KR102656648B1 - 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지반 조사 작업의 모든 단계에서 발생되는 데이터를 수집, 통계처리하여 설계에 필요한 지반공학적 지수의 신뢰성을 향상시킬수 수 있도록 하는 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 지반 조사의 전과정을 통해 토질조사, 현장시험 및 실내시험의 의 데이터 정밀도를 확보 및 수집하고 과업구간에 대한 지층을 3차원으로 형상화 하며, 시험 데이터 및 기존 데이터를 바탕으로 통계처리를 하여 알고자 하는 구간 및 지층에 대해 설계지반정수를 나타내할 수 있도록 해 주는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 지반 조사의 전과정을 통해 토질조사, 현장시험 및 실내시험의 의 데이터 정밀도를 확보 및 수집하고 과업구간에 대한 지층을 3차원으로 형상화 하며, 시험 데이터 및 기존 데이터를 바탕으로 통계처리를 하여 알고자 하는 구간 및 지층에 대해 설계지반정수를 나타내할 수 있도록 해 주는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
Description
본 발명은 지반 조사 작업의 모든 단계에서 발생되는 데이터를 수집, 처리하여 지반 조사 작업의 효율성을 향상시키고 데이터를 공유할 수 있도록 하는 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템에 관한 것이다.
건설지반조사에서 토질 조사는 전체 지반조사 비중의 20 내지 30%의 높은 비중을 차지하는 중요한 지반조사다. 그런데, 토질조사와 관련된 조사/설계/시공 공정은 작업 공정이 분절되어 있으며 반복적인 작업과 데이터의 연계성 부족으로 인해 생산성이 낮은 문제점이 있다. 특히, 설계 및 시공 중에 취득한 정보는 각 공정별 연계성의 미흡으로 인해 시공과정에서 필연적으로 설계변경이 되고 있다.
또한, 토질조사의 설계 및 시공은 2차원 기반의 설계 도면을 기준으로 양단면 평균법을 이용하기 때문에 지반 조사 물량을 정확히 파악하는 것이 용이하지 않고, 일정 관리의 정밀도가 낮은 것으로 나타난다.
또한, 지반 조사 품질 관련 데이터 관리가 미흡하여 설계 및 시공에 대한 신뢰성 결여의 문제가 발생한다. 이로 인해, 설계 및 시공 과정에서는 작업 관리자의 주관적인 판단에 따라 설계에 필요한 지반공학적 지수가 달라지는 것으로 나타난다.
따라서, 설계 및 시공 과정에서 설계지반정수의 신뢰성 향상을 위한 정밀도가 높고 데이터 관리가 유연한 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템이 필요하다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지반 조사의 전과정을 통해 작업 공정의 데이터 정밀도를 확보하고 설계 및 시공에 필요한 지반공학적 지수의 신뢰성 향상을 도모할 수 있도록 해 주는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)은, 시추로드(110)의 길이방향을 따라 승강되는 헤드부(120)와 상기 헤드부(120)에 설치되며 상기 시추로드(110)와 연결되는 구동축의 회전수와 회전토크 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 검출하는 구동축정보검출부(121), 상기 시추로드(110)가 시추 작업 중 하강하는 상기 헤드부(120)의 이동속도 및 승강반복회전수를 검출하여 시추깊이를 산출하기 위한 헤드부좌표검출부(123)를 포함하는 시추기(100), 상기 구동축정보검출부(121), 헤드부좌표검출부(123)로부터 검출된 신호를 수신하여 상기 시추기(100)를 제어하는 제어부(210)와, 검출된 정보를 서버(400)에 전송하는 통신부(220) 및 상기 시추기(100)가 시추하는 과정에서 발생하는 진동을 흡수하면서 발생하는 마찰 전기를 수확하여 상기 시추기(100)를 제어하기 위한 전자회로에서 재활용하기 위한 에너지 수확부(230)를 포함하는 시추기컨트롤부(200), 지반 종류별 상기 시추로드(110)에 대한 구동조건에 대한 기준 데이터 및 해당 지역에 대한 상기 시추로드(110)의 깊이에 따른 기본적인 지반 종류에 대한 데이터를 포함하는 데이터베이스(300) 및 상기 시추기컨트롤부(200)로부터 통신망을 통해 수신된 지반 정보를 상기 데이터베이스(300)에 저장하거나, 상기 시추기(100)가 지반조사를 하기 위해 시추하고자 하는 해당 지역에 대한 지반 정보를 상기 데이터베이스(300)에서 검색하여 상기 시추기컨트롤부(200)에 송신하는 서버(400)를 포함한다.
상기 서버(400)는, 상기 시추기(100)로부터 취득한 지반 정보와 관련된 해당 지역의 3차원 지형 정보와, 국토지반정보 통합DB센터 사이트(http://www.geoinfo.or.kr)에서 제공되는 지반정보통합DB 시스템으로부터 취득한 해당 지역의 3차원 지반 정보에 기반하여 실제 지형 BIM 데이터를 생성하는 실제 지형 BIM 데이터 생성부(410), 상기 실제 지형 BIM 데이터에 기반하여 지반조사 예정 지형의 BIM 데이터를 분석하는, 지반조사 비용 예상산출부(420), 조사지형의 3차원 지반좌표에 기반한 지형 정보를 이용하여 조사대상 지형 BIM 데이터를 생성하고, 상기 조사대상 지형 BIM 데이터와 상기 실제 지형 BIM 데이터를 비교하여 지반조사 공정에 대한 진행 상황을 체크하는, 지반조사 공정 확인부(430) 및 상기 시추기(100)로부터 획득된 지반에 대한 종류, 상태에 대한 정보를 이용하여 지반 상태 정보를 생성하고, 상기 지반 상태 정보를 포함하여 조사대상인 조사 지반 BIM 데이터를 생성하는, 조사 지반 BIM 데이터 생성부(440)를 포함하고, 상기 지반조사 비용 예상산출부(420)는, 실제 지형과 지반조사 예정 지형을 비교하여 지반조사 예정 비용을 산출하는, 지반조사 예정 비용 산정부(421), 상기 실제 지형 BIM 데이터를 이용하여 디지털트윈 방식으로 가상 지반조사 비용을 산출하는, 디지털트윈 지반조사 예정 산정부(422) 및 상기 지반조사 예정 비용과 상기 가상 지반조사 비용을 비교하는 지반조사 실비용 예측부(423)를 포함한다.
상기 시추기(100) 하단에 위치하여 상기 시추기(100)를 지지하며, 상기 시추기(100)의 시추과정에서 발생하는 진동을 흡수하며, 이때 발생하는 마찰 전기로 자가 발전하여 에너지를 수확할 수 있는 진동흡수발전부(1000)를 더 포함하고, 상기 진동흡수발전부(1000)는, 상기 시추기(100) 하부에서 상기 시추기(100)의 지지하며 상기 시추기(100)의 종축방향의 진동을 흡수하기 위해 'ㄷ' 형상을 가지는 서포트(1010), 상기 서포트(1010) 하부를 지지하며, 상측에서 상기 서포트(1010)와 볼트 결합되고, 내부에 스프링(1040)을 포함하기 위한 공간을 구비하고, 일단은 상기 스프링(1040)이 고정되기 위해 막혔고, 타단은 상기 스프링(1040)이 통과할 수 있도록 열려 'Π' 형상의 단면을 가지고, 상측이 하방으로 수직으로 길게 연장되는 부분의 폭보다 길게 형성되는 는 실린더(1020), 상기 실린더(1020) 상측에서 상기 서포트(1010)를 결합하는 적어도 하나 이상의 볼트(1030), 상기 실린더(1020) 내부에 포함되고, 상기 스프링(1040)의 일단이 상기 실린더(1020)에서 막혀있는 부분에 고정되어, 베이스 프레임(1050) 사이에서 상기 서포트(1010)의 수직 상하 운동에서 완충 작용을 하는 스프링(1040), 상기 스프링(1040)의 타단이 고정되고, 상기 스프링(1040)과 완충부재(1060)를 포함하도록, 단면이 'ㅛ '자 형상을 가지는 원통형상의 베이스 프레임(1050), 상기 실린더(1020)의 상측이 하강할 때, 상기 실린더(1020)의 상측과 상기 베이스 프레임(1050) 사이에서 눌려져 압축되면서 하강 속도를 완충시키고, 중앙부위에 상기 스프링(1040)이 관통되도록, 원통형상을 가지는 완충부재(1060) 및 상기 실린더(1020)의 외부표면에 부착되어 상기 스프링(1040)이 상하 운동할 때, 상기 완충부재(1060)의 표면과 마찰작용을 일으켜 마찰 전기를 발생시키기 위해 맥신(MXene) 소재로 이루어진 자가발전부(1070)를 포함하며, 상기 자가발전부(1070)에서 발생시키는 마찰 전기가 전기적으로 연결된 상기 시추기컨트롤부(200)의 상기 에너지 수확부(230)에 저장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 지반 조사 작업에 대해 표준화된 프로세스를 구성하고 생성되는 데이터들을 공유함으로써, 지반 조사 작업의 전과정을 통해 작업 공정의 데이터 정밀도를 확보하고 생산성 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 자동화된 지형 정보 측정으로 인해 보다 신속하고 정확하게 3차원 지형 정보를 생성할 수 있게 된다.
또한, 지반 조사 과정 중 시추기에서 발생하는 진동을 줄이고, 진동을 줄이는 과정에서 발생하는 마찰 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 친환경적으로 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일부 구성인 시추기(100)의 사시도이다.
도 3은 시추기(100)의 헤드부(120)에 대한 구성도이다.
도 4는 도 1의 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)의 서버(400)의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 시추기(100) 하단에 위치하는 진동흡수발전부(1000)의 사시도이다.
도 6은 진동흡수발전부(1000)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일부 구성인 시추기(100)의 사시도이다.
도 3은 시추기(100)의 헤드부(120)에 대한 구성도이다.
도 4는 도 1의 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)의 서버(400)의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 시추기(100) 하단에 위치하는 진동흡수발전부(1000)의 사시도이다.
도 6은 진동흡수발전부(1000)의 단면도이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일부 구성인 시추기(100)의 사시도이다. 도 3은 시추기(100)의 헤드부(120)에 대한 구성도이다. 도 4는 도 1의 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)의 서버(400)의 구성을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1)은 시추기(100), 시추기컨트롤부(200), 데이터베이스(300) 및 서버(400)를 포함할 수 있다.
시추기 또는 천공기는 시추작업, 토질검사, 지하수 개발 등을 위하여 지상으로부터 지하로 심공을 굴착하는 장치이다.
시추기는 사암층, 암반층, 연약지반 등 천공대상 지반의 종류에 따라 운영조건을 적절하게 변경하는 것이 바람직한데, 이에 대한 데이터가 부족한 경우 시추효율을 극대화 시키기 어려우며, 시추기가 작동하며 취득한 지반의 좌표 위치에 따른 지반의 상태에 대한 정보를 이용할 필요가 있다.
시추기를 이용하여 대상 지역의 지반에 구멍을 깊이 뚫은 후 작업용수를 투입하여 그 속에 함유된 슬라임이나 표준관입시험 후 회수된 코어시료를 분석하여 지층의 구성상태를 파악할 수 있다.
표준관입시험은 지내력을 측정하는 시험방법 중 하나로 보링작업과 병행하여 지반의 강도와 상대밀도, 지층의 구성 등을 측정하고 시료를 채취하는 시험이다.
시추기(100)는 일반적으로 본체에 지지되는 시추로드(110)와, 상기 시추로드(110)의 길이방향을 따라 승강되는 헤드부(120)와, 헤드부(120)에 설치되며 유압에 의해 구동되는 구동모터에 의해 회전되는 구동축을 가지는 유압회전부와, 구동축과 결합되어 회전되며 상호 연결되고 단부에 비트유닛이 설치되는 로드와, 본체에 설치되는 엔진과, 엔진에 의해 구동되며 각 구동모터와, 본체에 설치되는 액튜에이터에 유압유를 공급하기 위하여 유압펌프를 포함하는 유압공급유닛을 구비할 수 있다.
상기 헤드부(120)에는 상기 헤드부(120)에 설치되며 상기 시추로드(110)와 연결되는 구동축의 회전수와 회전토크 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 검출하는 구동축정보검출부(121), 상기 시추로드(110)가 시추 작업 중 하강하는 상기 헤드부(120)의 이동속도 및 승강반복회전수를 검출하여 시추깊이를 산출하기 위한 헤드부좌표검출부(123)를 포함할 수 있다.
헤드부좌표검출부(123)는 시추로드(110)의 회전 및 시추로드의 깊이에 따른 천공깊이에 기반하여 3차원 위치 정보를 검출할 수 있다.
여기서, 구동축정보검출부(121)나 헤드부좌표검출부(123)는 회전 운동 센서이나 토크 센서와 같은 기술이 적용될 수 있다.
시추기컨트롤부(200)는 상기 구동축정보검출부(121), 헤드부좌표검출부(123)로부터 검출된 신호를 수신하여 상기 시추기(100)를 제어하며, 검출된 정보를 서버(400)에 전송할 수 있다.
시추기컨트롤부(200)는 상기 시추기(100)를 조작하기 위한 제어부(210)와, 각 검출부에 의해 검출된 정보를 상기 서버(400)에 전송하고, 상기 서버(400)로부터 지시를 수신하는 통신부(220) 및 상기 시추기(100)가 시추 과정에서 발생하는 진동을 흡수하면서 발생하는 마찰전기를 저장하는 에너지 수확부(230)를 포함한다. 에너지 수확부(230)의 구체적인 내용에 대해서는 후술한다.
시추기컨트롤부(200)는 각 검출부에서 검출되어 출력되는 정보를 수집하고, 수집된 센싱정보와, 시추작업을 수행하는 시추기의 가동상태를 메모리에 저장하며, 수집된 정보를 통신망을 통해 관리서버로 전송되도록 상기 시추기(100)를 제어한다.
데이터베이스(300)는, 지반 종류별 상기 시추로드(110)에 대한 구동조건에 대한 기준 데이터 및 해당 지역에 대한 상기 시추로드(110)의 깊이에 따른 기본적인 지반 종류에 대한 데이터를 포함한다.
서버(400)는 상기 시추기컨트롤부(200)로부터 통신망을 통해 수신된 지반 정보를 데이터베이스(DB, 300)에 저장하거나, 상기 시추기(100)가 지반조사를 하기 위해 시추하고자 하는 해당 지역에 대한 지반 정보를 데이터베이스(300)에서 검색하여 상기 시추기컨트롤부(200)에 송신한다.
데이터베이스(300)에는 지반 종류 예를 들면, 진흙층, 자갈층, 암반층, 모래층 등과 같이 설정된 지반 종류에 대응되게 상기 시추기(100)의 구동조건에 대한 기준 데이터가 기록되어 있다.
여기서 기준데이터는 지반에 따라 시추기를 운전하기 위한 조건 예컨대, 구동축의 회전수, 천공속도, 회전토크, 유압유의 압력, 공급되는 물의 압력 등에 해당하는 정보가 구비되어 있으며, 이 정보는 상기 시추기컨트롤부(200)로부터 전송되는 정보에 의해 업데이트된다.
서버(400)는, 상기 시추기(100)에 의해 시추하고 있는 해당 지반 좌표 지역의 지반을 감안하여 지반 조사를 위한 작업 정보를 상기 시추기컨트롤부(200)에 제공하고, 상기 시추기컨트롤부(200)에서 전송한 검출된 정보를 분석한다.
서버(400)는 시추기컨트롤부(200)로부터 수신된 작동상태정보를 기준 데이터와 비교하여 분석하고 기준을 재설정한다.
이렇게 지반 시추 조사를 통하여 취득된 3차원 위치 정보와 지반 층상 정보를 이용하여 획득된 시추공별 층상 경계를 연결하고 3차원으로 변환하여 시추된 층상 정보를 가공하여 보다 효과적으로 3차원 지반 정보를 산출할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 서버(400)는 실제 지형 BIM 데이터 생성부(410), 지반조사 비용 예상산출부(420), 지반조사 공정 확인부(430) 및 조사 지반 BIM 데이터 생성부(240)를 포함하며, 지반조사 비용 예상산출부(420)는 다시, 지반조사 예정 비용 산정부(421), 디지털트윈 지반조사 예정 산정부(422) 및 지반조사 실비용 예측부(423)를 포함한다.
실제 지형 BIM 데이터 생성부(110)는 상기 시추기(100)로부터 취득한 지반 정보와 관련된 해당 지역의 3차원 지형 정보와, 국토지반정보 통합DB센터 사이트(http://www.geoinfo.or.kr)에서 제공되는 지반정보통합DB 시스템으로부터 취득한 해당 지역의 3차원 지반 정보에 기반하여 실제 지형 BIM 데이터를 생성한다.
지반정보통합DB시스템은 "국토지반정보 통합DB센터 사이트"에서 제공되는 시스템으로써 크게 지반정보 입력 시스템, 국토지반정보 포털 시스템, 3차원 지반분석 시스템으로 구분된다.
한편, 이때 3차원 지반 정보는 포인트 클라우드를 이용하여 그래픽 이미지의 형태로 변환할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 자동화된 지형 정보 측정으로 인해 보다 신속하고 정확하게 3차원 지형 정보를 생성할 수 있게 된다.
또한, 실제 지형의 3차원 지반 정보는 상기 시추기(100)를 이용한 지반 시추 조사를 통하여 취득된 3차원 위치 정보와, 국토지반정보 통합DB센터 사이트(http://www.geoinfo.or.kr)에서 제공되는 지반정보통합DB 시스템으로부터 취득한 해당 지역의 3차원 지반 층상 정보를 이용하여 획득된 시추공별 층상 경계를 연결하고 3차원으로 변환하여 생성할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시추된 층상 정보를 가공하여 보다 효과적으로 3차원 지반 정보를 산출할 수 있게 된다.
지반조사 비용 예상산출부(420)는 실제 지형 BIM 데이터에 기반하여 지반조사 예정된 지반조사 예정 지형의 BIM 데이터를 분석한다.
이를 위해, 지반조사 예정 비용 산정부(421)는 실제 지형과 지반조사 예정 지형을 비교하여 지반조사 예정 비용을 산출하고, 디지털트윈 지반조사 예정 산정부(422)는 실제 지형 BIM 데이터를 이용하여 디지털트윈 방식으로 가상 지반조사 비용을 산출하며, 지반조사 실비용 예측부(423)는 실제 지반조사 비용과 가상 지반조사 비용을 비교한다.
이와 같은 구성에 의하면, 3차원 지반좌표에 기반한 지반 정보를 이용하기 때문에 보다 높은 정밀도의 지반조사 비용을 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 효과적인 지반조사를 진행할 수 있게 된다.
지반조사 공정 확인부(130)는 조사지형의 3차원 지반좌표에 기반한 지형 정보를 이용하여 조사대상 지형 BIM 데이터를 생성하고, 조사대상 지형 BIM 데이터와 실제 지형 BIM 데이터를 비교하여 지반조사 공정에 대한 진행 상황을 체크한다.
이와 같은 구성에 의하면, 지반조사에 대해 표준화된 프로세스를 구성하고 생성되는 데이터들을 공유함으로써, 지반조사의 전과정을 통해 지반조사 작업 공정의 데이터 정밀도를 확보하고 지반조사에 대한 효율성 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 지반조사 공정 확인부(430)는 지반 조사대상 BIM 데이터와 실제 지형 BIM 데이터에서의 지반조사 공정을 비교하여 지반조사 진행 상황을 확인할 수 있으며, 조사대상 지형 BIM 데이터를 이용하여 디지털트윈 방식으로 가상 지반조사 일정을 예측할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, BIM 데이터들을 서로 비교하여 지반조사 일정을 분석할 수 있으며, 디지털 트윈 방식으로 가상 지반조사 일정을 예측함으로써, 더욱 효율적으로 토지반조사의 일정 관리를 수행할 수 있게 된다.
조사 지반 BIM 데이터 생성부(440)는 시추기(100)로부터 획득된 지반에 대한 종류, 상태 등에 대한 정보를 이용하여 지반 상태 정보를 생성하고 지반 상태 정보를 포함하여 조사대상인 조사 지반 BIM 데이터를 생성한다.
한편, 시추기(100)를 통해 지반을 천공하는 과정에서 시추기(100)에서는 엄청난 진동이 발생한다. 이러한 진동으로부터 시추기(100)가 안정적으로 시추할 수 있도록 진동을 흡수해야 하고, 진동을 흡수하는 과정에서 발생하는 마찰 전기를 자가 발전하여 재생에너지로 이용할 필요가 있다.
도 5는 시추기(100) 하단에 위치하는 진동흡수발전부(1000)의 사시도이다. 도 6은 진동흡수발전부(1000)의 단면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 진동흡수 자가발전부(1070)는, 서포트(1010), 실린더(1020), 적어도 하나 이상의 볼트(1030), 스프링(1040), 베이스 프레임(1050), 완충부재(1060) 및 자가발전부(1070)를 포함한다.
서포트(1010)는, 상기 시추기(100) 하부에서 상기 시추기(100)의 지지하며 상기 시추기(100)의 종축방향의 진동을 흡수하기 위해 'ㄷ' 형상을 가진다.
실린더(1020)는, 상기 서포트(1010) 하부를 지지하며, 상측에서 상기 서포트(1010)와 볼트 결합되고, 내부에 스프링(1040)을 포함하기 위한 공간을 구비하고, 일단은 상기 스프링(1040)이 고정되기 위해 막혔고, 타단은 상기 스프링(1040)이 통과할 수 있도록 열려 'Π' 형상의 단면을 가지고, 상측이 하방으로 수직으로 길게 연장되는 부분의 폭보다 길게 형성된다.
적어도 하나 이상의 볼트(1030)는, 상기 실린더(1020) 상측에서 상기 서포트(1010)를 결합한다.
스프링(1040)는, 상기 실린더(1020) 내부에 포함되고, 상기 스프링(1040)의 일단이 상기 실린더(1020)에서 막혀있는 부분에 고정되어, 베이스 프레임(1050) 사이에서 상기 서포트(1010)의 수직 상하 운동에서 완충 작용을 한다.
베이스 프레임(1050)는, 상기 스프링(1040)의 타단이 고정되고, 상기 스프링(1040)과 완충부재(1060)를 포함하도록, 단면이 'ㅛ '자 형상을 가지는 원통형상으로 형성된다.
완충부재(1060)는, 상기 실린더(1020)의 상측이 하강할 때, 상기 실린더(1020)의 상측과 상기 베이스 프레임(1050) 사이에서 눌려져 압축되면서 하강 속도를 완충시키고, 중앙부위에 상기 스프링(1040)이 관통되도록, 원통형상을 가진다.
여기서, 완충부재(1060)는 탄성력이 좋고, 마찰 전기를 잘 생성할 수 있는 폴리염화비닐(PVC; polyvinyl chloride), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethyleneterephthalate), 폴리에스테르(PE; polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane), 캡톤(Kapton), 폴리이미드(PI; Polyimide), 나일론(nylon), 폴리비닐알코올(PVA; polyvinylalcohol), 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄 탄성 스펀지, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 천연고무, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리디페놀카보네이트(polydiphenolcarbonate), 염화폴리에테르(polyetherchloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리프로필렌(PP; polypropylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
자가발전부(1070)는, 상기 실린더(1020)의 외부표면에 부착되어 상기 스프링(1040)이 상하 운동할 때, 상기 완충부재(1060)의 표면과 마찰작용을 일으켜 마찰 전기를 발생시키는 맥신(MXene) 소재로 이루어진다.
상기 자가발전부(1070)에서 발생시키는 마찰 전기가 전기적으로 연결된 상기 시추기컨트롤부(200)의 상기 에너지 수확부(230)에 저장된다.
이러한 자가발전부(1070)는, 마찰 전기를 이용한 에너지 수확 기술로서, 마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nano Generator) 기술과 관련된다.
완충부재(1060)와 자가발전부(1070)의 두 물질의 표면 간 마찰로 인해 생기는 전자의 이동이 두 물질 간 전기적인 위치 에너지의 차이를 만들어 전류가 흐르게 된다.
TENG은 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 접촉 표면에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 다른 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방식보다 TENG는 열을 모아 발전하는 열전소자, 압력을 전기화하는 압전소자보다 열 배에서 백 배 이상 출력이 나온다. 전압이 2000V가 넘는 전기 에너지가 만들어지기 때문이다.
TENG는 고전압 저전류라는 특성상 감전으로부터 안전하고 자가 충전 할 수 있어 반영구적으로 활용 가능한 미래기술이다.
한편, 자가발전부(1070)는, 맥신(MXene) 소재로 이루어질 수 있다.
맥신은 전이금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질이다. 구체적으로 전이 금속인 티타늄과 유기물인 탄소 또는 질소로 이루어진 2차원 물질 소재이다.
맥신은 전이금속에 의한 전도성을 가지면서도 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성을 띄는 특이한 물질이다.
맥신은 MAX라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어진다. MAX라는 결정성 물질은 Mn+1AXn의 실험식을 가지는 육방정계의 층상 구조형 탄화물 또는 질화물을 의미한다. 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소이며 n은 1에서 4 사이의 정수이다.
구체적으로, 전이금속과 13 또는 14족 원소와 탄소 또는 질소로 구성된 화학식 Mn+1AXn의 물질을 화학식의 형태를 따서 MAX라고 부른다. 이 MAX 결정은 층상구조를 가지는데 세라믹 물질임에도 불구하고 연성이 있어 기계적인 가공이 가능하고 열과 전기 전도성이 우수하다. 가공을 위해 형태를 변형하면 층상구조가 서로 미끌리며 박리가 일어나는 독특한 특성을 보여준다. 이러한 특성은 일반적으로 금속 물질에서 관찰할 수 있다.
대부분의 세라믹 소재들과는 달리 맥신은 우수한 전도성과 우수한 에너지 저장 특성을 보여 전자재료, 에너지 저장 및 의약품 분야에서 이용될 수 있는 물질이다. 이는 전이금속과 질소 또는 탄소로 구성된 화학적 조성과, 2차원 분자의 시트 형태를 가지는 구조적 특징을 가지기 때문이다.
맥신은 독특한 구조를 가지고 우수한 성질을 가지며, 다양한 M(전이금속)과 A(13족 또는 14족 원소), X(탄소 또는 질소)의 다양한 조합을 통해 수백가지 종류의 서로 다른 맥신을 만들 수 있다. 맥신은 화학적 안정성 뿐 아니라 물리적인 내구성이 뛰어나며 가장 튼튼한 재료로 연구로써 밝혀졌다.
맥신은 마찰로 낭비되는 기계적 에너지를 회수할 수 있는 마찰전기 발전기용 소재로 활용될 수 있다. 맥신은 전기전도성이 우수할 뿐 아니라 다른 소재와 마찰 접촉할 때 전자를 흡수할 수 있다.
이처럼, 맥신 소재로 이루어진 자가발전부(1070)는, 상기 실린더(1020)의 외부표면에 부착되어 상기 스프링(1040)이 상하 운동할 때, 상기 완충부재(1060)의 표면과 마찰작용을 일으켜 마찰 전기를 발생시키고, 상기 자가발전부(1070)에서 발생시키는 마찰 전기가 전기적으로 연결된 상기 시추기컨트롤부(200)의 상기 에너지 수확부(230)에 저장되므로, 친환경 재생에너지로 상기 시추기컨트롤부(200) 및 더 나아가 시추기(100)의 전자회로의 전기에너지로 재활용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 시추기
200: 시추기 제어부
300: 데이터베이스
400: 서버
200: 시추기 제어부
300: 데이터베이스
400: 서버
Claims (3)
- 시추로드(110)의 길이방향을 따라 승강되는 헤드부(120)와 상기 헤드부(120)에 설치되며 상기 시추로드(110)와 연결되는 구동축의 회전수와 회전토크 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 검출하는 구동축정보검출부(121), 상기 시추로드(110)가 시추 작업 중 하강하는 상기 헤드부(120)의 이동속도 및 승강반복회전수를 검출하여 시추깊이를 산출하기 위한 헤드부좌표검출부(123)를 포함하는 시추기(100);
상기 구동축정보검출부(121), 헤드부좌표검출부(123)로부터 검출된 신호를 수신하여 상기 시추기(100)를 제어하는 제어부(210)와, 검출된 정보를 서버(400)에 전송하는 통신부(220) 및 상기 시추기(100)가 시추하는 과정에서 발생하는 진동을 흡수하면서 발생하는 마찰 전기를 수확하여 상기 시추기(100)를 제어하기 위한 전자회로에서 재활용하기 위한 에너지 수확부(230)를 포함하는 시추기컨트롤부(200);
지반 종류별 상기 시추로드(110)에 대한 구동조건에 대한 기준 데이터 및 해당 지역에 대한 상기 시추로드(110)의 깊이에 따른 기본적인 지반 종류에 대한 데이터를 포함하는 데이터베이스(300); 및
상기 시추기컨트롤부(200)로부터 통신망을 통해 수신된 지반 정보를 상기 데이터베이스(300)에 저장하거나, 상기 시추기(100)가 지반조사를 하기 위해 시추하고자 하는 해당 지역에 대한 지반 정보를 상기 데이터베이스(300)에서 검색하여 상기 시추기컨트롤부(200)에 송신하는 서버(400);
를 포함하고,
상기 서버(400)는,
상기 시추기(100)로부터 취득한 지반 정보와 관련된 해당 지역의 3차원 지형 정보와, 국토지반정보 통합DB센터 사이트(http://www.geoinfo.or.kr)에서 제공되는 지반정보통합DB 시스템으로부터 취득한 해당 지역의 3차원 지반 정보에 기반하여 실제 지형 BIM 데이터를 생성하는 실제 지형 BIM 데이터 생성부(410);
상기 실제 지형 BIM 데이터에 기반하여 지반조사 예정 지형의 BIM 데이터를 분석하는, 지반조사 비용 예상산출부(420);
조사지형의 3차원 지반좌표에 기반한 지형 정보를 이용하여 조사대상 지형 BIM 데이터를 생성하고, 상기 조사대상 지형 BIM 데이터와 상기 실제 지형 BIM 데이터를 비교하여 지반조사 공정에 대한 진행 상황을 체크하는, 지반조사 공정 확인부(130); 및
상기 시추기(100)로부터 획득된 지반에 대한 종류, 상태에 대한 정보를 이용하여 지반 상태 정보를 생성하고, 상기 지반 상태 정보를 포함하여 조사대상인 조사 지반 BIM 데이터를 생성하는, 조사 지반 BIM 데이터 생성부(440);
를 포함하고,
상기 지반조사 비용 예상산출부(420)는,
실제 지형과 지반조사 예정 지형을 비교하여 지반조사 예정 비용을 산출하는, 지반조사 예정 비용 산정부(421);
상기 실제 지형 BIM 데이터를 이용하여 디지털트윈 방식으로 가상 지반조사 비용을 산출하는, 디지털트윈 지반조사 예정 산정부(422); 및
상기 지반조사 예정 비용과 상기 가상 지반조사 비용을 비교하는 지반조사 실비용 예측부(423);
를 포함하고,
상기 시추기(100) 하단에 위치하여 상기 시추기(100)를 지지하며, 상기 시추기(100)의 시추과정에서 발생하는 진동을 흡수하며, 이때 발생하는 마찰 전기로 자가 발전하여 에너지를 수확할 수 있는 진동흡수발전부(1000)를 더 포함하고,
상기 진동흡수발전부(1000)는,
상기 시추기(100) 하부에서 상기 시추기(100)의 지지하며 상기 시추기(100)의 종축방향의 진동을 흡수하기 위해 'ㄷ' 형상을 가지는 서포트(1010);
상기 서포트(1010) 하부를 지지하며, 상측에서 상기 서포트(1010)와 볼트 결합되고, 내부에 스프링(1040)을 포함하기 위한 공간을 구비하고, 일단은 상기 스프링(1040)이 고정되기 위해 막혔고, 타단은 상기 스프링(1040)이 통과할 수 있도록 열려 'Π' 형상의 단면을 가지고, 상측이 하방으로 수직으로 길게 연장되는 부분의 폭보다 길게 형성되는 는 실린더(1020);
상기 실린더(1020) 상측에서 상기 서포트(1010)를 결합하는 적어도 하나 이상의 볼트(1030);
상기 실린더(1020) 내부에 포함되고, 상기 스프링(1040)의 일단이 상기 실린더(1020)에서 막혀있는 부분에 고정되어, 베이스 프레임(1050) 사이에서 상기 서포트(1010)의 수직 상하 운동에서 완충 작용을 하는, 스프링(1040);
상기 스프링(1040)의 타단이 고정되고, 상기 스프링(1040)과 완충부재(1060)를 포함하도록, 단면이 'ㅛ '자 형상을 가지는 원통형상의 베이스 프레임(1050);
상기 실린더(1020)의 상측이 하강할 때, 상기 실린더(1020)의 상측과 상기 베이스 프레임(1050) 사이에서 눌려져 압축되면서 하강 속도를 완충시키고, 중앙부위에 상기 스프링(1040)이 관통되도록, 원통형상을 가지는 완충부재(1060); 및
상기 실린더(1020)의 외부표면에 부착되어 상기 스프링(1040)이 상하 운동할 때, 상기 완충부재(1060)의 표면과 마찰작용을 일으켜 마찰 전기를 발생시키기 위해 맥신(MXene) 소재로 이루어진 자가발전부(1070);
를 포함하며,
상기 자가발전부(1070)에서 발생시키는 마찰 전기가 전기적으로 연결된 상기 시추기컨트롤부(200)의 상기 에너지 수확부(230)에 저장되는 것을 특징으로 하는, 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템(1). - 삭제
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| KR1020230177140A KR102656648B1 (ko) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템 |
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| KR1020230177140A KR102656648B1 (ko) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템 |
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| KR1020230177140A KR102656648B1 (ko) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 지반 좌표 기반의 지반 관리 시스템 |
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Citations (7)
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2023
- 2023-12-07 KR KR1020230177140A patent/KR102656648B1/ko active IP Right Grant
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