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과제현황 목록

과제기본정보

IoT 저전력 통신기반 디바이스를 통한 시설물 데이터 수집ㆍ분석 및 모니터링 기술1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 20TBIP-C158946-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 화학공정 | None | None 과제유형 개발
과제명 IoT 저전력 통신기반 디바이스를 통한 시설물 데이터 수집ㆍ분석 및 모니터링 기술
주관연구기관 모루시스템 주식회사
총괄연구 책임자 성명 이정준
소속 모루시스템 직위 대표
전화번호 031)687-5711 FAX 031)436-1511
총 연구기간 2020-06-25 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2020-06-25 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 205,000,000 13,667,000 123,000,000 136,667,000 341,667,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 가. 수요기관 요구기술에 대한 이해도
○ 태풍 등에 의한 파압(외력)에 견딜 수 있는 견고함(함체, 연결선 등)
- 열악한 야외 환경에 설치되는 제품으로, 함체와 연결선, 배터리 연결케이블 등이 외부에 설치되어 파도, 태풍, 물살 등의 외력에 버틸 수 있도록 견고하게 설계
○ 염분에 의한 부식방지 기능
- 주로 바다에 설치되기 때문에 염분에 의한 부식에 대비하여 제품을 설계
○ 외부전원 설치 불가로 장기간 사용할 수 있는 자체 배터리(저전력)
- 외부전원이 없는 환경에 설치되기 때문에 자체 배터리로 동작을 하여야 하며, 저전력 설계를 통해 사용기간을 향상시킬 수 있는 설계 필요
○ 데이터 송수신에 따른 통신비용 절감을 위한 송신방식
- 유지보수 비용 절감을 위한 통신비용을 최소화하기 위한 송신방식 설계 필요
- 설치 수량 증가 시에도 통신비용에 대한 부담을 최소화하기 위한 설계 필요
○ 교량 안전성 확인을 위한 장기 데이터 축적 및 분석 기능
- 장기 데이터 축적을 통한 열화분석 및 수명예측을 통해 교량의 안전성 측정 기술 필요
○ 파손 발생시 보수가 용이한 타입 ? 예비품을 활용한 즉시적 교체
- 제품의 고장, 파손이 발생할 경우에 유지보수가 쉽도록 즉시적 교체가 가능한 설계 필요
○ 교량별 2개소 이상의 완제품 설치
- 완제품 설치를 통해 제품을 실증하여 평가를 진행
○ 전 구간 확대 설치시 적용이 용이한 시스템 개발
- 대교 전 구간에 완제품을 설치하여도 적용이 용이하도록 센터 서버 및 모니터링 프로그램 등 개발

나. 수요기관 요구기술과의 적합성
○ 태풍 등에 의한 파압(외력)에 견딜 수 있는 견고함(함체, 연결선 등)
- 강풍, 강수, 폭설, 차량에 의한 압력 등에 견딜 수 있도록 설계되어 기존 노상주차면에 설치하여 운영하고 있는 자사의 경험 및 기구를 토대로 견고한 설계 진행
○ 염분에 의한 부식방지 기능
- 부식에 대비하기 위해, 이중구조의 기구물 설계 진행
- 기존 기구물 방수를 위하여 몰딩하여 설치 및 운영하였던 실적을 바탕으로 액체 및 염분이 스며들지 못하도록 설계 진행
○ 외부전원 설치 불가로 장기간 사용할 수 있는 자체 배터리(저전력)
- 저전력 설계가 아주 중요한 저전력 주차면 센서 기술을 바탕으로 배터리만으로도 수년동안 동작이 가능하도록 설계 진행
- 필요시 옵션사항으로 솔라 패널을 설치하여 충전ㆍ방전이 가능한 2차 배터리((예)LiFePO4)를 통해 더욱 장기간동안 사용이 가능하도록 설계 진행
○ 데이터 송수신에 따른 통신비용 절감을 위한 송신방식
- 데이터 세부 프로토콜 정의시 데이터량을 함축하여 최소화 설계
- 통신비용을 절감하기 위하여 자체 검측을 통해 검측값의 변화가 없을 시 일정기간 통신을 하지 않는 등의 송신방법에 대한 고민이 필요
○ 교량 안전성 확인을 위한 장기 데이터 축적 및 분석 기능
- 센터 서버를 통한 데이터 축적 및 분석하여 교량 열화평가 알고리즘 분석
○ 파손 발생시 보수가 용이한 타입 ? 예비품을 활용한 즉시적 교체
- 제품의 센서부와 배터리부의 기구부를 각각 설계하여 불량 발생시 필요 부분 교체가 가능하도록 설계
- 앙카볼트 고정을 통한 손쉬운 탈부착이 가능하도록 설계
○ 교량별 2개소 이상의 완제품 설치
- 노상주차면 제품 설치 경험을 바탕으로 Footing 센서 시스템 설치를 통해 제품 시험 및 평가를 진행하고, 보완점을 개선
○ 전 구간 확대 설치시 적용이 용이한 시스템 개발
- 기존 제품인 노상주차면 센서 또한 여러개의 개별 센서가 각 면에 설치되어 IoT망을 통해 데이터를 취합하는 형태의 구성으로, 동시 송신 방지를 위한 랜덤 송신딜레이 기능 설계 등 보유하고 있는 기술력을 바탕으로 개발 진행

○ 기존기술
- 조사원이 직접 선박을 이용하여 출동하는 시스템
- 계측기를 틀고 현장으로 직접 출동하여 검측을 진행
- 파도, 태풍 등 기상악화시 현장 출동 불가
- 다른 선박과의 사고 등 안전상의 문제점이 있음

○ 해당기술
- 저전력 설계를 통한 배터리 동작형태의 디바이스로 한번 설치 후 장기간 출동 없이 운영 가능
- 현장에 직접 출동 없이 측정이 가능하므로, 안전사고문제 해결
- 전천후 동작이 가능한 디바이스 제작으로 상시 동작 가능
- 주기적인 데이터 축적으로 교량 열화 상황 모니터링 및 평가 가능
- 간단한 시공으로 유지ㆍ보수의 용이성 확보

기존기술의 문제점을 해결하고자 해당 기술을 연구개발하고자 함
최종목표 최종 목표
저전력 IoT 디바이스를 통한 교량 진단 시스템 개발
세부 목표
스마트 센서를 이용한 저전력 IoT 현장장치 개발
DB관리 및 분석 센터시스템 및 관제 모니터링 시스템 개발

② 최종 목표의 성격 및 설정근거
○ 기존 프로토 타입의 누수감지 센서에서 착안
- 배터리 동작형 저전력 회로설계를 바탕으로 스마트 센서 디바이스 설계
> 솔라 패널 옵션화 하여 장기간 운영 가능한 설계 진행
- 기존 프로토 타입의 통신망 또한 IoT(LoRa망)를 이용한 설계
> LoRa망 설계 경험을 바탕으로 IoT(LTE-M 등) 유리한 통신망으로 설계
○ 주관기관 제품 ParkDisk1 수년간 사용하여 검증된 기구물을 바탕으로 업그레이드 설계
- 방염/방수를 위하여 기구물 안의 기구물 형태로 제품 이중보호 설계
○ 1차년도 시작품 제작
- 필수 기능설계를 통한 시작품 제작으로 성능 및 기능 검증 진행
- 기구물 방염/방수 테스트를 진행
○ 2차년도 시제품 제작
- 1차 시제품 제작을 통한 테스트베드 현장설치
> 현장설치를 통한 제품 동작 테스트 진행
○ 3차년도 테스트베드 실증 및 현장 평가
- TRL-8 단계의 시제품 제작 및 실증을 통해 보완사항 마련
- KCC 인증을 통한 제품화 진행
○ DB관리 및 분석을 위한 센터서버 구축
- 서버 구축을 통한 데이터 취합 및 분석 시스템 마련
○ 관제 모니터링 시스템 개발
- 유저가 사용하기 쉬운 형태의 UI 개발 및 모니터링 시스템 개발
연구내용 및 범위 주관기관
1차년도
(’20.06~ ’20.12)
- 전해질 센서 푸팅 진단 자료 수집 및 분석
- 전해질 센서 자료 수집 및 분석
- 기존의 교량 푸팅 진단 자료 수집 및 분석
- 스마트 센서 디바이스 기본 설계
- 전해질 센서를 이용한 저전력 푸팅 진단 IoT 디바이스 기본 설계
- 스마트 센서 디바이스 시작품 통신비용 절감을 위한 데이터 최소화 프로토콜 설계
- 스마트 센서 디바이스 시작품 제작
- 저전력 동작이 가능한 IoT 스마트 센서 디바이스 회로설계 및 Artwork
- 스마트 센서 디바이스 반조립 진행
- 스마트 센서 디바이스 시작품 펌웨어 구현
- 디바이스 기구물 제작
- IP-68 방염/방수 디바이스 기구물 제작
- 기구물 방염/방수 테스트 진행
2차년도
(’21.01~ ’21.12)
- 스마트 센서 디바이스 상세 설계
- 전해질 센서를 이용한 저전력 푸팅 진단 IoT 디바이스 상세 설계
초 장수명을 위한 솔라 패널 옵션화 설계
- 스마트 센서 디바이스 시작품 보완을 통한 1차 시제품 제작
- 저전력 동작이 가능한 스마트 센서 디바이스 회로설계 보완 및 Artwork 수정
- 스마트 센서 디바이스 1차 시제품 제작
- 스마트 센서 디바이스 시제품 펌웨어 구현
> 시작품 보완 및 상세성능
- 스마트 센서 디바이스 시제품 테스트베드 현장설치
- 테스트베드 교량에 1차 시제품 현장설치
3차년도
(’22.01~ ’22.12)
- 시작품 현장설치 문제점 보완을 통한 2차 시제품 제작
- 2차년도 현장설치 1차 시제품의 문제점을 보완한 2차 시제품 제작
- 보완사항 및 요구사항 반영한 펌웨어 업그레이드
- 스마트 센서 디바이스 테스트베드 실증 및 현장 평가
- 시제품 설치된 테스트베드 실증 및 현장 평가 2차 시제품 현장 교체 진행
- 스마트 센서 디바이스 공인인증시험
- 스마트 센서 디바이스 KCC 인증 등 공인인증시험 진행

공동연구기관
1차년도
(’20.06~ ’20.12)
- DB 관리 및 수집 분석용 센터서버 설계 및 구현
- DB 관리 및 수집 분석’에 대한 사례 조사 및 분석
- DB 관리 및 수집 분석용 센터시스템 기본 설계
- DB 관리 및 수집 분석용 센터 서버 구현
- 스마트 센서 센터 서버 구현
- 센터 프로그램 S/W 구현
- DB수집분석에따른 고장예지 및 건전성모니터링(PHM)방법 기술구현
- 데이터베이스 관리 방법 및 수집 분석 알고리즘 설계 및 S/W구현
- 스마트 센서 센터시스템 구성에 적합한 플랫폼 선정
- 데이터 수집 및 분석 방법 설계
- 신뢰성예측 산출 활용을 통한 안전기반 신뢰성예측 평가
- 테스트베드 현장 설치 계획수립
- 테스트베드 시제품 설치 현장 확인
- 테스트베드 실증을 통한 고장예지 및 건전성모니터링(PHM) 기술구현
- 시제품 설치를 위한 계획 및 관계기관 협의
2차년도
(’21.01~ ’21.12)
- DB 관리 및 수집 분석’에 대한 사례 조사 및 분석 ; ‘관제 모니터링 시스템’ 사례 조사 및 분석
- 관제 모니터링 시스템 구성 및 기능 자료 조사
- 관제 모니터링 시스템 기본 설계
- 관제 모니터링 S/W 프로그램 구현
- DB수집분석에 따른 고장예지 및 건전성모니터링(PHM)방법 기술구현
- 데이터베이스 관리 방법 및 수집 분석 알고리즘 설계 및 S/W구현 관제 모니터링 구현
- 스마트 센서 관제 모니터링 시스템 구성에 적합한 플랫폼 선정
- 관제 모니터링 시스템 UI 등 사용자 사용 방법 설계
- 신뢰성예측 산출 활용을 통한 안전기반 신뢰성예측 평가
- 테스트베드 현장 설치 계획수립 ; 테스트베드 현장 시험 지원
- 테스트베드 시제품 설치 현장 기술지원
- 테스트베드 실증을 통한 고장예지 및 건전성모니터링(PHM) 기술구현
- 시제품 현장 테스트를 위한 계획 및 방안 기술지원
3차년도
(’22.01~ ’22.12)
- DB 관리 및 수집 분석’에 대한 사례 조사 및 분석 ; ‘관제 모니터링 시스템’ 사례 조사 및 분석
- ‘교량 구조물 열화도 평가’에 대한 사례 조사, 분석, 및 실증에 기술지원
- 교량 구조물 열화도 평가 구성 자료 조사, 및 실증에 기술지원
- DB수집분석에따른 고장예지 및 건전성모니터링(PHM)방법 기술구현
- 데이터베이스 관리 방법 및 수집 분석 알고리즘 설계 및 S/W구현 ; 관제 모니터링 구현
- 교량 구조물 열화도 평가 알고리즘 구현
- 교량 구조물 열화도 평가 알고리즘 설계
- 교량 구조물 열화도 평가 알고리즘 S/W 구현
- 신뢰성예측 산출 활용을 통한 안전기반 신뢰성예측 평가
- 테스트베드 현장 설치 계획수립 ; 테스트베드 현장 실증
- 테스트베드에 설치된 시제품 현장 실증 및 평가 진행
- 테스트베드 실증을 통한 고장예지 및 건전성모니터링(PHM) 기술구현
- 최종 완성된 시제품에 대한 성과 홍보 진행을 통한 사업화 확대 지원
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 스마트 센서를 이용한 저전력 IoT 푸팅 진단 디바이스 개발
DB관리 및 분석 센터시스템 개발 및 현장설치 계획 수립
- 주관연구기관(모루시스템(주)):
> 전해질 센서 푸팅 진단 자료 수집 및 분석
. 전해질 센서를 이용한 측정 진단 자료 수집 및 분석
. 기존의 교량 푸팅 진단 자료 수집 및 분석
> 스마트 센서 디바이스 기본 설계
. 전해질 센서를 이용한 저전력 푸팅 진단 IoT 디바이스 기본 설계
; 기존 저전력 기술력을 바탕으로 장기간 동작 가능한 배터리 동작형 디바이스 설계
; 고성능의 측정 디바이스를 위한 전해질 센서 설계
; 스마트 센서 디바이스 시작품 통신비용 절감을 위한 데이터 최소화 프로토콜 설계
. 측정법 설계
; 측정방법에는 여러 가지 방식 중 4-Wire Resistance Measurement로 설계를 진행함
> 일반적으로 사용하는 2-Wire Ohms Measurement 방식은 내부에서 저항으로 전류를 흘려주고 양단전압을 측정하는 방식으로 저항측정오차가 발생하는 2가지 원인이 존재
= 하나는 리드선이 갖는 저항값, 또 다른 하나는 접촉 저항값 으로 인한 오차가 발생함
= 높은 저항을 측정할 경우에는 매누 낮은 저항이므로 무시할 수 있지만, 수십 옴 이하의 낮은 저항값을 측정할 때에는 오차가 발생함
> 낮은 저항값을 측정할 때 사용하는 방식인 4Wire 방식을 사용함
> 저항에 정전류를 흘려줌으로써, 리드선, 저항 등에는 모두 같은 전류가 흐름에 따라 저항양단의 전압을 측정
> 전압측정은 임피던스가 매우 높기 때문에 리드선 저항이나 접촉저항에 의한 오차가 발생하지 않음

그림 2Wire, 4Wire 저항 측정법 [출처 : 네이버 블로그 (내 머릿속의 데이터베이스)]


. 측정 회로 설계
; 2옴 이하 측정 시 사용하는 정밀 회로 설계방법을 적용하여 고정밀 측정을 하기 위한 방안 설계

그림 LOW-OHM METER 회로설계 [출처 : Electronics-DIY.com]


> 스마트 센서 디바이스 시작품 제작
. 저전력 동작 가능한 IoT 스마트 센서 디바이스 회로 설계
. 스마트 센서 디바이스 Artwork
. 스마트 센서 디바이스 시작품 반조립 진행
. 스마트 센서 디바이스 시작품 펌웨어 구현
> 디바이스 기구물 제작
. IP-68 방염/방수 디바이스 기구물 제작
. 기구물 방염/방수 테스트 진행



- 공동연구기관(아주대학교):
> ‘DB 관리 및 수집 분석’에 대한 사례 조사 및 분석
. 데이터베이스 관리 방법 및 추출 분석에 대한 자료 조사
. DB수집분석에따른 고장예지 및 건전성모니터링(PHM)방법 기술구현
> DB 관리 및 수집 분석용 센터시스템 기본 설계
. 스마트 센서 센터시스템 구성에 적합한 플랫폼 선정
. 신뢰성예측 산출 활용을 통한 안전기반 신뢰성예측 평가
. 데이터 수집 및 분석 방법 설계
> DB 관리 및 수집 분석용 센터 서버 구현
. 스마트 센서 센터 서버 구현
. 센터 프로그램 S/W 구현
> 테스트베드 현장 설치 계획수립
. 테스트베드 시제품 설치 현장 확인
. 테스트베드 실증을 통한 고장예지 및 건전성모니터링(PHM) 기술구현
. 시제품 설치를 위한 계획 및 관계기관 협의
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면
- IoT 발전에 따른 기술을 통신 인프라 측면에서 활용한 것으로 자동 계측분야로 활용 가능
- 센서 데이터 정보의 이력관리를 통해 교량의 상태를 판단하여 유지ㆍ보수를 용이하게 하는 근거자료로 활용
- 검측 데이터 수치화하여 안정적으로 운영 가능
- 개발되는 스마트 센서 시스템을 통해 효율적인 유지ㆍ보수 시스템 운영이 가능함
- 기존 인력을 통해 직접 배를 타고 교량 하부에서 검측하던 수단을 저전력 설계를 통해 장시간 배터리 동작이 가능한 디바이스를 제작
- IoT(LTE-M 등) 수단을 통해 측정 데이터를 송신을 통한 유지ㆍ보수 방안 확보

ㅇ 센서 데이터 정보의 이력관리를 통해 교량의 상태를 판단하여 유지ㆍ보수를 용이하게 하는 근거자료로 활용가능
ㅇ 스마트 센서 시스템을 통해 효율적인 유지ㆍ보수 시스템 운영이 가능함
ㅇ 기존 인력을 통해 직접 배를 타고 교량 하부에서 검측하던 수단을 저전력 설계를 통해 장시간 배터리 동작이 가능한 디바이스를 제작
ㅇ 새로운 유지보수 기법을 통해 인적사고 및 유지보수비용 절감을 통한 효율적 운영 가능
ㅇ 검측요원이 직접 측정하던 교량에서 테스트베드를 구축하여 실증함으로써 향후 기존 교량 유지보수시스템 변경이 필요할 경우 좋은 예가 될 수 있으며, 불필요한 사회ㆍ경제적 손실 최소화 할 수 있는 효과가 있음
ㅇ 스마트 센서 시스템사업 개척을 통한 전문인력 양성 및 일자리 창출 기여
ㅇ 교량 유지ㆍ보수 시스템의 체계화를 통해 안전성을 향상시켜 교량이 무너져 국가적으로 이미지 실추됨을 방지
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 교량의 유지관리 효율적 운영 가능
- 새로운 유지보수 기법을 통해 인적사고 및 유지보수비용 절감
- 검측요원이 직접 측정하던 교량에서 테스트베드를 구축하여 실증함으로써 향후 기존 교량 유지보수시스템 변경이 필요할 경우 좋은 예가 될 수 있으며, 불필요한 사회ㆍ경제적 손실 최소화 할 수 있는 효과가 있음

○ 사회적 측면
- 검측요원 뿐만 아니라 교량을 지나다니는 선박들의 안전성 향상
- 스마트 센서 시스템사업 개척을 통한 전문인력 양성 및 일자리 창출 기여
- 국가차원의 효율성 높은 교량 유지보수 관리 도구로 활용 가능함
- 본 연구를 통해 미래의 교량 유지ㆍ보수 환경 변화를 대비할 수 있는 토대가 마련된다는 점에서 사회적으로 긍정적인 효과가 기대됨
- 교량 유지ㆍ보수 시스템의 체계화를 통해 안전성을 향상시켜 교량이 무너져 국가적으로 이미지 실추됨을 방지
활용방안 ○ 경쟁 기업 현황
- 조사원이 직접 현장출동을 통한 교각 시설의 조사를 진행하는 상황
- 출동할 때마다 비용이 발생하고, 위험요소가 있기 때문에 잦은 출동이 어려움
- 기상 조건에 따라 조사가 불가 할 수 있음
- 드론을 활용한 분석기술
> 정확한 수치데이터 측정 불가
> 기상조건 악화시 분석 불가
> 드론을 이용하더라도 인력이 투입되어야 하며, 현장 부근으로 출동이 필요함
○ 시장 진입 장벽
○ 주요 고객군
- 조달청을 통한 관공서, 자체 영업을 통한 기업 판매
○ 사업화 모형(BM)을 통한 수익 창출 방안
- 기존 조사인력 투입 사업대비 효과
> 현장 출동으로 인한 위험요소 감소
> 상시 측정 가능 디바이스 설치로 인한 누적 데이터 관리 및 분석 가능
> 유지ㆍ보수 비용의 효율적 운영


가. 사업화 모형 수립(BM) 배경
○ 교량 수중구조물 점검시 안전 위험 방지 및 성능에 대한 상시 모니터링 필요
- 선박조사시 파도 등 돌발상황 및 기상악화시 조사가 불가한 상황 발생 등 위험 상황을 방지하기 위한 대안 필요성 부각
○ 조사주기가 길어 수중 강관파일 방식장치(아노드) 성능 확인에 애로가 있음
○ 조사원이 현장 출동을 통해 교각 시설의 푸팅설비에 대한 부식정도를 파악하기 위해 점검계측장비를 이용하여 측정하고, 이를 분석하기 위해 인위적인 작업이 진행됨으로써 과다한 비용이 발생함
○ 저전력 IoT 스마트 센서를 개발하여 시스템화함으로써 현장출동에 의한 위험요소를 최소화하고, 정기 데이터 수집ㆍ분석을 통한 유지보수 비용을 절감하고자 함

나. 사업화 모형의 목표 및 핵심 경쟁 요인
○ 사업화 모형의 최종 목표 : 저전력 IoT 디바이스를 통한 교량 진단 시스템 개발
○ 핵심 경쟁 요인
- 저전력 설계를 통한 배터리 동작형태의 디바이스로 한번 설치 후 장기간 현장출동 없이 운영 가능
- 현장에 직접 출동 없이 측정이 가능하므로, 안전사고문제 해결
- 전천후 동작이 가능한 디바이스 제작으로 상시 동작 가능
- 주기적인 데이터 축적으로 교량 열화 상황 모니터링 및 평가 가능
- 간단한 시공으로 유지ㆍ보수의 용이성 확보
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 스마트센서 교량 사물인터넷 푸팅 모니터링
영문 Smart Sensor Bridge IoT Footing Monitoring
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