Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 31 December 2024. 23-32
https://doi.org/10.21729/ksds.2024.17.4.23

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 현장 설치형 내부 텐던 파단 모니터링 시스템 개발

  •   2.1 모니터링 시스템 구성

  •   2.2 내부 텐던 파단 모니터링을 위한 음향방출 및 진동 측정

  •   2.3 데이터베이스 구축 및 분석 서버 시스템 개발

  •   2.4 사용자 인터페이스 및 데이터 접근을 위한 웹 기반(Web-based) 운영 시스템 개발

  • 3. 적용성 확인 및 활용방안

  •   3.1 현장설치 및 계측을 통한 적용성 확인

  •   3.2 개발 시스템의 활용 방안

  • 4. 결 론

1. 서 론

현대 사회에서 교량은 경제적, 사회적 측면에서 중요한 인프라 시설물이다. 교량의 모니터링은 공공 안전, 경제적 안정, 사회적 신뢰 유지 등의 이유로 필수적으로 수행되어야 할 항목이다. 교량의 경우 손상으로 인한 붕괴가 발생하는 경우, 인명피해와 물류 지연과 교통 혼란으로 인한 경제적 손실 및 사회적 불안감 부정적인 영향 등을 일으킬 수 있으며, 이를 대비하기 위하여 교량의 안전성을 지속적으로 모니터링하고 관리하는 것이 필수적이다.

교량 중 기존 RC 구조의 한계와 단점을 보완하기 위하여 콘크리트에 강선을 넣고 양단에서 잡아당겨 고정해 휨에 강하고 사용하중에 의한 균열을 억제할 수 있도록 만든 프리스트레스드 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC)가 1980년 이후 꾸준하게 건설되고 있다. PSC 교량의 경우 내부의 강선인 텐던이 교량의 안정성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 수행한다. PSC 교량의 경우 내부텐던을 긴장 후 그라우팅하기 때문에 붕괴징후가 발생하기 전까지 전혀 발견하지 못하는 경우가 발생한다(Youn, 2000; Moon et al., 2020). 초기 텐던의 상태 검사는 균열, 파열 및 부식 등으로 인해 발생하는 녹의 징후에 대한 육안검사로 제한되는 경우가 많았으며, 이를 대비하기 위하여 내부 텐던의 모니터링을 위하여 다양한 연구들이 수행되고 있다. 특히, 초음파검사와 전기저항 측정검사 등의 비파괴 검사기법을 이용하여 콘크리트 내부 텐던에 대한 모니터링 연구 등이 있다(Duke, 2002). 최근에는 진동 특성을 활용한 기법, 초음파 및 탄성파의 속도를 활용한 방법, 음향 방출 기법을 적용하여 텐던에 발생하는 손상 모니터링을 수행하는 연구 등 활발하 진행되고 있다(Yuyama et al., 2007; Kim et al., 2008, 2018, 2021a, 2021b; Park et al., 2010, 2019; Shin et al., 2015; Chen and Xue, 2018; Hu et al., 2018; Seo and Kim, 2020; Seo et al., 2021; Prem et al., 2021; Mehrabi and Khedmatgozar Dolati, 2024).

본 논문은 교량 텐던 모니터링 장비의 설계와 개발 과정을 통해 기존 모니터링 및 설계 방식의 한계를 극복한 효율적인 음향방출 기반 내부 텐던 모니터링 시스템을 설계 및 제작하는 것을 목표로 하고 있다. 개발된 장비는 교량 현장에서 장기 운용이 가능한 내부 텐던 모니터링을 위한 2채널 음향방출 계측장비이며, 실시간으로 현장에서 텐던에서 발생하는 신호를 분석 및 전송하는 알고리즘을 탑재하는 방식으로 개발되었다. 계측장비의 하드웨어는 데이터 수집부와 전원공급, 데이터 송수신, 다른 계측기와의 시간 동기화를 위한 GPS 수신부로 구분되며, 소프트웨어는 텐던 및 콘크리트에서 발생하는 음향 방출 신호 분석을 위한 데이터 필터링, 데이터 가공, 주파수 분석, 음향 방출 변수 분석 등의 기능을 포함하고 있다. 또한, 개발된 시스템의 현장 적용성 평가를 위하여 국내 내부 텐던 교량 현장에서 실증을 실시하여 개발된 기술의 적용성을 추가로 확인하였다.

2. 현장 설치형 내부 텐던 파단 모니터링 시스템 개발

2.1 모니터링 시스템 구성

교량 거더 내부에 부착하는 상태 감시 시스템은 현장 진입을 최소화하여 안전 사고를 줄이면서 구조물의 건전성을 상시 감시하기 위하여 주로 사용된다. 그러므로 고온, 저온 및 습도와 먼지가 많은 열악한 환경 조건에서 정상 작동이 보장되어야 한다. 이를 위하여 IP67 수준의 방수 방진 등급을 만족하도록 시스템을 개발하였으며, 공인 인증 시험을 통해 성능을 확인하였다.

진동 및 음향방출과 같은 탄성파 기반 계측 장비는 ADC와 증폭 회로를 다수 사용하므로 고품질의 전원이 필수이다. 또한, 상시 모니터링 시스템의 특성으로 인하여 배터리 시스템의 적용이 불가하므로 상시 전원이 필수이다. 전원의 품질 및 적절한 접지 대책 마련은 계측 신호에 영향을 주므로 민감한 신호를 다루는 현장에서는 UPS와 같은 정압/정류 및 정전 대책을 수립하여 사용한다. 하지만, 현장 상황의 다양함 및 고가교의 특성을 고려할 시 UPS와 같은 시스템을 전 구간에 설치하는 것은 매우 까다롭고 비용이 많이 발생하므로, 다양한 전원 공급 대책을 수립하여 대응할 필요가 있다.

이를 위해 본 시스템에서는 Fig. 1과 같이 PoE(Power on Ethernet) 형태로 전원과 통신을 하나의 케이블로 처리하도록 개발하였다. UTP 통신선을 통하여 40~50 VDC를 공급하는 PoE는 설비 구축과 관리의 편리함으로 인하여 보안설비 및 통신 설비에 주로 사용되는 방식이다. 사물인터넷(IoT)과 스마트 감시 시스템을 연동하여 험지 모니터링에 대한 수요가 많아지면서 최근에는 민감한 계측 시스템에서도 PoE를 선택하는 사례가 증가하는 추세이다. 하지만, PoE 전원은 노이즈 성분이 많아 음향방출을 측정하는 시스템에 적용하기 어렵기 때문에 음향방출 센서의 프리앰프를 구동하기 위한 28 VDC 팬텀파워와 주파수 필터에 공급되는 전원부 구성에 세심한 주의가 필요하다.

Fig. 1의 (a), (b)와 같이 음향방출 장비를 구동하는 전원을 공급하는 부분에 3단계 변압 회로와 DC 필터를 적용하였으며, 이를 통해 PoE를 사용하여 고품질의 전원 공급이 가능하도록 설계하였다.

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Fig. 1.

Internal tendon fracture monitoring system

2.2 내부 텐던 파단 모니터링을 위한 음향방출 및 진동 측정

개발된 내부 텐던 파단 모니터링 시스템에서는 내부 텐던 파단을 효과적으로 모니터링 하기 위해 음향방출(AE)과 진동 신호를 동시에 계측할 수 있도록 개발하였다. 텐던 파단 시 발생하는 에너지를 반영하는 음향방출 신호는 파단 상태를 평가하는 데 중요한 데이터를 제공한다. 또한 진동 신호는 교량의 거동을 평가하기 위한 중요 데이터이기 때문에 진동과 음향방출을 동시에 측정 가능한 시스템이 교량 및 텐던 모니터링에 필수적이다. Table 1에 내부 텐던 파단 모니터링 시스템의 음향방출 및 진동 계측 사양과 시스템 특성을 나타내었다.

Table 1.

Specification of monitoring system

Acoustic
emission
Number of channel 1
Sample rate Up to 1 MSPS
Analogue filter Bandpass filter
AD resolution 16 bits
AE feature Time of Arrival, Amplitude, Energy, Duration, Counts, RMS, Threshold, Peak Frequency
Supported sensor PAC (TM) 28 V integral preamplifier sensor, general sensor
Vibration Number of channel 1
Sample rate Up to 8192 S/s
AD resolution 16 bits
Supported sensor IEPE type
System Power IEEE 802.3af / 802.3at
Network IEEE 802.3, 1000BASE-TX, UTP port
IP rateing IP67
Internal storage 32 GB (Up to 1 TB)
LED status Power, Network, Alarm
Operating system Linux

내부 텐던 파단 모니터링 시스템에서는 사용자가 설정한 기준에 따라 특정 지표를 만족하는 시점의 원본 데이터 또는 현장 계측 시스템에서 처리된 파라미터 값을 선택적으로 서버에 전송할 수 있도록 설계되었다. 여기서 특정 지표는 주로 음향방출 신호의 진폭으로 정의되며, 거더 상태와 감지하고자 하는 손상의 종류에 따라 설정된다. 일반적으로 음향방출 계측 시스템은 배경 잡음을 배제하기 위하여 구조물이 운영중이며, 정상상태일 때 측정되는 신호의 평균값보다 3~6 dB 높은 값을 기준값(Threshold value)으로 설정한다.

원본 데이터는 기준값을 넘었을 때의 신호에서 사전 측정(Pre-triggering) 10%를 포함하여 1~20 msec 동안 측정된 음향방출 신호를 말하며, 시간영역 파형(Time-domain waveform)으로 측정된다. 측정 신호의 길이는 사용자가 선택적으로 조정 가능하며, 구조물의 크기 및 센서의 부착 형태, 측정 주파수 대역 탄성파 전파 속도를 고려하여 선택한다. 진동 신호는 음향방출 신호가 측정되는 시점에서 교량의 거동을 평가하기 위하여 측정한다. 이는 음향방출 신호의 잘못된 해석을 방지하기 위한 보조적 역할을 수행하게 되며, 교량에서 발생하는 환경적 요인을 분석하는데 사용한다. 측정된 진동 신호는 원본 데이터를 서버로 전송하여 분석하도록 설계하였다. 이와 같은 계측 방식을 통해 텐던의 파단 상태를 실시간으로 평가하고, 장기적인 구조물 상태 모니터링에 유용한 데이터를 제공할 수 있다.

내부 텐던 파단 모니터링 시스템은 리눅스 운영체제를 기반으로 한 라즈베리 파이(Raspberry Pi)를 사용하여 DAQ(Data Acquisition)의 제어 및 데이터 통신을 관리하도록 설계되었다. 라즈베리 파이는 저전력으로 고효율을 제공하는 시스템으로, DAQ에서 수집된 데이터를 처리하고 서버로 전송하는 프로그램을 안정적으로 운영할 수 있는 성능을 갖추고 있다. 또한, 유사한 성능을 제공하는 시스템 중에서도 오랜 기간 검증된 OS와 하드웨어를 사용하여 안정적인 운영이 가능하다. 이는 향후 시스템의 성능 업그레이드 및 차기 모델 도입 시에도 유연하게 대처할 수 있는 장점이 있어, 장기적인 운영 및 확장성 측면에서 높은 효율성을 기대할 수 있다.

2.3 데이터베이스 구축 및 분석 서버 시스템 개발

내부 텐던 파단 모니터링 시스템에서 측정된 데이터는 Wi-Fi, LTE, 또는 유선 통신망을 통해 운영/관리실의 서버로 전송되도록 구성 및 설계되었다. 모니터링 시스템은 독립적인 운영 시스템이 탑재된 엣지 디바이스로 구성되어 있으며, 각 디바이스는 개별 식별 코드를 부여하여 관리되며, GPS 신호를 통해 개별 시스템에서 측정된 신호를 동기화 할 수 있으므로 이론적으로 무한대까지 확장 가능하다. 그러나 현장 시스템에서 전송된 데이터를 수신하고 이를 데이터베이스에 저장 및 분석하는 서버의 처리 능력이 시스템의 확장성을 제한하는 요소가 될 수 있다. 사용자는 운영하고자 하는 시스템의 범위를 고려하여 서버 성능을 선택하고 운영해야 한다. 본 연구에서는 개발 및 디버깅을 위해 실험실에서 운영중인 시스템 및 현장에 설치된 시스템에서 전송된 데이터의 원활한 저장/분석 그리고 사용자 인터페이스 및 웹 기반(Web-based) 운영 시스템의 개발을 위하여 Fig. 2, Table 2와 같이 서버를 구성하고 운영하였다. 또한 현장 상황과 다른 전원 상태를 고려하여 상시 전원 소실 상태에서도 시스템이 운영될 수 있도록 서버 및 통신 설비에 무정전 전원장치를 설치하여 운영하였다.

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Fig. 2.

Development server system

Table 2.

Specification of server system

Server CPU 2 × Zeon gold 5418Y
Main memory 768 GB (12 × 64 GB) RDIMM 4800 MT/s
Storage 1.6 TB SAS HDD × 12 EA (RAID-6)
UPS UPS 3 kVA × 3 (9 kVA)
Topology Double conversion Online

2.4 사용자 인터페이스 및 데이터 접근을 위한 웹 기반(Web-based) 운영 시스템 개발

일반적으로 접근이 어려운 구조물과 설비에 설치되는 감시 시스템은 현장 진입을 최소화하여 안전사고를 줄이면서 구조물의 건전성을 상시 감시하기 위한 목적으로 주로 사용된다. 그러므로 내부 텐던 파단 모니터링 시스템은 현장의 상황을 고려하여 고온, 저온 및 습도와 먼지가 많은 열악한 환경에서 장시간 운영이 가능하도록 설계하였다. 또한 장시간 운영될 경우 메모리 적층 및 운영체제의 비 정상적인 활동으로 인하여 시스템이 작동 불능의 상태가 될 수 있다. 이러한 경우 추가 인력이 현장 및 시스템을 확인해야 하는 과정이 필요하나 개발된 내부 텐던 파단 모니터링 시스템에서는 주기적인 재부팅 및 원격 조작을 통한 시스템 종료/시작이 가능하도록 설계하였다. 원격 조작은 웹 기반 인터페이스를 통해 구현되도록 하였으며 Fig. 3과 같이 서버에 저장된 데이터의 접근 및 분석, 측정된 데이터 및 알람 이력 확인, 현장 설치 시스템의 설정값 변경, 종료/시작과 같은 원격 조작이 가능하다. Fig. 3(a)와 같이 웹 기반 운영 시스템의 기본 화면은 모니터링 대상 구조물이 교량인 점을 고려하여 지도를 기반으로 구성되었으며, 전체 시스템 상태와 이상 신호가 감지되어 알람이 발생한 시스템을 구분하여 확인하기 쉽게 개발하였다.

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Fig. 3.

Web-based monitoring dashboard and system setting screen-shot

3. 적용성 확인 및 활용방안

3.1 현장설치 및 계측을 통한 적용성 확인

개발된 현장 설치 시스템 및 데이터베이스 서버를 포함한 전체 모니터링 시스템의 성능을 검증하기 위해, 실 구조물에 시스템을 설치하고 데이터를 수집하였다. 설치 현장은 PSC 거더 구조를 가지는 서울 소재 고가 교량 중 1개소를 대상으로 하였으며, Fig. 4와 같이 거더 내부에 현장 설치 시스템과 센서를 설치하였다. 현장 설치 시스템에서 측정된 데이터는 LTE 모뎀을 통해 운영실의 서버로 전송되었으며, 통신 설비가 작동 불능이 되었을 경유를 대비하여 시스템 내부에 별도의 저장 장치를 연결하여 동시에 데이터를 저장하도록 하였다. 현장에 설치된 시스템은 클라우드 서비스와 SSH 프로토콜을 사용하여 원격지에서 오류 수정 및 펌웨어 업데이트를 수행 가능하도록 설계하였으며, 개발 기간 중 원격으로 시스템에 접속하여 시스템 운영체제의 상태 확인 및 펌웨어 개발과 적용을 수행하였다.

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Fig. 4.

On-site installation of monitoring system and sensors

Fig. 5에 현장 설치 시스템에서 측정된 데이터를 나타내었다. 측정 시스템은 환경 노이즈 신호의 측정을 방지하기 위해 문턱값을 45 dB로 설정하였다. 거더 내부 텐던 상태 평가를 위해 현장 설치 시스템에서 추출된 음향방출 특징값 및 원본 데이터를 원활하게 수신하고 있음을 확인하였으며, 임의 시험을 통해 발생된 신호와 측정된 신호를 비교 분석하여 시스템의 성능을 검증하였다. 측정된 데이터를 통한 내부 텐던 파단 상태 평가는 사전 연구를 통해 도출된 기준값(Seo and Kim, 2020)을 사용하여 수행하였다.

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Fig. 5.

AE feature values and signal data measured from the monitoring system

데이터 수집을 위하여 음향방출 센서는 프리앰프가 내장된 PAC사의 60 kHz 공진형 센서를 사용하였으며, 진동 센서는 PCB사의 ICP타입 1축 센서를 사용하였다. 현장에서 측정된 신호는 시스템 고도화 및 정상상태 학습을 위한 기초 자료로 활용하기 위해 원본 데이터 형태로 저장하였다.

3.2 개발 시스템의 활용 방안

내부 텐던 파단 모니터링 시스템은 GPS 신호를 이용하였으며 다채널 구성이 가능한 음향방출 및 진동 모니터링 시스템이다. 시스템 1기를 단독으로 사용할 경우, 엣지 디바이스로 작동하여 이상 상태 발생 시 알람을 전송할 수 있는 무선 센서로 활용할 수 있으며, 다수의 시스템을 서버와 연동하여 데이터베이스 구축을 위한 DAQ 시스템으로 확장할 수 있다. 내부 텐던 파단 모니터링 시스템은 PSC 거더의 텐던 손상을 감시하기위해 개발되었으나 구조물 및 설비의 형태와 손상 종류에 따라 신호처리 알고리즘을 자체적으로 처리할 수 있어, 소형 설비부터 대형 토목 구조물까지 폭넓게 적용할 수 있는 장점을 지닌다. 특히, GPS를 통하여 동기화되는 다채널 음향방출 모니터링 시스템을 구축할 수 있어 기존의 제한적인 채널을 가지는 음향방출 시스템에 비해 효과적인 음향방출 원격 모니터링 솔루션을 제공할 수 있다.

4. 결 론

본 연구의 목표는 교량 텐던 모니터링 장비의 설계와 개발 과정을 통해 기존 모니터링 및 설계 방식의 한계를 극복한 효율적인 음향방출 기반 내부 텐던 모니터링 시스템을 설계 및 제작하는 것이다. 본 연구를 통하여 다음의 결론을 도출하였다.

(1) 교량 내부 텐던 실시간 모니터링하기 위한 음향방출 및 진동 측정 시스템을 개발하였으며, 내부 텐던 파단 상태를 효과적으로 검출 가능한 H/W 성능 지표를 마련하였다.

(2) 개발된 현장 설치 시스템과 서버의 연동을 위한 통신 프로토콜 및 데이터베이스 구조를 개발하였으며, 데이터 확인 및 분석을 위한 웹 기반 사용자 인터페이스를 개발하였다.

(3) 개발 시스템을 현장에 적용하여 데이터를 측정하였으며, 이를 통해 시스템 개선과 함께 데이터베이스 구축을 수행하였다.

본 연구에서 개발된 시스템의 활용성 향상을 위해 교량 내부 텐던 상태 모니터링 시스템의 성능 극대화 및 다양한 구조물에 대한 내부 텐던 파단 모니터링 시스템의 적용성 확인 등에 대한 추가 연구가 필요하다. 성능 극대화를 위하여, 현장 계측을 통해 지속적인 데이터 수집이 필요하고, 이를 활용하여 텐던의 손상 패턴에 대한 심층 분석 연구, 손상 지수(damage index) 개발 등을 통한 손상 예측 알고리즘을 개선하는 연구 등이 필요할 것으로 판단한다.

또한, 추가적인 시험 및 지속적인 현장 계측을 통한 손상 지수의 고도화를 통해 텐던 파단의 초기 탐지를 통한 교량 안전성 강화에 기여할 것으로 예상된다. 내부 텐던 파단 모니터링 시스템을 교량 및 타 분야에 적용을 위해 채널 구성을 고려하고 설치와 유지보수를 최적화함으로써 현장 작업의 효율성을 높이고, 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 실시간 모니터링과 데이터 분석의 편의성을 증대시킬 계획이다. 이러한 설계 개선을 통하여 다양한 환경 및 진단 대상 구조물에서 적용할 수 있어 활용 범위를 넓힐 것으로 기대된다.

이와 함께, 음향방출(AE) 분석이 요구되는 타 산업 분야에서도 적용할 수 있도록 범용 대시보드와 알고리즘을 개발하여 시스템의 확장성을 강화한다. AE 분석은 기계, 에너지, 토목 구조물 등 여러 분야에서 비파괴 검사를 위한 필수 도구로 사용되고 있으므로, 본 시스템이 다양한 AE 신호 유형을 처리할 수 있는 다목적 플랫폼으로 자리 잡도록 개선할 계획이다. 이와 같은 연구 개발 전략을 통해, 본 시스템은 교량 및 대형 토목 구조물의 안전성을 강화하는 동시에 다양한 산업 현장에서 폭넓게 활용 가능한 고성능 AE 모니터링 솔루션으로 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

This work was supported by Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (Project Number: 20240415-001), Republic of Korea.

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Korean References Translated from the English

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