국내 고도성장기 이후 본격 건설되기 시작한 사회 기반 시설물은 노후화가 빠르게 진행되고 있다. 특히 사고 발생 시 대량 인명 피해로 직결될 수 있는 교량, 터널 등의 대형 구조물에 대한 안전성 평가가 필요하다. 하지만 기존의 유선 센서 기반의 Structural Health Monitoring(SHM)을 개선한 무선 스마트 센서 네트워크는 짧은 신호 도달거리로 인해 경제적이고 효율적인 시스템 구축이 힘들다. 따라서 LoRa LPWAN 시스템은 사물인터넷의 확산과 더불어 저전력 장거리 통신이 각광을 받고 있으며, 이를 구조 건전성 모니터링에 응용함으로써 경제적이면서도 효율적인 모니터링 시스템 구축이 가능하다. 본 연구에서는 LoRa LPWAN 기반의 무선 계측센서 기술동향을 조사하였으며, LoRa LPWAN 기반의 무선 계측센서 설치 및 유지관리 방안을 제안한다.
국내 고도성장기 이후 본격 건설되기 시작한 사회 기반 시설물은 노후화가 빠르게 진행되고 있다. 특히 사고 발생 시 대량 인명 피해로 직결될 수 있는 교량, 터널 등의 대형 구조물에 대한 안전성 평가가 필요하다. 하지만 기존의 유선 센서 기반의 Structural Health Monitoring(SHM)을 개선한 무선 스마트 센서 네트워크는 짧은 신호 도달거리로 인해 경제적이고 효율적인 시스템 구축이 힘들다. 따라서 LoRa LPWAN 시스템은 사물인터넷의 확산과 더불어 저전력 장거리 통신이 각광을 받고 있으며, 이를 구조 건전성 모니터링에 응용함으로써 경제적이면서도 효율적인 모니터링 시스템 구축이 가능하다. 본 연구에서는 LoRa LPWAN 기반의 무선 계측센서 기술동향을 조사하였으며, LoRa LPWAN 기반의 무선 계측센서 설치 및 유지관리 방안을 제안한다.
Social infrastructure facilities that have been under construction since the country's high-growth period are undergoing rapid aging, and, thus, safety assessments of large structures such as bridge tunnels, which can be directly linked to large-scale casualties in the event of an accident, are nece...
Social infrastructure facilities that have been under construction since the country's high-growth period are undergoing rapid aging, and, thus, safety assessments of large structures such as bridge tunnels, which can be directly linked to large-scale casualties in the event of an accident, are necessary. It is difficult to construct economical and efficient wireless smart sensor networks that improve structural health monitoring (SHM) because the existing wire sensors have a short signal reach. However, low-power wide-area networks (LPWANs) are becoming popular within the Internet of Things, and enable economical and efficient SHM. In this study, the technology trends of a wireless measuring sensor based on LoRa LPWANs were investigated, and an installation and maintenance plan for this type of sensor is proposed.
Social infrastructure facilities that have been under construction since the country's high-growth period are undergoing rapid aging, and, thus, safety assessments of large structures such as bridge tunnels, which can be directly linked to large-scale casualties in the event of an accident, are necessary. It is difficult to construct economical and efficient wireless smart sensor networks that improve structural health monitoring (SHM) because the existing wire sensors have a short signal reach. However, low-power wide-area networks (LPWANs) are becoming popular within the Internet of Things, and enable economical and efficient SHM. In this study, the technology trends of a wireless measuring sensor based on LoRa LPWANs were investigated, and an installation and maintenance plan for this type of sensor is proposed.
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문제 정의
시스템 유지관리 업무의 간소함으로 인해 무선 계측시스템이 유선 시스템을 대체하는 기술로 인식되고 있으나 Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth 기반의 무선 계측시스템은 통신 도달거리가 수십 미터에 불과하며 LTE 기반의 무선 계측시스템은 과도한 통신비로 인하여 토목 구조물에 장기계측 데이터를 수집하기 위한 시스템 구축에 부적절하다. 따라서 무선 계측시스템의 실용화 방안을 도출하기 위하여 LoRa LPWAN 기반의 무선 계측 센서 네트워크의 기술동향 및 진동가속도 계측 사례를 살펴보고 설치 및 유지관리 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 LoRa LPWAN 기반 무선 계측시스템의 국내· 외 활용 사례 및 연구동향을 검토하였으며, 무선 계측시스템의 설치 및 유지관리 방안에 대하여 검토한 결과 아래와 같이 도출되었다.
제안 방법
3) 본 연구에서는 LoRa LPWAN기반 무선 계측시스템의 노드, 게이트웨이, 모니터링 S/W 등 설치 방안을 제안하 였으며, 계측시스템의 내구성 증대방안, 관리기준치 설정방안 등 유지관리 방안을 제안하였다. 향후 시설물의 유지관리를 위한 무선 계측센서 관련기준 설정 및 설계시의 기초자료 등에 사용되길 기대한다.
노드는 구조물에 설치가 용이해야 하며 별도의 전원 공급 장치가 없이 Energy Harvesting 시스템으로 구동되도록 하는 것이 바람직하나, 전원공급이 용이한 경우에는 상시전원에 의한 구동방안도 검토하도록 한다. Energy Harvesting 시스템으로 구동시킬 경우에는 전력소모량이 많지 않는 무선통신 프로토콜을 사용하도록 하고, 계측 및 통신 1회당 소요되는 전력 소모량 등을 사전에 검토하여 데이터의 끊어짐이 발생 하지 않도록 한다. 노드는 현장상황에 따라 유지관리, 시공성 등을 감안하여 센서 일체형, 분리형으로 제작할지 미리 검토 하여 제작하며, 현장에 설치되는 각종 센서와 통신설비는 습도 등 주변 환경의 영향에 의해 오작동이 발생하지 않도록 전용 방수케이스를 제작하여 앵커 등에 의해 견고히 설치하고, 게이트웨이와 통신이 용이하도록 가능한 시야가 트인 곳에 설치하는 것을 권장한다.
박스형 교량의 경우, 박스 내부에 시스템을 설치하는 경우 유지관리는 용이할 수 있으나 통신 문제가 발생할 수 있으므로, 충분한 검토를 하고 필요시 분리형 안테나 등을 설치하는 방안에 대해서도 검토하도록 한다.
방수, 방습 등을 위해 별도의 밀폐형 케이스를 제작하여 사용하도록 한다. 시스템에 사용되는 모든 무선 장비의 내구성, 기대수명, 고장빈도 등에 대한 사례 조사를 통해(이 부분은 시스템 설계시 포함하는 것을 권장함) 유지관리에 소요되는 비용과 방법 등을 충분히 검토하고, 필요시 예비 장비를 구비해두도록 한다.
시간동기화가 필요한 계측항목에 대해서는 시간동기화에 대한 허용 오차범위(± 500 micro second 이내)를 만족하는지 계측 전 확인하도록 한다.
, 2017). 시스템 구조는 단말기(End nodes), 게이트웨이, 네트워크 서버, 어플리케이션 서버의 4개의 메인 블록과 네트 워크 보안을 위한 AES 128 암호화를 사용하여 네트워크 세션키(Network session key)와 어플리케이션 세션키(App. Session key)를 제공한다(Fig. 2).
방수, 방습 등을 위해 별도의 밀폐형 케이스를 제작하여 사용하도록 한다. 시스템에 사용되는 모든 무선 장비의 내구성, 기대수명, 고장빈도 등에 대한 사례 조사를 통해(이 부분은 시스템 설계시 포함하는 것을 권장함) 유지관리에 소요되는 비용과 방법 등을 충분히 검토하고, 필요시 예비 장비를 구비해두도록 한다.
성능/효과
1) 계측시스템 서버에는 바이러스 또는 스파이웨어 등을 막기 위해 백신이 설치되어야 한다.
1) 무선 계측시스템 설계 및 시공 시에는 데이터 회수율, MultiHop 기능, 전력 공급 방식 및 소모량, 통신비용 등 현장여건을 검토하여 설치 방안을 선정하여야 한다.
2) LoRa LPWAN과 같이 통신 속도에 제한이 있는 통신망을 사용하여 구조물의 정·동적 거동을 모니터링 하고자 하는 경우에는 실시간 계측이 아닌 노드 또는 게이트웨이에 저장한 후 데이터를 묶어서 전송하는 방법이 적절한 대안이 될 수 있다.
개발된 LoRa LPWAN 기반 무선 계측시스템과 기존 유선 시스템에 의해 측정된 데이터를 비교한 결과 고유진동수 1차모드에서 LoRa기반 무선 계측 시스템은 2.161, 유선 계측 시스템은 2.175로 나타났으며, 다른 차수의 모드에서도 1% 내외의 결과를 보이고있다. 돌산, 영광대교 등 추가 현장적용 결과 유사한 값을 나타냈다.
돌산, 영광대교 등 추가 현장적용 결과 유사한 값을 나타냈다. 따라서 개발된 노드와 게이트웨이를 이용한 LoRa 기반 무선 계측시스템의 적정성을 검증하였다.
4). 분석결과 통신장애는 발생하지 않으며, 두 시스템에 의해 추정된 진동수가 유사함을 확인하였다. 하지만, 이력곡선의 최대값에서 다소의 차이를 보이므로 실무적용에 앞서 심도있는 연구를 통해 완전히 규명할 필요가 있는 것으로 확인되었다(Fig.
유·무선 방식에 의한 교량 모니터링 시스템 설치비용을 분석한 자료에 따르면 300개의 센서를 교량에 설치하는 경우 무선 방식의 모니터링 시스템 구축에 필요한 비용이 기존의 유선 방식 대비약 38%, 총 설치비용은 유선방식의 약 43%로 나타났다(Table 1).
일본에서는 도로교 모니터링을 위한 자립형 무선센서 시스템 개발 및 활용에 관한 연구를 수행하였다(Seichi, 2013). 자립형 무선센서 시스템은 경제성, 시공성을 고려하는 LoRa기반의 무선시스템으로 연구결과 무선시스템의 활용성 및 데이터 처리 능력 등을 연구를 통해 입증하였다. 또한 일본 철도총합 연구소를 중심으로 노후 철도구조물의 안전관리를 위해 이 분야에 관한 다양한 연구를 진행해 오고 있다.
후속연구
LoRa LPWAN 시스템은 저전력, 경제성, 확장성 등의 장점이 있으며, 이를 활용한 모니터링 시스템은 저렴한 비용으로 다수의 시설물을 관리할 수 있는 방안이 될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 LoRa LPWAN 기반 무선 계측시스템의 국내· 외 활용 사례 및 연구동향을 검토하였으며, 무선 계측시스템의 설치 및 유지관리 방안에 대하여 검토한 결과 아래와 같이 도출되었다.
따라서 LoRa LPWAN과 같이 통신속도에 제한이 있는 통신 망을 사용하여 구조물의 정·동적 거동을 모니터링 하고자 하는 경우에는 실시간 계측이 아닌 노드 또는 게이트웨이에 저장한 후 데이터를 묶어서 전송하는 방법이 적절한 대안이 될 수있으며, 데이터를 전송하는 경우에는 1회 전송량, 전송에 소요 되는 시간, 전송빈도, 주변 환경(통신 점유율), 배터리 소모량 등을 감안하여 원하는 목적에 맞는 통신방법을 설계하여야 할것이다.
대부분의 현장에서 게이트웨이는 유선에 의한 전원공급이 가능한 곳에 설치가 가능할 것으로 판단되나, 전원공급이 용이하지 않은 경우에는 부착이 용이하고 배터리, 태양열 등으로 구동되도록 설계한다. 장대교의 경우 태양열패널을 설치하기 용이한 곳이 있을 것으로 판단되므로, 태양열을 이용하는 방법을 적용하므로서 친환경 및 에너지 절약에 기여하는 방안도 적극 검토할 것을 권장한다. 그리고 현장에 설치되는 게이트웨이는 습도 등 주변 환경의 영향이 적은 곳에전용 방수케이스 등을 별도로 제작하여 앵커 등에 의해 견고히 설치하고, 노드와 통신이 용이하도록 가능한 시야가 트인 곳에 설치하는 것을 권장한다.
분석결과 통신장애는 발생하지 않으며, 두 시스템에 의해 추정된 진동수가 유사함을 확인하였다. 하지만, 이력곡선의 최대값에서 다소의 차이를 보이므로 실무적용에 앞서 심도있는 연구를 통해 완전히 규명할 필요가 있는 것으로 확인되었다(Fig. 5).
3) 본 연구에서는 LoRa LPWAN기반 무선 계측시스템의 노드, 게이트웨이, 모니터링 S/W 등 설치 방안을 제안하 였으며, 계측시스템의 내구성 증대방안, 관리기준치 설정방안 등 유지관리 방안을 제안하였다. 향후 시설물의 유지관리를 위한 무선 계측센서 관련기준 설정 및 설계시의 기초자료 등에 사용되길 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정적·동적거동에 대한 계측의 차이점은 무엇인가?
장대교량 거동계측에는 주탑의 경사를 계측하기 위한 경사계, 진동 특성을 규명하고 케이블 장력을 측정하기 위한 가속도계, 주부재의 응력을 측정하기 위한 변형률계, 온도의 영향을 확인하기 위한 온도계, 지진계, 풍향풍속계 등 다수의 센서가 설치 목적에 따라 교량의 정적·동적거동을 측정하는데 이용되고 있다. 정적 계측은 주탑 및 바닥판의 정적인 변형과 주 부재의 응력을 측정하여 교량의 전체적인 안전성을 파악하는 것을 목적으로 주로 주기적인 안전진단 및 정보수집에 활용되고 있고, 동적 계측은 차량하중 및 풍하중에 의한 상시진동(Ambient vibration)과 지진하중 및 기타 특이 진동으로 인한 교량의 동적 거동을 파악을 목적으로 교량의 동적인 특성과 내하력 및 안전성을 검토하는데 활용되고 있다(Kim et al., 2016).
LoRa LPWAN는 무엇인가?
LoRa LPWAN(Long Range Low Power Wide Area Network) 는 장거리 통신과 저전력을 목표로 개발된 통신 프로토콜로써, Semtech Cooperation에서 특허를 소유한 비표준기술이다(Lim et al., 2017).
교량의 정적·동적거동을 측정하기 위해 장대교량 거동계측에 이용되는 센서는 무엇인가?
장대교량 거동계측에는 주탑의 경사를 계측하기 위한 경사계, 진동 특성을 규명하고 케이블 장력을 측정하기 위한 가속도계, 주부재의 응력을 측정하기 위한 변형률계, 온도의 영향을 확인하기 위한 온도계, 지진계, 풍향풍속계 등 다수의 센서가 설치 목적에 따라 교량의 정적·동적거동을 측정하는데 이용되고 있다. 정적 계측은 주탑 및 바닥판의 정적인 변형과 주 부재의 응력을 측정하여 교량의 전체적인 안전성을 파악하는 것을 목적으로 주로 주기적인 안전진단 및 정보수집에 활용되고 있고, 동적 계측은 차량하중 및 풍하중에 의한 상시진동(Ambient vibration)과 지진하중 및 기타 특이 진동으로 인한 교량의 동적 거동을 파악을 목적으로 교량의 동적인 특성과 내하력 및 안전성을 검토하는데 활용되고 있다(Kim et al.
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