KR102516411B1 - 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법 및 이의 기록매체 - Google Patents

Abstract

일 실시예의 계측 방법은 GPR C-scan을 통해 교량 상판의 비투과층의 높이맵을 획득하는 단계, 상기 방수층 높이 분포도에 머신러닝 알고리즘을 적용하여 교량 표면으로부터 방수층까지의 저류를 모델링한 뒤, 배수단 위치를 고려하여 저류 모델을 개선해 상기 방수층 위에 물이 고이는 지점을 계산하는 단계, 상기 물이 고이는 지점의 위치 및 부피를 계산하여 지하연못지도(subsurface ponding zone) 구성하는 단계를 포함한다.

Description

지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법 및 이의 기록매체{A method for measuring the water inside a bridge deck using ground penetrating radar and recording medium thereof}

본 발명은 지상투과레이더(GPR, Ground Penetrating Radar)를 이용하여 교량 상판에서의 물고임 위치를 추정하고, 고인물의 양을 정량화하는 비파괴점검 기술에 관한 것이다.

도 1은 교량의 구조를 개략적으로 보여준다. 교량(1)은 교각(10) 및 그 위에 올려진 상판(20)을 포함한다. 상판(20)은 다시 아스팔트와 같은 포장층 (21)과 방수를 위한 비투과층(23)을 포함한다.

그런데, 아스팔트로 덮인 교량 상판의 고인 물은 열화의 주요 원인이다. 노면에 정체된 물은 아스팔트층(21)을 침투하여 비투과층(23)(방수층, 혹은 콘크리트층)에 고이게 된다. 이 포장층(21) 하부 고인물은 동해, 염해, 탄산화, 보강재 부식 등 콘크리트 열화를 유발하고, 교량 상판의 구조적 안전성을 지속적으로 악화시킨다.

종래에는 교량의 고인 물을 감지하고 정량화하기 위해 비파괴 검사(NDT)를 사용하며, 토목 공학 구조에 대한 일반적인 비파괴 검사 방법에는 전기 저항법, 응력파법, 전자기파법이 있다. 전기저항법은 콘크리트 저항법과 같은 전기 기반 접근 방식은 전극을 사용하여 콘크리트의 기공 용액의 전도도와 포화도를 측정한다. 응력파법은 구조에 압력을 가한 다음 반사된 P파 및 S파를 분석하여 재료 속성과 보이드의 존재를 식별하며, 보이드의 식별은 구조 내 수분 감지에 도움이 된다. 전자기파법은 반사파, 직접파 및 주파수 영역 분석을 통해 지하 영역의 물 분포를 평가하는 방법이다.

한편, 최근 고속도로에서 포장층 하부에 콘크리트 열화현상(박리, 박락, 철근부식, 백태, 균열 등)이 지속적으로 보고되고 있다. 이러한 열화현상은 포장층과 바닥판 사이에서 선행적으로 일어나고, 점진적으로 바닥판 및 거더를 손상시키는 것으로 판단되고 있다. 하지만 포장층과 바닥판 사이는 육안점검이 어려워 코어채취를 통해 부분적으로 열화정도를 판별하거나, 비파괴검사법(NDT)를 통해 수분량을 검측한다. 그런데 이는 강수량에 따라 다른 값이 계측되기 때문에 유지관리에 활용하기 어려운 단점이 있다. 따라서 포장층 하부에 물고임 현상을 날씨에 영향을 받지 않으면서 파악할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

교량의 유지 보수를 위해서는, 교량의 예지적 건전성 평가를 위해 교량 포장층 하부에 고인 물의 분포를 확인할 필요가 있다. 본 발명의 목적은 비투과층에 고인 물의 분포도(위치 및 부피)를 날씨에 영향을 받지 않으면서 판단하는 기술을 개발하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 일 실시예의 계측 방법은 GPR C-scan을 통해 교량 상판의 비투과층의 높이맵을 획득하는 단계, 상기 방수층 높이 분포도에 머신러닝 알고리즘을 적용하여 교량 표면으로부터 방수층까지의 저류를 모델링한 뒤, 배수단 위치를 고려하여 저류 모델을 개선해 상기 방수층 위에 물이 고이는 지점을 계산하는 단계, 상기 물이 고이는 지점의 위치 및 부피를 계산하여 지하연못지도(subsurface ponding zone) 구성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 고인물의 위치 및 부피를 파악하여 교량의 열화현상을 예지적으로 판단할 수 있으며, 이를 유지관리에 직접적으로 활용할 수 있다.

또한, 종래에는 NDT 기술을 통해 교량 상판의 수분량을 계측하는 기술이 보고되나, 강우에 따라 다른 수분량이 검출되기 때문에, 날씨에 종속적인 경향을 보인다. 이와 달리 본 발명은 NDT로 계측된 비투과층의 기하학적 특성을 기반으로 고인물의 위치와 부피를 검출한다. 따라서 날씨에 영향을 최소한으로 받으며, 교량 유지관리에 필요한 교량 표층하부 물고임 데이터를 상시 취득할 수 있다.

도 1은 교량의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 덴드로그램을, 도 4는 드레인 포인트를 보여준다.
도 5는 제3 단계를 도식화해 보여준다.
도 6은 상술한 본 발명의 계측 방법을 검증하기 위한 실험에 사용된 구성을 보여준다.
도 7 내지 도 9는 실험 결과를 보여준다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법의 흐름도이다.

본 발명의 계측 방법은, GPR C-scan을 통해 교량 상판의 비투과층의 높이맵을 획득하는 단계(S1), 상기 방수층 높이 분포도에 머신러닝 알고리즘을 적용하여 교량 표면으로부터 방수층까지의 저류를 모델링한 뒤, 배수단 위치를 고려하여 저류 모델을 개선해 상기 방수층 위에 물이 고이는 지점을 계산하는 단계(S2), 상기 물이 고이는 지점의 위치 및 부피를 계산하여 지하연못지도(subsurface ponding zone) 구성하는 단계(S3)를 포함한다.

제1 단계(S1)는 GPR C-scan을 통해 교량 상판(20)의 비투과층(23)의 높이맵을 획득하는 단계이다. 여기서, 높이맵은 교량 상판(20)을 구성하는 비투과층(23) 전체의 높이 분포를 말한다.

이 높이맵은 일반적으로 활용되는 GPR C-scan을 통해 표면에서 비투과층까지의 거리맵 D(x,y)를 구할 수 있다. 도 1에 표시된 횡구배(cross-slope, θ)를 통해 비투과층의 높이맵 Z(x,y)을 아래의 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

[수학식 1]

제2 단계(S2)는 구해진 비투과층(23) 위에 물이 고이는 지점을 계산하는 과정이다. 이 제2 단계(S2)는 비투과층(23) 높이 분포도에 머신러닝 알고리즘(예로, 덴드로그램)을 적용하여 교량 표면으로부터 비투과층(23)까지의 저류를 모델링한 뒤, 배수단 위치를 고려하여 저류 모델을 개선하면 배수되지 못하고 비투과층(23) 위에 물이 고이는 지점을 계산할 수 있다.

이에 대해서, 도 3 및 도 4를 참조해 자세히 설명한다. 도 3은 덴드로그램을, 도 4는 드레인 포인트를 보여준다.

Z(x,y) 중 가장 높은 지점을 Zmax이라 한다. j번째 스텝(step)에서 유저가 정한 높이 스텝Δh을 통해 아래와 같은 이원화 이미지 Ij(x,y)를 계산할 수 있다. 이 이원화 이미지를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

이를 도 3처럼 j=1,2,...,N 횟수 만큼 반복하여 모든 Ij(x,y)를 계산한다. 각 Ij(x,y)에서는 Flood fill algorithm을 통해 닫힌공간 Rj(k)를 구할 수 있다. 이때 Rj는 Rj-1의 부분집합이기 때문에 도면처럼 트리구조화 할 수 있다. 모든 Rj에 대해 구성된 트리를 덴드로그램이라고 하며, 이는 포장층(21)에서부터의 저류를 표현한다고 볼 수 있다. 마지막으로 도 4처럼 도면에 나타난 모든 배수지점 (x,y)에 대해 덴드로그램 상의 노드를 삭제하면 물이 고이는 노드만 남게 된다.

제3 단계(S3)는 물이 고이는 지점의 위치 및 부피를 계산하여 지하연못지도(subsurface ponding zone; S(x,y))를 구성한다. 이때 S(x,y)는 물이 고이는 지점과 그 부피를 표현하며, 도 5는 제3 단계를 도식화해 보여준다.

상술한 본 실시예의 계측하는 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이하, 상술한 본 발명의 계측 방법을 검증하기 위한 실험 및 그 결과에 대해서 설명한다.

본 실험은 도 6에서 예시하는 바처럼, 차량 후면에 GPR 4기를 차량 후면에 장착한 뒤, 차량을 움직여가며 대상교량에 대해 GPR C-scan을 계측하였다. 또한 본 실험은 550m 경간의 PSC 박스거더 교량을 선정하여 본 발명 기술을 검증하였다.

구해진 GPR C-scan은 상술한 제1 단계를 통해 Z(x,y)를 계산해 도 7과 같은 결과를 얻었다. 또한, Z(x,y)는 상술한 제2 단계를 통해 덴드로그램을 구성하였으며, 그 결과는 도 8과 같다. 또한, 구해진 덴드로그램을 통해, 상술한 제3 단계를 통해 지하연못지도(subsurface ponding map)을 계산하였으며, 그 결과는 도 9와 같다. 한편, 상술한 실험에 사용된 의사코드는 다음과 같다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. GPR C-scan을 통해 구조물의 비투과층의 높이맵을 획득하는 제1 단계;
   상기 비투과층 높이 분포도에 머신러닝 알고리즘을 적용하여 교량 표면으로부터 방수층까지의 저류를 모델링한 뒤, 배수단 위치를 고려하여 저류 모델을 개선해 상기 방수층 위에 물이 고이는 지점을 계산하는 제2 단계; 그리고
   상기 물이 고이는 지점의 위치 및 부피를 계산하여 지하연못지도(subsurface ponding zone) 구성하는 제3 단계;
   를 포함하는 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구조물은 교량이며,
   상기 교량은 교각과 상기 교각 위에 놓인 상판을 포함하는 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 상판은 아스팔트로 이뤄진 포장층과 방수를 위한 방수층을 포함하고,
   상기 비투과층은 상기 방수층인 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 높이맵은 상기 비투과층의 횡구배를 이용해서 하기 수학식 1에 의해 구해지는 지상투과레이더를 활용한 교량상판 내부체수를 계측하는 방법.
   [수학식 1]
   

   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계는, 아래의 수학식 2로 표현되는 n개의 이원화 이미지 Ij(x,y)를 구하고, 각 Ij(x,y)에서는 Flood fill algorithm을 통해 닫힌공간 Rj(k)를 구해 덴드로그램을 구성하는 교량상판 내부체수를 계측하는 방법.
   [수학식 2]
   

   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 교량상판 내부체수를 계측하는 방법을 기록한 기록 매체.
   
   
   

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