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연구개발

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현장 적용을 확보한 디지털 영상기법 기반의 실시간 말뚝품질관리 S/W개발 연구

Table of Contents

개 요

1. 연구개발 필요성

   토목/건축 현장에서는 주로 말뚝을 시공하여 기초공사를 하는 경우가 많다. 말뚝기초는 크게 항타공법, 현장타설말뚝 그리고 매입말뚝으로 구분할 수 있다. 항타말뚝의 시공은 단순히 말뚝을 설계된 깊이까지 타입하는 것으로 원하는 지지력을 얻을 수 있다. 따라서 항타말뚝을 시공하는 경우 가장 중요한 점은 말뚝이 얼마나 관입되었는지 정확하게 평가하는 것이다. 이는 말뚝을 어떠한 에너지로 얼마나 관입 시켰는가에 따라 말뚝이 발휘할 수 있는 지지력이 결정되기 때문이다. 말뚝이 정해진 깊이까지 타입되지 않더라도 목표로 하는 지지력에 도달할 수 있고 정해진 깊이까지 타입되더라도 목표로 하는 지지력을 얻을 수 없는 경우도 있다. 따라서 말뚝이 관입되는 도중에 지지력을 확인하고 항타의 종료시점을 결정할 합리적인 항타관리 기준으로 말뚝의 최종 관입량을 측정하고 있다.

[그림] 기존 측정 사진

   최종항타시 관입량이나 주어진 관입깊이에 요구되는 타수의 측정은 오래 전부터 수작업에 의해 이루어져 왔는데 이러한 수작업에 의한 방법은 이상적인 환경에서의 측정이나 기록 즉, 작업내용을 충분히 이해한 작업자가 최대한 주의를 기울여서 작업자의 실수를 최소화하고 주관적 판단을 배제한 상태에서의 측정과 기록은 일반적으로 정확한 계측치를 준다. 하지만 계측 수단이나 방법 등에 대한 표준화된 기준이 없으며 항타관입량에 대한 기록이 시간에 따라 기록되지 않아 임의적인 기록작성이 가능해서 시공관리 측면에서 계측자료에 대한 객관성이나 신뢰성이 결여되기 쉽다. 다시 말해 현재 대부분의 현장에서는 말뚝의 최종 관입량 (리바운드량) 측정을 인력에 의한 수작업으로 하고 있으며, 이와 같은 방법은 작업자의 안전성, 측정범위의 한계, 주변의 환경적인 요인에 의한 오차가 발생하는 등 많은 문제점을 내포하고 있다. 기타 부분적으로 계측장비에 의한 방법들이 있으나, 고가의 장비를 이용해야 하며, 현장에서 계측한 데이터를 실내로 이동해서 해석을 해야 하는 번거로움이 있는 등 실시간으로 말뚝의 거동을 분석하고, 관리하는 기술은 아주 부족하다고 할 수 있다. 실제 말뚝현장에서 항타와 함께 말뚝의 시공품질을 판단할 수 있다면 보다 향상된 품질의 말뚝시공 및 관리가 가능해질 것이며, 공기단축의 효과도 기대할 수 있을 것이다. 또한, 최근 IT 기술의 급속한 발달로 고정밀도, 고화속의 디지털 카메라를 저렴한 가격으로 활용할 수 있어, 이러한 기술들 (사진계측 기술)을 토목현장에 접목할 수 있다면 보다 경제적으로, 그리고 정밀한 계측결과를 바탕으로 한 시공관리가 가능해 질 것이다.

2. 연구개발 배경

   최근 타 분야와의 융복합 기술이 주목을 받고 있으며, 실제로 급속하게 발전하고 있는 IT 기술 등을 토목기술에 적용하여 새로운 융복합 기술(분야)이 등장하고 있다. 본 연구에서는 최근 급속도로 발전하고 있는 기계, 제어, 전자, 통신, 전산 및 컴퓨터 분야의 최신기술을 토목구조물의 계측 및 유지관리 분야에 도입하여 실시간으로 말뚝의 품질을 모니터링할 수 있는 새로운 기법을 개발하고자 한다. 즉, 기존 말뚝 시공시 문제점으로 지적되어 온 시공품질향상의 측면에서 말뚝의 관입량, 리바운드량 등을 정확하게 평가할 수 있는 디지털 영상시스템을 개발하고자 한다. 또한, 전자 및 통신 기술 등을 활용하여 현장에서 실시간으로 말뚝의 품질확인이 가능하도록 시스템을 개발하고자 한다. 말뚝의 품질관리시스템은 다양한 말뚝 시공현장에서 활용할 수 있으며, 국내 기술력 향상, 현장시공 시 품질향상 및 원가절감 등에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 연구개발 범위

   본 과업의 디지털 영상기법을 활용한 말뚝 거동분석 및 시공관리가 가능한 실시간 말뚝 품질관리 시스템의 개발 중 말뚝품질관리 시스템 관리 및 평가 소프트웨어(S/W)를 개발하는 것으로 하며 세부 내용은 다음과 같다.

가. 현장 적용성 확보를 위한 시스템 성능 요구사항 분석

– 현장에서 적용 가능한 시스템 영상획득 속도에 대한 연구

– 현장에서 적용 가능한 외부 환경(조경, 진동) 등에 대한 연구

– 현장 조건에 따른 영상획득 최적 측정 거리에 대한 연구

– 항타 속도에 따른 항타횟수 산정방법에 대한 연구

나. 실현장 적용성을 확보한 실시간 말뚝품질관리 S/W 개발
– 현장에서 적용 가능한 영상분석 및 처리 절차 알고리즘 개발

– 현장에 적합한 계측 데이터 수집 및 전송 시스템 개발

– 현장에서 적용 가능한 카메라 렌즈왜곡 보정 및 초점거리 산정 기술 개발

– 실시간 말뚝품질관리 S/W 개발

다. 시공관리기법을 적용한 말뚝품질관리 시스템 개발

– 말뚝 항타 품질관리 기준 및 관리기법 개발

– 말뚝의 최종관입량, 반발량, 수직도(편타) 등 품질 측정기법 개발

– 현장 변위 측정오차 최소화 알고리즘 구현

– 실시간 데이터 분석기술 개발

– 말뚝품질관리 시스템 S/W 사용자 편의성 확보

실시간 말뚝품질관리 시스템 개발

1. 시스템개요
[그림] 시스템 개요도

   실시간 영상감시 및 계측시스템은 카메라 및 렌즈를 이용하여 영상정보를 획득하는 부분, 영상동기화 부분 그리고 획득한 영상 정보를 분석하여 변위를 산정하는 부분으로 구성된다. 영상을 획득할 때 중요한 부분은 두 개의 카메라를 통해 획득하는 영상이 동시에 촬영된 영상이어야 한다. 이렇게 영상을 동시에 획득하는 과정을 동기화라고 하며 동기화에는 소프트웨어를 동한 동기화와 하드웨어를 통한 동기화로 구분된다. 소프트웨어 동기화는 소프트웨어에서 카메라에 동기화 명령을 전달하는 것으로 영상을 획득하는 방법이다. 하지만 소프트웨어에 의한 동기화는 정확한 시간간격으로 명령을 전달할 수 없고 두 개 이상의 카메라인 경우 소프트웨어의 특성상 명령을 동시에 전달하는게 불가능하다. 이러한 이유로 하드웨어 동기화가 필요하다.

2. 영상 획득 시스템

   영상정보를 획득하기 위한 장치중에서 CCD카메라는 본 시스템에서 말뚝의 변위량을 실시간 영상 정보를 얻기 위한 핵심적인 장비이며 영상의 품질에 따라서 시스템의 성능이 좌우되기 때문에 성능이 우수한 장비일수록 좋다. 장비의 성능에 대한 항목으로는 CCD의 화소수와 카메라의 FPS(frame per second)가 있다. CCD는 카메라의 필름에 해당하는 장치로 클수록 많은 광량 정보를 담을 수 있다. FPS는 카메라가 초당 촬영할 수 있는 이미지의 개수를 나타내는데 FPS가 클수록 영상을 촬영하는 간격이 좁아지므로 말뚝의 변위를 더욱 자세하게 측정할 수 있다. CCD와 FPS는 영상의 품질과 비례관계가 있다.

[그림] CCD 카메라

   획득한 영상을 분석하기 위해서 영상을 컴퓨터로 전송해야 하는데 전송인터페이스로 GigE(Gigabit Eithernet)를 사용하였다. Gigabit Eithernet은 흔히 사용되는 Eithernet Protocol중 가장 최신 버전이라고 할 수 있습니다. 기본적으로 컴퓨터 네트웍에서Eithernet의 속도는 10Mbps 또는 100Mbps 입니다. 이런한 속도는 Streaming Data나 Machine Vision에 응용되기에는 너무 느립니다. 2005년에 시작되어 2006년부터 본격적으로 활성화 되기 시작한 Gigabit Eithernet은 최고속도 1000Mbps 즉 1Gbps의 속도로 Image Data도 충분히 네트웍에서 다룰 수 있는 환경을 제공하게 되었습니다. 이전에는 영상을 획득하기 위해서 프레임 그레버를 사용하였지만 GigE를 사용하면 단순히 네트웍에 연결하면 된다. 따라서 카메라의 개수에 맞추어 그래버를 준비할 필요가 없어 카메라의 개수가 증가함에 따라 별도의 그래버를 사용함으로 인한 비용을 줄일 수 있다. 즉 여러대의 카메라을 컴퓨터에 별도의 장비추가 없이 연결할 수 있다.

3. 영상 동기화 시스템
[그림] 영상동기화 장치

   카메라로부터 영상을 획득하기 위해서는 카메라가 자동으로 영상을 획득하여 전송하는 방법, 트리거를 사용하는 방법 그리고 정해진 속도로 전송하는 방법이 있다. 두 대이상의 카메라로부터 영상을 분석하기 위해서는 영상의 동기화가 보장이 되어야 한다. 동기화가 되지 않으면 영상을 동시간대에 획득하지 못하기 때문에 말뚝의 변위를 제대로 측정할 수 없다. 동기화 방법으로는 트리거를 사용하며 트리거의 종류로는 소프트웨어트리거와 외부트리거가 있다. 그중에서 가장 신뢰할 수 있는 동기화 방법으로는 외부트리거를 사용하는 방법이다. 본 연구에서 사용하는 카메라는 외부트리거 신호를 받아 영상을 전송해주는 기능이 있다. 신호는 5V TTL 구형파를 사용한다. 트리거 신호를 발생시키기 위해서 신호발생기를 사용하였다.

4. 영상분석 시스템

   두 대의 카메라로부터 영상을 획득하면 획득한 영상에 대해서 영상처리를 통해서 타겟의 위치를 파악하고 파악된 위치와 카메라의 정보를 이용하여 사진측량을 실시하여 타겟의 이동위치를 찾아낸다. 타겟의 이동궤적은 차트를 통해서 실시간으로 확인이 가능하다.

[그림] 타겟의 이동궤적
5. 영상분석 및 처리 시스템

   본 시스템에서 영상획득 장치를 통하여 획득된 영상을 수치영상기법을 통하여 영상을 분석하여 처리하는 영상분석 및 처리 절차는 다음과 같다.

[그림] 영상분석 및 처리 절차
6. 실시간 전송 및 데이터 분석

   실시간 말뚝품질관리 S/W에서 영상데이터를 전송받기 위해서는 그림 1.8의 영상획득 흐름도와 같이 영상획득부에서 연결설정과 연결명령을 영상데이터 분석 소프트웨어로 전송하면 영상데이터 분석 소프트웨어에서 연결과 영상획득 명령을 다시 영상획득부로 전송한다. 현재 상태로 영상획득부와 영상데이터 분석 소프트웨어간의 연결은 이루어진 상태이다. 실시간 말뚝품질관리 S/W에 영상데이터를 제공하기 위해서는 영상획득부의 소프트웨어에서 서버작동 명령을 수행하여 획득된 영상을 전송한다.

[그림] 영상 데이터 흐름도

   영상획득 흐름도에서 보는바와 같이 좌측과 우측 영상 획득장치와 데이터 분석부에 설치된 실시간 말뚝품질관리 S/W 간의 원격제어 및 직접통신으로 영상 획득장치의 CCD 카메라와 Camera Interface Control Module, Data Transfer socket Module의 기능을 제어하여 영상데이터 분석 소프트웨어뿐만 아니라 실시간 말뚝품질관리 S/W 로 영상을 전송할 수 있도록 설정하여 영상 획득 장치로부터 CCD 카메라로부터 획득된 영상을 직접 확인하고 영상의 위치를 수정할 수 있도록 한다.

7. 실시간 말뚝품질관리 S/W 개발

   디지털 영상기법을 활용한 말뚝품질관리시스템은 말뚝의 항타시 발생하는 각 종 정보의 획득과 이전에 획득된 정보와의 비교를 통해 말뚝의 변위량을 즉각 판단함으로써, 말뚝 항타 관리를 효율적으로 실시하기 위하여 본 과업에서 개발하고자하는 실시간 관리 시스템이다. 말뚝품질관리시스템에 적용할 영상처리 및 분석 프로그램에 일반적인 사항은 다음과 같다.

[그림] 영상처리 및 분석절차

   디지털 카메라에서 획득한 영상데이터를 받아서 영상 처리작업을 먼저 수행한 후 처리된 영상과 모델로 설정된 영상을 서로 비교하면서 영상에서 찾고자 하는 모델이 존재하는지를 탐색한다. 탐색에 의해서 얻어진 결과를 사진측량해석모듈을 이용하여 측량결과를 얻을 수 있다.

   원영상은 디지털 카메라를 이용하여 얻는데 모델탐색을 용이하게 하기 위해서 컬러영상을 그레이 영상으로 변화 시키거나 영상의 잡음을 제거하기 위해서 이미지 프로세싱 작업을 수행한다. 물론 모델에 대한 이미지 프로세싱 작업도 수행을 한다. 일반적으로 컬러의 영상을 가지고 해석하는 것보다 그레이 영상에 대한 해석이 컬러에 비해서 시간적으로 유리하다. 다음으로 이미지 프로세싱에 의해 생성된 수정영상과 영상에서 찾고자 하는 모델의 위치를 알아낸다. 모델 탐색과정을 통해서 얻어진 결과와 디지털카메라의 위치와 회적 등에 대해 기본정보 그리고 렌즈에 대한 정보를 이용하여 사진측량 해석모듈을 이용하여 앞서 찾아낸 모델의 공간상의 위치를 결정하게 된다.

현장실험

1. 현장개요

   개발된 실시간 말뚝 품질관리시스템의 현장 적용성을 평가하기 위해서 현장실험을 실시하였다. 실험장소는 경기도 고양시 대화동에 위치한 한국건설기술연구원내 빌딩신축공사장에서 실행되었다.

[그림] 실험장소
2. 실험조건

   말뚝과 카메라의 거리와 초점거리를 고려하여 기지점 간격이 12.5mm인 타겟을 선정하였다. 측정간격은 50Hz 간격으로 설정하였으며 항타에 의한 주변 진동을 흡수하기 위해서 삼각대에 방진고무판을 끼우고 계측을 실시하였다.

[그림] 말뚝항타시험 장면
3. 실험결과

   말뚝의 최종관입량을 측정한 결과가 다음 그림과 같이 나타났다. 말뚝의 수직방향으로는 한번의 항타에 의해 대략 10mm 정도씩 관입을 하였으며 3차원으로 변위를 계측한 결과 리바운드량까지 구할 수 있을 정도의 정확도를 가지는 것으로 나타났다. 본 실험이 50Hz로 실시하였으므로 현재 가능한 최대 샘플링 간격이 약 100Hz 정도 이므로 이보다 자세한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 본 현장에서는 말뚝 항타에 의한 진동이 카메라에 크게 영향을 주지는 않는 것으로 보인다.

[그림] 말뚝 관입량 측정 결과

참고자료

   개발 관련 세부내용은 아래의 문서를  다운로드하여 참고하시기 바랍니다.

현장 적용을 확보한 디지털 영상기반의 실시간 말뚝품질관리 SW 개발 연구

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