KR101646604B1 - 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법 - Google Patents

무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관로 내에 무선 신호를 송수신하여 관로 이상 여부를 분석하는 것이다. 즉, 본 발명은 관로 및 관로 주변의 이상 발생을 조기에 검출하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템은 관로로 무선 신호를 송신 및 수신하여 관로 및 관로 주변의 전파 특성을 분석하여 조기 경보 감시 서버 또는 조기 경보 표시 장치 중 적어도 어느 하나로 분석된 결과를 전송하는 조기 경보 분석 장치를 포함한다.

Description

무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법{Wireless system and method for early warning analysis of underground facilities}
본 발명은 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 관로 내에 무선 신호를 송수신하여 관로 이상 여부를 분석하는 것이다. 즉, 본 발명은 관로 및 관로 주변의 이상 발생을 조기에 검출할 수 있는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사회가 고도화 되어가고 복잡해짐에 따라 전기, 가스, 상하수도, 통신시설과 같은 관로를 형성한 시설물들의 설치를 위해 지하의 공간을 빈번하게 이용하고 있으며, 이러한 시설물은 그 보호를 위해 지하 공간에 널리 설치되고 있다.
지하 시설물의 관로가 외부 하중이나 외압에 의해 변형되거나 찌그러질 경우 그 본래의 기능을 발휘할 수 없으며, 특히 통신선을 포설하는 지하 시설물의 경우 통신선로에 큰 영향을 주게 된다. 따라서, 지하 시설물의 관로의 결함의 확인은 지하 공간에서의 신뢰성 있는 공사를 하기 위해 매우 중요한 사전 검토사항으로 등장하였고, 특히 지하에 설치되는 시설물의 중요성이 증가하면서 지하 시설물의 관로의 결함 확인은 더욱 필요한 기술로 인식되고 있으며, 매우 쉽게 편리하게 확인할 수 있는 기술개발이 요구된다.
최근에는 지하 시설물의 관로의 결함을 확인하기 위하여 관로 관측용 카메라장치가 널리 사용되고 있다.
그 일례로, 대한민국 공개특허공보 제2003-0087503호에서는 지하 시설물의 관로의 결함을 관측하기 위하여 지하 시설물의 관로 내부 면에 조사된 레이저의 형상을 카메라로 촬영하는 관로 관측용 카메라장치에 대한 구현 방법을 제시하였다.
이 경우 관로 주변의 위험 요소에 대해 확인이 불가한 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2003-0087503호(2003.11.14)
본 발명의 목적은, 관로 내에 무선 신호를 송수신하여 관로 이상 여부를 분석하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 관로 및 관로 주변의 이상 발생을 조기에 검출하여 조기 경보를 발생함으로써 관로를 안전하게 보호하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템은 관로로 무선 신호를 송신 및 수신하여 관로 및 관로 주변의 전파 특성을 분석하여 조기 경보 감시 서버 또는 조기 경보 표시 장치 중 적어도 어느 하나로 분석된 결과를 전송하는 조기 경보 분석 장치를 포함한다.
여기서, 조기 경보 표시 장치는 관로에서 새어 나오는 조기 경보 분석 장치의 송신 신호가 일정값 이상일 경우 경보를 표시 또는 관로 주변에 이상이 발생한 장소에 위치한 조기 경보 표시 장치에서 조기 경보 분석 장치 또는 조기 경보 감시 서버로부터 경보 표시를 요청 받아 경보를 표시하는 것 중 적어도 어느 하나를 수행한다.
또한, 조기 경보 감시 서버는 조기 경보 분석 장치로부터 관로 주변의 이상 유무를 보고 받아 조기 경보 분석 장치를 관리 및 운용하고 이상이 발견된 장소에 위치하는 조기 경보 표시 장치로 경보 표시를 요청한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 조기 경보 감시 서버 또는 또다른 조기 경보 분석 장치와 스타 구조 및 트리 구조 중 적어도 어느 하나의 네트워크로 연결되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 송신 신호를 발생하는 신호 송신부, 송신 신호와 수신 신호를 결합하는 신호 결합부, 송신 신호를 신호 결합부에서 받아 공중으로 전파 및 공중에서 수신된 전파를 신호 결합부로 전송하는 안테나, 신호 결합부를 통해 수신 신호를 수신하는 신호 수신부, 및 송신 신호 및 수신 신호를 분석하여 관로 및 관로 주변의 전파 특성을 분석하는 신호 처리부를 포함한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 신호 결합부의 신호를 증폭하는 증폭기 및 증폭기의 출력에서 신호 송신부의 신호를 제거하는 신호 제거기를 포함하는 신호 수신부를 구비한다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 신호 송신부의 신호를 안테나로 전송하고 안테나의 신호를 신호 수신부로 전송하며 신호 송신부의 신호는 신호 수신부로 전송하지 않는 써큘레이터를 포함한 신호 결합부를 구비한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 관로 내부에 평행하게 설치할 수 있는 전방향 안테나를 구비한다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 관로 내부에 수직으로 설치할 수 있는 전방향 안테나를 구비한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 관로 내부에 평행하게 설치할 수 있는 지향성 안테나를 구비한다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 관로 외부에 수직으로 설치할 수 있는 전방향 안테나를 구비한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 관로 내부 및 외부에 평행하게 설치할 수 있는 지향성 안테나를 구비한다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 찌그러진 관로에서 반사된 반사 전파를 분석하여 찌그러진 관로의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비한다.
여기서, 조기 경보 분석 장치는 싱크홀 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 싱크홀의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비한다.
또한, 조기 경보 분석 장치는 포크레인 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 포크레인의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비한다.
한편, 조기 경보 분석 장치는 물 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 물의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법은 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템에서 수행하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법으로서, 반사 신호를 측정하는 반사 신호 측정 단계, 반사 신호를 분석하여 이상 지점의 발생을 확인하는 이상 지점 발생 확인 단계, 이상 지점의 발생이 확인될 경우 이상 지점의 위치를 분석하는 이상 지점 분석 단계, 및 이상 지점의 발생이 확인되지 않을 경우 현재 반사 신호를 토대로 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션 수행 단계를 포함한다.
여기서, 반사 신호 측정 단계는 찌그러진 관로, 관로 주위의 싱크홀, 관로 주위의 포크레인, 및 관로 내부의 물 중 적어도 어느 하나의 주위에서 반사된 반사 전파를 측정한다.
또한, 이상 지점 발생 확인 단계는 반사 신호가 일정값 이상인 지점에 대해 이상 지점의 발생으로 판단한다.
여기서, 이상 지점 분석 단계는 반사 신호를 거리에 따른 특성으로 분석하여 반사 신호가 일정값 이상인 지점의 거리를 이상 지점의 위치로 판단한다.
또한, 캘리브레이션 수행 단계는 반사 신호를 영점으로 캘리브레이션시키는 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 이상 지점 발생 확인 단계는 반사 신호를 주기적으로 저장한 값과 비교하여 분석하여 일정값 이상인 지점에 대해 이상 지점의 발생으로 판단한다.
본 발명에 의한 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법은 관로 내에 무선 신호를 송수신하여 관로 이상 여부를 분석하는 장점이 있다.
또는 본 발명에 의한 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법은 관로 및 관로 주변의 이상 발생을 조기에 검출하여 조기 경보를 발생함으로써 관로를 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 조기 경보 분석 장치가 관로 주변에 설치된 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 조기 경보 분석 장치가 조기 경보 감시 서버 및 다른 조기 경보 분석 장치와 네트워크로 연결된 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 신호 수신부를 상세히 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 1의 신호 결합부를 상세히 나타낸 구성도이다.
도 6은 도 1의 안테나가 관로 내부에 관로와 수평으로 설치된 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1의 안테나가 관로 내부에 관로와 수직으로 설치된 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 안테나가 관로 내부에 관로와 수평으로 설치된 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1의 안테나가 관로 외부에 관로와 수직으로 설치된 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1의 안테나가 관로 외부 및 내부에 관로와 수평으로 설치된 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 1의 안테나가 송신하는 전파의 거리에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 1의 안테나가 송신하는 전파의 주파수에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 도파관 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
도 14는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 관로 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
도 15는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 휘어져 있는 관로 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
도 16은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 주파수가 제한된 관로 내를 전파하는 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 관로가 절단된 곳에서 발생하는 누설 전파를 상세히 나타낸 도면이다.
도 18은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 찌그러진 관로를 통과할 때 발생되는 반사 전파를 상세히 나타낸 도면이다.
도 19는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 관로 주위에 싱크홀이 존재할 때 발생되는 반사 전파를 상세히 나타낸 도면이다.
도 20은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 관로 주위에 포크레인이 존재할 때 발생되는 반사 전파를 상세히 나타낸 도면이다.
도 21은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 관로 내부에 물이 존재할 때 발생되는 반사 전파를 상세히 나타낸 도면이다.
도 22는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 23은 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.
도 24는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파의 지연 시간 특성을 나타낸 그래프이다.
도 25는 도 1의 안테나가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파의 거리에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 2 내지 도 25는 도 1을 상세히 설명하기 위한 도면, 구성도, 및 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 25를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템은 관로(500)로 무선 신호를 송신 및 수신하여 관로(500) 및 관로(500) 주변의 전파 특성을 분석하여 조기 경보 감시 서버(300) 또는 조기 경보 표시 장치(200) 중 적어도 어느 하나로 분석된 결과를 전송하는 조기 경보 분석 장치(100)를 포함한다.
여기서, 조기 경보 표시 장치(200)는 관로(500)에서 새어 나오는 조기 경보 분석 장치(100)의 송신 신호가 일정값 이상일 경우 경보를 표시 또는 관로(500) 주변에 이상이 발생한 장소에 위치한 조기 경보 표시 장치(200)에서 조기 경보 분석 장치(100) 또는 조기 경보 감시 서버(300)로부터 경보 표시를 요청 받아 경보를 표시하는 것 중 적어도 어느 하나를 수행할 수 있다.
또한, 조기 경보 감시 서버(300)는 조기 경보 분석 장치(100)로부터 관로(500) 주변의 이상 유무를 보고 받아 조기 경보 분석 장치(100)를 관리 및 운용하고 이상이 발견된 장소에 위치하는 조기 경보 표시 장치(200)로 경보 표시를 요청할 수 있다.
도 2는 도 1의 조기 경보 분석 장치(100)가 관로(500) 주변에 설치된 형태를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 조기 경보 감시 서버(300) 또는 또다른 조기 경보 분석 장치(100)와 스타 구조 및 트리 구조 등의 네트워크로 연결되는 것을 특징으로 한다.
관로(500)는 관로(500)의 연결 특성 상 링 형태로 구성이 되지 않는다. 그러나 관로(500)가 링 형태로 연결될 경우 조기 경보 분석 장치(100)와 관로(500) 사이의 네트워크로 링 형태로 구성될 수 있으며, 이때, 이중화의 구성도 가능할 수 있다.
도 3은 도 1의 조기 경보 분석 장치(100)가 조기 경보 감시 서버(300) 및 다른 조기 경보 분석 장치(100)와 네트워크로 연결된 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 송신 신호를 발생하는 신호 송신부(120), 송신 신호와 수신 신호를 결합하는 신호 결합부(140), 송신 신호를 신호 결합부(140)에서 받아 공중으로 전파 및 공중에서 수신된 전파를 신호 결합부(140)로 전송하는 안테나(150), 신호 결합부(140)를 통해 수신 신호를 수신하는 신호 수신부(130), 및 송신 신호 및 수신 신호를 분석하여 관로(500) 및 관로(500) 주변의 전파 특성을 분석하는 신호 처리부(110)를 포함할 수 있다.
즉, 송신 신호는 신호 처리부(110)에서 생성하여 신호 송신부(120)에서 적절한 변조 및 RF 주파수로 변환하고 신호 결합부(140)에서 안테나(150)로 연결시킬 수 있다. 이때, 신호 결합부(140)는 신호 송신부(120)의 출력 신호가 신호 수신부(130)로 유입되는 것을 줄이는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
한편, 안테나(150)에서 관로(500)로 송신된 RF 신호는 관로(500) 타단에 연결된 또다른 조기 경보 분석 장치(100)에서 수신하거나 관로(500) 내부 또는 관로(500) 주변에서 반사된 신호를 조기 경보 분석 장치(100)가 수신할 수도 있다.
이때, 조기 경보 분석 장치(100)에서 안테나(150)를 통해 수신된 신호는 신호 결합부(140)에서 신호 수신부(130)로만 연결되며 신호 수신부(130)에서 RF 주파수 대역의 신호를 기저대역으로 변환하여 신호 처리부(110)로 전송한다.
신호 결합부(140) 및 안테나(150)의 구현 방식에 따라 신호 송신부(120)의 신호가 신호 결합부(140) 및 안테나(150)를 통해 신호 수신부(130)로 유입될 수 있어 신호 수신부(130)에서 신호 송신부(120)의 신호를 제거할 수 있다.
도 4는 도 1의 신호 수신부(130)를 상세히 나타낸 구성도이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 신호 결합부(140)의 신호를 증폭하는 증폭기(132) 및 증폭기(132)의 출력에서 신호 송신부(120)의 신호를 제거하는 신호 제거기(131)를 포함하는 신호 수신부(130)를 구비할 수 있다.
이때, 증폭기(132)는 저잡음 앰프를 사용하여 낮은 전력으로 반사된 신호를 수신 및 증폭할 수 있다.
또한, 신호 제거기(131)는 신호 결합부(140) 및 안테나(150)에서 유입된 신호 송신부(120)의 신호를 제거할 수 있다. 이때, 반사된 신호까지 제거되지 않도록 위상, 진폭, 및 지연 소자로 이루어진 아날로그 피드백 또는 시간 영역의 에코 제거기 중 적어도 어느 하나를 사용할 수도 있다.
도 5는 도 1의 신호 결합부(140)를 상세히 나타낸 구성도이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 신호 송신부(120)의 신호를 안테나(150)로 전송하고 안테나(150)의 신호를 신호 수신부(130)로 전송하며 신호 송신부(120)의 신호는 신호 수신부(130)로 전송하지 않는 써큘레이터(141)를 포함한 신호 결합부(140)를 구비할 수 있다.
여기서, 써큘레이터(141)는 3개의 포트로 구성된 소자로서 하나의 포트로 유입된 신호는 써큘레이터(141)에 도시된 화살표 방향의 포트로만 신호가 전달되고 그 반대 방향에 있는 포트로는 전달되지 않는 특징이 있다.
따라서, 신호 송신부(120)의 신호는 안테나(150)로만 전달되고 신호 수신부(130)로 전달되지 않는 특성이 있으며, 신호 결합부(140)의 신호는 신호 수신부(130)로만 전달되고 신호 송신부(120)로 전달되지 않는 특성이 있다.
그러나 써큘레이터(141)의 구현 상 신호 송신부(120)에서 신호 수신부(130)로 미세하게 전달되는 피드백 신호가 존재할 수 있다.
도 6은 도 1의 안테나(150)가 관로(500) 내부에 관로(500)와 수평으로 설치된 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 관로(500) 내부에 평행하게 설치할 수 있는 전방향 안테나(151)를 구비할 수 있다.
이때, 전방향 안테나(151)는 관로(500)의 직경 보다 긴 안테나를 사용할 수 있어 저주파 영역의 주파수를 이용하여 관로(500) 및 관로(500) 주변을 탐지할 수 있는 장점이 있다.
그러나 관로(500)와 수평으로 존재할 경우 전방향 안테나(151)의 전파 방사 패턴이 관로(500) 방향으로 효율이 좋지 않으므로 관로(500) 내부의 특성 보다는 흙(400)에서 반사되는 특성을 파악할 경우 효과가 있을 수 있다.
도 7은 도 1의 안테나(150)가 관로(500) 내부에 관로(500)와 수직으로 설치된 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 관로(500) 내부에 수직으로 설치할 수 있는 전방향 안테나(152)를 구비할 수 있다.
이때, 전방향 안테나(152)는 관로(500)의 직경보다 작은 길이의 안테나를 사용하므로 고주파의 주파수를 사용하여 관로(500) 내부 및 관로(500) 주변의 특성을 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 도 1의 안테나(150)가 관로(500) 내부에 관로(500)와 수평으로 설치된 다른 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 관로(500) 내부에 평행하게 설치할 수 있는 지향성 안테나(153)를 구비할 수 있다.
이때, 지향성 안테나(153)는 다수의 수직 안테나를 사용하고 지향성 안테나(153)의 구조상 전파의 방사 패턴이 지향성이 있으므로 광대역으로 관로(500) 및 관로(500) 주변의 특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 9는 도 1의 안테나(150)가 관로(500) 외부에 관로(500)와 수직으로 설치된 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 관로(500) 외부에 수직으로 설치할 수 있는 전방향 안테나(154)를 구비할 수 있다.
이때, 전방향 안테나(154)는 관로(500)의 직경보다 큰 안테나를 사용할 수 있어 저주파로 관로(500) 및 관로(500) 주변의 특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 10은 도 1의 안테나(150)가 관로(500) 외부 및 내부에 관로(500)와 수평으로 설치된 예를 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 관로(500) 내부 및 외부에 평행하게 설치할 수 있는 지향성 안테나(155)를 구비할 수 있다.
이때, 지향성 안테나(155)는 저주파부터 고주파 대역까지 사용하여 관로(500) 및 관로(500) 주변의 특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 11은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파의 거리에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
즉, 공기 중 전파 특성(S300)은 자유공간 기본 전파 손실에 의해 거리에 따라 손실이 발생한다.
이때, 자유공간 기본 전파 손실은 20LOG(4πd/λ)로 정의될 수 있다. 여기서 d는 송신점과 수신점의 거리이고 λ는 송신 및 수신에서 사용되는 파장이다.
한편, 도파관 내 전파 특성(S100)은 도파관이 도체로 되어 있어 도파관 내부로만 전파가 진행되므로 전파 손실이 거의 없을 수 있다.
한편, 관로 내 전파 특성(S200)은 관로(500) 주변에 흙(400)으로 쌓여 있어 흙(400)에 대한 유전율에 따라 일부의 전파가 관로(500)를 따라 진행 할 수 있어 공기 중 전파 특성(S300)보다는 손실이 적으로 도파관 내 전파 특성(S100)보다는 손실이 많을 수 있다.
그러나 지중 전파 특성(S400)은 공기 중 전파 특성(S300)보다 흙(400)에서 전파 흡수에 의한 손실이 있어 공기 중 전파 특성(S300) 보다 손실이 더 클 수 있다.
도 12는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파의 주파수에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
여기서, 도파관 내 전파 특성(S100), 관로 내 전파 특성(S200), 공기 중 전파 특성(S300), 및 지중 전파 특성(S400)은 거리에 따른 특성과 모두 유사하다.
즉, 관로 내 전파 특성(S210)은 S신호 수신부(130)보다 손실이 적고 도파관 내 전파 특성(S110)보다 손실이 크며, 지중 전파 특성(S410)의 경우 공기 중 전파 특성(S310) 보다 손실이 클 수 있다.
도 13은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 도파관(600) 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
도파관(600)은 도체로 쌓여 있어 전파가 계속 반사가 되어 도파관(600) 내부로만 진행될 수 있다.
이때, 직진 전파(S111)와 완전 반사 전파(S112) 간에 간섭이 존재하여 거리 및 주파수에 따른 손실이 발생할 수 있다.
도 14는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 관로(500) 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
이때, 관로(500)에 인입된 전파는 직진 전파(S211)가외에 관로(500)를 통과하는 213과 관로(500)에서 유전율 변화에 따른 반사 전파(S212)가 존재할 수 있다.
이때, 관로(500)로 입사하는 각도가 작을 경우 투과 전파(S213)도 작을 수 있어 직진 전파(S211)가 공기 중으로 진행하는 것에 비해 상대적으로 많을 수 있다.
도 15는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 휘어져 있는 관로(500) 내부에서 전파하는 특성을 나타낸 도면이다.
즉, 관로(500)가 휘어질 경우에는 직진 전파(S211)가 관로(500)에 입사되는 입사 각도가 커서 투과 전파(S213)가 발생하여 손실이 추가로 발생할 수 있다.
도 16은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 주파수가 제한된 관로(500) 내를 전파하는 특성을 나타낸 그래프이다.
즉, 관로(500)에 입사된 전파는 관로 내 전파 특성(S210)을 만족하여야 하나 관로(500)의 직경이 작아서 파장이 큰 저주파가 통과 못해 최저 통과 주파수(S215) 이하의 주파수와, 반사 전파(S212)의 간섭, 관로(500)의 휘어진 정도에 따라 발생하는 손실로 최대 통과 주파수(S216) 이상의 주파수는 관로(500) 및 관로(500) 주변의 특성 분석에 사용이 어려울 수 있다.
도 17은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 관로(500)가 절단된 곳에서 발생하는 누설 전파(S217)를 상세히 나타낸 도면이다.
이때, 관로(500)가 절단된 곳에서 흙(400)이 없어 유전율이 달라지며, 누설 전파(S217)가 생길 수 있다.
여기서, 조기 경보 표시 장치(200)가 누설 전파(S217)를 검출할 경우 관로(500)가 절단된 것으로 인식하여 경보를 표시할 수도 있다.
도 18은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 찌그러진 관로(500)를 통과할 때 발생되는 반사 전파(S218)를 상세히 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 찌그러진 관로(500)에서 반사된 반사 전파(S218)를 분석하여 찌그러진 관로(500)의 위치를 분석하는 신호 처리부(110)를 구비할 수 있다.
여기서, 반사 전파(S218)는 찌그러진 부분의 유전율 변화로 인하여 발생할 수 있고, 이러한 반사 전파(S218)는 조기 경보 분석 장치(100)에서 분석되어 찌그러진 부분의 위치를 파악할 수 있는 신호로 작용할 수 있다.
도 19는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 관로(500) 주위에 싱크홀(700)이 존재할 때 발생되는 반사 전파(S218)를 상세히 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 싱크홀(700) 주위에서 반사된 반사 전파(S218)를 분석하여 싱크홀(700)의 위치를 분석하는 신호 처리부(110)를 구비할 수 있다.
여기서, 반사 전파(S218)는 싱크홀(700)이 존재하는 부분의 유전율 변화로 인하여 발생할 수 있고, 이러한 반사 전파(S218)는 조기 경보 분석 장치(100)에서 분석되어 싱크홀(700)이 존재하는 부분의 위치를 파악할 수 있는 신호로 작용할 수 있다.
또한, 싱크홀(700)의 경우 관로(500) 외부에 존재하므로 관로(500) 내부 분석에 사용되는 주파수 보다 낮은 주파수를 사용하여 싱크홀(700)의 존재를 분석할 수도 있다.
도 20은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 관로(500) 주위에 포크레인(800)이 존재할 때 발생되는 반사 전파(S218)를 상세히 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 포크레인(800) 주위에서 반사된 반사 전파(S218)를 분석하여 포크레인(800)의 위치를 분석하는 신호 처리부(110)를 구비할 수 있다.
여기서, 반사 전파(S218)는 포크레인(800)이 존재하는 부분의 유전율 변화로 인하여 발생할 수 있고, 이러한 반사 전파(S218)는 조기 경보 분석 장치(100)에서 분석되어 포크레인(800)이 존재하는 부분의 위치를 파악할 수 있는 신호로 작용할 수 있다.
또한, 포크레인(800)의 경우 관로(500) 외부에 존재하므로 관로(500) 내부 분석에 사용되는 주파수 보다 낮은 주파수를 사용하여 포크레인(800)의 존재를 분석할 수도 있다.
도 21은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 관로(500) 내부에 물(900)이 존재할 때 발생되는 반사 전파(S218)를 상세히 나타낸 도면이다. 이때, 조기 경보 분석 장치(100)는 물(900) 주위에서 반사된 반사 전파(S218)를 분석하여 물(900)의 위치를 분석하는 신호 처리부(110)를 구비할 수 있다.
여기서, 반사 전파(S218)는 물(900)이 존재하는 부분의 유전율 변화로 인하여 발생할 수 있고, 이러한 반사 전파(S218)는 조기 경보 분석 장치(100)에서 분석되어 물(900)이 존재하는 부분의 위치를 파악할 수 있는 신호로 작용할 수 있다.
도 22는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파(S218)의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
반사 신호는 주파수에 따라 낮아질 수 있는데, 이러한 특성은 주파수 제한 관로 내 전파 특성(S214)에 따라 다르게 나타날 수 있다.
도 23은 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파(S218)의 위상 특성을 나타낸 그래프이다.
이때, 위상은 이상 발생지점이 가까울 수록 주파수 별 위상특성이 완만할 수 있으며 이상 발생 지점이 멀 수록 주파수별 위상 특성이 급경사를 이룰 수 있다.
즉, 이상 발생 지점이 멀 수록 반사되어 돌아오는 시간이 멀어 파장이 짧은 고주파 일수록 변화되는 위상이 많을 수 있다.
도 24는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파(S218)의 지연 시간 특성을 나타낸 그래프이다.
즉, 위상을 주파수로 미분할 경우 지연시간을 얻을 수 있으며, 이러한 지연 시간을 반으로 나누면 실제 이상 지점이 발생된 지점과의 거리와 동일할 수 있다.
도 25는 도 1의 안테나(150)가 송신하는 전파가 다시 되돌아 오는 반사 전파(S218)의 거리에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
반사된 신호를 송신신호와 correlation을 위할 경우 거리에 따른 반사 신호의 분포를 알 수 있으며, 이때, 반사 지점(S219)의 크기가 클 수록 임피던스의 변화가 많은 지점으로써 이러한 지점을 이상 지점으로 유추할 수도 있다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법을 나타낸 순서도이다. 이때, 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법은 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템에서 수행하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법으로서, 반사 신호를 측정하는 반사 신호 측정 단계(S510), 반사 신호를 분석하여 이상 지점의 발생을 확인하는 이상 지점 발생 확인 단계(S520), 이상 지점의 발생이 확인될 경우 이상 지점의 위치를 분석하는 이상 지점 분석 단계(S540), 및 이상 지점의 발생이 확인되지 않을 경우 현재 반사 신호를 토대로 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션 수행 단계(S530)를 포함한다.
여기서, 반사 신호 측정 단계(S510)는 찌그러진 관로(500), 관로(500) 주위의 싱크홀(700), 관로(500) 주위의 포크레인(800), 및 관로(500) 내부의 물(900) 등의 주위에서 반사된 반사 전파(S218)를 측정할 수 있다.
또한, 이상 지점 발생 확인 단계(S520)는 반사 신호가 일정값 이상인 지점에 대해 이상 지점의 발생으로 판단할 수 있다.
여기서, 이상 지점 분석 단계(S540)는 반사 신호를 거리에 따른 특성으로 분석하여 반사 신호가 일정값 이상인 지점의 거리를 이상 지점의 위치로 판단할 수 있다.
또한, 캘리브레이션 수행 단계(S530)는 반사 신호를 영점으로 캘리브레이션시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 이상 지점 발생 확인 단계(S520)는 반사 신호를 주기적으로 저장한 값과 비교하여 분석하여 일정값 이상인 지점에 대해 이상 지점의 발생으로 판단할 수 있다.
하나 이상의 예시적인 실시예에서, 설명한 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현된다면, 이 기능들은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 하나 이상의 명령 또는 코드로서 저장 또는 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 한 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전달을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 및 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함한다.
저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 가능한 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 한정이 아닌 예시로, 이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM이나 다른 광 디스크 저장소, 자기 디스크 저장소 또는 다른 자기 저장 디바이스, 또는 명령이나 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 전달 또는 저장하는데 사용될 수 있으며 컴퓨터에 의해 액세스 가능한 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 접속이 컴퓨터 판독 가능 매체로 적절히 지칭될 수 있다.
소프트웨어에서 구현에서, 여기서 설명한 기술들은 여기서 설명한 기능들을 수행하는 모듈들(예를 들어, 프로시저, 함수 등)로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드들은 메모리 유닛들에 저장될 수 있으며 프로세서들에 의해 실행될 수 있다. 메모리 유닛은 프로세서 내에 구현될 수도 있고 프로세서 외부에 구현될 수 있으며, 이 경우 메모리 유닛은 공지된 바와 같이 다양한 수단에 의해 프로세서에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
하드웨어 구현에서, 처리 유닛들은 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 디지털 신호 처리 디바이스(DSPD), 프로그래밍 가능 로직 디바이스(PLD), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 프로세서, 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 여기서 설명한 기능들을 수행하도록 설계된 다른 전자 유닛들, 또는 이들의 조합 내에 구현될 수 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당업자들은 다양한 실시예의 많은 추가 조합 및 치환이 가능함을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다.
더욱이, 상세한 설명 또는 청구범위에서 포함한다라는 용어가 사용되는 범위에 대해, 이러한 용어는 구성되는이라는 용어가 청구범위에서 과도적인 단어로 사용될 때 해석되는 것과 같이 구성되는과 비슷한 식으로 포함되는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템 및 방법은 관로 내에 무선 신호를 송수신하여 관로 이상 여부를 분석하는 장점이 있으며, 관로 및 관로 주변의 이상 발생을 조기에 검출하여 조기 경보를 발생함으로써 관로를 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다.

Claims (22)

  1. 관로로 무선 신호를 송신 및 수신하여 상기 관로 및 상기 관로 주변의 전파 특성을 분석하여 조기 경보 감시 서버 또는 조기 경보 표시 장치 중 적어도 어느 하나로 분석된 결과를 전송하는 조기 경보 분석 장치;를 포함하고,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    송신 신호를 발생하는 신호 송신부;
    상기 송신 신호와 수신 신호를 결합하는 신호 결합부;
    상기 송신 신호를 상기 신호 결합부에서 받아 공중으로 전파 및 공중에서 수신된 전파를 상기 신호 결합부로 전송하는 안테나;
    상기 신호 결합부를 통해 상기 수신 신호를 수신하는 신호 수신부; 및
    상기 송신 신호 및 상기 수신 신호를 분석하여 상기 관로 및 상기 관로 주변의 전파 특성을 분석하는 신호 처리부;를 포함하고,
    상기 안테나는 관로 내부 또는 외부 중 적어도 어느 하나에 관로 방향에 대해 수직 및 수평 중 어느 한 방향으로 배치된 지향성 안테나 또는 전방향 안테나를 포함하고,
    상기 전방향 안테나가 상기 관로와 수평으로 배치되면 상기 전방향 안테나의 길이를 상기 관로의 직경보다 길게 형성하고,
    상기 전방향 안테나가 상기 관로와 수직으로 배치되면 상기 전방향 안테나의 길이를 상기 관로의 직경보다 짧게 형성하고,
    상기 지향성 안테나는 다수의 수직 안테나를 포함하여 상기 관로와 수평으로 배치되고, 상기 지향성 안테나의 제1 부분은 상기 관로의 외부에 배치되고, 상기 지향성 안테나의 제2 부분은 상기 관로의 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 표시 장치는, 상기 관로에서 새어 나오는 상기 조기 경보 분석 장치의 송신 신호가 일정값 이상일 경우 경보를 표시 또는 상기 관로 주변에 이상이 발생한 장소에 위치한 상기 조기 경보 표시 장치에서 상기 조기 경보 분석 장치 또는 상기 조기 경보 감시 서버로부터 경보 표시를 요청 받아 경보를 표시하는 것 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 감시 서버는, 상기 조기 경보 분석 장치로부터 상기 관로 주변의 이상 유무를 보고 받아 상기 조기 경보 분석 장치를 관리 및 운용하고 이상이 발견된 장소에 위치하는 상기 조기 경보 표시 장치로 경보 표시를 요청하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    상기 조기 경보 감시 서버 또는 또다른 상기 조기 경보 분석 장치와 스타 구조 및 트리 구조 중 적어도 어느 하나의 네트워크로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    신호 결합부의 신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력에서 신호 송신부의 신호를 제거하는 신호 제거기;를 포함하는 신호 수신부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    신호 송신부의 신호를 안테나로 전송하고 상기 안테나의 신호를 신호 수신부로 전송하며 상기 신호 송신부의 신호는 상기 신호 수신부로 전송하지 않는 써큘레이터를 포함한 신호 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    찌그러진 상기 관로에서 반사된 반사 전파를 분석하여 찌그러진 상기 관로의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    싱크홀 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 상기 싱크홀의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    포크레인 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 상기 포크레인의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 조기 경보 분석 장치는,
    물 주위에서 반사된 반사 전파를 분석하여 상기 물의 위치를 분석하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템.
  17. 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 시스템에서 수행하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법으로서,
    반사 신호를 측정하는 반사 신호 측정 단계;
    상기 반사 신호를 분석하여 이상 지점의 발생을 확인하는 이상 지점 발생 확인 단계;
    상기 이상 지점의 발생이 확인될 경우 상기 이상 지점의 위치를 분석하는 이상 지점 분석 단계; 및
    상기 이상 지점의 발생이 확인되지 않을 경우 현재 반사 신호를 토대로 캘리브레이션을 수행하는 캘리브레이션 수행 단계;를 포함하고,
    상기 반사 신호 측정 단계는, 관로 내부 또는 외부 중 적어도 어느 하나에 관로 방향에 대해 수직 및 수평 중 어느 한 방향으로 지향성 안테나 또는 전방향 안테나 중 어느 하나를 통하여 송수신되는 무선 신호가 반사된 신호를 측정하고,
    상기 전방향 안테나가 상기 관로와 수평으로 배치되면 상기 전방향 안테나의 길이가 상기 관로의 직경보다 길게 형성되고,
    상기 전방향 안테나가 상기 관로와 수직으로 배치되면 상기 전방향 안테나의 길이가 상기 관로의 직경보다 짧게 형되하고,
    상기 지향성 안테나는 다수의 수직 안테나를 포함하여 상기 관로와 수평으로 배치되고, 상기 지향성 안테나의 제1 부분은 상기 관로의 외부에 배치되고, 상기 지향성 안테나의 제2 부분은 상기 관로의 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 반사 신호 측정 단계는,
    찌그러진 관로, 상기 관로 주위의 싱크홀, 상기 관로 주위의 포크레인, 및 상기 관로 내부의 물 중 적어도 어느 하나의 주위에서 반사된 반사 전파를 측정하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 이상 지점 발생 확인 단계는,
    상기 반사 신호가 일정값 이상인 지점에 대해 상기 이상 지점의 발생으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 이상 지점 분석 단계는,
    상기 반사 신호를 거리에 따른 특성으로 분석하여 상기 반사 신호가 일정값 이상인 지점의 거리를 상기 이상 지점의 위치로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 수행 단계는,
    상기 반사 신호를 영점으로 캘리브레이션시키는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 이상 지점 발생 확인 단계는,
    상기 반사 신호를 주기적으로 저장한 값과 비교하여 분석하여 일정값 이상인 지점에 대해 상기 이상 지점의 발생으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 지하시설물의 이상 발생 조기경보 분석 방법.
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