KR20080023796A - 능동형 수질 오염 감시 및 오염원 추적 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중에서 자율적으로 이동할 수 있는 자율 수중 로봇을 이용하여 수질 오염을 측정하는 실시간 오염 감시 시스템 및 오염 정도를 기반으로 실시간으로 오염원을 추적하는 오염원 추적 시스템에 관한 것이다. 지금까지 개발된 모든 종류의 수질 오염 감시 시스템은 인적자원을 이용한 직접적인 측정 방법과 인적자원을 이용하지 않는 무인 측정 방법 두 가지 방법으로 분류된다.
무인 측정 방법은 인적 자원이 필요치 않으며 정해진 위치에서 고정된 감지기를 사용하여 수질 오염을 측정함으로써 장시간 연속적인 감시가 가능하다. 하지만 넓은 영역의 효과적인 감시를 위하여는 다수의 감지기를 설치하여야 하며 감지기가 설치되지 않은 곳의 오염 여부는 인지하지 못하거나 오염 물질이 감지기가 설치된 지역까지 이동하는 시간 동안의 감지는 불가능하다. 또한 단순한 오염 감지만 통보할 수 있는 기능을 가지며 오염원을 추적하는 것은 이후 인적자원의 역할이다.
본 발명은 오염원을 추적 감시하는 수중 자율로봇을 제어하는데 필요한 방향 정보, 위치 정보를 측정하기 위하여 자이로 및 GPS 수신 장치를 가지며, 이동중 장애물과의 충돌 방지를 위하여 초음파 센서 및 적외선 거리 측정 센서를 가진다. 또한 오염 정도의 차이를 이용하여 가장 오염 농도가 높은 곳으로 수중 자율 로봇이 이동할 수 있도록 연산하며, 사용자와의 통신 및 정보 전송을 위한 통신 모듈을 제어하기 위한 마이크로컨트롤로 모듈로 구성된다. 또한 장시간 수중 로봇을 구동하기 위한 전원 공급 장치와 태양열을 이용한 전원 충전 장치 등이 포함된다.
능동형 감시, 추적, 수질 오염, 센서네트워크, 온도, DO, pH, TOC, TDS, ORP, Conductivity

Description

능동형 수질 오염 감시 및 오염원 추적 시스템{Active water pollution monitoring and pollution source tracing system}
도 1은 본 발명에 따른 다수의 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 자율 로봇을 이용한 수질 오염 추적 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 자율 로봇 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 자율 로봇 시스템의 수질 오염 정보를 전송받아 분석하고 오염원의 위치를 추적하는 호스트 시스템의 블록도이다.
도 4는 최대 오염 지역의 추적을 위한 흐름도이다.
도 5는 하나의 자율 로봇 시스템을 이용하여 오염원을 추적할 때 기준 위치의 변화이다.
도 6은 두 개의 자율 로봇 시스템을 이용하여 오염원을 추적할 때 기준 위치의 변화이다.
도 7은 세 개 이상의 자율 로봇 시스템을 이용하여 오염원을 추적할 때 기준 위치의 변화이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 자율 로봇 시스템을 이용한 오염원 추적 시스템
10: 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 자율 로봇
11: 자율 로봇의 구동 장치 12: 수질 오염 측정 장치
13: 마이크로컨트롤러 14: 주전원 장치
15: GPS 모듈 16: 무선 송수신 장치 17: 태양열 필름 및 충전회로 모듈
21: 출력 장치 22: 분석 장치 23: 호스트 컴퓨터 24: 오염원 추적 장치
25: 무선 송수신 장치
무인 측정 방법은 측정 현장의 인적 자원이 필요치 않으며 정해진 위치에서 고정된 감지기를 사용하여 수질 오염을 측정함으로써 장시간 연속적인 감시가 가능하다. 하지만 넓은 영역의 효과적인 감시를 위하여는 다수의 감지기를 설치하여야 하며 감지기가 설치되지 않은 곳의 오염 여부는 인지하지 못하거나 오염 물질이 감지기가 설치된 지역까지 이동하는 시간 동안의 감지는 불가능하다. 또한 단순한 오염 감지만 통보할 수 있는 기능을 가지며 오염원을 추적하는 것은 이후 인적자원의 역할이다.
우리나라에 설치된 수질 자동 측정망의 자동 측정 항목은 법적 측정 항목에서 24시간 자동 측정과 안정성이 확보된 일부 항목만을 측정하고 있는 실정이다. 중금속 계통과 페놀류, 트리클로로에탄 등은 중요한 측정 대상에 포함되지 않으며, pH, DO, Conductivity, TOC 등 매우 한정된 항목만 측정하고 있으며, 나머지 항목들은 시료를 채취하여 실험실에서 분석할 수 밖에 없기 때문에 오염 물질 유출에 따른 즉각적인 대응이 어려운 형편이다.
일본의 경우, 전국 263개 지점에 대한 수질 자동 측정망을 설치하고 운영하고 있으며 아이찌현 장내천의 경우 10-20Km 간격으로 26개소가 설치되어 있는 등 수질오탁방지법의 규정에 의한 공공용 수역의 수질 상태와 수질 오염사고 감시에 활용되고 있다. 자동 측정 대상 항목으로 설정된 17개 항목 중 총 152개의 설치지점에 대한 항목별 설치 비율은 수온, pH, DO, 탁도, 전도율 및 COD 등 6개 항목이 50%이상의 지점에 설치되어 있다. 수질 자동 측정망의 수와 측정 항목이 국내보다 월등히 많고 측정항목을 늘이기 위한 자동 측정 기기의 개발에도 적극적이다.
현재 국내에는 수질 오염 사고에 대응하기 위해 전국 주요 하천의 총 20개 지점에 대한 수질 자동 측정망이 운영되고 있으나 체계적인 관리 및 향후 총량 규제 도입에 대응한 정책 기초자료를 확보하기 위해서도 턱없이 부족한 상황으로 평가된다.
이런 단점을 보완하기 위하여 기존의 인적자원에 의한 수질 관리 및 검사 방법이 여전히 사용되고 있으며, 최근 정보통신 기술의 발전으로 이동 통신 방식을 이용하거나 수질 측정이 가능한 이동 통신 단말기를 개발함으로써 인적 자원에 의한 효율적인 이용이 가능하여 시스템의 광역성 및 이동성을 확보할 수 있다. 또한 여기에 GIS(Geographic Information System)를 이용하여 수질 오염을 예측하는 담 수호 관리 시스템 등도 개발되어 있는 실정이다.
현재의 가장 발전된 형태의 수질 오염 측정 및 관리 시스템은 고정된 지점에 설치된 수질 자동 측정망이다. 하지만, 수질 자동 측정소의 설치가 소수이며, 선진국의 경우에도 설치 간격이 짧아야 10-20Km인 실정과, 무인 수질 자동 측정소의 설치에 많은 예산이 소요된다는 것을 감안하면 좀 더 효율적이고 능동적인 수질 자동 측정 장비의 필요성이 필수적이다. 최신의 정보 통신 기술을 응용한 다양한 시스템들도 고정된 측정소를 이용하거나 인적 자원에 의한 직접 이동에 의하여 이루어질 뿐이어서 효율적인 수질 측정 및 감시를 확보할 수 없다. 기존의 제안된 수많은 수질 오염 측정 및 감시 시스템들은 능동적으로 오염원을 추적할 수 있는 기능을 가지지 못하였다.
본 발명에서는 기존의 수질 오염 측정 및 감시 기능뿐 아니라 수중 자율 로봇의 이동성을 기반으로 넓은 수역에서 능동적인 수질 오염 측정 및 감시 활동을 하며, 오염원이 감지된 후 오염 농도가 가장 높은 곳을 추적하는 추적 기능까지 확보한다. 이는 기존의 고정된 수질 자동 측정소에 이동성을 부여하여 인적 자원에 의한 직접 이동이 어렵거나 접근이 어려운 협소한 장소, 위험한 장소에서도 수질 측정 및 감시 활동을 연속적으로 수행할 수 있게 된다. 이를 위하여 수중 자율 로봇은 실시간으로 수질을 측정할 수 있는 다양한 수질 오염 측정 센서를 탑재하며, 이동중 장애물과 충돌을 회피하기 위하여 수중 초음파 센서와 적외선 센서를 이용하여 장애물을 탐지하며, 또한 GPS 장치를 탑재하여 GIS 시스템과 연계하여 넓은 수역에서 정확한 지점으로 자유롭게 이동하며 수질을 측정하며 오염을 감시한다. 또한 장시간의 측정 및 이동을 구현하기 위하여 충분한 전원 공급 시스템을 갖추도록 태양열 전지를 수중 로봇의 상부에 부착하여, 에너지원으로 사용하거나 전원 공급 시스템의 충전에 사용하며, 사용자에게 측정 및 감시 정보를 전송하기 위하여 장거리 무선 통신 모듈을 탑재한다. 장거리 무선 통신 모듈은 자율 수중 로봇을 원격 조정할 수 있는 기능을 부여하여 더 정밀한 감시 및 추적 기능까지 부여한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 능동형 수질 오염 감시 및 오염원 추적 시스템은 도 2의 능동형 수질 감시 및 추적을 위한 수중 자율 로봇으로 구성된다. 하나의 수중 자율 로봇으로도 가능하며, 효율을 높이기 위하여 다수의 수중 자율 로봇을 사용할 수 있다. 본 발명의 핵심은 기존의 고정형이거나 인적 자원에 의하여 수동적으로 이동되었던 수질 감시 장치를 이동식으로, 그리고 수중 로봇 자체의 구동과 판단에 의하여 능동적으로 동작하는 것이다. 이로 인하여 측정기 자체를 탑재한 소형 수중 자율 로봇이 오염원의 농도가 가장 큰 지점을 최급강하법으로 판단하여 오염원을 추적할 수 있다.
수중 자율 로봇을 운용할 경우 오염원이 감지된 후 오염원의 추적을 위해 도 4의 흐름도대로 오염원을 추적한다. 본 발명은 하나의 수중 자율 로봇뿐 아니라 다수의 수중 자율 로봇을 운용할 때도 효과적으로 최대의 오염지점을 추적할 수 있으며 운용하는 수중 자율 로봇의 개수가 많아질수록 더 효율적으로 추적할 수 있다. 도 5는 하나의 수중 자율을 운용하는 경우의 오염원 추적을 위한 기준 위치의 변경을 나타내는 그림이다. 도 5에서와 같이 반시계 방향으로 일정한 영역을 선회하며 오염도를 측정한 후 가장 오염도가 큰 지점을 최급강하법으로 추정한 후, 다음 기준 위치로 정한다. 수중 자율 로봇은 새로운 기준 위치에서 동일한 작업을 반복하며 오염원을 추적한다. 원 안의 숫자는 기준 위치의 변화를 의미하며 기준 위치 1에서 다음 위치 2, 3, 4, 5, 6을 다시 기준 위치 1로 되돌아온다.
도 6은 두 개의 수중 자율 로봇을 이용할 때의 각 수중 자율 로봇의 위치 변화를 도시한 것이다. 하나의 자율 로봇과 같은 방식으로 움직이며, 두 개의 자율 로봇은 일정한 거리를 유지하며 선회한다. 최고의 오염도를 보이는 지점을 기준이 되는 자율 로봇의 기준 위치로 새롭게 설정하고 동일한 동작을 반복하여 최대의 오염원을 추적한다. 원 안의 숫자는 자율 로봇의 선회 위치를 나타낸다. 기준이 되는 주 로봇의 위치는 원 안에 숫자만으로 표현하고, 우측에 위치하는 부 로봇의 위치는 숫자 오른쪽에 " ' "표시를 하였다.
도 7은 세 개 이상의 수중 자율 로봇을 운용할 때의 각 자율 로봇의 위치 변화를 도시한 것이다. 세 개 이상의 자율 로봇이 운용될 때는 일정한 영역을 선회하는 대신 일정 거리만큼 직선 이동하는 것으로 충분하다. 일정 거리만큼 일정한 방향으로 이동하면서 최고의 오염도를 보이는 지점을 새로운 기준 위치로 재설정하고, 기준이 되는 중앙에 위치한 수중 자율 로봇의 위치로 정한다. 기준이 되는 주 로봇의 위치를 원 안의 숫자로 표현하고, 우측에 위치하는 로봇의 위치를 숫자 오른쪽에 " ' "을, 좌측에 위치하는 로봇의 위치는 왼쪽에 " ' "를 표기하였다.
다수의 수중 자율 로봇이 운용될 때 각 로봇 사이의 통신은 근거리 통신으로 구성하여 하나의 센서 네트워크를 구성한다. 각 수중 자율 로봇은 GPS 정보를 수신하여 고유의 기준 위치로 이동하면서 마스터 자율 로봇의 명령을 받는다. 마스터 자율 로봇은 사용자의 호스트 컴퓨터와 장거리 무선 통신 장치를 이용하여 측정된 수질 오염 농도와 추적 상황을 전송한다.
본 발명은 과거 인적자원에 의해 측정, 감시, 추적되었던 수질 오염 측정을 완전 자동화하는 새로운 방법에 대한 것이다. 기존의 고정된 측정 센서를 가지는 무인 측정 시스템의 장점을 유지하고 가장 큰 단점이었던 이동성을 부여한 것이다. 고정식 무인 측정 시스템의 많은 장점에도 불구하고, 정작 오염원이 측정되면 오염원을 추적하는 것은 인적자원의 몫이었다. 또한 고정식 무인 수질 오염 측정소의 설치는 많은 비용을 필요로 하는바 충분한 개수의 측정소를 설치하지 못하는 실정이며, 수질 오염이 감지되었다 하더라도 이는 수십 킬로미터 이상의 오염이 진행된 상태이다. 또한 인위적인 오염원의 방출이 주로 사람들의 눈에 쉽게 띄지 않는 장소와 시간, 환경에서 주로 이루어진다는 점 또한 인적자원에 의한 감시가 쉽지않은 것을 보여준다.
본 발명은 하나 이상의 자율 로봇을 운영하여 효율적으로 수질 오염 정도를 측정, 감시하며 추적하는 능동적인 수질 감시 및 오염원 추적 시스템이다. 완전한 무인 감시 시스템이면서, 오염원을 추가적인 인적자원 없이 추적할 수 있어, 시간 적으로 공간적으로 오염원의 추적 및 감시에 아주 큰 효율성을 부여할 것이다. 본 발명은 정수 처리 시설, 강, 호수 등 내수면에서 수질 관리, 감시 및 추적 시스템으로 효율적으로 사용될 것으로 예상되며, 해저 송유관의 파손으로 인한 오염원 추적 및 침몰 선박으로부터 흘러나오는 구동유, 엔진오일 등 다양한 종류의 오염원을 추적하여 정확한 유출 지점을 파악하는 등 다양한 응용 현장에서 효율적으로 사용될 것이다.

Claims (2)

  1. 수중에서 자율적으로 이동할 수 있는 수질 측정 장치를 내장한 프로펠러 형태 혹은 물고기 모양을 닮은 지느러미 형태의 수중 자율 로봇.
  2. 하나의 수중 자율 로봇뿐만 아니라 두 개 이상의 다수의 자율 로봇을 이용한 자율적이며, 상호 협력적으로 오염원을 감시하고 최대 오염 지역을 추적하는 시스템 [도 5, 도 6, 도 7].
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