2020년 08월 5일, 수요일


국토와교통

2020년 7월호
(통권 432호)


1㎒급 및 2㎒급 통합운용 가능한 하상 및 수중 구조물 표면상태 영상확보기술


  김정현 기자     입력 2020/07/08 (수)



전동지그 일체형 소나장비 이용 정밀조사로 수중구조물 안전성 확보 기대
 
1㎒급 소나와 최대 분해능 8㎜를 갖는 2㎒급 주파수 대역의 소나가 일체화된 장비로 하상 및 수중 구조물의 표면상태 영상을 확보할 수 있는 기술이 나왔다. 이 기술을 활용하면 수중 구조물의 표면상태 확인과 세굴, 하상지형 조사 등 수중 안전점검에서 정밀도와 안전성을 향상시킬 수 있다.

이 기술의 특징은 1㎒급 및 2㎒급 소나 통합 운용 제어와 함께 360° 촬영각도 조절이 가능한 일체형 전동지그와 일체화된 장비로 실시간 수중 영상 확인 및 저장이 가능하는 것이다. 기존 기술은 초음파 음파 탐지에 의한 분석보다는 수중잠수부가 육안으로 확인하는 현장조사로 진행됐다. 이에 따라 수중의 혼탁도나 유속 등의 변수에 의해 점검이 불가능한 경우가 발생하기도 했다.

또한 400㎑ 대역의 소나장비를 이용할 경우에는 주파수 대역의 특성상 넓은 지역을 조사할 수는 있으나 구조물 상태에 대한 영상 식별도가 떨어지는 단점이 있었다. 1㎒급 소나장비를 활용할 경우 최대분해능은 3㎝로 구조물의 손상 및 하상면의 세굴을 감지할 수는 있으나 손상의심부가 발생하면 이에 대한 추가적인 잠수조사를 진행해야 했다.

이러한 단점을 보완하기 위해 ㈜다음기술단과 우리기술㈜이 개발한 신기술은 1㎒ 조사로 수중구조물 소나조사와 하상 세굴조사를 진행하면서도 결함 의심부에 따라 2㎒ 정밀소나조사를 통해 추가적인 잠수조사 없이 수중구조물의 손상을 상세히 감지할 수 있는 기술이다. 2㎒급 소나장비의 최대분해능은 8㎜이다. 이러한 신뢰성 높은 자료를 기반으로 정확한 구조물 안전성 평가가 가능하다.
 
■ 기술개발자
 · ㈜다음기술단 (대표이사 박철)
   경기도 성남시 분당구 판교역로 240, A동 309호
   www.daumeng.com
 · 우리기술㈜ (대표이사 박나영)
   충청남도 공주시 탄천면 통산로 175
■ 건설신기술 제871호
   보호기간 : 2019. 09. 18 ~ 2027. 09. 17 (8년)
 
 
 
정밀소나조사로 수중구조물 손상 감지
㈜다음기술단은 2002년 설립된 종합 토목설계, 진단 및 시설물 유지관리 업체다. 1㎒급 듀얼 소나(Dual SONAR) 기반의 수중구조물 및 하상부의 표면상태 영상 취득 기술을 개발하여 2016년 건설신기술 제787호를 취득한 바 있다. 이러한 기술력을 바탕으로 ㈜다음기술단과 우리기술㈜은 1㎒급 및 2㎒급 통합 운용이 가능한 전동지그 일체형 소나장비를 이용한 하상 및 수중 구조물 표면상태 영상확보기술을 개발하여 건설신기술 제871호로 지정됐다.

소나(SONAR : SOund-NAvigation Raging)는 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비다. 소나에 적용되는 음파는 초속 약 1500m 되는 압력파로 수중에서 잘 전달되는 성질을 갖고 있다. 이러한 소나를 활용한 신기술 구성은 크게 ▲ 2㎒ 대역의 수중구조물 점검용 SSS(Side Scan Sonar), ▲ 1㎒ 및 2㎒ 수중구조물 점검용 일체형 지그, ▲ 수중구조물 손상 검출을 위한 운영프로그램으로 구분할 수 있다. 이 기술을 활용하면 미세한 손상을 검출할 수 있으며 360°로 조사 영역 조절이 가능한 일체형 전동지그를 활용하여 조사시간을 단축할 수 있는 것이다.
 
2㎒급 수중구조물 점검용 SSS
소나는 주파수가 높을수록 정밀도가 높아지지만 음파의 유효방사거리가 짧아지는 물리적 특성을 가지고 있다. 대부분의 소나 장치들은 수중에서 거리를 측정하거나 수중 및 지질에 관련된 유용한 정보를 취득하기 위하여 수중에서의 음파 동작을 이용한다. 수중에서 음파를 발생시키기 위해서 보편적으로 압전소자(PZT)로 만들어진 센서를 이용하여 음파 빔을 형성한다. 이러한 센서를 이용하여 초음파를 송·수신하고 입력되는 신호 강도를 이용하여 영상을 만드는 것이 SSS의 초음파 영상 구현의 개념이다. 이에 ㈜다음기술단과 우리기술㈜은 수중구조물 조사에 가장 적합한 소나의 주파수 대역을 찾아 수중구조물 손상조사 전용 소나를 개발했다.
 
 
일체형 전동지그 개발
또한 기존 기술은 보트와 일체식이거나 로프를 이용한 예인방식으로 운용된다. 때문에 파랑이나 보트운전에 대한 환경적 요인으로 영상이 왜곡될 수 있다. 이에 따라 댐 제체나 해상교량 등 수심이 깊은 곳은 기존 기술로는 한계가 있다. 이에 개발된 신기술은 1㎒ 및 2㎒ 멀티 주파수를 적용하여 수중예인체(Towfish)와 일체화된 전동지그로 경량화했다. 또한 수심 50m에서도 성능을 발휘할 수 있도록 설계되었으며 슬립링을 적용하여 360° 회전이 가능한 체결부를 개발했다.
 
수중구조물 손상 검출을 위한 운영프로그램 개발
아울러 전동지그를 컨트롤 할 수 있는 별도의 운영프로그램이 탑재됐다. 실시간 분석 및 모니터링이 가능한 운영프로그램인 Real1/2㎒SSS, Post1/2㎒SSS가 개발됐으며, 1㎒ 및 2㎒ 소나의 물리적 특성에 따라 보트의 운영이나 조사각도를 달리 할 수 있도록 구조물 형식 및 주파수 대역별 운영 알고리즘 프로그램이 탑재됐다.
이러한 운용 소프트웨어는 획득한 신호 정보를 실시간으로 보여주면서 신호 처리 및 출력, 저장 등을 담당한다. 영상을 확대하거나 영상 빨리 돌려보기, 뒤로 돌려보기, 정지, 프린트, GPS 보정위치 확인, 경사거리 보정, 모자이크, 고도정보 수정 등 세밀한 부분까지 확인 할 수 있다.
 
 
 
 
조사 준비까지 소요시간 ‘4분’
신기술은 이러한 특징을 바탕으로 조사시간을 크게 단축할 수 있다. 2㎒급 초고해상 SSS 운용을 위한 준비단계에서 총 소요시간은 4분이다. 또한 일산대교 수중부 총 15교각에 대한 상태조사를 실시한 결과 일산대교의 총 15교각 영상수집에 소요된 시간은 2시간 12분 15초로 측정됐다. 1㎒ 대역의 선행조사 없이 2㎒ 대역의 SSS만으로 수중 구조물 조사를 수행할 수 있어 조사시간을 크게 단축할 수 있는 것이다.
또한 잠수사 기반의 기존 수중조사보다 용역기간을 7일 단축할 수 있으며, 기존 기술 대비 용역기간을 1일 단축할 수 있다. 이에 따라 잠수사 투입으로 인한 잠수사의 저온, 가압, 감압병 등의 위험 노출을 감소시킬 수 있으며 유속이나 탁도 등 환경적 요소에 대한 영향을 줄이면서도 균열 및 중대결함, 단면 결손 등의 손상을 조사할 수 있다.
아울러 인천 중구에 위치한 역무선 항구에서 현장실사를 진행한 결과 1㎒를 통한 손상 촬영 평균오차율은 6.42%로 나타났으며 2㎒를 통한 손상 촬영 평균오차율은 0.42%로 나타났다. 이와 함께 2㎒를 통한 시편 촬영 결과 분해능 및 철근노출에 대한 식별도 가능한 것으로 나타났다.
 
하천교량 기준 29% 절감, 댐 기준 36% 절감
이러한 기술력을 바탕으로 하천교량 기준 교각 1기당 발생하는 조사비용은 2㎒급 소나 수중조사 공법과 1㎒급 듀얼소나 수중조사 공법을 비교한 결과 약 29% 이상의 조사비용 절감이 가능한 것으로 나타났다. 이는 전단면에 대한 추가조사를 수행하였을 경우로 손상 의심부 발생 시 잠수부 투입을 통해 수행되는 추가조사 비용차이로 나타난다.
기존 기술에서는 손상 의심부 발생 시 잠수사를 투입하여 추가조사를 수행하지만 2㎒ 대역의 수중점검용 SSS는 잠수사 투입이 필요하지 않고 자체적으로 확인이 가능하기 때문이다.
댐 기준 1000㎡당 발생하는 조사비용은 2㎒급 소나 수중조사 공법과 1㎒급 듀얼소나 수중조사 공법을 비교한 결과 약 36.1% 이상의 조사비용 절감이 가능한 것으로 나타났다.
2㎒급 소나 수중 조사공법의 경우 기존 기술에 비해 최대 분해능이 30㎜에서 8㎜로 향상되어 잠수사 투입에 의해 발생하는 추가조사 비용을 대폭 절감할 수 있는 것이다.
 
30년 이상 노후시설물 안전·유지관리 기여 기대
우리나라는 1970년대부터 교량, 터널, 항만, 댐, 건축물, 하천, 상하수도, 옹벽, 절토사면 등 주요 사회기반시설이 집중적으로 공급되기 시작하면서 현재 준공 후 30년 이상 경과한 노후시설물이 증가하고 있다.
특히 수중구조물은 시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법 제21조 및 같은 법 시행령 제17조에 따라 제정된 시설물의 안전 및 유지관리 실시 등에 관한 지침에서 수중조사를 필수적으로 실시해야 한다고 명시되어 있다.
이에 따라 1㎒급 및 2㎒급 통합 운용이 가능한 전동지그 일체형 소나장비를 이용한 하상 및 수중 구조물 표면상태 영상확보기술은 재난·재해에 대한 필수적인 교량 유지관리 기술로 첨단 장비를 활용하여 교량을 비롯한 댐, 제방, 항만시설물 등 국내외 시설물 유지관리 분야에서 활발히 활용될 것으로 기대된다.
 
김정현 기자 (ltmkjh@hanmail.net)
 
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