누설자속 탐상 기반 와이어로프 자동 손상 평가를 위한 신호처리 및 패턴인식 알고리즘 통합화 연구

국문 초록 (Abstract)

와이어로프는 무거운 중량을 안전하게 운반하는 승강기 및 크레인과 같은 다양한 분야에 핵심적으로 사용되고 있다. 하지만 이러한 와이어로프 부재는 사용 환경의 특성상 단선, 부식과 같은 국부적인 손상이 발생할 수 있고, 인장력을 받고 있는 와이어로프 부재의 손상부는 응력의 집중으로 인해 손상이 빠르게 확장되어 구조물 전체의 안전에 심각한 위협을 줄 수 있다. 따라서 이와 같은 국부손상을 발생초기에 정확이 진단하여 대응할 수 있는 적절한 비파괴 검사(NDE: Non-destructive evaluation) 기술이 필요하다.
본 연구에서는 강자성체로 이루어진 연속체 구조물의 NDE에 효과적인 누설자속(MFL: Magnetic flux leakage) 탐상 기법을 활용하여 와이어로프에 발생한 국부손상을 진단하고자 하였다. 이를 위해 와이어로프의 자기이력곡선을 측정하여 자기적 물성치를 획득하였고, 이를 반영한 시뮬레이션 작업을 통한 수치적 설계를 통해 다채널 누설자속 센서헤드를 제작하였다.
이로부터 계측되는 누설자속 신호를 활용한 손상평가의 정확도 향상을 위해 힐버트 변환(HT: Hilbert transform) 및 웨이블렛 변환(WT: Wavelet transform)을 포함하는 신호처리 과정을 거쳐 신호의 해상도를 향상시켰다. 객관적인 손상판단을 위하여 통계학적 기반의 일반극치(GEV: Generalized extreme value)분포를 이용한 Outlier analysis를 통해 손상의 유무를 판단하였다. 이어서 손상부에서 발생하는 누설자속 신호의 특성을 다양한 손상지수(Damage index)들을 활용하여 정량화함으로써 단선 및 부식과 같은 손상의 유형별 누설자속 신호 특성을 분석 하였으며 손상의 크기 변화에 따른 손상인덱스의 변화 패턴을 확인 하였다.
위 과정에서 추출된 손상지수들을 복합적으로 활용하여 인공신경망(ANN: Artificial neural network) 및 서포트백터머신(SVM: Support vector machine) 패턴인식 알고리즘을 학습시켰고, 이를 단계적으로 활용하여 와이어로프 국부손상의 유형 및 크기를 자동 진단할 수 있도록 하였다. 또한 손상평가 결과를 와이어로프의 형상과 유사하게 시각화 하여 나타냄으로써 직관적인 손상정보의 전달이 가능하게 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Steel wire ropes are an essential component used in elevators and cranes that are used for lifting and hoisting. However, local cross-sectional damage in a wire rope due to friction, impact, and corrosion can occur. Such damage is not easily detected due to the features of the wire rope such as its complex cross-section and long length.
However, these defects can expand quickly due to tension of wire rope, and it can lead to crashing of the lifting structure and structural failure. Thus, it is very important to detect any defects on the wire rope at the early stage to prevent these accident.
In this study, a magnetic flux leakage (MFL) method that is known as a suitable non-destructive evaluation (NDE) method for continuum ferromagnetic structures was applied to detect damage for inspecting the steel wire rope.
To verify the feasibility of the MFL technique for wire rope inspection, A multi-channel MFL sensor head that can maintain the constant lift-off was fabricated using Hall sensors and permanent magnets to adapt to the target wire rope. It designed based on the result of magnetic simulation using measured magnetic hysteresis curve (B-H curve) of wire rope.
To proof the proposed damage detection method through the experimental studies, several types of artificial damage were formed on wire rope to prepare the damaged wire rope specimen. The fabricated MFL sensor head scanned the damaged specimens to measure the magnetic flux signals.
After obtaining signals, a series of signal processing process including the enveloping process based on Hilbert transform(HT) and wavelet transform(WT) was performed to clarify the MFL signals by reducing the noise.
The enveloped signals were then analyzed for objective damage detection by comparing with a threshold value that was established based on generalized extreme value (GEV) distribution.
For improvement of quantitative analysis, new damage indexes that utilize the relationship between the enveloped MFL signal and the threshold value were additionally proposed. By using the proposed damage indexes and the general damage index for the MFL method, the detected MFL signals from each damage type were quantified.
Supervised learning-based multi-stage pattern recognition method using extracted multi-scale damage indexes was implemented for automated damage evaluation. To classify the type of damage, support vector machine(SVM) method was applied. Then, artificial neural network(ANN) method was utilized to estimate the size of damage.
Finally, the result of the automated damage evaluation were visualized into a 3D model similar with a wire rope for convenient wire rope monitoring.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 동향 분석 5
• 1.3 연구목적 및 내용 11
• 제2장 국부 결함 검색을 위한 누설 자속 탐지 기법 14
• 2.1 누설자속 기반 국부 손상 검색의 원리 및 방법 14
• 2.2 영구자석을 이용한 시편의 자화 28
• 2.3 홀센서 기반의 누설자속 계측 방법 35
• 제3장 손상 진단 자동화를 위한 신호 처리 및 패턴인식 기법 46
• 3.1 신호처리 및 통계적 기법 기반 누설자속 신호의 보정 46
• 3.2 Outlier Analysis 기반 손상 판정 및 손상 정량화 기법 63
• 3.3 패턴인식 기법 기반 손상 분류 및 정량화 69
• 3.4 자속신호의 시각화를 통한 결함 탐지 효율성 향상 75
• 제4장 다채널 MFL 센서헤드 및 계측 시스템 설계 78
• 4.1 B-H loop 계측을 통한 와이어로프의 자기특성 분석 78
• 4.2 센서헤드 설계를 위한 자기 시뮬레이션 85
• 4.3 자기 시뮬레이션 결과를 반영한 누설자속 센서헤드 설계 100
• 4.4 홀센서 구동 및 자속신호 수집 DAQ 시스템 구성 110
• 제5장 센서 헤드 채널별 감도 보정 및 누설자속 특성 분석 114
• 5.1 강봉을 이용한 실험의 개요 및 목적 114
• 5.2 강봉 시편의 누설자속 신호 수집 시스템 구성 115
• 5.3 계측채널별 민감도 분석 및 캘리브레이션 117
• 5.4 손상 깊이 증가에 따른 누설 신호 변화 특성 분석 128
• 5.5 손상 너비 증가에 따른 누설 신호 변화 특성 분석 133
• 5.6 소결론 141
• 제6장 MFL 기반 와이어로프 손상 진단 및 유형에 따른 신호 패턴 분석 143
• 6.1 와이어로프의 단선 손상 진단 실험 셋업 및 실험 방법 143
• 6.2 와이어로프의 단선 손상 진단 결과 및 손상 정량화 147
• 6.3 와이어로프의 부식 손상 검색 실험 166
• 6.4 와이어로프의 압착손상 진단 실험 173
• 6.5 손상의 유형에 따른 누설자속 신호 특성 분석 177
• 6.6 소결론 184
• 제7장 패턴인식기법 기반의 와이어로프 손상 분석 186
• 7.1 패턴인식기법을 이용한 와이어로프 진단 알고리즘 186
• 7.2 SVM을 이용한 손상 유형 분류 188
• 7.3 ANN을 이용한 와이어로프의 단선 손상 크기 추정 197
• 7.4 소결론 206
• 제8장 실사용 와이어로프를 이용한 자동손상진단 알고리즘 검증 208
• 8.1 실사용 와이어로프를 이용한 진단 알고리즘의 검증 실험 208
• 8.2 실사용 와이어로프 진단을 위한 실험 셋업 209
• 8.3 누설자속의 신호처리 및 가공 212
• 8.4 실사용 와이어로프 손상 단계별 국부손상 진단 결과 216
• 제9장 결 론 232
• 참고 문헌 236

참고문헌 (Reference)

1 신영길, "“자기비파괴검사의 원리”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지 제31권 제3호, pp. 294-298, 2011

2 김신, 이향범, "“누설자속탐상의 수치해석”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지 제21권 제5호, pp. 485-492, 2001

3 김정대, "한국연안 심해파의 극치분포 특성", 석사학위논문, 원광대학교, 2004

4 성기득, 허성필, 조명래, 양원호, "“스트랜드와 와이어 로프의 강성해석 및 최적화”", 대한기계학회, 대한기계학회논문집 A권 제24권 제5호, pp. 1246-1253, 2000

5 윤호앙, "일차원 물질에서의 전기역학적 특성과 홀 효과 연구", 석사학위논문, 2015

6 김대만, 김영수, "“Levenberg-Marquardt 알고리즘의 지반공학 적용성 평가”", 한국지반환경공학회, 한국지 반환경공학회논문집, 제10권, 제5권, pp. 49-57, 2009

7 이권순, 장현석, 이영진, "“확률분포추정기법을 이용한 와이어로프의 결함진단”", 대한전기학회, 전 기학회논문지, 제61권, 제11호, pp. 1758-1764, 2012

8 우상표, "힐버트-후앙 변환을 이용한 회전기계 정렬불량 고장진단", 성균관대학교 일반대학원, 석사학위논문, 2013

9 강주성, 박현우, "“구조물 건전성 감시를 위한 극치분포의 점근적 수렴성”", 대한토목학회, 대한토목 학회 학술대회, pp. 323-326, 2008

10 이상홍, "“웨이블릿 변환과 힐버트 변환을 이용한 간질 파형 분류”", 한국디지털정책학회, 디지털융복합연 구 제14권 제4호, pp. 277-283, 2016

11 박관수, 홍용환, 조봉균, 이근보, 성경준, 박치용, 박정길, 박일환, "“자기 누설 탐상 방식을 이용한 소형 비파괴 검사기 개발”", 대한전기학회, 대한전기학회 년도 춘계학술대회 논 문집 전기기기 및 에너지변환시스템부문, pp. 405-407, 2006, 2006

12 김영주, "신경회로망을 이용한 비젼 기반 자율주행차량의 횡방향제어", 석사학위논문, 전남대학교, 2001

13 정현수, "크레인 호이스트용 와이어로프의 유효수명 및 교체시기 평가", 석사학위논 문, 2014

14 장평우, "“가스관의 자속누설탐사에서 잔류자화의 영향에 관한 연구”", 한국자기학회, 한국자기학회 지, 제14권, 제4호, pp. 143-148, 2004

15 원순호, 주광태, 조경식, 장홍근, 이종오, "“저장탱크 바닥면 검사를 위한 누설자속 탐 상 시스템 개발”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지 제22권 제1호, pp.38-44, 2002

16 김신, 이향범, "“누설자속 센싱에 의한 강자성체의 비파괴 검사 및 수치해석”", 한국 비파괴검사학회 년도 춘계학술발표회 논문집, pp. 346-351, 2001, 2001

17 김구화, 임종수, 이성익, "“누설자속법을 이용한 박강판의 비금속 개재물 탐상기 개 방”", RIST 연구논문, 제9권, 제2호, pp. 170-185, 1995

18 김태욱, 최두현, 노용우, "“자기 누설 신호를 이용한 배관 결함의 길이 추정 성능 비 교”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지, 제29권, 제2호, pp. 108-113, 2009

19 강동훈(Donghoon Kang), 박승희(Seunghee Park), 김주원(Ju-Won Kim), 오지택(Ji-Taek Oh), "증속에 따른 누설자속기반 철도레일 결함탐상 기술 적용성 검토", 한국철도학회, 한국철도학회논문집 제18권, 제5호, pp. 401-409, 2015

20 박승희, "“비접촉 자속누설 계측 기반 연속체 구조물의 비파괴평가 기술”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검 사학회지 비파괴검사학회지 제33권 제1호, pp. 96-101, 2013

21 유홍희, 이승규, "“힐버트 황 변환을 이용한 충격을 받는 시스템의 과도특성 분석”", 대한기계학회, 대한기계학회논문집 A 제33권 제12호, pp. 1442-1448, 2009

22 김주원, 박주영, 박승희, "승강기 와이어로프 진단을 위한 누설자속기법 기반 국부손 상 진단", 한국전산구조공학회, 한국전산구조공학회논문집, 제28권, 제4호, pp. 417-423, 2015

23 이경철, 이진이, "“Hall 센서 배열과 Lock-In-Amplifier를 이용한 누설자속검출기의 개발”", 한국비파괴검사학회 2004년도 춘계학술대회논문집, pp.301-306, 2004

24 민정탁, "「크레인 와이어로프의 원격 결함 탐지 시스템 설계에 관한 연 구」", 석사학위논 문, 2004

25 김용일, 임재균, 이완규, 유권상, 박수영, 남영현, "“누설자속 측정에 의한 가스배관의 용접결함에 대한 비파괴 탐상”", 한국가스학회, 한국가스학회지, 제12권, 제2호, pp. 53-56, 2008

26 김철, 하정우, 신판석, 박관수, 김한들, "“누설자속을 이용한 지하가스관 외부 금속물 체의 자기신호 해석”", 대한전기학회, 대한전기학회 년도 춘계학술대회 논문집 전기기기 및 에 너지변환시스템부문, pp. 111-113, 2005, 2005

27 김주원, 이창길, 이종재, 길흥배, 박승희, "“다채널 자속누설 센서를 이용한 강케이블 의 국부 단면손상 검색”", 한국전산구조공학회, 한국전산구조공학회논문집, 제25권, 제4호, pp. 287-292, 2012

28 고영태, 조성호, 유휘룡, 박승수, 박대진, 노용우, 김동규, 구성자, "“MFL을 이용한 천 연가스 배관용 비파괴 검사장비 개발에 관한 연구”", 한국가스학회, 한국가스학회지 제6권 제1호, pp.10-16, 2002

29 박정훈, 이종재, "“강 케이블의 결함 검사를 위한 카트리지 타입 자속누설 센서 개 발”", 대한토목학회 학술대회, pp. 1283-1284, 2014

30 김성덕, "Development of Nondestructive Detecting System for Elevator Wire Ropes using Hall-effect Sensors", 센서학회지, 제10권, 제1호, pp. 33-41, 2001

31 박관수, 정현원, 서강, "“자기 누설 탐상 시스템에서 용접부위에서의 부식 판정에 관 한 연구”", 대한전기학회, 대한전기학회 년도 제36회 하계학술대회 논문집 B, pp. 978-980, 2005, 2005

32 박관수, 박상호, "“지하매설 가스관의 검사를 위한 누설자속탐상 PIG 설계에 관한 연 구”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지 제22권 제2호, pp. 177-186, 2002

33 유홍희, 최찬규, "“극치분포를 이용한 동적 시스템의 성능 신뢰성 예측 및 신뢰성 설 계”", 대한기계학회 추계학술대회, pp. -2057, 2013, 2055

34 조창수, 최두현, "“지진기록계 보정과 힐버트 변환 적용에 의한 센서 주파수 응답 계 산”", 한국지구물리탐사학회, 지구물리와 물리탐사 제19권 제2호, pp. 84-90, 2016

35 김희민, 박관수, "“자기누설 비파괴 검사 시스템에서 축방향 미소결함 측정에 관한 연구”", 한국자기학회, 한국자기학회지 제22권 제2호, pp. 49-57, 2012

36 이영진(Young Jin Lee), 이권순(Kwon Soon Lee), 아미나(Mi Na A), "누설자속 탐상법 및 노이즈 필터를 이용한 와이어로프의 결함진단시스템 개발", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제63권, 제3호, pp. 418-424, 2014

37 아미나, "누설자속 탐상법 및 노이즈 필터를 이용한 와이어로프의 고장진단에 관한 연구", 석사학위논문, 2014

38 박관수, 박상호, "“자기누설 비파괴 탐상 시스템에서 PIG의 주행속도가 검출신호에 미치는 영향”", 대한전기학회, 전기학회논문지 제52권 제10호, pp. 475-483, 2003

39 구동식, 하정민, 최병근, 이종명, 이정훈, "“AE 신호를 이용한 조기 결함 검출을 위한 Hilbert 변환과 Hilbert-Huang 변환의 비교”", 한국마린엔지니어링학회, 한국마린엔지니어링학회지 제36권 제2 호, pp. 258-266, 2012

40 노용우, 한병길, 최두현, 유휘룡, 박관수, "“DCT 기반의 자기 누설 신호 분석을 통한 가스 배관에서의 결함 신호 특징 추출”", 대한전자공학회, 대한전자공학회 학술대회, pp. 665-666, 2006

41 박승희, 이창길, 박웅기, "“자율 감지 및 확률론적 신경망 기반 패턴 인식을 이용한 배관 구조물 손상 진단 기법”", 한국비파괴검사학회, 비파괴검사학회지 제31권 제4호, pp.351-359, 2011

42 강주성, 박현우, "“통계적 구조물 손상진단에서 기저분포 구성을 위한 극치분포의 점 근적 수렴성 이해”", 한국구조물진단유지관리학회, 한국구조물진단유지관리공학회지 제13권 제2호, pp. 231-242, 2009

43 강병희, 이윤규, 윤여원, "“인공신경회로망을 이용한 압밀 응력비에 따른 정규압밀점 토의 비배수전단강도 예측”", 한국지반공학회, 한국지반공학회논문집, 제16권, 제1호, pp. 75-81, 2000

44 신영길, "“빠른 속도로 이동하는 박강판의 자속누설검사에서의 운전조건에 관한 수치해 석적 예측”", 한국비파괴검사학회 년도 추계학술발표회 논문집, pp. 52-56, 1995, 1995