KR20220135005A - 구조물의 내부 결함 판독 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하는 주파수특성 획득부, 상기 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 주파수응답 매핑부, 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 결함여부 판독부를 포함한다.

Description

구조물의 내부 결함 판독 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MONITORING FOR INTERNAL DEFECT OF STRUCTURE AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명의 실시예들은 구조물의 내부 결함 판독 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 결함을 판단하기 위해 사용되는 데이터의 양을 줄일 수 있도록 미리 설정된 기준대상과의 진동신호 매핑을 수행하는 구조물의 내부 결함을 판독하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적인 딥러닝 기법을 통해 구조물의 결함 또는 이상을 진단하는 방법에서, 진단 대상에 대한 가공하지 않은 데이터를 사용하여 해당 데이터를 딥러닝을 시키기 위해서는 많은 양의 데이터가 필요하다.
즉, 결함 또는 이상이 없는 정상 데이터를 포함하여 결함 또는 이상이 존재하는 비정상 데이터가 많이 확보될수록 딥러닝의 정확도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 데이터 확보에 필요한 시간이 많아지는 문제와 확보된 데이터의 양 또한 방대해지는 문제가 생기며, 결과적으로 딥러닝 사이클 수가 많아지는 단점이 발생하게 된다.
이에 따라, 딥러닝 학습 전 확보된 데이터에 대해 기준 대상에 대한 데이터를 참조하여 결함 또는 이상 여부를 분류함으로써 사용되는 데이터 수를 줄이되, 진단의 효율성을 증대시킬 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-2187269호(발명의 명칭: 표면 미세 크랙 검출 장치 및 표면 미세 크랙 검출 장치의 구동 방법, 공고일자: 2020년 12월 04일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 미리 설정된 기준대상 구조물의 진동신호를 기준으로 측정대상 구조물의 진동신호를 매핑하고, 기준이 되는 진동신호와 매핑이 이루어진 진동신호 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독함으로써 진단의 효율성을 증대시킬 수 있는 구조물의 내부 결함 판독 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 매핑이 이루어진 진동신호를 이미지화하여 나타낸 스펙토그램에 대해 결함 여부를 구분하여 딥러닝함으로써 진단의 정확성을 향상시킬 수 있는 구조물의 내부 결함 판독 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하는 주파수특성 획득부, 상기 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 주파수응답 매핑부, 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 결함여부 판독부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 상기 기준대상 구조물 및 상기 측정대상 구조물의 내부에 충격을 발생시키기 위한 진동 발생부; 및 상기 기준대상 구조물 및 상기 측정대상 구조물에 가해지는 충격에 따라 발생되는 진동신호를 측정하는 진동 측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 주파수응답 매핑부는 상기 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호를 고유진동수 및 주파수응답의 기울기에 기초하여 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제1 매핑과정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 주파수응답 매핑부는 상기 측정대상 구조물의 타겟 진동신호에 대한 주파수응답신호를 고유진동수 및 진폭에 기초하여 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제2 매핑과정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 주파수응답 매핑부는 주파수응답함수에 관한 하기 수학식 1에 기초하여 상기 제1 매핑과정 및 상기 제2 매핑과정을 수행할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, ωc는 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 고유진동수를 의미하고,
Figure pat00002
는 매핑에 의해 변형된 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 고유진동수를 의미하고, Yc는 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수를 의미하고,
Figure pat00003
는 매핑에 의해 변형된 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수를 의미하고, Ys max, Ys min는 각각 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미하고, Yc max, Yc min는 각각 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성하는 스펙트로그램 생성부를 더 포함하고, 상기 결함여부 판독부는 상기 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 결함여부 판독부는 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 제1 매핑과정에 따라 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제1 스펙트로그램 및 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 제2 매핑과정에 따라 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제2 스펙트로그램에 대하여 딥러닝 학습을 수행하고, 상기 제2 스펙트로그램의 이미지가 상기 제1 스펙트로그램의 이미지와 상이한 경우 상기 측정대상 구조물의 내부에 결함이 형성된 것으로 판독할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 측정대상 구조물의 두께는 상기 기준대상 구조물의 두께보다 크거나, 상기 측정대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수는 상기 기준대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수보다 많을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준대상 구조물을 기준으로 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독하는 방법에 있어서, 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하는 단계, 상기 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 단계, 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 방법은 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 결함여부를 판독하는 단계는 상기 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미리 설정된 기준대상 구조물의 진동신호를 기준으로 측정대상 구조물의 진동신호를 매핑하고, 기준이 되는 진동신호와 매핑이 이루어진 진동신호 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독함으로써 진단의 효율성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매핑이 이루어진 진동신호를 이미지화하여 나타낸 스펙토그램에 대해 결함 여부를 구분하여 딥러닝함으로써 진단의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 주파수응답을 획득하기 위해 필요한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치의 변형예를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제1 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제2 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 매핑신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제1 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제2 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 매핑신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이다.
도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이다.
도 10a는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제1 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제2 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 매핑신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 방법의 변형예를 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 주파수응답을 획득하기 위해 필요한 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치의 변형예를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치(10)는 주파수특성 획득부(110), 주파수응답 매핑부(120) 및 결함여부 판독부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
참고로, 본 발명에서는 내부 결함 판독의 대상이 되는 구조물을 측정대상 구조물로 기재하고, 내부 결함 판독의 기준이 되는 구조물을 기준대상 구조물로 기재하였다.
각 구조물은 판독에 용이하도록 모델링 된 구성을 의미하며, 측정대상 구조물은 기준대상 구조물에 비해 복잡한 구조로 모델링 된다. 예컨대, 측정대상 구조물의 두께는 기준대상 구조물의 두께보다 크게 모델링 될 수 있고, 측정대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수는 기준대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수보다 많게 모델링 될 수 있다.
주파수특성 획득부(110)는 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답(Frequency Response)을 획득할 수 있다.
주파수응답을 획득하기 위해, 각 구조물에 대하여 발생된 진동신호를 측정하여 신호처리를 할 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명의 내부 결함 판독 장치(10)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 진동 발생부(102), 진동 측정부(104) 및 신호 처리부(106)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
진동 발생부(102)는 진동신호가 측정될 수 있도록 구조물 즉, 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 내부에 충격을 발생시킬 수 있다. 즉, 진동 발생부(102)는 구조물에 인위적인 충격을 가하여 진동을 발생시킬 수 있다.
예컨대, 진동 발생부(102)로 해머가 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 진동 발생 기능을 수행할 수 있는 다양한 부재를 이용할 수 있다. 참고로, 진동 발생부(102)는 구조물의 외측면에 형성되되 후술하는 진동 측정부(104)의 위치로부터 소정 간격 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 진동 발생부(102)에 의해 발생된 진동이 구조물을 따라 흘러 진동 측정부(104)로 전달될 수 있고, 진동 측정부(104)는 구조물의 내부 결함 유무에 따라 변화된 진동신호를 측정할 수 있게 된다.
진동 측정부(104)는 구조물 즉, 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물에 가해지는 충격에 따라 발생되는 진동신호를 측정할 수 있다.
일 실시예로, 진동 측정부(104)는 진동의 세기 정보, 변위 정보 또는 진동에 따른 가속도의 세기 정보, 방향 정보 등을 포함하는 진동 데이터를 측정하는 센서일 수 있다. 예컨대, 진동 측정부(104)로 가속도 센서가 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 진동 측정 기능을 수행할 수 있는 다양한 센서를 이용할 수 있다. 참고로, 진동 측정부(104)는 진동 발생부(102)와 함께 구조물의 외측면에 형성될 수 있다.
신호 처리부(106)는 진동신호에 대한 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 신호처리를 수행할 수 있다. 즉, 신호 처리부(106)는 측정된 진동신호의 시간 영역에서의 데이터를 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환할 수 있으며, 구체적으로, FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 변환할 수 있다.
본 발명에서는 신호 처리부(106)를 구조물과 유무선으로 연결 가능한 컴퓨터 등의 단말기로 이용하였으며, 이에 한정되지 않고 진동 신호 처리 기능을 수행할 수 있는 다양한 부재를 이용할 수 있다.
주파수특성 획득부(110)는 상기와 같이 신호처리 된 데이터에 대한 주파수응답을 획득할 수 있다. 획득된 주파수응답은 주파수응답함수(Frequency Response Function)로 나타낼 수 있다.
주파수응답함수란 구조의 동특성을 파악하기 위하여 외력을 가하고 이에 대한 동적인 응답을 구하는 전달함수로서, 본 발명에서는 판독을 위한 측정대상 구조물과 판독의 기준이 되는 기준대상 구조물에 발생된 진동에 의한 각 가속도의 주파수반응을 획득하여 후술하는 주파수응답신호의 매핑을 수행하게 된다.
주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑할 수 있다.
신호의 매핑이란 내부 결함 판독에 활용되는 데이터의 정확성을 높이기 위한 과정으로서, 기준대상 구조물의 정상 진동신호와 결함 진동신호를 기준으로 측정대상 구조물의 진동신호를 매핑하는 것을 의미한다. 이후, 기준이 되는 진동신호와 매핑이 이루어진 진동신호 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독하게 된다.
이하에서는, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 주파수응답신호의 매핑과정을 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 본 실시예에서의 구조물은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이 외부에 실리콘이 형성된 플라스틱 바(bar) 형태로 모델링 될 수 있으며, 기준대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호(H.R.S.)와 결함 진동신호(F.R.S.)가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있고, 측정대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호(H.S.)가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있다. 이후, 시간이 지남에 따라 측정대상 구조물에 추가로 발생되는 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하여 미리 획득한 주파수응답의 신호 간 매핑을 수행하게 된다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대한 주파수응답신호를 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제1 매핑과정을 수행할 수 있다. 여기서, 제1 매핑과정은 후술하는 제2 매핑과정에서 판독 대상인 타겟 진동신호(U.S.)에 대한 주파수응답신호의 매핑에 적용될 수 있는 기준을 획득하기 위한 과정에 해당한다.
구체적으로, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대한 주파수응답신호의 고유진동수 및 진폭에 기초하여 매핑을 수행할 수 있다.
한편, 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답함수는
Figure pat00004
로 나타낼 수 있고, 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대한 주파수응답함수는
Figure pat00005
로 나타낼 수 있다. 여기서, Y-s, H-s, ωs는 각각 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수, 전달함수, 고유진동수를 의미하고, Y-c, H-c, ωc는 각각 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수, 전달함수, 고유진동수를 의미한다.
이때, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대한 주파수응답함수에 신호 매핑을 적용하고, 이후, 후술하는 결함여부 판독부(130)가 매핑이 적용된 주파수응답함수를 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답함수와 비교하여 결함여부를 판독하게 되는 것이다. 제1 매핑과정의 경우, 사전에 설정된 결함이 없는 정상의 측정대상 구조물에 대하여 매핑을 진행한 것으로, 차후 결함여부 판독 시 결함이 존재하지 않는 것으로 판독되는 것은 당연하다. 다만, 제2 매핑과정에 의해 획득되는 주파수응답함수와의 비교를 위한 기준자료를 제공하는데 의의가 있다.
주파수응답 매핑부(120)는 주파수응답신호의 고유진동수 및 진폭을 매핑하기 위한 주파수응답함수에 관한 하기 수학식 1에 기초하여 제1 매핑과정을 수행할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 매핑에 의해 변형된 고유진동수를 의미하고,
Figure pat00008
는 매핑에 의해 변형된 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수를 의미하고, Ys max, Ys min는 각각 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미하고, Yc max, Yc min는 각각 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미한다.
즉, 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대한 주파수응답함수를 수학식 1에 적용하여 매핑이 이루어진 주파수응답함수를 획득하게 된다. 이에 따라, 매핑이 이루어진 측정대상 구조물의 정상 진동신호(M.H.S.)에 대한 주파수응답함수 및 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답함수와의 유사 정도를 파악할 수 있게 된다.
다음으로, 도 4b를 참조하면, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대한 주파수응답신호를 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제2 매핑과정을 수행할 수 있다. 여기서, 제2 매핑과정은 전술한 제1 매핑과정에서 적용된 측정대상 구조물의 정상 진동신호 기반 매핑을 동일하게 적용하여, 시간이 지난 후에 발생되는 진동신호인 타겟 진동신호에 대한 주파수응답신호를 매핑하는 과정에 해당한다.
구체적으로, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대한 주파수응답신호의 고유진동수 및 진폭에 기초하여 매핑을 수행할 수 있다.
한편, 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수는
Figure pat00009
로 나타낼 수 있고, 측정대상 구조물의 타겟 진동신호에 대한 주파수응답함수는
Figure pat00010
로 나타낼 수 있다. 여기서, Ys, Hs, ωs는 각각 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수, 전달함수, 고유진동수를 의미하고, Yc, Hc, ωc는 각각 측정대상 구조물의 타겟 진동신호에 대한 주파수응답함수, 전달함수, 고유진동수를 의미한다.
이때, 주파수응답 매핑부(120)는 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대한 주파수응답함수에 신호 매핑을 적용하고, 이후, 후술하는 결함여부 판독부(130)가 매핑이 적용된 주파수응답함수를 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답함수와 비교하여 결함여부를 판독하게 되는 것이다.
주파수응답 매핑부(120)는 주파수응답신호의 고유진동수 및 진폭을 매핑하기 위한 주파수응답함수에 관한 상기 수학식 1에 기초하여 제2 매핑과정을 수행할 수 있다.
즉, 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대한 주파수응답함수를 수학식 1에 적용하여 매핑이 이루어진 주파수응답함수를 획득하게 된다. 이에 따라, 매핑이 이루어진 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(M.U.S.)에 대한 주파수응답함수 및 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답함수와의 유사 정도를 파악할 수 있게 된다.
결함여부 판독부(130)는 기준대상 구조물의 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 매핑된 주파수응답신호(M.U.S.)의 값 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
다시 말해, 결함여부 판독부(130)는 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 타겟 진동신호(U.S.)에 대하여 제2 매핑과정에 의해 매핑된 주파수응답신호(M.U.S.)의 값의 차이를 비교할 수 있고, 차이가 0 또는 0에 수렴하는 값이라면 정상 진동신호로 판단하여 결함이 형성되지 않은 것으로 판독하고, 차이가 0에 수렴하지 않고 소정의 값 이상을 가진다면 비정상 진동신호로 판단하여 결함이 형성된 것으로 판독할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치의 변형예를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
본 발명에서는 결함여부 판독 시 주파수응답신호의 값 간 차이를 이미지로서 표현한 스펙트로그램을 분석하여 결함여부를 판독할 수 있다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구조물의 내부 결함 판독 장치는 스펙트로그램 생성부(125)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
스펙트로그램 생성부(125)는 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성할 수 있다. 구체적으로, 스펙트로그램 생성부(125)는 STFT(Short Time Fourier Transform)를 적용하여 주파수응답신호의 값 간 차이를 시간에 따른 주파수 분포로 나타낸 스펙트로그램을 생성할 수 있으며, 생성된 스펙트로그램은 도 5에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 정상 진동신호와 매핑이 적용된 타겟 진동신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 좌측 (a)의 그래프는 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.H.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타낸 그래프로서 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 좌측 (b)의 그래프는 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.U.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타낸 그래프로서 차이가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 측정대상 구조물은 정상 진동신호가 발생한 후 시간이 지남에 따라 내부에 결함이 발생한 것으로 유추될 수 있다.
한편, 결함여부 판독부(130)는 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
구체적으로, 결함여부 판독부(130)는 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 제1 매핑과정에 따라 매핑이 적용된 진동신호(M.H.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제1 스펙트로그램 및 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 제2 매핑과정에 따라 매핑이 적용된 진동신호(M.U.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제2 스펙트로그램에 대하여 딥러닝 학습을 수행할 수 있다.
즉, 결함여부 판독부(130)는 제2 스펙트로그램의 이미지가 제1 스펙트로그램의 이미지와 상이한 경우 측정대상 구조물의 내부에 결함이 형성된 것으로 판독할 수 있다. 이는 제1 스펙트로그램이 결함이 없는 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호를 나타내기 때문이다. 딥러닝 기반의 알고리즘으로는 CNN 알고리즘, LSTM 알고리즘, Attention 알고리즘, Transformer 알고리즘 및 BERT 알고리즘 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이고, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이고, 도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제1 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제2 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 매핑신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치와 그 구성이 동일하며, 다만, 구조물의 형태가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이 외부에 실리콘이 형성된 구부러진 플라스틱 바(bar) 형태로 모델링 될 수 있다.
기준대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호와 결함 진동신호가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있고, 측정대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있다. 이후, 시간이 지남에 따라 측정대상 구조물에 추가로 발생되는 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하여 미리 획득한 주파수응답의 신호 간 매핑을 수행하게 된다.
매핑과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물에 적용되는 제1 매핑과정 및 제2 매핑과정과 동일하게 적용되며, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같다.
기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.H.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램은 도 8의 좌측 (a) 그래프와 같이 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.U.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램은 도 8의 좌측 (b) 그래프와 같이 차이가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 측정대상 구조물은 정상 진동신호가 발생한 후 시간이 지남에 따라 내부에 결함이 발생한 것으로 유추될 수 있다.
이후, 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습에 의해 결함여부를 판독하는 과정은 본 발명의 일 실시예에의 판독 과정과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 정상/결함 진동신호의 발생에 따른 기준대상 구조물의 개념도이고, 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 정상 진동신호의 발생에 따른 측정대상 구조물의 개념도이고, 도 10a는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제1 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 주파수응답함수를 이용한 제2 매핑과정을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 측정대상 구조물의 매핑신호에 대한 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 장치와 그 구성이 동일하며, 다만, 구조물의 형태가 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 바와 같이 PVC를 사이에 두고 양측에 철 소재의 구성물이 형성된 형태로 모델링 될 수 있다.
기준대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호와 결함 진동신호가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있고, 측정대상 구조물에 대해서는 정상 진동신호가 발생한 경우의 주파수응답을 미리 획득할 수 있다. 이후, 시간이 지남에 따라 측정대상 구조물에 추가로 발생되는 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하여 미리 획득한 주파수응답의 신호 간 매핑을 수행하게 된다.
매핑과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물에 적용되는 제1 매핑과정 및 제2 매핑과정과 동일하게 적용되며, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같다.
기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 정상 진동신호(H.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.H.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램은 도 11의 좌측 (a) 그래프와 같이 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 기준대상 구조물의 정상 진동신호(H.R.S.)에 대한 주파수응답신호의 값과 측정대상 구조물의 타겟 진동신호(U.S.)에 대하여 매핑이 적용된 진동신호(M.U.S.)에 대한 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램은 도 11의 좌측 (b) 그래프와 같이 차이가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 측정대상 구조물은 정상 진동신호가 발생한 후 시간이 지남에 따라 내부에 결함이 발생한 것으로 유추될 수 있다.
이후, 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습에 의해 결함여부를 판독하는 과정은 본 발명의 일 실시예에의 판독 과정과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 내부 결함 판독 방법의 변형예를 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 단계 S110에서는 구조물의 내부 결함 판독 장치의 주파수특성 획득부가 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득할 수 있다.
이후, 단계 S120에서는 구조물의 내부 결함 판독 장치의 주파수응답 매핑부가 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑할 수 있다.
이후, 단계 S130에서는 구조물의 내부 결함 판독 장치의 결함여부 판독부가 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 단계 S120 이후, 구조물의 내부 결함 판독 장치의 스펙트로그램 생성부가 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성할 수 있다.
이후, 단계 S130에서는 구조물의 내부 결함 판독 장치의 결함여부 판독부가 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독할 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 미리 설정된 기준대상 구조물의 진동신호를 기준으로 측정대상 구조물의 진동신호를 매핑하고, 기준이 되는 진동신호와 매핑이 이루어진 진동신호 간 차이를 비교하여 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독함으로써 진단의 효율성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매핑이 이루어진 진동신호를 이미지화하여 나타낸 스펙토그램에 대해 결함 여부를 구분하여 딥러닝함으로써 진단의 정확성을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10,20 : 내부 결함 판독 장치
102 : 진동 발생부
104 : 진동 측정부
106 : 신호 처리부
110 : 주파수특성 획득부
120 : 주파수응답 매핑부
125 : 스펙트로그램 생성부
130 : 결함여부 판독부

Claims (10)

  1. 기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하는 주파수특성 획득부;
    상기 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 주파수응답 매핑부;
    상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 결함여부 판독부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준대상 구조물 및 상기 측정대상 구조물의 내부에 충격을 발생시키기 위한 진동 발생부; 및
    상기 기준대상 구조물 및 상기 측정대상 구조물에 가해지는 충격에 따라 발생되는 진동신호를 측정하는 진동 측정부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수응답 매핑부는
    상기 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호를 고유진동수 및 진폭에 기초하여 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제1 매핑과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주파수응답 매핑부는
    상기 측정대상 구조물의 타겟 진동신호에 대한 주파수응답신호를 고유진동수 및 진폭에 기초하여 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 제2 매핑과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 주파수응답 매핑부는
    주파수응답함수에 관한 하기 수학식 1에 기초하여 상기 제1 매핑과정 및 상기 제2 매핑과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00011

    여기서, ωc는 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 고유진동수를 의미하고,
    Figure pat00012
    는 매핑에 의해 변형된 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 고유진동수를 의미하고, Yc는 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수를 의미하고,
    Figure pat00013
    는 매핑에 의해 변형된 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수를 의미하고, Ys max, Ys min는 각각 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미하고, Yc max, Yc min는 각각 측정대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답함수의 최대값과 최소값을 의미함.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성하는 스펙트로그램 생성부를 더 포함하고,
    상기 결함여부 판독부는
    상기 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 것을 특징을 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결함여부 판독부는
    상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 제1 매핑과정에 따라 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제1 스펙트로그램 및 상기 기준대상 구조물의 정상 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 제2 매핑과정에 따라 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 제2 스펙트로그램에 대하여 딥러닝 학습을 수행하고,
    상기 제2 스펙트로그램의 이미지가 상기 제1 스펙트로그램의 이미지와 상이한 경우 상기 측정대상 구조물의 내부에 결함이 형성된 것으로 판독하는 것을 특징을 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정대상 구조물의 두께는 상기 기준대상 구조물의 두께보다 크거나, 상기 측정대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수는 상기 기준대상 구조물을 구성하는 구성물의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 장치.
  9. 기준대상 구조물을 기준으로 측정대상 구조물의 내부 결함을 판독하는 방법에 있어서,
    기준대상 구조물 및 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답을 획득하는 단계;
    상기 측정대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호를 상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호에 매핑하는 단계;
    상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 비교하여 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내부 결함 판독 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기준대상 구조물의 진동신호에 대한 주파수응답신호의 값과 상기 매핑된 주파수응답신호의 값 간 차이를 나타내는 스펙트로그램을 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 결함여부를 판독하는 단계는
    상기 생성된 스펙트로그램에 대한 딥러닝 학습을 통해 상기 측정대상 구조물의 내부 결함여부를 판독하는 것을 특징을 하는 구조물의 내부 결함 판독 방법.
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