KR20150090293A - Ubi-gis 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템 - Google Patents

Ubi-gis 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지하구조물 건설현장을 비롯한 모든 건설현장에서의 건설안전사고를 예방하고, 사고발생시 신속하게 대응할 수 있으며, 정밀하고 신속한 현장안전관리를 수행할 수 있는 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지하구조물 건설현장 정보를 표시하도록 서버 및 모니터를 포함하는 지하구조물 건설현장 관제시스템에 있어서, 지하구조물 내부에 위치되는 관제 대상인 작업자의 위치, 상태정보, 인적 정보 및 작업차량의 입출차 정보를 포함하는 관제 관련 정보를 유무선으로 제공받아 표시하도록 구성되는 정보표시부; 상기 지하구조물의 내외부에서 촬영된 영상을 제공받아 상기 디스플레이부에 표시하기 위한 촬영영상 표시부; 및 사고발생시 현장위치 및 작업자의 매몰 위치를 구조대로 전송 및 출동 요청하도록 구성되는 비상 구조연락부를 포함하는 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 제공한다.

Description

UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템{UNDERGROUND STRUCTURE FIELD CONTROL SYSTEM BASED ON UBI-GIS TECHNIQUE}
본 발명은 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하구조물 건설현장을 비롯한 모든 건설현장에서의 건설안전사고를 예방하고, 사고발생시 신속하게 대응할 수 있으며, 정밀하고 신속한 현장안전관리를 수행할 수 있는 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 관한 것이다.
국내 건설 시공기술은 현재 선진국과 나란히 견줄 수 있는 수준까지 성장하고 있으며, 최근 지하 구조물이나 고층 건물 등의 건설 현장에서는 작업자의 위치 정보를 확보하기 위한 요구와 노력이 증대되고 있다. 이는 위성항법장치(이하, 'GPS'라 함)가 제공하는 위치를 공사 현장 대부분에서는 확보하기 어려울 정도로 복잡한 구조물과 지하 공간으로 이루어져 있기 때문이다.
다시 말해서, 터널 및 공동구 등 지하 구조물의 건설 현장이나 복잡하고 대형화되는 고층 건물은 지하 구조물 및 고층 건물의 구조적 특성으로 인해 작업자의 위치 및 상태 파악, 작업 진행 상황 파악 등이 중요하다. 구체적으로, 안전사고, 화재, 폭발, 지진 및 붕괴 등의 위험 상황 발생시 작업자에 대한 신속한 구조, 및 지하 구조물 작업 현장에서의 안전하고 원활한 작업 진행을 위한 작업 지시와 의사소통 등을 위해 작업자의 위치 및 상태 파악, 작업 진행 상황 파악 등이 더욱더 중요하다.
그러나 작업 현장의 복잡한 구조, 소음, 진동, 분진 및 전파간섭 등의 열악한 환경으로 인해 작업자의 3차원 위치 추적/관리 및 유,무선 통신환경 구현에 한계가 있으며, 실내 등에서는 GPS 사용이 불가능한 한계가 있다.
특히 지하구조물 건설현장을 비롯한 많은 건설현장에서의 사고사례는 끊임없이 발생하고 있고, 신속한 대응 및 구조가 이루어지지 못하고 있어 많은 인명 피해가 일어나고 있다.
건설현장 중 가장 위험성이 높은 터널, 지하철, 지하주차장 등 지하공간개발 시공현장에서의 안전사고 예방 및 신속한 대응을 위해서는 무엇보다도 작업자 및 건설기계의 실시간 위치파악과 감독관과 작업자 사이의 원활한 음성통신, 그리고 작업자의 위치정보, 상태정보, 지하구조물 건설현장도면, 발파상황 등의 종합적인 정보를 기반으로 상황인지 기술을 활용한 지하구조물 건설현장의 전체적인 모니터링 및 대응체계 구축을 위한 관제시스템의 구축이 필요한 실정이다. 특히, 지하구조물 건설현장에서의 사고는 인명사망사고와 직결되기 때문에 정밀하고 신속한 현장안전관리가 매우 요구되는 실정이다.
본 발명과 관련 기술로는 본 발명의 출원인에 의해 출원한 바 있는 대한민국 특허출원 제10-2011-0052447호(2011.05.18.)에 제안되어 있다.
대한민국 특허출원 제10-2011-0052447호(2011.05.18.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 지하구조물 건설현장을 비롯한 모든 건설현장에서의 건설안전사고를 예방하고, 사고발생시 신속하게 대응할 수 있으며, 정밀하고 신속한 현장안전관리를 수행할 수 있는 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 지하구조물 건설현장 정보를 표시하도록 서버 및 모니터를 포함하는 지하구조물 건설현장 관제시스템에 있어서, 지하구조물 내부에 위치되는 관제 대상인 작업자의 위치, 상태정보, 인적 정보 및 작업차량의 입출차 정보를 포함하는 관제 관련 정보를 유무선으로 제공받아 표시하도록 구성되는 정보표시부; 상기 지하구조물의 내외부에서 촬영된 영상을 제공받아 상기 디스플레이부에 표시하기 위한 촬영영상 표시부; 및 사고발생시 현장위치 및 작업자의 매몰 위치를 구조대로 전송 및 출동 요청하도록 구성되는 비상 구조연락부를 포함하는 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 제공한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 정보표시부는 작업자 위치센서정보를 통해 GIS 도면상에 작업자의 위치를 표출하도록 구성되는 작업자 위치 표시부; 투입된 작업자의 이름을 표시하고, 작업자의 상태센서를 통해 해당 작업자의 심박, 호흡, 체온을 포함하는 상태 정보를 표시하는 작업자 상태 표시부; 및 차량 위치센서를 통해 차량의 입출차 시간과 작업현황을 포함하는 차량 정보를 표시하는 차량정보 표시부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 지하구조물 내부 작업자의 정확한 위치를 결정하기 위한 작업자 위치결정 모듈 및 상기 관제 관련 정보를 수집하고 중계 전송하기 위한 현장중계 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 작업자 위치 결정 모듈은 작업자의 자세 및 건설현장 현재 위치의 기압 정보를 검출하는 MEMS INS 기반 센서부; 상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 자세 데이터를 수집하고 동기화하는 자세데이터 수집 및 동기화부; 상기 자세데이터 수집 및 동기화부로부터의 데이터에 대하여 상기 센서부의 주변 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 바이어스 변화 보정부; 상기 바이어스 변화 보정부의 보정 데이터에 근거하여 작업자의 이동거리와 방향을 산출하는 거리 산출부; 상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 기압 데이터 및 건설현장 측량원점인 기준국의 기상 데이터를 수집하고 동기화하는 기압데이터 수집 및 동기화부; 상기 기압데이터 수집 및 동기화부로부터의 데이터에 근거하여 작업자의 절대고도를 결정하는 절대고도 산출부; 및 상기 거리 산출부의 산출값과 절대고도 산출부로부터 산출값에 근거하여 작업자의 3D위치를 추측 결정하는 3D위치 결정부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 MEMS INS 기반 센서부는 자세검출 기능을 하는 3축 가속도센서와, 방향검출 기능을 하는 3축 자이로 센서와, 위성측위시스템(GNSS)와, 지자기센서, 및 작업자가 현재 위치하고 있는 위치에서의 기압을 검출하기 위한 기압 센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 바이어스 변화 보정부는 상기 자세데이터 수집 및 동기화부로부터 X축, Y축, Z축 데이터를 제공받아 처리하는 다수의 TBEC장치 블록들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서; 및 상기 TBEC장치 블록들을 통해 보정된 검출값으로 플랫폼의 각도를 구하는 처리부로 구성되며, 상기 데이터 처리 프로세서는, 상기 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 X-TBEC와, 상기 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 Y-TBEC, 및 상기 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 Z-TBEC를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 다수의 TBEC장치 블록 각각은 상기 MEMS INS 기반 센서부의 센서 주변의 온도 변화를 검출하는 온도변화 검출부; 상기 MEMS INS 기반 센서부가 탑재된 플랫폼의 동작을 검출하는 동작 검출부; 시간과 온도에 따라 변화하는 MEMS INS 기반 센서부의 바이어스를 검출하는 바이어스 검출부; 상기 온도변화 검출부와 바이어스 검출부에서 검출된 데이터를 참조하여 온도변화에 따른 바이어스를 계산하는 온도별 바이어스 추정부; 상기 계산된 바이어스를 이용하여 실시간으로 상기 MEMS INS 기반 센서부의 검출값을 보정하는 실시간 바이어스 보정부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 실시간 바이어스 보정부는 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출하기 위하여 상기 보정된 검출값을 상기 바이어스 검출부로 피드백하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 동작 검출부는 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 데이터 처리 프로세서는 상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 검출값에 대해 스무딩 에러버지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering) 처리하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 스무딩 에버러지는 하기 수식에 따라 계산되는 것이 바람직하다.
Figure pat00001
(여기에서, 상기 S는 스무딩된 자이로 센서값이고, 상기 n은 시간 인덱스이고, 상기 x는 원래의 자이로 센서값임)
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 거리 산출부는 걸음을 카운트하는 걸음 카운트부, 걸음폭을 산정하는 걸음폭 산정부 및 걸음방향을 계산하는 방향각 계산부를 포함하고, 상기 거리 산출부는 4단계의 라이징-폴링 검출 기법에 기초한 상기 거리 산출부로부터의 결과값에 근거하여 거리(D=Nw×SF; 여기에서, Nw는 카운트값, SF: Scale Factor)를 산출하고 방향각을 계산(△Θ)하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 기압데이터 수집 및 동기화부는 건설현장 측량원점인 기준국의 기압 데이터를 포함한 기상 데이터를 수집 저장하고, 고도데이터를 포함하는 기준국의 3D 기준좌표 데이터를 저장하는 기준국 기압데이터 및 3D좌표 수집부; 상기 MEMS INS 기반 센서부의 기압 센서로부터 이동국인 작업자가 현재 위치하고 있는 위치의 기압 데이터를 수집하는 이동국 기압데이터 수집부; 및 상기 기준국 기압데이터로부터의 현재 기압데이터와 3D 기준좌표 데이터로부터의 고도 데이터에 기초하여 현재기압에서의 기준고도 데이터를 산출하기 위한 기준고도 데이터 산출부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 기준국의 고도 데이터와 기압 데이터는 DGPS(Differential GPS) 기준국이 전송하는 보정 신호에 기압데이터를 포함한 기상 데이터로부터 제공되거나, 건설현장마다 있는 기준측량점의 고도데이터 및 기준측량점의 기상장비로부터 제공되도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 기준고도 데이터 산출부는 기준고도 데이터(HRS)를 아래의 식 (1) 및 (2)를 이용하여 산출하는 것이 바람직하다.
Figure pat00002
(1)
(2)
(여기에서, Pn : 데이터 순열 n번째 기압 데이터(millibar), CP : 현재 기압(Current Pressure)(millibar), MSLP : 해수면 기압(mean-sea-level pressure))
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 절대고도 산출부는 기준국으로부터 전송되어 온 현재의 기준국 기압 데이터(RSP)와 산출되는 상기 기준고도 데이터(HRS)에 기초하여 아래의 식 (3)을 이용하여 절대고도 데이터(Ha)를 산출하는 것이 바람직하다.
Figure pat00004
(3)
(여기에서, RSP : 기준국 기압 데이터(Reference Station Pressure), CP : 현재 기압(Current Pressure), HRS: 기준고도 데이터)
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 현장중계 모듈은 지하구조물 내의 내부 관제 대상으로부터 정보를 수집 중계하는 데이터 수집/중계부; 상기 내부 관제 대상과 중앙 관제시스템 간의 정보교환을 위한 무선통신부; 및 상기 데이터 수집/중계부에 수집된 데이터를 처리하고 중앙 관제시스템에서 확인가능한 정보로 생성하기 위한 프로그램 구동부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 데이터 수집/중계부는 관제 대상의 위치 및 상태정보와 CCTV 기반의 현장 모니터링 정보를 수집 저장하고, 상기 중앙 관제시스템으로부터 전송되는 데이터 및 음성통신정보를 관제 대상에 전송하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 데이터 수집/중계부는 지하구조물 입구 주변의 현장 모니터링을 위하여 구비되는 CCTV 카메라부; 상기 CCTV 카메라부의 영상정보를 저장하는 영상정보 저장부; 및 상기 관제 대상의 데이터 및 음성정보를 저장하고 처리하는 서버부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 데이터 수집/중계부는 상기 CCTV 카메라부와 상기 무선통신부가 일체로 모듈화되어 구비되는 이동식 지주 또는 고정식 지주를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 데이터 수집/중계부는 지하구조물의 내부를 촬영하도록 지하구조물 내부에 설치되는 내부 촬영용 카메라부; 및 상기 내부 촬영 카메라부에서 촬영된 영상 정보를 유선 또는 무선 전송하는 내부 영상정보 전송부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 소프트웨어 구동부는 상기 관제 대상과 데이터 수집/중계부 사이에서 3차원 위치정보, 상태 정보를 포함하는 데이터를 50User 이상의 패킷데이터로 수신 및 저장처리하고, 저장된 패킷데이터와 함께 영상정보를 상기 중앙 관제시스템에서 활용가능한 형태의 정보로 가공하고 XML기반의 전송정보로 생성하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템 및 관제 방법은, 지하구조물 건설현장을 비롯한 모든 건설현장에서의 건설안전사고를 예방하고, 사고발생시 신속하게 대응할 수 있으며, 정밀하고 신속한 현장안전관리를 수행할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에서 표시되는 표시 정보의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 의해 표시되시도록 구현되는 일 예의 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템의 구성을 개략적으로 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 도시한 통신 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 포함되는 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 위치 결정 모듈의 구성을 도시한 구성도이다.
도 6은 MEMS INS 기반 센서의 특징 및 기능을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 3D위치 결정 모듈을 구성하는 바이어스 변화 보정부를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 제1 실시 예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다.
도 9는 제2 실시 예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다.
도 10은 본 발명에서의 걸음검출 확장 기법에 대하여 설명하는 개념도이다.
도 11은 확장된 4단계의 라이징-폴링 걸음검출 기법을 적용한 실험에 대한 도면이다.
도 12는 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 3D위치 결정 모듈을 구성하는 기압데이터 수집 및 동기화부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 기압데이터 수집 및 동기화부와 절대고도 산출부의 수행 동작을 개략적으로 도시한 플로차트이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 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 발명의 바람직한 실시 예에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에서 표시되는 표시 정보의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 의해 표시되시도록 구현되는 일 예의 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템의 구성을 개략적으로 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템을 도시한 통신 흐름도이다.
본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템은, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 지하구조물 건설현장 정보를 표시하도록 서버 및 모니터 등을 포함하는 지하구조물 건설현장 관제시스템에 있어서, 지하구조물 내부에 위치되는 관제 대상(예를 들어, 작업자 및/또는 작업차량)의 위치와 상태정보 그리고 인적 정보를 포함하는 관제 관련 정보를 유무선으로 제공받아 표시하도록 구성되는 정보표시부(10); 지하구조물의 내외부에서 촬영된 영상을 제공받아 상기 정보표시부에 표시하기 위한 촬영영상 표시부(20); 및 사고발생시 현장위치 및 작업자의 매몰 위치를 구조대로 전송 및 출동 요청하도록 구성되는 비상 구조연락부(30)를 포함한다.
상기 정보표시부(10)는 유비쿼터스 환경의 작업자 위치센서정보를 통해 GIS 도면상에 작업자의 위치를 표출하도록 하여 작업자의 위치를 추적하는 작업자 추적위치 표시부(11); 투입된 작업자의 이름을 표시하고, 작업자의 상태센서를 통해 해당 작업자의 상태 정보(예를 들어, 심박, 호흡, 체온 등)를 표시하는 작업자 상태 표시부(12); 및 차량 위치센서를 통해 입출차시간, 작업현황 등을 포함하는 차량 정보를 표시하는 차량정보 표시부(13)를 포함한다.
상기 촬영영상 표시부(20)는 지하구조물의 내부 및/또는 지하구조물의 입구에 설치되는 CCTV 카메라에서 촬영된 영상을 제공받아 표시하며, 무허가 차량 및 인력 진입 등에 대하여 모니터링하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 관제시스템은 지하구조물 내부 작업자의 정확한 위치를 파악하여 결정하기 위한 작업자 위치결정 모듈을 포함하고, 지하구조물 내부의 관련 정보를 원활하게 수집 및 중계 전송하기 위한 현장중계 모듈을 포함한다.
도 5를 참조하여 지하구조물의 사고발생시 인명피해 예방 및 신속한 조치와 밀접하게 연관되는 작업자 위치결정 모듈에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 포함되는 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 위치결정 모듈의 구성을 도시한 구성도이다.
먼저, 작업자 위치결정 모듈은 도 5에 도시된 바와 같이, 건설현장 작업자의 자세 및 건설현장 현재 위치의 기압 정보를 검출하는 MEMS INS 기반 센서부(100); 상기 MEMS INS 기반 센서부(100)로부터의 자세 데이터를 수집하고 동기화하는 자세데이터 수집 및 동기화부(200); 상기 자세데이터 수집 및 동기화부(200)로부터의 데이터에 대하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 바이어스 변화 보정부(300); 상기 바이어스 변화 보정부(300)의 보정 데이터에 근거하여 작업자의 이동거리와 방향을 산출하는 거리 산출부(400); 상기 MEMS INS 기반 센서부(100)로부터의 기압 데이터 및 건설현장 측량원점(즉, 기준국)의 기상 데이터를 수집하고 동기화하는 기압데이터 수집 및 동기화부(500); 상기 기압데이터 수집 및 동기화부(500)로부터의 데이터에 근거하여 작업자의 절대고도를 결정하는 절대고도 산출부(600); 및 상기 거리 산출부(500)와 절대고도 산출부(600)로부터 산출된 데이터에 근거하여 작업자의 3D위치를 추측 결정하는 3D위치 결정부(700)를 포함한다.
상기 MEMS INS 기반 센서부(100)는 작업자(이동국)의 자세를 검출하기 위한 것으로서 자세검출 기능을 하는 3축 가속도센서(110), 방향검출 기능을 하는 3축 자이로 센서(120), 그리고 이를 보완하기 GNSS(위성측위시스템)(130), 지자기센서(140)를 포함하며, 작업자가 현재 위치하고 있는 위치에서의 기압을 검출하기 위한 기압 센서(150)를 포함한다.
도 6은 MEMS INS 기반 센서의 특징 및 기능을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
3축 가속도센서(110)는 3축의 각 축방향의 힘의 변화를 검출하는 센서로서 움직이지 않을 경우 지구 중심 방향의 g값이 검출되는 특징이 있다. 3축 자이로센서(120)는 3축의 회전을 나타내는 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)에 해당하는 각속도(angular velocity)를 제공하며, 그 값이 누적되어야 방향 자세값을 알 수 있다.
GNSS(위성측위시스템)(130)는 인공위성을 이용하여 지상물의 위치·고도·속도 등에 관한 정보를 제공한다. 지자기센서(140)는 지구의 자기장 변화를 이용하여 자북에 대한 절대 각도를 제공하는 절대각 센서이다. 기압 센서(150)는 통상적으로 기상센서로 활용되며, 본 발명에서는 후술하겠지만 기압의 변화를 이용한 고도의 변화량을 검출하기 위해 사용된다.
상기 자세데이터 수집 및 동기화부(200)는 자세데이터를 검출하는 센서들로부터의 데이터를 수집하고 동기화한다. 상기 자세데이터 수집 및 동기화부(200)에서는 온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터를 출력한다.
다음으로, 디지털 타입의 센서인 MEMS INS 기반 센서부(100)의 온도 변화에 따른 바이어스 변화를 보정하는 바이어스 변화 보정부(300)에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 3D위치 결정 시스템을 구성하는 바이어스 변화 보정부를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 바이어스 변화 보정부(300)는 데이터 처리 프로세서(310), X-TBEC(311), Y-TBEC(312), Z-TBEC(313) 그리고 처리부(320)를 포함하여 구성된다. 여기서 TBEC는 Temperature based Bias Estimation and Correction의 약자로써 온도에 따른 바이어스 추정 및 보정을 뜻한다.
상기 데이터 처리 프로세서(310)는 상기 자세데이터 수집 및 동기화부(200)와 직접 연결되어 데이터의 검출값을 I2C(I-square-C, 일명 '아이스퀘어시'라 함)통신이나 SPI(Serial Peripheral Interface, 주변장치용 직렬 인터페이스)통신 또는 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter, 범용 비동기화 송수신) 통신을 통해 직접 수신하고 처리한다.
데이터 처리 프로세서(310)가 수신한 검출값에는 자세를 포함한 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함하는 것으로 가정하며, 데이터 처리 프로세서(310)는 각 축 별로 온도변화에 근거한 바이어스 추정 및 보정기능을 수행하는 장치들(예: X-TBEC(311), Y-TBEC(312), Z-TBEC(313))을 포함한다. 아날로그 센서의 경우 1개 축(예: Z축)의 데이터만을 포함하지만, MEMS INS 기반 센서와 같은 디지털 센서의 경우 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함한다.
상기 X-TBEC(311), Y-TBEC(312) 및 Z-TBEC(313)은 각각 X축 데이터, Y축 데이터, Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 TBEC장치 블록들이다.
상기 처리부(320)는 상기 TBEC 장치 블록들(311, 312, 313)을 통해 보정된 검출값으로 플랫폼(예: 차량이나 작업자(이동국))의 각도를 구한다. 상기 처리부(320)에서 이루어지는 계산을 수식으로 나타내면 아래 [수식 1]과 같다.
[수식 1]
θt = θt-1 + δθt
여기서, 상기 θt 는 최종 각도이고, 상기 δθt는 각도 변화량(검출값(Xt)에 해당)이다.
도 8은 제1 실시 예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시 예에 따른 TBEC장치 블록은 MEMS INS 기반 센서부를 탑재한 단말이 동작하지 않는 상태 즉, 멈춘 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 일반 네비게이션이나 스마트폰 용으로 사용될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 각 TBEC장치 블록(311 내지 313)은 온도변화 검출부(311A), 바이어스 검출부(311B), 동작 검출부(311C), 온도별 바이어스 추정부(311D), 실시간 바이어스 보정부(311E)를 포함하여 구성된다.
상기 온도변화 검출부(311A)는 MEMS INS 기반 센서부(200)의 센서 주변의 온도 변화를 검출한다. 디지털 센서는 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다.
상기 동작 검출부(311C)는 MEMS INS 기반 센서부(200)가 탑재된 플랫폼(예: 일반 네비게이션 또는 스마트 폰)의 동작을 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 플랫폼의 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그(flag)를 생성한다.
상기 바이어스 검출부(311B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 바이어스를 검출하고 그 검출 데이터를 온도별 바이어스 추정부(311D)로 전달한다.
상기 온도별 바이어스 추정부(311D)는 상기 동작 검출부(311C)로부터 플래그를 전달받고, 상기 온도변화 검출부(311A)와 바이어스 검출부(311B)로부터 검출된 데이터를 전달받는다.
상기 온도별 바이어스 추정부(311D)는 상기 동작 검출부(311C)의 플래그가 플랫폼의 동작 또는 정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도변화 검출부(311A)와 바이어스 검출부(311B)로부터 전달받은 데이터를 참조하여 온도변화에 따른 바이어스를 계산한다.
상기 실시간 바이어스 보정부(311E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(311D)가 계산한 바이어스를 이용하여 실시간으로 측정값을 보정한다. 측정값을 보정하고 나서 그 결과를 다시 상기 바이어스 검출부(311B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출할 수 있다.
도 9는 제2 실시 예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시 예에 따른 TBEC장치 블록은 MEMS INS 기반 센서부를 실장한 단말이 동작하는 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 예를 들면 자동차에 내장되는 네비게이션용으로 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 실시 예에 따른 TBEC장치 블록(311 내지 313)은 온도변화 검출부(311A), 바이어스 검출부(311B), 동작 검출부(311C), 온도별 바이어스 추정부(311D), 실시간 바이어스 보정부(311E), 이동 중 바이어스 추정부(311F)를 포함하여 구성된다.
상기 온도변화 검출부(311A)는 MEMS INS 기반 센서부(200)의 센서 주변의 온도 변화를 검출한다. MEMS INS 기반 센서부(200)의 디지털 센서는 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다.
상기 동작 검출부(311C)는 차량의 주행여부나 이동체의 이동여부를 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 주행(이동)이나 정지여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성한다. 상기 제1 실시 예에 따른 동작 검출부(311C)는 출력되는 디지털 센서 데이타만을 이용하여 플랫폼의 주행(이동)여부를 판별하였으나, 본 실시 예에 따른 동작 검출부(311C)는 GPS(Global Positioning System)나 차속 센서(속도 센서)와 같은 외부장치로부터 GPS신호와 차속(속도) 펄스를 인가받아 차량(이동체)의 주행(이동)과 정지 여부를 더욱 정확히 판별할 수 있다.
상기 바이어스 검출부(311B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 바이어스를 검출하고 그 검출된 데이터를 온도별 바이어스 추정부(311D)로 전달한다.
상기 동작 검출부(311C)의 플래그가 차량이나 이동체의 주행상태나 이동상태임을 나타내는 것일 때, 상기 주행(이동) 중 바이어스 추정부(311F)는 GPS(또는 차속센서나 속도센서)로부터 GPS신호(또는 차속펄스)를 인가받아, 주행 중에 바이어스(B2)를 추정한다. 그리고 추정한 바이어스 값(B2)을 상기 실시간 바이어스 보정부(311E)로 전달한다.
반면, 상기 동작 검출부(311C)의 플래그가 차량(이동체)의 정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도별 바이어스 추정부(311D)는 상기 온도변화 검출부(311A)와 바이어스 검출부(311B)로부터 검출된 데이터를 전달받아, 상기 제1 실시 예와 동일하게 온도변화에 따른 바이어스(B1)를 계산한다. 그리고 계산된 온도변화에 따른 바이어스 값(B1)은 실시간 바이어스 보정부(311E)로 전달된다.
상기 실시간 바이어스 보정부(311E)는 온도별 바이어스 추정부(311D)로부터 차량(이동체)의 정지 시에 계산된 바이어스 값(B1)이 전달되면, 상기 주행(이동) 중 바이어스 추정부(311F)로부터 전달받은 바이어스 추정값(B2)과 비교한다.
실시간 바이어스 보정부(311E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(311D)의 바이어스 값(B1)과 상기 주행(이동) 중 바이어스 추정부(311F)의 바이어스 추정값(B2)을 비교하고, 최적의 바이어스를 판별하여 실시간으로 측정값을 보정한다.
상기 실시간 바이어스 보정부(311E)의 보정을 수식으로 나타내면 아래 [수식 2]과 같다.
[수식 2]
실시간 바이어스 보정부의 보정결과 값 = ((B1×8)＋(B2×1)/9)
이러한 바이어스 보정은 실시간으로 진행되며, 실시간 바이어스 보정부(311E)는 보정된 그 결과값을 상기 바이어스 검출부(311B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스 검출이 가능하도록 한다. 제2 실시 예는 상기 제1 실시 예에서 동작이 없는 경우만 바이어스 추정을 수행했던 한계를 극복하고 주행(이동) 중에도 바이어스를 추정할 수 있는 기능을 제안한다.
다음으로, 상기 바이어스 변화 보정부(300)의 보정 데이터에 근거하여 작업자의 이동거리와 방향을 산출하는 거리 산출부(400)에 대하여 설명한다.
상기 거리 산출부(400)는 걸음 카운트부(410), 걸음폭 산정부(420) 및 방향각 계산부(430)를 포함하여 구성된다.
상기 거리 산출부(400)는 가속도 센서(110)에 의해 생성되는 펄스를 통해 걸음을 카운트(Nw)하고, 걸음폭을 산정(SF: Scale Factor)하여 거리를 산출(D=Nw×SF)한다. 도 10은 본 발명에서의 걸음검출 확장 기법에 대하여 설명하는 개념도이다.
예를 들어, 본 발명에서 거리 산출부(400)는 걸음검출 확장기법을 통해 산출하는데, 도 10의 오른쪽 그림에 도시된 바와 같이 걸음 검출 레벨을 4단계의 라이징-폴링 검출 기법으로 한다.
따라서, 걸음 카운트부(410)는 확장된 4단계의 라이징-폴링이 1주기의 파형 특성을 가질 때, 1걸음으로 카운트(N1)한다. 걸음폭 산정부(420)는 1주기의 파형 특성으로부터 1걸음의 걸음폭을 산정할 수 있다. 그리고 방향각 계산부(430)는 지자기 센서(140)로부터의 방향 검출값에 근거하여 방향각을 계산(△Θ)한다.
도 11은 확장된 4단계의 라이징-폴링 걸음검출 기법을 적용한 실험에 대한 도면이다. 본 발명의 발명자는 상기와 같은 확장된 4단계의 라이징-폴링 걸음검출 확장 기법을 통해 도 9에서와 같이 9걸음, 8걸음, 8걸음, 13걸음, 13걸음, 9걸음이 정확히 구분되는 것임을 시험 결과를 통해 확인하였다.
다음으로, 상기 기압데이터 수집 및 동기화부(500)에 대하여 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는 MEMS INS 기반 건설현장 작업자의 3D위치 결정 시스템을 구성하는 기압데이터 수집 및 동기화부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 기압데이터 수집 및 동기화부(500)는, 도 12에 도시한 바와 같이 건설현장 측량원점(이하, '기준국'이라 칭함)의 기압 데이터를 포함한 기상 데이터를 수집 저장하고, 고도데이터를 포함한 기준국의 3D 기준좌표 데이터를 저장하는 기준국 기압데이터 및 3D좌표 수집부(510)와, 상기 MEMS INS 기반 센서부(100)의 기압 센서(150)로부터 작업자(이동국)가 현재 위치하고 있는 위치의 기압 데이터를 수집하는 이동국 기압데이터 수집부(520), 및 상기 기준국 기압데이터로부터의 현재 기압데이터와 3D 기준좌표 데이터로부터의 고도 데이터에 기초하여 현재기압에서의 기준고도 데이터를 산출하기 위한 기준고도 데이터 산출부(530)를 포함한다.
상기 기준국 기압데이터 및 3D좌표 데이터 수집부(510)는 건설현장 측량원점(기준국)의 기압 및/또는 3D좌표를 실시간으로 또는 정기적으로 수신하여 그 기압 데이터(기압값)를 수집 저장한다.
예를 들면, 상기 기준국 기압데이터 및 3D좌표 데이터 수집부(510)는 정밀한 좌표를 갖고 있는 DGPS(Differential GPS) 기준국이 전송하는 보정 신호에 기압정보를 포함하는 기상정보인 기상데이터를 포함하여 제공받거나, 건설현장마다 있는 기준측량점(측량원점)을 활용하여 기준측량점의 고도데이터(고도값)과 이 위치에 설치된 기상장비로부터 수집된 기압데이터를 건설현장 내의 네트워크를 통해 제공받을 수 있다.
상기 기준고도 데이터 산출부(530)는 기준고도 데이터(HRS)를 아래의 식 (1) 및 (2)를 이용하여 산출한다.
Figure pat00005
(1)
Figure pat00006
(2)
여기에서,
Pn : 데이터 순열 n번째 기압 데이터(millibar)
CP : 현재 기압(Current Pressure)(millibar)
MSLP : 해수면 기압(mean-sea-level pressure)
다음으로, 상기 절대고도 산출부(600)는 기준국 기압데이터 및 3D좌표데이터 수집부(610)로부터의 현재 기준국 기압데이터(RSP)와 상기 산출된 기준고도데이터(HRS)에 기초하여 이동국의 절대고도 데이터(Ha)를 산출한다.
절대고도 데이터(Ha)는 아래의 식 (3)에 의해 산출된다.
Figure pat00007
(3)
여기에서,
RSP : 기준국 기압 데이터(Reference Station Pressure)
HRS: 기준고도 데이터
위와 같은 식 (3)을 통해 산출되는 절대고도 데이터는 기준국 기압이 변화하더라도 이를 보상할 수 있는 기준고도 데이터가 있으므로 정확하게 산출될 수 있다.
상기 기압데이터 수집 및 동기화부(500)와 절대고도 산출부(600)의 수행 동작을 도 13을 참조하여 더 설명한다. 도 13은 기압데이터 수집 및 동기화부와 절대고도 산출부의 수행 동작을 개략적으로 도시한 플로차트이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 이동국인 작업자의 절대고도 산출을 위하여 건설현장 측량원점(즉, 기준국)의 현재의 기압 데이터와 고도 데이터를 제공받고(S100); 상기 현재의 기압 데이터와 고도 데이터에 기초하여 기준고도 데이터를 상기한 식 (1) 및 (2)를 통해 산출하며(S200); 작업자(즉, 이동국)가 위치하고 있는 위치의 기압데이터를 제공받으며(S300); 상기 기준고도 데이터와 상기 작업자 위치의 기압데이터에 기초하여 상기한 식 (3)을 통해 이동국의 절대고도 데이터를 산출(S400)한다.
상기 기압데이터와 고도 데이터(좌표 데이터)는, 예를 들면 정밀한 좌표를 갖고 있는 DGPS(Differential GPS) 기준국이 전송하는 보정 신호에 기상정보인 기상데이터가 포함되도록 하여 제공받거나, 건설현장마다 있는 기준측량점(측량원점)을 활용하여 기준측량점의 고도데이터(고도값)와 이 위치에 설치된 기상장비로부터 수집된 기압데이터를 제공받을 수 있다.
상기 3D위치 결정부(700)는 거리산출부(400)와 절대고도 산출부(600)로부터 제공되는 데이터값을 통해 각각 X축, Y축, Z축에 대한 최종 3D좌표(Xd, Yd, Zd)를 결정한다.
구체적으로, 최종 3D좌표 Xd는 X+dX이고, Yd는 Y+dY이며, Z는 절대고도값이다. 여기에서, X와 Y는 바이어스 변화 보정부(300)로부터 보정된 결과값의 X좌표와 Y좌표이고, dX와 dY는 거리산출부(400)로부터 각각 D×cos(Θ)와 D×sin(Θ)이다. 그리고 Z는 절대고도 산출부(600)로부터 산출된 절대고도값이다.
이상에서 설명한 각 구성요소들의 수행 방법은 하드웨어적으로 구현될 수도 있고, 소프트웨어적으로도 구현될 수 있다.
예시적인 하드웨어적인 구현에 의하면, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(micro processors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템에 포함되는 현장중계 모듈을 도 4를 다시 참조하여 설명하면 다음과 같다.
현장중계 모듈은 크게 지하구조물 내부 작업자 및 이동차량(이하, "지하내부 관제 대상"이라 통칭함)의 정보를 관제시스템으로 중계 전송하기 위한 모듈로서, 지하구조물 내부에서 전송되는 내부 관제 대상(작업자 및 이동차량)으로부터의 정보를 수집 중계하는 데이터 수집/중계부(810); 상기 내부 관제 대상과의 정보교환을 위한 무선통신부(820); 및 상기 데이터 수집/중계부(810)에 수집된 데이터를 처리하고 정보표시부(10)에서 확인가능한 정보로 생성하기 위한 소프트웨어 구동부(프로그램 구동부)를 포함한다.
상기 데이터 수집/중계부(810)는 지하구조물의 현장 내부에서 전송되는 지하내부 관제 대상(작업자 및 이동차량)의 위치 및 상태정보와 CCTV 기반의 현장 모니터링 정보를 수집 저장하고, 상기 관제시스템(정보표시부(10))으로 정보를 제공하며, 또한 관제시스템으로부터 전송되는 데이터 및 음성통신정보를 작업자에게 전송할 수 있도록 구성된다.
예를 들어, 상기 데이터 수집/중계부(810)는 지하구조물 내부 현장을 촬영할 수 있도록 설치되는 CCTV 카메라부; 상기 CCTV 카메라부의 영상정보를 저장하는 영상정보 저장부; 및 지하내부 관제 대상의 데이터 및 음성정보를 저장하고 처리하는 서버부를 포함한다.
여기에서, 상기 데이터 수집/중계부(810)는 지하구조물 입구 주변의 현장 모니터링을 위하여 CCTV 카메라부와 상기 무선통신부가 모듈화되어 구비되는 이동식 지주 또는 고정식 지주를 더 포함할 수 있다.
상기 무선통신부(820)는 예를 들어 2대 이상으로 이루어지며, 5.8GHz/802.11a/n/전송거리 3km인 것이 바람직하다.
상기 소프트웨어 구동부(프로그램 구동부)는 지하내부 관제 대상의 단말기와 데이터 수집/중계부 사이에서 3차원 위치정보, 상태 정보 등을 50User 이상의 패킷데이터로 수신 및 저장처리할 수 있고, 저장된 패킷데이터와 함께 영상정보(CCTV 영상정보)를 중앙 관제시스템에서 활용가능한 형태의 정보로 가공 및 XML기반의 전송정보로 생성하여 무선통신부(20)를 통해 송신할 수 있도록 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템은, 관제 대상의 정확한 관련 정보, 예를 들어 현장중계 모듈을 통해 전송되는 데이터를 제공받아 대용량 CCTV 영상정보의 획득, 디스플레이, 제어를 위한 모듈을 제공하여 작업자와 차량의 위치정보, 상태정보, 입출차정보 등의 데이터 획득을 통해 통합적인 관리를 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 정보표시부
11: 작업자 추적위치 표시부
12: 작업자 상태 표시부
13: 차량정보 표시부
20: 촬영영상 표시부
30: 비상 구조연락부
100: MEMS INS 기반 센서부
200: 자세데이터 수집 및 동기화부
300: 바이어스 변화 보정부
400: 거리 산출부
500: 기압데이터 수집 및 동기화부
600: 절대고도 산출부
700: 3D위치 결정부
810: 데이터 수집/중계부
820: 무선통신부

Claims (22)

  1. 지하구조물 건설현장 정보를 표시하도록 서버 및 모니터를 포함하는 지하구조물 건설현장 관제시스템에 있어서,
    지하구조물 내부에 위치되는 관제 대상인 작업자의 위치, 상태정보, 인적 정보 및 작업차량의 입출차 정보를 포함하는 관제 관련 정보를 유무선으로 제공받아 표시하도록 구성되는 정보표시부;
    상기 지하구조물의 내외부에서 촬영된 영상을 제공받아 상기 디스플레이부에 표시하기 위한 촬영영상 표시부; 및
    사고발생시 현장위치 및 작업자의 매몰 위치를 구조대로 전송 및 출동 요청하도록 구성되는 비상 구조연락부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정보표시부는
    작업자 위치센서정보를 통해 GIS 도면상에 작업자의 위치를 표출하도록 구성되는 작업자 위치 표시부;
    투입된 작업자의 이름을 표시하고, 작업자의 상태센서를 통해 해당 작업자의 심박, 호흡, 체온을 포함하는 상태 정보를 표시하는 작업자 상태 표시부; 및
    차량 위치센서를 통해 차량의 입출차시간과 작업현황을 포함하는 차량 정보를 표시하는 차량정보 표시부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    지하구조물 내부 작업자의 정확한 위치를 결정하기 위한 작업자 위치결정 모듈 및 상기 관제 관련 정보를 수집하고 중계 전송하기 위한 현장중계 모듈을 더 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 작업자 위치 결정 모듈은
    작업자의 자세 및 건설현장 현재 위치의 기압 정보를 검출하는 MEMS INS 기반 센서부;
    상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 자세 데이터를 수집하고 동기화하는 자세데이터 수집 및 동기화부;
    상기 자세데이터 수집 및 동기화부로부터의 데이터에 대하여 상기 센서부의 주변 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 바이어스 변화 보정부;
    상기 바이어스 변화 보정부의 보정 데이터에 근거하여 작업자의 이동거리와 방향을 산출하는 거리 산출부;
    상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 기압 데이터 및 건설현장 측량원점인 기준국의 기상 데이터를 수집하고 동기화하는 기압데이터 수집 및 동기화부;
    상기 기압데이터 수집 및 동기화부로부터의 데이터에 근거하여 작업자의 절대고도를 결정하는 절대고도 산출부; 및
    상기 거리 산출부의 산출값과 절대고도 산출부로부터 산출값에 근거하여 작업자의 3D위치를 추측 결정하는 3D위치 결정부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MEMS INS 기반 센서부는
    자세검출 기능을 하는 3축 가속도센서와, 방향검출 기능을 하는 3축 자이로 센서와, 위성측위시스템(GNSS)와, 지자기센서, 및 작업자가 현재 위치하고 있는 위치에서의 기압을 검출하기 위한 기압 센서를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 바이어스 변화 보정부는
    상기 자세데이터 수집 및 동기화부로부터 X축, Y축, Z축 데이터를 제공받아 처리하는 다수의 TBEC장치 블록들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서; 및
    상기 TBEC장치 블록들을 통해 보정된 검출값으로 플랫폼의 각도를 구하는 처리부로 구성되며,
    상기 데이터 처리 프로세서는,
    상기 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 X-TBEC와, 상기 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 Y-TBEC, 및 상기 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 Z-TBEC를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 TBEC장치 블록 각각은
    상기 MEMS INS 기반 센서부의 센서 주변의 온도 변화를 검출하는 온도변화 검출부;
    상기 MEMS INS 기반 센서부가 탑재된 플랫폼의 동작을 검출하는 동작 검출부;
    시간과 온도에 따라 변화하는 MEMS INS 기반 센서부의 바이어스를 검출하는 바이어스 검출부;
    상기 온도변화 검출부와 바이어스 검출부에서 검출된 데이터를 참조하여 온도변화에 따른 바이어스를 계산하는 온도별 바이어스 추정부;
    상기 계산된 바이어스를 이용하여 실시간으로 상기 MEMS INS 기반 센서부의 검출값을 보정하는 실시간 바이어스 보정부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실시간 바이어스 보정부는
    지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출하기 위하여 상기 보정된 검출값을 상기 바이어스 검출부로 피드백하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 동작 검출부는 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 처리 프로세서는
    상기 MEMS INS 기반 센서부로부터의 검출값에 대해 스무딩 에러버지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering) 처리하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스무딩 에버러지는 하기 수식에 따라 계산되는
    Figure pat00008

    (여기에서, 상기 S는 스무딩된 자이로 센서값이고, 상기 n은 시간 인덱스이고, 상기 x는 원래의 자이로 센서값임)
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 거리 산출부는 걸음을 카운트하는 걸음 카운트부, 걸음폭을 산정하는 걸음폭 산정부 및 걸음방향을 계산하는 방향각 계산부를 포함하고,
    상기 거리 산출부는 4단계의 라이징-폴링 검출 기법에 기초한 상기 거리 산출부로부터의 결과값에 근거하여 거리(D=Nw×SF; 여기에서, Nw는 카운트값, SF: Scale Factor)를 산출하고 방향각을 계산(△Θ)하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 기압데이터 수집 및 동기화부는
    건설현장 측량원점인 기준국의 기압 데이터를 포함한 기상 데이터를 수집 저장하고, 고도데이터를 포함하는 기준국의 3D 기준좌표 데이터를 저장하는 기준국 기압데이터 및 3D좌표 수집부;
    상기 MEMS INS 기반 센서부의 기압 센서로부터 이동국인 작업자가 현재 위치하고 있는 위치의 기압 데이터를 수집하는 이동국 기압데이터 수집부; 및
    상기 기준국 기압데이터로부터의 현재 기압데이터와 3D 기준좌표 데이터로부터의 고도 데이터에 기초하여 현재기압에서의 기준고도 데이터를 산출하기 위한 기준고도 데이터 산출부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기준국의 고도 데이터와 기압 데이터는 DGPS(Differential GPS) 기준국이 전송하는 보정 신호에 기압데이터를 포함한 기상 데이터로부터 제공되거나, 건설현장마다 있는 기준측량점의 고도데이터 및 기준측량점의 기상장비로부터 제공되도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 기준고도 데이터 산출부는 기준고도 데이터(HRS)를 아래의 식 (1) 및 (2)를 이용하여 산출하는
    Figure pat00009
    (1)
    Figure pat00010
    (2)
    여기에서,
    Pn : 데이터 순열 n번째 기압 데이터(millibar)
    CP : 현재 기압(Current Pressure)(millibar)
    MSLP : 해수면 기압(mean-sea-level pressure)
    VI-GNSS 및 CCTV DB 게이트웨이용 현장서버시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절대고도 산출부는
    기준국으로부터 전송되어 온 현재의 기준국 기압 데이터(RSP)와 산출되는 상기 기준고도 데이터(HRS)에 기초하여 아래의 식 (3)을 이용하여 절대고도 데이터(Ha)를 산출하는
    Figure pat00011
    (3)
    여기에서,
    RSP : 기준국 기압 데이터(Reference Station Pressure)
    CP : 현재 기압(Current Pressure)
    HRS: 기준고도 데이터
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 현장중계 모듈은
    지하구조물 내의 내부 관제 대상으로부터 정보를 수집 중계하는 데이터 수집/중계부;
    상기 내부 관제 대상과 중앙 관제시스템 간의 정보교환을 위한 무선통신부; 및
    상기 데이터 수집/중계부에 수집된 데이터를 처리하고 중앙 관제시스템에서 확인가능한 정보로 생성하기 위한 프로그램 구동부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 데이터 수집/중계부는 관제 대상의 위치 및 상태정보와 CCTV 기반의 현장 모니터링 정보를 수집 저장하고, 상기 중앙 관제시스템으로부터 전송되는 데이터 및 음성통신정보를 관제 대상에 전송하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 데이터 수집/중계부는
    지하구조물 입구 주변의 현장 모니터링을 위하여 구비되는 CCTV 카메라부;
    상기 CCTV 카메라부의 영상정보를 저장하는 영상정보 저장부; 및
    상기 관제 대상의 데이터 및 음성정보를 저장하고 처리하는 서버부를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 데이터 수집/중계부는
    상기 CCTV 카메라부와 상기 무선통신부가 일체로 모듈화되어 구비되는 이동식 지주 또는 고정식 지주를 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 데이터 수집/중계부는
    지하구조물의 내부를 촬영하도록 지하구조물 내부에 설치되는 내부 촬영용 카메라부; 및
    상기 내부 촬영 카메라부에서 촬영된 영상 정보를 유선 또는 무선 전송하는 내부 영상정보 전송부를 더 포함하는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 소프트웨어 구동부는
    상기 관제 대상과 데이터 수집/중계부 사이에서 3차원 위치정보, 상태 정보를 포함하는 데이터를 50User 이상의 패킷데이터로 수신 및 저장처리하고, 저장된 패킷데이터와 함께 영상정보를 상기 중앙 관제시스템에서 활용가능한 형태의 정보로 가공하고 XML기반의 전송정보로 생성하도록 구성되는
    UBI-GIS 기술 기반의 지하구조물 건설현장 관제시스템.
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