Vision-Based Monitoring Technology of Reinforced Soil Retaining Walls

Abstract

보강토 옹벽은 높은 활용성을 기반으로 전 세계적으로 널리 활용되고 있다. 하지만 시공량이 증가함에 따라 붕괴 사고 또한 국내외에서 지속적으로 발생하고 있다. 국내에서 2010년부터 2022년까지 발생한 전체 옹벽의 붕괴 사례를 기반으로 위험 수준별 강우 한계선을 제시하였으며, 강우 유발 보강토 옹벽의 붕괴 특성을 분석하였다. 보강토 옹벽의 강우 한계선은 산사태 강우 한계선보다 상대적으로 더 낮게 분포하였으며, 이는 현재 수행되고 있는 유지관리의 주기적 점검 및 소규모 시설물에 대한 분석의 어려움으로 인해 기인하였을 것으로 판단된다. 또한, 지속적인 유지관리 방안을 제안하기 위해 국내외 13개 기관에서 활용되고 있는 유지관리 항목들을 분석하였으며, 국내 기준 및 다수의 기관에서 활용되고 있는 대부분의 항목들은 보강토 옹벽 블록의 변위를 계측함으로써 정량화할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 주기적인 점검의 한계를 보완하는 지속적인 변위 계측을 통해 대부분의 결함을 계측할 수 있는 영상 기반 모니터링 기술로써 단일 카메라 모니터링 시스템을 제안하였다. 보강토 옹벽은 연속적인 형태로 인해 주로 전방 변위와 침하 형태의 변위가 발생하기 때문에 하나의 카메라 시점을 통해서도 보강토 옹벽의 실제 변위를 계측할 수 있다. 단일 카메라 모니터링 시스템은 표적 추적 과정과 변위 산출 과정을 통해 보강토 블록의 전방 변위와 침하를 계측한다. 표적을 추적하기 위해 Feature matching과 Mask R-CNN이 활용되었으며, 변위를 산출하기 위한 변위 산출 알고리즘을 제안하였다. 제안된 기술의 성능을 검증하기 위해 다양한 입사각, 구조물의 형태, 변위 크기, 조건에 따른 실내 및 현장 실험을 수행하였으며, 표적에 대한 매칭 성능 및 변위 산출 성능을 정량적으로 분석하였다. 5~85도의 입사각 중 20~70도의 입사각에서 우수한 매칭 및 변위 산출 성능을 나타냈으며, 단일 블록 및 보강토 옹벽 형태 모두에서 우수한 매칭 및 변위 산출 성능을 나타내었다. 일반적으로 매칭 성능을 분석하기 위해 널리 활용되는 특징점의 개수 기반 성능 지표들과 비교하여, 특징점 위치 기반 성능 지표들이 변위 산출 성능과 동일한 경향을 나타내어 모니터링 성능 분석 시 더 주요한 지표임을 확인하였다. 기술을 검증하기 위해 수행된 실험에서의 상대 오차는 각각 단일 블록 실험에서 2.44%~4.50%, 멀티 블록 실험에서 3.08%~3.59%, 실험실 보강토 옹벽 실험에서 0.87%~1.90%, 현장 보강토 옹벽 실험에서 2.17%~5.5%, 조도 변화에 따른 실내 실험에서 1.09%~1.42%로 분포하며 우수한 성능을 나타내었다. 따라서 이처럼 다양한 실험을 통해 검증된 영상 기반 모니터링 기술은 다양한 현장에서 종래의 안전진단 기법을 보완하며 활용될 수 있을 것으로 판단된다. |Reinforced soil retaining wall (RSW) is widely used in various fields based on their high usability. However, collapses of RSW continue to occur as the amount of construction increases. In order to figure out the collapse characteristics of RSW in Korea, 96 cases of retaining wall collapse data from 2010 to 2022 were collected. The cumulative rainfall and rainfall duration were investigated, and rainfall thresholds for each hazard level were proposed. The rainfall threshold of the RSW was lower than that of landslides and residents on steep slopes. There would be problems in design, construction, and maintenance, however, each status of retaining wall before collapse could not be analyzed. Therefore, we need to focus on maintenance and continuous monitoring. Domestic RSW is managed through regular and precision safety inspections. Nine defect conditions of the RSW are being evaluated, and six conditions could be calculated through displacements of blocks. In addition, five out of seven defect conditions, which were used in more than 11 out of 13 domestic and abroad standards, could be calculated through the displacements of the block in RSW. Therefore, if the facing displacement and settlement of blocks were accurately monitored, it contributes to securing the stability of RSW considering various defect conditions. We proposed a vision-based monitoring technology that can effectively analyze most defects over a wide area compared to the sensor. In this study, a single-camera monitoring system composed of a target tracking method and displacement calculation algorithm was proposed to monitor the behavior of RSW, where only facing displacement and settlement occur. Feature matching and mask R-CNN were used to track the target, and an algorithm for calculating the displacement was proposed. Applicability of the proposed single-camera monitoring system with various incident angles and block types was analyzed. Also, the performance of matching and calculating for the behavior of RSW was evaluated through laboratory and field RSW experiments. The feature location-based performance metrics were more relevant to the performance of displacement calculation than feature count-based performance metrics. Additionally, laboratory experiments were performed to evaluate the performance with changes of illuminance which is normally happened in long-term monitoring. MRE, the relative error compared to the reference displacement, was distributed from 2.44 % to 4.5 % in the single block experiment, from 3.08 % to 3.59% in the multiblock experiment, from 0.87 % to 1.9 % in the laboratory RSW experiment, from 2.17 % to 5.5% in the field RSW experiment, from 1.09 % to 1.42 % in the experiment with different illuminance, respectively. The single-camera monitoring system, which was verified through various experiments, can be used in various fields with high accuracy.