KR20200012295A - 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 지반 및 구조물 침하 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 복수 개의 센서로 구성되어, 지상에서 주기적으로 각 지점의 처짐각을 측정하는 센서부; 상기 센서부가 측정한 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 베이스부; 상기 저장된 센싱 데이터를 실시간으로 처리하고, 처리한 센싱 데이터를 시각화하도록 웹페이지를 구축하여 지반의 침하 정도를 화면에 출력하는 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정방법에 관한 것이다.

Description

각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 지반 및 구조물 침하 측정방법 {AN INTERLOCKING TYPE GROUND AND STRUCTURE SETTLEMENT MEASURING DEVICE USING ANGULAR DISPLACEMENT SENSOR AND MEASUREMENT METHOD OF GROUND AND STRUCTURE SETTLEMNET USING THE SAME}

본 발명은 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 지반 및 구조물 침하 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각변위 센서를 이용하는 개착 또는 비개착에 의한 지하구조물 건설에 따른 지반 변형과 침하 등에 대한 정밀한 계측 기술과 실시간 모니터링 시스템을 포함하는 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 및 이를 이용한 지반 및 구조물 침하 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 지반의 침하란 지반이 각종 요인에 의해 아래로 내려앉는 현상을 총칭한다. 자연현상으로서 지각 변동 등이나 재해에 의한 지변에 의해 발생할 수 있으며, 인위적으로는 지하수의 과도한 양수나 매립 하중에 의한 침하, 굴착에 따른 침하 등이 있다.

최근 철도 및 고속도로 등 주요 구조물 하부 통과 공사나 이와 인접한 지하 굴착 공사와 관련하여 비개착 공사가 증가하는 추세이다. 전술한 철도나 도로 등과 같은 주요 시설물에 있어 상시 지반에 대한 침하 양상 파악은 구조물 안정성 확보 측면에서 매우 중요한 요소이다.

따라서 지반 침하에 따른 재해 등을 예방하기 위하여는 지반변형과 침하 등에 대한 신뢰성 있는 센싱 데이터의 수집과 지반의 침하 등과 관련된 문제 발생시 신속한 대처를 위하여는 정밀한 센서형 침하 계측기 및 자동화 계측 시스템을 포함하는 기술이 요구된다.

기존의 지반침하에 대한 계측 장비는 전기저항식 지중침하계, 층별 침하계, 홀센서 자력감지 침하계 등으로 대부분 연약지반 계측 등에 국한되며 지반에 굴착하여 센서를 고정시킨 후 지반변위를 측정하는 기술에 해당한다.

대한민국 등록특허 제10-1710499호(명칭: 연약지반의 침하량 자동계측장치)는 원지반과 연약지반간에 연결되는 와이어의 변위와 원지반에 설치되는 액상침하계의 압력변위가 계측되고 종합 분석되는 지표 및 지중침하 자동계측장치에 관한 기술을 개시한다.

대한민국 공개특허 제 10-2014-0128507호(명칭: 지반 변위 3차원 계측 방법)는 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 계측방법을 제공한다.

다만 전술한 바와 같이 상기의 기존 특허에 의하더라도 기존의 지반 침하 계측장비는 연약지반 계측 등에 국한되며, 지반에 굴착하여 센서를 고정시킨 후 지반 변위를 측정하는 기술에 해당하므로, 비개착 공사에 있어 적합하지 않다.

또한, 기존의 산업현장에서 사용되었던 각변위 센서 측정 시스템의 경우에는 센서로부터 센싱 데이터를 원격 PC에 응용프로그램을 설치했을 경우에만 통신이 가능하다는 한계가 있다.

이에 따라 본 발명은 하부 구조물 설치 시 지상에서의 센서변위를 이용한 지반의 침하에 대한 계측장치 및 무선통신을 이용한 실시간 모니터링 시스템을 포함하는 기술을 제안한다.

대한민국 등록특허 제 10-1710499호 대한민국 공개특허 제 10-2014-0128507호

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 개착 또는 비개착에 의한 지하 구조물 건설에 따른 지반변형과 침하 등에 대한 정밀성 있는 계측을 위하여, 처짐각을 산정하는 각변위 센서를 이용하는 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은 신뢰성 있는 센싱 데이터 수집과 문제 발생시 신속한 대처방안 강구를 위하여, 무선통신을 이용한 실시간 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 복수 개의 센서로 구성되어, 지상에서 주기적으로 각 지점의 처짐각을 측정하는 센서부; 상기 센서부가 측정한 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 베이스부; 상기 저장된 센싱 데이터를 실시간으로 처리하고, 처리한 센싱 데이터를 시각화하도록 웹페이지를 구축하여 지반의 침하 정도를 화면에 출력하는 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 센서부는 지상에 일정한 간격을 두고 각 측정 지점에 고정적으로 설치되는 복수 개의 센서폴대; 상기 각 센서폴대 사이를 직렬 형태로 연결하도록 형성되며, 측정 지점에 침하가 있는 경우 발생하는 처짐각 산정을 위한 복수 개의 각변위 센서; 상기 각변위 센서를 유동적으로 연결하는 연결이음부; 및 상기 각변위 센서와 배선으로 연결되며, 센싱 데이터를 상기 데이터 베이스부로 송신하는 로거를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 각변위 센서의 개별 센서는 유동형으로 형성되어 부등침하에 따른 센서자체의 신축을 용이하게 하여 초기 센서길이와 부등침하에 따른 처짐각만으로 처침량을 간단하게 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 각변위 센서는 전기저항 소자를 이용하여 각변위를 검출하는 전기저항식 센서로 구성되어, 상기 각변위 센서의 일단에 처짐이 발생하는 경우에 전압차이를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 데이터 베이스부는 무선통신을 위한 소켓 통신 프로그램을 포함하며, 상기 소켓 통신 프로그램을 통하여 상기 센서부로부터 송신된 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 수신한 센싱 데이터를 데이터의 형식에 맞게 구분하여 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소켓 통신 프로그램은 잘못된 데이터를 수신하여 저장하는 것을 방지하기 위하여, 송신된 센싱 데이터의 마지막 구분자를 검사하여 올바른 센싱 데이터만을 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소켓 통신 프로그램은 무한대기가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 논블로킹 모드(non_blocking mode)로 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소켓 통신 프로그램은 무한대기가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 수신 대기상태가 일정 시간이 경과하는 경우에는 수신 대기를 벗어나도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소켓 통신 프로그램은 송신된 데이터의 개수가 2개 이상인 경우, 상기 송신된 데이터의 개수를 파악하여 연속적으로 저장할 수 있도록 상기 송신된 데이터의 길이를 통해 구분하여 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모니터링부는 현장의 지반 상태의 통합적인 처짐각을 시각화하기 위하여, 상기 데이터 베이스부에 저장된 센싱 데이터를 통하여 상기 각 센서 별 처짐각을 계산하고, 이를 라인 차트(Line chart)로 적용하여 출력되도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모니터링부는 상기 센싱 데이터를 실수형으로 변경한 후 상기 각 각변위 센서 별 처짐각을 계산하도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정방법에 있어서, 복수 개의 각변위 센서가 각 지점의 처짐각 데이터를 측정하는 단계; 상기 센싱 데이터가 인터넷 통신을 통하여 데이터 베이스부로 전달되는 단계; 상기 데이터 베이스부가 센싱 데이터를 소켓 통신 프로그램을 통하여 수신하고, 데이터 형식에 맞게 저장하는 단계; 저장된 센싱 데이터를 통하여 각 각변위 센서별 처짐각을 계산하여 지반의 침하량이 도출되는 단계; 상기 도출된 침하량이 라인 차트(Line chart)로 적용되어 구축된 웹 페이지를 통해 화면에 출력되는 단계를 포함하며, 상기 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치는 본 발명의 일실시예에 따른 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정 방법을 제공한다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명에 따르면, 처짐각을 산정하는 연동형 각변위 센서를 이용하여, 1mm 이내 측정단위의 정밀성과 최소 5mm까지의 측정센싱 범위를 구현함으로써 경쟁력 있는 센서 성능과 기술력을 확보하는 효과를 갖게 된다.

또한, 개착 또는 비개착에 의한 지하구조물 건설에 따른 지반 변형 또는 침하에 대한 정밀한 측정 결과를 실시간으로 데스크탑 PC, 스마트폰 계측관리 앱에 의해 실시간으로 확인하고, 즉각적인 위험 경보알람 기능을 갖는 기술 개발의 기반이 될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시에를 적용한 각변위 센서를 이용한 지반 침하계측 시스템의 블록설명도이다.
도 2는 처짐각에 따른 침하 변위량과의 관계를 설명하는 관계도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 각변위 센서를 구비한 센서부의 모식도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 연결 이음부의 확대도이다.
도 4의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 스크류(Screw) 형태를 갖는 센서폴대의 확대도이다.
도 5는 배수조건의 실내모의 테스트장치의 모식도이다.
도 6는 높이 변화에 따른 센서별 변위값 및 각도를 나타내는 실험데이터 표 이다.
도 7은 배수조건 모의실험 결과 지반 침하의 변화값을 나타내는 실험데이터 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링부에 출력되는 센서별 처짐각을 통합한 라인 차트(Line chart) 웹페이지의 예시도이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링부에 출력되는 센서별 처짐각을 통합한 라인 차트(Line chart) 웹페이지의 예시도이다.
도 10는 발명의 일실시예에 따른 모니터링부에 출력되는 날짜 별 상태 검색 기능을 갖는 웹페이지의 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링부에 출력되는 저장된 센싱 초기값과 센서별 계산식을 나타내는 웹페이지의 예시도이다.
도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 이용하는 연동형 지반 및 구조물 침하 측정방법의 방법 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

기존 지반 침하에 대한 계측장비는 대부분 연약지반 계층에 국한되며, 지반에 굴착하여 센서를 고정시킨 후 지반변위를 측정하는 기술에 해당한다. 이와 달리 본 발명은 지상에서의 각변위 센서를 이용하여 지반침하를 정량적으로 계측하는 기술이다.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명은 처짐각을 산정하는 각변위 센서를 포함하는 측정장치를 통해 지반의 변위량을 측정하고 이를 인터넷으로 전송하여, 실시간으로 데이터를 저장, 전송, 제공하는 무선통신을 이용한 실시간 모니터링 시스템을 포함한다.

따라서 현장에서 변위량을 측정하는 연동형 침하 센서의 개발, 미세한 변위에 민감하게 즉각 반응할 수 있는 센서간 연결방법, 센서의 고정방법 및 외부환경에 노출 시 변형 등에 내구성이 있는 재질의 확보가 중요한 기술에 해당한다.

또한 본 발명의 일실시예의 적용을 통하여 현장에서 측정된 센싱 데이터를 3G/4G 통신을 이용하여 서버컴퓨터로 전송하고, 데스크탑 PC, 스마트폰 계측관리 앱 등에 의한 계측 결과의 확인 및 지반 침하 등에 대한 알림 기능을 갖는 기술을 구현하는 것을 기술적 과제로 한다.

이를 위한 본 발명의 일실시예에 따른 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치의 구성은 복수 개의 센서로 구성되어, 지상에서 주기적으로 각 지점의 처짐각을 측정하여 센싱 데이터를 송신하는 센서부(100); 상기 센서부(100)가 측정한 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 베이스부(200); 상기 저장된 센싱 데이터를 실시간으로 처리 및 데이터의 시각화하도록 웹페이지를 구축하여 지반의 침하 정도를 화면에 출력하는 모니터링부(300)를 포함한다.

본 발명의 기술적 효과와 관련하여, 전술한 기술적 과제를 하기 위해서 지반 침하 계측장치의 주요 성능지표로서 상기 센서부(100)는 침하량 측정 정밀성을 1.0mm 이내로 가능하도록 하고 측정센싱범위를 최소 5mm까지일 것을 목표로 한다.

또한 센싱 데이터의 상기 데이터 베이스부(200)로의 DB전달시간은 3 sec 이하, 센싱 데이터의 상기 데이터 베이스부(200)로의 DB전달성공확률은 95%이상으로 측정하는 것을 목표로 한다. 이하 전술한 개발목표를 구현하기 위한 본 발명의 일실시예를 설명한다.

도2에 도시된 바와 같이 상기 센서부(100)는 지상에 일정한 간격을 두고 각 측정 지점에 고정적으로 설치되는 복수 개의 센서폴대(110); 상기 각 센서폴대 사이를 직렬 형태로 연결하도록 형성되며, 측정 지점에 침하가 있는 경우 발생하는 처짐각 산정을 위한 복수 개의 각변위 센서(120); 상기 각변위 센서를 유동적으로 연결하는 연결이음부(130); 및 상기 각변위 센서와 배선으로 연결되며, 센싱 데이터를 상기 데이터 베이스부로 송신하는 로거(140)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 각각의 센서부(100)의 각각의 각변위 센서(120)는 유동형으로 형성되어 부등침하에 따른 센서자체의 신축을 용이하게 하여 초기 센서길이와 부등침하에 따른 처짐각만으로 처침량을 간단하게 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다

보다 구체적으로 도4(a)에 도시된 바와 같이 상기 연결이음부(130)는 신축적으로 상기 각변위 센서(120)가 유동성을 갖도록 상기 각변위 센서(120)를 연결하여, 지반의 부등 침하에 따라 상기 센서부(120)가 처짐각의 측정이 가능하도록 한다.

상기 각변위 센서(120)는 지반의 침하정도를 보여주는 처짐각(θ)을 측정한다. 도2에 도시된 바와 같이 처짐각(θ)과 측정 현장의 지반 침하량(S)의 계산관계는 하기의 식 (1)과 같다.

(1)

상기 센서폴대(110)는 현장에서 자연환경으로부터 받는 영향을 최소화하고 상기 각변위 센서(120)를 안정적으로 지지하기 위하여 내구성을 갖고 지반에 고정되어야 한다.

따라서 도4 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일시예에 따라 상기 센서폴대(110)는 하부가 나사산 또는 스크류(Screw) 형태로 형성되어 지반에 박혀서 고정되는 것을 특징으로 한다. 또는 도시되지 않았으나, 안정성을 갖는 H 또는 X자 형태의 하부 받침 구조로 형성되어 지상에 세워져서 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기 센서폴대(110) 및 상기 센서폴대(110)에 의해 지지되는 상기 각변위 센서(120)는 현장 단면의 침하 양상의 해석 및 침하량 측정의 정밀성을 고려할 때, 약 0.5m~3m의 간격으로 연결하고, 현장 조건 등을 고려하되, 최소 5지점 이상의 상기 센서폴대(110) 및 상기 각변위 센서(120)를 설치함이 적절할 것이다.

상기 각변위 센서(120)는 상기 센서폴대(110) 사이에 직렬형태로 연결되므로, 상기 각변위 센서(120)의 일단인 측정지점에 지반 침하가 발생하는 경우에 상기 각변위 센서(120)의 처짐각이 발생한다.

다만 상기 복수의 각변위 센서(120)가 일대일(一對一) 관계의 일직선 형태로만 연결된다면, 측정 현장에서의 침하가 광범위하게 발생하는 경우 등에 침하의 발생지점의 계측에 어려움이 있을 수 있으며 및 해당 지점 침하량의 정밀한 계측에 있어 오류가 발생할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 상기 센서부(100)는 상기 복수 개의 각변위 센서(120)가 다대다(多對多)의 연결관계를 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 복수 개의 각변위 센서(120)가 일대일(一對一)의 연결관계를 갖는 경우와 비교하여 보다 정밀하고 다각적인 침하 발생지점 및 침하량의 계측이 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 각변위 센서(120)는 전기저항 소자를 이용하여, 발생하는 전압 및 전류의 변화량을 통해 처짐각을 산정하는 전기저항식 센서로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

보다 구체적으로는 상기 각변위 센서(120)의 일측에 침하가 발생하는 경우, 직렬형태로 연결된 상기 각변위 센서(120)에 처짐이 생기고, 이에 따라 상기 각변위 센서(120) 내에 발생하는 전압차이를 측정하게 된다.

다만, 이는 상기 각변위 센서(120)의 태양을 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 진동형 센서, 멤스기울기센서, 광섬유센서, 압력센서 등의 다양한 지반 경사계 센서로서 대체하여 적용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 센서부(100)의 성능지표로서 침하량 측정단위의 정밀성 및 측정센서 범위는 실내실증실험을 통해 입증된다. 구체적인 실내실증실험의 방법 및 결과는 다음과 같다.

침하량 측정단위의 정밀성에 대한 목표치는 1mm 이내이므로 이를 입증하기 위하여 가상적인 지반침하(변위) 5mm와 10mm로 각각 유도한 후 두 개의 다른 센서를 이용하여 정밀성을 교차하여 실증하고자 하였다.

구체적으로는 제작된 상기 각변위 센서(120) 5개를 6개의 상기 센서폴대(110) 사용하여 직렬형태로 연결하고, 상기 각변위 센서(120)를 통하여 측정된 센싱 값의 정밀성을 분석하기 위하여 상기 각변위 센서(120)의 높이를 1mm, 5mmm, 10mm로 각각 설정한다.

상기 각변위 센서(120)는 배선을 통하여 데이터방식을 변환해주는 먹스를 거쳐 통신장비(CDMA)가 연결된 로거(140)에 연결한다. 이후 상기 각변위 센서(120) 별로 측정되는 변위 값을 1분만다 총 30분간 측정하여, 설정된 높이 별로 각각 측정된 자료의 오차를 확인한다.

이후 타변위 센서를 상기 각변위 센서(120) 위에 고정하여 설치하며, 전술한 바와 같은 방법으로 측정하고 상기 각변위 센서(120)와 상기 타변위 센서와의 측정오차를 교차하여 비교한다.

측정센싱 범위와 관련하여 본 발명의 일실시에에 따른 상기 센서부(100)는 최소 5mm의 센싱 범위 즉, ±0.55°의 각 변위를 정밀하게 측정하는 것을 목표로 한다.

기존의 관련센서로는 최저의 경사 측정이 가능한 경사측정기로서 배수관 구배측정을 위한 용도로 사용되는 Trusco사의 포켓 구배계(±2.5mm/m)가 있으며, 지반 침하의 목적으로는 RoHS사의 DPL/DPN Series Inclinometer(±2°, ±5°, ±10°), AAL Series Inclinometer(±2°) 등이 있다. 이 관련 제품들의 최소 측정범위는 ±2°의 변위가 측정 가능하다.

또한 배수 조건의 모의실험을 위하여 도5에 도시된 바와 같이 상기 실내 모의 테스트 장치를 제작하였으며, 상기 테스트 장치 상부에 설치된 노즐을 통하여 테스트 장치 내 강우조건을 설정하였다.

상기 실내모의 테스트 장치 내에 하부의 약 15cm 높이는 사이즈가 30mesh 에서 60mesh인 자갈로 채우고, 상부는 입자사이즈가 균일한 주문진사의 주문진 5호사로 채운다. 자갈과 모래의 최종 높이는 37.5cm에서 38cm의 범위로 설정한다.

상기 실내모의 테스트 장치 상부에 설치된 안개분사형 노즐을 이용하여 분당 약 10mm의 강우조건을 설정하고, 이후 변위값을 측정한다. 상기 전기저항식 센서에 의한 측정값은 하기의 식 (2)을 이용하여 단위를 mV에서 각도(degree)로 환산한다.

(2)

이후 변환된 각도(degree)를 하기의 식 (3)의 tan 함수를 이용하여 침하량 단위를 길이(cm)로 환산하고, 변환된 변위길이 값을 후술하는 방법에 따라 그래프로 도시하여 침하 양상을 확인한다.

(3)

본 발명의 일실시예가 적용된 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치에 대한 실내실증 실험에 따른 침하량 측정단위의 정밀성 및 측정센싱 범위의 결과는 도6의 도시된 표를 통해 이해할 수 있다.

측정 및 환산된 값을 살펴보면, 1mm, 5mm, 10mm의 환산된 변위길이(Changed Value 2)의 범위는 각각 0.3~0.8 mm, 5.2~5.6 mm, 10.2~10.6 mm이며, 1mm에서 최대 0.5mm의 매우 적은 변동범위를 보인다. 또한 설정된 높이를 기준으로 최대 -0.7mm, +0.6mm, +0.6mm의 오차범위를 보인다.

즉, 1mm, 5mm, 10mm의 변위가 발생하였을 때의 환산된 변위길이가 1mm 미만의 최대 오차범위를 보이므로 침하량 측정단위 정밀성의 목표인 1mm 측정도 정밀하게 가능하다.

또한 타변위 센서와 정확성을 비교하면, 타변위 센서의 최대 오차는 -1.0, -.052, +6.00m의 값을 보이고, 제작된 센서는 설정높이와의 최대오차가 -0.7mm, +0.6mm, +0.6mm로 타변위센서와 비교하여 설정된 높이와의 오차값이 양호한 것을 확인할 수 있다.

측정센싱 범위와 관련하여 실내실험 결과 1mm, 5mm의 변위가 발생하였을 시 인위적인 변위 길이값과 비교하여 최대 오차범위가 1mm를 초과하지 않으므로, 측정센싱 범위의 목표인 최소 5mm보다 작은 1mm까지도 측정센싱 범위임을 입증한다.

배수 환경에 따른 중앙배출구에서만 지반 침하를 유도한 결과, 도7에 도시된 바와 같이 초기에 최대 -0.05cm의 침하와 함께 전반적인 침하양상을 보이며, 시간이 지날수록 중앙배출구에 위치한 13채널에서 최대 -0.16cm의 침하된 변화값을 보인다. 또한 시간에 따른 지반침하 변화양상을 보인다.

본 발명은 무선통신을 위해 C++ Socket 통신 프로그램을 제작하여 센싱 데이터를 MySQL table에 저장될 수 있도록 하는 무선통신을 구축하는 기술을 포함한다.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따라, 상기 데이터 베이스부(200)는 무선통신을 위한 소켓 통신 프로그램을 더 포함하며, 상기 소켓 통신 프로그램을 통하여 상기 센서부(100)로부터 송신된 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로는 C++언어를 사용하도록 Visual Studio 설치하고 MySQL과 Socket통신을 사용 가능하도록 library 위치 등을 설정한다. 상기 센서부(100)는 Internet TCP/IP 통신을 사용하여 센싱 데이터를 송신하고, 이를 상기 데이터 베이스부(200)는 상기 C++ 소켓Socket 통신을 통해 수신한다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 소켓 통신 프로그램은 상기 센서부(100)로부터 수신한 센싱 데이터를 데이터의 형식에 맞게 구분하여 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 한다. 구체적으로는 C++ Socket 통신 프로그램은 MySQL과 연동하여, 수신한 데이터를 데이터의 형식에 맞추어 MySQL 데이터 베이스에 저장한다.

다만, 이상 데이터가 잘못 저장되는 문제로 인해 웹 서버에 잘못된 출력이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 상기 소켓 통신 프로그램은 잘못된 데이터를 수신하여 저장하는 것을 방지하기 위하여, 송신된 센싱 데이터의 마지막 구분자를 검사하여 올바른 센싱 데이터만을 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 한다.

구체적으로는 상기 소켓 통신 프로그램에서 송신된 센싱 데이터 마지막 구분자에 '58'을 통하여 수신된 센싱 데이터를 검사하여 맞는 데이터만 저장되도록 구현할 수 있다.

또한 무선통신의 경우 3G/4G 이용자가 많은 지역에서 유실이 생길 가능성이 높다는 문제가 있다. 유실에 따라서 송신이 완료되었음을 알리는 FIN/ACK가 유실되면 그에 따라 수신프로그램에서 무한대기가 일어날 수 있다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 상기 소켓 통신 프로그램은 무한대기가 일어나지 않도록 제어하기 위하여 논블로킹 모드(non_blocking mode)로 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 소켓 통신 프로그램은 무한대기가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 수신 대기상태가 일정 시간이 경과하는 경우에는 수신 대기를 벗어나도록 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 소켓 통신 프로그램은 1회에 송신된 데이터의 개수가 2개 이상인 경우에 상기 송신된 데이터의 개수를 파악하여 연속적으로 저장할 수 있도록, 상기 송신된 데이터의 길이를 통해 구분하여 정하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따라 상기 모니터링부(300)는 현장의 지반 상태의 통합적인 처짐각을 시각화하기 위하여, 상기 데이터 베이스부(200)에 저장된 센싱 데이터를 통하여 각 센서 별 처짐각을 계산하고, 이를 라인 차트(Line chart)에 적용하여 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 한다. 이하 구체적인 웹페이지 구축 방법을 설명한다.

현재 웹 서버 구축에 이용되는 프로그래밍 언어는 PHP, JSP, C#, HTML 등 여러 가지만 존재하지만 스마트폰 앱을 사용에 용이한 Apach Tomcat 사용을 위해 JSP를 적용한다. 이에 따라 센싱 데이터를 저장하는 상기 MySQL과 JSP를 사용 가능한 Apache Tomcat을 연동한다.

이를 위해 연동하기 전에 상기 데이터 베이스부(200)를 연결해주는 응용프로그램 JDBC을 작동시키기 위해 MySQL-connector를 설치하고, 이후 프로그래밍 언어 JSP를 이용하여 JDBC에 MySQL의 URL과 port를 설정으로 Apache Tomcat과 MySQL을 연동하며, 프로그래밍 언어 JSP를 사용하여 MySQL에 접근 가능 소스 코드를 작성한다.

웹 서버 개발환경 구축이 완료되면 실시간 데이터 처리 및 데이터 시각화를 진행한다. 상기 MySQL에 저장된 데이터를 각 센서별 특정 계산식을 적용하여, 도8에 도시된 바와 같이 라인 차트(Line chart)로서 지반의 침하양상을 시각화한다.

측정 지점 지반의 초기상태와 현재상태를 동시에 라인 차트(Line chart)에 함께 시각화하여, 이를 비교 가능하도록 구현할 수 있다. 종래에는 HTML5의 Canvas 기능으로 라인 차트(Line chart)를 구현하였지만, 현재에는 JavaScript를 이용하여 자연스러운 라인 차트(Line chart)를 구현할 수 있다.

또한 상기 라인 차트(Line chart)를 적용하여 센싱 데이터를 시각화한 웹 페이지는 실시간으로 관리자에게 제공될 필요가 있다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 상기 모니터링부(300)는 상기 라인 차트(Line chart)가 일정 시간, 약 5분 간격으로 업데이트가 되도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 한다.

다만, 상기 데이터 베이스부(200)에 저장된 센싱 데이터에 대하여 특정 처짐각 계산식을 이용하여 처짐각을 구하기 위하여는 char 형태로는 계산식을 이용할 수 없고 실수형인 float형이나 double형이여야 한다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 상기 모니터링부(300)는 상기 센싱 데이터를 실수형으로 변경한 후 상기 각 센서 별 처짐각을 계산하도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 모니터링부(300)는 날짜, 센서, 채널 등으로 구분하여 검색이 가능하도록 웹 페이지를 더 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다. 실시예는 도9과 도10에 의해 도시된다.

도9에 도시된 바와 같이 검색 시에 각각의 각변위 센서(120)에 맞게 센서번호, 채널, 날짜, 시간, 온도, 처짐각 및 침하량을 화면에 출력되는 웹페이지를 구축할 수 있다. 도10에 도시된 바와 같이 날짜 별로 통합 처짐각을 라인 차트(Line chart)로서 확인 가능하도록 날짜 별 상태의 검색 웹 페이지를 구축할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 모니터링 부는 상기 센서부(100)의 각 센서별 초기값과 계산식을 출력하는 웹 페이지를 더 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 실시예는 도11에 의해 도시된다.

도11에 의해 도시된 바와 같이 각 각변위 센서(120)간 간격, 초기값, 계산식을 확인할 수 있으며, 각변위 센서(120)간 간격, 초기값, 계산식이 변경되면 바로 확인이 가능하도록 웹페이지가 구축될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일실시예를 적용하여, 주요성능 지표로서 센싱 데이터의 DB 전달시간과 센싱 데이터의 DB 전달신뢰성을 측정한 결과는 하기와 같다.

센싱 데이터의 DB 전달시간은 센서에서 측정된 데이터가 DB에 저장되는 시점까지의 시간을 의미한다. 본 발명의 일실시예에 따라 상기 센서부(100)의 측정값이 상기 데이터 베이스부(200)에 기록되는 시간을 200회 이상 측정하여, 개발목표인 3초 이내인지 검증을 진행하였다.

시험 검증 결과는 본 발명의 일실시예가 적용되는 경우 센싱 데이터 DB 전달시간은 개발목표인 3초 이내인 평균 2.83초로 측정되었다.

센싱 데이터의 DB 전달신뢰성은 센서의 처짐각 데이터들이 안정적으로 DB에 저장되는지에 대한 지표를 의미한다. 본 발명의 일실시예에 따라 상기 센서부(100)에서 측정되는 약 1,000개 이상의 데이터들이 상기 데이터 베이스부(200)에 저장 성공률을 측정하여, 개발목표인 95% 이상인지 검증을 진행하였다.

시험 검증 결과는 본 발명의 일실시예가 적용되는 경우 총 52시간 이상 동안 1,041개를 전송하였고 1,006개가 수신되었다. 결과적으로 센싱 데이터의 DB 전달신뢰성은 개발목표인 95% 이상인 96.64%로 검증되었다. 이는 실시간 모니터링이라는 특성 상 매우 양호한 전달성공확률에 해당한다.

본 발명의 또다른 기술적 특징은 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 이용한 침하 측정방법에 있어서, 상기 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치는 상기 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 각변위 센서(120)를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치 중 어느 하나인 것으로 하는 각변위 센서(120)를 이용한 연동형 침하 측정방법에 있다.

보다 구체적인 본 발명의 일실시예에 따른 구성은, 도12에 도시된 방법흐름도와 같이 a) 복수 개의 각변위 센서(120)를 이용하여 각 지점의 처짐각 데이터를 측정하는 단계; b) 상기 센싱 데이터가 인터넷 통신을 통하여 전달되는 단계; c) 데이터 베이스부(200)가 상기 센싱 데이터를 소켓 통신 프로그램을 통하여 수신하고, 데이터 형식에 맞게 저장하는 단계; d) 저장된 상기 센싱 데이터를 통하여 각 센서별 처짐각을 계산하여 지반의 침하량이 도출되는 단계; e) 상기 도출된 침하량이 라인 차트(Line chart)로 적용되어 구축된 웹 페이지를 통해 출력되는 단계를 포함한다.

이에 따라 본 발명은 기술 개발 목표로 하였던 바와 같이 침하량 측정 정밀성을 1mm이내로 가능하도록 하고, 측정센싱 범위를 5mm까지 측정하며, 센싱데이터의 DB 전달시간 3sec 이하, 센싱데이터의 DB 전달성공확률 95%이상의 성능지표를 갖는 기술적 효과를 구현한다.

기존 산업현장에서 사용되었던 각변위 센서 측정시스템의 경우 센서로부터 받은 센싱 데이터를 원격 PC에 응용프로그램을 설치하는 경우에만 통신이 가능했으나, 본 발명은 웹 기반 프로그래밍으로 개발되었기 때문에 모든 OS 종류에 동작하며, 모바일 기기에서도 실시간으로 센싱 데이터를 수신받을 수 있다.

따라서 상기의 기술적 특징에 따라 본 발명은 개착 또는 비개착에 의한 지하구조물 건설에 따른 정밀한 측정과 실시간으로 데스크탑 PC, 스마트폰 계측관리 앱에 의한 계측결과 확인 및 알림 기능의 기술 개발에 기반이 될 수 있을 것이다.

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 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 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 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.

100: 센서부
110: 센서폴대
120: 각변위 센서
130: 연결 이음부
140: 로거
200: 데이터 베이스부
300: 모니터링부

Claims (11)

1. 복수 개의 센서로 구성되어, 지상에서 주기적으로 각 지점의 처짐각을 측정하는 센서부;
   상기 센서부가 측정한 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 데이터 베이스부;
   상기 저장된 센싱 데이터를 실시간으로 처리하고, 처리한 센싱 데이터를 시각화하도록 웹페이지를 구축하여 지반의 침하 정도를 화면에 출력하는 모니터링부를 포함하며,
   상기 센서부는 지상에 일정한 간격을 두고 각 측정 지점에 고정적으로 설치되는 복수 개의 센서폴대; 상기 각 센서폴대 사이를 직렬 형태로 연결하도록 형성되며, 측정 지점에 침하가 있는 경우 발생하는 처짐각 산정을 위한 복수 개의 각변위 센서; 상기 각변위 센서를 유동적으로 연결하는 연결이음부; 및 상기 각변위 센서와 배선으로 연결되며, 센싱 데이터를 상기 데이터 베이스부로 송신하는 로거를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 각변위 센서는
   전기저항 소자를 이용하여 각변위를 검출하는 전기저항식 센서로 구성되어, 상기 각변위 센서의 일단에 처짐이 발생하는 경우에 전압차이를 측정하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 베이스부는
   무선통신을 위한 소켓 통신 프로그램을 포함하며,
   상기 소켓 통신 프로그램을 통하여 상기 센서부로부터 송신된 센싱 데이터를 수신하여 저장하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 소켓 통신 프로그램은
   수신한 센싱 데이터를 데이터의 형식에 맞게 구분하여 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 소켓 통신 프로그램은
   잘못된 데이터를 수신하여 저장하는 것을 방지하기 위하여,
   송신된 센싱 데이터의 마지막 구분자를 검사하여 올바른 센싱 데이터만을 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 소켓 통신 프로그램은
   무한대기가 발생하는 것을 방지하기 위하여,
   논블로킹 모드(non_blocking mode)로 구현되는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 소켓 통신 프로그램은
   무한대기가 발생하는 것을 방지하기 위하여,
   수신 대기상태가 일정 시간이 경과하는 경우에는 수신 대기를 벗어나도록 구현되는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
8. 제3항에 있어서,
   상기 소켓 통신 프로그램은
   송신된 데이터의 개수가 2개 이상인 경우,
   상기 송신된 데이터의 개수를 파악하여 연속적으로 저장할 수 있도록
   상기 송신된 데이터의 길이를 통해 구분하여 저장하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 모니터링부는
   현장의 지반 상태의 통합적인 처짐각을 시각화하기 위하여,
   상기 데이터 베이스부에 저장된 센싱 데이터를 통하여 상기 각 센서 별 처짐각을 계산하고, 이를 라인 차트(Line chart)로 적용하여 출력되도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링부는
    상기 센싱 데이터를 실수형으로 변경한 후 상기 각 각변위 센서 별 처짐각을 계산하도록 웹 페이지를 구축하는 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치.
    
11. 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정방법에 있어서,
    a) 복수 개의 각변위 센서가 각 지점의 처짐각 데이터를 측정하는 단계;
    b) 상기 센싱 데이터가 인터넷 통신을 통하여 데이터 베이스부로 전달되는 단계;
    c) 상기 데이터 베이스부가 센싱 데이터를 소켓 통신 프로그램을 통하여 수신하고, 데이터 형식에 맞게 저장하는 단계;
    d) 저장된 센싱 데이터를 통해 각 센서별 처짐각을 계산하여 지반의 침하량이 도출되는 단계;
    e) 상기 도출된 침하량을 라인 차트(Line chart)로 적용되어 구축된 웹 페이지를 통해 화면에 출력되는 단계를 포함하며,
    상기 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정장치인 것을 특징으로 하는 각변위 센서를 이용한 연동형 지반 및 구조물 침하 측정 방법.
    
    

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