KR20210026033A - 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템 - Google Patents

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정형조
홍정욱
차상률
박재찬
이상민
고권환
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템은 충돌 감지부와 통합 관리부를 포함한다. 충돌 감지부는 수중 터널로 접근하는 외부 물체를 감지하고, 외부 물체의 정보를 측정한다. 통합 관리부는 충돌 감지부에서 측정된 외부 물체의 정보를 이용하여 외부 물체의 충격량과 경로를 산출하는 데이터 처리부 및, 데이터 처리부에서 산출된 외부 물체의 충격량과 경로를 기준으로 수중 터널의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함한다.

Description

수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템{The external collision monitoring system of a submerged floating tunnel}
본 발명은 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수중 터널에 접근하는 외부 물체를 감지하고 외부 물체와의 충돌로 인한 수중 터널의 안전성을 예측하여 후속조치를 취할 수 있는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수중 구조물은 바다, 강, 호수 등 수면(水面)과 바닥면 사이(수중)에 설치된 구조물을 총칭한다. 그 중 수중 터널은 지반 속에 설치되는 침매(沈埋) 터널(Immersed Tunnel)과 달리 지반에 고정된 앵커(anchor)와 연결된 계류선의 장력에 의해 수중에 존재하는 터널을 의미한다. 도 1은 부유식 수중 터널의 개념도이다. 이러한 수중 터널은 기본적으로 침매 터널에 비해 건설 기간 및 비용을 줄일 수 있고, 지반의 영향이 적어 건설이 비교적 용이하다.
하지만, 수중 터널은 수중에 설치되어 있는 구조물이므로 조류(潮流) 또는 파랑에 노출되어 있을 뿐 아니라, 선박이나 잠수함 등의 충돌, 침몰 선박이나 선박의 닻에 의한 충격 등과도 노출되어 있다. 이는 수중 터널 및 수중 터널을 이용하는 사용자에 손상 및 피해를 유발할 수 있으므로, 수중 터널과 외부 물체의 충돌 등에 대한 고려가 불가피하다고 볼 수 있다.
종래에 선박과 외부 물체의 충돌, 교각과 선박의 충돌 등 수중 환경에 노출되어 있는 구조물의 충돌에 관한 연구는 다양하게 이루어 졌으나, 수중 터널과 외부 물체의 충돌에 관한 연구는 미흡하며, 특히 수중 터널에 접근하는 외부 물체를 조기에 감지하고 예방하는 연구는 미미한 편이다.
종래 발명으로, 수중 터널로 근접하는 수중이동체의 근접을 감지한 후, 이를 토대로 충격흡수장치가 수중이동체의 충돌위치로 미리 이동하여 충돌로 인한 충격을 흡수함으로써, 수중 터널의 손상을 최소화할 수 있는 수중 터널 충돌 충격 흡수 시스템에 관한 발명이 존재하나, 이는 구조물을 설치하는데 있어 추가적인 하중에 대한 구조적인 고려가 필요하고, 외부 물체의 충돌 가능성이나 충돌로 인한 수중 터널의 안전성을 파악할 수 있는 구체적인 방안이 마련되어 있지 않다.
또한, 수중 환경에서 소나(sonar)를 활용하여 외부에서 접근하는 물체를 감지하는 시스템은 항만 방어 시스템이나 선박의 전방 감지 시스템과 같이 종래에 개발되었던 사례가 있으나, 수중 터널의 특성을 반영한 소나의 활용에 대한 사례는 존재하지 않아 이에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-0973090호 (공고일자 2010년 07월 30일) 대한민국 등록특허 제10-1459021호 (공고일자 2014년 11월 07일)
본 발명의 목적은 수중 터널에 접근하는 외부 물체를 감지하여 외부 물체의 종류 및 특성을 파악하고, 수중 터널과 외부 물체의 충돌 사전 감지 및 충돌로 인한 수중 터널의 안전성을 평가할 수 있는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템은 충돌 감지부와 통합 관리부를 포함한다. 충돌 감지부는 수중 터널로 접근하는 외부 물체를 감지하고, 외부 물체의 정보를 측정한다. 통합 관리부는 충돌 감지부에서 측정된 외부 물체의 정보를 이용하여 외부 물체의 충격량과 경로를 산출하는 데이터 처리부 및, 데이터 처리부에서 산출된 외부 물체의 충격량과 경로를 기준으로 수중 터널의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함한다.
일 실시 예에 의하면, 충돌 감지부는 소나 모듈(sonar module)을 포함하고, 소나 모듈은 수중 터널의 외면에 배치되고, 외부 물체를 감지한다.
일 실시 예에 의하면, 소나 모듈은 한 개의 제1 소나 센서와 두 개의 제2 소나 센서를 포함하고, 제1 소나 센서는 두 개의 제2 소나 센서 사이에 배치된다.
일 실시 예에 의하면, 소나 모듈에서 제1 소나 센서와 제2 소나 센서 사이의 거리는 일정하다.
일 실시 예에 의하면, 소나 모듈은 수중 터널의 길이 방향을 따라 복수로 배치되고, 복수의 소나 모듈 각각은 서로 소정의 간격으로 배치된다.
일 실시 예에 의하면, 외부 물체의 정보는 외부 물체의 형상, 부피, 경도, 방향, 거리 또는 속도 중 어느 하나를 포함한다.
일 실시 예에 의하면, 외부 물체의 충격량은 외부 물체 충격량 추정 알고리즘을 이용하여 산출되고, 외부 물체의 경로는 외부 물체 경로 추적 알고리즘을 이용하여 산출된다.
일 실시 예에 의하면, 안전성 평가부의 수중 터널의 안전성을 평가하기 위한 기준 단계는 수중 터널과 외부 물체가 충돌하는 수치해석을 통한 시뮬레이션을 이용하여 설정된다.
일 실시 예에 의하면, 기준 단계는 수중 터널의 안전성에 따라 위험 단계, 경보 단계, 주의 단계, 관심 단계 및 안전 단계를 포함한다.
일 실시 예에 의하면, 수치해석을 통한 시뮬레이션은 수중 터널과 외부 물체의 수치해석을 위한 모델링과 접촉 알고리즘을 포함한다.
일 실시 예에 의하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템은 안전성 평가부와 연계되는 경보 작동부를 더 포함한다. 경보 작동부는 기준 단계를 구성하는 각 단계별로, 각 단계에 맞는 경보를 작동한다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템은, 수중 터널에 접근하는 외부 물체를 감지할 수 있고, 외부 물체의 종류 및 특성을 파악할 수 있다.
또한, 수중 터널과 외부 물체의 충돌을 감지할 수 있다.
또한, 수중 터널에 접근하는 외부 물체의 충격량 및 외부 물체의 경로를 추적할 수 있다.
또한, 수중 터널과 외부 물체의 충돌로 인한 수중 터널의 안전성을 평가할 수 있다.
또한, 수중 터널의 안전성에 따라 경보를 작동할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 부유식 수중 터널의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 충돌 감지부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소나 모듈의 탐지 영역을 나타내는 도면이다.
도 5는 수치해석을 위한 수중 터널과 외부 물체의 모델링 도면이다.
도 6은 수중 터널과 외부 물체의 충돌을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템(10)에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템(10)은 충돌 감지부, 통합 관리부 및 경보 작동부를 포함한다.
충돌 감지부는 수중 터널(200)로 접근하는 외부 물체(100)를 감지할 수 있고, 외부 물체(100)와 관련된 정보(형상, 부피, 경도(硬度, hardness), 방향, 거리 및 속도 등)를 측정할 수 있다.
통합 관리부는 외부 물체(100)와 관련된 정보로부터 외부 물체(100)의 충격량을 추정할 수 있고, 외부 물체(100)의 경로를 추적할 수 있다. 또한, 통합 관리부는 충격량 추정 데이터, 경로 추적 데이터 및 수중 터널 충돌 수치해석을 이용하여 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌로 인한 수중 터널(200)의 (구조적) 안전성을 단계별로 평가할 수 있다.
경보 작동부는 단계별로 평가된 수중 터널(200)의 안전성에 따라, 각 단계에 맞는 조치를 취하도록 정할 수 있고, 이를 실행함으로써 수중 터널(200)을 이용하는 사용자의 안전을 조기에 확보할 수 있다.
이하에서 각 구성요소를 구체적으로 설명하도록 한다.
<충돌 감지부>
도 3은 도 2의 충돌 감지부를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 충돌 감지부는 수중 터널(200)로 접근하는 외부 물체(100)를 감지할 수 있고, 외부 물체(100)와 관련된 정보(예를 들어, 형상, 부피, 경도(硬度, hardness), 방향, 거리 및 속도 등)를 측정할 수 있다.
충돌 감지부는 소나 모듈(300)(sonar module)을 포함한다. 소나 모듈(300)은 수중 터널(200)의 외면에 배치되고, 수중 터널(200)로 접근하는 외부 물체(100)를 감지할 수 있다.
소나 모듈(300)은 제1 소나 센서(310)(sonar sensor)와 제2 소나 센서(330)로 구성된다. 구체적으로 소나 모듈(300)은 한 개의 제1 소나 센서(310)와 두 개의 제2 소나 센서(330)를 포함한다.
소나 모듈(300)을 구성하는 제1 소나 센서(310)와 제2 소나 센서(330)는 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)를 감지할 수 있으며, 소나(sonar) 원리를 이용한 장치이다.
제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)는 음파를 이용하여 수중에 존재하는 외부 물체(100)(목표물)의 방위 및 거리 등을 측정할 수 있다.
제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)에서 활용되는 음파는 초속 약 1,500m 인 파동으로서, 수중에서 전달이 잘 이루어진다. 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)는 목적 및 용도에 따라 여러 가지 형태의 소나(sonar)들을 활용할 수 있다.
일반적으로 소나(sonar)는 크게 스스로 음파를 송신하고 물체(목표물)에서 반사된 음파를 수신하여 물체(목표물)의 정보를 탐지하는 능동 소나(active sonar)와 물체(목표물)가 방사하고 있는 음파를 수신하여 물체(목표물)의 정보를 탐지하는 수동 소나(passive sonar)가 있다.
소나 모듈(300)을 구성하는 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)가 배치되는 수중 터널(200)의 경우에는 철도 또는 도로의 목적으로 활용되므로 수중 터널(200) 자체가 만들어내는 소음 및 진동의 영향으로 수동 소나 보다는 능동 소나가 적합할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 외부 물체(100)의 감지를 위하여 음파를 송신하여 외부 물체(100)에 대한 정보(데이터)를 얻을 수 있는 능동 소나를 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)로 활용할 수 있다.
능동 소나는 음파의 송수신 트랜스듀서(transducer)가 하나인 단일빔(single beam) 능동 소나와 정교한 음파를 송수신하기 위해 다양한 트랜스듀서로 이루어진 다중빔(multi beam) 능동 소나가 있다.
단일빔 능동 소나는 하나의 빔에서 생성되는 음파를 이용하므로 물체(목표물)에 대한 정보 처리가 간단하나, 물체(목표물)의 부피나 형상과 같은 구체적인 정보(데이터)를 얻는 데는 한계가 있다. 이와 달리 다중빔 능동 소나는 정교한 데이터 처리와 계산이 필요하나 물체(목표물)에 대한 다양한 정보를 수신하여 물체(목표물)의 부피나 형상과 같은 구체적인 정보(데이터)를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 수중 터널(200)과 같은 구조물의 안전성을 평가하기 위하여 외부 물체(100)의 부피, 형상, 이동경로 등과 같은 다양한 정보(데이터)가 필요하므로, 다중빔 능동 소나를 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)로 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)로 사용될 수 있는 다중빔 능동 소나를 다음과 같이 설정할 수 있다.
일반적으로 음파는 주파수가 높을수록 작고 정밀한 물체(목표물)에서도 잘 반사되므로 물체(목표물)의 구체적인 정보를 얻는데 용이하지만 전파되는 거리는 짧다. 또한, 트랜스듀서가 물체(목표물)에서 반사된 음파를 파악하기 위해서는 음파의 세기가 고려되어야 한다.
본 발명의 실시 예에 따라 적절한 세기와 주파수를 가진 음파를 송수신할 수 있는 트랜스듀서의 설계가 필요하고, 이러한 점을 고려하여 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)를 아래 표 1과 같이 설정할 수 있다. 다만, 표 1에 나타낸 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)의 제원(성능)은 일 실시 예이며, 실시 예에 따라 다양한 제원(성능)을 가진 센서가 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소나 모듈의 탐지 영역을 나타내는 도면이다. 도 4에 표시된 수치는 표 1에 나타낸 소나 센서의 제원이다. 공간의 한 점에서 서로 직교하는 세 수직선을 각각 x축, y축, z축이라 하고 x축, y축, z축을 이용하여 수중 터널(200)의 방향을 설명하면, 수중 터널(200)의 길이 방향을 x축 방향, 수중 터널(200)의 가로 방향(폭 방향)을 y축 방향, 수중 터널(200)의 세로 방향(높이 방향)을 z축 방향이라 할 수 있다. 도 4의 (a)는 수중 터널(200)을 y축 방향과 z축 방향으로 표시한 것이고, (b)는 수중 터널(200)을 x축 방향과 y축 방향으로 표시한 것이다.
제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)의 제원
주요 제원(성능) 제1 소나 센서(310) 제2 소나 센서(330)
송수신 주파수 50 kHz 50 kHz
최대 탐지 거리 1 km 1 km
송수신 음파 최대 세기 170 dB 170 dB
최대 탐지 각도
(가로 방향)		 180ㅀ 180ㅀ
최대 탐지 각도
(세로 방향)		 180ㅀ 150ㅀ
소나 모듈(300)은 한 개의 제1 소나 센서(310)와 두 개의 제2 소나 센서(330)를 포함한다. 여기서 제1 소나 센서(310)는 두 개의 제2 소나 센서(330) 사이에 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따라, 소나 모듈(300)에서 제1 소나 센서(310)와 제2 소나 센서(330) 사이의 거리는 일정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 소나 모듈(300)에서 제1 소나 센서(310)와, 제1 소나 센서(310)와 인접하여 배치되는 두 개의 제2 소나 센서(330)를 연결하는 선은 수중 터널(200)의 길이 방향(x축 방향)의 선과 직교할 수 있다. 구체적으로 소나 모듈(300)에서 제1 소나 센서(310)와, 제1 소나 센서(310)와 인접하여 배치되는 두 개의 제2 소나 센서(330)를 연결하는 선이 직선이든 최단거리의 곡선이든 수중 터널(200)의 길이 방향(x축 방향)의 선과 직교할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 소나 모듈(300)에서 제1 소나 센서(310)는 수중 터널(200)의 외면에 어디든 배치될 수 있고, 상기 제1 소나 센서(310)를 기준으로 제1 소나 센서(310)와 인접하여 배치되는 두 개의 제2 소나 센서(330)는 각각 제1 소나 센서(310)와 동일한 거리에 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 소나 모듈(300)에서 제1 소나 센서(310)는 수중 터널(200)의 외면 상부에 배치되어 있고, 제1 소나 센서(310)와 인접한 두 개의 제2 소나 센서(330)는 수중 터널(200)의 양 측면에 배치되어 있지만, 이는 일 실시 예이다.
소나 모듈(300)은 수중 터널(200)에 복수로 배치될 수 있다. 구체적으로 소나 모듈(300)은 수중 터널(200)의 길이 방향을 따라 복수로 배치될 수 있다.
복수의 소나 모듈(300) 각각은 서로 소정의 간격(L)으로 배치될 수 있다. 구체적으로 복수의 소나 모듈(300)은 수중 터널(200)의 길이 방향을 따라 일정한 간격(L)으로 배치될 수 있다.
도 4 및 표 1을 참조하면, 수중 터널(200)의 외면에 배치된 제1 소나 센서(310)는 가로 방향과 세로 방향으로 탐지 각도가 각각 180ㅀ 인 반구 형상을 형성하여 외부 물체(100)를 탐지할 수 있으며, 제2 소나 센서(330)는 가로 방향으로 탐지 각도가 180ㅀ, 세로 방향으로 탐지 각도가 150ㅀ인 반구 형상을 형성하여 외부 물체(100)를 탐지할 수 있다. 여기서 제2 소나 센서(330)의 세로 방향 탐지각도 150ㅀ는 계류선의 각도를 고려한 것으로 본 발명의 실시 예에 따라 달리 정할 수 있다.
충돌 감지부는 외부에서 접근하는 외부 물체(100)의 거리와 방위에 따라 복수의 소나 모듈(300)을 이용하여 외부 물체(100)의 정보를 확인(탐지)할 수 있으며, 확인된 외부 물체(100)의 정보를 종합하여 외부 물체(100)의 전체적인 정보를 추정할 수 있다. 여기서 외부 물체(100)의 전체적인 정보는 외부 물체(100)의 형상, 부피, 경도(硬度, hardness), 이동 방향, 거리 및 이동 속도 등을 포함한다.
충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)에 대한 정보는 통합 관리부에서 처리된다.
<통합 관리부>
통합 관리부는 충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)에 대한 정보(데이터)를 처리하여 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌로 인한 수중터널의 안전성을 평가할 수 있다.
통합 관리부는 데이터 처리부 및 안전성 평가부를 포함한다.
데이터 처리부는 충돌 감지부로부터 얻는 외부 물체(100)의 정보를 처리할 수 있다. 충돌 감지부는 수중 터널(200)로 접근하는 외부 물체(100)를 감지하고 외부 물체(100)와 관련된 정보를 측정하며, 데이터 처리부는 상기 외부 물체(100)와 관련된 정보를 이용하여 외부 물체(100)의 충격량을 산출할 수 있고, 외부 물체(100)의 경로를 추적(산출)할 수 있다.
데이터 처리부는 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌로 인한 충돌 안전성을 평가하기 위하여, 외부 물체 충격량 추정 알고리즘과 외부 물체 경로 추적 알고리즘을 포함할 수 있다.
외부 물체 충격량 추정 알고리즘은 충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)에 대한 정보를 이용하여 외부 물체(100)의 충격량을 추정(산출)할 수 있다.
외부 물체 충격량 추정 알고리즘은 충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)의 부피, 형상, 속도 및 송신 음파와 수신 음파 사이의 반사 효율을 통해 외부 물체(100)를 식별하여 외부 물체(100)의 밀도를 산출하고, 산출된 외부 물체(100)의 밀도와 측정된 외부 물체(100)의 부피를 이용하여 외부 물체(100)의 질량을 추정하고, 추정된 외부 물체(100)의 질량과 측정된 외부 물체(100)의 속도를 이용하여 외부 물체(100)의 충격량을 산출할 수 있다. 다시 말해, 외부 물체(100)의 부피는 충돌 감지부에서 복수의 소나 센서를 이용하여 산정할 수 있고, 딥러닝 기반의 외부 물체 식별 알고리즘(접근 패턴, 속도, 부피, 반사효율 등)을 이용하여 식별한 외부 물체(100)의 밀도를 추정할 수 있다. 그리고 외부 물체(100)의 부피와 밀도를 이용하여 외부 물체(100)의 질량을 추정할 수 있다.
외부 물체 경로 추적 알고리즘은 충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)에 대한 정보를 이용하여 외부 물체(100)의 이동 경로를 추적(산출)할 수 있다.
외부 물체 경로 추적 알고리즘은 충돌 감지부에 의해 얻은 외부 물체(100)의 크기, 부피, 방위, 거리, 속도 등을 통해 수중 터널(200)로 접근하는 외부 물체(100)의 이동 경로를 실시간으로 추적할 수 있다. 외부 물체(100)의 경로는 충돌 감지부의 소나 모듈(300)을 구성하는 제1 소나 센서(310) 및 제2 소나 센서(330)를 이용함으로써 추적할 수 있다.
안전성 평가부는 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌로 인한 수중 터널(200)의 안전성을 평가할 수 있다. 구체적으로 안전성 평가부는 데이터 처리부에서 산출된 외부 물체(100)의 충격량과 경로를 기준으로 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)로 인한 수중 터널(200)의 안전성을 평가할 수 있다.
수중 터널(200)의 안전성을 평가하기 위하여 기준 단계를 설정할 수 있다. 수중 터널(200)의 안전성을 평가하기 위한 기준 단계는 수중 터널(200)과 외부 물체(100)가 충돌하는 수치해석을 통한 시뮬레이션을 이용하여 설정될 수 있다. 수중 구조물에 작용하는 외부 물체(100)의 충격력을 산정하는 것은 실제 실험을 통해서는 산정하기 어려우므로 수치해석적인 접근으로 추정할 수 있다. 외부 물체(100)와 수중 구조물 간의 충돌 해석의 경우, 거동 평가 시 외부 물체(100)와 수중 구조물 간의 정확한 에너지의 소산능력평가가 가장 중요하다.
수중 터널(200)과 외부 물체(100)가 충돌하는 수치해석을 통한 시뮬레이션을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 5는 수치해석을 위한 수중 터널과 외부 물체의 모델링 도면이고, 도 6은 수중 터널과 외부 물체의 충돌을 나타내는 시뮬레이션 도면이다. 도 5의 (a)는 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 모델링 도면이고, (b)는 수중 터널(200)에 계류선을 구현한 도면이다. 도 6의 (a)는 수중 터널(200)과 외부 물체(100)가 충돌한 경우를 나타내는 시뮬레이션 도면이고, (b)는 충격량을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 수중 터널(200)과 외부 물체(100)를 다음과 같이 모델링 하였다. 수중 터널(200)의 단면은 수리학적으로 유리한 원형 단면으로, 외부 물체(100)는 구형으로 가정하였다. 수중 터널(200)은 유한 요소(Finite element) 솔리드(Solid) 요소를 이용하여 소성 영역 응답까지 확인할 수 있는 재료로 모델링 하였으며, 외부 물체(100)는 파괴가 일어나지 않는 강체(Rigid Body)로 가정하였다. 수중 터널(200)은 부력이 무게보다 크도록 부력-자중비(BWR)를 조절하였으며, 수중 터널(200)의 단면 양단 경계를 고정하였고, 트러스(Truss) 요소를 이용하여 계류선을 구현하여 수중에 고정하였다. 수중 터널(200)의 수치해석을 구성하는 각 절점의 좌표를 기준으로 수중 터널(200)의 외면에 수직하게 작용하는 정수압을 계산하여 작용하도록 하였다. 정수압은 밀도와 중력이 일정한 상황에서 높이의 함수로 표현 가능하며, 수심의 차이로 인해 부력이 발휘된다.
수중 터널(200)과 외부 물체(100)는 접촉 알고리즘을 이용하여 도 6과 같이 충돌 수치해석을 수행할 수 있으며, 충격량, 에너지 및 파괴 응력 등을 계산할 수 있다. 수치해석을 통해 계산된 결과를 토대로 수중 터널(200)의 (구조적) 안전성을 평가할 수 있다. 수중 터널(200)의 (구조적) 안전성을 평가하기 위해 기준 단계를 설정할 수 있다.
기준 단계는 수중 터널(200)의 (구조적) 안전성에 따라 위험 단계, 경보 단계, 주의 단계, 관심 단계 및 안전 단계로 설정될 수 있고, 데이터 처리부에서 산출된 데이터를 분석하여 각 단계에 맞는 상황을 선정함으로써 외부 물체(100)와의 충돌에 따른 수중 터널(200)의 (구조적) 안전성을 평가할 수 있다.
기준 단계에서 안전 단계는 수중 터널(200) 주위에 외부 물체(100)가 감지되지 않는 단계를 의미하고, 관심 단계는 수중 터널(200) 주위에 외부 물체(100)가 감지되나 충돌 가능성이 매우 낮은 단계를 의미하고, 주의 단계는 수중 터널(200) 주위에 외부 물체(100)가 감지되며 충돌 가능성이 존재하지만 수중 터널(200)에는 구조적 영향이 없는 단계를 의미하고, 경보 단계는 외부 물체(100)의 충돌로 수중 터널(200)의 구조적 변형이 발생하고 이로 인한 인명 피해가 예상되는 단계를 의미하고, 위험 단계는 외부 물체(100)의 충돌로 수중 터널(200)의 파괴가 발생되는 등 심각한 피해가 예상되는 단계를 의미하는 것으로 설정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 수중 터널(200)과 외부 물체(100)가 충돌하는 수치해석을 통한 시뮬레이션을 이용하여 수중 터널(200)의 안전성을 평가하기 위한 기준 단계를 설정할 수 있다. 그리고 이를 토대로 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)가 존재할 경우에 데이터 처리부에서 얻은 데이터와 안전성 평가부의 기준 단계를 비교함으로써 수중 터널(200)의 안전성을 각 단계별로 평가할 수 있고, 하기에서 설명하는 경보 작동부를 통해 각 단계에 맞는 조치를 취할 수 있다.
<경보 작동부>
경보 작동부는 통합 관리부의 안전성 평가부와 연계될 수 있다.
경보 작동부는 안전성 평가부와 연계되어 안전성 평가부의 기준 단계를 구성하는 각 단계별로 경보를 작동할 수 있다. 구체적으로 경보 작동부는 안전성 평가부와 연계되어 안전성 평가부의 기준 단계를 구성하는 각 단계별로 각 단계에 맞는 조치를 취하도록 정할 수 있고, 이를 실행하여 사용자의 안전을 확보할 수 있다.
안전성 평가부의 기준 단계를 구성하는 각각의 단계에 맞는 경보 작동부의 조치는 다음과 같이 정할 수 있다. 이는 기준 단계에 적합한 안전대책 경보 시나리오를 나타내는 일 실시 예이다.
기준 단계에서 안전 단계일 경우에는 수중 터널(200)을 이용하는 것이 안전하므로 수중 터널(200)을 정상적으로 사용하고, 사용자가 '안전 단계'를 인지하도록 관련 정보를 도로 또는 철로 전광판이나 열차 내에 안내할 수 있다.
관심 단계일 경우에는 수중 터널(200)을 정상적으로 사용하고, 사용자가 '관심 단계'를 인지하도록 관련 정보를 도로 또는 철로 전광판이나 열차 내에 안내할 수 있다. 통합 관리부에서는 지속적으로 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)에 대한 정보를 파악한다.
주의 단계일 경우에는 수중 터널(200)의 사용을 중지하고, 사용자가 '주의 단계'를 인지하도록 관련 정보를 도로 또는 철로 전광판이나 열차 내에 안내한다. 또한, 예상되는 충돌지점에 존재하는 차량 또는 열차를 대피시키고, 충돌 발생 위험이 없을 때까지 차량 또는 열차의 운행을 중지한다.
경보 단계일 경우에는 충돌로 인한 수중 터널(200)의 구조적 피해와 인적 피해가 예상되므로 수중 터널(200)의 사용을 중지하고, 사용자가 '경보 단계'를 인지하도록 관련 정보를 도로 또는 철로 전광판이나 열차 내에 안내한다. 또한, 예상되는 충돌지점에 존재하는 차량 또는 열차를 대피시키고, 수중 터널(200)의 구조적 변형이 발생할 곳을 봉쇄하고 기타 대처 방안을 실행한다.
위험 단계일 경우에는 충돌로 인한 수중 터널(200)의 큰 파괴 등 심각한 피해가 예상되므로 수중 터널(200)의 사용을 중지하고, 사용자가 '위험 단계'를 인지하도록 관련 정보를 도로 또는 철로 전광판이나 열차 내에 안내한다. 또한, 예상되는 충돌지점 및 주변영역에 존재하는 차량 또는 열차를 대피시키고, 수중 터널(200)이 파괴될 충돌지점 및 주변영역을 봉쇄하고 기타 대처 방안을 실행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템(10)은 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)를 감지할 수 있고, 외부 물체(100)의 종류 및 특성을 파악할 수 있다. 또한, 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌을 감지할 수 있고, 수중 터널(200)에 접근하는 외부 물체(100)의 충격량 및 경로를 산출할 수 있다. 또한, 수중 터널(200)과 외부 물체(100)의 충돌로 인한 수중 터널(200)의 안전성을 평가할 수 있고, 수중 터널(200)의 안전성에 따라 경보를 작동할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템(10)은 수중 터널(200)뿐만 아니라 교량, 선박 등 다양한 구조물에 적용될 수 있다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 외부 물체
200: 수중 터널
300: 소나 모듈
310: 제1 소나 센서
330: 제2 소나 센서

Claims (11)

  1. 수중 터널로 접근하는 외부 물체를 감지하고, 상기 외부 물체의 정보를 측정하는 충돌 감지부; 및
    상기 충돌 감지부에서 측정된 상기 외부 물체의 정보를 이용하여 상기 외부 물체의 충격량과 경로를 산출하는 데이터 처리부 및, 상기 데이터 처리부에서 산출된 상기 외부 물체의 충격량과 경로를 기준으로 상기 수중 터널의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함하는 통합 관리부;를 포함하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 감지부는 소나 모듈(sonar module)을 포함하고,
    상기 소나 모듈은 상기 수중 터널의 외면에 배치되고, 상기 외부 물체를 감지하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소나 모듈은 한 개의 제1 소나 센서와 두 개의 제2 소나 센서를 포함하고,
    상기 소나 모듈에서 상기 제1 소나 센서는 상기 두 개의 제2 소나 센서 사이에 배치되는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소나 모듈에서 상기 제1 소나 센서와 상기 제2 소나 센서 사이의 거리는 일정한, 수정 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 소나 모듈은 상기 수중 터널의 길이 방향을 따라 복수로 배치되고,
    복수의 상기 소나 모듈 각각은 서로 소정의 간격으로 배치되는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 물체의 정보는 상기 외부 물체의 형상, 부피, 경도, 방향, 거리 또는 속도 중 어느 하나를 포함하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 물체의 충격량은 외부 물체 충격량 추정 알고리즘을 이용하여 산출되고, 상기 외부 물체의 경로는 외부 물체 경로 추적 알고리즘을 이용하여 산출되는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전성 평가부의 상기 수중 터널의 안전성을 평가하기 위한 기준 단계는 상기 수중 터널과 상기 외부 물체가 충돌하는 수치해석을 통한 시뮬레이션을 이용하여 설정되는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기준 단계는 상기 수중 터널의 안전성에 따라 위험 단계, 경보 단계, 주의 단계, 관심 단계 및 안전 단계를 포함하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수치해석을 통한 시뮬레이션은 상기 수중 터널과 상기 외부 물체의 수치해석을 위한 모델링과 접촉 알고리즘을 포함하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전성 평가부와 연계되는 경보 작동부;를 더 포함하고,
    상기 경보 작동부는 상기 기준 단계를 구성하는 각 단계별로, 각 단계에 맞는 경보를 작동하는, 수중 터널의 외부 충돌 모니터링 시스템.
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