KR102065435B1 - 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

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임병선
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Abstract

사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템은, 상기 사회기반시설물에 설치된 모니터링 센서에서의 제1 측정값을 포함하는 센서 데이터와, 상기 사회기반시설물에 설치된 환경 기상 센서에서의 측정값 및 외부와 연계된 환경 기상 정보를 포함하는 환경 기상 데이터를 모니터링 데이터로 수집하는 모니터링 데이터 수집부; 상기 센서 데이터를 중심으로 상기 모니터링 데이터 간의 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부; 상기 모니터링 센서에 대한 기초 정보를 획득하는 기초 정보 획득부; 상기 기초 정보에 따라 상기 상관관계 중 주요 상관요인을 선정하고, 상기 주요 상관요인과 상기 센서 데이터에 대한 회귀 분석을 수행하는 회귀 분석부; 상기 회귀 분석 결과에 기초하여 상기 모니터링 센서에 대한 임계치 범위를 설정하는 임계치 설정부; 및 상기 제1 측정값이 상기 임계치 범위를 벗어나는지 여부를 모니터링하는 모니터링 수행부를 포함할 수 있다.

Description

사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법{Infrastructure health monitoring system and method}
본 발명은 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
사회기반시설물(Infrastructure)은 각종 생산 활동의 기반이 되는 시설 혹은 해당 시설의 효용을 증진시키거나 이용자의 편의를 도모하는 시설 및 국민생활의 편익을 증진시키는 시설을 의미한다. 예컨대, 교량, 터널, 항만, 댐, 건축물, 옹벽, 절토사면 등이 사회기반시설물에 속할 수 있다.
이러한 사회기반시설물의 경우, 상당히 긴 수명을 가지고 있는 바, 노후화에 따른 안전관리 대책이 요구된다. 또한, 재난, 재해 등의 예방을 위해서도 사회기반시설물에는 다양한 모니터링 센서가 설치되며, 이들 센서의 측정값을 분석하여 노후화 정도를 분석하고, 체계적인 안전 관리가 이루어지게 할 수 있다.
도 1은 현재 센서 측정값에 대한 활용 상황을 나타낸 도면이다.
모니터링 센서에 의해 측정된 센서 측정값(원시 데이터)은 온도 보정과 같은 간단한 보정 및 물리량 변환을 통해 변환 측정값(물리량 데이터)으로 변환된다. 그리고 변환 측정값이 시간 변화에 따라 나열된 출력값 그래프로 표시될 수 있다.
하지만 이 경우 획득 정보의 연계 분석이 수행되지 않고 있어, 센서의 측정값에 대한 신뢰도가 확보되지 않은 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2019-0074271호 (공개일 2019년6월27일) - 데이터 처리 기능이 포함된 사물인터넷 기반의 시설물에 대한 원격 통합 관제 및 제어용 게이트웨이 단말장치
본 발명은 사회기반시설물에 설치된 안전성 및 건전성 모니터링 센서의 측정값뿐만 아니라 시설물에 설치된 환경 기상 센서의 측정값과 외부 연계를 통해 수집 가능한 환경 기상 정보를 함께 활용하여 환경 기상 정보와 모니터링 센서 측정값의 상관관계를 분석하고 기초 정보에 따른 회귀 분석을 통해 임계치를 설정함으로써 임계치 범위 초과 시 관리자에게 알려줄 수 있는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 유사 조건에 있는 안전성 및 건전성 모니터링 센서에 대해 비교 분석함으로써 해당 시설물의 안전성 및 건전성 여부 혹은 센서의 오류 여부에 대해 판정하고 관리자에게 알려줄 수 있는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 사회기반시설물의 건전성을 모니터링하는 시스템으로서, 상기 사회기반시설물에 설치된 모니터링 센서에서의 제1 측정값을 포함하는 센서 데이터와, 상기 사회기반시설물에 설치된 환경 기상 센서에서의 측정값 및 외부와 연계된 환경 기상 정보를 포함하는 환경 기상 데이터를 모니터링 데이터로 수집하는 모니터링 데이터 수집부; 상기 센서 데이터를 중심으로 상기 모니터링 데이터 간의 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부; 상기 모니터링 센서에 대한 기초 정보를 획득하는 기초 정보 획득부; 상기 기초 정보에 따라 상기 상관관계 중 주요 상관요인을 선정하고, 상기 주요 상관요인과 상기 센서 데이터에 대한 회귀 분석을 수행하는 회귀 분석부; 상기 회귀 분석 결과에 기초하여 상기 모니터링 센서에 대한 임계치 범위를 설정하는 임계치 설정부; 및 상기 제1 측정값이 상기 임계치 범위를 벗어나는지 여부를 모니터링하는 모니터링 수행부를 포함하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템이 제공된다.
상기 상관관계 분석부는 피어슨 상관관계 분석이 적용되어 상기 센서 데이터와 상기 환경 기상 데이터가 함께 변하는 정도와 상기 센서 데이터 및 상기 환경 기상 데이터가 각각 변하는 정도를 비교하여 상관성 정도를 상관계수로 도출해 낼 수 있다.
상기 기초 정보에는 상기 모니터링 센서의 설치 위치, 상기 설치 위치의 부재 정보, 상기 사회기반시설물의 종류, 상기 사회기반시설물의 위치 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
상기 회귀 분석부에서의 회귀 분석 결과 F(x, r) = dx이 도출되고, x는 센서 데이터, r은 상관계수, dx는 예상 변화량일 수 있다.
상기 임계치 설정부는 상기 센서 데이터가 정상적인 것으로 판정하는 상한과 하한 사이 구간을 임계치 범위로 설정하되, 높은 상관관계를 나타내는 상기 환경 기상 데이터의 변화량에 대해서는 상기 임계치 범위가 축소되고, 낮은 상관관계를 나타내는 상기 환경 기상 데이터의 변화량에 대해서는 상기 임계치 범위가 확장될 수 있다.
상기 모니터링 수행부는 사전 설정된 관리기준을 벗어나는 경우 무조건 경보를 수행하고, 상기 임계치 범위를 벗어나는 경우 선택적 경보를 수행할 수 있다.
상기 임계치 설정부는 동일 그룹에 속하는 타 사회기반시설물에 설치된 유사 조건의 모니터링 센서의 측정값에 대해 설정된 임계치 범위를 중첩시켜 다중 중첩된 범위를 상기 제1 측정값에 대한 임계치 범위로 설정할 수 있다.
상기 모니터링 수행부는 동일 그룹에 속하는 타 사회기반시설물에 설치된 유사 조건의 모니터링 센서의 제2 측정값들에 대해 물리적 위치의 인접성 정도, 설치 조건의 유사 정도에 따라 특정 공간 내에서 간격을 정하여 배치시키고, 상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값들에 대해 공간적으로 서브 그룹핑하여 보간 기법을 적용하여 상기 제1 측정값에 대한 검증을 수행할 수 있다.
상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값들에 대해 교차 검증 과정에서 이상값이 있을 것으로 판정된 센서 그룹을 이상 그룹으로 별도 추출하고, 상기 이상 그룹에 포함된 횟수에 따라 실제 이상 여부를 판정할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템에서 수행되는 모니터링 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체로서, 상기 사회기반시설물에 설치된 모니터링 센서에서의 제1 측정값을 포함하는 센서 데이터와, 상기 사회기반시설물에 설치된 환경 기상 센서에서의 측정값 및 외부와 연계된 환경 기상 정보를 포함하는 환경 기상 데이터를 모니터링 데이터로 수집하는 단계; 상기 센서 데이터를 중심으로 상기 모니터링 데이터 간의 상관관계를 분석하는 단계; 상기 모니터링 센서에 대한 기초 정보를 획득하는 단계; 상기 기초 정보에 따라 상기 상관관계 중 주요 상관요인을 선정하고, 상기 주요 상관요인과 상기 센서 데이터에 대한 회귀 분석을 수행하는 단계; 상기 회귀 분석 결과에 기초하여 상기 모니터링 센서에 대한 임계치 범위를 설정하는 단계; 및 상기 제1 측정값이 상기 임계치 범위를 벗어나는지 여부를 모니터링하는 단계를 포함하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법이 제공된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사회기반시설물에 설치된 안전성 및 건전성 모니터링 센서의 측정값뿐만 아니라 시설물에 설치된 환경 기상 센서의 측정값과 외부 연계를 통해 수집 가능한 환경 기상 정보를 함께 활용하여 환경 기상 정보와 모니터링 센서 측정값의 상관관계를 분석하고 기초 정보에 따른 회귀 분석을 통해 임계치를 설정함으로써 임계치 범위 초과 시 관리자에게 알려줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 유사 조건에 있는 안전성 및 건전성 모니터링 센서에 대해 비교 분석함으로써 해당 시설물의 안전성 및 건전성 여부 혹은 센서의 오류 여부에 대해 판정하고 관리자에게 알려줄 수 있는 효과도 있다.
도 1은 현재 센서 측정값에 대한 활용 상황을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템의 구성 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법의 순서도,
도 4는 모니터링 데이터의 종류를 나타낸 도면,
도 5는 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면,
도 6은 상관관계 분석 이후 임계치 설정까지의 과정을 나타낸 도면,
도 7은 임계치 범위가 설정된 예시도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템의 구성 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법의 순서도이며, 도 4는 모니터링 데이터의 종류를 나타낸 도면이고, 도 5는 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면이며, 도 6은 상관관계 분석 이후 임계치 설정까지의 과정을 나타낸 도면이고, 도 7은 임계치 범위가 설정된 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템(100)은 모니터링 센서의 측정값을 단독으로 시설물 건전성 모니터링에 활용하는 것이 아니라 환경 기상 데이터(환경 기상 센서의 측정값 및 외부에서 수집한 환경 기상 정보 중 하나 이상)를 연계하여 상관관계를 분석하고, 모니터링 센서의 설치에 관한 기초 정보에 따라 회귀 분석을 수행한 후 측정값의 임계치 범위를 설정하고, 설정된 임계치 범위에 따라 구조물(사회기반시설물)에 대한 건전성 모니터링을 수행하는 것을 특징으로 한다.
구조물 건전성 모니터링은 구조계의 손상이나 기능저하에 의해 나타나는 변화를 감지하는 현장 비파괴 센싱과 구조계 해석의 적용을 의미하며, 센싱과 해석시 구조 응답을 포함할 수 있다.
본 실시예에 다른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템(100)은 사회기반시설물에 대해 사후적 유지관리 관점에서 예방적 유지관리 관점으로 전략을 전환하는데 도움을 줄 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템(100)은 모니터링 데이터 수집부(110), 상관관계 분석부(120), 기초 정보 획득부(130), 회귀 분석부(140), 임계치 설정부(150), 모니터링 수행부(160)를 포함한다.
모니터링 데이터 수집부(110)는 사회기반시설물의 안전성 및 건전성을 모니터링하기 위해 필요한 데이터(이하 모니터링 데이터라고도 칭함)를 수집한다(단계 S200).
모니터링 데이터 수집부(110)에는 모니터링 센서와 환경 기상 센서가 포함될 수 있다.
모니터링 센서는 사회기반시설물에 설치되어 시설물의 안전성과 건전성을 판단할 수 있는 각종 데이터를 측정하는 센서이다. 예를 들어 모니터링 센서에서 계측되는 항목 및 물리량을 [계측항목-공학적 물리량]으로 표현하면, 활하중-차중/축중/속도/축거/교통량, 고정하중-긴장력/반력, 응력-변형률/응력/응력범위(피로)/균열, 가속도-진동가속도/(추정)장력, 속도-속도, 변위-처짐/형상/새그량/침하량, 경사-기울기, 신축-신축량, 부식-자연전위/저항 등이 포함될 수 있다.
환경 기상 센서는 사회기반시설물에 설치되며, 사회기반시설물에 영향을 미칠 수 있는 환경 기상에 관련된 항목을 계측한다. 예를 들어 환경 기상 센서에서 계측되는 항목 및 물리량을 [계측항목-공학적 물리량]으로 표현하면, 바람-풍향/풍속, 지진-지진동, 온도-부재온도, 기온-대기온도, 습도-상대습도, 풍향풍속-풍향/풍속, 강우-강우량, 강설-강설량, 가시거리-가시거리, 기압-기압, 염도-염도, 일조-일조량 등이 포함될 수 있다.
또한, 모니터링 데이터 수집부(110)는 사회기반시설물에 설치되지 않았지만, 외부 연계를 통해 수집 가능한 환경 기상 정보를 수집할 수도 있다. 환경 기상 정보에는 기상청 서버 혹은 웹사이트를 통해 사회기반시설물이 설치된 지역에 관한 기온, 습도, 강우, 강설 등의 정보가 포함될 수 있다.
환경 기상 센서의 측정값 및 외부에서 수집한 환경 기상 정보는 환경 기상 데이터로서, 모니터링 센서 측정값(센서 데이터)과 함께 지속적으로 획득(업데이트)될 수 있다.
모니터링 데이터 수집부(110)는 IoT(사물인터넷) 통신망을 통해 모니터링 데이터를 수집할 수 있다. IoT 통신망으로는 로라(LoRa, Long Range), LTE 기반의 협대역 사물인터넷(NB-IoT, Narrow-band IoT) 혹은 Z-wave, Zigbee, Wifi, Bluetooth 등의 저전력 장거리 기술(LPWA) 등이 있다.
상관관계 분석부(120)는 모니터링 데이터 수집부(110)에서 수집한 모니터링 데이터, 즉 모니터링 센서의 측정값, 환경 기상 센서의 측정값 및 외부 환경 기상 정보를 활용하여 각 데이터 간의 상관관계를 분석한다(단계 S205).
상관관계 분석에는 피어슨 상관관계 분석이 적용될 수 있다. X와 Y가 함께 변하는 정도와 X와 Y가 각각 변하는 정도를 비교함으로써 상관계수를 도출해 낼 수 있다. 본 실시예에서는 모니터링 센서의 측정값이 X가 되고, 환경 기상 데이터가 Y가 될 수 있다. 즉, 모니터링 센서의 측정값(X)의 변화에 대해 상관관계를 가지는 환경 기상 데이터(Y)를 수치적으로 분석해 낼 수 있다.
예를 들면, 도면에 도시된 것과 같이 상관관계 분석부(120)는 현재 분석대상이 되는 모니터링 센서의 측정값에 대해 온도는 강한 양의 상관관계를 가지고, 일조량은 약한 양의 상관관계를 가지며, 강설량, 염도는 약한 음의 상관관계를 가지고, 강우량은 강한 음의 상관관계를 가지는 것으로 분석할 수 있다.
상관관계 분석부(120)에서의 상관관계 분석 이후 상관성 정도(상관계수)가 도출될 수 있다.
기초 정보 획득부(130)는 사회기반시설물에 관한 기초 정보를 획득한다(단계 S210).
기초 정보로는 모니터링 센서의 설치 위치, 설치 위치 부재 정보, 시설물 종류, 시설물 위치 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
모니터링 센서의 설치 위치는 (1) 건물 실내, 관리 시설 내부 등과 같이 외부 환경 요인이 적은 내부, (2) 구조 부재 내부(교량 거더 박스 내부 등) 등과 같이 외부 환경 요인이 많은 내부, (3) 비가림, 차광, 보호 함체 내부 등과 같이 외부 환경 요인이 적은 외부, (4) 외기 노출 상태 등과 같이 외부 환경 요인이 많은 외부를 포함할 수 있다.
모니터링 센서의 설치 위치 부재 정보에는 철근 콘크리트, 강 구조물 등의 부재에 관한 내용이 포함될 수 있다.
시설물 종류에는 교량(현수교, 라멘교, 트러스트교, 아치교, 사장교 등), 터널(장대 터널, 침매터널, 해저터널, 하저터널 등), 건축물(초고층 빌딩, 고층 빌딩, 일반 빌딩 등), 옹벽 및 절토사면(보강사면, 비보강사면 등) 등이 포함될 수 있다.
시설물 위치에는 바닷가, 하천 인근, 공업단지 인근, 도심지 등이 포함될 수 있다.
회귀 분석부(140)는 기초 정보 획득부(130)에서 획득한 기초 정보에 기초하여 상관관계 분석부(120)의 결과 중 일부 혹은 전체를 주요 상관요인으로 선택하여 회귀 분석을 수행한다(단계 S215 및 S220).
회귀 분석 결과 다음과 같은 수학식이 도출될 수 있다.
[수학식 1]
F(x, r) = dx
x는 측정값, r은 상관계수, dx는 예상 변화량이다.
즉, 회귀 분석을 통해 모니터링 센서의 측정값(센서 데이터)과 연관 정보(환경 기상 데이터) 간의 예상 변화량을 산정할 수 있게 된다.
다만, 사회기반시설물의 기초 정보에 따라 상관계수가 높은 값을 나타낸 경우에도 회귀 분석에서는 배제될 수 있다. 이는 수치적으로는 높은 상관관계를 나타내지만, 실제로는 상관 관계가 없을 것으로 추정되는 요인들이 있을 수 있기 때문이다. 이러한 요인을 배제함으로써 모니터링 과정에서의 오류를 방지할 수 있게 된다. 예를 들어, A 센서에 대해 높은 상관관계를 갖는 요인이 a, b, c가 있는 경우, 선택적으로 a, b만 활용하고 c는 배제할 수 있다.
기초 정보에 기초한 주요 상관요인 선정은 다음과 같을 수 있다. 예컨대, 제1 모니터링 센서가 교량 위에 설치된 경우에는 일조량이 주요 상관요인으로 포함될 수 있다. 하지만, 제2 모니터링 센서가 교량 밑에 설치된 경우에는 항상 그늘에 위치하고 있어 일조량이 주요 상관요인으로 포함되지 않을 수 있다. 즉, 제1 모니터링 센서와 제2 모니터링 센서가 동일한 속성을 측정하는 동일 센서이고, 동일한 시설물에 설치되어 있지만, 그 설치위치와 같은 기초 정보에 따라 영향을 미치는 주요 상관요인은 달라질 수 있다.
임계치 설정부(150)는 회귀 분석 결과에 기초하여 해당 모니터링 센서의 측정값에 대한 임계치(Threshold, 쓰레스홀드)(임계치 범위)를 설정한다(단계 S225).
임계치 설정은 절대적인 값을 선정하는 것은 아니다. 해당 모니터링 센서에 대해 적정한 점검 기간 횟수 이내에 들어갈 수 있도록 정의하는 것이다.
임계치 범위는 해당 모니터링 센서의 측정값이 정상적인 것으로 판정할 수 있는 상한(Max) 및 하한(Min) 사이 구간을 나타낸다.
예를 들어, 현장에 설치된 지하 수위계의 경우 강우량 등과 밀접한 관계를 갖지만, 일반적인 경우 일간 변동량으로 임계치를 측정한다. 즉, 일반적인 경우에는 지하수위 변동 → 기준 이상 → 위험 상황 → 대응 으로 이어진다.
하지만, 본 실시예에서는 많은 강우량 → 지하수위 변동 → 기준 이상 → 위험 상황 → 상황 주시 → 대응 으로 그 프로세스가 변경될 수 있다. 이는 현장의 상황 변화 요인을 주시하고 있기 때문이다.
측정 시점마다 환경 기상 데이터 중 유의미한 상관관계를 가지는 상관요인에 의해 임계치 범위는 가변될 수 있다. 예컨대, 높은 상관관계를 나타내는 상관요인에 대해서는 해당 상관요인의 변화량에 따른 임계치 범위가 축소될 수 있다. 이는 상관관계가 높기 때문에 정확도도 같이 높아졌기 때문이다. 또한, 낮은 상관관계를 나타내는 상관요인에 대해서는 해당 상관요인의 변화량에 따른 임계치 범위가 확장될 수 있다.
따라서, 상관요인별 해당 모니터링 센서의 측정 예상값 범위를 임계치 범위로 설정하게 되고, 앞서 회귀 분석부(140)에서 선정된 상관요인에 대해 개별적으로 설정된 임계치 범위를 상관요인별로 적정한 가중치를 부여하여 조합함으로써 해당 모니터링 센서에 대한 최종 임계치 범위를 설정할 수 있게 된다.
모니터링 수행부(160)는 임계치 범위가 설정된 이후 모니터링 센서의 측정값이 임계치 범위를 벗어나는지를 모니터링한다(단계 S230). 임계치 범위를 벗어나는 경우 안전관리상 위험이 존재하는 것으로 간주하고, 관리자에게 미리 지정된 방식으로 알림을 제공할 수 있다. 예컨대, 관리자 단말로 경고 메시지를 전송하거나 스피커를 통해 경고음을 출력하거나 디스플레이를 통해 경고화면을 출력하여 관리자가 시청각으로 확인 가능하게 할 수 있다.
또한, 임계치 범위를 벗어나지 않더라도 해당 모니터링 센서에 대해 사전 설정된 관리기준(설계상 위험)을 벗어나는지를 모니터링하고, 관리기준을 벗어나는 경우에도 관리자에게 미리 지정된 방식으로 알림을 제공할 수 있다.
도 7을 참조하면, 임의의 모니터링 센서의 측정값(300)에 대해서는 파란색 영역(310)과 같이 임계치 범위가 설정될 수 있다. 여기에서는 설계 위험 기준을 초과하는 경우에는 무조건 경보가 수행되도록 기본 설정될 수 있다.
1 부분에서는 설계 위험 기준을 초과하고 쓰레스홀드를 초과하였는 바, 경보를 수행한다. 센서 측정값이 쓰레스홀드를 벗어난 상황으로 이상값의 가능성이 있다.
2 부분에서는 설계 위험 기준 이내이지만, 쓰레스홀드는 초과한 상태이다. 이 경우 경보 수행을 선택적으로 할 수 있다. 쓰레스홀드를 벗어났기 때문에 이상값의 가능성이 있다.
3 부분에서는 쓰레스홀드를 미초과이지만 설계 위험 기준을 초과한 상태이다. 이 경우에도 경보를 수행한다. 모니터링 센서에서는 정상적으로 측정된 것으로 판단할 수 있지만, 실제 이상이 있을 가능성이 있기 때문이다.
본 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템(100)은 클라우드 기반 시스템일 수 있다. 클라우드 플랫폼을 통해 데이터가 수집, 저장, 연계되고, SaaS를 통해 관리, 대응, 전파가 이루어질 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면이다.
전국적으로 사회기반시설물은 다수 개 존재하며, 유사조건에 있는 사회기반시설물들로 그룹핑할 수 있다. 이 경우 동일 그룹에 속하는 사회기반시설물들의 경우 물리적으로 인접하거나 차원적으로 인접한 주변 사회기반시설물에서의 측정값을 이용하여 임의의 사회기반시설물에서의 측정값을 검증할 수 있다.
도면에서는 물리적으로 인접한 다수의 교량을 가정하여 설명하기로 한다.
A 교량, B 교량, C 교량이 있을 때, 각 교량에는 유사한 조건에 설치된 모니터링 센서 a, b, c가 존재할 수 있다.
이 경우 a, b, c의 각 센서 측정값이 8, 10, 12라 가정한다.
A 교량의 a 센서에 대해 본 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법을 적용하여 임계치 범위를 설정할 경우, 7~11이 설정될 수 있다.
C 교량의 c 센서에 대해 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법을 적용하여 임계치 범위를 설정할 경우, 9~13이 설정될 수 있다.
이 경우 물리적으로 A 교량과 C 교량 사이에 위치한 B 교량에 대해서는 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법을 적용하지 않더라도, 그 측정값 10이 A 교량의 a 센서의 임계치 범위 7~11과 C 교량의 c 센서의 임계치 범위 9~13에 모두 포함되므로, 정상적인 측정값으로 판정할 수 있다.
이는 임의의 모니터링 센서에 대해 인접한 타 사회기반시설물의 유사 조건에 설치된 모니터링 센서의 임계치 범위를 중첩 적용하여 정상 여부를 판정할 수 있게 한다.
다수의 사회기반시설물이 존재하는 경우, 본 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법을 적용하면, 인접한 타 시설물의 모니터링 센서에 대해 설정된 임계치 범위를 중첩시켜 보다 정교한 임계치 범위를 만들어낼 수 있다. 예컨대, 앞선 예시에서 B 교량의 b 센서는 a 센서의 임계치 범위 7~11과 c 센서의 9~13에 모두 포함되는 9~11을 임계치 범위로 설정할 수 있을 것이다.
다수의 사회기반시설물에 대해 본 실시예에 같은 순차 검증을 수행할 때 이상이 발생된 사회기반시설물에 대해서는 그 인접한 구역에 대해 연속적으로 이상값이 도출될 수 있다. 이 경우 이상값의 도출에 모두 혹은 최대 관여한 모니터링 센서에 대해 이상값이 발생한 것으로 보고, 해당 모니터링 센서가 설치된 사회기반시설물의 관리자에게 알림을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 과정을 나타낸 도면이다.
동일 그룹에 속하는 사회기반시설물에 대해 유사 조건에 있는 모니터링 센서를 차원적으로 인접한 것으로 간주하고, 특정 공간에 임의로 배치시킬 수 있다. 물리적 위치의 인접성 정도, 설치 조건의 유사 정도 등에 따라 특정 공간 내에서 간격을 설정한다.
도면에서와 같이 모니터링 센서 S11, S12, S13, S14, S15가 배치된 경우, S13의 측정값은 공간적으로 서브 그룹핑된 S11과 S12를 이용하거나 S14와 S15를 이용하여 보간 기법을 적용하여 검증할 수 있다. 이 때 S11, S12, S14, S15와 S13 간의 간격을 d1, d2, d3, d4라 할 때, S13은 다음과 같이 계산될 수 있다.
S13(1) = (S11*d2 + S12*d1)/(d1+d2)
S13(2) = (S14*d4 + S15*d3)/(d3+d4)
S13의 측정값을 S13(1) 혹은 S13(2)와 비교함으로써 정상값인지 여부를 검증할 수 있다.
S13, S13(1), S13(2)를 상호 비교한 경우, S13(1)과 S13(2)가 오차 범위 이내에 있고 S13이 벗어나 있다면 S13이 이상값인 것으로 판정할 수 있다.
하지만, S13과 S13(1)이 오차 범위 이내에 있고, S13(2)가 벗어나 있다면 이 경우에는 S13이 이상값이 아니라 S13(2)를 계산하는데 이용된 S14 혹은 S15 중 어느 하나가 이상값인 것으로 판정할 수 있다.
이 경우 다른 센서에 대한 교차 검증 과정에서 이상값이 있을 것으로 판정된 센서 그룹을 이상 그룹으로 별도 추출하고, 이상 그룹에 포함된 횟수에 따라 실제 이상 여부를 판정할 수 있다. 혹은 이상 예상 센서 그룹에 대해서는 포괄적으로 관리자에게 알림을 제공하여 예방 차원에서 안전 관리 검사가 수행되게 할 수도 있을 것이다.
본 실시예들에 따른 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템
110: 모니터링 데이터 수집부
120: 상관관계 분석부
130: 기초 정보 획득부
140: 회귀 분석부
150: 임계치 설정부
160: 모니터링 수행부

Claims (10)

  1. 사회기반시설물의 건전성을 모니터링하는 시스템으로서,
    상기 사회기반시설물에 설치된 모니터링 센서에서의 제1 측정값을 포함하는 센서 데이터와, 상기 사회기반시설물에 설치된 환경 기상 센서에서의 측정값 및 외부와 연계된 환경 기상 정보를 포함하는 환경 기상 데이터를 모니터링 데이터로 수집하는 모니터링 데이터 수집부;
    상기 센서 데이터를 중심으로 상기 모니터링 데이터 간의 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부;
    상기 모니터링 센서에 대한 기초 정보를 획득하는 기초 정보 획득부;
    상기 기초 정보에 따라 상기 상관관계 중 주요 상관요인을 선정하고, 상기 주요 상관요인과 상기 센서 데이터에 대한 회귀 분석을 수행하는 회귀 분석부;
    상기 회귀 분석 결과에 기초하여 상기 모니터링 센서에 대한 임계치 범위를 설정하는 임계치 설정부; 및
    상기 제1 측정값이 상기 임계치 범위를 벗어나는지 여부를 모니터링하는 모니터링 수행부를 포함하고,
    상기 모니터링 수행부는 사전 설정된 관리기준을 벗어나는 경우 무조건 경보를 수행하고, 상기 임계치 범위를 벗어나는 경우 선택적 경보를 수행하는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 피어슨 상관관계 분석이 적용되어 상기 센서 데이터와 상기 환경 기상 데이터가 함께 변하는 정도와 상기 센서 데이터 및 상기 환경 기상 데이터가 각각 변하는 정도를 비교하여 상관성 정도를 상관계수로 도출해 내는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기초 정보에는 상기 모니터링 센서의 설치 위치, 상기 설치 위치의 부재 정보, 상기 사회기반시설물의 종류, 상기 사회기반시설물의 위치 중 적어도 하나가 포함되는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회귀 분석부에서의 회귀 분석 결과 F(x, r) = dx이 도출되고, x는 센서 데이터, r은 상관계수, dx는 예상 변화량인 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임계치 설정부는 상기 센서 데이터가 정상적인 것으로 판정하는 상한과 하한 사이 구간을 임계치 범위로 설정하되,
    높은 상관관계를 나타내는 상기 환경 기상 데이터의 변화량에 대해서는 상기 임계치 범위가 축소되고, 낮은 상관관계를 나타내는 상기 환경 기상 데이터의 변화량에 대해서는 상기 임계치 범위가 확장되는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 임계치 설정부는 동일 그룹에 속하는 타 사회기반시설물에 설치된 유사 조건의 모니터링 센서의 측정값에 대해 설정된 임계치 범위를 중첩시켜 다중 중첩된 범위를 상기 제1 측정값에 대한 임계치 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링 수행부는 동일 그룹에 속하는 타 사회기반시설물에 설치된 유사 조건의 모니터링 센서의 제2 측정값들에 대해 물리적 위치의 인접성 정도, 설치 조건의 유사 정도에 따라 특정 공간 내에서 간격을 정하여 배치시키고,
    상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값들에 대해 공간적으로 서브 그룹핑하여 보간 기법을 적용하여 상기 제1 측정값에 대한 검증을 수행하는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값들에 대해 교차 검증 과정에서 이상값이 있을 것으로 판정된 센서 그룹을 이상 그룹으로 별도 추출하고, 상기 이상 그룹에 포함된 횟수에 따라 실제 이상 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템.
  10. 사회기반시설물 건전성 모니터링 시스템에서 수행되는 모니터링 방법으로서,
    상기 사회기반시설물에 설치된 모니터링 센서에서의 제1 측정값을 포함하는 센서 데이터와, 상기 사회기반시설물에 설치된 환경 기상 센서에서의 측정값 및 외부와 연계된 환경 기상 정보를 포함하는 환경 기상 데이터를 모니터링 데이터로 수집하는 단계;
    상기 센서 데이터를 중심으로 상기 모니터링 데이터 간의 상관관계를 분석하는 단계;
    상기 모니터링 센서에 대한 기초 정보를 획득하는 단계;
    상기 기초 정보에 따라 상기 상관관계 중 주요 상관요인을 선정하고, 상기 주요 상관요인과 상기 센서 데이터에 대한 회귀 분석을 수행하는 단계;
    상기 회귀 분석 결과에 기초하여 상기 모니터링 센서에 대한 임계치 범위를 설정하는 단계; 및
    상기 제1 측정값이 상기 임계치 범위를 벗어나는지 여부를 모니터링하는 단계를 포함하는 사회기반시설물 건전성 모니터링 방법.
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