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과제기본정보

전기 임피던스 토모그래피를 이용 콘크리트 부재용 매크로-CT 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C157281-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 적용분야 건설업
2순위 전기·전자 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 환경 | None | None 과제유형 기초
과제명 전기 임피던스 토모그래피를 이용 콘크리트 부재용 매크로-CT 개발
주관연구기관 경기대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 윤세윤
소속 경기대학교(서울) 직위 조교수
전화번호 031-249-9710 FAX 031-244-6300
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-04-13 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 콘크리트 적용 EIT 모델 및 역해석 알고리즘: 콘크리트 재료에서 일어날 수 있는 표면저항 경계조건으로 규명하며 콘크리트 재료에 적합한 역방향 문제의 알고리즘을 개발함
○ 콘크리트 부재의 EIT 측정 기초기술: 측정 노이즈 발생을 최소화 방안을 도출하며 콘크리트의 EIT 측정 결과를 기반으로 전위 값 평가를 수행하여 오차 범위 최소화 및 전위값 안정화를 실시함
○ 콘크리트 EIT 모델 정확성 및 실험 안정성 평가: 채널 개수 및 배열에 따른 각 유산동 전극의 전위차 범위를 평가하며 모델의 적합성 검토 및 역해석 알고리즘의 정확성을 분석함
최종목표 ○ 콘크리트 구조물을 위한 매크로-CT 기술 개발
- 콘크리트 부재에 적합한 1차원 및 2차원 전기 임피던스 토모그래피 (EIT) 모델 및 알고리즘 개발
- 콘크리트 부재에 적용 가능한 EIT 측정 기술 개발
- 콘크리트 부재의 EIT 전위측정 평가 및 알고리즘 적합성 평가

○ 정량적 최종목표
- 콘크리트에 적용하기 위한 전기 임피던스 토모그래피(EIT)의 Forward 모델 및 역해석 알고리즘 개발 (목표정확도: 90% 이상)
- 콘크리트 부재의 EIT 측정 기초기술 개발 및 안정화 (측정 표준편차: 10% 이내)
- 콘크리트 부재의 EIT 모델 및 역해석 정확성 및 EIT 실험 전위값 안정성 평가
연구내용 및 범위 ○ 콘크리트에 적용하기 위한 EIT Forward 모델 및 역해석 알고리즘 개발 (목표정확도: 90% 이상)
- 의료용에서 사용하고 있는 원형단면의 Forward 모델은 콘크리트 부재에서 사용하고 있는 직사각형 단면에 적용할 수 없기 때문에 직사각형 단면을 위한 2차원 Forward 모델을 개발함.
- 콘크리트 재료에서 일어날 수 있는 표면저항을 전자기장 편미분 형태인 지배방정식인 라플라스 방정식에서 적절한 경계조건으로 규명함.
- 콘크리트 재료의 전기저항 분포는 도메인 안에서 다른 재료들의 분포를 보여주는 토모그래피로 변환될 수 있음. 이러한 전기저항 분포를 얻기 위해서는 전기전도율 분포를 얻어야 하는데 이는 2차원 Forward 모델이 전기전도율의 정보를 가지고 퍼텐셜 분포를 도출하는 것의 역방향 문제 (Inverse Problem)에 해당함. 따라서 역방향 문제를 도출하는 기존의 Gauss-Newton 방법 또는 Monte Carlo 방법을 이용하여 콘크리트 재료에 적합한 방법을 선택함.
- 해상도를 증가시킬 수 있다면 Markov Chain Monte Carlo 방법 및 Gauss-Newton 방법을 혼합하는 알고리즘도 수립하여 시도함.


○ 콘크리트 부재의 EIT 측정 기초기술 개발 및 안정화 (측정 표준편차: 10% 이내)
- 안정적 전위 측정값 확보를 위해 노이즈 발생을 최소화 방안을 도출하기 위하여 전기 임피던스 측정에 적합한 1) 전극의 종류 (테이프, 와이에머쉬, 필름 등) 그리고 2) 전극의 연결 방법 (부착식 또는 매립식)을 도출함.
- 직사각형 단면 콘크리트의 전기 임피던스 측정 결과를 기반으로 전위 값 평가를 수행한 후, 이 때 도출된 EIT 결과와 실제 시험체의 조건과 비교하여 오차 범위 최소화 및 전위값 안정화를 실시함.

○ 콘크리트 부재의 EIT 모델 및 역해석 정확성 및 EIT 실험 전위값 안정성 평가
- 다채널 다차원 EIT 신호는 각 채널들간의 자기장 상호 간섭으로 인한 노이즈 신호 세기가 증가할 수 있으며, 다차원 EIT 분석을 위해 다채널에서 측정된 전위차의 안정적인 유지가 필수적으로 요구됨.
- 콘크리트 부재의 2차원 EIT 실험의 타당성을 검토하기 위해 채널 개수 및 배열에 따른 각 유산동 전극의 전위차 범위를 평가함으로 실험의 적합성을 검토할 예정임.
- 2차원 Forward 모델은 1차원 Forward 모델식에 2차 항이 추가되어 지배방정식이 비선형화 되므로 비선형성 모델의 방향장 분석을 통한 Forward 모델의 적합성 검토 예정임.
- EIT 신호의 역 해석 알고리즘은 궁극적으로 EIT 이미지를 생성하는 중요한 단계로 실험실에서 정밀하게 조절된 시편의 정보를 바탕으로 EIT 이미지와의 비교를 통한 역 해석 알고리즘의 정확성을 분석함.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 기관별 개발 목표
- 주관연구기관(경기대학교): 라플라스 방정식의 해석법을 도출 및 1차원 Forward 모델 개발
- 공동연구기관(세종대학교): 콘크리트 부재의 EIT 측정 기초기술 개발
- 위탁연구기관(한국건설생활환경시험연구원): 1차원 EIT 신호 해석 절차의 적정성 평가

○ 주요 목표 내용
- 1차원 라플라스 방정식의 Forward 모델 개발
- 콘크리트 부재의 표면저항에 대한 수학적 경계조건 규명
- 직사각형 단면을 대상으로 하는 라플라스 편미분 방정식의 수학적 해석법을 도출
- 안정적 전위 측정값의 유도를 위한 전기 임피던스 측정 방안 도출
- 직사각형 단면 콘크리트의 1차원 전기 임피던스 측정 		○ 전기장 퍼텐셜의 지배방정식인 Laplace 방정식을 수치해석적으로 풀기 위한 Forward 모델을 개발
○ 표면저항이 일어나는 콘크리트 재료에서 이를 수학적으로 포함시키기 위한 경계조건을 규명
○ 콘크리트 부재는 의료용 EIT에서 사용하고 있는 원형이 아닌 직사각형 단면이 일반적이기 때문에 직사각형 단면을 대상으로 하는 라플라스 편미분 방정식의 수학적 해석법을 도출
○ 안정적 전위 측정값 확보를 위해 노이즈 발생을 최소화 방안을 도출하기 위하여 전기 임피던스 측정에 적합한 측정방식을 도출
○ EIT 측정용 장비를 사용하여 임피던스를 측정하고 그 전위값에 대한 평가
○ 직사각형 단면의 콘크리트 시험체에 대한 1차원 전기 임피던스 측정이 우선적으로 수행
연구성과 기술적 기대성과 ○ Macro-CT 이미지 구축을 위한 콘크리트용 멀티채널 임피던스 측정 모듈
○ 전기 퍼텐션 해석을 위한 Laplace 방정식 기반 Forward Model
○ 콘크리트 부재의 Macro-CT 이미지 구현을 위한 Gauss-Newton·Markov Chain Monte Carlo 다단계 해석 모델
사회 경제적 파급효과 ○ 노후 인프라 안전진단 관련 산업 발전의 가속화
○ 노후 인프라 보수·보강에 소요되는 사회적 비용 절감
○ 노후 인프라 구조물에 대한 사회적 불안감 해소
활용방안 ○ 현장적용이 가능한 구조용 부재 Macro-CT 탐지기술의 도입을 통한 노후인프라 구조물의 노후도 측정을 통한 안전진단에 활용함
○ 임피던스 측정에 기반한 Macro-CT 기술의 도입은 공장에서 생산되는 PC 및 PSC 부재의 결함을 제작시 탐지하여 구조용 부재의 품질관리에 활용될 수 있음
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 콘크리트 토모그래피 전기적 임피던스 역해석 라플라스 방정식
영문 Concrete Tomography Electrical Impedance Inverse Problem Laplace Equation
최종보고서
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