보링 머신용 카메라 시스템 터널링에 새로운 시야 제공
Allied Vision
터널 보링 머신(TBM, Tunnel boring machines)의 커터 헤드에 장착된 고해상도 카메라는 드릴링 표면의 구조 분석 및 지질학적 자료화를 가능하게 한다.
TBM은 오스트리아 알프스에 위치한 브레너베이스 터널(Brenner Base Tunnel)과 같은 주요 프로젝트 등에서 점점 더 많이 사용되고 있다. Full face TBM은 회전식 드릴링 헤드로 암석을 뚫고, 흙먼지를 제거하며, 공사 유형에 따라 콘크리트, 록볼트 및 철망 또는 조립식 철근 콘크리트 세그먼트로 굴착된 터널을 보호하는 이동식 전자식 작동 기계이다. 다른 발굴 방법(예: 발파)에 비해 더 높은 전진 속도를 달성하고 근로자의 안전을 더 확보할 수 있다. 브레너베이스 터널 공사의 약 70%는, 6개의 TBM으로 동시에 공사해 완료했다.
TBM의 빈번한 사용에도 불구하고, 가시성 제한으로 인해 시추면의 지질 자료화는 원활히 진행하지 못했다. 종전의 터널링에서의 지질 맵핑은 차단된 시야에 의해서 방해 받지는 않았다. 그러나 기계화된 터널링에서는 커터 헤드에 의하여 시야가 차단된다. 스크레이퍼, 절단 디스크 및 맨홀과 같이 커터 헤드를 통한 개구부가 있는 것은 몇 개 밖에 없으며, 이는 전면의 지질 맵핑을 제한하게 된다.
오스트리아 레오벤(Leoben, Austria)에 소재하는 몬탄 대학(Montanuniversitat)의 연구소(SEI, Subsurface Engineering Institute)는 Geodata GmbH와 공동으로 터널 건설 프로젝트에 사용되는 보링 머신용 카메라 시스템을 개발하여 이 문제를 해결했다. 독일 Puchheim에 위치한 Allied Vision의 유통 파트너 및 이미징 기술 제공 업체 Stemmer Imaging도 시스템 개발에 협력했다.
카메라 시스템은 TBMonitor라는 현재의 R&D프로젝트 중에 개발됐다. Strabag AG와 Salini Impregilo SpA의 입찰 컨소시엄인 ARGE Tulfes Pfons가 건설한 브레너베이스 터널의 암벽 TBM drive에서 현장 테스트를 거쳤다. 카메라 시스템은 고해상도 이미지와 컬러 코딩된 앞면 전체의 양각 이미지(relief presentations)를 제공했다. 따라서 광물 조성, 층화의 공간적 위치 및 공동 깊이를 볼 수 있었다. 이 유용한 정보를 통해 지질 모델의 정확성에 대한 구조 분석 및 검증도 평가할 수 있어 지속적인 터널 보링을 보장하게 됐다.
카메라 시스템
전면의 적용 범위를 확장하기 위해, 카메라 기반 시스템은 가벼우면서도 다양한 디스크 하우징에 유연하게 장착할 수 있도록 설계했다. 이는 추가적인 카메라용 개구부가 없는 TBM에 카메라 시스템을 장착할 수 있게 했다. TBM 스트로크가 완료된 후, 커터 헤드를 몇 센티미터 뒤로 당겨서 커터 헤드와 페이스 사이의 재료를 제거하여 스크레이퍼를 통해 재료가 떨어지지 않도록 했다. 이 단계는 작업자의 작업 안전과 카메라 시스템 손상을 방지하기 위해서다. 카메라 트랙수는 함몰된 커터 헤드와 면 사이의 거리로 조정할 수 있다. 카메라 시스템은 단일 카메라 또는 여러 카메라와 함께 설치할 수 있었다.
이 카메라 유닛은 5mm고정 초점 거리 렌즈와 함께 극한 환경 및 변동 조명 조건에서 작동하도록 설계된 카메라도 포함했다. 2.2 메가픽셀 CMOSIS CMV2000 CMOS 센서가 장착된 Allied Vision의 Prosilica GT2000 기가비트 이더넷(GigE) 비전 카메라는 정확한 조리개 렌즈 제어 기능을 제공하여 조리개 크기를 고정한다. 피사계 심도, 노출 및 게인을 추가적 제어 요소의 필요가 없이 최적화 할 수 있다.
PoE(Power over Ethernet) 기능을 갖춘 이 카메라는 전원 공급 및 데이터 전송을 위해 단일 케이블로 작동할 수 있어 카메라 시스템을 커터 헤드에 쉽게 통합할 수 있다.
렌즈 및 특수 설계된 LED 링은 약 20~200cm 범위의 넓은 피사계 심도를 제공한다. LED 링은 10,000m이상의 루멘을 생성하여 1m이상의 깊이에서 파열을 일으킨다. LED 링은 4밀리 초 동안 깜박이며 이미지의 사진 측량 처리를 방해할 수 있는 모션 블러를 충분히 방지한다. Prosilica GT2000은 각 이미지의 노출 시간을 연속 자동 노출로 설정했다. 이는 구멍과 면을 모두 커버하는 이미지들에 동일한 조명을 비추어 준다. 또한 노출 과다 혹은 노출 부족을 방지하여 사진 측량 소프트웨어로 이미지를 잘 처리 할 수 있다.
이미지 기록을 위해, 커터 헤드가 360°이상으로 수동으로 회전한다. 그런 다음 각 회전 후 카메라를 꺼내고 인접한 디스크 하우징에 다시 설치한다. 커터 헤드와 면 사이의 거리에 따라 두 카메라 트랙 사이의 간격을 수동으로 설정할 수 있다.
컨트롤 유닛
제어 장치에는 PC, 전원 공급 장치 및 단축 경사 센서가 있다. 또한 제어 장치는 원하는 경우 측정 캠페인을 가속화하기 위해 병렬로 작동할 수 있는 여러 카메라에 대한 인터페이스를 제공한다. 카메라와 제어 장치는 카테고리 7케이블을 통해 연결되어 초당 최대 10기가비트(10GigE)의 프레임 속도를 허용한다. 전원 공급 장치는 다중 극 케이블로 보호된다.
제어 장치는 커터 헤드의 회전 중심 근처에 있는 이중 디스크의 디스크 하우징에 장착된다. PC에서 실행되는 카메라 제어 소프트웨어는 Allied Vision의 Vimba의 소프트웨어 개발 키트를 기반으로 한다. 이 소프트웨어는 초당 2개의 고정 이미지 속도로 카메라를 트리거하여 충분한 오버랩과 잉여 이미지를 제공한다.
PC가 부팅된 후 제어 장치가 이미지 기록을 자동으로 시작하도록 설정되어 있다. 이미지 저장이 시작될 때마다 이미지가 저장되는 새 디렉토리가 생성된다. 카메라 컨트롤과 최대한의 상호 작용을 피하면서 시스템에 직접 입력할 필요가 없다. PC는 Android 기기(예: 스마트 폰)로 원격 제어하여 촬영한 이미지의 품질을 평가할 수 있다.
제어 장치에는 하나의 측정 캠페인에서 촬영된 모든 이미지에 대해 공통 좌표계를 설정하는 경사 센서가 장착되어 있다. 각 이미지에는 카메라가 이미지를 찍기 위해 신호가 있을 때, 경사 센서에서 검색된 각도 값이 할당된다. 디스크 하우징의 경사각 및 알려진 상대 위치는 커터 헤드의 3D기준 좌표계에서 카메라의 절대 위치를 결정할 수 있다.
사진 측량 처리
3D공간에서 물체의 정확한 위치와 모양을 결정하는 것은 사진 측량 처리를 적용하여 완료된다. 사진 측량법은 3D모델을 만들기 위해 다양한 측정 및 평가 방법을 사용하여 디지털 이미지를 분석한다. 면 이미지의 사진 측량 처리를 위해 SEI는 풍부한 Python API(Application Programming Interface)를 제공하므로 Agisoft LLC의 PhotoScan을 선택했다. 하나의 전면 카메라 캠페인은 수천 개가 넘는 이미지로 구성될 수 있다. PhotoScan은 작업자가 방향 데이터가 포함된 카메라 보정 파일 및 텍스트 파일을 간단히 선택할 수 있도록 한다. 결과적으로 전체 얼굴의 밀집된 3D 재구성이 이루어진다.
커터 헤드 뒤에서는 볼 수 없는 디테일을 제공하여 브레이크 아웃과 안정적인 면 영역을 동일하게 조명하는 고 분해능 orthophotos(표면 왜곡이 없는 실제 스케일 표시)이 생성된다. 이 이미지를 기반으로 면 색상으로 구분된 양각 이미지까지 생성한다.
자료 제공: Allied Vision(www.AlliedVision.com)
