KR102642192B1 - BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는, BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템을 개시한다. 개시된 시스템은, 교량에 설치된 IoT 센서와, 교량 구조물의 BIM 객체와 개별 BIM객체 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력한 후 연관 매개변수를 설정하여 교량구조물의 객체를 라이브러리화하는 BIM 데이터 생성부와, IoT 통신망을 통해 상기 IoT센서로부터 교량의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 데이터 수집부의 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정하는 미계측부위 추정부와, 측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출하는 피로도 산출부와, 측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산정하는 내하력 산정부와, 상기 BIM 데이터 생성부의 부재정보와 상기 피로도 산정부의 피로도, 상기 내하력 산정부의 내하력에 근거하여 특정 시점의 부재별 위험도를 산출하는 위험도 산출부와, 부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안하는 유지보수안 제안부를 포함한다.
Description
본 발명은 교량과 같은 시설물의 유지관리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 파라메트릭으로 정의된 각각의 라이브러리를 통합 모듈형태로 생성하고 매개변수를 사용하여 BIM객체를 구축한 후 IoT센서를 통해 교량의 상태를 모니터링하여교량을 유지보수할 수 있는 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, '시설물'이란 건설공사를 통하여 만들어진 교량ㆍ터널ㆍ항만ㆍ댐ㆍ건축물 등 구조물과 그 부대시설로서, 제1종시설물, 제2종시설물 및 제3종시설물로 구분되고, '유지관리'란 완공된 시설물의 기능을 보전하고 시설물 이용자의 편의와 안전을 높이기 위하여 시설물을 일상적으로 점검ㆍ정비하고 손상된 부분을 원상복구하며 경과시간에 따라 요구되는 시설물의 개량ㆍ보수ㆍ보강에 필요한 활동을 하는 것을 말한다. 시설물유지관리업은 시설물의 완공 이후 그 기능을 보전하고 이용자의 편의와 안전을 높이기 위하여 시설물에 대하여 일상적으로 점검·정비하고 복구·개량·보수·보강하는 공사를 업무 범위로 하는 업종을 말한다.
교량은 사회기반시설물, 도로, 교량으로 연계되는 계층구조의 최하단을 차지하는 시설물이지만, 도로의 연결고리로서 구조적 안전의 중요성과 파손에 따른 경제적 파급 효과가 크기 때문에, 국내외에서 교량의 효율적인 유지관리를 위해 다양한 형태와 수준의 교량관리시스템(Bridge Management System; BMS)이 개발되어 사용되고 있다.
한편, 교량은 거더와 슬래브로 이루어진 상부구조, 교대와 교각으로 이루어진 하부구조, 및 부대시설로 구성되고, 주로 상부구조 형식에 따라 슬래브교, 라멘교, 거더교, 트러스교, 아치교, 사장교, 현수교 등으로 구분할 수 있다. '시설물의 안전 및 유지관리 실시 지침 및 세부지침'에 따라 교량의 상부구조 및 하부구조의 점검결과를 바탕으로 상태 평가가 수행되고 있다. 교량의 점검은 교량 하부에 사다리, 받침대, 난간 지지대 등으로 구성된 전용 점검 시설을 설치하거나 굴절 사다리차 혹은 드론 등을 이용하여 작업자가 교량 바닥판 하면의 균열을 육안으로 확인하고 측정장치를 이용하여 균열의 길이나 폭 등을 측정하는 방식으로 이루어진다.
그러나 이와 같은 종래 방식은 시간 소요가 많을 뿐만 아니라 데이터베이스(DB)에 관리되는 교량 노화 상태에 대한 데이터가 입체적이지 못하여 누적된 자료를 파악하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국특허청 공개특허공보에 공개번호 제10-2019-0110479호로 공개된 "BIM을 이용한 교량 구조물의 안전진단과 유지관리 방법"(이하 '특허문헌 1'이라 함)은 교량구조물의 각 부재에 대한 다양한 타입을 통합한 해당 통합 라이브러리모듈로 구성되는 교량구조물 BIM객체를 생성하는 단계와, 해당 통합 라이브러리모듈별의 부재별 형상치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성하는 단계와, 해당 통합 라이브러리모듈별로 프로파일 기반으로 부재의 세부 부재별 매개변수에 대한 치수를 입력하는 단계와, 각 세부 부재간 또는 각 부재간 호환되는 연관 매개변수를 설정하는 단계와, 연관 매개변수에 의해 BIM객체가 연동되어 통합 생성된 교량구조물 객체를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 대한민국특허청 등록특허공보에 등록번호 제10-2449117호로 공개된 " 3차원 디지털 모델 및 영상맵핑을 이용한 교량유지관리 방법"(이하 '특허문헌 2'라 함)은 시간 경과에 따른 교량의 노화 및 손상 상태를 3차원 디지털 모델로 모형화하여 교량의 구성부재들에 대한 각 외관상태 및 손상의 진전 상태를 정확하게 파악하여 교량 구조물의 생애주기 전 과정의 체계적인 이력관리와 최적 유지 보수 및 보강을 할 수 있도록 하는 것이다.
특허문헌 1이나 특허문헌 2의 종래기술은 교량 관리에 BIM 데이터나 3차원 이미지 모델링을 적용하고 있으나 특허문헌 1의 경우 BIM 데이터와 같이 저장된 데이터를 기반으로 교량을 유지관리하므로 BIM 데이터가 없는 기존의 노후교량에는 적용하기 어렵고, 특허문헌 2는 촬영된 이미지를 3차원 모델링한 데이터에 기반하여 관리하므로 교량의 내부 상태를 반영하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 교량의 구조물에 IoT 센서를 설치한 후 측정 데이터를 수집하여 BIM 데이터 기반으로 각종 특성을 분석하여 교량 유지보수를 가능하게 하는 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예는 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템을 개시한다.
개시된 시스템은, 교량에 설치된 IoT 센서와, 교량 구조물의 BIM 객체와 개별 BIM객체를 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력한 후 연관 매개변수를 설정하여 교량구조물의 객체를 라이브러리화하는 BIM 데이터 생성부와, IoT 통신망을 통해 상기 IoT센서로부터 교량의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 데이터 수집부의 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정하는 미계측부위 추정부와, 측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출하는 피로도 산출부와, 측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산정하는 내하력 산정부와, 상기 BIM 데이터 생성부의 부재정보와 상기 피로도 산출부의 피로도, 상기 내하력 산정부의 내하력에 근거하여 특정 시점의 부재별 위험도를 산출하는 위험도 산출부와, 부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안하는 유지보수안 제안부를 포함한다.
상기 IoT 센서는 측정하고자 하는 물리적 특성에 따라 변위율계, 변위계, 가속도계, 온습도 센서, 부식측정계, 진동센서, 충격센서 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법을 개시한다.
상기 개시된 방법은, 유지관리서버가 교량 구조물의 부재별로 BIM 객체와 개별 BIM객체를 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력받아 연관 매개변수를 설정하여 교량 구조물의 객체를 라이브러리화 하는 단계와, 유지관리서버가 교량의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장하는 단계와, 유지관리서버가 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정하는 단계와, 유지관리서버가 측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출하는 단계와, 유지관리서버가 측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산출하는 단계와, 유지관리서버가 BIM 데이터의 부재정보와 피로도, 내하력에 근거하여 특정 시점의 위험도를 산출하는 단계와, 유지관리서버가 부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 교량에 적용되는 통합 라이브러리모듈을 생성한 후 각 부재의 형태정보, 치수정보 및 속성정보를 개별적으로 관리하고, 교량의 각 측정 부위에 물리적 특성을 측정하기 위한 IoT 센서들을 설치한 후 각 부재별로 피로도를 산출함과 아울러 내하력을 산출하여 위험 분석을 통해 교량을 효율적으로 유지관리할 수 있는 효과가 있다.
특히 본 발명의 실시예에 따르면 측정하기 어려운 비측정부위의 물리적 특성에 대해서도 칼만필터를 통해 측정치를 추정하여 센서 설치비용을 절감하면서도 보다 정확하게 교량의 유지관리를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 BIM과 IoT 센서를 이용하여 교량을 유지관리하는 절차를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 BIM 데이터를 생성하는 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 BIM객체 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교대 객체의 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교각 객체의 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 거더 객체의 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 상부 슬래브 객체의 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 날개벽 객체의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 BIM과 IoT 센서를 이용하여 교량을 유지관리하는 절차를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 BIM 데이터를 생성하는 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 BIM객체 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교대 객체의 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교각 객체의 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 거더 객체의 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 상부 슬래브 객체의 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 날개벽 객체의 예를 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 교량(10)에 설치된 IoT 센서들(20)과, 센서들(20)의 수집 데이터를 유지관리서버(100)측으로 전송하기 위한 IoT 통신망(30), 유지관리서버(100)로 구성되고, 유지관리서버(100)는 BIM 데이터 생성부(110), 데이터 수집부(120), 미계측 부위 추정부(130), 피로도 산정부(140), 내하력 산정부(150), 위험도를 산출하기 위한 위험 검출부(160), 교량 유지보수안 제안부(170)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 유지보수 대상 시설물인 교량(10)은 거더와 슬래브로 이루어진 상부구조, 교대와 교각으로 이루어진 하부구조, 및 부대시설로 구성되고, 상부구조 형식에 따라 슬래브교, 라멘교, 거더교, 트러스교, 아치교, 사장교, 현수교 등으로 구분될 수 있다. 부대시설로는 포장, 방호벽, 신축이음, 교량받침 등이 포함될 수 있다.
IoT센서들(20)은 교량의 특성을 측정하기 위한 측정센서와, 측정값을 IoT 통신망(30)을 통해 서버(100)측으로 전송하기 위한 통신모듈로 구성된다. 이러한 센서들(20)은 측정하고자 하는 물리적 특성에 따라 변위율계, 변위계, 가속도계, 온습도 센서, 부식측정계, 진동센서, 충격센서, 카메라 등으로 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, IoT 센서(20)가 측정하는 물리적인 특성은 변위, 속도, 가속도 등과 같은 운동학적(kinematical) 특성, 힘, 변형, 스트레스 등과 같은 역학적(mechanical) 특성, 그리고 바람과 온도 등과 같은 환경(ambient) 특성 및 이를 감지하기 위한 센서들로 구분할 수 있다.
운동학적 센서(Kinematic Sensors)는 강풍, 지진, 교통, 사람에 의한 진동 등에 의해 유발된 움직임을 측정하기 위한 것으로, 교량 구조물의 변위, 속도, 가속도를 측정하기 위한 것이다. 즉, 가속도계는 관리하는 교량 구조물의 가속도를 변화시킬 수 있는 진동에 의해 생성된 움직임을 측정하는 소자로서, 정전용량형(capacitive), 압전형(piezoelectric), 힘 균형(force balance), MEMS 소자와 같이 4가지 종류가 사용될 수 있다. 정전용량형 가속도계는 하나의 전극판은 고정되어 있고, 다른 하나는 관성질량에 연결되어 있어 관성질량의 움직임에 의해 두 전극판 사이의 정전용량의 변화를 측정하는 것이다. 압전형 가속도계는 두 전극판 사이에 단결정으로 된 압전체를 놓고, 움직이는 방향으로 압력이 가해지면 전하가 생성되는 것이다. 보다 높은 압력이 가해지면, 출력 신호는 이에 비례하여 크게 된다. 힘 균형 또는 서보 가속도계는 관성질량의 변위를 측정하기 위해, 관성질량의 변위를 측정하는 센서와, 질량을 제 위치에 유지하기 위해 힘을 계산하는 액추에이터와, 필요한 전기 발생 신호를 해독하는 서보 증폭기 등 세 부분으로 구성된다. 이 서보 가속도 센서의 동작 원리는 약간의 힘이 가해지면 관성질량이 움직이게 되고, 자석으로 된 액츄에이터는 관성질량의 초기 위치에 있도록 필요로 하는 반대의 힘만큼 코일에 전류를 인가하게 된다. 이때 나오는 출력 신호가 측정된 위치에 해당하는 값이 된다. MEMS 가속도계는 미세하게 가공된 여러 장의 커패시터로 이루어져 있으며, 기본적인 원리는 정전용량형과 유사하다. MEMS 가속도계는 크기를 작게 만들 수 있고 가격을 낮출 수 있는 장점이 있어 교량 측정에서 가장 많이 사용되는 가속도계이다. 압전형과 서보 가속도계는 움직이는 방향에 대해서만 측정이 가능한 한축 방향의 센서이지만, MEMS 센서는 3축 측정이 가능하다는 장점이 있다.
움직임을 측정할 수 있는 속도 센서는 도플러 효과를 이용한 센서와 전기역학적 효과를 이용한 센서가 있다. 전기역학적 속도 센서는 영구자석과 그 주위로 연결되어 있는 두 개의 코일로 구성되어 있고, 패러데이 법칙에 의해 영구자석과 코일의 전선이 상호작용을 하게 되면, 속도에 의해 영구자석의 자기장을 상쇄하도록 전류가 생성된다. 코일의 움직임이 크면, 생성되는 전류는 더 많아지게 된다. 따라서 센서의 출력은 두 개의 코일에서 발생되는 신호의 차이로 나오게 된다. 레이저 도플러 기반 속도계(LDV, Laser Doppler-based vibrometer)는 광검출기와 신호처리부로 구성되며, LDV의 동작원리는 다음과 같다. 주파수로 변조된 레이저빔이 타겟에 반사되고, 타겟의 움직임에 따라 도플러 효과에 따른 주파수 변이가 생성된다. 이러한 변위를 표준 주파수와 비교하여 주파수 변이차로부터 타겟의 속도를 계산하는 것이다.
교량 구조물의 변위를 측정하기 위해 저항성 기반 변환기(resistive-based transducer)나 선형 가변 차동 변압기(LVDT, linear variable differential transformer) 또는 GPS를 사용할 수 있다. 저항성 기반 변환기는 3가지 물리적인 핀을 가진 선형 또는 원형의 다양한 저항체로 구성되어 있다. 조정핀이 교량 구조물에 직접 연결되어 있으며, 이 핀의 위치 변화로부터 총 저항값이 변하게 되어 결과적으로 전압이 변하게 된다. 전위차계와 같은 이러한 변환기는 온도에 의한 저항 변화를 고려하면 매우 실용적이라 할 수 있다. LVDT는 니켈-철 기반의 자석 코어 주위에 주 코일(primary coil)과 두 개의 부가 코일이 병렬로 연결되어 있는 구조이다. 주 코일에 전압이 인가되면 자석 코어가 움직이게 되고, 이로 인해 부가 코일의 위치에 따라 서로 다른 두 종류의 전압 V1과 V2가 생성된다. 두 전압 차이가 센서의 신호 전압으로 출력된다. GPS 기반의 변위 측정은 최소한 4개의 GPS 위성으로부터 신호를 수신받아 삼각측량법을 이용하여 위치를 계산하여 추정할 수 있다.
역학적 센서(Mechanical Sensors)는 피로, 힘, 변위, 부식, 크랙과 같은 역학적 현상을 측정하는 것이다. 통상 피로 탐지(Fatigue Detection)의 실패는 길이와 깊이를 가진 미세한 균열의 외관을 유발하는 미세한 결함을 가진 상당한 스트레스로부터 시작되며, 더 이상 온전하지 않을 때까지 부정적으로 진화한다.
이러한 피로 탐지를 위한 슬롯(slot)과 스크라이프(stripe)에 기반한 피로 센서는 인대(ligament)라고 하고, 이러한 인대들은 서로 다른 스트레인 크기를 가지고 있으며, 판의 저항을 측정하여 피로도를 평가하는 방법이다. 이 외에도 와류( eddy current) 측정법, 음파 방출(acoustic emission, AE), 초음파, 변위 기반의 센서 등이 있다. 이러한 피로 센서들은 RC빔과 철로 만든 교량 등을 모니터링 하는 목적으로 사용될 수 있다.
힘 측정(Force Measurement)은 구조물의 주요 부품에 필요 이상의 힘이 반복해서 가해지게 되면 변형을 측정하기 위한 것으로, 외부의 힘을 측정하기 위해 스트레인 게이지 로드셀이 사용된다. 로드 셀은 힘이 가해지면 가해질수록 저항이 점점 높아지게 되고, 이에 따라 센서의 출력 전압은 점점 낮아지게 된다. 이러한 로드셀 구조는 정적인 힘의 측정과 동적인 힘의 측정에 유용하다.
스트레인(Strain)은 어떤 물체에 힘이 가해지면 발생되는 변형으로서, 스트레인 측정은 물체의 변형 정도를 측정하는 가장 일반적인 방법 중의 하나이다. 이러한 스트레인은 주로 스트레인 게이지, 압전 트랜스듀서, 진동하는 와이어 스트레인 게이지(vibrating wire strain gauge) 등을 이용하여 측정할 수 있다. 스트레인 게이지는 힘 측정에서 사용된 것과 유사한 방법으로 외력에 의한 변형률을 저항의 변화로부터 유추하는 방법이다. 압전 트랜스듀서는 물체의 변형에 비례하여 전압이 출력되므로 전압을 측정하여 변형을 유추할 수 있다. 진동하는 와이어 스트레인 게이지는 와이어의 공명 주파수를 이용하여 스트레인을 측정하는 것이다. 두 개의 판 사이에 여러 가닥의 와이어를 단단히 연결하고, 구조물에 외력이 가해져 판이 이동하게 되면 와이어의 공명 주파수가 변하게 되는데, 외부 회로를 이용하여 이러한 공명 주파수를 측정함으로써 변형을 유추할 수 있다.
부식(Corrosion) 측정 센서를 이용하여 조기에 부식 정도를 탐지할 수 있다면 안전과 유지보수 측면에서 큰 도움이 된다. 부식을 측정하기 위한 전기화학적 임피던스 기반 센서(electrochemical impedance-based sensor)는 기본적으로 두 개의 전극셀로 구성되어 있으며, 셀 사이에 고정된 주파수를 가지는 사인파를 인가해 준다. 부식이 발생하게 되면 10 mHz와 10 kHz의 주파수를 인가했을 때 임피던스에 변화가 발생하는데, 이로부터 부식 정도를 유추할 수 있다. 임피던스는 구조물을 통해 흐르는 전류와 연관되어 있으며, 또한 전류는 부식과 연관되어 있어 부식율을 역으로 추정할 수 있다.
크랙 탐지에 사용되는 크랙 게이지로는 음향방출(AE), 스트레인 측정, 열화상 방법 등이 있다. AE는 100 kHz ~ 1 MHz 사이의 고주파의 음파를 사용하여 크랙을 탐지하는 방법으로서, 수동적인 방법과 능동적인 방법이 있다. 능동형 AE 기반 센서는 크랙의 존재유무에 따른 신호 크기를 측정하기 위해 압전 트랜스듀서를 사용하고, 수동형 센서는 교량 구조물에 음파를 발사하고, 반사되어 오는 음파의 크기를 측정하여 크랙을 분석하는 방법이다. 신호가 낮을 수록, 크랙의 분석 깊이가 깊어지고, 신호의 크기는 더 작아진다.
환경 센서는 온도와 바람과 같은 환경 변수들에 의한 영향을 측정하기 위한 것으로, 풍속계는 바람의 속도를 측정하는 장비이다. 기계적인 풍향계는 회전날개를 이용하여 바람이 빨리 불면 빨리 회전을 하게 되고, 이 회전력을 제너레이터를 이용하여 전압 또는 전류로 변환하여 바람의 속도를 측정한다. 또 다른 기계적인 풍향계는 일정한 시간동안 날개가 회전한 회전수로부터 속도를 측정하는 방식도 있다. 초음파 기반의 풍향계는 90도 각도로 구성된 발신부와 수신부 여러 쌍으로 이루어져 있으며, 바람이 불 때, 초음파 빔의 경로에 영향을 미치게 되는데, 이러한 바람의 영향에 의한 초음파 빔이 다른 빔보다 조금 늦게 또는 조금 더 빨리 도달하게 된다. 이러한 경로차이로부터 바람의 속도를 계산할 수 있다. 레이저 간섭계를 이용한 풍향계는 Michelson 간섭계와 유사한 형태로 되어 있는데, 레이저빔이 빔스플리터를 통해 두 개의 거울 방향으로 빔이 나누어지게 되고, 이 중 하나는 바람의 영향을 받지 않는 표준에 해당하고, 다른 하나는 바람의 영향을 받는 측정 거울의 역할을 하게 된다. 이렇게 다시 거울에서 반사된 두 개 빔의 경로차이로부터 간섭무늬 패턴이 생성되고, 이러한 간섭무늬 패턴의 간격으로부터 바람의 속도를 계산할 수 있다. 온도는 구조물에 피로, 크랙, 부식 등의 내부 조건에 영향을 미친다. 그리고 일부 센서들은 온도의 영향을 받기 때문에 믿을만한 측정 결과를 얻기 위해서는 온도에 의한 영향을 보정해 주어야 한다. 이러한 목적을 위해 서모커플, RTD(resistance temperature detector), 적외선센서 등을 사용한다. 서모커플은 지벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 온도를 측정하는 원리인데, 서로 다른 두 종류의 금속 재료를 붙이게 되면, 연결부에서 온도에 따라 각각 열전자의 생성이 서로 달라 접점에서 기전력의 차이가 발생한다. 이러한 기전력 차이로부터 온도를 유추하는 방법으로 상대적인 온도값을 나타내기 때문에 반드시 표준점으로부터 보상을 해 주어야 절대적인 온도를 측정할 수 있다. RTD 센서는 금속 재료가 온도에 따라 저항이 다르다는 특성을 이용해서 금속 재료의 저항값으로부터 온도를 측정하는 원리이다. 일반적으로 백금을 많이 사용하며, 미세한 저항 변화를 읽기 위해 휘스톤브릿지 회로를 사용하여 저항을 측정한다.
BIM(Building Information Modeling) 데이터 생성부(110)는 나중에 자세히 설명하는 바와 같이 교량 구조물의 BIM 객체와 개별 BIM객체 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력한 후 연관 매개변수를 설정하여 교량구조물의 객체를 라이브러리화 한다.
데이터 수집부(120)는 IoT 통신망(30)을 통해 센서들(20)로부터 교량(10)의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장하고, 미계측부위 추정부(130)는 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정한다. 즉, 센서(20)를 통한 시설물 점검 및 유지관리 방식은 센서의 설치 영역 주변으로 검사 영역이 제한되고, 관리대상 구조물의 개수 증가에 따른 관리 비용이 증가되므로, 본 발명의 실시예에서는 미계측부위 추정부(130)가 소수의 센서들로부터 측정된 값을 이용하여 미계측 부위의 물리적 특성치를 추정한다. 이를 위해 미계측부위 추정부(130)는 먼저, 과도 직접 해석을 수행하여 실제 측정치의 가속도와 변형률 등을 계산한 뒤, 잡음 신호를 섞어서 수치적인 계측 신호를 생성하고, 가속도 계측 신호를 칼만 필터에 외부 하중에 대한 정보로 입력한 뒤, 수치 적분을 수행하여 변위를 계산한다. 다음으로, 변형률 계측 신호와 변형률-변위 관계 변환식을 이용하여 변위를 계산한 뒤, 칼만 필터에 관측 정보로 입력하고, 마지막으로 칼만 필터를 통해 각각의 신호로 계산한 변위를 보정하여 미계측 지점을 포함한 모델 전 부위의 변위를 재 추정한다.
피로도 산출부(140)는 측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출하고, 내하력 산정부(150)는 측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산정한다.
위험 산출부(160)는 BIM 데이터 생성부(110)의 부재정보와 피로도 산정부(140)의 피로도, 내하력 산정부(150)의 내하력 등에 근거하여 특정 시점의 위험도를 산출하고, 유지보수안 제안부(170)는 부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 BIM과 IoT 센서를 이용하여 교량을 유지관리하는 절차를 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, BIM 데이터 생성 단계(S1)에서는 교량 구조물의 BIM 객체와 개별 BIM객체 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력한 후 연관 매개변수를 설정하여 교량구조물의 객체를 라이브러리화 한다.
교량 센서 데이터 수집 및 측정값 계산 단계(S2,S3)에서는 IoT 통신망(30)을 통해 교량(10)의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장한다.
미계측부위 측정값 추정 단계(S4)에서는 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정한다.
피로도 산출 단계(S5)에서는 측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출한다.
내하력 산출 단계(S6)에서는 측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산출한다.
위험도 산출단계(S7)에서는 BIM 데이터 생성부(110)의 부재정보와 피로도 산정부(140)의 피로도, 내하력 산정부(150)의 내하력 등에 근거하여 특정 시점의 위험도를 산출한다.
유지보수안 제안 단계(S8)에서는 부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 교량을 구성하고 있는 부재기반 정보관리를 위하여 다음 표 1과 같이, 총 10개의 대표부재와 세부대표부재 81개로 객체화하여 정의하였다.
| 대표부재 | 세부부재 | 손상유형 | 보수공법 |
| 슬래브 | 10 | 116 | 397 |
| 주형 | 9 | 120 | 370 |
| 2차부재 | 5 | 37 | 88 |
| 교대/교각 | 6 | 52 | 122 |
| 기초 | 6 | 58 | 58 |
| 교량받침 | 12 | 78 | 152 |
| 신축이음 | 21 | 281 | 421 |
| 교면포장 | 3 | 18 | 34 |
| 배수시설 | 1 | 8 | 19 |
| 난간/연석 | 8 | 50 | 89 |
| 합계 | 81 | 818 | 1,750 |
또한 부재별 대표적인 손상유형 총 818가지를 정의하였으며, 각 손상 유형에 대한 대표 보수보강공법은 총 1,750가지를 고려하였다. 교량의 구성부재에 기초하여 정의된 손상 및 보수보강의 연계를 바탕으로 생애주기 동안 부재별 상태열화 예측, 상태열화에 따른 보수보강비용 추정, 조치후 상태향상 예측을 위해 대표부재 및 대표부재 내 세부부재를 정의하고, 이들을 대표부재를 중심으로 상호 연계함으로써 교량의 성능과 비용을 고려한 유지보수 방안을 제안한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 BIM 데이터를 생성하는 절차를 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 BIM객체 예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교대 객체의 예를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 교각 객체의 예를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 거더 객체의 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 상부 슬래브 객체의 예를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 교량구조물의 날개벽 객체의 예를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 교량구조물 BIM객체 생성단계(S101)에서는, 교량구조물의 각 부재에 대한 다양한 타입을 통합한 해당 통합 라이브러리모듈로 구성되는 교량구조물 BIM객체를 생성한다.
본 발명의 실시예에 따른 교량(10)의 대표 부재는 도 4에 도시된 바와 같이, 교대(11), 교각(12), 교량받침(13), 거더(14), 슬래브(15), 신축이음(16), 교면포장(17), 난간(18)으로 구성되고, 통합 라이브러리 모듈은, 교대 통합라이브러리모듈(A), 교각 통합라이브러리모듈(B), 거더 통합라이브러리모듈(C) 및 상부슬라브 통합라이브러리모듈(D)로 구분된다.
구체적으로, 교대 라이브러리모듈(A)은 다양한 교대타입의 프로파일로 구성되고, 교각 라이브러리모듈(B)은 다양한 교각타입의 프로파일로 구성되고, 거더 라이브러리모듈(C)은 다양한 거더타입의 프로파일로 구성되고, 상부슬라브 라이브러리모듈(D)은 다양한 상부슬라브타입의 프로파일로 구성될 수 있다.
개별 BIM객체 생성 및 매개변수 설정단계(S102,S103)에서는, 해당 라이브러리모듈별의 부재별 형상치수 또는 부재치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성한다. 여기서, 매개변수는, 세부부재의 형태정보와, 치수정보인 높이(H), 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)와, 속성정보와, 세부부재의 배열 및 개수정보로 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 교대 라이브러리모듈(A)의 부재별 형상치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성하는데, 교대기초L, 교대기초T, 교대폭W, 교좌장치단자, 교좌장치이격, 도출부L, 린T, 린W, 말뚝H(기본값), 우T, 좌T, 전열말뚝간격 및 후열말뚝간격의 형상치수와, 전열말뚝배열 및 후열말뚝개수를 매개변수화하여 교대 BIM객체를 구성할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 교각 라이브러리모듈(B)의 부재별 형상치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성하는데, H(기본값), 기초L 및 린T를 매개변수화하여 교대 BIM객체가 구성될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 거더 라이브러리모듈(C)의 부재별 형상치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성하고, 도 8에 도시된 바와 같이, 상부슬라브 라이브러리모듈(D)의 부재별 형상치수를 매개변수화하여 개별 BIM객체를 구성한다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 프로파일 기반으로 부재의 세부부재별 예컨대, 교대 부재의 우측날개 세부부재에 대해 매개변수에 대한 치수를 입력시, 치수 입력인터페이스와 프로파일을 연동할 수 있다.
연관 매개변수 설정단계(S104)에서는, 각 세부부재간 또는 각 부재간 호환되는 연관 매개변수가 설정한다.
교량구조물 객체 생성단계(S105)에서는, 잎서와 같은 절차를 통해 연관 매개변수에 의해 라이브러리모듈이 연동되어 결합 생성된 교량구조물 객체가 생성된다. 여기서, 각 라이브러리모듈은 연관 매개변수로 연관되어 통합되어 교량구조물 BIM객체가 구현된다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 교량 20: IoT 센서
30: IoT 통신망 100: 교량 유지관리서버
110: BIM 데이터 생성부 120: 데이터 수집부
130: 미계측부위 추정부 140: 피로도 산출부
150: 내하력 산출부 160: 위험도 산출부
170: 유지보수안 제안부
30: IoT 통신망 100: 교량 유지관리서버
110: BIM 데이터 생성부 120: 데이터 수집부
130: 미계측부위 추정부 140: 피로도 산출부
150: 내하력 산출부 160: 위험도 산출부
170: 유지보수안 제안부
Claims (5)
- 교량에 설치된 IoT 센서;
교량 구조물의 BIM 객체와 개별 BIM객체를 생성하고, 매개변수에 대한 치수를 입력한 후 연관 매개변수를 설정하여 교량구조물의 객체를 라이브러리화하는 BIM 데이터 생성부;
IoT 통신망을 통해 상기 IoT센서로부터 교량의 각 측정부위에서 측정값을 수집하여 데이터베이스로 저장하는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부의 실제 측정값에 칼만필터를 적용하여 미계측부위에 대한 측정값을 추정하는 미계측부위 추정부;
측정값과 추정값을 바탕으로 강재질의 부재에 대한 피로도를 산출하는 피로도 산출부;
측정값과 추정값을 바탕으로 상부구조에 가해지는 재하중을 예측하여 내하력을 산정하는 내하력 산정부;
상기 BIM 데이터 생성부의 부재정보와 상기 피로도 산출부의 피로도, 상기 내하력 산정부의 내하력에 근거하여 특정 시점의 부재별 위험도를 산출하는 위험도 산출부; 및
부재별 위험도에 근거하여 유지보수 대상 및 작업을 우선순위로 구분하여 제안하는 유지보수안 제안부를 포함하고,
상기 미계측부위 추정부는,
소수의 센서들로부터 측정된 값을 이용하여 미계측 부위의 물리적 특성치를 추정함으로써 센서 설치비용을 절감하기 위해, 과도 직접 해석을 수행하여 실제 측정치의 가속도와 변형률을 계산한 뒤, 잡음 신호를 섞어서 수치적인 계측 신호를 생성하고, 가속도 계측 신호를 칼만 필터에 외부 하중에 대한 정보로 입력한 뒤, 수치 적분을 수행하여 변위를 계산하고, 변형률 계측 신호와 변형률-변위 관계를 이용하여 변위를 계산한 뒤, 칼만 필터에 관측 정보로 입력하고, 마지막으로 칼만 필터를 통해 각각의 신호로 계산한 변위를 보정하여 미계측 지점을 포함한 모델 전 부위의 변위를 재 추정하고,
상기 유지보수안 제안부는
교량 구조물에서 총 10개 대표부재를 세부부재로 구분한 후 각 세부부재에 대해 손상유형과 보수공법을 정의한 후 위험도에 따라 우선순위로 유지보수대상과 작업을 제안하되,
슬래브 대표부재에 대해서는 10개의 세부부재로 구분하고 116개의 손상유형과 397개의 보수공법을 정의하고,
주형 대표부재에 대해서는 9개의 세부부재로 구분하고 120개의 손상유형과 370개의 보수공법을 정의하고,
2차부재 대표부재에 대해서는 5개의 세부부재로 구분하고 37개의 손상유형과 88개의 보수공법을 정의하고,
교대 및 교각 대표부재에 대해서는 6개의 세부부재로 구분하고 52개의 손상유형과 122개의 보수공법을 정의하고,
기초 대표부재에 대해서는 6개의 세부부재로 구분하고 58개의 손상유형과 58개의 보수공법을 정의하고,
교량받침 대표부재에 대해서는 12개의 세부부재로 구분하고 78개의 손상유형과 152개의 보수공법을 정의하고,
신축이음 대표부재에 대해서는 21개의 세부부재로 구분하고 281개의 손상유형과 421개의 보수공법을 정의하고,
교면표장 대표부재에 대해서는 3개의 세부부재로 구분하고 18개의 손상유형과 34개의 보수공법을 정의하고,
배수시설 대표부재에 대해서는 1개의 세부부재로 구분하고 8개의 손상유형과 19개의 보수공법을 정의하고,
난간 및 연석 대표부재에 대해서는 8개의 세부부재로 구분하고 50개의 손상유형과 89개의 보수공법을 정의한 것을 특징으로 하는,
BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 IoT 센서는
측정하고자 하는 물리적 특성에 따라 변위율계, 변위계, 가속도계, 온습도 센서, 부식측정계, 진동센서, 충격센서 중 어느 하나인 BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 시스템. - 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020230066876A KR102642192B1 (ko) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230066876A KR102642192B1 (ko) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102642192B1 true KR102642192B1 (ko) | 2024-02-29 |
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ID=90041281
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230066876A KR102642192B1 (ko) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | BIM과 IoT 센서를 이용한 교량의 유지관리 방법 및 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102642192B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070043491A (ko) * | 2005-10-21 | 2007-04-25 | 에스케이 텔레콤주식회사 | 무선 근거리 통신을 이용한 교량/터널 안전상태 관리시스템 및 방법 |
| KR20190110479A (ko) | 2018-03-20 | 2019-09-30 | 고려대학교 산학협력단 | Bim을 이용한 교량 구조물의 안전진단과 유지관리 방법 |
| KR20220053333A (ko) * | 2020-10-22 | 2022-04-29 | 중앙대학교 산학협력단 | 단일가속도와 변형률을 이용한 구조물변위측정시스템 및 변위측정방법 |
| KR102449117B1 (ko) | 2021-03-10 | 2022-09-29 | 한국도로공사 | 3차원 디지털 모델 및 영상맵핑을 이용한 교량유지관리방법 |
| KR102464457B1 (ko) * | 2022-03-17 | 2022-11-09 | 한국건설기술연구원 | 손상 유형에 따른 교량 유지관리 공법 및 비용의 ai 기반 예측 시스템 |
| KR20230013774A (ko) * | 2021-07-20 | 2023-01-27 | 주식회사 에이빔플러스 | 파라메트릭기반 bim 라이브러리모듈에 의한 교량설계 자동화 구축방법 |
-
2023
- 2023-05-24 KR KR1020230066876A patent/KR102642192B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070043491A (ko) * | 2005-10-21 | 2007-04-25 | 에스케이 텔레콤주식회사 | 무선 근거리 통신을 이용한 교량/터널 안전상태 관리시스템 및 방법 |
| KR20190110479A (ko) | 2018-03-20 | 2019-09-30 | 고려대학교 산학협력단 | Bim을 이용한 교량 구조물의 안전진단과 유지관리 방법 |
| KR20220053333A (ko) * | 2020-10-22 | 2022-04-29 | 중앙대학교 산학협력단 | 단일가속도와 변형률을 이용한 구조물변위측정시스템 및 변위측정방법 |
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| KR102464457B1 (ko) * | 2022-03-17 | 2022-11-09 | 한국건설기술연구원 | 손상 유형에 따른 교량 유지관리 공법 및 비용의 ai 기반 예측 시스템 |
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