구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서 관련 최근 연구동향

김은진,조수진,심성한 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.3

Structural health monitoring (SHM) is a technique to diagnose an accurate and reliable condition of civil infrastructure by collecting and analyzing responses from distributed sensors. In recent years, aging civil structures have been increasing and they require further developed SHM technology for development of sustainable society. Wireless smart sensor and network technology, which is one of the recently emerging SHM techniques, enables more effective and economic SHM system in comparison to the existing wired systems. Researchers continue on development of the capability and extension of wireless smart sensors, and implement performance validation in various in-laboratory and outdoor full-scale experiments. This paper presents a summary of recent (mostly after 2010) researches on smart sensors, focused on the newly developed hardware, software, and validation examples of the developed smart sensors. 구조물 건전성 모니터링은 센서로부터 구조물의 응답을 수집하고 분석하여 구조물의 정확한 상태를 진단하는 기술이다. 최근 노후화된구조물의 증가로 인하여, 지속가능한 사회 발전을 위해 더욱 발달된 구조물 건전성 모니터링 기술이 요구되고 있다. 최신 구조물 건전성모니터링 기술 중 하나인 무선 스마트 센서와 센서 네트워크 기술은 기존의 유선 방식의 모니터링 시스템과 비교하여 더욱 효율적이며 경제적인 모니터링 시스템의 구축을 가능하게 하는 기술이다. 최근까지도 관련 연구자들은 스마트 센서의 성능 및 확장성 향상을 위하여 연구개발을 진행하고, 다양한 실내, 실외 실험을 통한 성능 테스트를 진행하였다. 본 논문에서는 최근 (2010년 이후를 중심으로)에 개발된스마트 센서의 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 응용 사례들을 정리함으로써, 구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서의 최신 연구동향에대해 소개하고자 한다.

구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서 관련 최근 연구동향

김은진,조수진,심성한 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.3

구조물 건전성 모니터링은 센서로부터 구조물의 응답을 수집하고 분석하여 구조물의 정확한 상태를 진단하는 기술이다. 최근 노후화된 구조물의 증가로 인하여, 지속가능한 사회 발전을 위해 더욱 발달된 구조물 건전성 모니터링 기술이 요구되고 있다. 최신 구조물 건전성 모니터링 기술 중 하나인 무선 스마트 센서와 센서 네트워크 기술은 기존의 유선 방식의 모니터링 시스템과 비교하여 더욱 효율적이며 경 제적인 모니터링 시스템의 구축을 가능하게 하는 기술이다. 최근까지도 관련 연구자들은 스마트 센서의 성능 및 확장성 향상을 위하여 연 구개발을 진행하고, 다양한 실내, 실외 실험을 통한 성능 테스트를 진행하였다. 본 논문에서는 최근 (2010년 이후를 중심으로)에 개발된 스마트 센서의 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 응용 사례들을 정리함으로써, 구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서의 최신 연구동향에 대해 소개하고자 한다. Structural health monitoring (SHM) is a technique to diagnose an accurate and reliable condition of civil infrastructure by collecting and analyzing responses from distributed sensors. In recent years, aging civil structures have been increasing and they require further developed SHM technology for development of sustainable society. Wireless smart sensor and network technology, which is one of the recently emerging SHM techniques, enables more effective and economic SHM system in comparison to the existing wired systems. Researchers continue on development of the capability and extension of wireless smart sensors, and implement performance validation in various in-laboratory and outdoor full-scale experiments. This paper presents a summary of recent (mostly after 2010) researches on smart sensors, focused on the newly developed hardware, software, and validation examples of the developed smart sensors.

구조물 건전성 모니터링을 위한 증강현실 기반 센서 위치인식 및 데이터시각화 기술

박웅기,이창길,박승희,유영준,박기태 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.2

In recent years, numerous mega-size and complex civil infrastructures have been constructed worldwide. For the more precise construction and maintenance process management of these civil infrastructures, the application of a variety of smart sensor-based structural health monitoring (SHM) systems is required. The efficient management of both sensors and collected databases is also very important. Recently, several kinds of database access technologies using Quick Response (QR) code and Augmented Reality (AR) applications have been developed. These technologies provide software tools incorporated with mobile devices, such as smart phone, tablet PC and smart pad systems, so that databases can be accessed very quickly and easily. In this paper, an AR-based structural health monitoring technique is suggested for sensor management and the efficient access of databases collected from sensor networks that are distributed at target structures. The global positioning system (GPS) in mobile devices simultaneously recognizes the user location and sensor location, and calculates the distance between the two locations. In addition, the processed health monitoring results are sent from a main server to the user's mobile device, via the RSS (really simple syndication) feed format. It can be confirmed that the AR-based structural health monitoring technique is very useful for the real-time construction process management of numerous mega-size and complex civil infrastructures. 최근 초고층 및 초장대와 같은 대형 구조물들이 시공되고 있으며, 이에 대한 구조물 건전성 모니터링 기술들이 연구되고 있다. 하지만 기존의 기술들은 계측 센서의 관리와 센서로부터 계측된 데이터에 효율적으로 access하지 못하고 있다. 본 논문에서는 구조물 건전성 모니터링을 위한 증강현실 기반 센서 위치인식 및 데이터 시각화 기술을 소개한다. 모바일 디바이스에 내장된 GPS를 통하여 센서와 사용자 간의 거리를 파악하게 된다. 뿐만 아니라, 센서로부터 계측된 데이터는 위치정보시스템 서버에 저장되며, RSS방식을 통해 전송되어 사용자가 모바일 디바이스를 통해 쉽게 계측 데이터를 가시화 할 수 있게 된다. 이 기술을 이용하여 사용자는 센서의 위치인식을 통해 계측센서를 관리하고, 계측 데이터를 시각화하여 시간과 공간에 제약 없이 구조물의 건전성을 모니터링 할 수 있게 된다.

철골 구조물의 안전성 모니터링을 위한 변형률 기반 하중 식별

오병관,이지훈,최세운,김유석,박효선 한국구조물진단유지관리공학회 2014 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.18 No.2

본 연구에서는 철골 골조 구조물의 안전성 모니터링을 위하여 계측한 변형률을 통해 구조물에 작용한 하중을 식별하는 알고리즘을 제안한다. 기존의 시스템 식별 연구에서 구조물의 강성 등을 변수화한 것과는 다르게, 본 연구에서는 구조물에 작용한 하중과 이로 인해 구조물에 발생하는 변형률 간의 관계를 행렬로 정의하고, 이 행렬 및 작용한 하중을 변수화 한다. 계측한 변형률과 변수를 통해 추정한 변형률사이의 차이를 오차함수로 설정하고 이를 최소화시키기 위해 최적화 알고리즘 중 하나인 유전자 알고리즘을 적용한다. 구해진 변수와 계측변형률을 통해 작용한 하중을 식별하고 구조물의 하중 변화 시 미계측 지점의 응답을 추정한다. 본 연구에서 제안하는 하중 식별 알고리즘을 검증하기 위해 3차원 철골 골조 구조물의 정적 가력 실험을 수행하였고, 계측한 변형률을 통해 가해진 하중을 낮은 오차 수준으로 식별할 수 있었다. 또한, 하중 조건 변화 시, 계측한 변형률을 통해 모니터링 대상이 되는 미계측 지점의 변형률을 0.17~3.13%의 오차 범위로추정하였다. 본 연구가 제안하는 식별법이 철골 구조물의 보다 현실적인 안전성 모니터링에 효과적으로 적용될 것으로 기대된다. This study proposes a load identification for the safety monitoring of the steel structure based on measured strain data. Insteadof parameterizing the stiffness of structure in the existing system identification researches, the loads on a structure and a matrix (the unit strain matrix) defined by the relationship between strain and load on structure are parameterized in this study. The errorfunction is defined by the difference between measured strain and strain estimated by parameters. In order to minimize this errorfunction, the genetic algorithm which is one of the optimization algorithm is applied and the parameters are found. The loads onthe structure can be identified through the founded parameters and measured strain data. When the loads are changed, the unmeasured strains are estimated based on founded parameters and measured strains on changed state of structure. To verify theload identification algorithm in this paper, the static experimental test for 3 dimensional steel frame structure was implemented andthe loads were exactly identified through the measured strain data. In case of loading changes, the unmeasured strains which aremonitoring targets on the structure were estimated in acceptable error range (0.17~3.13%). It is expected that the identification method in this study is applied to the safety monitoring of steel structures more practically.

구조물 변위 계측을 위한 GNSS 활용 연구

최준호,김대혁,임정현,강영종 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.11 No.-

고층 빌딩, 초장대 교량과 같은 대형 구조물의 건설이 증가하고 있다. 이들 대형 구조물은 기존의 소규모 구조물보다 다양한 거동해석 기술이 필요하고 발생 변위 허용량이 cm단위 이상으로 대변위 발생이 가능하기 때문에 구조물 건전도 평가를 위한 지속적인 모니터링이 중요하다. 구조물의 건전도 모니터링을 위해서 다양한 계측 장비를 이용하고 있으며, 다양한 계측 장비 중 변위 계측을 위해서는 GNSS(Golbal Navigation Satellite System)를 이용한 계측이 주로 이루어지고 있다. GNSS의 경우 장비의 설치 및 유지관리가 매우 편리하다는 장점이 있으며, 계측 변위가 절대 좌표계로 측정 되므로 장비 재부팅시에도 동일한 기준 좌표를 사용하므로 기준점 초기화의 과정이 필요 없다는 장점이 있다. 하지만 GNSS의 경우 위성 신호를 관측하기 때문에 위성 전파방해에 따라 계측 오차가 발생하며 현재의 구조물의 변위 모니터링에 사용하는 GNSS기술은 최대 50Hz의 샘플링레이트와 변위 계측 정밀도가 최대 수평 10mm±1ppm, 수직 20mm±1ppm이므로 적용 가능한 구조물에 한계가 있다. 본 연구에서는 GNSS를 이용한 구조물 거동 계측 검증을 위해서 허용 발생 변위가 최대 15cm 이상이고 이동하중을 재하 할 수 있는 소규모 실험체를 제작하였다. 계측된 GNSS 관측 데이터의 신뢰도 및 기준국, 로버 거리에 따른 측정 영향성 분석을 통해 계측 신호의 이상 유무를 분석하였다. 이후 다양한 계측 변위 조건을 위해서 이동하중 속도, 하중 크기를 변화시켜 GNSS변위와 LVDT변위를 비교하여 GNSS 변위 계측 정밀도 분석 연구를 수행하였다. 또한 실험모델의 계측 변위와 FEM해석 결과의 변위를 비교함으로써 GNSS로 계측된 변위를 이용한 해석 모델 적용에 대한 연구를 수행하였다. GNSS 변위를 검증한 결과 FEM 해석 결과와 잘 일치하는 것으로 분석되었으며, 대변위가 발생할수록 GNSS의 계측 정밀도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 구조물 건전도 평가를 위한 GNSS 활용을 검증하였다.

구조물 건전성 모니터링 시스템 국외 사례조사

박성호 ( Park Sung-ho ),강재도 ( Kang Jae-do ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.1

구조물에 센서를 설치하여 진동, 변위 같은 물리량을 관측하고(센싱), 다양한 신호처리 기법을 활용하여(분석) 구조체의 손상이나 열화 등을 예측하는 기술(진단·예측)을 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)이라고 한다. 계측 하고자 대상(동특성, 층간변위 등)에 맞게 효율적으로 모니터링을 수행하기 위해 다양한 센서가 개발되었으며, 현장 적용성을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이에, 본 논문에서는 최근 국내·외에서 개발된 센서들을 활용한 구조물건전성 모니터링 시스템 구축사례에 대해 조사를 수행하였고, 이 중 괄목할 만한 사례에 대해 소개하였다.

구조물 건전성 모니터링 시스템 국외 사례조사

박성호 ( Park Sung-ho ),강재도 ( Kang Jae-do ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.1

구조물에 센서를 설치하여 진동, 변위 같은 물리량을 관측하고(센싱), 다양한 신호처리 기법을 활용하여(분석) 구조체의 손상이나 열화 등을 예측하는 기술(진단·예측)을 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)이라고 한다. 계측 하고자 대상(동특성, 층간변위 등)에 맞게 효율적으로 모니터링을 수행하기 위해 다양한 센서가 개발되었으며, 현장 적용성을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이에, 본 논문에서는 최근 국내·외에서 개발된 센서들을 활용한 구조물건전성 모니터링 시스템 구축사례에 대해 조사를 수행하였고, 이 중 괄목할 만한 사례에 대해 소개하였다.

한정된 계측 변위를 이용한 구조물 변형 형상 추정

최준호,김승준,한승룡,강영종,Choi, Junho,Kim, Seungjun,Han, Seungryong,Kang, Youngjong 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.4

구조물의 변형 형상은 구조해석을 위한 중요한 정보이다. 구조물 모니터링 시스템에서도 충분한 변위 계측점이 확보되어 명확하고 합리적인 구조물의 변형 형상이 도출된다면 이를 이용한 구조해석이 가능 할 것이다. 하지만 실제 구조물에서는 한정된 비용으로 인해 충분한 변위 계측점이 확보되지 못하기 때문에 합리적인 구조물 변형 형상의 도출이 어렵다. 본 연구에서는 경제적이고 합리적인 구조물 변형 형상 추정을 위해 최소의 변위 계측 데이터를 이용한 효과적인 구조물의 거동 형상 추정기법인 SFSM-LS알고리즘을 개발하였다. 본 기법은 구조물의 변형 형상을 추정하기 위해 계측 대상 구조물의 사전 유한요소해석을 통해 여러 구조 거동 형상을 기본 구조형상함수로 정의하고, 이들 함수를 추정 변위의 오차를 최소화 시키는 각 함수의 가중치로써 중첩한다. 2경간 연속교 모델의 수치해석을 통해 개발된 알고리즘을 검증하고 매개변수 연구를 수행하였다. 개발된 알고리즘의 매개 변수인 구조형상함수, 변위 계측 위치, 변위 계측 개소에 대한 형상 추정 결과의 특성을 분석하고 Polynomial, Lagrange, Spline 보간법과 형상 추정 정밀도를 비교하여 개발된 기법의 적용성을 검증하였다. 이를 통해 적은 개소의 변위 데이터로 정밀한 형상을 추정하는 결과를 도출하여 제안된 기법의 우월성을 입증하였다. The structural deformed shape is important information to structural analysis. If the sufficient measuring points are secured at the structural monitoring system, reasonable and accurate structural deformation shapes can be obtained and structural analysis is possible using this deformation. However, the accurate estimation of the global structural shapes might be difficult if sufficient measuring points are not secure under cost limitations. In this study, SFSM-LS algorithm, the economic and effective estimation method for the structural deformation shapes with limited displacement measuring points is developed and suggested. In the suggested method, the global structural deformation shape is determined by the superposition of the pre-investigated structural deformed shapes obtained by preliminary FE analyses, with their optimum weight factors which lead minimization of the estimate errors. 2-span continuous bridge model is used to verify developed algorithm and parametric studies are performed. By the parametric studies, the characteristics of the estimation results obtained by the suggested method were investigated considering essential parameters such as pre-investigated structural shapes, locations and numbers of displacement measuring points. By quantitative comparison of estimation results with the conventional methods such as polynomial, Lagrange and spline interpolation, the applicability and accuracy of the suggested method was validated.

구조물 건전성 모니터링 시스템 국외 사례조사

박성호 ( Park Sung-ho ),강재도 ( Kang Jae-do ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.1

구조물에 센서를 설치하여 진동, 변위 같은 물리량을 관측하고(센싱), 다양한 신호처리 기법을 활용하여(분석) 구조체의 손상이나 열화 등을 예측하는 기술(진단·예측)을 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)이라고 한다. 계측 하고자 대상(동특성, 층간변위 등)에 맞게 효율적으로 모니터링을 수행하기 위해 다양한 센서가 개발되었으며, 현장 적용성을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이에, 본 논문에서는 최근 국내·외에서 개발된 센서들을 활용한 구조물건전성 모니터링 시스템 구축사례에 대해 조사를 수행하였고, 이 중 괄목할 만한 사례에 대해 소개하였다.

영상기반 모션센싱을 이용한 실시간 동적 보행하중의 위치인식

임정혁(Lim, Jeonghyeok),윤형철(Yoon, Hyungchul) 한국방재학회 2019 한국방재학회논문집 Vol.19 No.7

본 연구에서는 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring)을 위한 동적 하중 분석에 있어, 하중의 위치정보 획득에 영상 기법을 활용한 모션센싱 기법을 제시하고자 한다. 거동 측정 기반 구조물 건전성 모니터링은 구조물에 가해지는 동적 하중은 대부분 백색 소음(White Noise)으로 가정하고 동적 거동만을 측정하는데 이로 인하여 오차가 발생하게 된다. 반면에 하중-거동 측정 기반 구조물 건전성 모니터링은 구조물에 가해지는 동적 하중을 고려하기 위해 하중의 크기와 위치에 대한 정보를 필요로 하지만 이를 측정하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 일반적으로 해머(Hammer) 등을 활용한 충격 재하 실험방법이 많이 사용되지만, 이 방법은 별도의 장비가 필요하며 교통 제어도 요구되는 한계점을 지니고 있다. 본 연구에서는 편리하고 경제적인 영상 기반 기법을 개발하여, 보다 저렴하고 효율적으로 구조물의 동적 보도하중의 위치를 예측하고자 한다. 카메라와 모션센싱 기법을 이용하여 구조물 위에서 움직이는 객체를 추적하고 구조물의 해당 위치에 하중을 부여하였다. 본 연구에서 개발된 동적하중 위치 측정 방법은 특별한 장비를 필요로 하지 않으며, 상용 카메라를 이용함으로써 보다 적은 비용으로 효율적인 동적 하중의 위치정보 획득이 가능할 것으로 기대된다. This paper presents a new method for analyzing the dynamic loading of a structure for structural health monitoring (SHM) using a computer-vision-based motion-sensing technique that obtains the pedestrian dynamic-load location. One of the main sources of error in the output-only SHM method comes from the assumption that the input (dynamic load) is white noise. In contrast, the input-output-based SHM method is rarely used because of the difficulty in measuring the dynamic load applied to the structure. Impact-load testing by employing an impact hammer is often used to control the dynamic load; however, the method requires additional pieces of equipment with traffic control. This paper presents a commercial off-the-shelf method to overcome such limitations using computer-vision techniques. The location of the pedestrian dynamic load is determined by applying motion-sensing algorithms. The proposed method does not require any additional equipment other than a commercial camera, which is cost- and labor-effective compared with conventional methods.