지하 광산에서 암반의 변위 및 이동을 모니터링하는 것은 안전과 운영 효율성 측면에서 매우 중요합니다. 기존 방식은 종종 포괄적인 모니터링 범위와 정확성이 부족합니다. Emesent 는 지하 광산의 수렴 모니터링을 강화하기 위해 LiDAR 및 SLAM 기반 시스템을 활용한 첨단 솔루션을 선보였습니다.

Emesent 공동 창립자이자 CTO인 Farid Kendoul 박사는 ‘ Emesent ’ 팀이 이 기술을 활용하여 데이터 정확도를 높이고 모니터링 프로세스를 간소화함으로써, 잠재적 문제를 식별하고 관리하는 데 더 효과적인 접근 방식을 제시한 방법을 살펴봅니다.

박사 Farid Kendoul

흔히 발생하는 지하 공사 문제들에 대한 새로운 해결책

지하 채굴은 특히 암반의 변위 및 이동을 모니터링하는 데 있어 독특한 어려움을 안고 있으며, 이는 특히 광산이 더 깊어질수록 부상이나 막대한 비용이 드는 생산 지연과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.

손상 매핑, 신장계, 토탈 스테이션과 같은 전통적인 방법들은 장점이 있지만, 종종 측정 범위, 정확도, 측정 빈도 면에서 한계가 있습니다. LiDAR 3D 매핑 기술은 수렴 모니터링을 위한 탁월한 대안을 제공하며, 지하 터널 내 암반 이동 및 변형에 대한 광범위한 측정 범위와 풍부한 통찰력을 제공합니다. 그러나 효과적인 모니터링을 위해서는 미세한 이동 및 변화(예: 20mm 이동 또는 변화)를 감지할 수 있도록 두 스캔(기준 스캔 및 신규 스캔)을 정확하게 정렬해야 합니다. 정렬 오류나 스캔 오류는 변형이나 수렴 현상에 대한 잘못된 해석으로 이어질 수 있습니다.

현재 지하 수렴 현상 모니터링을 위해 주로 두 가지 LiDAR 의 스캐닝 방법이 사용되고 있습니다:

1. 지상형 LiDAR 스캐너(TLS)

TLS 시스템은 매우 정확한 3D 데이터를 제공합니다. 지상 제어점(GCP)과 결합하면 광범위한 지역의 정확한 3D 모델을 구축할 수 있습니다. 그러나 수동 데이터 수집 과정은 시간이 많이 소요되어, 수 킬로미터에 달하는 터널을 조사하고 데이터를 준비하는 데 종종 며칠이 걸리기 때문에, 그 활용 범위는 중요한 소규모 지역으로 제한됩니다.

2. 모바일 ‘ SLAM ’ 기반 스캐너

이 스캐너들은 몇 시간 내에 광범위한 지하 구역을 효율적으로 촬영합니다. 그러나 SLAM 시스템은 3D 지도에 부정확성(드리프트)을 유발할 수 있습니다. 일부 광산에서는 이 문제를 해결하기 위해 작은 구역만 스캔하거나, 대규모 스캔 데이터를 더 작은 구역으로 분할한 뒤 타사 소프트웨어와 수동 작업을 통해 정밀한 정렬을 수행하고 있습니다. 그러나 이러한 방식은 시간이 많이 소요되어 시스템의 광범위한 도입을 제한하고 있습니다.

두 방법 모두 기준 스캔과 새로운 스캔을 정렬하기 위해 “강체 변환”을 활용합니다. 이 과정에서는 ICP(반복적 최접점법)와 같은 방법을 사용하여 새로운 스캔을 기준 스캔에 맞도록 이동 및 회전시킵니다. 강체 정렬에서는 기준 스캔과 새로운 스캔 모두 변경되지 않은 채, 위치와 방향(변환)만 조정됩니다. 이 접근 방식은 스캔의 정확도가 매우 높고 환경적 변화만이 유일한 차이인 이상적인 조건에서는 잘 작동하지만, 수 킬로미터에 달하는 터널과 같은 대규모 환경에는 적합하지 않습니다. 이러한 경우, 스캔에 내재된 부정확성과 잠재적인 편차가 정렬 오차를 유발하여, 실제 변형 감지 및 수렴 과정에서 오류가 발생하게 됩니다.

Emesent 팀은 앞서 언급된 한계점을 해소하면서도 LiDAR SLAM 기반 시스템의 장점을 결합한 새로운 컨버전스 모니터링 시스템을 개발하는 과제에 착수했습니다. 이 팀의 혁신적인 접근 방식은 LiDAR 및 SLAM 를 활용하여 효율적인 대면적 스캔을 수행하며, 광범위한 스캔 데이터를 자동으로 정렬하고 정확한 결과를 도출하는 새로운 알고리즘을 통해 성능을 강화했습니다.

Emesent의 수렴 모니터링 시스템의 핵심은 첨단 다중 스캔 정렬( SLAM ) 기술로, 이 기술은 드리프트가 발생할 수 있는 대형 스캔에 대해 비강체(탄성 또는 유연한) 정렬을 수행하면서도 수렴 및 변화 감지를 위한 국소적 정확도를 유지할 수 있게 해줍니다.

융합 모니터링을 위한 보다 효과적인 접근 방식

Emesent의 ‘변화 감지 및 수렴 모니터링’ 솔루션은 신속한 데이터 수집이 가능한 모바일 SLAM 기술과 더 빠르고, 간편하며, 재현성이 높은 처리 워크플로를 결합한 것입니다. 이를 통해 광산 운영사는 더 넓은 범위의 굴착 현장을 더 정기적으로 스캔하고, 정확하고 정량적인 데이터를 바탕으로 변화를 모니터링할 수 있습니다.

이 솔루션은 Emesent 의 두 가지 주요 제품을 결합한 것으로:

1.차량, 배낭, 드론 또는 휴대용 기기를 통해 배치되는 Hovermap 페이로드로, 지하의 거의 모든 구역을 효율적이며 심지어 자율적으로 스캔할 수 있습니다.

2. Aura 원시 데이터 처리, 스캔 이미지의 스마트 정렬, 스캔 이미지 비교 및 변화량 계산, 결과 시각화 등 다양한 유용한 작업을 수행할 수 있는 데스크톱 소프트웨어입니다. 이러한 워크플로우의 대부분은 자동화되어 있어 사용자의 개입이 거의 필요하지 않습니다.

혁신을 통해 실행 가능한 통찰력 제공

Emesent의 수렴 모니터링 시스템은 Wildcat SLAM 기술의 첨단 기능을 활용하여 스캔 이미지를 지능적이고 비강체적(탄력적 및 유연하게)으로 정렬함으로써, 지반 공학 모니터링 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 혁신적인 접근 방식에서는 첫 번째 스캔을 기준 스캔으로 사용하여 변경하지 않은 채로 유지하고, 두 번째 스캔은 비강체 변환을 통해 기준 스캔과 국부적으로 정렬되도록 탄성 변형을 거칩니다. 이 과정은 두 스캔 내의 3D 특징을 정밀하게 식별하고 매칭하는 것을 기반으로 하며, 드리프트와 오차를 효과적으로 보정합니다. 이러한 국부 정렬은 이동식 SLAM 매핑 시스템으로 효율적으로 캡처된 광범위한 지역 및 터널에서 변화를 정확하게 감지하고 수렴을 모니터링하는 데 필수적입니다.

이 방법을 사용하면 수 킬로미터에 달하는 지하 터널과 같은 광범위한 스캔 데이터를 정밀하게 정렬할 수 있어, 높은 정확도를 확보하는 동시에 스캔 드리프트를 보정하기 위해 일반적으로 사용되는 번거로운 데이터 분할 과정을 생략할 수 있습니다. 그 결과, 특정 구역에서는 5mm에 불과한 미세한 변형과 변화도 감지할 수 있으며, 일반적인 지하 환경에서는 최대 15mm에 이르는 변형과 변화까지 파악할 수 있습니다.

이 스마트 스캔 정렬 방식의 장점을 보여주기 위해, 그림 1과 그림 2에 묘사된 예를 살펴보시기 바랍니다.

파란색으로 표시된 스캔 1은 기준 스캔입니다. 녹색으로 표시된 스캔 2를 촬영하기 전에, 터널에 빨간색으로 강조 표시된 미세한 변형이 발생했습니다. 스캔 2를 촬영하는 동안, SLAM 시스템의 누적 오차나 정적 스캔의 결합 및 지리 참조 과정에서 발생한 오차로 인해 스캔 후반부에 드리프트 현상이 발생했습니다.

그림 1에서, 스캔 1과 스캔 2를 강체 정렬하면 실제 터널 변형이 가려지고, 대신 스캔 드리프트로 인한 겉보기 변화가 추정된다.

반면, 그림 2는 지능형 비강체 변환이 드리프트를 보정하며, 스캔 1과 스캔 2의 차이를 통해 터널의 실제 변형을 명확하게 드러낸다는 점을 보여줍니다.

이 알고리즘은 국부적인 변형을 지능적으로 처리하지만, 두 번째 스캔에서 터널 전체가 전역적으로 이동하는 경우(드문 경우이긴 하지만) 스마트 정렬 기능은 이를 SLAM 년 스캔 데이터의 드리프트로 해석하여 기준 스캔과 일치하도록 변형시켜 버리기 때문에, 전역적인 이동을 감지하지 못한다는 점에 유의해야 합니다.

이 최첨단 알고리즘을 Aura 의 자동화된 워크플로우와 결합함으로써, Emesent의 솔루션은 데이터 분할이나 수동 정렬의 필요성을 없애고 간소화되고 사용자 친화적인 워크플로우를 제공합니다. 따라서 이 솔루션은 댐, 터널 및 기타 광범위한 지하 구역의 장시간 스캔에 이상적입니다. 타사 소프트웨어에 대한 의존도를 없애고 사용자 입력을 최소화함으로써, Emesent의 시스템은 변화나 팽창이 발생하는 위치와 광범위한 영역에 걸친 이러한 변화의 속도에 대해 재현 가능하고 정량화 가능한 결과를 제공하는, 더 빠르고 효율적인 워크플로우를 제공합니다.

업계 모범 사례의 확산

Emesent이 회사의 혁신적인 수렴 모니터링 시스템은 지하 채굴 작업의 안전성과 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 채굴 기술 분야에서 이 회사가 차지하는 선도적 위상을 확고히 하고 있습니다. Wildcat SLAM 기술과 Aura 소프트웨어의 결합은 지반 공학 모니터링에 획기적인 접근 방식을 제시하며, 타의 추종을 불허하는 정밀도와 효율성을 제공합니다.

광업 산업이 계속해서 급속히 발전함에 따라, Emesent의 지속적인 혁신 노력은 운영 안전성과 생산성 향상을 이끌어낼 것입니다.