KR102356131B1 - 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법 - Google Patents

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KR102356131B1 KR1020210098984A KR20210098984A KR102356131B1 KR 102356131 B1 KR102356131 B1 KR 102356131B1 KR 1020210098984 A KR1020210098984 A KR 1020210098984A KR 20210098984 A KR20210098984 A KR 20210098984A KR 102356131 B1 KR102356131 B1 KR 102356131B1
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Abstract

본 발명은 지중 변위 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법은 센싱값 수집부가 기 설정된 주기로 센서로부터 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 수집하는 단계; 및 변위 산출부가 센서로부터 수집된 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해, 지반 변위 관련 정보를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법{Multi-channel sensor-based underground displacement measurement method}
본 발명은 지중 변위 측정 방법에 관한 것이다.
구조물의 안전관리를 위해 센서 계측 시스템이 적용된다. 이때, 지반의 변위를 계측하기 위해, 센서가 설치된 관정 파이프를 지반에 삽입한다. 그리고, 그 관정 파이프 내측에 위치한 센서의 센싱값을 토대로 지반의 변위를 모니터링한다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여, 종래기술에 따른 지중 변위 측정 방법에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 지표면에서 하부로 천공된 영역에 관정 파이프(1)가 삽입되어 지반에 고정될 수 있다. 관정 파이프(1)는 양측이 개방된 중공형일 수 있다. 그리고, 관정 파이프(1) 내측에 센서 모듈이 설치될 수 있다. 센서 모듈은 복수의 연결봉(2)과 링크(3)를 포함할 수 있다. 링크(2)는 상하로 이웃하는 연결봉(2)을 연결할 수 있다. 복수의 연결봉(2)은 상부에서 하부로 연결봉(2)의 길이 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 그리고, 링크(2)에는 센서(6)가 삽입될 수 있다. 최하측에 위치한 연결봉(2)의 하단은 지반에 고정될 수 있다. 최상측에 위치한 연결봉(2)은 별도의 고정매체(미도시) 또는 관정 파이프(1) 상단 측에 고정될 수 있다.
이 같은 구조에서, 센서(6)는 관정 파이프(1)의 형상 변경을 통해 지반의 수평 변위(지반의 깊이 방향에 수직인 평면 상에서의 변위)에 따른 힘을 받을 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1008307호 (공고일 : 2011.01.14)
종래기술은 센서가 설치된 링크가 관정 파이프 내측면과 이격된 구조이어서, 지반의 변위가 관정파이프를 통해 센서에 정확히 전달되지 않는다. 이에 따라, 종래기술은 수평 변위에 대한 센싱값의 신뢰도가 낮다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 수평 변위에 대한 센싱값의 신뢰도를 높일 수 있는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법은 센싱값 수집부가 기 설정된 주기로 센서로부터 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 수집하는 단계; 및 변위 산출부가 센서로부터 수집된 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해, 지반 변위 관련 정보를 산출하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 3차원 회전 운동에 대응하는 정보는 구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00001
) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00002
)일 수 있다.
그리고, 상기 지반 변위 관련 정보는 3차원 상 기울기(
Figure 112021087131625-pat00003
), 3차원 상 기울기 벡터량(
Figure 112021087131625-pat00004
), 기울기로 인한 측방 회전량(
Figure 112021087131625-pat00005
) 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 상기 변위 산출부는 센서(150)로부터 수집한 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보인 경도(
Figure 112021087131625-pat00006
)에서 경도 초기값을 차감하는 것에 의해, 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00007
)를 산출할 수 있다.
또한, 상기 변위 산출부는 센서(150)로부터 수집한 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보인 위도(
Figure 112021087131625-pat00008
)에서 위도 초기값을 차감하는 것에 의해, 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00009
)를 산출할 수 있다.
또한, 상기 변위 산출부는 제 m 센서가 센싱한 제 m 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해 산출된 제 m+1 링크의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00010
), 제 m+1 링크의 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00011
) 및 m 구간에 속하는 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00012
)를 다음의 수학식에 대입하는 것에 의해, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 직각좌표계 상의 변위 벡터
Figure 112021087131625-pat00013
를 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112021087131625-pat00014
Figure 112021087131625-pat00015
Figure 112021087131625-pat00016
본 발명은 관정 파이프 내측에 센서가 탑재되는 센서 모듈의 측부가 잘 밀착되게 하는 구성을 기초로 지반 변위를 계측할 수 있다. 이에 따라, 수평 변위에 대한 센싱값의 신뢰도가 높을 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 지중 변위 측정 방법의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법의 구성도이다.
도 3은 도 2의 센서 모듈의 세부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 지반 침하 이벤트가 발생하였을 때의 관정 파이프 내측에 구비된 센서 모듈의 형상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 지반의 수평 이동 이벤트가 발생하였을 때의 관정 파이프 내측에 구비된 센서 모듈의 형상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 구좌표계 상에서 지반 변위 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법에 대한 플로우차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 설명하였다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속 되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 사용되는 용어에 대하여 설명한다.
* 수직 방향 : 지반의 깊이 방향을 의미한다. 지반이 침하 방향과 동일한 의미를 가진다.
* 수평 방향 : 지반의 깊이 방향에 수평인 평면 상의 방향을 의미한다.
* 지반의 변위 : 수직 방향 및 수평 방향 중 적어도 하나를 포함한 방향으로의 이동을 의미한다. 3차원 상에서의 지반의 이동을 나타내는 벡터량이다. 수직 방향의 지반의 변위는 지반의 침하를 의미한다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법 및 이를 구현하기 위한 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 시스템에 대하여 설명한다. 이때, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 종래 주지된 사항에 대한 설명은 생략하거나 간단히 한다.
[다채널 센서 기반 지중 변위 시스템]
도 2를 참조하면, 다채널 센서 기반 지중 변위 시스템은 관정 파이프(30)를 포함할 수 있다. 관정 파이프(30)는 양측이 개방된 중공형일 수 있다. 관정 파이프(30) 내부에 센서 모듈(100)이 장착될 수 있다. 센서 모듈(100)은 연결봉(110), 상부 고정 링크(120), 연결링크(130), 하부 고정 링크(140), 센서(150)를 포함할 수 있다.
연결봉(110)은 복수개로 구비될 수 있다. 복수의 연결봉(110) 각각은 상부에서 하부로 소정의 경사를 가지고 지그재그 형상으로 배치될 수 있다. 상하로 이웃하는 연결봉(110)은 연결링크(130)에 의해 상호 연결될 수 있다. 그리고, 연결봉(110)은 연결링크(130)에 연결링크(130)를 회전축으로 하여 상하로 원만하게 회전 가능하게 설치될 수 있다. 복수의 연결봉(110) 중 최하단에 위치한 연결봉의 하부는 하부고정링크(140)에 의해 관정 파이프(30) 하단을 통해 노출되는 지반(10)에 고정될 수 있다. 복수의 연결봉(110) 중 최하단에 위치한 연결봉의 하부는 하부고정링크(140)를 회전축으로 하여 원만하게 상하로 회전 가능하게 고정 설치될 수 있다. 여기서, 지반(10)은 지반(10)을 지표면에서 하부로 천공하여 형성되는 천공홀(20)의 바닥(21)일 수 있다.
다만, 도 2는 예시에 불과하며, 본 발명의 관정 파이프(30)는 건물(예를 들어, 건물 외벽)에 고정되는 구조로 설치될 수도 있다. 이때, 지반은 지표면 또는 지표면 부근일 수 있다. 이 같은 설치 구조에서, 센서 모듈(100)은 침하를 중심으로 모니터링할 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 복수의 연결봉(110) 중 최상부에 위치한 연결봉(110)의 상부는 상부 고정 링크(120)를 매개로 관정 파이프(30) 상부 내측면에 고정 설치될 수 있다. 이때, 복수의 연결봉(110) 중 최상부에 위치한 연결봉(110)의 상부는 상부 고정 링크(120)를 회전축으로 하여 상하로 원만하게 회전 가능하게 설치될 수 있다.
복수의 연결봉(110)은 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 및 하부 고정 링크(140)를 축으로 원만하게 상하 방향으로 회동할 수 있다. 물론, 외력에 의해 측방향으로 복수의 연결봉(110)이 회전(엄밀히 말하면, 꺽임)할 수도 있다.
초기 삽입된 상태에서, 복수의 연결봉(110)은 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 및 하부 고정 링크(140)를 축으로 하여 상하로 접철된 상태이어서, 수직 방향(지반 깊이 방향)에 대하여 연결봉(110)이 펴질 수 있는 마진(margin)이 부여될 수 있다. 도 2는 관정파이프(30)에 삽입된 센서모듈(100)의 초기 상태를 도시한다. 초기 상태에서, 연결링크(130)는 관정파이프(30) 내측면에 밀착될 수 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 센서 모듈(100)을 관정파이프(130)에 삽입하는 동작은 아래와 같을 수 있다.
상부에서 하부로 배열되는 복수의 연결봉(110)은 관정파이프(130)로 삽입되면서, 최하부에 위치한 연결봉(110)의 하단이 하부 고정링크(140)를 매개로 관정파이프(130) 하단에 노출된 지반에 지지됨과 동시에 지반 상에 고정될 수 있다. 이때, 복수의 연결봉(110)은 삽입 방향에 수직인 측면을 향해서 접히면서, 연결링크(130)를 관정 파이프(130) 내측면에 밀착시킴과 동시에 지그재그로 접힐 수 있다. 도 2는 관정 파이프(30)가 지표면에 지반을 천공하여 형성되는 천공홀(20)에 장착된 경우를 예시한다. 이때, 하부 고정 링크(150)는 천공홀의 바닥(21)에 고정될 수 있다. 이와 달리, 관정 파이프(30)는 건물에 고정 설치될 수 있다. 예를 들어, 관정 파이프(30)는 건물 외벽에 고정 설치될 수 있다. 센서 모듈(100)을 관정 파이프(30)에 삽입하는 동작이 완료되면, 최상부에 위치한 연결봉(110)의 상부가 상부 고정 링크(120)를 매개로 관정 파이프(30) 상에 고정될 수 있다.
상부 고정 링크(120), 연결링크(130), 하부 고정 링크(140) 중 적어도 하나에 센서(150)가 설치될 수 있다. 센서(150)는 가속도 기반 변위 센서(달리 표현하면, 관성 측정 장치)일 수 있다. 센서(150)는 자이로스코프/가속도계/저자기센서 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 센서(150)는 종류에 따라 자이로스코프 가속도계만 있는 6축센서, 자이로스코프와 가속도계 지자기센서까지 포함한 9축센서 등으로 구분될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는 센서(150)는 자이로스코프와 가속도계 지자기센서까지 포함한 9-DOF센서가 사용될 수 있으며, 9-DOF센서는 가속도 센서 적용으로 구조물의 기울기, 벡터의 방향에 따른 지중의 변위를 파악할 수 있다. 따라서, 본 발명은 9-DOF센서가 사용되는 것이 바람직할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 센서(150)는 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응한 센싱값을 수집할 수 있다. 이를 위해, 센서(150)는 연결봉(130)의 회전 운동 정보를 수집하기 위한 구조로 설치될 수 있다. 예를 들어, 센서(130)은 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 또는 하부 고정 링크(140) 내에서, 연결봉(130) 상에 탑재되는 구조로 설치되어, 연결봉(130)의 회전 운동(회전 운동에 대한 구체적인 사항은 후술한다.)에 대한 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00017
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00018
, 도 6 참조))를 센싱할 수 있다.
다채널 센서 기반 지중 변위 시스템은 모니터링 장치(200) 및 유저 단말(300)을 더 포함할 수 있다.
모니터링 장치(200)는 센서(150)로부터 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00019
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00020
, 도 6 참조))를 수집하고, 그 수집된 정보를 이용해, 링크(연결 링크, 하부 고정 링크)의 직각 좌표계 상의 좌표/3차원 상 기울기/기울기 벡터량/기울기로 인한 측방 회전을 산출할 수 있다.
모니터링 장치(200)는 센싱값 수집부(210), 변위 산출부(220), 알람부(230) 및 통신부(240)를 포함할 수 있다. 통신부(240)는 제 1 통신망(400)을 이용해 센서(150)와 모니터링 장치(200) 간의 통신을 지원할 수 있다. 제 1 통신망(400)에 유선, 무선 또는 유무선 통합 통신망 중 어느 하나가 적용될 수 있으며, 본 발명이 제 1 통신망(400)에 적용되는 통신 규격 및 통신 아키텍쳐를 제한하지 않음은 물론이다.
센싱값 수집부(210)는 기 설정된 주기로 센서(150)로부터 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00021
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00022
, 도 6 참조))를 수집할 수 있다
변위 산출부(220)는 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해, 링크(연결 링크, 하부 고정 링크)의 3차원 상 기울기, 3차원 상 기울기 벡터량, 기울기로 인한 측방 회전 등을 산출할 수 있다.
알람부(230)는 지반의 변위가 기 설정치를 초과하였을 때, 제 2 통신망(500)을 통해 유저 단말(300)에 알람을 제공할 수 있다. 본 발명이 제 2 통신망(500)에 적용되는 통신 규격 및 통신 아키텍쳐를 제한하지 않음은 물론이다.
[센서 모듈의 구조 및 지반 변위에 따른 센서 모듈의 형상 변경]
센서 모듈(100)은 지반의 변위에 대하여 형상을 변경한다. 이때, 형상 변경은 적어도 하나의 차원을 가질 수 있다. 형상 변경은 수직 방향으로의 변경 만 있는 형태, 수평 방향으로의 변경 만 있는 형태 및 수평 방향과 수직 방향의 변경이 공존하는 형태 등일 수 있다. 도 2에서와 같이 센서 모듈(100)은 양측으로 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 및 하부 고정 링크(140)를 통해 관정 파이프(30) 내측에 밀착되어 고정될 수 있다. 따라서, 지반의 변위에 따른 관정 파이프(30)의 형상 변경이 잘 센서 모듈(100)에 전달될 수 있다. 즉, 본 발명에서 센서 모듈(100)의 형상 변경은 지반의 변위를 잘 대변할 수 있다.
도 3을 참조하면, 센서 모듈(100)은 상부에서 하부로 연속되는 n 개의 구간(n은 3이상의 정수)을 가질 수 있다. 최상단 구간(제 1 구간)은 제 1 링크(상부 고정 링크(120))와 그 제 1 링크(상부 고정 링크(120))에 상단이 고정되고 하부로 경사지게 연장되는 제 1 연결봉(110-1)을 포함할 수 있다.
최하단 구간(제 n 구간, n은 3 이상의 정수)은 제 n 링크(연결링크(130))와 그 제 n 링크에 하단이 고정되고 상부로 경사지게 연장되는 제 n 연결봉(110-n)을 포함할 수 있다. 제 n 연결봉(110-n)의 하단은 하부 고정 링크(140)에 의해 지반에 고정될 수 있다.
최상단 구간과 최하단 구간 사이에는 적어도 하나의 중간 구간이 구비될 수 있다. 중간 구간은 제 n-k 구간(1 < k < n-2)일 수 있다. 그리고, 그 중간 구간에 속하는 연결봉은 제 1 연결봉 및 제 n 연결봉과 지그재그 형상으로 연결되도록 배치될 수 있다. 그리고, 그 중간 구간에 속하는 연결봉은 상하로 이웃하는 연결봉과 연결링크(130)에 의해, 상하로 원만하게 회동 가능하게 연결될 수 있다.
각각의 구간에는 연결봉(110)의 3차원 상의 회전 운동을 감지하는 센서(150)가 설치될 수 있다. 센서(150)에 대한 구체적인 사항은 앞서 본 바와 같을 수 있다.
이 같은 구조에서 각각의 구간에 설치된 센서(150)는 해당 구간에 속하는 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 또는 하부 고정 링크(140)를 회전축으로 하여 회전하는 해당 구간에 속하는 연결봉(110)의 회전 운동에 대응한 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00023
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00024
, 도 6 참조))를 센싱할 수 있다. 이에 따라, 구간별 지반의 변위 계측이 가능할 수 있다.
이 같은 구조에서, 수직 방향으로의 지반의 변위 만이 발생하였을 때, 센서 모듈(100)은 도 4에서와 같은 형상으로 변경될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 연결봉(110) 중 최하부에 위치한 연결봉(110)의 하단은 하부 고정 링크(140)를 매개로 지반에 고정되고, 최상부에 위치한 연결봉(110)의 상단은 상부 고정 링크(120)를 매개로 관정 파이프(30)의 상측에 고정될 수 있다.
지반 침하가 발생하게 되면, 센서모듈(100)의 상단은 상부 고정 링크(120)를 매개로 관정 파이프(30)에 고정된 상태에서 센서모듈(100)의 하단은 침하하는 지반을 따라 하강하게 된다. 이때, 지그재그로 접혀 있던 복수의 연결봉이 하측을 향해 펴지게 된다. 복수의 연결봉(110)은 하방향으로 펴지면서 각각의 구간에서 상부 고정 링크(120), 연결 링크(130) 및 하부 고정 링크(140)를 중심축으로 하여 회전 운동을 하게 된다. 물론, 센서 모듈(100)의 하부에서 상부로 갈수록 회전의 중심축 역할을 하는 연결링크(130)의 좌표는 좌방향, 우방향 및 하방향으로 변경될 수 있다. 그리고, 센서 모듈(100)의 하부에서 상부로 갈수록 회전 운동의 정도(하방향으로의 회전각)는 상이하게 나타날 수 있다.
본 발명은 위 같은 형상 변경에 따른 연결봉(110)의 3차원 회전운동에 대응한 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00025
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00026
, 도 6 참조))를 이용하여 지반의 3차원상 변위를 산출할 수 있다.
이때, 후술하는 바와 같이, 연산의 간편 및 정확도를 위해 미리 알고 있는 연결봉(100)의 길이를 회전 반경으로 하는 센서(150)로부터 취득되는 연결봉(110)의 3차원 회전운동에 대응한 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00027
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00028
, 도 6 참조))를 이용하여 각 구간별 지반의 구좌표계 및 직각좌표계에서의 3차원 변위가 계측될 수 있다. 이때, 연산의 편의를 위해, 연결봉(110)의 길이는 동일한 것이 바람직하다. 아울러, 지반의 변위에 따라 연결봉(110)의 길이가 변경되지 않은 상태로 회전 운동을 수행할 수 있도록, 연결봉(110)은 기 설정된 외력에도 휨과 같은 형상 변경이 발생하지 않는 기 설정된 강도를 가지는 소재로 제작되는 것이 바람직하다.
그리고, 수평 방향으로의 지반의 변위 만이 발생하였을 때, 센서 모듈(100)은 도 5에서와 같은 형상으로 변경될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 연결봉(110) 중 최하부에 위치한 연결봉(110)의 하단은 하부 고정 링크(140)를 매개로 지반에 고정되고, 최상부에 위치한 연결봉(110)의 상단은 상부 고정 링크(120)를 매개로 관정 파이프(30)의 상측에 고정될 수 있다.
이 같은 구조에서, 지반의 수평 방향으로의 변위 만이 발생한 경우, 지반은 관정 파이프(30)를 지반의 수평 방향에서의 변위 방향으로 밀어낼 수 있다. 이때, 관정 파이프(30)는 휠 수 있다. 그리고, 그 관정 파이프(30)의 흼은 내부에 위치한 센서 모듈(100)을 절곡시킬 수 있다. 이때, 센서 모듈(100)은 도 5에서와 같이 상부 고정 링크(120)와 하부 고정 링크(140)가 고정된 상태에서 연결 링크(130)가 3차원 상에서 이동하면서 연결봉(110)이 연결링크(130)를 중심축으로 하여 회전 운동을 수행하는 동작을 수반하는 형상 변경을 할 수 있다.
지반의 수평 방향과 수직방향에서의 변위가 공존하는 경우, 도 4 및 도 5에서의 형상 변경이 융합된 형태로 센서모듈의 형상 변경이 이루어질 수 있다.
[지반의 변위에 따른 링크의 변위]
지반의 변위에 따른 형상 변경은 앞서 본 바와 같다. 그리고, 그 형상 변경은 상부 고정 링크(120) 또는 연결 링크(130)를 회전축으로 하는 연결봉(110)의 3차원 상의 회전 운동으로 나타난다. 구체적으로, 연결봉(110)이 속하는 구간에 속하는 링크(상부 고정 링크 또는 연결 링크)를 회전축으로하고, 해당 연결봉(110)을 회전 반경으로 하여, 바로 하부에 위치한 구간에 속하는 링크(연결 링크 또는 하부 고정링크)가 회전 운동을 할 수 있다. 이를 일반화하면, 지반의 변위가 발생한 경우, 그 지반의 변위의 영향을 받는 제 m 구간(1 ≤ m ≤ n, n은 3 이상의 정수)에 속하는 제 m 연결봉(110)은 제 m 링크(110-m)을 회전축으로 하고 제 m 연결봉(110)을 회전 반경으로 하여, 제 m+1 구간에 속하는 제 m+1 링크를 회전시킬 수 있다. 여기서, 구간은 앞서 도 3에서 본 센서 모듈(100)에서의 구간일 수 있다. 구간의 총 개수는 n(n은 3이상의 정수)개 일 수 있다.
제 m 연결봉(110)의 제 m 링크(110-m)를 중심으로 한 회전 운동은 제 m 연결봉(110)의 회전 운동을 감지하는 제 m 센서(150-m)에 의해 센싱될 수 있다. 제 m 센서(150-m)는 제 m 연결봉(110)의 회전 운동을 감지할 수 있다면, 설치 위치에 대한 제한이 없을 수 있다. 예를 들어, 제 m 센서(150-m)는 제 m 연결봉(110-m) 또는 제 m 링크(110-m)에 고정 설치될 수 있다. 제 m 센서(150-m)가 센싱한 제 m 연결봉(110-m)의 3차원 회전운동에 대응한 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00029
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00030
, 도 6 참조)) 및 해당 제 m 센서(150-m)와 동일 구간에 속하는 제 m 연결봉(110-m)의 길이를 이용해 제 m+1 링크(연결링크, 하부 고정 링크)의 변위가 계측될 수 있다. 그리고, 그 m+1 링크의 변위를 이용해, 지반의 3차원 변위를 파악할 수 있다.
이하, 지반 침하에 따른 링크의 변위에 대하여 직각좌표계와 구좌표계를 기준으로 설명한다.
먼저, 제 m 구간(1 ≤ m ≤ n, n은 3 이상의 정수)에서 제 m 연결봉의 회전의 중심이 되는 회전축인 제 m 링크의 좌표는 직각좌표계 상에서
Figure 112021087131625-pat00031
로 표현될 수 있다. 이하에서, 링크라 함은 상부 고정 링크, 하부 고정 링크, 연결 링크 중 어느 하나일 수 있으며, 제 m 링크라 함은 제 m 구간에 속하는 링크이고, 제 m 연결봉이라 함은 제 m 구간에 속하는 연결봉일 수 있다.
그리고, 제 m+1 구간에 속하는 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 좌표는 직각좌표계 상에서
Figure 112021087131625-pat00032
로 표현될 수 있다.
그리고, 제 m 구간에 속하는 제 m 링크를 원점으로 제 m +1 구간에 속하는 제 m+1 링크의 좌표는 구좌표계 상에서
Figure 112021087131625-pat00033
로 표현될 수 있다.
그리고, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 직각좌표계 상의 좌표와 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 구좌표계 상의 좌표의 관계는 다음의 수학식 1과 같을 수 있다. 직각좌표계와 구좌표계 간의 변환은 일반적인 사항이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
Figure 112021087131625-pat00034
Figure 112021087131625-pat00035
Figure 112021087131625-pat00036
여기서,
*
Figure 112021087131625-pat00037
: 제 m 구간에 속하는 제 m 연결봉의 길이(달리 표현하면, 제 m 연결봉의 제 m 링크를 회전축으로 한 회전 반경)
*
Figure 112021087131625-pat00038
: 제 m 링크를 원점으로 한 구좌표계 상에서, 제 m+1 링크의 위도(“극각”이라고도 표현함)
*
Figure 112021087131625-pat00039
: 제 m 링크를 원점으로 한 구좌표계 상에서, 제 m+1 링크의 경도(“방위각”이라고도 표현함)
앞서 본 바와 같이, 센서(150)를 통해, 해당 센서(150)가 속하는 구간의 연결봉이 해당 센서가 속하는 구간의 링크를 중심으로 한 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00040
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00041
, 도 6 참조))를 센싱할 수 있다. 그리고, 해당 구간에 속하는 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00042
)는 미리 알 수 있다.
그리고, 센서(150)로부터 수집한 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00043
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00044
, 도 6 참조)) 각각에서 초기값(위도 초기값 및 경도 초기값)을 차감하는 것에 의해, 링크 각각에 대한 3차원 상의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00045
) 및 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00046
)가 산출될 수 있다. 여기서, 링크의 3차원 상의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00047
) 및 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00048
)는 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 3차원 상의 회전 변위일 수 있다. 여기서, 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00049
)는 초기 상태를 기준으로 한 링크의 수직 회전각일 수 있고, 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00050
)는 초기 상태를 기준으로 한 링크의 수평 회전각일 수 있다. 부연하면, 제 m+1 링크의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00051
)는 제 m 링크를 원점으로 하고 회전 반경을 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00052
)로 하는 수직 회전각일 수 있고, 제 m+1 링크의 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00053
)는 제 m 링크를 원점으로 하고 회전 반경을 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00054
)로 하는 수평 회전각일 수 있다.
따라서, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 하는 3차원 회전 변위는 구좌표계 상에서
Figure 112021087131625-pat00055
과 같이 표현될 수 있다.
따라서, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 직각좌표계 상의 변위 벡터
Figure 112021087131625-pat00056
는 아래의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112021087131625-pat00057
Figure 112021087131625-pat00058
Figure 112021087131625-pat00059
여기서,
*
Figure 112021087131625-pat00060
: 제 m 구간에 속하는 제 m 연결봉의 길이(달리 표현하면, 제 m 연결봉의 제 m 링크를 중심으로 한 회전 반경)
*
Figure 112021087131625-pat00061
: 제 m 링크를 원점으로 한 구좌표계 상에서, 제 m+1 링크의 위도(“극각”이라고도 표현함) 변위
*
Figure 112021087131625-pat00062
: 제 m 링크를 원점으로 한 구좌표계 상에서, 제 m+1 링크의 경도(“방위각”이라고도 표현함) 변위
Figure 112021087131625-pat00063
은 제 m 구간에 설치된 제 m 센서에 의해 센싱되는 제 m 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(제 m 링크를 원점으로 한 구 좌표계 상의 경도(
Figure 112021087131625-pat00064
, 도 6 참조))에서 제 m+1 링크의 경도 초기값을 차감하는 것에 의해 산출될 수 있다.
그리고,
Figure 112021087131625-pat00065
는 제 m 구간에 설치된 제 m 센서에 의해 센싱되는 제 m 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(제 m 링크를 원점으로 한 구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00066
, 도 6 참조))에서 제 m+1 링크의 위도 초기값을 차감하는 것에 의해 산출될 수 있다.
[지중 변위 측정 방법]
먼저, 도 2와 같이 센서 모듈(100)이 관정 파이프(30) 내부에 설치된 초기 상태에서, 각 구간의 센서(150)로부터 수집된 센싱값을 기반으로, 초기값이 설정될 수 있다(S71). 여기서, 초기값은 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00067
)와 경도(
Figure 112021087131625-pat00068
)의 초기값일 수 있다. 초기값은 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 직각좌표계 상에서의 좌표를 포함할 수도 있다.
센싱값 수집부(210)가 기 설정된 주기로 센서(150)로부터 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00069
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00070
, 도 6 참조))를 수집할 수 있다(S72).
그리고, 변위 산출부(220)가 센서(150)로부터 수집된 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
Figure 112021087131625-pat00071
, 도 6 참조) 및 경도(
Figure 112021087131625-pat00072
, 도 6 참조))를 이용해, 지반 변위 관련 정보를 산출할 수 있다(S73). 이에 대한 구체적인 사항은 아래와 같을 수 있다.
변위 산출부(220)가 센서(150)로부터 수집한 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보(구 좌표계 상의 위도(
Figure 112021087131625-pat00073
, 도 6 참조) 및 구 좌표계 상의 경도(
Figure 112021087131625-pat00074
, 도 6 참조)) 각각에서 초기값(S71 단계에서 설정된 위도 초기값 및 경도 초기값)을 차감하는 것에 의해, 링크 각각에 대한 3차원 상의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00075
) 및 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00076
)를 산출할 수 있다. 여기서, 링크의 3차원 상의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00077
) 및 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00078
)는 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 3차원 상의 회전 변위 일 수 있다. 여기서, 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00079
)는 초기 상태를 기준으로 한 링크의 수직 회전각일 수 있고, 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00080
)는 초기 상태를 기준으로 한 링크의 수평 회전각일 수 있다. 부연하면, 제 m+1 링크의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00081
)는 제 m 링크를 원점으로 하고 회전 반경을 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00082
)로 하는 수직 회전각일 수 있고, 제 m+1 링크의 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00083
)는 제 m 링크를 원점으로 하고 회전 반경을 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00084
)로 하는 수평 회전각일 수 있다.
따라서, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 하는 3차원 회전 변위는 구좌표계 상에서
Figure 112021087131625-pat00085
과 같이 표현될 수 있다.
여기서,
Figure 112021087131625-pat00086
는 3차원 상 기울기이고,
Figure 112021087131625-pat00087
은 3차원 상 기울기 벡터량이고,
Figure 112021087131625-pat00088
은 기울기로 인한 측방 회전량일 수 있다.
그리고, 변위 산출부(220)는 제 m 센서가 센싱한 제 m 연결봉(130)의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해 산출된 제 m+1 링크의 위도 변위(
Figure 112021087131625-pat00089
) 및 제 m+1 링크의 경도 변위(
Figure 112021087131625-pat00090
) 및 m 구간에 속하는 제 m 연결봉의 길이(
Figure 112021087131625-pat00091
)를 다음의 수학식 3에 대입하는 것에 의해, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 직각좌표계 상의 변위 벡터
Figure 112021087131625-pat00092
를 산출할 수 있다.
Figure 112021087131625-pat00093
Figure 112021087131625-pat00094
Figure 112021087131625-pat00095
10 : 지반
20 : 천공홀
21 : 천공홀 바닥
30 : 관정파이프
100 : 센서모듈
110 : 연결봉
120 : 상부고정링크
130 : 연결링크
140 : 하부 고정 링크
150 : 센서
200 : 모니터링 장치
210 : 센싱값 수집부
220 : 변위 산출부
230 : 알람부
240 : 통신부
300 : 유저 단말
400 : 제 1 통신망
500 : 제 2 통신망

Claims (6)

  1. 센싱값 수집부가 기 설정된 주기로 양측이 개방된 관정 파이프 내부에 장착되되, 상부에서 하부로 소정의 경사를 가지고 지그재그 형상으로 배치되는 복수의 연결봉과, 상기 복수의 연결봉 중 상하로 이웃하는 연결봉을 상하로 회전 가능하게 연결하되, 초기상태에서 상기 관정 파이프의 내벽면에 접하는 연결링크와, 상기 복수의 연결봉 중 최하단에 위치한 연결봉의 하부를 지반에 고정시키는 하부 고정 링크와, 상기 복수의 연결봉 중 최상부에 위치한 연결봉의 상부를 관정 파이프에 고정시키는 상부 고정 링크로 구성되는 센서로부터 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 수집하는 단계; 및
    변위 산출부가 센서로부터 수집된 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해, 지반 변위 관련 정보를 산출하는 단계를 포함하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 회전 운동에 대응하는 정보는 구 좌표계 상에서, 바로 상부에 위치한 링크를 원점으로 한 하부에 위치하는 링크의 위도(
    Figure 112021087131625-pat00096
    ) 및 경도(
    Figure 112021087131625-pat00097
    )인 것을 특징으로 하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지반 변위 관련 정보는 3차원 상 기울기(
    Figure 112021087131625-pat00098
    ), 3차원 상 기울기 벡터량(
    Figure 112021087131625-pat00099
    ), 기울기로 인한 측방 회전량(
    Figure 112021087131625-pat00100
    ) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 산출부는 센서로부터 수집한 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보인 경도(
    Figure 112021087131625-pat00101
    )에서 경도 초기값을 차감하는 것에 의해, 경도 변위(
    Figure 112021087131625-pat00102
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 산출부는 센서로부터 수집한 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보인 위도(
    Figure 112021087131625-pat00103
    )에서 위도 초기값을 차감하는 것에 의해, 위도 변위(
    Figure 112021087131625-pat00104
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 산출부는 제 m 센서가 센싱한 제 m 연결봉의 3차원 회전 운동에 대응하는 정보를 이용해 산출된 제 m+1 링크의 위도 변위(
    Figure 112021087131625-pat00105
    ), 제 m+1 링크의 경도 변위(
    Figure 112021087131625-pat00106
    ) 및 m 구간에 속하는 제 m 연결봉의 길이(
    Figure 112021087131625-pat00107
    )를 다음의 수학식에 대입하는 것에 의해, 제 m+1 링크의 제 m 링크를 원점으로 한 직각좌표계 상의 변위 벡터
    Figure 112021087131625-pat00108
    를 산출하는 것을 특징으로 하는 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법.
    [수학식]
    Figure 112021087131625-pat00109

    Figure 112021087131625-pat00110

    Figure 112021087131625-pat00111
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100096992A (ko) * 2009-02-24 2010-09-02 황문삼 ３차원 변위측정을 위한 유닛관절 구조체 및 이를 이용한 ３차원 변위측정 장치
KR101008307B1 (ko) 2008-09-19 2011-01-14 주식회사 서신엔지니어링 연약지반 침하 계측방법

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