1. 서 론
2. 본 론
2.1 LoRa Network를 이용한 무선계측 시스템
2.2 LoRa 무선계측 시스템 적용
2.3 계측 데이터 분석
2.4 LoRa System의 수신율 및 경제성 검토
3. 결 론
1. 서 론
기술의 발전에 따라 전 세계적으로 교량의 경간이 길어지는 추세로 초장대교량 등으로 대형화되고 있으며, 노후 교량들도 급속히 증가하고 있다. 대형사고로 이어질 수 있는 이들 교량들에 대한 지속적인 유지관리 및 구조건전성 모니터링이 필요하다. 교량의 구조건전성 평가를 위해 다양한 종류의 센서와 데이터 로거 등을 사용하는 유선센서네트워크 기반의 모니터링 시스템을 구축하여 사용하고 있으나 이를 이용한 유지관리 방법에는 한계가 있다. 구조물의 크기가 커지는 만큼 설치되는 센서의 수가 증가하게 되고, 각 부재 별 계측위치로부터 데이터로거까지 유선연결로 인한 설치 비용이 증가하게 되며, 시스템의 복잡도가 증가하여 고장 등의 문제 발생 시 유지보수에 어려움이 있다. 또한, 데이터 수집 및 모니터링을 위한 채널확장기, 데이터로거, 시리얼 컨버터, 허브 등의 다수의 장비가 요구되고, 이러한 장비들의 설치를 위한 별도의 공간이 필요하게 되고, 수집한 데이터를 개별적으로 분석처리하여 사용해야하므로 유지관리 시설의 운영적인 측면에서 비효율적이다. 또한 계측 시설이 설계에 반영되지 않은 일반 노후 교량의 경우 유선 센서네트워크 구축이 어려울 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 효율적이며 저비용의 무선계측 기술에 대한 수요 증가로 다양한 연구가 수행되고 있다(Jang et al., 2010; Kim et al., 2016).
국내 시설물 현황을 보면 2021년 12월 기준 준공 후 30년 이상 경과한 시설물이 27,602개소에 달하고 있다. 이것은 시설물 전체 중 17.3%에 달하는 수준이다. 현재 등록되어 있는 시설물 기준으로 기간 경과에 따라, 5년 후에는 29.0%, 10년 후에는 45.2%, 15년 후에는 61.8%, 20년 후에는 74.2%에 이르는 것으로 나타났다(Table 1). 또한, 연도별 중대결함 발생 현황을 살펴보면 2017년 40개소에서 매년 증가하여 2019년에는 174개소, 2021년에는 466개소에서 중대결함이 발생한 것으로 나타났으며, 그중 대다수는 교량과 건축물에서 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 1; KALIS, 2021).
노후화되는 교량이 지속적으로 늘어나고 중대결함 발생비율 또한 지속적으로 늘어나고 있어 시설물 모니터링 및 유지관리에 대한 필요성이 대두되고 있으며 이에 대한 적극적인 예산활용과 투자가 필요하다.
국내 공공시설물 중 다수를 차지하는 교량은 5년마다 정밀안전진단을 통하여 교량의 상태 등급을 부여하여 유지보수 및 신설을 계획하고 있으나, 한정된 유지보수 예산으로 많은 교량을 유지보수하기에는 현실적으로 어려운 상황이다. 일부 교량에서 유선계측 시스템을 구축하여 운영하고 있으나 비용적인 문제로 인하여 특수교 등 일부 교량에서만 운영되고 있으며, 늘어나는 교량의 노후화로 인한 사고의 위험이 높아지고 있다. 따라서, 갑작스러운 사고에 사전 대응할 수 있는 모니터링 시스템과 이를 장대특수교 외 다수의 교량에도 적용할 수 있는 저비용 IoT 기반의 모니터링 시스템 구축이 필요하다.
본 연구에서는 자가망 구축으로, 별도의 무선 통신 비용이 발생하지 않는 비면허 대역 기반의 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기술 중 대표기술인 LoRa(Long Range) 네트워크를 적용하여 무선센서네트워크를 구축하고, 전라남도 신안군 천사대교에 적용하여 LoRa LPWAN 기반의 무선 계측시스템의 적용성을 검토하고자 한다.
2. 본 론
2.1 LoRa Network를 이용한 무선계측 시스템
2.1.1 LoRa Network의 특징
본 연구에서는 LoRa LPWAN 기반의 무선센서네트워크 교량구조건전성 모니터링 시스템을 해상 장대교량에 적용하였다. LoRa는 비면허 통신대역의 IoT 무선통신기술이며, 자가망기반으로 센서네트워크 구축이 가능하다. 신호도달거리는 LOS (Line of Sight) 기준 5~10km, non-LOS기준 2~5km의 무선신호 반경을 갖는다. 기존에 사용되던 Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth 등의 PAN(Personal Area Network)기반의 무선통신은 통신 도달거리가 최대 수백 미터 내외로 토목구조물과 같이 넓은 범위의 모니터링에 적용하기에는 제약이 따르며, LoRa의 넓은 무선신호 반경은 토목 시설물이나 구조물을 대상으로 하는 센서네트워크의 구축에 보다 유리하다.
LoRa는 비면허대역인 ISM(Industrial Scientific and Medical Band) 대역을 사용하며, 이 주파수 대역에서는 상호 간섭을 통한 공동 사용을 전제로 하고 간섭의 최소화를 위해 소출력을 기본으로 한다. 국내에서는 902~928MHz(26MHz) ISM 대역을 사용하며, 과학기술정보통신부령 제1호 무선설비규칙(2017년 7월 26일)을 준수한다. 국가별로 상이한 ISM 대역으로 인해 국가별로 LoRa 통신 사용을 위한 환경에 차이가 있고 , 국내에서는 KR920-923 Regional Parameter를 따르며, 이에 따른 채널의 주파수와 대역폭은 Table 2와 같다(LoRa Alliance, 2017).
Table 2.
KR920-923 Central Frequency, bandwidth, maximum EIRP Output
LoRa 스마트 센서노드 각각의 단말들은 Fig. 2와 같이 무선신호세기(Spreading Factor, SF)에 따라 전송률(Data Rate, DR)을 조정하는 ADR(Adaptive Data Rate) 특성을 가지며, LoRa의 한국 표준인 KR920-923 Regional Parameter에 따르면, 무선 신호세기에 따른 데이터 전송률은 Table 3과 같다.
Table 3.
KR920-923 Central Frequency, bandwidth, maximum EIRP Output
LoRa의 경우 DR에 따라 무선신호에 실을 수 있는 페이로드(Payload)크기가 변하며, KR920-923 Regional Parameter에 정의되어 있다. LoRa 센서네트워크의 수신율은 LoRa LPWAN은 비면허 ISM 대역을 사용하기 때문에 간섭이 발생할 수 있고 신호가 성공적으로 수신되지 않을 수 있다. 기존 연구에 따르면 페이로드의 크기, 단일 네트워크를 구성하는 단말의 개수에 따라 수신 성공률의 차이를 보이며 페이로드의 크기가 크거나 단말의 개수가 많을수록 수신 성공률이 떨어진다(Adelantado et al., 2017).
LoRa 네트워크는 Table 3에서와 같이 무선신호 수신 환경에 따라 전송률 및 최대 페이로드 크기가 가변적이며, PAN 기반의 데이터 통신에 비해 전송률 및 최대 페이로드 크기가 작다. 따라서 수십, 수백 Hz의 샘플링 레이트를 가지는 진동수와 같은 동적데이터의 원시 데이터 직접 전송은 적합하지 않으며, 본 연구에서는 온도계, 변위계 등의 정적 데이터의 송신 및 가속도계 기반의 동적데이터는 분산처리를 통해 케이블의 장력, 보강형의 고유진동수 등 후가공된 데이터를 전송한다.
2.1.2 LoRa 네트워크 구성 및 계측장비 사양
LoRa 기반 센서네트워크는 다수의 계측기와 이들 계측기로 부터 계측 데이터 수집, 후처리, 무선 전송을 위해 설치되는 스마트센서노드 단말, 이들로부터 무선 신호를 수집하여 LoRa 네트워크 서버로 전달하는 게이트웨이와 수집된 무선신호의 관리를 위한 LoRa 네트워크 및 어플리케이션 서버로 구성된다(Fig. 3).
게이트웨이 브릿지는 LoRaWAN Gateway들의 통신을 다루며 LoRa Packet Forwarder 프로토콜을 JSON data format으로 변환하며 UDP 통신으로 이루어지며 MQTT broker로 연결된다. 네트워크 서버는 LoRa Gateway로부터 수신된 신호의 인증(Authentification), 중복관리(de-duplication), Application Server와의 통신과 Downlink 신호의 일정관리 등을 담당한다. Application Server는 각 LoRa 단말들로부터의 Join request를 처리하며, 각 단말의 Payload 데이터의 Encryption을 담당한다.
본 연구에서 구성한 센서네트워크는 Table 4와 같이 장치와 외부센서들로 구성되며, 이들은 게이트웨이와 스마트센서노드, 센서 등이다. LoRa 게이트웨이는 KR920-923의 ISM 대역을 지원하고, IP67의 방수/방진등급, -40°C~60°C의 동작온도 및 10~100%의 동작습도로 교량 등 다양한 환경에서 사용 가능한 캐나다 Tektelic 社의 KONA Macro IoT 게이트웨이를 사용하였다.
Table 4.
Measuring equipment and sensor configuration
| Category | Product Name | Image |
| Gateway | KONA Macro Gateway |  |
| Sensor Node | - |  |
| DAQ Board | - |  |
| Cable-Extention Position Transducer | PT420 |  |
| Thermometer | SA1-RTD |  |
스마트센서노드는 데이터의 수집(Data Acquisition)과 데이터의 후처리(Data Post Processing), 데이터 무선 전송(Data Transmission) 등이 이루어지는 단말이다. MEMS 기반 가속도계를 보드상에 내장하고 있으며. 변형률계, 신축변위계, 온도계 등 외부 계측기를 연결하여 데이터 수집이 가능하며, 스마트센서노드 자체의 마이크로프로세서를 통해 가속도 기반의 케이블 장력 산출, 보강형의 고유진동수 계산 등이 분산처리 방식으로 처리된다.
부재온도 센서는 -200~650°C의 온도 측정범위를 가지며 허용오차가 ±0.152°C/1°C인 미국 OMEGA 社의 RTD 온도센서를 사용하였으며, 1분당 10회 샘플링 후 median-average 값을 전송하도록 설정하였다. 신축변위계는 2~100cm의 측정 범위를 갖는 미국 TE 社의 PT420 모델을 사용하였으며, 온도센서와 마찬가지로 1분당 10회 샘플링 후 median-average 값을 전송하게 하였다.
2.2 LoRa 무선계측 시스템 적용
2.2.1 교량 재원
본 연구에서는 전라남도 신안군에 위치한 천사대교 사장교 구간에 LoRa LPWAN 기반 무선계측 모니터링 시스템을 구축하였다. 천사대교는 신안군 압해읍과 암태면을 연결하는 교량으로 길이 7,224m에 이르며, 암태도 측에는 주탑 높이 195m와 135m, 주경간 510m, 총 길이 1,004m의 비대칭 2주탑 사장교 구간이 있고, 압해도 측에는 중심 주탑 높이 161m, 측면 주탑 높이 151m, 주경간 650m, 총길이 1,750m의 3주탑 현수교 구간이 있는 복합교량이다. 대상 교량은 유지관리 모니터링을 위한 유선계측 모니터링 시스템이 기구축되어 있다.
본 연구에서는 천사대교 중 사장교 구간에 대하여 LoRa LPWAN 기반 무선계측 모니터링 시스템을 구축하여 기존 유선계측 시스템과 비교, 성능평가를 통해 LoRa LPWAN 기반 무선 계측 시스템의 해상 장대 교량에 대해 검토한다(Fig. 4).
2.2.2 센서네트워크 구성
본 연구에서는 주탑 탑정부, 케이블부, 보강형 내부, 신축이음부 등에 총 21개의 스마트센서노드와 신축변위계, 부재온도계 등 외부 센서 17개로 구성된 센서네트워크를 구축하였다. 각 부재별 설치된 계측센서의 종류와 설치 위치는 Table 5와 Fig. 5에 나타내었다. 10개의 케이블에는 MEMS 가속도계를 포함하는 스마트센서노드를 설치하여 케이블장력과 부재온도를 계측하며, 보강형 중앙경간 1/2 지점, 1/4 지점, 1/8지점에 각각 스마트센서노드를 설치하여 보강형의 고유진동수를 계측한다. 또한 주탑 탑정부에는 주탑의 경사도 계측을 위한 스마트센서노드, 외기온도계와 보강형 상･하연 부재 온도계, 신축이음부의 신축변위계를 스마트센서노드와 설치하였다.
Table 5.
Status of sensor application
게이트웨이는 상시전원과 수집된 무선신호를 LoRa Network Server로 전달할 수 있는 이더넷 백홀(Ethernet back haul)이 요구되며, 스마트센서노드 단말의 무선신호를 충분히 수집할 수 있는 위치에 설치되어야 한다. 본 연구에서는 스마트센서노드 단말들이 케이블, 주탑, 신축이음부 등 교량 외부와 보강형 거더 등 교량 내부로 설치 위치가 구분되어 있어 교량 내･외부 각각의 신호를 수집하도록 2개의 게이트웨이를 설치하였다. 보강형 내부신호를 수집하는 게이트웨이는 보강거더 내부 1/4 지점, 외부신호를 수집하는 게이트웨이는 주탑 외부에 설치하였고 주탑 내부 계측동에 LoRa Network Server를 설치하고 이더넷을 통해 연결하였다. 설치된 게이트웨이 위치는 Fig. 6과 같다.
교량의 케이블에는 1축 가속도계를 포함하는 스마트센서노드로 구성된 케이블 장력계가 설치하였다. 실외환경에서 설치되기 때문에 별도 제작된 고정 및 보호를 위한 고정판과 방열을 위한 커버를 결합하여 Fig. 7과 같이 케이블에 설치하였으며, 전원은 상시 전원을 공급한다. 장력계 설치 후에는 부재의 온도를 측정할 위치에 부재와 밀착되도록 온도계 및 온도계 보호설비를 설치 및 고정하였다.
보강형의 고유진동수와 부재온도 계측을 위해 보강형 내부 1/8, 1/4, 1/2 지점에 대하여 좌･우 양측에 2축 가속도계를 포함하는 스마트센서노드와 온도계를 Fig. 8과 같이 설치하였다. 또한 보강형 1/2 지점 외부에 대기온도 측정을 위한 외기 온도계를 기존 계측 센서와 가까운 위치에 설치하였다.
2.3 계측 데이터 분석
2.3.1 내장 MEMS 가속도계 기반의 케이블 장력 및 보강형 고유진동수 계측
케이블의 고유진동수(Fig. 9)는 스마트센서노드의 온보드 MEMS 가속도계에 의해 계측되며, 125Hz 샘플링 주파수로 매 10분 주기로 5분 동안 수집한 가속도 원시데이터를 기반으로 스마트센서노드에 내재된 FFT(Fast Fourier Transform), 자동첨두검출(Auto Peak Picking), 선형 회귀분석 기능 어플리케이이션에서 수행되며, 케이블의 경우 연직방향(z-axis) 5개의 고유진동수를 추출하고 이를 기반하여 Shimada가 제안한 진동법(Vibration Method)에 의한 장력 값을 산출하여 전송한다(Shimada, 1994).
보강형의 고유진동수(Fig. 10)는 스마트센서노드의 온보드 2축 가속도계를 이용해 연직방향(z-axis), 교직 방향(y-axis) 가속도를 계측하고, 125Hz 샘플링 주파수로 매 10분 주기로 5분동안 수집한 가속도 데이터를 기반으로 스마트센서 노드에 내재된 FFT, 자동첨두검출 기능 어플리케이션에서 수행되며, 연직방향 5개와 교직방향 2개의 고유 진동수를 전송한다.
케이블 CL01의 경우 스마트센서노드의 계측데이터와 기설치된 유선 계측 데이터를 Fig. 11과 Table 6과 같이 비교했을 때, FFT와 자동첨두검출을 통해서 산출된 케이블 고유진동수의 경우 1% 내외의 오차율을 보여주며, 각각 125Hz, 100Hz로 상이한 샘플링 레이트(sampling rate)에서 발생하는 차이를 고려하면 거의 일치하는 것으로 보인다.
Table 6.
Comparison of measurement data(cable)
Table 7에 나타낸 것과 같이 스마트센서노드에서 계측한 보강거더의 연직방향(z-axis)의 고유진동수와 국토안전관리원 계측데이터를 비교하였다. 스마트센서노드에서 계측한 데이터는 기 설치된 유선 계측데이터와 비교하여, 역시 1% 내외의 오차율을 보여주며, 기설치된 유선 지진 가속도계에 비해 상대적으로 많은 잡음요소가 나타났다.
Table 7.
Comparison of measurement data(reinforced girder)
| Mode | Measurement data | Error rate(%) | |
| Wired | Wireless | ||
| 1 | 0.3173828 | 0.3128052 | 1.442 |
| 2 | 0.4394531 | 0.4348755 | 1.042 |
| 3 | 0.5859375 | 0.5874634 | 0.260 |
| 4 | 0.7812500 | 0.7705688 | 1.367 |
| 5 | 0.9399414 | 0.9384155 | 0.162 |
2.3.2 부재온도 및 신축변위 계측
케이블 장력 계측을 위한 각 스마트센서 노드의 경우, 해당 케이블의 부재의 온도를 계측할 수 있는 플레이트형 RTD (Resistance Temperature Detector) Type의 온도계가 설치되었으며, 케이블 장력 계측 송신 주기와 같이 매 10분마다 해당 케이블 온도의 최대, 최소, 평균값을 전송한다(Fig. 12). 각 보강형의 상･하연의 부재온도 모니터링 결과는 Fig. 13과 같다. 천사대교의 압해･암태 방향으로 각각 1개소씩 설치된 신축변위계의 신축변위량 모니터링 추이는 Fig. 14와 같다.
2.4 LoRa System의 수신율 및 경제성 검토
2.4.1 LoRa 스마트센서노드의 수신율 검토
LoRa 스마트센서노드는 천사대교 사장교 구간에 총 21개 설치되었으며, 케이블과 보강형에 설치된 스마트센서노드의 무선 수신률은 각각 Table 8, 9와 같다.
Table 8.
Signal loss rate/average RSSI(cable)
Table 9.
Signal loss rate/average RSSI(Reinforced Girder)
케이블와 보강형에 설치된 스마트센서노드의 무선신호강도(Received Signal Strength Indication, RSSI)와 ADR에 의한 전송률은 Fig. 15와 같은 특징을 보여 주고 있으며, 케이블과 보강형에 설치된 센서노드 모두 정상 신호 범위(-140dBm)의 범위 내에 있는 것으로 나타났다. 공간적으로 밀폐된 보강형에 설치된 스마트센서노드의 무선 신호는 손실율과 평균 수신신호 강도면에서, 개방된 케이블부에 설치된 스마트센서노드에 비해 우수한 무선신호특성을 보여준다.
2.4.2 LoRa 무선계측시스템의 경제성 분석
LoRa LPWAN 기반 무선계측시스템의 직접적인 비교는 어려우며, 유선 기반 계측 시스템이 설치된 천사대교의 계측시스템과의 구축비용 분석을 통해 간접 비교하면, 유선 기반 계측 시스템에서 센서가 차지하는 비용은 약 33.3%이며, 유선 기반 계측시스템 구축을 위한 정적 데이터로거, 동적 데이터로거, 채널확장기, 케이블 등의 계측 설비 및 자재와 설치비가 66.7% 이른다(Table 10).
Table 10.
Bridge measurement system installation cost
본 연구에서 적용한 LoRa LPWAN 기반 무선계측 시스템의 경우 MEMS 가속도계를 내재하고, 외부 센서 연결을 통한 데이터 수집 및 무선 전송이 가능한 스마트센서 사용으로, 계측 설비 및 자재비의 상당 부분을 절감할 수 있을 것으로 기대되며, 무선 전송 방식으로 설치 공기 단축으로 인한 비용 절감도 기대된다. 또한 자가망 기반의 무선센서네트워크 방식으로 별도의 무선 통신 요금이 발생하지 않는 것도 장점이다.
3. 결 론
본 연구에서는 교량의 구조건전성 모니터링을 위한 LoRa LPWAN 기반의 무선계측시스템 적용에 대한 연구를 수행하였으며, 전남 신안군에 위치한 천사대교 사장교 구간에 자가망 방식의 LoRa LPWAN 기반 센서네트워크를 구축하여 적용하였다. LoRa LPWAN 센서네트워크는 무선 신호 수신을 위한 게이트웨이는 보강형 외부 및 내부에 각 1개소, 사장교의 케이블 10개소, 주탑 2개소, 보강형 내부 4개소의 MEMS 가속도계를 내재한 스마트센서노드와 스마트센서노드에 연결한 신축변위계, 부재온도계 등 외부 계측기로 구성된다. 자체 개발한 분산처리 기반의 스마트센서노드는 내장된 MEMS 가속도계를 통해 케이블의 장력, 주탑의 경사도, 보강형 고유진동수를 산출하여 무선 전송하며, 외부 인터페이스릍 통해 연결된 신축변위계, 부재온도계의 계측 결과 역시 스마트센서노드에 의해 수집되어 LoRa 네트워크 서버로 전송한다. 구축된 교량 구조건전성 모니터링을 위한 센서네트워크는 기존 설치되어 있는 유선 기반의 센서네트워크의 비교를 통한 정확도 측면, 수신율 등 무선신호 특성 분석을 통한 무선센서네트워크의 강건성(Robustness)의 측면에서 LoRa LPWAN 기반의 무선 계측 시스템의 대형 교량에의 적용가능성을 살펴보았다.
LoRa LPWAN 기반 센서네트워크는 저비용으로 교량 구조건전성 모니터링 시스템에 설치 운용 및 유지관리가 가능하며, 교량의 노후화가 빠르게 진행되고 기존의 유선 기반의 계측 및 유지관리 시스템이 설치운용과 유지관리 측면에서 비용과 관리적인 부분에서 어려운 현실에서 저비용 고효율의 LoRa LPWAN 기반의 무선계측 기술이 이에 대한 해결책이 될 수 있다고 판단된다. 또한, 구조물 유지관리 모니터링 외 환경 모니터링 등 다양한 분야의 모니터링에 적용 가능한 기술로 발전되어 사용되길 기대한다.
