KR102188635B1 - 광 케이블 가상 센서와 장구간용 ip 카메라를 이용한 상수관 부단수 누수 진단 장치 - Google Patents

광 케이블 가상 센서와 장구간용 ip 카메라를 이용한 상수관 부단수 누수 진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치는 수도관 내부에서 발생된 음향 진동파에 기초하여 수도관 내부 누수 발생 정보 또는 기타 이상 징후를 취득하는 가상센서 기능이 적용된 광 섬유 케이블(Fiber Optical Cable Virtual Sensor), 상기 광 섬유 케이블의 최전단에 연결되고, 촬영 렌즈, 조명부, 및 촬영 모듈을 포함하여 500m 이상의 장거리 상수도 구간을 촬영하여 상수관 내부 영상 정보를 취득하는 카메라 유닛, 상기 광 섬유 케이블의 말단에 전기적으로 연결되는 컨트롤러, 상기 수도관의 부단수 천공을 위해 구비된 활정자관에 연결되고, 상기 수도관의 공기변실(air vent manhole) 내에 설치되는 벤딩 파이프, 상기 광 섬유 케이블과 상기 카메라 유닛을 상기 벤딩 파이프를 통해 상기 수도관의 내부로 삽입시키기 위한 체절 피스톤 및 상기 공기변실 내에서 상기 광 섬유 케이블을 삽입 또는 회수할 수 있는 전동식 케이블 견인 장치를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상가 카메라 유닛 및 상기 광 섬유 케이블로부터 획득되는 정보를 기반으로 분석된 정보를 제공할 수 있다.

Description

광 케이블 가상 센서와 장구간용 IP 카메라를 이용한 상수관 부단수 누수 진단 장치{WATER LEAKAGE DIAGNOSTIC APPARATUS FOR POTABLE WATER PIPE WITHOUT SUSPENSION OF WATER SUPPLY USING OPTICAL CABLE VIRTUAL SENSOR AND LONG RANGE INTERNET PROTOCOL CAMERA}
본 발명은 상수관의 급수 중단 없이 협소한 공기변실을 이용하여 500m 이상의 장거리 구간에 대해 상수관로의 누수 지점을 카메라와 광 케이블 센서로 탐지하고 누수 위험을 감시 및 관리하기 위한 상수관 부단수 누수 진단 장치에 관한 것이다.
상수관 등 유체가 흐르는 각종 배관은 시간이 지남에 따라 내부 부식 등의 노후화가 진행되어, 배관의 파손 등 관로 사고가 발생할 수 있다. 따라서, 관로 사고를 방지하기 위해 배관 내부를 정기적으로 점검 및 진단하여 배관을 유지, 보수하는 것이 요구된다.
과거에는 배관의 유지, 보수를 위해 유체의 흐름을 차단(단수)하여 유체를 비운 상태에서 배관 내부를 검사하였으나, 이러한 단수 공법은 단수로 인한 부작용이 크기 때문에, 현재에는 유체의 흐름을 차단하지 않고 배관 내부를 검사할 수 있는 부단수 내시경 촬영검사 방법이 주로 사용된다. 기존의 부단수 내시경 촬영검사법은 일반적으로 30m 이내의 짧은 구간에 대하여 밀어 넣는 방식의 내시경 카메라를 배관에 삽입하여 배관 내부를 육안 검사하는 방식으로 이루어진다.
기존의 부단수 내시경 촬영검사법은 반경성재질(Semi-Rigid)의 카메라 케이블을 의지해 배관 내에 부단수 내시경 카메라 장치를 밀어 넣는 방식으로서 투입구로부터 약 30m 미만의 단거리 구간 만을 촬영할 수 있었다. 또한, 삽입된 부단수 내시경 장치는 배관 내에 가라앉아 배관 바닥을 따라 진행하므로 배관의 상단부가 내시경 카메라의 시야에 포착되지 않을 수 있다.
또한, 기존 부단수 내시경 촬영검사법은 부단수 내시경 장치를 삽입하기 위해 배관 주변 영역을 굴착하고 내시경 투입용 분기대를 설치해야 하므로 굴착 및 분기대 설치로 인해 시간 및 비용이 크게 증가하는 문제가 존재한다.
또한, 기존 부단수 내시경 촬영검사법 또는 음파를 이용한 상관시 누수탐지장치 등은 일회성 진단이 이루어지는 방법이므로, 진단 전후로 발생되는 누수 및 누수 징후들에 대해 감지할 수 없는 문제가 존재한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 노후화된 상수관의 누수 지점과 노후화의 진행 정도를 굴착작업 없이 기존에 설치되어 있는 공기변실 만을 이용하여 큰 비용이 소요되지 않으면서도 효과적으로 내시경 검사하고, 광 케이블 가상센서 기술을 이용하여 누수 위험이 임박한 여러 징후를 실시간으로 감시할 수 있는 상수관 부단수 누수 진단 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치는 수도관 내부에서 발생된 음향 진동파에 기초하여 수도관 내부 누수 발생 정보 또는 기타 이상 징후를 취득하는 가상센서 기능이 적용된 광 섬유 케이블(Fiber Optical Cable Virtual Sensor), 상기 광 섬유 케이블의 최전단에 연결되고, 촬영 렌즈, 조명부, 및 촬영 모듈을 포함하여 500m 이상의 장거리 상수도 구간을 촬영하여 상수관 내부 영상 정보를 취득하는 카메라 유닛, 상기 광 섬유 케이블의 말단에 전기적으로 연결되는 컨트롤러, 상기 수도관의 부단수 천공을 위해 구비된 활정자관에 연결되고, 상기 수도관의 공기변실(air vent manhole) 내에 설치되는 벤딩 파이프, 상기 광 섬유 케이블과 상기 카메라 유닛을 상기 벤딩 파이프를 통해 상기 수도관의 내부로 삽입시키기 위한 체절 피스톤 및 상기 공기변실 내에서 상기 광 섬유 케이블을 삽입 또는 회수할 수 있는 전동식 케이블 견인 장치를 포함할 수 있고, 상기 컨트롤러는 상가 카메라 유닛 및 상기 광 섬유 케이블로부터 획득되는 정보를 기반으로 분석된 정보를 제공할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 체절 피스톤은 피스톤 본체, 상기 피스톤 본체의 전단에 제1 힌지를 통해 연결되는 제1 실린더 체절부, 상기 제1 실린더 체절부의 전단에 제2 힌지를 통해 연결되는 제2 실린더 체절부 및 상기 제2 실린더 체절부의 전단에 제3 힌지를 통해 연결되는 제3 실린더 체절부를 포함할 수 있고, 상기 체절 피스톤은 사용자가 외부에서 밀어 넣으면 상기 벤딩 파이프의 굴곡을 따라 굴절 삽입되어 상기 체절 피스톤의 말단에 위치한 상기 카메라 유닛을 상기 상수관 내부로 투입시킬 수 있다.
실시예에 따라, 상기 광 섬유 케이블 및 상기 카메라 유닛은 중성 부력(Neutral Buoyancy)을 갖도록 형성되어 상기 수도관의 내부에서 상기 수도관의 중심부에 위치되고, 상기 수도관 내부의 자연 유속에 의해 부유하여 관 내부를 주행할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 카메라 유닛의 상기 촬영 렌즈는 광각 렌즈로 형성되고, 상기 조명부는 복수의 LED(Light Emitting Diode) 조명들을 포함하며, 상기 촬영 모듈은 HD(High Definition)급 이상의 고해상도 이미지 센서를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 카메라 유닛은 IP(Internet Protocol) 통신을 위한 통신부를 더 포함하고, 상기 카메라 유닛은 상기 통신부를 통해 수신된 조작 신호에 따라 조작될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 벤딩 파이프는 상기 수도관의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장되는 수직 몸체 및 상기 수직 몸체로부터 상기 수도관의 연장 방향에 수평한 방향으로 연장되는 수평 몸체를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 벤딩 파이프는 상기 벤딩 파이프의 단부에 형성되어 상기 광 섬유 케이블을 감싸서 압박하는 실링 오링을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 케이블 견인 장치는 상기 광 섬유 케이블이 권취되는 케이블 릴 및 상기 광 섬유 케이블을 상기 수도관 내부로 삽입하기 위한 케이블 인입 유닛을 더 포함하되, 상기 케이블 인입 유닛은 상기 광 섬유 케이블에 밀착되는 케이블 가이드 롤러 및 상기 케이블 가이드 롤러에 동력을 전달하는 전동 모터를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨트롤러는 상기 광 섬유 케이블에 광 신호를 제공하고, 상기 광 신호는 레일리 산란 효과(Rayleigh scattering effect)를 일으키며 상기 광 섬유 케이블 내부를 통해 진행되고, 상기 광 섬유 케이블의 굴절 및 축소에 대응하여 간섭계 재조합(Interferometric Recombination)을 통해 특정한 패턴으로 수도관 내부의 누수에 관한 정보가 상기 컨트롤러에 역전송될 수 있다.
이렇게 콘트롤러에 역전송된 광신호의 간섭계 재조합 정보는 광케이블이 포설된 상수도관 전체의 연장구간 중에 발생된 특이한 물리적 변화 및 작용 상황을 가상센싱하여 사용자에게 시각적 그래프 변화와 수치적 데이터로 제공하여 분석가능케 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치에 따르면, 가상 센서 기술이 적용된 광 케이블을 통해 상수관 전 구간을 실시간으로 누수 발생 및 누수 위험 징후를 검사할 수 있으며, 광 케이블의 최전단에 연결된 고해상도 IP 카메라를 통해 500m 이상의 장거리 구간에 대해 상수관 내부의 육안 검사를 수행할 수 있다. 이에 따라, 노후화된 상수관의 누수 지점을 효과적으로 탐지하고 누수 위험이 임박한 여러 징후를 실시간으로 감시할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 땅을 굴착하지 않고도 기존에 존재하는 공기변실(air vent manhole)을 활용하여 상수관 진단 장치를 상수관 내에 투입할 수 있어 검사 비용 및 검사 시간을 크게 절감할 수 있다. 협소한 공기변실을 활용하기 위해 적어도 일부분이 굽어진 벤딩 파이프 및 벤딩 파이프의 굴곡을 따라 굴절되며 광 케이블 및 카메라 유닛을 상수관 내부로 투입 시킬 수 있는 체절 피스톤이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 카메라 헤드 및 광 케이블이 중성 부력을 갖도록 설계될 수 있으며 이에 따라 상수관 진단 장치가 상수관 내에서 원활히 이동하고 상수관 내 장애물들을 효과적으로 회피할 수 있다.
실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 광 케이블 및 컨트롤러를 나타내고, 광 케이블을 이용한 누수 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 카메라 유닛을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 벤딩 파이프, 체절 피스톤, 및 케이블 인입 유닛을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예들을 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략되거나 간소하게 표현될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상수관 부단수 누수 진단 장치(1000)는 광 케이블(100), 컨트롤러(200), 케이블 릴(300), 카메라 유닛(400), 벤딩 파이프(500), 체절 피스톤(600), 케이블 인입 유닛(700), 활정자관(800), 및 제수 밸브(900)를 포함할 수 있다.
광 케이블(100)은 수도관(WP)을 따라 진행할 수 있다. 수도관(WP) 내부의 유체의 흐름(WF)은 도면상 우측에서 좌측 방향일 수 있으며, 유체의 이동 방향에 대응하여 광 케이블(100) 또한 좌측 방향을 따라 진행할 수 있다.
광 케이블(100)은 가상 센서 기술이 적용될 수 있으며, 수도관(WP) 노후에 따른 관체 천공 등의 손상으로 인해 발생되는 관로 내부의 미세 진동과 음향 발생에 대응하여 상수관 내부 음향진동파 정보(Amplitude Frequency)를 취득할 수 있다. 상기 상수관 내부 음향진동파의 로우데이터 정보는 상수관 내부의 누수 발생 정보 또는 외부 굴착 작업에 의한 관체 타격 등 기타 상수관 이상 징후에 대한 정보일 수 있다. 광 케이블(100)은 생성된 상수관 내부 음향 정보를 컨트롤러(200)에 전달할 수 있다.
또한, 광 케이블(100)은 광 케이블(100)의 최전단에 연결된 카메라 유닛(400)을 통해 촬영한 상수관 내부 영상 정보를 컨트롤러(200)에 전달할 수 있다.
광 케이블(100)은 유연성을 가지고 중성 부력을 갖는 하이브리드 케이블 피복재로 코팅될 수 있다. 유연성을 가진 광 케이블(100)은 벤딩 파이프(500)를 따라 수도관(WP) 내에 삽입될 수 있다.
컨트롤러(200)는 광 케이블(100)에 직접 연결되어, 광 케이블(100)로부터 다양한 감지 정보를 전달받을 수 있다. 상술한 바와 같이, 컨트롤러(200)는 광 케이블(100)로부터 상수관 내부 음향 정보 및 상부관 내부 영상 정보를 제공받을 수 있다.
컨트롤러(200)는 상수관 내부 음향 정보에 기초하여 상수관의 누수 발생 및 누수 위험 징후들을 검출할 수 있으며, 상수관 내부 영상 정보에 기초하여 상수관 내부의 육안 검사를 실시할 수 있다.
컨트롤러(200)는 상수관 내부 음향 정보 및 상수관 내부 영상 정보를 분석하기 위한 소프트웨어가 설치된 연산 장치, 분석된 진단 결과를 저장하기 위한 저장 및 검사자에게 진단 결과를 표시하기 위한 모니터 등을 구비할 수 있다.
광 케이블(100)은 광 섬유를 포함하며 복수의 광 섬유들을 통해 광 펄스가 전송되는 결과로 생기는 레일리 산란 효과(Rayleigh scattering effect)에 따른 빛의 전송 반사 통신 원리를 기초로 하여 생성되는 복수의 가상 센서들을 포함할 수 있다.
광 케이블(100)은 유리 광섬유(Fiber Optical material) 소재가 갖는 고유한 특성상 외부로부터 미세한 진동음향파가 광섬유 소선에 작용하게 되면 굴절과 축소 등의 특유한 물리적 변화가 발생하게 되고 그 물리적 변화를 통해 광섬유를 관통 하여 전송 시작단에서 종말단까지의 구간을 오가게 되는 광신호에 간섭을 일으키게 된다. 이러한 산란 간섭작용을 광섬유가 포설된 전구간에서 감지하게 되는데 , 즉 광섬유 본체 자체로서 복수의 가상 센서를 형성하는 셈이 되어 이들을 통해 상수관 내부에 발생되는 누수로 인한 진동 파장을 감지하여 실시간으로 누수 발생 여부 및 누수 발생 위치를 검출할 수 있다.
광 케이블(100) 및 컨트롤러(200)를 이용한 상수관 누수 진단 방법에 대해 도 2를 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
케이블 릴(300)에는 장거리의 광 케이블(100)이 권취될 수 있다. 일 실시예로, 광 케이블(100)은 500m 내지 70km의 길이로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 케이블 릴(300)에 감긴 광 케이블(100)을 감거나 풀어서 광 케이블(100)을 수도관(WP) 내에 필요한 위치에 배치시킬 수 있다.
카메라 유닛(400)은 광 케이블(100)의 최전단에 연결되는 구성일 수 있다. 카메라 유닛(400)은 상수관 내부의 영상 정보를 취득하기 위해 촬영 렌즈, 조명부, 및 촬영 모듈 등을 포함할 수 있다.
실시예에 따라 카메라 유닛(400)은 중성 부력을 갖도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 카메라 유닛(400)은 수도관(WP) 내부의 중심부에 위치할 수 있고 수도관(WP) 내부의 상부 및 하부 모두를 효과적으로 촬영할 수 있다.
기존의 부단수 내시경 촬영검사법은 반경성재질(Semi-Rigid)의 카메라 케이블을 의지해 배관 내에 부단수 내시경 카메라 장치를 밀어 넣는 방식으로서 투입구로부터 약 30m 미만의 단거리 구간 만을 촬영할 수 있었다.
반면, 본 발명에 따른 카메라 유닛(400)은 광 케이블(100)에 연결되어 관로 내부의 500m 이상의 장거리 구간에 대해 실시간으로 영상 정보를 획득할 수 있으며, 관로 내부의 녹 및 스케일 체적 상태와 이 외의 다양한 이상 상태를 육안으로 검사할 수 있도록 한다.
카메라 유닛(400)과 관련하여 도 3을 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
벤딩 파이프(500)는 제수 밸브(900)에 연결되어 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)이 수도관(WP)의 내부로 진입할 수 있는 통로를 마련한다.
본 발명에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치(1000)는 수도관(WP)을 관리하기 위해 기존에 설치된 공기변실(air vent manhole)(AVH)을 활용해 진단을 수행할 수 있다. 여기서 공기변실(AVH)의 내부 높이는 1m 이내로 낮을 수 있고, 이러한 공간적 제약으로 인해 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 원활히 수도관(WP) 내부로 진입시키기 어려운 문제가 있다.
벤딩 파이프(500)는 수도관(WP)의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장되는 수직 몸체(501) 및 수직 몸체(501)로부터 수도관(WP)의 연장 방향에 수평한 방향으로 연장된 수평 몸체(502)를 포함할 수 있으며(예컨대, ㄱ자 벤딩), 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)이 원활하게 수도관(WP) 내부로 진입될 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 벤딩 파이프(500)를 통해 땅을 굴착하지 않고도 기존에 설치되어 있는 협소한 공기변실(AVH)을 활용하여 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 상수관 내에 투입할 수 있어 검사 비용 및 검사 시간이 크게 절감될 수 있다. 예를 들어, 공기변실 내에는 상기 광 케이블을 삽입 또는 회수할 수 있는 전동식 케이블 견인 장치이 존재할 수 있다.
체절 피스톤(600)은 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 고압의 유체가 흐르는 수도관(WP) 내부로 밀어 넣기 위한 구성일 수 있다. 체절 피스톤(600)은 수도관(WP)의 강한 유체 압력에 저항하기 위해 강성이 높은 물질로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 체절 피스톤(600)은 상술한 벤딩 파이프(500)의 굴곡을 따라 굴절될 수 있다. 체절 피스톤(600)은 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 밀어 넣고 광 케이블(100)이 진행하는 방향을 유도하기 위해 체절 구조를 가질 수 있다. 이를 위해, 체절 피스톤(600)은 피스톤 몸체 및 힌지를 통해 연결된 복수의 실린더 체절부들을 구비할 수 있다.
케이블 인입 유닛(700)은 체절 피스톤(600)과 함께 광 케이블(100)을 수도관(WP) 내부로 밀어 넣기 위한 구성일 수 있다. 케이블 인입 유닛(700)은 광 케이블(100)에 밀착되는 복수의 롤러들 및 롤러들을 구동하기 위한 구동 모터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이블 인입 유닛(700)은 상술한 케이블 견인 장치에 포함될 수 있다.
체절 피스톤(600) 및 케이블 인입 유닛(700)과 관련하여 도 4를 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
활정자관(800)은 수도관(WP)의 부단수 천공을 위해 설치되는 구성일 수 있다. 활정자관(800)은 수도관(WP)을 감싸도록 형성되며, 수도관(WP)으로부터 수직 방향으로 연장된 T형 분기관을 구비할 수 있다. 활정자관(800)의 T형 분기관 내측에서 수도관(WP)의 천공이 이루어질 수 있고, 수도관(WP)은 해당 영역에서 개구부(OP)를 가질 수 있다. 상술한 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)은 수도관(WP)의 개구부(OP)를 통해 수도관(WP) 내부로 진입할 수 있다.
제수 밸브(900)는 벤딩 파이프(500) 및 활정자관(800) 사이에 설치되는 구성으로 개구부(OP)를 통해 수도관(WP)의 물이 유출되는 것을 방지하는 밸브일 수 있다. 제수 밸브(900)는 평소 수도관(WP) 운용 시 닫힌 상태로 유지될 수 있으나, 본 발명에 따른 상수관 부단수 누수 검진을 위해 열릴 수 있다.
도 2는 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 광 케이블 및 컨트롤러를 나타내고, 광 케이블을 이용한 누수 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 수도관(WP) 내의 광 케이블(100)은 지상에 설치된 컨트롤러(200)와 연결될 수 있으며, 다양한 신호를 주고받을 수 있다.
컨트롤러(200)는 광 케이블(100)에 제1 신호(S1)(또는, 입사 광 신호)를 제공할 수 있다. 컨트롤러(200)로부터 제공된 제1 신호(S1)는 레일리 산란 효과(Rayleigh scattering effect)를 일으키며 광 케이블(100) 내부를 통해 진행되고, 반사되어 컨트롤러(200)에 되돌아갈 수 있다.
광 케이블(100)의 광 섬유들의 자연적인 불완전성으로 인해 광 케이블(100)에 입사된 제1 신호(S1)는 연속적으로 산란될 수 있고, 광 섬유의 굴절, 진동, 수축, 및 이완 등의 미세한 변화에 반응하여 간섭계 재조합(Interferometric Recombination)을 통해 특정한 패턴으로 컨트롤러(200)에 역전송될 수 있다. 또는 특정한 패턴으로 수도관 내부의 누수에 관한 정보가 컨트롤러(200)에 역전송될 수 있다. 즉, 광 케이블(100)은 수도관(WP) 내부에 발생한 현상을 감지하는 센서로 동작할 수 있으며, 광 케이블(100)의 센싱 정보를 기초로 수도관(WP) 내 다양한 정보(예컨대, 누수 정보 또는 기타 이상 징후 정보)를 포함하는 제2 신호(S2)(또는, 반사 광 신호)를 컨트롤러(200)에 전달할 수 있다. 광 케이블은 광 섬유 케이블이라고 불릴 수도 있다. 또는, 컨트롤러는 카메라 유닛 및 광 섬유 케이블로부터 획득되는 정보들을 분석할 수 있고, 분석한 정보를 제공할 수 있다.
상술한 내용을 바탕으로, 광 케이블(100)에는 가상 센서 기술이 적용될 수 있으며, 구체적으로, 광 케이블(100)에는 복수의 가상 센서들(또는, 제1 내지 제4 센싱부들(110, 120, 130, 140))이 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 센싱부들(110, 120, 130, 140)은 각 센싱부들을 기준으로 소정의 영역 내에 발생하는 음향 에너지(또는, 음향 진동파) 등을 감지할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 내지 제4 센싱부들(110, 120, 130, 140) 사이의 센싱 간격(DS)은 일정할 수 있다. 예를 들어, 센싱 간격(DS)은 3m 내지 10m 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 센싱 간격(DS)은 광 케이블(100)의 공간 분해능을 의미할 수 있다.
설명의 편의상, 도 2는 수도관(WP)에 손상이 발생하여 누수(LEAK)가 발생된 상황을 가정하여 도시되었다. 수도관(WP)에 누수가 발생한 경우, 수도관(WP) 내부 및 외부의 압력 차이에 따라 수도관(WP) 내의 물이 외부로 유출된다. 물이 수도관(WP)의 작은 천공 구멍을 빠져나가는 과정에서, 강한 유체의 흐름에 의해 특정 대역의 주파수와 특정 크기의 진폭을 갖는 음향 에너지가 발생할 수 있다. 누수로 인해 수도관(WP) 내부에 발생한 음향 에너지는 수도관(WP)의 물을 매질로 하여 광 케이블(100)에 전달될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광 케이블(100)은 제1 내지 제4 센싱부들(110, 120, 130, 140)을 통해 누수 지점을 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 센싱부들(110, 120, 130, 140)은 누수로 인한 음향 에너지가 전달된 경우, 음향 에너지의 진동 패턴, 주파수, 및 진폭 등을 검출하여 제2 신호(S2)로서 컨트롤러(200)에 전달할 수 있다. 컨트롤러(200)는 각 센싱부들(110, 120, 130, 140)의 센싱 정보들을 기초로 누수 여부 및 누수 위치를 특정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 광 케이블(100)을 통해 전달된 음향 정보를 분석할 수 있으며, 누수로 인한 음향 에너지와 다른 상황들(예를 들어, 굴착 소음, 차량 소음, 및 지진 등)로 인한 음향 에너지를 주파수, 진폭, 패턴 등을 통해 서로 구분할 수 있다.
한편, 컨트롤러(200)는 연산 장치 및 모니터 등을 포함할 수 있으며, 수도관 모델링 형상 또는 그래프를 통해 검사자에게 누수 지점을 구체적으로 나타낼 수 있다.
컨트롤러(200)는 광 케이블(100)로부터 제공된 음향 정보를 누적하여 수집하고, 빅데이터 분석을 수행하여 수도관(WP)의 노후화 가능성 및 누수 위험을 예측할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치(1000)에 따르면, 가상 센서 기술이 적용된 광 케이블(100)을 통해 수도관(WP) 전 구간에 대해 실시간으로 누수 발생 및 누수 위험 징후 검사가 진행될 수 있다.
도 3은 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 카메라 유닛을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 카메라 유닛(400)은 촬영 렌즈(410), 조명부(420), 촬영 모듈(430), 추진 부재(440), 및 통신부(450)를 포함할 수 있다.
촬영 렌즈(410)는 수도관(WP) 내부에서 넓은 영역을 포착하기 위해 광각 렌즈로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 평면 렌즈 또는 오목 렌즈 등 필요에 따라 다양한 렌즈로 교체될 수 있다.
조명부(420)는 빛이 없는 수도관(WP) 내부를 밝히기 위한 복수의 조명들을 포함할 수 있다. 조명부(420)의 조명들은 각각 백색광을 방출하는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)들을 포함할 수 있다.
촬영 모듈(430)은 수도관(WP) 내부를 촬영하기 위한 이미지 센서로 구성될 수 있다. 정확한 육안 검사를 위해 촬영 모듈(430)은 HD(High Definition)급 이상의 고해상도 이미지 센서로 구현될 수 있다.
카메라 유닛(400)은 수도관(WP) 내부 유체의 흐름(WF)을 따라 진행할 수 있으며, 원활한 진행을 위해 카메라 유닛(400)은 전반적으로 유선형으로 형성될 수 있다.
추진 부재(440)는 수도관(WP) 내부 유체에 대한 저항을 높혀 카메라 유닛(400) 및 광 케이블(100)이 더욱 원활히 진행할 수 있도록 하며, 카메라 유닛(400)이 흔들리는 것을 최소화하기 위해 날개 형태로 부착될 수 있다. 예를 들어, 추진 부재(440)는 카메라 유닛(400)의 전단으로부터 연장되는 날개 형태로 부착될 수 있다.
한편, 카메라 유닛(400)은 인터넷 프로토콜(Internet Protocol, IP)을 통해 통신하는 IP 카메라일 수 있으며, 지상의 조작 신호를 수신하기 위한 통신부(450)를 더 구비할 수 있다. 실시예에 따라, 카메라 유닛(400)은 광 케이블(100)을 통해 촬영 영상을 지상의 컨트롤러(200)에 전달할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통신부(450)를 통해 컨트롤러(200)에 전달할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치(1000)에 따르면, 광 케이블(100)의 최전단에 연결된 고해상도 IP 카메라 유닛(400)을 통해 수도관(WP) 내부의 육안 검사가 정밀히 수행될 수 있다. 또한, 카메라 유닛(400) 및 광 케이블(100)이 중성 부력을 갖도록 설계될 수 있으므로 카메라 유닛(400) 및 광 케이블(100)이 수도관(WP)의 중심부에서 원활히 이동할 수 있으며, 수도관(WP) 내부를 정확히 감지할 수 있다. 즉, 상기 카메라 유닛(400) 및 광 케이블(100)은 수도관 내부에서 자연 유속에 의해 부유하여 관 내부를 주행할 수 있다.
도 4는 도 1의 상수관 부단수 누수 진단 장치에 포함된 벤딩 파이프, 체절 피스톤, 및 케이블 인입 유닛을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 벤딩 파이프(500)는 파이프 연결부(510) 및 실링 오링(O-ring)(520)을 더 포함할 수 있다.
파이프 연결부(510)는 제수 밸브(도 1의 900)에 연결되며, 물이 유출되는 것을 방지하고 단단히 고정하기 위한 조임부를 포함할 수 있다.
실링 오링(520)은 광 케이블(100)을 감싸서 압박할 수 있다. 실링 오링(520)은 벤딩 파이프(500)와 광 케이블(100) 사이의 공간을 메우고 수도관(WP) 내부의 물이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 실링 오링(520)은 립(Lip) 타입의 테프론 오링일 수 있으며, 이러한 립 타입 테프론 오링은 수압이 강할수록 광 케이블(100)을 더욱 강하게 압박할 수 있다. 실링 오링(520)의 강한 압박을 극복하고 광 케이블(100)을 수도관(WP) 내부로 진입시키기 위해 상술한 케이블 인입 유닛(700)이 요구된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 체절 피스톤(600)은 제1 실린더 체절부(611), 제2 실린더 체절부(612), 제3 실린더 체절부(613), 제1 힌지(621), 제2 힌지(622), 제3 힌지(623), 피스톤 본체(630), 피스톤 고정부(640), 및 프로브 핸들(650)을 포함할 수 있다.
체절 피스톤(600)은 피스톤 본체(630)의 전단에 연결된 제1 내지 제3 실린더 체절부들(611, 612, 613)을 포함할 수 있으며, 피스톤 본체(630) 및 제1 내지 제3 실린더 체절부들(611, 612, 613)은 힌지 구조로 연결될 수 있다.
제1 힌지(621)는 제1 실린더 체절부(611) 및 제2 실린더 체절부(612) 사이에 연결되고, 제2 힌지(622)는 제2 실린더 체절부(612) 및 제3 실린더 체절부(613) 사이에 연결되며, 제3 힌지(623)는 제3 실린더 체절부(613) 및 피스톤 본체(630) 사이에 연결될 수 있다.
각각의 제1 내지 제3 힌지들(621, 622, 623)은 90˚의 회전 반경을 가질 수 있다.
체절 피스톤(600)은 제1 내지 제3 실린더 체절부들(611, 612, 613)의 힌지 결합 구조를 통해 벤딩 파이프(500)의 진행 방향을 따라 절곡될 수 있으며, 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 수도관(WP) 내부로 밀어 넣을 수 있다.
실시예에 따라 체절 피스톤(600)은 체절 피스톤(600)을 고정하기 위한 피스톤 고정부(640) 및 체절 피스톤(600) 내부의 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 밀어 넣기 위한 프로브 핸들(650)을 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 작업자는 피스톤 고정부(640)를 잡고 체절 피스톤(600)을 벤딩 파이프(500) 내에 고정한 뒤, 프로브 핸들(650)을 이용하여 광 케이블(100) 및 카메라 유닛(400)을 수도관(WP) 내부로 진입시킬 수 있다.
케이블 인입 유닛(700)은 구동 모터(710) 및 케이블 가이드 롤러(720)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 벤딩 파이프(500)의 실링 오링(520)이 광 케이블(100)을 감싸서 강하게 압박하고 있으므로, 인력으로 광 케이블(100)을 수도관(WP) 내에 진입시키기에는 어려움이 존재한다. 이에 따라, 케이블 인입 유닛(700)을 이용하여 광 케이블(100)을 수도관(WP) 내에 진입시킬 수 있다.
케이블 인입 유닛(700)의 케이블 가이드 롤러(720)는 광 케이블(100)에 밀착될 수 있으며, 케이블 가이드 롤러(720)의 진행 방향에 따라 광 케이블(100)이 전진 또는 후진할 수 있다. 즉, 광 케이블(100)이 풀리거나 감길 수 있다. 구동 모터(710)는 케이블 가이드 롤러(720)에 결합되어 케이블 가이드 롤러(720)를 동작 시킬 수 있다.
케이블 인입 유닛(700)은 구동 모터(710)를 동작 시키기 위한 스위치부 등을 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라 케이블 인입 유닛(700)은 광 케이블(100)의 연장 길이를 측정하기 위한 길이 측정기(미도시) 및 케이블을 되감을 때 구동되는 역방향 구동 모터(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상수관 부단수 누수 진단 장치(1000)에 따르면, 벤딩 파이프(500) 및 체절 피스톤(600)을 통해 땅을 굴착하지 않고도 기존에 존재하는 공기변실(AVH)을 활용하여 누수 진단을 수행할 수 있고, 수도관(WP) 진단을 위한 감지 장치를 수도관(WP) 내에 원활하게 투입할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 광 케이블 110, 120, 130, 140: 제1 내지 제4 센싱부들
200: 컨트롤러 300: 케이블 릴
400: 카메라 유닛 410: 촬영 렌즈
420: 조명부 430: 촬영 모듈
440: 추진 부재 450: 통신부
500: 벤딩 파이프 510: 파이프 연결부
520: 실링 오링 600: 체절 피스톤
611, 612, 613: 제1 내지 제3 실린더 체절부들
621, 622, 623: 제1 내지 제3 힌지들
630: 피스톤 본체 640: 피스톤 고정부
650: 프로브 핸들 700: 케이블 인입 유닛
710: 구동 모터 720: 케이블 가이드 롤러
800: 활정자관 900: 제수 밸브
1000: 상수관 부단수 누수 진단 장치
AVH: 공기변실 DS: 센서 간격
OP: 개구부 S1: 제1 신호
S2: 제2 신호 WP: 수도관

Claims (9)

  1. 수도관 내부에서 발생된 음향 진동파에 기초하여 수도관 내부 누수 발생 정보 또는 기타 이상 징후를 취득하는 가상센서 기능이 적용된 광 섬유 케이블(Fiber Optical Cable Virtual Sensor);
    상기 광 섬유 케이블의 최전단에 연결되고, 촬영 렌즈, 조명부, 및 촬영 모듈을 포함하여 500m 이상의 장거리 상수도 구간을 촬영하여 상수관 내부 영상 정보를 취득하는 카메라 유닛;
    상기 광 섬유 케이블의 말단에 전기적으로 연결되는 컨트롤러;
    상기 수도관의 부단수 천공을 위해 구비된 활정자관에 연결되고, 상기 수도관의 공기변실(air vent manhole) 내에 설치되는 벤딩 파이프;
    상기 광 섬유 케이블과 상기 카메라 유닛을 상기 벤딩 파이프를 통해 상기 수도관의 내부로 삽입시키기 위한 체절 피스톤;
    상기 공기변실 내에서 상기 광 섬유 케이블을 삽입 또는 회수할 수 있는 전동식 케이블 견인 장치; 및
    상기 벤딩 파이프 및 상기 활정자관 사이에 설치되어 상기 수도관의 물이 유출되는 것을 방지하는 제수 밸브를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상가 카메라 유닛 및 상기 광 섬유 케이블로부터 획득되는 정보를 기반으로 분석된 정보를 제공하고,
    상기 컨트롤러는 모니터를 포함하고, 상기 모니터를 통해 상기 수도관의 모델링 형상을 나타내고,
    상기 카메라 유닛은 유선형 형태이고,
    상기 카메라 유닛의 전단으로부터 연장되는 날개 형태로 부착된 추진 부재를 더 포함하고,
    상기 체절 피스톤은,
    피스톤 본체;
    상기 피스톤 본체의 전단에 제3 힌지를 통해 연결되는 제3 실린더 체절부;
    상기 제3 실린더 체절부의 전단에 제2 힌지를 통해 연결되는 제2 실린더 체절부;
    상기 제2 실린더 체절부의 전단에 제1 힌지를 통해 연결되는 제1 실린더 체절부; 및
    상기 체절 피스톤 내부의 상기 광 섬유 케이블 및 상기 카메라 유닛을 밀어 넣어 상기 벤딩 파이프의 굴곡을 따라 굴절 삽입되어 상기 상수관 내부로 투입시키는 프로브 핸들을 포함하고,
    상기 제1 힌지, 상기 제2 힌지 및 상기 제3 힌지는 90도의 회전 반경을 가지고,
    상기 체절 피스톤은 상기 제1 힌지, 상기 제2 힌지 및 상기 제3 힌지 중 적어도 하나를 기반으로 상기 벤딩 파이프의 진행 방향을 따라 절곡되고,
    상기 벤딩 파이프는 상기 수도관의 연장 방향에 수직한 방향으로 연장되는 수직 몸체 및 상기 수직 몸체로부터 상기 수도관의 연장 방향에 수평한 방향으로 연장되는 수평 몸체를 포함하고,
    상기 벤딩 파이프는 상기 벤딩 파이프의 단부에 형성되어 상기 광 섬유 케이블을 감싸서 압박하는 실링 오링을 포함하고,
    상기 실링 오링은 수압이 강할수록 압박이 강해지는 립(lip) 타입의 테프론 오링이고,
    상기 광 섬유 케이블에는 일정한 간격으로 떨어진 복수의 가상 센싱부들이 형성되고, 상기 복수의 가상 센싱부들을 기준으로 소정의 영역 내에 발생되는 음향 에너지가 감지되고, 상기 음향 에너지에 관한 정보가 상기 컨트롤러에 전달되고, 상기 복수의 가상 센싱부들을 기반으로 누수 지점이 검출되는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광 섬유 케이블 및 상기 카메라 유닛은 중성 부력(Neutral Buoyancy)을 갖도록 형성되어 상기 수도관의 내부에서 상기 수도관의 중심부에 위치되고, 상기 수도관 내부의 자연 유속에 의해 부유하여 관 내부를 주행하는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 카메라 유닛의 상기 촬영 렌즈는 광각 렌즈로 형성되고, 상기 조명부는 복수의 LED(Light Emitting Diode) 조명들을 포함하며, 상기 촬영 모듈은 HD(High Definition)급 이상의 고해상도 이미지 센서를 포함하는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 카메라 유닛은 IP(Internet Protocol) 통신을 위한 통신부를 더 포함하고, 상기 카메라 유닛은 상기 통신부를 통해 수신된 조작 신호에 따라 조작되는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 케이블 견인 장치는,
    상기 광 섬유 케이블이 권취되는 케이블 릴 및 상기 광 섬유 케이블을 상기 수도관 내부로 삽입하기 위한 케이블 인입 유닛을 더 포함하되,
    상기 케이블 인입 유닛은 상기 광 섬유 케이블에 밀착되는 케이블 가이드 롤러 및 상기 케이블 가이드 롤러에 동력을 전달하는 전동 모터를 포함하는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 광 섬유 케이블에 광 신호를 제공하고,
    상기 광 신호는 레일리 산란 효과(Rayleigh scattering effect)를 일으키며 상기 광 섬유 케이블 내부를 통해 진행되고, 상기 광 섬유 케이블의 굴절 및 축소에 대응하여 간섭계 재조합(Interferometric Recombination)을 통해 특정한 패턴으로 수도관 내부의 누수에 관한 정보가 상기 컨트롤러에 역전송되는 상수관 부단수 누수 진단 장치.
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