디지털센서 기반 노후교량 모니터링시스템 개발

기존 아날로그 센서 1:1 배선

디지털 센서 직렬 방식 연결

[정보통신신문=성원영기자]

오는 2030년까지 전체 교량의 절반 이상(51.3%)이 사용 연수 30년 이상에 해당하는 노후 교량이 될 것이라는 한국건설산업연구원의 전망이 나왔다. 특히, 2023년 성남시에서 30년이 경과한 정자교가 붕괴하는 사고가 발생하면서, 노후 교량의 안전성을 확보하기 위한 실시간 모니터링 시스템 구축의 필요성이 커지고 있다.

이러한 가운데, 최근 박상기 한국건설기술연구원 수석연구원을 비롯한 국내 연구진은 ‘디지털 센서 기반 노후 교량 상시 모니터링 시스템 개발’ 논문을 공개해 눈길을 끌었다.

국토교통부는 지난 2021년부터 노후교량, 3종시설물, 안전등급 C등급 이하의 교량에 대해서 사물인터넷(IoT) 센서 기반의 계측시스템을 구축하는 사업을 추진하고 있다.

국내연구진은 논문을 통해 “IoT 센서의 통신, 시간동기화 및 상시전원 공급 등의 문제로 인해, IoT 센서의 활용과 데이터 획득에는 한계가 존재한다”고 밝혔다.

이에 따라, 연구진은 아날로그-디지털변환기가 내장된 디지털 센서와 신호케이블의 직렬 체인연결 기술을 활용한 구성 방식을 통해 현장 설치를 매우 간소화할 수 있는 모니터링 시스템을 고안했다.

기존 아날로그 계측 센서는 데이터를 취득하는 데이터 수집장치까지 개별적으로 1:1 신호케이블을 배선해야 한다.

또한, 아날로그 신호의 특성상 배선된 케이블 특성, 길이, 상태에 영향을 받을 수 있으며, 외부 환경에 의한 신호에 노이즈가 유입되기 쉬워 데이터 품질이 저하될 수 있다.

따라서, 국내 연구진은 케이블 배선 문제와 전송데이터의 제약 문제를 해결하기 위해 디지털 센서를 사용하고 버스(bus) 통신방식을 적용해, 다수의 센서를 직렬 연결하는 방식을 제시했다.

버스 통신방식이란 여러 센서를 단일 데이터 경로로 연결해 효율적인 통신을 가능하게 하는 기술이다.

이와 함께, 신호 케이블 배선을 최소화하면서 유연성을 높이기 위해 센서 간 직렬연결 시 데이지 체인(daisy chain) 방식을 적용했다.

데이지 체인 방식이란 여러 장치를 순차적으로 연결하는 방식이다.

해당 시스템에서 하나의 케이블 라인으로 직렬 연결된 여러 디지털 센서의 데이터는 통신 중계 모듈에서 취합돼 제어기로 전송된다.

이러한 시간동기화는 원활한 데이터의 비교·분석을 위해 필요한 과정이다.

한편, 국내연구진은 디지털 센서의 활용성을 검토하기 위해 성능시험을 진행했다.

성능시험은 기존에 사용돼 오던 아날로그 센서와 디지털 센서를 같은 위치에 설치한 다음, 선형가변변위변환기(LVDT)가 직접 측정한 데이터와 비교하는 방식으로 실시됐다.

LVDT는 기계적인 움직임을 전기신호로 변환해주는 장비로, 무언가가 얼마나 움직였는지를 전기로 읽을 수 있게 만들어주는 센서다. 높은 정밀도를 갖췄으며 하중 센서, 로봇 제어 등에 사용된다.

성능시험 결과, 디지털 센서는 정적 시험의 경우 3.0% 이하, 동적 시험의 경우 10% 이하의 오차 범위로 측정됐다. 이러한 결과를 바탕으로 국내연구진은 “디지털 센서를 사용해 현장에서 교량의 처짐 측정이 충분히 가능하다는 것을 확인했다”고 밝혔다.