KR102368350B1 - 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법이 제공된다. 실시간 도로 침수 모니터링 장치는 도로 노면으로 송신되어 반사되는 레이더 신호를 분석하여 실시간으로 도로 노면 관측 신호를 획득하는 레이더 센서부와, 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하고, 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버로 전송하도록 처리하는 프로세서를 포함한다.
Description
본 발명은 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 도로 노면을 레이더 관측하여 우수 유입, 수막 형성, 침수 여부 등을 실시간으로 판단할 수 있는 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 기후 변화 및 온난화 영향으로 인한 매년 악기상이 증가하는 추세에 있다. 특히, 이상기후로 인한 대형 태풍의 발생빈도가 증가함에 따라 예기치 못한 집중호우로 인해 도로 침수, 주택 침수, 하천 범람 등 수재해 발생률 및 피해가 증가하고 있다.
또한, 집중 호우, 돌발 강우로 인한 강우패턴이 변화함에 따라 침수 피해를 예방하기 위한 노면 배수 시설의 기능 개선을 위한 노력은 침수 피해를 예방하는데 한계가 있다.
또한, 기존 도로 침수 관련 기술은 CCTV(closed circuit television)에 의존하여 검지영역에 대한 음영지역(구간)이 발생할 수밖에 없으며, 모니터링 요원에 의해 경보를 발생하는 것에는 기술적 및 효과적인 면에서도 한계가 있다.
또한, 기상예보 또는 기상정보의 경우 돌발적으로 급격하게 변화하는 기상상황에 의해 신뢰성을 보장하기 힘든 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 레이더 관측 신호를 분석하여 도로 배수 시설이 열악한 하천 변 인근 도로, 지하차도, 저지대 도로, 암거 등 침수 취약 도로의 침수 여부를 실시간으로 판단하여 위험 상황을 모니터링할 수 있는 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 실시간 도로 침수 모니터링 장치는, 도로 노면으로 송신되어 반사되는 레이더 신호를 분석하여 실시간으로 도로 노면 관측 신호를 획득하는 레이더 센서부; 및 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하고, 상기 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버로 전송하도록 처리하는 프로세서;를 포함한다.
상기 프로세서는, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 우수가 유입된 것으로 판별하고, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 정해진 시간동안 관측되면 수막이 형성된 것으로 판별한다.
상기 프로세서는, 우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별한다.
상기 레이더 센서부는, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 이동 객체를 필터링한다.
상기 레이더 센서부가 도로 노면 관측 신호를 획득하는 동안, 상기 도로 노면을 촬영하여 영상 신호를 획득하는 비젼 센서부; 및 도로 주변의 온습도를 센싱하여 온습도 정보를 획득하는 온습도 센서부;를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 비젼 센서부와 온습도 센서부가 획득한 영상 신호와 온습도 정보를 상기 관제 서버로 더 전송한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 실시간 도로 침수 모니터링 방법은, (A) 장치가, 도로 노면으로 송신되어 반사되는 레이더 신호를 분석하여 실시간으로 도로 노면 관측 신호를 획득하는 단계; (B) 상기 장치가, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 상기 도로 노면 상의 우수 유입 여부 및 수막 형성 여부를 판별하는 단계; (C) 상기 장치가, 상기 (B) 단계에서 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하는 단계; 및 (D) 상기 장치가, 상기 (C) 단계에서 판별된 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버로 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 (B) 단계는, (B1) 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 우수가 유입된 것으로 판별하는 단계; 및 (B2) 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 정해진 시간동안 관측되면 수막이 형성된 것으로 판별하는 단계;를 포함한다.
상기 (C) 단계는, 우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별한다.
상기 (A) 단계 이후, (E) 상기 (A) 단계에서 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 이동 객체를 필터링하는 단계;를 더 포함한다.
(F) 상기 장치가, 상기 (A) 단계에서 도로 노면 관측 신호를 획득하는 동안, 상기 도로 노면을 촬영하여 영상 신호를 획득하는 단계; 및 (G) 상기 장치가, 주변의 온습도를 센싱하여 온습도 정보를 획득하는 단계;를 더 포함하고, 상기 (D) 단계는, 상기 (F) 및 (G) 단계에서 획득한 영상 신호와 온습도 정보를 상기 관제 서버로 더 전송한다.
본 발명에 따르면, 레이더 관측 신호를 분석하여 도로 배수 시설이 열악한 하천 변 인근 도로, 지하차도, 저지대 도로, 암거 등 침수 취약 도로의 침수 여부를 실시간으로 판단함으로써 집중 호우 시 또는 일반 강우 시 도로의 위험 상황을 모니터링하여 실시간 위험 정보를 사전에 제공함으로써 위험에 대비할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 실시간으로 도로 침수 가능성이 높은 취약 구간을 지속적으로 모니터링하여 공공 및 민간에 사전에 위험정보를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 실시간 침수 위험 정보를 사전에 제공함으로써 긴급 차량통제, 우회 도로 안내 등을 통한 피해 예방이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 침수가 발생한 노면의 영상을 학습하여 침수를 예측할 수 있는 모델을 생성하고, 이를 지능형 CCTV와 연계 및 융합을 통해 스마트 도로침수 관리시스템을 구축할 수 있으며, 이로써 본 발명의 장치를 설치하지 않고도 침수 상황을 실시간으로 판단하고 모니터링할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치가 설치될 수 있는 구간의 예를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치를 도시한 블록도,
도 3은 우수 유입이 없는 일반적인 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4는 이동 객체가 없는 상황에서 도로 노면을 분리하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5는 우수가 유입된 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 6은 지속적인 우수 유입에 의해 도로가 침수되었을 경우 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 7은 맑은 날 하천 표면에서 관측되는 도플러 속도의 예시도,
도 8은 침수 시 발생하는 도플러 속도의 예시도,
도 9a는 근접 구간까지 도로가 침수된 경우, 침수 거리에 따른 도플러 속도와 반사 강도 관계를 도시한 그래프,
도 9b는 도플러 속도 및 반사 강도 임계값을 이용하여 도 9a로부터 추출한 유효 물결 정보의 예시도,
도 9c는 최근 N초 동안 관측된 유효 물결 정보의 합을 도시한 예시도, 그리고,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치를 도시한 블록도,
도 3은 우수 유입이 없는 일반적인 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4는 이동 객체가 없는 상황에서 도로 노면을 분리하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5는 우수가 유입된 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 6은 지속적인 우수 유입에 의해 도로가 침수되었을 경우 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면,
도 7은 맑은 날 하천 표면에서 관측되는 도플러 속도의 예시도,
도 8은 침수 시 발생하는 도플러 속도의 예시도,
도 9a는 근접 구간까지 도로가 침수된 경우, 침수 거리에 따른 도플러 속도와 반사 강도 관계를 도시한 그래프,
도 9b는 도플러 속도 및 반사 강도 임계값을 이용하여 도 9a로부터 추출한 유효 물결 정보의 예시도,
도 9c는 최근 N초 동안 관측된 유효 물결 정보의 합을 도시한 예시도, 그리고,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "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.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)가 설치될 수 있는 구간의 예를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 도시 도로 침수에 대한 안전을 위한 레이더 지향 경보 장치(Road-Surf: Radar Oriented Alert Device for Safety from Urban Road Flooding)로서, 침수가 발생하는 도로 주변의 구조물에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 산업용 초소형 레이더 전파 및 비젼 센서를 이용하여 도로 배수시설이 열악한 하천변 인근 도로, 지하차도 구간, 저지대 도로, 암거 구간 등 침수 취약도로 구간을 대상으로 집중호우 시 실시간 침수 위험상황 모니터링 및 사전 위험정보를 관제 서버(10)에게 제공할 수 있다.
관제 서버(10)는 도로 노면을 모니터링하여 침수 여부를 실시간으로 파악하고 재난 발생에 대비할 수 있다.
또한, 관제 서버(10)는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)가 구비되지 않고 일반 CCTV(closed circuit television)가 구비된 도로 환경에서도 도로 노면을 촬영한 영상만으로 우수 유입 여부, 침수 여부 등을 판단할 수 있는 학습 기반 알고리즘을 생성하는데 사용될 수 있다. 이는 비젼 센서부(120)의 도로 노면 촬영 영상과 레이더 신호를 이용한 침수 판별 결과 간의 통계적 상관성 도출을 학습함으로써 생성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 레이더 센서부(110), 비젼 센서부(120), 온습도 센서부(130), 전원부(140), 통신 인터페이스부(150), 메모리(160) 및 프로세서(170)를 포함할 수 있다.
레이더 센서부(110)는 자동차와 같은 움직임이 있는 객체로부터 반사된 신호의 도플러 속도 및 반사 강도의 특성을 분석하여 객체와 노면(우수유입 없는 일반적인 상태의 노면)을 분리하고, 노면을 상시 관측하여 관측 거리에 따른 도로 노면 관측 신호를 획득할 수 있다. 이 때 레이더 센서부(110)는 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 이동 객체를 필터링할 수 있다.
도 3은 우수 유입이 없는 일반적인 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 도로의 상부에 설치되어 있고, 침수가 발생할 가능성이 있는 도로 노면을 향해 레이더 신호를 송수신하다. 도 3과 같이 우수유입이 없는 일반적인 상태의 도로 노면의 경우, 이동 객체 또는 고정 객체가 없거나, 이동 객체 또는 고정 객체가 필터링된 상태에서는 도플러 속도가 ‘0’에 수렴한다. 이동 객체는 움직이는 객체로서 예를 들어, 자동차, 사람, 동물 등이 있고, 고정 객체는 움직임이 없는 객체로서 예를 들어 노면, 도로 구조물 등이 있다.
레이더 센서부(110)는 도플러 속도를 이용하여 고정 객체와 도로 노면을 분리할 수 있다. 레이더 센서부(110)는 도플러 속도가 0이거나 0에 수렴하는 객체의 신호를 클러터 필터링 방식을 이용하여 필터링할 수 있다. 따라서, 최초 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)를 설치할 때, 실측과 함께 도플러 필터링 하지 않고 관측을 수행하여 데이터 상 노면을 감지하고 노면 거리 정보를 저장해 둠으로써, 침수 감시 시에 노면과의 거리 내에서만 감시하여 그 정확성과 처리속도를 높일 수 있다.
도 4는 이동 객체가 없는 상황에서 도로 노면을 분리하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 레이더 센서부(110)에서 송신되는 레이더 신호는 도로 노면에 닿거나 객체에 닿고 반사될 때 큰 반사강도(피크)로 관측된다. 큰 반사 강도들 중 주변 영역의 평균 피크보다 더 큰 반사강도가 관측되었을 때 해당 신호의 도플러 속도가 0이거나 0에 근접하면(근접의 기준은 사전에 정해진 범위에 해당함) 레이더 센서부(110)는 클러터 필터링을 통해 움직임이 없는 신호(노면 또는 도로 구조물 등)를 제거할 수 있다.
도로 노면에 우수 유입이 없고, 맑은 날 움직임이 감지되지 않은 상황(즉, 일반적인 상태)에서 레이더 신호를 관측하여 획득한 초기 도로 노면 관측 신호는 초기화 과정에서 수행되어 메모리(160)에 저장될 수 있다.
또한, 도로 노면에 우수 유입이 없는 상태에서 레이더 센서부(110)와 도로 노면과의 거리(이하, '기준 노면 관측 거리'라 한다)도 레이더 센서부(110)의 초기화 과정에서 실측되어 초기 도로 노면 관측 신호와 함께 메모리(160)에 저장될 수 있다.
상술한 동작에 의해 레이더 센서부(110)는 도로 노면을 관측한 도로 노면 관측 신호를 프로세서(170)로 전달한다.
비젼 센서부(120)는 실시간으로 도로 노면을 촬영하여 스트리밍을 수행하며, 촬영된 도로 노면 영상을 디지털 변환하여 프로세서(170)로 전달할 수 있다. 또한, 비젼 센서부(120)는 프로세서(170)에서 도로 노면에 우수가 유입되었거나 수막이 형성된 것으로 판단되는 이벤트가 발생되면, 현재 도로 노면을 촬영할 수 있다.
온습도 센서부(130)는 도로 노면 또는 장치(100)가 설치된 주변의 온도와 습도를 센싱하여 센싱 결과를 프로세서(170)로 전달한다.
촬영된 도로 노면 영상과 센싱된 온습도는 프로세서(170) 또는 관제 서버(10)에서 우수 유입, 수막 형성, 도로 침수 등을 보조적으로 검증하는데 사용될 수 있다.
전원부(140)는 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)에게 전원을 공급한다.
통신 인터페이스부(150)는 IoT(Internet of Things), LTE(Long Term Evolution)망, 5G망 등 통신 네트워크를 통해 실시간으로 관측된 도로 노면 침수와 관련된 정보(즉, 도로 위험도 정보)를 관제 서버(미도시)로 전송할 수 있다.
메모리(160)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(160)에는 예를 들어, 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)가 제공하는 동작, 기능 등을 구현 및/또는 제공하기 위하여, 구성요소들(110~170)에 관계된 명령 또는 데이터, 하나 이상의 프로그램 및/또는 소프트웨어, 운영체제 등이 저장될 수 있다.
메모리(160)에 저장되는 프로그램은 도로 노면의 우수 유입 판단, 수막 형성 판단, 침수위 판단 및 우수 유입량 또는 침수량을 산출하기 위한 노면 관리 프로그램을 포함할 수 있다.
프로세서(170)는 메모리(160)에 저장된 하나 이상의 프로그램을 실행하여 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하고 신호 처리를 담당한다.
예를 들어, 프로세서(170)는 메모리(160)에 저장된 노면 관리 프로그램을 실행하여 레이더 센서부(110)에서 획득되는 도로 노면 관측 신호를 분석하여 도로 노면에 우수가 유입되었는지, 그리고, 수막이 형성되었는지를 판별할 수 있다. 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 프로세서(170)는 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하고, 수막 위험도가 사전에 설정된 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버(10)로 전송하도록 처리할 수 있다.
이를 위하여, 먼저, 프로세서(170)는 장치 초기화를 수행한다. 관리자가 현장 정보(위치 좌표, 장치(100)의 설치 높이, 위험 침수 높이 등을 인터페이스 장치(미도시)를 통해 입력하면, 프로세서(170)는 입력된 정보를 메모리(160)에 저장한다. 또한, 프로세서(170)는 관리자로부터 입력되는 현장에 최적화된 레이더 파라미터 정보(해상도, 유효 범위, 관측 주기(fps(frame per second)), 클러터 필터의 on/off 등)를 설정한다.
또한, 관리자 명령에 의해 프로세서(170)는 통신 네트워크(IoT/LTE/5G 등) 초기화, 시간 초기화 및 관제 서버(10)와의 연결, 레이더 센서부(110), 비젼 센서부(120), 온습도 센서부(130)의 초기화 및 구동을 수행한다. 레이더 센서부(110)와 비젼 센서부(120)는 도로 노면의 동일한 관측 영역을 관측하거나 촬영하도록 설치된다.
초기화가 완료되면, 프로세서(170)는 레이더 노면을 관측하도록 레이더 센서부(110)를 제어하고, 도로 노면을 촬영하도록 비젼 센서부(120)를 제어하며, 온습도를 센싱하도록 온습도 센서부(130)를 제어한다.
레이더 센서부(110)로부터 고정 객체가 필터링된 도로 노면 관측 신호가 실시간으로 수신되면, 프로세서(170)는 수신되는 도로 노면 관측 신호로부터 이동 객체를 제거하고, 이동 객체가 제거된 도로 노면 관측 신호를 분석한다.
프로세서(170)는 도로 노면 관측 신호에서 사전에 정해진 기준값 이상의 큰 반사 강도가 관측되었을 때 해당 신호의 도플러 속도가 + 방향 또는 - 방향에 위치하면서 관측 거리가 정해진 속도보다 빠르게 좁아지거나 멀어지면 이동 객체가 있는 것으로 판단하여 큰 반사 강도를 가지면서 도플러 속도가 + 또는 - 방향에 위치하는 신호를 제거하여 이동 객체를 제거할 수 있다.
일반적으로 관측되는 레이더 신호(즉, 도로 노면 관측 신호)에서 차량, 오토바이 및 자전거 등의 고 정 객체는 이동 중이므로 한쪽 방향의 도플러 속도로 빠르게 관측 거리가 좁아지거나 멀어진다. 따라서, 프로세서(0는 해당 고정 객체들을 신호처리를 통해 제거하여 우수유입 및 침수 상황인지, 일반 상태의 노면인지 판단할 수 있다.
도로 노 면 관측 신호를 분석한 결과 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 프로세서(170)는 우수가 유입된 것으로 판별할 수 있다. 일부 영역은 사전에 정해진 크기 또는 위치를 포함할 수 있다.
도 5는 우수가 유입된 상태에서 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명한 것처럼, 우수 유입이 없는 일반적인 상태에서 객체가 없거나 또는 이동 객체가 필터링된 상태에서는 도로 노면의 도플러 속도는 0에 수렴한다. 반면, 도 5에 도시된 것처럼 강한 강수에 의해 저지대 도로에 우수가 유입되는 상황에서는 레이더 센서부(110)로 도로 노면을 관측할 시, 우수의 흐름에 따라 일정한 패턴의 도플러 속도가 지속적으로 검지된다.
이는 맑은 날 우수 유입이 없는 도로 노면을 관측한 레이더의 평균 관측값과 우수가 유입되었거나 침수된 경우 도로 노면의 평균 관측값은 그 패턴이 서로 확실히 구분되므로(도 7 및 도 8 참조), 프로세서(170)는 우수 유입을 도플러 속도의 패턴으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(170)는 초기화 단계에서 저장된 초기 도로 노면 관측 신호의 평균값과 다르면서 도플러 속도가 일부 영역에서 0에 수렴하지 않으면 우수 유입이 있는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 프로세서(170)는, 우수 유입 시 관측되는 패턴은 차량 또는 다른 객체들의 도플러 속도 및 방향과는 다른 패턴(관측 영역 내에서의 지속성, 전역성)을 가지므로 우수 유입이 없으며 어느 객체도 감지되지 않은 일반 상태에서 측정된 초기 도로 노면 관측 신호와 우수 유입 시의 노면의 도로 노면 관측 신호를 비교함으로써 우수 유입량을 판단할 수 있다.
또한, 프로세서(170)는 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 사전에 정해진 시간동안 관측되면 도로 노면에 수막이 형성된 것으로 판별할 수 있다.
도 6은 지속적인 우수 유입에 의해 도로가 침수되었을 경우 도로 노면을 관측하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 것처럼 도로가 침수된 상황에서 레이더 신호는 유입된 강수가 정체된 상태에서 표면파를 일으키기 때문에, 레이더 센서부(110)는 우수 유입 시와는 달리 전체 관측영역에서 잡음과 같은 양방향의 도플러 속도를 감지하며, 이로써 프로세서(170)는 수막이 형성된 것으로 판단할 수 있다. 잡음과 같은 양방향의 도플러 속도는, 화이트 노이즈와 같은 형태의 일정한 패턴 없이, 침수 정도에 따라 관측되는 거리의 차이만 있을 뿐 약한 반사 강도의 객체들이 + 방향과 - 방향의 도플러 속도로 뒤섞인 채 발생하는 것을 의미한다.
도 7은 맑은 날 하천 표면에서 관측되는 도플러 속도의 예시도이고, 도 8은 침수 시 발생하는 도플러 속도의 예시도이다.
도 7을 참조하면, 일반적인 하천 표면을 레이더 관측할 때 도플러 속도가 한쪽 방향(+ 방향 또는 - 방향)으로 치우쳐져 있으며, 이는 강우가 발생하지 않음을 의미한다.
반면, 도 8을 참조하면, 수막이 형성되거나 침수가 발생한 경우, 침수 표면을 레이더 관측할 때 도플러 속도가 +방향과 - 방향으로 전체 관측 영역에서 불균일하게 분포하는 모양으로 도플러-반사 강도 그래프가 형성되며, 침수 거리도 감소된다. 이는 물이 고인 상태에서 물결이 무작위로 발생하기 때문이며, 침수에 의해 장치(100)와 침수된 도로 노면까지의 거리가 단축되었기 때문이다.
또한, 프로세서(170)는 우수가 유입되지 않은 일반 상태에서 도로 노면을 관측한 거리(이하, '기준 노면 관측 거리'라 한다) 대비 우수 유입 시 도로 노면을 관측한 거리(이하, '우수 노면 관측 거리'라 한다)가 달라지므로 우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별할 수 있다.
이하에서는 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 우수 유입 판단과 수막 형성 판단을 수행하는 동작을 설명한다.
도 9a는 장치(100)의 근접 구간까지 도로가 침수된 경우, 침수 거리에 따른 도플러 속도와 반사 강도 관계를 도시한 그래프, 도 9b는 도플러 속도 및 반사 강도 임계값을 이용하여 도 9a로부터 추출한 유효 물결 정보의 예시도, 그리고, 도 9c는 최근 N초 동안 관측된 유효 물결 정보의 합을 도시한 예시도이다.
레이더 센서부(110)는 정해진 관측 주기, 예를 들어, 매 초마다 레이더 관측을 수행하여 도 9a와 같은 거리에 따른 도플러 속도-반사 강도 그래프를 획득할 수 있다. 레이더 센서부(110)는 도 9a에 도시된 그래프의 각 픽셀(p)에 대해 도플러 속도(dp)와 반사 강도(rp)의 임계치를 설정하여 필터링을 수행하여 도 9b와 같은 유효 물결 정보를 획득할 수 있다.
if ( ( |d-min| < |dp| < |d-max| ) and ( r-min < rp) )
p = 1
else
p = 0
이 때, 움직임이 큰 오브젝트(예를 들어, 차량, 사람 등)는 도플러속도 임계치에 의해 자동으로 필터링될 수 있다. 이러한 필터링은 레이더 센서부(110) 또는 프로세서(170)에 의해 수행될 수 있다.
프로세서(170)는 가장 최근에 획득되는 N개(1fps의 경우 N 초)의 유효 물결 정보(즉, 도 9a의 영상)를 모두 OR 연산한다. 이로써 프로세서(170)는 최근 N초 동안 검지된 유효 물결 정보를 누적한 결과인 도 9c와 같은 영상을 생성할 수 있다. 프로세서(170)는 매 초 관측된 도 9a의 영상을 이용하여 도 9c의 영상을 매 초마다 업데이트한다.
프로세서(170)는 도 9c에 도시된 누적 유효 물결 정보의 + 방향 도플러 속도 영역과 - 방향 도플러 속도 영역의 유효 물결 정보 픽셀 수의 합을 산출하고, 산출된 합이 우수 유입을 판단하도록 설정된 우수 유입 임계값을 초과한 경우 우수가 유입되고 있는 것으로 판단하고, 산출된 합을 환산하여 우수 유입량을 판단할 수 있다.
이와 마찬가지로 프로세서(170)는 도 9c의 영상에서 산출된 합이 수막 형성을 판단하도록 설정된 수막 임계값을 초과하면서, 수막 임계값을 초과한 픽셀이 전체 영역에서 확인되면, 수막이 형성된 것으로 판단할 수 있다.
이로써 프로세서(170)는 도 9c의 누적 유효 물결 정보를 군집화하여 장치(100)와 침수 표면(또는, 누적 유효 물결 정보가 관측된 위치)과의 최단 거리를 레이더 센서부(110)를 통해 측정하고, 측정된 최단거리의 변화량 및 침수 임계치(또는 수막 임계값) 초과 유무를 모니터링 함으로써 수막 위험도를 판별할 수 있다.
1차적으로 침수위 및 수막 위험도가 판별되면, 프로세서(170)는 이벤트를 발생하여 현재 도로 노면 상태를 촬영하도록 비젼 센서부(120)를 제어할 수 있다. 또는 실시간으로 촬영된 도로 노면의 영상 중 이벤트가 발생된 시점에 촬영된 영상을 메모리(160)에서 추출하고, 온습도 센서부(130)에서 센싱된 온습도 센싱값과, 판별된 수막 위험도 또는 침수량 등을 포함하는 도로 위험도 정보를 생성하며, 생성된 도로 위험도 정보와 실시간으로 관측되는 도로 노면 관측 신호를 관제 서버(10)로 전송하도록 통신 인터페이스부(150)를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 도로 침수 모니터링 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 10에 도시된 실시간 도로 침수 모니터링 방법은 도 1 내지 도 9c를 참조하여 설명한 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)에 의해 수행될 수 있으며, 자세한 설명은 상술하였으므로 생략한다.
도 10을 참조하면, 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 레이더 센서부(110)를 포함하는 장치(100)를 초기화하고 도로 노면으로 레이더 신호를 송수신하여 초기 도로 노면 관측 신호를 획득 및 저장할 수 있다(S210). 초기 도로 노면 관측 신호는 맑은 날 우수 유입이 없으며, 이동 객체가 없는 상태에서 관측된 신호로서, 도플러 속도, 노면까지의 거리, 반사 강도 등을 포함할 수 있다.
초기화 후, 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 도로 노면으로 레이더 신호를 송수신하여 실시간으로 도로 노면을 관측하여 도로 노면 관측 신호를 획득한다(S220).
실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 획득한 도로 노면 관측 신호에 고정 객체 또는 이동 객체가 있으면 고정 객체 또는 이동 객체를 필터링하여 제거할 수 있다(S230).
이와 함께 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 도로 노면의 관측 영역을 촬영하여 도로 노면을 촬영한 영상을 획득하고, 도로 주변의 온습도 센싱값을 획득하여 저장할 수 있다(S240).
실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 S230단계에서 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 도로 노면 상의 우수 유입 여부 및 수막 형성 여부를 판별한다(S250). S250단계는, 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 우수가 유입된 것으로 판별하고, 이후, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 정해진 시간동안 관측되면 수막이 형성된 것으로 판별할 수 있다.
S250단계에서 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면(S250-Yes), 실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별할 수 있다(S260). S260단계는, 우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별할 수 있다.
실시간 도로 침수 모니터링 장치(100)는 판별된 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면(S270-Yes), 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버(10)로 전송한다(S280). 도로 위험도 정보는 S240단계에서 획득한 영상 신호와 온습도 정보, S260단계에서 판별된 도로 노면의 침수위와 수막 위험도 정보를 포함한다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
한편, 이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 실시간 도로 침수 모니터링 장치
110: 레이더 센서부
120: 비젼 센서부
130: 온습도 센서부
140: 전원부
150: 통신 인터페이스부
160: 메모리
170: 프로세서
110: 레이더 센서부
120: 비젼 센서부
130: 온습도 센서부
140: 전원부
150: 통신 인터페이스부
160: 메모리
170: 프로세서
Claims (10)
- 실시간 도로 침수 모니터링 장치에 있어서,
도로 노면으로 송신되어 반사되는 레이더 신호를 분석하여 실시간으로 도로 노면 관측 신호를 획득하는 레이더 센서부; 및
상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하고, 상기 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버로 전송하도록 처리하는 프로세서;
를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 우수가 유입된 것으로 판별하고, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 정해진 시간동안 관측되면 수막이 형성된 것으로 판별하는 실시간 도로 침수 모니터링 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 이동 객체를 필터링하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이더 센서부가 도로 노면 관측 신호를 획득하는 동안, 상기 도로 노면을 촬영하여 영상 신호를 획득하는 비젼 센서부; 및
도로 주변의 온습도를 센싱하여 온습도 정보를 획득하는 온습도 센서부;를 더 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 비젼 센서부와 온습도 센서부가 획득한 영상 신호와 온습도 정보를 상기 관제 서버로 더 전송하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 장치. - 실시간 도로 침수 모니터링 방법에 있어서,
(A) 장치가, 도로 노면으로 송신되어 반사되는 레이더 신호를 분석하여 실시간으로 도로 노면 관측 신호를 획득하는 단계;
(B) 상기 장치가, 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 상기 도로 노면 상의 우수 유입 여부 및 수막 형성 여부를 판별하는 단계;
(C) 상기 장치가, 상기 (B) 단계에서 도로 노면에 우수가 유입되고 수막이 형성된 것으로 판별되면, 도로 노면의 침수위 및 수막 위험도를 판별하는 단계; 및
(D) 상기 장치가, 상기 (C) 단계에서 판별된 수막 위험도가 위험도 임계값에 도달하면, 위험 경보를 발생하고, 도로 노면 관측 신호와 도로 위험도 정보를 관제 서버로 전송하는 단계;를 포함하고,
상기 (B) 단계는,
(B1) 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 일정 패턴의 도플러 속도가 관측 영역 중 일부 영역에서 정해진 시간동안 관측되면 우수가 유입된 것으로 판별하는 단계; 및
(B2) 상기 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석한 결과, 0에 수렴하지 않는 양방향의 도플러 속도가 관측 영역 전체에서 정해진 시간동안 관측되면 수막이 형성된 것으로 판별하는 단계;
를 포함하는 실시간 도로 침수 모니터링 방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 (C) 단계는,
우수 시 발생하는 도로 노면의 잡음성 도플러 에너지의 세기와 레이더 반사 거리를 이용하여 침수위 및 수막 위험도를 판별하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 방법. - 제6항에 있어서,
상기 (A) 단계 이후,
(E) 상기 (A) 단계에서 획득한 도로 노면 관측 신호를 분석하여 이동 객체를 필터링하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 방법. - 제6항에 있어서,
(F) 상기 장치가, 상기 (A) 단계에서 도로 노면 관측 신호를 획득하는 동안, 상기 도로 노면을 촬영하여 영상 신호를 획득하는 단계; 및
(G) 상기 장치가, 주변의 온습도를 센싱하여 온습도 정보를 획득하는 단계;를 더 포함하고,
상기 (D) 단계는,
상기 (F) 및 (G) 단계에서 획득한 영상 신호와 온습도 정보를 상기 관제 서버로 더 전송하는 것을 특징으로 하는 실시간 도로 침수 모니터링 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020200179742A KR102368350B1 (ko) | 2020-12-21 | 2020-12-21 | 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법 |
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| KR1020200179742A KR102368350B1 (ko) | 2020-12-21 | 2020-12-21 | 실시간 도로 침수 모니터링 장치 및 방법 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20230142101A (ko) | 2022-04-01 | 2023-10-11 | 주식회사 비트센싱 | 레이더를 이용하여 대상 지역에 대한 강우 상태를 판단하는 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 |
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