한 국 방 재 학 회 논 문 집 제8권 5호 2008년 10월
pp. 35 ~ 44
구조물방재
무선센서네트워크 환경의 웹기반 교량모니터링 시스템
Web-Based Bridge Monitoring System with Wireless Sensor Network Environment
송종걸*·김학수**·정영화***·이상우**·남왕현****·장동휘**
Song, Jong-Keol · Jin, He-Shou · Chung, Yeong-Hwa · Lee, Sang-Woo · Nam, Wang-Hyun · Jang, Dong-Hui
···
Abstract
In this study, to establish a web-based bridge monitoring system with wireless sensor network environment, we constructed microminiaturized sensor based wireless communication techniques and micro processing, databases for data combination and administration, variable control programs and processors for transferring data by internet. Then those data are measured and analyzed by the constructed bridge monitoring system with wireless sensors. To evaluate the practicability of the bridge monitoring system with wireless sensor, we compared the values measured in the tests with wire sensor under same conditions. The results show that the trend of the data obtained from the monitoring systems with wire sensors and wireless sensors was very similar but the some lost data in the communication process with wireless sensor network environment. And through laboratory and field tests, the effectiveness and the applicability of the proposed methods were verified.
Key words :
Wire sensor, Wireless sensor, Wireless communication, Wireless sensor network, Bridge monitoring system
요 지
무선센서네트워크환경의웹기반
(web-based)
교량모니터링시스템을갖추기위하여무선통신을기반으로디지털초소형센서와 마이크로프로세싱,
데이터취합및관리를위한데이터베이스,
각종제어프로그램,
인터넷데이터전송프로세서를기본적으 로구축하여무선으로수신된데이터를수집하고분석하였다.
그리고이러한교량모니터링시스템의적용성을검증을위하여동일조건에서유선방식과무선방식으로실험을병행수행한후각각의계측결과들을비교하였다
.
비교한결과유선으로계측한결 과와무선으로계측한값은유사하지만무선센서의통신과정에서데이터의손실이발생하는것으로나타났다.
또한실내실험과 현장실험을통하여본연구의효율성과적용성을검증하였다.
핵심용어 : 유선센서
,
무선센서,
무선통신,
무선센서네트워크,
교량모니터링시스템···
1. 서 론
최근 우리나라는 경제 산업발전을 위하여 사장교 , 현수교 등 장대교량의 건설이 증가하고 있다 . 이러한 장대교량들은 사회적 및 경제적인 중요성이 매우 크므로 교량 완공 후 유 지관리 및 구조적 건전성을 모니터링하기 위하여 교량 각 주 요 구조부재에 센서를 설치함으로써 교량모니터링시스템을 구 축하여 외부하중에 의한 교량구조물의 거동을 감지 , 수집 , 분 석하여 교량의 건전성을 파악한다 . 하지만 현재까지 많은 장
대교량에 설치되어있는 교량모니터링시스템은 유선의 형식으 로 설치되어있어 센서의 추가 , 철거가 불편하고 신호선의 복 잡성 , 유실성 및 경제성 등 문제들이 계속 발생하고 있다 .
예를 들면 , 교량 한 부재에 상황에 따라서는 변위계 , 온도계 ,
가속도계 , 풍향풍속계 등 많은 센서를 사용하게 된다 . 따라서 전체 교량에 대해서는 수십 또는 수백 개의 계측점을 갖게 된다 . 만약 , 수백점 이상의 센서로부터의 아날로그 신호를 통 제컴퓨터의 I/O 패널과 1 : 1 로 결선하는 경우 , 케이블에 유입 되는 외부잡음 , 케이블 거리 증가에 따른 신호열화 및 왜곡 ,
케이블 사이의 신호상호간섭 , 복잡한 결선작업 및 케이블 다 발의 수납 / 보호 문제가 발생하게 된다 . 실제적인 한 예로 그 림 1 은 대형구조물의 유선 계측장면을 나타내고 있다 . 그림 1
에서 볼 수 있듯이 구조물이 크고 센서가 많이 사용되어 센 서 , 케이블 관리가 어렵다 . 따라서 이러한 유선모니터링시스 템의 문제들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 무선센서네트 워크를 사용한 교량구조물의 무선모니터링시스템에 대해서 연 구하였다 .
*
정회원·강원대학교토목공학과부교수(E-mail: [email protected]) **
강원대학교토목공학과박사수료***
강원대학교토목공학과교수공학박사****
강원대학교토목공학과공학박사무선센서네트워크를 사용한 교량의 무선모니터링시스템을 갖추려면 컴퓨팅센서 , 데이터 취합 및 전송 , 데이터 처리 및
분석 , 평가기법 , 유지관리 지침 , 웹 (web) 및 시스템 운영 관
련 기술 등 토목 전반의 기술과 정보통신의 IT 기술이 종합
적으로 융합되어 적용되어야 한다 .
무선센서네트워크를 사용한 웹기반 (web-based) 교량의 무선 모니터링시스템이란 기존에 사용하고 있는 유선센서 대신 무 선센서를 사용하여 교량의 상태를 실시간으로 모니터링하고 동시에 미리 준비된 데이터베이스에 저장하여 원거리 종합 상황실에서도 웹을 통하여 교량의 세부 및 전반적인 상황을 파악할 수 있는 시스템을 갖추는 것 , 즉 교량에 무선센서를 사용하여 컴퓨터 기능을 심고 , 이들이 무선네트워크로 연결될 수 있게 함으로써 사람 또는 기기들이 네트워크에 실시간으 로 연결되어 다양한 서비스를 실현하는 무선센서네트워크 환 경을 토대로 웹기반의 통합 모니터링시스템을 구축하는 것이 다 . 아래의 그림 2 는 무선센서네트워크 교량모니터링시스템의 개념을 보여주고 있다 . 교량뿐만 아니라 도로 , 터널 , 댐 등 많 은 토목분야에서도 이와 같은 무선네트워크 환경의 모니터링 시스템 구축이 필요하며 이를 위한 특성화된 개발이 신속히 이루어져야 하지만 현재 이러한 환경은 지능형교통정보시스 템 (ITS) 에 국한되어 있다 .
이를 위하여 본 연구에서는 무선센서네트워크 환경을 기반 으로 초소형센서와 마이크로 프로세싱 , 데이터 취합 및 관리
를 위한 데이터베이스 , 각종 제어 프로그램 , 인터넷 데이터 전송 프로세서를 기본적으로 구축하였다 . 연구 개발된 모니터 링시스템은 실시간이며 , 무선통신을 기반으로 상호연계가 가 능한 양방향 통합 시스템으로서 교량에 대한 변동응력 , 상시
진동계측을 통한 네트워크 시스템을 이용하여 측정함으로써 전 교량에 대한 고유진동수 , 모드형상 등의 특성을 파악할 수 있다 . 그리고 이러한 무선모니터링시스템의 현장 적용성 검증을 위하여 실내실험과 실외실험을 통해 수집된 결과들을 비교함으로써 무선네트워크 환경의 무선통신 방식의 디지털
센서와 그 통합시스템의 성능 및 현장 적용성도 평가하였다 .
2. 무선 초소형 모니터링시스템의 구성 2.1 무선 초소형 모니터링시스템에 사용된 하드웨어 모니터링시스템의 기본적 구조는 대부분 유사하다고 할 수 있지만 , 적용 구조물의 특성에 따라 작동환경과 운용범위가 달라지기 때문에 교량구조물에 사용되려면 이에 맞는 특성화 된 모니터링시스템을 개발하여야 한다 . 본 연구에서는 센서네
트워크를 위한 운영체제인 TinyOS 를 지원하는 그림 3 에서
나타낸 Micaz 를 사용하였다 . Micaz 는 센서노드와 기지노드
를 RF 통신을 이용하여 무선으로 데이터를 전송하기 위한 모
트로서 2.4 GHz, IEEE802.15.4 에 호환되고 프로그래밍보드
와 250 kbps 의 고속 데이터전송이 가능하며 TinyOS 1.1.7
이나 그 이상의 버전에서 사용 가능하다 . 또한 저전력 환경
에 적합한 8 MIPS 프로세서를 가지고 있기 때문에 전력은
3V 건전지를 사용이 가능하다 . 계측센서로부터의 발신된 데 이터를 센서모트에 전달해주기 위해서 본 연구에서는 그림
4 에서 나타낸 데이터 수집보드인 MDA300CA 를 사용하였다 .
그림 1. 대형 구조물의 유선 계측장면
그림 2. 무선센서네트워크 교량모니터링시스템 개념도
4. MDA300CA 데이터 수집보드 그림 3. Micaz 센서
MDA300CA 는 센서를 연결할 수 있는 아날로그 채널 (A0~A13)
과 디지털 채널 (D0~D5), 카운터 채널 , Relay 채널뿐만 아니
라 이외에도 외부 센서와 연결되어 센싱모트로 연결해 주는 역할을 할 수 있기 때문에 무선 저전력 장치 , 날씨 측정 시 스템 , 원격 프로세스조정 등의 응용프로그램에서 자주 사용되 고 있다 .
각 계측모트로부터 감지한 데이터를 수신 , 저장을 하는 베 이스 스테이션은 프로그래밍보드와 Micaz 모트로 구성된다 . 프 로그래밍보드는 센서모트에 어플리케이션을 설치할 때 사용 되며 , 본 연구에서는 그림 5 에서 나타낸 MIB510 보드를 사용
하였다 . MIB510 은 주컴퓨터 (host computer) 와 연결을 위한
RS-232 Interface 와 모트와의 연결을 위한 51 pin, JTAG 과
연결을 위한 10 pin 으로 구성 되어있어 베이스 스테이션으로
서 모트와 주컴퓨터를 연결해 주는 역할을 하며 전력은 5V
의 외부파워를 이용한다 . 그림 6 은 본 연구에서 구현한 무선 초소형 컴퓨팅센서 하드웨어 구성을 나타내고 있다 .
2.2 무선 초소형 모니터링시스템에 사용된 소프트웨어 모트운영체제는 센서네트워크 분야에서 널리 사용되고 있
는 TinyOS 를 사용하였다 . TinyOS 는 이벤트 발생에 의한 상
태천이방식을 채택한 운영체제로서 제한된 메모리 공간의 효 율적인 이용과 프로세싱의 동시성 (concurrency) 등을 지원하 여 센서네트워크에 적합한 운영체제이다 . TinyOS 의 응용소프
트웨어는 많은 요소들로 구성된다 . 그림 7 에서는 계측모트의
각 요소들의 관계를 나타내고 있다 . 그림에서 SamplerTestM
은 Main, 각 요소를 제어하는 SamplerTestM, 샘플링을 하
는 SamplerC, 시간에 관한 TimerC, RF 통신을 하기 위한
GenericComm, LED 사용에 관한 LedsC 요소들과 연계하여
동작하는 것을 알 수 있다 . 변위계와 연결된 전압 공급 장치
에서 전압을 인가하면 Main 요소는 사용할 요소들을 초기화하
고 StdControl.start 에서는 MDA300CA 의 모든 채널을 초기
화한 뒤 Sample.getSample 을 호출한다 . getSample 에서는 각
채널에서 전송된 아날로그 데이터를 ADC (Analog to Digital
Converter) 과정을 통해 디지털 패킷으로 변환한다 . 이때
ADC 에서 데이터가 준비된 경우 Sample.dataReady 가 호출되
고 패킷에 데이터가 가득 차면 SendMsg.send 를 호출하여
RF 통신을 이용하여 기지노드로 전송되며 전송이 완료되면
SamplerTest 의 sendDone 이벤트 핸들러가 호출된다 . sendDone
에서 전송에 실패하는 경우를 대비하여 패킷 재전송 기능을 구현하였다 .
본 연구에서는 전송된 데이터의 정확성 및 완전성을 확인
하기 위해 Oscilloscope 에서 사용되는 OscopeMsg 구조체를
만들어 TOS_Msg 의 페이로드에 적재하여 전송하게 된다 .
OscopeMsg 는 6 Bytes 의 헤더와 20Bytes 의 페이로드를 가진
다 . OscopeMsg 메시지의 헤더는 2Bytes 씩 사용하는 모트
ID, 마지막 샘플 수 , 채널 ID 로 구성되고 , 페이로드에는
그림 6. 무선 초소형 모니터링시스템 하드웨어 구성
그림 5. MIB510 보드 그림 7. 계측모트의 구성요소 관계도
2Bytes 씩 10 개로 나누어 사용한다 .
데이터 수집은 베이스 스테이션에 설치되어 Micaz 모트로부 터 메시지가 전송되면 이를 수신하여 호스트 PC 로 전송하는
역할을 하는 TOSBase 프로그램을 개발하여 사용하였다 . 베이
스 스테이션은 프로그래밍보드인 MIB510 보드와 TOSBase 프
로그램이 설치된 Micaz 모트로 구성되어 호스트 PC 와 연결되
어 있고 Serial Forwarder 인터페이스를 사용하여 호스트 PC 의
모니터링프로그램과 통신한다 . Oscilloscope 는 TOSBase 로부터
전송된 TOS_Msg 메시지를 모트 ID, 패킷번호 , 채널 ID 에
따라 화면에 출력하고 , 동시에 MySQL 로 데이터베이스에 저
장한다 . 데이터베이스에 저장할 데이터의 구조는 전송받은
OsopeMsg 타입의 메시지를 각각 2Bytes 의 크기로 나누어 int
형으로 저장한다 . 또한 데이터의 측정 시간 확인을 위해 저 장되는 시점의 시간을 저장한다 .
3. 실내외 실험 및 결과분석
본 연구에서는 개발된 무선 초소형 모니터링시스템의 성능 과 계측결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 아래와 같은 실내 및 실외 실제교량에 대한 정적 및 동적 실험을 통해 유무선 계측시스템의 계측결과를 상호 비교하였다 .
3.1 실내 실험
본 연구에서 실내 실험은 두께가 2 mm 인 강판을 이용하여
제작된 전체높이 2 m([email protected] m), 넓이 0.5 m, 폭 0.1 m 인 5 층 구조물을 사용하여 정적 및 동적 실험을 수행하였다 . 실험 구 조물의 구성요소는 크게 구조물부재와 센서로 분류할 수 있다 .
본 실험에서는 이 두 물리적인 구성 요소를 이용하여 실험 구조물이 외부하중을 받을 때 구조물의 각 부재의 실제 거동 을 수집하고 정적 및 동적 분석하였다 . 실내 실험을 수행하 기 위하여 구조물에 하중을 가하기 위한 가진장치와 이 때 구조물에 발생하는 변위응답과 가속도응답을 측정하기 위한 변위계와 가속도계의 위치 , 그리고 실내 실험에서 사용된 일 부 계측장비들을 그림 8 에서 나타내었다 . 그림 8 에서 볼 수
있듯이 가속도계는 구조물 기초윗부분의 위치부터 각각
0.2 m, [email protected] m 의 위치에 설치하였다 . 실험에 사용된 변위계
는 가장 많이 사용되고 있는 Tokyo Sokki 사의 CDP-50 변
위계를 사용하였다 . 이 변위계는 출력이 크고 안정성과 응답 성도 뛰어날 뿐만 아니라 취급이 간단하기 때문에 정적 실험 뿐만 아니라 동적 실험에도 사용될 수 있다 . 이 변위계의 제 원은 표 1 에서 나타내었고 가속도계의 제원은 표 2 에서 나타 내었다 .
정적 실험은 실험 구조물의 횡방향으로 정적 하중을 재하 하여 각 하중단계에 대한 변위응답을 측정하였다 . 데이터 수 집장비에 대해서 유선센서의 경우는 일본 Kyowa 사에서 개발
한 정적 및 동적 측정기인 EDX-1500A 를 사용하였고 무선
센서의 경우는 무선수신기를 노트북에 연결하여 실시간 측정
그림 8. 실내 실험 전경 및 계측장비
표 1. 사용된 변위계의 제원
Type CDP-50
Capacity 50mm
Rated Output 5 mV/V ± 01%
Frequency Response 6 hz Temperature Range Allowable
−10~60
oC Exciting Voltage Recommended < 2 V
Electrical Connection JR-9510(ø6 mm 0.3 mm
24-Core Shielded Vinyl Cable 10 m)
Weight 270 g
표 2. 사용된 가속도계의 제원
Type ARF-10A
Capacity 10 m/s
2Frequency Response 50 hz Temperature Range Allowable 0~ + 50
oC
Resistance 130
ΩExciting Voltage Recommended < 2 VDC
Electrical Connection
ϕ3 mm, 0.05 mm2 4-core shielded chloroprence cable 5 m
Weight 13 g
할 수 있도록 시스템을 구축하여 계측결과를 수집하였다 . 실
내 정적 실험에서 각 하중단계에 따른 변위응답 측정 데이터 는 표 3 에 나타내었고 무선센서 계측결과의 정확성을 확인하 기 위하여 실험을 통해 수집된 유선 및 무선센서 계측데이터 를 그림 9 와 같이 비교하였다 . 데이터의 비교평가 기준은 유 선으로 수집된 데이터는 정확하다고 가정하고 무선 센서로 수집된 데이터를 유선으로 계측된 데이터와 비교하는 것으로 하였다 . 표 3 또는 그림 9 에서 알 수 있듯이 무선으로 측정 되는 변위값은 유선으로 계측된 데이터와 약간의 차이가 발 생하였다 . 이 것은 센서의 계측데이터가 무선네트워크를 통해 송수신하는 과정에서 패킷손실과 같은 원인으로 인해 발생한 오차라고 판단된다 .
제 1 회 및 제 2 회의 동적 실험은 가진 장치를 사용하여 불규 칙적인 동적 하중을 가하였고 제 3 회의 경우 자유진동을 할 수 있도록 초기에 일정한 변위를 주어 실험을 실시하였다 .
동적 실험 시 모든 계측장비의 sampling rates 는 50 HZ 로 설정하여 실험을 실시하였다 . 실험을 통해 수집된 유선 및 무선센서 계측데이터의 비교방법 및 평가기준은 정적 실험과
같고 비교결과는 그림 10 에서 나타내었다 . 그림 10 에서 볼
수 있듯이 유선 및 무선 데이터의 파형의 형태가 전체적으로 유사하게 계측되었다 . 그러나 초기 데이터를 수집하는 단계와 측정의 끝부분에서는 두 데이터의 차이가 발생하는 것을 확 인 할 수 있었다 . 이러한 원인은 무선센서를 이용하여 데이 터를 실시간으로 수집하기 위해서는 계측데이터를 무선센서 의 데이터 패킷 송수신 규정에 맞게 암호화하는데 걸리는 시 간 , 데이터 패킷을 시리얼 포트를 통하여 데이터를 전송하기 위한 준비시간과 데이터를 전환하는 과정에서의 지체 등으로 인한 유선 데이터와의 차이가 발생하는 것으로 판단된다 . 그 림 9 와 그림 10 의 분석결과를 보면 실내 실험에서 유선 및 무선센서의 계측결과는 전체적으로 아주 유사하게 나타났다 .
이것은 무선센서로부터 수집된 계측값의 신뢰성이 비교적 높 다는 것을 의미한다 . 즉 , 본 연구를 통해 개발된 무선모니터 링시스템의 실내실험결과는 신뢰할 수 있다고 판단된다 .
3.2 실외 현장 실험
외부환경 영향에서 개발된 무선모니터링시스템의 현장 적 용성을 평가하기 위하여 실제 교량구조물에 대한 현장실험을 실시하였다 . 대상구조물은 그림 11 에서 나타난 것과 같이 전
체길이가 77 m 인 보도용 현수교로써 주탑사이의 지간이 42 m
이며 교량의 제원을 나타내면 다음 표 4 와 같다 . 이 교량에 대해 사람이 교량을 통과 시의 가속도를 측정하기 위하여 그 림 11 에서 나타낸 것과 같이 교량의 중심위치에부터 교량양
쪽의 주탑방향으로 2m 간격으로 하여 유선 및 무선가속도센 서를 설치하였다 . 유선계측장비는 실내 실험에서 사용된 유선 계측장비 외에 미국 PCB 사의 가속도계도 추가하여 같이 사 용하였다 . 실외 실험 시 사용된 유선계측장비는 그림 12 에서
그림 10. 실내 구조물에 대한 동적 실험결과 비교
그림 9. 실내 구조물의 정적 실험에 대한 유선센서 대비 무선센서의 오차율 비교 표 3. 실내 구조물의 정적 실험 변위 데이터
하중단계
1
회실험2
회실험3
회실험 유선(cm)
무선(cm)
유선(cm)
무선(cm)
유선(cm)
무선(cm)
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
1 0.1 0.11 0.12 0.13 0.22 0.2
2 0.24 0.25 0.3 0.31 0.35 0.32
3 0.4 0.40 0.46 0.46 0.55 0.55
4 0.62 0.58 0.71 0.7 0.71 0.69
5 0.79 0.77 0.88 0.85 0.91 0.89
나타내었다 .
실교량 현장실험을 통해 계측된 데이터의 신뢰성을 평가하 기 위하여 구조해석을 통해 대상교량의 고유진동주기와 모드형 상을 계산하였다 . 해석프로그램은 앞에서 사용한 프로그램과 같 은 LUSAS(London University Stress Analysis System) 프로그
램을 사용하였고 해석모델은 그림 13 에서 나타난 것과 같이
3 차원으로 모델링 하였다 . 모델링에서 교량의 케이블은 3 차원
비선형 보 요소를 사용하였고 행어는 3 차원 바 요소를 사용 하였으며 교량의 상부구조와 교각은 3 차원 보 요소를 사용하 여 모델링 하였다 . 모델링에 사용된 구성요소들은 표 5 에서 상세하게 나타내었다 .
그림 14 에서는 해석프로그램을 사용하여 고유치해석을 통
그림 11. 계측 대상 교량구조물 및 센서설치 위치 표 4. 대상교량의 제원
구분 제원
상부구조형식 현수교
(
보도교)
경간구성
17.5m +42m +17.5m =77 m
폭원
1.7m (
순수보도폭)
주요부재사용재료
주탑 □−
400×400×12
탄성계수:210GPa
주
beam H-200 ×200×8×12
탄성계수:210GPa
횡
beam [
−150×75×6.5 ×10
탄성계수: 210 GPa
주
cable 1×61 Ø34
도금종탄성계수
:100 GPa Hanger rod 7×7 Ø12
탄성계수:100GPa
그림 12. 실험에 사용된 유무선 계측 장비
그림 13. 실제 교량의 해석모델
표 5. 실제 교량 모델링에 사용된 요소의 구성
구분 요소명 설명
Cable BTS3 Thick Nonlinear Beam, 3
차원비선형보요소Hanger BRS2 3
차원Bar
요소Deck/Pier BMS3 Thick Beam, 3
차원보요소그림 14. 3차원 구조해석을 통한 실제 교량의 저차모드형상
그림 15. 유·무선센서로 계측된 데이터로 계산된 실제 교량의 모드형상
해 계산된 실교량의 모드형상을 나타내었고 그림 15 에서는
무선교량모니터링시스템을 사용하여 계측된 데이터를 Matlab
을 이용하여 코딩한 모드형상 계산프로그램에 적용하여 계산 된 교량의 모드형상을 나타내었으며 프로그램을 사용하여 해 석한 실교량구조물의 고유진동수와 계측결과를 사용하여 계 산된 교량구조물의 고유진동수의 비교결과는 표 6 에서 나타 내었다 . 본 현수교는 대칭교량일 뿐만 아니라 보도교로서 구 조물의 상부구조는 아주 유연한 교량이다 . 따라서 본 교량은 저차모드의 거동이 지배적이기 때문에 그림 14 에서는 교량의
저차모드의 모드형상을 나타내었다 . 4 차 및 5 차 등 고차모드 의 거동은 그림 16 에서 알 수 있듯이 3 차원 모드인 비틀림 모드를 가진 회전거동을 한다 . 유 , 무선계측장비로 실교량구 조물에 대한 계측 데이터의 비교그림은 그림 17 에서 나타내 었다 . 그림에서 알 수 있듯이 실교량구조물에 대한 유 , 무선
센서의 동적실험 결과는 아주 유사한 것을 확인할 수 있다 .
또한 표 6 에서 나타낸 것과 같이 실제 교량의 해석모델을 사용하여 계산된 고유진동수는 현장 실측 데이터를 사용하여 해석한 고유진동수와 아주 유사한 결과를 나타내었다 . 또한 유무선모니터링시스템으로부터 계측된 가속도를 그림 17 과 같 이 시간영역뿐만 아니라 그림 18 과 같이 주파수영역에서 대 해서도 분석을 실시하여 비교하였다 .
그림 15, 16, 17, 18 그리고 표 6 에서 나타난 것과 같이
교량의 모드형상은 프로그램을 사용하여 계산된 결과는 유 ,
무선센서로부터 계측된 측정값을 이용하여 계산된 결과와 동 일한 모드형상을 나타내었지만 , 계측데이터를 사용하여 계산 된 고유진동주기와 구조해석을 통해 얻어진 고유진동주기는 다소 차이가 발생하였다 . 이러한 원인은 유 , 무선계측시스템 은 현장에서 구조해석처럼 완전 이상적인 환경하의 계측결과 를 측정한다는 것이 불가능하고 또한 교량시공 중 사용된 건 설재료는 설계 시 사용한 재료의 성질과는 완전히 일치하지 못하며 교량시공 시 발생하는 오차와 센서 설치 시 발생하는 오차 등의 원인으로 이와 같은 오차가 발생하였다고 판단된 다 . 따라서 추후에 이러한 오차를 해결할 수 있도록 계속적 인 추가연구가 필요하다 .
4. 웹기반 교량모니터링시스템 구성
본 연구에서 교량모니터링시스템의 웹기반 데이터베이스를
구축하기 위하여 Microsoft 사에서 개발한 MySQL 를 사용하
였다 . MySQL 의 큰 장점은 명령어 실행속도가 매우 빠르고
풍부한 API 와 OS 를 지원한다는 것이다 . 따라서 실시간 모니 터링 동시에 웹 인터페이스를 사용하여 센서로부터 계측된 많은 데이터를 데이터베이스에 기록하는 기능을 구현할 수 있다 . 그림 19 에서는 계측된 데이터를 데이터베이스에 저장 하는 모습을 나타내고 있다 . 데이터베이스의 테이블은 어떤 모트에서 측정된 데이터인지를 식별하기 위한 Mote ID, 샘
표 6. 실제 교량구조물의 고유진동수
Mode
해석결과(Hz)
측정결과(Hz)
유선 무선
1 1.15 1.16 1.21
2 1.28 1.33 1.80
3 2.30 2.85 2.65
그림 16. 3차원 구조해석을 통한 실제 교량의 고차모드형상
그림 17. 교량구조물에 대한 유무선센서의 동적실험 결과 비교
플링 카운트를 위한 last Sample Number, 측정된 데이터의
종류를 구분하는 채널 , 실제 데이터를 저장하는 데이터 필드 와 데이터베이스에 저장되는 시간을 나타내는 타임스탬프로 구성된다 . 이때 저장된 타임스탬프는 웹기반 교량모니터링시 스템에서 각 시간대별로 교량의 상태를 감시하기 위해 사용 된다 .
위와 같이 센서에서 전송된 데이터는 데이터베이스에 취합 되어 메인 시스템에 모두 모이게 된다 . 메인 시스템은 전체 데이터를 통합 관리하며 이를 웹상에서 유지관리 할 수 있도 록 환경을 제공하고 , 도로상의 자동차나 보행자에게 정보를 제공한다 . 유지관리시스템이 웹언어로 구성되어 있기 때문에 웹기반으로 데이터를 송수신하며 , 이를 사용자 또는 관리자에
게 graphic 형태로 제공하여 모두 손쉽게 사용할 수 있다 .
이와 같은 웹기반 시스템은 모든 분야에서 사용할 수 있는
기술이며 현재는 객체지향적 개념을 적용하여 프로그램을 구 축하는 추세이다 . 객체지향적 언어를 사용하는 경향은 추후 시방서규정 등의 내용변경이나 추가로 인한 프로그램의 수정 이 필요할 경우에는 해당 객체 일부만의 수정을 요구하므로 소프트웨어 시스템의 유지관리가 용이한 장점이 있기 때문이
다 . 그리고 이를 위하여 사용된 컴퓨터 언어는 C, C++,
Fortran, LISP, Basic 등으로 매우 다양하며 , 최근에는 데이터
베이스와 사용자 편의 사항들을 위해서는 객체지향적 개념의 적용이 상대적으로 용이하고 확장성이 뛰어난 .NET 를 기반
으로한 C++ 언어를 사용한다 .
웹기반 교량모니터링시스템은 위와 같은 최근의 개발 기술
과 RDBMS, ASP 를 사용하여 개발한다 . 그림 20(a) 는 사용
자 PC 에서 웹기반 교량모니터링시스템의 실행한 화면이다 .
상단 부분에 여러 동작들을 제어할 수 있는 메뉴가 있고 , 화
면에는 선택한 노면이나 교량을 보여주게 된다 . 그림 20(b) 는
실제 노드들을 교량에 설치하여 감지한 정보를 데이터베이스 에 저장한 뒤 교량모니터링시스템을 통해 화면에 출력한 그 림이다 . 하단에는 센서 노드가 설치되어있는 위치와 실제 교량
의 사진이 있어 여러 센서들 중 특정 위치에 있는 센서를 선 택할 수 있어 교량의 특정 영역의 데이터를 수집할 수 있다 .
본 교량모니터링시스템은 IIS 와 ASP 를 사용하기 때문에 추
후 .NET Framework 등과 같은 차세대 기술을 사용한 효율
적이며 동적인 시스템으로 쉽게 확장될 수 있다 .
그림 18. 교량구조물에 대한 유무선센서 계측결과의 고유진동수 비교
그림 19. 데이터베이스 저장화면
5. 결 론
본 연구에서는 교량구조물의 유선모니터링시스템의 각종 단 점을 개선하기 위하여 유지관리의 편리성 및 경제성의 장점 을 가진 무선센서너트워크 환경의 웹기반 교량모니터링시스 템 개발에 대해서 설명하였고 개발된 무선교량모니터링시스 템을 실내 및 실외의 현장 적용실험을 걸쳐 계측된 결과를 유선시스템의 계측결과 및 수치해석의 결과와 비교를 통해 무선모니터링시스템의 적용성과 신뢰성에 대해서 평가하였다 .
위와 같은 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다 .
무선센서의 측정결과를 유선센서의 결과와 비교하여 무선 센서의 측정 데이터 신뢰성을 평가한 결과 유선과 무선 센서 의 위치에 상관없이 센서의 측정값이 유사한 경향을 나타내 고 있음을 알 수 있었다 .
유선센서와 무선센서로 계측한 값이 비교적 유사하게 나타 났지만 무선센서간에 패킷을 전송하는 과정에서 패킷손실이 발생한 것으로 나타났다 . 패킷손실이 일어나면 무선센서의 계 측 정확성이 떨어질 수 있기 때문에 패킷손실을 복원시킬 수 있는 패킷손실회복기법에 관한 연구도 동반해 수행해야 한다 고 판단된다 .
구조물을 해석한 결과값과 무선센서를 사용하여 현장에서 측정한 결과값과는 다소 차이가 발생하였다 . 이러한 원인은 해석은 대상 구조물의 설계도를 바탕으로 해서 이루어지지만 ,
현장 측정은 시공오차 , 센서 설치 시 발생하는 오차 그리고 유선 및 무선센서시스템으로부터 측정된 데이터들에 포함된 잡음 등으로 인해 두 값의 비교에서 차이가 발생하게 되었다 고 생각한다 . 따라서 이러한 문제점들을 해결하게 되면 한계
성을 극복하고 정확성을 한층 높인 교량의 모니터링시스템이 구축될 것으로 판단된다 .
교량구조물에 무선센서네트워크 기술을 적용함으로써 현재 많은 교량구조물에 사용되고 있는 유선모니터링시스템이 당 면한 문제점과 한계를 극복하고 장대교량에 대한 모니터링 또는 유지관리 효율을 증가할 수 있는 방안을 제시하는 점에 매우 큰 의의가 있다고 할 수 있다 . 그리고 향후 많은 센서 들이 연결된 무선모니터링시스템에서의 에너지 효율을 고려 한 라우팅 기법에 관한 연구도 진행하고자 한다 . 최종적으로 원거리 제어시스템을 구축하여 양방향 정보전달 시스템의 장
소적 제약을 완전히 탈피하고 Internet 상에서도 모든 정보를
관리할 수 있게 된다 . 따라서 이 모든 기술개발을 통하여 통 합된 무선센서네트워크 환경의 WEB 기반 교량유지관리시스 템을 완성시킬 수 있다 .
감사의 글
본 연구는 교육인적자원부 , 산업자원부와 한국산업기술재단
에서 시행한 산학협력중심대학 육성사업 지원으로 수행되었 으며 이에 감사드립니다 . 그리고 한국과학기술원 토목환경공 학과 구기영박사님과 강원대학교 전기전자정보통신공학부 정 인범교수님과 김윤교수님께도 감사의 말씀 드립니다 .
참고문헌
김정태
,
이진학,
윤정방(2003)
교량 건전성평가를위한스마트 계측및모니터링시스템.
대한토목학회 2003년도 정기학술발 표회,
대한토목학회, pp. 5504 -5509.
박총명
,
허난숙,
김동국,
서동만,
이좌형,
김윤,
정인범(2005)
센서네트워크를이용한교량안전진단시스템구현
.
한국정보처리학회 춘계학술발표대회 논문집
,
한국정보처리학회,
제12
권,
제
1
호, pp. 1511-1514.
이종재
,
이종원,
윤정방(2005)
상시진동데이터를이용한교량의 손상추정기법.
대한토목학회논문집,
대한토목학회,
제25
권,
제2A
호, pp. 375 -385.
최준성
,
이규환,
박수열,
김민식(2005)
토목구조물 모니터링을 위한무선계측시스템개발및실내외검증연구.
대한토목학회 2005년도 정기학술발표회
,
대한토목학회, pp. 2324 - 2327.
허광희
,
이우상,
이규,
이동기(2005)
구조물의동특성분석을 통 한스마트무선MAS
시스템의성능평가.
대한토목학회 2004 년도 정기학술발표회,
대한토목학회, pp. 351-356.
황경훈
,
윤원건,
이상우,
박성기(2006) CDMA
컴퓨팅 기술을 활용한대형교량의 유지관리를 위한계측,
모니터링시스템 개발연구.
대한토목학회 2006년도 정기학술발표회,
대한토목 학회, pp. 2370 -2373.
Analog Devices, http://www.analog.com.
http://mybox.happycampus.com/k2man/655784.
http://www.taeyo.pe.kr/lecture/1_beginner/aspbook1.htm.
http://www.microsoft.com/WindowsServer2003/IIS/Default.mspx.
J.P.Lynch, Y.Wang, A.Sundararajan, K.H.Law and A.S.Kiremidjian (2004) Wireless sensing for structural health monitoring of civil
그림 20. 교량의 웹기반 모니터링 시스템
structures. Proceedings of international workshop on integrated life-cycle management of infrastructures , Hong Kong, Decem- ber 9-11, pp. 1-11.
Silicon Designs, http//www.silicondesign.com.
William J. Palm (2001) Introduction to Matlab 6 for Engineers . McGraw-Hill.
Ying Lei, Anne S. Kiremidjian, K. Krishnan Nair (2005) Algo-
rithms for time synchronization of wireless structural monitor- ing sensors. Earthquake Engineering & Dynamic Structures , Vol. 34, pp. 555-573.
◎논문접수일
: 08
년09
월10
일◎심사의뢰일
: 08
년09
월11
일◎심사완료일
