KR101844495B1 - 모션 센서값을 이용하여 착용자의 활동을 인식할 수 있도록 하는 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부착형 개인용 선량계에서 모션 센서를 이용해 방사능작업자의 활동 내용을 파악하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개인용 선량계의 방사능 측정 데이터와 방사능작업자의 모션 데이터를 통합하여 분석함으로, 방사능작업자의 개인용 선량계 정상 착용 여부 및 특정 시점의 방사선량과 작업 행태를 파악할 수 있고, 이런 데이터를 바탕으로 방사능작업자의 작업행위 개선 및 방사능 위험 인식 개선에 도움이 되는 수단을 제공한다.

Description

모션 센서값을 이용하여 착용자의 활동을 인식할 수 있도록 하는 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법{Data processing method of a personal radiation detector to recognize the activity of the wearer by using motion sensor}

본 발명은 개인용 방사능 선량계에서 모션 센서를 이용해 착용자의 활동 내용을 파악하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 착용자의 방사능 측정 데이터와 모션 데이터를 통합하여 분석함으로써, 착용자의 방사능 측정기 정상 착용 여부 및 작업 행태를 파악할 수 있고, 이런 데이터를 바탕으로 착용자의 작업행위 개선 및 방사능 위험 인식 개선에 도움이 되는 모션 센서값을 이용하여 착용자의 활동을 인식할 수 있도록 하는 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법에 관한 것이다.

방사능은 단위 시간당 핵변화의 수를 말하며 베크렐(Bq) 또는 큐리(Ci)라는 단위를 사용한다. 1베크렐은 물질내에서 매초 1개의 핵변환이 일어나는 수이다. 방사능은 시간이 경과함에 따라 감쇠가 일어나며 반감기는 초기 방사능이 반으로 줄어드는데 걸리는 시간을 말한다. 이와 같이 방사능이 감쇠하는 과정에서 방사성 붕괴가 일어나며 이때 원자 또는 원자핵에서 방출되는 입자 또는 전자파 형태의 에너지의 흐름이 방사선이다. 방사선은 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선, 전자선, 양성자, 중성자선 등으로 세분화된다. 방사선은 종류에 따라 에너지 세기나 투과성 등 물리적 특성이 다양하게 나타나며, 인체에 해로운 영향을 미치는 경우도 있다. 동일한 양의 방사선 흡수선량을 피폭 받더라도 인체에 조사 시 방사선의 종류 및 에너지에 따라 보건상의 위험도가 다르기 때문에 생물학적 효과를 반영하여 흡수선량을 보정한 방사선량을 시버트(Sv) 또는 렘(rem) 이라는 단위로 나타낸다. 1Sv = 100rem 이다. 세계적으로 일반인의 연간 평균 방사선 피폭량은 2.4mSv이며, 원인물질에 따라 라돈(55%), 인체내방사선(11%), 지각방사선(8%), 우주선(8%) 등을 자연방사선이라하고, 진단X-선(11%), 치료방사선(4%), 소비재(3%) 등을 인공방사선이라 한다. 이러한 자연방사선에 의한 피폭이외에 인공방사선에 의한 피폭이 과도하면 인체에 해를 끼치므로 일반인은 연간 1mSv, 방사선작업종사자는 연간 50mSv를 넘지 않도록 방사선량 한도를 정해서 정부에서 법률로 관리하고 있다. 하지만 의료용CT 촬영 1회에 연간허용한도를 초과하는 6.9mSv를 피폭해야 하는 등 의료상 피폭이 증가하고 있으며, 이로 인한 사회적 리스크도 증가하고 있다. 미국 같은 경우 1980년 연간 개인평균피폭선량이 3.6mSv이며 이중 0.8mSv가 의료용 피폭이었다. 하지만 2006년에는 연간 개인평균피폭선량이 6mSv로 증가되었으며 이중 4.5mSv가 의료용 피폭으로 26년동안 5배이상 의료용 피폭이 증가된 것을 볼 수 있다.

의료기관, 핵발전소, 핵연구소 등 핵취급기관의 종사자는 법률에 의해 개인용방사선량계를 의무적으로 착용하게 되어 있으며, 방사능 피폭에 의한 사고가 발생되지 않도록 국가에서 관리하고 있다. 개인용 방사선량계는 일반적으로 열형광선량계(Thermo Luminescent Dosimeter, TLD)라 부르는 것으로 수개월 단위의 사후적인 누적량을 측정하고 있다. 열형광선량계는 실시간 측정을 할 수 없으므로 개인용선량계(Personal Radiation Dosimeter, PRD)라 부르는 실시간 측정 선량계를 산업현장에서 보조적으로 사용하고 있지만 커다란 부피와 높은 가격, 측정의 부정확성 등의 요인으로 인해 산업계에 확산되지 않고 있다.

종래의 열형광선량계(TLD)는 열형광 물질(Thermoluminiscence)이 방사선을 받으면 에너지를 흡수하고, 열을 가하면 포집된 전자가 이탈하면서 빛의 형태로 에너지를 다시 방출하는 현상을 이용하여 방사선 피폭량을 측정하는 뱃지 형태의 측정도구이다. 전세계 대부분의 의료기관과 산업현장에서 근무하는 방사선작업종사자에게 법에 의해 강제되어 가장 광범위하게 사용되는 개인용 방사선측정도구이다. 하지만 열형광선량계는 실시간 측정이 불가능하여 2~3개월 주기로 측정전문업체가 수거하여 측정을 대행하며, 사후적인 누적양 만을 파악할 수 있다. 따라서 방사선종사자에게 언제, 어디서, 어떻게 방사선을 피폭했는지 알 수 없으므로 작업자의 안전을 지원하고 작업자의 행동과 의식을 개선하고 적극적으로 피폭량을 관리하는데 도움을 주지 못하고 있다.

상기의 열형광선량계의 문제점을 개선하기 위해 휴대형 개인용 선량계(PRD)가 보급되고 있다. 개인용 측정기이므로 휴대가능한 크기이며, 실시간으로 방사선량을 측정하여 디스플레이로 표시하고, 비상시 또는 기대치 이상의 선량이 측정되면 알람으로 경고할 수 있고, 즉각적인 보호조치를 취할 수 있도록 도와준다. 하지만 개인용선량계(PRD)는 수백만원 이상으로 고가라서 모든 방사선종사자가 착용하기에는 금전적인 부담이 크고, 개인이 휴대 가능하지만 상대적으로 커서 착용하기에는 적합하지 않고, 배터리 교체등 관리의 복잡함도 존재해서 널리 보급되지 않고 있으며, 피폭량을 체계적으로 관리하고 모니터링하는 목적으로는 적합하지 않다. 또한 법적인 의무 착용 기기가 아니므로 현장에서 외면되고 있다.

열형광 선량계(TLD)와 개인용 선량계(PRD) 모두 통신 기능이 없으므로 측정된 방사선량을 관제 서버로 보내지 못한다. 이러한 결점으로 인해 개인별 피폭 데이터가 축적되지 못하며, 피폭 데이터에서 의미 있는 개선 대책을 찾아낼 방법도 없다. 또한 방사선 측정 센서만 내장하고 있어서 방사선량 데이터는 알아낼 수 있으나, 모션 센서가 없어서 작업자의 행동과 연계된 피폭 데이터를 추출할 수 없다.

대한민국 등록특허 제 10-0470465 호(2005년01월27일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 실시간 방사선량 측정 데이터와 모션 센서 데이터를 결합하고 이를 통신 장치를 이용해 관제 서버로 보내도록 하여, 작업자의 실시간 및 누적시간 방사선량 및 행동 양태 분석을 통해 방사선 종사자의 작업 개선 방법을 제공하여 방사선종사자의 안전에 도움을 주는 모션 센서값을 이용하여 착용자의 활동을 인식할 수 있도록 하는 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모션 센서값을 이용하여 착용자의 활동을 인식할 수 있도록 하는 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법은, 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법에 있어서, 선량계에 장착된 방사선센서 값을 검출하는 단계; 선량계에 장착된 모션 센서의 값으로 움직임량을 생성하는 단계; 선량계에 장착된 모션 센서의 값에서 중력 축의 변화량인 충격량을 생성하는 단계; 선량계에 장착된 시계센서에서 측정 시각을 생성하는 단계; 상기 센서들의 데이터 값을 하나의 패킷 데이터로 결합하는 단계; 통신 장치를 통해 상기 패킷 데이터를 관제 서버로 송신하는 단계; 및 상기 패킷 데이터의 방사선센서 값 및 모션 센서 값을 토대로 선량계 착용자의 방사능 작업 환경에서 움직임 상태를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모션 센서는 3축 가속도 센서를 사용함이 바람직하다.

또한, 상기 충격량과 상기 방사선센서 값을 토대로 고준위방사능상태에서 하강충격이 발생하면 경보를 발령하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.

또한, 활동 시간과 정지 시간을 비교하여 선량계의 미착용 여부를 판별하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.

또한, 작업자의 작업 내역이 없는 시간에 상기 움직임량이 활동 상태이고 상기 방사선센서 값이 기준값 이상인 경우, 타인에 의한 사용이라고 판단하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.

또한, 상기 통신 장치는 지그비 통신, 블루투스 통신, 와이파이 통신, 및 저출력광대역무선통신기술(Low Power Wide Area Network, LPWAN) 중 어느 하나를 사용함이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 방사선 센서에 의한 방사선 검출 데이터 및 모션 센서에 의한 작업자의 모션 데이터 및 측정 시간 데이터를 결합하여, 유선 또는 무선 통신 장치를 이용해 관제 서버로 전송하고, 서버는 작업자의 행태를 추출하여 작업 방식 개선 및 안전 의식 고취의 방법을 생성하는 수단을 제공한다.

구체적으로 실시간 방사선 측정의 위험 범위를 안전, 주의, 경고 등으로 세분화하고, 모션 센서의 모션 데이터를 정지와 활동으로 구분하며, 측정 시간과 연동한다. 특히 고준위 방사선 피폭시 실시간으로 측정 및 알람이 가능하고, 모션 센서의 중력축 변화를 이용한 실시간 충격 감지 기능을 제공한다. 누적된 방사선량 데이터와 모션 데이터를 작업자의 활동 내역과 비교하여 작업자의 작업 행태를 개선할 수 있는 구체적인 수단을 제공한다.

본 발명에 따르면 고준위 방사선 피폭시 대피 알람을 실시간으로 발령하며, 모션 센서에서 충격이 감지되면 알람 발령 및 서버 경보 발령을 통해 작업자 대피 및 구조를 즉각 실시하게 할 수 있는 수단을 제공하는 효과가 있다.

또한 작업자의 작업 시간 및 방사선 피폭량, 움직임량 및 충격량을 교차 비교하여 작업자가 보다 안전한 작업환경에서 작업할 수 있도록 작업 방법을 개선할 수 있으며, 방사능 사고 발생시 정확한 원인 진단 및 처치를 통하여 재발 방지 및 작업 매뉴얼 개선 수단을 제공하여 방사능종사자의 보다 안전한 환경 구축이 기대되는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 개인용 선량계의 하드웨어 구성도이다.
도 2는 본 발명의 개인용 선량계 및 관제 서버의 시스템 구성도이다.
도 3은 3축 가속도 센서의 방향성을 나타이다.
도 4는 본 발명에서 사용하는 패킷 데이터 형식이다.
도 5는 본 발명의 데이터 베이스 예제이다.
도 6은 본 발명에서 사용하는 데이터의 판단 기준표이다.
도 7은 본 발명의 데이터 베이스를 그래프로 표현한 것이다.
도 8은 경보 발생 규칙에 따른 경보 발생 상황을 나타낸 그래프이다
도 9는 충격량과 방사능 상태에 따른 경보 발생 규칙에 대한 알고리즘이다

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부착형 개인용 선량계(Wearable Personal Radiation Dosimeter, WPRD)의 하드웨어 블록도이다.

본 발명에 따른 방사선량 측정장치를 종래의 열형광선량계(TLD)나 개인용선량계(PRD)와 구별하기 위해 부착형 개인용 선량계(WPRD)라 부르기로 한다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)는 종래의 열형광선량계(TLD)가 가진 소형, 저가격의 장점과 종래의 개인용선량계(PRD)가 가진 실시간측정, 알람, 통신기능의 장점을 모두 구현한 소형 개인용 부착형 방사선 선량계이다.

여기에 종래의 선량계에서는 볼수 없는 모션 센서를 부착하여 작업자의 움직임을 파악할 수 있다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)의 하드웨어는 부착형이라 배터리(101)를 전원으로 사용한다. 배터리(101)의 충전 및 방전을 제어하는 전원부(102)가 있고, 배터리의 잔량을 측정할 수 있는 전위센서(114)가 있어서 충전 시기를 알려줄 때 사용한다. 종래의 열형광선량계(TLD)는 전자회로가 필요없으므로 중앙처리장치(112)나 전원부(102)가 필요하지 않으나, 종래의 개인용선량계(PRD)는 전자회로를 사용하므로 중앙처리장치(112)와 전원부(102)가 필수적이다. 중앙처리장치(112)는 부착형 개인용 선량계(WPRD)의 모든 제어와 판단을 담당하며, 메모리(108)는 측정 데이터 및 실행 데이터를 저장하는 장치이다. 관제 서버(207)와 유선통신(103) 또는 무선통신(105)을 이용해 측정 데이터를 전달하기 전까지 측정데이터를 보관하며, 메모리(108)가 클수록 데이터를 더 많이 누적하여 저장할 수 있다.

방사선센서(106)는 선량계의 핵심 부품으로 방사선량을 측정하는 장치이다. 방사선센서(106)는 방사선 측정 방식에 따라 GM counter, Ionization chamber, Semiconductor Detector, Scintillator 등으로 분류할 수 있다. 어떤 측정 방식의 센서라도 본 발명의 방사선센서(106)로 사용할 수 있지만, 크기나 소비전류, 측정신뢰도 등을 종합적으로 보면 Scintillator 방식의 방사선센서가 제일 적합하다 할 것이다. 방사선센서(106)는 자연방사선량인 0.1uSv/Hr 이하를 측정할 수 있어야 하며, 사용하는 용도에 따라 베타선, 감마선, X-선, 중성자 등 여러 종류의 방사선 및 에너지를 측정할 수 있어야 한다. 특히 배터리로 동작되어야 하므로 저소비전류 특징은 필수라 할 것이다.

모션 센서(113)는 도 3 및 하기 수학식 1의 원리를 이용하여 움직임을 파악하기 위한 센서로 본 발명의 핵심적인 장치이다. 모션 센서(113)는 3축 가속도 센서(Accelerometer)가 가장 널리 사용되며, 본 발명에서도 3축 가속도센서의 원리에 기초하여 설명하고 있지만, 자이로센서(Gyro sensor), 지자기센서(magnetic sensor) 등을 이용하여도 움직임을 추출할 수 있으므로, 이러한 센서를 사용하여도 본 발명의 내용을 벗어 나지 않는다. 모션 센서(113)는 일반적으로 MEMS(Microelectromechanical systems) 나노 기술을 이용하여 반도체로 제작하며 전자회로처럼 전류를 소모한다. 배터리로 동작할 만큼 소비전류가 많지 않으나, 가속도 센싱을 위해서는 수mA 정도 꾸준히 전류를 소비한다.

시계(109)는 정확한 측정 시각을 알기 위해 필요하다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)에서 처리하는 센서 데이터는 전위, 방사선량, 모션의 3가지 종류이며 이 데이터는 정확한 측정 시각을 알아야 의미 있는 행동 분석이 가능하므로 실시간 클럭 생성기(Real Time Clock Generator) 특성을 가진 시계(109)를 사용해야 한다. 입력부(110)는 사용자 설정이나, 알람 해제, 디스플레이 조작 등의 사용자 입력을 위한 장치로 버튼스위치 등을 말한다. 디스플레이(111)는 측정결과출력, 각종 메시지출력, 동작상태확인 등 사용자 편의를 위해 각종 정보를 출력하는 장치로 LCD와 같은 고급 기능의 디스플레이(111)도 가능하지만, 부착형, 저전력 등의 제한을 고려하면 LED와 같은 단순 디스플레이(111)가 더 적합할 수 있다. 알람 경보기(107)는 고준위 방사선 피폭이나 작업자 쓰러짐 발생 등의 위급 상황을 알리기 위한 알람을 생성하는 장치이다. 알람 경보기(107)는 소리, 빛, 진동 등의 형태로 알람을 발생할 수 있다.

무선통신부(103)는 부착형 개인용 선량계(WPRD)의 각종 데이터를 외부에 있는 관제 서버(207)나 스마트폰(202), 노트 패드(203) 등의 단말기에 전송하기 위한 무선통신장치이다. 무선 통신 기술로는 IEEE802.15.1 Bluetooth 통신 기술, IEEE802.15.4 ZigBee 통신 기술, IEEE802.11 WIFI 과 같은 근거리 무선통신 기술이나, SigFox, LoRa 같은 LPWAN(Lower Power Wide Area Network) 기술, 400MHz, 800MHz, 900MHz ISM 대역을 활용한 무선통신 기술 등이 사용될 수 있으며, 3G/4G와 같은 이동통신(Cellular Network) 기술이 사용될 수도 있을 것이다. 안테나(104)는 무선통신부(103)의 송수신 RF 신호를 공중으로 방사하는 장치인데, 부착형 개인용 선량계(WPRD)는 부착형의 특징을 가지므로 내장안테나(Intenna)로 설계해야 실용적일 것이다. 무선통신부(103) 및 안테나(104)는 RF 무선 신호로 인한 간섭으로 방사선센서(106)의 방사선 측정 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 무선통신부(103)와 방사선센서(106)는 회로적으로 분리를 철저히 하여 상호 간섭현상이 발생하지 않도록 설계하여야 한다. 유선통신부(105)는 USB, Serial, Ethernet 등의 유선통신을 이용해 외부와 데이터를 교환하기 위한 장치이다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)의 특징을 고려하면 무선통신부(103)가 주 통신채널(Primary Communication Channel)이 되고, 유선통신부(105)는 보조 통신채널(Secondary Communication Channel)이 되는 것이 일반적이다.

도 2는 부착형 개인용 선량계(WPRD)를 사용한 관제 시스템을 나타낸다. 도 1에서 설명한 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 방사선량, 움직임 등 도 4의 패킷메시지가 관제 서버(207)에 전달되는 과정을 설명한다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 무선통신부(103)가 생성한 무선신호(209)를 이용해 게이트웨이(Gateway)(208)로 전달되고, 게이트웨이(208)는 인터넷(204)을 통해 관제 서버(207)로 전달한다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)는 소비전류 및 비용 등의 문제로 근거리 무선통신 기술을 사용하므로 관제 서버(207)까지 데이터를 전달하기 위해서는 광대역 통신기능을 가진 게이트웨이(208)를 거쳐야 한다. 한편 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)는 관제 서버(207)를 거치지 않고 작업 현장 주위의 스마트폰(202) 혹은 PC나 노트 패드(203) 등의 단말기와 직접 통신하여 바로 데이터를 전달하고 간단한 통계나 경고작업 등을 할 수도 있다. 예를 들어 병원에서 방사능 치료중에 치료실 내에 있는 환자나 의료진에게 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)를 부착하고 치료 현장에서 여러 명의 방사능 피폭 데이터를 동시에 수집하여 방사능 피폭 현황을 치료실 벽에 설치된 노트 패드(203) 화면으로 실시간으로 모니터링하는 경우도 있을 것이다. 이러한 경우라도 스마트폰(202)이나 노트 패드(203) 등의 단말기는 데이터를 관제 서버(207)에 보내 전체 데이터베이스가 서버에 집중되도록 해야 할 것이다. 관제 서버(207)는 수집된 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 데이터를 분석(Analysis)(205)하고 경고(Alert)(206)를 발생하는 등의 관제 업무를 처리한다. 관제 서버(207)의 데이터는 지역별, 국가별, 사업군 별 등의 또 다른 관리 서버와 연동하여 보다 더 광범위한 단위의 방사능 데이터베이스를 구축하는데 이용될 수도 있다.

도 3은 3축 가속도 센서(Accelerometer)의 방향성을 나타낸다. 가속도 센서는 중력가속도 g(gravity)를 단위로 한다. X와 Z는 수평방향 가속도를 검출하며 가속도가 없는 정지상태나 등속상태인 경우 0g 이다. X축 방향으로 가속도가 발생하면 양의 값이, X축 반대방향으로 가속도가 발생하면 음의 값이 발생된다. Z축 방향의 가속도 특성은 X축 방향과 동일하다. Y축 방향의 가속도는 정지상태에서 1g의 값을 가진다. 이는 중력 가속도가 항상 작용하기 때문이다. Y축 방향으로 가속도가 발생하면, 즉 위로 상승하게 되면 1보다 큰 값이 발생되며, Y축 반대 방향으로 가속도가 발생하면, 즉 아래로 하강하게 되면 1보다 적은 값이 발생된다. 본 발명에서는 가속도 센서의 Y축 방향성을 유지하도록 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)를 설계하였다고 가정하였다. 즉 가속도센서의 X, Z축은 바뀌어도 상관없지만, Y축은 유지되도록 설계하였다. 이렇게 방향성을 유지하도록 설계하였다는 것은 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)가 방사능작업자의 몸에 착용될때도 자연스럽게 Y축이 유지되도록 디자인하였다는 것을 의미한다. Y축이 유지되도록 한 것은 뒤에 설명하는 충격 동작 검출이 Y축에 절대적으로 영향을 받기 때문이다. 만일 이러한 방향성 유지가 불가능한 디자인인 경우 초기화 과정을 통해 방향을 입력할 수 있다. 즉 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)를 작업자에게 부착하고 최초 운영하는 단계에서, 미리 지정한 시나리오에 따라 위로, 아래로, 앞으로, 뒤로 와 같이 지정된 방향으로 움직여주면서 이에 반응하는 센서값을 보고, X,Y,Z축을 알아낼 수 있다.

3축 가속도 센서에서 움직임이란 X,Y,Z 각 축의 변화량을 의미한다. 이를 수식으로 나타내면 하기 수학식 1과 같다.

수학식 1)

여기서 Y 축에만 1을 뺀 것(y-1)은 상기한 것과 같이 Y 축으로 중력 가속도 1g가 항상 작용되므로 이 현상를 보정하기 위한 것이다. 그리고 t=0에서 59까지 합하기를 하였는데 이는 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 각종 센서 추출 단위를 분 단위로 하기로 메시지를 정의하였기 때문에 초 단위로 검출되는 모션 센서 값을 60초 동안 합하여 분단위의 움직임으로 환산하기 위한 과정이다. 만일 기본 시간 단위를 변경한다면 이에 따라 움직임이나 방사선량 등의 누적시간도 같이 변화되어야 할 것이다. 수학식 1과 같이 각 축의 값을 제곱해서 더하는 것은 이동 방향성은 무시하고 단지 이동 변화량만 얻으려고 하기 때문이다. 만일 각 축에 대한 변화량이 별도로 필요한 응용에서는 각 축의 값만 따로 추출해서 사용해도 된다.

3축 가속도 센서에서 충격이란 Y축의 변화량을 의미한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식 2와 같다.

수학식 2)

여기에서 보듯이 Y축만 충격 감지에 사용한다. 그리고 초단위의 센서 변화량을 분단위로 환산하기 위해 더하는 과정도 없다. 이는 충격이란 것이 Y축으로 1초 이하의 짧은 시간에 일시적으로 발생하는 것이기 때문에 이러한 충격의 특성을 고려하여 설계한 것이다. 다만 분 단위로 적용되는 다른 데이터와 달리 충격량은 초 단위로 적용해야 한다는 것을 시스템 설계자는 염두에 두어야 할 것이다. 상기와 같이 위 아래 Y축의 순간 움직임 변화량이 충격량이므로, Y축이 위 아래 방향을 향하도록 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 외형이 디자인되어야 할 것이다. Y축을 충격량으로 설정한 것은 방사능작업자의 움직임 특성을 분석해 볼 때 충격으로 실신하거나 넘어질 때 Y축 값이 급격하게 변화하기 때문이다. 만일 작업자의 다른 움직임 특성이 충격으로 해석되어 질 때는 거기에 적합한 다른 값을 사용해야 할 것이다.

도 4는 본 발명에서 사용하는 데이터 형식이다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 관제 서버(207)에 전송하는 패킷 데이터(401)는 메시지의 속성부분을 말하는 헤더(Header)(402)와 메시지의 내용부분을 말하는 데이터(Data)(403)로 구분할 수 있다. 헤더(402)는 패킷의 종류(Packet Type)(404)와 장치 일련 번호(Device ID)(405), 순차번호(Sequence Number)(406)로 구분된다. 패킷의 종류(404)는 메시지 패킷이 명령어인지, 데이터인지 등 사전에 약속된 메시지의 속성을 말하는 것으로 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 데이터 속성 1가지만 사용한다고 가정한다. 장치 일련 번호(405)는 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 고유 식별 번호로 중복되지 않게 기기마다 부여된 고유의 번호를 말한다. 순차번호(406)는 패킷(401)의 전송 차수를 말한다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 제일 처음 보낸 패킷은 1, 그 다음 보낸 패킷은 2, 이와 같이 순서대로 증가하는 값으로 보통 16비트 (65536개)의 범위를 가지며, 메시지의 중복이나 누락 등을 판정하기 위한 용도로 사용된다. 패킷 데이터(Data)(403)는 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에 내장된 각종 센서 값등 관제 서버(207)에서 처리하기 위한 실제적인 데이터이며, 검출시각(Timestamp)(407), 방사선량(Radiation)(408), 움직임량(Movement)(409), 충격량(Shock)(410), 베터리잔량(Battery Level)(411), 오류확인값(Checksum)(412)로 구성된다. 검출시각(407)은 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 각종 센서가 데이터를 검출한 시각을 나타내며, 본 발명에서는 분 단위로 설정하였다. 정확한 시간을 보장하기 위해 하드웨어에 내장된 시계(109)를 사용한다. 방사선량(408)은 방사선센서(106)에서 검출된 분당 방사선량을 uSv단위로 환산한 값이다. 움직임량(409)은 모션 센서(113)에서 검출된 X,Y,Z의 변화량을 수학식 1과 같이 변환한 값이다. 충격량(410)은 모션 센서(113)에서 검출된 Y의 변화량을 수학식 2와 같이 변환한 값이다. 베터리잔량(411)은 전위센서(114)에서 검출한 배터리(101)의 전위값이다. 오류확인값(412)은 패킷(401)의 전체 데이터에 오류 없이 전송되었는지 확인하기 위한 용도로 사용하는 값으로 패킷(401)의 전체 데이터를 합산한 값을 주로 사용한다.

도 5는 관리 서버(207)에서 수신한 도 4의 패킷(401)에서 데이터(403)를 정리하여 예제로 보인 것이다. 시각(501)은 검출시각(407)으로 분단위로 나타내며 본 예제는 날짜정보 없이 오전 9:00부터 시작하는 것으로 설명되고 있으나, 실제 데이터베이스에는 날짜 정보가 같이 포함되어야 할 것이다. 방사선량(502)은 uSv 단위로 저장되며 소수 1자리까지 처리하는 것이 보통이다. 움직임량(503)과 충격량(504)은 모션 센서(113)의 검출 결과이며 단위는 중력가속도 g이며 소수 1자리까지 처리한다. 이와 같이 시각(501), 방사선량(502), 움직임량(503), 충격량(504)은 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 검출한 데이터(403) 필드이며, 이후의 방사능 상태(505), 움직임 상태(506), 충격 상태(507), 작업 일지(508) 등은 서버에서 분석하고 판단한 가공 데이터 필드이다.

가공 데이터 필드는 도 6의 기준표로부터 추출할 수 있다. 방사선량 안전기준표(uSv)에서 0~0.5uSv는 자연방사능 수준으로 안전하다고 할 것이다. 0.6~5.0uSv는 지속적으로 노출되면 개인별 연간 방사능 피폭 한도에 이를 수 있으므로 주의가 필요한 수준이다. 5.1~20.0uSv는 한시간 이상 지속적으로 노출되면 위험해질 수 있어서 경고가 필요한 수준이다. 20.1uSv는 잠시만 피폭되어도 위험해질 수 있으므로 즉시 대피가 필요한 수준이다. 이러한 방사선량 안전 기준값은 방사선 작업 환경과 방사선 안전 기준에 따라 변경해서 설정할 수 있다. 움직임량 기준표는 도 5의 움직임량에서 0.1g 이하면 정지로 구분하고 0.2g 이상이면 활동으로 구분한다. 0.2g 이상의 활동량은 세부적인 구분이 없이 활동 있음 상태만 구별하기 위한 것으로 만일 방사선 작업 환경에 따라 활동량 적음, 활동량 많음 등 세부적인 활동량을 구분할 필요가 있으면 더욱 세분화할 수 있을 것이다. 충격량 기준표는 자연계의 중력가속도인 1g를 기준으로 변화량을 검출하며 자연낙하인 경우 0.0g가 검출되므로 0.4g 이하는 하강충격으로 판정할 수 있을 것이다. 즉 0.4g 이하는 하강에 의한 충격 발생으로 작업자가 갑자기 넘어진 것으로 유추할 수 있을 것이다. 1.5g 이상의 값은 상승에 의한 충격으로 작업자가 갑자기 일어선 것으로 유추할 수 있을 것이다. 모션 센서(113)의 특징에 따라 작업자가 천천히 일어나더라도 이를 누적하면 갑자기 일어난 것과 같은 값을 얻을 수 있으므로, 이러한 상승충격이 발생하면 작업자가 일어선 것으로 판정할 수 있을 것이다. 0.5~1.4g의 범위는 자연적인 활동에 따라 자세가 위 아래로 움직인 것으로 판단되어 충격 없음으로 판정할 수 있을 것이다.

도 7은 도 5의 값을 그래프로 표현한 것으로 움직임량과 방사선량을 더욱 시각적으로 이해하기 쉽게 보여주기 위한 것이다. 충격량은 중력가속도인 1g 근처에 분포하고 있는 것을 쉽게 알 수 있으며, 방사선량은 검출범위가 0.1~21.5uSv로 200배 이상 광범위하게 분포하는 것을 시각적으로 쉽게 알 수 있다. 움직임량은 3.0g를 초과하지 않는 것으로 나타나는데, 실제 작업자가 과격하게 움직이지 않는다면 변화량이 그렇게 크지 않음을 알 수 있다. 실제적으로 방사선량이 자연 방사선량보다 수천배~수십만배 차이나는 인공방사선량이 순간적으로 발생할 개연성은 충분하므로 방사선량은 이러한 그래프로 표현하기 힘들 만큼 아주 큰 범위에 분포하고 있음을 알 수 있다.

도 5의 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에서 추출한 각종 센서 데이터를 바탕으로 관제 서버(207)의 분석 프로그램(205)과 경고 프로그램(206)의 판단 기준을 설정할 수 있다. 방사능 상태(505)는 방사선량(502)을 보고 판단하며, 움직임 상태(506)는 움직임량(503), 충격 상태(507)는 충격량(504)을 보고 판단한다. 작업일지(508)는 방사능작업자의 일지를 바탕으로 세부 작업 단위를 파악하기 위한 것으로 수작업 또는 별도의 장치를 통해 입력받는다. 도 5의 데이터베이스를 시간대 별도 해석해 보면 9:00분에 출근하여 9:02분까지 휴식상태임을 알수 있다. 9:03분에 방사선치료기기를 점검하기 위해 활동을 시작하였으며 9:04분까지 안전한 방사능 상태에서 정상적인 활동을 한 것을 알수 있다. 9:05분 방사선원을 이동하는 과정에서 하강충격(507)이 발생하였으나, 방사능 상태(505)는 안전한 상태이므로 도 9의 경보 발생 규칙에 따라 경보를 발령하지는 않았다. 9:06분에 상승충격(506)이 감지되었으므로 작업자가 자세를 회복하고 정상 활동을 이어나감을 확인할 수 있다. 이러한 경우 작업자에게 방사선원 이동 시에 사고가 발생하지는 않았지만 작업자의 넘어짐이 있었으므로 다음 작업시에는 보다 주의를 기울이고 침착하게 이동하여야 한다는 것을 작업자에게 주지시킬 수 있고 이는 본 발명의 효과 중 하나인 방사능작업자의 활동 행태 개선을 통한 안전도 증가의 목적을 달성할 수 있음을 보여준다. 9:08분 방사선치료기기를 1대 작동하니 방사능 상태(505)가 주의 단계로 격상됨을 알수 있다. 하지만 9:11분까지 정상적인 활동을 이어가고 있으므로 별도의 조치는 필요하지 않다. 9:12분 방사선치료기기를 2대 더 가동하여 총 3대의 기기가 동시에 가동되니 방사능 상태(505)가 경고 수준으로 증가 되었다. 9:14분까지 방사능 상태(505)는 경고 수준으로 높지만 전체적인 움직임 상태(506)는 정상인 상태가 유지되다가, 9:15분 하강충격(507)이 발생하였다. 이는 방사능작업자가 경고 수준의 방사능 상태(505)에서 갑자기 넘어진 것으로서, 도 9의 경보 발생 규칙에 따라 경보를 발생하고 구조대를 파견한다. 9:16분 상승충격(507)이 발생하고 움직임 상태(506)가 활동으로 유지되는 것으로 보아 방사능작업자가 구조 또는 회복되어 정상활동 중임을 알수 있다. 이러한 경우에도 작업자의 충격 원인을 사후에 분석하여 작업자에게 알려주고, 작업 매뉴얼을 개선하여 추후 동일한 경고가 발생하지 않도록 예방 조치한다. 9:18분부터 방사능 상태(505)가 안전한 수준에서 정상적인 움직임 상태(506)를 보이다가 9:21분 방사능상태(505)가 경고수준으로 증가하더니 9:22분 방사능 상태(505)가 대피 수준으로 급격히 증가되어 도 9의 경보 발생 규칙에 따라 즉시 대피 경보를 발령하고 구조대를 파견한다. 이러한 사고는 작업일지(508)에 의하면 방사선원 이동중 방사능이 누출되는 사고로 판단되며, 이 또한 방사선원 이동에 대한 세부 작업 매뉴얼을 개선하여 추후 동일한 사고가 발생하지 않도록 예방 조치한다. 9:23분 사고 조치가 마무리되어 방사능 상태(505)가 주의 단계로, 이후 9:24분 정상 상태로 복귀되었음을 알 수 있다. 9:25분 방사능작업자는 방사능이 안정한 상태(505)에서 움직임과 충격이 없는 상태, 즉 휴식 상태로 있음을 알 수 있다. 이와 같이 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)에 내장된 방사선센서(106)와 모션 센서(113)를 동시에 이용하면 방사능작업자의 활동 및 안전에 대한 정보는 보다 정밀하게 획득하고 활용할 수 있음을 알 수 있다.

도 9는 충격량(504)과 방사능 상태(505)에 따른 경보 발생 규칙에 대한 알고리즘이다. 시작(901)은 매 시각(501)마다 즉 매분 마다 발생한다. 도 4에 의한 데이터(403)를 입력(902)받아서 충격량(504)을 보고 하강충격이 발생(903)하였는지 비교한다. 하강충격이 발생하면 방사선량이 경고이상(904)인지를 비교하여 경고 이상이면 대피경보 발령 및 구조팀 파견(906)을 한다. 방사선량이 경고 이하(904)이거나 하강충격이 발생(903)하지 않으면 방사선량이 대피수준이상(905)인지 비교하여 대피수준이상이면 대피경보 발령 및 구조팀 파견(906)을 한다. 이와 같이 방사능 작업 환경에 따라 충격량과 방사선량을 적절히 조합하여 경보 발생 규칙을 생성하여야 하며, 이러한 규칙은 작업장이나 작업환경에 따라 다양하게 설정할 수 있다.

도 8은 충격량(504)과 방사능 상태(505)에 따른 경보 발생 상황을 도 5의 예제를 통해 그래프화하여 보인 것이다. 9:05분 하강충격(507)이 발생(801)하였으나 방사능 상태(505)는 안전한 상태이므로 경보를 발생하지 않는다. 9:15분 하강충격(507)이 발생(803)하였고 방사능 상태(505)도 경고 수준이므로 도 9의 경보 발생 규칙에 부합하므로 경보를 발령한다. 9:22분 충격상태(507)와 무관하게 방사능 상태(505)가 대피 수준으로 감지되었으므로 도 9의 경보 발생 규칙에 따라 경보를 발령한다.

도 5의 데이터 베이스에서 방사능작업자의 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)의 착용 여부 및 착용 시간, 착용시의 누적방사선량 등을 추출할 수 있다. 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)는 특정 방사능작업자에게 할당되어 누적 방사선량을 기록하도록 사용되고 있으며, 타인이 사용하지 못하도록 규정하고 있는 경우도 있다. 이러한 경우 방사능작업자의 누적방사선량을 기록하여 개인별 피폭 한도를 측정하고 관리하도록 할 수 있다. 또한 방사능작업자가 부착형 개인용 선량계(WPRD)(201)를 정상적으로 착용하고 작업을 하는지 확인할 수 있으며, 부착 시각을 알 수 있으므로, 선량계를 부착하지 않고 작업하거나 타인의 선량계를 부착하는 등의 규정에 어긋난 행동을 적발할 수 있다.

여기서, 총누적방사선량은 하기의 수학식 3으로 나타낸다.

수학식 3)

총누적방사선량 = 정지누적방사선량 + 활동누적방사선량

= (일시정지누적방사선량 + 장시정지누적방사선량) + 활동누적방사선량

즉, 상기 수학식 3에서와 같이 총누적방사선량은 정지누적방사선량과 활동누적방사선량의 합으로 구해지며, 정지누적방사선량은 일시정지누적방사선량과 장시정지누적방사선량의 합이다. 여기서 개인용 선량계의 적법한 착용 여부를 판단할 수 있는 여러 가지 경우를 추정할 수 있다. 첫 번째로 활동누적시간이 개인의 작업일지에 비해 현저하게 부족하면 방사능작업자가 선량계를 부착하지 않고 작업한 사실을 추정할 수 있으므로 규정위반이다. 두 번째로 작업일지에 작업내용이 없는데 활동누적시간이 검출되면 다른 작업자가 선량계를 부착하여 작업한 사실을 추정할 수 있으므로 규정위반이다. 세 번째로 장시정지누적방사선량이 타인에 비해 지나치게 많이 나온다면 선량계를 보관하는 공간 또는 작업자의 휴식공간이 방사능에 과다 노출된 것으로 추정되므로 이에 대해 안전 조치가 필요하다고 판단된다. 네 번째로 일시정지누적방사선량이 타인에 비해 지나치게 많이 나온다면 고준위 방사능 환경에서 작업자가 잠시 쉬는 시간이 많다는 것이므로, 작업자의 작업 행동을 개선하여 빨리 작업을 마치고 고준위 방사능 환경에서 벗어나도록 교육해야 할 것이다. 다섯 번째로 총누적방사선량이 다른 작업자에 비해 과도하면 원인을 파악해 작업환경을 개선하거나 작업자를 비방사능 환경으로 이동 배치하여 연간 허용 피폭치를 넘기지 않도록 관리해야 할 것이다. 이와 같이 움직임량과 방사선량을 동시에 기록 및 비교하면 방사능작업자의 여러 가지 다양한 작업 환경 및 활동을 파악할 수 있으므로 방사능작업자의 안전에 기여할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

103 : 무선통신부. 장치의 데이터를 무선을 통해 서버로 송수신하는 모듈
105 : 유선통신부. 장치의 데이터를 유선을 통해 서버로 송수신하는 모듈
106 : 방사선량을 측정하는 방사선센서
107 : 위급한 상황을 빛, 소음, 진동 등의 방법으로 알리는 알람 경보기
113 : 모션 센서. 3축 가속도 센서
201 : 부착형 개인용 선량계(WPRD). 방사능작업자가 부착하는 개인용 방사선 선량계
207 : 방사선 선량계의 신호를 모니터링하는 관제 서버
501 : 선량계의 각종 센서 데이터를 추출한 시각
502 : 선량계에서 측정된 방사선량
503 : 선량계의 모션 센서에서 측정된 움직임량
504 : 선량계의 모션 센서에서 측정된 충격량

Claims (6)

1. 개인용 방사능 선량계의 데이터 처리 방법에 있어서,
   선량계에 장착된 방사선센서 값을 검출하는 단계;
   선량계에 장착된 모션 센서의 값으로 움직임량을 생성하는 단계;
   선량계에 장착된 모션 센서의 값에서 중력 축의 변화량인 충격량을 생성하는 단계;
   선량계에 장착된 시계센서에서 측정 시각을 생성하는 단계;
   상기 센서들의 데이터 값을 하나의 패킷 데이터로 결합하는 단계;
   통신 장치를 통해 상기 패킷 데이터를 관제 서버로 송신하는 단계; 및
   상기 패킷 데이터의 방사선센서 값 및 모션 센서 값을 토대로 선량계 착용자의 방사능 작업 환경에서 움직임 상태를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지며,
   상기 모션 센서는 3축 가속도 센서를 사용하며, 상기 움직임량은 하기 수학식 1과 같이 나타나며,
   수학식 1)
   

   

   
   (여기서, x 밑 z는 각각 양과 음의 수평 방향 가속도이고, y는 수직 방향 가속도이고, t는 초단위의 시간이다)
   중력 축의 변화량인 상기 충격량은 하기 수학식 2와 같이 나타나며,
   수학식 2)
   

   

   
   (여기서, y는 수직 방향 가속도이다)
   상기 충격량과 상기 방사선센서 값을 토대로 고준위방사능상태에서 하강충격이 발생하면 경보를 발령하는 단계를 더 포함하며,
   총누적방사선량은 하기 수학식 3으로 계산되어, 활동 시간과 정지 시간을 비교하여 선량계의 미착용 여부를 판별하고, 작업자의 작업 내역이 없는 시간에 상기 움직임량이 활동 상태이고 상기 방사선센서 값이 기준값 이상인 경우, 타인에 의한 사용이라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선량계의 데이터 처리방법.
   수학식 3)
   총누적방사선량 = 정지누적방사선량 + 활동누적방사선량
   = (일시정지누적방사선량 + 장시정지누적방사선량) + 활동누적방사선량
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 통신 장치는 지그비 통신, 블루투스 통신, 와이파이 통신, 및 저출력광대역무선통신기술(Low Power Wide Area Network, LPWAN) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 선량계의 데이터 처리방법.
   
   

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