KR20110122590A - 레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천의 유량을 측정하는 시스템 및 그 측정방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 하천에 투하되는 부자, 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는 위치인식기구, 하천의 일측에 설치되며 부자와 위치인식기구의 위치를 동시에 관측하는 레이더, 및 레이더로부터 관측된 위치데이터를 전송받아 부자의 이동속도 및 하천의 유량을 산정하는 정보처리장치를 포함하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템을 제공하며, 적은 비용으로 정확한 유량값을 산정할 수 있다.

Description

레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템 및 측정방법{Streamflow estimation System and method using radar}

본 발명은 하천의 유량을 측정하기 위한 시스템 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.

하천의 유량을 측정하는 방법 중에는, 도 1과 같이 하천(1)에 부자(浮子)(2)를 투하한 후, 일정 구간을 이루는 출발선과 도착선마다 관측자를 배치하여, 부자가 구간을 통과하는 시간을 측정함으로써 유속을 산정한 후, 산정된 유속에 하천(1)의 단면적을 곱하여 유량으로 환산하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 측정방법은 관측자의 육안에 의존함으로써 측정오차가 크고, 구간마다 관측자를 배치해야 하므로 인력이 많이 필요하며, 야간에는 부자의 육안관측이 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 부자의 이동을 효과적으로 추적하는 방법이 필요한데, 등록특허 제10-0687634호의 '지피에스를 이용한 하천 유량측정용 부자'에서는 GPS와 RF통신장치를 부자에 장착하여 부자의 이동을 추적하는 방법을 제시하고 있다.

다만, 이 경우에는 일반적으로 알려진 GPS의 위치오차가 ±30m이므로 측정결과를 신뢰할 수 없고, 태풍이나 호우에 의한 홍수 등 악천후 기상에서 유량측정을 실시하는 경우에는 무선통신이 원활하지 못하여 측정데이터를 망실할 수 있으며, 부자에 통신장치를 설치해야 하므로 부자의 제작단가가 비쌀 뿐더러, 부자의 이동중에 충격이나 누수에 의한 고장발생의 위험이 있다.

또한, 하천바닥에 미리 매설된 초음파 송수신장치에 의해 유속을 측정하는 초음파 유속계의 경우 초기투자비가 높고, 수중에 설치되어 유지관리가 어려우며 특히, 우리나라의 경우에는 홍수시 유속이 3~4m/sec에 달하므로 유실될 우려가 높다.

한편, 하천 상류의 일정한 위치에 초음파송신기를 설치하고, 하류로 일정거리 떨어진 반대지점에 초음파수신기를 설치하여, 초음파송신기에서 발사된 초음파가 유체를 타고 일정거리를 통과한 후에 초음파수신기에 수신되면, 이때 수신된 시간을 측정하여 간접적으로 하천의 유속을 측정하는 방법이 있다.

그러나, 하천에 물이 범람하는 홍수기에는 소용돌이 등으로 인해 물의 흐름이 매우 불규칙하고, 나뭇가지나 쓰레기 등 하천에 부유하는 다양한 물체 등으로 인해, 초음파가 유체를 통과하는데 매우 불리한 여건이 조성되므로 효과적으로 유속을 측정하기 어렵고, 측정된 데이터의 신뢰도 역시 낮을 수밖에 없다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 하천에 투하되는 부자, 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는 위치인식기구, 하천의 일측에 설치되며 부자와 위치인식기구의 위치를 동시에 관측하는 레이더, 및 레이더로부터 관측된 위치데이터를 전송받아 부자의 이동속도 및 하천의 유량을 산정하는 정보처리장치를 포함하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 하천에 투하되는 부자, 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는 위치인식기구, 하천의 일측에 설치되며 부자와 위치인식기구의 위치를 동시에 관측하는 레이더, 및 레이더로부터 관측된 위치데이터를 전송받아 부자의 이동속도 및 하천의 유량을 산정하는 정보처리장치를 포함하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템이 제공된다.

이때 부자는, 레이더파의 반사가 용이하도록, 수면 위로 노출되는 일측에 금속피복층이 형성된 레이더파 반사형 부자인 것이 바람직하다.

또한 금속피복층에는 다수의 돌기가 서로 이격하여 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상의 위치인식기구를 일정 구간으로 서로 이격하여 설치하고, 하천의 일측에는 레이더를 설치하며, 하천의 상류에서 투하된 부자의 이동을 레이더로 관측하여 부자의 이동속도를 산정한 후, 정보처리장치에 미리 입력된 하천의 단면자료를 사용하여 하천의 유량을 측정할 수 있다.

여기서 부자의 이동속도는, 부자가 구간을 통과하는데 소요된 시간을 측정하여 산정하게 되며 이때, 부자는 레이더파의 반사가 용이하도록, 수면 위로 노출되는 일측에 금속피복층이 형성된 레이더파 반사형 부자가 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 기존의 측정방법에 비하여 저렴한 비용으로 하천의 유량을 정확하게 측정할 수 있고, 야간이나 악천후 기상에서도 장비나 데이터의 손실없이 유량측정이 가능하며, 한번에 다수의 부자를 하천에 투하하여 각각의 측선(測線)별로 유속을 동시에 산정함으로써, 측정에 소요되는 시간을 줄이는 한편, 유량값의 정확도를 높일 수 있다.

도 1은 종래의 유량측정방법을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템의 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더파 반사형 부자의 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 레이더를 이용하여 하천의 유량을 측정하는 모습을 보인 상태도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천 유량 측정방법의 순서도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른, 레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템 및 측정방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

실시예

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천 유량 측정시스템의 개략도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더파 반사형 부자의 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 레이더를 이용하여 하천의 유량을 측정하는 모습을 보인 상태도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천 유량 측정방법의 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템은, 하천(1)에 투하되는 부자(10)와, 하천(1)의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는 위치인식기구(20)와, 하천(1)의 일측에 설치되어 부자(10)와 위치인식기구(20)의 위치를 동시에 관측하는 레이더(30), 및 레이더(30)로부터 관측된 위치데이터를 전송받아 부자(10)의 이동속도 및 하천(1)의 유량을 산정하는 정보처리장치(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 부자(10)는, 물 위에 뜰 수 있고 레이더(30)에 의해 관측 가능한 것이면 그 형상이나 재질과 관계없이 사용 가능하며, 바람직하게는 레이더(30)에 의해 쉽게 포착될 수 있도록 금속성 재질로 이루어지거나, 적어도 외주면의 전부 또는 일부가 금속성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 부자(10)는 원형 또는 다각형 단면형상을 가지고, 폭에 비해 길이가 긴 봉 형상의 봉형부자로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 하천(1)의 수심에 따른 평균유속을 측정하기 위해서이다.

즉, 일반적으로 하천(1)의 유속은 측정지점의 바닥에서는 0이고, 수심을 D라고 할 때 0.6D 지점의 유속이 평균유속에 해당하며, 0.8D 지점에서 최대유속이 발생하는데, 길이를 가진 봉형부자의 경우 하단이 바닥 가까이 내려가므로, 수심에 걸쳐서 작용하는 동수압에 의하여, 평균유속에 근접한 속도로 운동하는 것으로 알려져 있다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 부자(10)는 다음과 같이 형성될 수 있다.

원형 또는 다각형 단면형상을 가진 봉 형상으로 이루어지고, 하천에 투하되면 수직으로 설 수 있도록 하단에 무게중심이 형성되며, 몸체 전체가 금속성 재질로 이루어지거나, 목재 또는 합성수지재의 몸체 상단에 금속피복층(11)이 형성된다.

이때, 금속피복층(11)은 레이더(30)에 의해 부자(10)가 용이하게 관측 가능토록 하기 위한 것으로, 이 금속피복층(11)에는 레이더파의 반사가 더욱 용이하게 일어나도록, 다수의 돌기(12)가 서로 이격하여 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 상술한 바와 같이 이루어지는 레이더파 반사형 부자는, 하천(1)에 투하시 하단은 수면 아래에 잠긴 상태에서, 상단의 금속피복층(11)이 수면 위로 노출되어 레이더(30)에 의해 용이하게 관측될 수 있다.

한편, 하천(1)의 가장자리를 따라서는 위치인식기구(20)가 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는데, 이 위치인식기구(20)는 미리 정해진 거리만큼 일정 간격으로 설치되어, 측정구간을 이루게 된다.

일 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 하천(1)을 사이에 두고 하천(1)의 양쪽 가장자리에 각각 하나씩 서로 마주보는 한 쌍을 이루게끔 설치될 수 있는데, 상류측에 한 쌍의 위치인식기구(20)를 설치하고, 하류측에 한 쌍의 위치인식기구(20)를 설치함으로써, 상류측 한 쌍의 위치인식기구(20)를 잇는 선을 출발선으로, 하류측 한 쌍의 위치인식기구(20)를 잇는 선을 도착선으로 하는 측정구간을 이룰 수 있다.

그리고, 하천(1)의 유속은, 부자(10)가 측정구간을 통과하는 시간으로 측정구간의 거리를 나눔으로써 산정할 수 있는데, 부자(10)가 직선으로 이동하는 것이 아니므로, 물의 유하벡터만 따로 뽑아서 계산하는 것이 바람직하며, 부자(10)의 측정구간 통과여부는 후술하는 레이더(30)에 의해 관측되고, 하천(1)의 유속은 후술하는 정보처리장치(40)에서 계산된다.

따라서, 측정구간의 출발선과 도착선의 기준점이 되는 위치인식기구(20)를 레이더(30)가 각각 용이하게 관측할 수 있도록, 위치인식기구(20)는 전술한 부자(10)와 같이 몸체 전체가 금속재질로 이루어지거나, 목재 또는 합성수지재 몸체의 외주면 전부 또는 일부가 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이때, 위치인식기구(20)는 운반 및 설치가 용이하도록 기둥 형상으로 이루어지는 것이 바람직하고, 레이더파 반사가 잘 이루어지도록 상단 일측에 다수의 돌기가 형성되는 것도 가능하다.

위치인식기구(20)의 위치와, 하천(1)의 흐름에 따른 부자(10)의 이동은 레이더(30)에 의해 관측·추적되며 이때, 레이더에 적용되는 통상적인 물표추적기법이 활용될 수 있다.

또한, 레이더(30)의 설치위치는 특별히 한정되지 않으나, 레이더(30) 관측과 함께 관측자에 의해 부자(10)의 수거가 용이하도록, 하천(1)의 하류에 설치되는 것이 바람직하고, 도 4a에 도시된 바와 같이, 부자(10)의 이동을 정확하게 관측할 수 있도록, 하천(1)을 가로지르는 교량(1a)이 있는 경우에는 그 교량(1a)의 중간지점에, 그리고 교량(1a)이 없는 경우에는 도 4b에 도시된 바와 같이, 하천(1)의 가장자리에 설치되는 것이 바람직하다.

이때, 레이더(30)의 관측범위에 존재하는 모든 위치인식기구(20)와 부자(10)의 위치가 동시에 관측될 수 있으므로, 다수개의 부자(10)를 하천(1)에 투하하여 서로 다른 경로로 이동하는 각각의 부자(10)의 유속값을 산정함으로써, 더욱 정확한 유량값을 얻을 수 있게 된다.

즉, 유속을 측정하여 유량을 계산하는 경우에는 유량이 통과하는 면적이 있으며, 이때 면적평균유속을 측정하여 유량을 계산하는 것이 바람직하다.

그런데, 하천(1)의 흐름단면에서 유속은 일정하지 않고 단면의 형상에 따라 불규칙한 분포를 이루게 되며, 따라서 단면을 여러개의 소단면으로 분리한 후 소단면의 평균유속을 측정하고, 소단면의 유량을 합산하여 주어진 단면의 유량을 계산하게 된다.

이때, 시간에 따라 유량은 변동하게 되며, 따라서 측정시간을 최소화하는 것이 바람직한데, 본 발명의 일실시예에 의하면 레이더(30)를 사용하여 동시에 다수개 부자의 이동을 관측할 수 있으므로, 여러개의 소단면으로 분할하여 각각의 소단면에서 동시에 유속값을 산정함으로써, 유량값의 정확도를 보장할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 의하면, 레이더(30)를 사용함으로써 동시에 다수의 측선(測線)별로 부자(10)의 이동을 관측하여 각각의 유속을 산정할 수 있고, 이에 따라 하천의 유량을 정확히 파악할 수 있게 되는 것이다.

레이더(30)에 의해 관측되고 기록된, 부자(10)와 위치인식기구(20)의 위치 및 시간 등의 데이터는 정보처리장치(40)로 전송되어 부자(10)의 경로정보를 생성하게 된다.

그리고, 정보처리장치(40)에서는 입력된 측정구간의 거리값과, 측정구간 통과시 소요된 시간을 이용하여 유속을 산정하고, 또한 미리 입력된 하천(1)의 단면자료를 사용하여, 산정된 유속에 하천(1)의 단면적을 곱함으로써 유량을 환산하여 디스플레이하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 레이더를 이용한 하천유량 측정방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.

하천(1)의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상의 위치인식기구(20)를 일정 구간으로 서로 이격하여 설치하고, 하천(1)의 일측에는 레이더(30)를 설치하며, 하천(1)의 상류에서 투하된 부자(10)의 이동을 레이더(30)로 관측하여, 구간통과시 소요된 시간을 적용하여 부자(10)의 이동속도를 산정한 후, 산정된 이동속도와, 정보처리장치(40)에 미리 입력된 하천(1)의 단면자료를 사용하여 하천(1)의 유량을 측정한다.

이때, 단면을 여러개의 소단면으로 분리한 후, 다수개의 부자(10)를 하천(1)에 투하하여 각각의 소단면의 평균유속을 산정하고, 소단면의 유량을 합산함으로써, 주어진 단면의 유량값을 정확히 계산할 수 있게 되며, 이러한 유량값 계산은 실시간으로 수행될 수도 있고, 정보처리장치(40)에 데이터를 저장한 후 저장된 데이터를 이용하여 후처리 방식으로 수행될 수도 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 실시간으로 처리되는 경우에는, 레이더(30)를 사용하여 부자(10)의 위치를 실시간으로 관측하여 추적하고 이동속도를 계산하여 그 데이터를 정보처리장치(40)에 입력하는 한편 이동경로정보를 생성하며, 유량계산을 위한 분할단면을 선정하여 단면별 유속을 산정한 후, 계산된 단면별 유속과 분할단면의 단면적을 곱함으로써 단면별 유량을 계산하고, 각 분할단면의 유량을 합산함으로써 하천(1)의 유량값을 계산하여 디스플레이하게 된다.

한편, 후처리 방식으로 유량값을 계산하는 경우에는, 레이더(30)를 사용하여 추적한 부자의 이동경로를 현장에서 이미지로 저장한 후, 정보처리장치(40)에서 노이즈를 제거하고, 측정구간의 거리정보를 보정하며, 유량계산을 위한 분할단면을 선정하여 단면별 유속을 산정한 후, 계산된 단면별 유속과 분할단면의 단면적을 곱함으로써 단면별 유량을 계산하고, 각 분할단면의 유량을 합산함으로써 하천의 유량값을 계산하게 된다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 하천 1a : 교량
10 : 부자 11 : 금속피복층
12 : 돌기
20 : 위치인식기구
30 : 레이더
40 : 정보처리장치

Claims (6)

1. 하천에 투하되는 부자;
   상기 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상 서로 이격하여 설치되는 위치인식기구;
   상기 하천의 일측에 설치되며, 상기 부자와 상기 위치인식기구의 위치를 동시에 관측하는 레이더; 및
   상기 레이더로부터 관측된 위치데이터를 전송받아 상기 부자의 이동속도 및 하천의 유량을 산정하는 정보처리장치를 포함하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 부자는,
   레이더파의 반사가 용이하도록, 수면 위로 노출되는 일측에 금속피복층이 형성된 레이더파 반사형 부자인 것을 특징으로 하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 금속피복층에는 다수의 돌기가 서로 이격하여 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정 시스템.
   
4. 하천의 가장자리를 따라 적어도 하나 이상의 위치인식기구를 일정 구간으로 서로 이격하여 설치하고, 하천의 일측에는 레이더를 설치하며, 하천의 상류에서 투하된 부자의 이동을 상기 레이더로 관측하여 상기 부자의 이동속도를 산정한 후, 정보처리장치에 미리 입력된 하천의 단면자료를 사용하여 하천의 유량을 측정하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 부자의 이동속도는, 상기 부자가 상기 구간을 통과하는데 소요된 시간을 측정하여 산정하는 것을 특징으로 하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정방법.
   
6. 청구항 4에 있어서, 상기 부자는,
   레이더파의 반사가 용이하도록, 수면 위로 노출되는 일측에 금속피복층이 형성된 레이더파 반사형 부자인 것을 특징으로 하는, 레이더를 이용한 하천유량 측정방법.

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