Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection (한국구조물진단유지관리공학회 논문집)

Korea Institute for Structural Maintenance Inspection (한국구조물진단유지관리공학회)
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Development of Autonomous Cable Monitoring System of Bridge based on IoT and Domain Knowledge

IoT 및 도메인 지식 기반 교량 케이블 모니터링 자동화 시스템 구축 연구

  • Jiyoung Min ;
  • Young-Soo Park ;
  • Tae Rim Park ;
  • Yoonseob Kil ;
  • Seung-Seop Jin (Sejong University)
  • 민지영 (한국건설기술연구원 구조연구본부) ;
  • 박영수 (한국건설기술연구원 구조연구본부) ;
  • 박태림 ((주)이노온) ;
  • 길윤섭 ((주)유신엔지니어링) ;
  • 진승섭 (세종대학교 건설환경공학과)
  • Received : 2024.05.13
  • Accepted : 2024.05.31
  • Published : 2024.06.30
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Abstract

Stay-cable is one of the most important load carrying members in cable-stayed bridges. Monitoring structural integrity of stay-cables is crucial for evaluating the structural condition of the cable-stayed bridge. For stay-cables, tension and damping ratio are estimated based on modal properties as a measure of structural integrity. Since the monitoring system continuously measures the vibration for the long-term period, data acquisition systems should be stable and power-efficiency as the hardware system. In addition, massive signals from the data acquisition systems are continuously generated, so that automated analysis system should be indispensable. In order to fulfill these purpose simultaneously, this study presents an autonomous cable monitoring system based on domain-knowledge using IoT for continuous cable monitoring systems of cable-stayed bridges. An IoT system was developed to provide effective and power-efficient data acquisition and on-board processing capability for Edge-computing. Automated peak-picking algorithm using domain knowledge was embedded to the IoT system in order to analyze massive data from continuous monitoring automatically and reliably. To evaluate its operational performance in real fields, the developed autonomous monitoring system has been installed on a cable-stayed bridge in Korea. The operational performance are confirmed and validated by comparing with the existing system in terms of data transmission rates, accuracy and efficiency of tension estimation.

사장교에서 케이블 부재는 하중을 전달하는 가장 중요한 부재 중 하나이다. 따라서 사장교의 구조적 상태 및 안정성을 평가하기 위해서는 케이블의 상태를 파악하기 위해 지속적인 모니터링을 수행하는 것이 중요하다. 이러한 모니터링 시스템은 케이블에 부착된 가속도계를 통해 진동을 측정하고 이를 토대로 케이블 장력과 감쇠비를 추정하고, 이를 토대로 케이블의 상태 평가의 기초자료로 활용한다. 이러한 상시 모니터링 시스템은 지속적으로 진동 데이터를 측정하기 때문에 데이터 수집 시스템을 포함한 하드웨어가 안정적이고 전력 효율성이 높아야 한다. 또한 지속적으로 생성되는 대량의 진동 신호들을 사람의 개입을 최소화하며 안정적으로 분석할 수 있는 자율모니터링 시스템이 요구된다. 본 연구에서는 IoT를 활용한 도메인 지식 기반 자율 모니터링 시스템을 개발하였다. 케이블 자율 모니터링 시스템을 구현하기 위한 가장 중요한 요소는 케이블의 장력과 감쇠비의 추정을 위한 진동 신호의 주파수 영역 내 발생하는 첨두의 자동 추정이다. 본 연구에서는 도메인 지식 기반 첨두 자동 추정 알고리즘을 데이터 수집 및 On-Board Processing이 가능한 IoT 시스템에 내장하여 IoT 센서 단에서 Edge computing이 가능한 효율적인 IoT 자율 모니터링 시스템을 구현하였다. 개발된 자율 모니터링 시스템을 국내 사장교에 설치하여 장기간 현장 운영 성능을 평가하였으며, 그 결과 장기 데이터 수신률, 장력 추정의 정확성, 효율성 측면에서 기존 시스템과 비교하여 작동 성능을 확인하고 검증하였다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요)사업으로 수행되었습니다(Edge computing을 활용한 도메인 지식 기반 자율 케이블 모니터링 시스템 구현 연구, No. 20240159-001).

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