WO2023075509A1 - 타공사 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

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WO2023075509A1
WO2023075509A1 PCT/KR2022/016713 KR2022016713W WO2023075509A1 WO 2023075509 A1 WO2023075509 A1 WO 2023075509A1 KR 2022016713 W KR2022016713 W KR 2022016713W WO 2023075509 A1 WO2023075509 A1 WO 2023075509A1
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construction
perforated
perforated construction
control unit
sensor
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PCT/KR2022/016713
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윤동진
박춘수
이선호
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한국표준과학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a perforated construction monitoring system and method, and more particularly, to a monitoring system and method for detecting in advance perforated construction that is highly likely to damage buried piping.
  • Water supply pipelines are one of the social infrastructures that supply a large amount of water resources. Most of these water supply pipes are operated while buried in the ground.
  • Such buried piping can be unexpectedly damaged by excavation work of heavy equipment during third party interference (third party interference) under construction in an adjacent area. As a result, the damaged buried piping is left in a state where water can leak, or it requires a rather cumbersome replacement work, resulting in social costs.
  • third party interference third party interference
  • the present invention has been devised in view of the above points, and to provide a monitoring system or method capable of detecting the other work before the buried pipe is damaged by the other work in progress in the area adjacent to the buried pipe.
  • another object of the present invention is to provide a monitoring system or method capable of estimating and providing characteristics of other construction, such as whether the detected other construction is in progress within the danger radius of buried piping or whether excavation is in progress downward. there is.
  • the present invention is a perforated construction monitoring system for detecting the perforated construction in advance before the buried pipe buried in the ground is damaged by the perforated construction, when heavy equipment hits the ground, the ground or a sensor unit installed in the buried pipe to detect an impact signal propagating along the buried pipe; and a control unit that receives data from the sensor unit to obtain a time domain value of the impact signal, converts the time domain value into a frequency domain value, and then detects the drilled construction work based on the frequency response characteristics of the impact signal. It provides a monitoring system for other constructions including;
  • a storage unit for storing reference data for detecting the perforated construction may be further included, and the control unit may analyze the frequency response characteristics in consideration of the reference data.
  • the reference data includes a frequency band of interest and a reference amplitude range
  • the control unit compares an amplitude range of a band corresponding to the frequency band of interest among the frequency domain values with the reference amplitude range to detect the drilled construction. there is.
  • the frequency band of interest and the reference amplitude range may be obtained by performing an experiment in advance on the buried pipe or a pipe having the same material and standard as the buried pipe.
  • control unit may determine whether the detected other construction is a dangerous construction that may damage the buried pipe based on the frequency response characteristics.
  • control unit may determine whether the detected perforated work is a downward excavated perforated work in which excavation is in progress based on the frequency response characteristics.
  • control unit may determine that the drilling work is a downward excavation drilling work when a plurality of impact signals are confirmed within a predetermined time and the frequency response characteristic level of the plurality of impact signals gradually increases.
  • the sensor unit includes a first sensor and a second sensor disposed apart from each other by a predetermined interval along the extension direction of the buried pipe, and the control unit receives data from the first sensor and the second sensor, respectively, to obtain a first sensor. After obtaining the time domain value and the second time domain value, they may be converted into the first frequency domain value and the second frequency domain value, respectively.
  • control unit analyzes the frequency response characteristics of the impact signal detected by the first sensor and the frequency response characteristic of the impact signal detected by the second sensor, respectively, and when the presence of the perforated construction is confirmed, the It can be determined that other construction has been detected.
  • control unit divides the first time domain value and the second time domain value into a plurality of time intervals, each of which is divided into a plurality of time intervals so that overlapping portions exist between two adjacent time intervals, and then divides each frequency domain value into a plurality of time intervals. value can be converted.
  • control unit can estimate the position of the other construction using the following equation.
  • D1 is the distance between the position of the perforated construction and the first sensor
  • D2 is the distance between the position of the perforated construction and the second sensor
  • L is the total extension of the buried pipe
  • C is the impact signal propagating through the buried pipe
  • the propagation speed of , ⁇ is the difference in arrival time between the impact signal on the first time domain value and the impact signal on the second time domain value
  • control unit confirms a plurality of impact signals, and when the positions of the plurality of drilling works estimated by analyzing the plurality of impact signals are all within a predetermined error range, it can be determined that the drilling work is a downward excavation work. there is.
  • the controller may detect the perforated construction based on the shape characteristics of the waveform in the time domain in addition to the frequency response characteristics.
  • the step of detecting the perforated construction by analyzing the frequency response characteristics of the impact signal by the control unit may include estimating the location of the perforated construction; Determining whether the other construction is a dangerous construction that may damage the buried pipe; and determining whether or not the perforated construction is a downward excavation perforated construction in which excavation is in progress by analyzing the location of the perforated construction.
  • the unique control unit analyzes the frequency response characteristics according to the pipe propagation vibration and detects the other construction in advance, thereby enabling the buried piping manager to take a preemptive response opportunity. and can protect buried piping from other constructions more effectively.
  • the present invention does not stop at detecting other construction work, and the unique control unit can also determine whether the detected other construction work is a dangerous construction work based on the above-described frequency response characteristics, so that more accurate other construction information is provided to the buried pipe manager. can provide
  • the unique control unit performs a more three-dimensional impact signal analysis to determine whether or not the detected perforated work is a downward excavated perforated work in progress of excavation downward.
  • the present invention can minimize the omission of the impact signal by dividing the impact signal into unit time intervals by the above-described control unit so that overlapping sections exist, and through this, more accurate monitoring of perforated construction can be performed. .
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a construction monitoring system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 (a) is a graph showing the value of the time domain of the impact signal during the dangerous drilling construction of FIG. 5, (b) is a graph showing the value of the time domain of the impact signal during the safe drilling construction of FIG. 5,
  • FIG. 7 shows the value of the frequency domain of the impact signal measured by the first sensor, and is a graph showing the comparison between the dangerous drilling work and the safe drilling work, respectively, and (b) is the measurement by the second sensor.
  • (a) is a graph showing the value of the time domain of the impact signal measured by the first sensor and the second sensor during the downward excavation drilling work, and (b) is the estimated perforated work by analyzing the impact signal.
  • 11 and 12 are flowcharts for a method for monitoring other construction works according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a block diagram showing a computing system for executing the other construction monitoring system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a perforated construction monitoring system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining that an impact signal is propagated along the ground or a buried pipe by a perforated construction.
  • FIG. 3 (a) is a graph showing the time domain value of the impact signal measured by the first sensor, and (b) is a graph showing the time domain value of the impact signal measured by the second sensor. 4 is a graph showing the values of the frequency domain together with and without pipe propagation vibration.
  • the perforation monitoring system 100 is a system for preventing in advance the buried pipe 5 from being hit and damaged by heavy equipment during unexpected perforation.
  • the other construction monitoring system 100 may include a storage unit 10, a sensor unit 20, and a control unit 40.
  • each component may be combined with each other and implemented as one according to a method of implementing the other construction monitoring system 100 according to an embodiment of the present invention, or some components may be omitted.
  • the storage unit 10 may store reference data used by the control unit 40 to be described later to detect other construction work.
  • the reference data stored in the storage unit 10 may be, for example, a frequency band of interest and a reference amplitude range of an impact signal generated by another construction company.
  • the reference data may be a parameterized value of a shape characteristic of a waveform in the time domain, such as repeating a similar waveform in the time domain at the same interval a predetermined number of times with respect to the same location as shown in FIG. 10. .
  • the example of the reference data is not limited to the above example, and various data for detecting other construction work can be stored.
  • the storage unit 10 proceeds at a location adjacent to the buried pipe and proceeds at a location spaced a predetermined distance from the other work (hereinafter referred to as 'dangerous work') and the buried pipe, which may damage the buried pipe, and the buried pipe Reference data of different values may be stored for each construction work (hereinafter referred to as 'safe construction work') that is unlikely to be damaged.
  • the reference data may be obtained by performing an experiment in advance on a buried pipe 5 that is an object of actual observation or a pipe having the same material and standard as the buried pipe 5.
  • the experiment may be performed in the ground 6 in which the buried pipe 5 is actually buried or an environment that simulates it.
  • control unit 40 acquires the time domain value of the shock signal detected by the sensor unit 20, converts it into a value in the frequency domain, and then determines the frequency response characteristics of the shock signal. Based on this, various logics, algorithms, and programs required in the process of determining whether it is a third party may be stored.
  • the storage unit 10 is a flash memory type, a hard disk type, a micro type, and a card type (eg, SD card (Secure Digital Card) or XD card ( eXtream Digital Card), RAM (Random Access Memory), SRAM (Static RAM), ROM (Read-Only Memory), PROM (Programmable ROM), EEPROM (Electrically Erasable PROM), magnetic memory (MRAM, magnetic RAM), magnetic disk (magnetic disk), and optical disk (optical disk) type of memory may include at least one type of storage medium.
  • SD card Secure Digital Card
  • XD card eXtream Digital Card
  • RAM Random Access Memory
  • SRAM Static RAM
  • ROM Read-Only Memory
  • PROM Programmable ROM
  • EEPROM Electrical Erasable PROM
  • magnetic memory MRAM, magnetic RAM
  • magnetic disk magnetic disk
  • optical disk optical disk
  • optical disk type of memory may include at least one type of storage medium.
  • the sensor unit 20 may be implemented as, for example, a vibration accelerometer, a hydrophone, or a microphone, and may be installed at one position of the buried pipe 5 to detect an impact signal related to a perforated construction around the buried pipe.
  • the impact signal 1 detected by the sensor unit 20 may be an elastic wave propagated when a heavy equipment 7 such as a backhoe applies an impact to the ground during perforation. It may be ground propagation vibration (3) or pipe propagation vibration (2).
  • the ground propagation vibration (3) may be an elastic wave propagating to the sensor unit 20 along the ground (6) without passing through the pipe (5) as shown in the drawing
  • the pipe propagation vibration (2) is the ground ( 6) may be an elastic wave propagating along the pipe 5.
  • the inventor of the present invention when other construction is in progress in an area adjacent to the buried pipe 5, as shown in FIGS. 2 and 3, the sensor unit 20 of the buried pipe 5 detects ground propagation vibration It was found that pipe propagation vibration (2) was also detected as well as (3). That is, it was found that when there is a perforated construction in an area adjacent to the buried pipe 5, the impact energy generated from the perforated construction is transmitted to the buried pipe 5 through the ground and detected through the sensor unit 20. In particular, the inventor of the present invention was able to confirm that, as shown in the drawing, in the case of pipe propagation vibration (2), it reached the sensor unit 20 faster than ground propagation vibration (3) due to the difference in medium, FIG.
  • the sensor unit 20 as shown in the drawing, the first sensor 22 and the second sensor 24 disposed at a predetermined interval along the extension direction of the buried pipe 5 Including, it may include a plurality of sensors. At this time, the first sensor 22 and the second sensor 24 may independently collect shock signals generated from the same blow. In one embodiment of the present invention, the reason why the sensor unit 20 includes a plurality of sensors is to estimate the position of the other construction and further improve the accuracy of detecting the other construction, which will be described later.
  • the sensor unit 20 may transmit data related to the detected shock signal to the control unit 40 .
  • the sensor unit 20 may transmit a wireless signal to the control unit 40 by being connected to the control unit 40 by wire or including a wireless Internet module or a short-range communication module.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a comparison between dangerous drilling work that may damage buried piping and other safe drilling work
  • FIG. 6 (a) is the time of the impact signal during the dangerous drilling work of FIG. It is a graph showing the value of the domain
  • (b) is a graph showing the value of the time domain of the impact signal during the safety drilling of FIG. 5
  • FIG. 7 (a) shows the value of the frequency domain of the impact signal measured by the first sensor, and is a graph showing a comparison between a dangerous drilling work and a safe drilling work, respectively
  • (b) is a graph showing the second sensor It shows the value of the frequency domain of the impact signal measured by, and is a graph showing each compared to the dangerous drilling work and the safe drilling work.
  • FIG. 8 and 9 are explanatory diagrams for explaining the process of dividing the impact signal by the control unit of the drilling work monitoring system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 (a) is the first A graph showing the time domain value of the impact signal measured by the first sensor and the second sensor, and (b) is a graph showing the position of the perforated construction estimated by analyzing the impact signal over time.
  • control unit 40 may detect a perforated work in progress in an area adjacent to the buried pipe by processing and analyzing information related to the above-described impact signal from the sensor unit 20 .
  • the controller 40 may be implemented in the form of hardware or software, or may be implemented in the form of a combination of hardware and software.
  • the controller 40 may be implemented as a microprocessor, but is not limited thereto.
  • the control unit 40 may obtain a time domain value of the impact signal by first receiving data from the sensor unit 20 in order to detect the other construction work. At this time, when the sensor unit 20 includes a plurality of sensors, the controller 40 receives data from the first sensor 22 and the second sensor 24, respectively, as shown in FIG. A domain value and a second time domain value may be obtained.
  • the controller 40 may perform, for example, FFT (Fast Fourier Transform) to convert the first time domain value and the second time domain value into frequency domain values, respectively, as shown in FIG. 4 .
  • FFT Fast Fourier Transform
  • control unit 40 may detect the other construction work based on the frequency response characteristics of the impact signal. At this time, the control unit 40 may analyze the frequency response characteristics in consideration of the reference data previously stored in the storage unit 10 as described above.
  • control unit 40 may analyze frequency response characteristics only for a band corresponding to a frequency band of interest among frequency domain values.
  • the other construction is Comparing the case where the impact signal mainly includes the ground propagation vibration (3) because it is in progress at a distant location or there is no other construction (FIG. 5(b)), as shown in FIG. 7, about 20 Hz or less or It can be seen that the frequency response exhibits almost similar characteristics in a frequency band of 120 Hz or higher. However, in the case of the 20Hz to 120Hz band (frequency band of interest), it can be seen that the level difference between the two frequency responses is significant. Therefore, the control unit 40 can more accurately and quickly detect the perforated construction by analyzing the frequency response characteristics by paying attention to only a specific frequency band of interest.
  • control unit 40 may compare the amplitude range of the frequency band of interest with the amplitude range stored in the storage unit 10 to detect a perforated construction.
  • the control unit 40 determines that other construction is in progress adjacent to the buried pipe 5 when the maximum value is greater than or equal to a threshold value set on the reference data. can judge In addition, as another example, the control unit 40 checks the difference between the minimum and maximum values of the frequency domain values in the frequency band of interest, and if the difference is greater than or equal to the threshold set on the reference data, it can be determined that another construction is in progress. .
  • control unit 40 may analyze the frequency response characteristics using the reference data stored in the storage unit 10, and in addition to this, the control unit 40 may use artificial neural networks and the like previously learned to detect other construction works. Likewise, other construction may be detected without reference data based on the algorithm stored in the storage unit 10. At this time, the artificial neural network learns in advance the aspect of the frequency response characteristics of the impact signal obtained when the perforated construction is included, and then determines whether the impact signal includes a signal related to the perforated construction based on this. .
  • control unit 40 may additionally determine whether or not the other work sensed as described above is another work that may damage the buried pipe 5.
  • the other work in progress at the direct upper part of the buried pipe 5 or a position adjacent to the upper part may hit and damage the buried pipe 5 if the excavation work by heavy equipment continues.
  • FIG. 5 (b) in the case of a construction work in progress at a location spaced apart by a predetermined distance in a direction crossing the extension direction of the buried pipe 5 from the direct upper part of the buried pipe 5, even if the excavation work continues, the buried pipe 5 There is no fear of affecting the piping.
  • other construction work that may hit buried piping is defined as 'dangerous construction work', and other construction work without fear of hitting buried piping is defined as 'safe construction work'.
  • control unit 40 may determine whether the detected other construction is dangerous or safe other construction. At this time, the control unit 40 may also perform classification of dangerous construction work and safe construction work based on the frequency response characteristics of the impact signal.
  • control unit 40 may read reference data related to the dangerous and safe construction work from the storage unit 10 and analyze the frequency response characteristics of the impact signal, similarly to the detection of the other construction work.
  • control unit 40 may use a reference data value corresponding to a user's requested specification among various reference data stored in the storage unit 10 .
  • the control unit 40 retrieves reference data corresponding to the radius of 10 m from the storage unit and responds with a frequency. Can be used for characterization.
  • reference data of various sizes stored for each user's required specifications may be obtained through an experiment performed in advance for the corresponding buried pipe.
  • the other construction monitoring system 100 can select and inform only the dangerous construction work, thereby providing the user with more reliable construction work information.
  • the control unit 40 when the sensor unit 20 includes a plurality of sensors 22 and 24, the first frequency response related to the impact signal sensed by the first sensor 22 The characteristic and the second frequency response characteristic related to the impact signal detected by the second sensor 24 may be analyzed. In addition, the control unit 40 may determine that other construction is in progress only when the presence of other construction is confirmed in both the first frequency response characteristic and the second frequency response characteristic analysis result. Through this, the perforated construction monitoring system 100 according to an embodiment of the present invention can more accurately detect perforated construction by minimizing false detection.
  • the controller 40 may divide the first time domain value and the second time domain value into a plurality of time intervals as shown in FIGS. 8 and 9 , respectively.
  • the time interval may be continuously divided into 1-second intervals as shown in the figure.
  • the division interval of the time section is not limited to the above example, and is variously changed in consideration of the length between the first sensor 22 and the second sensor 24 and the speed of pipe propagation vibration propagating along the buried pipe. It can be.
  • control unit 40 may convert each of the plurality of divided time intervals into frequency domain values.
  • the perforated construction monitoring system 100 extracts and compares / analyzes features per unit section for the entire continuous signal by taking the impact signal as a unit time interval, thereby providing the user with more efficient perforated construction can detect and deliver relevant information.
  • the controller 40 may divide a plurality of divided time intervals such that an overlapping portion exists between two adjacent time intervals. For example, if the unit time interval is 1 second, the time domain value of 0 second - 2 seconds is not divided into 0 second - 1 second and 1 second - 2 second, but 0 second - 1 second, 0.5 second - 1.5 second and 0.1 second. It can be divided into seconds-2 seconds so that it overlaps at intervals of 0.5 seconds. In this way, the perforated construction monitoring system 100 according to an embodiment of the present invention divides the time domain value so that overlapping parts exist to prevent the omission of the impact signal when determining the perforated construction work.
  • the time for the impact signal to reach each sensor may be different.
  • the arrival of the impact signal around 0.8 seconds may be displayed on the first time domain value
  • the arrival of the impact signal around 1.2 seconds may be displayed on the second time domain value. There is. (When a delay of 0.4 seconds occurs between both sensors of 0.4 seconds because the other construction is more adjacent to the first sensor 22)
  • the control unit 40 may divide the time domain values so that overlapping parts exist.
  • control unit 40 may estimate the position of the perforated construction according to the following equation by including a plurality of sensors including the first sensor 22 and the second sensor 24 .
  • D1 is the distance between the position of the other construction and the first sensor
  • D2 is the distance between the position of the other construction and the second sensor
  • L is the total extension of the buried pipe
  • C is the propagation speed of the impact signal propagating through the buried pipe
  • ⁇ may be a difference in arrival time between an impact signal on the first time domain value and an impact signal on the second time domain value.
  • the arrival time difference ⁇ between the two signals can be more accurately calculated by checking the peak value of the cross-correlation function.
  • the control unit 40 may analyze the plurality of impact signals to determine whether the positions of the estimated other construction work are the same. If the positions of the drilling works derived by analyzing the impact signals a plurality of times are all within a predetermined error range, the control unit 40 may determine that the drilling work is a downward excavation drilling work in progress of downward excavation. (See Fig. 10)
  • control unit 40 may determine whether the other construction is a downward excavation construction based on the frequency response characteristics. Specifically, when a plurality of impact signals are confirmed within a predetermined time and the levels of the plurality of frequency response characteristics according to the plurality of impact signals are gradually increased, it can be determined that the drilled work is a downward excavation drilled work.
  • the perforated work monitoring system 100 notifies the user of the existence of a downward excavation perforated work in advance as described above, thereby inducing the user to more carefully monitor the progress of the perforated work.
  • 11 and 12 are flowcharts for a method for monitoring other construction work according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor unit 20 installed in the buried pipe 5 detects an impact signal propagated along the ground 6 or the buried pipe 5 by the impact of heavy equipment on the ground. (S10)
  • control unit receives data from the sensor unit, obtains a time domain value related to the shock signal, and converts the time domain value into a frequency domain value (S20).
  • control unit may analyze the frequency response characteristics of the impact signal to detect the other construction work (S30).
  • control unit 40 considers the reference data stored in the storage unit 10 as described above and Frequency response characteristics can be analyzed.
  • the step of detecting the perforated construction is, for example, the step of estimating the location of the perforated construction as shown in FIG. 12 (S31), the step of determining whether the perforated construction is dangerous (S32), and the downward excavation It may include a step (S33) of determining whether the other construction.
  • S31 the step of estimating the location of the perforated construction as shown in FIG. 12
  • S32 the step of determining whether the perforated construction is dangerous
  • the downward excavation It may include a step (S33) of determining whether the other construction.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a computing system for executing a method for monitoring other construction work according to an embodiment of the present invention.
  • the computing system 1000 includes at least one processor 1100, memory 1300, user interface input device 1400, user interface output device 1500, storage 1600, and A network interface 1700 may be included.
  • the processor 1100 may be a central processing unit (CPU) or a semiconductor device that processes commands stored in the memory 1300 and/or the storage 1600 .
  • the memory 1300 and the storage 1600 may include various types of volatile or nonvolatile storage media.
  • the memory 1300 may include read only memory (ROM) and random access memory (RAM).
  • a software module may include a storage medium (i.e., memory 1300 and/or storage 1600).
  • An exemplary storage medium is coupled to the processor 1100, and the processor 1100 can read information from, and write information to, the storage medium.
  • the storage medium may be integral with the processor 1100.
  • the processor and storage medium may reside within an application specific integrated circuit (ASIC).
  • An ASIC may reside within a user terminal.
  • the processor and storage medium may reside as separate components within a user terminal.

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Abstract

타공사 모니터링 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 타공사 모니터링 시스템은 타공사에 의해 지반에 매설된 매설배관이 손상되기 전에 타공사를 미리 감지하기 위한 타공사 모니터링 시스템으로서, 중장비가 지반을 타격하는 경우, 지반 또는 상기 매설배관을 따라 전파되는 충격 신호를 감지하도록 매설배관에 설치되는 센서부; 및 센서부로부터 데이터를 수신하여 충격 신호의 시간 도메인 값을 획득하며, 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환한 후 충격 신호의 주파수 응답 특성에 기초하여 상기 타공사를 감지하는 제어부;를 포함한다.

Description

타공사 모니터링 시스템 및 방법
본 발명은 타공사 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 매설배관을 손상시킬 가능성이 높은 타공사를 사전에 감지하기 위한 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
용수공급 배관은 대량의 수자원을 공급하는 사회 기반 시설 중 하나이다. 이러한 용수공급 배관은 대부분 지반에 매설된 상태로 운용되고 있다.
이러한 매설배관은 인접한 영역에서 시공 중인 타공사(Third party interference) 시 중장비의 굴착 작업에 의하여 예기치 않게 파손될 수 있다. 이에 따라 파손된 매설배관은 용수가 누수될 수 있는 상태로 방치되거나, 또는 다소 번거로운 교체작업을 필요로 하여 사회적인 비용을 야기하고 있는 실정이다.
이를 해결하기 위해 매설배관의 파손사고를 조기에 탐지하는 기술이 연구되어 왔다. 하지만 매설배관 탐지기술의 경우, 대부분 이미 중장비에 의해 타격이 가해져 손상을 입은 매설배관을 탐지하는 기술이 대부분이다. 이러한 매설배관 탐지기술에 의할 경우, 매설배관의 손상을 사전에 예방할 수는 없으며 단지 신속한 사후조치만이 가능하다. 따라서, 손상을 입은 매설배관과 관련된 교체 및 수리 비용을 절감시키기는 어려운 한계가 있다.
이와 같은 사정을 고려하였을 때, 매설배관이 중장비 등에 의하여 손상을 입기 전에 선제적으로 타공사를 감지함으로써 사용자가 사고 발생 전에 대응이 가능하도록 하는 감지 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 매설배관과 인접한 영역에서 진행 중인 타공사에 의하여 상기 매설배관이 손상을 입기 전에 타공사를 감지할 수 있는 모니터링 시스템 또는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 감지된 타공사가 매설배관의 위험반경 내에서 진행중인 지 여부 또는 하방으로 굴착을 진행 중인지 여부 등 타공사의 특징을 추정하여 제공할 수 있는 모니터링 시스템 또는 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 타공사에 의해 지반에 매설된 매설배관이 손상되기 전에 상기 타공사를 미리 감지하기 위한 타공사 모니터링 시스템으로서, 중장비가 상기 지반을 타격하는 경우, 상기 지반 또는 상기 매설배관을 따라 전파되는 충격 신호를 감지하도록 상기 매설배관에 설치되는 센서부; 및 상기 센서부로부터 데이터를 수신하여 상기 충격 신호의 시간 도메인 값을 획득하며, 상기 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환한 후 상기 충격 신호의 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 상기 타공사를 감지하는 제어부;를 포함하는 타공사 모니터링 시스템을 제공한다.
이때, 상기 타공사 감지를 위한 기준 데이터가 저장된 저장부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 기준 데이터를 고려하여 상기 주파수 응답 특성을 분석할 수 있다.
이때, 상기 기준 데이터는 관심 주파수 대역 및 기준 진폭범위를 포함하고, 상기 제어부는 상기 주파수 도메인 값 중에서 관심 주파수 대역에 대응되는 대역의 진폭범위를 상기 기준 진폭범위와 비교하여 상기 타공사를 감지할 수 있다.
이때, 상기 관심 주파수 대역 및 상기 기준 진폭범위는 상기 매설배관 또는 상기 매설배관과 동일한 재질 및 규격을 가지는 배관에 대하여 사전에 실험을 수행하여 획득될 수 있다.
이때, 상기 제어부는 감지된 상기 타공사가 상기 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사인지 여부를 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 판단할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 감지된 상기 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인지 여부를 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 판단할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 소정 시간 내에 복수 회의 충격 신호가 확인되며, 상기 복수 회의 충격 신호의 주파수 응답 특성 레벨이 점차 증가될 경우, 상기 타공사가 하방 굴착 타공사인 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 센서부는 상기 매설배관의 연장 방향을 따라 소정 간격 이격되어 배치되는 제1 센서와 제2 센서를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 센서와 상기 제2 센서로부터 각각 데이터를 수신하여 제1 시간 도메인 값 및 제2 시간 도메인 값을 획득한 후, 각각 제1 주파수 도메인 값 및 제2 주파수 도메인 값으로 변환할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 제1 센서에 의해 감지된 충격 신호의 주파수 응답 특성 및 상기 제2 센서에 의해 감지된 충격 신호의 주파수 응답 특성을 각각 분석하여 모두 상기 타공사의 존재가 확인되는 경우, 상기 타공사가 감지된 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 제1 시간 도메인 값 및 상기 제2 시간 도메인 값을 각각 복수 개의 시간 구간으로 분할하되, 서로 인접하는 두 개의 시간 구간 사이에 서로 중첩된 부분이 존재하도록 분할한 후 각각 주파수 도메인 값으로 변환할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 타공사의 위치를 추정할 수 있다.
[수학식]
Figure PCTKR2022016713-appb-img-000001
Figure PCTKR2022016713-appb-img-000002
(상기 수학식에서, D1은 타공사의 위치와 제1 센서 사이의 거리, D2는 타공사의 위치와 제2 센서 사이의 거리, L은 매설배관의 총연장, C는 매설배관을 통해 전파하는 충격 신호의 전파속도, τ는 제1 시간 도메인 값 상의 충격 신호와 제2 시간 도메인 값 상의 충격 신호의 도달시간 차이)
이때, 상기 제어부는 복수 회의 충격 신호가 확인되며 상기 복수 회의 충격 신호를 각각 분석하여 추정된 복수 개의 타공사의 위치가 모두 소정 오차 범위 내에 있을 경우, 상기 타공사가 하방 굴착 공사인 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 주파수 응답 특성 외에 상기 시간 도메인에서의 파형의 형태적 특성에 기초하여 상기 타공사를 감지할 수 있다.
한편, 본 발명은 타공사에 의해 지반에 매설된 매설배관이 손상되기 전에 상기 타공사를 미리 감지하기 위한 타공사 모니터링 방법으로서, 매설배관에 설치된 센서부가 중장비의 상기 지반 타격에 의해 상기 지반 또는 상기 매설배관을 따라 전파되는 충격 신호를 감지하는 단계; 상기 제어부가 상기 센서부로부터 데이터를 수신하여 상기 충격 신호와 관련된 시간 도메인 값을 획득하고, 상기 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석하여 상기 타공사를 감지하는 단계;를 포함하는 타공사 모니터링 방법을 제공한다.
이때, 상기 제어부가 상기 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석하여 상기 타공사를 감지하는 단계는, 상기 타공사의 위치를 추정하는 단계; 상기 타공사가 상기 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 타공사의 위치를 분석하여 상기 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인지 여부를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 예기치 않은 타공사에 의하여 매설배관이 손상을 입기 전에 특유의 제어부가 배관전파진동에 따른 주파수 응답 특성을 분석하여 타공사를 사전 감지함으로써, 매설배관 관리자로 하여금 선제 대응의 기회를 제공해 줄 수 있으며 타공사로부터 매설배관을 보다 효과적으로 보호할 수 있다.
또한, 본 발명은 타공사의 감지에 그치지 않고, 특유의 제어부가 상술한 주파수 응답 특성에 기초하여 감지된 타공사가 위험 타공사인지 여부도 판단할 수 있어, 매설배관 관리자에게 보다 정확한 타공사 정보를 제공해 줄 수 있다.
그리고, 본 발명은 특유의 제어부가 보다 입체적인 충격 신호 분석을 수행하여, 감지된 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인지 여부도 판단할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상술한 제어부가 충격 신호를 단위 시간 간격으로 분할하되, 서로 중첩된 구간이 존재하도록 분할함으로써 충격 신호의 누락을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 보다 정확한 타공사 모니터링을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템에 대한 구성도,
도 2는 타공사에 의해 지반 또는 매설배관을 따라 충격 신호가 전파되는 것을 설명하기 위한 설명도,
도 3에서 (a)는 제1 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프,
도 4는 배관전파진동을 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우의 주파수 도메인의 값을 함께 나타낸 그래프,
도 5는 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사와, 그렇지 않은 안전 타공사를 비교하여 설명하기 위한 설명도,
도 6에서 (a)는 도 5의 위험 타공사 시, 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 도 5의 안전 타공사 시, 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프,
도 7에서 (a)는 제1 센서에 의해 측정된 충격 신호의 주파수 도메인의 값을 나타낸 것으로서, 위험 타공사와 안전 타공사를 각각 비교하여 나타낸 그래프이며, (b)는 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 주파수 도메인의 값을 나타낸 것으로서, 위험 타공사와 안전 타공사를 비교하여 각각 나타낸 그래프,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템의 제어부가 충격 신호를 분할하는 과정을 설명하기 위한 설명도,
도 10에서 (a)는 하방 굴착 타공사 시 제1 센서 및 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 상기 충격 신호를 분석하여 추정된 타공사의 위치를 시간에 따라 나타낸 그래프,
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 방법에 대한 흐름도, 그리고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다. 또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템에 대한 구성도이며, 도 2는 타공사에 의해 지반 또는 매설배관을 따라 충격 신호가 전파되는 것을 설명하기 위한 설명도이다. 또한, 도 3에서 (a)는 제1 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, 도 4는 배관전파진동을 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우의 주파수 도메인의 값을 함께 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은 예기치 않게 진행되는 타공사 시 중장비 등에 의해 매설배관(5)이 타격되어 손상되는 것을 미연에 방지하기 위한 시스템이다.
이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은, 저장부(10), 센서부(20) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)을 실시하는 방식에 따라 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구현될 수도 있고, 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(10)는 후술될 제어부(40)가 타공사를 감지하는데 이용되는 기준 데이터를 저장할 수 있다.
이때, 저장부(10)에 저장되는 기준 데이터는 예를 들면, 타공사에 의해 발생되는 충격 신호의 관심 주파수 대역(Frequency Band) 및 기준 진폭범위(Magnitude Range) 일 수 있다. 다른 예로서, 기준 데이터는 도 10에 도시된 것과 같이 동일한 위치에 대하여 시간 도메인에서의 유사한 파형이 동일한 간격으로 소정 횟수 반복되는 것과 같이 시간 도메인에서의 파형의 형태적 특징을 파라미터화한 값일 수 있다. 다만, 기준 데이터의 예가 상술한 예로 한정되는 것은 아니며, 타공사 감지를 위한 다양한 데이터가 저장될 수 있음을 밝혀 둔다.
이때, 저장부(10)는 매설배관과 인접한 위치에서 진행되어 매설배관을 손상시킬 가능성이 있는 타공사(이하, '위험 타공사') 및 매설배관으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 진행되어 매설배관을 손상시킬 가능성이 희박한 타공사(이하, '안전 타공사') 별로 각기 다른 값의 기준 데이터를 저장할 수 있다.
이때, 상기 기준 데이터는 실제 관측의 대상이 되는 매설배관(5) 또는 상기 매설배관(5)과 동일한 재질 및 규격을 가지는 배관에 대하여 사전에 실험을 수행하여 획득될 수 있다. 이때, 상기 실험은 매설배관(5)이 실제 매설되는 지반(6) 또는 이를 모사한 환경 내에서 수행될 수 있다. 이를 통해 지반 환경이 기준 데이터에 미치는 영향을 최대한 반영함으로써 제어부(40)에 의한 타공사 감지의 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 저장부(10)는 후술될 제어부(40)가 센서부(20)에 의해 감지된 충격 신호의 시간 도메인 값을 획득하고 이를 주파수 도메인의 값으로 변환한 후 해당 충격 신호의 주파수 응답 특성에 기초하여 타공사인지 여부를 판단하는 과정에서 요구되는 각종 로직과 알고리즘 및 프로그램을 저장할 수도 있다.
한편, 저장부(10)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
다음으로, 센서부(20)는 일례로, 진동 가속도계, 하이드로폰 또는 마이크로폰 등으로 구현될 수 있으며, 매설배관(5)의 일 위치에 설치되어 매설배관 주변의 타공사와 관련된 충격 신호를 감지할 수 있다.
이때, 도 2를 참조하면, 센서부(20)가 감지하는 충격 신호(1)는 타공사 시 굴착기(backhoe) 등의 중장비(7)가 지반에 충격을 가할 경우 전파되는 탄성파일 수 있으며, 구체적으로는 지반전파진동(3) 또는 배관전파진동(2) 일 수 있다. 여기서 지반전파진동(3)이란 도면에 도시된 바와 같이 배관(5)을 경유하지 않고 지반(6)을 따라 센서부(20) 측으로 전파되는 탄성파일 수 있으며, 배관전파진동(2)이란 지반(6)을 거쳐 배관(5)을 따라 전파하는 탄성파일 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 발명자는 매설배관(5)과 인접한 지역에서 타공사가 진행 중인 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 매설배관(5)의 센서부(20)에서 지반전파진동(3)뿐만 아니라 배관전파진동(2)도 함께 감지됨을 발견하였다. 즉, 매설배관(5)과 인접한 지역에 타공사가 있을 경우, 상기 타공사로부터 발생된 충격에너지가 지반을 거쳐 매설배관(5)에까지 전달되어 센서부(20)를 통해 감지됨을 발견하였다. 특히, 본 발명의 발명자는 도면에 도시된 바와 같이 배관전파진동(2)의 경우, 매질의 차이로 인하여 지반전파진동(3) 대비 보다 빠르게 센서부(20)에 도달됨을 확인할 수 있었으며, 도 4에 도시된 바와 같이 주파수 응답 특성을 분석할 경우, 배관전파진동(2)은 지반전파진동(3) 대비 보다 고주파에서 발생함을 알 수 있었다. 이에, 본 발명의 발명자는 상기 배관전파진동(2)에 의한 주파수 응답 특성의 변화를 주의 깊게 관찰할 경우, 매설배관(5)의 손상 전에 타공사의 존재를 확인할 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 일 실시예에서, 센서부(20)는 도면에 도시된 바와 같이 매설배관(5)의 연장 방향을 따라 소정 간격 이격되어 배치되는 제1 센서(22) 및 제2 센서(24)를 포함하여 복수 개의 센서를 포함할 수 있다. 이때, 제1 센서(22)와 제2 센서(24)는 동일한 타격으로부터 발생된 충격 신호를 각각 독립적으로 수집할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 센서부(20)가 이처럼 복수 개의 센서를 포함하는 것은 타공사의 위치를 추정하고, 타공사 감지의 정확성을 보다 향상시키기 위한 것인데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 센서부(20)는 감지된 충격 신호와 관련된 데이터를 제어부(40) 측으로 송신할 수 있다. 이를 위해, 센서부(20)는 제어부(40)와 유선으로 연결되거나, 무선인터넷 모듈 또는 근거리통신 모듈 등을 포함함으로써 제어부(40)와 무선신호를 송신할 수 있다.
도 5는 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사와, 그렇지 않은 안전 타공사를 비교하여 설명하기 위한 설명도이고, 도 6에서 (a)는 도 5의 위험 타공사 시, 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 도 5의 안전 타공사 시, 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 7에서 (a)는 제1 센서에 의해 측정된 충격 신호의 주파수 도메인의 값을 나타낸 것으로서, 위험 타공사와 안전 타공사를 각각 비교하여 나타낸 그래프이며, (b)는 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 주파수 도메인의 값을 나타낸 것으로서, 위험 타공사와 안전 타공사를 비교하여 각각 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템의 제어부가 충격 신호를 분할하는 과정을 설명하기 위한 설명도이며, 도 10에서 (a)는 하방 굴착 타공사 시 제1 센서 및 제2 센서에 의해 측정된 충격 신호의 시간 도메인의 값을 나타낸 그래프이며, (b)는 상기 충격 신호를 분석하여 추정된 타공사의 위치를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
다음으로, 제어부(40)는 센서부(20)로부터 상술한 충격 신호와 관련된 정보를 처리 분석함으로써 매설배관과 인접한 영역에서 진행 중인 타공사를 감지할 수 있다. 이러한 제어부(40)는 하드웨어 또는 소프트웨어의 형태로 구현될 수도 있고, 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수도 있다. 바람직하게는, 제어부(40)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(40)는 타공사를 감지하기 위해 먼저, 센서부(20)로부터 데이터를 수신하여 충격 신호의 시간 도메인 값을 획득할 수 있다. 이때, 제어부(40)는 센서부(20)가 복수 개의 센서를 포함하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 센서(22) 및 제2 센서(24)로부터 각각 데이터를 수신하여 제1 시간 도메인 값과 제2 시간 도메인 값을 획득할 수 있다.
그 후, 제어부(40)는 일례로 FFT (Fast Fourier Transform)을 수행하여 상기 제1 시간 도메인 값과 제2 시간 도메인 값을 도 4에 도시된 바와 같이 각각 주파수 도메인 값으로 변환할 수 있다.
그리고, 제어부(40)는 충격 신호의 주파수 응답 특성에 기초하여 타공사를 감지할 수 있다. 이때, 제어부(40)는 앞서 설명한 바와 같이 저장부(10)에 미리 저장된 기준 데이터를 고려하여 주파수 응답 특성을 분석할 수 있다.
이와 관련된 예시적인 일례로서, 제어부(40)는 주파수 도메인 값 중에서 관심 주파수 대역에 대응되는 대역에 대해서만 주파수 응답 특성을 분석할 수 있다.
보다 구체적으로, 매설배관과 인접하여 타공사가 진행되어 충격 신호가 배관전파진동(2)과 지반전파진동(3)을 모두 포함하는 경우와,(도 5(a)) 타공사가 매설배관으로부터 멀리 이격된 위치에서 진행 중이거나 타공사가 존재하지 않아 충격 신호가 주로 지반전파진동(3)을 포함하는 경우를 비교하면(도 5(b)), 도 7에 도시된 바과 같이 대략 20Hz 이하 또는 120Hz 이상의 주파수 대역에서는 주파수 응답은 거의 유사한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 20Hz 내지 120Hz 대역(관심 주파수 대역)의 경우, 양 주파수 응답의 레벨 차이가 상당한 것을 알 수 있다. 따라서, 제어부(40)는 특정 관심 주파수 대역만을 주목하여 주파수 응답 특성을 분석함으로써 보다 정확하고 신속하게 타공사를 감지할 수 있다.
또한, 제어부(40)는 상기 관심 주파수 대역의 진폭범위를 저장부(10)에 저장된 진폭범위와 비교하여 타공사를 감지할 수 있다.
예를 들면, 제어부(40)는 관심 주파수 대역 내에서 주파수 도메인 값의 최대값을 확인한 후, 상기 최대값이 기준 데이터 상 설정된 임계값 이상일 경우 매설배관(5)과 인접하여 타공사가 진행 중인 것으로 판단할 수 있다. 또한 다른 일례로서, 제어부(40)는 관심 주파수 대역 내 주파수 도메인 값의 최소값과 최대값의 차이를 확인하여, 그 차이값이 기준 데이터 상 설정된 임계값 이상일 경우 타공사가 진행 중인 것으로 판단할 수 있다.
다만, 제어부(40)가 저장부(10)에 저장된 기준 데이터를 이용하여 주파수 응답 특성을 분석하는 것은 일례에 불과하며, 이 외에도 제어부(40)는 타공사를 감지하기 위하여 미리 학습된 인공신경망 등과 같이 저장부(10)에 저장된 알고리즘에 기초하여 기준 데이터 없이 타공사를 감지할 수도 있다. 이때, 상기 인공신경망은 타공사를 포함하고 있는 경우 획득된 충격 신호의 주파수 응답 특성의 양상을 미리 학습한 후, 이에 기초하여 충격 신호에 타공사와 관련된 신호가 포함되어 있는지 여부를 판단할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 상기와 같이 감지된 타공사가 매설배관(5)을 손상시킬 우려가 있는 타공사인지 여부를 추가적으로 판단할 수 있다.
구체적으로, 도 5(a)와 같이 매설배관(5)의 직상부 또는 상기 직상부와 인접한 위치에서 진행 중인 타공사는 중장비에 의한 굴착 작업이 계속될 경우, 매설배관(5)을 타격하여 손상시킬 수 있다. 반면, 도 5(b)와 같이 매설배관(5)의 직상부로부터 매설배관(5)의 연장 방향과 교차하는 방향으로 소정 거리 이격된 위치에서 진행 중인 타공사의 경우, 굴착 작업이 계속되더라도 매설배관에 영향을 미칠 우려가 없다. 이하, 본 명세서에서 매설배관을 타격할 우려가 있는 타공사를 '위험 타공사'라고 규정하고, 매설배관을 타격할 우려가 없는 타공사를 '안전 타공사'라고 규정한다.
이와 관련하여, 제어부(40)는 감지된 타공사가 위험 타공사인지 안전 타공사 인지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 제어부(40)는 위험 타공사와 안전 타공사의 분류도 마찬가지로 충격 신호의 주파수 응답 특성에 기초하여 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 같은 타공사라 할 지라도 위험 타공사(도 5(a))의 경우, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 배관전파진동(2)이 지반전파진동(3)의 도달 전에 관찰된다. 그러나, 안전 타공사(도 5(b))의 경우, 매설배관(5)으로부터 다소 이격된 위치에 위치에 중장비 등의 타격원이 위치하게 되므로, 위험 타공사와 달리 매설배관(5)을 따라 전파되는 배관전파진동(2)이 미미하거나 관찰되지 않을 수 있다.(도 6(b) 참조) 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 위험 타공사와 안전 타공사는 그 주파수 응답 특성이 상이할 수 있는데, 제어부(40)는 이에 기초하여 위험 타공사와 안전 타공사를 판별할 수 있다.
이때, 제어부(40)는 타공사 감지 시와 마찬가지로, 위험 타공사 및 안전 타공사와 관련된 기준 데이터를 저장부(10)로부터 불러와 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석할 수 있다.
이때, 매설배관(5)으로부터 얼마만큼 떨어진 위치의 타공사를 안전 타공사로 분류할 지는 사용자의 요구 스펙에 따라 달리 규정될 수 있다. 이를 위해 제어부(40)는 저장부(10)에 저장된 다양한 기준 데이터 중에서, 사용자의 요구 스펙에 대응되는 기준 데이터 값을 이용할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 매설배관의 직상부로부터 반경 10m 이내에 위치하는 타공사만을 위험 타공사로 감지하고자 하는 경우, 제어부(40)는 저장부로부터 상기 반경 10m에 대응되는 기준 데이터를 불러와 주파수 응답 특성 분석에 이용할 수 있다. 여기서, 사용자의 요구 스펙 별로 저장된 다양한 크기의 기준 데이터는 사전에 해당 매설배관을 대상으로 수행된 실험을 통해 획득될 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은 위험 타공사 만을 선별하여 알려줄 수 있어 사용자에게 보다 신뢰성 높은 타공사 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(40)는 센서부(20)가 복수 개의 센서(22,24)를 포함하는 경우, 제1 센서(22)에 의해 감지된 충격 신호와 관련된 제1 주파수 응답 특성과, 제2 센서(24)에 의해 감지된 충격 신호와 관련된 제2 주파수 응답 특성을 각각 분석할 수 있다. 그리고, 제어부(40)는 상기 제1 주파수 응답 특성과 제2 주파수 응답 특성 분석 결과 모두 타공사의 존재가 확인되는 경우에만, 지상에 타공사가 진행 중인 것으로 판단할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은 오감지를 최소화하여 보다 정확하게 타공사를 감지할 수 있다.
이와 관련하여, 제어부(40)는 제1 시간 도메인 값과 제2 시간 도메인 값을 각각 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 복수 개의 시간 구간으로 분할할 수 있다. 일례로, 상기 시간 구간은 도면에 도시된 바와 같이 1초 간격으로 연속적으로 분할될 수 있다. 다만, 시간 구간의 분할 간격은 전술한 예로 한정되는 것은 아니며, 제1 센서(22)와 제2 센서(24) 사이의 길이 및 매설배관을 따라 전파되는 배관전파진동의 속도를 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
그리고, 제어부(40)는 상기와 같이 분할된 복수 개의 시간 구간을 각각 주파수 도메인 값으로 변환할 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은 충격 신호를 단위 시간 간격으로 하여, 전체 연속적인 신호에 대해 단위 구간 당 특징을 추출하여 비교/분석함으로써 사용자에게 보다 효율적으로 타공사를 감지하여 관련 정보를 전달할 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 제어부(40)는 분할된 복수 개의 시간 구간 중에서 서로 인접하는 두개의 시간 구간 사이에 서로 중첩된 부분이 존재하도록 분할할 수 있다. 예를 들면, 단위 시간 간격이 1초일 경우, 0초-2초의 시간 도메인 값을 0초-1초와 1초-2초로 분할하는 것이 아니라, 0초-1초, 0.5초-1.5초 및 0.1초-2초로 분할하여 0.5초 간격씩 중첩되도록 분할할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)이 시간 도메인 값을 중첩된 부분이 존재하도록 분할하는 것은 타공사 판단시 충격 신호의 누락을 방지하기 위한 것이다.
구체적으로, 타공사의 위치로부터 제1 센서(22)와 제2 센서(24)까지의 위치가 비대칭일 경우, 충격 신호가 각 센서까지 도달하는 시간이 상이할 수 있다. 예시적인 일례로서, 도 9를 참조하면, 동일한 충격 신호에 대하여 제1 시간 도메인 값 상에는 0.8초경 충격 신호가 도달된 것으로 표시되고, 제2 시간 도메인 값 상에는 1.2초경 충격 신호가 도달된 것으로 표시될 수 있다.(타공사가 제1 센서(22)와 보다 인접하여 0.4초의 양 센서 간 0.4초의 지연이 발생된 경우)
이때, 만약 제어부(40)가 시간 도메인 값을 중첩된 부분 없이 가령 0초-1초 및 1초-2초와 같이 연속적으로 분할하였을 경우, 0초-1초의 시간 구간에 대해서는 제1 센서(22) 측에만 충격 신호가 감지된 것으로 판단하고, 1초-2초의 시간 구간에 대해서는 제2 센서(24) 측에만 충격 신호가 감지된 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 만약 제어부(40)가 전술한 예시와 같이 제1 주파수 응답 특성 및 제2 주파수 응답 특성 분석 결과 모두 타공사가 확인되는 경우에만 지상에 타공사가 존재하는 것으로 판단하게 된다면, 제어부(40)는 전 시간 구간에 대하여 타공사가 없는 것으로 판단하는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제어부(40)는 시간 도메인 값을 중첩된 부분이 존재하도록 분할할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 제1 센서(22) 및 제2 센서(24)를 포함하는 복수 개의 센서를 포함함으로써, 하기 수학식에 따라 타공사의 위치를 추정할 수 있다.
[수학식]
Figure PCTKR2022016713-appb-img-000003
Figure PCTKR2022016713-appb-img-000004
이때, D1은 타공사의 위치와 제1 센서 사이의 거리, D2는 타공사의 위치와 제2 센서 사이의 거리, L은 매설배관의 총연장, C는 매설배관을 통해 전파하는 충격 신호의 전파속도, τ는 제1 시간 도메인 값 상의 충격 신호와 제2 시간 도메인 값 상의 충격 신호의 도달시간 차이일 수 있다.
여기서, 상기 두 신호의 도달시간 차이(τ)는 상호상관함수(Cross-Correlation)의 피크 값을 확인하여 보다 정확하게 계산할 수 있다.
그리고, 제어부(40)는 도 10과 같이 시간 도메인 값 상에 소정 시간 간격을 가지며 연속적으로 출현하는 복수 회의 충격 신호가 확인되는 경우 다양한 방법으로 상기 복수 회의 충격 신호가 하방으로 굴착을 진행 중인 타공사 인지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 타공사의 종류에는 지반의 하방으로 굴착 공정을 수행하는 하방 굴착 공사도 있지만, 예를 들면 로드 롤러(road roller), 노면 파쇄기 등과 같이 하방으로 굴착을 수행하지 않지만 지반에 충격에너지를 전달할 수 있는 타공사도 포함할 수 있는데, 제어부(40)는 이와 같이 여러 종류의 타공사 중에서 매설배관(5)을 손상시킬 가능성이 높은 하방 굴착 타공사 만을 선별할 수 있다.
이를 위해, 먼저 제어부(40)는 상기 복수 회의 충격 신호를 분석하여 추정된 타공사의 위치가 동일한 지 여부를 확인할 수 있다. 만약 상기 복수 회의 충격 신호를 분석하여 도출된 타공사의 위치가 모두 소정 오차 범위 내에 있을 경우, 제어부(40)는 상기 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인 것으로 판단할 수 있다.(도 10 참조)
이와 함께, 제어부(40)는 주파수 응답 특성에 기초하여 타공사가 하방 굴착 타공사인지 판단할 수도 있다. 구체적으로 소정 시간 내에 복수 회의 충격 신호가 확인됨과 동시에 상기 복수 회의 충격 신호에 따른 복수 개의 주파수 응답 특성의 레벨이 점차 증가될 경우, 상기 타공사가 하방 굴착 타공사인 것으로 판단할 수 있다.
이러한 하방 굴착 타공사의 경우, 횡방향 굴착 시와 비교하여 매설배관(5)을 타격할 가능성이 보다 높을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 시스템(100)은 상술한 바와 같이 하방 굴착 타공사의 존재를 사용자에게 사전에 알림으로써 사용자가 보다 주의 깊게 상기 타공사의 진행을 모니터링 하도록 유도할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 매설배관(5)에 설치된 센서부(20)가 중장비의 지반 타격에 의해 지반(6) 또는 매설배관(5)을 따라 전파되는 충격 신호를 감지한다.(S10)
그 후, 제어부가 상기 센서부로부터 데이터를 수신하여 상기 충격 신호와 관련된 시간 도메인 값을 획득하고, 상기 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환한다.(S20)
다음으로, 제어부가 상기 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석하여 상기 타공사를 감지할 수 있다.(S30) 이때, 제어부(40)는 상술한 바와 같이 저장부(10)에 저장된 기준 데이터를 고려하여 주파수 응답 특성을 분석할 수 있다.
이때, 상기 타공사를 감지하는 단계(S30)는 일례로, 도 12에 도시된 바와 같이 타공사의 위치를 추정하는 단계(S31), 위험 타공사인지 여부를 판단하는 단계(S32) 및 하방 굴착 타공사인지 여부를 판단하는 단계(S33)를 포함할 수 있다. 이때 각 단계를 수행하는 구체적인 방법은 앞서 설명한 바와 동일하므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 타공사 모니터링 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive), 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 타공사에 의해 지반에 매설된 매설배관이 손상되기 전에 상기 타공사를 미리 감지하기 위한 타공사 모니터링 시스템으로서,
    중장비가 상기 지반을 타격하는 경우, 상기 지반 또는 상기 매설배관을 따라 전파되는 충격 신호를 감지하도록 상기 매설배관에 설치되는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 데이터를 수신하여 상기 충격 신호의 시간 도메인 값을 획득하며, 상기 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환한 후 상기 충격 신호의 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 상기 타공사를 감지하는 제어부;를 포함하는 타공사 모니터링 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 타공사 감지를 위한 기준 데이터가 저장된 저장부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 기준 데이터를 고려하여 상기 주파수 응답 특성을 분석하는 타공사 모니터링 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 기준 데이터는 관심 주파수 대역 및 기준 진폭범위를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 주파수 도메인 값 중에서 관심 주파수 대역에 대응되는 대역의 진폭범위를 상기 기준 진폭범위와 비교하여 상기 타공사를 감지하는 타공사 모니터링 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 관심 주파수 대역 및 상기 기준 진폭범위는 상기 매설배관 또는 상기 매설배관과 동일한 재질 및 규격을 가지는 배관에 대하여 사전에 실험을 수행하여 획득되는 타공사 모니터링 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 감지된 상기 타공사가 상기 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사인지 여부를 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 판단하는 타공사 모니터링 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 감지된 상기 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인지 여부를 상기 주파수 응답 특성에 기초하여 판단하는 타공사 모니터링 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는 소정 시간 내에 복수 회의 충격 신호가 확인되며, 상기 복수 회의 충격 신호의 주파수 응답 특성 레벨이 점차 증가될 경우, 상기 타공사가 하방 굴착 타공사인 것으로 판단하는 타공사 모니터링 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 매설배관의 연장 방향을 따라 소정 간격 이격되어 배치되는 제1 센서와 제2 센서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 센서와 상기 제2 센서로부터 각각 데이터를 수신하여 제1 시간 도메인 값 및 제2 시간 도메인 값을 획득한 후, 각각 제1 주파수 도메인 값 및 제2 주파수 도메인 값으로 변환하는 타공사 모니터링 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 센서에 의해 감지된 충격 신호의 주파수 응답 특성 및 상기 제2 센서에 의해 감지된 충격 신호의 주파수 응답 특성을 각각 분석하여 모두 상기 타공사의 존재가 확인되는 경우, 상기 타공사가 감지된 것으로 판단하는 타공사 모니터링 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 시간 도메인 값 및 상기 제2 시간 도메인 값을 각각 복수 개의 시간 구간으로 분할하되, 상기 복수 개의 시간 구간 중에서 서로 인접하는 두 개의 시간 구간 사이에 서로 중첩된 부분이 존재하도록 분할한 후 각각 주파수 도메인 값으로 변환하는 타공사 모니터링 시스템.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 타공사의 위치를 추정하는 타공사 모니터링 시스템.
    [수학식]
    Figure PCTKR2022016713-appb-img-000005
    Figure PCTKR2022016713-appb-img-000006
    (상기 수학식에서, D1은 타공사의 위치와 제1 센서 사이의 거리, D2는 타공사의 위치와 제2 센서 사이의 거리, L은 매설배관의 총연장, C는 매설배관을 통해 전파하는 충격 신호의 전파속도, τ는 제1 시간 도메인 값 상의 충격 신호와 제2 시간 도메인 값 상의 충격 신호의 도달시간 차이)
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어부는 복수 회의 충격 신호가 확인되며 상기 복수 회의 충격 신호를 각각 분석하여 추정된 복수 개의 타공사의 위치가 모두 소정 오차 범위 내에 있을 경우, 상기 타공사가 하방 굴착 공사인 것으로 판단하는 타공사 모니터링 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 주파수 응답 특성 외에 상기 시간 도메인에서의 파형의 형태적 특성에 기초하여 상기 타공사를 감지하는 타공사 모니터링 시스템.
  14. 타공사에 의해 지반에 매설된 매설배관이 손상되기 전에 상기 타공사를 미리 감지하기 위한 타공사 모니터링 방법으로서,
    매설배관에 설치된 센서부가 중장비의 상기 지반 타격에 의해 상기 지반 또는 상기 매설배관을 따라 전파되는 충격 신호를 감지하는 단계;
    상기 제어부가 상기 센서부로부터 데이터를 수신하여 상기 충격 신호와 관련된 시간 도메인 값을 획득하고, 상기 시간 도메인 값을 주파수 도메인 값으로 변환하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석하여 상기 타공사를 감지하는 단계;를 포함하는 타공사 모니터링 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 충격 신호의 주파수 응답 특성을 분석하여 상기 타공사를 감지하는 단계는,
    상기 타공사의 위치를 추정하는 단계;
    상기 타공사가 상기 매설배관을 손상시킬 우려가 있는 위험 타공사인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 타공사가 하방으로 굴착을 진행 중인 하방 굴착 타공사인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 타공사 모니터링 방법.
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