KR102311371B1 - 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도심지 건설현장의 미세먼지를 모니터링하기 위한 것으로,
미세먼지측정장치(10)가 설치된 미세먼지측정드론(100);
상기 미세먼지측정장치(10)가 감지한 미세먼지 측정 데이터를 실시간으로 수신 받는 현장운용시스템(200);
을 포함하여 구성되되,
상기 현장운용시스템(200)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 저장하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.
그리고 상기 미세먼지측정드론(100)은,
GIS 및 GPS를 사용하여 3차원 위치정보를 상기 미세먼지 측정 데이터와 연동하여 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.
또한 상기 3차원 위치정보는,
위도와 경도 그리고 고도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공하며,
물분사 기능이 있는 워터포그분사드론(300);이 추가로 구성되어,
상기 현장운용시스템(200)이 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터가 미리 설정된 기준치를 넘어 미세먼지 저감이 필요한 곳을 상기 워터포그분사드론(300)에 전송하고,
상기 워터포그분사드론(300)이 상기 미세먼지 저감이 필요한 곳에 물분사하여 미세먼지를 저감하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.

Description

도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템{the fine dust smart monitoring system in construction sites}

본 발명은 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론 간을 연결하여 미세먼지 발생 지점을 전달하고, 측정된 데이터를 시계열로 저장하여 시스템 운영에 따른 미세먼지 감소 효과를 시각적으로 표출하여 시스템 운영의 성과를 가시적으로 나타내는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템에 관한 것이다.

국내 건설현장에서 미세먼지를 억제하기 위하여 주로 사용되고 있는 기술은 물로 차량 또는 장비를 직접 세정하고 있고, 집중 발생지점에는 물을 분사하여 억제하는 방법을 사용하고 있다.

이러한 종래의 방법은 물 입자를 효과적으로 포집할 수 있는 물 입자의 크기로 생성이 어려우며 미세먼지가 여러 곳에서 다발적으로 이동하며 발생하는 특성으로 대응이 제한적으로 효율성이 향상되고 신속한 대응이 가능한 기술의 개발이 필요한 실정이다.

최근 드론을 사람이 접근하기 어려운 작업현장에 투입한 사례가 있다.

00건설은 라오스에서 태국까지 수심이 깊고 넓은 메콩강을 지나는 송전 선로를 연결하는 작업에 사람이 작업에는 한계가 있어 드론을 통해 수행하였고,

2018년 2월 산업통상자원부는 화력발전소에 드론을 활용한 발전소 점검 시스템을 구축할 예정이라고 밝혔으며 이를 통해 발전소의 문제를 빠르게 파악할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

국내 건설현장에서도 미세먼지 감시를 위하여 드론을 활용한 사례가 많아지고 있다.

한강유역환경청은 드론을 활용해 수도권 일대 비산먼지 발생사업장을 특별 점검하는 등 공사장비산먼지 저감 효과를 높이기 위해 감시용 드론을 활용하고 있으며,

국내 대형건설사에서도 일부 현장에서 드론으로 공정 확인, 현장안전 감시 등에 활용하고 있다.

그러나 종래 기술의 경우, 단순히 드론을 이용하고 있을 뿐, 미세먼지 통제를 위한 드론과 현장운영 시스템을 연계하여 각종 데이터를 저장 관리하고 평가시스템을 구축하는 통합적인 관리 시스템을 구축하지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 발명자는 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론 간을 연결하여 미세먼지 발생 지점을 전달하고, 측정된 데이터를 시계열로 저장하여 시스템 운영에 따른 미세먼지 감소 효과를 시각적으로 표출하여 시스템 운영의 성과를 가시적으로 나타내는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 개발하기에 이르렀다.

[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-2171414호 '미세먼지 및 초미세먼지를 포함하는 공기질 관리를 위한 플랫폼 시스템', 2020년10월22일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-2171357호 ' 습식 미세먼지 저감장치', 2020년10월22일

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론 간을 연결하여 미세먼지 발생 지점을 전달하고, 측정된 데이터를 시계열로 저장하여 시스템 운영에 따른 미세먼지 감소 효과를 시각적으로 표출하여 시스템 운영의 성과를 가시적으로 나타내는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 도심지 건설현장의 미세먼지를 모니터링하기 위한 것으로,

미세먼지측정장치(10)가 설치된 미세먼지측정드론(100);

상기 미세먼지측정장치(10)가 감지한 미세먼지 측정 데이터를 실시간으로 수신 받는 현장운용시스템(200);

을 포함하여 구성되되,

상기 현장운용시스템(200)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 저장하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.

그리고 상기 미세먼지측정드론(100)은,

GIS 및 GPS를 사용하여 3차원 위치정보를 상기 미세먼지 측정 데이터와 연동하여 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.

또한 상기 3차원 위치정보는,

위도와 경도 그리고 고도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공하며,

물분사 기능이 있는 워터포그분사드론(300);이 추가로 구성되어,

상기 현장운용시스템(200)이 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터가 미리 설정된 기준치를 넘어 미세먼지 저감이 필요한 곳을 상기 워터포그분사드론(300)에 전송하고,

상기 워터포그분사드론(300)이 상기 미세먼지 저감이 필요한 곳에 물분사하여 미세먼지를 저감하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론 간을 연결하여 미세먼지 발생 지점을 전달하고, 측정된 데이터를 시계열로 저장하여 시스템 운영에 따른 미세먼지 감소 효과를 시각적으로 표출하여 시스템 운영의 성과를 가시적으로 나타내는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명의 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템의 개요도이다.
도 2는 본 발명에서 미세먼지측정드론의 위치 정보 및 측정값의 예시이다.
도 3은 본 발명에서 워터포그분사드론이 작동하는 기준 룰에 관한 예시이다.
도 4는 본 발명에서 기존 지형고도 데이터와 현장 지형고도 데이터의 차이를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에서 현장운용시스템과 평가시스템의 기능 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에서 현장운용시스템이 수행하는 데이터 수집 운영 프로세스를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에서 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론의 고도차를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에서 드론 운영시 이동 경로에 따른 위치 겹침을 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 문제점을 해결하기 위한 공간 분할 방법을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명에서 건설현장의 영역 설정의 예시이다.
도 11은 도 10을 기초로 현장을 분할한 실시예이다.
도 12는 본 발명에서 드론의 데이터 정보 취득 범위의 실시예이다.
도 13은 본 발명에서 미세먼지측정드론의 시작품이다.
도 14는 도 13의 사시도이다.
도 15는 본 발명에서 미세먼지측정드론의 사양의 예시이다.
도 16은 본 발명에서 미세먼지측정장치의 시작품이다.
도 17은 본 발명에서 미세먼지측정장치의 사양의 예시이다.
도 18은 본 발명에서 미세먼지측정장치에 적용되는 미세먼지센서의 예시이다.
도 19는 본 발명에서 미세먼지센서의 사양의 예시이다.
도 20은 본 발명에서 미세먼지센서에 적용되는 광산란 방식의 원리도이다.
도 21은 본 발명에서 미세먼지측정드론에서 측정한 미세먼지량은 색을 달리한 아이콘으로 표시한 예시이다.
도 22는 본 발명에서 각 장치가 수행하는 테이터 알고리즘을 도시한 것이다.
도 23은 본 발명에서 프로그램 연동 과정을 도식화한 것이다.
도 24는 본 발명에서 전용어플리케이션을 사용한 초기 GPS 위성화면을 도시한 것이다.
도 25는 본 발명에서 GPS 추적 화면을 도시한 것이다.
도 26은 본 발명의 시험과정에서 현장위성사진을 도시한 것이다.
도 27은 본 발명에서 건설현장 내 미세먼지 모니터링 과정을 도시한 것이다.
도 28은 본 발명에서 드론으로 촬영한 건설현장 장면이다.
도 29는 본 발명의 시험과정에서 예보된 미세먼지 데이터를 도시한 것이다.
도 30은 본 발명의 시험과정에서 미세먼지측정드론을 통해 측정된 미세먼지 데이터를 도시한 것이다.
도 31은 본 발명에서 미세먼지측정드론의 비행 경로를 분석한 것이다.
도 32는 본 발명에서 일부 고도 구간별 측정 데이터이다.
도 33은 본 발명에서 위성사진과 실제 맵핑 데이터를 비교한 것이다.
도 34는 도 33에서 3D 맵핑 및 모델링을 도시한 것이다.
도 35는 대상 현장을 캐드 도면으로 재구성한 것이다.
도 36은 도 35에 미세먼지 측정값의 위치정보를 매칭한 것이다.
도 37은 현장의 위성사진에 미세먼지 측정값의 위치정보를 매칭한 것이다.
도 38은 현장 테스트 위치의 위성지도이다.
도 39는 도 38에 미세먼지 데이터를 시각화한 것이다.

이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템의 개요도이다.

본 발명의 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템은,

도시된 바와 같이,

도심지 건설현장의 미세먼지를 모니터링하기 위한 것으로,

미세먼지측정장치(10)가 설치된 미세먼지측정드론(100);

상기 미세먼지측정장치(10)가 감지한 미세먼지 측정 데이터를 실시간으로 수신 받는 현장운용시스템(200);

을 포함하여 구성되되,

상기 현장운용시스템(200)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 저장하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 미세먼지측정드론(100)은,

GIS 및 GPS를 사용하여 3차원 위치정보를 상기 미세먼지 측정 데이터와 연동하여 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 3차원 위치정보는,

위도와 경도 그리고 고도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하며,

상기 미세먼지측정드론(100)은,

GPS 또는 기압계 또는 자이로스코프 중 어느 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 물분사 기능이 있는 워터포그분사드론(300);이 추가로 구성되어,

상기 현장운용시스템(200)이 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터가 미리 설정된 기준치를 넘어 미세먼지 저감이 필요한 곳을 상기 워터포그분사드론(300)에 전송하고,

상기 워터포그분사드론(300)이 상기 미세먼지 저감이 필요한 곳에 물분사하여 미세먼지를 저감하는 것을 특징으로 한다.

그리고 물분사를 마친 곳에 상기 미세먼지측정드론(100)이 재투입되어,

상기 미세먼지측정드론(100)이 미세먼지 측정 데이터를 재수집하고 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 한다.

더불어 본 발명은 상기 현장운용시스템(200)과 연동된 평가시스템(400)이 별도로 구비되고,

상기 평가시스템(400)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 현장운용시스템(200)으로부터 전송된 물분사 전후의 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 평가하는 것을 특징으로 한다.

이하 보다 구체적으로 설명한다.

상기 미세먼지측정드론(100)으로부터 전송되는 미세먼지 측정 데이터를 저장 관리하기 위해서는 단순 포인트 정보가 아니라, 상기 미세먼지측정드론(100)이 측정하여 범위로 지정된 만큼의 영역이 포함되어야 한다. 즉, 미세먼지 센서의 측정 범위 값에 따라 범위 값이 함께 저장되어야 한다.

상기 미세먼지측정드론(100)에 장착된 미세먼지센서의 범위는 센서의 일정한 크기를 유지하므로, 사용되는 센서의 종류와 측정 능력을 지정하여 관리하도록 한다.

측정된 미세먼지 측정 데이터의 용량은 크지 않고, 데이터 저장 시 유지해야 할 데이터가 시간, 위치, 측정 값 정도이므로, 별도의 데이터 축약을 위한 압축 기법 등은 적용하지 않는다.

미세먼지 측정 데이터를 관리하기 위해서는 관리되는 측정 데이터가 일정한 간격으로 관리되어야 추후 이 데이터를 이용한 평가가 가능하다. 일반적으로 도로와 같이 이동 경로가 사전 정의되어 이동하는 경우에는 선형을 따라 이동 거리를 기준으로 데이터를 관리하는 것이 가장 합리적이다.

그러나, 건설현장에서 3차원으로 움직이는 드론의 경우처럼 정의되지 않은 경로를 이동하는 경우 측정 지점이 일정 간격을 유지하는 것은 사실상 불가능하다. 그러므로 측정 정보를 효과적으로 관리하기 위해서는 일정 간격으로 측정 정보를 관리하는 방안이 필요하며, 경로 정보와 함께 결합하여 서비스하는 것이 필요하다.

3차원 GIS는 현장을 가시적으로 표출하고 추후 운영결과를 나타내는 통계 및 분석 정보를 나타내기 위해서 필요한 기능이다. 현재 전국 3차원 정보는 v-World 서비스를 통하여 데이터 지원을 받아 서비스가 가능한 상황이다. 그러나, 현장에서 사용하기에는 몇 가지 상황에 대한 점검이 필요하다.

해상도가 현장에서 사용하기에 충분하지 않다. 현장의 범위가 수십 미터 단위의 범위가 일반적인데 현재 서비스하고 있는 데이터의 해상도는 대략 25m 정도의 해상도를 가지고 있다. 이 정도의 해상도를 이용 할 경우에 현장의 상태를 그대로 표현하기 어렵다.

그리고 v-World 서비스는 과거의 데이터를 제공한다. 이 때문에 실제 현장의 지표 형상과 다른 정보를 나타내게 된다. 그러므로 현장을 나타내기 위해 최신의 정보를 주변 GIS 정보와 결합하여 나타내는 것이 필요하고, 이를 위한 데이터 입력 기능이 필요하다.

데이터 정밀도 문제가 있을 수 있다. 정확히는 GIS 데이터의 문제라기보다는 측정되는 GPS의 위치 정보가 부정확하여 정확한 위치를 나타내지 못할 가능성이 있다. 현재 GPS 정보의 오차 범위는 수 센치미터에서 수 미터까지 날 수 있으므로 이를 발생하는 GPS 데이터 측면에서 보정하지 못한다면 수집 후 별도의 보정을 한다. 특히, 수직 정보의 경우 수평 정보에 비하여 오차 범위가 좀 더 넓으므로 이를 감안하여야 한다.

현장운용시스템(200)은 미세먼지측정드론(100)으로부터 수집된 미세먼지 정보와 함께 드론의 위치를 전송받게 된다. 즉 이 정보는 설정된 측정 간격에 따라 지속적으로 현장운용시스템(200)으로 데이터를 전송하게 된다.

위치 정보는 미세먼지측정드론(100)에 장착된 GPS로부터 발생하고 GCS를 통해서 송신된다. 위치 정보는 위도, 경도 및 고도 정보로 구성되어 있다. 일반적으로 드론의 위치 정보는 GPS 뿐만 아니라 별도의 기압계를 이용해서도 측정하게 되는데, 야외에서 사용하는 본 시스템의 경우에는 좀 더 정밀한 GPS 정보의 사용이 용이하므로 GPS 정보를 주로 활용한다.

또한, 자이로스코프를 이용하여 자세 정보를 취득하여 이동 방향 등을 예측하여 드론을 운영할 수 있다.

도 2는 본 발명에서 미세먼지측정드론의 위치 정보 및 측정값의 예시이다.

측정 데이터는 미세먼지센서를 통하여 취득된 데이터를 이용하게 된다. 미세먼지측정드론(100)과 현장운용시스템(200) 상호 간에 취득된 데이터의 종류와 전송 순서를 미리 약속한 상태에서 데이터가 전송되게 된다.

이 두 데이터는 동시에 측정되지 않으며 개별로 운영되고 전송되어 진다. 워터포그분사드론(300)에게 위치를 전송하기 위해서는 미세먼지측정드론(100)에서 현장운용시스템(200)으로 전송된 측정값을 기반으로 평가하여 이동 명령을 전달하게 되는데, 이때 미세먼지측정드론(100)으로 부터 취득한 최종 위치를 이용한다.

도 3은 본 발명에서 워터포그분사드론이 작동하는 기준 룰에 관한 예시이다.

미세먼지측정드론(100)으로부터 취득된 정보를 기준으로 워터포그분사드론(300)이 동작하도록 하기 위해서는 현재 측정된 데이터가 일정 수준 이상의 농도를 가졌을 때 동작할 수 있도록 정의되어야 한다.

PM10 혹은 PM2.5로만 정의되어 운영되면 단일 기준으로 정의해도 되지만 향후 운영을 위해서 다중 기준을 만족시킬 수 있는 정보 관리를 한다.

본 발명은 단순히 측정 데이터 요소의 농도만을 기준으로 하므로 아주 단순한 형태로 운영할 수 있다. 도 3에서와 같이 기준 룰을 정의하고 해당 기준 룰에 따라 결과를 선택하는 기준 룰까지 적용하여 판정하게 된다.

도 4는 본 발명에서 기존 지형고도 데이터와 현장 지형고도 데이터의 차이를 도시한 것이다.

건설현장 주변의 지형 고도 데이터는 본 발명에서 반드시 필요한 기본정보이다. 그러나 해당 지역에 건설이 시작되면 현재 확보할 수 있는 지형 고도 데이터는 부정확한 데이터가 된다. 또한 건설이 종료된 이후에는 건물, 조경 등으로 인해 실제 바닥 지형과 다른 형태의 지형을 가질 가능성이 크다. 그러므로 현장 운영시스템을 운영하기 위해서는 현장의 바닥 지형 고도 데이터를 별도로 입력해야 한다.

현장의 정확한 지형 고도를 아는 것은 불가능하므로, 일정 높이와 범위를 지정하여 적용하는 방식으로 운영하여야 한다.

도 5는 본 발명에서 현장운용시스템과 평가시스템의 기능 구성을 도시한 것이다.

현장운용시스템(200)은 드론 운영에 초점을 맞추고 있고 드론의 API를 사용하여야 하며 미세먼지 센서로 부터 수집되는 저수준의 통신 프로토콜을 사용해야 하므로 Client/Server 방식의 데스크탑 프로그램으로 제작하고, 평가시스템은 WEB/WAS 기반의 WEB Application으로 제작한다.

본 발명에서 수집되는 데이터는 드론의 위치와 측정값이 전부이다.

위치 정보와 측정값은 서로 완전히 분리된 데이터로서 두 데이터 간의 연관성은 시간밖에 없다. 그러므로 실제 데이터는 시간을 매개로 운영되어야 한다.

두 데이터가 동시에 발생하지 않으므로 이럴 경우 서로 간의 연결성은 가장 인접한 시간의 발생 정보로 가정한다. 데이터 간 발생시간의 차이로 인해서 발생하는 위치의 오류는 최대 위치 정보 발생 간격만큼 발생하게 된다.

이렇게 측정 간격이 다름으로 인해 미세먼지측정드론(100)의 실제 측정 지점과 워터포그분사드론(300)이 사용하는 측정 지점 간의 차이가 발생 할 수 있다. 그러나 현실적으로는 드론이 측정 시 호버링 상태이면 동일한 위치 정보를 사용한다고 가정할 수 있다.

도 6은 본 발명에서 현장운용시스템이 수행하는 데이터 수집 운영 프로세스를 도시한 것이다.

데이터 수집을 위한 운영 프로세스는 도 6과 같다. 최초 미세먼지측정드론(100)으로부터 측정된 데이터가 현장운용시스템(200)에 전송되면 정의한 기준 룰에 의해 동작 여부를 판정하게 된다. 미세먼지 농도가 기준에 미치지 못한다면 워터포그분사드론(300)의 동작 없이 무시하게 된다. 단, 워터포그분사드론(300)이 동작하지는 않는다 하더라도 수집 기준에 맞추어졌다면 데이터를 저장하여야 한다.

워터포그분사드론(300)의 동작 기준 룰에 부합 하면 워터포그분사드론(300)으로 위치를 전송하고 분사 명령을 전달한다. 워터포그분사드론(300)이 해당 위치에 도달하게 되면, 워터포그(WATER FOG)를 분사하고 나서 분사 완료 상태를 현장운용시스템(200)에 전송한다.

현장운용시스템(200)이 분사 완료 정보를 받게 되면 미세먼지측정드론(100)에게 기준 룰에 따라 워터포그분사드론(300)이 움직이는 명령으로 판정되었을 때의 위치로 이동하여 검증 측정을 하게 한다. 이 데이터를 이용하여 워터포그분사드론(300)의 분사 효과를 분석할 수 있다.

드론 동작 명령은 드론에 따른 GCS API를 이용하여 전송하게 된다. 일반적인 GCS API는 TCP/IP 통신을 이용하여 전달되게 된다.

드론 이동 명령은 API를 이용한 자동화 방식과 사람이 직접 이동을 제어하는 수동 방식을 선택적으로 적용한다. 워터포그분사드론(300)의 워터포그(WATER FOG)를 분사하는 방식도 역시 수동 방식을 적용할 수 있다.

자동으로 이동하고 분사하는 경우에는 건설현장이 개활지가 아니므로 장애가 되는 시설을 피해서 이동하는 경우를 고려해야 한다. 이 경우에 장애물을 회피하기 위한 별도의 회피 센서와 알고리즘을 드론에 탑재할 수 있다.

도 7은 본 발명에서 미세먼지측정드론과 워터포그분사드론의 고도차를 도시한 것이다.

분사 위치가 측정 위치를 기준으로 어느 정도 위치 차 만큼 고도를 높여야 하는지 설정하는 것이 필요하다. 이외의 환경적인 요인(바람, 온도 등)으로 인한 위치 결정 알고리즘을 적용될 수 있다.

즉, 미세먼지보다 물이 무거우므로, 평상시 미세먼지를 제거하기 위해서는 미세먼지측정드론(100)의 미세먼지측정 위치 보다 워터포그분사드론(300)의 물분사 위치가 위에 위치해야 하며, 미세먼지가 타 구역으로 전파되지 않도록 풍향 및 온도를 포함한 환경적 요인을 고려하여 가벼운 미세먼지의 이동방향을 미리 차단하는 위치에 물분사하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에서 드론 운영시 이동 경로에 따른 위치 겹침을 도시한 것이다.

삭제

도 8처럼 단순히 위치 정보 기준으로 데이터를 저장할 경우 위치가 겹치는 부분에서 다소 간섭이 발생한다. 드론의 위치가 차이가 나면 측정값의 위치 또한 정확히 확정하기가 쉽지 않다. 이러한 차이로 인하여 전반적으로 데이터 표출과 공간 통계 추출에 어려움이 발생할 수 있다.

도 9는 도 8의 문제점을 해결하기 위한 공간 분할 방법을 도시한 것이다.

상술한 도 8의 상황을 방지하기 위하여 기준점을 고정하고, 일정 간격으로 공간을 분할하여 고정 크기의 정보를 활용할 수 있도록 한다. 이렇게 데이터를 구현할 경우 시간에 따른 미세먼지 발생 현황 통계, 시뮬레이션 등에 용이한 정보가 된다.

데이터 구축을 최소로 하고 가능한 기존 데이터 기반으로 운영하기 위해서는 건설현장 범위에 해당하는 영역을 설정하고 해당 영역의 기본 높이를 지정하여 사용하도록 한다.

도 10은 본 발명에서 건설현장의 영역 설정의 예시이다.

도 10과 같이 주변의 지형과 건물과 같은 지형물은 기존 정보를 그대로 사용한다. 선택된 건설현장 내부 기존 건물 혹은 시설물 지형물은 가시화시에 가시화 대상에서 제외하여 나타낸다.

도 11은 도 10을 기초로 현장을 분할한 실시예이다.

측정결과 데이터를 나타내고 데이터를 분석을 위해서는 일정 간격의 데이터 저장이 필요하다. 경로를 따라 데이터를 저장하고 분석할 경우에 정형화된 형태의 분석 결과를 얻기 어려우므로 격자 형식으로 워터포그(WATER FOG)의 최소 분사 범위를 기준으로 현장을 분할하여 측정 데이터를 저장하도록 한다.

측정결과 저장의 최소 크기는 분사 장치의 성능에 따라 추후 설정 할 수 있도록 한다.

도 12는 본 발명에서 드론의 데이터 정보 취득 범위의 실시예이다.

분사 영향을 미치는 범위의 설정은 두 가지 방식을 이용할 수 있다. 드론을 중심으로 육면체를 이용하여 설정하는 방식과 구를 설정하는 방식이 있다. 프로그램 구현 시 선택적으로 사용할 수 있도록 한다.

도 13은 본 발명에서 미세먼지측정드론의 시작품이고,

도 14는 도 13의 사시도이다.

그리고 도 15는 본 발명에서 미세먼지측정드론의 사양의 예시이다.

본 발명에 사용되는 드론은 대중성, 호환성, 그리고 운용성을 고려하여 측정 장비를 적재할 드론을 구비하였으며, 배터리 조건에 따라 활동 시간을 증폭시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, GPS 의 정확도를 위해 Real- Time Kinematic(RTK) 방식으로 운용한다.

그리고 6방향 감지, 포지셔닝 시스템 및 FPV 카메라를 갖춘 산업용 드론 플랫폼. 안정성과 안전성 향상을 위해 드론 위에 장착할 수 있는 추가적인 장애물 감지 구성 요소인 CSM 레이더를 지원한다. 리턴 투 홈, 장애물 감지, AI 현장 확인 등 여러 가지 고급 비행 기능이 탑재되어 있으며, 내장된 Air Sense는 주변 비행 공간 내 가까운 기체에 대한 인식 정보를 제공하여 안전 요소를 고려한다.

본 발명에서 드론의 기체 프레임 설계는 국제 IEC 60529 표준에 따라 IP45 방진방수 등급을 보유하여야 하며, 기체의 상단과 하단의 안전 비콘을 통해 밤이나 낮은 조명 조건에서 기체를 식별할 수 있으며, 보조등은 밤이나 저조도 환경에서 비전 포지셔닝 시스템 성능에 도움을 주어 기체 이륙, 착륙, 비행 안전을 개선하였다.

도 16은 본 발명에서 미세먼지측정장치의 시작품이고,

도 17은 본 발명에서 미세먼지측정장치의 사양의 예시이다.

도 18은 본 발명에서 미세먼지측정장치에 적용되는 미세먼지센서의 예시이고,

도 19는 본 발명에서 미세먼지센서의 사양의 예시이다.

미세먼지센서는 PM 2.5, PM 10을 측정할 수 있으며 외부에 팬이 공기를 빨아들여 흡입하는 방식으로 내부에 팬이 장착되어 있는 모델보다 직관적으로 작동여부를 확인할 수 있는 센서를 채택한다.

도 20은 본 발명에서 미세먼지센서에 적용되는 광산란 방식의 원리도이다.

광산란 방식의 원리는 레이저를 사용하여 공기 중에 입자를 방사하여 산란을 생성하여 산란광을 수집하고 최종적으로 시간에 따른 산란광 변화 곡선과 MIE 이론을 기반으로 마이크로프로세서에 의해 등가 입자 직경과 단위 부피당 직경이 다른 입자 수를 계산하여 산출하는 방식이다.

도 21은 본 발명에서 미세먼지측정드론에서 측정한 미세먼지량은 색을 달리한 아이콘으로 표시한 예시이다.

가시화용 데이터는 3차원 지도상에 드론과 측정된 데이터를 나타내기 위해서 사용하는 데이터를 의미하며, 단순한 형태의 데이터를 사용하였다. 드론과 측정값은 도 21의 심볼을 이용하여 표출한다.

도 22는 본 발명에서 각 장치가 수행하는 테이터 알고리즘을 도시한 것이다.

데이터 측정부는 드론에 탑재되어 미세먼지를 측정하는 부분으로 시작품으로 제작된 측정 장치를 말한다.

데이터 수신 모듈은 측정 장치로부터 무선 수신되는 측정값을 수신 모듈로 USB Com Serial Port를 통해 데이터를 수신 하도록 한다. 수신된 데이터는 실시간 데이터 표출을 위하여 데이터 표출 모듈로 바로 전달하고, 즉시, 측정 데이터 관리 모듈로 전달하여 저장될 수 있도록 한다.

측정데이터 관리는 전달 받은 측정 데이터를 앞부분에 수신 시간을 추가하여 로그로 저장한다. 로그 파일은 수신 시작 시점을 이용한 파일 명을 붙이며 프로그램 실행 시간 동안 유지된다. 다음번 측정이 시작되면 새로운 파일 명이 붙여진다. 별도로 지정한 폴더에 로그 파일을 텍스트 형태로 저장한다. 시뮬레이션을 위해 데이터를 로드하는 역할도 수행한다.

데이터표출 모듈에서 데이터 표출은 3차원 지도상에 드론의 위치와 측정값을 표출하는 역할을 한다.

드론의 위치를 지정하고 지도 위치를 이동시키기 위해 마우스를 이용한 인터페이스와 함께, 지도 이동, 드론 표출, 측정값 표출을 위한 추가적인 API 함수를 제공한다.

시뮬레이션에서 로그 파일로부터 읽어 들인 정보를 데이터 표출 모듈로 전달하여 실시간 데이터 표출과 같은 재생 기능을 수행한다. 데이터를 한 줄씩 읽어 처리 하며, 기본 적으로 데이터 수시 간격으로 데이터 표출 모듈에 데이터를 전달한다. 좀 더 빠른 처리를 위하여 시간 간격을 실제 수신 시간 간격 보다 줄여서 빠른 재생을 지원 할 수 있다.

도 23은 본 발명에서 프로그램 연동 과정을 도식화한 것이다.

도 24는 본 발명에서 전용어플리케이션을 사용한 초기 GPS 위성화면을 도시한 것이다.

전용어플리케이션의 프로그램은 크게 두 부분으로 구성되어 진다. 미세먼지측정드론(100)으로부터 데이터를 수신하는 부분과 수신된 데이터를 화면에 표출하는 부분이다.

전용어플리케이션을 실행하면 화면 상단의 프로토롤 설정옵션 부분에서 자동을 사용가능한 Serial Port를 찾아서 나열한다. BaudRate의 경우에는 측정 장치의 기본 값이 9600이므로 설정된 값을 그대로 사용한다.

연결 설정이 되면 Connect 버튼을 눌러 데이터 수신을 시작하고 데이터 수신이 이루어지면 오른쪽 목록에 현재 수신 되는 데이터가 표출된다. "Go To" 버튼을 누르면 지도의 중심이 현재 수신되는 드론의 위치로 지도 화면이 움직이고 드론의 위치가 화면에 표시되게 된다.

이외에 전용어플리케이션 프로그램에서는 화면 표시이전에 자동으로 수신된 데이터를 Log 폴더에 저장한다. 연결 시작 시의 날짜와 시간으로 파일명이 자동으로 부여되며 수신 데이터를 한 번에 한줄 씩 수신 상태 그대로 저장한다.

기타 기능으로 인터넷 연결이 필요한 지도 화면을 비활성화 할 수 있는 기능을 추가하여 외부에서 테스트 할 경우에 인터넷 연결이 안 될 경우 사용할 수 있도록 하였다. 해당 기능은 WebSever.ini 파일내의 WebMapEnable 항목을 false로 지정하여 사용가능하다.

도 25는 본 발명에서 GPS 추적 화면을 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 데이터 수신 시 잡음은 발생하지 않으며,

위치 값은 경우 경도 126.8973 위도 37.4816 지점으로 나타났고, 지도상에서 해당 위치(그림에서 빨간색 원 위치)의 좌표를 측정한 결과 경도 126.8971, 위도 37.4859도 나타나 큰 오차를 보이지 않았다. 고도의 경우에는 지도상에서의 고도 값이 72m로 계산 되었다.

도 26은 본 발명의 시험과정에서 현장위성사진을 도시한 것이고,

도 27은 본 발명에서 건설현장 내 미세먼지 모니터링 과정을 도시한 것이다.

시험현장은 토공사 중심인 현장으로 초기 시스템 검증 당일의 미세먼지 평균값은 PM2.5 14.67을 기록하고 있고, PM10은 24.33으로 미세먼지는 '좋음' 단계로 판정되었다.

도 28은 본 발명에서 드론으로 촬영한 건설현장 장면이다.

도 29는 본 발명의 시험과정에서 예보된 미세먼지 데이터를 도시한 것이다.

환경부에서 제공하는 미세먼지 통계는 좋음으로 PM10은 30이하 PM2.5는 15이하로 볼 수 있다. 지상으로부터 고도 10m와 30m를 중심으로 비행을 하였으며 1300개의 데이터가 수집되었다. 평균적으로 PM10은 34, PM2.5는 25 수준으로 지상 측정보다 낮은 수치를 나타냈다.

도 30은 본 발명의 시험과정에서 미세먼지측정드론을 통해 측정된 미세먼지 데이터를 도시한 것이다.

특이한 점은 수평정보 외에 고도정보도 도시된다는 점이다.

도 31은 본 발명에서 미세먼지측정드론의 비행 경로를 분석한 것이고,

도 32는 본 발명에서 일부 고도 구간별 측정 데이터이다.

도시된 바와 같이, 드론의 이착륙 지점의 측점 정보는 Local북 456018.059 Local동 173018.914 Local높이 72.155 거리 375.503 방향 212:17:26.6917573 이다.

측정 장치에서 추출한 GPS와 고도 데이터를 합산한 동선이다. 최대 반경은 500m, 최대고도는 100m로 비행하였다. 총 1300개의 측점으로, 고도의 오차를 고려하여 10m 이상의 비행 데이터를 구간별로 분석하였다.

고도 구간으로 분석하였을 경우, 30-40m 구간의 미세먼지 오염도가 높은 것으로 나타났으며 고도 구간이 높아지면, 정부에서 공시한 예보와 동일하다. 따라서 고도는 50m 이하의 비행의 측정이 효율적이다.

도 33은 본 발명에서 위성사진과 실제 맵핑 데이터를 비교한 것이고,

도 34는 도 33에서 3D 맵핑 및 모델링을 도시한 것이다.

GPS 정보와 함께 연동되는 위성지도는 업데이트 주기가 느린 한계로 실측에 대한 GPS 데이터가 측정 장치와 함께 맵핑이 동시에 진행이 되어야 한다. 맵핑은 고도 30m에서 진행을 하였고, 1:1000 수치지도보다 높은 해상도의 맵핑 데이터를 제공할 수 있다.

도 35는 대상 현장을 캐드 도면으로 재구성한 것이고,

도 36은 도 35에 미세먼지 측정값의 위치정보를 매칭한 것이다.

구체적으로 도 35는 대상 현장의 수치지도를 획득하여 캐드 도면으로 재구성한 화면이고, 도 36은 수치지도에 미세먼지 측정값의 위치정보를 맵핑시킨 것이다. 이는 미세먼지가 측정된 위치정보를 좌표계 변환을 통해 수치지도에 매핑한 것이다.

도 37은 현장의 위성사진에 미세먼지 측정값의 위치정보를 매칭한 것이다.

구체적으로 도 37은 현장의 위성화면에 미세먼지 위치 값을 매칭시킨 것으로 1:1,000 지도에 매핑 시킨 값과 거의 일치하게 나타남을 알 수 있다.

도 38은 현장 테스트 위치의 위성지도이고,

도 39는 도 38에 미세먼지 데이터를 시각화한 것이다.

위성 지도에 기반한 현장 위치로 이동하면 현재는 공사 현장이지만 지도상에는 산으로 되어 있는 지형을 확인할 수 있다. 이 부분은 향후 해당 지역을 공사 진척이 맞추어 지면을 조정하거나 혹은 특정 높이로 지정하여 평탄화한 이후에 본 발명을 운영한다.

현재 공간정보진흥원에서 제공하는 데이터는 최소 6개월 이상이 지난 데이터 이므로 거의 모든 현장에서는 이러한 평탄화 작업을 반드시 거쳐야 한다.

이 데이터는 드론 비행 데이터를 앞쪽에 현재 시간을 덧붙여 로그 형식으로 기록한 것으로 데이터를 파싱하여 운행 모습을 재현 하였다.

실사보다는 간단한 아이콘을 이용하여 측정값과 경로를 표시하였는데 지도에서 산으로 되어 있는 부분이 가려져 있지만 공중으로 띄운 이후의 값의 구분은 가능한 상태이다.

각 값의 색상은 에어코리아(airkorea.or.kr)에서 제시하는 색상을 기준으로 설정하였다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.

따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

10: 미세먼지측정장치
100: 미세먼지측정드론
200: 현장운용시스템
300: 워터포그분사드론
400: 평가시스템

Claims (7)

1. 도심지 건설현장의 미세먼지를 모니터링하기 위한 것으로,
   미세먼지측정장치(10)가 설치된 미세먼지측정드론(100); 및
   상기 미세먼지측정장치(10)가 감지한 미세먼지 측정 데이터를 실시간으로 수신 받는 현장운용시스템(200);
   을 포함하여 구성되되,
   상기 현장운용시스템(200)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 저장하는 것을 특징으로 하고,
   상기 미세먼지측정드론(100)은,
   GIS 및 GPS를 사용하여 3차원 위치정보를 상기 미세먼지 측정 데이터와 연동하여 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 하며,
   상기 3차원 위치정보는,
   위도와 경도 그리고 고도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 미세먼지측정드론(100)은,
   GPS 또는 기압계 또는 자이로스코프 중 어느 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하며,
   물분사 기능이 있는 워터포그분사드론(300);이 추가로 구성되어,
   상기 현장운용시스템(200)이 전용어플리케이션을 사용하여 상기 미세먼지 측정 데이터가 미리 설정된 기준치를 넘어 미세먼지 저감이 필요한 곳을 상기 워터포그분사드론(300)에 전송하고, 상기 워터포그분사드론(300)이 상기 미세먼지 저감이 필요한 곳에 물분사하여 미세먼지를 저감하는 것을 특징으로 하고,
   물분사를 마친 곳에 상기 미세먼지측정드론(100)이 재투입되어, 상기 미세먼지측정드론(100)이 미세먼지 측정 데이터를 재수집하고 상기 현장운용시스템(200)에 전송하는 것을 특징으로 하고,
   상기 현장운용시스템(200)과 연동된 평가시스템(400)이 별도로 구비되고, 상기 평가시스템(400)은 전용어플리케이션을 사용하여 상기 현장운용시스템(200)으로부터 전송된 물분사 전후의 상기 미세먼지 측정 데이터를 분석하고 평가하는 것을 특징으로 하되,
   상기 미세먼지 측정 데이터는 단순 포인트에 대한 정보가 아니라 범위에 대한 정보이며,
   상기 3차원 위치정보는 미리 설정된 측정간격에 따라 지속적으로 상기 현장운용시스템(200)으로 전송되고,
   상기 현장운용시스템(200)은 상기 미세먼지측정드론(100)에서 상기 현장운용시스템(200)으로 전송된 측정값을 기반으로 평가하여 상기 워터포그분사드론(300)에 최종 위치를 전송하며,
   상기 건설현장 주변의 기존 지형고도 데이터와 현장 지형고도 데이터가 시간차로 인하여 다를 경우, 상기 건설현장의 바닥 지형 고도 데이터를 별도로 입력하여 적용하고,
   상기 미세먼지 측정 데이터와 상기 3차원 위치정보는 시간을 매개로 연동되되, 상기 시간이 일치하지 않을 경우 가장 인접한 시간의 발생 정보로 가정하며,
   미세먼지보다 물이 무거우므로, 미세먼지를 제거하기 위해서는 미세먼지측정드론(100)의 미세먼지측정 위치 보다 워터포그분사드론(300)의 물분사 위치가 위에 위치해야 하며, 미세먼지가 타 구역으로 전파되지 않도록 풍향 및 온도를 포함한 환경적 요인을 고려하여 가벼운 미세먼지의 이동방향을 미리 차단하는 위치에 물분사하고,
   상기 미세먼지측정드론(100)의 상기 3차원 위치정보는 일정 간격으로 공간을 분할하여 고정 크기의 정보를 활용하므로 드론 운영시 이동 경로에 따른 위치 겹침에 의한 간섭을 방지하며,
   상기 워터포그분사드론(300)의 물분사 범위의 설정은 상기 미세먼지측정드론(100)을 중심으로 육면체 또는 구를 상기 전용어플리케이션 사용시 선택적으로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 도심지 건설현장을 위한 미세먼지 스마트 감시시스템.
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