구간 또는 필요한 지점만 설치 후, 저전력 무선통신모듈을 중계하는 인터넷 중계기를 통해 클라우드서버에서 일정 시간마다 측정된 데이터를 전송해 분석하게 구성되고, 분석에 따라 포장도로의 훼손이 검출되거나 발생이 예상되면 사용처 서버에 전송하여 해결토록 구성함으로써 항시 안전한 도로포장 상태를 유지하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(1) : 노면 상태 감지기 (2) : 중계기
(3) : 클라우드서버 (4) : 사용처 서버
(10) : 센서 케이스부 (11) : 상부케이스
(12) : 하부케이스 (13) : 모터
(20) : 모듈형센서부 (21) : 초음파센서
(22) : 모듈형 센서 슬롯 (23) : 모션센서
(24) : 저전력 무선통신 모듈 (25) : GPS 모듈
(26) : 태양전지 (27) : 중앙처리장치
(28) : 충전지 (29) : 상부보드 연결부
(30) : 지지대부 (31) : 지지대
(32) : 힌지 (33) : 받침대
(500) : 포트홀 (600) : 미끄럼방지포장
(B1) : 상부보드 (B2) : 하부보드

Claims (10)

1. 포장도로를 따라 일정간격 또는 특정 지점에 하나 이상 설치되어 측정대상 도로포장면을 센싱 후 전송하는 노면 상태 감지기에 있어서,
   내장된 모듈형센서부를 보호하면서 시야와 채광을 제공하는 상부케이스(11)와, 모듈형센서부의 상부보드에 설치된 초음파 센서의 측정범위를 최대로 확보하도록 모듈형센서부의 하부 보드와 축결합되어 회전 범위를 조절하는 모터(13)가 구비된 하부케이스(12)로 이루어진 센서 케이스부(10)와;
   측정 대상 포장도로 노면을 감지하는 초음파 센서와, 온도센서, 습도센서, 충격감지센서 중에서 선택된 하나 이상의 보조센서를 조합할 수 있는 구조로 이루어지고, 수집된 노면 상태 측정 정보와 설치 지점의 위치 정보를 클라우드서버에 전송하도록 구성된 모듈형센서부(20)와;
   상기 센서케이스부를 지면으로부터 일정 높이로 이격시켜 지지하고, 각도를 조절하도록 지지대(31)와, 지지대의 상부에 형성되어 각도조절과 고정기능을 구비한 힌지(32)와, 지지대의 하부에 형성된 받침대(33)로 구성된 지지대부(30);를 포함하여 구성되고,
   상기 모듈형센서부(20)는, 상부보드(B1)와 하부보드(B2)로 이루어진 복층구조로 이루어지되,
   상부보드(B1)에는 측정 대상 포장도로 노면 상태를 센싱하는 초음파센서(21)와, 하나 이상의 보조센서가 설치되는 모듈형 센서 슬롯(22)과, 차량 통과여부를 감지하는 모션센서(23)와; 데이터 송·수신을 위한 저전력 무선통신 모듈(24)과, 위치 정보를 생성하는 GPS 모듈(25)과; 자체 전원 생성을 위한 태양전지(26)가 설치되고,
   하부보드(B2)에는 상기 초음파센서와 보조센서에서 생성된 측정 데이터, GPS 모듈(25)에서 생성한 위치데이터를 취합해 일정 시간별로 저전력 무선통신 모듈(24)을 통해 외부로 전송하도록 제어하는 중앙처리장치(27)와, 태양전지(26)에서 생성된 전기를 저장하는 충전지(28)와; 상부보드와 하부보드간을 연결하는 상부보드 연결부(29)가 설치되어 구성되며,
   상기 중앙처리장치(27)는 모션센서에서 동작 감지 신호가 없을 경우 초음파센서가 도로면에 대해 측정한 Echo Pin의 시간 간격을 거리값으로 환산한 데이터, 보조센서가 측정한 데이터 및 위치데이터를 일정시간마다 저전력 무선통신 모듈을 통해 전송하도록 구성한 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 저전력 무선통신 모듈(24)은 NB-IoT 또는 LoRa 방식인 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기.
   
6. 삭제
7. 포장도로를 따라 일정간격 또는 특정 지점에 하나 이상 설치되어 측정대상 도로포장면을 초음파센서와 보조센서를 조합하여 센싱 후 전송하는 청구항 1 또는 청구항 5에 따른 노면 상태 감지기(1)와;
   복수개의 노면 상태 감지기(1)에서 무선 전송된 데이터를 인터넷 상의 클라우드서버에 전달하는 하나 이상의 중계기(2)와;
   노면 상태 감지기(1)에서 전송된 데이터를 분석하여 포장도로의 훼손 여부를 판단하여 유지관리 업무를 수행하는 클라우드서버(3)와;
   상기 클라우드서버로부터 포장도로의 훼손이나 훼손가능 정보를 받아 처리하는 사용처 서버(4)를 포함하여 구성하되,
   상기 클라우드서버는,
   모듈형센서부(20)의 초음파센서(21)에서 전송된 측정 거리 데이터를 이용하여 각 거리마다의 Point Cloud Data로 전환하여 기준도로 면을 구성하는 과정과;
   이후 최초로 구성된 기준도로 면 데이터를 기준으로 모듈형센서부(20)에서 전송된 데이터가 규정된 오차 이상의 거리값이 발견되면 기준도로면과 다른 레이어의 도로 면을 작성하여 포트홀 또는 미끄럼방지포장면의 훼손 정보를 생성하는 과정을 수행하는 과정과;
   오차 이상의 거리값이 발견될 경우 보다 정확한 도면을 생성하기 위해 초음파센서(21)와 노면과의 거리 데이터를 온도센서를 통한 기온 데이터로 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기를 이용한 도로포장 유지관리 시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 노면 상태 감지기(1)는 중앙처리장치(27)가 모션센서에서 동작 감지 신호가 없을 경우 초음파센서가 도로면에 대해 측정한 Echo Pin의 시간 간격을 거리값으로 환산한 데이터, 보조센서가 측정한 데이터 및 위치데이터를 일정시간마다 저전력 무선통신 모듈을 통해 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 노면 상태 감지기를 이용한 도로포장 유지관리 시스템.
9. 삭제
10. 삭제

Images