KR20060095927A

KR20060095927A - 지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자

Info

Publication number: KR20060095927A
Application number: KR1020060077368A
Authority: KR
Inventors: 공종복
Original assignee: (주)인텔리지오; 주식회사 도화종합기술공사
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2006-09-05
Also published as: KR100687634B1

Abstract

본 발명은 하천에 부자(浮子)를 투하하여 유량을 측정하는 부자식 유량측정에 관한 것으로, 부자에 GPS(Global Positioning System)신호를 수신하고 수신된 신호를 재송신하는 송수신장치를 설치하여, 외부의 수신국을 통하여 재송신된 신호를 수신함으로써 그 위치를 추적할 수 있도록 한 것이다.

본 발명을 통하여, 하천 유량측정의 정확도는 물론 작업 편의성을 제고하고 소수의 인원만으로도 정확한 유량측정이 가능하도록 함으로써 유량측정 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

하천, 유량측정, 부자, GPS(Global Positioning System)

Description

지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자{River flow measurement buoy using GPS}

도 1은 본 발명을 통한 유량측정 상황도

도 2는 본 발명의 분해사시도

도 3은 본 발명의 송수신장치 블럭도

도 4는 본 발명의 유하상태 하천 종단도

도 5는 수평센서가 적용된 본 발명의 송수신장치 일 실시예 블럭도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 부자(浮子)

11 : 관체(管體)

12 : 중량물

20 : 송수신장치

21a : GPS안테나

21b : 송신안테나

22 : GPS수신부

23 : MCU(micro controller unit)

24 : 변조부

25 : 증폭부

26 : 수평센서

27 : AD변환부(analogue to digital converter)

29 : 하우징

31 : 인공위성

32 : 수신국

하천의 유량측정은 하천의 수위-유량관계를 도출하기 위한 기본적 수문(水文)조사로서, 하천에 소정의 측정지점을 선정한 후, 해당 지점의 수위와 유량의 동시관측을 다회 실시함으로써 수위-유량관계의 도출을 위한 회귀분석의 기본자료를 수집하는 것이다.

하천의 유량측정은 홍수, 평수 및 갈수 등 하천의 유황별로 다수의 측정자료가 획득되어야 유의한 하천-유량관계를 도출할 수 있는 바, 주요 하천의 경우 매년 수회 이상의 측정작업이 이루어지며, 특히 홍수시 유량의 경우 수해방지 대책의 수립, 홍수예경보 및 홍수량산출 등에 핵심 자료로 사용되므로 그 중요성이 매우 크다.

일반적으로 홍수시의 유량측정에 있어서는 일반 유속계를 통한 측정이 매우 위험할 뿐 아니라 그 정확성이 낮으므로, 하천을 횡단하는 교량 등의 구조물에서 부자를 투하한 후 그 유하속도를 측정하고 유하구간의 하천단면적을 고려하여 유량을 산출하는 부자식 유량측정법이 적용된다.

그러나 이러한 종래의 부자식 하천 유량측정방법은 기본적으로 유하구간에 대한 목측(目測)을 통하여 부자의 유하속도를 측정하게 되는 바, 그 정확성이 낮을 뿐 아니라 투하를 담당하는 사람 외에 투하 후 측정구간에서 부자의 측정구간 진입시부터 이탈시에 이르는 유하상황을 관찰하고 유하시간을 측정하는 관측원이 필요하며, 경우에 따라 측선(測線)별로 다수의 부자가 연속하여 투하되기도 하므로 다수의 관측원이 소요되는 등, 유량측정에 많은 인원이 소요되는 문제점이 있었다.

또한, 부자의 유하속도 측정은 초시계 등을 통한 설정구간 통과시간의 측정을 통하여 이루어지는 방식으로서, 일단 투하된 부자는 특정 구간내에서만 사용될 수 있으므로 동일한 하천의 동일한 사상(事象)의 홍수에 있어서도 측정구간이 다를 경우 전체 인원이 해당 측정구간으로 이동한 후 새로운 부자를 투하하고 측정구간 통과시간을 측정해야 했으며, 따라서 유량측정에 많은 인원 및 시간이 소요되고 측 정구간의 설정에도 한계가 있을 수 밖에 없었다.

이에 공개특허 제2001-100055호에서와 같이, 선박에 GPS수신기를 탑재하고 선박을 무동력으로 유하하도록 함으로써 하천의 유속을 간접적으로 측정하는 방식이 게재되어 있으나, 하천의 유속과 선박의 유하속도에는 차이가 있을 수 밖에 없고, 실제 하천에서는 선박을 운용할 수 없는 경우가 많아 그 실효성 및 정확성에 많은 문제가 있었다.

즉, 선박의 유하속도는 하천의 표면유속외에도 자체 중량, 풍속, 풍향 및 수심 등 다양한 요소에 의하여 결정되는 것이므로 선박의 유하속도를 통하여 유의(有意)한 하천의 표면유속을 추정한다는 것은 불가능하며, 실제 유량측정에서 필요한 하천의 유속은 표면유속이 아닌 평균유속인 바, 그 오차는 더욱 커지게 되어 실제 유량측정에서는 적용될 수 없는 것이다.

이러한 선박을 통한 유량측정의 한계는 상기 공개특허에서 하천 유속측정의 목적을 비교적 낮은 정도(精度)의 유속을 필요로 하는 오염물의 확산측정에 한정한 것을 통해서도 반증된다 할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 부자식 하천 유량측정에 사용되는 부자를 구성함에 있어서, 부자 상부에 GPS신호를 수신하여 이를 재송신하는 송수신장치를 설치하여 부자의 유하시 반복적으로 수신 및 재송신된 GPS신호를 천변(川邊)에 설치되는 수신국을 통하여 수신함으로써, 부자의 유하속도를 측 정할 수 있도록 한 것이다.

또한, 부자에는 상기의 송수신장치외에도 부자의 수평상태를 감지하는 수평센서를 설치하여 유하중 부자의 기울기정보를 송신할 수 있도록 함으로써 더욱 정확한 관측이 가능하도록 한 것이다.

본 발명의 상세한 구성 및 작동원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 1은 본 발명을 통한 유량측정 즉, 부자(10)의 위치추적을 통한 하천의 유속측정 원리를 설명한 것으로, 부자(10)가 하천에 투하되어 하천을 따라 유하하면서 다수의 인공위성(31)으로 부터 송신된 GPS신호를 수신하여 이를 재송신함에 따라 천변(川邊)에 설치된 수신국(受信局)(32)에서 이를 수신함으로써 그 위치를 추적하게 된다.

본 발명의 부자(10)는 GPS신호를 수신하여 이를 수신국(32)으로 재송신하는 일종의 중계국(中繼局)으로서, GPS신호를 후처리(post-processing)하여 좌표를 산출하는 등의 작업은 수신국(32) 내지 수신국(32)으로부터 데이터를 취득한 사용자의 컴퓨터가 수행하게 된다.

즉, 본 발명의 부자(10)는 GPS신호를 처리하여 위치를 산출하는 위성항법장치가 아니라, 단순한 GPS신호 수신 및 중계장치 형식을 취함으로서 통신부하를 감소시키고 내장된 송수신장치(20)를 간소화한 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 구체적인 구성이 도시된 분해사시도 및 본 발명의 송수신장치(20) 블럭도로서, 본 발명은 기본적으로 하부가 폐쇄되어 부력을 가지는 관체(管體)(11) 형태를 가지며, 하단부에는 중량물(12)이 설치되어 무게중심을 하단부에 위치하도록 하고, 상부에는 송수신장치(20)가 내장된 하우징(29)이 탈부착 가능하도록 결합된 형태를 가진다.

일반적으로 하천의 표면유속이 평균유속에 비하여 크므로, 평균유속을 획득하기 위하여 표면부자보다는 본 발명과 같은 봉부자(棒浮子) 형식의 부자(10)가 선호되고 있으며, 봉부자는 하천의 수심에 따라 관체(11)의 길이는 물론 흘수(吃水)를 조절해야할 필요성이 있으므로 관체(11)와 하우징(29)을 탈부착식으로 구성하여 다양한 길이의 관체(11)를 적용할 수 있도록 하고 중량물(12)의 중량도 조절할 수 있도록 하였다.

즉, 본 발명의 하우징(29)과 관체(11)는 나사 등을 통하여 탈부착이 가능하도록 구성하고, 유량측정전에 관체(11)에 모래 등의 중량물(12)을 투입하되 그 양을 조절함으로써 부자(10)의 흘수를 조절할 수 있도록 한 것이다.

하우징(29)에 내장되는 송수신장치(20)는 기본적으로 도 3에서와 같은 구성을 가지는데, 도시되지는 않았지만 전지를 전원으로 하여 작동되며 GPS안테나(21a) 및 송신안테나(21b)는 도 2에 도시된 바와 같이, 송신효율을 확보하기 위하여 하우징(29) 외부로 노출되도록 구성된다.

송수신장치(20)의 MCU(23)는 송수신장치(20)를 구성하는 각 요소를 제어하는 기능과 함께 해당 부자(10)를 식별할 수 있는 일련번호 형태의 식별정보를 송출하 도록 구성할 수 있으며, GPS수신부(22)로부터 수신된 GPS신호와 식별정보 데이터 신호는 MCU(23)에 의하여 변조부(24)로 입력되고, 변조부(24)는 상기 신호를 반송파(搬送波)에 실어서 변조하게 된다.

변조된 신호는 증폭부(25) 및 송신안테나(21b)를 거쳐 송출되며, 외부의 수신국(32)에서 이 신호를 수신하여 복조함으로써 GPS신호와 식별정보가 포함된 데이터를 취득하게 되는 것이다.

한편, 도 4는 실제 부자(10)가 유하중인 하천의 종단면을 도시하고 있는데, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 표면유속과 측정수심의 유속은 차이를 보이게 되며, 통상 표면유속이 더 크게 되므로 부자(10)는 유하방향의 전후측으로 전도와 복원을 반복하면서 유하하게된다.

즉, 수면 위로 노출된 부자(10)의 GPS안테나(21a)는 그 위치가 유하방향 전후로 왕복되는 운동을 반복하게 되며, 따라서 정확한 하천 평균유속을 산정하기 위해서는 무게중심인 부자(10) 하부의 위치를 추적해야 하는 바, 도 5에서와 같이 송수신장치(20)에 수평센서(26)를 설치하여 부자(10)의 기울기를 측정함으로써 실제 부자(10)의 무게중심 위치를 환산할 수 있도록 한 것이다.

이러한 부자(10)의 기울기정보 송신 역시 여타 데이터와 함께 MCU(23)에 의하여 변조부(24)로 입력됨으로써 진행되는데, 수평센서(26)를 통하여 취득된 부자(10)의 기울기는 AD변환부(analogue to digital converter)(27)에 의하여 디지털신호로 변환된 후 MCU(23)에 입력된다.

이렇듯, 부자(10)의 위치를 목측(目測)으로 추적하지 않고, GPS를 통하여 추 적함으로써, 관측의 정확성을 확보할 뿐 아니라, 하천의 전 구간에 대한 유속측정이 가능하게 된다.

결국 본 발명의 기술요지는 부자식 하천 유량측정에 사용되는 부자(10)에 있어서, 관체(管體)(11)로 구성된 부자(10) 하단부에는 중량물(12)이 설치되고, 부자(10) 상단부에는 송수신장치(20)가 내장된 하우징(29)이 결합되되, 이 송수신장치(20)는 GPS안테나(21a)를 통하여 GPS신호를 수신하는 GPS수신부(22), GPS수신부(22)로부터 입력된 신호를 처리하여 변조부(24)로 입력하는 MCU(micro controller unit)(23), 입력된 신호를 반송파(搬送波)에 실어 변조하는 변조부(24), 변조된 신호를 증폭하는 증폭부(25) 및 증폭된 신호를 송출하는 송신안테나(21b)를 포함함을 특징으로 하는 지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자로서, 상기 송수신장치(20)에는 부자(10)의 기울기를 감지하는 수평센서(26) 및 이 수평센서(26)와 MCU(23)를 연결하는 AD변환부(analogue to digital converter)(27)가 포함됨을 특징으로 하는 지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자이다.

Claims

부자식 하천 유량측정에 사용되는 부자(10)에 있어서,

관체(管體)(11)로 구성된 부자(10) 하단부에는 중량물(12)이 설치되고;

부자(10) 상단부에는 송수신장치(20)가 내장된 하우징(29)이 결합되되;

이 송수신장치(20)는 GPS안테나(21a)를 통하여 GPS신호를 수신하는 GPS수신부(22), GPS수신부(22)로부터 입력된 신호를 처리하여 변조부(24)로 입력하는 MCU(micro controller unit)(23), 입력된 신호를 반송파(搬送波)에 실어 변조하는 변조부(24), 변조된 신호를 증폭하는 증폭부(25) 및 증폭된 신호를 송출하는 송신안테나(21b)를 포함함을 특징으로 하는 지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자.
제1항에 있어서, 송수신장치(20)에는 부자(10)의 기울기를 감지하는 수평센서(26) 및 이 수평센서(26)와 MCU(23)를 연결하는 AD변환부(analogue to digital converter)(27)가 포함됨을 특징으로 하는 지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자.