국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport
등록번호
TRKO202300002634
과제고유번호
1615012685
사업명
(이관)국토교통기술촉진연구(R&D)
DB 구축일자
2023-05-02
키워드
재생 스마트폰.교좌장치.딥러닝.변위 계측.교좌 모니터링.Reusable Smartphone.Bridge Bearing.Deep Learning.Displacement Measurement.Bridge Bearing Monitoring.
초록▼
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 재생 스마트폰 기반 영상처리 및 딥러닝을 이용한 저비용 교좌장치 유지관리 기술 개발
◼ 전체 내용 핵심기술 1: 딥러닝과 영상처리를 이용한 교좌 외관손상 탐지 기술 핵심기술 2: 영상처리를 이용한 변위 및 온도 계측 기술 핵심기술 3: 재생 스마트폰 기반 교좌장치 모니터링 소프트웨어 및 시스템 핵심기술 4: 교좌장치 모니터링(유지관리) 기술
◼ 1년차 ㅇ 목표 실교량에 적용 가능한 교좌 모니터링 시스템 요소기술 개발 ㅇ
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 재생 스마트폰 기반 영상처리 및 딥러닝을 이용한 저비용 교좌장치 유지관리 기술 개발
◼ 전체 내용 핵심기술 1: 딥러닝과 영상처리를 이용한 교좌 외관손상 탐지 기술 핵심기술 2: 영상처리를 이용한 변위 및 온도 계측 기술 핵심기술 3: 재생 스마트폰 기반 교좌장치 모니터링 소프트웨어 및 시스템 핵심기술 4: 교좌장치 모니터링(유지관리) 기술
◼ 1년차 ㅇ 목표 실교량에 적용 가능한 교좌 모니터링 시스템 요소기술 개발 ㅇ 내용 핵심기술 1: 딥러닝과 영상처리를 이용한 교좌 외관손상 탐지 기술 ⚪ 탐지 대상 교좌 외관손상 선정 및 학습 데이터 구축 ⚪ 스마트폰에서 사용 가능한 고성능·경량화 딥러닝 모델 개발 ⚪ 실제 실험 기반 시스템 성능 검증 핵심기술 2: 영상처리를 이용한 변위 및 온도 계측 기술 ⚪ 변위 및 온도를 측정에 활용 가능한 재생 스마트폰 모델 결정 ⚪ 영상처리 기술을 이용한 교좌장치의 대변위(200mm 이상) 계측 알고리즘 개발 ⚪ 온도 계측을 위한 하드웨어 선정 혹은 개발
◼ 2년차 ㅇ 목표 재생 스마트폰 기반 통합 교좌 장치 모니터링(유지관리) 기술 개발 ㅇ 내용 핵심기술 3: 재생 스마트폰 기반 교좌장치 모니터링 소프트웨어 및 시스템 ⚪ 재생 스마트폰을 보호용 패키징 장비 개발 ⚪ 교량 부착용 재생 스마트폰 거치대 ⚪ 변위, 온도 계측 및 외관손상 탐지 앱 개발 ⚪ 시스템 제어를 위한 관리자 앱 개발 ⚪ 데이터 수집 및 관리를 위한 서버 구축 핵심기술 4: 교좌장치 모니터링(유지관리) 기술 ⚪ 교좌장치 이상상태 문헌 분석 및 전문가 인터뷰 ⚪ 교좌장치 이상거동 모사 수치모델 개발 ⚪ 변위 기반 이상상태 판정 기준 개발 ⚪ 외관손상과 이상변위를 고려한 교좌장치 유지관리 방안 제시
□ 연구개발성과 ▶ 핵심기술 1: 딥러닝과 영상처리를 이용한 교좌 외관손상 탐지 기술 ⚪ 탐지 대상 교좌 외관손상 선정 및 학습데이터 구축 - 탐지 대상 교좌장치 외관손상 4종 (균열, 파손, 부식, 고무재 이탈) 선정 - 서울시설공단의 협조로 서울시내 71개 교량의 교좌장치 사진 34,538장 수집: 저해상도 131장, 중해상도 31,194장, 고해상도 3,213장 - 선정한 4종 손상 중 학습이 가능하며 학습데이터 획득이 가능한 손상 3종(균열, 파손, 부식)에 대한 데이터셋 구축 - 총 3,367장의 라벨링된 데이터셋 구축: 학습데이터 3,000장, 테스트데이터 367장 ⚪ 스마트폰에서 사용 가능한 고성능·경량화 딥러닝 모델 개발 및 성능 검증 - 총 5종의 딥러닝 모델에 대한 성능 테스트를 통해, 스마트폰 및 웹서버 구동에 최적화된 손상 탐지용 Semantic Segmentation 모델 선정: Context-Guided Network(CGNet) - Adam Optimize, 학습률(Learning Rate), 손실 함수(Loss Function)를 딥러닝 모델에 맞게 세부 설정하고, 과적합(Overfitting)을 줄이기 위한 데이터 증강(Augmentation) 수행 - 구축한 데이터를 이용하여 CGNet을 학습 및 테스트한 결과, 최종적으로 91.2%의 F1-score 달성(균열 90.5%, 파손 90.2%, 부식 92.8%)
▶ 핵심기술 2: 영상처리를 이용한 변위 및 온도 계측 기술 ⚪ 활용가능한 재생 스마트폰 모델 결정 및 온도 계측 기술 개발 - 다양한 안드로이드 기반 스마트폰을 검토하여, 본 연구개발과제 목표에 맞는 스마트폰 결정: 삼성 갤럭시 S10(후면 카메라: 1200만 화소(4032X3024)) - 온습도 센서(DHT22)와 블루투스 모듈(ESP32)을 이용한 온도 계측 장치 개발 - 상용 온도계와 온도 측정 성능 비교 실험: 24시간 동안 0.276%의 오차율 달성 ⚪ 교좌장치의 큰 변위를 높은 정확도로 계측하는 영상 기반 변위 계측 기술 개발 - 다중 ArUco 마커를 사용하여 최대 200mm 이상의 대변위를 0.1mm 미만의 오차로 계측 가능한 영상 기반 변위 계측 알고리즘 개발 - 교좌장치 상하부에 두 종류(메인, 서브)의 마커를 부착하여 카메라 움직임 보정 - 실내 실험 결과, 최대 216mm의 3방향 변위를 평균 0.068mm의 오차로 계측 - 현장 실험 결과, 제안 기술로 계측한 교량받침의 전체 거동량은 5.577mm이며, 레이저 변위계 시스템으로 계측한 전체 거동량은 3.63308mm로, 변위의 최대 차이는 1.132mm로 계측
▶ 핵심기술 3: 재생 스마트폰 기반 교좌장치 모니터링 소프트웨어 및 시스템 ⚪ 외부 환경으로부터 재생 스마트폰을 보호하기 위한 패키징 장비 - 스마트폰을 보호하기 위해 내충격성이 우수한 ABS 소재 플라스틱 박스 활용 - 케이블 그랜드와 고무 패킹으로 최소한의 방수 방진 기능 적용 ⚪ 교량에 안정적으로 재생 스마트폰을 설치하기 위한 거치대 - 스테인리스강 주 소재, 볼트 체결식 3웨이 넥과 서포트 잭 활용하여 설계 - 회전범위: 상하 –157°~ +157°, 좌우 –180°~ +180° - 높이조절범위: 8cm ~ 60cm - 최대 21kg 무게 거치 가능 ⚪ 변위, 온도 계측 및 외관손상 탐지용 Edge 앱 개발 - Delphi로 구현된 안드로이드 기반 하이브리드 어플리케이션 - 사용자가 설정한 주기로 영상을 촬영, 저장, 전송하는 기능 - 서버로 전송한 영상을 통해 변위 및 외관손상 탐지 작업이 서버에서 수행 - 교량 환경 온도 측정 센서를 통해 계측한 온도값을 수집, 저장, 전송하는 기능 ⚪ 시스템 제어, 데이터 수집 및 관리를 위한 웹 어플리케이션 서버 구축 - Java Spring와 GO로 백엔드 구현 - Edge 앱으로 수집한 교좌장치 영상을 외관 손상 탐지 및 변위 계측 기술으로 처리하고 웹 페이지 문서를 처리하는 기능으로 구성 - 대상 교량 및 교좌장치 등록, 계측 온도 및 변위 데이터 관리 및 조회 기능
▶ 핵심기술 4: 교좌장치 모니터링(유지관리) 기술 ⚪ 변위 기반 교좌장치 이상상태 판정 기준 개발 - 정상상태의 교좌장치로부터 측정한 데이터를 바탕으로 학습한 GPR(Gaussian Process Regression)을 이용하여, 정상으로 추론되는 구간을 벗어나는 정도를 통해 이상상태를 판정하는 인상상태 판정 기준 마련 - 실제 교량에서 17개월간 계측한 교과장치 변위 및 온도데이터를 활용하여 이상상태 판정 기준을 마련하기 위한 학습 데이터셋 전처리 수행 - 현장에서 활용가능한 이상상태 경고, 위험 레벨의 정의 - 교량 실측 변위 데이터에 2~5mm의 오프셋을 부여한 데이터를 이용하여 이상상태 탐지 성능 평가 ⚪ 외관손상과 이상변위를 고려한 교좌장치 유지관리 방안 제시 - 딥러닝 기반 외관손상 탐지 기술, 영상처리 기반 6자유도 변위계측 기술, GPR 모델 기반 이상상태 판정 기술을 종합하여 효율적이고 신뢰성 있는 교좌장치 유지관리 방안 제시 - 국토안전관리원의 교량 구조물 안전점검 및 진단 전문가의 적절성 설문조사를 통해 제안된 유지관리 방안 검증
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ⚪ 영상 기반 교좌장치 외관 손상 탐지 기술 및 학습데이터 작성, 관련 연구자 공유 ⚪ 중장기 변위-온도 계측 데이터와 손상 탐지 결과에 근거한 교좌 이상상태 판정 ⚪ 재생 스마트폰 기반 저비용 사용자 친화적 교좌 모니터링 IoT 센서 네트워크 구축 ⚪ 효율적이고 신뢰성 있는 교좌장치 유지관리 방안 제시
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