KR20180128305A - 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법 - Google Patents

수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 수변 구조물의 형상과 누수 구역의 심도를 고려하여 수변 구조물의 신뢰도 높은 누수 탐지를 가능하게 하고, 누수의 경로를 파악할 수 있도록 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법에 관한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 특징에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법은 수변 구조물의 상류 및 하류에 배치되는 전류전극에 각각 전류를 공급하여 전위차를 생성하는 단계(S1), 상기 수변 구조물 상류에 설치된 모든 전위전극과 하류에 설치된 모든 전위전극 간의 전위차를 측정하는 배열인 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하는 단계(S2) 및 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물에 대한 누수 여부 및 누수 위치를 판단하는 단계(S4), 상기 판단결과 수변 구조물에 누수가 있다고 판단되면, 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극 사이의 전위차를 각 전위전극의 전위값으로 역산하는 데이터 역산을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하는 단계(S5) 및 상기 추출된 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물의 누수 경로를 추출하는 단계(S6)를 포함할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 다양한 수변 구조물의 형상과 누수 구역의 심도를 고려하여 신뢰도 높은 누수 탐지를 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 탐지된 수변 구조물의 누수 구역에 대한 누수 경로를 파악할 수 있는 효과가 있다.

Description

수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법{Modified electrical resistivity survey device and its interpretation method for water leakage detection of water facilities}
본 발명은 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 수변 구조물의 형상과 누수 구역의 심도를 고려하여 수변 구조물의 신뢰도 높은 누수 탐지를 가능하게 하고, 누수의 경로를 파악할 수 있도록 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 그 해석 방법에 관한 것이다.
필댐 및 콘크리트댐과 같은 수변 구조물의 누수를 탐지하기 위해 국내에서 물리탐사 기법을 도입한 것을 그리 오래되지 않았다. 1990년대 말부터 시작된 물리탐사 기법을 이용한 누수 탐지 연구는 두가 탐사 방법으로 나누어 볼 수 있다.
하나는 자연전위 탐사이며 다른 하나는 전기비저항 탐사이다. 자연전위 탐사는 통상 1D 그래프를 통해 해석이 이루어진다. 또한, 전기비저항 탐사는 수변 구조물의 누수를 탐지하기 위해 주로 쌍극자 배열(diole-dipole array)을 이용한다.
상기 쌍극자 배열은 짧은 시간에 2D 데이터를 획득할 수 있는 장점이 있으며, 2D 역산 이미지를 통해 해석이 이루어진다. 또한, 인공적인 소스를 이용하기 때문에 자연전위 탐사보다 적용성이 뛰어난 장점이 있다.
한편, 전기비저항은 전류의 흐름에 저항하는 물질의 특성으로, 이를 통하여 지반의 단층, 파쇄대, 석회 공동 등의 지질구조 파악, 환경오염 분석, 자원 부존 현황을 확인하고, 댐 및 제방의 누수 영역을 탐지하는 등 다양한 분야에서 응용된다.
이러한, 전기비저항 측정의 기본 원리는 한쌍의 전류전극을 통해 지반에 전류를 흐르게 한 다음, 여러 위치에서 한쌍의 전위전극에서 측정되는 전위차를 측정하여, 각 위치별 겉보기비저항(땅이나 갱정안에서 인공적으로 측정한 값을 토대로 균일매질에 관한 비저항 산출식을 이용하여 구한 비저항)을 산출한 후, 겉보기비저항 자료들을 해석하여 지반의 전기비저항 분포를 구할 수 있다.
일반적으로 임의의 물체 양단에 일정한 전압을 걸어주면 어떤 물체는 많은 양의 전류를 흘려 보내주지만 어떤 물체는 훨씬 적은 양의 전류밖에 흘려 보내지 못한다. 전류를 흐르지 못하게 하는 이 같은 특성을 그 물체의 전기저항(R)이라 하는데, 저항 R은 R = ρ× (L/A)로 주어진다.
여기서 저항(R)의 요소는 세 가지가 있는데, 첫째는 전자의 이동에 대한 물질의 특성인 비저항 ρ(rho, 로), 둘째는 단면적 A, 셋째는 길이 L이다. 비저항은 단위 단면적당 단위길이당 저항이며, 비저항의 단위는 MKS 단위계(meter-kilogram-second를 기본으로 하는 단위계)에서 Ωm(옴 미터)이고, 물질에 따라 다른 값을 갖는다. 비저항은 물질이 얼마나 전류를 잘 흐르게 하는가에 대한 양인 전도율과 역수 관계(비저항=1/전도율)에 있다.
이러한 비저항을 측정하는 전기비저항 탐사는 한 쌍의 전류전극을 지표에 접지시켜 전류를 흘려보내고, 지표에 접지한 다른 한 쌍의 전위전극에서 전위차를 측정함으로 지하매질의 전기비저항 분포를 탐사하는 것이다.
지구의 내부를 이루고 있는, 흔히 우리가 땅속이라 부르는 곳은 여러 가지 종류의 암석으로 구성되어 있다. 이 암석들은 암석의 공극률, 공극내의 유체의 성질, 유체의 포화도, 조암광물의 종류, 암석 구성 입자의 크기 및 성질, 암석의 고화도 등, 암석 자체의 성질과 파쇄대, 균열대, 단층 등의 외부적인 요인에 의해 자연 상태에서 각기 다른 전기비저항 값을 갖게 된다.
그런데, 이러한 전기비저항 탐사의 쌍극자 배열을 수변 구조물의 누수 탐지를 위해 그대로 사용하기에는 어려운 점이 있다. 통상적으로 전기비저항 탐사는 지반이 반무한 매질이라는 가정하에서 이루어진다.
그러나, 수변 구조물의 형태가 상기 가정에 위배되기 때문에 왜곡이 발생되고, 신뢰성이 떨어지는 데이터를 획득하게 되는 문제점이 있다.
또한, 대댐의 경우에 쌍극자 배열은 누수 구역까지 탐사 심도가 미치지 못하여 누수 구역을 감지하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 수변 구조물에 대한 정확한 누수 경로를 탐지할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1432453호(2014년 08월 21일 공고)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 단점을 해결한 것으로서, 다양한 수변 구조물의 형상과 누수 구역의 심도를 고려하여 신뢰도 높은 누수 탐지를 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 상기 탐지된 수변 구조물의 누수 구역에 대한 누수 경로를 파악할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 특징에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치는 측정모듈, 변환모듈 및 분석모듈을 포함할 수 있다.
상기 측정모듈은 수변 구조물의 상류 및 하류에 배치되는 전류전극에 각각 전류를 공급하고, 상기 수변 구조물과 전류전극 사이에 각각 배치되는 전위전극들 간의 전위차를 측정할 수 있다.
상기 변환모듈은 상기 수변 구조물 상류에 설치된 전위전극과 하류에 설치된 전위전극 간의 전위차를 측정하는 배열인 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하고, 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성할 수 있다. 또한, 상기 변환모듈은 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극 사이의 전위차를 각 전위전극의 전위값으로 역산하는 데이터 역산을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출할 수 있다.
상기 분석모듈은 상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물에 대한 누수 여부 및 누수 위치를 판단하고, 상기 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물의 누수 경로를 추출할 수 있다.
본 발명의 특징에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법은 수변 구조물의 상류 및 하류에 배치되는 전류전극에 각각 전류를 공급하여 전위차를 생성하는 단계(S1), 상기 수변 구조물 상류에 설치된 모든 전위전극과 하류에 설치된 모든 전위전극 간의 전위차를 측정하는 배열인 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하는 단계(S2) 및 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물에 대한 누수 여부 및 누수의 위치를 판단하는 단계(S4), 상기 판단결과 수변 구조물에 누수가 있다고 판단되면, 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극 사이의 전위차를 각 전위전극의 전위값으로 역산하는 데이터 역산을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하는 단계(S5) 및 상기 추출된 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물의 누수 경로를 추출하는 단계(S6)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법은 신뢰도 높은 데이터를 제공하여 수변 구조물의 누수를 정확하게 진단할 수 있도록 함으로써 수변 구조물의 안정성을 높이고, 수변 구조물의 붕괴로 인한 재산피해 및 인명피해를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 전류전극 및 전위전극을 수변 구조물에 설치한 전기비저항 탐사 장치를 나타내는 입체 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따라 전류전극 및 전위전극을 수변 구조물에 설치한 전기비저항 탐사 장치를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 D-Lux array의 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 D-Lux array로부터 생성된 D-Lux view를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 데이터 역산을 위한 D-Lux array와 모델 파라미터간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 좌안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 좌안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 D-Lux view이다.
도 7c는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 좌안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 등전위 분포도이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 중앙부에 누수가 발생한 것을 나타내는 도면이다.
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 중앙부에 누수가 발생한 것을 나타내는 D-Lux view이다.
도 8c는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 중앙부에 누수가 발생한 것을 나타내는 등전위 분포도이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 우안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 우안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 D-Lux view이다.
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물의 우안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 등전위 분포도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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 도면부호를 붙였다.
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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법에 관한 것으로서, 수변 구조물(10)의 상류에 일정간격으로 라인소스 형태의 전류전극(20)을 설치하고 하류에는 반대 극성으로 라인소스 형태의 전류전극(20)을 설치하며, 수변 구조물(10)과 각각의 전류전극(20) 사이에 일정간격으로 전위전극(30)을 설치하여 각각의 전위전극(30)들 간의 전위차를 측정함으로써 수변 구조물(10)의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치를 나타내는 구성도이다. 또한, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 전류전극 및 전위전극을 수변 구조물에 설치한 전기비저항 탐사 장치를 입체적으로 나타내는 도면이고, 도 2b는 상기 도 2a를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이 본 발명은 측정모듈(100), 변환모듈(200) 및 분석모듈(300)을 포함할 수 있다.
또한, 측정모듈(100)은 전원공급부(110) 및 전위차 측정부(120)를 포함할 수 있다. 전원공급부(110)는 전류전극(20)에 전류를 공급하고, 전위차 측정부(120)는 전위전극(30)들 간의 전위차를 측정할 수 있다.
또한, 변환모듈(200)은 D-Lux array 생성부(210), D-Lux view 생성부(220) 및 등전위분포도 추출부(230)을 포함할 수 있다.
D-Lux array 생성부(210)는 수변 구조물(10) 상류에 설치된 전위전극(30)과 하류에 설치된 전위전극(30) 간의 전위차를 D-Lux array 배열로 측정할 수 있다. D-Lux view 생성부(220)는 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 정리하는 D-Lux view를 생성할 수 있다.
등전위분포도 추출부(230)는 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극(30) 사이의 전위차를 각 전위전극(30)의 전위값으로 역산하는 데이터 역산(inversion modeling)을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출할 수 있다.
분석모듈(300)은 누수위치 검출부(310) 및 누수경로 추출부(320)을 포함할 수 있다. 누수위치 검출부(310)는 상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물(10)에 대한 누수 구역과 누수의 영향범위를 판단할 수 있다.
또한, 누수경로 추출부(320)는 상기 추출된 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물(10)의 누수 경로를 추출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에서 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법은 전류전극(20)에 각각 전류를 공급하여 전위차를 생성하는 단계(S1), 수변 구조물(10) 상류에 설치된 모든 전위전극(30)과 하류에 설치된 모든 전위전극(30) 간의 전위차를 측정하는 배열인 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하는 단계(S2) 및 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물(10)에 대한 누수 구역과 누수의 영향범위를 판단하는 단계(S4), 상기 판단결과 수변 구조물(10)에 누수가 있다고 판단되면, 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극(30) 사이의 전위차를 각 전위전극(30)의 전위값으로 역산하는 데이터 역산을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하는 단계(S5) 및 상기 추출된 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물(10)의 누수 경로를 추출하는 단계(S6)를 포함할 수 있다.
이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 D-Lux array의 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 4에서 도시된 바와 같이 본 발명은 수변 구조물(10) 상류에 설치된 모든 전위전극(30)과 하류에 설치된 모든 전위전극(30) 사이의 전위차를 측정하는 D-Lux array를 포함할 수 있다.
종래에는 수변 구조물(10)의 누수 구역에 대한 정보를 획득하기 위해 1차원 데이터를 이용하였으나, 본 발명은 도 3에서 도시된 바와 같이 D-Lux array를 통해 2차원 데이터를 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예로 도 4와 같이 수변 구조물(10)의 상류에 5개, 하류에 5개의 전위전극(30)이 설치된다면 획득 가능한 전위차 데이터의 개수는 5 x 5인 25개가 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 D-Lux array로부터 생성된 D-Lux view를 나타내는 도면이다. 도 5에서 좌측의 (a)도면은 균일한 전위차 분포를 나타내는 D-Lux view이고, 우측의 (b)도면은 낮은 전위차 영역이 파란색으로 나타나는 불균일한 전위차 분포를 나타내는 D-Lux view이다.
도 5에서 도시된 바와 같이 상기 D-Lux array로부터 획득한 데이터는 상기 데이터를 가시화하여 행렬로 정리하는 D-Lux view로 나타낼 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 D-Lux view의 기본 형태이다.
D-Lux view의 행은 수변 구조물(10) 상류에 설치된 전위전극(30)의 번호와 일치하고, 열은 하류에 설치된 전위전극(30)의 번호와 일치할 수 있다. 따라서, 1행 1열에는 수변 구조물(10) 상류의 1번 전위전극(30)과 하류의 1번 전위전극(30) 사이에서 획득한 전위차 데이터를 저장할 수 있다. 마찬가지로, 4행 5열에는 수변 구조물(10) 상류의 4번 전위전극(30)과 하류의 5번 전위전극(30) 사이에서 획득한 전위차 데이터를 저장할 수 있다.
이와 같이, D-Lux array로부터 획득한 모든 데이터를 하나의 행렬로 나타낼 수 있고, 이를 색으로 가시화 한 것이 D-Lux view이다.
도 5에서 좌측의 (a)도면은 균질하고 이상이 없는 수변 구조물(10)에 D-Lux array를 적용하여 획득한 데이터를 통해 추출된 D-Lux view이고, 우측의 (b)도면은 불균질하고 이상이 있는 수변 구조물(10)에 D-Lux array를 적용하여 획득한 데이터를 통해 추출된 D-Lux view가 될 수 있다.
도 5(a)와 같이 수변 구조물(10)에 이상이 없는 경우에는 D-Lux array로 획득한 모든 전위차 데이터는 동일한 값을 가지기 때문에, D-Lux view는 하나의 색으로 나타날 수 있다.
반면에, 수변 구조물(10)에 이상이 있는 경우에는 전류가 수변 구조물(10)의 누수 지점에서 누수 경로를 따라 흐르게 되고, 이때 D-Lux array로 획득된 전위차는 측정 지점에 따라 누수의 영향으로 서로 다른 값을 갖게 될 수 있다.
도 5(b)와 같이 상기 측정 지점에서 누수가 일어나고 있지 않다면 상대적으로 큰 전위차 값을 획득하므로 D-Lux view 내에서 적색 계열로 나타날 수 있고, 측정 지점에서 누수가 일어나고 있다면 상대적으로 작은 전위차 값을 획득하므로 D-Lux view 내에서 청색 계열로 나타날 수 있다. 도 5(b)에서 상기 청색 계열로 나타난 부분이 누수와 관련이 있는 구역이므로 저전위차 이상대로 해석할 수 있다.
한편, 상기 D-Lux view가 수변 구조물(10)의 누수구역을 중심으로 저전위차 이상대를 형성하는 것을 확인할 수 있지만, D-Lux view 내의 저전위차 이상대 위치 또는 모양만으로 수변 구조물(10) 내 누수의 유입구와 유출구 및 누수 경로를 확인하는 것은 어렵다. 이것은 한 형태의 이상대로부터 예측가능한 누수 상태의 경우의 수가 많을 수 있기 때문이다.
본 발명은 수변 구조물(10)의 누수경로를 추출하기 위해 D-Lux array로부터 획득한 데이터로 데이터 역산을 활용하여 최소한의 오차를 갖는 등전위분포도를 추출할 수 있다.
D-Lux array 데이터를 각각 위치의 전위값으로 역산하기 위해서 데이터와 전위값의 관계를 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서, d는 전위차이고, m은 각 위치의 전위값이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법에서 데이터 역산을 위한 D-Lux array와 모델 파라미터간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6(a)는 D-Lux array로부터 얻은 데이번 번호 시스템이고, 도 6(b)는 각 위치에 대한 전위가 될 모델 파라미터의 번호 시스템이다. 즉, 도 6은 D-Lux array로부터 데이터 역산을 통해 등전위 분포도를 추출하는 역산 과정을 나타낼 수 있다.
도 6에서 도시된 바와 같이 상기 D-Lux array를 통해 측정한 전위차 데이터는 수변 구조물(10)의 상류와 하류에 각각 N개의 전위전극(30)을 설치했을 경우 총 N2개의 데이터 획득이 가능할 수 있다.
또한, 전위전극(30)과 수변 구조물(10)을 포함하는 영역을 도 5와 같이 나누고 각 cell의 중심점에서의 전위를 m1, m2,...로 나타내었을 때 이를 모델 변수로 나타내면 전위차 d1은 상류 1번 전위전극(30)의 위치에서의 전위값 m1과 하류 1번 전위전극(30)의 위치에서의 전위값 mM의 차가 될 수 있다.
상기 [수학식 1]로부터 데이터와 모델 변수 간에 선형 관계가 성립함을 확인하였으므로 이 문제는 다음의 [수학식 2]와 같은 행렬식을 이용하여 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
d = Gm
상기 [수학식 2]에서 G는 데이터 d와 모델 변수 m과의 관계를 수학적으로 나타내는 데이터 커낼이다. 가장 오차가 적은 최적의 모델 변수 값을 획득하기 위해서 최소 자승 역산법을 이용할 수 있다.
여기에서, D-Lux array 데이터만을 역산에 사용할 수 있지만, 더욱 신뢰할만한 결과를 도출하기 위해서는 동일열 전위 배열(direct potential array) 데이터를 추가적으로 역산에 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전위값은 수변 구조물(10)의 상류에서 하류로 이동하면서 작아지는데, 작아지는 양상이 무작위적이지 않고 연속적인 값이기 때문에 평활화 제한자(roughness matrix) Wm을 적용하여 모델 변수간의 값의 변화가 부드럽게 변화하도록 하는게 바람직하다. 이를 정리하면 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
mest = [GTG+Wm]-1[GTd+Wm(m)]
상기 [수학식 3]을 이용하여 획득한 해에서 같은 전위값들을 갖는 지점들을 선으로 이어 가시화 하고 등전위 분포도를 구할 수 있다.
상기 등전위 분포도는 탐사 대상인 수변 구조물(10)의 내부 전위분포를 알기 위한 그림이므로, 분포도의 중심에는 수변 구조물(10)이 위치할 수 있다. 또한, 좌측 경계는 상기 수변 구조물(10)의 상류에 설치한 전위전극(30)의 위치, 우측 경계는 하류에 설치한 전위전극(30)의 위치일 수 있다.
도 7 내지 도 9는 상기 도 2에서 수변 구조물(10)에 누수가 발생하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물(10)의 좌안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 평면도이고, 도 7b는 상기 도 7a에 대하여 생성된 D-Lux view이며, 도 7c는 상기 도 7a에 대한 누수 경로를 탐지하기 위해 D-Lux array를 통해 획득한 전위차 데이터를 역산(inversion modeling)하여 생성된 등전위 분포도(equipotential distribution map)이다.
또한, 도 8a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물(10)의 중앙부에 누수가 발생한 것을 나타내는 평면도이고, 도 8b는 상기 도 8a에 대하여 생성된 D-Lux view이며, 도 8c는 상기 도 8a에 대한 누수 경로를 탐지하기 위해 생성된 등전위 분포도(equipotential distribution map)이다.
또한, 도 9a는 본 발명의 일실시예에 따라 수변 구조물(10)의 우안부에 누수가 발생한 것을 나타내는 평면도이고, 도 9b는 상기 도 9a에 대하여 생성된 D-Lux view이며, 도 9c는 상기 도 9a에 대한 누수 경로를 탐지하기 위해 생성된 등전위 분포도(equipotential distribution map)이다.
즉, 도 7 내지 도 9의 (c)도면은 수변 구조물(10)에 누수가 발생할 경우 D-Lux array로부터 데이터 역산을 통해 추출된 등전위 분포도를 나타낼 수 있다.
도 7 내지 도 9에서 도시된 바와 같이 수변 구조물(10)에 누수가 발생할 경우 D-Lux view를 통해 누수 발생 여부와 대략적인 누수 위치를 탐지할 수 있다. 또한, 등전위 분포도를 통해 수변 구조물(10)에서 누수의 유입부와 유출부 및 누수 경로를 탐지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치 및 탐사 해석 방법은 종래의 횡단 전위 배열과 동일열 전위 배열만으로 누수를 탐지할 때 보다, 누수의 시점과 누수 경로 및 방향성 등 탐사 대상의 누수 특성에 대해 훨씬 구체적으로 탐지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 축조 재료에 상관없이 모든 수변 구조물에 대해 사용될 수 있는 효과가 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10 : 수변 구조물 20 : 전류전극
30 : 전위전극 100 : 측정모듈
110 : 전원공급부 120 : 전위차 측정부
200 : 변환모듈 210 : D-Lux array 생성부
220 : D-Lux view 생성부 230 : 등전위분포도 추출부
300 : 분석모듈 310 : 누수위치 검출부
320 : 누수경로 추출부

Claims (5)

  1. 수변 구조물의 상류에 배치되는 라인소스(line source) 형태의 전류전극과 하류부에 배치되는 반대 극성의 라인소스(line source) 형태의 전류전극 및 상기 수변 구조물과 전류전극 사이에 각각 배치되는 전위전극을 이용하여 수변 구조물의 누수를 탐지하는 전기비저항 탐사 장치에 있어서,
    상기 전류전극에 각각 전류를 공급하고, 상기 전위전극들 간의 전위차를 측정하는 측정모듈;
    상기 수변 구조물 상류에 설치된 전위전극과 하류에 설치된 전위전극 간의 전위차를 측정하는 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하고, 상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성하며, 상기 D-Lux array를 토대로 전위전극 사이의 전위차 데이터를 각 전위전극의 전위값으로 역산하는 데이터 역산(inversion modeling)을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하는 변환모듈; 및
    상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 수변 구조물에 대한 누수 여부 및 누수 위치를 판단하고, 상기 등전위분포도를 이용하여 수변 구조물의 누수 경로를 추출하는 분석모듈을 포함하는 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 장치.
  2. 수변 구조물의 상류에 배치되는 라인소스(line source) 형태의 전류전극과 하류부에 배치되는 반대 극성의 라인소스(line source) 형태의 전류전극 및 상기 수변 구조물과 전류전극 사이에 각각 배치되는 전위전극을 이용하여 수변 구조물의 누수를 탐지하는 전기비저항 탐사 해석 방법에 있어서,
    상기 전류전극에 각각 전류를 공급하여 전위차를 생성하는 단계(S1);
    상기 수변 구조물 상류에 설치된 전위전극과 하류에 설치된 전위전극 간의 전위차를 측정하는 배열인 D-Lux array를 이용하여 데이터를 획득하는 단계(S2);
    상기 D-Lux array를 토대로 데이터를 가시화하여 행렬로 나타내는 D-Lux view를 생성하는 단계(S3);
    상기 D-Lux array 및 D-Lux view를 분석하여 상기 수변 구조물에 대한 누수 여부 및 누수 위치를 판단하는 단계(S4);
    상기 (S4) 단계의 판단결과 수변 구조물에 누수가 있다고 판단되면, 상기 D-Lux array를 토대로 상기 전위전극 사이의 전위차 데이터를 각 전위전극의 전위값으로 역산하는 데이터 역산(inversion modeling)을 이용하여 상기 수변 구조물 내의 등전위값들을 나타내는 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하는 단계(S5);
    상기 추출된 등전위분포도를 이용하여 상기 수변 구조물의 누수 경로를 추출하는 단계(S6);를 포함하는 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 (S5) 단계에서
    동일열 전위 배열(direct potential array) 데이터와 상기 D-Lux array 데이터를 데이터 역산에 이용하여 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하되,
    상기 동일열 전위 배열(direct potential array)은 수변 구조물의 상류와 하류에 설치된 각 전위전극에서 동일 열의 바로 옆에 있는 전극측정부 간의 전위차 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 (S5) 단계에서
    횡단 전위 배열(cross potential array) 데이터와 동일열 전위 배열(direct potential array) 데이터 및 D-Lux array 데이터를 데이터 역산에 사용하여 등전위분포도(Equipotential distribution map)를 추출하되,
    상기 횡단 전위 배열(cross potential array)은 상기 수변 구조물 상류의 전위전극에서 수변 구조물을 수직으로 가로질러 하류에 있는 동일행 전위전극 사이의 전위차 데이터를 측정하고, 상기 동일열 전위 배열(direct potential array)은 수변 구조물의 상류와 하류에 설치된 각 전위전극에서 동일 열의 바로 옆에 있는 전극측정부 간의 전위차 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 (S5) 단계에서
    상기 등전위분포도는 아래의 [수학식 1]에 따라 추출되는 것을 특징으로 하는 수변 구조물의 누수 탐지를 위한 변형된 전기비저항 탐사 해석 방법.
    [수학식 1]
    mest = [GTG+Wm]-1[GTd+Wm(m)]
    (d는 전위차, m은 각 cell의 중심점에서의 전위값, G는 데이터 d와 모델 변수 m과의 관계를 수학적으로 나타내는 데이터 커낼, Wm은 평활화 제한자(roughness matrix))

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