장대교량 풍진동 무선 계측 시스템 개발 (의뢰처:삼성물산 건설부)

  • 프로젝트명: 장대교량 풍진동 무선 계측 시스템 개발 (S-Bridge)
  • 기간: 2008.11.15. ~ 2009.11.15.
  • 발주처: 삼성물산 건설사업부
  • 과업 내용: 인천대교 풍진동 측정 무선 계측 시스템 제작

장대교량 풍진동 무선 계측 시스템 개발을 삼성물산과  5개월로 계약을 하고 시작했었습니다. 과업 범위를 듣고 5개월 이내에 끝낼 수 있을 것이라 생각했습니다만 실제 종료는 2010년 1월이 넘어서야 끝난, 예상 기간보다 3배 가까이 늘어난 다사다난한 프로젝트였습니다. 흔히 언급하는 센서 네트워크 형태로 구성하면 되리라 생각했다가 건설 환경에서 발생하는 여러 이슈에 덜미를 잡혀 혼쭐난 과제입니다.
기간이 길어져 고생을 많이 했습니다만 길이로는 세계 6위 규모이고 우리나라에서는 가장 긴 다리를 건설하는데 참여하여 안정성 확보를 위한 데이터 획득에 기여했다는데 의의를 두고 있습니다. 이 과제 덕분에 개통 전 인천 대교를 무료로 수 십번 왔다갔다 할 수 있었고, 걸어서도 백 번 정도(?) 왕복을 했으며, 다리 밑에까지 들어가 작업을 하는 흔하지 않은 경험을 할 수 있었으니까요. 나중에 아이들이 커서 인천대교를 지나갈 일이 있을 때면 이야기 거리도 생긴 셈이죠.
거대한 토목 공사 현장에서 땀흘리며 고생하시는 분들을 옆에서 지켜보면서 어떨 때는 그 규모에 놀라고, 어떨 때는 비효율에 치를 떨면서 여러 가지 생각이 많이 들었습니다. 항상 조그마하게 만드는 것이 미덕인 전자쟁이 생각의 폭을 넓히는 좋은 경험이었죠. 또한 이 과제 덕분에 좋은 분들을 많이 만나는 인연이 되었기에 결코 밑지지 않은 과제 였다고 생각합니다.

 

 

 

S-Bridge 소개

S-Bridge는 위드로봇 내부에서 “장대교량 풍진동 무선 계측 시스템 개발 프로젝트”를 부르는 프로젝트 코드 네임입니다. 위드로봇에서는 과제가 시작되면 공통적으로 부르는 짦은 코드 네임을 부여하는데 이 과제에서 제작하는 센서 시스템이 튼튼한 다리를 만드는데 기여했으면 하는 의지를 담아 Strong Bridge, Supper Bridge 의 약자로 S-Bridge 로 코드 네임을 지었습니다

사장교? 현수교?

 다리에서 일하려다보니 다리에 대해 좀 알아야하더군요. 우선 다리의 형태, 구조에 따른 분류를 공부해야 했습니다.

 

 

 

 

거더교: 가장 일반적인 다리로 교각 위에 대들보 형식으로 거더가 올라가 있는 다리입니다. 한강에 있는 일반 다리를 생각하시면 됩니다.

 

 

현수교: 거더교로 다리를 만들면, 모든 하중에 교각에 집중되기 때문에 교각을 촘촘이 설치해야 합니다. 그런데 강 위에 이렇게 교각을 촘촘히 설치하면 배들이 지나다닐 수 없습니다. 또한 물살이 빨라 교각을 설치하기 어려운 지역은 더욱 더 난감합니다. 이럴 경우 높다란 탑을 두 개 만들고 이 사이를 케이블로 연결합니다. 그 다음 다시 케이블 여러 개를 밑으로 떨어뜨린 후 이 끝은 다리에 연결하여 다리의 하중을 케이블로 지탱하는 구조로 만듭니다. 현수교로 유명한 다리는 금문교(Golden Gate Bridge)가 있죠.

 

 

 

 

사장교: 현수교처럼 다리를 케이블로 지탱하는 개념은 비슷하지만 주탑이 높다랗게 만들어지고, 이 주탑에 연결된 케이블이 바로 다리와 연결된다는 점이 차이점입니다. 일반적으로 경간이 4~500m 이내이면 사장교가 좀 더 경제성이 있고, 그 이상이면 현수교가 경제성이 있다곤 하지만 최근에는 여러 가지 공법이 개발되면서 꼭 이 말이 맞다곤 할 수 없게 되었습니다. 주관적인 관점에서 사장교가 현수교에 비해 미려하다는 의견이 많아 최근 장대교량에 사장교 형식으로 많이 건설되고 있습니다.

 

 

 

 

인천대교는 사장교 형식입니다. 주탑과 주탑 사이가 무려 800m나 되는 엄청난 다리죠. 실제 주탑 밑에서 위를 올려다 보면 정말 대단합니다. 문제는 800m 에 달하는 다리의 무게가 모두 케이블에 의해 주탑으로 연결되어 있기에 바람이 불면 풍압에 의해 다리를 흔들게 되고, 이게 케이블을 흔들어 주탑까지 흔들리게 된다는 점입니다. 따라서 (a) 다리를 만들고 있는 동안에 다리가 얼마나 흔들리고 있는지를 파악할 필요가 있으며 (b)만들어진 다음에도 다리의 흔들림을 계속적으로 모니터링할 필요가 있습니다. S-Brdige 과제는 (a)에 촛점이 맞춰진 과제입니다. 즉, 건설하는 동안 바람에 의해 다리가 얼마나 흔들리는지 데이터를 취득하여 추후 공사할 때 유용한 데이터로 활용하겠다는 것이죠.

 

 

과업 범위

  1. 무선으로 40개 노드의 연동이 가능한 무선 네트워크 시스템
  2. 저잡음 진동 측정 시스템
  3. 풍압 측정 시스템

이렇게 써놓고 보면 별 것 없이 수월하게 끝낼 수 있는 과제처럼 보입니다. 전형적인 센서 네트워크이니까요. 하지만 다음과 같은 문제점들이 위드로봇 뒤통수를 때렸습니다.

  1. 표준 Zigbee 스텍으로는 depth를 3 이상 가진 노드를 생성할 수 없어 일렬로 쭉 늘어 놓은 구조에서는 극도의 비효율적인 시스템이 된다. 또한 다리의 진동은 매우 느린 동역학 특성을 가지고 있어 각 센서의 싱크(sync)가 매우 중요하다.
  2. 쓸만한 저잡음 진동 측정 센서는 무지무지 고가이다. 센서 가격만 과제비의 절반을 넘어섬
  3. 풍압측정? 어떻게 측정하지? 풍속은 바람개비 달아서 측정하지만 풍압은? 센서가 있나?

 

 

여러 개의 센서 노드가 모여있는 모습니다. 일반적으로는 이렇게 배치하지는 않고 각 노드가 약 30m씩 떨어지게끔 쭉 늘어놓고 실험합니다. 막상 제대로 늘어놓고 실험한 사진을 찍은게 없습니다. 정신없이 실험하다보면 매번 사진찍을 기회를 놓쳐서 말이죠.

 

 

 

사진 우측에 안테나가 삐죽 솟아있는 시스템이 중앙에 위치하여 노트북과 연결됩니다. 이 장치를 통해 중앙에서 각 노드들의 연결 상태들을 모니터링 할 수 있습니다. 한 방에 모든 노드들이 무선으로 붙어주면 좋은데, 매번 RF 전파 컨디션에 따라 안 붙는 녀석들이 있습니다. 그럼 무선으로 restart를 하던지, 뛰어가서 on/off를 하던지 해야 합니다.
그리고 노트북의 화면이 여름 땡볕 밑에서는 잘 보이지 않아 고생했습니다. 옥외에서 하는 실험은 일단 실내 실험에 비해 5배는 힘들고, 속도가 나질 않는 것 같습니다

 

 

 

 

다리 중앙에 설치된 DGPS 입니다. sub meter 오차를 가지고 있으며, 이 장치로도 다리의 모니터링을 수행합니다.
글을 마감하며
과제가 종료되었습니다만 계약 조건에 의해 수행 결과는 아쉽게도 홈페이지에 공개할 수가 없습니다.
이 과제를 진행하며 별 생각없이 지나다니는 도로, 다리들이 얼마나 많은 사람들의 노고로 만들어 졌는지 생각해 보는 계기가 되었습니다. 건설 현장에서 고생하신 모든 분들께 박수를 보내며 과제가 많이 지연됨에도 많은 배려를 해 주신, 그 덕분에 마음 고생 많이 하신 삼성물산 김상범 박사님께도 감사드립니다.

 또한 현존하는 센서 네트워크 기술이 아직도 해결해야 할 문제가 많음을 느꼈습니다. 통신 자체에는 관심을 가지고 있지 않은 위드로봇 입장에서는 이러한 기반 기술이 단단하게 만들어져 있어야 가져다 사용하는데 문제가 없는데 아직까지는 많은 문제가 있어 응용단에서 해결해야만 하는 어려움이 있었습니다.

이 과제가 계기가 되었는지 센서 네트워크 과제는 2010년 들어 다시 시작하게 되었습니다. 2010년 4Q쯤에 공개할 만한 내용물이 나올 것 같으니 그 때 다시 포스팅을 하겠습니다.

2010년 에 올린 글 태그됨: , , , ,