KR102116900B1 - 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전축(110)과, 상기 회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)를 준비하는 라이다 준비단계; 상기 라이다의 설치지점과 상기 터널의 내면의 다수의 지점 사이의 거리와 회전각을 측정하기 위하여, 상기 라이다(100)의 회전축(110)이 터널의 길이방향을 향함과 아울러, 상기 라이다(100)의 측정부(120)가 상기 터널의 측정대상단면(a)과 동일한 가상의 평면 상에서 회전하도록 상기 라이다(100)를 설치하는 라이다 설치단계; 상기 측정부(120)의 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군의 측정값이라 할 때, 상기 측정부(120)의 다수회전에 의해 다수의 상기 일군의 측정값을 획득하고, 상기 다수의 일군의 측정값을 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 측정값인 유효측정값과 다른 단면(b)에 대한 측정값인 무효측정값으로 구분하는 측정단계; 상기 유효측정값의 분석에 의해 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 내공변위를 산출하는 내공변위 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법을 제시함으로써, 측정장치의 설치 및 철거가 간편하고, 터널 내부의 시설물 설치에 대한 불편함을 최소화할 수 있도록 한다.

Description

라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법{MEASURING METHOD FOR DISPLACEMENT OF TUNNEL USING LiDAR}
본 발명은 건설 계측분야에 관한 것으로서, 상세하게는 터널의 내공변위 측정방법에 관한 것이다.
최근 사회 간접 자본의 확충을 위해 많은 공사가 진행되고 있으며, 이에 따라, 터널의 시공도 곳곳에서 진행되고 있다.
또한, 이러한 터널 시공은 과거와는 다른 새로운 공법들에 의해 많이 이루어지고 있다.
그러나 어떠한 공법을 사용하더라도 터널 공사 중에 문제가 될 수 있는 불확실한 요소들을 완전히 제거하는 것은 어려운데, 그러한 불확실한 요소 중 대표적인 것이 지질학적인 불확실성이다.
또한, 터널 노후화로 인해 터널의 내공 변위가 발생하는 경우 터널 구조의 붕락에 의한 대형 사고가 발생할 수 있는 문제점도 존재한다.
이와 같이, 터널도 일반 구조물과 같이 건설 후, 시간의 경과에 따라 노후하게 되며 개축 및 인접 구간에서의 다른 구조물의 건설로 인해 시공 당시의 역학적 조건과는 상이한 상황이 발생할 수 있다.
이러한 상황이 발생하게 되면 터널에 어떠한 영향을 미치게 되고, 그 정도에 따라서는 터널의 구조적인 안전에도 영향을 미치게 된다.
터널 계측은 터널 구조물의 시공 중뿐만 아니라 구조물 완공 후에도 지속적으로 수행됨으로써 시간 경과와 환경변화에 따른 구조물의 이상 및 변화 추이를 파악할 수 있게 하며, 결과 분석 단계를 거치면 구조물의 안전 유무도 판단할 수 있게 한다.
계측 위치는 구조물의 구조적, 재료적 취약부나 큰 외력 및 내부 응력 변화가 예상되는 곳, 또는 지장물이 근접하여 있거나 주변 지반이 열악한 구간 등을 사전에 조사, 분석하여 선정하는 것이 바람직하나 유지 관리 터널의 길이가 500미터를 넘는 경우는 이러한 문제 구간 외에 일반 구간도 계측에 포함시켜 계측을 수행하여 터널의 전체적인 안전성을 관리해 나가는 것이 일반적이다.
일반적으로 내공 변위 측정은 10 내지 30미터에서 이루어지고 특히 간격을 짧게 하는 지점으로는 갱구 부근, 지질이 바뀌는 곳, 시공 구분이 바뀌는 곳, 흙 피복이 얇은 곳(터널 지름의 2배 정도 이하), 지표가 기울어져 있는 곳, 지질상 약한 곳 등이 있다.
이와 같은 터널 내공 변위 측정은 터널의 라이닝 단면이 초기 계측된 단면에서 얼마나 변화되었는 지를 계측하는 것으로 계측 결과는 터널의 위험 여부를 판단하는 중요한 자료가 된다.
내공 변위 계측은 라이닝 단면을 따라 원호에 다수의 계측 센서를 일렬로 나열하여 개개의 센서들을 측정한 후 초기 측정값과 비교함으로써 이루어진다. 이때, 초기 측정값이란 측정 센서 설치 종료 후 측정 센서들이 안정되었을 때 이루어지는 최초 측정값을 의미한다.
도 1은 종래의 내공 변위 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 1에 의하면, 측정 장치는 길이 변화를 측정하기 위한 길이 변위 센서가 내장된 실린더(20)와 상기 실린더(20)의 일측에 부착되어 각도 변화를 측정하기 위한 각도 변위 센서(30)와 실린더(20)의 일측에 부착되어 길이변이에 따라 왕복 운동하는 피스톤(40), 상기 피스톤(40)이 설치된 실린더(20)의 타측에 고정되어 있는 피스톤(50)과 내공 변위 측정 장치를 라이닝 벽에 고정시키기 위한 고정 브라켓트(60, 도 2에 도시)를 포함한다.
이와 같이, 내공 변위 측정 장치는 길이 변위 센서가 내장된 실린더의 양 선단에 피스톤이 구성되며, 피스톤은 실린더에 고정되어 있고, 그 타측 선단에 구성된 피스톤은 길이 변화에 따라 왕복 운동을 하게 된다.
상기 길이변화 센서와 각도 변위 센서에서 생성한 값들을 이용하여 내공 변위를 측정한다.
도 2는 종래의 내공 변위 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이 고정 브라켓트(60)가 고정 볼트에 의해 라이닝 벽에 설치 고정되며, 고정 브라켓트(60)에 의해 형성된 고정홀을 통해 내공 변위 측정장치와 다른 내공 변위 측정 장치가 연결된다.
이와 같이, 순차적으로 나열된 내공 변위 측정 장치는 피스톤의 운동하는 거리에 따라 내부에 구성된 길이 변위측정 센서를 통해 길이 변화를 측정하며 외부에 부착된 각도 변위 측정 센서에 의해 각도 변화를 측정한다.
각 점의 기준 계측값(설치시 초기에 측정했던 측정값)과의 상대적인 변이, 즉, 두 센서를 통해 측정한 길이와 각도를 자동 계측 장치를 사용하여 계측을 하게 되며 이 상대적인 변이를 연산을 통하여 절대 변이로 바꿈으로써 초기 단면 대비 변이 단면을 산출하여 터널의 내공 변위를 측정하게 된다.
즉, 한 개의 바에 장착된 각도 변위 센서와 길이 변위 센서에 의해 각도 및 길이 변위를 동시에 측정하고, 측정한 값들을 삼각 함수를 이용하여 2차원 좌표로 변환하여 내공 변위를 산출한다.
도 3은 한국등록특허 제10-0821622호의 도면이다.
이 내공 변위 측정 장치(100)는 비접촉식 거리 측정부(110), 각도 측정부(120), 및 통신부(130)를 포함한다.
비접촉식 거리 측정부(110)는 구조물 상의 변위 측정 위치로부터의 거리를 비접촉식 거리 측정 장치를 이용하여 측정하고, 각도 측정부(120)는 변위 측정 위치와 상기 거리 측정부의 상대 각도를 측정한다.
비접촉식 거리 측정이란 측정 구간 양단에서 물리적인 접촉이 없이 거리를 측정하는 방식으로 레이저나 초음파를 이용한 거리 측정이 대표적인 예이다.
이는 내공 변위 측정을 위한 거리 측정을 비접촉식 거리 측정 장치를 이용하여 수행하므로, 내공 변위 측정 장치의 설치와 철거가 용이하고, 변형의 우려가 없으며, 길이 측정의 제한이 완화되고, 폐합 오차 보정이 가능해진다는 장점이 있다.
그런데, 상술한 종래의 내공변위 측정방법은 어느 경우나 복잡한 장치를 터널의 내면에 설치하는 것을 전제로 하므로, 터널의 굴착면 또는 라이닝 콘크리트의 벽면을 설치하고 철거하는데 불편함이 있다는 점, 유지관리 시에도 터널의 시설물의 설치에 장애가 된다는 점 등의 문제가 있었다.
위 종래기술의 도면부호는 당해 종래기술의 설명에 대하여만 한정되는 것으로 한다.
한국등록특허 제10-0821622호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 측정장치의 설치 및 철거가 간편하고, 터널 내부의 시설물 설치에 대한 불편함을 최소화할 수 있도록 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 회전축(110)과, 상기 회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)를 준비하는 라이다 준비단계; 상기 라이다의 설치지점과 상기 터널의 내면의 다수의 지점 사이의 거리와 회전각을 측정하기 위하여, 상기 라이다(100)의 회전축(110)이 터널의 길이방향을 향함과 아울러, 상기 라이다(100)의 측정부(120)가 상기 터널의 측정대상단면(a)과 동일한 가상의 평면 상에서 회전하도록 상기 라이다(100)를 설치하는 라이다 설치단계; 상기 측정부(120)의 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군의 측정값이라 할 때, 상기 측정부(120)의 다수회전에 의해 다수의 상기 일군의 측정값을 획득하고, 상기 다수의 일군의 측정값을 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 측정값인 유효측정값과 다른 단면(b)에 대한 측정값인 무효측정값으로 구분하는 측정단계; 상기 유효측정값의 분석에 의해 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 내공변위를 산출하는 내공변위 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법을 제시한다.
상기 측정단계는, 상기 라이다(100)의 회전축(110)에 장착된 기울기센서를 이용하여, 상기 회전축(110)의 기울기가 미리 설정된 허용범위 이내에 있는 경우의 상기 측정값만을 상기 유효측정값으로 구분하는 것이 바람직하다.
상기 측정단계는, 상기 터널의 측정대상단면(a)의 하나 이상의 지점에 타겟(10)을 설치하고, 상기 타겟(10)에 대한 측정값이 포함된 상기 일군의 측정값만을 상기 유효측정값으로 구분하는 것이 바람직하다.
상기 측정단계는, 상기 터널의 측정대상단면(a)의 하나 이상의 지점에 수광센서(20)를 설치하고, 상기 수광센서(20)에 의해 상기 측정부(120)의 레이저 송신이 확인된 상기 일군의 측정값만을 상기 유효측정값으로 구분하는 것이 바람직하다.
상기 측정단계는, 상기 라이다(100)의 측정부(120)에 의해 송수신되는 레이저가 상기 측정부(120)의 회전궤적을 따라 관통할 수 있는 얇은 틈(131)을 가진 커버(130)를 준비하는 단계; 상기 커버(130)를 상기 라이다(100)에 씌우고 상기 측정부(120)를 회전시키면서 측정하여, 상기 커버(130)의 내면에 반사된 측정값이 포함된 상기 일군의 측정값은 상기 무효측정값으로 구분하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 내공변위 산출단계는, 상기 터널의 측정대상단면(a)의 특정지점(A)의 변위를 측정하기 위한 상기 측정부(120)의 회전수인 N값을 미리 설정하는 단계; 상기 특정지점(A)의 1차 측정을 위하여, 상기 측정부(120)의 1회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 1회 가상의 측정값을 산출하는 1회 가상의 측정값 산출단계; 상기 측정부(120)의 2회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 2회 가상의 측정값(A2)을 산출하는 2회 가상의 측정값 산출단계; 상기 측정부(120)의 상기 설정된 회전수인 N회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 N회 가상의 측정값을 산출하는 N회 가상의 측정값 산출단계; 상기 1회 가상의 측정값 내지 N회 가상의 측정값을 평균하여 상기 특정지점(A)에 대한 1차 측정값(A1)으로 산출하는 특정지점 가상의 측정값 산출단계; 시간 경과 후, 상기 1회 가상의 측정값 산출단계 내지 특정지점(A) 가상의 측정값 산출단계를 반복하여, 상기 특정지점(A)에 대한 2차 측정값(A2)을 산출하고, 상기 1차 측정값(A1)과 2차 측정값(A2)의 차이값에 의해 상기 특정지점(A)의 변위를 산출하는 변위 산출단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 라이다 설치단계는, 상기 터널 내부의 복수의 단면을 상기 측정대상단면(a)으로 하기 위하여, 상기 라이다(100)가 상기 터널의 길이방향을 따라 왕복구동이 가능하도록, 라이다 구동부(200)를 설치하는 단계;를 더 포함하고, 상기 측정단계 및 내공변위 산출단계는 상기 라이다 구동부(200)에 의해 위치가 이동된 상태의 상기 라이다(100)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 측정장치의 설치 및 철거가 간편하고, 터널 내부의 시설물 설치에 대한 불편함을 최소화할 수 있도록 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법을 제시한다.
도 1은 종래의 내공 변위 측정 장치를 도시한 도면.
도 2는 종래의 내공 변위 측정 시스템을 도시한 도면.
도 3은 한국등록특허 제10-0821622호의 도면.
도 4 이하는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로서,
도 4는 측정방법의 제1 실시예의 원리에 관한 개념도.
도 5는 측정방법의 제2 실시예의 원리에 관한 개념도.
도 6은 커버의 사시도.
도 7은 측정방법의 제3 실시예의 원리에 관한 개념도.
도 8은 측정방법의 제4 실시예의 원리에 관한 개념도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 4 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 터널의 내공변위 측정방법은 다음과 같은 공정에 의해 이루어진다.
회전축(110)과, 회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)를 준비한다.
라이다(LiDAR: Light Detection And Range)란, 레이저를 발사하여 목표물에 의해 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간에 의해 목표물과의 거리와 회전각을 측정하는 장치를 말한다.
회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)는 그 회전축(110)과 직교하는 가상의 평면 상에 위치한 다수의 목표지점과의 거리와 회전각을 측정할 수 있다.
이러한 라이다의 설치지점과 터널의 내면의 다수의 지점 사이의 거리와 회전각을 측정하기 위하여, 라이다(100)의 회전축(110)이 터널의 길이방향을 향함과 아울러, 라이다(100)의 측정부(120)가 터널의 측정대상단면(a)과 동일한 가상의 평면 상에서 회전하도록 라이다(100)를 설치한다.
이와 같이 설치된 라이다(100)는 상술한 원리에 의해, 그 회전축(110)과 직교하는 가상의 평면(측정대상단면(a)) 상에 위치한 다수의 지점(a1, a2, a3)과의 거리와 회전각(Θ1,Θ2)을 측정할 수 있다(도 4).
측정부(120)의 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군(一群)의 측정값이라 할 때, 측정부(120)의 다수회전에 의해 다수의 일군의 측정값을 획득하고, 다수의 일군의 측정값을 터널의 측정대상단면(a)에 대한 측정값인 유효측정값과 다른 단면(b)에 대한 측정값인 무효측정값으로 구분한다.
본 발명은 계측에 관한 것이므로 상당한 정밀도를 요구하는 것이고, 터널의 폭은 상당히 넓으므로, 라이다(100)의 기계적 오차(회전축(110)의 흔들림 등)가 발생하면, 터널의 측정대상단면(a)과 다른 단면(b1,b2)에 대한 측정값이 발생한다는 문제가 있다(도 5).
라이다(100)의 측정부(120)는 고속으로 회전하면서 다수의 지점에 대한 거리와 회전각을 측정하는데, 그 측정부(120)의 다수의 회전 중 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군(一群)의 측정값이라 한다면, 그 측정부(120)의 회전수 만큼의 다수의 일군의 측정값이 얻어지게 된다.
이러한 다수의 일군의 측정값 중에는 측정의 목표로 설정된 터널의 측정대상단면(a)의 궤적을 따라 회전하면서 측정한 경우에 관한 일군의 측정값(유효측정값)이 대부분이겠지만, 위 라이다(100)의 기계적 오차로 인하여 이와 다른 단면(b1,b2)의 궤적을 따라 회전하면서 측정한 경우에 관한 일군의 측정값(무효측정값)이 발생할 수 있다.
따라서 정확한 내공변위의 측정을 위하여, 라이다(100)의 측정부(120)가 정확히 터널의 측정대상단면(a)의 궤적에 관한 일군의 측정값만을 유효측정값으로 하여 내공변위 산출에 반영하고, 오차로 인하여 다른 단면(b1,b2)의 궤적에 관한 일군의 측정값은 무효측정값으로 하여 제외한다.
요컨대, 라이다(100)는 특정 궤적을 따라 고속으로 회전하면서 그 궤적에 해당하는 다수의 지점과의 거리와 회전각을 측정하는 장치이므로, 그 궤적이 올바르면 그 궤적에 따라 측정된 모든 측정값(일군의 측정값)을 신뢰할 수 있지만, 반대로 그 궤적이 올바르지 않다면 그 궤적에 따라 측정된 모든 측정값(일군의 측정값)을 신뢰할 수 없다.
본 발명은 이러한 라이다(100)의 특징을 고려하여, '일군의 측정값'이라는 개념을 도입하고, 다수의 '일군의 측정값' 중 신뢰할 수 있는 '일군의 측정값'만을 유효측정값으로 하여 내공변위 산출에 반영하는 것을 특징으로 한다.
시간을 두고 반복하여 위와 같은 다수의 유효측정값을 획득하고, 그 유효측정값의 분석에 의해 터널의 측정대상단면(a)에 대한 내공변위를 산출한다.
이하, 유효측정값의 구분을 위한 구체적 실시예에 대하여 설명한다.
첫째, 라이다(100)의 회전축(110)에 장착된 기울기센서를 이용하여, 회전축(110)의 기울기가 미리 설정된 허용범위 이내에 있는 경우의 측정값만을 유효측정값으로 구분할 수 있다.
상술한 측정오차의 대부분은 라이다(100)의 회전축(110)의 기울기(흔들림)에 의해 발생할 것이므로, 이에 대하여 기울기센서(가속도센서 등)를 장착하고, 그로부터 회전축(110)의 기울기 여부를 감지하도록 한 것이다.
둘째, 터널의 측정대상단면(a)의 하나 이상의 지점에 타겟(10)을 설치하고, 타겟(10)에 대한 측정값이 포함된 일군의 측정값만을 유효측정값으로 구분할 수 있다.
터널의 측정대상단면(a)의 궤적 중 하나 또는 2 이상의 지점에 타겟(10)을 설치하는 경우, 다수의 일군의 측정값 중에 위 타겟(10)에 대한 측정값이 포함되었는지 여부를 확인할 수 있고, 그 확인 결과 위 타겟(10)에 대한 측정값이 포함되어 있는 일군의 측정값만을 유효측정값으로 구분할 수 있는 것이다.
타겟(10)은 터널의 측정대상단면(a)의 궤적에 해당하는 내면과 차별되는 측정값이 나오도록 하는 구조(예컨대, 터널의 내면에 비해 돌출된 구조 등)로 설치함으로써, 라이다(100)의 일군의 측정값 중 타겟(10)에 대한 측정값이 포함되어 있는지 여부를 쉽게 알 수 있다.
셋째, 터널의 측정대상단면(a)의 하나 이상의 지점에 수광센서(20)를 설치하고, 수광센서(20)에 의해 측정부(120)의 레이저 송신이 확인된 일군의 측정값만을 유효측정값으로 구분할 수 있다.
수광센서(20)는 라이다(100)에서 발사된 레이저를 감지할 수 있는 센서이므로, 수광센서(20)가 레이저를 감지했다는 것은 그 수광센서(20)가 설치된 단면의 궤적을 따라 측정부(120)가 회전하면서 측정했다는 의미가 되므로, 유효측정값으로 구분할 수 있는 것이다.
라이다(100)의 측정부(120)의 회전(측정) 시간을 기록하고, 수광센서(20)의 수광 시간을 기록하여, 이들을 비교하면 라이다(100)의 다수의 일군의 측정값 중 어느 일군의 측정값이 유효측정값에 해당하는지 여부를 확인할 수 있다.
넷째, 라이다(100)의 측정부(120)에 의해 송수신되는 레이저가 상기 측정부(120)의 회전궤적을 따라 관통할 수 있는 얇은 틈(131)을 가진 커버(130)를 준비하고, 그 커버(130)를 라이다(100)에 씌운 후, 측정부(120)를 회전시키면서 측정하여, 커버(130)의 내면에 반사된 측정값이 포함된 일군의 측정값은 무효측정값으로 구분할 수 있다(도 6).
즉, 커버(130)의 얇은 틈(131)을 관통하여 터널의 측정대상단면(a)을 제대로 측정한 일군의 측정값만을 유효측정값으로 구분하고, 커버(130)의 얇은 틈(131)을 관통하지 못함에 따라 커버(130)의 내면에 반사된 측정값(거리가 매우 짧게 측정된 값)이 포함된 일군의 측정값은 무효측정값으로 구분하는 것이다.
이하, 내공변위 산출단계의 실시예에 관하여 설명한다.
터널의 내공변위의 측정에 관한 기술분야는, 복잡한 설치 및 측정에 의해 특정지점에 대한 정확한 변위를 아는 것보다, 간편한 설치 및 측정에 의해 터널의 내공변위의 추이(지반붕괴의 징후)를 아는 것이 훨씬 중요하다는 특성이 있다.
라이다(100)는 고속으로 회전하면서 특정단면(궤적) 상에 위치하는 다수의 임의의 지점과의 거리와 회전각을 측정하는 장치이므로, 특정지점의 거리(변위)를 항상 정확하게 측정하기는 어렵다는 한계가 있지만, 간편한 설치 및 측정에 의해 변위의 추이를 쉽게 알 수 있다는 장점이 있다.
따라서 터널의 내공변위의 측정을 위하여 라이다를 적용하는 것이 적합한 것이고, 구체적으로 터널의 내공변위의 추이(지반붕괴의 징후)는 다음과 같은 방법에 의해 확인할 수 있다.
라이다(100)는 고속 회전에 의해 측정목표인 궤적에 대한 다수의 측정값을 획득하도록 하는데, 실제로는 구체적인 장치의 성능에 따라 측정값의 수(측정지점의 빈도)가 달라진다.
또한 라이다(100)는 상술한 바와 같이 특정지점(A)의 거리(변위)를 항상 정확하게 측정하기는 어렵다는 한계가 있으므로, 특정지점(A)의 변위를 측정하기 위해서는, 준비된 라이다(100)의 성능에 비추어 측정(회전) 회수를 설정하여야 한다.
즉, 성능이 좋은 라이다(100)라면 측정지점의 빈도가 많으므로 적은 회전수에 의해서도 신뢰할 수 있는 측정값을 얻을 수 있지만, 성능이 좋지 않은 라이다(100)라면 측정지점의 빈도가 작으므로 많은 회전수에 의한 측정이 필요하다.
이러한 점을 고려하여, 터널의 측정대상단면(a)의 특정지점(A)의 변위를 측정하기 위한 측정부(120)의 회전수인 N값을 미리 설정한다.
1차로 라이다(100)의 N회 회전에 의해 특정지점(A)의 1차 측정값(A1)을 획득하고, 시간 경과 후 2차로 라이다(100)의 N회 회전에 의해 특정지점(A)의 2차 측정값(A2)을 획득하여, 이러한 1차 측정값(A1)과 2차 측정값(A2)의 차이값에 의해 특정지점(A)의 변위를 산출한다(도 7).
구체적으로, 특정지점(A)의 1차 측정을 위하여, 측정부(120)의 1회 회전에 의해 획득된 유효측정값 중에서 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 특정지점(A)에 대한 1회 가상의 측정값을 산출한다(1회 가상의 측정값 산출단계).
이와 동일한 원리로, 측정부(120)의 2회 회전에 의해 획득된 유효측정값 중에서 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 특정지점(A)에 대한 2회 가상의 측정값(A2)을 산출한다(2회 가상의 측정값 산출단계).
라이다(100)는 고속으로 회전하면서 특정 궤적 상의 임의의 지점(B)과의 거리와 회전각을 측정하므로, 특정지점(A)의 측정값을 직접 얻을 수 없고, 얻어진 측정값 중 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 특정지점(A)에 대한 가상의 측정값을 산출하여야 한다.
라이다(100)의 측정값은 각도와 거리로 출력되므로, 두 지점의 측정값이 얻어지면, 그 사이의 지점의 가상의 측정값은 위 두 지점의 측정값을 이용한 삼각함수 연산에 의해 얻어질 수 있다.
예컨대, 1회 회전에 의해 얻어진 측정값 중 특정지점(A)과 인접하여 실제의 측정값 B1,B3가 얻어진 경우라면, 이들 측정값(B1,B3)을 이용한 연산(평균, 삼각함수 등)에 의해 특정지점(A)의 1회 가상의 측정값을 얻을 수 있고, 2회 회전에 의해 얻어진 측정값 중 특정지점(A)과 인접하여 실제의 측정값 B2,B4가 얻어진 경우라면, 이들 측정값(B2,B4)을 이용한 연산에 의해 특정지점(A)의 2회 가상의 측정값을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 라이다(100)의 성능을 감안하여 미리 설정된 측정부(120)의 회전수인 N회 회전에 의해 획득된 유효측정값 중에서 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 특정지점(A)에 대한 N회 가상의 측정값을 산출한다(N회 가상의 측정값 산출단계).
이와 같이, 측정부(120)를 N회 회전하면서 특정지점(A)에 대한 N개의 가상의 측정값(1회 가상의 측정값 내지 N회 가상의 측정값)을 얻을 수 있고, 이와 같이 획득된 1회 가상의 측정값 내지 N회 가상의 측정값을 평균하여 특정지점(A)에 대한 1차 측정값(A1)으로 산출한다(측정값 산출단계).
즉, 라이다(100)를 터널의 일정 지점에 설치하고, 측정부(120)를 N회 회전하면서 터널의 내면을 측정하면, 사실상 그 터널의 내면(측정대상단면)의 모든 지점에 대한 1차 측정값을 획득할 수 있다.
시간 경과 후, 위 과정을 반복하여, 특정지점(A)에 대한 2차 측정값(A2)을 산출하고, 이러한 1차 측정값(A1)과 2차 측정값(A2)의 차이값에 의해 특정지점(A)의 변위를 산출한다.
즉, 상술한 터널의 내면(측정대상단면)의 모든 지점에 대한 1차 측정값을 획득하고 시간 경과 후, 다시 라이다(100)를 터널의 동일한 지점에 설치하고, 측정부(120)를 N회 회전하면서 터널의 내면을 측정하면, 사실상 그 터널의 내면(측정대상단면)의 모든 지점에 대한 2차 측정값을 획득할 수 있고, 이러한 1차 측정값(A1)과 2차 측정값(A2)의 차이값에 의해 터널의 내공변위(측정대상단면의 변위)를 산출할 수 있다.
이하, 터널 내부의 복수의 단면을 측정하기 위한 실시예에 대하여 설명한다.
기본적으로, 터널 내부의 복수의 단면을 측정대상단면(a)으로 하기 위하여, 복수의 라이다(100)를 설치하고 측정하는 방식도 가능하지만, 필요한 경우 레일(210) 등의 라이다 구동부(200)를 설치하고, 라이다(100)가 터널의 길이방향을 따라 왕복구동이 가능하도록 하는 방식을 취할 수 있다.
측정의 대상이 되는 터널 내부의 복수의 단면의 위치마다 별개의 라이다(100)를 설치하여 측정할 수도 있지만, 특정단면에 대한 라이다(100)에 의한 내공변위의 측정은 단시간 내에 이루어지므로, 위와 같은 라이다 구동부(200)에 의해 구동하는 하나의 라이다(100)에 의해 복수의 단면을 측정하도록 하는 것이 경제적이다.
상술한 측정단계 및 내공변위 산출단계는 라이다 구동부(200)에 의해 위치가 이동된 상태의 라이다(100)에 의해 이루어진다.
위에서, 유효측정값을 얻기 위해 타겟(10), 수광센서(20)를 라이다(100)의 반대측에 설치하는 실시예에 대하여 설명하였는데, 본 실시예와 같이 라이다(100)가 위치이동을 하는 경우에는, 그 측정위치마다 별도의 타겟(10), 수광센서(20)가 설치되는 것이 바람직하고, 라이다(100)가 왕복구동에 의해 다시 그 정확한 측정위치에 오도록 하기 위해서는 라이다 구동부(200)에 라이다(100)의 복수의 측정위치를 저장하기 위한 수단(레일의 일정위치 임시고정구조 등)이 구비되는 것이 바람직하다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
a : 측정대상단면 b : 측정대상단면과 다른 단면
10 : 타겟 20 : 수광센서
100 : 라이다 110 : 회전축
120 : 측정부 130 : 커버
131 : 얇은 틈 200 : 라이다 구동부
210 : 레일

Claims (7)

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  5. 회전축(110)과, 상기 회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)를 준비하는 라이다 준비단계;
    상기 라이다(100)의 설치지점과 터널의 내면의 다수의 지점 사이의 거리와 회전각을 측정하기 위하여, 상기 라이다(100)의 회전축(110)이 터널의 길이방향을 향함과 아울러, 상기 라이다(100)의 측정부(120)가 상기 터널의 측정대상단면(a)과 동일한 가상의 평면 상에서 회전하도록 상기 라이다(100)를 설치하는 라이다 설치단계;
    상기 측정부(120)의 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군의 측정값이라 할 때, 상기 측정부(120)의 다수회전에 의해 다수의 상기 일군의 측정값을 획득하고, 상기 다수의 일군의 측정값을 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 측정값인 유효측정값과 다른 단면(b)에 대한 측정값인 무효측정값으로 구분하는 측정단계;
    상기 유효측정값의 분석에 의해 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 내공변위를 산출하는 내공변위 산출단계;를 포함하고,
    상기 측정단계는,
    상기 라이다(100)의 측정부(120)에 의해 송수신되는 레이저가 상기 측정부(120)의 회전궤적을 따라 관통할 수 있는 얇은 틈(131)을 가진 커버(130)를 준비하는 단계;
    상기 커버(130)를 상기 라이다(100)에 씌우고 상기 측정부(120)를 회전시키면서 측정하여, 상기 커버(130)의 내면에 반사된 측정값이 포함된 상기 일군의 측정값은 상기 무효측정값으로 구분하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법.
  6. 회전축(110)과, 상기 회전축(110)에 의해 회전하면서 레이저의 송수신에 의해 거리와 회전각을 측정하는 측정부(120)를 구비한 라이다(100)를 준비하는 라이다 준비단계;
    상기 라이다(100)의 설치지점과 터널의 내면의 다수의 지점 사이의 거리와 회전각을 측정하기 위하여, 상기 라이다(100)의 회전축(110)이 터널의 길이방향을 향함과 아울러, 상기 라이다(100)의 측정부(120)가 상기 터널의 측정대상단면(a)과 동일한 가상의 평면 상에서 회전하도록 상기 라이다(100)를 설치하는 라이다 설치단계;
    상기 측정부(120)의 일회전에 의해 획득되는 다수의 측정값을 일군의 측정값이라 할 때, 상기 측정부(120)의 다수회전에 의해 다수의 상기 일군의 측정값을 획득하고, 상기 다수의 일군의 측정값을 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 측정값인 유효측정값과 다른 단면(b)에 대한 측정값인 무효측정값으로 구분하는 측정단계;
    상기 유효측정값의 분석에 의해 상기 터널의 측정대상단면(a)에 대한 내공변위를 산출하는 내공변위 산출단계;를 포함하고,
    상기 내공변위 산출단계는,
    상기 터널의 측정대상단면(a)의 특정지점(A)의 변위를 측정하기 위한 상기 측정부(120)의 회전수인 N값을 미리 설정하는 단계;
    상기 특정지점(A)의 1차 측정을 위하여, 상기 측정부(120)의 1회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 1회 가상의 측정값을 산출하는 1회 가상의 측정값 산출단계;
    상기 측정부(120)의 2회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 2회 가상의 측정값(A2)을 산출하는 2회 가상의 측정값 산출단계;
    상기 측정부(120)의 상기 설정된 회전수인 N회 회전에 의해 획득된 상기 유효측정값 중에서 상기 특정지점(A)과 인접한 복수의 지점(B)에 대한 실제의 측정값(B1,B2,B3,B4)으로부터 상기 특정지점(A)에 대한 N회 가상의 측정값을 산출하는 N회 가상의 측정값 산출단계;
    상기 1회 가상의 측정값 내지 N회 가상의 측정값을 평균하여 상기 특정지점(A)에 대한 1차 측정값(A1)으로 산출하는 특정지점 가상의 측정값 산출단계;
    시간 경과 후, 상기 1회 가상의 측정값 산출단계 내지 특정지점(A) 가상의 측정값 산출단계를 반복하여, 상기 특정지점(A)에 대한 2차 측정값(A2)을 산출하고, 상기 1차 측정값(A1)과 2차 측정값(A2)의 차이값에 의해 상기 특정지점(A)의 변위를 산출하는 변위 산출단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 라이다 설치단계는,
    상기 터널 내부의 복수의 단면을 상기 측정대상단면(a)으로 하기 위하여, 상기 라이다(100)가 상기 터널의 길이방향을 따라 왕복구동이 가능하도록, 라이다 구동부(200)를 설치하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 측정단계 및 내공변위 산출단계는 상기 라이다 구동부(200)에 의해 위치가 이동된 상태의 상기 라이다(100)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다를 이용한 터널의 내공변위 측정방법.
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