초록 ▼

IV. 결론
본 연구의 최종목적은 터널재해예방 계측 기술 개발을 위해 기존 자동 계측기의 체계적 활용 및 데이터 관리 시스템 개발, 반도체 제작 기술인 MEMS(MicroElectro-Mechanical System)기술을 활용한 소형 무선 계측기의 개발 및 활용 기술 개발, 계측 데이터 관리 시스템의 개발 및 그 활용 기술 개발에 있다 . 1 차년도 연구의 세부 목표는 1) 기술개발 동향 분석을 통한 동 기술의 현황을 파악, 분석하며 , 2) 계측 대상선정을 통해 계측할 요소를 결정하도록 하며 , 3) 계측 요소기술 분석을

IV. 결론
본 연구의 최종목적은 터널재해예방 계측 기술 개발을 위해 기존 자동 계측기의 체계적 활용 및 데이터 관리 시스템 개발, 반도체 제작 기술인 MEMS(MicroElectro-Mechanical System)기술을 활용한 소형 무선 계측기의 개발 및 활용 기술 개발, 계측 데이터 관리 시스템의 개발 및 그 활용 기술 개발에 있다 . 1 차년도 연구의 세부 목표는 1) 기술개발 동향 분석을 통한 동 기술의 현황을 파악, 분석하며 , 2) 계측 대상선정을 통해 계측할 요소를 결정하도록 하며 , 3) 계측 요소기술 분석을 통해 MEMS무선센서 네트워크 기술의 현재 활용현황 및 미래의 활용 가능성에 대해 분석하고 4) RF 송수신 모듈을 이용한 데이터 전송 실험을 통하여 개발될 센서의 계측데이터 전송능력을 실험하고, 5) MEMS 시험제작 및 RF Module 과 Sensor Network 모듈의 결합을 통해 시작품을 제작하는 것이다.
본 연구의 수행을 통해 조사 분석된 결과는 다음과 같다 .
첫째 , 국내외의 문헌고찰과 현장 방문을 통해 터널재해예방 계측 기술의 필요성을 인식하였다. 국내의 자동 계측기는 현재 많은 기업들이 개발하거나, 수입한 제품을 사용하여, 터널을 비롯한 구조물 건설에 적용하고 있다. 또한 현재 산학연관에서 모두 시설물의 재해 /안전에 대한 관심이 더욱 고조되고 있는 실정이며 시장이 계속적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 그러나 시공 중 계측의 경우 , 다양한 계측을 시행하고 있으나, 체계적이지 않고 필요에 따라 계측을 시행하므로 이어지는 유지관리 등의 단계에서 데이터의 재활용에 활용에 많은 어려움이 있다. 유지관리 단계에서는 영구 계측이 필수적이나, 현재는 일부만 시행하고 있으며 , 범용성이 떨어지고, 복잡한 배선 등으로 사용에 어려움이 있다 . 계측 데이터의 관리 면에서는 구조물의 자료 확보와 지속적인 자료 축적을 수행할 수 있는 기본적인 도구가 필수적이나 국내에서 개발된 자동 계측용 프로그램은 범용성이 떨어지고 기능이 제한적인 상황이다(터널유지관리 시스템 개발 , 2000). 상기 필요를 만족시키기 위해서는 계측기의 체계적인 활용이 필요하나, 기존 계측기만을 활용하는 것은 설치 및 유지관리에 어려움이 있으며 ,유선이라 파손의 우려가 크고 , 고비용이므로 반도체 기술인 MEMS 기술을 활용한 신계측기의 개발도 아울러 필요할 것으로 분석되었다.
둘째 , 본 연구에서는 각종 터널 관련 시방서를 분석하여 현재 진행되고 있는 터널계측의 프로세스 및 터널 계측의 현황 및 문제점을 분석하였다. 터널시공의 경우 원지반의 재료 특성과 지질구조가 복잡하므로 터널 계획단계에서 충분한 조사를 하여도 실제 터널 거동과 반드시 일치하지 않는 특징이 있다. 계측을 통하여 불안요소를 사전에 감지하면 시공의 안정성을 보장할 수 있으며 , 시공 중에 계측을 실시하여 설계와 시공에 반영하여 경제적인 터널을 구축할 수 있다. 안전한 터널 시공을 위해서는 공사착수 전에 설계 시 작성된 계획을 검토하고 현장여건을 반영하여 상세한 계측수행 및 분석계획을 작성하여 감독원의 승인을 득하여야 하며 , 설계시 수립된 계측계획은 시공 시 확인되는 현장여건, 지반상태 및 초기 계측결과 등에 근거하여 필요한 경우 보완하여 적용하는 것이 원칙이다. 또한 , 지상에서 수행하는 지표 및 지중침하 측정은 토피의 높이나 지상시설물의 유무에 따라 가감하거나 생략할 수 있으며, 터널내부에서 수행하는 지중변위 측정, 내공변위 및 천단침하 측정, 록볼트 축력측정, 숏크리트 응력측정은 실제 노출되는 지반의 상태나 초기의 계측결과에 근거하여 설치간격이나 위치 등을 조정할 수 있다. 또한, 터널 영향권 내의 특정 구조물 안전성을 판단하기 위한 지반수평변위 측정, 시설물경사도 측정, 균열 폭 측정, 지하수위 측정 , 발파진동 및 소음측정 등도 필요에 따라 터널계측에 포함하기도 한다. 터널 계측 항목은 상술한 바와 같이 매우 다양하며, 중요하지만 본 연구에서는 모든 부분을 포함할 수는 없으므로 우선적으로 터널 본체를 중심으로 계측관리 항목을 선정하였고, 그 중에서도 라이닝, 바닥, 부속시설 그리고 기타시설 일부를 대상으로 잠정 결정하였다. 제외된 부분들은 선정된 부분을 우선적으로 수행한 후 응용이 가능한 부분이므로, 향후 실대형 실험 등 연구 적용 단계에서 고려할 예정이다
셋째 , 각종 국내외의 센서 관련 자료를 분석해 본 결과 MEMS는 입체적인 미세구조와 회로, 센서와 액추에이터 (actuator)를 실리콘 기판 위에 집적시킨 것으로 소형이면서도 복잡하여 고도의 동작을 하는 시스템으로 마이크로시스템(Microsystem) 이나 마이크로머신(Micromachine) 등으로 불리기도 한다. MEMS는 반도체 집적회로의 구조 기술을 기본으로 하고 , 전자, 기계 , 광 , 재료 등 다양한 기술을 융합한 미세가공(micromachining) 기술로 제작되어 , 소형화는 물론 집적화, 저전력 및 저가격 등 대부분의 전자, 기계 부품들이 궁극적으로 추구하는 목표를 모두 만족시킬 수있다는 장점을 가지고 있다. 미국의 경우 공공부문으로는 FHWA(Federal Highway Administration)에서 TMS (Tunnel Management System)를 , FIATECH(CII)에서는 The FIATECH/CII Smart Chips Project 등을 , StanfordUniversity 와 University of Iowa에서도 추진하여 자동계측이 포함된 유지관리 시스템 및 신계측기의 개발에 주력하고 있으며 대학에서도 기초적인 연구가 수행 중에 있다. 일본의 경우 일본철도종합기술연구소에서는노후화된 철도 터널의 종합적 유지관리를 위한 자동화 계측기술이 포함된 대형 프로젝트를 수행하는 등 전통적인 계측기의 강국으로서 지속적인 연구개발을 수행하고 있음 . 세계 시장의 규모는 2001년에는 약 800억 달러였으며, 연평균 1.2%의 성장세를 유지할 것으로 전망되고 있다. 하지만 MEMS관련 무선계측기의 개발은 세계적으로 연구가 시작단계에 있으며 특히 터널 관련 연구는 진행되고 있는 연구가 없는 것으로 조사되었다. 향후에 본 연구가 성공적으로 수행될 경우 선도적인 연구가 될 것으로 기대하고 있다.
넷째 , 본 연구에서는 터널계측 센서를 효과적으로 개발하기 위해 900Mhz Active 방식과 Passive 방식의 RF-송수신 모듈시스템을 실험 하였다. 그 실험결과 Active 방식의 경우 무근 콘크리트 속에서는 공기 중에서 약 27m의 통신 거리 성능을 보이던 무선 통신 시스템이 25cm 정도로 급감하였으며 철근 콘크리트 속에서는 철근의 간격에 다른 양상을 보였으며 , 철근 간격이 915MHz 전파 파장의 1/4 이상이 되면, 무근 상태의 90% 정도의 통신 성능을 보였다(22cm). 결론적으로, 무근 및 철근 콘크리트 속에서는 공기 중에 비해서는 성능이 대단히 감소되나, 대부분의 터널 라이닝의 두께를 고려할 때, 무선 통신 기술의 활용이 가능할 것으로 예상된다. Passive 방식의 경우는 박스의 증가에 따라 인식률은 감소하였으며 태그와 안테나가 마주할 때 좋은 인식률을 보였다. 2개의 안테나를 사용할 경우 인식률은 안테나에서 60cm 미만의 거리에 있을 때 최고의 인식률이 확인되었다.
다섯째, 본 연구를 통해 개발된 최종 개발 제품은 구조물의 모니터링을 위한 무선센서 네트워크의 구축에 적용될 MEMS 센서 모듈로서 센서 , 신호처리회로, 무선송수신회로와 자체 구동 전원부를 하나의 칩으로 하는 SoC (System on a Chip) 제품이며 개발된 MEMS 진동측정센서의 프로토타입을 제작하여 구조물에서 측정하고자 하는 적정 성능 값을 결정하여 최종 개발 제품의 설계에 이용하고자 하였다. 성과물은 MEMS 진동 센서의 설계도 및 관련 자료와 완성품(패키징 포함) 으로 구성되고 있다. MEMS 진동센서는 MEMS센서부와 신호처리회로를 한 모듈로서 제작하여 상용화된 무선송수신 모듈(Mote)과 결합하여 사용할 수 있도록 하였고 센서의 구동전원은 무선 송수신 모듈(Mote)의 전원을 이용하였다. 프로토타입 MEMS 진동센서는 한 방향의 가속도 변화를 감지하여 진동을 측정하며, +/-50g (g:중력가속도)의 측정 범위 , 10mg의 해상도로 0Hz에서 최대 1kHz의 진동 측정 대역폭을 갖게 했으며 측정된 중력가속 변화는 신호처리를 거쳐 해석된 후 무선 송수신부를 통해 데이터 교환이 이루어지도록 하였다.

Abstract ▼

4. Results
Tunnel monitoring system consisted of conventional sensors and MEMS-based ones is proposed to address the issues identified in the introduction. In principle, the systemmonitors data wirelessly, whether the sensors used are conventional methods or MEMS-based methods. However, wired se

4. Results
Tunnel monitoring system consisted of conventional sensors and MEMS-based ones is proposed to address the issues identified in the introduction. In principle, the systemmonitors data wirelessly, whether the sensors used are conventional methods or MEMS-based methods. However, wired sensors can be used, depending on their application. Sensors are selected by requirements of the sensing condition and data cquired in construction and maintenance phases is stored and managed by DBMS. Senseddata accumulated in the aforementioned manner can be applied to construction and maintenance activities. As this system developed for expanding to the various generic measurement technology and data management system, it can be applied to other civil structures such as bridges or dams, etc. As the system is a generic measurement and data management system, it can be applied to other civil structures such as bridges or dams, etc. Tunnel monitoring can be divided into measurements in and out of tunnel body and tunnel body is broken down into tunnel body and inner tunnel parts (lining, floor and appurtenant). This research targeted crown, arch, duct, side wall and cold joints area of tunnel which was selected based on recommendations of experts. Tunnel construction achievements made by previous research and MEMS development methodology, sensor development processes are proposed. First of all, processes of the target activities were analyzed, and required measurement items (strain or chloride etc.) were defined. Then, targeted requirements of tunnel monitoring sensors were developed. Applicable technologies are selected by targeted specifications and subsequent processes followed in the order of design, analysis and simulation. If the design feasibilityis verified in simulation, production process and mask design are defined to develop MEMS sensor. In development phase, sensor specification is defined in consideration of tunnel-specific environmental factors and appropriate material is selected. Regarding adoption of RF technology for wireless communication, decisions should be made for selecting either passive or active types in consideration of scope of sensing and range of communication. Following sensor development, strain rate measurement spots or measured interval of data collection interval must be determined and possibility of integrating various sensors in a single chip needs to be considered as well.
Sensors for the application to tunnel body such as lining are strain sensors of which actuator is made by capacity methods which are most widely used and favorable in terms of its electrical and physical properties. Variation of resistance is received from actuator and data is transmitted to external antenna by Radio Frequency (RF) module after the resistance variation is analyzed. As the external antenna is more malleable than the actuator, it is expected to be safe from strain. Based on the experiments of sending and receiving rates experiments of RF module, following significant results were deduced: 90% of readability rate was obtained, when the distance of re-bar is bigger than 1 /4 of wavelength (concrete depth 25cm). The developed prototype of accelerometer sensors is consist of a sensor networks module, a power supply module, and a signal process module. These microchip based sensors are developed using SoC(System on a Chip) technology. The sesing range of the sensors is +/-50g and frequency range for sensing is covering from 0Hz to 1 kHz.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 머리말 ... 2
• 요약문 ... 4
• Executive Summary ... 10
• 목차 ... 14
• 표목차 ... 16
• 그림목차 ... 18
• 1. 연구개발 필요성 및 목표 ... 20
• 1.1 연구의 필요성 ... 20
• 1.1.1 체계적인 터널 계측 데이터 획득의 필요성 ... 20
• 1.1.2 기존 계측기의 문제점 ... 21
• 1.1.3 사업의 목표와 관련하여 세부과제 수행의 필요성 ... 21
• 1.2 최종목표 ... 21
• 1.3 연차별 연구 목표 ... 23
• 2. 추진실적 ... 24
• 2.1 세미나 개최 및 참가 ... 24
• 2.2 교육 훈련 ... 24
• 2.3 정량적 발표 실적 ... 24
• 3. 연구수행내용 ... 25
• 3.1 기술개발 동향 분석 ... 25
• 3.1.1 터널 유지관리 관련 기존 연구 동향 ... 25
• 3.1.2 MEMS 기술 동향 ... 28
• 3.1.3 MEMS 기술의 건설 산업 활용 현황 조사 ... 33
• 3.1.4 국외 출장을 통한 MEMS 활용 계측기 개발 현황 조사 ... 41
• 3.1.5 협력 체계 구축 ... 43
• 3.2 터널 계측 작업 분석 ... 45
• 3.2.1 터널 계측 작업 분석 ... 45
• 3.2.2 계측관리 항목 선정 (안 ) ... 63
• 3.3 MEMS기반 신계측기 시제품 개발 ... 65
• 3.3.1 개발 목적 및 기존 계측기 분석 ... 65
• 3.3.2 MEMS 가속도 센서 설계 ... 70
• 3.3.3 MEMS 가속도 센서 제작 ... 71
• 3.3.4 가속도 센서의 신호 증폭 회로 제작 ... 74
• 3.3.5 MEMS 가속도 센서의 측정 ... 75
• 3.3.6 Active RF 송수신 모듈 인식능력 실험 ... 78
• 3.3.7 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks) 구성 (안) ... 88
• 3.3.8 결론 ... 89
• 4. 향후 추진계획 ... 90
• 4.1 향후 연구 내용별 계획 ... 90
• 4.1.1 계측 요소 기술 테스트 및 활용 방안 정립 ... 90
• 4.1.2 MEMS 기반 센서 1 차 현장 적용성 테스트 ... 90
• 4.1.3 계측 데이터 Protocol 개발(1) ... 90
• 4.2 향후추진체계 ... 90
• 5. 결론 ... 92
• 6. 기대효과 ... 96
• 참고문헌 ... 98
• 끝페이지 ... 98