박진오
(Jin-o Park)
1*
박상헌
(Sang-Heon Park)
2
안승주
(Sung-Ju An)
3
박원주
(Won-Joo Park)
4
김종훈
(Jong-Hoon Kim)
5
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. All rights reserved.
키워드
LoRa LPWAN, Mems 센서, 무선계측, 센서보드, 스마트센터노드, 유지관리, 장거리통신
Key words
LoRa LPWAN, Mems sensor, Wireless measurement, Sensor board, Smart center node, Maintenance, Long distance communication
1. 서 론
1.1 개 요
국내 고도성장기(1970년대 이후)를 기점으로 SOC시설물 이 대규모 건설되었으며, 최근 전국 도로 및 철도의 광역화로 인한 교량시설물은 매년 증가하는
추세이다. 교량건설 초기 에는 특별한 유지관리 전략 없이 발생한 손상에 대해 해당 부 재의 보수·보강·교체만 이루어진 실정이다. 하지만, 국내·외
발생한 참사 등으로 최근 안전에 대한 중요성이 대두되었으 며, 특히 교량의 유지관리는 사전에 수립된 전략을 바탕으로 효과적인 유지관리가 필요하다.
통상적으로 교량 구조물은 준공 후 20여년이 지나면서 유 지보수 수요가 증대되고 30~40년이 지나 개축을 고려한다면 10년 후 15%, 20년 후에는
절반 이상에 이를 것이라고 보고되 고 있다. (Fig. 1)
Fig. 1
Trend of increase in deteriorated bridges
최근 국도의 건설공사비 증가율은 지속적으로 감소하고 있으 며, Fig. 2와 같이 교량의 유지관리에 투입되는 비용 또한 20년 후 현재의 4배에 이를 것으로 분석되고 있다. 따라서, 신규 건설 뿐만 아니라 유지관리에도 보다
깊은 관심이 필요한 실정이다.
Fig. 2
Maintenance and repair of facilities annual market scale
위와 같은 노후교량에 대한 유지관리 대책으로 국내에서는 노후교량 유지관리 시스템 (Bridge Management System)을 운영하고 있으며,
BMS를 통하여 계측 DATA 자료의 저장, 정 기적인 점검 및 특수 점검을 통한 교량의 상태 및 수명에 대한 예측, 노후 교량의 보수·보강 방법의
결정, 교량 정보의 공유 등의 편의를 향상시키기 위한 네트워크 시스템 구축을 통하 여 전산화된 종합정보 시스템 운영이 이루어지고 있다.Fig. 3
효과적인 BMS기반 유지관리 시스템 운용을 위해서는 하드 웨어적인 설비의 유지관리 및 소프트웨어의 기술개발 등이 필 요한 실정이다. 하지만 국가 R&D
기술보고서에 따르면 한국 의 지능형 시설물 안전 및 유지관리 기술수준은 최고 기술보유 국 대비 76.2%(기술격차 4.3년)으로 나타났다.Fig.
4
Fig. 4
Imote2 Wireless sensor node Platform and SHM-A sensor Board
국내에서는 이러한 기술수준의 격차를 최소화 하기 위해 노후교량에 대한 다양한 BMS 시스템을 개발하여 운용중에 있으나, 국토교통부 이외에 지자체별로
관할 시설물에 대해 서 다양한 형태의 시스템을 개발하여 운영되고 있으며 해당 관리주체의 교류 및 시스템에 대한 공유가 이루어지지 않아 상호 비교분석을
통한 시스템의 신뢰성 검증이 어려운 실정 이다.(Kim, B.C. and Park K.T., 2015)Fig. 5
Fig. 5
Sensor Location of Jindo Bridge
위와 같은 관리시스템의 DATA의 수집 및 분석과정을 통 하여 생애주기비용(LCC), 교량의 열화모델 자료분석을 통한 상태등급곡선 등 다양한 결과를
기반으로 구조물의 안전을 판단하고 있으나, 아직까지는 국내에서는 교량의 성능평가에 대한 심도있는 선행연구는 이루어지지 않고 있다.Fig. 6
Fig. 6
Case of wireless measurement system
1.2 국내 교량 유지관리 현황
국내에서는 교량의 유지관리시스템이 1등급 교량 중심으 로 이루어지고 있으며, 대도심지(서울시 등)는 교량에서는 주 로 유선방식 유지관리 시스템을 구축하여
운영하고 있다.Fig. 7
Fig. 7
Industry using mems sensor
최근에는 국외(미국 등)의 MEMS 센서 및 자체 통신망 (Imote2 방식 등)을 활용하여 특수교 분야에 무선 유지관리 시 스템을 설치․운영되고
있다.
국내에 유선계측방식의 하나인 올림픽 대교의 경우, 가속 도계, 경사계 등 총 8개 종류가 계측 항목에 따라 설치 운영되 고 있으며 계측기기의 특징과
목적은 아래의 표와 같다.
국내에 무선계측방식의 하나인 진도대교의 경우, 2010 년 KAIST, 일리노이 주립대, 동경대 등의 국제 프로젝트로 추진 되었으며, 일리노이 주립대학교가
개발한 SHM-A(3축 가속 도계, 온도계, 습도계 포함), SHM-W(풍속계)와 IEEE 802.15.4 (Zigbee)기반의 센서노드 방식으로
운영되고 있 다.(Cho, S.J. et al., 2014)Table 1
Table 1
National technical level comparison
1.3 국외 교량 유지관리 현황
국외의 경우 SHM(Structure Health Monitoring) 개념에서 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 특히 교량의 최근 구축되 는 시스템은
WSSN(Wireless Smart Sensor Network)을 기반 으로 하고 있으며, 단위 센서당 비용은 급격히 감소하는 추세 이다. 최근에는
Intel이 개발한 Zigbee 기반의 Imote2 시스템 기반의 대규모 센서 네트워크 구축 사례들이 있다.Table 2
Table 2
Status of domestic bridge maintenance system
국외에서는 유선에 기반을 둔 모니터링 시스템의 높은 비 용을 낮추기 위한 방안으로 유선을 무선으로 대체하자는 이 론이 1996년 Straser에 의하여
처음으로 제시되었다. 최근에 는 물리 기반 센서에서 마이크로칩에 내장되는 MEMS (Micro Electro Mechanical System) 시스템으로
전환이 되고 있다. 이에 따라 센서의 대중화 및 생산업체 증가로 센서 가격 이 지속적으로 하락하고 있으며, MEMS의 신뢰성 또한 물리 기반 센서를
충분히 검증되어 적용되고 있다. MEMS센서를 활용하여 이미 토목을 제외한 다양한 산업분야(휴대폰, 자동 자전자부품, 전자제품 등)에 적용되고 있으며
최근에는 저비 용 저전력 MEMS센서를 활용하여 건설 인프라 시설물의 유 지관리 모니터링 핵심 기술의 하나로 활발한 연구를 추진하 고 있는 실정이다.Table
3
Table 3
Status of domestic bridge maintenance system
1.4 현황 분석 및 개선방안
1.4.1 국내 시스템의 문제점
기존 유선 유지관리 시스템의 경우, 광범위 모니터링도 가 능하나 단거리 DATA 전달에 따른 계측시스템 및 자동화 주 변기기가 많이 설치되어 교량
1개소당 설치되는 비용이 고가 이다. 또한, 유선 기반의 자동계측 시스템의 경우 센서 데이터 의 전달 및 수집을 위한 자동계측시스템의 구축에 비용이
많 이 소요되며, 유선 연결 및 상시전원 소요로 인해 설치, 운용 및 유지관리가 힘든 실정이다. Table 4
Table 4
Example of system construction using WSSN
무선 유지관리 시스템의 경우, 다양한 연구가 진행되어 Table 5와 같은 특징을 갖고 있으나, 네트워크 구성을 위한 신 규설치, 장거리 통신을 위한 통신방식의 한계가 있어 이러한 기술적인 개선을 위한 추가적인 연구가
필요한 실정이다.
Table 5
Existing maintenance system
1.4.2 개선방안
시설물의 사용성 및 최적의 보수․보강 시기 산정을 위해서 는, 기존의 개발된 유/무선 시스템이 기술적/경제적인 개선을 통하여 많은 교량에 적용할 수
있도록 효율적인 개선이 필요 하다. 경제적인 측면에서는 미들웨어의 설치간격을 최소화 하고, 기존 자가망을 활용(비면허 주파수를 사용)하여 통신사 용에
대한 비용을 발생시키지 않으며, 최소 전력사용을 통한 비용절감을 확보하여야 한다. 기술적 측면에서는 장기적인 외기조건에서의 내구성능을 갖으면서 무선통신에
갖는 Data noise를 최소화하고, 신뢰성 있는 Data 수집이 필요하다. 따라 서 본 연구에서는 Table 6과 같이 무선 센서 네트워크 교량관 리 시스템을 구현하기 위한 개선방안을 제시하였다.
Table 6
Technical improvement plan
위와 같은 기술적/경제적 개선을 위해 본 연구에서 적용된 통신방식 중에 하나인 LoRa LPWAN은 아래와 같은 특성을 갖고 있다.
-
(1) 무선 상용에 대한 제약이 발생할 가능성은 거의 없음 → LoRa LPWAN의 사용대역은 소위 ISM(Industrial, Scientific and
Medical) 대역으로 이 주파수 대역은 상 호 간섭을 용인하는 공동 사용을 전제로 하는 주파수 대역이나 LoRa 의 경우 최대 200mW 의 소출력이며,
co-channel GMSK rejection 등을 통해서 간섭을 최소 화 가능하다.
-
(2) 다양한 대역대가 함께 존재하는 네트워크 환경에서도 간섭의 효과를 최소화 → LoRa 통신의 경우 co-channel GMSK rejection을 통해
일반적인 노이즈, 간섭 신호의 레벨인 19.5 dB 이하의 신호를 수신하여 간섭의 최소화 구현 가능하다.
-
(3) Serving 기지국 없이 수신 가능→ 모든 기지국이 디바이 스 신호를 수신(Fig. 8)이 가능하고 Core 단에서 Best 수 신 기지국을 선택하는 방식으로 핸드오버가 필요 없다.
Fig. 8
LoRa multichannel diversity processing
이러한 기술의 형태는 기존 운용 중인 무선계측 시스템(진 도대교)과는 차별성을 갖고 있으며, 특히 유선계측시스템 대 비 정적,동적 데이터 수집기,
Serial converter, DAQ, Hub 등의 집합적 자동 계측 시스템이 불필요하여 대폭적인 자재비,설 치비 절감이 가능하고, 배터리 동작,
무선 통신기반으로 설계 에 계측 시스템이 반영되지 않은 노후 시설물에도 구축이 용 이하다. 또한 센서/센서노드와 기지국간의 개별 무선 통신으 로 계측
장애 요인 대폭 감소 및 운용률 향상 될 수 있다. 따라 서 기존 상용화된 유선계측시스템과 본 시스템의 적용방식에 대한 차이점과 특징을 Table
7 와 Table 8과 같이 제시하였다. (Kim, S.Y. et al., 2016)
Table 7
Existing wired instrumentation system
Table 8
LPWAN wireless measurement system
2. 본 론
2.1 LoRa LPWAN 방식 무선계측 장치 구성
본 연구에서 개발한 무선 계측 시스템은 LoRa LPWAN( Low Power Wide Area Network)을 기반으로 한 교량 케이블 의 장력
등을 실시간으로 모니터링이 가능한 스마트무선센서 네트워크(Wireless Smart Sensor Network,WSSN)로써, 본 연 구에서 제작한
MEMS 기반의 통합 센서보드 뿐만 아니라, 응력계, 변위계, 풍향풍속계 등의 기존 센서들로부터 계측한 데이터들도 수집하여 LoRa LPWAN 기반으로
무선 전송하 는 방식으로 구성된다.
2.1.1 센서보드
Fig. 9와 같이 센서보드에서는 MEMS 기반으로 소형화 가 능한 3축 가속도계, GPS, 온도계 센서 등을 탑재한 통합 센서 보드이다. 3축 가속도계의 경우,
정밀도와 노이즈 특성 등을 고하여, 교량의 구조건전성 평가에 적용 가능성 평가를 위해, 고가의 고정밀 제품과 저가 제품, 2가지 제품을 탑재하였다.
탑재된 3축 가속도계 센서에 대한 제원은 Table. 9와 같다.
Fig. 9
Measurement sensor board prototype production
Table 9
3-axis accelerometer specification
2.1.2 Smart sensor node
Smart sensor node는 계측 데이터의 수집 및 해석 및 게이트 웨이로의 무선 전송을 위한 보드로서 Fig. 10과 같이 설계 및 제작을 하였다.
Fig. 10
Smart sensor node prototype production
본 연구에 적용된 스마트 센서노드는 통합센서보드에서 계측한 가속도 데이터기반으로 케이블의 장력을 간접계산하 기 위해 FFT(Fast Fourier
Transform)를 수행하여 케이블의 고유주파수를 검출한다. 일반적으로 A/D 변환 과정에서 샘플 링 직후 양자화 시에 양자화 오차가 발생하고 이
양자화 오차 는 최종적으로 신호 복원시 잡음과 왜곡과 같은 효과를 주게 되는데, 의도적으로 필요한 나이퀴스트율(Nyquist Rate) 보다 더 많은
샘플링을 함으로서 주파수 영역에서 양자화 잡음을 넓게 퍼지도록 하여 같은 신호대잡음비(SNR) 하에서도 높은 해상력을 얻을 수 있다. 본 연구에서는
Fig. 11과 같이 센서보 드에서는 3축가속계로부터 250Hz 샘플링 레이트로 오버샘플 링하여 본 연구에 사용된 센서 (Analog Device사의 ADXL
355)에 내재된 필터 세팅을 통해 50Hz로 출력하여 Smart sensor node에 전달한다. 이후 일정시간(본 연구에서는 5분) 계측된 가속도
데이터는 FFT를 수행하고, 수행된 FFT 에 대 해서 자동 첨두 검출(Auto peak scan)을 적용하여, 1차, 2차, 3 차 고유주파수 값을
추출하여 LoRa 프로토콜에 따라 모듈레 이션 하여 전송한다.
Fig. 11
Step-by-step data processing plan
Smart sensor node에서 제작한 센서보드 이외의 기존 다양 한 계측기들의 계측 결과를 수집 및 전송을 위해 추가적인 입 력 단자를 마련하여
Smart sensor node 상에서 가공 전송할 수 있도록 설계하였다.
2.2 LoRa LPWAN방식 무선계측 시스템 구성
LoRa LPWAN 네트워크 시스템은 MEMS기반으로 계측가 능한 통합센서보드(3축 가속도계, 온도계, 경사계) 및 기존센 서를 Smart sensor
node에 연동시켜 LoRa 프로토콜의 패킷으 로 가공하여, Gateway로 전송된다. 수집된 데이터는 Gateway 에서 네트워크 서버로 전송되어
실시간으로 Data 수집 및 상 태파악이 가능한 시스템으로 구성될 수 있다. 또한 양방향 communication 방식이 가능하며, 주기적으로 센서
및 smart sensor node 의 진단 신호를 포함시켜 개별 센서 및 sensor node 의 유지관리도 용이하도록 시스템 구성을 하였다. (LoRa Alliance, 2015;LoRa Alliance, 2018)
2.3 LoRa LPWAN 네트워크 시스템 경제성 분석
2.3.1 개요
LoRa LPWAN 네트워크 시스템(Fig. 12)의 경제성을 비교 검토 하기 위해 국내 한강상에 설치된 유선계측시스템과 경 제성 검토를 수행하였다. 경제성 분석을 위해서는 국내에서 연구개발되었던
무선계측시스템 (Zigbee 방식의 진도대교 등)을 통한 분석이 되어야 하나, 시범설치를 통한 연구목적으 로 수행되어 아직까지 국내에서 상용화 및
대중적인 시스템으 로 발전되지 않아, 정확한 공사비용을 산출하기 위한 자료가 부 족하여 기존 무선계측시스템과의 경제성 비교검토가 어렵다.
Fig. 12
LoRa LPWAN wireless measurement system configuration
따라서 현재 국내 1등교 교량에서 운용중이고, 많은 설치가 되어있는 대표적인 유선계측 시스템과 경제성 비교 검토를 수행하였으며, 그중에서 대규모 유지관리
모니터링을 수행하 고 있는 한강상 교량의 제작설치 비용을 기준으로 하였다. 한 강상 11개 교량에는 279개의 센서(8종)로 원격계측 실시중이 며
교량당 평균 25개의 센서 부착되어 있다. 이러한 교량 중에 서 특수 목적이 아닌 일반적인 교량 유지관리가 되어 있는 암사 대교 유선계측 시스템을
기준으로 경제성 분석을 수행하였다.
2.3.2 검토기준
교량 유지관리 시스템에서는 크게 운용중/시공중 비용으 로 구분되고 운용중 비용에서는 계측센서 및 시스템, 자동화 장비, 설치비, 시운전 및 안전진단으로
나눠진다 . 시공 중 비 용에는 시스템 설치 단계별로 시운전에 대한 비용으로 구분 하였다. 이러한 항목별 기준으로 비용을 산출하였으며 기존 의 유선계측시스템은
서울시 한강교량 유선계측시스템 설치 사례 공사비(암사대교)를 토대로 산정하였으며, LoRa LPWAN 네트워크 시스템도 암사대교에 설치하는 기준으로
본시스템에 추가적으로 발생되는 장치 및 설치비용에 대한 항목을 추가하여 검토하였다.
또한 본 연구에서 개발되고 있는 통합 센서보드의 경우, 현 재 연구 개발단계이기 때문에 센서 비용에 대한 정확한 산정 비용이 어려워 기존 암사대교에
적용된 유선계측센서를 사용 하면서 센서 Data 값을 Smart sensor node에 USB hub연결을 통한 연결방식을 고려하여 설치를 기준을
산정하였다.
2.3.3 검토결과
암사대교 유선계측 시스템과 LoRa LPWAN 네트워크 시 스템에 대한 항목별 비용은 Table 10 과 Table 11에 보는 것과 같이 도출되었으며, 주요내용은 아래와 같다.
-
(1) 계측센서는 기존 유선 계측 측정설비와 동일하게 적용 되기 때문에 센서 발생 비용은 기존 유선계측시스템과 동일하지만 자동화 주변기기 측면에서 LPWA
센서노 드 제작을 위한 추가비용은 발생되지만 정적/동적 데이 터 자동화 및 부대시설 최소화로 약 44.3%의 비용절감 이 가능한 것으로 확인하였다.
-
(2) 설치비의 경우, LPWA sensor node 외 설치비가 발생되 나, 정적/동적 데이터 자동화 및 부대시설 최소화로 약 60.3%의 비용절감이 가능한
것으로 확인하였다.
-
(3) 시운전/안전진단/공사중 계측의 경우, 기존의 유선계측 시스템과 동일한 방법으로 수행되어 경제적인 절감효 과는 없는 것으로 확인하였다.
-
(4) 전체적인 공사비 측면에서 검토해본 결과, 기존 유선계 측 시스템 대비 LoRa LPWAN 네트워크 시스템을 적용 할 경우, 약 41%의 경제적인 절감효과가
가능하다는 것 을 확인하였다.
Table 10
Building cost of Amsa bridge measurement system
Table 11
LoRa LPWAN Sensor Network Building Cost
3. 결 론
LoRa LPWAN 네트워크 시스템은 비면허 무선통신을 이 용하고, MEMS 기반 통합센서를 통하여 Data 계측 및 기존 계 측센서의 무선통신을
구현한 시스템이다. 본 시스템은 기존 의 무선계측시스템 대비 장거리 통신과 기존망을 활용한 기 술적/경제적인 우수성을 갖고 있으며, 유선계측시스템
대비 시스템 구축장비의 최소화로 경제성 확보가 가능함을 확인하 였다. 향후, Lab Test 및 실제 구조물에 적용한 현장검증 등을 통하여 기술적인
신뢰성, 안전성 확보 방안이 추가적인 연구가 필요할 것이다. 본 연구에서는 LoRa시스템의 SOC시설물에 적용성은 분석하였으며, 경제성(상용화 된
유선계측시스템)을 검토한 결과 아래와 같이 도출되었다.
-
(1) 계측센서는 기존 유선계측시스템과 동일하지만 자동화 주변기기 절감으로 약 44.3%의 비용절감이 가능한 것 으로 확인하였다.
-
(2) 설치비의 경우 정적/동적 데이터 자동화 및 부대시설 최소 화로 약 60.3%의 비용절감이 가능한 것으로 확인하였다.
-
(3) 전체 공사비 측면에서는 기존 유선계측 시스템 대비 약 41%의 경제적인 절감효과가 가능하다는 것을 확인하였다.
LoRa LPWAN 네트워크 시스템은 기존 상용화된 유선계 측 시스템 보다는 경제적으로 우수하며, 유지관리 측면에서 도 개별센서 데이터 취합 방식으로
유지관리 및 운영적인 측 면에서도 우수하다. LoRa LPWAN 네트워크 시스템의 기술 완성도를 확보하여 향후 국내에서도 많은 교량에 설치가 된 다면,
교량의 유지관리 분야의 우수한 시스템으로 발전되고, 재난(지진 산사태 등), 환경(오염물 측정 및 관리 등), 플랜트 분야(화재 안전 등)에도 폭넓게
사용되길 기대한다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구 비 지원(18CTAP-C130248-02)에 의해 수행되었습니다.
Cho, S.J., Yun, C.B., Sim, S.H. (2014), Evaluation of Cable Tension Forces Using Vibration
Method for a Cable-stayed Bridge under Construction, Journal of the Korean Society
of Safety, Evaluation of Cable Tension Forces Using Vibration Method for a Cable-stayed
Bridge under Construction, Journal of the Korean Society of Safety, Vol.29, No. 2,
38-44. 10.14346/JKOSOS.2014.29.2.038, 29(No. 2), 38-44.
Kim, B.C., Park, K.T. (2015), Research Result Analysis of Performance-Based Evaluation
Techniques of Performance- Based Management and Operation for SOC Structures.
Kim, S.Y., Park, S.K., Choi, H.D. (2016), Wide Range IoT Technology and Standardization
based on LPWA, Eectronics and Telecommnications Trends, 95-106.
LoRa Alliance (2015), A Technical overview of LoRa and LoRaWAN, 8-11.
LoRa Alliance (2018), LoRaWAN 1.0.3 Regional Parameters, 53-57.