KR102091165B1 - 터널 균열 검사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촬영영상과 인공지능 알고리즘 기반의 균열검출 자동화 프로그램을 이용한 터널 균열 검사 장치에 관한 것으로서, 터널의 레일을 따라 이동하는 이동대차; 상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 촬영하는 다수개의 촬영장치; 상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 비추는 조명장치; 상기 이동대차의 위치를 획득하는 통신부; 터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝의 상태를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부에 의해 검출된 터널 라이닝 상태에 대한 각종 검출결과를 확인할 수 있는 출력부;를 포함하고, 상기 이동대차는, 상기 촬영장치 및 상기 조명장치가 장착된 장치장착부;를 포함하며, 상기 장치장착부는, 한 쌍의 세로프레임과, 한 쌍의 상기 세로프레임 사이에서 상기 세로프레임의 길이방향을 따라 상호 거리를 두고 이격된 다수개의 가로프레임으로 이루어진다.

Description

터널 균열 검사 장치{APPARATUS FOR INSPECTING TUNNEL CRACK}
본 발명은 터널 균열 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촬영영상과 인공지능 알고리즘 기반의 균열검출 자동화 프로그램을 이용한 터널 균열 검사 장치에 관한 것이다.
현재 우리나라는 세계 5번째 고속 철도 시대를 도약하며 전반적인 사회기반시설물들이 증가하면서 유지관리에 대한 관심이 점점 고조되고 있는 추세이다.
특히 전 국토의 70%정도가 산악지대로 최적의 선형조건을 고려한 설계의 불가피성과 맞물려 대단면 장대터널(터널 길이 1,000m 이상)의 수량은 급격하게 증가하고 있으며 예방차원 유지관리에 대한 관심도 상대적으로 증가되고 있는 실정이다.
현재의 유지관리는 시설물 안전관리에 관한 특별법에 정한 주기나 수준에 의해 점검 및 진단을 하며 이러한 과정에서 가장 중요한 기본조사인 외관조사는 육안에 의존하여 수행되고 있는 실정이다.
그러나 육안에 의한 조사는 작업자 주관에 의존하기 때문에 누락이나 오류로 인해 자칫 대형사고로 이어질 수 있으며 정밀하고 객관적인 점검결과가 필요한 실정이다.
특히, 터널 라이닝에 있어 균열의 진행성은 그 무엇보다도 중요한 사항으로 기존의 육안조사 결과로는 그 경향을 파악하는 것이 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해 터널 내부면의 외관을 촬영하여 터널에 발생한 이상을 계측하는 장치가 개발되었으나, 종래의 장치는 촬영한 영상을 분석할 때 초기 공사도면과 촬영된 사진만을 비교하여 균열을 분석하여 다른 잘못된 분석결과가 도출되었다.
따라서 보다 정확하게 터널에 발생한 균열을 분석할 수 있는 터널 균열 검사 장치 및 검사 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이에 따라, 차량, 기차, 지하철 등이 운행되는 터널을 스캐닝하기 위해서 영상을 활용한 방법과 레이저를 활용한 방법이 사용되고 있다.
이때, 영상촬영에 의한 영상을 활용한 방법은 터널의 크기 및 형상에 적합한 조명설비를 설치하고, 일정한 속도로 터널 라이닝 벽면을 라인카메라 또는 비디오카메라로 촬영하는 방식으로 구현된다.
또한, 레이저를 활용한 방법의 경우, 스캐너에 의한 스캐닝 결과를 통해 터널의 상태를 확인할 수 있다.
한편, 레이저를 활용한 경우, 정밀도는 다소 떨어지지만 터널의 내공변위 측정 및 건축한계선 확인에 적용이 가능하며, 반사강도의 터널의 형상적 특성을 이용하여 터널 라이닝 표면상에서 이상 개소가 위치하는 지점을 찾아낼 수 있다.
그러나 터널 라이닝 상에 위치하고 있는 미세 크랙에 대한 검측은 레이저에 의한 스캐닝으로는 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 촬영영상과 인공지능 알고리즘 기반의 균열검출 자동화 프로그램을 이용한 터널 균열 검사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 터널 균열 검사 장치는 터널의 레일을 따라 이동하는 이동대차; 상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 촬영하는 다수개의 촬영장치; 상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 비추는 조명장치; 상기 이동대차의 위치를 획득하는 통신부; 터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝의 상태를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부에 의해 검출된 터널 라이닝 상태에 대한 각종 검출결과를 확인할 수 있는 출력부;를 포함하고, 상기 이동대차는, 상기 촬영장치 및 상기 조명장치가 장착된 장치장착부;를 포함하며, 상기 장치장착부는, 한 쌍의 세로프레임과, 한 쌍의 상기 세로프레임 사이에서 상기 세로프레임의 길이방향을 따라 상호 거리를 두고 이격된 다수개의 가로프레임으로 이루어진다.
상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 조사하여 3차원 좌표 데이터를 획득하는 3D 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging); 및 상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝으로부터 상기 촬영장치 간의 거리를 측정하는 거리측정기;를 더 포함한다.
상기 촬영장치는, RGB카메라 또는 적외선 카메라 또는 다중분광카메라 또는 레이저라인스캐너 중 어느 하나로 이루어진다.
상기 이동대차는, 상기 장치장착부와 근접하게 배치되고, 작업자가 탑승하는 작업자탑승부; 상기 장치장착부와 상기 작업자탑승부를 지지하는 받침부; 및 상기 받침부의 하면에 장착되어 상기 장치장착부와 상기 작업자탑승부 및 받침부를 레일 따라 이동시키는 롤러부;를 더 포함한다.
상기 통신부는, 터널 라이닝 벽면에 상호 거리를 두고 이격되어 부착되는 RFID태그와 연동되어 상기 RFID태그로부터 송신된 터널의 식별정보를 수신하는 RFID리더기로 이루어진다.
상기 RFID 리더기는 상기 RFID 태그로부터 좌표 정보를 포함하는 식별 정보를 수신한다.
상기 검출부는, 마스크의 크기를 학습한 결과를 이용하는 가변 마스크 컨볼루셔널 신경망으로 이루어진다.
본 발명에 따른 터널 균열 검사 장치는 다수개로 이루어진 가로프레임에 촬영장치 및 조명장치가 각각 4 내지 10개가 장착됨으로써, 촬영장치와 조명장치 및 3D 라이다 등 이동대차에 장착된 각종 부품들이 터널 라이닝을 촬영 및 조사 할 때, 촬영장치 및 3D 라이다의 촬영 및 조사 영역이 상호 겹치는 것을 최소화 하고, 터널 라이닝을 빈틉없이 효율적으로 검사할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상판은 탑승자와 선반을 지지하여 이동대차의 이동 시, 작업자도 함께 이동 가능함으로써, 작업자의 승하차 반복이 줄어들어, 터널 라이닝의 결함을 조사하는 작업자의 작업효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 안전바는 긴 시간 동안의 작업에 의해 피로가 누적된 작업자가 기대어 쉴 수 있는 바, 작업자의 피로도를 낮추고, 낙상을 방지할 수 있어 작업자의 안전사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 거리측정기에 의해 측정된 결과에 따라 영상촬영장치 및 3D 라이다와 터널 라이닝 간의 거리를 조절할 수 있도록 함으로써, 거리측정기는 영상촬영장치 및 3D 라이다로부터 획득된 영상 데이터 및 3차원 좌표 데이터의 질을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
검출부는 유저의 개입 없이 알고리즘이 스스로 각각의 케이스 별로 신경망을 학습시키고, 신경망의 성능, 즉 정확도를 평가하며, 연산 비용을 최소화하기 위해 주어진 영상데이터의 일부(예: 10%)만 이용하여 신경망 학습 및 평가를 수행함으로써, 일부 데이터를 이용하여 최적의 값을 추출하고, 이를 이용하여 전체적인 검출 성능의 개선을 이끌어낼 수 있는 효과가 있다.
마스크 크기를 단계적으로 증가시킴에 따른 최소의 비용함수(Cost Function)를 가지는 케이스를 찾으며, 유저의 개입 없이 자동화, 최적화된 알고리즘에 의해 자동 처리됨으로써, 아키텍처 개발기간을 현저하게 단축 시킬 수 있는 효과가 있다.
각각의 미니배치(mini batch)를 복수의 GPU가 각각 연산하여, 각각의 미니배치에 대한 비용함수(Cost Function)를 빠르게 계산한 후 가중치를 업데이트함으로써, 신경망 학습 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 정면을 나타낸 정면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 측면을 나타낸 측면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터널 균열 검사 장치를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 사용상태를 나타낸 정면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 RFID를 활용한 터널 균열 검사 장치의 위치 정보 획득 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 GPU연산 기반 가변마스크 CNN구성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치장착부의 분해 상태를 나타낸 분해사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 정면을 나타낸 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 측면을 나타낸 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치는 이동대차(100)와 촬영장치(200)와 조명장치(300)를 포함한다.
이동대차(100)는 터널의 내부를 레일(R) 따라 이동하는 것으로서, 촬영장치(200)와 조명장치(300) 등 각종 구성들이 장착된다.
그리고, 이동대차(100)는 강재, 알루미늄, 강화플라스틱, 티타늄, 탄소섬유 등의 재질 중 어느 하나로 이루어진 것으로서, 강성이 높고 경량의 재질로 이루어짐이 바람직하다.
이러한 이동대차(100)는 장치장착부(110)와 작업자탑승부(120)와 받침부(130) 및 롤러부(140)를 포함한다.
장치장착부(110)는 촬영장치(200) 및 조명장치(300)가 장착된다.
그리고, 장치장착부(110)는 전체적으로 90도 내지 100도 이내의 각도를 갖는 부채꼴 형상으로 이루어진다.
한편, 본원발명에서는 장치장착부(110)를 부채꼴 형상으로 형성되는 것으로 설명하였지만, 이는 터널 내부의 형상 또는 사용환경에 따라 달리 할 수 있는 것으로서, 반원 형상 등 다양한 형상으로 이루어짐도 가능하다.
이러한 장치장착부(110)는 세로프레임(111)과 가로프레임(112)으로 이루어진다.
세로프레임(111)은 부채꼴 형상으로 이루어진 프레임으로써, 한 쌍으로 이루어져 상호 거리를 두고 이격되어 배치된다.
특히, 부채꼴로 이루어진 세로프레임(111)은 부채꼴의 곡면이 터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝의 결함을 검사하고자 하는 면 방향을 향하도록 배치된다.
이로 인해, 세로프레임(111)은 검사하고자 하는 터널 라이닝과 가깝게 배치됨으로써, 터널 라이닝의 균열 등 결함을 더욱 정확하게 검사할 수 있다.
한편, 세로프레임(111)은 부채꼴 형상으로 이루어짐으로써, 터널의 상행선 또는 하행선 중 어느 한쪽 방향만 검사할 수 있다.
따라서, 터널 라이닝의 전체면을 검사하기 위해서 터널의 상행선과 하행선에 이동대차(100)가 동시에 배치되어 터널의 전체면을 검사할 수 있다.
이러한 세로프레임(111)에는 조명장치(300)가 장착될 수 있다.
가로프레임(112)은 한 쌍의 세로프레임(111) 사이에 배치되어 한 쌍의 세로프레임(111)을 상호 연결한다.
그리고, 가로프레임(112)은 다수개로 이루어진 것으로서, 세로프레임(111)의 부채꼴 형상을 따라 상호 거리를 두고 이격되어 배치된다.
이러한 가로프레임(112)은 세로프레임(111) 사이에서 4내지 10개가 배치됨이 바람직하다.
그리고, 다수개로 이루어진 가로프레임(112)에는 촬영장치(200) 또는 조명장치(300) 등 각종 구성들이 장착될 수 있다.
이로 인해 가로프레임(112)은 촬영장치(200) 및 조명장치(300) 등 이동대차(100)에 장착된 각종 부품들이 터널 라이닝을 촬영 및 조사 할 때, 터널 라이닝을 빈틈없이 효율적으로 검사할 수 있다.
작업자탑승부(120)는 장치장착부(110)와 근접하게 배치되고 터널 라이닝의 균열 등 결함을 점검하는 작업자가 탑승하는 공간이다.
이러한 작업자탑승부(120)는 상판(121)과 선반(122) 및 안전바(123)를 포함한다.
상판(121)은 패널 형상으로 형성된 것으로서, 받침부(130)의 상부에 고정된다.
이러한 상판(121)은 탑승자와 선반(122)을 지지한다.
이로 인해 상판(121)은 이동대차(100)의 이동 시, 작업자도 함께 이동 가능함으로써, 작업자의 승하차 반복이 줄어들어, 터널 라이닝의 결함을 조사하는 작업자의 작업효율을 높일 수 있다.
선반(122)은 상판(121)의 상면에 고정되고, 상면에 터널 라이닝의 결함을 조사하는 각종 구성들이 안착될 수 있다.
안전바(123)는 상판(121)의 둘레에 고정되고, 상방향으로 연장된 것으로서, 작업자가 선택에 따라 기대어 쉴 수 있다.
예컨대, 작업자는 터널 내부, 특히 1,000m이상의 장대터널에서 긴 시간 동안 작업할 경우 피로가 누적되어 안전사고가 발생될 수 있다.
따라서, 안전바(123)는 긴 시간 동안의 작업에 의해 피로가 누적된 작업자가 기대어 쉴 수 있는 바, 작업자의 피로도를 낮추고, 낙상을 방지할 수 있어 작업자의 안전사고를 예방할 수 있다.
받침부(130)는 장치장착부(110)와 작업자탑승부(120)를 지지하는 것으로서, 이동대차(100)의 이동 시, 장차장착부와 작업자탑승부(120)도 함께 이동할 수 있도록 한다.
즉, 받침부(130)는 레일(R)의 상면에 배치된 상태로 레일(R) 위를 이동하는 것으로서, 받침부(130)의 폭은 상호 이격된 레일(R)의 폭보다 넓은 폭으로 이루어짐이 바람직하다.
롤러부(140)는 받침부(130)의 하면에 장착된 것으로서, 한 쌍의 레일(R)에 각각 걸쳐져 받침부(130)와 받침부(130)의 상면에 고정된 장치장착부(110) 및 작업자탑승부(120)를 레일(R) 따라 이동시킨다.
한편, 이동대차(100)는 작업자가 수동으로 이동시킬 수 있으나, 모터와 같은 동력장치를 이용하여 모터의 구동에 의한 이동도 가능하다.
촬영장치(200)는 비디오 신호 입력을 위한 것으로서, 다수개로 이루어지고, 이동대차(100)의 가로프레임(112)에 장착되어 이동대차(100)가 터널을 따라 이동할 때, 터널 라이닝을 촬영한다.
따라서, 촬영장치(200)는 터널 라이닝을 촬영하여 정지영상 또는 동영상 등의 영상 데이터를 획득한다.
한편, 촬영장치(200)는 사용환경에 따라 아날로그 방식의 카메라 또는 고해상도 디지털 카메라 중 어느 하나로 사용되고, RGB카메라 또는 적외선 카메라 또는 다중분광카메라 또는 레이저라인스캐너 중 어느 하나로 이루어진다.
특히, 레이저라인스캐너는 실물 또는 실제 환경으로부터 실물 또는 실제 환경의 형상이나 색깔을 디지털 데이터로 전환하는 것으로서, 다수개로 이루어지고, 이동대차(100)가 터널을 따라 이동할 때, 터널 라이닝을 조사하여 3차원 좌표 데이터를 획득한다.
이러한 레이저라인스캐너는 효율적인 3차원 위치정보 획득을 위해서 레이저 주사거리, 측정 정확도, 대상물의 규모, 스캐닝의 속도 등이 고려된다.
그리고, 레이저라인스캐너는 측정원리에 따라서 TOF, 위상변위, 삼각측량 방식 등으로 구별될 수 있다.
한편, 터널 내의 라이닝을 검사하는 경우 터널 내부가 어둡고 터널 내에 설치된 조명은 밝기 충분하지가 않아 촬영장치(200)가 영상 데이터를 획득하기에는 충분하지가 않다.
이를 위해 본 발명에서는 조명장치(300)를 포함한다.
조명장치(300)는 촬영장치(200)가 촬영하는 터널 라이닝을 비추는 것으로서, 이동대차(100)의 세로프레임(111) 또는 가로프레임(112) 중 어느 한 구성에 장착된다.
이러한 조명장치(300)는 촬영장치(200)의 영상 데이터 획득이 용이하도록 촬영장치(200)가 촬영하는 터널 라이닝을 비추도록 한다.
그리고, 조명장치(300)는 빛을 공급할 때 적절한 세기의 빛을 공급하기 위해 조도센서와 연동되어 빛의 세기를 결정할 수 있다.
즉, 조도센서의 감지 결과에 따라 터널 라이닝에 공급되는 빛의 세기가 크다면 조명장치(300)는 빛의 세기를 약하게 하고, 터널 라이닝에 공급되는 빛의 세기가 작다면 조명장치(300)는 빛의 세기를 강하게 비추도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터널 균열 검사 장치를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 사용상태를 나타낸 정면도이다.
도 4 내지 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가로프레임(112)에는 3D 라이다(400, LiDAR: Light Detection and Ranging), 통신부(500)와 검출부(600)와 출력부(700) 및 거리측정기(800)를 더 포함할 수 있다.
3D 라이다(400)는 이동대차(100), 즉 장치장착부(110)의 가로프레임(112)에 추가로 장착될 수 있는 것으로서, 이동대차(100)로부터 떨어져 있는 터널 라이닝을 조사하여 3차원 좌표 데이터를 획득한다.
이로 인해 가로프레임(112)은 촬영장치(200)와 조명장치(300) 및 3D 라이다(400) 등 이동대차(100)에 장착된 각종 부품들이 터널 라이닝을 촬영 및 조사 할 때, 터널 라이닝을 빈틈없이 효율적으로 검사할 수 있다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RFID 를 활용한 터널 균열 검사 장치의 위치 정보 획득 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 통신부(500)는 RFID를 활용하여 GPS음영 지역인 터널 내부에서 이동대차(100)의 위치를 획득하는 구성으로, 터널 라이닝 벽면에 배치되는 RFID 태그(510) 및 RFID태그(510)와 통신하고 이동대차(100)에 배치되는 RFID 리더기(520)를 포함한다.
RFID 리더기(520)는 RFID 태그(510)와 송수신하여 터널의 식별 정보를 획득하고, 식별 정보는 터널의 좌표정보와 방향정보와 교각번호 및 상하행선 등 터널에 대한 정보인 것으로, 상술한 정보 외에 다양한 정보를 더 포함할 수 있다.
RFID 태그(510)는 터널 라이닝 벽면에 일정 간격(예: 10미터 내지 100미터 간격)으로 부착되며, 터널명, 좌표정보, 방향 정보 등을 포함한다.
이 때, RFID 태그(510)로는 소용량의 배터리가 설치된 하이브리드형(battery aided passive) RFID 태그(510a) 또는 배터리가 포함되지 않는 수동형(passive) RFID 태그(510b)가 설치될 수 있으며, RFID 리더기(520)로는 하이브리드형 고주파 RFID 리더기(520a) 또는 수동형 고주파 RFID 리더기(520b)가 설치될 수 있다.
하이브리드형 고주파 RFID 리더기(520a)는 소용량의 배터리가 설치된 하이드리드형 RFID 태그(510a)와 통신하여, 터널명, 좌표정보, 방향 정보를 획득하고, 신호 송수신 시에는 하이브리드형 고주파 RFID 리더기(520b)의 전력이 대부분 사용되고, 하이브리드형 RFID 태그(510a)의 전력이 일부 사용된다.
이 때, 하이브리드형 고주파 RFID 리더기(520a)의 유효 거리는 약 5미터 내지 10미터 이내이며, 주파수 범위는 860 내지 930MHz이다.
수동형 고주파 RFID 리더기(520b)는 수동형 RFID 태그(510b)와 통신하여, 터널명, 좌표정보, 방향 정보를 획득하고, 신호 송수신 시에는 수동형 고주파 RFID 리더기(520b)의 전지의 전력을 사용한다.
이 때, 수동형 고주파 RFID 리더기(520b)의 유효 거리는 약 5미터 미만이고, 주파수 범위는 수백MHz 내지 수GHz이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이동대차(100)에는 하이브리드형 고주파 RFID 리더기(520a) 및 수동형 고주파 RFID 리더기(520b)가 함께 배치되고, 이들은 각각 전술한 바와 같이 터널 벽면에 부착된 하이브리드형 RFID 태그(510a) 및 수동형 RFID 태그(520b)와 각각 통신하여, 개별 이미지를 이용한 파노라마 이미지 생성 시, 이미지 획득 시점에서의 위치 정보를 정확하게 확인할 수 있도록 하여, 오류를 방지한다.
본 발명의 실시예에 따르면, RFID 리더기(520)는 별도 구동 수단에 의해 터널 라이닝 벽면 방향 또는 그 반대 방향으로 전진 또는 후진을 하여, RFID 태그(510)와의 이격 거리가 조절되는 것이 가능하다.
이 때, 전술한 전진 시의 RFID 리더기(520)의 이동 거리는 터널 라이닝 벽면과의 거리 정보에 기초하여 제어되며, 현재의 가용 전력 데이터를 고려하여 결정될 수 있고, RFID 리더기(520)는 다중 태그 패키지에 적합하도록 고주파를 활용하며 지향성 안테나를 포함한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 균열 검사 장치의 GPU 연산 기반 가변마스크 CNN 구성을 나타내는 도면이다.
검출부(600)는 도 5에 도시된 바와 같이 선반(122) 등에 배치된 것으로서, 터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝 상태를 검출한다.
검출부(600)는 터널 스캐닝을 통해 촬영된 영상을 활용하여 결함을 자동 검출하는 프로그램이 저장된 메모리와 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하여 구성된다.
이 때, 프로그램의 검출 엔진은 마스크(Kernel, Filter)의 크기를 스스로 학습하여 최상의 정확도를 도출하는 가변마스크 컨볼루셔널 신경망으로 구성되며, 컨볼루션 레이어의 커널 사이즈 중 해당 영상에 적합한 최적의 사이즈를 결정하고, 맥스풀링 레이어의 필터 사이즈 및 스트라이드 중 해당 영상에 적합한 최적의 필터 사이즈와 스트라이드를 결정한다.
검출부(600)는 촬영장치(200) 및 레이저라인스캐너를 통해 영상 데이터 및 3차원 좌표 데이터를 이용하여 터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝의 상태를 검출하는 것으로서, 선반(122)에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 검출부(600)는 가변 마스크 컨볼루셔널 신경망(CNN: CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORK)으로 이루어진다.
통상적으로 컨볼루셔널 신경망은 이미지 내 객체 인식에서 매우 뛰어난 성능을 보이는데, 객체의 종류가 다양하고 라벨 수가 많더라도 신경망의 레이어를 증가시키고 마스크의 크기와 개수를 늘리면 뛰어난 객체 인식 성능을 확보할 수 있다.
그러나, 컨볼루션 신경망이 높은 수준의 성능을 보이기 위해서는 마스크의 크기와 개수를 실험적으로 늘려가며 그와 대응되는 개수로 실험을 해아 하는데, 이는 개발기간이 과도하게 길어지고 최적의 성능을 얻는 수렴 과정을 보장하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 검출부(600)는 마스크 크기를 스스로 학습하여 최상의 정확도를 도출하는 가변마스크 컨볼루셔널 신경망으로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 가변마스크 컨볼루셔널 신경망은 컨볼루션 레이어의 마스크(Kernel) 크기를 기설정된 사이즈(예: 2×2, 3×3, 5×5)로 단계별로 증가시키고, 맥스풀링 레이어의 마스크(Filter) 크기를 기설정된 사이즈(예: 2×2, 3×3, 4×4)로 단계별로 증가시키고, 맥스풀링 레이어의 스트라이드(Stride) 간격을 기설정된 값(예: 2, 3, 4)로 단계별로 증가시키며, 레이블링을 이용하여 각 케이스 별로 검출 정확도를 측정한다.
전술한 예에 따르면, 총 27가지의 테스트 케이스가 발생되는데, 테스트 케이스의 수는 단계별로 증가시키는 사이즈의 개수에 의해 변동 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 검출부(600)는 유저의 개입 없이 알고리즘이 스스로 각각의 케이스 별로 신경망을 학습시키고, 신경망의 성능, 즉 정확도를 평가하며, 연산 비용을 최소화하기 위해 주어진 영상데이터의 일부(예: 10%)만 이용하여 신경망 학습 및 평가를 수행한다. 즉, 일부 데이터를 이용하여 최적의 값을 추출하고, 이를 이용하여 전체적인 검출 성능의 개선을 이끌어낸다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마스크 크기를 단계적으로 증가시킴에 따른 최소의 비용함수(Cost Function)를 가지는 케이스를 찾으며, 유저의 개입 없이 자동화, 최적화된 알고리즘에 의해 자동 처리되는 바, 종래 기술에 따른CNN에 비해 아키텍처 개발기간을 단축 시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 각각의 미니배치(mini batch)를 복수의 GPU가 각각 연산하여, 각각의 미니배치에 대한 비용함수(Cost Function)를 빠르게 계산한 후 가중치를 업데이트함으로써, 신경망 학습 속도를 향상시키는 것이 가능하다.
이러한 가변 마스크 컨볼루셔널 신경망으로 이루어진 검출부(600)는 학습 데이터로부터 영상 내 균열의 특성을 자동으로 추출해 획득된 터널 내 균열을 검출할 수 있다.
특히, 가변 마스크 컨볼루셔널 신경망으로 이루어진 검출부(600)는 육안으로 검출하여 작업자의 주관적인 판단이 개입됨으로서, 객관성이 떨어지는 종래의 육안조사방법에 비하여 신속하고 정확하게 터널 라이닝의 결함을 검출할 수 있다.
출력부(700)는 검출부(600)에 의해 검출된 터널 라이닝 상태에 대한 각종 검출결과를 청각 또는 시각 등으로 확인할 수 있는 것으로서, 검출부(600)를 통해 검출된 터널 라이닝의 결함정보를 미리 저정된 결함정보와 비교 분석하여 검출된 결과를 작업자에게 출력토록 한다.
이러한 출력부(700)는 청각 또는 시각 등으로 확인할 수 있는 것으로서, 음향 출력부와 디스플레이부로 이루어진다.
음향 출력부는 검출부(600)로부터 전달 받은 검출결과를 음향 신호로 출력하는 것으로서, 리시버, 스피커, 버저 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 디스플레이부는 검출부(600)로부터 전달 받은 검출결과를 영상 신호로 출력하는 것으로서, 액정 디스플레이, 박막 트랜지스터 액정 디스플레이, 유기 발광 다이오드, 플렉시블 디스플레이, 3차원 디스플레이 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 음향 출력부와 디스플레이부는 검출부(600)로부터 전달 받은 검출결과를 음향 신호 및 영상 신호로 각각 출력할 수 있다면, 상술한 구성 이외에 다른 구성으로 이루어짐도 가능하다.
한편, 터널 라이닝과 영상촬영장치(200) 사이의 거리가 멀수록 영상촬영장치(200)로부터 획득된 영상 데이터 및 3차원 좌표 데이터의 질이 떨어질 수 밖에 없다.
이를 위해 본 발명은 거리측정기(800)를 포함한다.
거리측정기(800)는 이동대차(100)에 장착되고, 터널 라이닝과 영상촬영장치(200)간의 거리를 측정하는 것으로서, 거리측정기(800)에 의해 측정된 결과에 따라 영상촬영장치(200)와 터널 라이닝 간의 거리를 조절할 수 있도록 한다.
이로 인해 거리측정기(800)는 영상촬영장치(200)로부터 획득된 영상 데이터 및 3차원 좌표 데이터의 질을 더욱 높일 수 있다.
이러한 거리측정기(800)는 레이저 또는 초음파센서 등으로 이루어진 것으로서, 영상촬영장치(200)와 터널 라이닝 간의 거리를 측정할 수 있다면 다양한 구성으로 이루어짐도 가능하다.
한편 본 발명의 일실시예에 따르면 장치장착부(110)는 일체형으로 이루어진 것으로 설명하였지만 다수개로 이루어짐도 가능하다.
이하에서는, 다수개의 모듈형으로 이루어진 장치장착부(100)에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치장착부의 분해 상태를 나타낸 분해사시도이다.
한편, 도 8에서 장치장착부(100)는 반원 형상으로 이루어진 것으로 도시하였지만, 전술한 도 1에서의 실시예와 같이 전체적으로 90도 내지 100도 이내의 각도를 갖는 부채꼴 형상으로 이루어짐도 가능하다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 장치장착부(110)는 촬영장치(200)와 조명장치(300) 및 3D 라이다(400)가 장착된다.
구체적으로 다수개의 장치장착부(110)에 촬영장지(200)와 조명장치(300) 및 3D라이다(400)를 모두 장착시킬 경우, 다수개의 장치장착부(110) 중 제1장치장착부(110a)에 조명장치(300)가 장착되고, 제1장치장착부(110a)로부터 근접하게 배치된 제2장치장착부(110b)에 촬영장치(200)가 장착된다.
그리고, 제2장치장착부(110b)로부터 근접하게 배치된 제3장치장착부(110c)에 조명장치(300)가 장착되고, 제3장치장착부(110c)로부터 근접하게 배치된 제4장치장착부(110d)에는 3D 라이다(400)가 장착되며, 제4장치장착부(110d)로부터 근접하게 배치된 제5장치장착부(110e)에는 조명장치(300)가 장착된다.
이로 인해 제2장치장착부(110b)에 장착된 촬영장치(200) 및 제4장치장착부(110d)에 장착된 3D 라이다(400)는 제2장치장착부(110b) 및 제4장치장착부(110d)의 양쪽에 각각 배치된 제1장치장착부(110a)와 제3장치장착부(110c) 및 제5장치장착부(110e)에 장착된 조명장치(300)에 의해 터널 내부의 어두운 곳에서도 터널 내의 라이닝을 명확하게 촬영할 수 있다.
또한, 상기와 같이 사용환경에 따라 촬영장치(200) 또는 3D 라이다(400)가 장착된 장치장착부(110)를 반복적으로 추가하여 사용할 수 있다.
이때, 촬영장치(200)와 3D 라이다(400) 사이에는 조명장치(300)가 배치됨으로써, 장치장착부(110)는 촬영장치(200) 및 조명장치(300) 및 3D 라이다(400) 등 이동대차(100)에 장착된 각종 부품들이 터널 라이닝을 촬영 및 조사 할 때, 촬영장치(200)의 촬영 및 조사 영역이 상호 겹치는 것을 최소화 하고, 터널 라이닝을 빈틈없이 효율적으로 검사할 수 있다.
이러한 다수개로 이루어진 장치장착부(110)는 상호 전자석 또는 볼트결합 방식으로 결합됨이 바람직하다.
이로 인해 다수개로 이루어진 장치장착부(110)는 신속하게 조립 및 해제하여 사용될 수 있다.
그리고, 다수개로 이루어진 장치장착부(110)는 전자석 또는 볼트결합방식으로 결합되어 사용환경에 따라 촬영장치(200) 또는 조명장치(300) 또는 3D 라이다(400) 중 일부를 추가하거나 삭제하여 사용될 수 있다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 터널 균열 검사장치는 상판(121)이 탑승자와 선반(122)을 지지하여 이동대차(100)의 이동 시, 작업자도 함께 이동 가능함으로써, 작업자의 승하차 반복이 줄어들어, 터널 라이닝의 결함을 조사하는 작업자의 작업효율을 높일 수 있다.
또한, 안전바(123)는 긴 시간 동안의 작업에 의해 피로가 누적된 작업자가 기대어 쉴 수 있는 바, 작업자의 피로도를 낮추고, 낙상을 방지할 수 있어 작업자의 안전사고를 예방할 수 있다.
아울러, 거리측정기(800)에 의해 측정된 결과에 따라 영상촬영장치(200) 및 3D 라이다(400)와 터널 라이닝 간의 거리를 조절할 수 있도록 함으로써, 거리측정기(800)는 영상촬영장치(200) 및 3D 라이다(400)로부터 획득된 영상 데이터 및 3차원 좌표 데이터의 질을 더욱 높일 수 있다.
그리고, 검출부(600)는 유저의 개입 없이 알고리즘이 스스로 각각의 케이스 별로 신경망을 학습시키고, 신경망의 성능, 즉 정확도를 평가하며, 연산 비용을 최소화하기 위해 주어진 영상데이터의 일부(예: 10%)만 이용하여 신경망 학습 및 평가를 수행함으로써, 일부 데이터를 이용하여 최적의 값을 추출하고, 이를 이용하여 전체적인 검출 성능의 개선을 이끌어낼 수 있다.
또한, 마스크 크기를 단계적으로 증가시킴에 따른 최소의 비용함수(Cost Function)를 가지는 케이스를 찾으며, 유저의 개입 없이 자동화, 최적화된 알고리즘에 의해 자동 처리됨으로써, 아키텍처 개발기간을 현저하게 단축 시킬 수 있다.
아울러, 각각의 미니배치(mini batch)를 복수의 GPU가 각각 연산하여, 각각의 미니배치에 대한 비용함수(Cost Function)를 빠르게 계산한 후 가중치를 업데이트함으로써, 신경망 학습 속도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 다수개로 이루어진 가로프레임(112)에 촬영장치(200) 및 조명장치(300)가 각각 4 내지 10개가 장착됨으로써, 촬영장치(200)와 조명장치(300) 및 3D 라이다(400) 등 이동대차(100)에 장착된 각종 부품들이 터널 라이닝을 촬영 및 조사 할 때, 촬영장치(200) 및 3D 라이다(400) 의 촬영 및 조사 영역이 상호 겹치는 것을 최소화 하고, 터널 라이닝을 빈틉없이 효율적으로 검사할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100: 이동대차 110: 장치장착부
111: 세로프레임 112: 가로프레임
110a: 제1장치장착부 110b: 제2장치장착부
110c: 제3장치장착부 120: 작업자탑승부
121: 상판 122: 선반
123: 안전바 130: 받침부
140: 롤러부 200: 촬영장치
300: 조명장치 400: 3D 라이다
500: 통신부 510, 510a, 510b: RFID 태그
520, 520a, 520b: RFID 리더기 600: 검출부
700: 출력부 800: 거리측정기
R: 레일

Claims (7)

  1. 터널의 레일을 따라 이동하는 이동대차;
    상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 촬영하는 다수개의 촬영장치;
    상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 비추는 조명장치;
    상기 이동대차의 위치를 획득하는 통신부;
    터널 라이닝의 균열 등 터널 라이닝의 상태를 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부에 의해 검출된 터널 라이닝 상태에 대한 각종 검출결과를 확인할 수 있는 출력부;를 포함하고,
    상기 이동대차는,
    상기 촬영장치 및 상기 조명장치가 장착된 장치장착부;를 포함하며,
    상기 장치장착부는,
    한 쌍의 세로프레임과, 한 쌍의 상기 세로프레임 사이에서 상기 세로프레임의 길이방향을 따라 상호 거리를 두고 이격된 다수개의 가로프레임으로 이루어지고,
    상기 통신부는 터널 라이닝 벽면에 상호 거리를 두고 이격되어 부착되는 RFID태그와 연동되어 상기 RFID태그로부터 송신된 터널의 식별정보를 수신하는 RFID리더기를 포함하고,
    상기 식별정보는 상기 터널 내 좌표정보 및 방향정보를 포함하고, 상기 RFID리더기는 터널 라이닝 벽면과의 거리 정보 및 가용 전력 데이터 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 RFID 태그와의 이격 거리가 조절되고,
    상기 검출부는 마스크의 크기를 학습한 결과를 이용하는 가변 마스크 컨볼루셔널 신경망으로 이루어지고, 상기 가변마스크 컨볼루셔널 신경망은 컨볼루션 레이어의 마스크의 크기를 단계별로 증가시키고, 맥스풀링 레이어의 마스크 크기를 단계별로 증가시키고, 맥스풀링 레이어의 스트라이드 간격을 단계별로 증가시키며, 레이블링을 이용하여 각 케이스 별로 검출 정확도를 측정하는 것
    인 터널 균열 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝을 조사하여 3차원 좌표 데이터를 획득하는 3D 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging); 및
    상기 이동대차에 장착되고, 터널 라이닝으로부터 상기 촬영장치 간의 거리를 측정하는 거리측정기;를 더 포함하는 것
    인 터널 균열 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촬영장치는,
    RGB카메라 또는 적외선 카메라 또는 다중분광카메라 또는 레이저라인스캐너 중 어느 하나로 이루어진 것
    인 터널 균열 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이동대차는,
    상기 장치장착부와 근접하게 배치되고, 작업자가 탑승하는 작업자탑승부;
    상기 장치장착부와 상기 작업자탑승부를 지지하는 받침부; 및
    상기 받침부의 하면에 장착되어 상기 장치장착부와 상기 작업자탑승부 및 받침부를 레일 따라 이동시키는 롤러부;를 더 포함하는 것
    인 터널 균열 검사 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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