KR20040102243A - 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템 - Google Patents

스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20040102243A
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Abstract

본 발명은 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물의 모니터링 기술에 사용되는 센서에 스마트 기술을 적용하여 계측기 자체의 계측 기능에 돌발상황의 문제를 보완할 수 있도록 자체 조정기능과 위급상황에서의 데이터 손실을 방지하기 위한 소형저장장치 및 CPU와 전원 보존기능을 구비하고, 무선자가획득계측이 가능하며, 또한 계측된 데이터가 기간 시설물의 구조적 특성에 적절하게 데이터를 분석하고 평가하여 구조물의 손상 또는 외부의 환경의 영향으로부터 구조물 자신을 보호하고 어떤 위급상황에 능동적인 대처를 하여 피해를 최소화하고 인간의 생명을 안전하게 보전하는 구조물 모니터링 시스템으로서 기존의 기간시설물의 모니터링시스템, 즉 시설물의 상태평가모니터링보다는 발전된 모니터링 시스템이다.
또한, 본 발명은 구조물의 안전과 생명의 보호는 물론이고, 설치가 간편하고, 조작이 쉬워서 초급수준의 전문가도 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.

Description

스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템{Monitoring system of infrastructure using smart measurement system}
본 발명은 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물의 모니터링 기술에 사용되는 센서에 스마트 기술을 적용하여 계측기 자체의 계측 기능에 돌발상황의 문제를 보완할 수 있도록 자체 조정기능과 위급상황에서의 데이터 손실을 방지하기 위한 소형저장장치 및 CPU와 전원 보존기능을 구비하고, 무선자가획득계측이 가능하며, 또한 계측된 데이터가 기간 시설물의 구조적 특성에 적절하게 데이터를 분석하고 평가하여 구조물의 손상 또는 외부의 환경의 영향으로부터 구조물 자신을 보호하고 어떤 위급상황에 능동적인 대처를 하여 피해를 최소화하고 인간의 생명을 안전하게 보전하는 구조물 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 건설 구조물은 시간이 지남에 따라 발생하게 되는 노후화나, 바람, 지진, 차량 등과 같이 시간에 따라 불특정하게 발생되는 하중을 받게 되고, 구조물의 거동 역시 시간 및 작용하는 하중에 따라 변화하게 된다.
하지만, 구조물의 상태가 일정하게 유지되면 구조물의 동적 거동 특성으로 나타나는 대상 구조물의 고유 진동수와 감쇠계수, 모드 형상 등은 일정하게 유지되고, 이러한 구조물을 원형 구조물(Integrity Structure)이라고 한다.
그러나, 노후화나 기타의 손상은 구조물의 특성을 반영하는 질량, 강성 등의 요소에 변화를 나타나게 하고, 이러한 변화는 원형 구조물의 동적 특성치의 변화를 야기 시킨다.
따라서, 구조물의 동적 특성을 상시로 모니터링할 수 있는 시스템이 구축된다면, 실시간으로 구조물의 상태를 평가하고, 안전성을 확보할 수 있게 된다.
이러한 점에서, 상기 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있다.
다시 말해서, 모니터링 기술은 건물, 교량 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단함으로써 구조물의 안전성을 극대화하고, 구조물의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술이다.
모니터링 기술에 사용되는 센서로 경사계, 가속도계 및 변위계는 신뢰성 있고 반영구적인 것으로 통상적인 구조물에 부착 가능한 것이며, 또한 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항 값이 변화하는 압력저항효과를 이용하는 것으로 구조물의 실응력을 측정하는데 사용하는 것이다.
상기와 같은 센서들을 이용한 교량의 안전진단은 유사시 발생할 수 있는 교량구조물의 붕괴에 대비하여 교량의 현장계측자료를 실시간으로 직접 받아서 유선으로 접속된 자료분석장치에 기록하고, 교량관리통제소의 교량관리자가 이렇게 기록된 자료를 토대로 교량의 안전상태를 점검함으로써 사전에 교량의 안전상태를 판단할 수 있다.
따라서, 이러한 교량안전진단 시스템을 이용하여 감시 모니터링 함으로써 안전이 우려되는 교량에 대해서는 교통량을 통제하는 등 각각의 상황에 맞는 대책을 세움으로써 인명사고의 발생등과 같은 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
그러나, 종래의 교량안전진단 시스템은 교량에 부착된 다수의 센서들로부터 계측된 신호를 근거리 통신망 또는 도로공사에서 제공하는 전용회선이나, 통신회사의 일반공용회선과 같은 유선을 통하여 자료분석장치를 접속함으로써, 거리의 제한과 유선으로 접속해야 하는 문제점이 있으며, 무선모뎀을 사용하는 경우 제한된 주파수 대역에서만 사용하는 거리상의 제한이 따르며, 기타 부수적인 장비들이 필요하기 때문에 많은 경비가 소요되는 문제점이 있었고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 기술개발이 여러가지 방법으로 활발히 진행되고 있다.
그 일례로서, 대한민국공개특허공보 2001-0095786호(2001.11.07)에는 "지피에스와 인터넷을 이용한 대형구조물의 실시간안전진단 장치"가 공개되어 있는데, 이는 위성으로부터 송신되는 위치정보신호를 제 1 위성안테나를 통해 수신하는 제 1 수신기와, 상기 제 1 수신기를 통해 수신된 위치정보로서 X축, Y축, Z축 기준좌표를 각각 검출하는 제 1 X축, Y축, Z축 좌표 검출부와, 상기 제 X축, Y축, Z축 좌표 검출부에서 검출된 기준좌표를 변위좌표 측정수단으로 무선 전송하는 제 1 무선모뎀으로 구성되고, 육지와 같은 위치좌표가 불변하는 장소에 설치되는 기준좌표 설정수단과; 위성으로부터 송신되는 위치정보신호를 제 2 위성 안테나를 통해 수신하는 제 2 수신기와 상기 제 2 수신기를 통해 수신된 위치정보로서 상화에 따라 변화되는 구조물의 X축, Y축, Z축 좌표를 검출하는 제 2 X축, Y축, Z축 좌표검출부와, 제 1 무선모뎀으로부터 X축, Y축, Z축 기준좌표를 공급받는 제 2 무선모뎀과, X축, Y축, Z축에 대한 기준좌표와 제 2 X축, Y축, Z축 좌표검출부에서 검출되는 구조물의 X축, Y축, Z축 좌표를 비교하여 바람이나 진동에 따라 변화되는 구조물의 X축, Y축, Z축 변위좌표를 연산 출력하는 변위좌표 연산부와, 상기 변위좌표 연산부에서 출력된 변위좌표를 인터넷을 통해 진단정보 제공수단으로 전송하는 제 1 통신수단으로 구성되고, 안전진단 대상이 되는 구조물에 설치되는 변위좌표 측정수단과; 상기 변위좌표 측정수단으로부터 제공되는 구조물의 X축, Y축, Z축 변위량을 수신하여 그 변위량을 실시간으로 그래프화하여 인터넷 접속자에게 제공하는 진단정보 제공수단으로 구성되어 있다.
다른 일례로서, 대한민국공개특허공보 2000-0002510호(2000.01.15))에는 "교량 원격안전진단 시스템"이 공개되어 있는데, 이는 교량의 현장계측자료를 센서로 수집하여 안전관리를 수행하는 교량 원격안전진단 시스템에 있어서, 상기 교량의 상태에 관한 정보를 수집하여 원격지의 통제소로 무선방식으로 송신하는 자국장치와; 상기 통제소에 배치되어 상기 자국장치로부터 상기 정보를 수신하는 모국장치를 포함하고; 상기 자국장치는 상기 정보를 수집하기 위한 센서들과, 초기에 설정된 상기 센서들의 초기값과 상기 센서들로부터 수신된 각각의 데이터 값을 비교하여 초기값 이상이거나 상기 모국장치로부터 현재 교량상태에 관한 정보요청시 상기 교량에 관한 상기 정보를 상기 모국장치로 송신할 수 있도록 제어하는 제1제어장치와, 상기 제1제어장치로부터 입력된 상기 정보를 상기 모국장치로 송신하고 상기 모국장치로부터 입력된 제어정보를 수신하여 상기 제1제어장치로 전송하는 제1송수신장치 및 상기 제1제어장치에 전원을 공급하는 전원공급장치를 구비하며; 상기 모국장치는 상기 자국장치의 상기 정보를 수신하고 상기 모국장치에 제어정보를 송신하며 상기 자국장치의 정보에 따라 해당관리자에게 교량상태를 통보하는 제1송수신장치와, 상기 제2송수신장치를 통해 현재 교량에 관한 제어정보를 상기 자국장치에 요청하고 상기 제2송수신장치를 통해 전송된 상기 자국장치의 정보를 분석하여 분석결과에 따라 해당관리자에게 교량상태를 통보할 수 있도록 제어하는 제2제어장치를 구비하고 있다.
다른 일례로서, 대한민국공개특허공보 2002-0000572호(2002.01.05)에는 "유무선통신 시스템을 통한 부식과 방식상태의 원격 점검 및 제어 시스템"이 공개되어 있는데, 이는 장식점검장치와, 주 통제시스템과, 데이터전송 시스템을 통해서 금속구조물의 부식 및 방식상태를 점검하고 제어하는 방식상태 점검 및 제어 시스템에 있어서, 상기 방식점검장치는 기준전극과 방식대상구조물의 금속체와의 전위차를 검출하는 검출수단과, 상기 검출한 전위데이터를 저장하는 데이터 저장부와, 주 통제시스템으로부터의 제어신호에 따라 그 출력값을 조절하여 금속체의 방식을 제어하는 DC 정류기와, 상기 데이터 저장부의 데이터 저장 및 독출을 제어하고 상기 DC정류기의 출력값을 제어하는 제어장치와, 전위데이터 신호를 상기 주 통제시스템으로 전송하고 상기 주 통제시스템으로부터의 제어신호를 수신하기 위한 송수신 장치를 포함하며; 상기 주 통제시스템은 상기 방식점검장치로부터 입수되는 부식 및 방식점검 데이터와 설정된 기준값과 비교 판단하여 부식 및 방식상태를 자동으로 평가하고 그에 따른 방식 제어값을 산출하는 하나 이상의 방식처리 응용프로그램들과, 상기 방식점검장치로부터 입수되는 데이터 및 그 처리 결과 데이터를 저장하는 데이터 저장 수단과, 상기 데이터 저장수단의 데이터를 저장 및 독출하거나 상기 방식처리 응용프로그램의 작동을 제어하는 중앙처리수단과, 상기 방식처리 응용프로그램의 부식 및 방식상태 판단에 따라 상기 DC 정류기의 방식저위를 조절하는 정류기 출력값 조절부를 포함하며; 상기 데이터전송 시스템은 유무선 통신망을 통해서 상기 방식측정장치와 상기 주 통제시스템간의 방식점검데이터 및 제어데이터를 전송하도록 되어 있다.
다른 일례로서, 대한민국공개특허공보 2001-0086762호(2001.0915)에는 "교량 상태진단을 위한 자동 계측시스템"이 공개되어 있는데, 이는 정적 변형율계와 무응력계, 변위차계, 경사계, 지점 변위계 등의 각 정적 센서들이 스위치 박스 또는 멀티플렉스와 스테이틱 데이터 로거를 통해 광 전송장치에 연결되고, 가속도계와 동적 변형율계, 풍향풍속계 등의 각 동적 센서들이 다이나믹 데이터 로거에 연결된 후 상기 광 전송장치에 연결되고; 상기 각 센서들에 의해 계측되는 측정신호를 실시간으로 전송할 수 있도록 상기 교량의 광 전송장치와 원격지 중앙운영센터의 광 전송장치가 전용 광 케이블로 연결되며; 상기 교량에 설치된 다수개의 센서들의 측정신호가 교량의 거동을 분석하는 원격지 중앙운영센터의 모니터링 컴퓨터에 제공되도록 상기 원격지 중앙운영센터의 광 전송장치가 상기 원격지 중앙운영센터의 모니터링 컴퓨터에 연결되어 있다.
그러나, 상기와 같은 모니터링 시스템의 건전도 평가 기준이 되는 동적 특성치는 일반적으로 모달 실험에 의해 분석된다.
상기 모달 실험은 구조물에 입력된 신호(Input signal)와 구조물로부터 계측된 응답신호(Response signal)간의 고속퓨리에변환(Fast Fourier Transform ; FFT)을 통해 획득한 주파수응답함수를 획득하기 위해 수행된다.
하지만, 차량과 바랑 등에 의해 가진되는 실구조물의 입력 신호를 측정하는 것은 매우 어렵고 복잡한 일이다.
또한, 상기와 같은 기술들은 유선이나, 유무선 혼합으로 구성되어 있어 시스템구성을 구성하는데 있어 불편함 및 유지/보수하는데 많은 비용과 인력을 소요시키는 문제점이 있으며, 무엇보다도 유선상의 와류 및 전자기적인 간섭 등으로 인한 데이터의 왜곡 및 변질을 피할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 기술들은 실시간 모니터링 시스템이기 보다는 복잡한 FE해석을 병행하거나 구조물의 모달 실험을 위하여 가진입력신호를 필요로 했고, 일종의 반자동-반실시간 모니터링 시스템으로 구조물로부터 응답신호계측과 계측된 신호의 해석을 위하여 상당한 시간을 필요로 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물의 모니터링 기술에 사용되는 센서에 스마트 기술을 적용하여 무선자가획득계측이 가능하도록 설계제작하고, 계측기 자체의 계측 기능에 돌발상황의 문제를 보완할 수 있도록 자체 조정기능과 위급상황에서의 데이터 손실을 방지하기 위한 소형저장장치 및 전원 보존기능을 구비시키고, 계측기 자체의 스마트화를 위하여 일대 다중 무선 네트워크 시스템이 되도록 설계하고, DSP(Digital Signal Processing)를 하드웨어(Hardware)적인 방법과 소프트웨어(Software)적인 방법으로 병행하게 함으로써 시스템의 능동적인 대처와 결정 및 제어할 수 있는 스마트 무선계측시스템을 구성하고, 스마트한 구조물시스템을 위해서 실시간으로 지속적인 데이터를 최소의 비용에 의해 계측하기 위하여 주변가진(Ambient Vibration)을 이용, 이들 데이터로부터 구조물의 안정성을 평가하여, 돌발 상황에서 기간구조물을 안전하게 대처할 수 있는 능동적인 제어시스템이 포함된 구조물 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템의 적용예
도 2는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 스마트 센서 시스템의 구성을 도시한 구성도
도 3은 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, DAU(Data Acquisition Unit)의 구성을 도시한 구성도
도 4는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 구조물 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도
도 5는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 스마트 구조물 제어시스템의 구성을 도시한 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 스마트 센서 시스템(3S) 3 : CPU
4 : 센서 5 : 전원장치
6 : ROM/RAM 7 : ADC
8,12 : RX/TX 9,11 : 안테나
10 : DAU 13 : EQ
14 : DSP 15 : MUX
20 : 구조물 모니터링 시스템 21 : 제어 및 감시장치
22 : 데이터 프로세싱 장치 23 : NExT 및 ERA
24 : 변형에너지손상 25 : 손상평가
30 : 구조물
본 발명은 교량이나 대형 건축물과 같은 각 구조물의 계측자료를 수집하여 안전관리를 수행하는 모니터링 시스템에 있어서, 구조물의 진동 신호 등의 각 신호를 무선자가획득하여 신호의 양자화 과정을 거쳐 DAU에 송출하는 다수개의 스마트 센서 시스템과, 상기 다수개의 스마트 센서 시스템에서 송출한 신호를 일대다중의 방식으로 수신하여 필터링 및 DSP를 거쳐 다시 신호를 분할하여 구조물 모니터링시스템에 전달해주는 DAU로 이루어진 스마트 무선계측시스템과, 주변가진에 의한 구조물의 응답 신호를 측정하여 저장 및 분석하고 실시간으로 구조물의 상태를 평가하는 구조물 모니터링 시스템을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스마트 센서 시스템은 구조물에서 진동신호를 검출하기 위한 센서와, 그 센서에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 아날로그 디지털 변환기와, 전원의 공급 및 감시기능을 하는 전원장치와, 자신을 제어하고 스스로 계측상황을 결정하는 역할을 하는 CPU 및 메모리 장치인 ROM/RAM과, 디지털 신호를 무선으로 송출 및 스마트 센서 시스템의 제어 명령을 수신해주는 무선송수신장치와, 안테나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 DAU는 디지털 신호를 무선으로 송/수신해주는 무선송수신장치 및 안테나와, 외부의 잡음을 제거하기 위한 필터링 장치와, 고속퓨리에변환을 수행하는 DSP와, 여러 개의 채널 신호를 하나의 공통선으로 구조물 모니터링 시스템에 전달해주기 위한 다중화 장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물 모니터링 시스템은 스마트 센서 시스템에 제어명령 전송 및 스마트 센서 시스템의 상태를 알려주는 역할을 하는 스마트 센서 시스템 제어 및 감시장치와, 구조물의 손상평가를 실시하는 데이터 프로세싱 장치와, 손상평가에 따른 결과에 따라 구조물 안전에 대한 조치를 수행하는 구조물 제어시스템과, 모든 데이터가 저장되는 데이터 베이스 장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 프로세싱 장치의 프로세싱 과정은 NExT와 ERA를 이용해실시간 주변가진에 의한 구조물의 동적특성을 알고리즘에 의하여 계산하는 단계, 변형에너지손상 계산 알고리즘을 통해 변형에너지손상을 계산하는 단계, 에너지 소산률의 산정에 의해 구조물 손상평가를 실시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템의 적용예이고, 도 2는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 스마트 센서 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
또한, 도 3은 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, DAU(Data Acquisition Unit)의 구성을 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 구조물 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템으로서, 제어시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
첨부한 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템은 크게 스마트 센서 시스템(Smart Sensor System)(2) 및 DAU(10)로 이루어진 스마트 무선계측시스템과, 구조물 모니터링 시스템(20)으로 구성되어 있으며, 주변가진에 의한 구조물(30)의 응답 신호를 측정하여 구조물(30)의 특성 분석을 용이하게 할 수 있는 기술이다.
이때, 도 1의 3S는 스마트 센서 시스템을 지칭한다.
첨부한 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 스마트 센서 시스템(2)은 계측신호를 검출하여 신호의 양자화 과정을 거쳐 DAU(10)에 송출하는 역할을 하는 것으로서, 구조물(30)에서 진동신호를 검출하기 위한 센서(4)와, 센서(4)에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 해주는 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter ; ADC)(7)와, 전원의 공급 및 감시기능을 하는 전원장치(5)와, 스마트 센서 시스템(2)에 자신을 제어하고 스스로 계측상황을 결정하는 역할을 하는 CPU(3) 및 메모리 장치인 ROM/RAM(6)과, 디지털 신호를 무선으로 송출 및 스마트 센서 시스템(2)의 제어 명령을 수신해주는 무선송수신장치(RX/TX)(8)와, 안테나(9)로 구성되어 있다.
상기 CPU(3)는 ROM/RAM(6)에 내장된 프로그램에 의해 전원장치(5)의 감시 및 구조물 모니터링 시스템(20)의 스마트 센서 시스템(2) 제어 및 감시장치 명령에 의해 센서(4)의 자체 조정기능(Calibration)과 샘플링 타임(Sampling Time)의 제어기능을 수행하며, 스마트 센서 시스템(2)의 상태를 구조물 모니터링 시스템(20)에 주기적으로 알려주는 역할을 한다.
따라서, 상기 스마트 센서 시스템(2)은 센서(4)와 소형 CPU(3) 및 프로그램이 가능한 메모리 칩으로 구성된 시스템을 이용하여 자가획득무선계측을 가능하게 하며, 스마트 센서 시스템(2) 자신을 제어하고 스스로 계측상황을 결정하여 실시간으로 구조물 모니터링 시스템(20)을 스마트하게 한다.
이때, 상기 스마트 센서 시스템(2)에는 일반적인 기간 구조물(30)의 모니터링 시스템에서 사용하는 측정 주파수의 범위가 1~3000Hz인 센서(4)가 사용되었고,감도(Sensitivity)가 500mV/G인 가속도계(Accelerometer)가 사용되었으며, 아날로그 디지털 변환기로는 16bit 샘플링 ADC(7)가 사용되었다.
또한, 상기 스마트 센서 시스템(2)의 전원장치(5)의 주 전원으로는 태양 전지(Solar Battery)가 사용되었고, 부 전원으로는 리튬 이온 전지(Lithium ion Battery)를 사용하여 항상 계측이 가능하도록 구성되어 있다.
한편, 상기 무선송수신장치(8)로는 420MHz 대역 10mW 출력으로 무선통신에서 발생 가능성이 큰 인접한 주파수의 간섭으로 인한 데이터의 손상을 줄이기 위하여 대역확산방법(Spread Spectrum Method)을 이용한 CDMA 방식을 채택하여 데이터의 신뢰성을 높였고, 보다 안전한 일대 다중의 무선 통신시스템을 구성하였다.
첨부한 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 DAU(Data Acquisition Unit)(10)는 디지털 신호를 무선으로 송/수신해주는 무선송수신장치(RX/TX)(12) 및 안테나(11)와, 외부의 잡음을 제거하기 위한 필터링 장치(Equalizing Filter ; EQ)(13)와, 고속퓨리에변환(Fast Fourier Transform ; FFT)을 수행하는 DSP(Digital Signal Processing)(14)와, 여러 개의 채널 신호를 하나의 공통선으로 구조물 모니터링 시스템에 전달해주기 위한 다중화 장치(Multiplexing ; MUX)(15)로 구성되어 있고, 이때 상기 DAU(10)의 전원으로는 220V 상용전원이 사용된다.
따라서, 상기와 같이 구성된 DAU(10)는 여러 개의 스마트 센서 시스템(2)에서 송출한 신호를 일대 다중의 방식으로 수신하여 필터링 장치(13) 및 DSP(14)를 거쳐 다시 신호를 분할하여 구조물 모니터링 시스템(20)에 전달해주는 역할을 한다.
즉, 상기 스마트 무선계측시스템은 기존의 무선송수신시스템과는 달리 무선송수신시스템(8,12)을 일대 다중의 무선 송신으로 설계하고, 하드웨어적인 DSP(14)와 소프트웨어적인 DSP(14)가 적용된 장치로서, 10Km의 근거리 무선통신을 적은 전원으로도 가능하도록 전원장치(5)가 설계되었으며, 야전현장에서 사용되는 이유로 갑작스런 전력의 차단으로 인한 문제를 소형전원장치(5)를 태양 전지를 사용함으로써 방지할 수 있다.
또한, 어떠한 상황에서도 데이터의 손실을 방지하기 위하여 초소형 저장장치를 부착하여 일정기간의 데이터를 소급 송출할 수 있다.
한편, 시스템의 스마트화를 위해 ROM/RAM(6)을 포함한 소형 CPU(3)를 내장함으로써 계측기 자신의 판단과 제어가 가능하도록 하여 자체 교정 및 본체와의 교신에 자신의 의지가 담긴 계측 상황을 보고할 수 있다.
한편, 첨부한 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 구조물 모니터링 시스템(20)은 스마트 센서 시스템(2) 및 DAU(10)를 거쳐 송출된 데이터를 분석하여 스마트 센서 시스템(2)에 제어명령 전송 및 스마트 센서 시스템(2)의 상태를 알려주는 역할을 하는 스마트 센서 시스템 제어 및 감시장치(21)와, 데이터 프로세싱 장치(22)를 통해 구조물의 손상평가를 실시하고 긴급상황시 댐퍼(28) 및 액츄에이터(29)와 연결되어 능동적인 대처를 하게하는 구조물 제어시스템(26)과, 모든 데이터가 저장되는 데이터 베이스 장치(27)로 구성되어 있다.
즉, 상기 구조물 제어시스템(26)은 구조물 모니터링 시스템(20)에서 결정한 위급상황을 대처하는 제어시스템 장치로서, 구조물(30)의 진동제어 및 장력보정 등취약한 부분을 보강하여 구조물(30)을 안전하게 유지시키는 장치이다.
상기 DAU(10)에서 전송된 계측데이터는 구조물(30)의 손상평가를 위하여 데이터 프로세싱 과정을 거치게 되는 바, 그 첫번째로서 NExT(Natural Excitation Techniques)와 ERA(Eigensystem Realization Algorithm)(23)를 이용해 실시간 램덤 주변가진에 의한 구조물(30)의 동적특성을 알고리즘에 의하여 계산하게 된다.
그 다음의 데이터 프로세싱 과정으로 변형에너지손상 계산 알고리즘을 통해 변형에너지손상(24)을 계산하고, 마지막으로 구조물 손상평가 알고리즘을 통해 구조물의 손상평가(25)를 실시하게 된다.
상기 NExT(Natural Excitation Techniques)와 ERA(Eigensystem Realization Algorithm)(23)는 주변가진에 의한 구조물의 특성 분석 기법으로서, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
주변가진에 의한 구조물의 특성 분석 기법은 James 등에 의해 연구되었다. 그는 서로 다른 두점에서 측정된 Cross Correlation 함수(이하, CCF)들이 다음 식에서처럼 시스템의 자유진동을 갖는 운동방정식의 형태를 만족시킨다는 것을 제시하였다.
여기서 M, C, K는 시스템의 질량, 감쇠, 강성의 행렬이고, Rxxi는 CCF를 나타낸다. James와 Farra 등은 이 기법을 이용하여 교량의 동적인 특성 분석에 적용하였다. CCF는 Cross Power Spectrum(이하, CPS)과 다음 식과 같이 FFT 짝(Pair)으로 상관관계가 있다.
여기서 XAB는 이산 CPS 함수이고, n과 k는 이산 시간과 주파수를 나타낸다.
그러므로, 주파수 영역에서 측정한 CPS 함수를 역 FFT하여 CCF를 획득할 수 있고, 그 이후에는 시간영역에서 적용할 수 있는 분석 기법을 적용하여 구조물의 특성을 분석할 수 있다.
한편, 시간영역에서의 특성 분석기법은 다양하지만, ERA는 경감쇠의 구조물의 특성 분석에 적합하고, 다중입출력 모델에 효과적이다.
이 알고리즘은 구조물의 상태공간 모델의 출력 방정식으로부터 다음 식과 같은 r×s의 Hankel 행렬로 시작한다.
여기서, y(k)는 임펄스 응답행렬로, r과 s는 각각 Hankel 행렬의 행과 열의 수이다.
상기 식에서 적절한 크기의 행과 열을 선택하여 H(0)를 산출하고, 다음 식과 같이 분해(Singular value decomposition)를 Singular value 분해한다.
여기서, P, Q는 비특이행렬이고, D는 양의 대각행렬로, H(0)의 특이값이다.
특이값중 상대적으로 작은 것은 수치모드(역학적 의미가 없음), 혹은 잡음 모드가 제거된을 이용하여 시스템 행렬과 출력 행렬을 다음 식과 같이 얻는다.
여기서, ET= [I 0 . . . 0]이다.
따라서, 시스템의 고유 주파수는의 고유 값으로 획득하게 되고,의 고유 벡터를라고 하면, 구조물의 모드백터()는 다음 식과 같다.
따라서, 상기와 같이 NExT와 ERA를 이용해 실시간 램덤 주변가진에 의한 구조물(30)의 동적특성을 알고리즘에 의하여 계산하게 되고, 그 다음으로 변형에너지손상 계산 알고리즘을 통해 변형에너지손상을 계산하게 된다.
즉, 2차원 변형에너지 손상검출 이론은 Cornwell(1999)에 의해 유도된 판형의 변형에너지 손상검출법은 많은 수의 모드 형상(Mode Shape)을 필요로 하지 않으면서, 모드 벡터를 정규화하지 않아도 된다는 장점을 가지고 있다.
2차원 변형에너지 손상검출법은 손상 전과 후의 각각의 모드벡터를 이용하여 구조물의 동적 변형에너지를 계산하게 된다.
이 과정은 판형 구조물을 양방향으로 세분하여 미소영역으로 분할하고, 상기 그림과 같이 계측된 모드벡터()를 적합(Curve fitting)하여 특정세부영역 jk에 상관된 동적 변형에너지를 다음 식과 같이 얻을 수 있다.
여기서,는 jk의 세부영역에너지이고,는 i모드의 벡터이며,는 휨 강성으로 v는 재료의 포아송 비이다.
그리고, 구조물의 전체 변형에너지에 대한 미소 영역의 에너지를 비교하여 세부영역에너지를 계산하고, 각각 손상 전과 후에 계산된 세부영역에너지의 변화량을 서로 비교하여 손상지표를 계산하게 된다.
한편, 상기 구조물(30)의 손상평가(25)는 손상평가 알고리즘을 통해, 즉 에너지 소산률(Energy Dissipation Ratio : EDR)의 산정에 의해 계산 되는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
감쇠에 의해 소산되는 에너지 ED는 다음과 같다.
대부분의 구조물에서 손상은 균열에 의하여 발생하므로 질량의 변화는 없는 것으로 가정하고, 또한와은 손상에 따라 영향이 적다고 가정하고 구조물의 손상을 빠르게 찾아내기 위하여 구조물의 손상에 많은 영향을 미치는 고유진동수와 감쇠율을 고려한 손상평가지수를 구하기 위해, 소산에너지를 다음과 같이 단순화 시킬 수 있다.
여기서,
그리고, 다음과 같은 손상 전과 후의 에너지소산을 이용한 손상평가지수를 다음과 같이 제시한다.
여기서, *는 손상이 있는 경우를 의미한다.
따라서, 상기와 같이 구조물(30)의 손상평가(25)를 실시하여, 그 결과를 모니터에 알려주고 긴급상황시 구조물 제어시스템(26)을 통해 댐퍼(28) 및 액츄에이터(29)가 작동시키는 능동적인 대처로 안전을 도모할 수 있게 한다.
즉, 본 발명에 따른 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템은 교량이나 대형 건축물, 항만, 부두 등과 같은 각 구조물(30)을 유지 관리하는 방법으로서, 기존의 상태평가 모니터링 시스템의 한계를 극복하고 인간의 지능과 같은 기능을 갖도록 설계된 본 발명은 위급상황의 판단뿐만 아니라 사태를 판단후에 긴급대처를 능동적으로 할 수 있게 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트무선계측시스템과 스마트구조물시스템을 이용하면, 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물을 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 이에 따른 유지보수를 경제적으로 할 수 있고, 사회기간시설물의 안전성을 확보함으로써 건설분야의 신뢰회복 및 사회적 불안을 해소할 수 있으며, 계측시시템의 표준화를 이루어 사회의 직/간접적인 효과를 가져올 수 있다.

Claims (5)

  1. 교량이나 대형 건축물과 같은 각 구조물의 계측자료를 수집하여 안전관리를 수행하는 모니터링 시스템에 있어서,
    구조물의 진동 신호 등의 각 신호를 무선자가획득하여 신호의 양자화 과정을 거쳐 DAU에 송출하는 다수개의 스마트 센서 시스템과, 상기 다수개의 스마트 센서 시스템에서 송출한 신호를 일대다중의 방식으로 수신하여 필터링 및 DSP를 거쳐 다시 신호를 분할하여 구조물 모니터링 시스템에 전달해주는 DAU로 이루어진 스마트 무선계측시스템과,
    주변가진에 의한 구조물의 응답 신호를 측정하여 저장 및 분석하고 실시간으로 구조물의 상태를 평가하는 구조물 모니터링 시스템을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스마트 센서 시스템은 구조물에서 진동신호를 검출하기 위한 센서와,
    그 센서에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 아날로그 디지털 변환기와,
    전원의 공급 및 감시기능을 하는 전원장치와,
    자신을 제어하고 스스로 계측상황을 결정하는 역할을 하는 CPU 및 메모리장치인 ROM/RAM과,
    디지털 신호를 무선으로 송출 및 스마트 센서 시스템의 제어 명령을 수신해주는 무선송수신장치와,
    안테나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 DAU는 디지털 신호를 무선으로 송/수신해주는 무선송수신장치 및 안테나와,
    외부의 잡음을 제거하기 위한 필터링 장치와,
    고속퓨리에변환을 수행하는 DSP와,
    여러 개의 채널 신호를 하나의 공통선으로 구조물 모니터링 시스템에 전달해주기 위한 다중화 장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물 모니터링 시스템은 스마트 센서 시스템에 제어명령 전송 및 스마트 센서 시스템의 상태를 알려주는 역할을 하는 스마트 센서 시스템 제어 및 감시장치와,
    구조물의 손상평가를 실시하는 데이터 프로세싱 장치와,
    손상평가에 따른 결과에 따라 구조물 안전에 대한 조치를 수행하는 구조물 제어시스템과,
    모든 데이터가 저장되는 데이터 베이스 장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항 또는 4 항에 있어서,
    상기 데이터 프로세싱 장치의 프로세싱 과정은 NExT와 ERA를 이용해 실시간 램덤 주변가진에 의한 구조물의 임펄스 응답 함수를 알고리즘에 의하여 계산하는 단계,
    변형에너지손상 계산 알고리즘을 통해 변형에너지손상을 계산하는 단계,
    에너지 소산률의 산정에 의해 구조물 손상평가를 실시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템.
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