KR20140128507A

KR20140128507A - 지반 변위 3차원 계측 방법

Info

Publication number: KR20140128507A
Application number: KR20130046425A
Authority: KR
Inventors: 노희종; 이승훈
Original assignee: (주)대동계측
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-06

Abstract

본 발명은 3차원 센서를 이용하여 계측 대상 지반 형태, 계측 대상 시설의 구조에 관계없이 통일적인 변위 계측 기능이 가능하고, 다양한 형태의 변위를 모두 계측할 수 있도록 하는 지반 변위 3차원 계측 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 특정 지반, 구조물, 건설 현장 지반 중에서 어느 하나의 지반에 다수의 3차원 센서가 연결된 3차원 센서 어레이를 설치하는 단계와, 상기 3차원 센서 어레이의 설치 완료시에, 마이크로 프로세서에서 각 3차원 센서로부터의 3차원 센싱 신호를 각각 입력받아 각 3차원 센서별로 초기 위치값을 설정하여 메모리에 저장하는 단계 및, 상기 마이크로 프로세서에서 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서로부터의 센싱 신호를 입력받아 각기 대응하는 센서의 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복적으로 수행하여 지반의 변위 상태를 지속적으로 감시하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

지반 변위 3차원 계측 방법{Method for Measuring Ground Displacement with Multi Path}

본 발명은 3차원 센서를 이용하여 다양한 계측 대상 지반의 변위 상태를 정확히 측정할 수 있도록 하는 지반 변위 3차원 계측 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 터널 공사나, 사면 절취 공사, 흙막이 공사, 댐 공사 등과 같은 각종 토목, 건축 공사를 진행하거나, 터널 구조물이나 교량 구조물 등과 같은 각종 토목, 건축 구조물을 안정적으로 운용해야 하는 경우에, 해당 공사 구간 또는 토목, 건축 구조물 지반 내의 지중 변위 정도를 정확하게 측정하여 주변 지반의 거동을 파악함과 더불어, 공사의 안정성 및 구조물의 안정적 운용성을 확보하기 위한 일환으로서 변위를 계측하는 센서가 장착된 지중 변위 측정 장치가 적용되고 있다.

이러한 변위 계측 센서가 장착된 지중 변위 측정 장치는, 진동현식 센서나 전기식 크랙 게이지 센서를 적용하여 지반의 변위 정도를 계측할 수 있도록 되어 있는 바, 일정 형상의 변위 계측봉에 변위 계측 센서가 연결되어 있는 구조로 이루어진다.

이러한 구성으로 이루어진 종래의 지중 변위 계측 장치는, 변위 계측봉이 삽입되어 있는 지반의 거동이나 이완, 절리 등에 의하여 변위가 발생되면, 해당 변위 계측봉과 연결된 변위 계측 센서가 지반의 변위 상태를 감지할 수 있도록 되어 있다.

상기한 지중 변위 계측 장치는 주로 건축 현장이나 토목 건설 현장의 수직 지반 변위 상태를 계측하기 위한 용도로서 이용할 수 있는 것으로서, 터널 등의 지반 변위 3차원 계측에는 사용하기 곤란하도록 되어 있다.

한편, 터널 시공에는 새로운 첨단 공법이 적용되더라도 여러 가지 불확실한 요소들이 많이 존재하게 되는데, 그 중에서도 지질학적인 불확실성이 가장 중요한 문제점으로서 대두되고 있으며, 이미 시공된 터널의 경우에도 노후화로 인하여 터널 내공의 변위가 발생하게 되면 터널 구조물의 붕락에 의해 대형사고가 발생할 가능성이 있다.

이러한 문제점들을 미연에 방지하기 위해, 종래에는 터널 내공의 변위량을 측정하는 방법이 개발되고 있는데, 대표적인 방법으로서 터널 내공에 반사판을 갖춘 소형의 타겟 구조물을 터널 전체에 부착하고, 레이저 광선을 측정하고자 하는 터널 부위에 설치된 타겟 구조물에 발사함에 의해, 반사되어 돌아오는 광선의 속도에 의해 길이를 파악하고, 소정의 기준 좌표점과 해당 터널의 측정점과의 각도 변위량을 측정함으로써, 길이와 각도 변위량에 근거한 터널 내부의 내공 변위량을 파악할 수 있도록 하고 있다.

하지만, 이러한 종래의 터널 내공 변위 측정 방식의 경우에는 반사판을 갖는 타겟 구조물을 터널에 일일이 부착하여야 하고, 레이저 광선의 측정 장비를 이용하여 타겟 구조물에 일일이 발사하여 측정하여야 하기 때문에, 시공상의 번거로움이 있을 뿐만 아니라 별도의 측정 장비를 이용해야 하므로 일정 기간 단위로 측정할 수 밖에 없어서 상시적인 변위량의 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.

또한, 일반적인 지중 변위 계측 장치의 경우에는 지반의 수직 변위만을 계측할 수 있도록 되어 있기 때문에, 수평 변위나 수직 변위 각도, 변위의 방향 등을 다양하게 측정하기가 불가능하도록 되어 있어서 다양한 변위 정도의 측정에 불충분하다는 문제점이 있다.

게다가, 현재의 지중 변위 측정 방식은 건축물이나 토목 건설 현장의 구조 및 상태에 따라 다양한 종류의 계측용 센서를 동원해야 하고, 각 센서의 센싱 특성과 현장 특성에 맞추어서 다양한 방식으로 변위량을 측정해야 하기 때문에, 건축 및 토목 건설 분야의 변위 계측 기술이 복잡해 질 수 밖에 없고, 이러한 복잡한 기술 상황에 맞게 인력을 배치해야 하는 불리함이 있어서 인건비, 시설비의 상승이 불가피하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 3차원 센서를 이용하여 계측 대상 지반 형태, 계측 대상 시설의 구조에 관계없이 통일적인 변위 계측 기능이 가능하고, 다양한 형태의 변위를 모두 계측할 수 있도록 하는 지반 변위 3차원 계측 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 특정 지반, 구조물, 건설 현장 지반 중에서 어느 하나의 지반에 다수의 3차원 센서가 연결된 3차원 센서 어레이를 설치하는 단계와, 상기 3차원 센서 어레이의 설치 완료시에, 마이크로 프로세서에서 각 3차원 센서로부터의 3차원 센싱 신호를 각각 입력받아 각 3차원 센서별로 초기 위치값을 설정하여 메모리에 저장하는 단계 및, 상기 마이크로 프로세서에서 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서로부터의 센싱 신호를 입력받아 각기 대응하는 센서의 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복적으로 수행하여 지반의 변위 상태를 지속적으로 감시하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지반 변위 3차원 계측 방법을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 다수의 3차원 센서가 연속적으로 연결되어 있는 3차원 센서 어레이를 계측하고자 하는 지반 또는 시설에 초기 설치하는 경우에, 해당 3차원 센서 어레이를 구성하는 각 3차원 센서의 측정하여 이를 초기값으로 저장하고, 이후에 각 3차원 센서에 대해서 초기값을 근거로 측정값을 지속적으로 체크하여 지반 또는 시설의 변위 발생 여부 및 발생 위치, 발생 형태 등을 정확히 파악할 수 있도록 함에 따라, 건축 및 토목 건설 현장, 기건설된 시설물의 형태나 특성에 관계없이 본 발명의 계측 기술을 통일적으로 적용이 가능하고, 계측 기술의 통일화, 단순화에 따른 변위 계측 장비의 설비 비용 절감이 가능함과 더불어, 기술 인력의 절감에 따른 인건비 절감이 가능할 뿐만 아니라, 다방향의 변위 계측이 가능하게 되면서 보다 다양한 변위 상태의 계측이 용이하여 그에 따른 효율적인 점검 및 보수가 가능하다는 효과를 갖게 된다.

도 1a 및 조 1b는 본 발명에 따른 지반 변위 3차원 계측 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 지반 변위 3차원 계측 방법을 구현하기 위한 지반 변위 3차원 계측 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 경사면을 갖는 지반에 3차원 센서 어레이가 설치된 경우의 지반 변위 측정 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 터널에 3차원 센서 어레이가 설치된 경우의 터널 내공 변위 측정 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1a 및 조 1b는 본 발명에 따른 지반 변위 3차원 계측 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 복수의 3차원 센서(D1∼D3)를 연결한 센서 어레이를 특정 지반이나 구조물, 공사 현장 지반 등에 초기 설치하는 경우에, 각 3차원 센서(D1∼D3)의 초기 설치 위치가 서로 다를 수 밖에 없으므로 각 3차원 센서(D1∼D3) 별로 각각 개별적으로 초기값을 설정하게 된다.

상기 각 3차원 센서(D1∼D3)는 3차원 가속도 센서로 이루어지고, 중력 가속도를 기준으로 지반에 초기 설치시 각각 기울어진 각도를 x,y,z의 3축 방향의 가속도로부터 각각 검출하여 3축 방향의 가속도값을 근거로 xy, yz, zx 방향의 초기 위치값을 설정하여 시스템의 메모리에 각 센서 별로 할당된 초기 설정치 저장 공간에 저장한다.

그 상태에서, 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 3차원 센서 어레이가 설치된 지반, 구조물, 공사 현장 지반이 변형되고, 그 변형 부위에 설치된 3차원 센서의 위치가 초기 위치로부터 변경되는 경우에, x,y,z,의 3축 방향의 가속도를 검출하여 도 1a에 나타난 바와 같은 초기값에 근거하여 비교함에 따라 3축 방향의 변위와, xy, yz, zx 방향의 변위 및 그 변위 값에 따라 계산되는 3차원 공간 상의 각도 변화(Δθ)를 계측할 수 있게 된다.

즉, 상기 3차원 센서 어레이의 초기 설치시에 설치되는 지반, 시설물, 구조물, 건설 현장 지반 등의 설치 조건이 각기 상이하기 때문에, 3차원 센서 어레이를 구성하는 다수의 3차원 센서에 대한 초기 위치값을 각각 개별적으로 검출하여 저장하였다가, 이후 변위 진행시에 변위 위치 비교를 위한 기준값으로 각각 개별 활용하게 되는 것이다.

한편, 본 발명에서는 상기 3차원 센서를 3차원 가속도 센서로 적용하고 있지만, 이에 한정되지는 않는 것으로서 3축 방향의 3차원 공간 변위 센싱이 가능한 어떠한 기계적, 전자적 센서를 적용하여도 무방하다.

도 2는 본 발명에 따른 지반 변위 3차원 계측 방법을 구현하기 위한 지반 변위 3차원 계측 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법이 적용되는 지반 변위 3차원 계측 시스템은, 키입력부(10)와, 센서 입력부(20), 프로그램 메모리(30), 데이터 메모리(40), 표시부(50), 마이크로 프로세서(60)로 구성된다.

상기 키입력부(10)는 3차원 센서 어레이를 구성하는 각 개별 3차원 센서들에 대한 초기 설치시 초기값 설정을 위한 키입력과, 지반 변위 상태의 확인을 위한 키입력을 수행하는 복수의 기능키를 포함하고 있다.

상기 센서 입력부(20)는 3차원 센서 어레이를 구성하는 각 개별 3차원 센서들로부터의 센싱 신호를 각각 입력받아 상기 마이크로 프로세서(60)에서 처리할 수 있는 디지털 데이터 형태로 변환하여 제공한다.

상기 프로그램 메모리(30)는 3차원 센서 어레이의 초기 설치시 각 개별 3차원 센서 별로 초기값의 설정과, 그 설정된 초기값을 근거로 지반 변위 상태를 3차원적으로 계측하는 기능을 수행하는 기능 제어 프로그램이 저장되어 있다.

상기 데이터 메모리(40)는 3차원 센서 어레이의 초기 설정시 설정되는 각 개별 센서별 초기값이 저장되고, 지반 변위가 계측된 3차원 센서의 변위 계측값과 해당 변위 발생 위치의 정보(즉, 해당 위치에 설치된 3차원 센서 정보)가 저장된다.

상기 표시부(50)는 3차원 센서 어레이의 초기 설정시 초기값 설정 상태와, 지반 변위 상태의 계측에 따른 변위 발생 위치 및 변위 값을 사용자가 확인 가능한 형태로 표시한다.

상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 키입력부(10)의 키입력에 의한 초기값 설정 명령에 따라 상기 센서 입력부(20)를 통해 각각 입력되는 3차원 센서 어레이를 구성하는 각각의 3차원 센서로부터의 센싱 신호를 통해 각 3차원 센서의 초기 위치값을 각각 개별적으로 설정하여 상기 데이터 메모리(40)에 저장한다.

상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 센서 입력부(20)를 통해 입력되는 각 3차원 센서로부터의 센싱 신호를 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복적으로 진행하고, 그 비교 결과로 특정 3차원 센서로부터의 센싱 신호에 의한 값이 변동되면 해당 변동된 값을 갖는 3차원 센서의 설치 위치의 지반 변위가 발생함을 감지하게 되고, 해당 3차원 센서에 대해 변동된 값을 상기 데이터 메모리(40)에 저장함과 더불어, 상기 키입력부(10)의 키입력에 따라 상기 표시부(50)에 지반의 변위 상태를 3차원 값으로 화면 표시되도록 제어한다.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 작용에 대해 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 경사면을 갖는 지반에 3차원 센서 어레이가 설치된 경우의 지반 변위 측정 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 3a에 예시된 바와 같이, 직각의 경사면을 갖는 단턱이 형성된 지반에 다수의 3차원 센서(A1∼A12)를 연결한 3차원 센서 어레이를 설치한 경우에, 해당 3차원 센서 어레이의 최종단 측 3차원 센서(A12)는 기준점이 되는 고정용 구조물(또는 콘크리트 모르타르)에 의해 고정되어 해당 지반을 따라서 초기 설치가 이루어진다.

이때, 센서 입력부(20)에서는 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서(A1∼A12)로부터의 센싱 신호를 각각 입력받고, 상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 각 3차원 센서(A1―A12)의 센싱 신호에 따른 3차원 값(즉, x, y, z, xy, yz, zx, θ)을 초기 위치값으로 각각 설정하여 데이터 메모리(40)에 저장한다.

그 상태에서, 상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 센서 입력부(20)를 통해 입력되는 각 3차원 센서(A1∼A12)로부터의 센싱 신호를 상기 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복하게 되는데, 도 3b에 예시된 바와 같이 지반의 특정 부위에 변위가 발생되면서 해당 변위 발생 부위에 설치된 3차원 센서(A2, A3, A4)로부터의 3차원 센싱 값이 각기 대응하는 센서의 초기 위치값으로부터 변동되는 것이 감지되면, 상기 변동된 값(x,y,z,xy,yz,xz,Δθ)을 상기 데이터 메모리(40)에 저장하게 되고, 상기 키입력부(10)의 사용자 키입력에 따라 상기 표시부(50) 상에 해당 3차원 센서(A2, A3, A4)의 변동값을 3차원적인 값(예컨대 3차원 그래프 또는 수치)으로 화면 표시될 수 있도록 한다.

다음에, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 터널에 3차원 센서 어레이가 설치된 경우의 터널 내공 변위 측정 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 돔형 터널의 내공 변위를 측정하기 위해 다수의 3차원 센서(B1∼B12)로 이루어진 3차원 센서 어레이를 설치하는 경우에, 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서(B1∼B12)는 해당 터널의 돔 형상을 따라 터널의 내측에 각각 고정적으로 설치되는데, 상기 센서 입력부(20)에서는 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서(B1∼B12)로부터의 센싱 신호를 각각 입력받고, 상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 각 3차원 센서(B1―B12)의 센싱 신호에 따른 3차원 값(즉, x, y, z, xy, yz, zx, θ)을 초기 위치값으로 각각 설정하여 데이터 메모리(40)에 저장한다.

그 상태에서, 상기 마이크로 프로세서(60)는 상기 센서 입력부(20)를 통해 입력되는 각 3차원 센서(B1∼B12)로부터의 센싱 신호를 상기 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복하게 되는데, 도 4b에 예시된 바와 같이 터널의 특정 천정 부위에 변위가 발생되면서 해당 변위 발생 부위에 설치된 3차원 센서(B7, B8, B9)로부터의 3차원 센싱 값이 각기 대응하는 센서의 초기 위치값으로부터 변동되는 것이 감지되면, 상기 변동된 값(x,y,z,xy,yz,xz,Δθ)을 상기 데이터 메모리(40)에 저장하게 된다.

또한, 상기 마이크로 프로세서(60)는 사용자에 의한 키입력부(10)의 키입력에 따라 터널 내공 변위의 발생 체크 요청이 있게 되면, 상기 표시부(50) 상에 해당 내공 변위 발생 부위의 3차원 센서(B7, B8, B9)의 변동 값을 3차원적인 값으로 화면 표시될 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 직각의 단차가 있는 지반 구조와, 돔형 터널 구조에 본 발명의 방법이 적용되는 것을 일예로 하여 설명하고 있지만, 이에 한정되지는 않는 것으로서 각종 교량, 빌딩, 공사 현장, 사각, 육각형 터널 등과 같이 다양한 구조물, 지반의 변위 계측에 모두 적용할 수 있음은 물론이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 키입력부, 20 : 센서 입력부,
30 : 프로그램 메모리, 40 : 데이터 메모리,
50 : 표시부, 60 : 마이크로 프로세서,
D1∼D3, A1∼A12, B1∼B12 : 3차원 센서.

Claims

특정 지반, 구조물, 건설 현장 지반 중에서 어느 하나의 지반에 다수의 3차원 센서가 연결된 3차원 센서 어레이를 설치하는 제1단계와;
상기 3차원 센서 어레이의 설치 완료시에, 마이크로 프로세서에서 각 3차원 센서로부터의 3차원 센싱 신호를 각각 입력받아 각 3차원 센서별로 초기 위치값을 설정하여 메모리에 저장하는 제2단계; 및
상기 마이크로 프로세서에서 상기 3차원 센서 어레이의 각 3차원 센서로부터의 센싱 신호를 입력받아 각기 대응하는 센서의 초기 위치값과 비교하는 동작을 반복적으로 수행하여 지반의 변위 상태를 지속적으로 감시하는 제3단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지반 변위 3차원 계측 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 마이크로 프로세서는 상기 다수의 3차원 센서 중에서 특정 3차원 센서의 센싱 신호에 의한 값이 대응하는 센서의 초기 위치값에 대해 변동하는 것이 감지되면, 해당 3차원 센서의 지반 부위의 변위를 판단하여 상기 3차원 센서의 3차원 센싱 값을 메모리에 저장하여 관리하는 것을 특징으로 하는 지반 변위 3차원 계측 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 마이크로 프로세서는 사용자의 키입력 조작에 의해 지반 변위의 화면 표시가 요청되면, 상기 메모리에 저장된 지반 변위 부위측 3차원 센서의 3차원 센싱 값이 표시부를 통해 3차원적으로 화면 표시되도록 하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지반 변위 3차원 계측 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 3차원 센서로부터의 센싱 신호는 x,y,z의 3축 방향 값과, xy,yz,xz 방향의 값, Δθ의 각도 변화값을 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 변위 3차원 계측 방법.