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과제기본정보

저수지 누수 진단을 위한 IoT 기반 스마트 계측기 및 원격계측 통합관리 시스템 개발3년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C133214-03
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 시설물점검 진단기술 적용분야 사회질서 및 안전
2순위 전기 전자 | 계측기기 | 안전감시 진단 계측제어기 실용화대상여부 실용화
3순위 환경 | 측정분석장비 장치 | 원격 모니터링 기술 과제유형 개발
과제명 저수지 누수 진단을 위한 IoT 기반 스마트 계측기 및 원격계측 통합관리 시스템 개발
주관연구기관 주식회사 아이자랩
총괄연구 책임자 성명 임우석
소속 주식회사 아이자랩 직위 연구소장/대표이사
기관 대표번호 042-935-4450 FAX 042-935-2450
총 연구기간 2017-07-20 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
3차년도 150,000,000 5,000,000 45,000,000 50,000,000 200,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1. 저수지 제체의 누수 및 안정성을 예측 평가하기 위하여 수분포화도를 측정할 수 장치를 개발하여 노후 저수지 및 제체 구조물에 대한 저 영향의 계측장치 및 3차원 해석 알고리즘을 통한 통합모니터링시스템을 개발
2. 비전문가도 쉽게 예비 진단이 가능하며 지방자치단체의 재정 및 인력 상황을 고려할 때 저비용 설치와 원격 시스템을 갖춘 계측장비를 개발 설치하여 저수지의 노후화에 따른 붕괴사고나 이로 인한 재산, 인명피해를 미연에 방지하는 등 국민의 생명과 재산을 보호하는데 중점을 두고 있음.
최종목표 1. 저수지 및 제체의 누수 및 안정성을 예측 평가하기 위하여 지중 내 직접 계측기능을 갖는 제체구조물에 대한 저영향의 3차원 계측 장치 및 관리 시스템을 개발하는데 목적이 있음
- 외경 5cm 이내 Rod내 연속 측정 가능한 내장형 수분포화도 센서 개발
- 수분포화도 측정값의 3차원 구현 프로그램 개발
- 원격송수신 모니터링을 포함한 통합관리 시스템 개발
- 수분포화도 계측값의 연계 해석 및 안전성 평가 기술 개발
- 저수지 안전진단 관리방안 제시

2. 장치의 기술적 목표
- 누수진단 측정 센서 : 수분포화도
- 측정 항목변경이 가능하고 조합 및 조립에 의해 전체 0.1m ~ 5m의 길이를 갖는 수직형 누수진단 계측기 개발
- 50㎃ 미만의 소모전력과 직경 300㎜ 스마트 계측기 직관 내부에 장착이 가능한 계측 임베디드 회로개발.
- 수분포화도 정확도 및 정밀도 등 세부 사양은 국내 최고수준 달성.
- 데이터간 상호연관성에 기반한 퍼지이론 구현 알고리즘 개발.
- 계측데이터의 수집 및 원격제어, 모니터링용 IoT 기반 양방향 원격무선게이트웨이 및 원격무선 계측 제어 S/W 개발
- 관리자 관찰자료, 유지보수 정보 및 자동계측자료 등의 원격계측데이터와의 DB연동 시스템 개발.
- 데이터 상호연관 통합분석 시스템 개발을 통한 제체 안전성 진단 기술 개발
연구내용 및 범위 1 연구내용
.외경 3.5cm 이내의 직관식 수직 깊이방향 연속측정 가능한 내장형 TDR 토양수분 센서 개발
.수분센서를 장착한 1m 직관식 조립형 계측기 및 타격장치 개발 (최고 5 m 조립)
.IoT 전용 플랫폼 LoRa망을 이용한 데이터원격 전송용 원격무선게이트웨이 개발
.3차원 구현 프로그램 개발 및 원격모니터링 통합관리 시스템 개발
.계측정보를 바탕으로 한 재난 전조정보 분석 및 판단용 의사결정 알고리즘 개발
.계측 기반의 저수지 누수 및 안전성 해석, 진단 기술 개발

2 연구범위
○ 저수지 제체의 누수 및 안정성을 예측 평가하기 위하여 지중내 직접 측정기능을 갖는 제체구조물에 대한 저영향의 3차원 계측 장치 및 관리 시스템을 개발하는데 목적이 있음
- 외경 3.5cm 이내 Rod내 연속 측정 가능한 내장형 TDR 토양 수분센서 개발
- 조립형 계측기(1m~5 m 연장) 및 현장 Rod 타격 장치 개발
- 토양수분 측정값의 3차원 구현 프로그램 개발
- 원격송수신 모니터링을 포함한 통합관리 시스템 개발
- 토양수분 계측값의 연계 해석 및 안전성 평가 기술 개발
○ 장치의 기술적 목표
- 토양수분 측정 센서 : 수직 깊이 연속 측정형 TDR방식 수분센서
- 측정 항목변경이 가능하고 조합 및 조립에 의해 전체 1m ~ 5m의 길이를 갖는 수직형 토양수분 계측기 개발 및 이 규격에 적합한 조립형 토양수분 센서 개발
- 50㎃ 미만의 소모전력과 직경 350㎜ 스마트 계측기 직관 내부에 장착이 가능한 계측 임베디드 회로개발.
- 토양수분 정확도 및 정밀도 등 세부 사양은 국내 최고수준 달성.
- 데이터간 상호연관성에 기반한 퍼지이론 구현 알고리즘 개발.
- 계측데이터의 수집 및 원격제어, 모니터링용 IoT 기반 양방향 원격무선게이트웨이 및 원격무선 계측 제어 S/W 개발
- 관리자 관찰자료, 유지보수 정보 및 자동계측자료 등의 원격계측데이터와의 DB연동 시스템 개발.
- 데이터의 상호연관 통합분석 시스템 개발을 통한 제체 안전성 진단 기술 개발

○ 본 연구는 기존의 저수지 누수 탐지 기술이 갖고 있는 기술적 한계(시추 필요), 고난이도 해석 기술(물리탐사 해석 기술 등) 및 고비용 등을 해소하고자 새로운 개념의 계측 장치를 개발하고 시작품을 제작하여 현장 실증을 통하여 기술적 완성도를 확보하고자 함. 또한, 설치기술, 측정장치, 원격통신 및 관리, 통합 시스템 등 본 기술에 최적화된 요소별 기술을 개발, 통합하여 실제 현장 적용을 통하여 제품화에 다가가고자 함. 향후 개발된 기술은 지방자치단체, 한국수자원공사, 농어촌공사 등이 보유한 사력댐 및 저수지에 적극 활용 추진하고자 함.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
3차년도 - 주관연구기관
. 케이블 전극 및 TDR방식 계측기 제작
. 계측장치 스마트 펌웨어 개발
. 계측을 통한 데이터베이스 프로그램 설계

- 공동연구기관
. Rod형 계측기 현장 설치 장치 개발
. 장치개발 및 Field Test
. 토양수분 누수 진단 활용성 평가 		- 주관연구기관(주식회사 아이자랩):
. 누수진단 및 안정성 측정을 위한 TDR 토양수분 케이블 센서 설계 및 개발
. 전체 회로에 대한 동작 플로우 차트 및 계측 펌웨어 개발
. 기능별 상호 연관 알고리즘 및 내비게이션 개발
. 측정값 정형화 변화 알고리즘 개발 및 시작품 개발
. 임베디드 스마트 펌웨어 개발
. 프로그램 동작 플로우 차트 설계
. 알고리즘에 의한 실제 프로그램 코딩
. 원격장치 및 계측기에 데이터 활용한 프로토콜 설계
. DB설계


- 공동연구기관((주)지앤테크):
. 계측기 현장설치 장치 개발 / 시제품 개발
. 계측기 현장설치 ES 보완 Test 및 시제품 제작
. 장치개발과 장치구동에 따른 문제점 파악 및 성능보완
. 삽입장치 Header 부의 탈거 및 지반내 존치여부
. 제체 축소모형 실험을 통한 토양 수분 활용성 분석
- 누수 평가분석
연구성과 기술적 기대성과 1 노후화 저수지 등의 수리시설물의 안전진단방법으로 제체에 설치된 계측기 또는 물리탐사를 수행해서 누수지점을 확인 하는 방법이 대부분 이었으나 탐사의 경우 2차원적 평가가 이루어지고 3차원적 해석을 수행하려면 탐사의 전문가가 필요하며 즉각적인 처리가 힘든 상황 이었다.

2 이에 개발된 계측기를 통해 저수지의 수분포화도를 확인하여 실시간으로 계측하며 원격계측 및 제어 모니터링망이 확보되는 범용성의 원격망을 제공함으로써 loT 기반의 다양한 재난분야에 활성화가 이루어질 것임.

3 또한 IoT 기술을 통해 USN의 일부인 WSN과 이를 통한 데이터 등 사물과 현상정보를 관리자가 필요할 때 실시간으로 양방향 수집할 수 있게 됨으로써 센서 계측노드가 능동적으로 계측하고 네트워크를 통하여 전달한 데이터는 컴퓨터가 인지 및 해석 가능한 정보로 가공 가능하기 때문에 유의미한 이벤트를 추출하고 지식정보화 함으로써 차세대 웹인 시멘틱 웹의 인프라로 본 과제의 플랫폼 기술임.
사회 경제적 파급효과 경제적ㆍ산업적 측면

. 현재 국내에서는 댐 누수 계측을 위해 단항목 계측 센서를 필요 항목 별로 수입하여 설치 운영되거나, Willowstick 탐사(미국)와 같은 고비용의 누수 탐지 및 분석을 의뢰하여 수행하고 있기 때문에 국내 제품 개발을 통해 비용 절감 효과가 클 것으로 전망됨.

. 국내외의 안전계측 센서 및 장치들은 단항목 제품으로써 항목별 센서를 각각 설치하여 위험도 계측하고 있는 실정임. 따라서 본 과제 수행을 통한 지질계측기 개발이 완성되면 비용 및 안전 예측 측면에서 효율적이며, 계측기의 상품화 시 국내외 업체와 자본 투자 및 협업 형태로 비즈니스를 진행 할 수 있을 것으로 예상 함.

. 현재 노후 저수지에 대하여 들어가는 예산은 사후 복구비용에 많은 비중을 차지하고 있다. 이는 정확한 시설물의 진단과 계측이 이루어지고 있지 않기 때문이다. 산대저수지(25만톤 규모)가 붕괴 되었을 당시 직접 피해액은 2억여원에 불과했지만 복구비를 포함한 전체 개보수 비용만 34억으로 추정되고 있다. 이처럼 개발된 장비를 통해 미리 계측을 수행하면 재난으로 발생되는 막대한 비용을 절감 할 수 있을 것이다.

사회적 측면

. 국내 지자체에서 관리하고 있는 댐과 저수지의 경우 전문 인력 부족과 관리 비용 문제로 인해 체계적인 안전관리가 이루어지지 못하고 있는 실정으로 본 과제를 통한 계측기 개발을 통해 저비용 고효율의 안전관리가 가능하므로 공익적 측면에서 효율적이고 체계적인 안전관리가 가능해 질 것으로 예상 됨.

. 붕괴된 저수지로 인해 주택, 도로, 농경지 침수로 주민들이 대피하는 등 주민들이 불편과 불안이 겪고 있음. 또한 농업기반시설 관리시스템(RIMS) 운용 및 현장 안전 점검 수행방법에 대한 미흡한 점이 부각되어 농업기반시설의 효율적 관리를 위한 개번 방안 모색이 촉구되고 있는 상황이다. 이에 실시간 계측을 통해 사전에 안전예방 및 관행적인 육안검사에서 벗어나 해당 지자체와 국가기관이 국민들에게 믿음을 심어 줄 수 있을 있음.
활용방안 . 현재 준공 년수 30 ~ 40년 이상 되는 저수지 및 댐이 50% 이상을 차지하고 있다. 또한 매년 국지성 호우 및 가을 태풍으로 인한 집중호우 증가로 인해 저수지 붕괴 사고가 매년 증가 하고 있는 추세이다.

. 붕괴가 발생하면 복구에 수년이 소요되며 대체재가 부재하는 상황이 반복되고 있다. 이에 누수 및 집중호우로 인한 저수지 붕괴사고를 사전에 예방하고 탐사를 통한 한시적 진단이 아닌 상시 실시간 계측을 통한 안전진단 및 체계적 관리 필요성이 대두되고 있는 상황이다.

. 본 연구가 마무리되는 단계에서 소규모 저수지 제체를 주로 관리하고 있는 한국농어촌공사, 지자체 관리자 등과 협의를 통하여 저수지에 개발 계측기기 설치하고 장치의 성능을 평가하며 실시간 누수 모니터링을 통한 성능개선 및 향후 보수보강 우선순위 선정에 기초자료에도 활용될 계획임.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 토양수분 3차원 분석 저수지 누수 TDR 방식 수분센서 로라 망
영문 Soil moisture 3D Analysis Reservoir leakage TDR Type sensor LoRa Network
최종보고서
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