[논문]효율적인 SHM을 위한 압축센싱 기술 - Kobe 지진파형을 이용한 CAFB의 최적화 및 지진응답실험 중심으로

허광희; 이진옥; 서상구; 정유승; 전준용

doi:10.11112/jksmi.2020.24.2.23

효율적인 SHM을 위한 압축센싱 기술 - Kobe 지진파형을 이용한 CAFB의 최적화 및 지진응답실험 중심으로
Compression Sensing Technique for Efficient Structural Health Monitoring - Focusing on Optimization of CAFB and Shaking Table Test Using Kobe Seismic Waveforms 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.2, 2020년, pp.23 - 32

허광희 (건양대학교, 해외건설플랜트학과) , 이진옥 (충남대학교, 토목공학과) , 서상구 (충남도립대학교, 건설정보학과) , 정유승 (건양대학교, 재난안전공학과대학원) , 전준용 (건양대학교, 재난안전공학과대학원)

초록
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압축센싱 기술인 CAFB는 대상 구조물의 원시신호를 목적된 주파수 범위의 신호로 압축하여 획득하도록 개발되었다[27]. 이때 압축센싱을 위해 CAFB는 대상 구조물의 목적된 주파수 범위에 따라 다양한 기준신호로 최적화 될 수 있다. 또한, 최적화된 CAFB는 지진과 같은 돌발/위험상황에서도 대상 구조물의 유효한 구조응답을 효율적으로 압축할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 상대적으로 유연한 구조물의 효율적인 구조 건전도 모니터링을 위하여 목적된 주파수 범위를 10Hz 미만으로 설정하고, 이를 위한 CAFB의 최적화 방법과 지진상황에서 CAFB의 지진응답성능을실험적으로 평가하였다. 이를 위해 본 논문에서는, 먼저 Kobe 지진파형을 이용하여 CAFB를 최적화하였고, 이를 자체 개발한 무선 IDAQ 시스템에 임베디드 하였다. 그리고, Kobe 지진파형을 이용하여 2경간 교량에 대한 지진응답실험을 수행하였다. 마지막으로 CAFB가 내장된 IDAQ 시스템을 이용하여 실시간으로 2경간 교량의 지진응답을 무선으로 획득하고, 획득된 압축신호는 원시신호와 상호 비교하였다. 실험의 결과로부터 압축신호는 원시신호와 대비하여 우수한 응답성능과 데이터 압축효과를 보였고, 또한 CAFB는 지진상황에서도 구조물의 유효한 구조응답을 효과적으로 압축센싱할 수 있었다. 최종적으로 본 논문에서는 목적된 주파수 범위(10Hz 미만)에 적합하도록 CAFB의 최적화 방법을 제시하였고, CAFB는 지진상황의 계측-모니터링을 위해 경제적이고 효율적인 데이터 압축센싱 기술임을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The compression sensing technology, CAFB, was developed to obtain the raw signal of the target structure by compressing it into a signal of the intended frequency range. At this point, for compression sensing, the CAFB can be optimized for various reference signals depending on the desired frequency range of the target structure. In addition, optimized CAFB should be able to efficiently compress the effective structural answers of the target structure even in sudden/dangerous conditions such as earthquakes. In this paper, the targeted frequency range for efficient structural integrity monitoring of relatively flexible structures was set below 10Hz, and the optimization method of CAFB for this purpose and the seismic response performance of CAFB in seismic conditions were evaluated experimentally. To this end, in this paper, CAFB was first optimized using Kobe seismic waveform, and embedded it in its own wireless IDAQ system. In addition, seismic response tests were conducted on two span bridges using Kobe seismic waveform. Finally, using an IDAQ system with built-in CAFB, the seismic response of the two-span bridge was wirelessly obtained, and the compression signal obtained was cross-referenced with the raw signal. From the results of the experiment, the compression signal showed excellent response performance and data compression effects in relation to the raw signal, and CAFB was able to effectively compress and sensitize the effective structural response of the structure even in seismic situations. Finally, in this paper, the optimization method of CAFB was presented to suit the intended frequency range (less than 10Hz), and CAFB proved to be an economical and efficient data compression sensing technology for instrumentation-monitoring of seismic conditions.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 Concept and component of CAFB
그림 Fig. 2 Concept of reconstruction error (RE)
그림 Fig. 3 Concept of central difference method for CR
그림 Fig. 4 Kobe seismic waveforms for optimizing of CAFB
그림 Fig. 5 Plot of RE values (Kobe)
그림 Fig. 6 Plot of CR values (Kobe)
표 Table 1 RE values for a filter bank with 11 filters (Kobe)
그림 Fig. 7 H/W for the IDAQ system
그림 Fig. 8 S/W for the IDAQ system(Embedded CAFB)
표 Table 2 H/W and S/W of IDAQ system based on CAFB
그림 Fig. 9 Test setup of 2-span bridges and measurement Points
그림 Fig. 10 Natural frequency of 2-span bridge(Horizontal)
그림 Fig. 11 Acquiring dynamic response of 2-span bridges
그림 Fig. 12 Seismic responses of 2-span bridges under Kobe wave
그림 Fig. 13 Reconstruction vs. Original signal
표 Table 3 Reconstruction effect
그림 Fig. 14 Compressive vs. Reconstruction vs. Original signal
그림 Fig. 15 Concept of spectrum error(SE)
표 Table 4 Compressive effect
표 Table 5 Spectrum effect

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상대적으로 유연한 구조물의 효율적인 구조 건전도 모니터링을 위하여 관심 주파수 범위를 10Hz 미만으로 설정하고, 이를 위한 CAFB의 최적화 방법과 지진상황에서 CAFB의 지진응답성능을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 먼저 Kobe 지진파형을 이용하여 CAFB를 최적화하였고, 이를 자체 개발한 무선 IDAQ 시스템에 임베디드 하였다.

제안 방법

그리고 Kobe 지진파형을 이용하여 2경간 교량에 대한 지진응답 실험을 수행하였다. 마지막으로 CAFB가 내장된 IDAQ 시스 템을 이용하여 실시간으로 2경간 교량의 지진응답을 무선으로 획득하고, 획득된 압축신호는 원시신호와 상호 비교하였다. 실험의 결과로부터 압축신호는 원시신호와 대비하여 우수한 응답성능과 데이터 압축효과를 보였고, 또한 CAFB는지진상황에서도 구조물의 유효한 동적응답을 효과적으로 압축센싱할 수 있었다.
본 논문에서는 상대적으로 유연한 구조물의 효율적인 구조 건전도 모니터링을 위하여 관심 주파수 범위를 10Hz 미만으로 설정하고, 이를 위한 CAFB의 최적화 방법과 지진상황에서 CAFB의 지진응답성능을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 먼저 Kobe 지진파형을 이용하여 CAFB를 최적화하였고, 이를 자체 개발한 무선 IDAQ 시스템에 임베디드 하였다. 그리고 Kobe 지진파형을 이용하여 2경간 교량에 대한 지진응답 실험을 수행하였다.

대상 데이터

이때 Kobe 지진파형을 이용한 재건신호의 오차는 대역통 과필터의 개수가 11개 일대 최솟값을 보였다. 따라서 본 논문 에서는 Kobe 지진파형을 이용하여 CAFB를 최적화하기 위한 대역통과필터의 개수를 11개로 결정하였다.

성능/효과

1) Kobe 지진파형으로 최적화된 CAFB는 관심된 주파수 영역(10Hz 미만)에 대한 유효 동적응답을 압축된 크기로 획득하는데 타당하였다. 따라서 사용자의 요구 또는 대상 구조물의 관심 주파수 대역이 10Hz 미만일 경우라면 본 논문에서 평가된 Kobe 지진파형으로 최적화된 CAFB를 사용하여 동적응답을 압축센싱할 수 있을 것으로 사료된다.
2) 또한, CAFB는 지진상황에서도 구조물의 지진응답을 효과적으로 실시간 압축센싱 할 수 있었다. 따라서 CAFB는실무적인 관점에서 구조물의 SHM을 수행하기 위한 다양한 외력 환경 조건(평상시 일반(운영)상태 및 위험상태)에서 충분히 활용가능함을 실험적으로 입증되었다.
3) 결국, Kobe 지진파형으로 최적화된 CAFB는 상대적으로 유연한 구조물(케이블 교량, 초고층 건물, 기타 저주파 거동 구조물 등)의 동적응답(가속도 등)을 관심된 주파수 대역(10Hz 미만)을 중심으로 압축하여 획득하는데 타당하였다.

후속연구

4) 무선 기반의 지능형 데이터 획득 시스템(Intelligent Data Acquisition system; IDAQ 시스템)은 압축센싱기술인 CAFB를 적용(FPGA 기반 embedded)함으로써, WSNs기반 SHM 시스템의 제한된 RF 성능으로 인한 병목현상을 피하면서 효율적으로 동적응답을 실시간 획득하여 SHM을 수행할 수 있으며, 본 논문에서의 CAFB 뿐만 아니라 S/W 기반의 다양한 계측 및 분석함수(논리)를 EST 및 RTOS 기반에서 운용되도록 적용한다면 사용자의 편리성을 제공할 것으로 판단된다.
5) 향후, 10Hz 미만의 관심 주파수를 갖는 구조물뿐만 아니라, 다양한 관심 주파수 대역과 외력 환경을 갖는 구조 및시스템(기계, 항공, 기타)의 동적응답을 무선-실시간 획득할 수 있도록 CAFB의 최적화에 관한 후속연구를 진행할 계획이다.

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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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