A Fundamental Study on Structure Health Monitoring System Based on Energy Harvesting of Harbour Structure

자가발전기반 항만 구조물 건전성 모니터링 시스템에 대한 기초연구

Abstract

Purpose: The purpose of this paper is to present a basic study on the development of a self-generation infrastructure for monitoring the health of harbour structures. Method: By developing a self-generation system and fiber optic sensors for seawater, the study provides basic research data on port structure health monitoring. Result: Through sunlight simulation analysis, 4-5 hours of sunlight can be secure in the domestic environment. Through this, the optical splitter (Introgate) that collects the raw data from the FBG sensor applicable to seawater, the MCU that calculates it, the IoT module with wireless communication functionality, the monitoring server and the supply system are set up. Conclusion: Monitoring port structures directly with fiber optic probes (FBG) and the possibility of using selfpowered systems were confirmed.

연구목적: 본 논문은 자가발전기반을 통한 항만구조물의 건전성 모니터링 시스템 개발에 대한 기초연구이다. 연구방법: 자가발전 시스템 개발 및 해수용 광섬유(FBG)센서 개발로 항만구조물 건전성 모니터링 시스템 구축에 대한 기초연구 데이터를 제공한다. 연구결과: 일조량 시뮬레이션 분석을 통해 국내환경에서 4-5시간의 일조량 확보가 가능하며, 이를 통해 해수적용이 가능한 광섬유센서의 Raw 데이터를 수집하는 광분배기(인트로게이터), 수집된 데이터를 연산하는 MCU와 무선 통신기능이 탑재된 IoT 모듈, 모니터링 서버부로 송신하는 Gateway로 구성된 장치에 대한 전원공급이 가능한 시스템을 구축하였다. 결론: 광섬유(FBG)센서를 통한 항만구조물의 직접적인 거동에 대한 센싱 모니터링 구축과 이를 위한 자가발전시스템 적용의 가능성을 확인하였다.

서론

우리나라 항만시설의 25% 이상 1960~1970년대 개발된 것으로 항만시설물의 노후화가 빠리게 진행되고 있다. 기존 항만 시설물은 ‘항만법(법률 제18701호)’과 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법(법률 제17946호)에 의한 안전점검 및 유지관리를 시행되고 있지만, 대부분 육안조사를 통해 실행되기 때문에 주관적 견해가 반영되어 비정량적, 비일관적인 진단결과로 이에 대한 신뢰성을 낮추는 요인이 내포될 수 있다. 최근에는 전기식 센서 기반 시스템을 적용함으로써 시설물에 발생하는 변화를 계측하여 이를 기반으로 객관적 데이터 기반의 안전성을 평가하고 있다. 하지만 전기식 센서를 이용한 항만시설물의 변화 계측의 경우, 해양환경 영향으로 부식 등의 내구성 저하가 야기되어, 항만시설에 대한 장기계측이 어렵고, 전원공급을 위해 육상전원공급설비 배전반으로부터 긴 연장의 전선과 가설보호대 설치 등 어려움이 있다. Fig. 1은 이러한 항만시설물에 적용되는 전기식 센서의 문제점을 나타낸다(Park et al., 2018).

Fig. 1. Corrosion of sensors due to exposure to marine environments

이러한 문제점의 개선 방안으로, 항만시설물의 FBG센서(Fiber Bragg Grating)을 이용한 계측방식이 도입되고 있다. FBG 센서는 전기식 센서에 비해 부식에 대한 저항성이 뛰어나고, 전자기장에 의한 간섭을 받지 않으며, 케이블 하나에 여러개의 센서 연결이 가능한 특징이 있다. 또한, FBG센서의 경우 센서 개별적인 전기공급이 불필요로 해양환경에 대한 적용이 용이하다(Murawski et al., 2012). Fig. 2는 광섬유 변형률 센서의 변위 측정구조를 나타낸다.

Fig. 2. FBG strain sensor measurement structure

본 논문에서는 상기된 문제점의 개선 방안으로, 해수용 FBG센서를 이용한 항만구조물 건전성 모니터링 시스템을 구축하였고, 자가발전을 통해 데이터를 수집하는 광분배기(인트로게이터), 무선 통신기능이 탑재된 IoT 모듈, 모니터링 서버로 데이터를 송신하는 Gateway로 구성된 장치에 대한 전원공급이 가능한 시스템을 적용하여 ‘자가발전 시스템 및 해수용 광섬유(FBG)센서를 통한 항만구조물의 건전성 모니터링 시스템 구축’에 대한 기초연구를 수행하였다.

연구 배경 및 개요

지금까지 대부분의 국내 수중점검은 잠수사를 활용한 재래식 방식으로 이루어지고 있는데, 잠수병 때문에 작업시간이 극히 제한되어 정밀한 점검이 어렵고, 해상조건이 열악할 경우 작업의 효율성이 떨어지는 문제가 발생한다. 잠수사 작업은 일반적으로 수심 20m에서 8시간 근무시간 중 2시간만 잠수작업을 할 수 없어 나머지 6시간 이상은 잠수병 예방을 위해 휴식을 취하기 때문에, 수중작업의 효율성이 상당히 떨어진다. 잠수사에 의한 조사는 시설물 표면에 해조류, 조개나 따개비 등 해양생물이 많이 붙어있어 표면을 관찰할 수가 없어 유지관리 점검에 한계가 있다(Park, 2018). 또한, 관리자가 작업과정을 직접 확인하지 못하고 작업자인 잠수사만 의존하며 진행된 진단은 부실진단의 가능성을 내포한다. 따라서, 항만시설물 수중부의 상태진단과 유지관리를 위한 안전성과 효율성을 확보한 안전성 평가 개발의 필요로, 항만시설물 수중부의 상태를 상시 점검이 가능한 광섬유 센서를 이용한 항만시설물 계측 및 유지관리 시스템에 대한 지속적인 연구가 이루어지고 있다(PARK, 2020). 시설물을 육안으로 조사하지 않고도 시설물에 발생하는 변화의 계측은 육안조사보다 즉각적, 상시적 시설물의 상태를 파악할 수 있는 장점이 있으며, 육안에 의한 상태점검보다 정량적인 결과 도출이 가능하여 항만시설물의 효율적인 점검이 가능하다.

센서를 이용한 유지관리 기술은 항만시설물에 대한 안전성 평가 플렛폼 기반에서 상시점검을 통해 상시 유지관리가 가능하게 되는 통합적인 시설관리가 되므로 관련 산업을 보호하고 복구에 따른 경제적 손해를 선제적으로 제거한다. 이러한 광섬유 센서의 경우 구조물에 설치된 센서의 개별적인 전기공급이 불필요하고, 전기적 특성에 따른 환경 영향이 미미하다. 본 논문에서는 해양환경에 적합한 FBG센서를 적용하여 항만구조물 건전성 모니터링 시스템을 구축하고, 이에대한 전력공급 방안으로 에너지하베스팅을 이용한 자가발전시스템 운용에 대한 기초연구를 수행하였다. Fig. 3은 자가발전 시스템 및 해수용 광섬유(FBG)센서를 통한 항만구조물의 건전성 모니터링 시스템 을 나타낸다.

Fig. 3. A fundamental study on structural health monitoring system based on energy harvesting of harbour structure

자가발전 시스템 개발

본 연구에서는 기존 전기식 센서의 부식과 같은 해양환경에 따른 문제점을 파악하여 해수용 FBG 센서 적용 및 데이이터로거의 전력공급을 위해, 외부 전원공급 방해 영향(전원 도달 거리 등)을 최소화한 태양광 발전을 적용한 항만구조물 거동 계측 시스템을 연구한다.

자가발전 설계

자가발전 시스템 설계에서는 FBG 센서 데이터로거에 시스템을 연결하고 원격 모니터링 및 그와 관계되는 컴포넌트의 원활한 제어와 IoT 통신을 적용하였으며 이에 통합 적용하는 전원부는 태양광 하베스팅 패널을 적용하였다. 인버터와 모니터링 시스템을 USB나 시리얼 포트로 연결하고 다수의 IoT 디바이스들을 LTE통신과 WiFi로 연결 구성하여 주요 Function과 데이터를 수집하고 전원공급의 상태, 알람 메시지, 오류 메시지 등의 Parameter들을 세팅하여 원하는 디바이스로 송수신하는 기능 등을 구성하였으며, 시스템 아키텍처는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4. Self-powered system architecture

태양광 자가 발전함에 있어서 정해진 최대 용량을 기준으로 최적의 배치(설치 위치 및 직·병렬 연결)와 용량(최대 출력)을 정하는 작업은 필수적이다. 태양광 발전에서 발전 효율이 의미하는 것은 같은 패널 면적 대비 태양광 발전량의 정도이다. 패널의 발전 효율이 높으면 협소한 면적에서 더 많은 발전이 가능하며, 패널의 발전 효율이 낮으면 더 많은 공간이 필요하다. 기존 실리콘 태양전지의 겨울철 극한 환경의 대기온도(섭씨 -5도씨 이하)는 출력이 0이 됨으로 플렉서블 CIGS PV (Copper Indium Gallium Diselenide)를 사용하였다. 플렉서블 또는 유리 기판의 CIGS 화합물반도체의 전기적 특성은 비결정질 실리콘 태양전지 대비 고효율이며 전하량이 최적인 band gap 1.2eV의 단일 접합으로 밀접하게 구성되어 있기 때문에 극한의 대기온도(섭씨-5°C)에서도 원할한 출력량을 보인다.

Table 1. CIGS solar panel temperature characteristics/physical spec

본 설계에서 BMS의 장착은 열관리와 가격과 수명이 긴 인산철Battery 셀의 각 상태를 판단하여 제어가 가능하도록 하여 최적점에서 작동하도록 하는 전압과 전류를 측정하는 SOC (State of Charge) 제어, 과충전, 과방지에서 전류 차단, Battery 셀 및 팩의 온도관리 등의 방법으로 구현하였다. AC출력부에 컨트롤러를 부탁하는 목적은 SCR (Silicon-controlled Rectifier)을 시용하여 출력되는 RMS Voltage를 컨트롤하기 위함이다. AC 출력 컨트롤러는 인버터에서 나오는 AC전력(정형화된 Sign파)를 Load부분에 필요한 전력의 소요비만큼을 다중으로 배분하는 역할을 담당한다. 설계한 BMS의 H/W 설계 흐름도는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. BMS flowchart suggestion

자가발전 시스템

일조량 시뮬레이션

자가발전 시스템을 적용하기 위해서는 여유전력 유지가 가능하도록총 소비전력에 대한 축전가능 설비를 구축하고 에너지하베스팅을 이용한 축전시스템의 성능에 필요한 일조시간을 측정이 필요하다. 한국은 연 평균 일조량이 3.2-3.7시간이다. 가장 일조량이 좋은 시기는 3월말부터 5월 초까지(약6-7시간), 가을철9월말-10월경(약4.5-5시간) 정도이다. 본 연구를 위해 일조량 확보가 열악한 서울특별시 성동구를 대상지로 선정하였다. 대상 기간은 2021년 12월부터 ~2022년 11월 중 구름 없는 맑은 날로 테스트하였다. 여름철(하지)과 겨울철(동지)의 일조환경특성을 분석하기 위하여 낮이 가장 긴 하지(2022년 6월21일 09:00-16:00)와 낮이 가장 짧은 동지(2021년 12월21일 09:00-16:00)로 시험일자로 선정하였다. 정확한 분석을 위해 GIS 자료와 신축 건물 배치도를 참고하여 3차원 지형 자료를 구축하였다. 분석 결과, 대상지는 동쪽에 위치한 건축물에 의해 일부 일조 차단 영역이 발생하였다. 하지만 동지와 시험예정일 모두 일조차단시간이 오전 09-11시경의 3시간 정도였으며, 일조차단범위은 절반을 넘지 않았다. 하지(5시간 10분)와 동지(4시간 30분)와 모두09:00-16:00 동안 평균5시간 내 일조량을 확보할 수 있었다. Fig. 6은 일조량 분석 결과를 나타낸다.

Fig. 6. Sunlight analysis result​​​​​​​

자가발전 시스템 적용

일조량 시뮬레이션 분석 통해 일조량 확보가 열악한 환경이 도심지 내 대상지에서도 4-5시간 가량의 일조량을 확보하는데 적절하다는 것을 확인하였다. Fig. 7은 본 개발을 위한 자가발전 시스템의 실물과 통신 시스템의 개요도이다. 자가발전 시스템은 FBG센서의 Raw 데이터를 수집하는 광분배기(인터로게이터), 무선 통신기능이 탑재된 IoT 모듈, 모니터링 서버부로 송신하는 Gateway로 구성되어 있다. 자가발전기반 항만구조물 건전성 모니터링 시스템의 소비전력에 따른 태양광 발전 상세 산출제원은 Table 2와 같고, 그에따른 전력량 산정 결과는 Table 3으로 나타낸다.

Fig. 7. System schematic​​​​​​​

Table 2. Calculation of system power consumption

Table 3. Required power output

항만구조물 건전성 모니터링 시스템 개발

해수용 FBG센서 개발

구조물 계측에 사용되는 전기식 센서의 경우 부식 등의 환경 영향으로 인해 구조물의 수중부를 직접적으로 계측하는 방식 적용이 불가능하다. Table 4는 전기식 센서와 광섬유 센서의 특징 비교를 나타낸다.

Table 4. Fiber optic sensor features​​​​​​​

항만구조물에 설치하는 FBG센서의 경우 수중작업의 특성상 공간적 제약을 받으며, 강관파일 등에 대한 센서 설치시 수중용접 등의 작업이 필요하다. 또한, 유지관리 부분에서는 해양생물에 의한 미생물막이 형성 및 고착되며, 센서의 사용 내구연한이 저하되고, 부식에 의한 센서 고정부 탈락 등의 문제점들이 발생한다. Fig. 8은 이와 같은 문제점을 나타낸다.

Fig. 8. Sensor installation issues​​​​​​​

이를 개선하기 위해서 공간적 제약이 큰 수중작업을 최소화하고, 육상작업을 최대화하여 공사의 효율성을 증대하였다. 또한, 해양생물에 의한 미생물막 형성 및 고착을 막기 위해 설치부의 방청보수제 등을 추가로 시공하였다. 또한, 센서의 지그설계 변경을 통해 해양적용 FBG센서를 개발, 적용하여 계측의 효율성을 증대하였다. Fig. 9은 해수용 FBG센서 개발을 통해 나타난 문제점에 대한 개선사항을 나타낸다.

Fig. 9. How to solve sensor installation problems​​​​​​​

항만구조물 건전성 모니터링 알고리즘 개발

구조해석 대상인 00부두는 2006년 준공된 잔교식 항만구조물로 부두연장은 370m이며, 폭은 30m이다. 부두의 상부구조 형식은 철근콘크리트 보와 슬래브가 3BLOCK으로 나누어진 잔교이며, 하부구조는 강관파일(Φ809.6mm, 304본)이 설치되어 있다. 이중 2BLOCK를 대표단면으로 선정하여 정적거동에 대하여 해석을 수행하였으며, 해석프로그램은 토목구조해석용으로 사용되고 있는 MIDAS CIVIL을 사용하였다. Table 5은 대상시설물의 해석계획을 나타낸다.

Table 5. Analysis plan​​​​​​​

잔교식 항만구조물의 건전성 모니터링 수행을 위해, 항만구조물에 설치된 각 센서에 대하여 임계치를 설정하였다. 각 센서의 임계치 선정기준은 ’항만 및 어항 설계기준(2014)‘ 및 ‘안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(국토교통부)’과 ‘항만시설물 안전점검지침 및 세부지침(해양수산부)’의 기준을 적용하여, 각 센서의 임계치를 통해 건전성 모니터링을 수행하였다. Fig 10은 각 센서의 임계츠 산저을 위한 대상구조물에 대한 정적해석 결과를 나타낸다.

Fig. 10. Static analysis result​​​​​​​

변형률 센서 강관파일 임계치 제안

잔교식 안벽의 상부구조와 하부구조에 대한 안전성 평가는 철근콘크리트 부재는 강도설계법에 따라 작용(극한)모멘트와 설계모멘트의 비를 고려하여 계산하고, 강재로 된 하부구조는 허용응력설계법에 따라 발생응력과 허용응력과의 비를 고려하여 검토 및 평가하는 것을 원칙으로 한다. 강도설계법과 허용응력설계법에 따른 안전성 평가 계산식은 식 (1) 및 (2)와 같다.

\(\begin{aligned}\text { 강도설계법 }=\quad \frac{\text { 설계모멘트 }}{\text { 작용모멘트 }}\end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}\text { 허용응력설계법 }=\quad \frac{\text { 허용응력 }}{\text { 검토응력}}\end{aligned}\)       (2)

강도설계법에 의한 검토시는 각 부재의 설계모멘트와 작용모멘트의 비가 1.0 이상인 경우 그리고 허용응력설계법의 경우는 허용응력과 검토응력의 비가 1.0 이상인 경우를 “a”로 설정하였으며, 1.0 미만, 0.9 미만, 0.75 미만의 경우를 각각 “c”, “d”, “e” 로 설정하였다. 따라서, 설계기준을 만족하는 경우 모두“a”를 적용하고, 만족시키지 못하는 경우는 “c” 이하를 적용하였으며 “b”는 평가기준에서 제외하였다(국토교통부, 2011).

잔교식 안벽에서는 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침에 따라 파일의 안전성을 검토하여 안전성평가가 수행되므로, 파일에 발생되는 변형률을 이용하여 실시간으로 구조물에 발생하는 응력을 산정하고 파일의 허용응력과 비교하여 구조물의 안전성을 평가하고자 한다.

잔교식 안벽 파일에 작용하는 축력과 모멘트에 의한 응력에 대한 검토는 세부지침에 따라 식 (3)과 같이 수행한다.

\(\begin{aligned}\frac{f_{c}}{f_{c a}}+\frac{f_{b}}{f_{b a}} \leq 1.0\end{aligned}\)       (3)

여기서, f_c 는 축하중에 의한 응력이고, f_ca 는 허용압축응력이며, f_b 는 모멘트에 의한 응력으로 수평력에 의해 발생하며, f_ba 는 허용휨응력이다. f_c 는 축응력으로 자중과 상재하중에 의한 고정하중에 해당되며, 휨응력인 f_b 는 고정하중에 의한 휨응력 f_bd와 활하중 외력에 의한 휨응력 f_bl 로 구분되며, 이것을 식으로 나타내면 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 이와같이 휨응력을 고정하중과 활하중에 의한 응력으로 구분함에 의해 FBG 센서에서 얻어진 계측값을 이용하여 실시간 안전성 평가가 가능해진다.

f_b = f_bd + f_bl       (4)

f_c 와 f_bd 로 표현되는 고정하중에 의한 응력은 구조해석을 통해 산정하고, f_bl 로 나타내는 시설물 사용 중에 발생하는 파력, 조류력, 지진력 등 활하중에 의해 발생되는 응력을 계산하여 실시간 응력을 산정할 수 있게 된다.

\(\begin{aligned}\frac{f_{c}}{f_{c a}}+\frac{f_{b d}+f_{b l}}{f_{b a}} \leq 1.0\end{aligned}\)       (5)

f_bl 은 FBG 변형률 센서를 파일에 부착하여 측정한 파일 변형률에 강재의 탄성계수를 곱하여 실시간 응력을 얻을 수 있다. 따라서, Table 6에 따라 각 등급의 임계치 변형률 값을 Table 7와 같이 산정할 수 있다. 발생된 변형률이 임계치에 도달하면 안전등급이 변경된다(Lee et al., 2018). 본 연구에서 해수용 FBG센서를 적용한 항만구조물의 건전성 모니터링 시스템의 임계치 설정은 Table 8과 같다.

Table 6. Evaluation criteria for structural reviews

Table 7. Evaluation criteria for structural review

Table 8. Steel pipe pile strain gauge threshold

항만구조물 건전성 모니터링 시스템 UI 개발

해수용 FBG센서를 활용한 항만구조물 건전성 모니터링 시스템에 대한 부두계측관리 대시보드를 개발, 적용하였으며, 개발된 대시보드를 통해 관리자는 현장 방문을 최소화한 유지관리를 수행할 수 있다. 다음Fig. 11은 구축된 시스템을 통한 부두계측관리에 따른 임계치에 따른 변형률 데이터를 나타낸다.

Fig. 11. Pier measurement management Strain data and thresholds​​​​​​​

결론

본 연구에서는 자기발전기반 항만구조물 건전성 모니터링 시스템에 대한 기초연구를 수행하였다.

항만구조물 거동 장기계측을 위해 기존 전기식 센서들의 부식 등의 분제점을 파악하여, 해수용 센서 IoT 모듈 패키징을 설계하고 외부 전원공급 방해 영향을 최소화한 태양광 발전 기반의 항만구조물 거동 계측 시스템을 개발하였다. 항만구조물 건전성 모니터링 시스템에 예상 소요 전력은 105W이며, 개발된 자기발전 시스템에서 소요되는 예상 전력은 131.25W이다. 제안한 시스템을 적용하여 태양광 에너지 용량 630W 이상, 배터리 용량 106AH급 이상에서 24시간 가동이 가능하다.

개선된 해수용 FBG센서 적용을 통해 센서의 기존 광섬유센서 시공 및 유지관리의 문제점을 개선하였으며, 구조해석을 통해 대상구조물의 거동을 예측하고, 이를 기반으로 각 센서의 임계치를 선정하여 항만구조물 건전성 모니터링 시스템 구축하였다. 해수용 FBG센서를 활용한 항만구조물의 건전성 모니터링에서는 임계치 계산을 통해 항만구조물 관리기준치를 선정하였으며, 정량화된 데이터 수집이 가능하였다.

개선된 해수용 FBG센서 개발을 통해 항만구조물 건전성 모니터링의 가능성을 확인하였으며, 장기적 계측 및 유지관리의 용이성을 위하여 자기발전을 적용하고, 다양한 시설물 및 환경조건에 대한 현장 시험을 통한 검증과 구축 시스템에 대한 지속적 관리방안의 추가적인 개발이 필요하다.