KR101103697B1

KR101103697B1 - 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템

Info

Publication number: KR101103697B1
Application number: KR1020110099987A
Authority: KR
Inventors: 이준환
Original assignee: 주식회사 디케이이앤씨
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-01-11

Abstract

본 발명은 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템에 관한 것으로, 산사태 발생이 우려되는 지역에 설치되어 그 지역의 강우량(R_t)을 측정하는 제1센서부(10)와; 산사태 발생이 우려되는 지역에 복수 개 설치되어 그 지역의 토양 내의 함수율을 측정하는 제2센서부(20)와; 상기 제1,2센서부(10, 20)와 유선으로 연결되며, 상기 제1,2센서부(10, 20)를 통해 획득되는 강우량(R_t)과 토양 수분율을 이용하여 위험인자 A와 위험인자 B를 각각 구하고, 상기 위험인자 A, B를 통해 산사태 발생 가능성을 판단하는 중앙처리장치부(30)와; 상기 중앙처리장치부(30)의 판단 정보를 출력하는 디스플레이부(40)와; 상기 중앙처리장치부(30)에 의해 판단된 결과에 따라 무선통신으로 산사태 경보를 발령하도록 제어되는 무선통신부(50)와; 상기 강우량(R_t), 토양 수분율 및 상기 중앙처리장치부(30)의 판단 정보를 누적 저장하는 데이터저장부(60)와; 상기 중앙처리장치부(30)에 연결되어 정보를 입력할 수 있도록 하는 키입력부(70) 및 상기 구성들에 전원을 공급하는 충전제어부(80)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 토양 내의 함수율 등에 의해 산사태 발생가능성을 판단할 수 있어 집중호우 시에도 비교적 정확하게 산사태 발생 가능성을 예측할 수 있다.

Description

강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템{LANDSLIDE WARNING SYSTEM USING RAINFALL AND SOIL MOISTURE CONTENT}

본 발명은 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 장마철이나 집중호수 시 산비탈 등의 경사지에서 발생될 수 있는 산사태를 조기에 경보할 수 있도록 하는 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템에 관한 것이다.

최근 이상기후 현상으로 인해 태풍이나 집중호우 등의 발생빈도가 점점 높아지고 있고, 이러한 태풍에 동반되는 집중호우나 장마철의 계속되는 강우로 인해 토양 내에 다량의 수분이 유입됨으로써 평지에 비해 상대적으로 취약한 구조의 법면이나 비탈진 경사면에서 토양이 유실되는 사태(이하 '산사태'라 한다)의 발생이 증가하고 있으며, 따라서 이러한 산사태의 발생이 증가됨에 따라 물적 및 인적 피해 규모도 점점 커지고 있는 실정이다.

산사태의 발생 가능성을 사전에 예측할 수 있는 경우 피해를 줄일 수 있기 때문에 산사태의 발생을 조기에 알릴 수 있도록 하기 위한 산사태 경보 시스템에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

산사태 경보 시스템의 예로는 경사지 경보시스템을 들 수 있는데, 이는 경사지나 절개지 등의 상태를 실시간으로 모니터링하여 장마철이나 집중호우 시 발생될 수 있는 산사태를 예측하여 조기에 경보함으로써 산사태로 인한 인적 및 물적 피해를 미연에 방지하기 위한 것으로, 이러한 경사지 경보시스템은 산사태가 발생되기 전의 징후 또는 산사태가 발생되는 순간 등을 포착하여 이에 대한 정보를 인근 주민 또는 관리자에게 신속하게 전달함으로써 주민을 위험지역으로부터 안전하게 대피할 수 있도록 하고, 아울러 위험지역을 긴급히 보강할 수 있도록 한다.

이러한 산사태 조기경보 시스템에 대한 하나의 예로서 공개특허 제2008-2092호에서 제안하고 있는 무선센서 네트워크에 의한 산사태 감지 모니터링 시스템을 들 수 있다.

상기 문헌에서 제안하고 있는 산사태 조기경보 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 산사태 판단을 위한 센싱 결과값을 무선 송출하는 복수의 센서 노드에 의해 자동 생성되는 무선센서 네트워크와; 센싱 결과값을 근거로 측정 지역의 산사태 발생 가능성을 모니터링하고, 모니터링 결과 산사태 발생 가능성이 확인되면 산사태 발생 경보를 발생하는 산사태 감지 서버와; 무선센서 네트워크로부터 센싱 결과값을 수신하여 산사태 감지 서버로 전송하는 게이트웨이로 이루어진다.

이때 센서 노드에는 사면의 기울어짐을 측정하는 경사측정센서, 강우량을 측정하는 강우량 측정센서, 지하수의 간극수압과 수위를 측정하는 간극수압 측정센서 와, 이들 센서로부터 출력되는 신호를 디지털데이터로 변환하여 센싱 결과값을 생성한 후 그 센싱 결과값을 무선통신모듈을 통해 송출하는 센서인터페이스가 구비된다.

그러나 상기 문헌에서 제안하고 있는 경보시스템은 그 구성이 복잡하고 설치 및 그 운용이 쉽지 않을뿐더러 위험을 판단하는 부분이 원격지에 설치되어 있어 센서노드와의 통신두절에 의한 경보를 적시에 발령하지 못할 수 있고, 또한 간극수압 센서를 사용하여 지하수의 수위를 측정함으로써 산사태의 발생여부를 판단하기 때문에 단시간의 집중호우와 같은 경우에는 빗물이 지하에 채 스며들기 전에 산사태가 발생될 수 있기 때문에 이러한 경우에 발생될 수 있는 산사태의 위험을 조기에 검출하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 산사태 조기경보 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 산사태가 발생될 우려가 있는 지역을 미리 선정하고, 이 지역의 누적 강우량과 토양 함수량을 측정하여 그 결과에 따라 산사태 발생 가능성을 판단한 다음, 이를 알릴 수 있도록 함으로써 산사태 발생을 조기에 경보할 수 있도록 하는 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템을, 산사태 발생이 우려되는 지역에 설치되어 그 지역의 강우량을 측정하는 제1센서부와; 산사태 발생이 우려되는 지역에 복수 개 설치되어 그 지역의 토양 내의 함수율을 측정하는 제2센서부와; 상기 제1,2센서부와 유선으로 연결되며, 상기 제1,2센서부를 통해 획득되는 강우량과 토양 수분율을 이용하여 위험인자 A와 위험인자 B를 각각 구하고, 상기 위험인자 A, B를 통해 산사태 발생 가능성을 판단하는 중앙처리장치부와; 상기 중앙처리장치부의 판단 정보를 출력하는 디스플레이부와; 상기 중앙처리장치부에 의해 판단된 결과에 따라 무선통신으로 산사태 경보를 발령하도록 제어되는 무선통신부와; 상기 강우량, 상기 토양 수분율 및 상기 중앙처리장치부의 판단 정보를 누적 저장하는 데이터저장부와; 상기 중앙처리장치부에 연결되어 정보를 입력할 수 있도록 하는 키입력부 및 상기 구성들에 전원을 공급하는 충전제어부를 포함하여 구성하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 토양의 함수율은 상기 제2센서부의 각 센서에는 한 쌍의 봉이 설치되어 있고, 이중 일측 봉에서 방사되는 전자기파를 타측 봉에서 수신하여 전자기파의 전자기 유도값을 측정하고, 이를 이용해 토양의 함수율을 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 위험인자 A와 상기 위험인자 B를 곱한 결과를 미리 설정된 기준값과 비교함으로써 산사태 발생 가능성을 판단하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명은 상기 충전제어부는 태양전지와 축전지로부터 공급되는 전원을 사용하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제1,2센서부와 중앙처리장치부가 서로 유선으로 연결되어 있으므로 강풍과 집중호우 등 해당 지역의 기상악화로 인해 제1,2센서부와 중앙처리장치부 간의 통신이 단절될 우려가 없고, 아울러 제1,2센서부의 센서들과의 무선 통신장비를 설치하지 않아 그 구조가 간단하다.

또한 본 발명은 해당 지역의 토양 내의 함수율 등에 의해 산사태 발생가능성을 판단할 수 있어 집중호우 시에도 비교적 정확하게 산사태 발생 가능성을 예측할 수 있다.

도 1은 종래의 산사태 경보시스템의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템의 예를 보인 구성도이다.

이하에서는 바람직한 실시 예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 제1센서부(10), 제2센서부(20), 중앙처리장치부(30), 디스플레이부(40), 무선통신부(50), 데이터저장부(60), 키입력부(70), 충전제어부(80) 등을 포함한다.

제1센서부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 산사태가 우려되는 지역에 미리 설치되어 이 지역의 강우량을 측정하는 센서로서, 집중호우 등이 발생될 때 강우량을 실시간으로 측정하여 중앙처리장치부(30)에 송출한다.

제2센서부(20)는 토양의 함수율을 측정하는 것으로, 이러한 제2센서부(20)는 경사지나 절개지와 같이 집중호우로 인해 산사태가 발생될 가능성이 높은 지역에 설치되어 실시간으로 토양 내에 포함된 수분함량 즉, 함수율을 측정하여 중앙처리장치부(30)에 송출한다.

이때 제2센서부(20)는 토양의 함수율을 측정하기 위해 복수의 센서가 설치되고, 각각의 센서에는 한 쌍의 봉이 구비되어 일측 봉에서 방사되는 전자기파를 타측 봉에서 수신하고, 수신된 전자기파에서 전자기 유도값을 측정하여 토양의 함수율을 산출한다.

중앙처리장치부(30)는 전체 시스템을 제어하고, 산사태 발생 가능성을 판단하여 경보를 발생 여부를 결정하는 장치로서, 이러한 중앙처리장치부(30)는 제1,2센서부(10, 20)와 유선으로 연결되어 제1,2센서부(10, 20)로부터 정보를 실시간으로 제공받는다.

이때 토양의 함수율을 측정하는 제2센서부(20)는 복수 개 설치되는데, 이들 제2센서부(20)로부터 제공되는 토양의 함수율 데이터는 산술평균 또는 기하평균에 의해 처리된 값을 사용하거나, 보수적 판단을 위해 가장 높은 함수율을 가진 값을 사용하거나, 또는 모니터링 대상이 되는 특정 지역 중 일부 지역의 산사태 발생 가능성을 집중하여 모니터링 할 수 있도록 제2센서부(20) 중 특정 제2센서부(20)로부터 취득된 값을 사용하거나, 또는 각각의 제2센서부(20)로부터 취득된 각각의 데이터를 사용하여 각 지역마다의 산사태 발생 가능성을 판단하도록 하는 것으로 실시될 수 있다.

산사태 발생 가능성을 판단하기 위해 중앙처리장치부(30)는 제1,2센서부(10, 20)를 통해 획득된 시간당 강우량(R_t)과 토양 함수율을 이용하여 아래의 수학식 1과 수학식 2에 의해 위험인자 A(

)와 위험인자 B(

을 각각 구한다.

여기서,

는 경사지의 경사도,

은 강우시작시간 1시간에 시간당 강우량.

는 2시간째 시간당 강우량,

은 n시간째 시간당 강우량,

은 강우량 연속 누적시간이다.

여기서

은 제2센서부의 1번째 센서,

는 제2센서부의 2번째 센서2,

은 제2센서부의 n번째 센서,

은 제2센서부에 설치되는 센서 수이다.

상기와 같이 수학식 1, 2에 의해 위험인자 A(

)와 위험인자 B(

)가 각각 구해지면 중앙처리장치부(30)는 아래 수학식 3에서와 같이 이들 위험인자 A(

)와 위험인자 B(

)를 곱하여 그 결과를 미리 설정된 기준값(

)과 비교하여 그 결과, 기준값보다 높으면 산사태 발생 가능성이 증가한 것으로 판단한다.

이를 위해 기준값(

, Threshold Value)은 해당 지역의 절개지 형상, 인구밀집 정도, 토양의 성분 등을 고려하여 결정되는데, 이때 기준값(

)을 여러 단계의 값으로 설정하는 경우에는 해당 지역의 산사태 발생 가능성을 단계적으로 판단할 수 있다.

여기서,

는 기준값이다.

중앙처리장치부(30)와 연결된 디스플레이부(40)는 중앙처리장치부(30)에 제공되는 제1,2센서부(10, 20)의 강우량(R_t)과 토양 함수율 등의 정보와, 위의 수학식 3에 의한 판단결과에 따른 산사태 발생 가능성 등이 출력된다.

그리고 중앙처리장치부(30)에는 무선통신부(50)가 연결되는데, 이러한 무선통신부(50)는 중앙처리장치부(30)에서 산출된 산사태 위험정도에 따라 무선(CDMA 또는 VHF/UHF)으로 관계기관이나 경보시설에 경보 발령을 지령하거나, 해당 지역의 경보시설에 정보를 제공하여 마을 주민에게 경보사항을 전파한다.

이때 무선통신부(50)는 미리 설정된 관계자의 무선통신단말기(휴대폰)로 위험 상황을 통보하여 실시간으로 산사태 발생 위험정도를 안내할 수도 있다.

중앙처리장치부(30)와 연결되는 데이터저장부(60)에는 중앙처리장치부(30)로 입력되는 제1,2센서부(10, 20)의 실시간 데이터와, 이들 데이터를 이용하여 구한 위험인자 A, B값(

) 및 위험인자 A, B를 곱하여 구한 산사태 발생 가능성 정도 등이 날짜와 시간별로 저장된다.

상기와 같이 데이터저장부(60)에 누적 저장된 데이터는 데이터베이스로서 기능하여 과거의 산사태 발생시의 강우량, 함수율 등을 알 수 있고, 이를 통해 현재의 산사태 발생 가능성을 가늠하는 척도로 활용될 수 있다.

본 발명에는 키입력부(70)가 마련될 수 있는데, 이러한 키입력부(70)는 산사태 발생 가능지역 즉, 제1,2센서부(10, 20)가 설치되는 지역 내의 경사지와 절개지 등의 경사도와, 기준값(

) 등을 설정 및 변경하는 데에 사용된다.

또한 본 발명에는 상기한 제1,2센서부(10, 20), 중앙처리장치부(30), 디스플레이부(40), 무선통신부(50), 데이터저장부(60) 및 키입력부(70)에 전원을 공급하는 충전제어부(80)가 더 구비되는데, 이때 충전제어부(80)는 고지대에 단독으로 설치되어 평상시에 태양광을 통해 배터리가 충전되도록 하고, 이렇게 배터리에 충전된 전원을 통해 구동되는 것으로 실시된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템은 해당 지역의 토양 내의 함수율 등에 의해 산사태 발생가능성을 판단할 수 있어 집중 호우에도 비교적 정확하게 산사태 발생 가능성을 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 제1,2센서부(10, 20)와 중앙처리장치부(30)가 서로 유선으로 연결되어 있어 그 구조가 간단하고 실시간으로 산사태 발생 가능성을 판단하여 경보할 수 있다.

10: 제1센서부 20: 제2센서부
30: 중앙처리장치부 40: 디스플레이부
50: 무선통신부 60: 데이터저장부
70: 키입력부 80: 충전제어부

Claims

산사태 발생이 우려되는 지역에 설치되어 그 지역의 강우량(R_t)을 측정하는 제1센서부(10)와;
산사태 발생이 우려되는 지역에 설치되어 설치 지역의 토양 내의 함수율을 측정하는 제2센서부(20)와;
상기 제1,2센서부(10, 20)와 유선으로 연결되며, 상기 제1,2센서부(10, 20)를 통해 획득되는 강우량(R_t)과 토양 수분율을 이용하여 위험인자 A(
)와 위험인자 B(
)를 각각 구하고, 상기 위험인자 A, B(
)를 통해 산사태 발생 가능성을 판단하는 중앙처리장치부(30)와;
상기 중앙처리장치부(30)의 판단 정보를 출력하는 디스플레이부(40)와;
상기 중앙처리장치부(30)에 의해 판단된 결과에 따라 무선통신으로 산사태 경보를 발령하도록 제어되는 무선통신부(50)와;
상기 강우량(R_t), 상기 토양 수분율 및 상기 중앙처리장치부(30)의 판단 정보를 누적 저장하는 데이터저장부(60)와;
상기 중앙처리장치부(30)에 연결되어 정보를 입력할 수 있도록 하는 키입력부(70) 및;
상기 제1,2센서부(10, 20), 중앙처리장치부(30), 디스플레이부(40), 무선통신부(50), 데이터저장부(60) 및 키입력부(70)에 전원을 공급하는 충전제어부(80)를 포함하고,
상기 복수의 제2센서부(20)는 한 쌍의 봉이 구비된 복수의 센서로 이루어지고, 상기 센서는 각각 일측 봉에서 방사되는 전자기파를 타측 봉이 수신하여, 수신되는 전자기파에서 전자기 유도값을 측정하여 토양 함수율을 산출하는 것을 특징으로 하는 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 위험인자 A(
)와 상기 위험인자 B(
)는 각각 아래의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템.

[수학식 1]

여기서,
는 경사지의 경사도,
은 강우시작시간 1시간에 시간당 강우량.

는 2시간째 시간당 강우량,
은 n시간째 시간당 강우량,
은 강우량 연속 누적시간이다.

[수학식 2]

여기서
은 제2센서부의 1번째 센서,
는 제2센서부의 2번째 센서2,
은 제2센서부의 n번째 센서,
은 제2센서부에 설치되는 센서 수이다.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 중앙처리장치부(30)는 산사태 발생 가능성을 아래의 수학식 3에 의해 판단하는 것을 특징으로 하는 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템.

[수학식 3]

여기서,
는 기준값이다.
청구항 1에 있어서,
상기 충전제어부(80)는 태양전지와 축전지로부터 공급되는 전원을 사용하는 것을 강우강도와 토양함수율을 이용한 경사지 경보시스템.