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문제 정의
- 본 연구에서는 원거리에 위치한 케이블의 장력을 측정하는 경우에 적합한 방법으로 휴대용 디지털 캠코더를 기반으로 하는 영상처리기법을 이용한 비접촉식 케이블 응답 계측방법을 제안하였다. 리프트오프 테스트, EM 센서 및 진동법을 이용하여 계측된 장력 결과를 비교하였으며 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 01465 Hz로 하였다. 그리고 케이블의 형상을 이용하여 응답을 측정하기 위하여 케이블에는 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 helical fillet을 target 윈도우로 설정하였다. 실험을 수행하기에 앞서 케이블의 직경에 대응하는 픽셀의 값을 계측하였다.
- 남해대교의 행어케이블은 주탑을 기준으로 경간 중앙으로 갈수록 길이가 점점 짧아지는 형태를 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 10과 같이 긴 케이블뿐만아니라 중간 케이블을 선정하여 케이블의 장력을 측정하였다. 장력 측정 대상케이블은 6개소의 행어케이블을 선정하였으며 각각의 개소에는한 개의 행어케이블 밴드에 Fig.
- 본 연구에서는 원거리에 위치한 케이블의 장력을 측정하는 경우에 적합한 방법으로 휴대용 디지털 캠코더를 기반으로 하는 영상처리기법을 이용한 비접촉식 케이블 응답 계측방법을 제안하였다. 리프트오프 테스트, EM 센서 및 진동법을 이용하여 계측된 장력 결과를 비교하였으며 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 진동법을 이용하여 케이블의 장력을 측정하기 위하여 영상계측시스템을 적용하였으며, 사용의 편의성과 경제성을 고려하여 원거리 위치한 케이블의 응답을 측정하기위한 센서로 휴대용 디지털 캠코더를 이용하여 영상을 획득하였다. 영상처리기법을 이용하는 방법은 이미지 상관기법을 사용하였으며 변형이 없는 이미지와 변형이 있는 이미지 사이의 기하학적인 움직임 및 오차를 보정하는 2차 형상함수를 이용하여 단위 픽셀 이하를 계산하였다.
- 12와 같이 센서를 설치하여 상시진동상태에서 실험을 수행하였다. 센서는 행어케이블에 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 형상에 기준점을 포함한 target 윈도우를 설정하여 응답을 추출하였다. 가속도 센서는 A 케이블에는 설치하였으며 B 케이블에는 접근이 어려워 설치하지 못하였다.
- 실험은 Fig. 5에서 김해 쪽 측경간의 두 번째(BLC 02)와 네번째(BLC 04) 케이블에 대해서 리프트오프 테스트, EM 센서및 진동법(영상계측시스템)을 적용하여 장력을 추출하여 비교하였으며, Table 1은 BLC 02 및 04 케이블의 제원을 나타내었다. 실험을 수행할 때 화명대교는 상시진동상태에서 바람에 의한 케이블의 진동이 작아 케이블을 로프로 일정시간 가진한 후에 영상을 획득하여 응답을 측정하였다.
- 실험은 일반 휴대용 디지털 캠코더(SAMSUNG VM-HMX10A)를 이용하여 1280×720의 영상을 초당 60프레임으로 주파수 해상도는 Δf 는 0.003663 Hz로 계측하였다.
- 5에서 김해 쪽 측경간의 두 번째(BLC 02)와 네번째(BLC 04) 케이블에 대해서 리프트오프 테스트, EM 센서및 진동법(영상계측시스템)을 적용하여 장력을 추출하여 비교하였으며, Table 1은 BLC 02 및 04 케이블의 제원을 나타내었다. 실험을 수행할 때 화명대교는 상시진동상태에서 바람에 의한 케이블의 진동이 작아 케이블을 로프로 일정시간 가진한 후에 영상을 획득하여 응답을 측정하였다. Fig.
- 다섯 번째 단계에서는 변위 및 변형에 의해 생기는 기하하적인 왜곡을 보정하기 위하여 2차 형상 함수를 이용하여 픽셀의 위치를 재정렬하여 보정하며, 케이블 응답의 단위픽셀이하를 계산하게 된다. 여섯 번째 단계에서 최적으로 매칭되는 지점의 픽셀과 계산된 단위픽셀이하의 정보를 이용하여 픽셀기반의 응답을 해석하게 된다. 여섯 번째의 단계 후 계산된 지점을 기준으로 세 번째 단계에서 설정된 정사각형의 윈도우 사이즈를 이용하여 시간에 따라 케이블 응답을 반복적으로 계산하게 된다.
- 영상계측시스템은 휴대성과 설치의 간편성에 최대한 초점을 맞추어 계측을 위한 센서로 휴대용 디지털 캠코더와 삼각대를 선택하였다. 또한 휴대용 디지털 캠코더가 가지고 있는 본래의 광학 줌, 촬영, 저장 기능을 활용함으로써 다른 부가장치 없이 경제적으로 구성되었다.
- 영상계측시스템을 이용하여 남해대교 행어케이블의 장력추정 알고리즘을 검증하기 위하여 Fig. 12와 같이 센서를 설치하여 상시진동상태에서 실험을 수행하였다. 센서는 행어케이블에 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 형상에 기준점을 포함한 target 윈도우를 설정하여 응답을 추출하였다.
- 영상해석을 위해 ROI 윈도우는 90×90 pixel이며 기준점을 포함한 target 윈도우는 60×60 pixel로 설정하여 영상 해석을 수행하였다.
- ux, uy, vx, vy는 참조 윈도우의 1차 변위 그레디언트를 uxx, uxy, uyy, vxx, vxy, vyy는 2차 변위 그레디언트를 나타낸다. 일반적으로 이미지 상관법을 이용한 형상함수는 0~2차가 사용되며, 본 연구에서는 외력에 의한 물체의 굽힘 및 비선형적인 거동의 영향을 고려하여 2차 형상함수를 사용하였다.
- 일반적으로 현장에서 계측된 1차 모드의 고유 진동수는 케이블의 유효 길이 때문에 높게 측정되므로 본 연구에서는 1차 모드를 제외한 모드별 고유진동수를 이용하여 케이블의 장력을 추정하였다.
대상 데이터
- 9와 같이 경상남도 남해군 설천면과 경상남도 하동군 금남면을 연결한 공용중인 남해대교에서 실험을 수행하였다. 남해대교는 총경간 660 m(중앙경간 404 m, 측경간 각 128 m)이며 두 개의 H-shape 주탑, 동서측 각 49개의 행어와 평행주케이블로 이루어졌다.
- 화명대교는 총연장 500 m이며 주경간이 270 m인 프리스트레스 콘크리트 박스 거더교이다. 두 개의 일면 주탑에 케이블은 총72개로 MS방식이 적용되었다.
- 본 연구에서는 영상처리기법을 이용한 현수교 행어케이블의 동특성 추정을 검증하기 위하여 Fig. 9와 같이 경상남도 남해군 설천면과 경상남도 하동군 금남면을 연결한 공용중인 남해대교에서 실험을 수행하였다. 남해대교는 총경간 660 m(중앙경간 404 m, 측경간 각 128 m)이며 두 개의 H-shape 주탑, 동서측 각 49개의 행어와 평행주케이블로 이루어졌다.
- 실험은 일반 휴대용 디지털 캠코더(SAMSUNG VM-HMX 10A)를 이용하여 1280×720의 영상을 초당 60프레임으로 촬영하였으며 주파수 해상도는 Δf 는0.01465 Hz로 하였다.
- 영상처리기법을 이용한 사장재 케이블의 동특성 측정 방법의 효율성을 확인하기 위하여 부산 화명동과 김해시를 연결하기 위하여 낙동강 하류에 Fig. 4의 화명대교에서 시공중에 실험을 수행하였다. 화명대교는 총연장 500 m이며 주경간이 270 m인 프리스트레스 콘크리트 박스 거더교이다.
- 10과 같이 긴 케이블뿐만아니라 중간 케이블을 선정하여 케이블의 장력을 측정하였다. 장력 측정 대상케이블은 6개소의 행어케이블을 선정하였으며 각각의 개소에는한 개의 행어케이블 밴드에 Fig. 11과 같이 2개 그룹의 행어케이블이 설치어 있으며 선정된 개소의 행어케이블 제원은Table 3에 나타나 있다.
- 4의 화명대교에서 시공중에 실험을 수행하였다. 화명대교는 총연장 500 m이며 주경간이 270 m인 프리스트레스 콘크리트 박스 거더교이다. 두 개의 일면 주탑에 케이블은 총72개로 MS방식이 적용되었다.
데이터처리
- 영상처리기법을 이용하는 방법은 이미지 상관기법을 사용하였으며 변형이 없는 이미지와 변형이 있는 이미지 사이의 기하학적인 움직임 및 오차를 보정하는 2차 형상함수를 이용하여 단위 픽셀 이하를 계산하였다. 영상처리기법을 이용하여 케이블의 응답을 측정할 수 있는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 리프트오프 테스트, EM 센서 및 진동법(Accelerometer, Vision-based System)을 적용하고 그 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 여섯 번째의 단계 후 계산된 지점을 기준으로 세 번째 단계에서 설정된 정사각형의 윈도우 사이즈를 이용하여 시간에 따라 케이블 응답을 반복적으로 계산하게 된다. 계측된 응답을 이용하여 케이블의 고유진동수와 형상조건을 진동법에 적용하여 장력을 측정하게 된다.
- 또한 그림 8에서 정사각형으로 표시된 지역이 130x130 pixel 사이즈의 ROI 윈도우를 나타내었으며 기준점을 포함한 target 윈도우는 50x50 pixel로 설정하였다. 남해대교는 광안대교와 달리 영상의 배경에 고정된 물체가 없어 영상계측시스템의 흔들림(Kim and Kim, 2013)을 보정하지 못하였으며 카메라의 흔들림성분은 대역통과필터(Band Pass Filter)를 이용하여 제거하였다.
- 본 연구에서는 두 이미지 간의 상관관계 비교를 위한 방법으로 식 (1)의 ZNSSD(Zero Normalized Sum of Squared Differences)방법을 이용하였으며 최소값을 갖는 좌표가 외력에 의한 물체의 변위를 나타낸다.
- 본 연구에서는 진동법을 이용하여 케이블의 장력을 측정하기 위하여 영상계측시스템을 적용하였으며, 사용의 편의성과 경제성을 고려하여 원거리 위치한 케이블의 응답을 측정하기위한 센서로 휴대용 디지털 캠코더를 이용하여 영상을 획득하였다. 영상처리기법을 이용하는 방법은 이미지 상관기법을 사용하였으며 변형이 없는 이미지와 변형이 있는 이미지 사이의 기하학적인 움직임 및 오차를 보정하는 2차 형상함수를 이용하여 단위 픽셀 이하를 계산하였다. 영상처리기법을 이용하여 케이블의 응답을 측정할 수 있는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 리프트오프 테스트, EM 센서 및 진동법(Accelerometer, Vision-based System)을 적용하고 그 결과를 비교 분석하였다.
- 케이블의 응답을 측정하기 위하여 영상계측시스템, 레이저 변위계 등 다양한 센서를 이용한 측정도 가능하다. 케이블 장력을 추정하는 여러 기법 중에서 가장 많이 적용되고 있는 현이론에 근거한 고유진동수와 평균 장력과의 선형휘귀적 방법으로 산정한 식 (5)를 이용한 방법을 사용하였다. 여기서 식 (5)는 새그의 영향은 무시하고, 휨강성만 고려되었다.
성능/효과
- 1) 화명대교에서 측정된 장력은 진동법의 경우 원래 케이블 길이를 이용할 시 리프트오프 테스트와 5% 미만의 차이를 보였으나, 경제성과 효율성을 감안하면 활용도가 높은 것으로 판단된다.
- 2) 시공중 케이블 장력 측정을 위해 진동법을 적용할 경우 케이블의 유효길이에 대하여 현장보정을 수행한다면 장력의 정확도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 리프트오프 테스트, EM 센서, 진동법을 이용하여 측정된 장력은 유사한 값을 확인할 수 있었으며 이를 통하여 진동법이 시공 중 사장교의 장력 관리에 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 4) 남해대교에서 영상계측시스템을 이용하여 추출된 각 모드별 고유진동수는 가속도 센서를 이용해 얻어진 각 모드별 고유진동수와 장력이 1% 이내의 오차를 가짐으로써영상처리 데이터의 타당함을 확인할 수 있었다.
- 5) 영상계측시스템을 이용하여 장대교량 케이블의 장력을 측정할 경우 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 형상으로도 장력 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 그리고 각 행어케이블에 대한 각 모드별 고유진동수와 진동법에 의해 추출된 장력을 Table4에 나타내었다. 가속도 센서와 영상처리기법을 이용하여 추출된 고유진동수와 장력이 1% 이내의 정확도를 확인할 수 있었으며, 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 형상으로도 케이블의 고유진동수 추출이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 행어케이블의 A와 B는 같은 고유진동수를 확인할 수 있었으며 장력도 일치함을 확인할 수 있었다.
- 실험을 수행하기에 앞서 케이블의 직경에 대응하는 픽셀의 값을 계측하였다. 그 결과 A에 대한 케이블의 직경은 48 mm이고 이에 상응하는 픽셀은 138개이므로 한 픽셀의 해상도는 0.348 mm이다. 유사하게 B에 대한 케이블의 직경은 48 mm이고 이에 상응하는 픽셀은116개 이므로 한 픽셀의 해상도는 0.
- 실험을 수행하기에 앞서 케이블의 직경에 대응하는 픽셀의 값을 계측하였다. 그 결과 BLC 02 및 04에 대한 케이블의 직경은200 mm이고 이에 상응하는 픽셀은 176개 이므로 한 픽셀의 해상도는 1.136 mm이다. Fig.
- 가속도 센서와 영상처리기법을 이용하여 추출된 고유진동수와 장력이 1% 이내의 정확도를 확인할 수 있었으며, 임의의 target을 설치하지 않고 케이블의 형상으로도 케이블의 고유진동수 추출이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 행어케이블의 A와 B는 같은 고유진동수를 확인할 수 있었으며 장력도 일치함을 확인할 수 있었다.
- Table 2에서 리프트오프 테스트, EM 센서, 진동법에 대하여 모든 케이블의 장력은 유사한 값으로 측정되었으나, 진동법에 의해 추정된 장력에 대한 오차가 약간 크게 나타났음을 확인할 수 있다. 이는 진동법을 적용하여 장력을 추정할 때 케이블의 유효길이를 사용하여야 하나 케이블의 실제 길이로 장력을 추출하여 오차가 나타났으며, 케이블의 유효길이에 대하여 현장보정을 수행할 경우 정확도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 진동법을 적용하여 추출된 장력은 현장 보정 없이 주어진 정보와 계측된 고유진동수만을 이용하여 측정하여도 5%이내의 오차를 확인할 수 있었으며 경제성과 효율성을 감안하면 활용도가 높은 것으로 판단된다.
- 이는 진동법을 적용하여 장력을 추정할 때 케이블의 유효길이를 사용하여야 하나 케이블의 실제 길이로 장력을 추출하여 오차가 나타났으며, 케이블의 유효길이에 대하여 현장보정을 수행할 경우 정확도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 진동법을 적용하여 추출된 장력은 현장 보정 없이 주어진 정보와 계측된 고유진동수만을 이용하여 측정하여도 5%이내의 오차를 확인할 수 있었으며 경제성과 효율성을 감안하면 활용도가 높은 것으로 판단된다.
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