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무선송수신-backup

- 생체원리 기반의 무선계측시스템을 이용한 건설구조물의 실시간 건전도 모니터링

국가 기간시설물(Infra-structure)은 공용 중 노후화 현상과 더불어 예견치 못한 기상이변, 산업화에 따른 초과하중 등으로 인해 국부적 손상, 내구성 저감 등의 현상이 발생하고, 이로 인해 기대수명이 단축될 수 있다. 결국 국가 기간시설물의 여러 위험요소에 대비하고, 구조적 안전성을 확보하고자, 구조물의 건전도 모니터링(SHM)에 관한 연구가 반드시 필요하다. 이러한 SHM 기술은 구조물의 구조적 상태와 손상 등을 조기에 발견함으로써 예견치 못한 위험 상황에 효과적으로 대비할 수 있으며, 중장기적인 관점에서 구조물의 안전•유지관리를 위한 시간과 노력을 줄일 수 있다.
정확한 SHM을 위해서는 구조물의 다양한 구조응답을 실시간적으로 계측이 요구된다. 하지만, 큰 용량의 동적응답을 WSNs(Wireless Sensor Networks)을 이용하여 송수신함에 있어서는 필연적으로 병목현상에 따른 데이터 손실과 실시간 보장성의 결여 등과 같은 문제가 야기될 수 있다. 결국, WSNs 기반의 SHM을 온전히 실현하기 위해서는 구조물의 동적응답을 실시간-안정적으로 획득․저장하기 위해 센서노드의 고성능 PC 수준의 개량화와 더불어 유효한 동적응답을 효율적으로 획득․전송하기 위한 데이터 압축 기술이 반드시 요구된다.
공공안전연구소에서는 효율적인 건설구조물의 SHM을 수행하고자 지능형 데이터 계측(IDAQ) 시스템을 개발하였다. 이 시스템의 H/W는 무선통신을 기반으로 다양한 종류의 구조물 응답을 동시에 실시간으로 계측하고, 사용자가Wi-Fi의 통신주파수 대역을 선택적으로 활용할 수 있으며, FPGA 기술을 이용해 시스템을 독립적으로 운영(Standalone)할 수 있도록 개발하였다. 특히, 이 시스템의 S/W에는 생체의 달팽이관 원리 기반의 인공필터뱅크(CAFB)를 이용하여, 구조물의 대용량 동적응답을 실시간 압축하고, 무선으로 송수신하도록 개발하였다.

  • 달팽이관 원리기반 인공필터뱅크(CAFB).

: 신호처리(Signal Processing)분야에서 정의되는 필터뱅크(Filter bank)는 입력신호를 기준으로 관심된 특정성분(정보)만을 취득(Filtering)하고 이를 출력하기 위하여 고안(설계)된 대역통과필터들의 배열이다. 이러한 필터뱅크는 입력신호를 주파수 대역별로 분해하고, 이를 다시 재구성하여 출력하는 일련의 과정을 수행한다. 이러한 필터뱅크의 신호처리(분해-합성)과정은 인체의 달팽이관 원리와 매우 유사하다. 인체의 청각기관인 달팽이관은 다양한 주파수 성분을 갖는 소리 스펙트럼 중 필요로 하는 일부 스펙트럼 정보만을 자각하여 신경전달 체계를 이용해 의사결정 기관(뇌)에 전달하게 된다. 이때 소리의 스펙트럼 대역을 제한할 수 있는 청각기관의 원리를 응용한다면, 건설구조물의 다양한 응답정보를 사용자의 요구에 따라 능동적으로 선별하여 활용할 수 있다. 이러한 인체의 달팽이관의 원리를 응용한 CAFB는 사용자의 관심주파수 대역을 중심으로 구조물로부터의 전체 동적응답을 실시간 압축•무선 송수신할 수 있다.

[인체의 청각기관의 원리(소리의 수집-분해-합성-전달체계)]

[인체의 청각기관의 원리(소리의 수집-분해-합성-전달체계)]

[Principle and Process of Cochlea-inspired Artificial Filter Bank(CAFB)]

  • 무선 통합-유지관리 시스템(WUMS)

: 기존 현장에서 사용되는 유선계측 시스템 기반의 SHM 기술에 대한 단점(복잡한 케이블링, 과다한 설치비용, 지속적인 현장관리 등)을 극복하고, 또한 기존 무선계측 기반의 SHM 기술에 대한 한계(센서노드의 제한적 성능, 아날로그 방식의 논리개발, 저속․근거리 통신방식 등)를 개선하며, 특히 디지털 방식으로 논리를 개발한 데이터 압축기술 즉, CAFB를 온전히 구현하고자, “디지털-소프트웨어-디자인”(D-S/W-D)을 기반으로 한 무선 통합-유지관리 시스템(Wireless Unified-Maintenance System, USMS)을 개발하였다. WUMS의 설계는 크게 관리자(Host) PC와 Controller, GPS 모듈, 응답계측 모듈, RF 모듈, 전원 모듈로 구성된 Target로 개발하였다. 여기서 Target의 의미는 실제 구조물에 설치되어 다양한 구조응답을 계측하고, 이를 관리자(Host) PC에 전달해 주는 역할을 한다. 한편 관리자(Host) PC의 의미는 Target에서 계측-전송된 구조응답을 수진하여 모니터링을 수행하는 역할을 한다. 이렇게 설계된 WUMS의 구성은 크게 1) 로깅(logging) 및 컨트롤러(controller) 시스템, 2) Multi-I/O 시스템, 3) 양방향 무선통신 시스템, 4) 중앙관제시스템 등으로 개발하였다.

[Design of Wireless Unified-Maintenance System (WUMS)]

[Design of Wireless Unified-Maintenance System (WUMS)]

  • 지능형 데이터 계측(IDAQ) 시스템 평가

통신거리 실험의 장소는 논산 천변 개활지(충남 논산시 광석면 일원)으로 주변의 신호 간섭이 적으면서도, 직선거리 1km 이상을 확보할 수 있으며, 중간에 장애물이 없는 조건을 만족하였다. 실험의 결과, WiFi 2.4GHz 주파수 대역에서는 약 500m의 통신거리를 보였고, 반면, WiFi 5Hz 주파수 대역에서는 약 800m의 통신거리를 보였다.

view of open field

view of open field

test setup in open field

test setup in open field

[Test of Wireless Communication Distance in Open Field (Wi-Fi 2.4GHz & 5.0GHz)]

WUMS의 초기 응답성능을 평가하기 위하여 모달 가진기(shaker)를 이용한 정적 및 동적 응답실험을 수행하였다. 이때 무선 응답은 WUMS에서 채용한 NI-9237 및 NI-9234 모듈을 이용하여 변위 및 가속도 응답을 동시에 측정하였다. 또한 유선응답은 정적 데이터 로거(DRA-330A)와 동적 데이터 로거(iOtech-652U)를 이용하여 변위 및 가속도 응답을 각각 측정하였다. 무선 정적 및 동적 응답은 모두 유선 응답과 비교하여 매우 우수한 일치도를 보였다.

wireless (disp. & acc.)

wireless (disp. & acc.)

wired (displacement)

wired (displacement)

wired (acceleration)

wired (acceleration)

Comparison of displacement

Comparison of displacement

Comparison of acceleration

Comparison of acceleration

[Response test using a modal shaker]

WUMS의 구조 응답성능과 실무적 활용성을 확인하기 위해, 모델 교량을 이용해 모달실험을 수행하였다. 모델 교량은 돌산대교를 약 1/30 크기로 축소화 하여 제작하였다. 교량 상부구조에 총 46개의 가속도 응답 계측지점과 1개의 가진위치를 선정하여 모달실험을 수행하였다. 구조물의 가진은 impact hammer (PCB-086D20)를 사용하였고, 가속도 응답의 측정은 가속도계(Dytran-3134D)를 사용하였다. 계측지점에서는 유선기반 데이터 로거(iOtech-652U)와 무선기반 WUMS를 이용해 초당 256 개의 가속도 응답을 약 30초 간 각각 획득하였다. 유선과 무선의 가속도 응답이 시간영역과 주파수 영역에서 상호 우수한 일치도(고유진동수가 약 2.7%의 평균오차)를 확인할 수 있었다.

model bridge and Response Location

model bridge and Response Location

wired & wireless measurement

wired & wireless measurement

wired(time)

wired(time)

wired(freq.)

wired(freq.)

wireless(time)

wireless(time)

wireless(freq.)

wireless(freq.)

동적응답의 압축센싱을 위하여 S/W design 방식으로 달팽이관 원리기반의 인공필터뱅크(CAFB)를 개발하였다. 또한, CAFB를 EST 기반의 DAQ 시스템에 임베디드 하여 SHM을 위한 무선(RF) 기반의 지능형 데이터 계측 시스템(IDAQ)을 완성하였다. 마지막으로, 동적응답의 압축센싱기술인 CAFB가 적용된 IDAQ 시스템의 타당성을 평가하기 위하여 임의 랜덤 가속도 파형(El-centro wave)을 기준으로 응답 실험을 수행하였다. 실험의 결과로부터 AFB를 내장한 EST 기반의 IDAQ 시스템은 기존 H/W 기반의 유/무선 SHM 시스템을 대신해 건설구조물의 SHM을 위한 동적응답을 압축된 크기(약 90% 내외의 데이터 압축 효과)로 획득함에 타당하였고, 또한 S/W design 방식으로 요구된 계측논리/함수를 손쉽고 빠르게 개발/임베디드 할 수 있어 사용자 중심의 SHM 시스템으로 활용될 수 있음을 보였다. 결국, 이러한 데이터 압축기술은 제한된 통신속도를 갖는 무선(RF) 통신의 한계를 극복할 수 있으며, 또한 장기 모니터링 시 최근 이슈화 되고 있는 DB의 효율적인 운영․관리(Big data problem)를 위한 기술로 활용될 수 있다.

[programming of optimized CAFB for IDAQ system]

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