KR20200089570A - 노면 상태 진단 방법 - Google Patents

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KR20200089570A
KR20200089570A KR1020190006474A KR20190006474A KR20200089570A KR 20200089570 A KR20200089570 A KR 20200089570A KR 1020190006474 A KR1020190006474 A KR 1020190006474A KR 20190006474 A KR20190006474 A KR 20190006474A KR 20200089570 A KR20200089570 A KR 20200089570A
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최재원
한정현
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신민규
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 노면 상태 측정 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 저가/소형화된 노면장치 측정 장치를 사용하여 노면 상태를 실시간으로 업데이트 가능한 노면 상태 진단 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서; 상기 운송수단의 현재위치를 감지하는 GPS 및; 상기 가속도센서로부터 x축, y축 및 z축 방향 가속도 값을 수신하고, GPS로부터 운송수단의 현재위치를 수신하여 메모리에 저장시키는 제어부를 포함하여; 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 주파수 영역으로 변환하여 분석하도록 제공하는, 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템을 이용하는 노면 상태 진단 방법에 있어서, 상기 노면 상태 진단 시스템은, 도로망에 소정의 거리마다 설치되어 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하는 비콘 및; 상기 비콘으로부터 데이터를 수신하여 데이터를 수집 및 분석하는 관제서버를 포함하고; 상기 노면 상태 측정 장치에서 가속도 값을 측정하는 데이터 측정단계; 상기 데이터 측정단계 후, 메모리에 가속도 값 및 위치 값을 저장시키는 데이터 저장단계; 상기 데이터 저장단계 후, 비콘을 거쳐 관제서버로 데이터를 전송하는 데이터 전송단계; 상기 데이터 전송단계 후, FFT 및 PSD로 가속도 값을 변환하는 데이터 변환단계; 상기 데이터 변환단계 후, 변환된 데이터를 통해 도로의 등급을 구분하는 노면상태 진단단계; 상기 노면상태 진단단계 후, 관제서버 디스플레이에 도시된 지도상에 도로의 등급별 상태를 색상을 달리하여 표기하는 노면 도식화단계; 상기 노면 도식화단계 후, 불량 상태의 도로 또는 점검/포장/보수 이력이 소정의 기간 이상을 경과한 도면에 대하여 점검 대상 알림을 도시하는 점검대상 알림단계; 상기 점검대상 알림단계 후, 특정 도로에 대한 점검/포장/보수 정보가 입력되면 해당 정보를 관제서버 데이터베이스에 업데이트하여 디스플레이에 도시하는 포장/보수 입력단계;를 포함하는, 노면 상태 진단 방법을 제공한다.

Description

노면 상태 진단 방법{Road surface condition diagnosis method}
본 발명은 노면 상태 진단 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 차량 또는 전동킥보드 등에 가속도센서와 GPS를 부착하고, 센싱값을 가공하여 특정 경로에서 노면 상태를 측정/진단하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 도로 재포장에 대한 문제가 급증하고 있다. 도로의 노후화로 인해 균열과 파열이 발생하는데, 노후화된 도로에 대한 명확한 재포장 주기가 없는 실정이다.
도로 재포장에 따른 비용은 상당하고, 노면 상태는 차량의 승차감은 물론이며 교통안전 문제에도 큰 영향을 미치기 때문에 도로포장에 대한 효율적인 예산 집행을 위해서는 노면 상태에 진단에 대한 기준을 확립할 필요가 있다.
종래의 노면 상태 진단 방법은 특수 차량을 이용하거나, 노면을 직접 찍어 분석해야 하는 등 비용이 많이 들었다. 또한 기존 노면 상태 측정기는 속도가 너무 느려서 특정한 노면을 부분적으로만 측정할 수 있었다.
국내등록특허 제10-1883295호에는 초음파 센서를 통해 노면 상태를 감지하는 감지기를 개시하고 있으며, 국내공개특허 특2001-0072595호에는 레이저를 조사하여 노면 상태를 측정하는 장치를 개시하고 있다.
상기와 같은 노면 상태 측정 장치는, 노면 상태를 정확하게 측정할 수 있으나 넓은 지형의 노면을 측정하는 데는 현실적으로 한계가 있다. 예를 들어 대한민국 국도 전체의 노면 상태를 확인하려면, 국도 전체에 해당 시스템을 설치하거나, 해당 장비를 보유한 차량 등으로 전국 국도를 순회해야 하므로 시간 및 비용이 비현실적으로 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 노면 상태 측정하는 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 저가/소형화된 노면장치 측정 장치를 사용하여 노면 상태를 실시간으로 업데이트 가능한 노면 상태 진단 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 노면 상태 측정 방법의 문제점을 해결하기 위해, 운송수단의 일측에 구비되는 노면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서; 상기 운송수단의 현재위치를 감지하는 GPS 및; 상기 가속도센서로부터 x축, y축 및 z축 방향 가속도 값을 수신하고, GPS로부터 운송수단의 현재위치를 수신하여 메모리에 저장시키는 제어부를 포함하여; 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 주파수 영역으로 변환하여 분석하도록 제공하는, 노면 상태 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기와 같은 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템에 있어서, 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하여, FFT 및 PSD를 통해 시간 영역의 측정 값을 주파수 영역으로 변환하고; 20 Hz 내지 100 Hz 영역에서, 0.05 내지 0.02
Figure pat00001
에서 형성되는 T1, 0.009 내지 0.004
Figure pat00002
에서 형성되는 T2를 기준으로, 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 이상인 경우 노면 상태 불량, 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 미만 T2 초과인 경우 노면 상태 보통, 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T2 이하인 경우 노면 상태 양호로 판단하는, 노면 상태 진단 시스템을 제공한다.
그리고, 상기와 같은 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템에 있어서, 도로망에 소정의 거리마다 설치되어 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하는 비콘 및; 상기 비콘으로부터 데이터를 수신하여 데이터를 수집 및 분석하는 관제서버를 포함하는, 노면 상태 진단 시스템을 제공한다.
아울러, 운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서; 상기 운송수단의 현재위치를 감지하는 GPS 및; 상기 가속도센서로부터 x축, y축 및 z축 방향 가속도 값을 수신하고, GPS로부터 운송수단의 현재위치를 수신하여 메모리에 저장시키는 제어부를 포함하여; 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 주파수 영역으로 변환하여 분석하도록 제공하는, 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템을 이용하는 노면 상태 진단 방법에 있어서, 상기 노면 상태 진단 시스템은, 도로망에 소정의 거리마다 설치되어 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하는 비콘 및; 상기 비콘으로부터 데이터를 수신하여 데이터를 수집 및 분석하는 관제서버를 포함하고; 상기 노면 상태 측정 장치에서 가속도 값을 측정하는 데이터 측정단계; 상기 데이터 측정단계 후, 메모리에 가속도 값 및 위치 값을 저장시키는 데이터 저장단계; 상기 데이터 저장단계 후, 비콘을 거쳐 관제서버로 데이터를 전송하는 데이터 전송단계; 상기 데이터 전송단계 후, FFT 및 PSD로 가속도 값을 변환하는 데이터 변환단계; 상기 데이터 변환단계 후, 변환된 데이터를 통해 도로의 등급을 구분하는 노면상태 진단단계; 상기 노면상태 진단단계 후, 관제서버 디스플레이에 도시된 지도상에 도로의 등급별 상태를 색상을 달리하여 표기하는 노면 도식화단계; 상기 노면 도식화단계 후, 불량 상태의 도로 또는 점검/포장/보수 이력이 소정의 기간 이상을 경과한 도면에 대하여 점검 대상 알림을 도시하는 점검대상 알림단계; 상기 점검대상 알림단계 후, 특정 도로에 대한 점검/포장/보수 정보가 입력되면 해당 정보를 관제서버 데이터베이스에 업데이트하여 디스플레이에 도시하는 포장/보수 입력단계;를 포함하는, 노면 상태 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 기존 운행중인 운송수단에 부착하는 것으로 노면 상태를 측정 및 분석할 수 있어서, 공공 시스템(노면 분석 및 노면 관리)의 도입비용 및 도입절차/시간을 획기적으로 절감시킬 수 있다.
또한, 운송수단이 이동함에 따라 실시간으로 노면상태를 업데이트할 수 있어서, 기존 노면 상태 측정 방법 및 장치에 비해 정보의 정확성이 높다.
그리고, 노면상태의 단계별 등급을 확인하는 것으로, 특정 위치의 노면에 대해 어떠한 관리가 필요한 지를 안내할 수 있다.
아울러, 도로의 고도 및 고도변화율을 측정하여 운전자에게 운행의 난이도 및 위험도 정보를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 장치의 데이터값을 분석한 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 장치의 구성요소를 나타낸 개요도이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 시스템에서 노면 상태를 진단하는 기준을 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 시스템에서 노면에서 속도를 달리하여 측정한 데이터에 대한 PSD를 나타낸 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 시스템에서 측정된 PSD의 가이드를 위로 감싸도록(Upper envelope) 피팅한 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 시스템에서 같은 속도에서 다른 도로의 PSD를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 7 은 도 6 의 그래프에서 가이드 위쪽을 피팅한 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 진단 방법의 순서도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
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어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될수 있다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
1. 고속 푸리에 변환
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)은 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier transform, DFT)과 그 역변환을 빠르게 수행하는 효율적인 알고리즘이다. FFT는 디지털 신호 처리에서 편미분 방정식의 근을 구하는 알고리즘에 이르기까지 많은 분야에서 사용한다.
Figure pat00003
이 복소수라고 가정할 때, DFT는 다음과 같이 정의한다.
Figure pat00004
Figure pat00005
이 식을 정의에 따라 계산하면 O(
Figure pat00006
)의 연산이 필요하지만, FFT를 이용하면 O(
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
)의 연산만으로 가능하다.
Figure pat00010
이 합성수일 경우 그 소인수 분해를 이용하여 연산횟수를 줄일 수는 있지만, FFT를 사용하면
Figure pat00011
이 소수일 경우에도 O(
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
)번의 연산횟수를 보장한다.
2. 에너지 스펙트럼 밀도
에너지 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density, PSD)는 신호의 전력 함량 대 주파수를 측정하는 단위이다. PSD는 일반적으로 광대역 무작위 신호를 특징짓는 데 사용된다. PSD의 진폭은 신호를 디지털화하는 데 사용되는 스펙트럼 분해능에 의해 표준화된다. 다시 말해 PSD는 시간 함수로 표현되는 에너지를 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 주파수 함수로 변환하였을 경우, 각 주파수 별 에너지의 크기를 나타낸다. 지진파를 통해 전달되는 시간함수의 에너지를 주파수 함수로 변환하였을 경우, 주파수 함수로 표현된 에너지 분포를 의미한다. 밀도라는 용어가 의미하듯이 각 주파수 별 에너지 값을 모든 주파수에 대하여 합산을 하게 되면 외란을 통해 전달되는 총 에너지를 구할 수 있다. 에너지 스펙트럼 밀도는 전자기, 음향학, 구조진동 등과 같이 외란에 의한 물체의 거동을 다루는 공학분야에서 많이 사용되고 있다.
진동 데이터의 PSD의 경우 [g^2/Hz]의 진폭 단위를 사용한다. 이 단위는 처음에는 직관적으로 보이지 않을 수 있지만, 무작위 데이터가 이 데이터를 측정하는 데 사용되는 스펙트럼 분해능과 독립적으로 중첩되고 비교될 수 있도록 해준다.
3. 나이퀴스트 정리
한정된 대역의 주파수를 갖는 함수의 경우, 적절한 샘플링 간격을 취하면 샘플링 과정에서 아무런 정보의 유실도 없이 완전하게 재생될 수 있다는 이론이다. 이 때 특정 주파수 성분의 한 사이클을 제대로 나타내기 위해서는 적어도 2개 이상의 샘플이 있어야 한다. 이를 Shannon 정리, Nyquist 정리라고도 한다.
Nyquist 정리에 의하면 Sampling 주파수
Figure pat00015
는 신호의 최대주파수 성분의 두 배 이상이 되어야 한다. 이는
Figure pat00016
/2 이상의 주파수 성분에서는 중첩(Folding) 현상이 발생하여 Aliasing 현상이 발생하기 때문이며, 이때
Figure pat00017
/2를 중첩(Folding) 주파수 또는 Nyquist 주파수라 부른다.
디지털 신호 분석(Digital Signal Processing)에서, 입력 신호를 ADC(Analog Digital Converter)에 의하여 디지털화할 때 N개의 이산값(Discrete Value)으로 기록된다.
Sampling 주파수(
Figure pat00018
), Nyquist 주파수(
Figure pat00019
), 분해능 주파수(Frequency Resolution,
Figure pat00020
) 사이의 기본적인 관계식은 다음과 같다.
Figure pat00021
Figure pat00022
실험적으로 측정된 가속도 데이터의 주파수 영역에서의 해석을 진행한다. 센서의 Sampling time은 실제 스펙시트에 나와 있는 값과 차이를 보이므로 실험 진행 시간을 토대로 역으로 Sampling time을 구하여 신호 해석을 진행한다.
실험에서 얻은 데이터를 위의 이론들을 참고하여 분석하였으며, 이 과정에서 노면 분류를 위해 참고한 기준은 ISO, IRI 노면 거칠기 기준 등이 있다.
4. Matlab 해석
Matlab 해석에서는 실험에서 얻은 시간에 따른 가속도 데이터를 FFT로 변환한 후 다시 PSD로 변환하였다. 서로 다른 노면에서의 데이터를 비교하기 위해 signal data를 guide와 함께 분류하였다. 노면의 분류에는 PSD 데이터를 사용하였으며, 면밀한 분류를 위해 ISO의 분류 방법에서 착안하여, 좀 더 면밀한 상태 진단을 할 수 있도록 하였다.
해석에 사용한 FFT 및 PSD의 매트랩 코드는 다음과 같다.
%Compute FFT & PSD
Fs = fActual; % Actual sample rate of the data in Hertz
x = datalist(:,2); % z - axis accleration data
N = length(x); % total length of x
freq = 0:Fs/length(x):Fs/2; %frequency bins (nyquist rule)
xdft = fft(x); % Fast-Fourier-Transfrom
xdft = xdft(1:floor(N/2)+1);
psdx = (1/(Fs*N)) * abs(xdft).^2; % amplitude of FFT^2 divided by Hz (PSD)
psdx(2:end-1) = 2*psdx(2:end-1);
psdx = psdx';
xdft = 1/length(x).*xdft;
xdft(2:end-1) = 2*xdft(2:end-1);
xdft = xdft';
phase = unwrap(angle(xdft)); % phase
xdft = abs(xdft); % amplitude
5. 차량 속도에 따른 PSD값 비교
본 발명의 실시 예에서는, 가속도값을 더 정확하게 측정할 수 있도록 가속도센서를 전동킥보드에 부착하여 데이터를 측정하였다. 본 발명이 적용될 수 있는 운송수단에는, 자동차, 궤도차량, 자전거, 오토바이, 전동킥보드 등 지면(노면)과 접촉하며 이동하는 육상 운송수단이 포함될 수 있다.
도 4의 그래프는 각각의 노면(도 4a, 도4b)에서 속도를 달리하여 데이터를 측정하였을 때 주파수에 따른 PSD 값이 어떻게 변화했는가를 해석한 실험결과이다. 속도가 빨라질수록 그 값이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 저주파(1
Figure pat00023
30
Figure pat00024
)에서 그 차이가 두드러지는 것을 확인할 수 있다. 고주파 영역의 경우, 그래프가 많이 겹쳐 보임을 확인할 수 있다.
좀 더 원활한 비교를 위해, 도 5와 같이 PSD를 위로 감싸는 guide를 피팅해서 이를 통한 비교를 하였다. 이를 통해 속도가 증가하면 증가할수록 가속도 데이터의 PSD 값이 커지는 것을 확인할 수 있다.
이때, 측정된 데이터에 따라 차이가 크지 않은 경우도 존재했다. 하지만 이 경우에도 역시 속도가 커짐에 따라 PSD 값이 증가하는 경향을 보여준다.
6. 노면 상태에 따른 PSD값 비교
앞의 결과로 속도가 PSD의 값에 영향을 미친다는 것을 알았으므로, 같은 속도로 달린 데이터들끼리 비교하기 위해 15km의 속도로 측정한 데이터의 PSD를 비교한다. 도 6을 보면 노면이 거칠수록 PSD값이 크게 나타남을 확인할 수 있으나, 그래프가 겹쳐 보여 이를 확인하기 힘들다. 따라서 guide 분석을 통해 다시 그래프를 그리면 도 7과 같다. 이때, 그래프의 특성을 가장 잘 나타내는 주파수인 20
Figure pat00025
100Hz에서의 그래프 도시하였다.
그래프를 통해 A는 아주 상태가 좋은 도로, 그리고 B와 E는 상태가 보통인 도로 마지막으로 C와 D는 상태가 좋지 않은 도로인 것을 확인할 수 있다.
도 7에 나타난 노면별 PSD값은 표 1과 같다.
노면 PSD[
Figure pat00026
]
A 0.002~0.001
B 0.02~0.011
C 0.06~0.035
D 0.09~0.05
E 0.011~0.006
7. 노면 분류 기준 설정
실제 노면상태와 PSD값 비교를 통해 노면 분류 기준을 다음 표 2와 같이 설정할 수 있다. 노면 상태 측정/변환 값이 T1 이상일 때 불량, T1~T2 사이일 때 보통, T2 이하일 때 양호한 것으로 볼 수 있다.
Threshold(기준) PSD[
Figure pat00027
]		 상태
T1 0.05~0.02 Poor-Good
T2 0.009~0.004 Good-excellent
상기 기준값은 도 3과 같이 도시할 수 있다. 도 3에 예시된 A 도로는, T1과 T2 사이에 위치해 있으므로 도로 상태가 보통이라고 볼 수 있다.
8. 실시 예
본 발명의 실시 예에 따르면, 운송수단의 일측에 구비되는 노면 상태 측정 장치에 있어서, 상기 운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서; 상기 운송수단의 현재위치를 감지하는 GPS 및; 상기 가속도센서로부터 x축, y축 및 z축 방향 가속도 값을 수신하고, GPS로부터 운송수단의 현재위치를 수신하여 메모리에 저장시키는 제어부를 포함하여; 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 주파수 영역으로 변환하여 분석하도록 제공하는, 노면 상태 측정 장치를 제공한다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 노면 상태 측정 장치의 구성요소를 나타낸 개요도이다. 아두이노 우노 보드(제어부), HC-06(블루투스 모듈, 통신부), MPU-6050(가속도센서) 및 배터리를 사용하여 장치를 제작하였다.
저장된 데이터를 분석할 수 있도록, 분석용 컴퓨터 등에 데이터를 전송할 수 있도록 유선/무선 통신수단이 구비될 수 있다.
상기 배터리는, 운송수단의 배터리를 사용할 수 있다. 이를 통해 별도의 배터리 교체 없이도 운송수단이 정상 작동하는 상황에서는 노면 상태를 지속적으로 측정할 수 있다.
상기 기재에서 "운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서"는, 자동차 등의 경우 바퀴 및 차량 내부에 구비된 서스펜션 장치들로 인해서 실제 노면 상태를 반영한 값을 측정하기가 어려우므로, 바퀴와 서스펜션의 결합부 이전에 가속도센서를 부착한다는 의미이다. 전동킥보드나 자전거 등 서스펜션이 없거나 그 효과가 미미한 운송수단의 경우에는, 조작부(핸들)에 영향을 받지 않는 위치에 어디든지 부착될 수 있다. 예를 들어, 전동킥보드의 발판 아래쪽에 부착될 수 있다.
상기 GPS 및 가속도센서는 동시에 데이터값을 저장하여, 특정한 위치에서의 가속도 값을 저장할 수 있다. 특정 구간에 대한 데이터 분석이 가능하도록 소정의 거리를 이동할 때마다 구간을 끊어서 데이터를 저장할 수 있다.
본 발명은 신규 제조되는 운송수단에 기본적으로 구비될 수도 있으나, 기존에 운행중인 차량에 설치하는 것만으로도 간단하게 사용할 수 있다. 가속도센서 및 제어부 등의 구성요소는 중량이 차체에 비해 현저하게 낮고, 크기 또한 작으므로 자동차 등의 운행성능에 영향을 미치지 않는다.
또한, 상기와 같은 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템에 있어서, 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하여, FFT 및 PSD를 통해 시간 영역의 측정 값을 주파수 영역으로 변환하고; 20 Hz 내지 100 Hz 영역에서 0.05
Figure pat00028
내지 0.02
Figure pat00029
에서 형성되는 T1과, 20 Hz 내지 100 Hz 영역에서 0.009
Figure pat00030
내지 0.004
Figure pat00031
에서 형성되는 T2를 기준으로; 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 이상인 경우 노면 상태 불량, 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 미만 T2 초과인 경우 노면 상태 보통, 상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T2 이하인 경우 노면 상태 양호로 판단하는, 노면 상태 진단 시스템을 제공한다.
상기 T1 및 T2의 범위는 도 3을 참조하여 결정될 수 있다. 주파수 영역이 증가할수록(20Hz에서 100Hz로 갈수록) 진폭(Amplitude) 값이 작아지는 형태로 상기의 수치범위 내에서 형성될 수 있다. 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있도록, 도 3에 눈금 및 예시 등을 상세히 표기하였다.
상기와 같은 노면 상태 진단 시스템은, 도로교통공사 또는 관공서 등에서 활용할 수 있다.
종래에는 노면 상태가 나쁘다는 민원에 의해서 뒤늦게 노면을 보수하는 작업이 이루어지는 경우가 많았으며, 민원 접수-노면 상태 점검-노면 보수의 단계로 이루어지기 때문에 즉각적인 대응이 불가능하고, 보수에 오랜 시간이 걸린다는 한계가 있었다.
상기와 같이, 노면 상태 진단 시스템에서 노면 등급을 구별하는 경우, 노면 상태가 불량인 경우에는 즉각 보수를 실시하고, 노면 상태가 보통인 경우에는 특정한 주기마다 점검을 하도록 할 수 있다.
누적 교통량이 많은 도로에서는, 쌓이는 데이터가 많을 뿐만 아니라, 교통량과 비례하여 노면의 파손이 빠르게 진행된다는 점에서, 본 발명에 의한 시스템을 통해 현실적이고 실효성있는 노면 진단이 가능하다.
그리고, 상기와 같은 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템에 있어서, 도로망에 소정의 거리 또는 지점마다 설치되어 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하는 비콘 및; 상기 비콘으로부터 데이터를 수신하여 데이터를 수집 및 분석하는 관제서버를 포함하는, 노면 상태 진단 시스템을 제공한다.
상기 "도로망에 소정의 거리"의 기재에서, "거리"는 Road의 의미가 아닌 Distance의 의미이다. 노면 상태 측정 장치 자체의 단가가 낮으므로, 대량의 운송수단에 설치할 수 있기 때문에, 상기 거리는 최소화될 수 있다.
비콘은 주유소, 주차장, 도로, 관공서, 터널입/출구, 교차로의 정지선 등에 구비되는 것이 바람직하다. 자동차 등이 소정의 거리만큼 이동하며 데이터를 축적한 후, 차량이 주/정차하는 동안에 저장되어있는 데이터를 비콘으로 전송하여, 관제서버에서 데이터값을 취합할 수 있게 된다.
주유소나 주차장의 주차라인 바닥 아래쪽에 비콘이 매설되고, 제어부에 구비된 통신부와 비콘의 무선통신을 통해 데이터를 전송시킬 수 있다.
비콘으로 데이터를 전송한 후에는, 메모리로부터 데이터를 삭제하여 용량을 확보한다.
관제서버에서는 도로별 노면 진단 정보 및 노면 포장/보수 이력이 저장된다. 또한, 도로 구간마다 데이터 수신날짜 정보를 저장하여, 도로별 데이터 수집 빈도를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서는, 가속도 센서 이외에도 고도센서를 더 구비할 수 있다.
고도센서와 GPS의 위치값을 대응시켜, 도로의 지형정보를 파악하는 것이 가능하다. 예를 들어, 특정 도로 구간의 고도 변화율을 확인하여 도로의 경사를 파악할 수 있다. 고도센서는 차량의 서스펜션 등과 큰 연관성이 없으므로 운송수단 어디에 부착되어도 무관하다.
관제서버에서는 도로망이 표시된 지도를 디스플레이할 수 있으며, 디스플레이 화면에 도로 구간별로 상태를 표시할 수 있다. 불량 상태를 붉은색, 보통 상태를 노란색, 양호 상태를 파란색으로 표기하여, 즉시 점검/보수가 필요한 도로를 한눈에 확인할 수 있도록 한다.
상기 지도상에서 특정한 도로 구간을 선택하면, 해당 도로의 고도, 특정 지점에서 고도 변화율, 해당 구간에서의 평균 고도 변화율을 도시하여, 도로의 형태나 경사 정도를 파악할 수 있도록 한다. 이를 통해 운전이 미숙한 운전자들이나, 차량의 출력이 부족하여 특정 고도 이상 올라가지 못하는 경우에, 차량에 부착 또는 매설된 네비게이션에서 해당 도로를 회피하도록 할 수 있다.

Claims (2)

  1. 운송수단의 서스펜션의 전단에 결합되는 가속도센서; 상기 운송수단의 현재위치를 감지하는 GPS 및; 상기 가속도센서로부터 x축, y축 및 z축 방향 가속도 값을 수신하고, GPS로부터 운송수단의 현재위치를 수신하여 메모리에 저장시키는 제어부를 포함하여; 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 주파수 영역으로 변환하여 분석하도록 제공하는, 노면 상태 측정 장치가 구비된 노면 상태 진단 시스템을 이용하는 노면 상태 진단 방법에 있어서,
    상기 노면 상태 진단 시스템은,
    도로망에 소정의 거리마다 설치되어 상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하는 비콘 및;
    상기 비콘으로부터 데이터를 수신하여 데이터를 수집 및 분석하는 관제서버를 포함하고;
    상기 노면 상태 측정 장치에서 가속도 값을 측정하는 데이터 측정단계;
    상기 데이터 측정단계 후, 메모리에 가속도 값 및 위치 값을 저장시키는 데이터 저장단계;
    상기 데이터 저장단계 후, 비콘을 거쳐 관제서버로 데이터를 전송하는 데이터 전송단계;
    상기 데이터 전송단계 후, FFT 및 PSD로 가속도 값을 변환하는 데이터 변환단계;
    상기 데이터 변환단계 후, 변환된 데이터를 통해 도로의 등급을 구분하는 노면상태 진단단계;
    상기 노면상태 진단단계 후, 관제서버 디스플레이에 도시된 지도상에 도로의 등급별 상태를 색상을 달리하여 표기하는 노면 도식화단계;
    상기 노면 도식화단계 후, 불량 상태의 도로 또는 점검/포장/보수 이력이 소정의 기간 이상을 경과한 도면에 대하여 점검 대상 알림을 도시하는 점검대상 알림단계;
    상기 점검대상 알림단계 후, 특정 도로에 대한 점검/포장/보수 정보가 입력되면 해당 정보를 관제서버 데이터베이스에 업데이트하여 디스플레이에 도시하는 포장/보수 입력단계;를 포함하는, 노면 상태 진단 방법
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 메모리에 저장된 위치 값에 대한 가속도 값을 수신하여, FFT 및 PSD를 통해 시간 영역의 측정 값을 주파수 영역으로 변환하고;
    20 Hz 내지 100 Hz 영역에서, 0.05 내지 0.02
    Figure pat00032
    에서 형성되는 T1, 0.009 내지 0.004
    Figure pat00033
    에서 형성되는 T2를 기준으로,
    상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 이상인 경우 노면 상태 불량,
    상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T1 미만 T2 초과인 경우 노면 상태 보통,
    상기 PSD 데이터의 어퍼 인벨롭(Upper envelope)을 피팅한 값이 T2 이하인 경우 노면 상태 양호로 판단하는, 노면 상태 진단 방법
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