[논문]사장교 케이블의 장력 추정을 위한 영상변위 측정법의 효율적 적용에 대한 연구

이형진

doi:10.5762/kais.2016.17.9.709

초록
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본 논문에서는 사장교 케이블의 장력 추정을 위한 영상변위 측정법의 간편성과 효율성을 보이고 효과적인 적용에 필요한 요구조건에 대해 연구하였다. 간편성과 효율성을 보이기 위해 상용 캠코드를 이용한 최소한의 장비만으로도 필요한 영상변위 측정이 가능함을 증명하였다. 이 경우 최소 장비 구성과 고속촬영에 따른 해상도 저하에 의한 크기오차가 발생할 수 있으나 진동법에 필요한 고유진동수 추정의 정확도 확보는 충분히 가능함을 알 수 있었다. 또한 진동법을 이용한 장력 추정에서 정확한 고유진동수의 검출을 위해서는 적절한 주파수 범위의 확보가 가장 중요함을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로, 상용캠 사용 조건하에서 촬영프레임속도에 따른 장력 추정의 정확도 변동에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 모형사장교의 케이블에 대한 장력 추정 실험을 수행하였다. 모형실험을 통해 다양한 고유진동수를 가지는 케이블에 대해 촬영프레임 속도에 따라 검출 가능한 장력을 정리하였다. 그 결과 에일리어싱 효과와 가진력의 저주파수 왜곡효과를 고려하여 추정될 고유진동수가 적절한 주파수 범위(대략 이론적 범위의 10~75%) 내에 위치하도록 프레임 속도를 결정되어야 함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the convenience and efficiency of vision-based displacement measurement (VBDM) to estimate the cable tension of cable-stayed bridges and the requirements for its effective application were examined. To demonstrate its convenience and efficiency, it was confirmed that VBDM can be accom...

In this study, the convenience and efficiency of vision-based displacement measurement (VBDM) to estimate the cable tension of cable-stayed bridges and the requirements for its effective application were examined. To demonstrate its convenience and efficiency, it was confirmed that VBDM can be accomplished with a minimum amount of equipment using a commercial camcorder. In this case, it was found that the accuracy of estimation of the natural frequencies is sufficient, even though magnitude errors can occur when conducting high-speed recording at the low resolution afforded by the minimal equipment employed. It was also confirmed that the most important factor in detecting the precise natural frequencies is the use of the appropriate frequency range in the tension estimation using vibration. Based on these results, a study was carried out on the accuracy variation of the estimated tension according to the frame rate of a commercial camcorder. For this purpose, an experiment was performed to estimate the cable tension in a cable-stayed bridge model. Through this experiment, the detectable tensions of cables with various natural frequencies as a function of the frame rate were summarized. As a result, it was shown that the frame rate should be determined based on the natural frequency which is estimated to be located within the appropriate frequency range (approximately 10~75% of theoretical range) considering the aliasing and low-frequency distortion due to excitations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

통상 Nyquist 이론[14]에 따라 샘플링타임의 역수인 샘플링 주파수(f_s=1/Δt)의 반까지의 주파수 범위(0~f_s/2 Hz)가 고유진동수를 검출할 수있는 범위이다. 본 논문에서는 실험을 통해 촬영프레임속도에 대한 실제 유효 주파수 범위를 조사하였다.
본 논문에서는 후자 쪽에 초점을 맞추어 상용캠코드를 사용한 영상변위측정(Vision-based displacement measurement)법을 사장교 케이블의 장력 추정에 적용하여 편이성을 도모하고 이 과정에서 정확도의 저하를 줄이는 방안에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 사장교 인장 케이블의 장력을 추정하기 위하여 비접촉 방식인 캠코더를 이용하는 영상변위측정법의 효율적 적용 방안에 대해 연구하였다. 그 결과는 다음과 같다.
이러한 개념에 기초하여 본 논문에서는 일반 상용 캠코드를 사용하여 사장교 케이블의 장력 추정을 수행하는 체계를 구축하고 효율적인 장력 추정에 필요한 조건을 연구하였다.

제안 방법

각 실험마다 각각 30(해상도 1280x720), 60(해상도720x480) FPS(Frames Per Second)의 프레임 속도로 촬영되었고, 구형 캠코드 장비에 대한 적용성도 검토하기 위하여, 60 FPS로 추가 실험하여 동영상 리샘플링(Re-sampling)을 통해 20 FPS의 영상을 만들어 이에 대한 변위 변환도 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 문헌[12]의 이미지 처리 알고리즘을 사용하되 동영상 처리속도 문제를 해결하기 위해실시간 데이터 처리를 포기하고, 촬영 후 동영상을 변환하는 방법을 채택하여 사용하였다. 또한, 케이블 장력 추정의 경우에서는 주파수 값의 정확한 추정이 가장 중요하므로 해상도 저하에 따른 크기오차 발생 문제는 일정부분 무시하고 상용캠코드 사용에서도 주파수 추정의 정확도를 확보하는 문제에 집중하였다.
채택된 영상변위 측정법의 성능과 사용성 및 주된 사용조건의 영향을 살펴보기 위하여 사장교 케이블의 진동시험을 수행하였다. 모형교량은 Fig.

대상 데이터

동영상 촬영은 상용 캠코드 중에서 비교적 고속촬영이 가능한 제품(삼성 HMX-F90 캠코더, 최고 촬영 프레임 속도 60 FPS)을 사용하였다. 촬영된 동영상을 촬영완료 후 변위로 변환하는 비실시간 방식이므로 고속촬영에 따른 부가장치(프레임 그래버)는 장착하지 않았다.
5와 같이 한 개의 주탑과 양쪽으로 각각 3개씩의 케이블을 가진 모형을 제작하였다. 케이블은 직경 1mm의 강재 wire를 사용하였다.

데이터처리

장력 환산을 위해서는 3회의 충격하중에 의해 추정된 고유진동수의 평균값을 사용하였다. 이때, 가진 방식이나 초기변형의 정도에 따라 저주파 대역의 왜곡이 심할 수 있어, 충격하중의 영향이 남아있는 응답의 초기부분을 잘라내고, 나머지 부분만 사용하였다.

이론/모형

다음으로 주파수함수를 이용하여 고유진동수 추정이 수행되었다. 고유진동수 추정에는 다양한 신호처리의 정확도 향상 기법은 배제하고 간단히 Peak Picking 방법만 사용하였다[14].

성능/효과

1) 케이블의 장력 추정에서는 영상변위측정법이 가지는 작업의 편이성이나 장비의 간편성에 비해 단점인 해상도저하의 영향이 적어 장력 추정에 매우 적합한 방법이라 생각된다.
2) 케이블 장력 추정을 위한 영상변위측정법에서는 촬영프레임속도의 통제가 가장 큰 변수로 판단되었다. 예측되는 케이블의 고유진동수가 이론적 주파수 범위보다 충분히 좁은(10%~75% 정도) 영역 내에 위치하도록 촬영프레임속도를 설정하는 것이 필요하다고 판단되었다.
3) 사용된 60 FPS의 일반 상용캠코드 장비만으로도 충분히 현장작업이 가능하다 판단되며, 이보다 더정확한 변위의 측정이나 실시간 작업을 위해서는 고속캠이나 부가장비가 필요하리라 판단되었다.

후속연구

4) 사용거리, 광량, 촬영각도, Target의 크기 등의 요인에 의한 오차 문제나 보정방법 등에 대해서는 보다 세밀한 연구가 필요하리라 생각되었다.
진동법을 이용한 케이블 장력 추정에서는 고유진동수추정이 핵심이므로 영상변위측정법의 주된 문제 중의 하나인 측정변위의 크기오차에 따른 영향이 크지 않다. 따라서 영상변위측정법을 진동법을 이용한 케이블 장력 추정에 적용한다면 그 장점을 집중적으로 활용하는 효율적인 방안이 될 수 있다. 이것은 주파수 값의 정확도를 위한 적절한 시간 계측의 정확도를 확보할 수 있다면 어느 정도의 크기오차는 무시할 수 있다는 의미이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블 장력 추정 기법은 어떻게 구분되는가?	케이블 장력 추정 기법으로 사용되는 방법은 보통 직접법과 간접법으로 구분할 수 있다[3-7]. 직접법은 통상교량에 장착된 로드셀이나 광섬유 센서 등을 이용하여 케이블에 가해지는 장력을 직접적으로 확인하는 방법을 말한다[4].
	직접법의 단점은 무엇인가?	직접법은 통상교량에 장착된 로드셀이나 광섬유 센서 등을 이용하여 케이블에 가해지는 장력을 직접적으로 확인하는 방법을 말한다[4]. 통상 장력을 직접 측정하는 계측기들은 시공시 미리 설치해야 하므로 초기 비용이 들고 유지관리의문제가 있을 수 있다. 간접법에 해당되는 방법으로는 교량의 케이블에서 진동을 계측하여 역으로 장력을 추정하는 진동법이 있다[4-7].
	직접법이란 무엇인가?	케이블 장력 추정 기법으로 사용되는 방법은 보통 직접법과 간접법으로 구분할 수 있다[3-7]. 직접법은 통상교량에 장착된 로드셀이나 광섬유 센서 등을 이용하여 케이블에 가해지는 장력을 직접적으로 확인하는 방법을 말한다[4]. 통상 장력을 직접 측정하는 계측기들은 시공시 미리 설치해야 하므로 초기 비용이 들고 유지관리의문제가 있을 수 있다.

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