KR102546808B1 - 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법 - Google Patents
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Abstract
실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법이 개시된다. 본 발명의 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템은, HDD 장비에 연결되어 지하를 굴진하며 페이스면부가 마련된 드릴비트; 페이스면부의 영역에 마련되어 드릴비트의 전방 영역을 촬영하는 카메라 부재; 카메라 부재에 연결되어 카메라 부재에서 촬영되는 영상을 획득하는 CCTV모듈; 및 드릴비트에 마련되어 CCTV모듈에서 획득된 영상을 지상으로 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시 예는 굴진 과정에서 실시간으로 카메라 부재와 CCTV모듈을 이용하여 드릴비트의 선단의 영상을 획득하고 이를 분석하여 기존 지상에서 확인한 매설물의 재확인, 검증과 더불어 지상에서 확인 못한 미확인 장애물에 대한 발견이 가능하고 HDD 장비를 운영하는 사람 혹은 장비 운영 프로그램에서 의해서 이에 대한 대처 즉 미확인 장애물이 있는 경우 CCTV 영상을 보면서 우회하는 경로 수정이 가능함으로써 기존 매설물의 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
본 실시 예는 굴진 과정에서 실시간으로 카메라 부재와 CCTV모듈을 이용하여 드릴비트의 선단의 영상을 획득하고 이를 분석하여 기존 지상에서 확인한 매설물의 재확인, 검증과 더불어 지상에서 확인 못한 미확인 장애물에 대한 발견이 가능하고 HDD 장비를 운영하는 사람 혹은 장비 운영 프로그램에서 의해서 이에 대한 대처 즉 미확인 장애물이 있는 경우 CCTV 영상을 보면서 우회하는 경로 수정이 가능함으로써 기존 매설물의 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
Description
본 발명은, 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, HDD(Horizontal Directional Drilling) 공법에서 실시간으로 미확인 매설물을 확인함과 아울러 기존 매설물의 깊이 값 보정을 통해서 Drill bit와 매설물의 충돌 위험성을 평가하고 이를 근거로 굴진 경로를 실시간으로 수정함으로써 굴진 과정에서 발생되는 사고를 미리 방지할 수 있는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법에 관한 것이다.
현재 도시화와 산업화로 인해 갈수록 인구의 도시 집중이 심화되고 있으며, 이에 따라 지상 공간이 부족하게 됨으로 인해 지하공간의 개발이 활발히 이루지고 있다. 따라서, 상수도, 하수도, 난방을 위한 열수송관, 도시나 공장에서 사용되는 많은 양의 에너지 수송의 필요성으로 인한 에너지 수송관로, 동력을 위한 전선을 위한 관로, 통신을 위한 통신관로 등 다양한 종류의 유틸리티 파이프(Utility Pipe)가 필요하고 이들은 가공 혹은 지중에 매설되고 있다.
이와 같은 유틸리티 파이프가 필수적이기 때문에 신도시를 계획하는 경우에는 공동구를 설계하여 이들 유틸리티 파이프를 지중에 수용하고 있다.
그러나 기존의 오래된 도시들은 대부분의 경우 공동구가 없는 관계로 유틸리티 파이프가 가공(架空, 공중 가설) 또는 지하에 어지럽게 설치되어 있다. 그리고 최근에는 기존 구 도심을 정비, 재개발하면서 가공으로 어지럽게 설치된 전기, 통신선을 지하로 옮겨 매설하여 주변 환경을 정비하는 노력을 기울이고 있다.
유틸리티 파이프를 지하에 매설하는 방법에는 매설깊이까지 땅을 굴착한 후 파이프를 매설하는 개착공법(Open Cut,Trenching)과, 파이프의 진입과 진출구 작업구만을 만들고 진입구 작업구를 통해서 밀어 넣는 방식인 비개착(Trenchless)공법으로 구분될 수 있다.
이러한 설치 공법 선정 결정 요소로는 공사비(직, 간접 공사비), 파이프의 직경, 수량, 연장, 매설 깊이 등이 중요한 요소이다. 유틸리티 파이프의 설치 공사시에는 개착공법, 비개착공법 모두에서 최우선적으로 지장물(매설물)에 대한 조사를 널리 사용되는 탐지 장비인 GPR(Ground Penetrating Radar)장비를 활용해서 하게 된다. 이를 반영하여 파이프의 매설 경로를 사전에 결정하게 된다.
기존 유틸리티 파이프의 설치 공법인 굴착하는 개착식 공법으로 설치하는 경우, 땅을 일정 깊이로 굴착하고 파이프를 설치후 파이프를 보호를 위해서 유틸리티 종류별로 아래에 파이프가 있음을 경고하는 특정 색깔의 테이프를 파이프의 일정 거리 이격하여 상단에 포설하고 흙을 덮은후 다짐과 도로포장 복구후 완공하게 된다.
비개착공법으로 유틸리티 파이프를 설치하는 경우에는 세부적으로는 마이크로(Microtunneling) 공법, 파이프 잭킹(Pipe Jacking) 공법, 파이프 래밍(Pipe Ramming) 공법, 수평 오거 보링(Horizontal Auger Boring) 공법, 수평지향성 압입(Horizontal Directional Drilling, HDD) 공법 등이 있다.
이 중 수평지향성 압입공법(HDD)은 Martin Cherrington(2013)은 1971년에 10cm 직경, 시공연장 187.5m의 천연가스 관을 캘리포니아 왓슨빌의 Pajaro 강을 횡단시키는 시공에서 최초로 개발 적용하였다. 수평지향성 압입공법은 수직갱이 필요 없이 굴착선단을 지표면에서 발진시켜 필요한 심도까지 포물선을 그리면서 굴착하고, 현장여건에 따라 도중에 굴착 선형을 변경할 수 있다.
수평지향성 압입 공법은 방향 조절이 가능하고, 필요한 단면만 굴착하여 지하관로 설치시 효율성이 가장 뛰어난 공법 중 하나라 할 수 있고, 진입 작업구에 장비를 설치하고 일정 구간을 드릴 파이프(Drill Pipe)를 서로 연결하여 굴진하고 선단인 드릴비트(Drill Bit 혹은 Drill Tip)가 출구인 진출 작업구에 도달하게 된다. 진출 작업구에서 파일럿 보링(Pilot Boring)을 위한 드릴비트를 제거하고 보링(굴진) 직경을 확대하기 위한 확공기(Reamer)를 장착후, 뒷단에 유틸리티 파이프를 연결하여 파일럿 보링 방향과는 역방향인 진입 작업구 방향으로 이동하게 된다.
즉, 파일럿 굴진시 장비 및 부품의 연결은 다음과 같다. 이를 순서대로 나열하면 진입 작업구(맨홀)→HDD 굴진장비(푸싱(Pushing), 회전)→드릴 로드(파이프)→드릴비트 → 진출 작업구(맨홀) 순서이다. 이 과정이 파일럿 보링 과정이다. 드릴 선단이 출구인 진출 작업구에 도달하면 유틸리티 파이프를 시공할때의 연결 순서는 다음과 같이 변경된다. 진출 작업구(맨홀)→ 유틸리티 파이프(PE Pipe) → 회전시 꼬임방지 연결장치(Shackle) → 확공기(Reamner)→ 드릴 파이프 → HDD 굴진장비( 풀링(Pulling), 회전 ) 순으로 연결된다. 진행 방향은 출구인 진출 작업구에서 진입 작업구 방향으로 이동하게 된다. 즉, 파일럿 보링 방향과 반대 방향으로 이동하게 된다.
수평지향성 압입 공법에 사용되는 굴진장비 및 관련 부품의 구성은 다음과 같다. HDD 굴진장비의 선단에는 보링 작업을 하는 드릴비트가 설치된다. 드릴비트의 몸통 일부 공간을 마련하고 신호 발생기(sonde)를 삽입한다. 신호 발생기에서 발생되는 신호는 지상에서 수신하여 현재 보링하고 있는 위치와 깊이를 확인할 수 있다.
수평지향성 압입 공법의 대표적인 특징인 굴진 방향 전환 기능은 드릴비트에 탑재되어 위치 정보를 알려주는 신호 발생기가 있기에 가능하다. 기존 신호 발생기에서는 드릴의 온도, 드릴비트(Drill bit 혹은 Drill tip)의 페이스(face) 면의 위상을 12시간 시계 표시판에 표출하게 된다. 이를 통해서 굴진 드릴의 진행 방향을 상하, 좌우로 변경이 가능하게 된다.
기존 기술 방식에서는 지상에서 경사센서를 활용한 드릴 페이스(Drill face)가 하늘을 향하고 있을 때 드릴비트 위치 모니터링 장비 화면에서 몇 시를 가르치는지를 확인해 둔다. 즉, 드릴비트의 페이스 정보는 HDD 공법의 장점인 상하, 좌우 방향으로 보링 방향을 전환하는데 필요한 핵심 정보이다. HDD 공법에서 방향을 전환하는 방식은 원하는 진행방향으로 드릴 페이스를 일치시키고 회전 없이 진행시키는 것이다. 반면, 현재의 방향을 유지하고자 하는 경우는 드릴비트를 회전과 동시에 전방으로 밀어서 진행한다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
기존 HDD 공법 적용 과정에서 가장 큰 위험요소는 공사 전에 확인 안된 지하 매설물을 드릴비트로 수평으로 굴진하는 과정에서 지하 매설물을 파손, 천공하여 관통하는 사고가 발생되는 것이다. 특히 고압의 대형 상수도관, 가스관, 열수송관, 고압전선, 통신관 등을 파손하게 되는 경우 심각한 사고를 유발하고 막대한 경제적인 손실을 초래할 수 있다.
이러한 사고는 발생원인은 현재 활용하는 HDD 장비의 보링 모듈인 드릴비트에 보링 과정에서 실시간으로 매설물을 탐지하는 기능이 없기 때문이다. 기존 HDD 공법에서 활용하는 드릴비트에서는 사전에 확인된 매설물을 반영하여 만들어진 계획된 보링 경로를 따라서 방향을 전환하는 기능이 있으나, 미 확인 매설물에 대한 실시간 탐지 기능은 없다.
또 다른 사고 발생원인은 공사 전에 확인된 지하매설인 경우에도 비파괴 탐지 방식인 GPR(Ground Penetrating Radar)을 이용한 매설물 깊이 산출시 발생하는 오차로 인한 보링 경로 설계 오류에 기인한다. GPR탐사에 의한 매설물의 깊이 오차의 원인은 깊이 산출시 적용하는 잘못된 토양의 종류와 습윤상태에 관한 가정에 따른 유전율(전파의 전달 속도 결정) 가정에 기인한다.
따라서 사고를 방지하기 위해서는 보링 과정에서 보링 경로 상에 있을 수 있는 미확인 매설물을 실시간으로 파악하는 기능을 탑재할 필요가 있다. 또한 공사전에 사전 확인된 매설물에 대해서 깊이 산출과정에서 가정했던 유전율을 보링 과정에서 획득 되는 데이터를 활용 실제 유전율 값에 근사한 값으로 확정하고 이를 기반으로 사전 탐색 매설물의 깊이(심도)를 보정, 갱신할 필요가 있다.
즉, HDD 공법에서 보링(굴진) 과정에서 사고를 방지하기 위해서는 실시간으로 미확인 매설물을 확인하고, 기존 확인된 매설물의 깊이 값 보정을 통해서 드릴비트와 매설물과의 이격 거리를 산출하고 이를 근거로 파손, 관통의 위험성을 평가후 보링 경로를 실시간으로 수정하는 기능이 추가될 필요가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, HDD 장비에 연결되어 지하를 굴진하며 페이스면부가 마련된 드릴비트; 상기 페이스면부의 영역에 마련되어 상기 드릴비트의 전방 영역을 촬영하는 카메라 부재; 상기 카메라 부재에 연결되어 상기 카메라 부재에서 촬영되는 영상을 획득하는 CCTV모듈; 및 상기 드릴비트에 마련되어 상기 CCTV모듈에서 획득된 영상을 지상으로 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템이 제공될 수 있다.
상기 CCTV모듈에는 워터마크가 표시되어 상기 페이스면부의 위상을 확인할 수 있다.
상기 드릴비트에 마련되어 상기 드릴비트의 기울기를 측정하는 기울기측정모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 드릴비트에 마련되어 상기 드릴비트의 온도를 감지하며 상기 무선통신모듈과 연결되는 온도측정모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 드릴비트에 마련되어 상기 굴진된 굴진물의 수분에 따른 유전율을 측정하는 수분측정모듈을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, HDD 장비에 연결되어 지하를 굴진하는 드릴비트에 마련된 카메라 부재를 이용하여 상기 드릴비트의 전방 영역을 촬영하여 CCTV모듈에서 촬영되는 영상을 획득하는 영상 획득 단계; 및 상기 CCTV모듈에서 확보된 영상을 이용하여 인공지능 학습을 통한 매설물 또는 토양의 종류를 분류하는 분류 단계를 포함하고, 상기 매설물이 공사전에 지상에서 기 확인된 매설물인 경우 예정된 드릴 경로에 따라서 진행하고, 미확인 매설물인 경우는 상기 CCTV모듈의 영상을 보면서 상기 미확인 매설물을 우회시키는 경로 수정 단계를 포함하는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입공법이 제공될 수 있다.
상기 경로 수정 단계에서 영상 촬영 공간을 확보하기 위해서 상기 드릴비트를 일정 거리 후퇴시켜 공간을 만들고, 상기 카메라 부재에 에어를 분사하여 상기 카메라 부재의 오염 물질을 제거후 상기 미확인 매설물을 촬영할 수 있다.
굴진 과정에서 상기 드릴비트의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우 상기 드릴비트를 후퇴시켜서 촬영 공간을 확보후 상기 드릴비트의 전방 영역을 촬영하고, 상기 드릴비트의 온도는 상기 드릴비트에 마련된 온도측정모듈에서 측정될 수 있다.
상기 드릴비트에 마련된 기울기측정모듈과 온도측정모듈과 수분측정모듈을 이용하여 상기 드릴비트의 기울기 및 온도, 토양의 수분을 측정하고, 굴진과정에서 상기 드릴비트의 측정 온도가 미리 설정된 값 이상을 초과하는 경우 해당 위치에 공사 전에 GPR장비와 지하매설 관리 자료를 활용하여 확인된 사전 조사된 매설물인지 확인하고, 사전에 조사된 매설물이 없는 지점일 경우 기존 설정온도를 초과한 경우는 촬영을 수행하고, 이렇게 획득된 이미지 자료를 활용하여 이미지 분류를 시행하고 인공구조물의 경우 세부분류를 하게 되고 그렇지 않은 경우에 대해서는 토양을 세부분류할 수 있다.
상기 토양을 세부분류하는 경우 유전율을 기존 자료를 활용하여 결정하고 상기 유전율에 따른 전파속도를 재산정할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 굴진 과정에서 실시간으로 카메라 부재와 CCTV모듈을 이용하여 드릴비트의 선단의 영상을 획득하고 이를 분석하여 기존 지상에서 확인한 매설물의 재확인, 검증과 더불어 지상에서 확인 못한 미확인 장애물에 대한 발견이 가능하고 HDD 장비를 운영하는 사람 혹은 장비 운영 프로그램에서 의해서 이에 대한 대처 즉 미확인 장애물이 있는 경우 CCTV 영상을 보면서 우회하는 경로 수정이 가능함으로써 기존 매설물의 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
또한 HDD 굴진 과정에서 사전조사시 지상에서 GPR을 통해서 발견 못한 기존 지하 매설물을 카메라 부재와 CCTV모듈을 이용하여 영상을 통하여 찾아내고 그 깊이를 산출할 수 있다.
나아가 공사전 지상에서 GPR을 통해서 산출한 기존 지하매설물의 깊이 오차를 토양의 종류, 수분측정을 통해서 유전율을 결정하고 이를 활용하여 매설물의 깊이를 보다 참값에 가깝게 산출할 수 있다. 즉 본 실시 예는 유전율을 가정해서 전파속도를 선정했기 때문에 HDD로 굴진하는 과정에 측정되는 토양 종류, 습윤상태를 기반으로 보다 현장에 적합한 유전율을 선택하고 그에 따른 전파속도를 적용한 매설물의 깊이를 재 산출할 수 있다.
그리고 기존 지하 매설물의 갱신된 위치좌표와 드릴비트의 위치좌표를 활용하여 거리를 산출하고 이 거리가 사전 설정값 이하로 가까워진 경우 충돌, 관통의 위험성이 있는 것으로 판정후 실시간으로 굴진 경로를 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 드릴비트와 드릴비트의 내부에 마련된 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 카메라 부재의 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시 예에 적용되는 카메라 부재를 이용하여 영상을 촬영하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시 예에 적용되는 드릴링 굴진 경로의 수정 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시 예에 적용되는 매설물 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이다.
도 7은 본 실시 예에 적용되는 수평 굴착 구간의 토질 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이다.
도 8은 본 실시 예의 지하에 매설을 설치하는 경우 공사시 발생할수 있는 파손 방지를 위해서 매설물 상단에 설치되는 경고 테이프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 CCTV모듈에 마련되는 워터마크가 드릴비트의 위상에 따라 변화되는 것을 개략적으로 표시한 도면이다.
도 10은 본 실시 예의 공사전 지상에서 사전조사시 GPR장비를 활용한 매설물 종류 및 깊이 추정 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 실시 예의 실시간 HDD 보링 경로 보정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 드릴비트와 드릴비트의 내부에 마련된 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 카메라 부재의 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시 예에 적용되는 카메라 부재를 이용하여 영상을 촬영하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시 예에 적용되는 드릴링 굴진 경로의 수정 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시 예에 적용되는 매설물 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이다.
도 7은 본 실시 예에 적용되는 수평 굴착 구간의 토질 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이다.
도 8은 본 실시 예의 지하에 매설을 설치하는 경우 공사시 발생할수 있는 파손 방지를 위해서 매설물 상단에 설치되는 경고 테이프를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 CCTV모듈에 마련되는 워터마크가 드릴비트의 위상에 따라 변화되는 것을 개략적으로 표시한 도면이다.
도 10은 본 실시 예의 공사전 지상에서 사전조사시 GPR장비를 활용한 매설물 종류 및 깊이 추정 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 실시 예의 실시간 HDD 보링 경로 보정을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 드릴비트와 드릴비트의 내부에 마련된 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 카메라 부재의 영역을 확대 도시한 도면이고, 도 4는 본 실시 예에 적용되는 카메라 부재를 이용하여 영상을 촬영하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 실시 예에 적용되는 드릴링 굴진 경로의 수정 알고리즘을 도시한 도면이다.
또한 도 6은 본 실시 예에 적용되는 매설물 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이고, 도 7은 본 실시 예에 적용되는 수평 굴착 구간의 토질 분류를 위한 학습자료의 예시 도면이고, 도 8은 본 실시 예의 지하에 매설을 설치하는 경우 공사시 발생할수 있는 파손 방지를 위해서 매설물 상단에 설치되는 경고 테이프를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 도 2에 도시된 CCTV모듈에 마련되는 워터마크가 드릴비트의 위상에 따라 변화되는 것을 개략적으로 표시한 도면이고, 도 10은 본 실시 예의 공사전 지상에서 사전조사시 GPR장비를 활용한 매설물 종류 및 깊이 추정 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 11은 본 실시 예의 실시간 HDD 보링 경로 보정을 개략적으로 도시한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템(1)은, HDD 장비(10)와, HDD 장비(10)에 연결되어 회전되는 복수의 드릴 로드(20)와, 복수의 드릴 로드(20) 중 단부에 배치되는 드릴 로드(20)에 결합되어 드릴 로드(20)와 같이 회전하거나 직진 또는 후진하는 드릴비트(30)와, 드릴비트(30)에 마련되어 드릴비트(30)의 전방 영역을 촬영하는 카메라 부재(40)와, 드릴비트(30)에 마련되 획득된 영상을 지상으로 송신하는 무선통신모듈(50)과, 카메라 부재(40)에 연결되어 카메라 부재(40)에서 촬영되는 영상을 획득하는 CCTV모듈(60)과, 드릴비트(30)에 마련되어 드릴비트(30)의 기울기를 측정하는 기울기측정모듈(70)과, 드릴비트(30)에 마련되어 드릴비트(30)의 온도를 감지하며 무선통신모듈(50)과 연결되는 온도측정모듈(80)과, 드릴비트(30)에 마련되어 굴진된 굴진물의 수분에 따른 유전율을 측정하는 수분측정모듈(90)을 포함한다.
HDD 장비(10)는, 굴착 및 인발을 위한 드릴 리브부(Drill Rig System)와, 굴착기와 지반의 마찰을 감소시키기 위한 머드부(Mud System)와, 정확한 굴착경로를 유지하기 위한 계측시스템인 스티어링부(Steering System)와, 확공을 위한 리머(Reamer)를 포함할 수 있다.
본 실시 예의 HDD 장비(10)는 공지된 전술한 리브부, 머드부, 스티링부 및 리머를 포함할 수 있다.
드릴 로드(20)는, 일측부는 HDD 장비(10)에 연결되고 타측부에는 드릴비트(30)가 연결되어 HDD 장비(10)의 동력을 드릴비트(30)로 전달할 수 있다.
본 실시 예에서 드릴 로드(20)는 복수로 마련되어 서로 결합될 수 있고, 파일럿 홀을 마련하는 경우 전방으로 회전 및 직진할 수 있고, 리머를 이용하여 확공하는 경우 굴진 방향과 반대 방향으로 이동될 수 있다.
또한 본 실시 예에서 굴진 중 전방에 미확인된 매설물이 있어 굴진 경로의 수정이 필요하여 조명을 포함한 카메라 부재(40)를 이용하여 촬영이 필요한 경우 굴진 방향과 반대 방향으로 이동될 수 있다. 그 결과 드릴비트(30)는 드릴 로드(20)와 같은 방향으로 이동될 수 있다.
드릴비트(30)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 드릴 로드(20) 중 최전방에 위치되는 드릴 로드(20)에 결합되어 굴진 작업을 할 수 있다.
본 실시 예에서 드릴비트(30)의 선단에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 경사진 페이스면부(31)가 마련된다.
또한 본 실시 예에서 페이스면부(31)가 마련된 드릴비트(30)의 영역에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 에어 분사구(32)가 마련된다. 본 실시 예에서 에어 분사구(32)는 카메라 부재(40)의 방향으로 고압의 에어를 분사하여 카메라 부재(40)에 묻은 이물질을 제거할 수 있다.
나아가 본 실시 예에서 드릴비트(30)의 내부에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전원부(33)가 마련되고, 전원부(33)는 카메라 부재(40)와 무선통신모듈(50)과 CCTV모듈(60)과 기울기측정모듈(70)과 온도측정모듈(80)과 수분측정모듈(90)에 전원을 공급할 수 있다. 본 실시 예에서 전원부(33)는 배터리를 포함하는 에너지 저장장치로 마련될 수도 있고, 외부의 전원에너지와 케이블이나 전선을 통해 연결되어 전기 에너지를 공급받을 수도 있다.
그리고 본 실시 예에서 카메라 부재(40)가 배치되는 드릴비트(30)의 선단 영역 즉 페이스면부(31)가 마련된 영역은 카메라 부재(40)와 카메라 부재(40)로 고압의 에어를 공급하는 경로를 제외하고는 막혀 있어 굴진 시 카메라 부재(40)의 파손을 방지할 수 있다.
카메라 부재(40)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 페이스면부(31)가 마련된 드릴비트(30)의 영역에 마련되어 드릴비트(30)의 전방 영역을 촬영할 수 있다.
본 실시 예에서 카메라 부재(40)에서 촬영된 영상은 CCTV모듈(60)로 보내줘 CCTV모듈(60)에 저장 및 보관될 수 있다.
또한 본 실시 예에서 카메라 부재(40)는 굴진 파손을 방지하기 고강도의 투명 보호벽이나 메쉬 구조물을 구비할 수 있다.
무선통신모듈(50)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 드릴비트(30)의 내부에 마련되어 CCTV에서 획득된 영상, 기울기측정모듈(70)에서 측정된 기울기, 온도측정모듈(80)에서 측정된 드릴비트(30)의 온도, 수분측정모듈(90)에서 측정된 토양의 수분을 지상에 있는 HDD 장비(10)나 모니터 등의 작업표시수단으로 전송할 수 있다.
CCTV모듈(60)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 드릴비트(30)의 내부에 마련되어 카메라 부재(40)에서 촬영된 영상을 저장 및 획득하고, CCTV모듈(60)에서 획득된 영상은 무선통신모듈(50)이나 CCTV모듈(60) 자체에 마련된 무선통신수단을 통해 지상으로 전송될 수 있다.
본 실시 예는 굴진 과정에서 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 이용하여 영상을 확보함으로써 지상의 GPR(Ground Penetrating Radar)을 통해서 발견한 못한 기존 지하 매설물을 영상을 통하여 찾아내고 그 깊이를 산출할 수 있다.
구체적으로 굴진과정에서 진행 전방의 이미지 영상을 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 이용하여 실시간으로 확보하고 이를 활용하여 AI 학습을 통한 매설물 혹은 토양의 종류을 분류할 수 있다. 지하에 매설된 매설물은 상수도관, 통신 및 전기관, 하수도관, 맨홀 등이다. 그 재질로는, 도 6에 도시된 바와 같이, PVC, 콘크리트관, 강관, 전선 등이다.
본 실시 예는 굴진 과정에서 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 이용하여 획득한 실시간 이미지 활용하여 토양에 대한 분류를 실시할 수 있다. 본 실시 예에서 토양의 종류로는, 도 7에 도시된 바와 같이, 점토, 모래, 실트를 포함할 수 있고 그 구성에 따라서 분류할 수 있고, 인공지능(AI) 기법을 적용하기 위해서 학습의 기준으로 활용하는 것이 가능하다.
또하 본 실시 예는 지하에 매설을 설치하는 경우 공사시 발생할수 있는 파손 방지를 위해서 매설물 상단에, 도 8에 도시된 바와 같이, 색깔을 갖는 경고 테이프를 매설할 수 있다. 이 경우 HDD 공법에 의한 수평굴착하는 과정에 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 의해서 확보되는 영상에 대한 인공지능(AI) 기반의 객체인식을 통하여 매설물 보호를 위한 경고용 테이프를 인식하게 되는 경우 매설물의 위치를 확인하는 것이 가능하다.
한편 기존과는 달리 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 설치하는 경우, 드릴비트(30)의 페이스면부(31)가 향하는 방향 인식은 다음과 방법으로 이루어질 수 있다. 드릴비트(30)의 굴진 과정에서 미확인 지하 매설물을 탐지하기 위해서 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)에 의해 필요한 영상을 획득하여 드릴링 작업하는 장비 운영자가 미확인 매설물을 육안으로 확인하여 필요한 대책을 수집할 수 있다.
지중 공사 시작하기 전 지상에서 드릴비트(30)는 CCTV모듈(60)과 카메라 부재(40)를 통해서 수집 되는 영상만으로도 드릴비트(30)의 페이스면부(31)가 상·하, 좌·우 어디를 향하고 있는지 알수 있는 장점이 있다. 수집되는 영상에 선택적으로 시계 형상의 워터마크를 삽입하여 장비 운영자가 지하 굴진과정에서 언제든 드릴비트(30)의 페이스면부(31)의 위상을 확인할 수 있다. 즉, 별도의 모니터링 장비 없이도 CCTV모듈(60)의 영상을 보는 것만으로도 직관적으로 알 수 있다. 지중의 영상에서 상하, 좌우 구분을 위한 기준점이 없다는 것을 극복하기 위해서 CCTV모듈(60)의 영상에 워터마크를 상시 표시할 수 있다. 이러한 워터마크의 표시는 도 9에 도시되어 있다. 즉, 도 9의 (a)는 드릴비트(30)가 12시 위치일 때 획득한 CCTV 영상이고, (b)는 3시 위치일 때 획득한 CCTV 영상(90도 회전시)이고, (c)는 6시 위치일 때 획득한 CCTV 영상(180도 회전시)이다.
기존의 드릴비트 방식에서는 보링중 매설물에 대한 탐지 기능이 없다. 따라서 지상에서 지장물 조사단계에서 확인 안된 매설물이 있는 경우 기존 드릴비트를 사용하는 경우는 앞에서 언급한 바와같이 매설물을 파손하는 경우가 발생할수 있다. 이는 기존 HDD공법의 최대 단점으로 알려져 있는 사항이다.
기존 HDD 공법에서는 굴진하는 드릴비트의 선단에는 공간이 전혀 없는 상황이다. 따라서 본 실시 예에서처럼 CCTV 영상을 촬영하기 위해서 촬영을 위한 일정 크기의 공간이 필요하게 된다. CCTV 촬영을 위한 공간 확보는 도 4에 도시된 과정으로 이루어질 수 있다. 도 4의 (a)에는 드릴비트(30)의 초기 위치가 도시되어 있고, 도 4의 (b)는 굴진양만큼 드릴비트(30)를 진행시킨 것이 도시되어 있고, 도 4의 (c)에는 CCTV 영상 촬영 공간 확보하기 위해서 드릴비트(30)를 일정 거리를 후퇴하여 공간을 만든 것이 도시되어 있다. 드릴비트(30)의 후퇴 이후 카메라 부재(40)에 고압의 에어를 분사하여 카메라 부재(40)에 묻은 이물질을 제거할 수 있다.
지중 영상을 이미지 분석을 통하여 지중 매설물의 위치를 파악하고 해당 매설물이 공사전에 지상에서 기 확인된 매설물인 경우 예정된 드릴링 경로(Drilling Path)에 따라서 진행하고, 미확인 매설물인 경우는 CCTV 영상을 보면서 우회하는 경로 수정이 가능해진다.
이와 같은 과정을 거쳐서 수평 굴진중에 있을 수 있는 미확인된 매설물을 드릴비트(30)의 선단에 장착한 CCTV모듈(60)과 무선통신모듈(50)을 통하여 굴진 전방의 이미지를 장비를 운용하는 사람에 전송하고, 이미지 분석 모듈을 통하여 기존 확인된 매설물의 재확인과 미확인 매설물을 확인할 수 있다. 미확인 매설물을 확인하게 되는 경우 이를 회피하여 기존 설계된 굴진 경로를 수정하게 된다. 이와 같은 과정을 통하여 기존 HDD공법이 갖고 있는 가장 큰 리스크를 극복할 수 있다.
이하에서 본 실시 예의 실시간 굴진 경로 수정 방법을 설명한다.
HDD 공사시 일반적으로 공사전에 지상에서 GPR장비를 활용하여 매설물의 깊이와 종류를 추정하게 된다. 이 과정에서 GRP장비는 비파괴 방식으로 매설물의 깊이(d, 도 10 참고)를 추정하는 방식으로 신호의 도달시간을 활용하여 깊이를 추정한다. 깊이를 추정하는 과정에서는 신호의 속도를 결정하는 토양, 토질에 대한 유전율을 가정하는 것이 필수적이다. 즉, 유전율에 대한 잘못된 가정은 매설물의 깊이 오차의 가장 중요한 요소이며 해당 방법의 한계점이다.
유틸리티 파이프의 시공 전에 일반적으로 공사 예정 구간 지하에 설치된 매설물에 대한 조사를 실히하게 된다. 지상에서 사전 매설물 현황 조사과정에서 주로 비파괴 조사방법인 GPR을 활용한다. 이때 가장 중요한 사항중 하나는 조사하는 지점의 반사파의 전달속도를 결정하는 유전율을 가정하는 것이다. 해당 방법은 비파괴 측정 방법이기에 지하 상태에 대한 것은 가정한 값에 의존할 수밖에 없고 오차는 실제 상태와 가정 상태의 차로 인해서 발생하게 된다. 잘못된 가정의 결과는 매설물에 대한 탐지 실패, 혹은 탐지한 매설물의 깊이, 사이즈 등에 대한 오차로 나타나게 된다. 지상에 GRP장비를 활용하여 매설물의 깊이, 크기를 산출할때는 지하의 제시한 표 1과 같이 토양의 종류와 습윤상태에 따라 유전율을 가정하고 유전율에 따른 전자파 전달속도를 활용하여 깊이를 산출하게 된다.
수분측정모듈(90)을 무선 CCTV모듈(60)과 결합하여 토양의 수분율을 측정하였다. 이를 통하여 지상에서 사전 조사한 내용을 보정하는 과정을 통해서 지하 매설물의 정확도를 높이고자 했다.
공사전 지상에서 GRP을 통한 사전 조사시 깊이 산출(가정: 유전율 --> 전달 속도)
매설물의 Depth_GRP 추정 = Propagation Velocity(유전율) X 도달 시간
따라서 본 실시 예에서는 드릴비트(30)로 굴진하는 과정에서 토양, 토질, 수분에 대한 자료를 획득하게 된다. 이 자료를 활용하여 공사전 유전율 가정을 통해서 지상에서 추정한 매설물들의 깊이인 d1, d2, d3에 대해서 보정하게 된다. 이러한 보정을 통해서 보다 참값에 근사한 매설물 깊이들 D1, D2, D3로 얻게 된다. 기존 지하 매설물의 위치를 보정하고 HDD 굴진 경로의 안전성을 점검하는 과정에 활용할 수 있다.
본 실시 예는 실시간으로 수집되는 기울기측정모듈(70), 온도측정모듈(80), 수분측정모듈(90)의 센서 값(드릴비트(30)의 기울기 및 온도, 토양의 수분 측정값)을 확보하고, 굴진 과정에서 측정된 온도가 사전에 설정된 값 이상을 초과하는 경우는 해당 위치에 공사 전에 GPR장비와 지하매설 관리 자료 등을 활용하여 확인된 사전 조사된 매설물인지 확인한다. 해당 온도는 계절에 따라서, HDD 공법 적용하는 지역에 따라서 변경 가능한 값이다.
사전에 조사된 매설물이 없는 지점일 경우 기존 설정온도가 초과한 경우는 CCTV 영상을 촬영수행하게 된다. 이렇게 획득된 이미지 자료를 활용하여 이미지 분류를 시행하고 인공구조물의 경우 세부분류를 하게 되고 그렇지 않은 경우에 대해서는 토양을 세부분류하게 된다. 후자의 경우는 유전을 기존 자료를 활용하여 결정하고 유전율에 따른 전파속도를 재산정하게 된다. 기존 매설물의 깊이를 산정할 때 앞에서 서술한 바와 같이 유전율을 가정해서 전파속도를 선정했기 때문에 HDD로 굴진하는 과정에 측정되는 수분, 토양 종류를 기반으로 보다 현장에 적합한 유전율을 선택하고 그에 따른 전파속도를 적용한 매설물의 깊이를 재 산출하게 된다.
CCTV 영상을 분석을 통해서 확인된 매설물이 인공구조물인 경우는 구조물의 깊이(심도)는 발견시의 굴진 깊이와 동일한 값을 설정하게 된다. 전체 구조물의 크기와 설치 방향은 GPR 장비를 통해서 확인하게 된다.
이하에서 본 실시 예에 따른 실시간 굴진 경로 수정 알고리즘을 도 5를 참고하여 설명한다.
본 실시 예는 기존 매설물이 차지하는 삼차원 상의 영역(X,Y,Z) 좌표 값을 갱신하고, 더불어 추가로 발견된 미확인된 매설물에 대한 영역 좌표(X,Y,Z) 값을 결정 및 추가하여 기존 매설물의 위치 영역 좌표(X,Y,Z)를 최종 확정하게 된다. 그리고 현재 굴진 중인 드릴비트(30)의 끝단의 위치 좌표(x,y,z)값을 이용하여 최단거리를 산출하게 된다.
기존 지하 매설물과 굴진되는 드릴비트(30)까지의 최단거리를 산출하고 산출 값이 사전에 설정한 값인 거리차(
, 예: 30cm) 이하일 때 사고 가능성이 높다고 판단하고 보링 경로를 변경하게 된다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예는 굴진 과정에서 실시간으로 드릴비트의 선단의 영상을 획득하고 이를 분석하는 경우 기존 지상에서 확인한 매설물의 재확인, 검증과 더불어 지상에서 확인 못한 미확인 장애물에 대한 발견이 가능하고 HDD 장비를 운영하는 사람 혹은 장비 운영 프로그램에서 의해서 이에 대한 대처가 가능함으로써 기존 매설물에 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 또한 HDD 굴진 과정에서 지상의 GPR을 통해서 발견한 못한 기존 지하 매설물을 영상을 통하여 찾아내고 그 깊이를 산출할 수 있다. 나아가 공사전 지상에서 GPR을 통해서 산출한 기존 지하매설물의 깊이 오차를 토양의 종류, 수분측정을 통해서 유전율을 결정하고 이를 활용하여 매설물의 깊이를 보다 참값에 가깝게 산출할 수 있다. 그리고 기존 지하 매설물의 갱신된 위치좌표와 드릴비트의 위치좌표를 활용하여 거리를 산출하고 이 거리가 사전 설정값 이하로 가까워진 경우 충돌, 관통의 위험성이 있는 것으로 판정후 실시간으로 굴진 경로를 변경할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템
10 : HDD 장비 20 : 드릴 로드
30 : 드릴비트 31 : 페이스면부
32 : 에어 분사구 33 : 전원부
40 : 카메라 부재 50 : 무선통신모듈
60 : CCTV모듈 70 : 기울기측정모듈
80 : 온도측정모듈 90 : 수분측정모듈
10 : HDD 장비 20 : 드릴 로드
30 : 드릴비트 31 : 페이스면부
32 : 에어 분사구 33 : 전원부
40 : 카메라 부재 50 : 무선통신모듈
60 : CCTV모듈 70 : 기울기측정모듈
80 : 온도측정모듈 90 : 수분측정모듈
Claims (10)
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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- HDD 장비에 연결되어 지하를 굴진하는 드릴비트에 마련된 카메라 부재를 이용하여 상기 드릴비트의 전방 영역을 촬영하여 CCTV모듈에서 촬영되는 영상을 획득하는 영상 획득 단계; 및
상기 CCTV모듈에서 확보된 영상을 이용하여 인공지능 학습을 통한 매설물 또는 토양의 종류를 분류하는 분류 단계를 포함하고,
상기 매설물이 공사전에 지상에서 기 확인된 매설물인 경우 예정된 드릴 경로에 따라서 진행하고, 미확인 매설물인 경우는 상기 CCTV모듈의 영상을 보면서 상기 미확인 매설물을 우회시키는 경로 수정 단계를 포함하고,
상기 드릴비트에 마련된 기울기측정모듈과 온도측정모듈과 수분측정모듈을 이용하여 상기 드릴비트의 기울기 및 온도, 토양의 수분을 측정하고,
굴진과정에서 상기 드릴비트의 측정 온도가 미리 설정된 값 이상을 초과하는 경우 해당 위치에 공사 전에 GPR장비와 지하매설 관리 자료를 활용하여 확인된 사전 조사된 매설물인지 확인하고,
사전에 조사된 매설물이 없는 지점일 경우 기존 설정온도를 초과한 경우는 촬영을 수행하고, 이렇게 획득된 이미지 자료를 활용하여 이미지 분류를 시행하고 인공구조물의 경우 세부분류를 하게 되고 그렇지 않은 경우에 대해서는 토양을 세부분류하는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입공법. - 청구항 6에 있어서,
상기 경로 수정 단계에서 영상 촬영 공간을 확보하기 위해서 상기 드릴비트를 일정 거리 후퇴시켜 공간을 만들고, 상기 카메라 부재에 에어를 분사하여 상기 카메라 부재의 오염 물질을 제거후 상기 미확인 매설물을 촬영하는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입공법. - 청구항 6에 있어서,
굴진 과정에서 상기 드릴비트의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우 상기 드릴비트를 후퇴시켜서 촬영 공간을 확보후 상기 드릴비트의 전방 영역을 촬영하고,
상기 드릴비트의 온도는 상기 드릴비트에 마련된 온도측정모듈에서 측정되는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입공법. - 삭제
- 청구항 6에 있어서,
상기 토양을 세부분류하는 경우 유전율을 기존 자료를 활용하여 결정하고 상기 유전율에 따른 전파속도를 재산정하는 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입공법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220049473A KR102546808B1 (ko) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법 |
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| KR102546808B1 true KR102546808B1 (ko) | 2023-06-22 |
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| KR1020220049473A KR102546808B1 (ko) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 실시간 충돌사고 회피기능을 갖는 수평지향성 압입시스템 및 수평지향성 압입공법 |
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| KR (1) | KR102546808B1 (ko) |
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| KR102105160B1 (ko) | 2019-11-04 | 2020-04-28 | (주)몰크리켓 | 비개착 공법을 이용한 관 매립 장치 |
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2022
- 2022-04-21 KR KR1020220049473A patent/KR102546808B1/ko active IP Right Grant
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