아두이노 기반의 지반 구조물 기울기 및 수평변위 계측 시스템 = Arduino-based Monitoring System for Tilt and Horizontal Displacement of Geotechnical Structures

국문 초록 (Abstract)

도시화에 따른 지상 공간의 포화로 인해 대심도 지하공간 개발과 같은 대규모 굴착 공사가 증가하고 있다. 그러나 굴착 공사 중 발생하는 응력 해방은 주변 지반의 변위를 유발하여 인접 구조물의 안정성을 저해하고, 붕괴와 같은 대형 사고를 유발할 수 있다. 이에 따라 지중 수평변위를 상시 모니터링하기 위한 계측 관리의 중요성이 대두되고 있으나, 기존의 상용 지중경사계는 높은 초기 도입 비용과 데이터 접근성 및 가공의 편의성이 부족하다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 오픈소스 하드웨어인 아두이노(Arduino)와 MEMS 기반의 6축 IMU 센서(LSM6DS3)를 활용하여 경제적이면서도 신뢰성 높은 벽체 기울기 측정 시스템을 개발하였다. 센서에서 발생하는 신호 잡음을 보정하여 측정 정밀도를 확보하고자 다양한 필터링 기법을 적용하였으며, 단일 필터링 기법만으로는 지반 구조물 계측에 요구되는 정밀도를 충족하지 못함에 따라, 지수 가중 이동평균(EWMA), 상보필터(Complementary Filter), 칼만필터(Kalman Filter)에 의한 1차 보정값에 이동평균(MA)을 후처리로 결합한 조합 필터링 알고리즘을 제안하였다. 상용 정밀 계측 장비(DGSI Digitilt AT System)와의 비교 실험 결과, 제안된 시스템은 기준값 대비 1.5% ~ 2.0% 범위의 평균 절대 백분율 오차(MAPE)를 기록하여 높은 측정 신뢰성을 입증하였다. 나아가, 검증된 기울기 측정 모듈을 다중으로 직렬 연결하여 심도별 변위를 연속적으로 측정할 수 있는 지중 수평변위 계측 시스템을 구현하였다. 실내 환경에서 3 m 구간을 대상으로 수행한 성능 평가에서 본 시스템은 각 심도의 수평변위를 성공적으로 계측하였으며, 유선(Serial) 및 무선(Wi-Fi 웹 서버) 통신을 통해 실시간으로 데이터를 전송하고 모니터링하는 데 성공하였다. 본 연구에서 개발한 시스템은 기존의 고가 장비에 대한 경제적인 대안으로서, 향후 굴착 공사 현장의 지반 붕괴 사고 예방 및 상시 모니터링 체계 구축에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the saturation of surface space caused by urbanization, large-scale excavation projects such as deep underground space development have been increasing. However, stress release during excavation can induce ground deformation in the surrounding soil, which may compromise the stability of adjacent structures and lead to major accidents such as collapses.
Accordingly, the importance of instrumentation management for continuous monitoring of subsurface horizontal displacement has been emphasized. Nevertheless, conventional commercial inclinometers suffer from limitations including high initial installation costs as well as insufficient accessibility and flexibility in data processing. In this study, an economical and reliable wall inclination measurement system was developed using open-source hardware based on Arduino and a MEMS-based 6-axis IMU sensor (LSM6DS3). To improve measurement accuracy by mitigating sensor noise, various filtering techniques were applied.
Since a single filtering method was insufficient to meet the accuracy requirements for geotechnical instrumentation, a combined filtering algorithm was proposed, in which the firststage outputs of the exponentially weighted moving average (EWMA), complementary filter, and Kalman filter were further processed using a moving average (MA) filter. Comparative experiments with a commercial high-precision inclinometer system (DGSI Digitilt AT System) demonstrated that the proposed system achieved a mean absolute percentage error (MAPE) within the range of 1.5%–2.0% relative to the reference values, thereby confirming its high measurement reliability. Furthermore, multiple validated inclination measurement modules were serially connected to implement a subsurface horizontal displacement monitoring system capable of continuously measuring displacement at different depths. Performance evaluation conducted over a 3 m section in a laboratory environment showed that the system successfully measured horizontal displacement at each depth and transmitted data in real time via both wired (serial) and wireless (Wi-Fi web server) communication. The developed system presents a cost-effective alternative to conventional high-priced instrumentation and is expected to contribute significantly to the prevention of ground collapse accidents and the establishment of continuous monitoring systems at excavation sites.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 3
• 제 2장 오픈소스 하드웨어 계측 시스템 연구 동향 4
• 2.1 오픈소스 하드웨어 4
• 2.1.1 아두이노 5
• 2.1.2 라즈베리 파이 6
• 2.2 연구 동향 7
• 제 3장 아두이노 보드 기반 벽체 기울기 측정 시스템 개발 10
• 3.1 시스템 구성 10
• 3.2 기울기 계산 방법 11
• 3.2.1 가속도 센서를 통한 기울기 계산 방법 11
• 3.2.2 자이로 센서를 통한 기울기 계산 방법 13
• 3.3 데이터 필터링 14
• 3.3.1 가속도 센서와 자이로 센서의 측정 데이터 특성 및 필터링 필요성 14
• 3.3.2 본 연구에서 적용한 필터링 방법 17
• 3.4 필터링 적용 결과 22
• 3.5 필터링 조합 적용 결과 23
• 3.6 정확도 검증 25
• 3.6.1 정확도 검증 방법 25
• 3.6.2 정확도 검증 결과 28
• 제 4장 지중 수평변위 계측 시스템 개발 31
• 4.1 지중 수평변위 계측 시스템 31
• 4.2 지중 수평변위 계측 시스템 구성 33
• 4.3 실내 환경에서의 계측 및 데이터 판독 37
• 4.3.1 시리얼 모니터를 통한 데이터 판독 37
• 4.3.2 Wi-Fi 웹 서버를 통한 데이터 판독 38
• 4.4 향후 개선 방향 39
• 4.5 개선사항을 반영한 구상도 및 시스템 구성 44
• 4.5.1 개선사항을 반영한 시스템 구상도 44
• 4.5.2 개선사항을 반영한 시스템 회로 구성도 46
• 제 5장 요약 및 결론 48
• 참고문헌 50