This dissertation presents the techniques for on-line network pseudo-dynamic testing method for the effective assessment of nonlinear behaviors of large and complex civil infrastructures using the Internet. Series of network testings were carried out among several institutions in Korea and Japan. The studies were focused on data communication methods through the Internet, hardware configurations, Java monitoring system, and wireless Internet using mobile phones.
On-line network pseudo-dynamic testing using the Internet is very feasible in view of the fact that many testing facilities at different locations can form a network for interactive testings for large and complex structural systems. The time required for each step in the on-line testing varies widely depending on the data communication schemes and the testing hardware: For instance, in case of Configuration I, it took about 6 sec for each time step for the data communication/sharing between two institutions, and 5 sec for the loading operation of the pseudo-dynamic testing for each time step. On the other hand, in case of Configuration II, it took about 0.2 sec for each time step for the data communication between two institutions, and 1 sec for the loading operation of the pseudo-dynamic testing for each time step. Time difference between Configuration I and II is caused by the difference of data communication/sharing scheme and loading speed of test equipment. Configuration II which consists of all PCs and uses socket programming with TCP/IP-based data communication scheme has been found to be much more efficient than Configuration I which is composed of EWSs and PCs and requires SAMBA program for data sharing between the local servers (EWSs) and the PCs. Furthermore, the parallel data communication scheme used in Configuration II is found to be very effective to reduce the elapsed time. An evaluation of the test results showed that accurate and reliable results were obtained from the geographically distributed on-line network pseudo-dynamic test. During 4000 steps of on-line network tests, there was no problem in data integrity and availability. Furthermore, there were no serious network problem during the tests, and the testing was carried out with a constant rate. Web-based Java monitoring system was developed for the convenient, effective and detailed checking of partners’ testing condition and for sharing of the test results among the test participants and authorized observers located far away. The tele-presence system can be provided by using the web-based Java monitoring system. The Java monitoring system provided a ubiquitous thin-client web-based tele-presence environment to remote users. Wireless communication using mobile telephone technology is very attractive for on-line network testings, owing to the mobility and the Internet security. The time required for data communication is about 0.4 sec per each time step, which is still reasonable for pseudo-dynamic tests. The wireless Internet may be used for temporary wireless Internet connections between the main and a local server system during the network test without causing any security problem to the existing computer systems at the participating institutions, particularly if the local server is located at an institution with a very rigid firewall. Furthermore, wireless Internet technology may provide the data encryption to all of displacement and restoring force data.
본 논문에서는 복잡한 대형 구조물의 비선형 거동 특성을 효과적으로 평가하기 위하여 온라인 네트워크 유사동적 실험기법을 개발하였다. 또한 국내,외 여러 연구 기관과의 공동 연구를 통하여 개발된 실험 기법의 타당성을 검토하였다. 본 연구에서는 인터넷을 이용한 데이터 전송기법과 실험장치의 구성, 자바 언어를 이용한 모니터링 시스템, 그리고 휴대전화를 이용한 무선인터넷 실험기법 등의 개발에 중점을 두었다.
일본 교토대학교의 Watanabe교수에 의해 최초로 도입된 온라인 네트워크 실험기법에 대하여 교토대학교와 한국과학기술원에서 각각 독립적으로 네트워크 실험을 위한 데이터 전송기법을 개발하였다. TCP/IP를 이용하여 한국과학기술원에서 개발된 실험기법인 Configuration II로 국내 세 대학간의 수치 모의 실험을 수행한 결과, 10 Mbps의 비교적 낮은 전송속도의 네트워크 시스템의 사용에도 불구하고, 매 해석 시간 단계에서 데이터 전송 및 구조물의 지진 응답 해석에 약 0.33초가 소요되었다. 이는 실제 구조물의 유사동적 실험에서 매 단계 변위 재하 시간보다 작은 값으로 적용성이 우수함을 알 수 있었다. 일본 교토 대학교 및 한국기계연구원과 지진격리장치가 설치된 교량에 대한 공동 연구를 실행한 결과, 데이터 전송 기법과 유사동적 실험장비에 따라 실험에 소요되는 시간이 크게 달라짐을 알 수 있었다. 교토대학교에서 개발된 Configuration I을 사용할 경우, 매 시간 단계에서 데이터 전송 및 공유에 약 6초가 소요되었고, 변위 재하에 5초가 소요되었다. 반면, Configuration II를 사용할 경우, 매 시간 단계에서 데이터 전송 및 공유에 약 0.2초가 소요되었고, 변위 재하에 1초가 소요됨을 알 수 있었다. Configuration II를 사용할 경우에는 매 시간 단계에 0.2초가 소요되어, 다른 운영체제의 컴퓨터를 사용하여 데이터의 전송과 공유를 동시에 사용하는 Configuration I를 이용하는 경우의 소요시간 6초에 비해 실험 데이터가 송수신되는 시간을 줄일 수 있었으며, 다수의 연구기관과의 데이터 송수신에 있어 병렬처리 기법을 사용하여 전체 실험 소요시간을 크게 감소할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 원거리에 위치한 연구기관 사이에서 수행된 4000단계의 온라인 네트워크 실험 수행 결과, data integrity 및 availability에 있어 문제가 없음을 알 수 있었으며, 실험 중에 어떤 네트워크의 문제도 발생하지 않았으며, 안정적인 속도로 실험을 수행할 수 있었다.
온라인 네트워크 실험에 있어 매우 중요한 부분인 실험 중 상호 연구기관 사이의 모니터링을 위하여 개발된 웹 기반 자바 모니터링 시스템은 참여 연구기관 사이의 실험 환경과 네트워크 상황 체크 및 실험 결과의 공유에 있어 매우 효율적인 방법임을 알 수 있었다. 또한 개발된 모니터링 시스템의 tele-presence 기능을 통하여, 원거리의 연구참여자에게 웹 기반의 편리한 사용 환경을 제공할 수 있음을 알 수 있었다. 휴대전화를 이용한 무선 인터넷 기법으로 모의 실험을 수행 한 결과, 매 해석 단계의 데이터 전송 및 구조물의 지진 응답 해석에 약 0.38초가 소요되어 유사동적 실험의 수행에 있어 합리적인 수준의 데이터 전송 속도를 나타내었다. 무선 인터넷을 이용한 실험은 뛰어난 이동성과 함께 모든 송수신 데이터의 암호화를 통하여 인터넷상의 보안이 용이하며, 컴퓨터 시스템에 엄격한 방화벽의 설치로 인하여 공동 실험 수행이 어려운 경우에 이를 우회할 수 있는 장점을 가지고 있음을 알 수 있었다. 따라서, 본 연구에서 개발된 온라인 네트워크 유사동적 실험 기법은 제한된 인적자원과 장비를 이용하여, 공동 실험을 수행함으로써 복잡한 구조계의 성능 평가에 매우 효율적인 방법으로 사료된다.
