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도로면 크랙실링 자동화 장비의 최적 경로계획 알고리즘 개발

Development of an Optimal Trajectory Planning Algorithm for Automated Pavement Crack Sealer

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.11 no.4 = no.56, 2010년, pp.68 - 79  

유현석 (인하대학교 건축공학과) ,  이정호 (인하대학교 원가관리센터) ,  김영석 (인하대학교 건축공학과)

초록
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도로면 크랙실링 공법은 예방적 차원에서 도로면에 발생된 크랙을 초기에 효과적으로 보수할 수 있는 공법으로 국내외에 서는 1990년대 초반부터 기존 도로면 크랙실링 작업의 생산성, 안전성 및 품질의 균일성 확보를 목적으로 크랙실링 자동화 장비의 개발을 위한 지속적인 연구개발 노력을 수행해 왔다. 도로면 크랙실링 자동화 장비를 개발함에 있어 특히 경로계획은 주어진 작업 영역 내에서 개발 장비로 하여금 실링될 크랙 네트워크를 시간 효과적으로 횡단할 수 있도록 하는 운항 정보를 제공하게 되므로 이는 개발 장비의 성능을 결정 짖는 매우 중요한 연구주제라 할 수 있다. 본 연구의 목적은 작업 영역 내 경로계획 데이터의 효과적인 모델링을 통해 크랙실링 자동화 장비의 최적 경로계획 알고리즘을 개발하는 것으로써, 경로 집합전체를 완전 탐색하는 2단계 트리 알고리즘과 크랙의 순열만을 탐색하는 1단계 트리 알고리즘을 개발하였으며, 알고리즘의 성능 측정 및 분석을 통해 최적 경로계획 알고리즘의 적용 범위와 그에 따른 성능 향상 정도를 평가하였다. 이 연구의 결과는 도로면 크랙실링 자동화 장비의 생산성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

During the last two decades, several tele-operated and machine-vision-assisted systems have been developed in construction and maintenance area such as pavement crack sealing, sewer pipe rehabilitation, and excavation. In developing such tele-operated and machine-vision-assisted systems, trajectory ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 실제 크랙의 수 n이 7일 때 연산시간은 3초를 초과하며, n이 8일 때는 72초를 초과한다. 본 연구에서는 2단계 트리 알고리즘의 이러한 문제점을 보완하기 위해 경로 순열에 대한 1단계 트리만을 이용하고 크랙의 진입점(front and rear)은 가까운 거리를 선택하는 1단계 트리 알고리즘을 개발하였다. 1단계 트리 알고리즘은 2번째 트리의 생성과 해체를 생략하기 때문에 전체 연산량에 있어 2단계 트리 알고리즘에 비해 1/2n로 감소시킬 수 있다.
  • 본 연구의 목적은 효과적인 경로계획 데이터 모델링을 통해 크랙실링 자동화 장비의 최적 경로계획 알고리즘을 개발하는 것이며, 개발된 알고리즘의 성능 측정 및 분석을 통해 최적 알고리즘의 적용 범위와 기존 알고리즘 대비 성능 향상 정도를 평가하는 것이다. 이 연구의 결과는 크랙실링 자동화 장비의 생산성을 한층 증진시킬 수 있을 것으로 기대된다.
  • 앞서 언급한 바와 같이 크랙의 수 n에 따라 1차 트리 및 2차 트리 경로계획 알고리즘은 한계 적용범위가 있기 때문에 본 연구에서는 크랙실링 자동화 장비의 경로계획 알고리즘 적용에 있어 크랙의 수 n에 따라 적절한 경로계획 알고리즘이 실행될 수 있도록 하였다. 즉, 크랙의 수 n이 1이상 6이하인 경우 2차 트리 알고리즘이 실행되고, n이 7이상 8이하인 경우 1차 트리 알고리즘이 실행되며, n이 9이상인 경우 그리디 경로계획 알고리즘이 실행되도록 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
도로면 크랙실링 공법은 무엇인가? 도로면 크랙실링 공법은 예방적 차원에서 도로면에 발생된 크랙을 초기에 효과적으로 보수할 수 있는 공법으로 국내외에 서는 1990년대 초반부터 기존 도로면 크랙실링 작업의 생산성, 안전성 및 품질의 균일성 확보를 목적으로 크랙실링 자동화 장비의 개발을 위한 지속적인 연구개발 노력을 수행해 왔다. 도로면 크랙실링 자동화 장비를 개발함에 있어 특히 경로계획은 주어진 작업 영역 내에서 개발 장비로 하여금 실링될 크랙 네트워크를 시간 효과적으로 횡단할 수 있도록 하는 운항 정보를 제공하게 되므로 이는 개발 장비의 성능을 결정 짖는 매우 중요한 연구주제라 할 수 있다.
크랙실링 자동화 장비의 경로계획은 그리디 경로계획 알고르즘이 대표적인데 어떤 문제점을 가지고 있는가? 크랙실링 자동화 장비의 경로계획은 컴퓨터 공학의 그래프 이론(graph theory) 측면에서“모든 경로를 탐색해 보기 전까지는 최적의 결과를 알 수 없는”문제에 속한다. 이러한 문제는 크랙의 수가 적으면 해결이 가능하지만 크랙의 수가 증가할수록 경로의 수도 기하급수적으로 증가하기 때문에 막대한 시간 비용이드는 문제로 분류된다. 그러나 실제 크랙실링 장비를 이용하여 현장 실험을 수행한 결과, 도로면 영상에 존재하는 크랙은 최대 8~9개 정도이며, 대부분의 경우 1~4개 정도의 크랙이 발견된다.
크랙실링 자동화 장비의 머신비전 시스템은 어떻게 구성되고 있는가? 현재까지 개발된 크랙실링 자동화 장비의 머신비전 시스템(machine vision system)은 크랙 탐지 및 모델링 모듈과 경로계획 모듈로 구성되어 있는데, 이 가운데 크랙 탐지 및 모델링 모듈은 크랙 네트워크의 골격(spine)을 정확하게 탐지하고 모델링하기 위한 모듈로서 크랙실링 자동화 장비의 정확성과 품질을 좌우하는 중요한 모듈이다. 크랙 탐지 및 모델링 모듈은 지속적으로 인식률 개선을 위한 연구개발을 통해 균열 완전자동 인식률이 95.
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참고문헌 (15)

  1. 김영석(2004)," 도로면 유지보수 자동화를 위한 원격조정 장비의 개발", 건설교통부 한국건설교통기술평가원 최종보고서, p.100-114, 2004. 08 

  2. 유현석, 이정호, 김영석, 김정렬(2004), "도로면 크랙실링 자동화를 위한 머신비전 알고리즘의 개발", 한국건설관리학회 논문집, 제5권 제2호, pp.90-104, 2004. 04 

  3. 유현석, 이정호, 김영석, 성낙원(2004), "신경망 학습기법을 이용한 도로면 크랙인식 알고리즘 개발에 관한 연구", 2004 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집, pp. 561-565, 2004. 11 

  4. 이정호, 유현석, 김영석, 이준복, 조문영(2004)," 도로면 크랙실링 자동화 로봇의 프로토타입 개발에 관한 연구", 한국건설관리학회 논문집, 제5권, 제2호, pp. 162-171, 2004. 4 

  5. Dijkstra, E. W.(1959), "A Note on Two Problems in Connection with Graphs", Numerische Mathematik Vol 1,, pp. 269-271 

  6. Feng, X., Mathurin, R., and Velinsky S. A. (2005), "Practical, Interactive, and Object-Oriented Machine Vision for Highway Crack Sealing", Journal of Transportation Engineering, Vol. 131, No. 6, pp.451-459, June, 2005. 

  7. Glover, F., and Punnen, A. P.(1997), "The traveling salesman problem : New solvable cases and linkages with the development of approximation algorithms", J. Oper. Res. Soc., 48, pp. 502-510. 

  8. Graham, R. and Hell, P. "On the history of the minimum spanning tree problem", "Annals of the History of Computing, Vol 7. No. 1, 1985, pp.43-57 

  9. Horowitz, E., Sahni, S., and Anderson-Freed, S.(1993), "Fundamentals of Data Structures in C", W. H.Freeman and Company, 1993. 

  10. Kim, Y. S.., Hass, C. T.(1998)," Path Planning for Machine Vision Assisted, Teleoperated Pavement Crack Sealer", Journal of Transportation Engineering, Vol.124, No. 2, Mar/Apr, 1998. 

  11. Kirschke, K. R. and Velinsky, S. A. (1992)," Histogram- Based Approach for Automated Pavement-Crack Sensing",Journal of Transportation Engineering, Vol. 118, Issue 5, pp. 700-710, September/October 1992 

  12. Kruskal, J. B.(1956)," On the Shortest Spanning Tree of a Graph and the Traveling Salesman Problem", Proc. Amer. Math. Soc. 7, pp. 48-50 

  13. Mathurin R., Velinsky S. A(2000), "Simulated Annealing for the Optimal Trajectory Planning of an Automated Crack Sealing Machine", Proceedings ASME design technical conference, 2000 

  14. Prim, R. C.(1957), "Shortest Connection Networks and Some Generalizations", Bell Syst. Tech. J. 36, pp 1389-1401 

  15. Sollin, G.(1962), "Problemes de Recherche Operationelle Report", C. 41 S.E.G. Paris Le Trace des Canalizations, pp. 15-23 

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