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영상처리기법을 이용한 구조물 동특성 분석 시스템 프로토타입 개발
Development of Structure Dynamic Characteristics Analysis System Prototype using Image Processing Technique 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.16 no.3, 2016년, pp.11 - 21  

조병완 (한양대학교 건설환경공학과) ,  이윤성 (한양대학교 건설환경공학과) ,  김정훈 (한양대학교 건설환경공학과) ,  김도근 (한양대학교 건설환경공학과) ,  윤광원 (서울시 안전총괄본부 안전총괄과)

초록
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최근 건축물과 교량 등 사회기반시설물들의 노후화로 인해 변위센서, 가속도센서 등 첨단 기술을 이용한 구조물 안전관리 기법이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 일반적으로 구조물의 안전관리를 위한 구조 건전성 모니터링 기술은 IT와 계측센서 기반으로 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 많은 비용이 소요된다. 본 논문에서는 기존 계측센서 기반의 구조 건전성 모니터링 시스템에 비해 보다 경제적이고 효과적인 방법으로 구조물의 변위와 고유진동수를 추정하여 손상도를 평가하는 영상 기반의 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 논문에서 개발한 시스템은 디지털 카메라와 같은 영상장치를 이용하여 구조물의 영상을 촬영하고, 영상처리를 위해 주로 사용되고 있는 정규상호상관기법인 NCC연산을 통해 변위와 고유 진동수를 분석하고, 구조물의 손상전후의 주파수응답비를 비교분석하여 손상도를 판별하여 문제가 발생 시 관리자에게 경보하는 기능을 지원한다. 본 시스템은 기존의 구조물에 부착하거나 고정해서 사용하는 계측 센서에 비해 설치 및 이동이 간편하고, 시스템이 단순하여 경제적이며 활용성이 높은 장점이 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, structure safety management techniques using cutting-edge technology(Displacement senor, sensor of acceleration) has emerged as an important issue owing to the aging of infrastructure such as bridge and building. In general, the structural monitoring system for structure safety management ...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서는 기존 계측센서에 비해 보다 경제적이고 효과적인 방법으로 영상처리기법을 이용한 구조물동특성 분석 시스템을 개발하였다.
  • 본 논문에서는 센서 기반 시스템보다 경제적이며 간편하게 동특성을 추정할 수 있으며, 기존 영상처리기법을 이용한 구조물 정적, 동적 계측 시스템의 단점을 개선한 영상기반 구조물 동특성 분석 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 실외 환경에서 제약을 받지 않고 폭넓게 활용할 수 있는 비마커 방식을 사용하였으며, 구조물 안정성평가 알고리즘을 적용하여 취득한 영상자료에서 추출한 동특성을 기반으로 시스템에서 자동으로 손상도를 파악하여 이상 징후 발생 시 현장실무자와 관리자에게 경보 하여 신속하게 대처할 수 있도록 하였다.
  • 나이키스트와 샤논의 표본화 정리이론에 의하면 계측된 신호를 정확하게 처리하기 위해서는 측정된 최대주파수의 2배 이상의 초당 프레임 수가 필요하다[10]. 본 논문에서는 영상처리기법을 이용하기 위한 영상장치의 최소 요구 성능을 확인하기 위해 사회기반시설물 중 구조건전성 모니터링이 중요한 교량과 건축물을 대상으로 고유진동수를 조사하였다.
  • 본 논문에서는 우선적으로 구조물 동특성분석을 위해 필요한 영상장치의 요구 성능을 확인하기 위해 구조 모니터링이 중요한 국내 공용교량과 고층건축물의 진동대역을 조사하여 최소 30의 초당 프레임수가 요구됨을 확인하였다.
  • 본 시스템은 영상장치로부터 관리하고자 하는 구조물의 영상을 촬영하고, 영상처리기법을 이용하여 동특성을 추출하고, 추출한 동특성을 이용하여 구조물 안전성평가를 실시하여 구조물에 중대한 결함이나 이상 징후가 발생하였을 경우 관리자에게 경보하고 신속하게 대처하여 대형 사고를 미연에 방지하는 데 그 목적이 있다. 본 시스템은 [그림 4]와 같이 영상장치, 메인서버 및 동특성 분석 프로그램으로 구성되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
영상처리기법은 무엇인가? 이에 반해 영상처리기법은 휴대성이 좋은 디지털카메라와 같은 영상장비로 촬영한 영상을 사용하여 구조물의 변위 및 고유진동수를 계측하는 방식으로, 추가적인 부속장비나 케이블 배선이 필요하지 않아 다중 위치의 측정을 비교적 짧은 시간에 수행할 수 있다. 따라서 부가적인 장비 설치 및 복잡한 현장실험을 동반해야하는 기존 센서에 의한 방식보다 인력과 시간을 줄일수 있어 구조물의 동특성 분석을 위한 측점 당 소요비용을 줄일 수 있다.
레이저의 도플러 효과 방식의 단점은 무엇인가? 현재 국내외에서 구조물의 동특성을 계측하기 위해서 변위센서 및 가속도센서와 같은 접촉식센서를 주로사용하고 있으며 보다 정밀한 계측을 위해서는 레이저의 도플러 효과 및 GPS방식을 주로 사용하고 있다.[2] 그러나 레이저의 도플러 효과 방식은 정확도가 높으나 매우 고가의 장비로 많은 구조물에 적용하기에는 현실적 제약이 따르며, GPS방식은 수직 처짐에 대한 계측정밀도가 낮은 단점이 있다. [2][3] 또한 변위센서나 접촉식 가속도센서는 구조물과 일체화시키기 위해 접근성의 용이함이 필요하며 정확히 고정하기 어려워 이로 인한 계측 값의 오차발생 여부, 케이블 등의 부가적인장비의 추가 설치 및 측정지점마다 매번 이동하여 반복적인 설치 작업이 필요해 번거로운 단점이 있다.
적용범위에 제약이 따르는 것 이외에, 마커를 부착하여 마커의 움직임을 추적하는 방식의 한계점은 무엇인가? 또한 객체 인식방법으로는 마커를 부착하여 마커의 움직임을 추적하는 방식을 적용하고 있으며, 이러한 방식은 표적의 탐지를 쉽게 할 수 있는 장점이 있지만 측정하고자 하는 모든 부위에 마커를 부착해야하는 문제로 인해 적용범위에 제약이 따른다. 더불어 장애물로 인해 마커의 일부분이 가려지면 표적 탐지가 어렵고, 바람이나 비 등에 의해 마커에 손상이 발생하면 재사용이 불가능해 실내 환경에서 주로 사용된다[9]. 비마커 방식은 이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 기술로 주로 물체의 점, 선, 에지 등과 같은 특징정보들
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참고문헌 (32)

  1. J. H. Lee, S. J. Cho, and S. H. Sim, "Vision-Based Displacement Measurement System Operable at Arbitrary Positions," Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.18, No.6, pp.123-130, 2014. 

  2. J. H. Lee, J. H. Kim, W. M. Jeong, and J. W. Chae, "Vision-Based Dynamic Motion Measurement of a Floating Structure Using Multiple Targets under Wave Loadings," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.32, No.14, pp.19-30, 2012. 

  3. S. W. Kim and N. S. Kim, "Multi-point Dynamic Displacement Measurements of Structures Using Digital Image Correlation Technique," Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.13, No.3, pp.11-19, 2009. 

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  7. S. J. Cho, S. H. Sim and E. S. Kim, "On-Site Performance Evaluation of a Vision-based Displacement Measurement System," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.15, No.9, pp.5854-5860, 2014. 

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  9. T. W. Choi, H. C. Lee, G. T. Hur, and E. S. Kim, "Robust Threshold Determination on Various Lighting for Marker-based Indoor Navigation," Journal of the Korea Contents Association, Vol.12, No.1, pp.1-8, 2012. 

  10. C. E. Shannon, "A Mathematical Theory of Communication," Reprinted with corrections from The Bell System Technical Journal, Vol.27, pp.379-423, pp.623-656, 1948. 

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  12. S. S. Ahn and I. K. Lee, "Consideration of Dynamic Serviceability Assessment of Bridges," Magazine of Korean Society of Steel Construction, Vol.15, No.4, pp.84-89, 2003. 

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  14. S. W. Yoon and Y. Park, "Comparison of Natural Frequency of Domestic and Foreign Long-Spaned Structure," Journal of the Korean Association for Spatial Structures, Vol.9, No.1, pp.79-85, 2009. 

  15. J. H. Jeong, H. J. Kim, and S. Y. Choi, "Comparsion of Design Code Damping Formulae and Measured Damping Ratios of Tall Buildings under Wind Loads," Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol.29, No.4, pp.11-18, 2013. 

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  17. C. E. Willer and M. Gharib, "Digital Particle Image Velocimetry," Journal of Experiments in Fluids, Vol.10, No.4, pp.181-193, 1991. 

  18. G. X. Ritter and J. N. Wilson, "Handbook of Computer Vision Algorithms in Image Algebra," CRC Press, 2000. 

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  20. A. M. Fincham and G. R. Spedding, "Low cost, High Resolution DPIV for Measurement of Turbulent Fluid Flow," Journal of Experiments in Fluids, Vol.23, Issue 6, pp.449-462, 1997. 

  21. K. K. Yu, D. S. Kim, and B. M. Yoon, "Development of Fast and Exact FFT Algorithm for Cross-Correlation PIV," Journal of the Korea Water Resources Association, Vol.38, No.10, pp.851-859, 2005. 

  22. J. T. Kim, J. H. Park, D. S. Hong, and W. B. Na, "Hybrid Damage Monitoring Scheme of PSC Girder Bridges using Acceleration and Impedance Signature," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.28, No.1A, pp.135-146, 2008. 

  23. J. S. Bendat and A. G. Piersol, "Engineering applications of correlation and spectral analysis," Wiley, USA, 1993. 

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  26. D. S. Hnng and J. T. Kim, "Sturctural Health Monitoring of Full-Scale Concrete Girder Bridge using Acceleration Response," Magazine of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.14, No.1, pp.165-174, 2010. 

  27. H. Sohn and Charles R. Farrar, "Statistical Process Control and Projection Techniques for Structural Health Monitoring," Proceedings of the European COST F3 Conference on System Identification and Structural Health Monitoring, Madrid, Spain. 2000. 

  28. M. L. Fugate, H. Sohn, and C. R. Farrar, "Vibration-based damage detection using statistical process control," Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.15, No.4, pp.707-721, 2001. 

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  30. J. H. Park, J. T. Kim, and S. Y. Le, "Performance Evaluation of Imote2-Platformed Wireless Smart Sensor Node for Health Monitoring of Harbor Structures," Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol.23, No.1, pp.26-33, 2011. 

  31. J. B. Lee, A Study on the Improvement for the INSERT NUT Insertion of Cellular Phone Cases Injection using 6 Sigma Method, Master's Degree Thesis, Inha University, 2010. 

  32. M. G. Hwang, D. M. Kim, and D. W. Har, "Extraction of Subject Size in Still Image Using Floor Pattern," Journal of the Korea Contents Association, Vol.11, No.4, pp.11-17, 2014. 

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