2020년 09월 30일, 수요일


국토와교통

2020년 9월호
(통권 434호)


터널 스캐닝 시스템을 이용한 도로·철도터널 라이닝 외관조사 기술


  김정현 기자     입력 2020-09-10 (목) 13:56



라인레이저와 동영상 디지털 카메라로 0.1㎜ 결함손상까지 정밀평가 가능
 
도로·철도 터널 내부 라이닝의 결함손상 정보를 터널 스캐닝 시스템을 통해 파악하고 진단하는 기술이 나왔다.
 
이 기술은 촬영영역의 왜곡을 식별하기 위한 라인레이저와 화각 조정이 가능한 16대의 동영상 디지털 카메라로 구성된 광학식 터널 스캐너를 시속 10㎞ 속도로 주행하면서 도로 및 철도 터널 내부 라이닝의 전단면 영상을 확보하고 영상처리 기술을 이용하여 터널 라이닝의 결함손상 정보를 파악할 수 있는 기술이다. 균열폭 0.1㎜ 이상의 결함손상 정보를 진단할 수 있다.

터널 스캐닝 시스템을 활용하면 △조사결과의 정확도와 객관성 향상, △접근이 어려운 대단면 터널 라이닝 정밀조사, △조사환경 개선 및 조사시간 단축, △조사작업을 위한 교통통제 최소화, △상태변화의 진행성 확인으로 성능 중심의 선제적 유지관리 활용이 가능하다.

이러한 특징을 바탕으로 2차선 도로터널 1㎞ 기준으로 기존 육안조사 기술보다 현장조사 소요인력을 50% 이상 절감할 수 있으며 소요기간은 80% 이상 단축할 수 있다.

㈜케이엠티엘과 케이에스엠기술㈜, 백양엔지니어링㈜가 개발한 라인레이저와 동영상 디지털 카메라로 구성된 터널 스캐닝 시스템을 이용한 도로터널 및 철도터널 라이닝 외관조사 기술은 이러한 기술력을 바탕으로 건설신기술 제887호로 지정됐다. 보호기간은 2020년 5월 1일부터 2028년 4월 30일까지 8년이다.
 
■ 기술개발자
 · ㈜케이엠티엘 (대표이사 홍사장)
   서울시 구로구 디지털로 272, 203호
   www.kmtl.co.kr
 · 케이에스엠기술㈜ (대표이사 홍현표)
   경상남도 창원시 성산구 완암로 50
   www.ksmeng.co.kr
 · 백양엔지니어링㈜ (대표이사 최동하)
   서울시 송파구 충민로 10, 8층 S-20호
   www.baekyangeng.co.kr
■ 건설신기술 제887호
   보호기간 : 2020. 05. 01 ~ 2028. 04. 30 (8년)


 
최소폭 0.1㎜ 결함손상까지 정밀평가 가능

터널 스캐닝 시스템의 특징은 최소폭 0.1㎜ 결함손상까지 정말평가가 가능한 스마트 외관조사 진단 기술이라는 것이다. 도로터널, 철도터널, 지하철 등 터널 시설물 내부 외관조사를 통하여 균열, 누수, 파손·손상, 박리, 박락, 백태, 철근노출 등 결함손상을 측정할 수 있다.

터널 복공 라이닝은 시설물의 안전점검과 정밀안전진단을 통해 터널의 현재 성능을 평가하기 위한 주요한 터널 기본 시설물이다. 터널은 시공방법에 따라 재래식터널, NATM터널, SHELD터널, 개착터널 등으로 구분할 수 있으며 구조형식에 따라 무근 및 철근 콘크리트 라이닝, 콘크리트 세그먼트 라이닝 등 콘크리트 재료로 건설된다.

콘크리트 라이닝은 시간의 경과와 더불어 구조적·환경적 영향으로 손상되며 균열, 누수, 박리, 박락, 재료분리, 철근노출 등 노후화에 따라 문제가 발생하게 된다. 이에 따라 벽체균열의 심화 및 탈락, 복공부위 누수 및 변형과 같은 중대 결함을 포함하여 안전성능을 평가하는 중요한 시설물이라 할 수 있다.
 
터널 스캐닝 상용화 기술

기존기술은 균열자를 이용한 균열폭 측정 등 조사자의 육안에 의한 조사 방법에 의존하는 한계가 존재했다. 육안조사는 균열과 같은 구조적 결함손상 및 재료적 열화의 정량화된 측정이 어려워 조사결과의 객관성 및 신뢰성이 결여되며 인력 접근이 어려운 위치에서 조사가 불가능한 단점이 있다.

이에 ㈜케이엠티엘과 케이에스엠기술㈜, 백양엔지니어링㈜가 개발한 라인레이저와 동영상 디지털 카메라로 구성된 터널 스캐닝 시스템을 이용한 터널 라이닝 외관조사 기술은 국내 최초로 개발된 주행형 터널 스캐닝 상용화 기술이라 할 수 있다.
터널 스캐닝 시스템의 특징은 △주행형 터널 스캐너를 이용한 영상획득기술, △디지털 영상처리 및 균열추출 기술, △터널 시설물 유지관리 소프트웨어 기술로 세분화할 수 있다.
 
 
 
주행형 터널 스캐너 영상획득기술

주행형 터널 스캐너 영상획득기술은 터널 중심부를 기준으로 광학식 영상센서를 탑재한 16대의 동영상 디지털 카메라와 왜곡 식별을 위한 라인레이저 및 조명장치가 방사형으로 설치되어 시속 5㎞에서 10㎞의 속도로 주행하면서 균열폭 0.1㎜의 결함손상까지 고품질 영상 획득이 가능하다.

이렇게 획득한 영상은 프레임 동기화, 왜곡보정, 정합, 화상조정, 이미지 추출 등을 통해 평면전개 이미지로 생성되고 농담 히스토그램 분석 기법을 활용하여 라이닝 표면의 균열손상을 검출할 수 있다. 이러한 디지털 영상처리 및 균열추출 기술을 활용하여 외관 조사망도 및 결함손상 물량집계표 등을 작성할 수 있다.

또한 터널 내부 라이닝의 3차원 공간 데이터 및 결함손상 정보의 경년 변화 데이터베이스를 활용하여 시설물의 상태변화를 파악하고 구간별 결함손상 밀도를 분석할 수 있어 이러한 정보를 바탕으로 터널 시설물 유지관리에 선제적으로 활용할 수 있다.
 
정밀조사 정확도 및 객관성 확보

또한 신기술의 특징은 정밀조사의 정확도 및 객관성을 확보할 수 있다는 것이다. 신기술은 1920×1080픽셀의 Full HD 고해상도로 획득이 가능한 다수의 디지털 비디오 카메라를 이용하여 일정 구간의 터널 전단면 또는 반단면 라이닝 전체의 영상을 구성할 수 있다.

아울러 접근이 어려운 대단면 터널 라이닝의 정밀조사가 가능하다. 도로터널 및 철도터널은 대부분 천단고가 9m 이상이다. 철도터널의 경우 전차선에 의해 4~5m 높이까지만 접근이 가능하여 기존 육안조사 기법으로는 정밀조사가 어려운 한계가 있다. 이에 신기술은 고해상도의 광학식 영상센서를 이용하여 획득된 영상 데이터를 기반으로 정밀조사를 하기 때문에 균열폭 0.1㎜ 수준의 결함손상에 대한 정밀한 검출이 가능하다.
 
이는 조사작업 안전성으로도 이어진다. 기존 육안조사 기법은 차량사고나 배출가스, 먼지, 소음 등 조사환경이 열악하여 안전사고의 위험이 상존해 있으며 터널 천단부 접근을 위한 고소차량을 이용하는 경우 고압전류의 위험에 노출될 수도 있다. 반면 신기술은 자동화된 무인 외관조사 기술로 조사기간을 단축하고 교통통제를 최소화할 수 있다. 터널 스캐닝 시스템을 통해 1일 최대 40㎞의 터널 구간을 빠르고 정밀하게 획득할 수 있는 것이다. 
 
 
  

라인레이저 이용, 왜곡 최소화

또한 기존 디지털 이미지 촬영방식의 영상기반 터널 스캐닝 기술의 경우, 획득된 영상에 왜곡이 발생하여 영상처리를 통한 평면전개 이미지를 작성하거나 정확한 균열정보를 추출할 때 한계가 존재했다. 반면, 신기술은 주행형 터널 스캐닝 장치로 화각정렬과 왜곡식별을 위한 라인레이저를 활용하여 결함손상 정보의 정확도를 향상시켰다.

라인레이저를 이용한 획득영상의 접합 및 동기화 이미지 추출 영상처리 기술을 통해 주행 속도의 변화에도 추출된 이미지의 왜곡이 발생하지 않도록 하여 기존 기술에서 요구되는 별도의 등속주행 장치 없이 정확한 균열정보를 확보할 수 있는 것이다.
 
스마트 유지관리 기술, 생산성·안전성 확보

이처럼 신기술은 터널 시설물의 선제적인 유지관리를 위한 정밀진단 외관조사의 생산성과 안전성을 향상시킨 스마트 유지관리 기술이다. 국토교통부의 ‘스마트 건설기술 로드맵’에서 정의하는 스마트 건설기술의 유지관리 단계 기술에 부합하는 첨단기술 융합형 시설물 진단 기술이라 할 수 있다.

한국철도시설공단은 2017년 ㈜SR 출범 등으로 고속철도시설의 사용이 증대됨에 따라 ‘시설물안전관리에 관한 특별법’에 의거하여 4차산업혁명 기술인 드론과 터널 스캐너 등을 활용하여 정밀안전진단을 시행한 바 있다.

고속국도, 일반국도 및 지방도에 건설된 국내 도로터널은 2018년 말 현재 2566개소에 이른다. 총 연장은 1897㎞로 매년 약 10%의 지속적인 증가세를 보이고 있다. 일반철도 및 도시철도, 고속철도에 건설된 국내 철도 터널은 총 925개소로 총 연장은 2219㎞에 이르고 있다.

또한 터널 시설물의 설계 및 시공기술이 발전함에 따라 연장 1㎞ 이상 장대터널의 건설이 증가하고 있으며 고속철도 터널 및 3차선 이상의 도로터널 등 대단면 터널의 건설이 증가하고 있다. 이에 ㈜케이엠티엘과 케이에스엠기술㈜, 백양엔지니어링㈜가 개발한 라인레이저와 동영상 디지털 카메라로 구성된 터널 스캐닝 시스템을 이용한 터널 라이닝 외관조사 기술은 기계화 및 자동화된 터널 스캐닝 상용화 기술로 앞으로 국내외 유지관리 건설공사 현장에서 활발히 활용될 것으로 기대된다.
 
김정현 기자 (ltmkjh@ltm.or.kr)
 
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