KR101079846B1 - 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템에 관한 것으로, 특히 도시가스 시설에 센서 네트워크를 구축하여 도시가스 시설의 상황을 실시간 감시함으로써, 안전성을 향상하고 유지 관리를 효율화하여 가스 사고를 미연에 방지하고 가스 사고 발생시 신속하게 대처할 수 있도록 한 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템은 도시 가스 시설을 감시하는 센서 네트워크로부터 수신되는 각종 상황 정보를 미리 정해진 공통 메시지 규격으로 변환하여 미들웨어 서버로 전송하는 데이터 변환기; 상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 데이터베이스에 축적하는 데이터 통합 모듈과, 상기 데이터베이스에 축적된 상황 정보를 분석하여 도시 가스 시설의 상황을 예측하는 데이터 마이닝(data mining) 모듈과, 상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 검사하여 도시 가스 시설의 이상 여부를 판단하는 모니터링 모듈과, 상기 모니터링 모듈이 도시 가스 시설에 이상이 있다고 판단하면, 도시 가스 시설에 이상이 있음을 관리자 단말기에 알리는 이벤트 관리 모듈을 포함하여 이루어진 상기 미들웨어 서버; 및 상기 데이터 변환기가 상기 미들웨어 서버로 전송한 상황 정보를 저장하는 데이터베이스;를 포함하여 이루어진다.
도시가스, 안전, 데이터 마이닝, 모니터링, 센서 네트워크

Description

유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템{management system of Gas safety on Ubiquitous bases}
본 발명은 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템에 관한 것으로, 특히 도시가스 시설에 센서 네트워크를 구축하여 도시가스 시설의 상황을 실시간 감시함으로써, 안전성을 향상하고 유지 관리를 효율화하여 가스 사고를 미연에 방지하고 가스 사고 발생시 신속하게 대처할 수 있도록 한 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템에 관한 것이다.
유비쿼터스 기술이 소개되면서, 다양한 매체를 통해 RFID(Radio frequency identification)와 USN(ubiquitous sensor network)이 소개되고 있다. RFID는 자동인식 시스템에서 발전한 형태이다. 자동인식 시스템은 사물에 식별정보를 부착하여 리더기에 의해 판독하는 방식으로, 바코드 시스템에서부터 RFID 시스템에 이르기까지 많은 데이터 용량과 인식거리 증가의 초점으로 발전해왔다. 바코드 시스템은 20여년 동안 성공적으로 사용된 이진 코드이지만 접촉에 의해서만 인식이 되는 한계성을 극복하지 못하고 있으며, 광학인식문자(OCR)는 사람과 사물이 모두 식별 가능하여 높은 판독 가능성을 가지고 있지만, 비용과 복잡한 리더기 문제로 인해 공용 적 사용이 불가능하다. 최근 들어, 보조적 컴퓨터 용량을 가진 스마트 카드가 보급되어 다양한 분야에서 적용되고 있지만 표면(wear), 부식(corrosion), 먼지(dirt)에 취약한 측면을 보이고 있다. RFID 시스템은 스마트 카드에서 발전한 것으로, 방향성과 마모성이 개선되어 인식속도와 거리가 향상되었으며 RFID 시스템 간의 네트워크 연결 및 소프트웨어 플랫폼이 채택되어 중/장거리 통신을 위한 토대를 제공하였다.
모든 사물에 컴퓨터 기능과 네트워크 기능을 부여하여 환경과 상황의 자동인지를 통해 인간에게 최적의 기능을 제공을 목적으로 하는 USN은 정보자원계층, BCN 백본 계층, 미들웨어계층, 응용 서비스 계층으로 분류될 수 있으며, 정보자원계층은 대상 시설에서 상황 인자를 측정하는 센서 노드와, 센서 노드로부터 정보를 수집하여 서버로 전달하는 베이스 스테이션(싱크 노드)로 구성될 수 있다. 정보자원계층에서 사용되는 기기는 하드웨어에서 저전력 소모기술, 융통성(flexible) 있는 I/O, 소형화, 소프트웨어에서 자원 효율성, 재사용성, ad-hoc 네트워크 지원, 병목현상 지양 등의 핵심요구사항이 존재한다. 또한, 기기간의 네트워크 형성을 위해서는 다음과 같은 설계 기준이 필요하다.
-기능성(functionality): 정확한 기능의 보장과 다른 이벤트에 의한 side-effect 최소화
-확장성(scalability): 센서 노드 증가/감소에 상관없이 기능과 성능유지
-결함허용성(falut tolerance): 일부 센서 노드가 결함이나 오류에 의해 동작을 중지하더라도 자가 구성(self-configuration)에 의해 목적 베이스 스테이션에 정보 전달 가능
-비용(cost): 요구된 기능을 만족하면서 최소 비용이 소요되는 네트워크 구성
산업 시설에 적용된 국/내외 사례는 다음 표 1과 같다.
사례명 설명
주유소 센서 네트워크 주유소 판매시점 정보관리 시스템에 Zigbee 기술을 이용한 주유센서네트워크 솔루션 발표하여 고가의 유선 네트워크 설계 장비 없이 근거리 무선 통신을 이용한 네트워크 구성을 가능하게 하였음
디지털 홈 네트워크 SK 텔레콤은 가정마다 게이트웨이를 설치하고 창문, 조명기구, 가스밸브 등에 초소형 센서노드를 장착하여 집안에서는 Zigbee 칩이 내장된 리모콘을 사용하고 외부에서는 CDMA 망을 통해 센서노드와 통신하는 홈 네트워크 시스템을 구성
농산물 재배환경 모니터링 정보통신부 시범사업으로 동부정보기술, 유씨티코리아, 동부한농화학이 참여하여 원예시설에 설치한 USN 센서와 RFID를 통해 작물 생장에 필요한 데이터 수집, 현장제어, 현장 온습도 확인 및 자료분석을 수행
제주 연안 해양환경 정보 수집 시스템 제주 연안에 설치한 USN 센서를 통해 용존산소량, 해수온도 등의 데이터 수집 및 분석을 목적으로 제주지식산업진흥원 등 5개 기업이 참여한 시범사업을 수행
자유로운 이동성 보조 프로젝트 일본의 국토교통성은 광전지 네트워크를 이용하여 이동체에 대한 위치 측정을 수행하여 사용자들로 하여금 언제 어디서나 간단한 무선센서를 장착함으로써 필요한 정보 획득 가능
산업 원격 감시 시스템 미국 에너지부는 강철, 알루미늄 및 6개의 다른 산업에서 에너지 비용을 최대 15% 감소시키기 위해 Zigbee 센서를 이용해서 에너지 손실을 추적하고 생산과정에서 가스의 사용을 감시하는 프로젝트를 추진
산업용 공장 모니터링 MERL(MITSIBISHI electric research lab)이 산업 공장 모니터링을 위하여 서비스 프로파일을 개발하고 Zigbee 기술기반의 모니터링 시스템 프로토타입을 제작
가스센서 네트워크 메릴랜드 대학교에서 진행되는 프로젝트로서 화학적 센서 네트워크를 이용하여 공공장소에서 발생 가능한 사고나 테러를 방지하는 것이 목적
GASNET 프로젝트 미국 NETL(national energy technology laboratory)에서 가스배관 네트워크 센서 시스템 시현 및 개발을 통해 국가 천연가스 분배시설 구조의 기능 최적화를 수행
한편, 도시가스 시설(설비)은 크게, 배관, 정압기, 밸브, T/B(테스트박스), 계량기 및 기타로 분류할 수 있으며, 이 시설에 대한 상황 인자는 크게, 지진, 지반 침하 등 환경적 인자와 전기방식, 압력, 가스누출 등 관리적 인자로 구분할 수 있다. 현재, 이와 같은 도시가스 시설에는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템 등과 같이 주요 공급 설비의 동작 상태 및 배관망의 공급 압력을 계측하는 원격 감시 시스템이 도입되어 데이터 분석 및 보관, 감시 기능이 수행되고 있다.
그러나, 대규모 굴착 공사 현장, 특수구간에 설치된 시설 등 위해 환경에 노출된 도시가스 시설에 대한 원격 감시 및 제어/통제 기능을 가진 시스템은 부족한 실정이며, 무선 중심의 유비쿼터스 기술을 적용하여 서비스를 제공하는 시스템은 거의 없는 실정이다.
현재, 수송 배관 관련 설비는 차량 또는 도보로 이동하며 배관(또는 시설)의 이상 유무를 육안으로 점검/감시하고 있고, 가스 누출은 FID(Frame Ionization Detector), OMD(Optical Methane Detector) 등과 같은 장비를 활용하여 감시하고 있는 실정이다. 또한, 굴착 공사 현장에는 도시가스 공급 배관에 위해 요인을 주지않도록 육안 점검과 가스누출탐지기 및 CCTV가 설치 운영되고 있다. 즉, 이러한 종래 기술들은 센서 네트워크 인프라가 갖춰져 있지 않아 가스 사고 발생시 신속한 대응이 어려울 뿐만 아니라, 사고 발생 이후의 상황에 대해 통보 및 보고를 하는 시스템일 뿐, 사고 발생 전의 정량적 감지 기능이 미흡하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 도시가스 시설에 센서 네트워크 인프라를 구축하여 도시가스 시설의 상황을 실시간 감시함으로써, 가스 사고를 미연에 방지하고 가스 사고 발생시 신속하게 대처할 수 있도록 한 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템은 도시 가스 시설을 감시하는 센서 네트워크로부터 수신되는 각종 상황 정보를 미리 정해진 공통 메시지 규격으로 변환하여 미들웨어 서버로 전송하는 데이터 변환기; 상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 데이터베이스에 축적하는 데이터 통합 모듈과, 상기 데이터베이스에 축적된 상황 정보를 분석하여 도시 가스 시설의 상황을 예측하는 데이터 마이닝(data mining) 모듈과, 상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 검사하여 도시 가스 시설의 이상 여부를 판단하는 모니터링 모듈과, 상기 모니터링 모듈이 도시 가스 시설에 이상이 있다고 판단하면, 도시 가스 시설에 이상이 있음을 관리자 단말기에 알리는 이벤트 관리 모듈을 포함하여 이루어진 상기 미들웨어 서버; 및 상기 데이터 변환기가 상기 미들웨어 서버로 전송한 상황 정보를 저장하는 데이터베이스를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 도시가스 안전 관리 시스템은 근거리 통신(예, 지그비, 블 루투스 등) 방식의 센서 네트워크를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 근거리 통신 방식의 센서 네트워크는 도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하여 싱크 노드로 무선 전송하는 센서 노드; 센서 노드로부터 무선 수신한 신호의 주파수 대역을 변환하고, 상기 변환된 주파수 대역의 신호를 싱크 노드로 무선 전송하는 주파수 변환기; 주파수 변환기로부터 무선 수신한 신호를 싱크 노드로 무선 전송하는 중계기; 및 센서 노드로부터 상황 정보를 수집하여 데이터 변환기로 전송하는 싱크 노드를 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 상기 노드들(센서 노드, 주파수 변환기, 중계기 및 싱크 노드)은 지그비나 블루투스를 이용하여 상호 통신한다.
여기서, 센서 노드는 지하에 매설되어 있는 가스 밸브실이나 배관에 설치되어 가스 압력, 가스 누설량, 수위, 방식 전류, 방식 전위 등을 측정할 수 있는 것인바, 주파수 변환기는 이 센서 노드와 지상에 있는 싱크 노드 간에 통신이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다. 부연하자면, 주파수 변환기는 일정 거리 이내에서는 무리 없이 지중/지상 간 통신 가능한 주파수 대역(예, 424.7MHz)으로 센서 노드와 통신하고, 싱크 노드와는 예컨대, 2.4GHz 대역으로 통신한다.
또한, 본 발명의 도시가스 안전 관리 시스템은 중/장거리 통신(예, CDMA, 와이브로 등) 방식의 센서 네트워크를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 중/장거리 통신 방식의 센서 네트워크는 도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하여 데이터 변환기 또는 싱크노드로 무선 전송하는 센서 노드와, 센서 노드로부터 수신한 상황 정보를 데이터 변환기로 전송하는 싱크 노드를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 센서 노드는 노출 배관, 가스 밸브실 또는 매설 배관에 설치되어 진동, 응력, 가스 압력, 가스누설량, 수위, 방식 전류, 방식 전위 등을 측정할 수 있다.
한편, 도시가스의 압력을 강압 또는 승압하는 장치인 정압기는 도로 주변 곳곳에 설치되어 있고, 일반적으로 원격 서버와의 통신을 위해 전용 통신 시설을 갖추고 있다. 따라서, 정압기와 감시 대상인 도시가스 시설 간의 거리가 예컨대, 1km 이내이면, 해당 센서 네트워크는 근거리 통신 방식이 적용될 수 있다. 그러기 위해서, 싱크 노드는 정압기에 설치되고, 정압기의 통신 시설을 이용하여 데이터 변환기와 통신하는 것이 바람직하다.
이상으로, 본 발명은 도시가스 시설에 센서 네트워크를 구축하여 도시가스 시설의 상황을 실시간 감시함으로써, 안전성을 향상하고 유지 관리를 효율화하여 가스 사고를 미연에 방지하고 가스 사고 발생시 신속하게 대처할 수 있는 효과를 제공한다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명은 우선적으로 관리 시급한 매설배관, 노출배관, 특정 압력감시구간 및 가스밸브실 등을 대상으로 하지만, 다음 표 2는 중요한 도시가스 시설의 환경특성과 감시 가능한 상황 인자를 보여준다.
대상 분류 용도별 정의 환경 특성 상황인자
배관 매설 배관 도시가스수송매체 배관재질
지하 토양 상태
설치 지반상태		 부식상태, 응력(지반침하), 지진
특수구간배관 노출 배관 교량 등에 노출된 시설에 설치된 배관 배관 재질
설치 시설 상태
차량 등 통행 상태		 온도, 응력, 진동, 지진
하월 배관 하천, 철도 등을 횡단하기 위해 대상 아래에 설치된 배관 배관 재질
보호재 상태
설치 시설 상태
전원 유입 상태		 부식상태, 응력, 지진, 전원유입(AC/DC)
타공사 노출배관 매설배관이 타 시설물 공사로 인해 장기간 노출되어 설치된 배관 배관재질
보호재 상태
공사 현장 상황		 충격/진동(타공사장비), 응력, 온도(화재), 지진
정압기 지구정압기 고압을 중압으로 감압하여 공급 도시가스 공급상황
정압기 종류
시설 설치 상태
시설설치 지반 상태
주변시설물 현황		 압력, 유량, 가스누출, 응력, 지진
지역정압기 저압으로 감압
밸브(실) 긴급 또는 공급 상 이유로 가스차단을 목적으로 설치된 시설 밸브 종류
시설설치 상태
시설설치 지반상태
주변시설물현황
차량 등 통행상태		 압력, 가스누출, 응력, 지진, 수위, 방식전류
테스트박스 금속 배관의 전기방식 상태를 측정하기 위해 설치된 시설
배관, 양극선으로 구성		 배관 재질
지하 토양 상태
시설 설치 상태		 부식상태
계량기 도시가스 사용량을 측정하는 설비 설비 설치 상태 압력, 유량, 가스누출, 온도
기타 정류기 전기방식(외부전원) 직류
전원 공급 시설		 전원 공급 상태 부식상태, 전원유입(AC/DC)
RTU 정압기 시설 감시/제어 유니트 통신 상태 통신상태, 전원유입(AC/DC)
CNG 충전소 압축 천연가스 차량용 충전소 시설 설치 상태
설비 운영 상황		 진동, 응력
다음 표 3은 대상 시설에 따른 상황 인자 범위와 특성을 보여 준다. 특히, 부식 상태는 방식전위, 분극전위, 토양비저항, 타시설 간섭(교차배관, 압입관) 등이 영향을 줄 수 있으나 측정 회수, 지검 및 정량화 등의 이유로 배관의 부식 정도를 감시하는 유용한 판단 요소는 방식전위로 사료된다.
측정인자 센서 입력신호 출력신호 데이터 타입 측정
단위		 범위
압력 디지털압력계 V.A V.A static Mpa
(kg/cm2)		 최소 저압 공급 압력 규정
중압등은 범위 규정만 있음
응력 스트레인게이지 V V static Pa
(kg/cm2)		 안전범위: 배관재료강도의 30% 이내
경보범위: 배관재료강도의 30~70%
경고범위: 배관재료강도의 70% 이상
부식 포화황산동기준전극 V V static V NACE(National Association of Corrosion Engineer) standard RP-0169: -85V cse 이하
가스누출 가스센서 V V static ppm 10ppm 이상 감지 및 경고 1/5 over LEL
진동 진동센서 V V dynamic cm/s 안전범위: 0.2cm/s 이내
경고범위: 0.2~0.4cm/s
상황 정보를 전송하기 위해서는 매우 다양한 방법이 존재한다. 도시가스시설에 적용될 수 있는 통신방식은 근거리와 중/장거리 방식으로 분류될 수 있다.
근거리 통신은 RF 통신을 비롯하여, IEEE 802.15 기반의 블루투스(802.15.1), UWB(802.15.3), Zigbee(802.15.4) 방식이 존재한다. RF 통신은 소요전력이 10mW이며 현재 알려진 최대 도달거리는 500m에서 1Km이다. Zigbee는 868MHz, 902-928MHz, 2.4GHz에서 동작하는 근거리 통신으로, 최고 250Kbps의 속도로 데이터 전송을 하고 최대 255개의 주변장치를 다룰 수 있다. Zigbee의 최대 장점은 자가 구성(self-configuration)이 가능한 매쉬 네트워크의 구성이 가능하다는 점이다. 블루투스는 PANs(personal area networks)의 산업표준이다. 블루투스는 다양한 기기들이 안전하고 저렴한 비용으로 라디오 주파수를 이용해 서로 통신할 수 있게 한다. 대응 각도가 넓고 전송 시 장애물이 있어도 문제없이 전송 가능하다. UWB는 1950년대 미국 국방부가 군사적 목적으로 개발되어 오랫동안 상업적 이용이 금지되어온 방식이다. 기존 무선랜에 비해 속도와 전력 소모 등에서 현저히 우월하기 때문에 기기 간의 대용량 멀티미디어 전송에 매우 유용하다. WLAN (wireless local area network)은 현재 컴퓨터와 주변 장치 간 통신 네트워크로 주로 사용되며, 중계장치(access point)를 경유하여 통신이 이루어진다.
중/장거리 방식은 Wibro, WiMax, CDMA(code division multiple access)방식이 있으며 이외에도 6LoPan 등과 같은 방법이 존재한다. CDMA는 현재 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 디지털 이동통신 기술이다. CDMA는 전국적으로 통신이 된다는 이점이 존재하나, 소비 전원이 크고 비용이 고가인 단점이 존재한다. Wimax는 기존 무선랜 기술보다 더욱 넓은 접속지역과 더 빠른 데이터 전송속도를 지원하는 장거리 무선통신으로, 기지국 반경 약 70킬로미터의 넓은 지역에 100Mbps 속도의 광대역 인터넷 접속 서비스가 제공 가능하다. Wibro는 휴대인터넷을 지칭하는 단어로서, 음성서비스를 고려하지 않고 고속데이터 전송에 가장 효율적인 구조를 탑재한 데이터 전송 표준기술을 의미한다. 그러나 Wibro는 도심지역을 위주로 interactive 서비스에 초점을 두었기 때문에 현재 산업 시설에 적용하기는 어렵다는 단점도 존재한다.
이상으로, 검토된 통신방식들을 도시가스 시설에 적용하기 위한 현장 특징을 고려해보면, 다음 표 4와 같다.
대상 특징 적용 방식
배관 부식감시를 위한 매설배관 중압/저압 매설배관
상시전원 공급 어려움
지상에서 통신방식만 고려		 근거리
중/장거리
특수구간(노출배관) 평균 배관 길이: 50m 미만
개방 환경
상시 전원 공급 어려움
타공사 노출배관 반폐쇄 환경(도심지 도로 지하)
상시전원 공급 가능
가스 밸브실 폐쇄 환경
상시 전원 공급 어려움
콘크리트/철제 뚜껑 등으로 전파 송출 어려움		 근거리
중/장거리
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유비커터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템은 센서 네트워크(100), 데이터 변환기(200), 지능형 도시가스 관리 미들웨어 서버(300) 및 지능형 도시가스 관리 응용 서비스 서버(400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 센서 네트워크(100)는 특정 압력 구간에서 압력을 측정하는 압력 감시 센서 네트워크(110), 노출 배관의 응력/진동을 감시하는 진동/응력 감시 센서 네트워크(120), 가스밸브실의 가스 누출 등을 감시하는 가스밸브실 감시 센서 네트워크(130) 및 매설 배관의 부식 상태를 감시하는 방식전위 감시 센서 네트워크(140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
압력 감시 센서 네트워크(110)의 적용 대상은 다양한 압력구간 중, 우선적으로 가스밸브실이 선정되었다. 이는 압력감시구간 중에서 가장 통신적용이 어려운 지점으로 고려되기 때문이다. 또한, 가스밸브실에서 반경 1KM에 정압기(일반적으로, 전용통신시설을 갖추고 있음)가 존재하는 환경을 압력 감시를 위한 대상으로 선정하였다. 그 결과, 이러한 환경에는 근거리 통신이 적절한 것으로 사료되었다. 특히, 가스밸브실은 콘크리트와 철제뚜껑으로 감싸졌기 때문에, 가스밸브실 내의 기기와 개활지(외부 평지)의 기기 간의 통신과 개활지에서 기기 간의 통신이 가능한 근거리 네트워크 구성이 심도 있게 고려되어야 한다. 이를 위해, 본 출원인은 Star 혹은 Mesh 네트워크 구성이 가능한 Zigbee와 블루투스 방식에 대해 야외실험장에서 성능/기능 실험을 수행하였다. 구체적으로, 안테나를 설치하지 않고 개활지에서 기기 간의 최대 통신 거리를 측정하였고, 다음으로 밸브실 내(심도 30cm) 발신부를 설치하여 개활지 수신부 간의 통신 가능 여부와 최대 통신거리를 측정하였다. 테스트에 사용한 Zigbee 모듈은 Radio Pluse사의 LM2400(Lime)으로, 이 기기에서 제공하는 기본 기능을 이용하여 실험을 수행한 결과, 최대 출력 강도세기는 +8dbm이며, 최소입력강도세기는 -98dbm임을 알 수 있었다. 이때, 별도의 안테나는 사용하지 않았다. 블루투스 모듈은 SENA사의 ESD 110으로, 이 모듈 역시 기본 기능으로 실험을 수행한 결과, 최대 출력 강도세기는 +18dbm이며, 최소 입력 강도세기는 -88dbm이고 또한, 별도의 안테나는 사용하지 않았다. 도 3은 압력 감시를 위한 시험 현장을 보인 사진인바, 이와 같은 현장에서 실험이 다수에 걸쳐 진행되었다.

 통신방식 ZigBee Bluetooth
규격 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1
사양 제조사 Radio Pulse SENA
제품명 MG2450 Lime ESD 110
최대출력
신호강도 세기		 +8dbm +18dbm
최소 입력 강도
세기		 -98dbm -88dbm
기타 Default 안테나 사용
Test
결과		 개활지 통신거리 약 200m 이상 98m
밸브실
~
개활지		 밸브박스
OPEN		 약 150m 이상 40m
밸브박스
CLOSE		 7m 5m
위 표 5는 각 통신방식의 모듈의 기본 기능을 이용했을 때 밸브실 내의 송신부와 개활지의 수신부 간의 통신 거리와 개활지와 개활지 간의 통신 거리를 보여준다. 데이터 전달 정확성은 두 방식 모두 동일하고, 전송속도는 현 압력감시 환경에서는 크게 의미를 두지 않는다. 통신 거리와 다수의 노드가 존재하였을 시 노드 간에 자가 구성이 가능한 네트워크가 구성되는지에 중점을 두었다. 그 결과, 본 압력감시 환경에서는 Zigbee 통신기술이 블루투스 환경보다 더 적합함을 확인하였다. 그 이유로는 최대 출력 신호강도세기가 블루투스가 Zigbee에 비해 약 10배 높음에도 불구하고 더 짧은 전송거리를 보였다. 한편, 최소입력강도세기 측면으로 비교할 때도 그 절대값이 Zigbee가 크기 때문에 블루투스보다 미약한 신호 강도에도 통신이 될 수 있음을 보이고 있다. 네트워크 구성에서도 Zigbee가 multi-hop(mesh) 방식 등 노드 간에 자가 구성이 가능한 네트워크 구성이 구축되기 때문에 밸브실내에서 개활지까지 통신이 수행되고, 다수의 노드를 이용 가능해야 하는 압력감시환경에서는 Zigbee 통신이 적합함으로 사료된다.
방식전위 감시 센서 네트워크(140)는 매설배관에서 데이터로거를 부식관련 정보를 수집한 후, 지상에 있는 안테나를 통해 근거리 통신방식으로 중계 지점 예컨대, 정압기까지 데이터를 전송하며 중계지점의 수집기(싱크노드)의 CDMA 통신 방식을 이용하여 중/장거리로 데이터를 서버에 전송하는 방식이 될 수 있다. 도 4는 방식전위 측정 환경을 도시한 것인바, 도 4에 도시한 바와 같이 정류기는 전류를 Anode를 통해 생성하여 매설배관에 방식전류가 흐르도록 하면, 테스트박스(TB BOX)의 데이터 로거는 기준전극과 매설배관 사이의 전위를 측정한다. 본 출원인은 블루투스 클래스 1과 2, RF 및 다이폴 안테나와 패치 안테나를 이용하여, 개활지에서 근거리 통신방식 별 최대 전송거리와 통신 성공률을 측정하였다.
구체적으로, 블루투스 클래스 1은 2.4GHz의 주파수를 가지며, 출력은 63.095mW(18dbM)이다. 이 시험을 위해 사용된 제품은 ESD 100으로, 스펙상 권장거리는 약 300m이다. 패치 안테나를 이용하였을 경우, 안테나의 방향에 따라서 감도의 변화가 발생하므로 약간의 지향성이 있음을 확인하였고, 직선거리상에 장애물이 없는 경우 약 1.12Km까지 통신이 양호하였다. 건물이 장애물로 있을 경우 통신상태는 불가였으며, 나무나 언덕과 같은 장애물이 있는 경우는 장애물이 없는 경우의 약 50% 정도의 통신성공률을 보였다. 다이폴 안테나를 이용해서 동일한 시험을 수행한 결과, 패치 안테나의 80% 통신 성공률을 보였다.
블루투스 클래스 2는 블루투스 클래스 1보다 작은 출력을 가지는 통신방법으로, 사용 주파수는 동일하지만 출력은 2.51mW로 약 4dbM이다. 시험에 사용한 모듈은 ESD 200 제품으로, 약 100m의 통신 권장 거리를 가지고 있다. 블루투스 클래스 1과 동일한 방법으로 시험을 수행하였고, 직선거리에서는 100~200m 정도까지 통신이 양호하였지만 500m 이상 거리가 떨어지면 통신 자체가 이루어지지 않았다. 장애물이 있는 경우에는 장애물이 없는 경우의 약 50% 정도 통신 성공률을 보였고, 다이폴 안테나를 이용하였을 때 패치형 안테나의 80%의 통신 성공률을 보였다.
RF 시험은 Linkwiser 400이란 제품을 이용하여 시험을 수행하였다. 출력은 10mW이며 주파수는 427MHz이다. 장애물이 없는 직선거리에서 통신성공 거리는 100m 이내이며 300m이상 떨어지면 통신이 되지 않았다. RF 모듈 사이에 건물과 같은 장애물이 있을 시 블루투스 경우에는 통신이 불가하였으나, RF 모듈은 2.4GHz 통신대비 50%의 통신 성공 향상을 보였다. 블루투스와 RF 시험에 사용된 장비의 사양은 다음 표 6과 같고, 실험 결과 요약은 다음 표 7과 같다.
통신방법 사용제품 출력
(mW)		 (dBM) 주파수
(GHz)		 권장 거리
(m)		 통신속도
(KHz)		 사용전원
(V)
Bluetooth
class1		 ESD100 63.095 18 2.4 300 115.200 3.6
Bluetooth
class2		 ESD200 2.51 4 2.4 100 115.200 3.6
일반 RF Linkwiser 400 10 0.427 1.024 5
통신방법 패치 타입 다이폴
타입
통신성공거리
(Km)		 통신실패거리
(Km)		 장애물
(건물)		 장애물
(나무, 언덕)
Bluetooth
class1		 1.12 2 통신불가
(완전차단시)		 장애물 없을 경우의 50% 패치타입의 80% 통신성공율
Bluetooth
class2		 0.1~0.2 0.5 통신불가
(완전차단시)		 장애물 없을 경우우 50% 패치타입의 80% 통신성공율
일반 RF 0.1이내 0.3 Bluetooth 대비
50% 향상		 - -
가스밸브실 감시 센서 네트워크(130)는 가스 밸브실 내의 가스 누출량, 수위 및 전류를 측정하여 서버에 상황 정보를 전송한다. 밸브실 인근에는 정압기가 도시가스사와 환경에 따라 존재할 수도 있고 없을 수도 있다. 본 출원인은 정압기가 1KM 반경에 없는 환경에서 중/장거리 방식을 이용하여 서버 시스템으로 데이터를 전송하는 구성을 설계하였다. 이러한 환경에 부합하는 서울도시가스 권역의 13개소 가스밸브실 선정하여 현 시점에서 중/장거리 통신방식으로 사용가능한 CDMA와 와이브로를 이용하여 시험을 수행하였다. 또한, 가스밸브실은 철제 덮개로 입구가 봉쇄되어 있고 도시가스사와 현장에 따라 단독 덮개 및 이중 덮개를 사용하기 때문에, 이를 고려하여 철제 덮개 계폐, 단독 덮개 밀폐 및 2중 덮개 밀페 등으로 분류하여 통신성공률을 분석하였다.
우선적으로, 밸브실 내에서 외부로 중/장거리 통신 가능한지를 분석하기 위해 밸브실 내부에 CDMA 방식의 송신기를 장착하고, 스펙트럼 분석기를 이용하여 전류 강도치를 조사하였다. 도 5는 전류강도치 실험 결과를 보인 그래프이다. 도 5에 도시한 바와 같이, CDMA 최소전력 강도인 -130dbM을 기준으로 볼 때, 완전개폐에서 -55, 그리고 철개 속 덮개를 밀폐 했을 때 -67정도 마지막으로, 2중 덮개를 밀폐 했을 때가 -77 정도를 나타내고 있다. 이는 이론적으로, CDMA 무선통신이 지하에 매설된 밸브실에서 가능하다는 결론을 보여주고 있으며, 밸브실의 깊이가 2m 정도인 점을 고려할 때 통신 가능성에 대한 부분은 문제가 되지 않음을 알 수 있다.
가스밸브실 감시 환경에서 본격적인 중/장거리 통신 실험을 위하여 실제 상용망을 이용하여 실험을 수행하였으며, 장소는 서울도시가스 권역 내에서 통신 난 지역 및 최 외곽지역 13개소를 선정하였다. 시험에 사용된 장비는 가스밸브실 감시 환경시험을 위해 개발된 송/수신 프로그램, CDMA 모뎀, Wibro 단말기 등을 사용하였다. 시험 절차는 두 대의 무선 모뎀을 데이터 송수신 제어를 위해 두 대의 노트북에 연결하고 한 실험세트는 밸브실에, 다른 실험 세트는 차량에서 서로 데이터를 송/수신하여 통신성공률을 확인하였다. 와이브로 역시 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
13개소에서 중/장거리 통신시험을 수행한 결과, CDMA 방식은 대형 외곽 철개 덮개와 체결형 철제 속 덮개를 사용하고 있는 덕이동문 밸브실에서 바닥에 송신부를 설치했을 때를 제외하고는 모든 지역과 송신부 위치에서 통신상태가 양호함을 보였다. 덕이동문 밸브실은 다른 지역 밸브실에 비해 심도가 깊어 통신상태가 양호하지 않은 것으로 사료되나, 본 환경에서 상황인자(가스누출, 수위, 방식전류 측정)의 특성에 의거하여 설치되는 위치는 바닥이 아니라, 밸브실의 중간지점이나 상단이 될 것이므로 통신에 따른 문제점은 없다고 하겠다. 와이브로 방식은 서울 도심밀집지역에서 통신이 가능하였고 그 외 지역에서는 Wibro 상용망 확산이 되지 않아 통신이 불가하였다.
진동/응력 감시 센서 네트워크(120)는 주요한 도시가스 시설중 하나인 특수구간(교량 배관, 대규모 굴착 공사 노출 배관 등)에 적용하여 현장에서 사용자가 미처 인지하지 못한 자연현상(지반침하, 이동 등)이나 인위적 타격, 진동(차량진동 등)에 대한 모니터링을 수행하고, 각 데이터를 무선통신방법을 이용해 최종 데이터 수집장치(싱크노드) 또는 서버로 직접 전송하는 방식이 될 수 있다. 특수구간 중 교량배관은 그 특성상 항상 예측하지 못한 외부 하중에 노출되어 있으며, 매달려있는 교량의 상태에 따라 그 안전성이 결정되는 경우도 허다하다. 특히, 지하철 공사가 수행되는 지역의 경우에는 해당 공사구간 내에 설치되어있는 도시가스배관, 상수도배관 등은 장기간 노출되어 있다. 따라서, 지하철 공사는 지반침하, 공사 중의 손상, 충격유발 등 많은 위해 환경을 수반하고 있으며, 기존의 매설된 시설망에 손상을 입히거나, 환경오염, 전기, 가스, 상수의 공급중단 및 제2, 제3의 피해로 확산되는 사례를 다수 발생시키기도 한다. 따라서, 가스배관 및 시설물에 의한 사고 및 손실을 줄이고 방지하기 위해서는 대규모 굴착공사(도로, 철도 등의 사회기반시설 사업, 지하철 신설 및 연장공사 등) 구간에서의 도시가스 배관 및 공급시설에 대한 정확한 진단과 상태 감시가 필요하다. 노출배관에서 응력 및 진동을 습득하기 위해서는 응력센서와 진동센서가 필요하다. 여기서, 가스배관에 작용하는 응력을 측정하기 위해 적합한 센서는 스트레인 게이지다. 스트레인 게이지는 일반적으로 기계적 강도(응력)을 측정하기 위해 사용되는 범용 센서이다. 한편, 진동/응력 감시 센서 네트워크(120)는 그 대상이 되는 특수 구간이 보통, 정압기와는 1km 이상에 위치하므로, 중/장거리 방식이 적용될 것이다.
이상으로, 도시가스 시설은 위치적으로 전용통신시설(정압기)에 근접한 경우에는 근거리 기반 통신이 적용 가능하고, 그렇지 않은 경우에는 중/장거리 기반 통신이 적용될 수 있다. 여기서, 분류 기준 거리는 예컨대, 1km로 하였으나, 이는 비용 감소와 기술 개선에 따라 확장 가능하다.
근거리 기반 통신은 지상시설 및 구간에서 자가 구성(sefl-organization)이 가능하고 저전력이 소모되는 기기가 필요하다. 자가 구성의 목적은 특정 기기가 동작되지 않을 때 인접노드 재탐색을 통해서 데이터 전송 경로를 재설정하여 목적지에 전달하는 것이다. 전송경로의 자가 구성을 위해 토대가 되는 방식으로 IEEE 802.15.4의 mesh 네트워크 방식과 star 네트워크 방식이 존재한다. 기기는 하드웨어적 능력에 따라 FFD(full function device)와 RFD(Reduce Function device) 등으로 나뉠 수 있다. mesh 방식에서는 네트워크 참여하는 모든 기기가 하부 네트워크 조정 역할이 가능한 FFD로 구성되어 있어 상호 간에 중계 및 자체 조율이 가능하지만, star 방식은 모든 기기가 FFD로 되어 있지 않아 특정 기기가 데이터가 집중되고 네트워크 안의 다른 기기 간에는 중계되지 않는다. 네트워크에 포함되는 기기는 효율적으로 에너지를 사용할 수 있는 방법이 강구되어야 한다. 구동중이거나 이벤트가 발생되었을 때는 활성화(active) 상태인 wake-up 모드와 비활성화(deactive) 상태인 sleep 모드로 기기가 네트워크에 참여될 수도 있으며, 에너지 보존 및 생성 등의 방법으로 기기의 에너지가 효율적으로 관리될 수 있다. 도시가스 지하폐쇄 환경 시설에 근거리 통신을 적용할 경우에는 지하/지상 간 통신이 가능해야 한다. 특히, 도시가스 배관이 도로를 따라 구성되어 있으므로 도로 근접지역에 존재하는, 매설된 도시가스 시설에서 무선 전송된 데이터는 주변 지상 구조물(건물, 전봇대) 등의 상층 부분까지 도달될 수 있어야 한다. 보통, 도시가스 밸브박스는 도로를 따라 존재하기 때문에, 도시가스 밸브박스에서 직선 거리로 80m 이내에는 지상 구조물이 존재한다.
중/장거리 기반 통신은 현재 가장 대중적으로 사용되고 안전성 있는 방식 적용을 권장하며 지하폐쇄환경 및 지상에서 상황정보 전송이 모두 가능해야 한다. 또한, 정책에 따라 미들웨어 서버에 전송하거나 전용통신 시설의 수집기에 전송 가능해야 한다.
결과적으로, 대상 시설별 적용 가능한 전송방식은 다음과 같다.
- 특수 압력 구간(예, 가스밸브실) (압력)
ㆍ적용방식: 근거리 통신, 전용통신시설이 반경 1km 이내
ㆍ특 징: 저전력, 지상(자가 구성, 멀티홉 네트워크), 지하(반경 80m이상 전송확인)
- 가스밸브실 (가스누출, 수위, 전류)
ㆍ적용방식: 중/장거리 통신, 전용통신시설이 반경 1km 이상
ㆍ특 징: 저전력(sleep 모드, 수집모드, 통신 모드), 목적에 따라 기기 부착위치 조절
- 매설배관(방식전위)
ㆍ적용방식: 중/장거리 통신, 근거리 통신, 전용통신시설이 반경 1km 이상/이내
ㆍ특 징: 밸브 및 가스밸브실 특징과 동일
- 타공사 노출배관 (진동, 응력)
ㆍ적용방식: 중/장거리 통신, 전용통신시설이 반경 1km 이상
ㆍ특 징: 저전력 모드 필요 없음(전기사용)
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 통신 방식의 센서 네트워크의 구성도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 근거리 통신 방식의 센서 네트워크는 센서 노드(10), 주파수 변환기(20), 중계기(30) 및 싱크 노드(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 센서 노드(10)는 도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하고, 측정한 상황 정보를 예컨대, 424.7MHz 주파수 대역으로 전송한다. 본 출원인은 지하폐쇄환경 실험을 수행하여 본 결과, 2.4GHz 대역인 경우 밸브 박스의 철제 덮개가 덮힌 상태에서는 통신 거리가 짧았지만(표 5 참조), 800MHz 대역 이하에서는 80m 이상 통신 가능하다는 사실을 확인하였다.
주파수 변환기(20)는 센서 노드(10)로부터 수신한 신호의 주파수 대역을 고주파수 대역 예컨대, 2.4GHz 대역으로 변환하고, 변환된 주파수 대역의 신호를 싱크 노드(40)로 전송한다. 즉, 주파수 변환기(20)는 지하에 매설된 센서 노드(10)와 지상에 위치한 싱크 노드(40)를 연결해주는 역할을 한다.
중계기(30)는 주파수 변환기(20) 또는 다른 중계기로부터 전송받은 데이터를 싱크 노드(40)로 전송해주는 장치이다. 이 장치는 해당 네트워크에서 원활한 데이터 전송을 위해 거리 측정에 따른 신호 세기 시험에 의하여 필요한 위치에 설치된다.
싱크 노드(40)는 센서 노드(10)로부터 상황 정보를 수집하여 데이터 변환기(200)로 전송한다. 또한, 정압기에 설치되고, 정압기의 통신 시설을 이용하여 데이터 변환기(200)로 데이터를 전송한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중/장거리 통신 방식의 센서 네트워크의 구성도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 중/장거리 통신 방식의 센서 네트워크는 센서 노드(50) 및 싱크 노드(60)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 센서 노드(50)는 도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하고, 측정한 상황 정보를 싱크 노드(60)로 전송하거나 직접 데이터 변환기(200)로 전송한다.
싱크 노드(60)는 센서 노드(10)로부터 수신한 상황 정보를 데이터 변환기(200)로 전송한다. 또한, 정압기에 설치되고, 정압기의 통신 시설을 이용하여 데이터 변환기(200)로 데이터를 전송한다.
한편, 데이터 변환기(200)는 압력 감시 센서 네트워크(110), 진동/응력 감시 센서 네트워크(120), 가스밸브실 감시 센서 네트워크(130) 및 방식전위 감시 센서 네트워크(140)로부터 수신한 이종의 데이터 형식(data format)을 통합된 공통 메시지 규격(예컨대, XML)으로 변환하고, 공통 메시지 규격으로 변환된 상황 정보를 미들웨어 서버(300)로 전송한다. 또한, 플러그인/플러그 아웃 형태로 센서 네트워크별로 담당 변환기가 존재한다. 또한, 특정 세부 네트워크의 추가 및 삭제에도 전체 시스템에는 영향을 주지 않는다. 구체적으로, 데이터 변환기(200)는 다양한 센서 네트워크 인터페이스를 통하여 데이터를 수신하는 데이터 수신부와, 입력된 데이터의 무결성을 검증하는 데이터 분석부와, 분석(parsing)된 데이터를 통합 규격으로 변환하는 데이터 변환부와, 미들웨어 서버(300)로 데이터를 전송하는 데이터 전송부를 포함하여 이루어질 수 있다.
공통 메시지 규격 XML 예제는 다음과 같다.
<data rdate=“2009-10-03T12:12:34”>
<item name=“구간별” unit=“”>123</item>
<item name=“응력” unit=“”>12</item>
<item name=“가스밸브” unit=“”>23</item>
<item name=“진동” unit=“”>2</item>
</data>
<data rdate=“”>
<item name=“” unit=“”>34</item>
...
</data>
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 도시가스 관리를 위한 미들웨어 서버의 구성도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미들웨어 서버(300)는 네트워크 인터페이스 컨포넌트(network interface component; 310), 데이터 통합 모듈(Data intergration control manager; 320), USN 디렉토리 서비스(330), 이벤트 관리 모듈(341), 데이터 마이닝 모듈(342), 이력 관리 모듈(343), 모니터링 모듈(344), USN 디렉토리 서비스 매니저(350), 질의 수행기(360), 메타데이터 매니저(370) 및 어플리케이션 서비스 인터페이스(380)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 네트워크 인터페이스 컨포넌트(310)는 다양한 데이터 변환기로부터 데이터를 수신하여 데이터 통합 모듈(320)에게 데이터를 전송한다. 또한, 데이터 변환기로부터 수신한 데이터의 정합성 여부를 판단한다.
데이터 통합 모듈(320)은 네트워크 인터페이스 컨포넌트(310)로부터 수신한 데이터를 지능화 정보 계층(도 8 참조)으로 전달한다. 특히, 네트워크 인터페이스 컨포넌트(310)를 통해 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 데이터베이스(500)에 축적한다. 또한, USN 디렉토리 서비스(330)와 연계하고 미들웨어 동작을 전체적으로 총괄 관리한다.
지능화 정보 계층은 이벤트 관리 모듈(341), 데이터 마이닝 모듈(342), 이력 관리 모듈(343), 모니터링 모듈(344) 및 데이터베이스(500)로 구성된다. 여기서, 데이터 마이닝 모듈(342)은 데이터베이스(500)에 축적된 상황 정보를 분석하여 도시 가스 시설의 상황 등을 예측할 수 있는 의미 있는 데이터를 생성한다. 모니터링 모듈(344)은 네트워크 인터페이스 컨포넌트(310)를 통해 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 검사하여 도시 가스 시설의 이상 여부를 판단한다. 이벤트 관리 모듈(341)은 모니터링 모듈(344)이 도시 가스 시설에 이상이 있다고 판단되면, 도시 가스 시설에 이상이 있음을 관리자 단말기에 알린다. 여기서, 알림 방식은 문자 메시지 전송 방식이 될 수 있다. 데이터베이스(500)는 구체적으로, 데이터웨어하우스(data warehouse)이다.
USN 디렉토리 서비스 매니저(350)는 데이터 통합 모듈(320)과 연동하여 USN 디렉토리 서비스를 제공하고, 응용서비스 서버(400)와 연동한다.
질의 수행기(360)는 응용서비스 서버(400)로부터 수신된 질의 내용을 처리하고, 처리 결과를 응용 서비스 서버(400)에 전달한다.
메타데이터 매니저(370)는 미들웨어 서버(300)와 하부 네트워크에 관한 메타 데이터를 등록, 조회할 수 있도록 하고 동적으로 갱신 가능하게 한다. 메타데이터의 종류로는 하부 네트워크 이름, 상황정보 종류, 구동기 종류, 위치 정보 등 정적인 데이터와, 네트워크 자원 수, 전력량, 통신 상태, 자원 오류 유무 상태 등 동적인 데이터가 있다.
어플리케이션 서비스 인터페이스(380)는 응용 서비스 서버(400)와 지능화 정보 계층을 연결한다.
USN 디렉토리 서비스(330)는 USN 자원을 유일하게 식별할 수 있는 식별자의 생성/부여/관리를 수행하는 ID 매니저와, 메타데이타의 등록을 수행하는 등록 매니저와, 메타데이터의 삭제를 수행하는 삭제 매니저와, 메타데이터의 조회를 수행하는 검색 매니저와, 메타데이터의 수정을 수행하는 변경 매니저와, 메타데이터의 갱신을 수행하는 업데이트 매니저와, 데이터베이스와의 연동을 수행하는 연동 매니저와, 접근이 요청된 메타데이터의 위치를 탐색하기 위해 위치 탐색 서비스와의 연동을 수행하는 로케이션 매니저로 구성될 수 있다.
미들웨어 서버(300)는 응용 서비스 서버(400)와의 원활한 연동을 위하여 개방형 API를 제공한다. 여기서, 개방형 API의 구성은 다음과 같다.
- 다양한 질의 유형 API
ㆍ데이터 요청, 조건, 위치 추적 등의 질의 종류에 대응
ㆍ추상화를 통하여 응용서비스에서 쉽게 질의할 수 있도록 제공
- 메타 정보 관리 및 위치 인식 API
ㆍ네트워크의 메타정보 검색
ㆍ하부네트워크의 위치정보 및 네트워크 토폴로지 파악할 수 있는 API 제공
-이종 네트워크의 추상화 API
ㆍAdaptor 계층(데이터 변환기)과의 통신을 추상화하여 통합 인터페이스 API 제공
ㆍ유지보수 및 확장성 제공
- 상황인식 및 정보 관리 API
ㆍUSN 디렉토리 서비스와 마이닝 알고리즘을 통한 각종 상황에 대한 의미있는 데이터 생성
ㆍ생성된 데이타를 쉽게 검색/조회할 수 있는 API 제공
- 리소스 관리 및 품질지원 API
ㆍ미들웨어의 데이터 처리량, 에너지 소모와 같은 특징등을 고려하여 신뢰성 보장
ㆍ현재 처리 상황에 대한 상태 정보 추출 API 제공
한편, 미들웨어 서버(300)는 도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하는 센서 노드를 원격 제어하는 시설 제어 모듈(미도시)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 시설 제어 모듈의 기능은 센서 노드의 측정 주기 변경, 임계값 변경 등이 될 수 있다. 이에 따라, 데이터 변환기(200)는 상기한 시설 제어 모듈로부터 수신되는 데이터를 해당 센서 노드에 맞는 형식으로 변환하여 센서 노드로 전송한다.
응용서비스 서버(400)는 미들웨어 서버(300)에서 제공하는 개방형 API를 이용하여 정보를 수신하여 사용자 및 관리자가 요청하는 서비스를 제공하는 계층이다. 응용서비스 계층은 다양한 형태의 서비스로 개발 가능하며, 본 발명에서는 다음 표 8과 같이 크게 4가지의 기본 서비스를 제공한다.
구분 기능
가시화 시뮬레이터 대상 시설에 대한 시뮬레이션 수행
다양한 상황 변수 및 알고리즘 적용 지원 (확장성 제공)
데이터 스트리밍 데이터의 용량이 클 경우 분할하여 전송
데이터 Queuing을 통하여 부하없이 효과적으로 처리
요구 조건 설정 분석된 데이타에 대한 리포트
미들웨어 운용을 위한 사용자 요구사항 설정 기능 제공
모니터링 서비스 이질적인 네트워크 자원들에 대한 모니터링 수행
자원의 변경사항을 통지하고 변경사항에 대한 메타데이터를제공
가시화 시뮬레이터와 연동하여 사용자에게 GUI 형태로 제공
본 발명의 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유비쿼터스 기반 지능형 도시가스 안전 관리 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 3은 압력 감시를 위한 시험 현장을 보인 사진이다.
도 4는 방식전위 측정 환경을 도시한 것이다.
도 5는 전류강도치 실험 결과를 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 통신 방식의 센서 네트워크의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중/장거리 통신 방식의 센서 네트워크의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 도시가스 관리를 위한 미들웨어 서버의 구성도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 센서 네트워크 200: 데이터 변환기
300: 미들웨어 서버 400: 응용서비스 서버

Claims (10)

  1. 도시 가스 시설을 감시하는 센서 네트워크로부터 수신되는 각종 상황 정보를 미리 정해진 공통 메시지 규격으로 변환하여 미들웨어 서버로 전송하는 데이터 변환기;
    상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 데이터베이스에 축적하는 데이터 통합 모듈과, 상기 데이터베이스에 축적된 상황 정보를 분석하여 도시 가스 시설의 상황을 예측하는 데이터 마이닝(data mining) 모듈과, 상기 데이터 변환기로부터 수신한 상황 정보를 검사하여 도시 가스 시설의 이상 여부를 판단하는 모니터링 모듈과, 상기 모니터링 모듈이 도시 가스 시설에 이상이 있다고 판단하면, 도시 가스 시설에 이상이 있음을 관리자 단말기에 알리는 이벤트 관리 모듈을 포함하여 이루어진 상기 미들웨어 서버; 및
    상기 데이터 변환기가 상기 미들웨어 서버로 전송한 상황 정보를 저장하는 데이터베이스를 포함하되,
    상기 미들웨어 서버는,
    도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하는 상기 센서 노드를 원격 제어하여 상기 센서 노드의 측정 주기 변경, 임계값 변경하는 시설 제어 모듈을 더 포함하며,
    상기 데이터 변환기는 상기한 시설 제어 모듈로부터 수신되는 데이터를 해당 센서 노드에 맞는 형식으로 변환하여 센서 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하여 싱크 노드로 무선 전송하는 센서 노드; 및
    상기 센서 노드로부터 상황 정보를 수집하여 상기 데이터 변환기로 전송하는 상기 싱크 노드를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 싱크 노드는,
    도시가스의 압력을 강압 또는 승압하는 정압기에 설치되고, 상기 정압기의 통신 시설을 이용하여 상기 데이터 변환기로 데이터를 전송하는 것임을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 노드로부터 무선 수신한 신호의 주파수 대역을 변환하고, 상기 변환된 주파수 대역의 신호를 상기 싱크 노드로 무선 전송하는 주파수 변환기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 센서 노드는,
    가스 밸브실 및 매설 배관 중 어느 하나 이상에 설치되는 것임을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 센서 노드는,
    상기 가스 밸브실에 설치되는 경우에는 가스 밸브의 압력을 측정하거나 가스 누설량, 수위 및 방식 전류를 측정하고,
    상기 매설 배관에 설치되는 경우에는 방식 전위를 측정하는 것임을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 주파수 변환기로부터 무선 수신한 신호를 상기 싱크 노드로 무선 전송하는 중계기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    도시 가스 시설의 상황 정보를 측정하여 상기 데이터 변환기로 무선 전송하는 센서 노드를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 센서 노드는,
    노출 배관, 가스 밸브실 및 매설 배관 중 어느 하나 이상에 설치되는 것임을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 센서 노드는,
    노출 배관에 설치되는 경우에는 진동 및 응력을 측정하고,
    상기 가스 밸브실에 설치되는 경우에는 가스 밸브의 압력을 측정하거나 가스 누설량, 수위 및 방식 전류를 측정하고,
    상기 매설 배관에 설치되는 경우에는 방식 전위를 측정하는 것임을 특징으로 하는 도시가스 안전 관리 시스템.
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