KR200354452Y1

KR200354452Y1 - 이동 과도하중의 측정 및 판별 장치

Info

Publication number: KR200354452Y1
Application number: KR20-2004-0006645U
Authority: KR
Inventors: 양경택; 최병은
Original assignee: 지에스씨개발엔지니어링(주); 양경택
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2004-06-25

Abstract

본 고안은 교량 등과 같은 구조물을 통과하는 과적차량의 단속 및 교량의 유지관리를 위한 이동과도하중의 측정 및 판단장치에 관한 것으로, 실시간으로 주행차량의 축하중 및 전체하중을 규명할 수 있어 주행 중인 차량을 정지시키지 않고 과적차량을 단속할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

상기 목적을 위하여 본 고안에서는, 교량 위를 통행중인 차량의 과적차량여부를 단속하는 장치에 있어서, 주행차량의 진입시간 및 속력을 측정하는 초음파센서(200);와 교량의 동적 응답을 측정하는 교량변위측정계(300);와 상기 측정된 응답을 디지털 데이타로 변환하는 A/D변환부(400);와 교량의 해석적 모델과 측정된 변위응답으로부터 이동하중 규명 알고리듬을 이용하여 주행차량의 하중을 실시간으로 구하는 동시에 상기 규명된 하중을 허용통과하중과 비교하여 차량의 허용여부를 판단하는 중앙제어부(500)와 상기 중앙제어부의 판단에 따라 동작하여 과적차량의 번호판을 촬영하는 카메라(600)가 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

이동 과도하중의 측정 및 판별 장치{An apparatus for measuring and supervising of an moving overload}

본 고안은 교량의 동적 응답을 이용하여 교량 위를 주행 중인 차량의 하중을 실시간으로 규명하는 방법 및 장치에 대한 것으로, 더 상세하게는 대상교량의 해석적 모델과 측정된 변위응답을 이용하여 주행차량의 하중을 실시간으로 규명하고 단속하는 기법으로서, 교량의 유지관리를 위한 과적차량 단속시스템을 자동화 할 수 있도록 한 것이다.

현재 교량의 유지관리를 위하여 많은 교량의 진입로에 정적 하중계를 설치하고 주행중인 차량을 정지시킨 상태에서 차량의 축하중을 측정하는 방식으로 과적차량을 단속하고 있는 실정이다. 이는 주행중인 모든 대형차량을 정지시키고 검사하여야 하는 모순이 있을 뿐 아니라 대형차량을 정지시키는데 수반되는 위험성, 교통 흐름의 차단 및 차량의 축하중 측정 시 소요되는 시간과 작업량을 고려한다면 경제적인 측면에서도 매우 비효율적인 방법이다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여는 본 고안에서는 차량을 정지시키지 않은 상태에서 주행중인 차량의 축하중 및 총하중을 실시간으로 규명하고 이를 허용치와 비교하여 단속여부를 판단하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 교량의 유지관리를 위하여 과적차량의 단속을 효과적으로 실시할 수 있는 방법으로서 교량에 가해지는 동적변위를 측정하기 위해 센서를 설치하기 용이한 지점에서의 변위측정으로부터 교량의 해석적 모델을 이용하여 주행차량으로 인한 하중을 실시간으로 규명하고 단속하는 방법을 제안하는 것이다.

도 1은 주행차량하중 규명 및 과적차량단속 방법의 흐름도

도 2는 주행차량의 축하중 예시도

도 3은 자동화된 과적차량 단속 장치의 예시도

도 4는 차량하중 규명 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 교량 200 : 초음파센서

300 : 변위계 400 : A/D변환계

500 : 중앙제어부 600 : CCC카메라

S100 : 모델수립단계 S200 : 차량측정단계

S300 : 교량변위측정단계 S400 : 데이타변환단계

S500 : 하중연산단계 S600 : 판별단계

S700 : 촬영단계

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 고안에서는 교량 위를 통행중인 차량의 과적차량여부를 단속하는 장치에 있어서, 초음파센서에 의한 주행차량의 진입시간 및 속력을 측정하는 차량측정센서부(200);와 교량의 동적 응답을 측정하는 교량변위측정계(300);와 상기 측정된 응답을 디지털 데이타로 변환하는 A/D변환부(400);와 교량의 해석적 모델과 측정된 변위응답으로부터 이동하중 규명 알고리듬을 이용하여 주행차량의 하중을 실시간으로 구하는 동시에 상기 규명된 하중을 허용통과하중과 비교하여 차량의 허용여부를 판단하는 중앙제어부(500)와 상기 중앙제어부의 판단에 따라 동작하여 과적차량의 번호판을 촬영하는 카메라(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 과적차량단속을 위한 자동화장치가 제공된다.

이하, 본 고안의 과적차량 단속을 위한 자동화된 방법, 장치의 구성 및 그 작동 원리를 첨부한 바람직한 실시예의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 주행하중에 의한 교량의 응답을 추정하기 위한 원리를 설명한다. 도 2와 같이 교량 위를N _P 개의 축하중P _l (t) (l=1, 2, . , N _P )을 지닌 차량이 속도v(t)로 주행할 때 교량에는 동적변위가 발생하게 된다. 교량을 등가강성을 지닌 보 구조물로 모델링하고, 전단 변형과 회전 강성을 무시한 경우 교량의 변위w(y,t)에 대한 운동 방정식은 식(1)과 같이 다이렉트 델타함수(Direct delta function)을 사용하여 표시할 수 있다.

(1)

여기서 m은 교량의 단위길이당 질량이고 c는 감쇠계수이고y' _ㅣ (t)는l번째 축하중의 위치를 나타낸다.

식(1)의 편미분방정식을 풀어 교량의 동적변위w(y,t)를 구하기 위해 정규화된 모우드와 일반화된 좌표계로 해를 가정하면 식(2)와 같다.

(2)

여기서 Φ_r(y)는 사인함수 형태의 정규화된 r번째 모우드이고 η_r(t)는 일반화된 좌표계이다.

식(2)를 식(1)에 대입하고 경계조건을 고려하여 영에서 교량의 길이까지 적분을 수행하고 모우드 형상의 직교성 (orthogonality)을 고려하면 식(3)과 같이 각 모드별로 분리된 미분방정식을 구할 수 있다.

,r = 1, 2,,..(3)

여기서 ξ_r과 ω_r은 각기 r번째의 모우드댐핑과 고유진동수를 나타내며 M _r 은 r번째 모드의 모우드질량(modal mass)으로 식(4)와 같이 표현된다.

(4)

도 2에서 임의의 시간 t에 교량의 위치 y에서의 동적 변위인w(y,t)를 구하기 위하여 식(3)으로부터 각 모우드 좌표계별로 해를 구한 뒤, 이를 식(2)에 대입하면 그 결과 식은 식(5)와 같이 표시할 수 있다.

(5)

여기서h _r 은 r번째 모우드의 충격응답함수(impulse response function)로 식(6)과 같이 표현된다.

(6)

(7)

도 3과 같이 주행중인 차량이 전륜과 후륜의 2개의 차축(axle)만이 있는 경우에는N _p 가 2가 되며 서로l만큼 떨어져 있는 전륜하중P ₁ (t)과 후륜하중P ₂ (t)에 의한 교량의 변위는 식(5)로부터 식(8)과 같이 표현할 수 있다.

(8)

여기서

,t ₀ = v/l

다음은 주행하중의 크기를 규명할 수 있는 알고리듬에 대해 설명한다.

식(5)와 같이 표시되는 측정된 변위응답을 이용하여 주행차량의 하중을 규명하기 위하여 최소자승법에 근거한 시스템규명 기법을 도입하였다. 이는 도 3과 같이 교량에 설치된 변위계에서 측정된 변위인w(y, t)로부터N _p 개의 축하중P _l 을 규명하는 작업으로 변위계로 측정된 교량의 동적변위와 미지의 변수인 주행차량 축하중의 크기를 선형식으로 표현하면 식(9)와 같이 표현할 수 있다.

(9)

여기서

한편 도 3과 같이 교량의 중앙부근 위치(y = Y)에 설치된 변위계의 측정신호를 Δt간격으로 샘플링한 뒤, 총N _D 개의 데이터에 대해 식(9)를 정리하면 식(10)과 같이 표현할 수 있다.

(10)

여기서

,

식(10)으로부터 주행 차량하중의 크기를 규명하면 식(11)과 같이 일반화된 역행렬의 형식으로 주행차량 각 축별로 하중의 크기를 실시간으로 규명할 수 있으며,

(11)

식 (12)와 같이 규명된 각 축의 하중을 모두 더하여 대상교량의 허용통과 하중과 비교하여 차량의 하중이 더 클 경우에는 중앙제어부(500)에서 CCD 카메라에 신호를 보내어 주행차량의 번호판을 촬영하고 촬영된 영상 데이터를 보관한다.

(12)

도 3은 본 고안에 따른 과적단속을 위한 자동측정장치에 대한 구성을 도시한 것이다. 먼저 교량(100)위를 차량이 진입할 때 교량진입지점에 설치된 초음파센서를 이용하여 진입속도를 측정하고 그 순간의 시간을 기억한다. 본 고안에서는 초음파센서로 진입속도를 측정하는 과정을 기술하고 있으나 상기 진입속도의 측정방법으로는 광학센서를 비롯한 기타 이동하는 물체의 속도를 측정할 수 있는 센서이면 족하다. 한편 과적차량이 교량위를 이동함에 따라 교량은 진동을 하게 되며 이러한 진동은 교량변위측정계(300)를 이용하여 변위의 형태로 측정된다. 상기 측정된 변위진동은 증폭기를 거쳐 A/D변환부(400)에서 디지털 데이타로 변환된다. 한편 중앙제어부(500)에서는 상술한 바와 같이 교량의 해석적 모델과 측정된 변위응답으로부터 이동하중 규명 알고리듬을 이용하여 주행차량의 하중을 실시간으로 구하게 된다. 또한 상기 규명된 하중을 허용통과하중과 비교하여 차량의 허용여부를 중앙제어부(500)에서 판단하며 그 지시에 따라 CC카메라(600)이 동작하여 과적차량의 번호판을 촬영하게 된다.

본 고안에서 제시된 주행차량의 하중규명장치를 검증하기 위하여 교량의 경우와 같이 이동하중을 받는 보에 대하여 동적변위 데이타를 이용하여 차량의 축하중을 규명하였으며 전체적인 흐름도를 도 1에 도시하였다.

도 4와 같이 단순 지지보 위를 두 개의 축하중P ₁ (=100N), P ₂ (=70N)가 등속도v(=1m/sec)로 이동할 때 보는 이동하중에 의한 동적변위가 발생하게 된다. 보에 대한 제원은 다음 표와 같다. 즉 보의 길이는 4 m이고 하중사이의 길이는 0.4 m로 가정하였다.

	L	EI	M	l	P₁	P₂
크기	4 m	410 Nm	0.78kg/m	0.4 m	100 N	70 N

유한요소법으로 구한 보의 중앙점의 변위응답을 측정치로 하여 두 개의 이동하중을 규명하였으며 해석에 사용된 보의 제원은 도 4와 같고 각 모우드의 감쇠는 2%로 하였다.

유한요소법으로 보의 변위응답을 구할 경우, 변위응답 신호의 표본화시간(Δt)은초로 하였고 이동 하중이 보위에 존재하는 시간 (0≤ t ≤4.4)에 대하여 88개의 이산데이타를 취하였다. 표본화시간을 더욱 작게 하여 더욱 많은 데이터를 취할 수도 있으나 일반적으로 상용화되는 변위계의 주파수특성은 10Hz이하에서 선형성을 보이고 있으며 또한 제시된 방법을 실시간으로 처리하는 장치를 효과적으로 구성하기 위하여는 행렬의 크기를 작게 하여 연산시간을 줄일 필요성이 있기 때문이다. 식(9)로부터 88개의 변위응답 데이타와 보의 충격응답함수를 이용하여 식(10)을 구성하면 다음과 같다.

W = A P

여기서 W는 (88x1)의 변위응답벡터이고 A는 (88x2)의 시스템행렬이며 P는(2x1) 두 개의 이동하중에 대한 미지값이다. 식(11)을 이용하여 최소자승법으로 미지의 하중을 구하면 다음과 같이 두 개의 이동하중의 크기를 정확히 구할 수 있다.

즉, 이와 같이 구한 실시간 통과하중이 허용하중을 넘는 경우 CCD카메라를 이용하여 해당 차량을 촬영하게 된다.

상술한 바와 같은 본 고안의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 고안의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 물론이다. 그러므로 본 고안의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 실용신안 등록청구범위 뿐만 아니라 이 실용신안등록청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서와 같이 본 고안의 이동과적차량 자동검출장치에서는 교량을 통과하는 과적차량 단속시스템의 자동화를 목적으로 교량의 동적변위 측정데이타와 교량의 해석적모델을 이용하여 주행차량의 하중을 규명하고 허용통과하중과 비교한 뒤, CCD카메라를 이용한 이동과도하중의 측정 및 판단 장치를 제시하였다.

교량의 유지관리 및 안전성확보를 위하여 과적차량 단속을 실시할 때, 기존의 방법은 주행차량을 정지시키고 하중계를 이용한 수작업으로 각 축의 하중을 측정하여야 하므로 작업시간이 길어질 뿐더러 계량을 위한 공간마련의 어려움, 작업인력 상주 및 교통의 흐름의 방해 등 많은 문제점을 야기 시키고 있으나 본 고안에 따른 장치를 적용하면 주행차량을 정지시키지 않고 과적차량을 자동화 된 장치로 색출할 수 있으므로 기존의 장치 및 수단에 비하여 작업시간 단축 및 인건비절감 효과 등 경제적으로도 뛰어난 효과를 제공한다.

Claims

교량 위를 통행중인 차량의 과적차량여부를 단속하는 장치에 있어서,

주행차량의 진입시간 및 속력을 측정하는 초음파센서(200);와 교량의 동적 응답을 측정하는 교량변위측정계(300);와 상기 측정된 응답을 디지털 데이타로 변환하는 A/D변환부(400);와 교량의 해석적 모델과 측정된 변위응답으로부터 이동하중 규명 알고리듬을 이용하여 주행차량의 하중을 실시간으로 구하는 동시에 상기 규명된 하중을 허용통과하중과 비교하여 차량의 허용여부를 판단하는 중앙제어부(500)와 상기 중앙제어부의 판단에 따라 동작하여 과적차량의 번호판을 촬영하는 카메라(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 이동과도하중의 측정 및 판단장치