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문제 정의
- 교량의 컨셉이 정립되고 있는 실정이다. 본 논문은 도로와 교량의 주요파손.결함요인중 하나인 과적차량에 대해 지능적으로 대처하는 U-도로 과적차량 관리시스템에 대한 것으로 구성은 다음과 같다.
- 본 실험에서는 센서의 현장 실험을 통해 무선 시스템의 장단점을 파악하고 해결방안을 모색하였으며. 실제 U-중차량 과적관리시스템에 적용 시 데이터의 신뢰도에 문제점이 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 U-중차량 과적관리시스템의 구축을 위한 기초단계로서의 실내실험을 수행하였다. 실험에 사용할 센서 노드와 수신기, Basic Program 등의 기초 구성 요소를 선정하였고, 본 연구의 목적인 고속 주행 중에서의 차량 하중측정을 위해 선정한 Bending Plate Sensor에 대하여 하중을 변수로 하여 실내 실험을 진행한 결과, 본 연구에 사용하기 위하여 충분한 정확도를 확보한 것으로 판단되었으며, 계절별 온도변화 및 기후변화에 대한 저항성을 확보하기 위해 온도 저항성 실험을 실시하여 온도 변수에 대한 신뢰성을 확보하였다.
- 본 연구에서는 유비쿼터스 첨단 정보기술의 발달에 발 맞추어 USN기술을 이용하여 과적차량을 실시간으로 단속하는 유비쿼터스 교량 및 도로를 위한 U-중차량 무인과적관리시스템의 구축을 위한 연구를 진행하였으며 결론은 다음과 같다.
- 이에 따라, 본 논문에서는 주행중인 과적차량의 지능형 무인과적 단속 시스템 개발을 위하여 유비쿼터스 센서 네트워크시스템을 구성하고, 실내성능실험으로 축중 WIM센서 선정, 하중 및 온도에 따른 변수, 자율공간 송수신 거리 실험을 통해 U-도로 과적차량 무인관리 시스템의 가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 그림 3의 시험기를 사용하여 - 10°C, -5°C. 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 50°C의 7단계로 온도를 변화시켜 실험하였으며, 하중은 총 5단계로 나누어 2Ton부터 lOTon까지 단계별로 2Ton씩 증가시키면서 재하하였다. 실험실의 습도는 37%였으며, 온도별로 3회 측정을 실시하여 실험의 정확도를 확보하였다.
- 5. 무선화 실험을 실시하였다. Strain을 측정한 결과 1축의 변형률은 -136.
- 6. 전체 시스템의 구축 가능성을 확인하기 위하여 VMS, 과적관리사무소로의 데이터 전송 가능성을 실험하였다. VMS와 과적관리사무소 모두 원거리에서의 데이터 전송이 가능한 것을 확인하였고, 전체 시스템 구성 시, USN Sensor Field와 Internal Network의 구축 가능성을 발견할 수 있었다.
- 과적이 아니라고 판단되면 데이터를 Memory Buffer에 저장하게 되고, 과적일 경우 해당 차량의 영상을 저장한 후 관리사무소와 해당 차량의 차주에게 휴대폰 SMS 메시지를 전송하며, 도로 전광판에 과적내용을 출력한다. 그 이후 해당 U-도로 과적차량 무인관리시스템을 담당하는 인근의 과적관리사무소에서 과적된 화물의 하차를 실시하고 차량의 사법처리를 실시한다.
- 무선화를 실시하였다. 그림 13의 무선 센서노드를 Bending Plate Sensor와 연결하여 센서의 전기 신호를 무선으로 전송하기 위한 준비를 하고 그림 14처럼 컴퓨터에 수신기를 접속하여 Anylogger 프로그램을 통해 센서로부터 들어오는 전압 데이터를 수신하도록 세팅을 실시하였다. 유선 센서 시스템과 모든 조건을 동일하게 유지하고 약 50m의 거리에서 무선 센서 노드를 통해 들어오는 정보를 수집하였다.
- 본 실험은 2회 실시되었으며 실험 시 차량의 속도는 대략 lOPCm/h, 30Km/h, 50Km/h 속도에서 각 4〜5회 정도 실시하였다. 본 실험에 사용된 차량은 총 3축으로 이루어져 있으며 1축의 하중은 6ton.
- 본 연구에서 사용할 Bending Plate Type Sensor에 대한 적용성 검토와 신뢰도 확보를 위하여 하중 변수 이외에 온도변수를 추가하여 계절별 온도 변화에 대한 저항성 실험을 실시하였다. 그림 3의 시험기를 사용하여 - 10°C, -5°C.
- 본 연구에서 사용할 Bending Plate Type Sensor에 무선 센서 노드를 적용하여 센서를 무선화하기 위하여 현장 실험을 실시하기 전에 센서 노드와 Bending Plate Sensor의 호환 가능성을 간단한 실내 테스트를 통하여 실험해보았다.
- 그림 7은 경기도 여주에 위치한 과적단속초소이다. 본 연구에서 제안하는 U-중차량 과적관리시스템의 현장 실험을 위해 15ton 덤프트럭을 임대하여 모래를 적재한 후, 실험을 실시하였다.
- 실험에 사용할 센서 노드와 수신기, Basic Program 등의 기초 구성 요소를 선정하였고, 본 연구의 목적인 고속 주행 중에서의 차량 하중측정을 위해 선정한 Bending Plate Sensor에 대하여 하중을 변수로 하여 실내 실험을 진행한 결과, 본 연구에 사용하기 위하여 충분한 정확도를 확보한 것으로 판단되었으며, 계절별 온도변화 및 기후변화에 대한 저항성을 확보하기 위해 온도 저항성 실험을 실시하여 온도 변수에 대한 신뢰성을 확보하였다. 상기와 같은 실내 실험을 통해 Bending Plate Sensor의 성능을 확인하고 본 연구에 적용할 센서로 채택하였다.
- 상기와 같이 센서를 무선화 시킨 후 연구원이 Bending Plate Sensor 위에 올라가 하중을 주었고 데이터로거의 무선 데이터 취득을 시도해 보았다.
- 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 50°C의 7단계로 온도를 변화시켜 실험하였으며, 하중은 총 5단계로 나누어 2Ton부터 lOTon까지 단계별로 2Ton씩 증가시키면서 재하하였다. 실험실의 습도는 37%였으며, 온도별로 3회 측정을 실시하여 실험의 정확도를 확보하였다. 그림 3은 각각 Burning & Cold TestChamber의 내부와 하중 재하 장면을 나타낸 사진이다.
- 실내실험을 수행하였다. 실험에 사용할 센서 노드와 수신기, Basic Program 등의 기초 구성 요소를 선정하였고, 본 연구의 목적인 고속 주행 중에서의 차량 하중측정을 위해 선정한 Bending Plate Sensor에 대하여 하중을 변수로 하여 실내 실험을 진행한 결과, 본 연구에 사용하기 위하여 충분한 정확도를 확보한 것으로 판단되었으며, 계절별 온도변화 및 기후변화에 대한 저항성을 확보하기 위해 온도 저항성 실험을 실시하여 온도 변수에 대한 신뢰성을 확보하였다. 상기와 같은 실내 실험을 통해 Bending Plate Sensor의 성능을 확인하고 본 연구에 적용할 센서로 채택하였다.
- 전체 시스템은 USN Sensor Field, System Controller, External Network로 구성된다. 여 러 센서로부터 측정된 정보들을 USN을 통하여 하나의 Sink Node에 전송하고 측정된 정보를 System Controller로 전송한다. System Controller에서는 위반차량의 휴대폰, PDA.
- 우선 기존에 설치되어 있던 Low Speed WIM Sensor> 제거하고 High Speed WIM Sensor를 설치하였다. H사에서 개발한 High Speed WIM Sensor는 기존에 설치되어있던 캐나다 IRD사의 센서와 크기와 형태가 동일하기 때문에 기존에 설치되어 있는 틀에서 Low Speed WIM Sensor 만을 제거한 후 고속 주행용 WIM Sensoi.
- 유선센서 성능실험을 통해 Bending Plate Sensor의 고속주행 상태 하중 측정능력을 검증한 후, 무선 센서 노드를 적용하여 무선화를 실시하였다. 그림 13의 무선 센서노드를 Bending Plate Sensor와 연결하여 센서의 전기 신호를 무선으로 전송하기 위한 준비를 하고 그림 14처럼 컴퓨터에 수신기를 접속하여 Anylogger 프로그램을 통해 센서로부터 들어오는 전압 데이터를 수신하도록 세팅을 실시하였다.
- 하중을 측정하였다. 이번 실험은 차량의 속도를 변수로 하여 약 Wh에서 50&n/h이상까지의 속도에서의 하중측정 능력을 확인하였다. 본 실험에서 사용된 덤프트럭의 총중량은 24.
- 유선 센서 시스템과 모든 조건을 동일하게 유지하고 약 50m의 거리에서 무선 센서 노드를 통해 들어오는 정보를 수집하였다. 차량의 속도는 유선센서와 동일하게 10Km/h, 30Km/h, 50Km/h 의 5가지의 경우를 측정하였다’ Bending Plate Sensor는 1 차선에 2개씩 설치가 되므로 센서 노드를 좌우측에 1개씩 설치하여 결과를 계산하였다. 센서 위에 차량을 올려놓은 상태에서 Strain을 측정한 결과 1축의 변형률은 -136.
- 수 있었다. 하지만 부수적인 구성요소의 설치가 불가피하고 단속인원이 상주해야 하는 등의 문제점이 존재하기 때문에 이에 대한 해결 방안으로서 무선화 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 차량은 총 3축으로 이루어져 있으며 1축의 하중은 6ton. 2축의 하중은 9.
- 이번 실험은 차량의 속도를 변수로 하여 약 Wh에서 50&n/h이상까지의 속도에서의 하중측정 능력을 확인하였다. 본 실험에서 사용된 덤프트럭의 총중량은 24.25ton이었으며, 단속초소의 실험구간이 짧아서 80Km/h이상의 속도는 낼 수가 없었다. 센서는 차선 당 2개가 설치되며 차량의 축 하중을 측정하고 차량 한 대의 모든 축 하중을 계산하여 총 하중을 산출한다.
- 그림 13의 무선 센서노드를 Bending Plate Sensor와 연결하여 센서의 전기 신호를 무선으로 전송하기 위한 준비를 하고 그림 14처럼 컴퓨터에 수신기를 접속하여 Anylogger 프로그램을 통해 센서로부터 들어오는 전압 데이터를 수신하도록 세팅을 실시하였다. 유선 센서 시스템과 모든 조건을 동일하게 유지하고 약 50m의 거리에서 무선 센서 노드를 통해 들어오는 정보를 수집하였다. 차량의 속도는 유선센서와 동일하게 10Km/h, 30Km/h, 50Km/h 의 5가지의 경우를 측정하였다’ Bending Plate Sensor는 1 차선에 2개씩 설치가 되므로 센서 노드를 좌우측에 1개씩 설치하여 결과를 계산하였다.
성능/효과
- 센서 설치 부분을 통과할 때의 속도는 정확하게 맞추는 것이 불가능하여 기존 계획했던 속도에서 약 ±2Km/h이내의 속도를 통해 센서의 하중 측정 능력을 확인했다. 2차 실험에서 1 축 하중의 평균은 6.01ton, 2축 하중의 평균은 9.07ton, 3 축 하중의 평균은 9.20ton, 총 하중의 평균은 24.28ton으로 나타났으며, 1축 하중의 오차는 0.13%, 2축 하중의 오차는 -0.90%, 3축 하중의 오차는 1.14%, 총 중량 오차는 0.12%로 나타났다. 시스템에 더 정확한 보정을 실시한 결과 1차 실험에 비해서 더 정확한 데이터를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 3. 무선 센서 노드의 자유공간 송수신 거리를 실험결과, 자유공간거리 120m에서의 통신품질은 86%, 300m에서의 통신 품질은 56%로서 50%이상인 경우 데이터손실이 없다는 센서 성능에 기초하여 문제점이 없다는 것을 확인하였다. 또한 Bending Plate Type Sensor와의 호환 가능성을 위해 센서의 무선 데이터 취득을 시도해 보았고 신호의 정확한 취득이 이루어짐으로서 무선 센서 노드의 적용 가능성에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 4. 본 연구에서 제안하는 U-중차량 과적관리시스템의 고속 WIM센서 성능 확인을 위하여 10Km/h에서 600 Km/h까지 차량의 속도를 변수로 하여 WIM하중 측정 능력을 실험한 결과 종 중량의 오차는 1.44%, 2차 실험에서는 종 중량 0.12%의 오차로 나타났다. 시스템에 보정을 실시한 결과 1 차 실험에 비해서 더 정확한 데이터를 얻을 수 있었고 고속상태에서도 충분한 신뢰도를 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 전체 시스템의 구축 가능성을 확인하기 위하여 VMS, 과적관리사무소로의 데이터 전송 가능성을 실험하였다. VMS와 과적관리사무소 모두 원거리에서의 데이터 전송이 가능한 것을 확인하였고, 전체 시스템 구성 시, USN Sensor Field와 Internal Network의 구축 가능성을 발견할 수 있었다.
- 무선 센서 노드의 자유공간 송수신 거리를 실험결과, 자유공간거리 120m에서의 통신품질은 86%, 300m에서의 통신 품질은 56%로서 50%이상인 경우 데이터손실이 없다는 센서 성능에 기초하여 문제점이 없다는 것을 확인하였다. 또한 Bending Plate Type Sensor와의 호환 가능성을 위해 센서의 무선 데이터 취득을 시도해 보았고 신호의 정확한 취득이 이루어짐으로서 무선 센서 노드의 적용 가능성에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, 선정된 Bending Plate Sensor의 측정 데이터를 무선으로 취득하기 위해 무선 센서 노드를 선정하여 자유공간 송수신거리 실험을 실시한 결과, 300m이상의 거리에서도 충분한 통신품질이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 Bending Plate Sensor와의 호환성 여부를 검증하기 위하여 간단한 실내 실험을 실시한 결과.
- 44%로 나타났다. 또한, 시속 60Km/h정도의 고속에서 측정한 데이터의 오차는 2.4〜4.5%정도로 실제 과적 단속 시 사용하는 10%의 경감을 고려한다면 충분히 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 73% 의 낮은 오차율을 보여주었다. 본 실험결과 상온에서 센서를 사용할 경우 계절 변화나 기후 변화에 따른 온도 변화에 대한 저항성은 충분한 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 Bending Plate Sensor를 사용할 경우, 고속 상태에서도 충분한 신뢰도를 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 부수적인 구성요소의 설치가 불가피하고 단속인원이 상주해야 하는 등의 문제점이 존재하기 때문에 이에 대한 해결 방안으로서 무선화 실험을 실시하였다.
- 보는 바와 같이 1~3축의 경우 오차 범위가 ±10%이내인 것으로 나타났으며, 총 중량에 의한 오차의 경우 대부분 5%이내의 안정적인 데이터를 보여주었다. 본 실험의 경우, 무선 센서 노드의 Calibration을 마치지 않은 상태에서 실시되어 변형률이 Iton당 -22.82 〜 -26.70의 변화를 보여주었다. 실제로 본 실험에서 사용된 High Speed Bending Plate Sensor의 경우 Iton당 센서의 고유 material properties와 변형률의 관계식에 의해 5의 변형률을 보여주므로 센서 노드와 Bending Plate Sensor의 Calibration을 통하여 하중에 대한 보정을 실시하면 문제가 해결될 것으로 판단된다.
- 센서 설치 부분을 통과할 때의 속도는 정확하게 맞추는 것이 불가능하여 기존 계획했던 속도에서 약 ±2Km/h이내의 속도를 통해 센서의 하중 측정 능력을 확인했다. 2차 실험에서 1 축 하중의 평균은 6.
- 센서의 데이터를 취득한 결과' Calibration Machine이 아닌 사람의 체중을 통한 하중 재하여서 신호의 세기가 작았지만 무선 센서 노드의 적용 가능성에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 12%로 나타났다. 시스템에 더 정확한 보정을 실시한 결과 1차 실험에 비해서 더 정확한 데이터를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 12%의 오차로 나타났다. 시스템에 보정을 실시한 결과 1 차 실험에 비해서 더 정확한 데이터를 얻을 수 있었고 고속상태에서도 충분한 신뢰도를 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 파악하고 해결방안을 모색하였으며. 실제 U-중차량 과적관리시스템에 적용 시 데이터의 신뢰도에 문제점이 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 3은 각각 Burning & Cold TestChamber의 내부와 하중 재하 장면을 나타낸 사진이다. 온도별 측정데이터를 도표로 나타낸 그림 4를 보면, Bending Plate Type Sensor의 온도 저항성 실험을 실시한 결과, 상온에서 센서를 사용할 경우 계절 변화나 기후 변화에 따른 온도 변화에 대한 저항성은 충분한 것으로 판단된다.
- 전체적으로 두 경우 모두 오차율 10%이내의 안정적인 변화를 보여주고 있으며, 총 하중의 경우 오차율이 대부분 ±5% 이내로 나타나 실제 U-중차량 과적관리시스템을 구축할 경우 무선화 시스템을 사용해도 시스템의 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 두 가지의 데이터가 약간은 다른 양상을 보이고 있지만 이것은 차량의 속도를 일정하게 유지할 수가 없는 문제와 도로의 진동 영향.
- 변형률 신호를 하중으로 바꾼 결과 1〜3축의 경우 오차 범위가 ±10% 이내인 것으로 나타났으며. 총 중량에 의한 오차의 경우 대부분 5%이내의 안정 적인 데이터를 보여주며 무선 센서 노드를 적용한 USN 구축 가능성을 확인할 수 있었다.
- 그래프를 보면 고속 상태보다 20KWh 〜 30Km/h의 저속 상태에서의 데이터가 더 불안정한 것을 볼 수 있는데, 이것은 1차 실험에서 시스템의 Calibration이 충분하지 않아서 나타난 현상으로 판단된다. 하지만 1 〜2개의 데이터를 제외하고는 모든 데이터가 10%이내의 오차를 보여 비교적 안정적인 것으로 나타났다.
후속연구
- 7. 본 연구에서 실시한 실험은 기본적으로 Pilot Test를 목적 으로 실시 되 었으며 U-중차량 무인과적 관리시 스템은 고속 WIM센서와 함께 USN의 구성과 Internal/External Network의 완전 무인, 무선화 시스템을 통한 사용자 중심의 시스템을 구축하는 것이 최종 목적이므로 향후 WCDMA/ HSDPA 를 이용한 External Net work 의 구성과 실제 과적 단속 적용을 위하여 Test Bed를 통한 실험이 실시되어야 할 것이다. 또한 설치의 편의성 증진과 비용 절감을 위하여 기존 도로에 매설하는 방식이 아닌 USN Sensor Node를 진동 등의 방식을 통하여 직접적으로 통신하는 Sensor의 개발이 필요할 것으로 판단된다’
- 센서이다. 우선 센서의 정적하중 실험을 통하여 안정적인 오차율을 확인하였고 온도저항성실험을 통한 내구성 확인 및 현장실험을 실시한후 최종적으로 U-도로 과적차량 무인관리 시스템에 적용될 것이다.
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