KR20210010106A

KR20210010106A - 위치기반 공간방사선량 측정장치 및 측정방법

Info

Publication number: KR20210010106A
Application number: KR1020190087567A
Authority: KR
Inventors: 정진훈; 김용권; 배진형; 이상민; 신재섭
Original assignee: (주) 뉴케어; 한국전력기술 주식회사
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-27
Also published as: KR102291140B1

Abstract

본 발명에 따른 위치기반 공간방사선량 측정장치 및 방법은 방사선 측정 검출기와 위치측정 센서를 결합하여 작업자에게 휴대시키고 일상 업무를 수행하면서 본 발명에서 제안하는 장치로 수집된 위치별 방사선량을 데이터베이스화 하여 이를 근거로 3차원 공간방사선량 지도를 구축한다. 이렇게 구축된 공간방사선량 지도는 방사성 환경 종사자의 체계적이며 효울적인 안전관리, 개인피폭선량의 추적관리, 작업 시나리오별 예측 피폭량 산출, 비상대응시 최적 대피경로 파악 및 디지털 플랜트 사업의 중요 핵심 인자등 다양한 방면으로 활용 가능하다.

Description

위치기반 공간방사선량 측정장치 및 측정방법 {Apparatus and method for measuring radiation dose rate and corresponding position}

본 발명은 병원 및 원자력 발전소 등 방사선 공간에 노출된 종사자의 안전관리에 있어서 필수적인 작업 공간의 3차원 공간방사선량을 측정하는 장치 및 방법에 대한 것이며, 이를 토대로 구축된 데이터베이스를 활용하여 3차원 가상공간 상에 공간방사선량 지도를 구축하고 작업 시나리오별 피폭선량 예측 및 비상상황 발생시 최적 대피경로 파악 등에 이용하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 최근 화두인 디지털 플랜트 사업에 접목하여 방사선량 분포 예측 프로그램등의 검증 및 평가인자로 활용하기 위한 것이다.

본 발명에 필요한 기술은 크게 분류하여 방사선 측정 기술과, GPS (Global Positioning System)가 적용 불가능한 실내(Indoor)에서 위치를 파악하는 IPS (Indoor Positioning System) 기술로 나뉜다.

3차원 공간방사선량 지도를 구축하는 경우, 방사선원항별 공간선량의 분류를 하는 것이 향후 구축될 데이터베이스의 활용도가 증가하기 때문에 고에너지의 분해능을 담보하는 방사선 검출기를 활용하는것이 추천된다.

이때, 방사선 검출기는 엑스선, 감마선 및 중성자 등을 측정가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.

방사선 검출기의 종류로서는 섬광체와 광센서로 구성된 구조 또는 직접변환 방식의 반도체 등을 사용할 수 있다.

전자의 예로서는 NaI(Tl), LaBr3, CeBr3, SrI2 등 다양한 섬광체와 PMT (Photo-multiplier tube) 또는 SiPM 등의 광센서와 결합하여 검출기를 구성한다.

후자의 예로서는 CZT 반도체 검출기를 들수 있다.

중성자 검출이 추가적으로 필요한 경우에는 가스관 기반 검출기(예: He-3), 섬광체 기반 및 반도체기반 검출기등이 사용 가능하다.

또한, 실내 위치 추적 기술 (IPS, Indoor Positioning System)에 있어서는 매우 다양한 기술 및 방법이 이미 존재하고 있다.

주를 이루는 기술은 무선 기반의 다양한 장치를 이용한 분야로서 초음파, 적외선, Radio Frequency, 음파, 자기장, visible light 및 optics and vision 등이 독립적 또는 두개 이상의 기술이 결합된 하이브리드 형태로 사용된다.

그러나, 상기 기술한 기술들은 신호를 송/수신 하는 추가적 장치를 요구하는 경우가 대부분이며 이를 위해 추가적인 인프라 구조를 갖추어야 하는 문제점도 따른다.

원자력발전소 등은 이러한 무선 기법은 보안상의 이유로 사용이 불가하며, 또한 새로운 장치나 설비의 구축이 매우 제한적이다.

따라서, 무선 기반 기술은 배제되며 또한 추가적 장치/설비의 구축 또한 불가한 특성을 고려한 기술만이 사용되어져야 한다.

이를 만족하는 기술중 대표적인 것인 관성센서 (IMU, Inertial Measurement Unit)으로 명명되는 기술이 있으며, 이는 추가적 장치/설비 없이 독립적 (stand-alone)으로 운영이 가능한 기술이다.

단, 이 기술의 단점은 시간의 진행에 따라 오류가 축적되며 증가되는 “Error Propagation” 효과에 의해 위치추적의 신뢰도가 현저하게 떨어지는 단점을 가지고 있다.

이의 보정을 위한 다양한 알고리즘등이 이용되거나 BIM (Building Information Modeling) 등을 통해 확보가 가능한 정보(예: 건물의 평면도 등)를 이용하여 보정하는 방법도 널리 사용된다.

방사선 검출기 및 IPS 기술 자체는 이미 잘 정의되어 있고, 매우 다양한 기술과 방법들이 연구 또는 상용화되고 있으며, 본 발명에서는 이 두가지의 기술을 응용/융합하여 본 발명에서 추구하는 궁극적 목적인 3차원 위치별 공간방사선량 지도를 실현하는 기기 및 방법에 대한 것이며, 본 발명이 방사선 검출기 및 IPS 기술 자체를 발명으로 주장하는것이 아니므로 방사선 검출기 및 IPS 기술 자체에 대한 자세한 설명 및 이에 대한 선행기술문헌은 생략하기로 한다.

특허문헌 [1] KR 10-0404612 B1 (2003.11.05.공고)

비특허문헌 [1] "Pedestrian localization for indoor environments", Oliver J. Woodman, A dissertation for the degree of Ph.D., 2010. 비특허문헌 [2] "locateMe: magnetic-fields-based indoor localization using smartphone", K. P. Subbu, et. Al., ACM transactions on intelligent system and technology Vol4, No4, article 73. 2013. 비특허문헌 [3] "How feasible is the use of magnetic field along for indoor positioning?", Binghao Li, et. Al., International conference on indoor positioning and indoor navigation, 2012. 비특허문헌 [4] "ViNav: a vision-based indoor navigation system for smartphone", J Dong, et. Al., IEEE transactions on mobile computing. 2018 비특허문헌 [5] "3D indoor navigation: a framework of combining BIM with 3D GIS", L Yuan, et. Al., 44th ISOCARP congress 2008.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 방사성 환경에 노출된 작업자의 안전관리를 위해 매우 유용하게 사용될 수 있는 작업자의 공간에 대한 3차원 공간방사선량의 지도를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 시간이 지남에 따라 축적되는 데이터베이스에서 임의의 정보를 축출하고 이를 재반영하여 3차원 공간방사선량 및 위치 추적에 대한 신뢰도를 높이는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명에서 제안하는 장비의 기본임무인 개인의 피폭선량을 해당위치 및 시간별로 측정하는 것에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 측정장치는 방사선 검출기, IMU 기반 위치 추적기 및 신호처리/저장/통신 등을 위한 전자장치로 구성된다.

추가적으로 카메라, WiFi 또는 GPS 등이 장착되어 IMU 기반과 더불어 Hybrid 형태의 위치추적 시스템을 구현하여 신뢰도를 높일 수 있다.

또한 본 발명품은 작업자가 휴대가 가능하도록 소형/경량으로 구성되며 실시간 공간방사선량을 표시하는 display를 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 방사선 측정장치는, 핵종분석이 가능하여 방사선원항별 공간선량을 측정하여 데이터베이스의 활용도를 높이도록 고에너지 분해능의 검출기를 사용하며, 소형으로 구성되어야 하는 장치의 특성을 고려하여 반도체 기반의 광센서와 구축되는것이 바람직하다.

아울러, 본 발명에 따른 위치추적용 센서인 IMU (Inertial Measurement Unit)은 3차원 위치 추적 {x,y,z}이 가능한 센서로 구성되며, 이는 3쌍의 자이로스코르와 가속도계(accelerometer)로 구성되며, 추가적으로 자력계(magnetometer)가 포함된다.

이때, 자력계(magnetometer)는 지구회전에 따른 자기장 변화를 감지하여 위치 보정에 이용되는 것 이외에 실내의 특정지점에 특화된 자기장(즉 실내 구조물의 콘크리트나 철근등의 재료특성에 의해 독특(unique)하게 형성되는)을 측정하는 용도로도 사용된다.

이는 3차원 공간을 “magnetic fingerprint” 라 명명되는 지도로 구성하여 데이터베이스화하고 위치를 추적하는 정보로 활용 가능하다.

본 발명에 따른 신호처리/저장/통신을 위한 전자장치는 검출기와 IMU 에서 수집된 신호를 처리하고 저장하며, 최종적으로는 저장된 신호를 중앙통제소 또는 통합 컴퓨터에 전송하는 기능을 수행한다.

본 발명에 따른 기타 장치는 위치추적의 신뢰도를 높이기 위해 추가적/선택적으로 포함가능한 장치로서; 카메라는 vision-based positioning 또는 navigation을 가능하게 하는 기술에 사용되며, 이때 작업공간에 대한 3차원 vision scan DB가 구축되어 있어야 하는 전재조건이 있으며, 작업자의 위치에서 촬영한 주위 정보를 Vision scan DB와 비교하여 위치를 추적하는 방법이다.

WiFi 또는 GPS 등은 이런 기술적용이 가능한 환경에서 IMU의 정보와 연동하여 함께 병렬적으로 운용하여 위치추적의 신뢰도를 높이는데 사용한다.

기타 수단으로서는 3D BIM (Building Information Modeling)등의 활용이 가능한 경우 건물의 구조 및 평면도등을 보정인자로 활용하여 IMU 기반 위치정보 예측의 오류를 보정하는 것으로 사용 가능하다.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 본 발명에서 제안하는 방사선 측정 검출기와 위치측정 센서를 포함하는 기기를 착용한 복수의 작업자가 지도구축 계획에 의거하여 또는 일상 작업수행중 획득하는 데이터를 축적하여 데이터베이스화 하고 이를 바탕으로 해당 작업 공간에 대한 3차원 공간방사선량 지도를 구현한다.

이러한 3차원 공간방사선량의 지도가 구현되면, 방사성 환경 종사자의 안전관리가 체계적이며 효율적으로 이루어 지며, 개인피폭선량의 추적관리, 작업 시나리오별 예측 피폭량 산출, 비상대응시 최적 대피경로 파악 및 디지털 플랜트 사업의 중요 핵심 인자로 활용 가능하다.

또한, DB가 시간의 경과에 따라 축적/업데이트됨에 따른 부수적 효과로서 위치추적의 인자로 사용가능한 visual scan map 또는 magnetic map 등의 업데이트를 통해 위치추적의 신뢰도를 향상시킬수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 공간방사선량 지도를 구현하는 방법에 대한 흐름도를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 위치기반 공간방사선량 측정기기 및 측정방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 3차원 공간방사선량 지도를 구하는 방법은, 방사선 검출기(20)와 IMU 기반 위치센서(21)로 구성된 장치를 작업자가 휴대하고 각 작업별 시나리오에 따른 동선을 움직일때 각각의 위치에서의 공간방사선량을 해당 위치정보와 함께 수집한다.

이때 n개의 위치에 대해서 측정데이터(10)가 수집되며 각각의 측정데이터는 위치정보{x,y,z}와 그에 상응하는 공간방사선량의 정보 rad{x,y,z}를 포함하고 있다.

이때 방사선 검출기(20)으로 수집되는 정보는 엑스선, 감마선 또는 중성자로 구분될 수 있으며, 핵종별 공간선량이 계산된다(30).

IMU 에서 수집된 센서의 정보는 위치예측(31)을 통해 작업자의 위치가 예측되며, 위치예측(31)은 IMU 의 계산오류를 보정하는 필터(filter) 등 다양한 알고리즘이 적용된다 [비특허문헌1].

만약 IMU기반 위치예측에 추가적인 보완 또는 보정 인자로 사용될 수 있는 정보가 존재하는 경우에는 이를 고려하여 위치예측의 신뢰도를 높일 수 있다. 예를 들면, 건물내에서는 콘크리트 구조물이나 철근 구조물의 영항으로 자기장이 변화하면서 각 위치별 매우 구별되는 (unique) 패턴을 나타나게 되는데 이를 이용하여 IMU 기반의 위치추적 방법의 보정인자로 사용되는 연구가 진행되었다 [비특허문헌2,3]

따라서, IMU에 포함된 자력계를 이용하여 작업자가 움직이는 동선에 따른 위치별 자기장을 수집하여 3차원 자기장 지문 (3D magnetic fingerprint)의 DB를 구축하면 (130), 이를 역으로 이용하여 위치예측(31)의 신뢰도를 높일 수 있다.

또는, 3D 공간을 360도 카메라로 스캔하여 3D visual scan DB(131)을 확보하고 있는 경우에는 작업자가 위치한 현장의 주위 사진을 찍어서 DB(131)과 비교함으로서 위치를 예측할 수도 있다 [비특허문헌4].

또는, BIM (building information modeling)을 통해 건물의 내부 구조 또는 평면도 등의 접근이 가능한 경우, 이러한 정보를 이용하여 IMU 의 오류를 보완하는 방법은 매우 널리 사용되고 있다[비특허문헌1,5].

따라서, 3D BIM (140)이 존재하는 경우 이를 이용하여 위치예측(31)에 활용하여 위치예측의 신뢰도를 높인다.

또다른 방안으로, 대부분의 경우 무선 기반의 기술 또는 GPS (122)는 원자력발전소 환경에서 잘 사용되지는 않치만, 만약 이러한 기술의 활용이 가능한 경우에는, 이를 이용하여 위치예측의 신뢰도를 높이는 방법은 타당하다.

도 1에서 예시한 선택적 기술(110)은 위치예측의 신뢰도를 높이는 방안으로 제안되는 것이며, 이러한 기술이 존재하지 않는 경우에도 IMU 위치센서(21)와 예측알고리즘 (31)만으로도 위치예측이 가능함은 당연하다.

이렇게 수집되고 계산된 위치정보와 그에 대응하는 공간방사선량은 데이터베이스(40)에 저장되며, 복수의 작업자가 시간상으로 누적하여 수집된 자료와 함께 데이터베이스(40)은 업그레이드 되는 것이다.

최종적으로 데이터베이스(40)의 정보를 취합하여 작업 공간내에서의 3차원 공간방사선량 지도를 완성하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 작업자에 의한 측정 20 : 방사선 검출기
21 : IMU 기반 위치센서 30 : 공간선량 계산
31 : 위치 예측 알고리즘 40 : 데이터베이스
50 : 공간선량 3D 지도 구현 110 : 선택적 프로세스
120 : 자기장 측정 센서 121 : 카메라
122 : GPS 및 기타센서 130 : 3차원 자기장 DB
131 : 3차원 vision scan DB 140 : 3D BIM DB

Claims

방사선 측정 검출기; 및
3차원 위치정보를 제공하는 위치측정 센서; 및
상기 방사선 측정 검출기와 위치측정 센서에서 측정된 측정 정보를 처리/저장/디스플레이/통신하는 전자장치를 포함하고,
3차원 공간방사선량 지도를 구현하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 방사선 측정 검출기는 엑스선 및 감마선을 측정하고, 섬광체 기반 또는 반도체 기반의 센서로 이루어지며, 핵종분석이 가능한 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 2에 있어서,
상기 방사선 측정 검출기는 중성자도 포함하여 측정하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 위치측정 센서는 3차원 관성측정기기(IMU, Inertial Measurement Unit)를 기반하는 센서로 움직임을 감지하여 상대적 좌표에서의 보행자의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 위치측정 센서는 무선기반의 송/수신 장치로 이루어지며, 위치 측정 공간 내에 설치된 유/무선 기반의 송/수신 장치와 연동되어 본 장비를 착용한 보행자의 공간상 상대적 위치정보를 파악하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 위치측정 센서는 카메라를 이용하여 수집된 주위정보를 바탕으로 이미 구축된 3차원 공간 visual scan 정보와 연동하여 상기 측정장치를 착용한 보행자의 공간상 상대적 위치정보를 파악하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 1에 있어서,
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 청구항에 따른 측정장치를 착용한 복수의 작업자가 작업구역에서 지도구축 계획에 의거하거나 일상적 업무를 수행하면 수집하는 위치 및 방사선량 정보를 예측하여 데이터베이스화하고 이를 토대로 3차원 공간방사선량 지도를 구현하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 7에 있어서,
위치예측은 IMU에 기반한 위치정보를 바탕으로 하며, 이의 보완을 위해 알고리즘 등을 적용하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 7에 있어서,
위치예측은 IMU에 기반한 위치정보를 바탕으로 하며, 이의 보완을 위해 BIM (Building Information Modeling)을 통한 건물의 구조 또는 평면도를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
청구항 4에 있어서,
상기 3차원 관성측정기기(IMU)를 기반하는 센서 magnetometer를 포함하며, 이를 이용하여 건물내 위치별 자기장(geomagnetic)을 파악하고, 이것을 DB화 하여 위치예측 보완적 수단으로 사용하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정장치.
작업자가 휴대하고 작업별 시나리오에 따른 동선을 움직일 때 각각의 위치에서의 공간방사선량을 해당 위치정보와 함께 수집하기 위한 위치기반 공간방사선량 측정 방법으로서,
방사선 측정 검출기에서 방사선 관리 구역의 방사선량을 측정하여 핵종별 공간선량을 계산하는 제1단계;
3쌍의 자이로스코프(Gyroscope)와 가속도계(accelerometer)가 포함된 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어진 위치추적 센서에서 작업자의 위치를 추적하여 위치정보를 수집하는 제2단계; 및
상기 제1단계에서 계산된 공간방사선량 및 상기 제2단계에서 수집된 위치정보를 전자장치에서 처리하고 저장한 다음, 저장된 정보를 중앙통제소로 무선통신 방식으로 전달하는 제3단계;를 포함하고,
복수의 작업자가 일상 작업을 하는 중 상기 제1단계 내지 제3단계가 수행됨으로써, 작업자의 작업 이동 동선에 따른 공간방사선량에 대한 데이터베이스가 축적되어 해당 작업 공간에 대한 3차원 공간방사선량에 대한 지도가 구축되는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제2단계에서 위치추적 센서는 자력계(magnetometer)를 더 포함하여 실내 구조물의 콘크리트나 철근 등의 재료 특성에 따라 독특하게 형성되는 자기장을 작업자가 이동하는 동선에 따른 위치별로 수집하여 3차원 자기장 지문(3D magnetic fingerprint)의 데이터베이스를 구축하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제2단계에서 위치추적 센서는 카메라를 더 포함하고, 상기 카메라로 실내 공간을 360° 스캔한 다음, 미리 확보된 3D visual scan DB와 비교하여 작업자의 위치를 예측하는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제2단계에서 위치추적 센서에 의해 파악된 위치정보는 3D BIM(Building Information Modeling)을 통한 건물의 내부 구조 또는 평면도를 이용하여 보정되는 것을 특징으로 하는 위치기반 공간방사선량 측정방법.