KR102197696B1 - Structure health monitoring system using optic fiber-based hybrid nerve network sensor, and method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시설물 건전도 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하나의 광섬유를 사용하여 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG) 계측방법과 브릴루앙 상관영역 해석(Brillouin optical correlation domain analysis: BOCDA) 계측방법에 따라 시설물을 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 계측 시스템으로서, FBG 계측에 따른 동적응답 및 BOCDA 계측에 따른 정적응답을 기반으로 시설물의 상태를 평가하도록 모니터링하는, 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a facility health monitoring system, and more specifically, a fiber Bragg grating (FBG) measurement method and a Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA) measurement using one optical fiber As a hybrid neural network sensor measurement system that can measure facilities according to the method, it monitors to evaluate the condition of facilities based on dynamic response according to FBG measurement and static response according to BOCDA measurement, and facility health using optical fiber-based hybrid neural network sensor It relates to a road monitoring system and method thereof.
통상적으로, 산업사회로 발전하는 과정에서 건설된 대형 구조물과 시설물들은 설계 및 시공 과정에서의 결함 또는 설계 당시에 고려하지 못하였던 각종 요인으로 인하여 시설물(또는 구조물)의 손상이 발생되며, 이러한 시설물들의 사용 기간이 경과함에 따라 점차 노후화됨으로써 그 안전성이 크게 위협을 받고 있다. 예를 들면, 심각한 정도의 구조 손상이 발생한 시설물의 경우, 설계 당시에 계획되었던 설계 사용연한에 크게 못 미칠 정도로 사용연한의 단축을 초래하는 경우도 빈번히 발생하고 있다.Typically, large structures and facilities built in the process of developing into an industrial society are damaged due to defects in the design and construction process or various factors that were not considered at the time of design, and the use of these facilities. As the period elapses, it gradually deteriorates, and its safety is greatly threatened. For example, in the case of facilities with severe structural damage, there are frequent cases where the service life is shortened to a degree that is significantly less than the design service life planned at the time of design.
이에 따라, 시설물의 장기적인 안전성 및 작동성을 확보하기 위한 노력이 절실히 요구되고 있다. 특히, 건물, 교량, 댐 등과 같은 대형 구조물은 각종 운영하중, 외부 물체에 의한 충격, 지진, 풍하중, 파랑 하중, 부식 등에 지속적으로 노출되어 있기 때문에 이들로부터 시설물의 안전을 확보하는 문제는 경제적 및 사회적으로 지대한 관심의 현안이 되고 있다. 이러한 대형 구조물들의 정확한 안전 진단을 위해서는 적절한 실험 계측을 통한 시설물 거동의 모니터링, 시설물 손상을 역학적으로 분석하는 기술 및 시설물 손상을 모델화하는 해석기술을 통한 진단 기술이 요구된다.Accordingly, efforts to ensure long-term safety and operability of facilities are urgently required. In particular, large structures such as buildings, bridges, and dams are constantly exposed to various operating loads, impacts from external objects, earthquakes, wind loads, wave loads, and corrosion, so the problem of securing the safety of facilities from them is economical and social. It has become an issue of great interest. In order to accurately diagnose the safety of such large structures, it is required to monitor the behavior of facilities through appropriate experimental measurements, a technology to analyze facility damage mechanically, and a diagnosis technology through an analysis technology modeling facility damage.
또한, 주요 사회기반시설물에 대한 주기적인 안전점검이 이루어지고 있으나, 주로 점검자에 의해 접근 가능한 지점에 대한 육안검사 수준에 머무르고 있으며, 또한, 점검에 필요한 인력과 자원의 부족 및 접근이 불가능한 시설물에 대한 점검의 어려움 등으로 인하여 점검주기가 제한되는 것이 현실이다.In addition, although periodic safety inspections are carried out on major infrastructure facilities, they are mainly at the level of visual inspection at points accessible by the inspector. Also, there is a lack of manpower and resources necessary for inspection, and facilities that are inaccessible. The reality is that the inspection period is limited due to the difficulty of inspection.
한편, 사회기반시설물의 유지관리의 시작은 시설물의 응답, 예를 들면, 가속도, 변형률, 변위 등의 계측으로부터 시작된다. 이때, 계측된 응답의 신뢰성이 높고, 계측정보가 다양할수록 시설물의 상태를 정확하게 평가하여, 보수보강 여부, 시기 및 방법을 결정할 수 있는 지표가 된다. On the other hand, the start of maintenance of the infrastructure starts with the measurement of the response of the facility, for example, acceleration, strain, and displacement. At this time, the reliability of the measured response is high, and as the measurement information is varied, the condition of the facility is accurately evaluated, and it becomes an index that can determine whether, when, and how to repair and reinforce.
이러한 시설물(또는 구조물)의 응답을 통해서 시설물의 전반적인 상태 평가 방법은 많은 연구와 실용화가 이루어졌으나, 손상과 같은 구조물의 국부적인 상태 평가는 비파괴 검사, 육안 조사에 의한 방법을 통해 이루어지기 때문에 많은 시간과 인력이 필요하다.Through the response of the facility (or structure), many studies and practical applications have been conducted to evaluate the overall condition of the facility, but the local condition evaluation of the structure, such as damage, is performed through methods through non-destructive inspection and visual inspection. And manpower required.
한편, 현행 시설물의 응답을 계측하는 종래 기술로서, 1) 전기저항식 포인트형 센서를 이용한 응답 계측방법, 2) 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG)를 이용한 계측방법, 및 3) 광섬유 자체를 센서로 사용하는 분포형 센서 계측방법 등이 있다.Meanwhile, as a conventional technology for measuring the response of current facilities, 1) a response measurement method using an electric resistance point sensor, 2) a measurement method using an optical fiber Bragg Grating (FBG), and 3) an optical fiber itself. There are distributed sensor measurement methods used as sensors.
구체적으로, 전기 저항식 포인트형 센서를 이용한 응답 계측방법의 경우, 센서의 수가 증가할수록 케이블 배선이나 전력 공급 등의 문제가 발생하며, 또한, 계측 위치의 제한, 내구성 및 전자기적 간섭으로 인한 계측환경에 제약을 받는다는 문제점이 있다.Specifically, in the case of a response measurement method using an electric resistance point sensor, as the number of sensors increases, problems such as cable wiring or power supply occur, and also, the measurement environment due to limitation of measurement location, durability, and electromagnetic interference. There is a problem that it is limited to
또한, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 계측방법의 경우, 전술한 전기저항식 변형률 게이지와 같은 기능을 가지면서 하나의 광섬유로 다중 측정이 가능하며, 이때, FBG 센서는 수 ㎑ 이상의 샘플링 속도 및 높은 수준의 정밀도 측정이 가능하다. 하지만, 하나의 FBG 인터로게이터(Interogator)를 통해 측정 가능한 FBG 센서의 수가 수십개 이내로 제한적이라는 단점이 있다.In addition, in the case of a measurement method using an optical fiber Bragg grating (FBG), multiple measurements can be performed with one optical fiber while having the same function as the electrical resistance strain gauge described above. At this time, the FBG sensor has a sampling rate of several kHz or more and a high A level of precision measurement is possible. However, there is a disadvantage in that the number of FBG sensors that can be measured through one FBG interrogator is limited to within tens.
또한, 광섬유 자체를 센서로 사용하는 분포형 센서 계측방법의 경우, 전술한 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 계측방법과 달리 물리량의 연속적인 분포를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들면, 분포형 센서로서, 브릴루앙 상관영역 해석(Brillouin optical correlation domain analysis: BOCDA) 방법은 계측 가능한 유효 계측지점의 수가 통상 1000개 이상이고, 임의의 지점을 선택하여 측정할 수 있다. 하지만, 광섬유 자체를 센서로 사용하는 분포형 센서 계측방법은 샘플링 속도가 느리기 때문에 동적 응답 계측이 실질적으로 불가능하며, 또한, 측정오차가 FBG 센서에 비해 5배 정도 크다는 단점이 있다.In addition, in the case of a distributed sensor measurement method using an optical fiber itself as a sensor, unlike the measurement method using an optical fiber Bragg grating (FBG) described above, there is an advantage in that it is possible to measure a continuous distribution of physical quantities. For example, as a distributed sensor, in the Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA) method, the number of effective measurement points that can be measured is usually 1000 or more, and an arbitrary point can be selected and measured. However, the distributed sensor measurement method using the optical fiber itself as a sensor has a disadvantage that it is practically impossible to measure the dynamic response because the sampling rate is slow, and the measurement error is about 5 times larger than that of the FBG sensor.
전술한 바와 같이 종래의 기술에 다른 시설물의 응답을 계측하는 여러 방법이 있지만, 각각의 장단점에 따라 시설물의 응답을 효율적으로 계측하기 어렵다는 문제점이 있다.As described above, there are several methods of measuring the response of other facilities in the conventional technology, but there is a problem in that it is difficult to efficiently measure the response of the facility according to the advantages and disadvantages of each.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 하나의 광섬유를 사용하면서도 FBG 계측방법과 BOCDA 계측방법을 선택하여 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 계측 시스템으로서, FBG 계측에 따른 동적응답 및 BOCDA 계측에 따른 정적응답을 기반으로 시설물의 상태를 효율적으로 평가할 수 있는, 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention for solving the above-described problem is a hybrid neural network sensor measurement system capable of selecting and measuring an FBG measurement method and a BOCDA measurement method while using one optical fiber, and provides a dynamic response and a dynamic response according to FBG measurement. It is to provide a facility health monitoring system and method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor that can efficiently evaluate the condition of a facility based on a static response according to BOCDA measurement.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 하나의 광섬유를 이용하여 시설물에 설치된 하이브리드 신경망 센서로부터 광섬유 브래그 격자를 이용하여 동적응답을 1차적으로 계측하고, 이상신호 감지시 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측할 수 있는, 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to primarily measure the dynamic response using an optical fiber Bragg grating from a hybrid neural network sensor installed in a facility using one optical fiber, and analyze the Brillouin scattering correlation region when detecting an abnormal signal (BOCDA ) It is to provide a facility health monitoring system and method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor that can secondarily measure the static response of the facility using the high resolution of the measurement method.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템은, 시설물의 일측에 설치되는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 시설물의 변형률에 대응하는 응답을 계측하는 하이브리드 신경망 센서; 상기 하이브리드 신경망 센서의 양단에 연결되어 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물의 동적응답을 상시 계측하는 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터; 상기 FBG 인터로게이터에서 계측된 동적응답을 분석하여 기설정된 범위를 초과하는 이상신호가 감지되는지 확인하는 이상신호 판단부; 상기 하이브리드 신경망 센서의 양단에 연결되고, 상기 이상신호가 감지된 경우 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물의 손상 의심 영역 또는 광섬유 전체 정적응답을 계측하는 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 인터로게이터; 및 상기 BOCDA 인터로게이터에서 계측된 정적응답을 분석하여 상기 시설물의 국부적 손상 여부를 확인하는 국부적 손상 확인부를 포함하되, 상기 하이브리드 신경망 센서는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA)의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 한다.As a means for achieving the above-described technical problem, the facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to the present invention uses one optical fiber installed at one side of the facility, and a response corresponding to the deformation rate of the facility A hybrid neural network sensor that measures a value; An optical fiber Bragg grating (FBG) interrogator connected to both ends of the hybrid neural network sensor to always measure a dynamic response of the facility corresponding to an FBG wavelength, which is an optical signal in a length direction of an optical fiber; An abnormal signal determination unit that analyzes the dynamic response measured by the FBG interrogator to check whether an abnormal signal exceeding a preset range is detected; Analysis of the Brillouin scattering correlation region that is connected to both ends of the hybrid neural network sensor and measures the static response of the entire optical fiber or the suspected damage area of the facility corresponding to the Brillouin frequency, which is an optical signal in the length of the optical fiber when the abnormal signal is detected (BOCDA) interrogator; And a local damage check unit that analyzes the static response measured by the BOCDA interrogator to check whether the facility is locally damaged, wherein the hybrid neural network sensor uses an optical fiber Bragg grating (FBG) to determine the dynamic response of the facility. It is characterized by primary measurement, and secondary measurement of the static response of the facility using a high resolution of Brillouin scattering correlation domain analysis (BOCDA).
여기서, 상기 FBG 인터로게이터는 상기 시설물의 초기 동적응답을 계측한 후 상기 시설물을 1차적으로 상시 계측하며, 상기 BOCDA 인터로게이터는 상기 시설물의 초기 정적응답을 계측한 후, 상기 이상신호 감지시 상기 시설물을 2차적으로 계측할 수 있다.Here, the FBG interrogator measures the initial dynamic response of the facility and then firstly measures the facility at all times, and the BOCDA interrogator measures the initial static response of the facility and then detects the abnormal signal. The facility can be measured secondary.
본 발명에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템은, 상기 국부적 손상 확인부에서 확인된 상기 시설물의 국부적 손상정도에 대응하여 상기 시설물의 건전도를 평가하는 시설물 건전도 평가부를 추가로 포함할 수 있다.The facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to the present invention further includes a facility health evaluation unit that evaluates the health of the facility in response to the degree of local damage of the facility identified by the local damage check unit. Can include.
여기서, 상기 이상신호 판단부, 국부적 손상 확인부 및 시설물 건전도 평가부는 상기 시설물 근처에 설치되는 관리자 단말상에 구현될 수 있다.Here, the abnormal signal determination unit, the local damage check unit, and the facility health evaluation unit may be implemented on a manager terminal installed near the facility.
여기서, 상기 BOCDA 인터로게이터는 1548㎚의 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 한다.Here, the BOCDA interrogator is characterized in that it applies a wavelength of 1548 nm to the optical fiber, which is the hybrid neural network sensor.
여기서, 상기 FBG 인터로게이터는 상기 BOCDA 인터로게이터가 1548㎚의 파장의 광신호를 인가하는 것을 고려하여 상호간 간섭이 발생하지 않도록 1545㎚~1551㎚의 파장을 제외한 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 한다.Here, the FBG interrogator considers that the BOCDA interrogator applies an optical signal of a wavelength of 1548 nm, so that mutual interference does not occur, except for the wavelength of 1545 nm to 1551 nm. It is characterized by applying to.
여기서, 상기 시설물은 건물, 교량 및 댐을 포함하는 대형 건축물일 수 있다.Here, the facility may be a large structure including a building, a bridge, and a dam.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법은, a) 시설물에 하나의 광섬유를 사용하는 하이브리드 신경망 센서를 설치하는 단계; b) 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터 및 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 인터로게이터를 각각 사용하여 상기 시설물의 초기응답을 계측하는 단계; c) 상기 FBG 인터로게이터를 사용하여 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물의 동적응답을 상시 계측하는 단계; d) 상기 계측된 동적응답을 분석하여 상기 시설물의 전역적인 상태를 평가하고, 이상신호가 감지되는지 판단하는 단계; e) 상기 이상신호가 감지된 경우, BOCDA 인터로게이터가 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물의 전체 구간이나 일부 구간의 정적응답을 계측하는 단계; 및 f) 상기 BOCDA 인터로게이터의 정적응답 계측에 따라 상기 시설물의 국부적 손상을 확인하는 단계를 포함하되, 상기 하이브리드 신경망 센서는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 하이브리드 신경망 센서는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, as another means for achieving the above-described technical problem, a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to the present invention includes: a) installing a hybrid neural network sensor using one optical fiber in the facility; b) measuring the initial response of the facility using an optical fiber Bragg grating (FBG) interrogator and a Brillouin scattering correlation domain analysis (BOCDA) interrogator, respectively; c) constantly measuring the dynamic response of the facility corresponding to the wavelength of the FBG, which is an optical signal in the longitudinal direction of the optical fiber, using the FBG interrogator; d) analyzing the measured dynamic response to evaluate the global condition of the facility and determining whether an abnormal signal is detected; e) when the abnormal signal is detected, measuring, by a BOCDA interrogator, a static response of the entire section or a partial section of the facility corresponding to the Brillouin frequency, which is an optical signal in the longitudinal direction of the optical fiber; And f) confirming local damage of the facility according to the static response measurement of the BOCDA interrogator, wherein the hybrid neural network sensor uses one optical fiber, and the hybrid neural network sensor is an optical fiber Bragg grating (FBG) The dynamic response of the facility is primarily measured by using, and the static response of the facility is secondarily measured using a high resolution of the Brillouin scattering correlation domain analysis (BOCDA) measurement method.
본 발명에 따르면, 하나의 광섬유를 사용하여 FBG 계측방법과 BOCDA 계측방법을 선택하여 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 계측 시스템으로서, FBG 계측에 따른 동적응답 및 BOCDA 계측에 따른 정적응답을 기반으로 시설물의 상태를 효율적으로 평가할 수 있다. According to the present invention, a hybrid neural network sensor measurement system capable of selecting and measuring an FBG measurement method and a BOCDA measurement method using one optical fiber, based on a dynamic response according to FBG measurement and a static response according to BOCDA measurement. You can evaluate the condition efficiently.
본 발명에 따르면, 하나의 광섬유를 이용하여 시설물에 설치된 하이브리드 신경망 센서로부터 광섬유 브래그 격자를 이용하여 동적응답을 1차적으로 계측하고, 이상신호 감지시 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측할 수 있다.According to the present invention, a dynamic response is primarily measured using an optical fiber Bragg grating from a hybrid neural network sensor installed in a facility using one optical fiber, and when an abnormal signal is detected, the Brillouin scattering correlation region analysis (BOCDA) measurement method is high. Using the resolution, the static response of the facility can be measured secondarily.
본 발명에 따르면, 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링에 따라 시설물의 생애주기 동안 유지관리 계획 및 보수/보강 시기 및 방법 등의 의사결정을 효율적으로 수행할 수 있다.According to the present invention, it is possible to efficiently perform decision-making, such as a maintenance plan and maintenance/reinforcement timing and method, during the life cycle of a facility according to facility health monitoring using an optical fiber-based hybrid neural network sensor.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템에서 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법의 동작흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물에 하이브리드 신경망 센서를 설치하는 것을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물의 초기응답 계측을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 FBG 인터로게이터를 사용한 동적응답 계측을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 동적응답 계측에 따른 이상신호 감지를 예시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 동적응답 계측에 따른 이상신호 감지를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 BOCDA 인터로게이터를 사용한 정적응답 계측을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물의 국부손상 확인을 예시하는 도면이다.1 is a view for explaining an optical fiber-based hybrid neural network sensor in a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is an operation flow diagram of a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating installation of a hybrid neural network sensor in a facility in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an initial response measurement of a facility in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating dynamic response measurement using an FBG interrogator in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating detection of an abnormal signal according to dynamic response measurement in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram specifically illustrating detection of an abnormal signal according to the dynamic response measurement shown in FIG. 7.
9 is a diagram illustrating static response measurement using a BOCDA interrogator in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating local damage verification of a facility in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "... unit" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템을 설명하고, 도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법을 설명한다.Hereinafter, a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 2, and an optical fiber according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 10. A method for monitoring facility health using a hybrid neural network sensor is described.
[광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템(100)][Facility
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템에서 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1의 a)는 하이브리드 신경망 센서를 나타내고, 도 1의 b)는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 포인트 광섬유 센서(Point Optical Fiber Sensor)를 나타내며, 도 1의 c)는 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA)을 이용한 분포형 광섬유 센서(Distributed Optical Fiber Sensor)를 각각 나타낸다.First, FIG. 1 is a view for explaining an optical fiber-based hybrid neural network sensor in a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A shows a hybrid neural network sensor, and FIG. 1b) shows a Point Optical Fiber Sensor using an optical fiber Bragg grating (FBG), and FIG.1C shows a Distributed Optical Fiber Sensor using Brillouin Scattering Correlation Area Analysis (BOCDA). Sensor) respectively.
도 1의 a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템에서 하이브리드 신경망 센서(110)는 시설물의 일측에 설치되는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 시설물의 변형률에 대응하는 응답을 계측한다. 이때, 상기 하이브리드 신경망 센서(110)는, 도 1의 b)에 도시된 바와 같이, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 또한, 이상신호 감지시, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측한다.As shown in Fig. 1a), in the facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, the hybrid
다시 말하면, 도 1의 b)에 도시된 바와 같이, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 포인트 광섬유 센서는 하나의 광섬유에 단지 수 개의 지점에서 계측이 가능한 것을 나타내고, 또한, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA)을 이용한 분포형 광섬유 센서는 하나의 광섬유에 다수 개의 연속 지점에서 계측이 가능한 것을 나타낸다. 이때, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 브릴루앙 산란광을 기반으로 하는 광섬유센서는 광섬유센서가 부착된 전 구간의 변형 및 온도의 분포를 연속적으로 측정할 수 있으므로, 크기가 큰 대형 구조물이나 장거리 선로 등의 감시에 효과적으로 사용되는 것으로 알려져 있다. 이때, 광섬유에 인가되는 변형률과 브릴루앙 주파수 변화가 선형관계임을 이용하여 광섬유 길이방향에 발생하는 변형률을 연속적으로 계측하는 방식이 브릴루앙 기반 분포형 광섬유 센싱이라 한다. 즉, 분포형 광섬유 센싱은 일반적인 광섬유 전체를 변형률 센서로 사용하는 방법으로서, 광섬유센서의 길이방향으로 많은 수의 변형률 센서를 설치하는 것과 동일한 효과를 가진다. 이러한 브릴루앙 산란 상관영역(BOCDA) 해석법은 5㎝의 높은 공간 분해능을 가지는 분포형 광섬유 센싱 기법으로서, 분포형 광섬유센서 인터로게이터(Interrogator)를 사용할 수 있다.In other words, as shown in b) of FIG. 1, a point optical fiber sensor using an optical fiber Bragg grating (FBG) indicates that measurement can be performed at only a few points on one optical fiber, and is also shown in c) of FIG. As described above, the distributed optical fiber sensor using the Brillouin scattering correlation domain analysis (BOCDA) indicates that measurement is possible at a number of consecutive points on one optical fiber. At this time, as shown in c) of FIG. 1, since the optical fiber sensor based on the Brillouin scattered light can continuously measure the deformation and temperature distribution of the entire section to which the optical fiber sensor is attached, a large structure with a large size or It is known to be effectively used for monitoring of long distance lines. At this time, a method of continuously measuring the strain occurring in the longitudinal direction of the optical fiber by using the linear relationship between the strain applied to the optical fiber and the Brillouin frequency change is called Brillouin-based distributed optical fiber sensing. That is, distributed optical fiber sensing is a method of using the entire optical fiber as a strain sensor, and has the same effect as installing a large number of strain sensors in the longitudinal direction of the optical fiber sensor. The Brillouin scattering correlation region (BOCDA) analysis method is a distributed optical fiber sensing technique having a high spatial resolution of 5 cm, and a distributed optical fiber sensor interrogator can be used.
보다 구체적으로, 광이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상을 브릴루앙 산란이라고 하는데, 이러한 주파수의 차이(Difference)를 브릴루앙 주파수 변이라고 한다. 이때, 광섬유 BOCDA(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis)센서란 감지 광섬유의 길이를 따라서 모든 위치에서 브릴루앙 주파수 변이()를 취득하는 분포측정 센서를 말하며, 이러한 브릴루앙 주파수 변이 검출 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.More specifically, a phenomenon in which light interacts with sound waves generated in a material and is scattered at a frequency different from the frequency of incident light is called Brillouin scattering, and the difference between these frequencies is called Brillouin frequency variation. At this time, the optical fiber BOCDA (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) sensor refers to the Brillouin frequency shift at all positions along the length of the sensing optical fiber. It refers to a distribution measuring sensor that acquires ), and a brief description of the Brillouin frequency shift detection principle is as follows.
광섬유 양단에서 펌핑광(pumping light) 및 탐색광(probe light)을 각각 입사시키되, 펌핑광 및 탐색광의 광주파수 차이()를 상기 피측정 광섬유의 브릴루앙 주파수 변이값()과 일치하도록 광주파수를 조정하면, 펌핑광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 탐색광으로 광에너지 변환을 하고, 탐색광은 광섬유 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게 된다. 이렇게 증폭된 탐색광의 광신호는 광검출기에 의해 전기신호로 변환됨으로써 측정이 가능하다.Pumping light and probe light are respectively incident at both ends of the optical fiber, but the optical frequency difference between the pumping light and the search light ( ) To the Brillouin frequency shift value of the optical fiber to be measured ( If the optical frequency is adjusted to match ), the pumped light converts light energy into search light by guided Brillouin scattering, and the search light performs Brillouin light amplification in the optical fiber. The optical signal of the amplified search light can be measured by converting it into an electrical signal by a photodetector.
이러한 브릴루앙 주파수 변이값()은, 광이 진행되는 물질, 즉, 광섬유의 재료에 크게 영향을 받을 뿐만 아니라 광섬유에 인가되는 변형률에 따라서 변화한다. 외부에서 가해지는 응력에 의한 광섬유의 변형률을 라 하고, 온도 변화를 라 할 때, 브릴루앙 주파수 변이값의 변화량()은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. These Brillouin frequency shift values ( ) Is not only greatly affected by the material through which light proceeds, that is, the material of the optical fiber, but also changes according to the strain applied to the optical fiber. The strain of the optical fiber due to external stress And the temperature change When d, the amount of change in the Brillouin frequency shift value ( ) Can be expressed as in Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 변형률 변환계수() 및 온도 변환계수()는 미리 알려진 값이지만, 정확성을 높이기 위해 실제 응용조건에 따라 정확하게 조사하여 사용하는 것이 더 바람직하다. 예를 들면, 표준 단일모드 광섬유를 감지 광섬유로 사용할 경우, 이러한 변형률 변환계수()는 약 0.05㎒/με와 온도 변환계수()는 약 1㎒/℃값을 갖지만 정확한 값은 실제 응용조건에 따라 조사하여 사용해야 한다.Here, the strain conversion factor ( ) And temperature conversion factor ( ) Is a known value in advance, but it is more preferable to accurately investigate and use it according to actual application conditions in order to increase accuracy. For example, when a standard single-mode fiber is used as a sensing fiber, this strain conversion factor ( ) Is about 0.05MHz/μ ε and the temperature conversion factor ( ) Has a value of about 1㎒/℃, but the exact value should be investigated and used according to the actual application conditions.
이에 따라, 브릴루앙 주파수 변이를 취득하면 수학식 1을 이용하여 감지된 광섬유에 분포하는 변형률 또는 온도를 측정할 수 있으며, 이러한 원리로 만들어지는 센서를 광섬유 BOCDA 센서라 한다. 이와 같은 감지 광섬유에 분포하는 브릴루앙 주파수 변이를 구하기 위해서는 브릴루앙 게인 스펙트럼을 감지 광섬유의 모든 위치에서 취득할 수 있어야 한다.Accordingly, when the Brillouin frequency shift is obtained, the strain or temperature distributed in the detected optical fiber can be measured using Equation 1, and a sensor made by this principle is called an optical fiber BOCDA sensor. In order to obtain the Brillouin frequency shift distributed in such a sensing optical fiber, the Brillouin gain spectrum must be obtained from all positions of the sensing optical fiber.
한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템의 구성도이다.Meanwhile, FIG. 2 is a configuration diagram of a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템(100)은, 하이브리드 신경망 센서(110), 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터(120), 이상신호 판단부(130), 브릴루앙 산란 상관영역 측정법(BOCDA) 인터로게이터(140), 국부적 손상 확인부(150) 및 시설물 건전도 평가부(160)를 포함하며, 시설물(200)은 건물, 교량 및 댐을 포함하는 대형 건축물일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.Referring to FIG. 2, a facility
하이브리드 신경망 센서(110)는 시설물(200)의 일측에 설치되는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 시설물(200)의 변형률에 대응하는 응답을 계측한다. 이때, 상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물(200)의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물(200)의 정적응답을 2차적으로 계측한다.The hybrid
FBG 인터로게이터(120)는 상기 하이브리드 신경망 센서(110)의 양단에 연결되어 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물(200)의 동적응답을 1차적으로 상시 계측한다. 즉, 상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 시설물(200)의 초기 동적응답을 계측한 후 상기 시설물(200)을 상시 계측한다.The
이상신호 판단부(130)는 상기 FBG 인터로게이터(120)에서 계측된 동적응답을 분석하여 기설정된 범위를 초과하는 이상신호가 감지되는지 확인한다.The abnormal
BOCDA 인터로게이터(140)는 상기 하이브리드 신경망 센서(110)의 양단에 연결되고, 상기 이상신호가 감지된 경우 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물(200)의 손상 의심 영역 또는 광섬유 전체 정적응답 계측한다. 즉, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 상기 시설물(200)의 초기 정적응답을 계측한 후, 상기 이상신호 감지시 상기 시설물(200)을 2차적으로 계측한다. The
국부적 손상 확인부(150)는 상기 BOCDA 인터로게이터(140)에서 계측된 정적응답을 분석하여 상기 시설물(200)의 국부적 손상 여부를 확인한다.The local
시설물 건전도 평가부(160)는 상기 국부적 손상 확인부(150)에서 확인된 상기 시설물(200)의 국부적 손상정도에 대응하여 상기 시설물(200)의 건전도를 평가한다. 여기서, 상기 이상신호 판단부(130), 국부적 손상 확인부(150) 및 시설물 건전도 평가부(160)는 상기 시설물(200) 근처에 설치되는 관리자 단말상에 구현될 수 있다.The facility
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템(100)의 경우, 하이브리드 신경망 센서(110)를 통한 계측 시 측정용 광섬유에 새길 광섬유 브래그 격자(FBG)의 파장 선택에 유의해야 한다. 구체적으로, 브릴루앙 신호 측정에 사용되는 파장인 1548㎚이므로, 광섬유 브래그 격자(FBG)가 3㎚의 파장 간격으로 설치되는 상황을 고려할 때, 1545~1551㎚ 파장대의 광섬유 브래그 격자(FBG)가 측정용 광섬유에 존재할 경우 입사된 경우에 따라 펌프광과 프로브광이 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 후방으로 반사되는 상황이 발생할 수 있는데, 이때, 프로브광의 반사는 신호 감소를 발생시키고, 펌프광의 반사는 광검출기에 대한 초과 입력을 발생시킬 수 있고, 이에 따른 포화(saturation) 및 잡음 증가를 일으킴으로써, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 측정이 불가능해질 수 있다.In addition, in the case of the facility
다시 말하면, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 1548㎚의 파장의 광신호를 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하며, 또한, 상기 FBG 인터로게이터(120)는, 도 1의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)가 1548㎚의 파장의 광신호를 인가하는 것을 고려하여 상호간 간섭이 발생하지 않도록 1545㎚~1551㎚의 파장을 제외한 파장의 광신호를 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하는 것이 바람직하다.In other words, the
결국, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템(100)의 경우, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 계측방법과 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 장점만을 결합한 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 계측방법으로서, 단지 하나의 광섬유를 이용하여 시설물(200)에 설치된 하이브리드 신경망 센서(110)로부터 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 동적응답을 1차적으로 계측하고, 이후, 이상신호 감지시 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 시설물(200)의 정적응답을 2차적으로 계측할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템(100)의 경우, 하이브리드 신경망 센서(110)의 계측을 통해 기존의 방법들에 비하여 보다 효율적으로 시설물을 모니터링할 수 있다.After all, in the case of the facility
[광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법][Facility health monitoring method using optical fiber-based hybrid neural network sensor]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법의 동작흐름도이다.3 is an operation flow diagram of a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법은, 먼저, 시설물(200)에 하나의 광섬유를 사용하는 하이브리드 신경망 센서(110)를 설치한다(S110).Referring to FIG. 3, in the facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, first, a hybrid
구체적으로, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물에 하이브리드 신경망 센서를 설치하는 것을 예시하는 도면으로서, 예를 들면, 시설물(200)이 통상적인 현수교 구조물인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 강재 또는 철근 콘크리트 구조의 주탑(210), 상기 주탑(210)에 매달린 케이블(220), 장대교량의 상판 또는 거더(230), 상기 거더(230)를 지지하는 교각(240), 상기 케이블(220)에 매달려 케이블의 장력을 대지 방향으로 이끄는 행거(250) 및 상기 케이블(220)의 일측을 지면에 고정시키는 앵커리지 등을 포함하여 구성되며, 현수교 구조물(200)에 하나의 광섬유를 사용하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서(110)를 상판 또는 거더(230)의 측면에 설치하는 것으로 설명한다. 이때, 상기 시설물(200)은 건물, 교량, 댐 등 대형 건축물일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.Specifically, FIG. 4 is a diagram illustrating installation of a hybrid neural network sensor in a facility in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention. For example, the
다음으로, 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터(120) 및 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 인터로게이터(140)를 각각 사용하여 상기 시설물(200)의 초기응답을 계측한다(S120).Next, the initial response of the
구체적으로, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물의 초기응답 계측을 예시하는 도면으로서, 상기 FBG 인터로게이터(120)는 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물(200)의 초기 동적응답을 계측하며, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물(200)의 초기 정적응답을 계측한다.Specifically, FIG. 5 is a diagram illustrating an initial response measurement of a facility in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention. The
다음으로, 상기 FBG 인터로게이터(120)를 사용하여 상기 시설물(200)의 동적응답을 상시 계측한다(S130).Next, the dynamic response of the
구체적으로, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 FBG 인터로게이터를 사용한 동적응답 계측을 예시하는 도면으로서, 상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 시설물(200)의 초기 동적응답을 계측한 후 상기 시설물(200)을 1차적으로 상시 계측하며, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 상기 시설물(200)의 초기 정적응답을 계측한 후 상기 이상신호 감지시 상기 시설물(200)을 2차적으로 계측한다. 이때, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 1548㎚의 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하며, 또한, 상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 BOCDA 인터로게이터(140)가 1548㎚의 파장의 광신호를 인가하는 것을 고려하여 상호간 간섭이 발생하지 않도록 1545㎚~1551㎚의 파장을 제외한 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가한다.Specifically, FIG. 6 is a diagram illustrating dynamic response measurement using an FBG interrogator in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, wherein the
다음으로, 상기 계측된 동적응답을 분석하여 상기 시설물(200)의 전역적인 상태를 평가하고, 이상신호가 감지되는지 판단한다(S140).Next, the measured dynamic response is analyzed to evaluate the global state of the
구체적으로, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 동적응답 계측에 따른 이상신호 감지를 예시하는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 동적응답 계측에 따른 이상신호 감지를 구체적으로 나타내는 도면으로서, 도 8의 a)는 정상신호 감지를 나타내고, 도 8의 b)는 이상신호 감지를 나타낸다. 즉, 도 7에서 도면부호 A로 도시된 계측점의 경우, 도 8의 a)에 도시된 바와 같이, 정상신호를 감지하지만, 도 7에서 도면부호 B 및 C로 도시된 계측점의 경우, 도 8의 b)에 도시된 바와 같이, 이상신호를 감지하는 것을 나타낸다.Specifically, FIG. 7 is a diagram illustrating detection of an abnormal signal according to a dynamic response measurement in a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a dynamic response shown in FIG. As a diagram specifically showing the detection of an abnormal signal according to measurement, FIG. 8a) shows normal signal detection, and FIG. 8b) shows abnormal signal detection. That is, in the case of the measurement point indicated by reference numeral A in FIG. 7, as shown in a) of FIG. 8, the normal signal is sensed, but in the case of the measurement points indicated by reference numerals B and C in FIG. As shown in b), it indicates detecting an abnormal signal.
다음으로, 상기 이상신호가 감지된 경우, BOCDA 인터로게이터(140)가 상기 시설물(200)의 전체 구간이나 일부 구간의 정적응답을 계측한다(S150). 구체적으로, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 BOCDA 인터로게이터를 사용한 정적응답 계측을 예시하는 도면으로서, BOCDA 인터로게이터(140)가 상기 시설물(200)의 손상 의심 영역 또는 광섬유 전체 정적응답을 계측한다.Next, when the abnormal signal is detected, the
다음으로, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)의 정적응답 계측에 따라 상기 시설물(200)의 국부적 손상을 확인한다(S160). 구체적으로, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법에서 시설물의 국부적 손상 확인을 예시하는 도면으로서, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)의 정적응답 계측에 따라 상기 시설물(200)의 국부적 손상을 확인할 수 있다.Next, local damage of the
후속적으로, 상기 국부적 손상이 확인된 시설물(200)의 국부적 손상정도에 대응하여 상기 시설물(200)의 건전도를 평가할 수 있다. 여기서, 상기 국부적 손상의 정도에 대응하여 상기 시설물(200)의 건전도를 평가하는 것은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.Subsequently, the health of the
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법의 경우, 상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물(200)의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물(200)의 정적응답을 2차적으로 계측할 수 있다.In the case of a facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor according to an embodiment of the present invention, the hybrid
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 광섬유를 사용하면서도 광섬유 브래그 격자(FBG) 계측방법과 브릴루앙 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법을 선택하여 계측할 수 있는 하이브리드 신경망 센서 계측 시스템으로서, FBG 계측에 따른 동적응답 및 BOCDA 계측에 따른 정적응답을 기반으로 시설물의 상태를 효율적으로 평가할 수 있으며, 또한, 하나의 광섬유를 이용하여 시설물에 설치된 하이브리드 신경망 센서로부터 광섬유 브래그 격자를 이용하여 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 이상신호 감지시 시설물의 정적응답을 2차적으로 계측할 수 있다.In conclusion, according to an embodiment of the present invention, as a hybrid neural network sensor measurement system that can be measured by selecting an optical fiber Bragg grating (FBG) measurement method and a Brillouin correlation region analysis (BOCDA) measurement method while using one optical fiber, FBG Based on the dynamic response according to the measurement and the static response according to the BOCDA measurement, the condition of the facility can be efficiently evaluated. In addition, the dynamic response is performed using an optical fiber Bragg grating from a hybrid neural network sensor installed in the facility using one optical fiber. Secondly, the static response of the facility can be measured secondarily when an abnormal signal is detected by using the high resolution of the Brillouin scattering correlation domain analysis (BOCDA) measurement method.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
100: 광섬유 기반 하이브리드 신경망 계측 시스템
200: 시설물
110: 하이브리드 신경망 센서 120: FBG 인터로게이터
130: 이상신호 판단부 140: BOCDA 인터로게이터
150: 국부적 손상 확인부 160: 시설물 건전도 평가부100: Fiber-based hybrid neural network measurement system
200: facility
110: hybrid neural network sensor 120: FBG interrogator
130: abnormal signal determination unit 140: BOCDA interrogator
150: local damage check unit 160: facility health evaluation unit
Claims (12)
상기 하이브리드 신경망 센서(110)의 양단에 연결되어 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물(200)의 동적응답을 상시 계측하는 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터(120);
상기 FBG 인터로게이터(120)에서 계측된 동적응답을 분석하여 상기 시설물의 전역적인 상태를 평가하고, 기설정된 범위를 초과하는 이상신호가 감지되는지 확인하는 이상신호 판단부(130);
상기 하이브리드 신경망 센서(110)의 양단에 연결되고, 상기 이상신호가 감지된 경우 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물(200)의 정적응답을 계측하는 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 인터로게이터(140); 및
상기 BOCDA 인터로게이터(140)에서 계측된 정적응답을 분석하여 상기 시설물(200)의 국부적 손상 여부를 확인하는 국부적 손상 확인부(150)를 포함하되,
상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물(200)의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA)의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물(200)의 정적응답을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.A hybrid neural network sensor 110 that uses one optical fiber installed on one side of the facility 200 and measures a response corresponding to the strain of the facility 200;
An optical fiber Bragg grating (FBG) interrogator 120 connected to both ends of the hybrid neural network sensor 110 to always measure a dynamic response of the facility 200 corresponding to an FBG wavelength, which is an optical signal in the length of the optical fiber;
An abnormal signal determination unit 130 which analyzes the dynamic response measured by the FBG interrogator 120 to evaluate the global state of the facility, and checks whether an abnormal signal exceeding a preset range is detected;
Brillouin scattering correlation region analysis that is connected to both ends of the hybrid neural network sensor 110 and measures the static response of the facility 200 corresponding to the Brillouin frequency, which is an optical signal in the length direction of the optical fiber when the abnormal signal is detected (BOCDA) interrogator 140; And
Including a local damage check unit 150 to determine whether the local damage to the facility 200 by analyzing the static response measured by the BOCDA interrogator 140,
The hybrid neural network sensor 110 primarily measures the dynamic response of the facility 200 using an optical fiber Bragg grating (FBG), and uses the high resolution of the Brillouin scattering correlation region analysis (BOCDA) to use the facility ( 200), a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that the static response is secondarily measured.
상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 시설물(200)의 초기 동적응답을 계측한 후 상기 시설물(200)을 1차적으로 상시 계측하며, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 상기 시설물(200)의 초기 정적응답을 계측한 후, 상기 이상신호 감지시 상기 시설물(200)을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The FBG interrogator 120 primarily measures the facility 200 after measuring the initial dynamic response of the facility 200, and the BOCDA interrogator 140 measures the initial dynamic response of the facility 200. After measuring an initial static response, a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that, when the abnormal signal is detected, the facility 200 is secondarily measured.
상기 국부적 손상 확인부(150)에서 확인된 상기 시설물(200)의 국부적 손상정도에 대응하여 상기 시설물(200)의 건전도를 평가하는 시설물 건전도 평가부(160)를 추가로 포함하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 1,
An optical fiber-based hybrid that further includes a facility health evaluation unit 160 that evaluates the health of the facility 200 in response to the local damage degree of the facility 200 identified by the local damage check unit 150 Facility health monitoring system using neural network sensor.
상기 이상신호 판단부(130), 국부적 손상 확인부(150) 및 시설물 건전도 평가부(160)는 상기 시설물(200) 근처에 설치되는 관리자 단말상에 구현되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 3,
An optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that the abnormal signal determination unit 130, the local damage check unit 150 and the facility health evaluation unit 160 are implemented on a manager terminal installed near the facility 200 Facility health monitoring system using.
상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 1548㎚의 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The BOCDA interrogator 140 applies a wavelength of 1548 nm to the optical fiber that is the hybrid neural network sensor 110. Facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor.
상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 BOCDA 인터로게이터(140)가 1548㎚의 파장의 광신호를 인가하는 것을 고려하여 상호간 간섭이 발생하지 않도록 1545㎚~1551㎚의 파장을 제외한 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 5,
The FBG interrogator 120 considers that the BOCDA interrogator 140 applies an optical signal having a wavelength of 1548 nm, so that mutual interference does not occur, so that the hybrid wavelength is excluded from the wavelength of 1545 nm to 1551 nm. A facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, which is applied to an optical fiber, which is a neural network sensor 110.
상기 시설물(200)은 건물, 교량 및 댐을 포함하는 대형 건축물인 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The facility 200 is a facility health monitoring system using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, wherein the facility 200 is a large structure including a building, a bridge, and a dam.
b) 광섬유 브래그 격자(FBG) 인터로게이터(120) 및 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 인터로게이터(140)를 각각 사용하여 상기 시설물(200)의 초기응답을 계측하는 단계;
c) 상기 FBG 인터로게이터(120)를 사용하여 광섬유 길이 방향의 광신호인 FBG 파장에 대응하는 상기 시설물(200)의 동적응답을 상시 계측하는 단계;
d) 상기 계측된 동적응답을 분석하여 상기 시설물(200)의 전역적인 상태를 평가하고, 이상신호가 감지되는지 판단하는 단계;
e) 상기 이상신호가 감지된 경우, BOCDA 인터로게이터(140)가 광섬유 길이 방향의 광신호인 브릴루앙 주파수에 대응하는 상기 시설물(200)의 전체 구간이나 일부 구간의 정적응답을 계측하는 단계; 및
f) 상기 BOCDA 인터로게이터(140)의 정적응답 계측에 따라 상기 시설물(200)의 국부적 손상을 확인하는 단계를 포함하되,
상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 하나의 광섬유를 사용하며, 상기 하이브리드 신경망 센서(110)는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 상기 시설물(200)의 동적응답을 1차적으로 계측하고, 브릴루앙 산란 상관영역 해석(BOCDA) 계측방법의 높은 분해능을 이용하여 상기 시설물(200)의 정적응답을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법.a) installing a hybrid neural network sensor 110 using one optical fiber in the facility 200;
b) measuring the initial response of the facility 200 using an optical fiber Bragg grating (FBG) interrogator 120 and a Brillouin scattering correlation region analysis (BOCDA) interrogator 140, respectively;
c) constantly measuring the dynamic response of the facility 200 corresponding to the FBG wavelength, which is an optical signal in the length direction of an optical fiber, using the FBG interrogator 120;
d) analyzing the measured dynamic response to evaluate the global state of the facility 200 and determining whether an abnormal signal is detected;
e) when the abnormal signal is detected, measuring, by the BOCDA interrogator 140, a static response of the entire section or a partial section of the facility 200 corresponding to the Brillouin frequency, which is an optical signal in the longitudinal direction of the optical fiber; And
f) including the step of confirming local damage to the facility 200 according to the static response measurement of the BOCDA interrogator 140,
The hybrid neural network sensor 110 uses one optical fiber, and the hybrid neural network sensor 110 primarily measures the dynamic response of the facility 200 using an optical fiber Bragg grating (FBG), and Brillouin scattering A facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that the static response of the facility 200 is secondarily measured using a high resolution of a correlation domain analysis (BOCDA) measurement method.
상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 시설물(200)의 초기 동적응답을 계측한 후 상기 시설물(200)을 1차적으로 상시 계측하며, 상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 상기 시설물(200)의 초기 정적응답을 계측한 후 상기 이상신호 감지시 상기 시설물(200)을 2차적으로 계측하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법.The method of claim 8,
The FBG interrogator 120 primarily measures the facility 200 after measuring the initial dynamic response of the facility 200, and the BOCDA interrogator 140 measures the initial dynamic response of the facility 200. After measuring the initial static response, the facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that when the abnormal signal is detected, the facility 200 is secondarily measured.
g) 상기 국부적 손상이 확인된 시설물(200)의 국부적 손상정도에 대응하여 상기 시설물(200)의 건전도를 평가하는 단계를 추가로 포함하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법.The method of claim 8,
g) A facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, further comprising the step of evaluating the health of the facility 200 in response to the local damage degree of the facility 200 in which the local damage is confirmed.
상기 BOCDA 인터로게이터(140)는 1548㎚의 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법.The method of claim 8,
The BOCDA interrogator 140 applies a wavelength of 1548 nm to the optical fiber, which is the hybrid neural network sensor 110. Facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor.
상기 FBG 인터로게이터(120)는 상기 BOCDA 인터로게이터(140)가 1548㎚의 파장의 광신호를 인가하는 것을 고려하여 상호간 간섭이 발생하지 않도록 1545㎚~1551㎚의 파장을 제외한 파장을 상기 하이브리드 신경망 센서(110)인 광섬유에 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 하이브리드 신경망 센서를 이용한 시설물 건전도 모니터링 방법.The method of claim 11,
The FBG interrogator 120 considers that the BOCDA interrogator 140 applies an optical signal having a wavelength of 1548 nm, so that mutual interference does not occur, so that the hybrid wavelength is excluded from the wavelength of 1545 nm to 1551 nm. Facility health monitoring method using an optical fiber-based hybrid neural network sensor, characterized in that applying to an optical fiber, which is a neural network sensor 110.
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