유압 굴착기의 복잡도가 증가하고 지능적이고 데이터 기반의 의사결정에 대한 수요가 커짐에 따라, 중공업 기계의 디지털 트윈 기술에 대한 관심이 가속화되고 있다. 그러나 기존의 많은 디...

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구미 : 국립금오공과대학교 대학원, 2026
학위논문(박사) -- 국립금오공과대학교 대학원 , 기계공학과 , 2026. 8
2026
영어
경상북도
; 26 cm
지도교수: 허장욱
I804:47006-000000017886
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유압 굴착기의 복잡도가 증가하고 지능적이고 데이터 기반의 의사결정에 대한 수요가 커짐에 따라, 중공업 기계의 디지털 트윈 기술에 대한 관심이 가속화되고 있다. 그러나 기존의 많은 디지털 트윈 구현은 모델링, 데이터 수집, 동기화, 시각화 및 의사결정 지원 계층이 서로 분리된 단편적 형태로 남아 있어, 비선형적이고 일시적인 작동 조건에서 신뢰성 있는 실시간 모니터링, 예측 유지보수 및 인지적 해석을 지원하는 데 한계가 있다. 유압 굴착기에서는 유압 서브시스템이 강한 비선형성, 부하 의존적 거동, 매개변수 불확실성, 압력 과도 현상 및 결합된 액추에이터 동역학을 나타내기 때문에 이러한 과제가 특히 중요하다. 본 논문은 유압 굴착기의 실시간 모델링, 동기화 및 검증을 위한 3단계 하이브리드 IoT 기반 인지 디지털 트윈(Cognitive Digital Twin, CDT) 프레임워크를 제안한다. 1단계에서는 Simulink 기반 굴착기 모델과 최적화 기반 매개변수 추정, 그리고 머신러닝 기반 잔차 보정을 통합하여 하이브리드 물리-AI 모델링 기반을 구축한다. 물리 기반 모델은 비선형 유압 및 마찰 동역학을 통해 해석 가능성을 제공하며, 데이터 기반 계층은 현장에서 획득한 CAN 버스 데이터를 활용하여 시뮬레이션과 실제 거동 간의 불일치를 보완한다. 실험적 검증을 통해 시뮬레이션 결과와 측정된 기계 거동이 강하게 일치함을 확인하였으며, 이는 비선형 굴착기 시스템에 대한 하이브리드 모델링 전략의 유효성을 입증한다.
2단계에서는 물리적 굴착기를 디지털 트윈 환경에 연결하기 위한 배포 가능한 엣지-클라우드 원격 측정 아키텍처를 개발한다. CAN 버스 데이터는 엣지 로거를 통해 수집되어 클라우드 스토리지에 업로드되며, MATLAB에서 처리되어 Simulink 호환 데이터 구조로 변환된다. 본 아키텍처는 현장 데이터 전송, 원격 측정 지연 보정, 동기화 평가 및 배포 지향적 모니터링을 지원한다. 이 단계는 디지털 트윈의 성능이 모델 정확도뿐 아니라 신뢰할 수 있는 데이터 파이프라인, 시간 정렬 및 동기화 준비도에 의해 좌우됨을 보여준다. 3단계에서는 실제 작동 신호와 대표적인 버킷 굴착 부하 주기를 활용하여 검증 기반 인지 평가(validation-aware cognitive assessment)를 수행하는 프레임워크로 확장한다. 유압 보정을 통해 압력 불일치를 104.5 bar에서 94.5 bar로 감소시켰으며, 이는 9.6\%의 RMSE 개선에 해당한다. 시나리오 수준의 검증에서는 액추에이터 압력, 액추에이터 위치, 토양-버킷 상호작용 및 서브시스템 에너지 흐름 거동을 추가로 평가한다. 또한 머신러닝 기반 유압 예측은 결정계수 R2=0.99, 평가 데이터셋에서 RMSE 1.10 bar를 기록하여 측정 압력 값과 강한 일치를 보였으며, 이상 탐지 계층은 고압 피크, 급격한 전이 및 저압 편차 주변에 집중된 21건의 이상 관련 압력 이벤트를 식별할 수 있다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
The increasing complexity of hydraulic excavators and the demand for intelligent, data-driven decision-making have accelerated interest in digital twin technologies for heavy industrial machinery. However, many existing digital twin implementations re...
The increasing complexity of hydraulic excavators and the demand for intelligent, data-driven decision-making have accelerated interest in digital twin technologies for heavy industrial machinery. However, many existing digital twin implementations remain fragmented across separate modeling, data acquisition, synchronization, visualization, and decision-support layers. This limits their ability to support reliable real-time monitoring, predictive maintenance, and cognitive interpretation under nonlinear and transient operating conditions. In hydraulic excavators, this challenge is particularly significant because hydraulic subsystems exhibit strong nonlinearities, load-dependent behavior, parameter uncertainty, pressure transients, and coupled actuator dynamics. This thesis proposes a three-phase hybrid IoT-based Cognitive Digital Twin (CDT) framework for real-time modeling, synchronization, and validation of hydraulic excavators. Phase~1 establishes the hybrid physics--AI modeling foundation by integrating a Simulink-based excavator model with optimization-driven parameter estimation and machine-learning-based residual correction. The physics-based model provides interpretability through nonlinear hydraulic and friction dynamics, while the data-driven layer compensates for simulation--reality mismatch using field-acquired CAN bus data. Experimental validation demonstrates strong agreement between simulated and measured machine behavior, confirming the effectiveness of the hybrid modeling strategy for nonlinear excavator systems. Phase~2 develops a deployable edge--cloud telemetry architecture for connecting the physical excavator to the digital twin environment. CAN bus data are acquired through an edge logger, uploaded to cloud storage, processed in MATLAB, and converted into Simulink-compatible data structures. The architecture supports field-to-model data transfer, delayed telemetry reconciliation, synchronization assessment, and deployment-oriented monitoring. This phase demonstrates that digital twin performance depends not only on model accuracy but also on reliable data pipelines, temporal alignment, and readiness for synchronization. Phase~3 extends the framework toward verification-aware cognitive assessment using real operational signals and a representative loaded-bucket digging cycle. Hydraulic pressure calibration reduces the pressure mismatch from 104.5~bar to 94.5~bar, corresponding to an RMSE reduction of 9.6\%. Scenario-level validation further evaluates actuator pressures, actuator positions, soil--bucket interaction, and subsystem energy-flow behavior. In addition, machine-learning-based hydraulic pressure prediction shows strong agreement with measured pressure values, with $R^{2}=0.9999$ and an RMSE of 1.10~bar on the evaluated dataset. An anomaly-assessment layer identifies 21 anomaly-relevant pressure events concentrated around high-pressure peaks, rapid transitions, and low-pressure deviations. The results demonstrate that the proposed framework provides a practical pathway from hybrid modeling to deployable telemetry integration and scenario-level cognitive interpretation. Rather than claiming a fully autonomous diagnostic system, this thesis establishes a verification-aware CDT foundation capable of supporting pressure prediction, model calibration, synchronization analysis, anomaly-relevant event identification, and operational assessment of excavator behavior. The framework contributes to the development of intelligent, data-connected, and physically interpretable digital twins for hydraulic excavators and related heavy industrial cyber-physical systems.
목차 (Table of Contents)