표제지

목차

요약 4

01. 개요 19

1. 과업 배경 20

1-1. 시설물 노후화에 대응하는 유지관리 대책 20

1-2. 서울시 교량 현황 21

1-3. 성능중심 유지관리 전략 25

2. 연구 범위 및 목표 29

2-1. 교량 계측을 위한 무선 센서 노드, 게이트웨이 개발 29

2-2. 형상추정 방안 제시 30

02. 연구전략 31

1. 관련 기술 분석 32

1-1. 교량 모니터링과 데이터 활용 현황 32

1-2. 형상 추정 관련 국내외 연구 33

1-3. 연구 개발 방향 40

2. 실증 대상 교량 42

2-1. 실증 대상 교량 선정 42

2-2. 기존 유지관리 업무 분석 45

03. 형상추정 알고리즘 개발 49

1. 알고리즘 구축 50

1-1. 형상함수 [SF, Shape function] 52

1-2. Arbitrary deformed shape [ADS] 53

1-3. Measured data [MD] 54

1-4. Error function(TSE) 55

1-5. 가중치 계산 57

1-6. SVD 방법 적용 예시 Ⅰ 60

1-7. SVD 방법 적용 예시 Ⅱ 61

2. 실구조물 대상 검증 62

2-1. 검증 개요 62

2-2. 검증 FEA 모델 63

2-3. 오차지수 68

2-4. 센서 배치 방법 70

2-5. 알고리즘 검증 74

04. 교량 실시간 모니터링 시스템 구축 81

1. 교량 모니터링 시스템 82

2. 모니터링 시스템 요구 조건 검토 83

2-1. 계측 물리량 선정 83

2-2. 계측기 요구 조건 검토 83

3. 모니터링 시스템 개발 및 검증 88

3-1. 게이트웨이 개발 88

3-2. 센서노드 개발 91

3-3. 모니터링 시스템 구현 99

4. 모니터링 서버 개발 108

4-1. 데이터베이스관리시스템 개발 108

4-2. 웹서버(WAS) 구현 111

05. 모니터링 시스템 및 알고리즘 실증 116

1. 모니터링 시스템 구축 및 계측 117

2. 형상추정 알고리즘 적용 119

3. 센서 관리 및 데이터 처리 121

06. 결언 124

1. 구조물 유지관리 패러다임 변화 필요 125

2. 교량 유지관리 전략 127

참고문헌 128

Abstract 131

판권기 133

[표 1-1] 한강교량 설치 센서 - 서울특별시 29

[표 2-1] 변위 추정방법 요약 41

[표 2-2] 대상교량 현황 42

[표 2-3] 안전진단 종류 및 실시 시기 46

[표 2-4] 점검유형 및 상세설명 47

[표 2-5] 가양대교 안전진단 이력 및 결과 47

[표 4-1] 센서노드의 센서 종류 프로토콜 92

[표 4-2] 센서노드의 노드 정보 프로토콜 93

[표 4-3] 센서노드의 센서 데이터 프로토콜 93

[표 4-4] ADC컨트롤러의 데이터 구조 94

[표 4-5] LED 점등 상태에 따른 게이트웨이 상태 100

[표 4-6] 게이트웨이 기본 설정 코드 101

[표 4-7] WSN 네트워크 점검 결과 로그파일 101

[표 4-8] LED 점등 상태에 따른 센서노드 상태 103

[표 4-9] 데이터관리시스템의 테이블 목록(서울기술연구원, 2021) 110

[표 4-10] Node 정보 관리 테이블(tblWsnNode)의 정보(서울기술연구원, 2021) 110

[표 4-11] GNSS 변위 데이터 테이블(tblData)의 정보(서울기술연구원, 2021) 111

[그림 1-1] 유지관리 업무에 대한 문제인식과 대안 신기술 20

[그림 1-2] 연도별 교량 상태 현황(ASCE, 2021 Infrastructure Card) 21

[그림 1-3] 연도별 전국 교량 증가 현황 22

[그림 1-4] 연도별 서울시 교량 증가 현황 22

[그림 1-5] 공용연수별 서울시 교량 현황(2011년 기준) 23

[그림 1-6] 공용연수별 서울시 교량 현황(2020년 기준) 24

[그림 1-7] 공용연수별 전국 교량 현황(2020년 기준) 24

[그림 1-8] 도로시설물 유지관리 예산 편성 현황(서울특별시 도로시설과) 24

[그림 1-9] 구조해석 단계 25

[그림 1-10] 구조물의 응답과 손상 26

[그림 1-11] 한강교량 온라인 안전감시 시스템 - 서울특별시 28

[그림 2-1] 국내 교량 계측시스템 현황 32

[그림 2-2] 변위 추정 알고리즘 33

[그림 2-3] 변위 추정 알고리즘 33

[그림 2-4] 시간 박스 겹침을 통한 변위 재구성 35

[그림 2-5] 단순지지 철도 교량의 추정된 동적 변위 35

[그림 2-6] 각도센서 배치 36

[그림 2-7] 처짐 비교 36

[그림 2-8] Sorok 사장교의 센서 위치 38

[그림 2-9] 추정변위 비교 38

[그림 2-10] 교량 위치도 43

[그림 2-11] 본교(MBR4) 종단면도 44

[그림 2-12] 본교(MBR4) 횡단면도 45

[그림 2-13] 안전관리 업무 흐름도 46

[그림 2-14] 2013 정밀안전진단 안전성평가 대상 구간(MBR4) 48

[그림 2-15] 2017 정밀안전진단 안전성평가 대상 구간(K-Line) 48

[그림 3-1] 추정 알고리즘 Basic Idea 50

[그림 3-2] 형상추정 알고리즘 51

[그림 3-3] 구조 형상 함수 행렬(SSF) 52

[그림 3-4] 각 응답에 대한 MD 행렬 54

[그림 3-5] 알고리즘 검증 흐름 63

[그림 3-6] 대상교량 FEA 모델 64

[그림 3-7] FEA 모델 경계조건 64

[그림 3-8] 3D FEA 모델(Shell Element) 65

[그림 3-9] 반력비교 65

[그림 3-10] 구조계산서 수치해석모델(Grillage Model) 65

[그림 3-11] 반력에 대한 검증 케이스 66

[그림 3-12] 총 반력과 총 강재 중량 비교 67

[그림 3-13] 케이스별 구조계산서 반력비교 67

[그림 3-14] 트럭하중 재하시 구조해석 결과 67

[그림 3-15] 각 응답 계측 센서 설치 위치 후보 68

[그림 3-16] 센서배치 결정 70

[그림 3-17] 형상추정을 위한 센서배치 기존 방안 71

[그림 3-18] 센서 위치 결정 방법별 계측 위치 선정 결과 73

[그림 3-19] GNSS 개수에 따른 센서 배치 74

[그림 3-20] 교량형상 추정결과(RDS1) 76

[그림 3-21] 교량형상 추정결과(RDS2) 76

[그림 3-22] 교량형상 추정결과(RDS3) 77

[그림 3-23] 교량형상 추정결과(RDS4) 77

[그림 3-24] 교량형상 추정결과(RDS5) 78

[그림 3-25] 교량형상 추정결과(RDS6) 78

[그림 3-26] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS1) 78

[그림 3-27] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS2) 78

[그림 3-28] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS3) 79

[그림 3-29] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS4) 79

[그림 3-30] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS5) 80

[그림 3-31] 센서 수에 따른 추정 형상(RDS6) 80

[그림 4-1] 가양대교 중앙경간 처짐 측정 데이터 83

[그림 4-2] 변형률계 시제품 예시 84

[그림 4-3] 경사계 시제품 예시 84

[그림 4-4] 센서네트워크 구성 방법 85

[그림 4-5] 상용 센서 노드 및 게이트웨이 예시 86

[그림 4-6] 계측 데이터 전송 모식도 86

[그림 4-7] "보급형 고정밀 GNSS 장비와 AI 분석 기술" 구성도(서울기술연구원, 2020) 87

[그림 4-8] 게이트웨이 구조도(서울기술연구원, 2020) 88

[그림 4-9] 무선센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network) (IEC, 2016) 89

[그림 4-10] 게이트웨이 구조도 90

[그림 4-11] 센서 측정 주기 관리 91

[그림 4-12] 센서노드의 물리적 아키텍처(ISO/IEC 29182-3) 92

[그림 4-13] 센서노드 구조도 94

[그림 4-14] 센싱 프로토콜 95

[그림 4-15] 개발된 센서노드 PCB 96

[그림 4-16] 개발된 베터리팩 PCB 전경 96

[그림 4-17] 일축인장시험 시편 97

[그림 4-18] 개발 센서 노드 ADC컨트롤러 정밀도 시험결과 97

[그림 4-19] 개발 센서 노드 ADC 컨트롤러 정확도 시험결과 98

[그림 4-20] 개발 센서 노드 ADC 컨트롤러 정확도 시험결과 비교군 99

[그림 4-21] 개발된 게이트웨이 PCB 99

[그림 4-22] WSN 모니터링용 시리얼포트와 시리얼케이블 연결 상태 100

[그림 4-23] 게이트웨이와 컴퓨터의 시리얼케이블 연결을 통한 터미널 소프트웨어 실행 100

[그림 4-24] WSN 네트워크 점검 결과 102

[그림 4-25] 센서노드의 네트워크보드와의 연결 구조도 102

[그림 4-26] 센서노드의 네트워크 보드와의 연결 방법 102

[그림 4-27] 실내 검증 시험 센서 배치도 103

[그림 4-28] 실외 검증시험 개요도-통신거리 검증 104

[그림 4-29] 실외 검증시험 개요도-센서네트워크 형성 검증 105

[그림 4-30] 센서네트워크 형성 확인 106

[그림 4-31] 가양대교 무선 모니터링 시범구축 106

[그림 4-32] 가양대교 무선 모니터링 시범구축을 통한 무선 네트워크 점검 결과 107

[그림 4-33] 데이터관리시스템과 웹서버, API 등의 아키텍처(서울기술연구원, 2021) 108

[그림 4-34] 데이터관리시스템 메인화면(서울기술연구원, 2021) 109

[그림 4-35] 개체-관계 다이어그램(ERD, Entity Relationship Diagram) 설계(서울기술연구원, 2021) 109

[그림 4-36] 게이트웨이 이름 변경 기능 112

[그림 4-37] 센서노드 이름 변경 기능 112

[그림 4-38] 센서 이름 변경 기능 113

[그림 4-39] 데쉬보드에서의 노드와 센서 목록 113

[그림 4-40] 데쉬보드에서 나타낸 경사계, 변형률계, 온도계의 그래프 114

[그림 4-41] 센서 데이터의 csv 저장 기능 구현 115

[그림 4-42] 무선 모니터링 시스템의 센서 측정시간 조절기능 구현 115

[그림 5-1] 실증교량 적용 모니터링 시스템 개요 117

[그림 5-2] 경사계 및 변형률계 설치 위치 118

[그림 5-3] 센서, Gateway, GNSS 설치 전경 118

[그림 5-4] GNSS, 변형률계, 경사계 시계열데이터(2021년 8월 21일자) 119

[그림 5-5] 형상추정 알고리즘 적용 결과 119

[그림 5-6] 센싱데이터 및 센서 관리 서버 UI 121

[그림 5-7] 3D모델 기반 센서관리 플랫폼 UI 122

[그림 5-8] 3D모델 기반 센서관리 플랫폼 기능 123