KR20130017996A - Ｕｓｎ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원격지의 수질 정보를 실시간으로 감시하고 수질 데이터를 취합 및 분석하여 3차원 데이터를 생성하기 위한 것으로서, 본 발명에 의하면, 인터넷 전문은행 운영에 따른 화상 대면 실명 확인 시스템에 있어서, 적어도 하나의 센서를 이용하여 수질의 다양한 정보를 수집하기 위해 일정 범위에 설치되고, 센싱된 수질 정보를 데이터화하여 통합 게이트 웨이로 전송하기 위한 적어도 하나의 수질 측정 수단과, 상기 수질 측정 수단으로부터 수질 정보 데이터를 수신받아 가공하여 인터넷망을 통해 통합 관제 수단으로 전송하기 위한 적어도 하나의 통합 게이트 웨이와, 상기 통합 게이트 웨이로부터 수신된 수질 데이터 정보를 활용하여 수질 상태를 분석하고, 상기 수질 측정 수단을 통해 센싱된 수심에 따른 수질정보를 분석하여 3차원 수질 정보를 생성하기 위한 통합 관제 수단으로 구성되는 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다항목 수질측정 통합 시스템과 유비쿼터스 센서 네트워크를 접목하여 실시간으로 원격지의 수질을 감시하기 위한 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법에 관한 것이다.
현재 환경분야, 특히 수질분야는 국민들에게 깨끗한 식수공급과 관련하여 또는 상하수원 등에 대한 수질환경 조사 등을 위하여 다양한 형태의 센서들을 이용하여 여러 지점에서 수질조사가 주기적으로 이루어지고 있다.
이렇게 각 지점에서 채취된 시료 등은 분석을 위하여 연구소 등의 실험기기를 구비한 장소로 운반하여 분석이 행하여지고 있다.
즉, 기존에는 환경 자료에 대한 데이터를 수집하기 위하여 사용자가 직접 측정장치를 가지고 매번 측정장소로 이동하여야 하였고, 또한 여러 항목을 측정하기 위해서는 각 측정 항목별로 사용되는 여러 종류의 계측기기를 사용하여야 하였다.
그리고, 이렇게 측정된 데이터들을 수집하여 분석하는데 많은 시간과 인력이 소모되고 있다.
이에 USN 기반의 네트워크 시스템을 통해 수질 모니터링을 위한 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 기반으로 다항목 수질측정 장치들의 센스노드와 데이터 전달을 위한 싱크 노드를 이용하여 모든 원격지의 수질을 실시간으로 감시하도록 하는 바, 워트 스테이션 시스템을 효과적으로 관리하고, 유지보수 하기 위해서는 각 수질측정기의 신뢰도를 명확히 파악하고 있어야 한다.
유지 보수 기간의 설정, 측정기의 교체시기, 정비계획 등은 수질측정기 설치 이후 소요되는 유지보수 비용에 영향을 미치며 따라서 경제적인 유지보수를 수행하기 위해서는 수질 측정기의 고정시점을 파악하고 그에 맞는 유지보수 계획을 제시하는 것이 중요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수명예측을 위한 측정 데이터로 MTTF, MTTR, MTBF를 사용하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법을 제공하기 위함이다.
또한 본 발명의 목적은 각 센서별 최대값, 최소값, 평균값을 확인하여, 시스템의 오동작 여부를 확인할 수 있도록 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 본 발명의 목적은, 수질을 측정하기 위한 일정 범위에 다수 설치되어 1차 센서 노드(Sensor Node)를 형성하는 다항목 수질측정기로부터 수질 정보 데이터를 수신 받아 가공하여 인터넷망을 통해 통합 관제 수단으로 전송하기 위한 적어도 하나의 통합 게이트 웨이와, 상기 통합 게이트 웨이로부터 수신된 수질 데이터 정보를 활용하여 수질 상태를 분석하고, 상기 다항목 수질측정기를 통해 센싱된 수심에 따른 수질정보를 분석하여 3차원 수질 정보를 생성하기 위한 통합 관제 수단를 포함하는 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템에 있어서, 상기 다항목 수질측정기(100)의 수명을 예측하기 위한 고장률 평가를 수행하도록, 측정 데이터로 시스템을 사용 시작 시점에서 고장까지의 동작 평균시간을 의미하는 MTTF와; 시스템이 고장에서부터 수리 이후에 재 가동 되기까지의 평균시간을 의미하는 MTTR와; 상기 MTTF, MTTR의 합으로 표현되는 MTBF가 사용되는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법에 의해 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 MTTF는 N개의 시스템을 동작 시작 시간 T=0에서 구동하여, 각 시스템 별로 처음 고장을 일으키는 시간의 평균을 산출하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 MTTR은 N개의 시스템을 고장 시작 시간 T=0에서 수리를 시작하여, 각 시스템 별로 수리 완료 후 재 가동되는 시간의 평균을 산출하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 MTBF는 재사용 시스템의 경우 시스템의 성능 척도로 사용되도록, 시스템의 가용도를 측정하기 위한 데이터로 사용되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 다항목 수질측정기(100)의 수명을 예측하기 위한 고장률 평가를 수행하도록, 각 워터노드 스테이션의 센서 값을 수집하여 각 센서별 최대값, 최소값, 평균값을 확인하여 시스템의 오동작 여부를 확인하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 다항목 수질측정기는 전도도(EC) 센서, 염도 센서, 온도 센서, 용존산소(DO) 센서, 용존수소(pH) 센서, 탁도 센서, 수심 측정 센서, 암모니암 및 질소 측정 센서 중 적어도 어느 하나로부터 수질 데이터를 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템 및 방법에 의하면, 수질 측정기의 수명을 예측하여 신뢰도를 정확히 파악할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템을 나타낸 도면,
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템은 적어도 하나의 센서를 이용하여 수질의 다양한 정보를 수집하기 위해 일정 범위에 설치되고, 센싱된 수질 정보 데이터를 통합 게이트 웨이(200)로 전송하기 위한 적어도 하나의 수질 측정 수단(100)과, 상기 수질 측정 수단(100)으로부터 수질 정보 데이터를 수신받아 가공하여 인터넷망(300)을 통해 통합 관제 수단(400)로 전송하기 위한 적어도 하나의 통합 게이트 웨이(200)와, 상기 통합 게이트 웨이(200)로부터 수신된 수질 데이터 정보를 활용하여 수질 상태를 분석하고, 상기 수질 측정 수단(100)을 통해 센싱된 수심에 따른 수질정보를 분석하여 3차원 수질 정보를 생성하기 위한 통합 관제 수단(400)으로 구성되며, 수질 데이터 허용치 초과시 경고음을 출력하거나 관리 담당자에게 SMS로 통보하여 현장의 오염원을 확인토록 하기위한 현장 긴급 출동 수단(500)이 포함되고, 인터넷망(300)을 통해 일반 사용자(600)가 웹페이지에서 수질 상태를 확인할 수 있도록 웹서비스가 제공을 위한 웹서버(미도시)가 포함된다.
상기 수질 측정 수단(100)은 수질을 측정하기 위한 일정 범위에 다수 설치되어 1차 센서 노드(Sensor Node)를 형성한다.
상기 수질 측정 수단(100)의 네트워크 방식은 Non-IP-USN으로 구성되기 위해 알에프 지그비(RF ZigBee) 형태의 근거리 통신망이 활용되는 것이 바람직하며, Non-IP로 데이터를 송수신할 수 있는 모든 근거리 통신 방법이 적용될 수 있다.
상기 수질 측정 수단(100)은 데이터 전송이 가능한 센서 노드를 통해 수질 데이터를 전송하여 통합 게이트 웨이(200)로 전달되도록 한다.
본 발명의 수질 모니터링 시스템은 Non-IP-USN과 IP-USN으로 구분될 수 있는데, 1차 센서 노드인 수질 측정 수단(100)과 2차 센서 노드인 통합 게이트 웨이(200)는 Non-IP-USN으로 구성되고, 인터넷망(300)과 통합 관제 수단(400)은 IP-USN으로 구성된다.
상기 1,2차 센서 노드는 근거리 통신망을 이용하여 Non-IP-USN을 구성함으로써, IP할당에 따른 비용이 절감되기 때문에, 적은 예산으로도 다수의 수질 측정 수단(100)을 설치할 수 있다.
상기 통합 게이트 웨이(200)는 2차 센서 노드로써, 상기 수질 측정 수단(100)으로부터 수질 데이터를 수신받아 CDMA 모뎀을 이용하여 WCDMA를 포함하는 인터넷망(300)을 통해 상기 통합 관제 수단(400)으로 수질 데이터를 전송한다.
상기 통합 관제 수단(400)은 수질에 대한 통합적인 관리를 하기 위한 관제실로써, 데이터 수집서버(미도시) 및 데이터베이스 서버(미도시)로 구성될 수 있으며, 상기 통합 게이트 웨이(200)로부터 수신된 수질 데이터를 분석하여 오염원의 정확한 위치를 파악하기 위한 컴퓨터가 포함되어 구성될 수 있다.
USN 기반의 수질 모니터링 시스템은 제 1 단계층으로 상기 수질 측정 수단(100)인 센서노드 레벨 2와 제 2 단계층으로 통합 게이트 웨이(200)인 센서노드 레벨 1과 제 3 단계층으로 WCDMA 또는 인터넷망(300)인 싱크노드와 제 4 단계층인 유/무선 네트워크망과 제 5 단계층인 통합 관제 수단(400)으로 계층적 USN 구조로 형성되어 있다.
상기 다항목 수질측정기(100)는 수명을 예측하기 위해서 고장률 평가가 수행 되어야 한다.
미 국방성이 제시하는 신뢰성 평가 가이드 MIL-HDBK-217은 부품의 특성에 따라 고유한 고장률을 갖는다고 정의 하고 있다. 부품의 고장률에 영향을 미치는 척도로 1) 제조기술의 완숙성 (learning factor), 2) 부품의 성능(quality factor), 3) 온도 (temperature factor), 4) 환경 요인 (environmental factor), 5) IC의 pin의 요인(pin factor) 을 정의하고 있다. 이와 같은 요인에 의해 각 부품의 수명이 결정되며, 부품의 수명은 수질 측정기의 수명과 연관 된다.
그러나 수질 측정기를 MIL-HDBK-217에서 제시하는 고장률 평가를 현실적으로 적용하기 어렵다. 그 이유로 수질 측정기의 하드웨어 구조 파악이 힘들며 수질 측정기에서 사용하는 부품의 특성 값을 파악할 수 없으며, 수질 측정기의 사용환경 변수에 대한 실험적 데이터를 가지고 있지 않다.
따라서 1차년도 연구목표로 프로토타입으로 개발되는 수질 측정기를 동작시켜, 전체 시스템의 수명 값을 측정 하게 되며, 이때 수명을 예측하기 위한 측정 데이터로는 MTTF, MTTR, MTBF가 있다.
상기 Mean time to failures(MTTF)는 시스템을 사용 시작 시점에서 고장까지의 동작 평균시간을 의미한다. 즉, N개의 시스템을 동작 시작 시간 T=0에서 구동하여, 각 시스템 별로 처음 고장을 일으키는 시간의 평균을 구하는 것이다. MTTF는 계산을 통해 고장률을 산출 할 수 있다[9]. 식 1은 MTTF의 식을 보여주고 있다.
상기 Mean time to repair (MTTR)은 시스템이 고장에서부터 수리 이후에 재 가동 되기까지의 평균시간을 의미한다. 즉, N개의 시스템을 고장 시작 시간 T=0에서 수리를 시작하여, 각 시스템 별로 수리 완료 후 재 가동되는 시간의 평균을 구하는 것이다. MTTR는 repair rate인 을 구할 수 있다. 식 2는 MTTR의 식을 보여주고 있다.
상기 Mean time between failures (MTBF)는 앞서 설명한 MTTF, MTTR의 합으로 표현된다. 한 번의 고장으로 시스템을 대체 할 경우 MTTF와 MTBF의 차이는 없다. 그러나 재사용 시스템의 경우 MTBF를 통해 시스템의 성능 척도로 사용 할 수 있다. 특히 MTBF는 시스템의 가용도를 측정하기 위한 중요한 자료를 제시한다.
또한 각 워터노드 스테이션의 센서 값을 수집하여 온도, 전도도, pH, DO, 탁도, CL, NO3, NO3를 측정하는 각 센서별 최대값, 최소값, 평균값을 확인함으로써, 시스템의 오동작 여부를 확인 할 수 있다.
100 : 다항목 수질측정기 200 : 통합 게이트 웨이
300 : 인터넷 망 400 : 통합 관제 수단
500 : 긴급 출동 수단 600 : 일반 사용자
300 : 인터넷 망 400 : 통합 관제 수단
500 : 긴급 출동 수단 600 : 일반 사용자
Claims (6)
- 수질을 측정하기 위한 일정 범위에 다수 설치되어 1차 센서 노드(Sensor Node)를 형성하는 다항목 수질측정기로부터 수질 정보 데이터를 수신 받아 가공하여 인터넷망을 통해 통합 관제 수단으로 전송하기 위한 적어도 하나의 통합 게이트 웨이와, 상기 통합 게이트 웨이로부터 수신된 수질 데이터 정보를 활용하여 수질 상태를 분석하고, 상기 다항목 수질측정기를 통해 센싱된 수심에 따른 수질정보를 분석하여 3차원 수질 정보를 생성하기 위한 통합 관제 수단를 포함하는 USN 기반 실시간 수질 모니터링 시스템에 있어서,
상기 다항목 수질측정기(100)의 수명을 예측하기 위한 고장률 평가를 수행하도록, 측정 데이터로
시스템을 사용 시작 시점에서 고장까지의 동작 평균시간을 의미하는 MTTF와;
시스템이 고장에서부터 수리 이후에 재 가동 되기까지의 평균시간을 의미하는 MTTR와;
상기 MTTF, MTTR의 합으로 표현되는 MTBF가 사용되는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 MTTF는 N개의 시스템을 동작 시작 시간 T=0에서 구동하여, 각 시스템 별로 처음 고장을 일으키는 시간의 평균을 산출하는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 MTTR은 N개의 시스템을 고장 시작 시간 T=0에서 수리를 시작하여, 각 시스템 별로 수리 완료 후 재 가동되는 시간의 평균을 산출하는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 MTBF는 재사용 시스템의 경우 시스템의 성능 척도로 사용되도록, 시스템의 가용도를 측정하기 위한 데이터로 사용되는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 다항목 수질측정기(100)의 수명을 예측하기 위한 고장률 평가를 수행하도록, 각 워터노드 스테이션의 센서 값을 수집하여 각 센서별 최대값, 최소값, 평균값을 확인하여 시스템의 오동작 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 ＵＳＮ 기반의 실시간 수질 모니터링 시스템의 신뢰성 평가 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 다항목 수질측정기는 전도도(EC) 센서, 염도 센서, 온도 센서, 용존산소(DO) 센서, 용존수소(pH) 센서, 탁도 센서, 수심 측정 센서, 암모니암 및 질소 측정 센서 중 적어도 어느 하나로부터 수질 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 USN 기반 실시간 수질 모니터링 방법.
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