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구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서 관련 최근 연구동향

A Recent Research Summary on Smart Sensors for Structural Health Monitoring

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.19 no.3, 2015년, pp.10 - 21  

김은진 (울산과학기술대학교 도시환경공학부) ,  조수진 (울산과학기술대학교 도시환경공학부) ,  심성한 (울산과학기술대학교 도시환경공학부)

초록
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구조물 건전성 모니터링은 센서로부터 구조물의 응답을 수집하고 분석하여 구조물의 정확한 상태를 진단하는 기술이다. 최근 노후화된 구조물의 증가로 인하여, 지속가능한 사회 발전을 위해 더욱 발달된 구조물 건전성 모니터링 기술이 요구되고 있다. 최신 구조물 건전성 모니터링 기술 중 하나인 무선 스마트 센서와 센서 네트워크 기술은 기존의 유선 방식의 모니터링 시스템과 비교하여 더욱 효율적이며 경제적인 모니터링 시스템의 구축을 가능하게 하는 기술이다. 최근까지도 관련 연구자들은 스마트 센서의 성능 및 확장성 향상을 위하여 연구개발을 진행하고, 다양한 실내, 실외 실험을 통한 성능 테스트를 진행하였다. 본 논문에서는 최근 (2010년 이후를 중심으로)에 개발된 스마트 센서의 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 응용 사례들을 정리함으로써, 구조물 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서의 최신 연구동향에 대해 소개하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Structural health monitoring (SHM) is a technique to diagnose an accurate and reliable condition of civil infrastructure by collecting and analyzing responses from distributed sensors. In recent years, aging civil structures have been increasing and they require further developed SHM technology for ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Lynch (2007)의 Review 이후 스마트 센서에 관한 많은 연구 성과들과 실 구조물의 적용 사례들이 지속적으로 보고되고 있다. 본 논문에서는 최근 (2010년 이후를 중심으로)에 개발된 스마트 센서의 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 응용 사례들을 정리함으로써, 교량 및 구조물의 안전성 평가 및 기타 관련한 분야의 연구자들의 스마트 센서 최신 연구 동향 파악 및 이를 기반으로 한 연구 수행 및 현장 적용에 도움을 주고자 한다.
  • 본 논문에서는 최근 사회기반시스템의 건전성 모니터링을 위한 스마트 센서와 센서 네트워크 관련 연구동향에 대해 소개하였다. 스마트 센서가 교량 상태 평가에 처음 도입된 1998년부터 현재까지 효율성과 경제성을 위한 새로운 스마트 센서를 개발하려는 노력이 이어지고 있고, 실 구조물에서 개발된 센서 시스템의 성능을 확인하고 이를 실제로 사용하기 위한 다양한 노력이 이어지고 있다.
  • 스마트 센서가 교량 상태 평가에 처음 도입된 1998년부터 현재까지 효율성과 경제성을 위한 새로운 스마트 센서를 개발하려는 노력이 이어지고 있고, 실 구조물에서 개발된 센서 시스템의 성능을 확인하고 이를 실제로 사용하기 위한 다양한 노력이 이어지고 있다. 본 논문은 스마트 센서의 하드웨어 개발, 센서에 내장된 소프트웨어, 개발된 스마트 센서의 성능 테스트로 나누어 최신 연구동향을 소개하였다. 하드웨어 쪽에서는 다양한 계측을 위한 센싱 및 센싱 인터페이스 개발, 새로운 형식의 스마트 센서 플랫폼 개발, 전력 소모를 줄이기 위한 하드웨어 개발과 관련한 연구가 주로 진행되고 있다.
  • , 2010; Spencer and Cho, 2011). 본 진도대교 실험에서는 장기간 SHM 시스템의 운영을 통하여 스마트 센서 네트워크의 구성 및 역할을 달리하며 그 성능을 평가하였을 뿐만 아니라, 계측된 데이터를 이용하여 구조물의 동적 특성과 장력 등의 시스템 특성을 평가하는데 성공하였다. 또한 Ni et al.
  • (2014)은 Imote2 기반의 스마트 센서 노드에 에너지를 지속적으로 공급하기 위하여, 태양광 발전판을 이용하여 에너지 획득을 수행하였다. 이 에너지 획득 기술은 Cho et al. (2010), Rice et al. (2010), Jang et al. (2010), Spencer and Cho (2011)에서 소개된 제 2 진도대교의 스마트 센서 네트워크를 배터리 교환 없이 지속적으로 사용하기 위하여 개발되었다. Imote2에 내장된 PMIC (Power Management Integrated Circuit)을 이용하여 태양광 발전판으로부터 들어오는 전력을 충전지에 충전하여 사용하였다.
  • (2012)은 Imote2 기반의 스마트 센서 노드에 전력을 공급하기 위한 초소형 풍력 발전용 터빈을 개발하였다. 일반적으로 풍력 발전용 터빈에서 가장 중요한 요소는 교류발전기 (alternator)와 날개로 구성되는 회전자로, 본 연구에서는 회전자의 날개의 개수에 따른 풍력기반 에너지 획득 기술의 활용 가능성을 평가하였다. 실험을 통하여 6개의 날개를 가진 풍력 터빈이 가장 효율적이며, 풍속이 강할수록 충분한 전력을 생산함을 보였으며, 이로부터 제 2 진도대교의 풍환경 하에서 센서 네트워크에 지속적으로 에너지 공급이 가능함을 간접적으로 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존의 구조물 건전성 모니터링 기술에서 주로 활용되는 유선 기반의 데이터 계측 방식의 단점은 무엇인가? 기존 SHM에서 주로 활용되는 유선 기반의 데이터 계측 방식은 장비의 가격이 비교적 높고 센서와 데이터 로거 (data logger)를 연결하기 위한 케이블 작업에 많은 노력과 비용이 소요되는 단점이 있다. 기존 유선센서 기반 계측시스템의 대안으로서, 무선 통신과 MEMS 센서, 내장 데이터처리 기술(embedded processing)을 활용하는 스마트 센서 (smart sensor)가 개발되었다.
구조물 건전성 모니터링 기술은 무엇인가? 최근 노후화된 구조물의 수가 증가하고 구조물의 붕괴사고가 자주 발생함에 따라, 그로 인한 피해를 줄일 수 있는 구조물 유지 관리 기술에 대한 중요성이 부각되고 있다. 구조물 건전성 모니터링 기술 (Structural Health Monitoring, SHM)은 구조물의 상태를 파악하고 진단, 평가하는 기술로서, 현재 전 세계적으로 활발하게 관련 기법 및 장비들에 관한 연구가 이루어지고 있다.
기존 유선센서 기반 계측시스템의 대안으로서 개발된 것은 무엇인가? 기존 SHM에서 주로 활용되는 유선 기반의 데이터 계측 방식은 장비의 가격이 비교적 높고 센서와 데이터 로거 (data logger)를 연결하기 위한 케이블 작업에 많은 노력과 비용이 소요되는 단점이 있다. 기존 유선센서 기반 계측시스템의 대안으로서, 무선 통신과 MEMS 센서, 내장 데이터처리 기술(embedded processing)을 활용하는 스마트 센서 (smart sensor)가 개발되었다. Straser and Kiremidjian (1998)은 교량의 상태평가를 목적으로 데이터 계측 및 무선 통신이 가능한 스마트 센서를 처음 개발하였고, 이후 스마트 센서의 성능과 구조물 모니터링에 그 활용성을 향상시키기 위한 다양한 연구 개발이 진행되어 왔다.
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