KR101311324B1 - 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템 및 안전관리방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템 및 안전관리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템 및 안전관리방법에 관한 것으로, 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하여 상기 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 기울기에 대한 안전율을 계산하는 안전기준데이터산출부; 상기 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 상기 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정하는 안전기준데이터설정부; 상기 철탑시설물에 설치되어 풍속을 센싱하는 풍속센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 풍속을 센싱하는 풍향센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 가속도를 센싱하는 가속도센서부; 상기 측정된 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수신하고 이동통신망을 통해 전송하는 통신인터페이스부를 갖는 적어도 하나의 센서노드; 및 상기 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수신 및 분석하여 측정된 상기 풍속에 대응하는 안전기준데이터와 상기 산출된 기울기를 비교하여 상기 산출된 기울기가 상기 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하는 안전판단부를 포함한다.
이에 의해, 철탑시설물에 USN 기술을 접목하여 환경진단 모니터링 시스템을 구축함으로써, 안정된 네트워크 구성과 유지보수의 효율성을 제고할 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템 및 안전관리방법{Telecommunication Tower Control System using Wireless Sensor Network}
본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템 및 안전관리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자연재해 등으로 인한 철탑구조물의 위험 여부를 관리를 위해 센서 네트워크를 이용하여 환경 데이터를 전송 및 분석하기 위한 기술이다.
20세기 이후 지속된 급격한 기상이변은 현 지구의 환경을 바꾸고 있다. 호주의 대홍수, 인도네시아 및 일본의 쓰나미와 지진, 그리고 미국의 싸이클론 등이 대표적인 예로 들 수 있는 기상이변이며 이러한 기상이변에도 보다 강건한 건축구조물의 중요성이 대두되고 있는 현실이다.
우리나라는 1991년 팔당대교의 시공 중 붕괴, 1992년 신행주대교의 시공중 붕괴, 1994년 성수대교의 사용 중 붕괴, 1995년 삼풍백화점의 사용중 붕괴사고는 국민과 사회에 기반시설이나 일반 민간시설물에 대한 불안감과 불신을 일으키는 큰 충격을 주었다. 대규모 건설사고를 계기로 정부는 1995년에 '시설물의 안전관리에 관한 특별법'을 제정하고 시설안전관리공단을 설치하여 각종 사회기반 시설물과 민간 시설물의 유지관리 및 안전관리를 적극적으로 주도하고 있다.
이에 따라 기존 건축구조물의 재앙 등의 사전징후와 붕괴가능성, 그 외 기타 안전진단 등을 원격으로 가능하게 하는 솔루션의 필요성 또한 대두되고 있다.
특히, 점차 인구가 증가하고 산업이 고도화됨에 따라 대도시에는, 지능적인 재난 방지 시스템이나 지능적 빌딩 관리, 또는 지능적 교통 제어 등의 서비스를 구축하는데 큰 관심을 가져왔다. 그리고 이러한 서비스는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 이용함으로써 서비스의 자동화로 인한 비용절감과 업무의 효율성을 기대할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 철탑시설물에 USN 기술을 접목하여 환경진단 모니터링 시스템을 구축함으로써, 안정된 네트워크 구성과 유지보수의 효율성을 제고하기 위한 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하여 상기 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 기울기에 대한 안전율을 계산하는 안전기준데이터산출부; 상기 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 상기 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정하는 안전기준데이터설정부; 상기 철탑시설물에 설치되어 풍속을 센싱하는 풍속센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 풍속을 센싱하는 풍향센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 가속도를 센싱하는 가속도센서부; 상기 측정된 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수신하고 이동통신망을 통해 전송하는 통신인터페이스부를 갖는 적어도 하나의 센서노드; 및 상기 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수신 및 분석하여 측정된 상기 풍속에 대응하는 안전기준데이터와 상기 산출된 기울기를 비교하여 상기 산출된 기울기가 상기 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하는 안전판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 통신인터페이스부는 CDMA 통신모듈을 포함할 수 있으며, 상기 가속도센서부는 3축 가속도센서, 2축 자이로센서 및 온도센서를 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명에 따라 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하여 상기 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 기울기에 대한 안전율을 계산하는 단계; 상기 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 상기 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정하는 단계; 상기 철탑시설물 주변의 풍속, 풍향 및 가속도를 센싱하는 단계; 상기 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수집하여 이동통신망을 통해 서버로 전송하는 단계; 상기 서버에서 상기 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 분석하여 상기 산출된 상기 풍속에 대응하는 안전기준데이터와 상기 산출된 기울기를 비교하여 상기 산출된 기울기가 상기 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 철탑시설물에 USN 기술을 접목하여 환경진단 모니터링 시스템을 구축함으로써, 안정된 네트워크 구성과 유지보수의 효율성을 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템의 개념을 설명하기 위한 제어블록도이고,
도 2는 가속도센서부의 내부블록도를 나타내는 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리방법에 관한 흐름도이다.
도 4는 국내 통신사 여의도공원 공용기지국의 이동통신철탑에 테스트 센서를 설치한 예를 나타낸 것이고, 도 5는 센서 노드 설치 위치도를 나타낸 것이고,
도 6은 서버에서 센서노드로부터 수신한 데이터를 나타낸 것이며,
도 7은 2011년 제5호 태풍 메아리 상륙 당시부터 9월까지 분석한 풍속 및 기울기를 나타낸 것이다.
본 발명은 철탑구조물의 안전관리를 위한 것으로 본 명세서에서 철탑구조물은 방송용 철탑, 중계용 철탑, 이동통신용 철탑, 무선국용 철탑, 레이더용 철탑, 가공송전용 철탑 등을 포함하는 포괄적인 의미로 사용된다. 본 발명의 실시예에서는 통신철탑구조물을 일 예로 하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템에 관해서는 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템의 개념을 설명하기 위한 제어블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템은 안전기준데이터산출부(10), 안전기준데이터설정부(20), 적어도 하나의 센서노드(30), 및 안전판단부(51)를 포함한다.
안전기준데이터산출부(10)는 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하기 위한 것으로, 다양한 해석 방법이 적용될 수 있다. 국내 모 통신회사의 자체 통신시설 안전관리기준에 따르면, 안전도 검토 기준에서 적용풍속이 순간최대풍속 60m/sec를 기본풍속으로 적용하고 있다. 이러한 기준은 지역에 따라 달리 설정될 수 있는데, 제주도의 경우 최대풍속 70m/sec를 기본풍속으로 적용하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 안전기준데이터산출부(10)가 유한요소법(Finite Element Method)을 사용하며, 해당 해석법을 탑재한 범용 소프트웨어인 MIDAS/GENw 프로그램을 이용하여 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 기울기에 대한 안전율을 계산하는 것을 일 예로 한다.
아래 표 1은 일반적으로 통신철탑 구조물에 대해 공통으로 적용되는 풍속별 풍압 변화율 비교값의 기준을 나타내었고 표 2는 안전기준데이터산출부(10)가 표 1에 나타난 풍하중값과 각 기준을 만족하는 철탑의 내응력, 강재의 탄성 및 구조역학적인 부분을 종합적으로 모델링하여 구조계산 한 기울기 및 안전율 결과 값을 나타낸다. 이 값은 안전진단에 있어서 매우 중요한 한계기준 값이다.
Figure 112012012232377-pat00001
Figure 112012012232377-pat00002
안전기준데이터설정부(20)는 안전기준데이터산출부(10)가 계산한 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정한다.
위 표 2에서 각 풍속별로 기울기 각도 및 안전율이 계산되어 있는데, 풍속별 기울기 각도가 해당 풍속에서의 안전기준데이터로 설정된다. 예컨대, 풍속 30m/s에서는 안전기준데이터가 기울기 값 0.446도로 설정된다.
센서노드(30)는 철탑시설물의 환경정보를 수집하여 원거리에 있는 서버(50)로 전송하기 위한 것으로, 환경정보를 센싱하기 위한 센서들과 이들 데이터를 수집하여 외부의 서버(50)로 전송하기 위한 통신인터페이스를 포함한다. 센서노드(30)는 독립된 전원으로 운용되며, 별도의 통신망을 통해 서버(50)로 데이터를 전송한다.
도 1을 참조하면, 센서노드(30)는 풍속센서부(31), 풍향센서부(33), 가속도센서부(35), 및 통신인터페이스부(37)를 포함한다.
풍속센서부(31), 풍향센서부(33) 및 가속도센서부(35)는 철탑시설물에 설치되어 각각 풍속, 풍향, 가속도를 센싱하기 위한 것으로 각각의 설치 위치가 동일 또는 다를 수 있다. 본 실시예에서는 풍속센서부(31)와 풍향센서부(33)는 철탑의 상단부에 설치되고, 가속도센서부(35)는 센서노드(30)의 회로와 함께 구성되는 것으로 설명한다.
풍속센서부(31)는 보통 1~67m/s 까지 측정이 가능한 센서모듈로 구성되고, 풍향은 0~360도, 8point를 측정한다.
특히, 가속도 센서는 기울기를 측정하기 위한 것으로 정밀한 센서가 필요하다. 기울기의 경우 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 등 3차원으로 표현되는데, 가속도센서는 내부에 내장된 칼만필터 시스템에 의해 보다 정밀하게 캘리브레이션(Calibration)되어 실질적으로 데이터를 측정하여 풍속계산을 한다.
도 2는 가속도센서부(35)의 내부블록도를 나타내는 것으로, 3축 가속도 센서, 2축 자이로 센서, 온도센서, 12비트 해상도, 1.2v 정밀 ADC 참조 전압, 운용환경의 동특성에 따른 설정 지원, 완전한 센서 초기정렬 기능 제공 등이 결합된 기능을 갖는다.
통신인터페이스부(37)는 풍향센서부(33), 풍속센서부(31) 및 가속도센서부(35)로부터 측정데이터를 수집하여 이동통신망(40)을 통해 서버(50)로 전송하는 것으로, 제어부(37a) 및 통신모듈을 포함한다. 제어부(37a)는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러로 구현될 수 있다. 도 1에서는 통신모듈의 일 예로 CDMA 모듈(37b)을 예로 들어 설명하였다. 본 발명의 실시예에서는 CDMA 모듈(37b)을 적용하여 패킷 통신을 통해 데이터를 송신하기 것으로 설명한다.
센서노드(30)는 실시간으로 일정 시간 간격으로 철탑시설물의 풍속, 풍향, 기울기 데이터를 측정하여 서버(50)로 전송한다.
센서노드(30)와 서버(50)와의 통신은 이동통신망과 인터넷망(40)을 통해 이루어질 수 있다.
서버(50)는 풍속, 풍향 및 가속도에 관한 측정데이터를 수신 및 분석하여 측정된 풍속에 대응하는 안전기준데이터와 산출된 기울기를 비교하여 안전 여부를 판단한다.
서버(50)는 안전기준데이터가 저장된 안전기준데이터저장부(53) 및 안전여부를 판단하기 위한 안전판단부(51)를 포함한다. 안전판단부(51)는 센서노드(30)로부터 수신된 기울기가 안전기준데이터저장부(53)에 설정된 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하도록 구현될 수 있다.
예컨대, 센서노드(30)로부터 수신된 풍속데이터가 11m/s이고, 측정 기울기 데이터가 0.025도일 경우, 서버(50)는 안전기준데이터저장부(53)에서 풍속 11m/s에 대응하는 안전기준데이터를 확인한다. 표 2를 참고하면, 11m/s에 대응하는 안전기준데이터는 기울기 0.050도이다. 안전판단부(51)는 측정된 기울기 값인 0.025도와 안전기준데이터 0.050과 비교하여 측정된 기울기 값이 안전기준데이터보다 작으므로 현재 철탑구조물이 안전하다고 판단한다.
다른 예로, 센서노드(30)로부터 수신된 풍속데이터가 25m/s이고, 측정 기울기 데이터가 0.335도일 경우, 서버(50)는 안전기준데이터저장부(53)에서 풍속 25m/s에 대응하는 안전기준데이터를 확인한다. 표 2를 참고하면, 25m/s에 대응하는 안전기준데이터는 기울기 0.310도이다. 안전판단부(51)는 측정된 기울기 값인 0.335도와 안전기준데이터 0.310과 비교하여 측정된 기울기 값이 안전기준데이터보다 크므로 현재 철탑구조물이 불안전하다고 판단하여 위험경고메시지를 출력한다.
서버(50)는 안전판단부(51)의 판단결과를 보정하기 위한 데이터보정부(55)를 더 포함할 수 있다. 데이터보정부(55)는 일정 시간 동안 불안전하다고 판단된 횟수가 일정 횟수 미만인 경우, 해당 데이터를 에러로 판단하여 이를 안전범위(정상범위)의 데이터로 보정한다. 예컨대, 철탑구조물의 환경데이터를 5분에 간격으로 수신하고 있고, 현재 풍속이 10m/s로 불고 있는데, 1시간 동안 위험하다고 판단된 횟수가 전체 횟수의 5% 미만인 경우 이를 에러로 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리방법에 관한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리방법은 안전기준데이터산출부(10)에서 해당 철탑구조물의 구조에 대한 해석 및 설계를 수행한다(S10), 이를 통해 해당 철탑구조물에서의 풍속별 기울기 및 안전율에 관한 데이터를 산출한다(S11).
안전기준데이터설정부(20)는 안전기준데이터산출부(10)에서 산출한 해당 철탑구조물에서의 풍속별 기울기 및 안전율에 관한 데이터에 기초하여 풍속별 안전기준데이터를 설정한다(S12).
해당 철탑구조물에는 풍속센서부(31), 풍향센서부(33), 가속도센서부(35) 및 통신인터페이스부(37)가 설치된다. 풍속센서부(31) 및 풍향센서부(33)는 철탑구조물 상단에 하나 또는 다수가 설치될 수 있다. 가속도센서부(35)와 통신인터페이스부(37)는 함께 통합모듈로 만들어져 철탑구조물에 설치될 수 있다.
풍속센서부(31), 풍향센서부(33) 및 가속도센서부(35)에서 각각 철탑구조물 환경정보 즉, 풍속, 풍향, 및 가속도를 측정한다(S13).
이렇게 측정된 데이터를 통신인터페이스부(37)에서 이동통신망(40)을 통해 서버(50)로 전송한다(S14).
서버(50)는 측정데이터를 수신 및 분석하여 측정된 풍속에 대응하는 안전기준데이터를 확인한다(S15). 만약 측정된 풍속에 대응하는 안전기준데이터가 측정된 기울기데이터보다 작은 경우, 위험경고메시지를 출력하게 된다(S16, S17).
본 발명은 해당 철탑구조물에 구조에 대한 해석 및 설계를 진행하여 안전기준데이터를 확보할 수 있기 때문에, 측정한 데이터와의 비교를 통해 안전 여부에 대해 정밀하게 진단할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 적은 비용으로도 시설붕괴시의 경제적 손실을 막을 수 있으며, 재해관리 및 재난방재시스템으로 운용함에 있어서 매우 유용하다.
<실험 결과>
도 4는 국내 통신사 여의도공원 공용기지국의 이동통신철탑에 테스트 센서를 설치한 예를 나타낸 것이고, 도 5는 센서 노드 설치 위치도를 나타낸 것이며, 도 6은 서버(50)에서 센서노드(30)로부터 수신한 데이터를 나타낸다.
본 실험에서는 센서노드(30)로부터 수신한 데이터를 모니터링 프로그램을 통해 실시간으로 감시를 진행하였다.
도 7은 2011년 제5호 태풍 메아리 상륙 당시부터 9월까지 분석한 풍속 및 기울기를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 기울기가 바람의 영향으로 기울어졌었지만 바로 원상복구 하는 것을 볼 수 있으며, 모두 안전기준데이터보다 작은 값을 나타내는 것으로 분석되었다. 따라서, 철탑시설물은 변형이 없는 안전한 것으로 판단을 내릴 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
10: 안전기준데이터산출부 20: 안전기준데이터설정부
30: 센서노드 31: 풍속센서부
33: 풍향센서부 35:가속도센서부
37: 통신인터페이스부 37a: 제어부
37b: CDMA 모듈 40: 이동통신망
50: 서버 51: 안전판단부
53: 안전기준데이터저장부 55: 데이터보정부

Claims (4)

  1. 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하여 상기 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 풍속별 기울기에 대한 안전율을 계산하는 안전기준데이터산출부;
    상기 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 상기 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정하는 안전기준데이터설정부;
    상기 철탑시설물에 설치되어 풍속을 센싱하는 풍속센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 풍향을 센싱하는 풍향센서부; 상기 철탑시설물에 설치되어 상기 철탑시설물의 기울기를 센싱하는 가속도센서부; 상기 측정된 풍속, 풍향 및 기울기에 관한 측정데이터를 수신하고 이동통신망을 통해 전송하는 통신인터페이스부를 갖는 적어도 하나의 센서노드; 및
    상기 풍속, 풍향 및 기울기에 관한 측정데이터를 수신 및 분석하여, 상기 측정된 풍속에 대응하는 안전기준데이터를 상기 안전기준데이터설정부로부터 확인하고, 상기 안전기준데이터와 상기 측정된 기울기를 비교하여 상기 측정된 기울기가 상기 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하는 안전판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통신인터페이스부는 CDMA 통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가속도센서부는 3축 가속도센서, 2축 자이로센서 및 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리시스템.
  4. 철탑시설물의 구조에 관한 해석 및 설계를 수행하여 상기 철탑시설물의 풍속별 기울기 및 상기 풍속별 기울기에 대한 안전율을 계산하는 단계;
    상기 철탑시설물의 상기 풍속별 기울기 및 상기 안전율에 기초하여 상기 철탑시설물의 안전여부를 판별하기 위한 풍속별 안전기준데이터를 설정하는 단계;
    상기 철탑시설물 주변의 풍속, 풍향 및 기울기를 센싱하는 단계;
    상기 풍속, 풍향 및 기울기에 관한 측정데이터를 수집하여 이동통신망을 통해 서버로 전송하는 단계;
    상기 서버에서 상기 풍속, 풍향 및 기울기에 관한 측정데이터를 분석하여 상기 측정된 풍속에 대응하는 안전기준데이터를 확인하고, 상기 안전기준데이터와 상기 측정된 기울기를 비교하여 상기 측정된 기울기가 상기 안전기준데이터보다 큰 경우 위험경고메시지를 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 철탑구조물의 안전관리방법.
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