KR100660158B1 - 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법 - Google Patents

주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에 관한 것으로, 가속도센서의 감지신호에서 특정 주파수 대역에서의 신호대 잡음비에 의거하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 타공사 판단의 정확성을 제고시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명의 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법은 (a) 가스배관에 접촉하여 설치된 가속도센서로부터 감지신호가 입력된 경우에 소정의 주파수 성분만을 통과시키는 로우패스 필터링을 수행하는 단계; (b) 단계(a)에서 필터링된 감지신호의 신호 대 잡음비가 미리 정해진 제 1 기준치 이상인지를 판단하는 단계; (c) 단계 (b)에서의 판단 결과 필터링된 감지신호의 신호 대 잡음비가 제 1 기준치에 미달하는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 필터링된 감지신호를 FFT 처리하여 미리 정해진 주파수 대역별로 그 S/N비를 계산하는 단계; (d) 단계 (c)에서 계산된 S/N비 중에서 미리 정해진 주파수 대역의 S/N비가 미리 정해진 제 2 기준치 이상인지를 판단하는 단계; 및 (e) 단계 (d)에서 주파수 대역의 S/N비가 제 2 기준에 미달하는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 충격이 발생했다고 간주하여 경보를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
타공사, 가스, 배관, 파이프, 주파수, FFT, S/N비, 경보

Description

주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법{Third-party damage monitoring method by analyzing signal frequency}
도 1 은 종래 기술에 따른 타공사 감시 시스템의 개략적인 블록 구성도.
도 2 는 도 1 에 도시된 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법이 구현되는 시스템의 전반적인 블록 구성도.
도 4 는 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에서 개별 클라이언트에서의 충격 확인 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 5 는 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에서 서버에서의 타공사 판단 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 6 은 임의의 두 클라이언트 사이에서 가스배관에 충격이 가해진 경우의 거리 및 시간에 대한 정의를 설명하기 위한 도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10. 가스배관 20, 30. 가속도센서
40. 증폭기/대역여파기 50. 신호처리기
60. 모뎀 70. 데이터분석처리기
80. 모니터 90. 알람
100. 가스배관 110. 토양
120a, 120b. 신호처리 유닛 121a, 121b. 증폭기&필터
122a, 122b. ADC&CPU 123a, 123b. GPS 모듈
124a, 124b. 알람&부저 125a, 125b. 전원
126a, 126b. 안테나 130a, 130b. 컴퓨터
140a, 140b. 히터 150a, 150b. UPS
160a, 160b. 가속도센서
본 발명은 가스배관에 대한 타공사 감시 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도센서의 감지신호에서 특정 주파수 대역에서의 신호대 잡음비에 의거하여 타공사 발생 여부를 판단하는 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에 관한 것이다.
일반적으로 1950년대 이후 편리하고 경제적인 에너지원 수송방법으로 배관을 이용한 수송방법이 크게 각광받고 있으며, 현재 많은 에너지원이 원거리 수송이 용이한 배관을 통해 이루어지고 있다. 이러한 배관 중 천연가스 수송에 사용되는 매설배관은 그 매설범위가 광범위하고 인구 밀집지역에도 설치되는 특징으로 인해 파손으로 인한 가스누출이나 폭발과 같은 대형사고를 유발할 수 있다.
한편, 최근 자료의 분석에 따르면 천연가스 매설배관 손상은 배관 내부 압력변화나 부식을 원인으로 하는 것보다 배관 주변의 토목공사 중 굴착장비 등에 의한 직접적인 타격(이하, "타공사(Third-Party Damage)"라 한다)이 더 큰 위험요소로 작용하고 있는 것으로 분석되고 있는데, 타공사는 배관 파손의 주요 원인일 뿐만 아니라 특히 사고가 발생한 경우에 유발될 수 있는 경제적, 인적 피해규모가 막대하다는 점에서 그 방지대책의 마련이 필수적이라고 할 수 있다.
따라서, 이를 방지하기 위한 대책의 일환으로 본 출원인은 가스배관에 가해지는 충격을 유/무선데이터 통신망을 이용하여 실시간으로 모니터링하여 이를 감시 자가 인식할 수 있도록 표시하거나 위험신호를 발생함으로써 사고발생을 미연에 방지할 수 있는 가스배관 감시 시스템을 특허출원하여 특허번호 제402685호로 등록(발명의 명칭: 타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링 시스템 및 가스배관의 충격위치 산출방법)한 바 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 타공사 감시 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이 가스배관(10)에 충격이 가해질 경우 충격파는 배관의 가스를 타고 양방향으로 전파하게 되는데, 이를 감안하여 종래 타공사 감시 시스템은 가스배관(10)의 양쪽 가장자리에 배관의 충격을 감지할 수 있도록 된 가속도센서A, B(20, 30)를 설치한 상태에서 가속도센서A, B(20, 30)에 의해 감지된 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭기 및 대역여파기(40)를 거친 아날로그 신호를 대응되는 크기의 디지털 신호로 변환, 즉 A/D 변환하여 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 실시간으로 무선 송/수신하는 무선 모뎀(60), 무선 모뎀(60)을 통해 전달받은 데이터를 실시간으로 분석하여 타공사의 발생 여부를 분석하는 데이터 분석처리기(70) 및 데이터 분석처리기(70)에서 처리된 분석결과를 디스플레이하는 모니터(80)와 타공사의 발생시 이를 경보하는 알람(90)을 포함하여 구성된다.
전술한 바와 같은 구성에서 데이터 분석처리기(70)는 양쪽 구간의 충격신호 데이터를 비교하여 타공사의 발생되었다고 판단되는 경우에는 알람(90)을 통해 관리자에게 경보함과 아울러 양쪽 구간의 충격신호 데이터가 도착한 시간차에 의거하여 충격위치를 연산한 후에 모니터(80) 등을 통해 관리자에 알려주게 된다.
도 2 는 도 1 에 도시한 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이 가스배관(10)의 일측 끝단에 고정적으로 설치된 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서A(20)가 배관에 가해지는 충격을 감지하면 감지신호는 먼저, 증폭기(40)에서 10V/g로 증폭된 후에 다시 대역여파기(band pass filter, 40)를 통해 1Hz∼1kHz대역의 신호만이 추출되게 된다. 다음으로, 신호처리기(50)에서는 이렇게 필터링된 신호를 미리 정해진 기준신호와 비교하여 필터링된 신호가 기준신호보다 큰 경우에는 트리거신호를 출력하는데, 이때 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형을 무선 모뎀(60)을 통하여 데이터 분석처리기(70)에 보낸다.
마찬가지의 방법으로, 가스배관(10)의 반대쪽 끝단에 고정적으로 설치된 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서B(30)가 가스배관(10)에 가해지는 충격을 감지하면 감지신호는 먼저, 증폭기(40)에서 10V/g로 증폭된 후에 다시 대역여파기(40)를 통해 1Hz∼1kHz대역의 신호만이 추출되게 된다. 다음으로, 신호처리기(50)에서는 이렇게 필터링된 신호를 미리 정해진 기준신호와 비교하여 필터링된 신호가 기준신호보다 큰 경우에는 트리거신호를 출력하는데, 이때 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형을 이더넷(ethernet)을 통해 데이터 분석처리기(70)로 보내게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형이 이더넷(ethernet)을 통해 데이터 분석처리기(70)로 들어오면 데이터 분석처리기(70)에서는 이들 데이터를 비교 분석하여 타공사의 발생 여부를 최종적으로 판단하 고, 타공사가 발생된 것으로 최종적으로 판단된 경우에는 이를 관리자에게 경보함과 아울러 미리 정해진 알고리즘에 의해 타공사의 발생위치를 산출하여 모니터에 디스플레이하게 된다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 타공사 감시 시스템에 따르면 단순히 가속도 센서에서 감지된 감지신호의 크기를 미리 정해진 기준치와 비교한 결과에 따라 타공사의 발생 여부를 판단하기 때문에 외부에서 발생된 노이즈 자체 또는 이에 의한 간섭 등으로 인해 판단 결과에 대한 신뢰성이 현저하게 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 가속도센서의 감지신호에서 특정 주파수 대역에서의 신호 대 잡음비에 의거하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 타공사 판단의 정확성을 제고시킬 수 있도록 한 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법은 (a) 가스배관에 접촉하여 설치된 가속도센서로부터 감지신호가 입력된 경우에 소정의 주파수 성분만을 통과시키는 로우패스 필터링을 수행하는 단계; (b) 단계(a)에서 필터링된 감지신호의 S/N비(신호 대 잡음비)가 미리 정해진 제 1 기준치 이상인지를 판단하는 단계; (c) 단계 (b)에서의 판단 결과 필터링된 감지신호의 신호 대 잡음비가 제 1 기준치에 미달하 는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 필터링된 감지신호를 FFT 처리하여 미리 정해진 주파수 대역별로 그 S/N비를 계산하는 단계; (d) 단계 (c)에서 계산된 S/N비 중에서 미리 정해진 주파수 대역의 S/N비가 미리 정해진 제 2 기준치 이상인지를 판단하는 단계; 및 (e) 단계 (d)에서 주파수 대역의 S/N비가 제 2 기준치에 미달하는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 충격이 발생했다고 간주하여 경보를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법의 바람직한 실시 예에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 의 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법이 구현되는 시스템의 전반적인 블록 구성도이다.
도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방법이 구현되는 타공사 감시 시스템의 전반적인 구성은 가스배관(100)의 소정 간격마다 설치되는 다수의 클라이언트와 각각의 클라이언트들로부터의 신호에 의거하여 타공사의 발생 여부를 최종적으로 판정함과 아울러 타공사의 발생 위치를 산출하는 서버를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 구성에서 각각의 클라이언트는 다시 가스배관(100)에 대한 타격 발생시 이를 감지하여 출력하는 신호처리 유닛(120a, 120b), 신호처리 유닛(120a, 120b)에서 출력된 신호를 처리하여 ADSL 모뎀 등과 같은 유선 인터넷 장비나 무선랜과 같은 무선 인터넷 장비를 통해 서버로 전송하는 컴퓨터(130a, 130b), 상용교류전원의 정전시에도 클라이언트 장비가 안정적으로 동작할 수 있도록 하기 위한 전원 백업장치인 UPS(150a, 150b) 및 클라이언트 장비의 안정적인 동작을 위해 클라이언트 장비에 소정 범위, 예를 들어 15∼25℃의 온도 분위기를 제공하는 히터(140a, 140b)를 포함하여 이루어진다.
다음으로, 각각의 신호처리 유닛(120a, 120b)은 다시 소정의 간격마다 가스배관(100)에 접촉하여 설치되는 가속도센서(160a, 160b), 가속도센서(160a, 160b)로부터 제공된 신호에서 원하는 주파수 대역 성분만을 통과시키는 필터와 이러한 필터를 통과한 신호를 증폭하는 증폭기로 이루어진 증폭기&필터(121a, 121b), 증폭기에서 증폭된 아날로그 형태의 신호를 대응되는 크기의 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와 이렇게 변환된 디지털 신호를 처리하여 인식하는 CPU로 이루어진 ADC&CPU(122a, 122b), 각 클라이언트들 사이의 시간을 국제 표준시간으로 동기시키기 위해 GPS 위성으로부터의 위성 신호를 포착하는 GPS 안테나(126a, 126b)와 이러한 GPS 안테나(126a, 126b)를 통해 포착된 위성 신호를 처리하여 현재의 시각을 정확하게 산출하는 GPS 모듈(123a, 123b), 가스배관(100)에 대한 타격이 감지된 경우에 이를 시/청각적으로 경보해 주는 알람&부저(124a, 124b) 및 신호처리 유닛(120a, 120b)에 안정적인 전원을 공급하는 전원부(125a, 125b)를 포함하여 이루어진다.
도 4 는 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에서 개별 클라이언트에서의 충격 확인 과정을 설명하기 위한 흐름도로, 별다른 설명이 없는 한 ADC&CPU(122a, 122b)의 CPU가 주체가 되어 수행함을 밝혀둔다.
도 4 에 도시된 바와 같이 단계(S10)에서는 먼저 가속도센서(160a, 160b)로 부터 감지신호가 입력되었는지를 판단하는데 입력되지 않은 경우에는 단계(S10)로 복귀하고, 입력된 경우에는 단계(S12)로 진행하여 입력된 감지신호에 대해 불필요한 주파수 성분, 예를 들어 2,000㎐ 이하의 주파수 성분을 제거하는 로우패스 필터링을 수행한다. 다음으로, 단계(S14)에서는 이렇게 필터링된 감지신호(이하, "필터링 신호"라 한다)에 대해 그 신호 대 잡음비(S/N비)가 미리 정해진 소정의 기준치(R1) 이상인지를 판단한다.
단계(S14)에서의 판단 결과 필터링 신호의 S/N비가 기준치(R1)에 미달하는 경우에는 의미가 없는 것으로 판단하여 단계(S10)로 복귀하고, 이상인 경우에는 단계(S16)로 진행하여 필터링 신호를 FFT 처리하여 미리 정해진 주파수 대역별로 그 S/N비를 계산하게 된다. 여기에서, 실제 실험 결과 발울림은 대략 100㎐ 대역 이하에서 신호가 커지고 있고, 실제 타격이 전달되어 온 신호는 300∼700㎐까지 넓은 영역에서 신호가 나타나며, 특이한 것은 넓은 영역의 신호 이후 꼬리와 같이 고주파에서 저주파로 떨어지는 신호음이 보이고 있다.
한편, 신호가 주기이거나 주기가 아니더라도 한정된 에너지를 가진 신호일 경우에 그 신호는 여러 주파수의 신호의 합(또는 적분)으로 표현이 된다. 따라서, 신호를 처리한다는 것은 여러 주파수 신호의 크기(또는 계수)를 조절하는 것이다. 그러므로, 신호처리를 효과적으로 하기 위해서는 시간영역에서의 신호로부터 그 신호를 구성하는 여러 주파수 신호에 대한 크기(또는 계수)들을 구할 식을 만들어내야 한다. 이 과정을 시간영역에서의 신호를 주파수영역에서의 신호로 변환하는 과정이라고 하는데, 이를 일반적으로 푸리에 변환(Fourier Transformer)이라 한다.
그런데, 디지털 신호의 경우 항상 유한한 구간의 신호만을 다룰 수밖에 없으므로 DST(Discrete Fourier Transform)로 모든 신호에 대하여 적용한다. 그리고, DFT의 연산속도를 빠르게 하기 위하여 고안된 것이 바로 FFT(Fast Fourier Transformer)로서 DFT의 연산과정을 규칙적으로 나누어 계산 속도를 높인 것인데, 현재 이를 처리하기 위한 다양한 소프트웨어가 알려져 있다.
다시 도 4 로 돌아가서, 단계(S18)에서는 단계(S16)에서 각 대역별로 계산된 S/N비 중에서 소정 주파수 대역 신호, 예를 들어 300∼700㎐ 성분에 대한 S/N비가 미리 정해진 소정의 기준치(R2) 이상인지를 판단한다. 단계(S18)에서의 판단 결과 소정 주파수 대역 신호의 S/N비가 기준치(R2)에 미달하는 경우에는 실제 충격에 의한 것이 아니라고 판단하여 단계(S10)로 복귀하고, 이상인 경우에는 단계(S20)로 진행하여 충격으로 간주한다. 단계(S22)에서는 충격이 발생하였음을 서버에 전송하게 된다.
도 5 는 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에서 서버에서의 타공사 판단 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5 에 도시된 바와 같이 단계(S50) 및 단계(S60)에서는 도 4 에 도시된 과정을 거친 임의의 두 클라이언트, 즉 클라이언트1과 클라이언트2로부터 데이터를 입력받고, 다시 단계(S52) 및 단계(S62)에서는 이렇게 입력된 데이터가 충격감지신호인지를 판단한다. 단계(S52) 및 단계(S62)에서의 판단 결과 클라이언트1과 클라이언트2로부터 입력된 데이터가 충격감지신호가 아닌 경우에 프로그램은 단계(S50) 및 단계(S60)로 복귀하고, 충격감지신호인 경우에는 단계(S70)로 진행하여 두 클라 이언트가 데이터를 전송한 시간의 차(
Figure 112005076393197-pat00001
)를 계산한다.
도 6 은 임의의 두 클라이언트 사이에서 가스배관에 충격이 가해진 경우의 거리 및 시간에 대한 정의를 설명하기 위한 도이다.
도 6 에 도시된 바와 같이 클라이언트1과 클라이언트2 사이의 거리가
Figure 112005076393197-pat00002
이고, 두 지점 사이 배관내에서 음파의 전달속도가
Figure 112005076393197-pat00003
라고 하면, 클라이언트1과 클라이언트2의 두 지점 사이를 음파가 전달되는 시간은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112005076393197-pat00004
따라서, 만약 두 지점 사이에서 충격이 발생하였다면 충격이 두 지점의 센서에 전달된 시간차는
Figure 112005076393197-pat00005
보다 작아야 한다. 서버에서는 단계(S70)에서 이러한 원리를 이용하여 만약 두 지점에서 측정한 충격 시간차가
Figure 112005076393197-pat00006
보다 작으면 충격으로 판정하고 단계(S90)로 진행하여 경보를 발생시킨다.
한편, 실제 배관의 길이와 시간 사이에는 아래의 수학식 2와 같은 관계가 있다.
Figure 112005076393197-pat00007
그리고,
Figure 112005076393197-pat00008
,
Figure 112005076393197-pat00009
와
Figure 112005076393197-pat00010
,
Figure 112005076393197-pat00011
사이에는 아래의 수학식 3과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112005076393197-pat00012
Figure 112005076393197-pat00013
,
한편,
Figure 112005076393197-pat00014
와
Figure 112005076393197-pat00015
,
Figure 112005076393197-pat00016
,
Figure 112005076393197-pat00017
사이에는 아래의 수학식 4 및 수학식 5와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112005076393197-pat00018
Figure 112005076393197-pat00019
(클라이언트1이 더 늦게 충격파를 측정한 경우)
그리고, 위의 수학식 2 내지 수학식 4를 정리하면 아래의 수학식 6 및 7과 같다.
Figure 112005076393197-pat00020
Figure 112005076393197-pat00021
결과적으로, 서버에서는 단계(S80)에서 위의 수학식 6과 수학식 7에 의거하여 충격지점이 클라이언트1과 클라이언트2로부터 떨어진 거리를 구할 수가 있는데, 위의 수학식 2 내지 수학식 7에서 사용되는 부호를 정의하면 아래와 같다.
Figure 112005076393197-pat00022
: 충격지점에서 클라이언트1 지점까지의 거리
Figure 112005076393197-pat00023
: 충격지점에서 클라이언트2 지점까지의 거리
Figure 112005076393197-pat00024
: 클라이언트1에서부터 클라이언트2까지 충격파 전달 시간
Figure 112005076393197-pat00025
: 클라이언트1에서부터 클라이언트2까지의 거리
Figure 112005076393197-pat00026
: 배관에서의 음파 속도
Figure 112005076393197-pat00027
: 충격지점에서부터 클라이언트1까지의 거리
Figure 112005076393197-pat00028
: 충격지점에서부터 클라이언트1까지의 거리
Figure 112005076393197-pat00029
: 클라이언트1과 클라이언트2 지점에서 충격파가 측정된 시간차
한편, 도 5 의 단계(S70)에서 시간차가
Figure 112005076393197-pat00030
보다 큰 경우에는 단계(S100)로 진행하여 에러 처리를 행한 후에 프로그램을 종료한다.
본 발명의 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예를 들어, 전술한 실시 예에서는 300∼700㎐의 주파수 대역에 대한 S/N비를 비교하는 것으로 설명을 진행하였으나, 이러한 주파수 대역은 실험에 의해 적절하게 보정될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법에 따르면 가속도센서의 감지신호에서 특정 주파수 대역에서의 신호 대 잡음비에 의거하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 타공사 판단의 정확성을 제고시킬 수가 있다.

Claims (1)

  1. (a) 가스배관에 접촉하여 설치된 가속도센서로부터 감지신호가 입력된 경우에 소정의 주파수 성분만을 통과시키는 로우패스 필터링을 수행하는 단계;
    (b) 상기 단계(a)에서 필터링된 감지신호의 S/N비(신호 대 잡음비)가 미리 정해진 제 1 기준치 이상인지를 판단하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b)에서의 판단 결과, 상기 필터링된 감지신호의 신호 대 잡음비가 상기 제 1 기준치에 미달하는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 상기 필터링된 감지신호를 FFT 처리하여 미리 정해진 주파수 대역별로 그 S/N비를 계산하는 단계;
    (d) 상기 단계 (c)에서 계산된 S/N비 중에서 미리 정해진 주파수 대역의 S/N비가 미리 정해진 제 2 기준치 이상인지를 판단하는 단계; 및
    (e) 상기 단계 (d)에서 상기 주파수 대역의 S/N비가 상기 제2 기준에 미달하는 경우에는 이를 무시하고, 이상인 경우에는 충격이 발생했다고 간주하여 경보를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 주파수 분석에 의한 타공사 감시 방법.
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