도로면 유지보수를 시행함에 있어 노면의 파손정도에 따라 다양한 공법의 사용이 가능하나 크랙실링 공법은 예방적 차원에서 도로면에 발생된 크랙을 초기에 효과적으로 보수할 수 있는 방법이다. 그러나 교통량이 많은 대도시나 고속도로에서 시행되는 도로면 유지보수 작업의 경우 노무자가 열악한 작업환경 내에서 작업을 수행해야 하므로 안전성 확보에 문제가 있는 것으로 분석되었다. 또한, 도로면 유지보수 작업의 특성상 현장 노무자의 잦은 이직(labor turnover) 및 3D업종의 기피로 인한 숙련공 부족현상은 현 도로면 유지보수 작업의 생산성 및 품질 저하를 가져오고 있다. 선진 외국의 경우 크랙실링 공법의 이점 및 도로 유지보수 공사의 위험 요소를 인식하여 자동화 장비의 개발을 통해 안전성 및 생산성 향상, 경제성 확보에 다양한 연구 노력을 기울이고 있으나 국내의 경우 도로면 유지보수 공사를 위한 기술축적이나 자동화 장비 개발을 위한 시도는 매우 미약한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 도로면 유지보수 공법 중 크랙실링 공법의 자동화를 통해 노무자의 안전사고를 방지하고, 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 크랙실링 자동화 장비의 프로토타입을 개발하고자 한다.
도로면 유지보수를 시행함에 있어 노면의 파손정도에 따라 다양한 공법의 사용이 가능하나 크랙실링 공법은 예방적 차원에서 도로면에 발생된 크랙을 초기에 효과적으로 보수할 수 있는 방법이다. 그러나 교통량이 많은 대도시나 고속도로에서 시행되는 도로면 유지보수 작업의 경우 노무자가 열악한 작업환경 내에서 작업을 수행해야 하므로 안전성 확보에 문제가 있는 것으로 분석되었다. 또한, 도로면 유지보수 작업의 특성상 현장 노무자의 잦은 이직(labor turnover) 및 3D업종의 기피로 인한 숙련공 부족현상은 현 도로면 유지보수 작업의 생산성 및 품질 저하를 가져오고 있다. 선진 외국의 경우 크랙실링 공법의 이점 및 도로 유지보수 공사의 위험 요소를 인식하여 자동화 장비의 개발을 통해 안전성 및 생산성 향상, 경제성 확보에 다양한 연구 노력을 기울이고 있으나 국내의 경우 도로면 유지보수 공사를 위한 기술축적이나 자동화 장비 개발을 위한 시도는 매우 미약한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 도로면 유지보수 공법 중 크랙실링 공법의 자동화를 통해 노무자의 안전사고를 방지하고, 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 크랙실링 자동화 장비의 프로토타입을 개발하고자 한다.
Crack sealing is a maintenance procedure that is commonly used to reduce pavement degradation. If cracks in pavements are not sealed, surface water penetration can reduce the strength of the sub-base layers, which can result in increased deflections of the pavement. Reduced strength of the sub-base ...
Crack sealing is a maintenance procedure that is commonly used to reduce pavement degradation. If cracks in pavements are not sealed, surface water penetration can reduce the strength of the sub-base layers, which can result in increased deflections of the pavement. Reduced strength of the sub-base also accelerates the deterioration of the surface, due to development of greater cracking and potholes. Crack sealing is performed to reduce water and debris penetration, thereby helping to maintain pavement structural capacity and limiting future degradation. The process of sealing cracks in pavements is however dangerous, costly, and labor-intensive operation. Labor turnover and training are increasing problems related to crack sealing crews, and as traffic volumes increase. Automating crack sealing can reduce labor and road user costs, improve work quality, and decrease worker exposure to roadway hazards. The main objective of this research is to develop an automated system for sealing cracks in pavement. Extension of the algorithms and tools presented in this research is also recommended for future study.
Crack sealing is a maintenance procedure that is commonly used to reduce pavement degradation. If cracks in pavements are not sealed, surface water penetration can reduce the strength of the sub-base layers, which can result in increased deflections of the pavement. Reduced strength of the sub-base also accelerates the deterioration of the surface, due to development of greater cracking and potholes. Crack sealing is performed to reduce water and debris penetration, thereby helping to maintain pavement structural capacity and limiting future degradation. The process of sealing cracks in pavements is however dangerous, costly, and labor-intensive operation. Labor turnover and training are increasing problems related to crack sealing crews, and as traffic volumes increase. Automating crack sealing can reduce labor and road user costs, improve work quality, and decrease worker exposure to roadway hazards. The main objective of this research is to develop an automated system for sealing cracks in pavement. Extension of the algorithms and tools presented in this research is also recommended for future study.
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문제 정의
그러나 그리디 경로계획 알고리즘은 항상 최적의 경로를 찾지 못하는 단점을 가지고 있으므로 본 연구에서는 크랙 네트워크를 경우의 수만큼 직접 방문 연산하여 가장 적은시간이 소요되는 경로를 찾아내는 최적 경로계획 알고리즘을 제안하였다. 실험결과 최적 경로계획 알고리즘은 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때 최적의 성능을 발휘하였고, 6개를 초과할 때는 연산시간이 기존 그리디 경로계획 알고리즘보다 많이 소요되는 것으로 분석 되었다.
선진 외국의 경우 크랙실링 공법의 이점 및 도로면 유지보수 공사의 위험 요소를 인식하여 90년대 초반부터 크랙실링 자동화 장비 개발을 위한 연구를 진 행하여 현재 실용화 단계에 있으나 국내의 경우 도로면 유지 보 수 공사를 위한 기술축적이나 자동화 장비 개발을 위한 시도는 극히 미약한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 도로면 유지보수 공법 중 크랙실링 공법의 자동화를 통해 노무자의 안전사고를 예방하고, 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 크랙실링 자동 화 장비의 프로토타입을 개발하고자 한다. 이를 위해, 기존 문헌 및 현장조사를 통해 크랙실링 공법의 현황 분석을 선행하였으며, 기존 크랙실링 자동화 장비의 개발 현황 및 문제점, 최신 기 술 동향 등을 분석하여 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동화 장 비의 모체 제작 및 운영절차를 제안하였다.
본 연구에서는 개발된 크랙실링 자동화 장비의 운영을 위해 국내 표준 시방서 상의 규정에 따라 커팅 크랙을 대상으로 크랙 실링 자동화 장비의 효율적인 운영 절차를 다음과 같은 7단계로 제안하였다(그림 6).
특히, 미국에서는 CMU Laboratory Prototype(1990), CMU-UT Field Prototype(1992), CalDavis Field Prototype(1993), UT Field Prototype(1995), UT ARMMQ999) 등과 같은 크랙실링 자동 화 장비를 연구 - 개발하여 상용화 단계에 이르고 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에서는 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동 화 장비를 개발하기 위해 표 1과 같이 현재까지 개발된 크랙실링 자동화 장비의 주요 연구 내용 및 문제점, 고려사항 등을 분석하였다.
본 연구에서는 기존 문헌 및 크랙실링 자동화 장비의 분석 결과를 바탕으로 안전성 및 내구성, 정확성, 경제성 등을 고려한 크랙실링 자동화 장비를 개발하기 위해 요구되는 주요 고려사항 을 분석하였다. 즉, 1)크랙실링 작업은 지면의 단차를 가지고 있는 도로상에서 수행되는 작업환경을 가지고 있으므로 프레임부 설계 시 XY 테이블의 뒤틀림을 방지 할 수 있어야 하며, 2)크랙 을 탐지하고 모델링하는 비전알고리즘은 그림자 및 노면의 반사 에 크게 영향을 받으므로 그림자 및 노면반사에 대한 대책이 있어야 한다.
본 연구에서는 예방적 차원의 도로면 유지 보수 공법인 크랙 실링을 자동화하기 위한 크랙실링 자동화 장비의 프로토타입 및 효과적인 크랙실링 작업을 위한 노이즈 제거 알고리즘, 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘, 최적 경로계획 알고리즘을 개 발하였다. 본 연구를 통해 도출된 연구결과는 다음과 같다
본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비 개발을 위해 요구되는 기 술 중 응용 가능한 최신 요소기술을 분석하기 위해 현재까지 개발 된 자동화 기술 개발 현황을 조사 . 분석하였다 특히, 미국에서 연구 개발된 CMU Laboratory Prototype(1990), CMU-UT Field Prototype(1992), CalDavis Field Prototype(1993), UT Field Prototype(1995), UTARMM(1999) 등의 크랙실링 자동화 장비를 분석하여 응용가능한 기술과 문제점 등을 도출하였다.
본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비를 개발하기 위해 문헌고 찰 및 기존 크랙실링 자동화 장비의 주요 연구내용, 문제점 분석 결과 등을 토대로 최신 요소기술을 분석하였다. 또한, 자동화 장 비 개발을 위해 반드시 수행되어야 하는 하드웨어 및 소프트웨 어 측면의 고려사항을 분석하여 크랙실링 자동화 장비를 설계하고 프로토타입을 제작하였다.
세선화 알고리즘을 수행한 영상(그림 10-②)은 크랙 네트워크 의 중심선을 의미하는 1픽셀 두께의 수 개의 선으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비의 말단장치를 세선화 결과에 따라 구동시키기 위해 세선화된 크랙 네트워크를 개체로 추출하여 큐”형태의 메모리 구조에 저장하는 모델링 과정을 거 쳤다. 또한, 장비 운영자가 맵핑 및 모델링한 결과를 직접 확인 하고 오류를 수정하기 위해 노이즈가 제거된 입력 영상에 크랙 개체의 좌표를 오버레이(overlay)하여 화면에 표시하였다(그림 H-②).
본 연구에서는 현재까지 연구 개발된 크랙실링 자동화 장비의 개발 현황 및 문제점, 크랙실링 자동화 장비 개발을 위한 주요 고려사항 분석 결과를 바탕으로 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동화 장비의 프로토타입을 개발하였다. 이를 통해, 노무인원 의 감소 및 노무자의 안전성 확보, 품질 및 생산성 향상을 통한 공기단축과 원가절감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
디지털 CCD 카메라를 통해 입력된 크랙 네트워크의 존재 유 무 및 실링 위치를 인식하고 크랙 네트워크의 중앙을 따라 크랙 실링 자동화 장비의 말단 장치를 구동하기 위해서는 크랙 네트워크 중앙의 좌표 값을 정확히 산출 할 수 있는 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘의 개발이 요구된다. 이는 작업생산성 향상 측면에서 완전 자동으로 개발하는 것이 바람직하나 본 연구에서는 주변 환경이 영상처리 결과에 미치는 잠재적인 영향을 고려하여 반자동화 방식과 완전 자동화 방식으로 크랙 네트워크 를 맵핑 및 모델링할 수 있는 비전 알고리즘을 개발하였다.
가설 설정
1) 도로면에 크랙실링 대상인 종방향, 횡방향, 블록 크랙이 존 재하면 노무자는 시방서 규정에 따라 크랙을 폭 1.2~2cm X 깊이 2~2.5cm로 커팅한다.
제안 방법
5) 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘을 이용하여 크랙 네트워크의 중앙선을 추출하고, 크랙실링 자동화 장비의 말단장치를 모델링 결과에 따라 구동시키기 위해 크랙 네 트워크의 좌표를 일정간격으로 컴퓨터 메모리에 저장한다.
또한, 실런트 경화 방지를 위해 설치된 실리콘 히터는 실런트 용융점인 180℃까지 온도가 상승되었고, 압지장 치인 스퀴즈는 크랙의 굴곡을 따라 회전되어 크랙 네트워크를 원활히 압지하며 실링 작업을 수행할 수 있는 것으로 분석되었다. CCD 카메라를 통해 도로면 영상을 촬영 . 입력하여 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링을 위해 개발된 비전 알고리즘을 실험한 결과 640x480 픽셀 크기로 입력된 영상은 이진화 및 노이즈제 거, 크랙 맵핑 및 모델링, 최적 경로계획의 全과정을 약 0.
또한, 볼륨 계산결과를 토대로 크랙 내부에 실런트를 완벽하게 충진시키기 위해서는 크랙의 볼륨 이외에도 1)말단장치의 속도, 2)실런트의 점도, 3)기 후여건, 4)실런트 멜터의 flow rate, 5)크랙의 길이방향 내부 profile 단면의 높낮이, 6)크랙 내부 aggregate의 거칠기 (roughness) 등 다양한 요소(factor)들을 동시에 고려해야만 한다. 결국 많은 비용과 시간을 투입하여 크랙의 볼륨을 계산하고 이를 중진하는 실런트 분배 메커니즘을 개발한다. 하더라도 그 결과는 매우 미약할 것으로 사료된다.
5초 이 내에 수행하였고 약 87%이상의 정확도를 갖는 것으로 분석되었다. 그러나 실험 결과 크랙 네트워크 교차점에서는 경우에 따라 크랙 모델링 결과에 오류가 발생되어 장비 사용자에 의한 매뉴 얼 에디팅(manual editing)작업을 추가함으로써 정확한 크랙실 링 작업이 수행될 수 있도록 알고리즘을 수정 . 보완 하였다.
그러나 문자 인식용으로 개발된 대부분의 기존 세선화 알고리즘(Suen(1986), Wang(1986), Guo(1989) 및 Hall(1989) 등)을 크랙 네트워크에 적용한 결과 크랙 네트워크 외곽의 거 칠기에 민감하게 반응하여 많은 오류를 발생시켰으 며, 크랙 네트워크 외곽의 단일 화소를 처리할 수 있는 Jang(1992)2] 알고리즘은 연산 시간이 긴 단점을 가지고 있었다. 따라서, 본 연구에서는 기존 세선화 알고리즘 중 크랙 네트워크 외곽의 거친 정도에 민감하게 반응하지 않고 연산시간이 짧은 “가중치를 이용한 병렬 세선화 알고리즘(한낙희 1997)”을 응용하여 크랙 네트워크 세선화 알고리즘을 개발하였다. 가중치 병렬 세선화 알고리즘은 그림 8과 같이 3×3 마스크를 기반으로 하고 있으며 임의의 화소 p는 XI~X8에 해당하는 8개의 이웃 화 소를 갖는다(그림 8-①).
따라서, 본 연구에서는 크랙실링 통합 시스템을 그림 14와 같이 개발하여 크랙실링 자동화 장비에 적용하였다. 크랙실링 통 합 시스템은 X, Y, Z 축 제어를 위해 경로 계획된 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 결과 값을 전기적 신호로 컨트롤러를 통해 모 터 구동드라이브로 전송할 수 있으며, 말단 장치 상하이동 및 실 런트 멜터로부터 공급되는 실런트를 크랙 네트워크의 시작점과 끝점에 따라 자동으로 제어할 수 있도록 on/off 트리거 신호를 전송할 수 있도록 개발되었다.
이와 같은 반자동에 의한 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘은 주변환경 및 노이즈의 영향을 적게 받는 장점을 가지고 있으나 완전자동화 방식에 비해 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링을 위해 소요되는 시간이 많은 단점을 가지고 있다. 따라서, 장비 운영자가 효과적인 크랙 네트워크 맵 핑 및 모델링을 위해 주변환경을 고려하여 완전 자동화 방식과 반자동화 방식을 선택적으로 사용할 수 있도록 설계하였다.
실험결과 최적 경로계획 알고리즘은 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때 최적의 성능을 발휘하였고, 6개를 초과할 때는 연산시간이 기존 그리디 경로계획 알고리즘보다 많이 소요되는 것으로 분석 되었다. 따라서, 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때는 최적 경 로계획 알고리즘을 사용하고, 6개를 초과할 때는 기존 그리디 경로계획을 컴퓨터가 자동으로 판단하여 사용될 수 있도록 설계 하였다. 그림 13은 4개의 크랙 네트워크에 대해 그리디 경로계 획 알고리즘과 최적 경로계획 알고리즘(그림 13의 ②)을 적용한 결과를 비교한 것이다.
향후 상기와 같은 연구 내용을 바탕으로 크랙실링 자동화 장 비의 현장 적용을 통한 문제점 분석, 개선사항 도출 및 실용화에 대비한 개발 장비의 수정 - 보완이 요구된다. 또한, 개발된 크랙 실링 자동화 장비를 바탕으로 재래식 크랙실링 공법과 자동화 크랙실링 공법간의 경제성(tangible and intangible benefits) 및 생산성, 품질 등의 비교 . 분석을 통해 자동화 크랙실링 공법 의 실용성 및 효율성을 입증하고 실용화 방안의 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다,
프레임은 내구성 및 뒤 틀림 방지를 위해 匸형강을 사용하였고(그림 5-①), 갠트리부의 X축 이동을 위해 볼 스크류 및 가이드를 설치하였다. 또한, 갠트 리부에도 볼 스크류 및 가이드가 설치되어 말단장치인 터렛부의 탑재를 위한 카트부가 Y축으로 움직일 수 있도록 설계하였다(그림 5-②). 터렛은 단차가 있는 도로면 이동 및 비 크랙실링 작업 (idle path) 시 제어신호에 따라 상하로 움직임으로써 도로면과 일정간격을 유지 할 수 있도록 하였으며, 효과적인 실링면 마무 리 작업을 위해 U자형의 스퀴즈를 부착하였다(그림 5-③).
본 연구를 통해 개발된 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘 은 장비 운영자가 반자동/완전자동으로 시스템을 운용하여 주변 환경의 영향 없이 실링 품질의 균일성을 확보할 수 있도록 하였다. 또한, 본 연구에서는 경로계획을 위해 입력 영상에 존재하는 모든 크랙 네트워크에 대한 경우의 수만큼을 방문하여 연산 거 리의 상호 비교분석을 통해 가장 짧은 경로를 도출하는 최적 경 로계획 알고리즘을 개발 하였다. 최적 경로계획 알고리즘 실험 결과, 한 화면에 존재하는 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때 항상 최적의 경로를 찾아내어 기존 방식에 비해 크랙실링에 소 요되는 작업시간을 단축할 수 있었다.
본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비를 개발하기 위해 문헌고 찰 및 기존 크랙실링 자동화 장비의 주요 연구내용, 문제점 분석 결과 등을 토대로 최신 요소기술을 분석하였다. 또한, 자동화 장 비 개발을 위해 반드시 수행되어야 하는 하드웨어 및 소프트웨 어 측면의 고려사항을 분석하여 크랙실링 자동화 장비를 설계하고 프로토타입을 제작하였다.
본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비의 말단장치를 세선화 결과에 따라 구동시키기 위해 세선화된 크랙 네트워크를 개체로 추출하여 큐”형태의 메모리 구조에 저장하는 모델링 과정을 거 쳤다. 또한, 장비 운영자가 맵핑 및 모델링한 결과를 직접 확인 하고 오류를 수정하기 위해 노이즈가 제거된 입력 영상에 크랙 개체의 좌표를 오버레이(overlay)하여 화면에 표시하였다(그림 H-②). 한편, 앞서 언급된 바와 같이, 입력영상을 이진화하고 노이즈를 제거하는 과정에서 크랙 네트워크의 끊김 현상(그림 7-③)이 발생될 수 있으므로 이에 대한 연결성을 확보하기 위해 에지링킹(edge linking) 과정을 수행하였으며(그림 11-③), 크 랙 네트워크 모델링 결과를 텍스트 형태로 출력(그림 11-④)하여 장비 제어 프로그램에 전송할 수 있도록 하였다.
크랙 네트워크를 맵핑하고 모델링하기 위해 가중치 병렬 세선 화 알고리즘을 응용하여 크랙 네트워크의 중앙선을 추출하고, 일정 간격으로 모델링하여 크랙실링 자동화 장비의 말단장치가 크랙 네트워크의 중앙을 따라 정확히 움직일 수 있도록 하였다. 본 연구를 통해 개발된 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘 은 장비 운영자가 반자동/완전자동으로 시스템을 운용하여 주변 환경의 영향 없이 실링 품질의 균일성을 확보할 수 있도록 하였다. 또한, 본 연구에서는 경로계획을 위해 입력 영상에 존재하는 모든 크랙 네트워크에 대한 경우의 수만큼을 방문하여 연산 거 리의 상호 비교분석을 통해 가장 짧은 경로를 도출하는 최적 경 로계획 알고리즘을 개발 하였다.
이진화란 입력 영상(그림 7-①)을 바탕으로 0~255사이의 명도값 범위 내에서 임계값(threshold value)을 정하여 임계 값 이하의 픽셀은 0(black)의 값을 부여하고, 임계 값 이상의 픽셀은 255(white)값을 부여하여 목적물(크랙)을 용 이하게 분리하는 기법이다(그림 7-②). 본 연구에서는 이진화를 통해 입력 영상에서 크랙 네트워크를 개략적으로 분리한 후 노 이즈 제거 과정을 통해 크랙과 노이즈를 완전히 분리하였다. 노 이즈 제거는 1)이진화된 결과 영상(그림 7-②)에서 각각의 픽셀 을 그룹핑(grouping)하여 서로 인접한 픽셀을 하나의 개체로 묶 어주는 과정, 2)각각의 개체들에 대하여 기하학적인 특성 (feature)을 구하는 과정, 3)실험에 의해 구해진 기준에 따라 크 랙과 노이즈를 판별하고 노이즈를 삭제하는 과정을 거 침으로써 수행된다.
본 연구에서는 임의의 화소 p가 흑화소일 때 p를 백화소로 변 환할 것인가를 결정하기 위해 임의의 화소 p의 가중치를 결정한 후 그림 9와 동일한 조건일 때는 p를 백화소로 변환하고 그림 9 와 상이한 조건일 때는 p를 흑화소로 보존함으로써 크랙 네트워 크를 효과적으로 세선화하였다.
본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비 개발을 위해 요구되는 기 술 중 응용 가능한 최신 요소기술을 분석하기 위해 현재까지 개발 된 자동화 기술 개발 현황을 조사 . 분석하였다 특히, 미국에서 연구 개발된 CMU Laboratory Prototype(1990), CMU-UT Field Prototype(1992), CalDavis Field Prototype(1993), UT Field Prototype(1995), UTARMM(1999) 등의 크랙실링 자동화 장비를 분석하여 응용가능한 기술과 문제점 등을 도출하였다.
시스템 운영절차를 바탕으로 제시된 비전 알고리즘과 하드웨 어의 가동상태 및 문제점 분석, 개선사항 등의 도출을 위해 다수 의 실험실 실험을 수행하였다. 실험결과 X축 이동을 담당하는 갠트리부와 Y축 이동을 담당하는 카트부는 제어 신호에 따라 3000RPM이하에서 약 20cm/sec로 원활히 구동되었고 작업 영 역이탈 방지를 위한 리미트 스위치(limit switch)도 정싱적으로 작동하였다.
시스템 운영절차를 바탕으로 제시된 비전 알고리즘과 하드웨 어의 가동상태 및 문제점 분석, 개선사항 등의 도출을 위해 다수 의 실험실 실험을 수행하였다. 실험결과 X축 이동을 담당하는 갠트리부와 Y축 이동을 담당하는 카트부는 제어 신호에 따라 3000RPM이하에서 약 20cm/sec로 원활히 구동되었고 작업 영 역이탈 방지를 위한 리미트 스위치(limit switch)도 정싱적으로 작동하였다. 터렛부는 비 실링 작업구간 이동을 위해 on/off 트 리거 신호에 따라 상하 운동이 가능하여 크랙 네트워크 실링작 업 시 지면과 밀착되어 작업하고 비 실링작업 시 지면과 이격되어 구동되었다.
앞서 언급된 바와 같이 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 결과는 주변 환경에 민감할 수 있으므로 본 연구에서는 장비 운영자가 편의에 따라 완전 자동화 방식과 반자동화 방식을 선택적으로 운 영할 수 있도록 하였다. 반자동화 방식에 의한 크랙 네트워크 맵 핑 및 모델링 과정은 그림 12와 같이 장비 운영자가 스타일러스 펜을 이용하여 1)크랙 네트워크를 따라 선을 드로잉(drawing)하 면, 2)컴퓨터는 드로잉 선상에 일정간격으로 노드점을 생성하고, 3) 노드점을 중심으로 5x41 픽셀 크기의 박스를 생성한다.
따라서, 본 연구에서는 도로면 유지보수 공법 중 크랙실링 공법의 자동화를 통해 노무자의 안전사고를 예방하고, 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 크랙실링 자동 화 장비의 프로토타입을 개발하고자 한다. 이를 위해, 기존 문헌 및 현장조사를 통해 크랙실링 공법의 현황 분석을 선행하였으며, 기존 크랙실링 자동화 장비의 개발 현황 및 문제점, 최신 기 술 동향 등을 분석하여 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동화 장 비의 모체 제작 및 운영절차를 제안하였다. 또한, 효과적으로 크 랙실링 자동화 작업을 수행할 수 있도록 비전 알고리즘(크랙 네트워크 맵핑 및 모델링, 경로계획 알고리즘) 및 제어 알고리즘을 개발하고 이를 하드웨어와 통합함으로써 크랙실링 자동화 장비 의 프로토타입을 완성하였다.
커팅된 크랙 네트워크의 맵핑 및 모델링을 위해 도로면 영상 을 히스토그램으로 분석하고 임계값을 자동으로 산출하여 도로 면 영상을 이진화 하였다. 이진화된 영상을 바탕으로 개체화 및 특성 추출 기법을 이용한 노이즈 제거 알고리즘을 개발하여 실 험한 결과 도로면 영상으로부터 크랙과 노이즈를 완전히 분리할 수 있었다.
크랙 네트워크를 맵핑하고 모델링하기 위해 가중치 병렬 세선 화 알고리즘을 응용하여 크랙 네트워크의 중앙선을 추출하고, 일정 간격으로 모델링하여 크랙실링 자동화 장비의 말단장치가 크랙 네트워크의 중앙을 따라 정확히 움직일 수 있도록 하였다. 본 연구를 통해 개발된 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 알고리즘 은 장비 운영자가 반자동/완전자동으로 시스템을 운용하여 주변 환경의 영향 없이 실링 품질의 균일성을 확보할 수 있도록 하였다.
크랙실링 자동화 장비의 개발을 위한 주요 고려사항 분석결과를 바탕으로 그림 5와 같이 크랙실링 자동화 장비의 모체역할 및 수평이동(X축)을 담당하는 프레임과 갠트리부, 말단장치의 부착 및 수직이동(Y축)을 담당하는 카트부, 실런트를 분사하는 역할을 수행하는 터렛부를 설계하였다. 프레임은 내구성 및 뒤 틀림 방지를 위해 匸형강을 사용하였고(그림 5-①), 갠트리부의 X축 이동을 위해 볼 스크류 및 가이드를 설치하였다.
또한, 갠트 리부에도 볼 스크류 및 가이드가 설치되어 말단장치인 터렛부의 탑재를 위한 카트부가 Y축으로 움직일 수 있도록 설계하였다(그림 5-②). 터렛은 단차가 있는 도로면 이동 및 비 크랙실링 작업 (idle path) 시 제어신호에 따라 상하로 움직임으로써 도로면과 일정간격을 유지 할 수 있도록 하였으며, 효과적인 실링면 마무 리 작업을 위해 U자형의 스퀴즈를 부착하였다(그림 5-③).
크랙실링 자동화 장비의 개발을 위한 주요 고려사항 분석결과를 바탕으로 그림 5와 같이 크랙실링 자동화 장비의 모체역할 및 수평이동(X축)을 담당하는 프레임과 갠트리부, 말단장치의 부착 및 수직이동(Y축)을 담당하는 카트부, 실런트를 분사하는 역할을 수행하는 터렛부를 설계하였다. 프레임은 내구성 및 뒤 틀림 방지를 위해 匸형강을 사용하였고(그림 5-①), 갠트리부의 X축 이동을 위해 볼 스크류 및 가이드를 설치하였다. 또한, 갠트 리부에도 볼 스크류 및 가이드가 설치되어 말단장치인 터렛부의 탑재를 위한 카트부가 Y축으로 움직일 수 있도록 설계하였다(그림 5-②).
또한, 장비 운영자가 맵핑 및 모델링한 결과를 직접 확인 하고 오류를 수정하기 위해 노이즈가 제거된 입력 영상에 크랙 개체의 좌표를 오버레이(overlay)하여 화면에 표시하였다(그림 H-②). 한편, 앞서 언급된 바와 같이, 입력영상을 이진화하고 노이즈를 제거하는 과정에서 크랙 네트워크의 끊김 현상(그림 7-③)이 발생될 수 있으므로 이에 대한 연결성을 확보하기 위해 에지링킹(edge linking) 과정을 수행하였으며(그림 11-③), 크 랙 네트워크 모델링 결과를 텍스트 형태로 출력(그림 11-④)하여 장비 제어 프로그램에 전송할 수 있도록 하였다.
이론/모형
본 연구에서는 이진화 및 노이즈 제거, 팽창과정을 거쳐 추출 된 크랙 네트워크를 맵핑하고 모델링하기 위해 세선화 알고리즘을 사용하였다. 세선화 알고리즘은 이진영상을 대상으로 영상에 포함되어 있는 각각의 크랙 네트워크에 대해 연결성 (connectivity)!- 잃는 경우 없이 크랙 네트워크의 중심선을 찾 아 가늘게(보통 1픽셀 폭) 처리하는 디지털 영상처리 기술이다.
성능/효과
3) 시스템 운영자는 실시간으로 입력된 모니터 상의 도로 영 상에서 크랙의 유무를 파악하여 크랙이 존재하면 크랙실링 자동화 장비를 정지시킨다.
7) 최적의 경로 계획에 따라, 크랙실링 자동화 장비의 말단장 치는 공기청소, 실런트 주입, 스퀴즈 작업을 동시에 수행하며 위 과정은 해당 일의 크랙실링 작업이 완료될 때까지 반 복된다.
위 표 1어서 볼 수 있듯이, 기존 크랙실링 자동화 장비 분석 결과 초기 크랙실링 자동화 장비는 하드웨어의 불완전한 조립 및 크랙실링 작업을 자동화하기 위해 반드시 요구되는 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링, 경로계획 알고리즘상의 정확성이 결여되었 으며, 개발 소프트웨어와 하드웨어의 통합 실패로 인해 크랙실 링 자동화 장비가 원활히 작동하지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 가장 진보된 크랙실링 자동화 장비인 UT-ARMM의 경우에 있어서도 개발된 비전 알고리즘이 그림자의 영향을 받으며 말단 장치의 설계 오류 및 작업영역에 대한 조정(calibration) 미 흡 등으로 인해 크랙실링 자동화 작업을 효과적으로 수행하지 못하는 것으로 분석되었다. 한편, 현재까지 개발된 자동화 장비 의 비전 알고리즘은 논커팅(non-cutting) 크랙을 대상으로 개발된 것이나 국내의 경우 크랙실링을 위해 표준 시방서 및 도로 포장 유지보수 실무편람(건설교통부, 1999)에 따라 크랙을 반드시 커팅하도록 규정하고 있으므로 커팅 크랙을 대상으로 크랙 네트워크의 중앙(spine)을 따라 모델링하고 실링할 수 있는 비 전 알고리즘의 개발이 요구된다.
하더라도 그 결과는 매우 미약할 것으로 사료된다. 따라서 실런트의 점도 및 흐 름 속도(flow rate)를 다양한 실험을 통해 사전에 세팅(presetting) 함으로써 충분한 양의 실런트가 크랙 중심부를 따라 내 부로 충진 및 압지될 수 있도록 하는 것이 작업생산성 및 경제성 측면에서 크랙을 효과적으로 실링할 수 있는 것으로 분석되었다.
터렛부는 비 실링 작업구간 이동을 위해 on/off 트 리거 신호에 따라 상하 운동이 가능하여 크랙 네트워크 실링작 업 시 지면과 밀착되어 작업하고 비 실링작업 시 지면과 이격되어 구동되었다. 또한, 실런트 경화 방지를 위해 설치된 실리콘 히터는 실런트 용융점인 180℃까지 온도가 상승되었고, 압지장 치인 스퀴즈는 크랙의 굴곡을 따라 회전되어 크랙 네트워크를 원활히 압지하며 실링 작업을 수행할 수 있는 것으로 분석되었다. CCD 카메라를 통해 도로면 영상을 촬영 .
이를 위해, 기존 문헌 및 현장조사를 통해 크랙실링 공법의 현황 분석을 선행하였으며, 기존 크랙실링 자동화 장비의 개발 현황 및 문제점, 최신 기 술 동향 등을 분석하여 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동화 장 비의 모체 제작 및 운영절차를 제안하였다. 또한, 효과적으로 크 랙실링 자동화 작업을 수행할 수 있도록 비전 알고리즘(크랙 네트워크 맵핑 및 모델링, 경로계획 알고리즘) 및 제어 알고리즘을 개발하고 이를 하드웨어와 통합함으로써 크랙실링 자동화 장비 의 프로토타입을 완성하였다.
그러나 그리디 경로계획 알고리즘은 항상 최적의 경로를 찾지 못하는 단점을 가지고 있으므로 본 연구에서는 크랙 네트워크를 경우의 수만큼 직접 방문 연산하여 가장 적은시간이 소요되는 경로를 찾아내는 최적 경로계획 알고리즘을 제안하였다. 실험결과 최적 경로계획 알고리즘은 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때 최적의 성능을 발휘하였고, 6개를 초과할 때는 연산시간이 기존 그리디 경로계획 알고리즘보다 많이 소요되는 것으로 분석 되었다. 따라서, 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때는 최적 경 로계획 알고리즘을 사용하고, 6개를 초과할 때는 기존 그리디 경로계획을 컴퓨터가 자동으로 판단하여 사용될 수 있도록 설계 하였다.
노 이즈 제거는 1)이진화된 결과 영상(그림 7-②)에서 각각의 픽셀 을 그룹핑(grouping)하여 서로 인접한 픽셀을 하나의 개체로 묶 어주는 과정, 2)각각의 개체들에 대하여 기하학적인 특성 (feature)을 구하는 과정, 3)실험에 의해 구해진 기준에 따라 크 랙과 노이즈를 판별하고 노이즈를 삭제하는 과정을 거 침으로써 수행된다. 이진화된 결과 영상에서 각각의 개체를 그룹핑하고 라벨을 부여함으로써 각 개체의 특성을 확보할 수 있으며, 라벨 링된 각각의 개체들은 평균 명도 및 면적, 둘레, 둘레-면적 비 율, 직경, 얇기(직경/면적), 원형도(4>SXA/L2)에 따라서 노이 즈로부터 크랙 네트워크를 완벽하게 분리할 수 있다(그림 7의 ③). 그러나 일반적으로 도로면 영상에 적용된 노이즈 제거 알고 리즘으로부터 추출된 크랙은 그 경계(edge)가 매우 거 칠며 내부 에 공극을 지니게 되므로(그림 7-③) 실링 되어질 크랙 네크워 크의 정확한 모델링을 위해서는 팽창 연산이 필연적으로 요구된다.
커팅된 크랙 네트워크의 맵핑 및 모델링을 위해 도로면 영상 을 히스토그램으로 분석하고 임계값을 자동으로 산출하여 도로 면 영상을 이진화 하였다. 이진화된 영상을 바탕으로 개체화 및 특성 추출 기법을 이용한 노이즈 제거 알고리즘을 개발하여 실 험한 결과 도로면 영상으로부터 크랙과 노이즈를 완전히 분리할 수 있었다.
CCD 카메라를 통해 도로면 영상을 촬영 . 입력하여 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링을 위해 개발된 비전 알고리즘을 실험한 결과 640x480 픽셀 크기로 입력된 영상은 이진화 및 노이즈제 거, 크랙 맵핑 및 모델링, 최적 경로계획의 全과정을 약 0.5초 이 내에 수행하였고 약 87%이상의 정확도를 갖는 것으로 분석되었다. 그러나 실험 결과 크랙 네트워크 교차점에서는 경우에 따라 크랙 모델링 결과에 오류가 발생되어 장비 사용자에 의한 매뉴 얼 에디팅(manual editing)작업을 추가함으로써 정확한 크랙실 링 작업이 수행될 수 있도록 알고리즘을 수정 .
또한, 본 연구에서는 경로계획을 위해 입력 영상에 존재하는 모든 크랙 네트워크에 대한 경우의 수만큼을 방문하여 연산 거 리의 상호 비교분석을 통해 가장 짧은 경로를 도출하는 최적 경 로계획 알고리즘을 개발 하였다. 최적 경로계획 알고리즘 실험 결과, 한 화면에 존재하는 크랙 네트워크의 수가 6개 이하일 때 항상 최적의 경로를 찾아내어 기존 방식에 비해 크랙실링에 소 요되는 작업시간을 단축할 수 있었다.
따라서, 본 연구에서는 크랙실링 통합 시스템을 그림 14와 같이 개발하여 크랙실링 자동화 장비에 적용하였다. 크랙실링 통 합 시스템은 X, Y, Z 축 제어를 위해 경로 계획된 크랙 네트워크 맵핑 및 모델링 결과 값을 전기적 신호로 컨트롤러를 통해 모 터 구동드라이브로 전송할 수 있으며, 말단 장치 상하이동 및 실 런트 멜터로부터 공급되는 실런트를 크랙 네트워크의 시작점과 끝점에 따라 자동으로 제어할 수 있도록 on/off 트리거 신호를 전송할 수 있도록 개발되었다.
후속연구
또한, 개발된 크랙 실링 자동화 장비를 바탕으로 재래식 크랙실링 공법과 자동화 크랙실링 공법간의 경제성(tangible and intangible benefits) 및 생산성, 품질 등의 비교 . 분석을 통해 자동화 크랙실링 공법 의 실용성 및 효율성을 입증하고 실용화 방안의 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다,
본 연구에서는 현재까지 연구 개발된 크랙실링 자동화 장비의 개발 현황 및 문제점, 크랙실링 자동화 장비 개발을 위한 주요 고려사항 분석 결과를 바탕으로 국내 현실에 적합한 크랙실링 자동화 장비의 프로토타입을 개발하였다. 이를 통해, 노무인원 의 감소 및 노무자의 안전성 확보, 품질 및 생산성 향상을 통한 공기단축과 원가절감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 상기와 같은 연구 내용을 바탕으로 크랙실링 자동화 장 비의 현장 적용을 통한 문제점 분석, 개선사항 도출 및 실용화에 대비한 개발 장비의 수정 - 보완이 요구된다. 또한, 개발된 크랙 실링 자동화 장비를 바탕으로 재래식 크랙실링 공법과 자동화 크랙실링 공법간의 경제성(tangible and intangible benefits) 및 생산성, 품질 등의 비교 .
참고문헌 (12)
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