KR102161751B1 - 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템 - Google Patents

교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템(1)에 관한 것이다. 그러한 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템(1)은, 교량(3)의 조인트부(5)의 일측에 구비되는 마그네트(7)와; 교량(3)의 조인트부(5)의 타측에 구비되어 마그네트(7)와 상호 연동함으로써 X축, Y축, Z축의 3축방향의 이동을 감지하는 센서(9)와; 센서(9)에 전원을 공급하고, 센서(9)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 본체부(10)와; 그리고 본체부(10)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 조인트부(5)의 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함한다.

Description

교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템{System for remote monitoring joint portion of bridge}
본 발명은 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교량의 조인트부에 센서를 장착하여 교량의 변위를 원격지에서도 실시간으로 파악할 수 있어서 위험을 미리 감지할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 교량, 문화재, 건축물 등은 시간이 경과함에 따라 균열 등으로 인하여 변형이 발생될 수 있어서 안전진단을 실시하여야 한다.
최근 지진의 위험이 증가하고 있는 바, 이러한 지진발생시 교량 등의 안전점검은 매우 중요하다.
특히, 2017년 포항 지진으로 인하여 교량 이음쇠(조인트부) 부분이 파손되는 경우가 있었으며, 2018년 6월 부산울산고속도로에서 교각 상판과 상판사이에 이음쇠(조인트부) 돌출로 인하여 32대의 차량들이 타이어 파손 등의 피해가 발생하였다.
그러나, 종래에는 작업자가 교량의 조인트부에 직접 접근하여 육안으로 확인하게 되므로 위험에 미리 대처할 수 없는 문제점이 있다.
특히 인력의 접근이 힘든 지역은 관리대상에서 소홀해 질 수밖에 없어 정확한 변위 측정이 어렵다.
또한, 육안으로 문화재의 변위를 점검하게 되므로 점검자의 개인 역량에 따라 차이가 발생하여 검사 결과에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
특허출원 제10-2018-4535호(명칭:교량 변위 계측 시스템)
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 교량의 조인트부에 센서를 장착하여 교량의 변위를 원격지에서도 실시간으로 파악할 수 있어서 위험을 미리 감지할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 교량(3)의 조인트부 원격 위험 감지 시스템을 제공하는 바, 이러한 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템(1)은,
교량(3)의 조인트부(5)의 일측에 구비되는 마그네트(7)와;
교량(3)의 조인트부(5)의 타측에 구비되어 마그네트(7)와 상호 연동함으로써 X축, Y축, Z축의 3축방향의 이동을 감지하는 센서(9)와;
센서(9)에 전원을 공급하고, 센서(9)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 본체부(10)와; 그리고
본체부(10)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 조인트부(5)의 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 교량의 조인트부에 센서를 장착하여 교량의 변위를 원격지에서도 실시간으로 파악할 수 있어서 위험을 미리 감지할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 서버는 조인트부의 변위 뿐만 아니라 진동, 온습도 데이터도 반영하여 전체적인 위험도를 평가할 수 있어서 보다 다양하게 위험을 판단할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 마그네트와 센서가 조인트부의 상부에 일정 높이로 구비된 브래킷에 각각 장착됨으로써 우천시 센서와 마그네트가 빗물에 의하여 오염되는 것을 방지할 수 있다.
넷째, 제 1 및 제 2브래킷의 하부와 교량상판의 사이에 스프링을 장착함으로써 교량상판의 승하강시 변위로 인하여 마그네트와 센서의 충돌시 발생하는 충격을 흡수함으로써 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 교량 조인트부에 센서가 장착된 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 조인트부 센서의 작동 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템의 서버 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 교량 원격지의 관제실 모니터 출력화면을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 모니터상에 표시된 지도를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 제 1 및 제 2브래킷의 다른 실시예로서 스프링이 장착된 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 교량의 조인트부 원격 위험 감지 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 제안하는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템(1)은 교량(3)의 조인트부(5)에 설치되어 조인트부(5)의 양 이음새 간격의 증감, 이동방향, 이동 거리를 측정하고, 측정된 데이터를 원격지에 전송함으로써 교량의 위험여부를 파악하게 된다.
이러한 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템(1)은, 교량(3)의 조인트부(5)의 일측에 구비되는 마그네트(7)와; 교량(3)의 조인트부(5)의 타측에 구비되어 마그네트(7)와 상호 연동함으로써 X축, Y축, Z축의 3축방향의 이동을 감지하는 센서(9)와; 센서(9)에 전원을 공급하고, 센서(9)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 본체부(10)와; 본체부(10)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 조인트부(5)의 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템에 있어서,
마그네트(7)는 조인트부(5)의 일측에 구비된 제 1브라켓(B1)에 장착된다. 제 1브라켓(B1)은 조인트부(5)의 일측에 구비되어 조인트부(5)와 같이 이동하게 된다. 이때, 제 1브라켓(B1)은 교량 상판으로부터 상부로 돌출된 수직바(41;도7)와, 수직바(41)에서 수평방향으로 돌출되며 마그네트(7)가 장착된 수평바(42;도7)로 이루어진다.
따라서, 조인트부(5)의 일측에 변위가 발생한 경우, 마그네트(7)도 같이 이동하게 된다.
센서(9)는 교량(3)의 조인트부(5)의 타측에 구비된 제 2브라켓(B2)에 장착된다. 제 2브라켓(B2)은 조인트부(5)의 타측에 구비되어 조인트부(5)와 같이 이동하며, 마그네트(7)와 상호작용을 하게 된다. 이때, 마그네트(7)와 센서(9)는 상하로 일정 거리, 예를 들면 약 10cm 떨어짐으로써 서로 간섭되지 않는다.
또한, 제 2브라켓(B2)도 제 1브라켓(B1)과 동일하게 교량 상판으로부터 상부로 돌출된 수직바와, 수직바에서 수평방향으로 돌출되며 센서(9)가 장착된 수평바로 이루어진다.
이러한 센서(9)는 마그네트(7)의 자력을 감지하는 자기 센서를 의미한다. 자기 센서는 마그네트(7) 주위에 형성된 자기장이 변화할 때 인접한 코일을 흐르는 전류도 변화하는 원리를 이용하여 감지하는 방식이다.
예를 들면, 자기 센서는 홀 효과(Hall Effect)에 의하여 지자기를 감지하는 홀 센서일 수 있으며, 직교하는 전도체 내의 전류와 자기장에 의해 전자가 편향되면서 도체 양단에 전압이 발생하는데 이것은 선형 값이므로 저 전압(홀전압이라고 한다)을 측정하면 현재 입사된 자기장의 크기를 알 수 있게 되는 방식이다.
이러한 센서(9)는 마그네트(7)와 일정 거리 떨어진 상부에 배치되며, 자석이 X,Y,Z축 방향으로 이동할 때, 이에 따른 자기장 세기의 변화를 감지하게 된다.
그리고, 이러한 자기장 세기의 변화값은 본체부(10)를 통하여 서버(S)로 전송되고, 서버(S)에 의하여 분석됨으로써 조인트부(5)의 벌어짐 여부, 벌어지는 방향, 벌어진 거리 등을 연산하게 된다.
센서(9)에 의하여 측정된 데이터는 본체부(10)를 통하여 서버(S)로 전송되는 바, 본체부(10)는 센서(9)에 전원 공급 및 서버(S)로 데이터 전송을 하게 된다.
본 발명의 다른 실시예로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1브라켓(B1)과 제 2브라켓(B2)의 수직바(41)의 하부와 교량상판(3) 사이에는 스프링(43)이 각각 장착됨으로써 수직방향으로 탄력적을 지지할 수 있다. 따라서, 일측 혹은 타측 교량상판이 승하강하여 마그네트(7)와 센서(9)와 충돌하는 경우 스프링(43)이 충격을 흡수하여 파손을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 이러한 자기센서(9)에 한정되지 않고, 교량에 대한 기타 정보를 수집할 수도 있다. 예를 들면, 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서(temperature and humidity sensor)와, 움직임을 감지하는 진동 감지센서(acceleration sensor), 풍향센서 등을 추가로 교량에 장착함으로써 교량에 대한 온도, 습도, 진동, 지진, 풍향, 풍속 등을 파악할 수 있다.
그리고, 이러한 센서(9)에서 전송된 데이터는 본체부(10)로 케이블 혹은 무선을 통하여 전송된다. 본체부(10)는 전원을 공급하기 위한 다양한 전원공급원이 배치되는 바, 예를 들면 리튬-이온 배터리, 또는 SMPS, 태양광 패널 등을 적용할 수 있다.
그리고, 본체부(10)는 저전력 통신모듈(LPWAN;low-power wide area network)에서 LPWAN신호로 변환하여 송출할 수도 있다. 이때, 주파수 대역은 917-923.5 Mhz이다.
상기 본체부(10)는 센서(9)로부터 케이블 신호 혹은 LPWAN 신호를 수신하고, 이더넷 혹은 Wifi신호로 변환한다. 즉, 본체부(10)는 게이트 웨이(Gateway;G) 및 저전력 통신모듈(LPWAN;low-power wide area network)을 구비함으로써 센서(9)로부터 수신된 WAN 신호를 이더넷 혹은 Wifi로 변환하여 서버(S)로 전송한다.
이때, 저전력 장거리 통신방식은 서비스 범위가 10km 이상의 광역으로 매우 넓고, 초당 최대 수백 킬로비트(kbps) 이하의 통신 속도를 제공하는 전력 소모가 적은 무선 광역 통신망을 의미한다. 주로 사물 인터넷(IoT) 전용 네트워크로 사용된다.
그리고, 저전력 장거리 통신방식은 로라(LoRaWAN), 시그폭스(SIGFOX), 엘티이-엠티시(LTE-MTC:LTE Machine-Type Communications), 협대역 사물 인터넷(NB-IoT) 방식 등으로 구분된다.
또한, 상기 저전력 장거리 통신방식은 하나의 BLE 디바이스가 다른 BLE 디바이스의 정보를 전달하는 메쉬 네트워크 기능도 가능하다.
상기 서버(S)는 본체부(10)로부터 수신한 데이터를 수신하고, 이 데이터를 분류 및 분석하여 데이터베이스에 저장한다.
이러한 서버(S)는 원격지에 위치한 관제실 등에 배치됨으로써 관리자는 실시간으로 해당 교량의 조인트부(5)에 대한 위험 여부를 파악할 수 있다.
즉, 서버(S)는 신호 입력부(21)와, 입력된 신호를 분석하여 교량의 조인트부(5)의 벌어진 상태를 판단하는 변위 판단부(23)와; 조인트부(5)의 벌어진 상태를 기타 변수와 연동하여 연산함으로써 교량의 위험도를 판단하는 위험 판단부(25)와; 교량에 대한 과거의 이력을 조회할 수 있는 기록 조회부(27)와; 데이터 베이스(31)를 포함한다.
이러한 서버(S)를 보다 상세하게 설명하면,
변위 판단부(23)는 센서(9)에 의하여 전송된 데이터에 의하여 교량(3)의 조인트부(5)의 벌어짐 여부, 벌어진 거리, 벌어진 방향을 연산한다.
즉, 조인트부(5)의 일측에 구비된 마그네트(7)와 타측에 구비된 센서(9)는 서로 일정 거리 떨어진 상태인 바, 조인트부(5)의 변형으로 어느 일측에 변위가 발생하면 마그네트(7) 주위에 형성된 자기장이 변동하게 되고, 센서(9)는 이를 감지하여 서버(S)에 전송함으로써 조인트부(5)의 벌어짐 여부를 판단할 수 있다.
또한, 센서(9)에 의하여 측정된 자기장 세기를 분석함으로써 벌어진 거리를 연산할 수 있다.
그리고, 자기장이 변화한 방향을 분석함으로써 벌어진 방향을 연산할 수 있다.
따라서, 변위 판단부(23)는 교량(3)의 조인트부(5)의 벌어진 상태를 실시간으로 파악할 수 있다.
그리고, 위험 판단부(25)는 변위 판단부(23)로부터 수신된 데이터와, 기타 온습도 센서, 진동센서, 풍향센서 등으로부터 수신된 데이터를 연동하여 종합적인 위험도를 판단하게 된다.
예를 들면, 변위 판단부(23)의 결과값 비중은 40, 진동센서로부터 출력된 결과값의 비중은 40, 온습도 센서의 결과값의 비중은 20의 비율로 연산한다.
이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
전체 교량의 위험도=(변위값*0.4)+(진동값*0.4)+(온습도값*0.2)
따라서, 변위 및 진동센서의 결과값을 온습도 결과값 보다 더 높은 비중을 설정함으로써 전체적인 교량 위험도를 판단한다.
이러한 서버(S)에는 오픈소스 데이터베이스 및 플랫폼 기반(GNU/Linux, MariaDB)의 소프트웨어가 탑재된다.
또한, HTTP 보안 및 HTTP/2 프로토콜을 지원하고, 웹 어플리케이션 서버(WAS) 기능이 탑재된다. 그리고, 부하 분산처리용 프록시 기능이 내장되며, 사용자 인증 및 퍼미션 기능이 지원된다.
또한, 다중 게이트 지원 및 노드가 지원되며, 푸쉬(PUSH) 메시지 클라우드 의 연동을 지원한다.
한편, 도 5는 교량(3)의 조인트부(5)의 상태가 원격지의 관제실 모니터에 표시된 것을 보여준다.
도시된 바와 같이, 교량(3)의 조인트부(5)의 X,Y,Z축 변위가 그래프 형태로 표시될 수있다.
아울러, 관제실의 모니터는 교량(3)의 조인트부(5)에 위험이 발생한 경우, 적색 등을 표시하거나, 깜빡임, 경고음, 경광등, 전광판 등의 수단으로 표시함으로써 경고할 수 있다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 위치정보 서비스를 지원함으로써 2차원 혹은 3차원 지도와 연동가능하다.
따라서, 전국에 산재한 교량에 대한 이상유무를 실시간으로 파악할 수 있다. 또한, 대화형 UI에 의하여 관련 데이터를 입출력할 수 있고, 각 교량에 대한 통계를 산출하고, 그래프 등으로 출력할 수 있다.
이때, 각 교량에 대한 변위, 진동, 지진, 온습도 등의 데이터를 일정 기간 수집하여 패턴화함으로써 효율적인 관리가 가능하다.
그리고, 상기 데이터 베이스(31)는 서버(S)에서 처리된 데이터를 저장하여 보관하는 바, 예를 들면, 전국에 산재한 교량에 장착된 다수의 센서(9)의 ID, MAC, Name, 종류, X좌표, Y좌표에 대한 데이터를 수신하여 저장한다.
그리고, 사용자는 스마트폰에 관련 앱(App.)을 탑재하고, 이 앱을 활성화하여 서버(S)에 접속함으로써 교량의 변위 등 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

Claims (5)

  1. 교량(3)의 조인트부(5)의 일측에 구비된 제 1브래킷(B1)에 구비된 마그네트(7)와;
    교량(3)의 조인트부(5)의 타측에 구비된 제 2브래킷(B2)에 구비되어 마그네트(7)와 상호 연동함으로써 X축, Y축, Z축의 3축방향의 이동을 감지하는 자기장 감지방식의 센서(9)와;
    센서(9)에 전원을 공급하고, 센서(9)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 본체부(10)와; 그리고
    본체부(10)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 조인트부(5)의 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함하며,
    제 1 및 제 2브래킷(B1,B2)은 교량상판에서 상부로 돌출되는 수직바(41)와, 수직바(41)로부터 수평방향으로 연장되는 수평바(42)를 각각 포함하며,
    수직바(41)의 하부와 교량상판의 사이에 스프링(43)을 구비함으로써 교량상판의 승하강시 마그네트(7)와 센서(9)의 충격을 흡수하는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    본체부(10)는 센서(9)와 유무선을 통하여 데이터를 송수신하며, 전원을 공급하기 위한 전원공급원과; 센서(9)의 신호를 서버(S)로 전송하는 저전력 통신모듈(LPWAN;low-power wide area network)을 포함하는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    서버(S)는 신호 입력부(21)와, 입력된 신호를 분석하여 교량의 조인트부(5)의 벌어진 상태를 판단하는 변위 판단부(23)와; 조인트부(5)의 벌어진 상태를 연산함으로써 교량의 위험도를 판단하는 위험 판단부(25)와; 교량에 대한 과거의 이력을 조회할 수 있는 기록 조회부(27)와; 데이터 베이스(31)를 포함하는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    위험 판단부(25)는 변위 판단부(23)로부터 수신된 데이터와, 온습도 센서(9), 진동센서(9)로부터 수신된 데이터를 연동하여 아래 수식에 의하여 종합적인 위험도를 판단하는 교량 조인트부 원격 위험 감지 시스템.
    전체 교량의 위험도=(변위값*0.4)+(진동값*0.4)+(온습도값*0.2)--수식 1
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