복잡한 시스템 내부 센서의 결합 기술은 지난 한 세기 동안 급속도로 발전해왔다. 이러한 시스템은 각각 다른 정확도를 보이며 측량술, 철도 및 자동차 공학 설계, 토지 행정, 그리고 항해 등의 다양한 응용 분야에서 이용할 수 있다.

다중 센서의 통합과 결합은 상위 수준 데이터의 신뢰성과 정확성을 견고히 하기 위해 센서 신호를 읽고 결합하는 복잡한 과정이다. 각각의 센서로부터 입력된 데이터와 특별 개발된 알고리즘의 결합은 측정된 값이 오차 없이 인식될 수 있도록 한다. 이렇게 오차 없는 인식은 각각 따로 작동하는 개별 센서로부터 수집된 데이터로는 불가능하다.

빠르고 연속적으로 데이터 측정을 가능하게 하는 이러한 유연성과 가능성 덕분에, 다중 센서의 통합과 결합은 여러 지역에서 빠른 속도로 진화를 거듭하고 있다. 이 기사는 저비용 고품질 시스템 복합체의 활용과 측지학, 이동 수단, 내비게이션 관련 소프트웨어 설계의 해법에 관해 개괄적으로 설명하고자 한다.

다양한 공학 물체에 대한 모니터링과 이동 분석을 위한 측지학적 측량은 교량, 댐 벽, 건물 기둥, 풍력 발전기 등의 건축물들을 유지하는 데에 항상 중요한 역할을 해왔다.

이것은 연속적이고 정확도가 높은 측정이 가능하도록 적합하게 디자인된 네트워크 전략을 필요로 한다. 매 분, 시간, 혹은 매일의 시간 간격을 두고 구현되어야 하는 밀리미터 단위의 정확성으로 각도와 거리를 측정하기 위해, 표준 토털 스테이션은 현재 자동화된 토털 스테이션(ATS)으로 대체되어 정확한 서보모터(간접 조속 장치), 자동 타겟 감지 센서, 전자 경사계, 자율 교정 통제 시스템, 기타 센서 등으로 구성된다.

높은 정확도(각도상으로는 1 ″ 단위보다 세밀하고, 거리상으로는 1밀리미터보다 세밀한 정확도)의 측량과 조절 소프트웨어가 함께 작동하면서 실시간의 후처리 변형 모니터링 및 분석이 가능해진다. 이러한 유형의 하드웨어와 소프트웨어의 결합은 건설 프로젝트, 재건축 프로젝트, 물체 안정성을 위한 정기 모니터링 프로젝트 등의 수명 주기 동안 종종 사용된다.

지상 레이저 스캐닝(Terrestrial Laser Scanning, TLS) 큰 구조물과 댐, 광산, 산비탈과 같이 개방된 지역에 대한 정확한 모형 제작과 기하학적 특성화는 물체의 표면을 묘사하는 데에 무수하게 많은 점을 필요로 하기 때문에 전통적인 조사 방법으로는 착수될 수 없다. 지난 세기 이루어진 레이저 스캐닝 기술의 발전은 변형 측정의 새로운 방법을 제공하였고, 기반 시설 모니터링의 일부가 되었다.

빠른 스캐닝 속도, 수많은 측정값의 꼼꼼한 측량, 그리고 높은 정확도는 여타 기술들이 대규모의 구조적 모니터링을 진행하기 위해 사용했던 이점들을 지상 레이저 스캐닝(TLS)에게 제공한다. 변위 측정이 특정 수준점으로 제한될 수밖에 없는 단일 점 모니터링 접근 방식을 사용하는 기술과 비교했을 때, TLS는 높은 수준의 데이터 리던던시 를 제공한다. 이러한 기술은 적절한 소프트웨어 제품과 결합되어 높은 정확도의 표면 모델링과 밀리미터 단위의 변위 측정이 가능해지도록 한다. 스캔된 물체는 수많은 점들로 구성되며, 이러한 점들은 물체의 행동을 모델링하고 분석하는 데에 있어서 수학적 알고리즘을 적용할 수 있도록 한다.

원격 감지 측정 도구로서 TLS의 또 다른 장점은 관측 부분과 네트워크 상에서 오퍼레이터의 영향이 최소화된다는 것이다.

최근 TLS, GNSS , 지질 공학적 센서 및 메테오 센서의 장점들로 구성된 구조적 모니터링의 새로운 해결책이 발표되었다. 이로써 광범위한 영역 모니터링과 표면 모니터링이 가능해졌다. 이러한 도구 중 하나는 아래의 그림 1과 같다.

다양한 목적의 내비게이션과 광범위한 지역 모니터링 및 조사를 위해 고정 측정 방식은 저비용 고품질 센서를 겸비한 복잡한 구조의 모바일 측정 결합체로 대체되고 있으며, 이는 빠르고 연속적이며 정확한 데이터 취득을 가능하게 한다.

최근 모바일 레이저 스캐닝(MLS)은 급속도로 개발되었고, MLS의 실용성은 철도 및 자동차 분야, 변형 분석, 도로 및 철도 준공 네트워크의 모니터링 및 문서화, 그리고 이에 상응하는 기반 시설 등의 분야에서 검증되어왔다.

철도와 도로를 위한 MLS 빠르고 정확하게 주변 환경을 완벽하게 스캐닝하는 MLS의 이러한 장점은 철도 및 도로 상황을 실시간으로 모니터링 하는 데에 매우 중요한 역할을 하고 있다.

데이터를 연속적으로 취득하고 가공하는 것은 작동 오류를 최소화하고, 조사 연구 시간과 귀납적 분석 시간을 획기적으로 줄인다.

철도와 도로 환경의 구성 부분인 기반 시설을 인지하고 지역화하는 것은 오랫동안 이동 수단의 중요한 부분을 차지해왔다.

습득된 데이터로부터 준공된 철도 및 도로 네트워크에 관해 결정을 내리고 이를 문서화하기 위해, 독일 베를린 소재 Technet-Rail사(社)는 포인트 클라우드(point cloud, 점군(點群)) 분석이 적용되는 소프트웨어 메소드 SiRailScan와 SiRoadScan 두 가지를 개발했다. 통합된 수학적 알고리즘은 도로의 경계선뿐만 아니라 준공된 왼쪽 철도, 오른쪽 철로와 중앙선을 매우 정확하게 추출해내고 조정한다.

이렇게 조정된 기하학적 구조는 다음과 같은 세부 사항의 기초를 형성한다: 운전 속도 제어 테스트, 준공 환경의 간극 분석 및 문서화, 케이블 선의 탈선 조사, 밸러스트 와 도로 환경, 도로 표지판의 위치, 현 상황에서의 어떠한 다른 변화 등. (그림 2, 그림 3 참조)





MLS 기술 적용과 모니터링 목적의 귀납적 데이터 조정에 대해 증가하는 관심에 부응하여 Technet-Rail은 추가적으로 터널 몸체 구조, 철도 교량 및 도로 표면 등에 대한 변형 분석 도구를 개발했다. 통합된 소프트웨어 메소드는 디자인 상황과 준공 상황에 대한 비교, 시대 흐름 분석, 구조 모델링, 2D 컬러 변형 도면 개발 등을 가능하게 한다. (그림 4, 그림 5 참조)





내비게이션용 MLS 다중 센서의 통합은, 레이저 스캐닝 장치, GNSS, 관성 측정 장치(Inertial Measurement Units, IMU), 거리 측정기(Distance Measuring Instruments, DMI)와 같은 하드웨어 장치를 포함하여, 데이터 동기화를 위한 특정 소프트웨어 알고리즘 등의 이동 측정 시스템이 작동하기 위한 기초가 된다. 이러한 시스템 발전에서의 관건은, 실내 장소와 GNSS의 포착 범위를 넘어선 장소에 대한 측량과 내비게이션 시스템의 작동 가능성이다.

열차 제어 시스템, 지능형 차량 시스템, 그리고 도시, 지하, 기타 GNSS 신호가 닿지 않는 지역 등에서의 추적 시스템 등과 같이 이동 수단 시스템 상에서 안전하고 믿을 수 있는 내비게이션에 대한 수요는 다중 센서 통합 및 결합 분야의 수많은 연구를 진작시켰다. 대부분의 연구가 초점을 맞추고 있는 영역은 고도, 속도, 가속도 등에 대해 서로 다른 센서들이 수반하는 IMU, 경사계 , 바퀴 센서, 필터링 알고리즘에 관한 정보의 통합이다. 이는 GNSS 신호를 쓰지 않고도 높은 위치 정확도를 달성하는 것을 목적으로 한다.

수십 년간 댐 벽, 교량, 터널, 도로 및 철도와 같은 기반 시설물은 토목공학과 공학 측지학에서 상당 부분을 차지해왔다. 기반 시설물의 구조 통합은 이러한 물체의 움직임에 대한 깊은 지식과 정확도가 높은 최적의 모니터링을 위한 다양한 방법을 필요로 한다. 레이저 스캐닝 기술과 다중 센서 통합이 만나 빠른 속도로 진화적 발전을 거듭하고 있고, 이는 공학 연구를 위한 정확하고 연속적인 고밀도 측정의 필수적 해결책으로 쓰일 것이다.

데이터 리던던시 (data redundancy): 오류 없이 정보를 전달하기 위해 필요 정보량 이상의 수단이 어느 정도 준비되어 있는가를 나타내는 값.

GNSS(Global Navigation Satellite System, 위성측위시스템): 각국의 위성 측위 시스템들의 통칭. 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS가 대표적인 예. 

밸러스트(ballast): 선박에서 적당한 복원성을 유지하고 흘수(吃水)와 트림(trim: 배의 앞뒤 경사)을 조절하기 위해 배의 하부(下部)에 싣는 중량물.

경사계: 지반(地盤), 지층(地層), 항공기, 선박 등의 경사도를 계측하는 장치, 본문에서 언급된 경사계는 항공기용 경사계(inclinometer)로, 중력과 항공
기의 운동에 의한 가속도를 합성한 방향에 대한 경사를 측정하는 것과, 지구(地球)의 연직선 방향에 대한 경사를 측정하는 것이 있다.

번역 : 하지윤 연구원
편집 : 김수진 선임연구원