[논문]드론을 이용한 암반사면의 안정성평가 측정장비 개발

이현철; 권기문; 문창은; 조영훈

doi:10.11112/jksmi.2018.22.4.091

드론을 이용한 암반사면의 안정성평가 측정장비 개발
Survey Equipment Development of Stability Evaluation for Rock Slope using Drone 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.4, 2018년, pp.91 - 99

이현철 ((주)구주엔지니어링 기업부설연구소) , 권기문 ((주)구주엔지니어링 기업부설연구소) , 문창은 ((주)구주엔지니어링 기업부설연구소) , 조영훈 ((주)구주엔지니어링 토목기술부)

초록
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암반사면을 안전하고 효과적으로 해석하기 위해서 암반의 역학적 특성을 면밀하게 조사해야 한다. 하지만 클리노미터를 사용한 절리조사의 한계점으로 인해 이를 보완한 새로운 측정법의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 절리방향의 특성을 분석하기 위해 절리의 방향성을 현장에 적용할 수 있는 절리조사 측정장비를 개발하였다. 개발된 측정장비는 해석 소프트웨어와 하드웨어로 구분된다. 하드웨어는 암반 절리 방향성을 측정하는 측정모듈, 측정자료를 전송하는 전송모듈로 구성되었다. 소프트웨어는 측정모듈을 통해 얻은 데이터로부터 절리의 방향성을 분석하기 위해 개발하였으며 Drone Joint Orientation Survey Measurement로 명명하였다. 개발된 측정장비는 접근이 어려운 지역 등 조사자가 측정할 수 없는 경우에 현장적용성이 양호하며 절리의 방향성에 대한 실내시험결과를 효과적으로 분석할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical Properties of Rock Slope as a safe and effective interpretation should be thoroughly investigated. Clinometer, however, this new measurement due to the restrictions of the research for the joint orientation is needed. In this study, characteristics of the joint orientation can be used to analyze the joint orientation of developing a joint survey system that can be applied to the field. The system is developed and Analysis software to hardware. Hardware is composed to measure the joint orientation of measuring module, measuring the transfer of data transfer module. From the software is measuring module from the data to analyze the orientation of the joint development, and drone joint orientation survey system named. Can not be measured by the investigation, including regional development approach is a system that has been difficult if the Field Application of the lab test results of the joint orientation and effectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SmartProjects 社에서 개발한 sketch를 이용 하여 자료 취득 및 분석을 실시하였다. 이 시스템은 크게 Arduino Uno, Sensor modules, Xbee module, Blynk로 구성되어 있다.
본 연구의 목적은 암반사면을 안전하고 효과적으로 해석하기 위해서 암반의 역학적 특성인 절리방향을 측정하는 장치를 개발하는 것이며 연구방법은 절리방향을 측정하는 측정모듈과 측정자료를 전송하는 전송모듈로 구성하여 드론을 이용한 비접촉방식으로 절리방향을 측정하여 기존의 측정방법인 클리노미터를 이용한 방법과 실내시험으로 비교 검증하였다.
이 연구에 적용된 절리조사 시스템을 현장에 활용하기 위해서, 실내모형에 대해서 적용성을 평가하였다. 실내모형 시험에 사용된 대상은 Fig.
이러한 제약 조건들을 해소하기 위하여 본 연구에서는 절리 방향 분석에 대한 기존 이론 및 드론 을 효과적으로 이용하여 현장절리방향 측정용 장치를 개발하고자 하였다. 절리방향 측정 장치는 하드웨어와 해석 소프트웨어로 구분된다.

제안 방법

40개의 절리결과를 비교･분석하기 위해 오차가 큰 절리를 이용해 오차의 원인을 분석하였다. 클리노미터와 Drone Measure System을 이용한 절리의 방향을 비교시 최대오차의발생요인은 절리면의 측정방법의 차이로 판단된다.
40개의 절리를 선정하여 절리 방향을 직접 비교하고 신뢰도를 분석하였다. Ewan and West(1981)는 클리노미터의 조사자에 따른 경사와 경사방향의 측정 오차를 각각 ±5°와 ±10° 라고 하였으며, 측정 장비는 ±1~2°의 기계 오차가 발생할 수 있다고 하였기 때문에 본 연구의 허용 오차범위를 경사는 ±7°, 경사방향은 ±12°로 설정하였다(Park et al.
본 연구에서 적용된 XBee모듈은 Zigbee 통신규약을 적용 하였으며 토폴로지는 일대일 통신을 적용하였다. XBee S2 모듈에 대해서 지그비 통신의 주소, 접속, 제어 등을 처리하기 위한 여러 가지 구성 설정을 제공해주는 설정프로그램인 XCTU를 이용하여 일대일 통신을 구축하였다. 이와 같은 지그비 통신을 통해서 9축 모션센서, 초음파센서로부터 얻은 데이터를 수신부 컴퓨터에 무선으로 송신할 수 있다.
각 절리면에 대해서 경사각을 50°부터 10°씩 증가시켜 80°까지 측정하였으며 경사방향에 대해서는 0°부터 10°씩 증가시켜 90°까지 측정하였다.
경사각이 40°인 경우에 경사방향은 0°부터 90°까지 측정하는 방법으로 경사각이 80°가 되는 경우까지 조사하였다.
PWM 신호는 아두이노를 이용하여 생성할 수 있다. 본 연구 에서 Drone Measure System의 각도를 조절하는데 활용된다. Table 5은 SG-90에 대한 기술적 사양을 나타내고 있다.
본 연구에서 기존 암반 절리 조사방법에 대한 한계점을 극복할 수 있는 개선된 조사법의 하나인 Drone Measure System를 이용하여 절리의 방향성을 자동으로 측정하였으며, 직접 측정한 절리 방향 데이터 40개와의 비교를 통하여 Drone Measure System를 활용한 절리 방향 측정의 신뢰성에 대한 실험을 수행하였다.
이러한 아두이노 IDE를 통해 작성된 프로그램이나 코드를 Sketch라 부른다(Simon M, 2011). 본 연구에서 스케치를 이용하여 아두이노우노와 센서를 통한 데이터를 수신부 컴퓨터에 출력하였다.
근거리 무선방식에 근거한 통신 네트워크 모듈인 XBee는 일대일 통신과 스타형 토폴로지, 메쉬형 토폴로지로 대별된다. 본 연구에서 적용된 XBee모듈은 Zigbee 통신규약을 적용 하였으며 토폴로지는 일대일 통신을 적용하였다. XBee S2 모듈에 대해서 지그비 통신의 주소, 접속, 제어 등을 처리하기 위한 여러 가지 구성 설정을 제공해주는 설정프로그램인 XCTU를 이용하여 일대일 통신을 구축하였다.
본 연구에서는 실내시험에서 얻은 데이터를 이용하여 절리 면의 방향을 산정하였고, 실제 클리노미터를 이용하여 얻은 절리 데이터와 비교, 분석하였다.
아두이노 우노는 Atmel 사의 16MHz 마이크로컨트롤러인 ATmega328을 사용하며 총 20개의 입출력 핀을 통해 다양한 주변 장치를 연결할 수 있으며 연결을 위해 핀 헤더를 제공하고 있다. 본 연구에서는 아두이노우노는 9축 모션센서, 초음 파거리센서로부터 입력받은 신호를 디지털신호로 변환하여 수신부 컴퓨터의 모니터상에 출력하는 역할을 한다. Table 1 은 Arduino Uno에 대한 기술적 사양을 나타내고 있다.
초음파센서는 온도에 대한 보상회로를 포함하고 있고 기압과 상대습도의 영향은 미미하므로 무시할 수 있다. 본 연구에서는 초음파 센서를 이용하여 대상 암반사면과 측정기기와의 직선거리를 측정하였다. Table 3은 Ultrasonic Sensor에 대한 기술적 사양을 나타내고 있다.
실내모형 시험에서는 클리노미터를 이용한 측정결과와 절리조사 시스템을 통한 결과를 비교 검토 하였다. Fig.
절리방향 측정 장치는 하드웨어와 해석 소프트웨어로 구분된다. 하드웨어는 암반 절리구조의 방향성을 측정하기 위하여 드론, 아두이노우노, 서보모터, 절리방향 측정모듈, 측정자료의 무선송신모 듈로 구성하였다. 해석 소프트웨어는 절리방향 측정모듈로 얻어진 자료를 화면상으로 출력하여 절리의 방향성을 분석하기 위해 개발하였으며 Drone Joint Survey로 명명하였다.
하드웨어는 암반 절리구조의 방향성을 측정하기 위하여 드론, 아두이노우노, 서보모터, 절리방향 측정모듈, 측정자료의 무선송신모 듈로 구성하였다. 해석 소프트웨어는 절리방향 측정모듈로 얻어진 자료를 화면상으로 출력하여 절리의 방향성을 분석하기 위해 개발하였으며 Drone Joint Survey로 명명하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 SmartProjects 社에서 개발한 sketch를 이용 하여 자료 취득 및 분석을 실시하였다. 이 시스템은 크게 Arduino Uno, Sensor modules, Xbee module, Blynk로 구성되어 있다. Fig.
초음파센서 모듈은 HC-SR04로서 측정거리가 4m까지이며 측정정확도는 2mm에 이른다. 초음파모듈은 송신부, 수신부, 조절회로로 구성된다. 모듈의 기본원리는 최소 10μs의시간신호로 입출력 트리거를 사용하며 자동적으로 약 40kHz 로 송신하고 펄스신호로 반송한다.

성능/효과

40개의 자료에서 이 연구에서 설정한 허용 오차범위를 초과하는 데이터는 없는 것으로 분석되었다.
Drone Measure System을 사용하여 절리방향 데이터를 얻을 때 초음파센서의 굴절의 영향, 지자기센서의 자기장의 영향 및 온도의 영향으로 인한 데이터 오차를 최소화하고, 다수의 지점에서 측정을 하거나 다른 시기에 걸쳐 측정을 하는 경우에 절리방향 데이터의 오차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
클리노미터로 측정한 경우가 Drone Measure System으로 측정한 경우보다 Pole Plot result 및 Contour Plot result에서 분포범위가 더 조밀한 것으로 나타났으며 측정데이터 분포범위의 차이는 클리노미터로 측정하는 경우보다 Drone Measure System으로 측정하는 경우 초음파센서, 지자기센서의 영향으로 인해서 발생된 것으로 추정된다. Rosette Diagram result에서는 절리의 빈도가 클리노미터로 측정한 경우보다 Drone Measure System으로 측정한 것이 크게 나타났으며 측정데이터 빈도의 차이는 클리노미터를 이용한 경우보다 Drone Measure System을 이용하는 경우에 데이터측정이 자동화로 인해서 발생된 것으로 추정된다.
경사의 오차 중 가장 큰 오차를 나타내는 절리는 24번 절리로 7.81°의 오차를 가지며, 경사 방향의 경우 1번 절리가 6.51°의 오차를 가지는 것으로 분석되었다.
데이터 분석 프로그램을 통해서 모형 사면의 절리를 측정한 결과 총 40개의 절리가 측정되었으며, 절리의 방향에 따라서 다양한 절리가 모형 사면에 발달되어 있음을 알 수 있었다. Fig.
7은 40개의 절리 데이터를 평사투영망에 투영시킨 결과 이다. 스테레오네트 상에서 확인한 결과 절리군이 분명하게 구분되는 것을 알 수 있었다. 클리노미터로 측정한 경우가 Drone Measure System으로 측정한 경우보다 Pole Plot result 및 Contour Plot result에서 분포범위가 더 조밀한 것으로 나타났으며 측정데이터 분포범위의 차이는 클리노미터로 측정하는 경우보다 Drone Measure System으로 측정하는 경우 초음파센서, 지자기센서의 영향으로 인해서 발생된 것으로 추정된다.
연구대상 모형을 클리노미터로 측정한 40개의 절리 방향 측정결과와 Drone Measure System를 통해 측정된 절리 방향 측정결과를 비교･분석한 결과 경사는 ±3°, 경사방향은 ±3° 내외의 편차가 발생하였고, 본 연구에서 정한 경사/경사방향의 허용오차범위인 ±7°, ±12°내에 있으므로 본 연구 결과는 신뢰할 수 있는 자료로 판단된다.
오차원인을 분석한 결과 절리의 측정방법의 차이로 인해 오차가 발생한 것으로 분석되었다. 특히, 클리노미터로 절리 방향을 측정하는 방법의 차이에 따라 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
Drone Measure System를 이용한 절리 측정법은 기존 절리조사법의 단점인 접근성의 제약을 해결할 수 있고, 조사자의 안전성을 확보하여 조사의 효율성을 향상시켰다. 이번 연구를 통해서 절리 방향 데이터에 대한 신뢰성을 높일 수 있었다.
오차원인을 분석한 결과 절리의 측정방법의 차이로 인해 오차가 발생한 것으로 분석되었다. 특히, 클리노미터로 절리 방향을 측정하는 방법의 차이에 따라 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 오차를 최소화하기 위해서 다수의 지점을 조사하여 절리 방향의 평균을 산출하거나, 면적이 큰 판을 이용하여 측정하는 방법을 적용하면 절리 방향의 오차를 줄일 수 있다.

후속연구

본 연구의 결과는 절리조사에 적용이 가능한 효율적인 하드웨어와 해석 소프트웨어를 개발하여 절리 측정 작업을 편리하게 하고, 절리구조에 대해서 신뢰도가 높은 자료를 제공 하며 향후 절리 암반의 안정해석에 필요한 입력 자료들을 제공하여 기초자료로서 활용하는 데 기여할 수 있다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암반 절리구조의 특성을 찾는 방법은?	이러한 암반 절리구조의 특성은 조사선 조사, 조사창 조사, 클리노미터에 의한 조사와 같이 절리 표면에 접촉하여 절리 조사를 수행한 후 통계분석을 통해 도출해왔다(Son et al., 2014).
	고정식 방법의 절리구조 분석의 문제점은?	하지만 현장 조사 과정은 수작업에 의해 진행되므로 측정 작업의 효율성이 떨어지는 단점이 있었다(Priest, 1993; Kim and Kim, 2008). 또한 사진측량기법 및 레이저 스캐너 방법 등을 이용한 원거리 조사기법들에 대한 이용은 증가하고 있으나, 일부 지역에서의 고정식 방법이 대부분을 차지하고 있어 대규모 암반에서의 절리구조 분석의 효율성 저하와 조사자의 주관적인 견해에서 기인하는 오류 및 낮은 조사 빈도로 인한 자료의 부족으로 절리의 안정성 평가 측면에서 문제가 대두되고 있다(Moffitt and Mikhail, 1980; Hagan, 1980; Ryu et al., 2000).
	절리방향 측정 장치의 하드웨어 구성은?	절리방향 측정 장치는 하드웨어와 해석 소프트웨어로 구분된다. 하드웨어는 암반 절리구조의 방향성을 측정하기 위하여 드론, 아두이노우노, 서보모터, 절리방향 측정모듈, 측정자료의 무선송신모 듈로 구성하였다. 해석 소프트웨어는 절리방향 측정모듈로 얻어진 자료를 화면상으로 출력하여 절리의 방향성을 분석하기 위해 개발하였으며 Drone Joint Survey로 명명하였다.

참고문헌 (11)

Ewan, V. J and West, G, (1981), Reproducibility of joint orientation measurements in rock, Transport and Road Research Laboratory supplementary report 702, 18P, International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, Vol. 19, Issue 4, August 1982, Page 94
Hagan, T. O. (1980), A case for Terrestrial photogrammetry in deep-mine rock structure studies, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 17, pp. 191-198.

상세보기
Kim, J. H. and Kim, J. D. (2008), Optimization of field Application conditions of the multistage convergent photographing technique for the measurement of joint orientation on rock slope, Tunnel and Underground Space, Vol. 19, No. 1, pp. 31-42.
Lee, S. H. (2016), Development of mobile software for field survey of geological structures, Seoul National University, pp. 29-34.
Moffitt, F. H. and E. M. Mikhail, 3rd Eds, (1980), Photogrammetry, Happer & Row Publisher, 648p.
Park, S. H., Lee, S. G., Lee, B. K. and Kim, C. H, (2015), A Study on Reliability of Joint Orientation Measurements in Rock Slop using 3D Laser Scanner, Tunnel and Underground Space, Vol. 25, No. 1, pp. 97-106.

원문보기 상세보기
Priest, S. D. (1993), Discontinuity analysis for rock engineering, Chapman & Hall, pp. 24-62.
Ryu, D. W., Lee, Y. L., Chang, Y. S., Lee, H. K. and Park, H. D. (2000), Rock joint survey system by image processing and stereophotogrammetry, Tunnel and Underground Space, Vol. 10, pp. 329-343.
Simon M. (2011), Programming Arduino Getting Started with Sketches, McGraw-Hill.
Son, Y. G., Kim, J. D., Jong, W. S., Kim, J. H. and Kim, K. S. (2014), Development of Joint Survey System using Photogrammetric, Tunnel and Underground Space, Vol. 24, No. 1, pp. 55-66.

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XBee(R)/XBee-PRO(R) ZB RF Modules Datasheet (PDF). Digi International Inc. (2010). pp. 10.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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