A Study on the Development of Safety Inspection Method in Underwater Structures Using a High Resolution SONAR

Abstract

교량의 안전진단 및 유지관리는 그동안 내구성 및 내하성에 집중되어 왔으나, 실제 교량피해의 원인의 대부분을 차지하고 있는 홍수 시 기초세굴에 인한 교량 피해예측 및 저감에 대한 연구와 투자는 미흡한 실정이다. 특히, 교대와 교각 기초는 일반적으로 땅속에 위치하고 있어, 상부구조와 같이 직접 육안조사를 통한 안전성 판정은 어려움이 크다. 또한, 현재 국내에는 수중점검에 대한 전문 인력이 부족하다. 즉 토목기술자(안전점검 교육이수자)이면서 잠수자격을 동시에 갖춘 기술 인력이 매우 부족하여 전문 수중구조물 안전점검이 거의 불가능한 실정이다. 잠수점검은 점검시기가 제한적이고, 점검자의 안전사고 등 수중점검조사의 애로사항이 매우 크므로 첨단 수중 조사장비를 이용한 교량 수중구조물의 점검이 요구된다.

따라서 본 연구는 Raw Data의 주관적인 판단 오류를 해결하기 위한 수중 구조물의 결함 패턴 인식 개발과 세굴의 정확한 평가를 통하여 교량의 전반적 안정성 평과를 위하여 소나 데이터를 이용한 세굴 심도 측정 기법 연구를 진행하였다. 또한 기존에 발생되는 RAW DATA의 해상도 증진과 왜곡 보정을 위하여 고해상 소나 DATA를 위한 해상도 증진 기법 및 알고리즘 연구와 자이로 센서를 활용한 수중 구조물 결함의 영상정보 왜곡 보정 기법 연구를 수행하였으며, 연구 결과는 다음과 같다.

첫째, 소나를 이용하여 획득한 데이터에서 이미지 파일을 축출하여 흔들림 보정기법을 통한 왜곡된 영상을 보정하고 영상정보처리 기법을 통하여 Raw Data의 해상도 증진효과를 얻는다.

둘째, 소나를 활용한 교량의 세굴 평가기법은 듀얼 소나를 이용하여 하상을 스캔한 뒤 DATA를 취득한다. DATA상의 세굴 심도를 측정하여 보정식에 대입하고 보정된 세굴 측정 값을 설계 근입깊이와 비교하여 실제 근입심도를 구할 수 있다.

셋째, 고해상의 DATA를 얻기 위해서는 상황에 따라 촬영 기법이 달라져야 한다. 이론적 측정 방법과 실제 측정 범위가 다르다. 수심과, 구조물과의 거리, 방사 각도를 조절 하여야만 정확한 데이터를 획득 할 수가 있다. 현장 경험으로 축적된 DATA를 이용하여 3가지 변수의 상관관계를 다중 회귀분석을 통하여 아래와 같은 식을 도출 하였다.

넷째, 보트 운전자의 운전 미숙이나 파랑에 의해 Rolling and Pitching으로 인한 흔들림으로 영상이 왜곡되어진다. 왜곡된 정보는 수중구조물의 정확한 손상파악이 어렵다. 따라서 자이로센서를 이용하여 소나의 각도 변화량을 축출하고, 카메라의 흔들림 보정기법을 응용한 영상보정 기법을 적용하여 이러한 문제점을 해결하였다.

다섯째, 기존 소나 시스템의 Transducer 위치 및 제어 방법 등을 교량 수중점검에 적합하도록 수정이 필요하다. 기존에 있던 기구부 장치에 대하여 실험을 통하여 도출된 문제점 및 단점을 개선된 기구부의 설계를 수행하였다.

여섯째, 원활한 소나 영상 Data의 작업을 위하여, 소나를 이용한 수중점검 통합 소프트웨어 및 후처리 소프트웨어를 개발하였다. 후처리 소프트웨어 영상처리/병합에 사용된 Mosaic 알고리즘, 개발된 소프트웨어의 GUI 환경 및 간단한 작동방법을 나타내었다. 또한 고해상 소나를 이용한 수중구조물 안전진단 시스템을 제안하여, 기존 안전진단 기법에 비해 주관적 판단 보다 DB를 기반으로 한 객관적인 손상 파악이 가능하며 조사자의 안전성과 점검 기간의 단축으로 경제성 확보하였다. 또한 장기적으로 수집된 영상데이터를 점진적으로 DB화하여 구조물의 현재 상태 및 손상정도를 장기적으로 모니터링이 가능하며, 구조물의 상태를 추적관리 하는데 활용되는 자료로 이용 가능하도록 하였다.

우리나라의 건설은 1960년도 초에 태동하여 사회 인프라 시설물이 대규모로 건설되었기에 현재는 20～40년 경과된 시설물이 많고 시간의 경과와 더불어 노후화 되는 정도는 더욱 빨라지고 있다. 특히, 교량의 경우 일반적으로 안전점검 및 정밀안전진단은 주로 상부구조 위주로 안전성 검토가 수행되고 있고 교량 하부구조의 안전성 평가에 대해서는 지침 또는 시스템에 대하여 그 내용이 없는 실정이다. 이에 현장에 적은 시간과 인력을 투입하고 객관적이며 정략적인 새로운 수중구조물의 유지관리시스템이 절실히 요구되어 본 연구를 수행하였으며 효용성과 적용성을 충분히 검증하였다. 향후 더욱 정확한 판단을 위한 DB 확보가 필요하며 보다 정밀한 2M급 이상의 소나 장비의 연구 개발이 필요로 하다.