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가스배관망 작동상태 실시간 진단용 인공신경망 기반 모니터링 시스템
A Monitoring System Based on an Artificial Neural Network for Real-Time Diagnosis on Operating Status of Piping System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.2 = no.353, 2015년, pp.199 - 206  

전민규 (한국해양대학교 가스솔루션센터) ,  조경래 (한국해양대학교 기계에너지시스템공학부) ,  이강기 (한국해양대학교 해양플랜트운영학과) ,  도덕희 (한국해양대학교 기계에너지시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 인공신경망을 이용하여 배관이나 배관요소의 작동상태를 예측할 수 있는 진단방법을 제안한다. 입자영상유속계 기술을 이용하여 얻어진 배관의 검사부위의 진동에 의한 이동량을 인공신경망의 학습용으로 사용한다. 측정시스템은 카메라, 조명, 인공신경망이 탑재된 호스트컴퓨터로 구성된다. 구축된 모니터링시스템이 제대로 작동하는지 이미 알고 있는 진동원(2개의 휴대폰)에 대하여 적용하였다. 진동가속도의 최소값, 최대값, 평균값을 인공신경망의 학습에 사용해 본 결과, 평균값이 진동상태의 실시간 모니터링에 적합함을 확인하였다. 구축된 진단시스템은 실제 가스배관의 작동상태에 대하여 모니터링 가능함이 확인되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a new diagnosis method which can predict the working states of a pipe or its element in realtime is proposed by using an artificial neural network. The displacement data of an inspection element of a piping system are obtained by the use of PIV (particle image velocimetry), and are us...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 가스배관과 같이 유체배관에서의 밸브나 유량계 등 각 요소에서의 작동상태나 누설상태를 비접촉식 속도측정법인 PIV(Particle Image Velocimetry)(1)법을 이용하여 측정하고, 신경망(Neural network)이론(3)을 접목시켜 이들의 작동상태를 실시간으로 판별할 수 있는 비접촉식 모니터링시스템을 구축하는 것을 연구의 목적으로 삼고 있다.
  • 본 연구에서는 배관 진동의 데이터로부터 탁월주파수를 구하지 않고 진동데이터 자체를 직접 인공 신경망에 실시간으로 학습시켜가면서 배관상태를 실시간으로 판단할 수 있는 모니터링시스템을 구축하는 것으로 목적으로 삼고 있다.
  • 원자력 발전소나 플랜트에서의 배관망처럼 작업자의 접근이 어려운 상태에서, 배관망의 밸브, 필터, 실린더 등과 같은 요소의 작동이 전기적으로는 정상적이지만 기계적으로 고장이 났을 때 감지할 수 있는 방법이 없다. 본 연구에서는 이러한 상황에 대처하기 위하여 원격 비접촉식으로 배관의 아주 미세한 진동을 감지함으로써 배관망의 기계적 고장을 진단할 수 있는 기술을 개발하고자 하는 것이 연구의 목적으로 삼았다. 세부적 성과로서는 다음으로 정리될 수 있다.
  • Jeon 등(5)은 진동측정대상을 원격으로 진단하기 위하여 비접촉식 원격 미세변위 측정 및 배관시스템의 실시간 작동상태를 진단할 수 있는 기술을 개발하여 보고한 바 있다. 이 연구에서는 원격카메라 영상으로부터 얻어진 목표물의 미세진동 변위를 인공 신경망에 학습시켜 목표물의 작동 상태를 모니터링할 수 있는 기술을 보고하고 있다. 그런데, 이 연구에서는 미세진동 변위 데이터에 대한 FFT(fast fourier transform) 변환하여 얻어지게 되는 탁월주파수(representative frequency)를 인공신경망(6)의 학습 데이터로 이용하는 관계로, 이를 계산하기 위해 소요되는 시간지연으로 인해 한 템포(tempo) 느린 실시간, 즉 준(pseudo) 실시간(real-time)이라는 제약을 지니고 있다.
  • 현재는 단거리(170mm)에 국한되어 비접촉식으로 배관망의 작동상태를 실시간으로 진단할 수 있는 인공신경망 기반의 모니터링 시스템이지만 향후 원거리에서도 가능한 시스템으로 구축하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스펙클패턴법의 특징은? 기계설비의 진동을 카메라 영상을 이용하여 비접촉식 측정을 한 대표적 사례로서 스펙클패턴 (speckle pattern)법(2)이 있는데, 이 방법은 측정시스템의 정교한 설치가 필요할 뿐만 아니라 진동 모드 데이터를 얻기 위한 영상처리에 소요되는 시간이 길어 설비나 설비에 연결된 배관의 실시간 진동 측정에 제약이 따른다. 구조물의 변형과 응력과의 상관관계를 측정할 수 있는 디지털영상 상관법(5)이 있는데, 이 방법 또한 고유진동수와의 상관관계 계산에 소요되는 시간이 길어, 기계설비나 배관의 진동상태를 실시간으로 모니터링하기에는 제약이 따른다.
배관시스템의 작동 상태 진단을 위한 모니터링 시스템은 어떻게 나뉘어지는가? 크게 3부분으로 나누어진다. 진단대상물인 목표물 혹은 배관시스템, 비접촉식측정시스템 그리고 인공신경망으로 나뉜다. 목표물로부터의 미세진동을 카메라로 되어 있는 비접촉식 측정시스템이 감지하고, 감지된 미세진동에 의한 변위는 인공신경망에서 실시간으로 학습이 된다. 학습된 미세진동은 초기에는 임의의 미세변위 데이터로 학습이 되고 이후부터는 지속적으로 데이터베이스에 쌓이게 된다. 이후, 목표물의 진동이 평소와 다르게 나타나게 되면 인공신경망은 이상신호(논리신호 ‘1’)를 발생시킨다.
디지털영상 상관법이 가지는 문제점은 무엇인가? 기계설비의 진동을 카메라 영상을 이용하여 비접촉식 측정을 한 대표적 사례로서 스펙클패턴 (speckle pattern)법(2)이 있는데, 이 방법은 측정시스템의 정교한 설치가 필요할 뿐만 아니라 진동 모드 데이터를 얻기 위한 영상처리에 소요되는 시간이 길어 설비나 설비에 연결된 배관의 실시간 진동 측정에 제약이 따른다. 구조물의 변형과 응력과의 상관관계를 측정할 수 있는 디지털영상 상관법(5)이 있는데, 이 방법 또한 고유진동수와의 상관관계 계산에 소요되는 시간이 길어, 기계설비나 배관의 진동상태를 실시간으로 모니터링하기에는 제약이 따른다. 한편, 진동측정 데이터에 대하여 시간평균 실시간 필터를 사용하는 방법인 시간영역 평균법은 시간 동기화 평균법(time synchronous averaging)이라고도 하는데,(3)진동측정데이터와 진동발생원과의 동기화를 시켜야하는 관계로 진동원으로부터의 노이즈발생 억제가 어려울 뿐만 아니라 비접촉식 측정에는 적합하지 않다.
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참고문헌 (9)

  1. Adrian, R. J., 1991, "Particle-Imaging Techniques for Experimental Fluid Mechanics," Ann. Rev. J. Fluid Mech., Vol.23, pp.261-304. 

  2. Machida, K., Okamura, H., Hirano, T. and Usui, K., 2001, "Stress Analysis of Mixed-Mode Crack of Homogeneous and Dissimilar Materials by Speckle Photography," Transactions of the Japan Society of Material Engineers, Vol. 67, No. 655, pp.86-91. 

  3. Braun, S., 1975, "The Extraction of Periodic Waveforms by Time Domain Averaging," Acustica, Vol. 32, No. 2, pp.69-77. 

  4. Shin, K. H., "Realization of the Real-Time Domain Averaging Method using the Kalman Filter," International Journal of Precision Eng. and Manufacturing, Vol. 12, No. 3, pp.413-418. 

  5. Jeon, M. G., Cho, G. R., Oh, J. S., Lee, C. J. and Doh, D. H., 2013, "Measurements of Remote Micro Displacements of the Piping System and a Real Time Diagnosis on Their Working States Using a PIV and a Neural Network," Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 24, No. 3, pp. 264-274. 

  6. Rumelhart, D. E., Hinton, G. E. and Williams, R. J., 1986, "Learning representations by back-propagating errors," Nature, pp. 323-333. 

  7. Utami, T. and Blackwelder, R. A., 1991, "A Cross Correlation Technique for Velocity Field Extraction from Particulate Visualization," Exp. in Fluids, Vol.10, pp.213-223. 

  8. Kimura, I., Takamori, T. and Inoue, T., 1986, "Image Processing Instrumentation of Flow by using Correlation Technique," Journal of Flow Visualization and Image Processing, Vol. 6, No.22, pp.105-108. 

  9. Nobach, H. and Bodenschatz, E., 2009, "Limitations of Accuracy in PIV due to Individual Variations of Particle Image Intensities," Exp. in Fluids, Vol. 47, pp. 27-38. 

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