터널 보링머신에 새로운 시야를 선사한 카메라 시스템

자료제공 : Allied Vision

Allied Vision의 고해상도 카메라 Prosilica GT 2000이 터널 보링머신(Tunnel boring machine, TBM)의 커터 헤드에 장착되어 개선된 시야를 제공하고 있다.
Prosilica GT 2000은 커터 헤드에 장착된 상태로 드릴링 표면의 구조 분석 및 지질학적 기록 수집 기능을 제공한다. Allied Vision에서 작성한 이 글을 통해 Prosilica GT 2000이 TBM에서 어떻게 활용되고 있는지 알아보자.

브레너 베이스 터널과 터널 보링 머신
터널 보링 머신(TBM)은 오스트리아 알프스의 브레너 베이스 터널(Brenner Base Tunnel)과 같은 주요 프로젝트에 활용되면서 점점 더 각광 받게 되었다.
전단면(full face) TBM은 이동식 전자 드릴링 헤드로 암벽을 관통하고, 잡석을 제거한다. 또한 건설 유형에 따라 발굴된 숏크리트(Gunite를 섞은 콘트리트) 터널을 암석 볼트 및 와이어 메쉬 또는 강화된 조립식 콘크리트 세그먼트로 단단히 고정시킨다. TBM은 발파와 같은 다른 발굴 방법들과 비교하였을 때, 더 높은 작업 속도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 근로자에게 보다 안전한 환경을 제 공한다. 브레너 베이스 터널작업의 약 70%는 최대 6대의 TBM으로 동시에 작업이 완료되었다.
TBM의 빈번한 사용에도 불구하고, 시추면의 지질학적 기록 수집은 주로 가시성 제한으로 인해 기존의 터널 드라이브의 지리학적 기록 수집보다 어렵게 여겨져 왔다. 전통적인 터널링 방식에서 지질학적 지도 제작은 보통 지질학자에 의해 수행되었는데, 시추 면에 대한 시야가 차단되지 않아 방해를 받지 않았기 때문이다. 그러나 기계화된 터널링 방식에서는 커터 헤드가 시추 면을 바라보는 시야를 방해하기 때문에 어려움이 있었다. 커터 헤드에는 스크래퍼, 커팅 디스크 및 맨홀과 같이 지면의 지질학적 지도 제작의 유효성을 제한 할 수 있는 몇 개의 구멍이 있기 때문이다.

카메라 시스템 개발을 위한 협력
오스트리아 Leoben의 Montanuniversitat의 지하 공학 연구소인 Geodata GmbH와의 협력을 통하여 터널 건설 프로젝트에 사용되는 시추 기계용 카메라 시스템을 개발하여 이 문제를 해결하게 되었다.
이 시스템 개발 협력에는 Allied Vision의 유통 파트너이자 이미징 기술 제공 업체인 Stemmer Imaging(독일 Puchheim 소재)도 참여했다.
카메라 시스템은 TBMonitor라고 불리는 R&D 프로젝트 팀에서 개발되었다.
이 새로운 카메라 시스템은 Strabag AG와 Salini Impregilo S.p.A의 입찰 컨소시엄인 ARGE Tulfes Pfons가 건설한 Brenner Base Tunnel의 단단한 지반의 TBM 드라이브에서 현장 테스트를 무사히 통과했다.
디스크 하우징에 장착된 카메라 시스템은 고해상도 이미지와 전체 시추 면의 컬러 코딩된 릴리프 프레젠테이션을 제공한다. 카메라가 제공하는 정보에는 미네랄 성분, 지반 층 구조의 공간적 위치 및 구멍의 깊이 등이 포함되어 있다. 이런 귀중한 정보들은 터널이 만들어질 지질 모델에 대한 구조 분석 및 검증을 정확하게 평가하여 중단 없는 터널 시추를 보장한다.

Prosilica GT2000 카메라 시스템
시추 영역의 범위를 넓히기 위해, 카메라 기반 시스템은 다른 디스크 하우징에 보다 쉽게 장착 될 수 있도록 가볍고 유연하게 설계되었다.
따라서 카메라를 위한 추가적인 장치 없이 TBM에 카메라 시스템을 장착 할 수 있다. TBM의 스트로크가 끝나면 커터 헤드를 수 센티미터 당겨 커터 헤드와 시추면 사이의 물질이 스크래퍼를 통해 떨어지지 않도록 방지하기 위해 청소를 해야 한다. 이 단계는 작업자의 작업 안전과 카메라 시스템의 손상을 방지하기 위해 수행된다. 카메라 트랙의 수는 당겨진 커터 헤드와 시추면 사이의 거리를 기반으로 조정이 가능하다. 카메라 시스템은 단일 카메라 또는 여러 대의 카메라로도 설치가 가능하다.
카메라 유닛은 극한의 환경과 변동하는 조명 조건에서 작동할 수 있도록 설계된 견고한 카메라와 5㎜ 고정 초점 렌즈와 함께 사용이 가능하다.

의 노출과다/노출부족을 피할 수 있으므로 이미지는 사진 측량 소프트웨어로 잘 처리 될 수 있다.
이미지 레코딩의 경우 커터 헤드가 360° 이상을 수동으로 회전한다. 그런 회전 이후, 카메라는 인접한 디스크 하우징에 다시 설치된다. 커터 헤드와 시추면 사이의 거리에 따라 두 개의 카메라 트랙 사이의 간격은 수동으로 설정이 가능하다.

제어 장치
제어 장치에는 PC, 전원 공급 장치 및 단축 경사 센서가 포함되어 있다.
또한 제어 장치는 필요한 경우 측정 캠페인을 가속화하기 위해 병렬로 작동 할 수 있는 여러 대의 카메라에 인터페이스를 제공한다. 카메라와 제어 장치는 카테고리 7 케이블을 통해 연결되어 최대 초당 10기가바이트(10GigE)의 프레임 속도를 지원한다. 전원 공급 장치는 멀티 케이블로 고정되어 있다.
제어 유닛은 커터 헤드의 회전 중심 부근인 이중 디스크의 디스크 하우징에 장착된다. PC에서 실행되는 카메라 제어 소프트웨어는 Allied Vision의 소프트웨어 개발 키트인 Vimba를 기반으로 한다.

사진 측량 처리
3D 공간에서 물체의 정확한 위치와 모양을 결정하는 것은 사진 측량 처리를 적용하여 완료된다.
Photogrammetry는 3D 모델 제작을 위한 디지털 이미지를 분석하기 위해 다양한 측정 및 평가 방법을 사용한다. 시추면 이미지의 사진 측량 처리를 위해, 지질 공학 연구소(Institute for Subsurface Engineering)는 Agisoft LLC의 PhotoScan을 선택했으며, 이 소프트웨어는 풍부한 Python API (Application Programming Interface)를 제공한다.
전단면 카메라 캠페인의 경우 수천 개 이상의 오버랩 이미지로 구성 될 수도 있다. PhotoScan은 작업자가 방향 데이터가 포함된 카메라 교정 파일과 텍스트 파일을 간단하게 선택할 수 있게 하여 간단한 작동을 보장한다. 그 결과 전체 시추 면을 3D로 재구성하는 것이 가능하다. 시추 면을 골고루 촬영 할 수 있는 균등한 조명을 보여주는 고해상도 정사사진(왜곡이 없고 실제 비율로 표현된 사진)이 생성되고, 커터 헤드 뒤에 보이지 않는 세부 사항까지 제공한다. 이 이미지를 바탕으로 시추 면의 컬러 코딩된 릴리프 프리젠테이션도 생성된다.
 Montanuniversitat Leoben의 표면 공학 연구소의 프로젝트 조교인 Robert Wenighofer는 “시추 면의 디지털 이미징은 지질학적 평가의 논쟁의 여지가 없는 기초를 제공하는 객관적인 지질 지도 제작으로 이어진다.” 라고 말했다.
이어 그는 “카메라 시스템을 활용한지 1년이 넘게 지난 후, 사진 측량 처리는 시추 면 문서화의 적절한 수단으로 입증되었을 뿐만 아니라 단단한 지반에서 사용되는 TBM 드라이브처럼 가혹한 환경에서도 적합함을 증명했다. 카메라 시스템은 지형도 작성을 위한 객관적인 기반을 나타내는 시추 면의 고해상도 정사사진 및 릴리프 프리젠테이션을 제공한다.”라고 말했다.