무선센서네트워크에 의한 콘크리트 양생온도 계측에 관한 현장 적용성 연구 Application for Measurement of Curing Temperature of Concrete in a Construction Site using a Wireless Sensor Network원문보기
본 연구는 건설공사 현장에 적용되고 있는 무선센서네트워크 관련 기술현황을 검토하고, USN 기반의 콘크리트 양생온도 관리방법에 대한 현장적용성 실험을 통하여 그 개선 방안을 도출하는데 목적이 있다. 건설분야에서의 USN 관련연구는 주로 공사의 품질관리 및 시설물 유지관리, 안전관리를 중심으로 이루어지고 있으나, 현장여건 및 통신네트워크 등 실용화를 위한 세부적인 연구가 필요한 것으로 나타났다. 또한 현장사무실에서의 실시간 원격모니터링에 의한 콘크리트의 온도관리가 콘크리트내 소형의 무선센서를 활용 하여 USN 환경에서도 가능한 것을 알 수 있었다. 다만, 센서의 매립깊이에 따른 전파인식정도나 내장건전지의 전력소모 및 전송방식 등 현장에서의 가변적 상황에 대응할 수 있는 보다 안정화된 다양한 시스템 구축을 위한 연구가 필요한 것으로 나타났다.
본 연구는 건설공사 현장에 적용되고 있는 무선센서네트워크 관련 기술현황을 검토하고, USN 기반의 콘크리트 양생온도 관리방법에 대한 현장적용성 실험을 통하여 그 개선 방안을 도출하는데 목적이 있다. 건설분야에서의 USN 관련연구는 주로 공사의 품질관리 및 시설물 유지관리, 안전관리를 중심으로 이루어지고 있으나, 현장여건 및 통신네트워크 등 실용화를 위한 세부적인 연구가 필요한 것으로 나타났다. 또한 현장사무실에서의 실시간 원격모니터링에 의한 콘크리트의 온도관리가 콘크리트내 소형의 무선센서를 활용 하여 USN 환경에서도 가능한 것을 알 수 있었다. 다만, 센서의 매립깊이에 따른 전파인식정도나 내장건전지의 전력소모 및 전송방식 등 현장에서의 가변적 상황에 대응할 수 있는 보다 안정화된 다양한 시스템 구축을 위한 연구가 필요한 것으로 나타났다.
As the construction industry has recently been transformed by the emergence of ubiquitous and intelligent technology, there have been major changes in the management methods employed. Specifically, next-generation construction management systems have been developed that collect and analyze many piec...
As the construction industry has recently been transformed by the emergence of ubiquitous and intelligent technology, there have been major changes in the management methods employed. Specifically, next-generation construction management systems have been developed that collect and analyze many pieces of information in real time by using various wireless sensors and networks. The purpose of this study is to understand the current status of Ubiquitous Sensor Networks (USN) in the construction sector, and to gain fundamental data for a system of measuring concrete curing temperature in a construction site that employs a USN. By investigating the application status of USN, it was confirmed that USN has mainly been applied to the maintenance of facilities, safety management, and quality control. In addition, a field experiment in which the curing temperature of concrete was measured using a USN was carried out to evaluate two systems with wireless sensor networks, and the applicability of these systems on site was confirmed. However, it is estimated that the embedded wireless sensor type is affected by metal equipment on site, internal battery of sensor and concrete depth, and studies to provide more stable system by USN are thus required.
As the construction industry has recently been transformed by the emergence of ubiquitous and intelligent technology, there have been major changes in the management methods employed. Specifically, next-generation construction management systems have been developed that collect and analyze many pieces of information in real time by using various wireless sensors and networks. The purpose of this study is to understand the current status of Ubiquitous Sensor Networks (USN) in the construction sector, and to gain fundamental data for a system of measuring concrete curing temperature in a construction site that employs a USN. By investigating the application status of USN, it was confirmed that USN has mainly been applied to the maintenance of facilities, safety management, and quality control. In addition, a field experiment in which the curing temperature of concrete was measured using a USN was carried out to evaluate two systems with wireless sensor networks, and the applicability of these systems on site was confirmed. However, it is estimated that the embedded wireless sensor type is affected by metal equipment on site, internal battery of sensor and concrete depth, and studies to provide more stable system by USN are thus required.
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문제 정의
콘크리트의 수화열 측정 등 양생이력을 실시간으로 제공할 수 있는 대표적인 시스템은 콘크리트 내부에 온도측정 리드선을 직접 매설하여 연결한 방식(이하, 센서노드 노출방 식)과 콘크리트 내부에소형센서(MEMS)를 매설하여 온도를 측정하는 방식(이하, 센서노드 매립방식)등 크게 2가지로 대별될 수 있다. 본 실험에서는 상기의 2가지 시스템을 실제 현장 타설 콘크리트구조물에 적용하여 시스템별 그 특성을 검토하고. 효율적 적용을 위한 개선방안을 제안하고자 한다.
본 연구는 건설공사 현장에 적용되고 있는 무선센서 네트워크 관련 기술현황을 검토하고, USN 기반의 콘크리트 양생온도 관리방법에 대한 현장적용성 실험을 통하여 그 개선 방안을 도출하는데 목적이 있다. 건설분야에서의 USN 관련 연구는 주로 공사의 품질관리 및 시설물 유지관리, 안전관리를 중심으로 이루어지고 있으나, 현장여건 및 통신네트워크 등 실용화를 위한 세부적인 연구가 필요한 것으로 나타 났다.
이에 따라 본 연구는 건설공사 현장에 적용되고 있는 USN 관련 기술현황을 조사하고, 무선센서네트워크에 의한 콘크리트의 양생온도 관리방법에 대한 현장 적용성 실험을 통하여 그 개선방안을 도출 하는데 목적이 있다.
본 실험에서는 상기의 2가지 시스템을 실제 현장 타설 콘크리트구조물에 적용하여 시스템별 그 특성을 검토하고. 효율적 적용을 위한 개선방안을 제안하고자 한다. USN을 구성하는 시스템 관련 용어정의는 다음과 같다[6]
제안 방법
센서노드(Z bridge)는 하부층 거푸집에 매립센서와 1:1 로 대응하는 위치에 설치하는데, 콘크리트 타설 후 거푸집을 제거하고 난후 센서노드를 재설치 할 수 있도록 하였다. 또한 싱크노드에서는 수신된 데이터를 저장 및 DB화 하고 매립센서의 데이터전송 주기를 20분 간격으로 설정하였다.
시스템의 센서는 온도측정 값을 전달하는 센서노드까지 선(wire)으로 연결되어 있으므로 완전한 무선에 의한 센서노드 매립방식과는 다소 차이가 있는 것을알 수 있다. 센서노드 노출방식의 측정결과를 비교하기 위하여 기존의 열전대방식 온도 측정장치를 센서와 근접된 위치에 설치하였다. 시험장치의 평면 및 단면상의 배치상황은 Figure 5, 6과 같고, 슬래브 및 벽체부위에 일정간격으로 센서를 설치하였으며 센서노드 노출방식의 설치현황은 Table 5와 같다.
센서노드(Z bridge)는 하부층 거푸집에 매립센서와 1:1 로 대응하는 위치에 설치하는데, 콘크리트 타설 후 거푸집을 제거하고 난후 센서노드를 재설치 할 수 있도록 하였다. 또한 싱크노드에서는 수신된 데이터를 저장 및 DB화 하고 매립센서의 데이터전송 주기를 20분 간격으로 설정하였다.
센서노드 매립방식인 콘크리트 온도 측정시스템의 설치위치 및 관련 장비현황은 Table 2와 같다. 센서의 설치위치는 Figure 3, 4에서와 같이 슬래브 및 벽체 부위에 일정간격으로 설치하였고, 특히 무선센서의 경우 콘크리트 습식환경에 서의 전파 전달특성을 검토하기 위하여 슬래브 두께에 대하여 매립깊이를 60mm, 90mm, 120mm 3종류로 각각 다르게 설치하였다.
실험을 위한 적용현장은 Y지역 택지개발지구 RC조 신축 공동주택 건축물을 대상으로 하였으며, 무선네트워크에 의한 시스템의 경우 전파방해 및 건전지 등의 다양한 변수 등을 고려하여 센서노드 매립방식과 센서노드 노출방식의 2가지 시스템별로 나누어 검토하였다. 이때 측정결과와의 상호 비교를 위하여 기존의 일반적인 온도측정 장치(이하 “열전 대방식”이라 함)를 무선센서와 근접된 위치에 설치하여 측정하였다.
이때 측정결과와의 상호 비교를 위하여 기존의 일반적인 온도측정 장치(이하 “열전 대방식”이라 함)를 무선센서와 근접된 위치에 설치하여 측정하였다.
콘크리트 내․외부에 매설되는 온도센서와 직접 유선으로 연결되어 싱크노드까지 지그비를 이용하여 데이터를 전송하 며, 센서노드당 온도센서는 3개까지 연결이 가능토록 제작 되었다. 주파수는 2.
또한 센서노드 등 장비별 설치현황은 Table 3과 같다. 표에서와 같이 매립센서 및 센서노드는 벽 및 바닥 철근 설치가 끝난 후 설치하고, 매립센서의 건전기용량을 효율적으로 활용하기 위하여 콘크리트 타설 직전에 가동 될 수 있도록 하였다.
성능/효과
2) 선이 연결되지 않은 완전한 무선센서네트워크방식인 센서노드매립방식에 의해 측정된 온도데이터는 열전 대방식과 유사한 온도변화 경향을 보였다. 또한 안정 적인 온도측정을 위한 센서의 콘크리트 매립깊이는 약 60mm정도 인 것으로 나타났으나, 콘크리트의 표면투 과에 대한 보다 정밀한 연구 분석이 필요하다.
3) 센서로부터 송출된 데이터의 중계전송을 위한 장치의 설치방법과 각종 현장시설물 및 센서의 매립깊이가 전파 전달에 영향을 미치고 있어, 보다 완벽한 데이터의 원격 모니터링을 위해서는 내장건전지의 전력소모 최소화, 센싱 데이터의 전송방식 및 원활한 통신환경구축 등의 기술적 보완이 필요한 것으로 나타났다.
[5]에 의해 발표된 연구를 들 수 있다. USN 현장 시험결과보고서에서는 근거리영역무선통신(Zigbee)과 장거리영역 무선통신(CDMA) 등의 유비쿼터스 기반의 무선모니터링시 스템을 이용하여 콘크리트의 온도 및 습도 등 구조물의 양생데이터를 효과적으로 측정, 관리할 수 있다는 것을 밝히고 있다. 반면 온도센서는 각 노드당 유선으로 2개까지 연결되어 있어 노드수가 많아 질수록 타설 현장에서의 관리는 다소 어려워 질 수가 있는 것으로 나타났다.
건설분야에서의 USN 관련 연구는 주로 공사의 품질관리 및 시설물 유지관리, 안전관리를 중심으로 이루어지고 있으나, 현장여건 및 통신네트워크 등 실용화를 위한 세부적인 연구가 필요한 것으로 나타 났다. 또한 현장사무실에서의 실시간 원격모니터링에 의한 콘크리트의 온도관리가 콘크리트내 소형의 무선센서를 활용하여 USN 환경에서도 가능한 것을 알 수 있었다. 다만, 센서의 매립깊이에 따른 전파인식정도나 내장건전지의 전력소모 및 전송방식 등 현장에서의 가변적 상황에 대응할 수 있는 보다 안정화된 다양한 시스템 구축을 위한 연구가 필요한 것으로 나타났다.
본 시스템은 H사에서 제작되었으며, 콘크리트의 양생온도를 원격으로 모니터링 할 수 있는 시스템으로 무선센서및 무선네트워크솔루션을 이용하여 콘크리트 내부의 온도, 습도를 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 소형의 온도센 서가 완전한 무선방식으로 제작되었다는 것이 특징이라 할수 있다. 이들 시스템의 구성은 매립센서와 센서노드(Z bridge) 및 싱크노드 등 3개의 주요장치로 구성되어, Zigbee Network에 의한 정보 인식, 전달 및 저장기능을 수행하게 되며, 장치별 특성을 살펴보면 다음과 같다.
센서노드 노출방식과 열전대방식에 의한 벽체 및 슬래브의 측정결과는 Figure 11, 12와 같다. 센서노드 노출방식은 매립방식에 비하여 콘크리트의 온도가 실시간으로 측정 되었으며, 전반적으로 슬래브와 벽체 모두 열전대방식보다 다소 낮게 온도가 측정된 것을 알 수 있었다. 또한 슬래브 부위의 경우 초기에는 각 센서에서 측정된 온도의 차이는 크지 않으나 시간이 경과함에 따라 센서 종류간의 측정 온도차가 커지는 경향을 보이고 있다.
후속연구
1) 건설분야에서의 USN 관련 연구는 주로 공사의 품질 관리 및 시설물 유지관리, 안전관리를 중심으로 이루 어지고 있으나, 현장여건 및 통신네트워크 등을 고려한 실용화를 위한 세부적인 연구가 필요한 것으로 나타났다.
4) 센서노드노출방식에 의해서 측정된 온도데이터는 열전 대방식과 유사한 온도변화 경향을 보였으며, 수화온도의 측정 및 전송 등 원격 모니터링의 신뢰도가 높아, 건설현장에서의 효율적 적용이 기대된다. 반면 매립센 서에서 센서노드까지는 유선으로 연결되므로 현장에서의 설치 및 관리에 별도의 주의가 필요한 것으로 나타 났다.
5) 현장사무실에서의 실시간 원격모니터링에 의한 온도관리가 콘크리트내 소형무선센서를 활용한 무선센서네트 워크 환경에서도 가능한 것을 알 수 있었으며, 현장에 서의 가변적 상황에 대응할 수 있는 보다 안정화된 다양한 시스템의 개발, 적용에 대한 연구가 필요한 것으로 나타났다.
또한 현장사무실에서의 실시간 원격모니터링에 의한 콘크리트의 온도관리가 콘크리트내 소형의 무선센서를 활용하여 USN 환경에서도 가능한 것을 알 수 있었다. 다만, 센서의 매립깊이에 따른 전파인식정도나 내장건전지의 전력소모 및 전송방식 등 현장에서의 가변적 상황에 대응할 수 있는 보다 안정화된 다양한 시스템 구축을 위한 연구가 필요한 것으로 나타났다.
2) 선이 연결되지 않은 완전한 무선센서네트워크방식인 센서노드매립방식에 의해 측정된 온도데이터는 열전 대방식과 유사한 온도변화 경향을 보였다. 또한 안정 적인 온도측정을 위한 센서의 콘크리트 매립깊이는 약 60mm정도 인 것으로 나타났으나, 콘크리트의 표면투 과에 대한 보다 정밀한 연구 분석이 필요하다.
45GHz로 물에 잘 흡수되는 성질을 가지고 있어 수중 또는 수분이 많은 환경에서는 원활한 통신이 어려운 경우가 많으며 콘크리트 타설 후 매립 상태에서는 수분에 의하여 유효통신거리가 감소된 것으로 사료된다. 또한 콘크리트 타설시 철근배근, 거푸집 및 가설용 금속제 구조물 등 각종 금속제 설치물 들은 매립센서 및 센서노드의 지그비 통신을 방해하는 요인이 되는 것으로 사료되며, 보다 명확한 원인 분석에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
이상의 결과에서와 같이 센서노드 노출방식은 매립방식에 비하여 콘크리트의 온도측정이 보다 수월하게 이루어 졌으며, 측정 온도차에 대한 계획된 실험 분석을 통하여 범위를 줄인다면 현장에서의 활용성은 높은 것으로 기대된다. 반면 현장에서의 공사진행에 따른 다양한 가변적 상황에 대응한 보다 안정적인 계측방법을 보완할 필요가 있으며, 센서의 측정위치 및 부위, 함수량 등을 고려한 보다 정확한 측정값을 확보하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
반면 온도센서는 유선으로 8개까지 데이터로거에 연결이 가능한 것으로 나타나 복잡한 현장여건상 유선과 데이터로 거의 관리가 어려워 질 수가 있다. 연구에서 사용된 온도센 서는 열전대형(Thermocouple)이나 감온반도체형(Thermister) 등으로 유선으로 전달되는 센서노드는 콘크리트와 근거리에 위치하도록 되어 있어 콘크리트 타설시의 복잡한 현장여건을 고려할 경우 단선이나 파손 등의 우려가 있어 온도센서 자체가 무선으로 제작될 경우 단순화된 시스템의 제공으로 현장에서의 적용성은 보다 높아질 것으로 기대된다.
또한 열전 대방식에 의해서 측정된 결과를 비교하면 Figure 10에서와 같이 시간에 따른 온도변화 경향은 유사하게 나타나고 있으며, 센서노드 매립방식의 결과가 열전대방식에 비하여 1℃ 정도 높은 것으로 나타났다. 이상의 결과로 볼때 기존 유선에 의한 시스템과 비교해도 벽체의 경우 슬래브에 비하여 완전 무선의 매립센서방식에 의한 양생온도 측정이 가능한 것을 알 수 있었으며, 배터리 사용기간 등이 개선된다면 무선에 의한 현장타설 콘크리트의 양생온도 관리가 보다 간편 하면서 효율적으로 수행될 것으로 기대된다.
이상의 결과에서와 같이 센서노드 노출방식은 매립방식에 비하여 콘크리트의 온도측정이 보다 수월하게 이루어 졌으며, 측정 온도차에 대한 계획된 실험 분석을 통하여 범위를 줄인다면 현장에서의 활용성은 높은 것으로 기대된다. 반면 현장에서의 공사진행에 따른 다양한 가변적 상황에 대응한 보다 안정적인 계측방법을 보완할 필요가 있으며, 센서의 측정위치 및 부위, 함수량 등을 고려한 보다 정확한 측정값을 확보하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
건설분야에서는 Table 1에서와 같이 콘크리트의 품질관리와 더불어 구조물의 건전성평가 및 건설재해 저감을 위한 안전관리 모니터링[6,7] 분야에도 연구가 수행되어 적용되고 있는 것을 알 수 있다. 한편, USN을 기반으로 한 콘크리트 관련 연구는 타설 직후 콘크리트의 온도를 정량적으로 측정, 관리하는 것을 목표로 진행되어, 현장에서의 철저한 온도관리가 필요한 한중콘크리트나 서중, 매스콘크리트에서의 활용도가 높을 것으로 사료된다. 대표적인 연구로서는 한국전산원에서 발표한 2005년도 USN 현장시험결과보고서[8]와 Lee et al.
IT산업의 급격한 발전으로 인하여 이른바 유비쿼터스 환경을 기반으로 한 사회로의 전환기를 맞이하고 있으며 이미 모든 산업분야와 더불어 국내외 건설현장에서도 차세대 현장관리방식으로의 건설환경이 변화되고 있다. 향후 건설산업의 성패는 생산성 향상과 프로젝트 비용의 절감에 있으며, 안전 및 환경에 대한 고려 증대 등의 영향으로 건설현장의 혁신을 한층 더 필요로 하는 상황에 직면하고 있다. 이러한 환경변화 속에서 RFID(Radio Frequency IDentification) 및 USN(Ubiquitous Sensor Network) 등 무선센서 네트워크 기술의 적용은 필연적이며, 현장의 자재관리와 노무관리, 품질관리 및 시설물 유지보수에 이르기까지 상시 계측을 통한 관리의 핵심기술로서 중요한 역할을 하게 될 것으로 예측되고 있다[1,2,3,4].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
USN을 구성하는 시스템 관련 용어 정의는?
1) 센서노드(Sensor Node) : 센서, 통신모듈, 배터리를 포함하여 환경정보를 센싱/전달하는 기능을 수행한다.
2) 싱크노드(Sink Node) : 외부 네트워크 통신을 위한 중계노드 역할을 수행한다.
3) 게이트웨이(Gateway) : IP기반으로 엑세스할 수 있는 다양한 네트워크(LAN, WLAN, CDMA, WiBro, 위성 등)를 통하여 USN서비스를 제공할 수 있도록 IP기반 네트워크와 센서네트워크를 연계하는 시스템을 말한다.
USN은 무엇인가?
USN(Ubiquitous Sensor Network)이란 모든 사물에 전자태그(RFID)나 센서를 활용하여 정보를 감지하고 이를 네트워크에 연결, 실시간으로 그 정보를 관리하는 것[6]으로 최근에는 다양한 분야에 걸쳐 적용되고 있다. 건설분야에서는 Table 1에서와 같이 콘크리트의 품질관리와 더불어 구조 물의 건전성평가 및 건설재해 저감을 위한 안전관리 모니터 링[6,7] 분야에도 연구가 수행되어 적용되고 있는 것을 알수 있다.
USN을 기반으로 한 콘크리트 관련 연구는 무엇을 목표로 진행되나?
건설분야에서는 Table 1에서와 같이 콘크리트의 품질관리와 더불어 구조 물의 건전성평가 및 건설재해 저감을 위한 안전관리 모니터 링[6,7] 분야에도 연구가 수행되어 적용되고 있는 것을 알수 있다. 한편, USN을 기반으로 한 콘크리트 관련 연구는 타설 직후 콘크리트의 온도를 정량적으로 측정, 관리하는 것을 목표로 진행되어, 현장에서의 철저한 온도관리가 필요한 한중콘크리트나 서중, 매스콘크리트에서의 활용도가 높을 것으로 사료된다. 대표적인 연구로서는 한국전산원에서 발표한 2005년도 USN 현장시험결과보고서[8]와 Lee et al.
참고문헌 (12)
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Richard J. editors. Wireless sensor Application in the Construction and Buildings Industry. 2007 International U-Construction Conference; 2007 Jun 21-22; Seoul. Seoul(Korea); 2007. Session 7.
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