1. 개요

이 프로젝트에서 다루어진 문제는 광섬유 센싱기술(fiber-optic sensing technology)의 사용을 통해서 교통 인프라의 건전성(health)을 모니터링하고 관리하는 것과 관련이 있음. 이 프로젝트에서, 연구진은 광섬유 센싱기술이 구조적 건전성을 모니터링하는데 우수한 성능과 광범위한 능력을 제공할 수 있다는 것을 검증함. 연구진은 긴 길이의 교통 인프라의 모니터링을 위해 지점(point)과 분산된(distributed) 광섬유 센서(fiber optic sensors)에 대한 종합적인 성능 평가를 수행하였음. 이러한 연구노력에서, 지점과 분산된 광섬유 센서에 대한 검증이 실험과 현장 시험을 통해 이루어졌음. 준 분산된(quasi-distributed) 센서 네트워크와 분산된 센서를 사용한 구조적 건전성 모니터링 시스템이 현장 시험의 결과에 기반하여 설계될 것임. 연구진은 미국 캘리포니아 남부지역의 교통 인프라에 현장 시험을 수행하기 위해 캘리포니아 교통부(Caltrans) 공학자들과 협력할 계획임. 현장 시험 데이타는 미래의 시스템 설치를 위한 광섬유 센싱기술을 정당화할 목적으로 중요한 정보를 얻기 위해 검토되고 분석될 것임. 교통 인프라의 선택된 부분에 설치된 프로토타입(prototype)은 기술 및 디자인 검증을 위해 계속해서 구조적 정보를 수집할 것임. 교통 인프라의 모니터링과 관리에 사용되는 광섬유 센서 네트워크를 사용하는 시스템 디자인이 연구노력의 목표로 제안될 것임.

2. 소개

교량과 고가도로 안전의 향상은 중요한 우선사항이 되고 있는데, 이는 특히 미국 미네소타의 미네아폴리스 교량이 무너진 후 더욱 그러함. 이는 캘리포니아에서 더욱 그러한데, 캘리포니아의 잦은 지진은 서비스 중인 교통 인프라의 무결성에 대한 실시간 모니터링을 교통 유지관리팀에 긴급한 의제로 만듦. 경제적 요인들도 공공의 안전에 대한 니즈에 부합하는 기술의 채택에 필수적임. 비용 대비 효과적이고 혁신적인 기술은 세금납부자들에게 추가적인 부담을 지우지 않고 교량과 고가도로를 효과적으로 모니터링하고 관리하는데 필수적임.

교통 인프라의 모니터링은 현재 교통 유지관리팀에 의존하고 있음. 대부분의 인프라에 대한 계획된 그리고 주기적인 검사는 수동적이고 시각적으로 수행되는데, 이는 일반적으로 많은 시간이 소요되고 값비싼 절차임. 최근에 남가주대학(University of Southern California)의 Erik A. Johnson은 다양한 강성(stiffness) 및 감쇠(damping) 장치에 기반한 교량의 구조적 건전성 모니터링에 대한 접근방법을 제안하였음. 이 접근방법은 더 정확한 모수적(parametric) 교량 건전성 모니터링을 제공할 수 있음.

이 프로젝트에서 다루어지는 문제는 광섬유 센싱기술을 이용하여 교통 인프라의 건전성을 모니터링하고 관리하는 것과 관련이 있음. 장대교량(long-span bridge)의 건전성 모니터링 시스템에 사용되는 구조적 모니터링 센서의 대부분은 여전히 전통적인 변환기(transducer) 기술에 기반하고 있음. 세계에서 가장 긴 현수교인 일본의 아카시 카이쿄 교량(Akashi Kaikyo Bridge)은 지진계(seismometer), 풍속계(anemometer), 가속도계(accelerometer), 속도계(velocity gauge), 글로벌 위치시스템(global positioning system, GPS), 거더 모서리 변위계(girder edge displacement gauge), 질량동조감쇠장치(tuned mass damper, TMD) 변위계, 그리고 동적 모니터링을 위한 온도계(thermometer)를 사용함. 일반적으로, 장대교량 건전성 모니터링에 현재 사용되는 전통적인 센서는 만족스러운 정확도와 장기 측정의 안정성을 제공하지 않음. 예를 들어, 절대 변위(absolute displacement)를 모니터링하기 위해 아카시 카이쿄 교량에 사용되는 GPS는 세가지 제한사항이 있음: (1) GPS의 정확도는 교량의 건전성 모니터링 요구사항을 완벽하게 맞추는데 부적절함; (2) GPS는 교량 상판 아래 교각의 변위를 모니터링하는데 적합하지 않음; 그리고 (3) GPS는 안개가 많이 낀 환경에서 변위를 정확히 측정할 수 없음. 그러나 광섬유 센싱기술은 구조적인 건전성 모니터링에 대해 우수한 성능과 광범위한 능력을 가지고 있음.

광섬유 센싱기술의 사용은 교통 인프라를 지속적이고, 실시간이며 자동적으로 건전성을 모니터링할 수 있도록 함. 이 기술은 여러 장점을 가지고 있는데, 최소화된 고장시간(downtime), 재난적인 파괴의 회피, 그리고 유지관리 노동력의 감소를 들 수 있음. 게다가, 새로운 인프라 디자인은 스마트 구조물(smart structures)을 만들기 위해 광섬유 센서를 포함할 수 있음. 잘 개발된 광섬유 네트워킹 기술과 함께, 원격 레이저원(remote laser source)이 구조물내의 여러 장소에서 모수적 변화를 효율적이고 정확하게 탐지하기 위해서 신호원으로 사용될 수 있음. 탐지된 정보는 인프라에 대한 정밀한 구조적 정보를 얻기 위해 기록되고 분석될 수 있음. 요약하자면, 교통 인프라를 위한 광섬유 센서 모니터링 시스템은 공공의 안전을 매우 향상시킬 수 있고 낮은 운영비용을 가질 수 있음.

이 연구 프로젝트의 목적은 교통 인프라의 구조적 건전성과 무결성을 모니터링하기 위해 광섬유 센서기술을 사용하는 것에 중점을 두고 있음. 교량과 고가도로의 건전성을 실시간, 컴퓨터에 의해 자동화로 모니터링하는 것은 주요 대도시지역의 거주민들의 안전에 필수적임. 이 연구 프로젝트는 광섬유 센서기술을 교통 인프라 건전성 모니터링(transportation infrastructural health monitoring, TIHM)의 적용 가능성과 경제성을 연구할 것임. 이러한 사례에 광섬유 센서기술을 사용하는 것에는 여러가지 이점이 있음. 비파괴 평가자(nondestructive evaluator)로써의 기능뿐만 아니라, 광섬유 센서기술은 구조물의 개선된 디자인과 충분한 안전 관리를 재고할 수 있는 능력을 제공함. 게다가, 중앙의 모니터링과 평가 시스템은 기존의 광역 네트워크(wide-area network, WAN)을 이용하여 실행될 수 있음. 따라서, 구조물의 장기 노후화가 효과적으로 모니터링되고 평가될 수 있음. 마지막으로, 지진, 자연재해, 그리고 테러공격으로부터의 어떤 손상도 필요한 사후 조치를 위해 즉시 관찰되고 평가될 수 있음.

3. 연구방법

제안된 프로젝트의 전반적인 목표를 달성하기 위한 연구진의 접근방법이 이 절에서 기술되어 있음. 연구진은 장경간 교통 인프라의 모니터링에 지점 및 분산 광섬유 센서를 적용하는 것에 대한 종합적인 성능 평가를 수행할 것임. 다학제적 전문지식을 가진 연구진은 시스템 검증과 구조적 데이타 획득을 위한 현장 배치 및 시험을 수행하기 위해 캘리포니아 교통부과 협력할 것임. 캘리포니아 주립대학의 전기공학과와 토목공학과의 교수 및 학생들이 제안된 연구 프로젝트를 공동으로 수행할 것임.

준 분산 센서 네트워크를 실행하기 위해 처음으로 고려된 지점 센서는 파이버 브래그 그레이팅(Fiber Bragg Grating, FBG) 센서임. FBG는 단일 모드의 광섬유 속에 굴절지수(refractive index)의 주기적인 변화에 의해 만들어짐. 입력된 빛이 그레이팅을 통해 전파되고 광 파장(optical wavelength)이 브래그 조건을 만족하면, 최대 반사가 일어남. 반사광의 스펙트럼은 FBG 안의 굴절지수에 의해 결정됨. 광섬유에서 굴절지수는 변위와 온도의 함수이기 때문에 스펙트럼의 측정은 FBG 센서가 위치한 곳에서 변위와 온도의 변화를 나타낼 수 있게됨.

구조적 건전성 모니터링을 위해 센싱 부재로 사용된 FBG는 전통적인 전자기계적 변환기보다 우수한 민감도, 정확성, 그리고 응답빈도를 가지고 있음. 예를 들어, 변위 측정을 위한 FBG의 해상도와 정확도는 매우 높음. 추가로, FBG는 구조적 건전성 모니터링을 위한 다양한 센서의 디자인에 적용될 수 있음.

광섬유 분산 센서는 지속적이고, 실시간의 구조적 모니터링을 제공하는데, 이는 특히 지진이나 여진 발생시에 구조적 정보를 수집하는데 중요함. 이러한 상황에서의 측정은 구조 공학자들이 지진 피해에 대한 정보에 접근하고 수리에 대한 결정을 현명하게 내릴 수 있도록 함. 이 프로젝트를 위해 선택된 광섬유 센서의 분산 타입은 시뮬레이티드 브릴로인 스캐터링(stimulated Brillouin scattering, SBS)에 기초하고 있음.

SBS 센서는 변위와 온도를 독립적으로 측정할 수 있고 높은 공간 해상도를 가지고 있음. 측정된 온도 분산은 준 분산 센서 네트워크에서 센서의 각 위치에서의 온도를 검정하는데 적용될 수 있음. 왜냐하면 FGB도 온도에 민감하기 때문임. 온도 검정(temperature calibration)은 구조적 건전성 모니터링 시스템에 배치된 모든 센서(광섬유 및 전자기계적 센서를 포함)에 대해 필수적임.

프로젝트에서, 지점 및 분산 광섬유 센서의 검증은 연구소 및 현장 시험을 통해서 실행될 것임. 준 분산 센서 네트워크와 분산 센서를 사용하는 구조적 건전성 모니터링 시스템은 그후 설계되고 건설되며 현장시험을 위해 평가될 것임. 설계된 센싱 시스템에 대한 종합적인 시험은 롱비치 캘리포니아 주립대의 토목공학 연구소(Civil Engineering laboratory of California State University, Long Beach)에서 수행될 것임.

4. 결론 및 차후 계획

장대교량의 건전성 모니터링 시스템에 사용되는 구조적 모니터링 센서의 대부분은 여전히 전통적인 변환기 기술에 기반하고 있음. 광섬유 센서와 무선 센서의 개발에서 상당한 진보가 지난 십년간 이루어졌으며, 이들 중 일부는 현재 상업적으로 가용함. 광섬유 센서가 컨페더레이션 교량(Confederation Bridge)과 칭마 교량(Tsing Ma Bridge)와 같은 대규모 교량의 장기적인 구조적 건전성 모니터링에 성공적으로 적용되어 온 반면, 무선 센서는 여전히 기술 검증단계에 있음.

장대교량의 건전성 모니터링에 현재 사용된 일부 전통적인 센서는 정확성과 장기 안전성을 제공하는데 부족함. 광섬유 미켈슨 간섭계(fiber-optic Michelson interferometer)를 사용한 장기 게이지 변형센서(long-gauge deformation sensor)는 장기 안전성과 절대 변위량을 측정할 수 있어 이상적인 선택이 되고 있음.

FBG와 SBS와 같은 광섬유 센서는 높은 민감도와 정확도를 가지고 변위와 온도의 측정에만 적용됨: 하나는 준 분산 센서 네트워크를 실행하기 위해 사용될 수 있고, 다른 하나는 분산된 센서임. 광섬유 센서는 앞에서 언급된 이점들 외에 낮은 편차 전이(bias drift)와 높은 빈도의 응답과 같은 추가적인 이점을 가지고 있음. 변위와 진동 모니터링을 위한 전기 게이지는 일반적으로 편차 안전성과 유동적인 응답으로 인한 기술적 문제를 가지고 있는 반면, 광섬유 센서는 그와 같은 문제가 없음. 구조적 건전성 모니터링을 위한 광섬유 센서기술은 교통 인프라 모니터링을 위해 아직 폭넓게 받아들여지지 않았음. 광섬유 센서에 대한 연구개발은 변위, 변형 및 온도의 측정에 중점을 두고 있는 것처럼 보임. 다른 핵심적인 구조적 인자들에 대한 모니터링은 여전히 연구개발 노력이 부족함. 이 기술의 이점을 충분히 이용하기 위해서, 연구개발 노력이 다른 인자들에 대한 모니터링에 집중될 필요가 있음.

연구진의 차후 연구에서, 분산된 광섬유 센서의 검증은 연구소와 현장 시험을 통해 실행될 것임. 준 분산 센서 네트워크와 분산 센서를 사용하는 구조적 건전성 모니터링 시스템이 그 후 설계되고 건설되며 현장 배치를 위해 시험될 것임. 센싱 네트워크 디자인을 위한 완벽한 시험은 롱비치 캘리포니아 주립대학의 토목공학 연구소에서 수행될 것임. 연구진은 캘리포니아 남부지역의 교통 인프라에서 현장 배치 시험을 수행하기 위해 캘리포니아 교통부의 공학자들과 사전조율을 하였음. 현장시험 데이타는 미래 시스템에 대한 광섬유 센싱기술의 적합성을 평가하기 위해 중요한 정보를 얻기 위해 검토되고 분석될 것임. 선정된 교통 인프라에 배치된 프로토타입은 기술과 디자인 검증을 위해 구조적 정보를 계속해서 수집할 것임. 광섬유 센서 네트워크에 대한 디자인이 연구 노력의 최종 결과물로 제안될 것임.