KR20210047065A - 전자기파를 이용한 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents
전자기파를 이용한 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDFInfo
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Abstract
도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 개시된다. 포트홀 징후 탐지 시스템은, 전자기파 송신부, 전자기파 수신부, 전자기파 수신부, 유전상수 산출부, 균열율 상태 진단부, 포장층 분리 상태 진단부, 감쇠량 산출부, 포장층 내부 상태 진단부, 및 포트홀 징후 탐지부를 포함한다.
Description
본 발명은 도로포장에 있어서 포트홀과 관련된 징후를 탐지하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도로포장에서 포트홀을 유발하는 도로표면의 균열율 증가, 포장층 간의 분리, 포장층 내부의 손상을 판별하여 도로포장의 유지관리 의사결정을 위해 필요한 정보를 제공하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
포트홀(pot-hole)이란 포장층의 표면이 떨어져 나가면서 도로가 움푹 패이는 현상이다. 발생 즉시 도로를 이용하는 이용객의 사고를 유발할 수 있기 때문에 도로관리자들은 문제 해결을 위해 다음과 같이 많은 노력을 기울여 왔다.
1) 도로포장재의 품질 및 시공 개선 기술: 대한민국 특허 10-1761165, 10-1635323, 2) 포트홀 실시간 탐지 및 전송 기술: 대한민국 특허 10-1514368, 10-1546700, 3) 포트홀 신속 보수 장비 및 재료 개발: 대한민국 특허 10-1675928, 10-1537247, 4) 포트홀 관련 사고보상 체계
1)은 도로포장의 내구성 향상과 관련된 기술이다. 그러나, 교통량의 증가, 기상이변(폭우, 폭설, 이상저온 등), 제설염화물 살포량과 관련된 손상은 더욱 늘어났으며, 전국적인 도로망의 확충으로 인한 유지관리 연장의 증가와 제한된 유지관리 예산의 운용은 도로포장의 포트홀이 지속적으로 발생하는 원인이 되었다. 이와 더불어 품질이 좋은 골재원이 한정되고 원가상승 부담으로 인한 저급재료의 사용으로 도로포장의 유지관리에 어려움을 주고 있다.
2), 3) 및 4)의 경우 포트홀 발생 이후의 조치와 관련된 기술이다. 2)와 3)의 경우 도로포장에 발생된 포트홀이 이용객에게 노출되는 시간을 줄여주는 장점은 있으나 발생을 원천적으로 방지하지는 못한다. 4)의 경우 포트홀 민원과 관련된 것으로 차량의 블랙박스 등으로 포트홀로 인한 사고원인의 증빙이 손쉬워지면서 관련민원과 보상 관련업무가 증가하는 추세에 있다. 이로 인해 도로관리자들의 행정력과 예산이 낭비되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 도로포장의 포트홀이 발생할 수 있는 단계별 징후를 탐지함에 있어 오차를 최소화하면서 비파괴적으로 도로포장의 포트홀 징후를 탐지할 수 있는 도로포장의 포트홀 징후 탐지 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템은, 전자기파 송신부, 전자기파 수신부, 유전상수 산출부, 균열율 상태 진단부, 포장층 분리 상태 진단부, 감쇠량 산출부, 포장층 내부 상태 진단부, 및 징후 판단부를 포함한다.
전자기파 송신부는 전자기파를 방사하고, 전자기파 수신부는 도로포장의 표면 및 복수의 포장층 경계면에서 각각 반사된 전자기파를 수신하고, 유전상수 산출부는 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 도로포장의 표면 및 포장층 경계면의 유전상수를 산출하고, 균열율 상태 진단부는 도로포장의 표면의 유전상수와 미리 설정된 표면 유전상수 기준값을 비교하여 도로포장의 표면의 균열율 상태를 진단하고, 포장층 분리 상태 진단부는 도로포장의 포장층 경계면의 유전상수와 미리 설정된 경계면 유전상수 기준값을 비교하여 도로포장의 포장층 경계면의 포장층 분리 상태를 진단하고, 감쇠량 산출부는 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 복수의 포장층 각각에서의 에너지 감쇠량을 산출하고, 포장층 내부 상태 진단부는 감쇠량과 미리 설정된 감쇠량 기준값을 비교하여 복수의 포장층 내부의 상태를 진단하며, 징후 판단부는 균열율 상태의 정보, 포장층 분리 상태의 정보, 감쇠량의 정보를 이용하여 도로포장에서의 포트홀 발생 징후를 판단한다.
이와 같은 구성에 의하면, 도로포장에서 발생할 수 있는 포트홀의 초기 단계에서부터 발생까지의 각 단계별 상태에 대해 오차를 최소화하면서 비파괴적으로 간편하게 탐지가 가능하여 도로포장의 포트홀 발생구간을 용이하게 판별함과 동시에 선제적 유지보수가 가능하므로 이용객과 도로의 안정성 확보에 기여할 수 있게 된다.
이때, 도로포장 표면의 유전상수는,
또한, 포장층 경계면의 유전상수는,
또한, 감쇠량은,
또한, 포트홀 징후 탐지 시스템은 도로포장에서의 환경에 따라 표면 유전상수 기준값, 및 경계면 유전상수 기준값을 보정하는 기준값 보정부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 전자기파에 측정되는 도로포장의 유전상수를 변화시킬 수 있는 다양한 환경 요인을 반영하여 더욱 정확한 포트홀 징후의 탐지가 가능해 진다.
이때, 환경은 재령 및 상대 습도이고, 유전상수 기준값은 
의 수학식에 의해 산출되고, 
은 상기 유전상수 기준값, 
은 함수비 또는 상대습도(%), Age는 콘크리트의 재령 또는 공용연수(년), A,B,C는 미리 설정된 상수일 수 있다.
또한, 포장층이 아스팔트인 경우, B는 0으로 설정되고, A, C는 도로포장의 표면과 내부 포장 경계면에 대해 각각 다르게 설정되며, A는 도로포장의 내부 포장 경계면에 대해 도로포장의 표면에 비해 미리 설정된 비율만큼 작게 설정될 수 있다.
또한, 포장층이 콘크리트인 경우, A, B, C는 도로포장의 표면과 내부 포장 경계면에 대해 각각 다르게 설정되며, B는 도로포장의 내부 포장 경계면에 대해 도로포장의 표면에 비해 작게 설정될 수 있다.
또한, 환경은 도로포장의 포장층의 밀도이고, 유전상수 기준값은 
의 수학식에 의해 산출되고, 
는 유전상수 기준값, 
는 도로포장의 코어 시편의 밀도, a, b는 상수일 수 있다.
또한, 기준값 보정부는 도로포장에서의 환경에 따라 감쇠량 기준값을 더 보정할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 도로포장에서 반사된 전자기파의 감쇠량을 변화시킬 수 있는 다양한 환경 요인을 반영하여 더욱 정확한 포트홀 징후의 탐지가 가능해 진다.
이때, 환경은 상기 도로포장의 포장층의 밀도이고, 감쇠량 기준값은 
의 수학식에 의해 산출되고, 
는 상기 감쇠량 기준값, 
는 도로포장의 코어 시편의 밀도, a, b는 상수일 수 있다.
아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 구현한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 함께 개시된다.
본 발명에 의하면, 도로포장에서 발생할 수 있는 포트홀의 초기 단계에서부터 발생까지의 각 단계별 상태에 대해 오차를 최소화하면서 비파괴적으로 간편하게 탐지가 가능하여 도로포장의 포트홀 발생구간을 용이하게 판별함과 동시에 선제적 유지보수가 가능하므로 이용객과 도로의 안정성 확보에 기여할 수 있게 된다.
또한, 전자기파에 측정되는 도로포장의 유전상수를 변화시킬 수 있는 다양한 환경 요인을 반영하여 더욱 정확한 포트홀 징후의 탐지가 가능해 진다.
또한, 도로포장에 조사된 전자기파의 감쇠량을 변화시킬 수 있는 다양한 환경 요인을 반영하여 더욱 정확한 포트홀 징후의 탐지가 가능해 진다.
도 1은 본 발명에 따른 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 일 구현예를 도시한 개략적인 블록도.
도 3은 도로포장에서 전자기파 수신 예의 그래프.
도 4는 도로포장의 포장밀도와 유전상수의 관계의 예를 도시한 그래프.
도 5는 유전상수와 분포율의 관계의 예를 도시한 그래프.
도 6은 실제 공용 중인 도로포장에서 포장밀도와 감쇠량을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포트홀 징후 탐지 방법의 개략적인 흐름도.
도 2는 도 1의 일 구현예를 도시한 개략적인 블록도.
도 3은 도로포장에서 전자기파 수신 예의 그래프.
도 4는 도로포장의 포장밀도와 유전상수의 관계의 예를 도시한 그래프.
도 5는 유전상수와 분포율의 관계의 예를 도시한 그래프.
도 6은 실제 공용 중인 도로포장에서 포장밀도와 감쇠량을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포트홀 징후 탐지 방법의 개략적인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1에서, 포트홀 징후 탐지 시스템(100)은 전자기파 송신부(110), 전자기파 수신부(120), 유전상수 산출부(130), 균열율 상태 진단부(140), 포장층 분리 상태 진단부(150), 감쇠량 산출부(160), 포장층 내부 상태 진단부(170), 징후 판단부(180), 및 기준값 보정부(190)를 포함한다.
도 2는 도 1의 일 구현예를 도시한 개략적인 블록도이다. 도 2에는, 전자기파를 생성하는 전자기파 생성부, 전자기파 생성부에서 생성된 전자기파를 도로포장으로 방사하고 각 포장층의 경계면에서 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 송·수신부, 전자기파 수신부에서 수신된 전자기파를 분석하여 도로포장 각 층에서 반사된 수신파의 진폭으로 각 포장층의 유전상수를 계산하는 유전상수 산정부, 각 층에서의 진폭 차이로 포장층을 투과하는 전자기파 에너지의 감쇠량을 계산하는 감쇠량 산정부로 구성되며, 산정된 유전상수와 감쇠로부터 도로포장의 포트홀 징후를 탐지하기 위한 포트홀 징후 판별부(180)를 포함하는 도로포장의 포트홀 징후 탐지 시스템의 예가 도시되어 있다.
포트홀의 발생 매커니즘은 주로, 1) 포장재료 시공시 다짐이 불량하여 공극율이 큰 곳에서 유해물질 침투하고, 2) 차량하중 재하시 내부 수분과 분리된 도로재료가 빠져나오면서 지지력이 약화되어 함몰 및 포트홀이 발생하는 것으로 알려져 있다.
이밖에 최근 한국도로공사의 현장조사 결과로 다음과 같은 원인을 추가로 발견하였다. 1) 공용 도로포장의 균열율이 증가하는 손상(종 및 횡 균열, 망상균열, 골재탈리, 시공조인트 등)으로 인한 전체 공극율(균열율) 증가로 유해물질의 침투경로 증가, 2) 포장 상부층 및 하부층 간의 접착성 불량으로 상부층이 탈락되어 포트홀 발생, 3) 포장층 내부 손상(층분리, 하부층 손상 등)으로 인한 지지력 약화로 상부층 함몰 및 탈락으로 포트홀 발생, 4) 상부층과 하부층 경계부 방수 불량으로 상면층이 탈락되어 포트홀 발생.
현장조사에서 도로표면에 포트홀과 관련된 손상이 발생하는 경우, 내부에도 관련 손상이 발생된 경우가 많았으나(66%) 도로표면이 양호한 경우에도 내부에 손상이 발생(30%)된 경우가 있었다. 이는 주로 재포장이나 절삭 덧씌우기를 한 곳에서 발견할 수 있다.
즉, 도로표면은 양호한 반면 내부에는 광범위한 손상이 발생되는 경우가 많아 근본적인 보수를 실시하지 않는 경우 손상의 확대로 장기적으로 도로관리기관의 부담을 가져올 것으로 판단된다. 현재 많은 기관에서는 도로표면의 영상으로 손상을 파악하고 있으나 상기 사유로 기술적 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서 발명자는 전자기파를 사용하여 표면부터 내부까지 탐사하는 방법을 고안하였다.
포트홀의 주손상원인을 분류하면, 1) 도로표면의 균열율(공극율) 증가, 2) 포장층 간 분리, 3) 포장층 내부 손상으로 구분할 수 있다.
전자기파는 전자기파를 투과하는 매질의 재료적 특성과 밀도, 그리고 손상 여부에 따라 수신신호가 변화한다. 다시 말하면 수신파의 진폭 및 에너지 손실에 변화가 발생하며 이는 전자기파 특성값인 유전상수와 감쇠로 나타낼 수 있다.
유전상수는 매질의 재료적 특성과 밀도를 나타내며, 일반적으로 공기 1, 물 81, 아스팔트 3~5, 콘크리트 5~10의 범위를 나타낸다. 현장에서 도로에서의 전자기파 수신 진폭과 강판에서의 진폭을 비교하여 다음 수식으로 산정할 수 있다.
식 1 : 
식 2 : 
여기서, 
는 도로표면의 유전상수, 
은 n번째 포장 경계면의 유전상수, 
는 도로표면에서의 진폭, 
은 n번째 포장 경계면에서의 진폭, 
는 강판(완전반사)에서의 진폭
감쇠는 매질을 전파하는 전자기파의 에너지 손실을 나타내며, 일반적으로 매질의 두께, 전기전도도, 산란 등에 의해 발생한다. 포장층에서 발생된 감쇠는 포장층 상면과 하면에서의 진폭의 차이로 계산할 수 있으며 단위는 이득(dB)을 사용한다.
식 3 : 
여기서, 
는 n번째 층을 투과하는 전자기파의 감쇠(dB)
전자기파의 전자기 특성값을 포트홀의 주손상원인과 관련하여 정리하면 다음과 같다. 1) 균열율(공극율) 증가 -> 포장층 상면 유전상수 건조조건 작아짐, 함수조건 커짐, 2) 포장층 간 분리 -> 포장층 경계면 유전상수 건조조건 작아짐, 함수조건 커짐, 3) 포장층 내부 손상 -> 포장층 감쇠 건조조건 다소 작아짐, 함수조건 다소 커짐.
또한, 도로포장을 구성하는 주매질인 아스팔트와 콘크리트의 임계값(범위)은 한국도로공사의 경험값을 사용할 수 있다.
1) 유전상수
아스팔트 유전상수 임계값(범위) : 4.5~6.5
콘크리트 유전상수 임계값(범위) : 재령(또는 공용기간)에 따른 변동값
식4 : 
여기서, A와 C는 상수, Age는 콘크리트 재령(연도), error는 변동범위, A는 1.08, C 11.41, Age는 교량정보를 활용하며, 공용연수로 대체할 수 있음.
2) 감쇠
아스팔트 감쇠 임계값 : 10mm당 1.26dB 이하
콘크리트 감쇠 임계값 : 10mm당 1.95dB 이하
이러한 기술적 배경하에 도 1의 포트홀 징후 탐지 시스템(100)에 의한 전자기파를 이용한 포트홀 징후 예측법을 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
1) 균열율(공극율) 평가
전자기파 송신부(110)는 전자기파를 방사하고, 전자기파 수신부(120)는 도로포장 표면 및 각 층에서의 진폭을 추출한다. 도 3은 도로포장에서 전자기파 수신 예의 그래프이다.
유전상수 산출부(130)는 식 1, 식 2, 식 4를 이용하여 유전상수를 구하고, 기준값 보정부(190)는 도로표면 영상과 함수율 정보를 이용하여 유전상수 임계값(범위)을 보정한다. (ex. 도로표면 영상, 육안조사, 외관망도 등에서 균열발생부 또는 함수부와 비교하여 유전상수 임계값(범위)을 비교조정한다.)
균열율 상태 진단부(140)는 산정된 유전상수와 보정된 임계값(범위)을 비교하고, 징후 판단부(180)는 산정된 유전상수가 임계값(범위) 이외인 경우 포트홀 발생 가능 지역으로 분류한다.
2) 포장층간 접착성 평가
전자기파 송신부(110)가 수신 전자기파를 방사하고, 전자기파 수신부(120)가 도로포장 표면 및 각 층에서의 진폭을 추출한다. 유전상수 산출부(130)는 식 2, 식 4를 이용하여 유전상수를 구하고, 기준값 보정부(190)는 포장층 부착 정보를 이용하여 유전상수 임계값(범위)을 보정한다. (ex. 두들김조사, 코어, LFWD) 등 포장층 분리 구간을 비교하여 포장층 간 경계부 유전상수 임계값(범위)을 비교조정한다.)
포장층 분리 상태 진단부(150)는 산정된 유전상수와 보정된 임계값(범위)을 비교하고, 징후 판단부(180)는 산정된 유전상수가 임계값(범위) 이외인 경우 포트홀 발생 또는 징후 지역으로 분류한다.
3) 포장층 내부 평가
전자기파 송신부(110)가 전자기파를 방사하고, 전자기파 수신부(120)는 도로포장 표면 및 각 층에서의 진폭을 추출한다. 감쇠량 산출부(160)는 식 3을 이용하여 각 포장층에서의 감쇠량을 구하고, 기준값 보정부(190)는 포장층 내부 정보를 이용하여 감쇠량 임계값(범위)을 보정한다. (ex. 코어, 설계두께, 개삭조사 등 포장층 내부손상 구간을 비교하여 포장층 감쇠량의 임계값(범위)을 비교조정한다.)
포장층 내부 상태 진단부(170)는 산정된 감쇠량을 보정된 임계값(범위)을 비교하고, 징후 판단부(180)는 산정된 감쇠량이 임계값(범위)을 초과하는 경우 포트홀 발생 또는 징후 지역으로 분류한다.
설명된 바와 같이, 기준값 보정부(190)는 다양한 인자들을 이용하여 기준값을 보정한다. 먼저, 재령 및 상대습도에 의한 유전상수의 기준값 보정에 대해 설명하자면 다음과 같다.
한국도로공사는 최근 연구를 통해 포장층의 유전상수에 영향을 미치는 주 인자는 함수비(공기 중에 노출된 경우 상대습도)이며, 콘크리트 포장의 경우는 재령도 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. (기존 이중로그 관계, 개선 로그 관계)
유전상수에 대한 함수비와 재령의 영향식을 다음 식 5와 같이 나타낼 수 있다.
식 5: 
여기서 
: 포장층의 유전상수, 
: 함수비 또는 상대습도(%), Age : 콘크리트 재령 또는 공용연수(연), A, B, C : 상수
식 5에 대한 한국도로공사의 경험식은 다음과 같다. 함수비(또는 상대습도)에 따른 N번째 포장층의 유전상수 변화율은 공기 중에 노출된 첫 번째 포장체의 유전상수 변화율의 약 1/8에 수준이다(식 6 및 7, 1GHz 주파수 예). 다시 말하면 내부 포장층은 외기에 차단되어 있으므로 공기에 노출되어 대기의 순환에 따라 함수비가 달라지는 첫번째 포장체의 유전상수 변화율에 비해 변화율이 작게 나타나게 된다.
식 6: 
식 7: 
여기서, εr,N는 내부 포장층의 유전상수, εr,1st는 첫 번째 포장층의 유전상수, RH는 대기의 상대습도(%)
이때, 상대습도 70% 이하에서는 상대습도 영향을 무시할 수 있다.
콘크리트 포장체의 경우 상대습도보다 재령에 영향을 많이 받으며, N번째 포장층의 유전상수 변화율은 공기 중에 노출된 첫 번째 포장체의 유전상수보다 작다. (식 8 및 9, 1GHz 주파수 예) 첫 번째 포장체는 건조한 대기에 맞닿아 있어 콘크리트 배합 시 사용된 여유수가 빨리 증발하여 경화되는 한편, 내부 콘크리트 포장층은 외기가 차단되어 유전상수의 감소속도가 상대적으로 작다.
식 8: 
식 9: 
여기서, Age는 콘크리트 재령 또는 공용기간(년)
이때, 공용기간 25년 이상에서는 무시할 수 있다.
이어서, 설계밀도 또는 코어 시편의 공극률(다짐도) 측정을 통한 유전상수 기준값 보정에 대해 설명하자면 다음과 같다. 공용 중인 포장층의 유전상수와 밀도와의 관계는 다음과 같다. 즉, 밀도가 커질수록 유전상수는 크게 나타난다.
밀도는 포트홀의 주 인자인 다짐도와 상관성이 있으므로, 코어의 밀도 분석을 통해 유전상수와의 상관식을 이용하여 포트홀 가능 부위를 찾을 수 있다.
식 10: 
여기서, ε: 포장체의 유전상수, ρ: 코어의 밀도(kg/m3), a와 b는 코어의 밀도시험에 의해 결정되는 상수이고, 도 4는 도로포장의 포장밀도와 유전상수의 관계의 예를 도시한 그래프이다.
이때, 유전 상수 기준값은 특정 임계값으로 설정될 수도 있지만, 일정 범위의 임계범위로 설정될 수도 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 포장층의 상태가 양호한 경우 유전상수의 분포는 첨도가 높고 분산이 작다.
그러나 손상이 발생하면 첨도가 낮고 함수조건에서 중심값이 크고 분산이 크며, 건조조건에서는 중심값이 작고 함수조건에 비해 상대적으로 분산이 작은 특징이 있다. 도 5는 유전상수와 분포율의 관계의 예를 도시한 그래프이다.
따라서, 유전상수의 기준값은 수식으로 판단 가능하나, 유지관리 기관에서 임계범위를 판단하고자 변동계수를 사용하는 것이 바람직하다. 변동계수 기준은 장비에 따라 달라질 수 있으나 85%의 신뢰수준에서 0.2~0.25의 범위를 유지관리 수준에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 건전성 판정기준은 식 11과 같으며, 포장층의 유전상수는 각각 상한값과 하한값 범위 내에 있으면 건전, 그 이외에는 손상으로 분류할 수 있다.
식 11: 
여기서, CV는 변동계수(0.2~0.25), εr: 포장의 유전상수 기준값, εr,survey: 현장에서 측정된 포장층의 유전상수
이외에도 고려할 사항은 다음과 같다. 포트홀 인자 중 하나는 균열 등의 도로표면 손상이다. 다시 말해, 외관망도 또는 도로표면 영상에 의해 유전상수 기준값을 결정하는 것이 가능하다. 그 방법은, 1) 유전상수 측정, 2) 도로표면의 손상과 일치되는 유전상수 임계범위 설정, 3) 임계범위 이내 건전, 이외 손상과 같다.
또한, N번째 포장층에서 포트홀 인자는 포장층간 접착력 부족 또는 분리이고, 분리된 구간은 타격음에 의해 측정이 가능하다. 상부의 포장층을 타격(두들김조사, LFWD11 Light Falling Weight Deflectometer)하여 둥둥 거리는 낮은 음이 발생하면 내부에 들뜸부가 생긴 것으로 판단 가능하다.
따라서, 1) 유전상수 측정, 2) 들뜸부와 일치되는 유전상수 임계범위 설정, 3) 임계범위 이내 건전, 이외 손상과 같은 보정이 가능하다.
또한, 실제 현장조사에서 전자기파의 주파수에 따라서 또는 장비의 하드웨어 및 소프트웨어, 필터링 등의 사용자 조작에 의해 서로 다른 수치가 나타날 수 있음을 확인하였다. 따라서, 다양한 보정 작업을 통해 실제에 가까운 데이터를 얻는 것이 매우 중요하다.
한편, 기준값 보정부(190)의 감쇠량에 대한 기준값 보정도 수행할 수 있다. 포장체를 통과하는 전자기파에서 발생하는 총감쇠는 식 12와 같이 표현할 수 있다.
식 12: 
여기서, 
는 포장층 하부에서의 총감쇠, 
는 포장층 두께 변화로 인한 감쇠, 
는 포장체의 전도도 또는 손상(골재분리 등)으로 인한 감쇠
공극률에 대한 보정의 예를 통해 설명하자면, 포장체의 전도도가 높은 곳은 공극률이 커서 우수 및 제설염화물이 과잉 침투한 곳이다. 따라서, 포장체의 감쇠가 크게 발생한 곳은 공극률이 큰 곳, 즉 밀도가 작은 곳으로 판단할 수 있다.
도 6은 실제 공용 중인 포장체에서 밀도와 감쇠량을 비교한 그래프이다. 깊이영향을 제거한 깊이보정 감쇠량은 밀도(공극율)와 상관성이 있으므로, 이 관계를 통해 품질평가를 실시할 수 있을 것으로 판단된다.
식 13: 
여기서, σ: 포장체 하면에서의 깊이보정감쇠(dB), ρ: 코어의 밀도(kg/m3), a와 b는 코어의 밀도시험에 의해 결정되는 상수
이때, 깊이보정감쇠의 임계범위는 일반적으로 6~8dB 수준으로 정의되며, 코어 및 개삭조사(포장층을 제거하면서 포장층 및 내부 손상 여부를 살피는 작업)를 통해 기준값을 결정하는 것이 일반적이다.
그러나 이 값은 관리자의 유지관리 수준이 높을수록 작아지고, 전자기파의 주파수가 클수록 커지게 된다. 또한 함수비가 높은 경우에 조사할 때 커질 수 있다. 따라서, 감쇠의 임계값을 설정할 때 코어 등의 조사를 통해 보정하는 작업이 반드시 필요하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포트홀 징후 탐지 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 7에는 전자기파에 의한 포트홀 평가 알고리즘의 예가 도시되어 있다.
먼저, 전자기파를 생성하고, 생성된 전자기파를 도로포장으로 방사하고 각 포장층의 경계면에서 반사된 전자기파를 수신한다(S110). 이어서, 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 도로포장의 유전상수를 산출하고, 수신된 도로포장의 각 층에서의 전자기파의 진폭 차를 이용해 에너지의 감쇠량을 산정한다(S120)
이어서, 산정된 도로포장 N번째 층과 N-1번째 층의 경계부 유전상수와 유전상수 임계값(범위)과의 비교를 통해 도로포장 층간의 부착성과 상태를 평가하여 도로포장의 포트홀 징후를 평가하고, 포트홀 징후로 평가되는 경우 이를 표출한다(S130).
보다 구체적으로, 유전상수가 임계값(범위) 이외인 경우 포장층간의 부착력 저하로 인한 포트홀 발생부로 평가하고, 유전상수의 임계값(범위) 이하는 들뜸(건조조건), 이상은 체수(함수조건) 상태로 평가한다.
이어서, 산정된 감쇠량과 감쇠진폭 임계값과의 비교를 통해 도로포장 각 층 내의 상태를 평가하여 도로포장의 포트홀 징후를 평가하고, 포트홀 징후로 평가되는 경우 이를 표출한다(S140).
보다 구체적으로, 감쇠의 임계값 이하인 경우 내부손상으로 인한 포트홀 발생부로 평가하는데, 내부손상은 층분리, 골재분리, 유해물질 침투 상태 등에 의한 것으로 평가할 수 있다.
감쇠의 임계값은 아스팔트 포장 10mm 깊이당 1.26dB, 콘크리트 포장 10mm 깊이당 1.95dB에 오차범위를 고려하여 적용할 수 있다(경험치) 이때, 감쇠의 임계값(범위)은 도로포장의 혼합물 종류(밀입도, SMA, 배수성 포장, 섬유혼입 콘크리트 등), 전자기파의 주파수 및 장비특성, 관리기관의 유지관리 수준에 따라 달라질 수 있다.
이어서, 산정된 도로포장 표면의 유전상수와 유전상수 임계값(범위)과의 비교를 통해 도로표면의 상태를 평가하여 포트홀 징후를 평가하고, 포트홀 징후로 평가되는 경우 포트홀 초기 신호를 표출한다(S150).
보다 구체적으로, 유전상수가 임계값(범위) 이외인 경우 균열율(또는 공극률) 과다로 포트홀 가능부로 평가한다. 이때, 균열율은 도로표면의 밀실한 정도, 즉 유해물질의 침투정도로 환산되는 지표로, 공극률(다짐불량), 균열, 시공조인트, 골재탈리 등과 같은 손상에 의해 증가된다.
유전상수의 임계값(범위) 이하는 공극과다(건조조건), 이상은 우수유입(함수조건) 상태로 평가하며, 신설인 경우 혼합물 또는 다짐 불량, 유지관리인 경우 관련손상(균열, 시공조인트, 포트홀 등 균열율의 증가) 발달로 평가한다.
유전상수의 임계값(범위)은 아스팔트 도로포장은 4.5~6.5, 콘크리트 도로포장은 
로 설정할 수 있다(A와 C는 상수, Age는 콘크리트 재령(연도), error는 변동범위, 경험치로 A는 1.08, C 11.41, Age는 공용연수로 대체할 수 있음)(경험치).
이때, 유전상수의 임계값(범위)은 도로포장의 혼합물 종류(밀입도, SMA, 배수성 포장, 섬유혼입 콘크리트 등), 주파수 및 장비특성과 유지관리 수준에 따라 달라질 수 있다.
마지막으로, 이상의 과정에서 포트홀의 징후로 평가되지 않는 경우, 양호 신호를 표출한다((S160).
포트홀 징후에 대한 평가 기준과 각각의 의미를 정리하면 다음과 같다.
| 탐지목표 | 도로표면 균열율 | 포장층 간의 접착성 | 포장층 내부의 손상여부 | 비고 |
| 구분인자 | 도로표면 유전상수 | 포장층 간 경계면 유전상수 | 포장층 감쇠량 | |
| 산정방법 |
 |
 |
 |
|
| 임계값(범위) | 아스팔트 4.5~6.5 콘크리트  |
좌동 | 아스팔트 감쇠량 10mm당 1.26dB 이하, 콘크리트 감쇠량 10mm당 1.95dB 이하 |
경험식 |
| 상태평가 | 임계값(범위) 이내: 도로표면 양호, 임계값(범위) 외: 균열율 증가 (신설 다짐불량, 공용 균열률 증가) |
임계값(범위) 이내: 포장층간 접착력 양호, 임계값(범위) 외 : 포장층 분리(임계값(범위) 이하 들뜸 또는 공동 발생, 임계값(범위) 이상 체류수) |
임계값(범위)이내: 포장층 내부 양호, 임계값(범위) 외: 포장층 내부 층분리, 골재분리, 제설염화물 축척 |
|
| 포트홀 | 초기단계, 주의관찰 | 포장층간 경계면 탈락으로 포트홀 발생 가능 |
포장층 상면 탈락 또는 함몰(지지력 약화)로 포트홀 발생 가능 |
포트홀 징후의 각 판단 단계(130, 140, 150)는 각각 독립적 또는 결합하여 활용할 수 있으며, 도 7에서와 같이 2~3개를 복합적으로 사용하면 다음과 같이 포트홀 징후를 더 잘 평가할 수 있다.
1) 도로표면 및 경계면 유전상수 임계값(범위) 이외이며 포장층 감쇠량이 임계값 이하: 포장층 전반적으로 다짐불량 또는 균열율 증가로 포장체 내부 유해물질 침투 또는 침투가 가능하고 포장층간 경계면이 분리되어 상부층의 포트홀 발생조건이 형성된 단계, 신설 또는 재포장 시 시공이 불량(접착면 처리 및 다짐 불량)한 곳에서 발생될 가능성이 높음
2) 도로표면 유전상수 임계값(범위) 이외, 포장층 간 경계면 유전상수 범위 이내, 포장층 감쇠량 임계값 초과: 포장층 간의 접착은 양호하나, 포장층 표면의 균열율 증가로 유해물질이 침투하고 내부는 손상이 발생하여 포장층 상부의 포트홀 발생조건이 형성된 단계. 중차량 또는 교통량이 많은 곳에서 도로표면의 균열손상부를 통해 제설염화물이 내부에 축적되는 경우에 발생할 가능성이 높음
3) 도로표면 유전상수 임계값(범위) 이내, 포장층 간 경계면 유전상수 범위 이외 및 포장층 감쇠량 임계값 이하: 도로표면의 상태는 밀실하여 양호한 것으로 보이나 포장층 간의 접착이 불량하고 포장층 내부는 손상이 발생되어 지지력이 약화되어 차량이 지나갈 때 상부층이 함몰되어 지속적으로 파손부의 포트홀 발생조건이 형성될 수 있는 단계. 절삭덧씌우기, 노후 콘크리트 포장에 아스팔트 덧씌우기를 한 곳에서 발생 가능성이 높음
4) 도로표면 및 경계면 유전상수 임계값(범위) 이외이고 포장층 감쇠량 임계값 초과: 도로표면은 균열율이 증가하여 유해물질이 침투하고, 포장층 간은 분리되고 내부손상이 발생하여 포트홀의 발생이 상시 발생할 수 있는 단계. 노후포장에서 발생할 가능성이 높음
정리하면, 본 발명은 도로포장층에 있어서 전자기파를 이용하여 포트홀과 관련된 징후를 탐지하고 포트홀의 형성될 수 있는 단계를 예측하는 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신설 및 공용 중인 도로포장에서 포트홀을 유발하는 도로표면의 균열율 증가, 포장층 간의 분리, 포장층 내부의 손상을 전자기파의 수신신호(각 층의 진폭)를 통해 포장재료의 유전상수와 감쇠값을 산정하고 이를 임계값(범위)과 비교함으로써 포트홀의 형성조건 및 단계를 판별하여 도로포장의 유지관리 의사결정을 위해 필요한 정보를 즉시 제공하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는, 전자기파를 이용하여 도로포장에서 발생되는 포트홀과 관련된 손상 징후를 탐지하고 즉시 관리기관에 전달할 수 있도록 한다. 본 발명은 전자기파를 생성하는 전자기파 생성부, 전자기파 생성부에서 생성된 전자기파를 도로포장으로 방사하고 각 포장층의 경계면에서 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 송·수신부, 전자기파 수신부에서 수신된 전자기파를 분석하여 도로포장 각 층에서 반사된 수신파의 진폭으로 각 포장층의 유전상수를 계산하는 유전상수 산정부, 각 층에서의 진폭 차이로 포장층을 투과하는 전자기파 에너지의 감쇠량을 계산하는 감쇠량 산정부, 산정된 유전상수와 감쇠로부터 도로포장의 포트홀 징후를 탐지하기 위한 포트홀 징후 판별부를 포함하는 도로포장의 포트홀 징후 탐지 방법과 그 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하여 도로포장에서 발생할 수 있는 포트홀의 초기 단계에서부터 발생까지의 각 단계별 상태에 대해 오차를 최소화하면서 비파괴적으로 간편하게 탐지가 가능하여 도로포장의 포트홀 발생구간을 용이하게 판별함과 동시에 선제적 유지보수가 가능하므로 이용객과 도로의 안정성 확보에 기여한다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 포트홀 징후 탐지 시스템
110: 전자기파 송신부
120: 전자기파 수신부
130: 유전상수 산출부
140: 균열율 상태 진단부
150: 포장층 분리 상태 진단부
160: 감쇠량 산출부
170: 포장층 내부 상태 진단부
180: 징후 판단부
190: 기준값 보정부
110: 전자기파 송신부
120: 전자기파 수신부
130: 유전상수 산출부
140: 균열율 상태 진단부
150: 포장층 분리 상태 진단부
160: 감쇠량 산출부
170: 포장층 내부 상태 진단부
180: 징후 판단부
190: 기준값 보정부
Claims (13)
- 전자기파를 방사하는 전자기파 송신부;
도로포장의 표면 및 복수의 포장층 경계면에서 각각 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 수신부;
상기 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 상기 도로포장의 표면 및 포장층 경계면의 유전상수를 산출하는 유전상수 산출부;
상기 도로포장의 표면의 유전상수와 미리 설정된 표면 유전상수 기준값을 비교하여 상기 도로포장의 표면의 균열율 상태를 진단하는 균열율 상태 진단부;
상기 도로포장의 포장층 경계면의 유전상수와 미리 설정된 경계면 유전상수 기준값을 비교하여 상기 도로포장의 포장층 경계면의 포장층 분리 상태를 진단하는 포장층 분리 상태 진단부;
상기 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 상기 복수의 포장층 각각에서의 에너지 감쇠량을 산출하는 감쇠량 산출부;
상기 감쇠량과 미리 설정된 감쇠량 기준값을 비교하여 상기 복수의 포장층 내부의 상태를 진단하는 포장층 내부 상태 진단부; 및
상기 균열율 상태의 정보, 상기 포장층 분리 상태의 정보, 상기 감쇠량의 정보를 이용하여 상기 도로포장에서의 포트홀 발생 징후를 판단하는 징후 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도로포장 표면의 유전상수는,
의 수학식에 의해 산출되고,
는 상기 도로표면의 유전상수,
는 상기 도로표면에서의 상기 전자기파의 진폭,
는 강판(완전반사)에서의 상기 전자기파의 진폭인 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 포장층 경계면의 유전상수는,
의 수학식에 의해 산출되고,
은 상기 포장도로의 n번째 포장 경계면의 유전상수,
은 상기 도로포장의 n번째 포장 경계면에서의 상기 전자기파의 진폭인 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 감쇠량은,
의 수학식에 의해 산출되고,
은 상기 도로포장의 n번째 포장층을 투과하는 상기 전자기파의 감쇠(dB)인 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도로포장에서의 환경에 따라 상기 표면 유전상수 기준값, 및 상기 경계면 유전상수 기준값을 보정하는 기준값 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 환경은 재령 및 상대 습도이고,
상기 유전상수 기준값은의 수학식에 의해 산출되고,
은 상기 유전상수 기준값,
은 함수비 또는 상대습도(%), Age는 콘크리트의 재령 또는 공용연수(년), A,B,C는 미리 설정된 상수인 것을 특징으로 하는포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 6에 있어서,
상기 포장층이 아스팔트인 경우,
상기 B는 0으로 설정되고, 상기 A, C는 상기 도로포장의 표면과 내부 포장 경계면에 대해 각각 다르게 설정되며, 상기 A는 상기 도로포장의 내부 포장 경계면에 대해 상기 도로포장의 표면에 비해 미리 설정된 비율만큼 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 6에 있어서,
상기 포장층이 콘크리트인 경우,
상기 A, B, C는 상기 도로포장의 표면과 내부 포장 경계면에 대해 각각 다르게 설정되며, 상기 B는 상기 도로포장의 내부 포장 경계면에 대해 상기 도로포장의 표면에 비해 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 환경은 상기 도로포장의 포장층의 밀도이고,
상기 유전상수 기준값은의 수학식에 의해 산출되고,
는 상기 유전상수 기준값,
는 상기 도로포장의 코어 시편의 밀도, a, b는 상수인 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 기준값 보정부는 상기 도로포장에서의 환경에 따라 감쇠량 기준값을 더 보정하는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 청구항 10에 있어서,
상기 환경은 상기 도로포장의 포장층의 밀도이고,
상기 감쇠량 기준값은의 수학식에 의해 산출되고,
는 상기 감쇠량 기준값,
는 상기 도로포장의 코어 시편의 밀도, a, b는 상수인 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 시스템.
- 포트홀 징후 탐지 시스템이 수행하는 포트홀 징후 탐지 방법으로서,
전자기파 송신부가 전자기파를 방사하는 전자기파 송신 단계;
전자기파 수신부가 도로포장의 표면 및 복수의 포장층 경계면에서 각각 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 수신 단계;
유전상수 산출부가 상기 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 상기 도로포장의 표면 및 포장층 경계면의 유전상수를 산출하는 유전상수 산출 단계;
균열율 상태 진단부가 상기 도로포장의 표면의 유전상수와 미리 설정된 표면 유전상수 기준값을 비교하여 상기 도로포장의 표면의 균열율 상태를 진단하는 균열율 상태 진단 단계;
포장층 분리 상태 진단부가 상기 도로포장의 포장층 경계면의 유전상수와 미리 설정된 경계면 유전상수 기준값을 비교하여 상기 도로포장의 포장층 경계면의 포장층 분리 상태를 진단하는 포장층 분리 상태 진단 단계;
감쇠량 산출부가 상기 수신된 전자기파의 진폭에 의하여 상기 복수의 포장층 각각에서의 에너지 감쇠량을 산출하는 감쇠량 산출 단계;
포장층 내부 상태 진단부가 상기 감쇠량과 미리 설정된 감쇠량 기준값을 비교하여 상기 복수의 포장층 내부의 상태를 진단하는 포장층 내부 상태 진단 단계; 및
포트홀 징후 탐지부가 상기 균열율 상태의 정보, 상기 포장층 분리 상태의 정보, 상기 감쇠량의 정보를 이용하여 상기 도로포장에서의 포트홀 발생 징후 정보를 생성하는 포트홀 징후 탐지 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포트홀 징후 탐지 방법.
- 청구항 12의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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