1. 구조물 모니터링 시스템의 현황과 과제

1-1 모니터링 시스템 적용 이미지

안전하고 안심할 수 있는 사회를 실현해 나가기 위한 새로운 인프라로, 토목 구조물의 모니터링 시스템 개발을 하나의 대상으로 한다. 모니터링 시스템은 대상물에 센서를 설치하고 왜곡, 진동 등의 물리량을 장기간 측정하고 분석하여 물체의 상태 변화를 파악하려고 하는 것이며 지금까지 많은 연구 개발이 이루어지고 있으며 일부 인프라 관리 현장에서는 이미 다양한 형태로 활용되고 있다. 토목 구조물의 모니터링 기술의 적용에 있어서는 적용 대상과 필요성, 효과를 고려한 다음 알맞은 기술을 추출하는 것이 중요하다.

 

1-2 최근 모니터링 시스템의 적용 사례

(1) 교토 자동차 도로(PRC 교량)

[실시 목적]

- 대형 보수를 실시한 PRC 교량의 통행 여부를 판단하기 위한 장기 모니터링

[실시 기간]

- 2007년 8월 ~ (10년간)

[시스템 개요]

- 교량 상하부에 설치된 각종 센서에 의해 교량 전체 및 개별 개소의 변위, 손상의 발생을 연속적으로 측정, 측정 데이터는 교량의 현지 계측실에서 축적 처리하고, 인터넷으로 관계 기관(하천국도사무소, 토목학회, 시공회사)에 전송하는 방법으로 장기 모니터링을 실시 중.

[관리자의 방식]

- 모니터링 과정에서 이상이 확인된 경우에는 현지에서 임시 점검, "모니터링 및 평가위원회"의 검토를 근거로 통행 여부를 도로 관리자가 판단한다.

(2) JR 도카이도 신칸센 2교

[실시 목적]

- 파단 검지선을 이용한 강교의 피로 손상 모니터링 기법의 개발(정기적인 육안 검사를 보완하는 시스템 개발)

[실시 기간]

- 2003년도 ~

[시스템 개요]

- 피로 균열 발생의 가능성이 있는 모든 곳(플레이트 전면 용접부, 수직보강재 상하단부 등)에 검지선을 부착, 검지선 파단 정보를 제어반을 통해서 메일로 구조물 관리자에게 통보하는 시스템.

[관리자의 방식]

- 정기적인 육안 검사를 보완하여 강교의 피로 손상을 조기에 발견(정기적인 검사에서 놓칠 위험 회피)하는 시스템으로 시험 시공을 실시

(3) 슈토고속도로 (3호선ㆍ4호선ㆍ중앙 순환선)의 3교

[실시 목적]

- 실시간 교량 원격 감시 시스템 개발

① 지진 : 피해 상황을 즉시 파악(통행 여부 판단)

② 상시 : 중량 초과 차량의 모니터링

③ 자산 관리의 기초 자료로 활용 방안 검토

[실시 기간]

- 2007년도~ 2008년도

[시스템 개요]

- 스트레인 센서, 변위 센서, 기울기 센서, 영상 센서를 광섬유 통신망으로 관리 센터와 네트워크화, 교량의 장기 모니터링을 실시.

 

1-3 그 동안의 대처에서 보는 과제

센서 및 시스템의 특성과 교량에 발생하는 변형의 특성과 적합성에 대한 고려 사항이 부족함

- 사전에 다리의 변형 발생위치를 파악할 수 있을까?

- 측정 지표, 측정값에서 다리의 변형을 정확하게 잡아낼 수 있을까?

- 센서 및 시스템의 수명은 적합한가?

 

2. 구조물 모니터링의 새로운 조류

최근 들어 지금까지 연구 개발 및 현장 적용 경험을 토대로 각종 센서 기술과 전자 태그 기술의 진보와 함께 구조물 관리의 문제의식에 근거하는 모니터링 시스템 개발에 대한 도전이 시작되었다. 아래 소개하는 시스템은 모두 관리자가 철도 구조물이나 도로 구조물을 효율적이고 안정적으로 유지해 나가는 것을 관점으로 기술 개발이 진행되고 있는 것으로 향후 시스템 확장에 도움이 되는 초기 과제라고 할 수 있다.

2-1 (재)철도종합기술연구소에서 개발 중인 구조물 헬스 모니터링

JR그룹의 철도사업 7사의 부담금에 의해 운영되고 있는 (재)철도종합기술연구소에서는 철도구조물의 유지 관리 업무의 지원, 특히 콘크리트의 열화 및 강재의 부식 피로 등의 각종 변형의 검사 진단의 정확성과 확실성의 향상을 목표로 IT를 도입한 "구조물 헬스 모니터링 시스템"의 개발을 종합적으로 추진하고 있다.

(1) 상시 모니터링 시스템

① 큰 지진으로 손상이 집중되기 쉽고 내진보강공사에 의해 육안에 의한 손상 파악이 곤란해지고 있는 철근콘크리트(RC) 라멘 고가교의 손상 정도를 부재의 측정 장치(피크센서) 및 RF-ID(Radio Frequency Identification) 태그 또는 Zig-Bee 무선으로 모니터링하는 시스템

② 육안에 의한 검사가 불가능한 지중부재(기초 및 지중보)의 손상 수준을 콘크리트에 매설하는 손상감지센서(스트레인 게이지)와 수동형 RF-ID 태그에 의한 모니터링 시스템

③ 하천 범람 시 교각 기초의 안정성의 저하 상태를 교각의 고유진동수를 측정함으로써 파악하여 교각 기초의 안전성을 평가하는 시스템

(2) 상시 감시 체계(육안 검사의 보완 도구)

① 강교의 누적피로 손상도를 반영구적으로 설치하는 FBG(Fiber Bragg Grating)센서와 현지 운반형 측정기를 사용하여 모니터링하는 시스템(효과는 크지만 비용이 높기 때문에 신칸센 등의 교량을 대상으로 연구 개발)

② 전도성 표면 물질의 단선에 의한 피로분열의 발생을 초기에 발견하고 식별 정보를 특정 무선과 압전 소자로 발신하여 통행 열차에 의해 수집하는 시스템(비용이 비교적 저렴하여 일반적인 교량을 대상으로 연구 개발)

③ 피로분열이 발생한 직후에 전도성 표면 재료를 도포하고 보수 보강을 실시하는 한편 분열의 정도를 모니터링하는 시스템

④ 터널의 균열이나 내공변위 센서(균열계와 전도성 도료) 및 액티브형 RF-ID 태그를 활용한 무선 계측에 의한 모니터링 시스템

⑤ 비바람이나 열차 통과시의 압력 변동. 열차 진동에 의해 발생하는 역사 등 철도 건축물(마감재)의 손상을 센서(압전소자)로 모니터링하는 시스템

 

2-2 (주)네쿠스코 동일본 엔지니어링에서 개발중인 "꿈 시스"

"꿈 시스"는 고속도로 구조물(교량, 터널, 표지, 조명 등)의 유지 관리에 필요한 다양한 센서를 설치하고 센서에서 얻은 데이터를 IC 태그를 이용하여 수집ㆍ업데이트ㆍ전송하는 시스템으로 주행하는 차량으로부터 이상 개소를 특정할 수 있어 점검의 효율화, 손상 및 열화의 예측과 조기 발견 등에 사용할 수 있는 시스템을 목표로 기술 개발이 진행되고 있다.

① 현장 도로 관리 업무를 전제로 한 다양한 자료 수집 방법

- 광케이블에 의한 데이터 수집(정기 통신, 이상시 통보), 80km/h 주행 도로 순찰 차량에 의한 데이터 수집

- 도보 검사에 의한 데이터 수집

② 액티브 IC 태그 활용 시스템

- 도로 관리, 도로 관리 업무 지원자, 대형 지진시의 조사단(학계) 등 다양한 주체가 데이터 공유를 위한 유비쿼터스 네트워크가 구축 가능, 80km/h 주행의 도로 순찰 차량(액티브 IC 태그의 활용)

- 도보 검사(수동 IC 태그의 활용)

③ 새로운 아이디어와 민간 기술의 활용

- 고속 주행 중에도 데이터 수신 가능한 유리필름ㆍ안테나 개발

- 교량이나 표지판 기둥, 조명 기둥의 진동(저주파수)에서 전력을 만회하는 환경 발전이 가능한 "발전 기능이 있는 지진 센서"개발

 

3 구조물 모니터링 시스템의 개발 방향

3-1 기술 개발이 부진한 원인과 해법

■ 구조물 관리자

- 요구하고 있는 기술을 모른다.

- 요구하고 있는 정도를 모른다.

- 어떤 상황에서 사용하는지 모른다.

■ 요구는 이해하고 있다고 생각하지만

- 요구되는 정밀도가 너무 높다.

- 포기한다.

- 소량 향상으로 좋은 것을 모른다.

■ 사회적 영향 효력에 대하여

- 얼마나 사용하여야 받을 수 있는지 모른다.

- 어떻게 도움이 되는지 모른다. (제시가 요구되는 기술 개발 요구 사항)

■ 요구의 의도를 명확하게 한다.

- 무엇을 위해, 언제, 알고 싶은가?

■ 필수 요구 수준을 명시한다.

- 어떻게, 얼마나 정확하게 얼마나 비용이 필요한가?

■ 사회적 욕구를 표현하는

- 얼마나 사용되어야 하는가?

 

3-2 구조물 관리 "위험"을 재고한다.

① 대형 재난의 위기관리 (Crisis Management)

대규모 지진이나 테러 발생 등 유사시에 있어서는, 그 사건 발생 직후, 관리자로서 구조물의 이상 유무 정도를 신속하게 파악 판단하고 "통행금지" 등 초기 대응을 실시해야 한다. 그러나 지진 등의 발생 후 구조물 긴급 순회 검사는 육안 검사로 확인을 하는 실정이며, 구조물의 현황 파악에 많은 시간을 필요하고, 야간 등 구조물 검사는 정확한 상황 파악이 곤란해지고 있다. 예를 들면, 교각의 천단에 설치된 가속도 센서로부터 고유주기의 변화에 따라 교각의 피해 정도를 확인하는 시스템 등 조기에 교통통제나 2차 재해에 의한 위험 회피를 목적으로 교량(교각)의 지진 후에 검사를 신속화하고 육안 검사에 의존하지 않는 정량적인 상황 파악이 가능한 지진시 교량 모니터링 기술의 개발이 요구되고 있다.

② 대상 구조물을 중점화 (네트워크 관리)

구조물 모니터링을 적용할 우선순위에 대해서는 "개별 구조물의 안정성" 관점뿐만 아니라 "별도 구조물의 안정성"과 "네트워크 기능의 확보" 쌍방의 관점으로부터 생각해 나가는 것이 필요하다. 특히, 구조물의 건설연대, 설계시 적용 기술 기준, 보수 보강 이력, 최근 점검 결과, 해당 지점의 지진 기록, 지반 현황 등의 데이터를 기반으로 과학적인 분석을 함께 교통 우회 도로의 유무 등의 노선의 중요도를 고려하여 우선적으로 모니터링을 실시하는 노선 구조물을 선정할 필요가 있다.

③ 예기치 못한 상황을 가정한다.(장애 허용)

사회 자본의 정비에 있어서는 항상 의외의 사건이 발생할 수 있음을 인식해야 한다. 구조물의 유지 관리도 지금까지 경험하지 못한 대규모 지진은 충분히 발생할 수 있으며, 또한 구조물의 구성 요소(부자재) 전체가 항상 100% 잘 작동하는 것은 아니다.

④ 문제가 있는 구조물을 확인(추적)

구조물(또는 각 부재)을 언제 어디에서 조달하고, 어디에 시공했는지 각 사업자들이 개별적으로 기록하고 이것을 추적할 수 있는 정보 기반을 공통의 인프라로 서비스하고 유지하기 위한 구조물의 기록이 분명하며, 문제가 발생하면 대상 구조물의 신속한 확인하고, 체크 보수의 실시 등이 가능하다. 또한, 구조물의 가장 대책도 효과를 기대할 수 있으며, 관리자와 사용자 모두에게 큰 혜택을 기대할 수 있다.

⑤ 인적 오류를 방지하기

순찰차에 의한 일상 점검에서 문제 발생시 긴급 일제 검사, 육안에 의한 정기 검사에 이르기까지 구조물 검사 있어서는 항상 인적 오류(체크 누설 또는 조작 실수 등)가 발생 얻는다. Fool Proof는 인간이 실수로 잘못된 작업을 수행해도 위험하지 않거나 정상적인 작동을 방해하는 일이 없도록 설계 단계에서 안전 대책을 세워 유지 개념으로, IC 태그를 이용한 구조물의 검사 시스템을 구축함으로써 구조물에 첨부하는 IC 태그의 구조 디자인 정보, 보수 보강 이력, 이전 검사 결과 등을 읽고, 점검 항목 및 평가 지표의 타당성 등을 검토하는 것으로, 인간의 오류 방지, 적절한 검사 실시를 예상 할 수 있다.

⑥ 부속물을 모니터링 (대상 확대)

표지판 등 부속물의 붕괴로 인한 사고 사례가 증가하고 있다. 따라서 감시 대상을 구조물(교량 및 터널)에서 부속물(간판, 조명 등)까지 확대하고, 기둥 구조물을 대상으로 응력이 집중하기 쉬운 용접 리브와 상단부분에 센서를 설치하고 금속 피로와 부식 등을 측정할 수 있는 모니터링 시스템을 구축할 수도 있다.

⑦ 시공 단계를 모니터링

IC 태그를 활용한 구조물의 경영 시스템이라는 넓은 시각에서, 자재 관리 및 품질 관리 등 시공 단계로 시스템의 적용(유지 관리 및 다른 분야에 적용)도 생각할 수 있다. 예를 들어 철강을 취급하는 기업의 현품 관리에서 출하, 입고, 재고 정리, 가공 등의 육안으로 하던 작업을 초소형 IC 태그 및 태그에 기록된 ID 정보를 읽을 비접촉의 리더에 의한 확인 작업으로 전환하여 작업의 대폭적인 공수 절감과 효율성, 정확성을 향상시킬 수 있다.

 

3-3 시스템을 제도 설계

(1) 2가지 시스템 개발

① 인프라 ID 관리 시스템

미국 NBI(국가 교량 자산 데이터 시스템)를 참조하여 토목 구조물을 비롯한 국내 주요 사회 기반 시설을 대상으로 통일 포맷으로 ID 번호 부여와 유비쿼터스 기술(IC 태그 기술)을 통한 정보 네트워크를 통해 사회 인프라의 정보를 공개하고, 고도의 유연성 및 다양한 이익 활용 환경을 제공. 가정 인프라 ID 관리 시스템(National Infrastructure Inventory System)의 구축을 목표로 한다.

② 센서 탐지 시스템의 고도화 일반화

센서 기술 및 데이터 전송 기술에 관해서는 이미 민간 주도로 다양한 활동을 전개되고 있다. 센서 기술 및 데이터 전송 기술 개발에 있어서, 센서의 정확도 향상 및 관련 기기의 비용 절감, 수명, 소형 경량화 등이 중요하다. 그리고 먼저 기존 기술의 활용을 전제로 구조물 관리자의 요구를 바탕으로 전체 시스템을 설계하는 노력이 요구되고 있다.

(2) 사례 연구 실시

사회 자본 관리 분야에서 새로운 시스템을 도입함에 있어서는 장소와 기간을 제한하고, 구조물 관리 등 시스템 이용자와 함께 시행하는 "사례 연구"가 불가피하다. 이것은 새로운 시스템의 과제와 효과 등을 본격 도입하기 전에 파악하는 것을 목적으로 한다.

(3) 혁신을 유도하는 제도 인프라 구축

새로운 시스템의 도입으로 사회적 자본 관리 분야의 혁신을 유도하기 위해서는 센서와 IC 태그 등의 기술 개발(=하드)뿐만 아니라 지적 재산권 문제와 책임 역할 분담, 보안, 법률의 정비에서 사회의식의 양성에 이르기까지 다양한 사회 구조(=소프트웨어)를 기술 개발과 함께 구축 해 나가는 것이 필요하다.

(4) 국가 전략으로 대처

도로를 비롯한 사회 자본의 정비 업데이트는 국가 경제지지기반 자체이다. 그러므로 이것에 이바지하는 시스템 개발은 국가 전략으로 정부가 주도하고, 같은 구조로 연구 개발에 종사해야 한다.

 

3-4 앞으로의 발전 방향

IC 태그와 ID를 활용한 사회 자본의 경영 시스템(구조물 감시 시스템)을 실현해 나가는 데에 필요한 것을 정리하였지만, 가장 중요한 것은, 유비쿼터스 정보 사회를 향한 차세대 구조물 처리 방식에 관한 전략을 수립하며, 구조물을 관리하는 공적 주체가 중심이 되어, 요구를 통합할 수 있는 연구 개발 체제를 조속히 구축하고 전략을 가지고 시스템 개발에 임해가는 것이다.

 

▣ 원문제목 : 土木構造物のリスクマネジメントとインフラ․イノベ"-ション

 

▣ 원문의 주요목차*********************************************************************

1. 구조물 모니터링 시스템의 현황과 과제

2. 구조물 모니터링의 새로운 조류

3. 구조물 모니터링 시스템의 개발 방향