KR20210040617A - 수중 로봇 및 센서 네트워크 기반의 수중터널용 원격 모니터링 시스템 - Google Patents

수중 로봇 및 센서 네트워크 기반의 수중터널용 원격 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

수중터널용 원격 모니터링 시스템은 복수의 센서 노드들, 복수의 싱크 노드들, 복수의 게이트웨이들 및 모니터링 센터를 포함한다. 센서 노드는 텐션 레그에 설치되는 센서부 및 터널 몸체에 설치되는 제어부를 포함하며, 모니터링 데이터들을 생성한다. 싱크 노드는 터널 몸체 및 환기탑의 접속 부분에 설치되고, N개의 센서 노드들을 관리하고, 모니터링 데이터들을 수신하며, 경보 데이터가 수신된 경우에 수중 경보를 발생한다. 게이트웨이는 환기탑에 설치되고, 1개의 싱크 노드를 관리하고, 모니터링 데이터들을 수신하고, 경보 데이터가 수신된 경우에 수표면 경보를 발생하고, 싱크 노드 및 센서 노드에 전원을 공급하며, 로컬 게이트웨이들 및 글로벌 게이트웨이를 포함한다. 모니터링 센터는 수중터널과 이격되어 설치되고, 글로벌 게이트웨이를 관리하고, 모니터링 데이터들을 수신하여 위험 감지 및 결함에 대한 분석을 수행하며, 분석 결과에 기초하여 경보 데이터를 생성한다.

Description

수중 로봇 및 센서 네트워크 기반의 수중터널용 원격 모니터링 시스템{REMOTE MONITORING SYSTEM FOR SUBMERGED FLOATING TUNNEL BASED ON UNDERWATER ROBOTS AND SENSOR NETWORKS}
본 발명은 모니터링 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중 로봇 및 센서 네트워크 기반의 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 관한 것이다.
바다에 의해 통행이 가로막혀 있는 육지와 육지, 육지와 섬, 또는 섬과 섬을 연결하기 위한 수중 구조물에는 해저터널(Undersea Tunnel), 침매터널(Immersed Tunnel), 그리고 수중터널(Submerged Floating Tunnel; SFT) 등이 있다. 해저터널은 해저 지층에 건설되는 터널이며, 침매터널은 육상에서 제작한 침매함(즉, 터널 구조물)을 바다로 예인해 목표 지점에 가라앉힌 뒤 바다 속에서 접합하는 방식으로 건설되는 터널이다. 해저터널은 수심이 증가할수록 시공기간의 증가로 인한 공사비 상승과 발파공법의 경우 터널 붕괴의 위험이 있고, 침매터널은 수심 60m 이상에선 침매함 연결 작업을 수행할 수 없는 기술적인 한계가 존재하며, 이에 따라 해저터널 및 침매터널의 기술적인 한계를 극복하기 위하여 수중터널 기술이 연구 및 도입되고 있다.
도 1은 수중터널의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 수중터널(10)은 부력의 도움으로 수중에 뜨는 터널로서 해저 그라운드(Ground)에 앵커(Anchor) 시스템을 설치하거나 또는 수표면(Water surface)에 폰툰(Pontoon)을 설치하여 고정시키는 수중 구조물이다.
수중터널(10)은 수표면(SF) 아래에 설치되는 터널 몸체(Tunnel Body)(11), 복수의 텐션 레그들(Tension Legs)(13), 복수의 앵커들 및 파운데이션들(Anchors and Foundations)(15)과, 수표면(SF) 아래에 설치되면서 수표면(SF) 상에 일부분이 노출되는 복수의 환기탑들(Ventilations)(17)로 구성되며, 터널 몸체(11)를 통하여 기차, 차량 등이 통행하게 된다. 이 때, 사용자 안전 유지를 위하여 터널 몸체(11) 및 텐션 레그(13)에 대한 주기적인 모니터링이 필요하다. 하지만, 지금까지 수중터널(10)의 텐션 레그(13)를 모니터링하기 위하여 개발된 시스템은 전무한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 수중터널의 사용자 안전 유지를 위하여 텐션 레그에 대한 주기적인 모니터링을 수행하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템은 터널 몸체(Tunnel Body), 복수의 텐션 레그들(Tension Legs), 복수의 앵커들 및 파운데이션들(Anchors and Foundations) 및 복수의 환기탑들(Ventilations)로 구성되는 수중터널(Submerged Floating Tunnel; SFT)의 상기 복수의 텐션 레그들을 모니터링하기 위한 시스템이며, 복수의 센서 노드들(Sensor Nodes), 복수의 싱크 노드들(Sink Nodes), 복수의 게이트웨이들(Gateways) 및 모니터링 센터(Monitoring Center)를 포함한다. 상기 복수의 센서 노드들은 상기 복수의 텐션 레그들에 설치되는 복수의 센서부들을 각각 포함하고, 상기 터널 몸체에 설치되는 복수의 제어부들을 각각 포함하며, 상기 복수의 센서부들을 이용하여 복수의 모니터링 데이터들을 생성한다. 상기 복수의 싱크 노드들은 상기 터널 몸체 및 상기 복수의 환기탑들의 접속 부분에 설치되고, 상기 복수의 센서 노드들 중 N(N은 2 이상의 자연수)개의 센서 노드들을 각각 관리하고, 상기 복수의 센서 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하며, 경보 데이터가 수신된 경우에 수중 경보를 발생한다. 상기 복수의 게이트웨이들은 상기 복수의 환기탑들에 설치되고, 상기 복수의 싱크 노드들 중 1개의 싱크 노드를 각각 관리하고, 상기 복수의 싱크 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하고, 상기 경보 데이터가 수신된 경우에 수표면 경보를 발생하고, 상기 복수의 싱크 노드들 및 상기 복수의 센서 노드들에 전원을 공급하며, 복수의 로컬 게이트웨이들(Local Gateways) 및 상기 복수의 로컬 게이트웨이들을 관리하는 1개의 글로벌 게이트웨이(Global Gateway)를 포함한다. 상기 모니터링 센터는 상기 수중터널과 이격되어 설치되고, 상기 글로벌 게이트웨이를 관리하고, 상기 글로벌 게이트웨이로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하고, 상기 복수의 모니터링 데이터들을 이용하여 위험 감지 및 결함에 대한 분석을 수행하며, 상기 분석 결과에 기초하여 상기 경보 데이터를 생성한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 센서 노드들에 포함되는 상기 복수의 센서부들 각각은 적어도 하나의 센서 및 제1 하우징 케이스를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 센서는 상기 모니터링 데이터에 대응하는 센싱 값을 생성할 수 있다. 상기 제1 하우징 케이스는 물로부터 상기 적어도 하나의 센서를 보호할 수 있다. 상기 복수의 센서 노드들에 포함되는 상기 복수의 제어부들 각각은 인터페이스 모듈, 통신 모듈, 마이크로 컨트롤러 장치(Micro Controller Unit; MCU), 전원공급 모듈 및 제2 하우징 케이스를 포함할 수 있다. 상기 인터페이스 모듈은 상기 적어도 하나의 센서로부터 상기 센싱 값을 획득할 수 있다. 상기 통신 모듈은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 센싱 값에 대응하는 상기 모니터링 데이터를 상기 복수의 싱크 노드들 중 하나로 전송할 수 있다. 상기 마이크로 컨트롤러 장치는 상기 인터페이스 모듈 및 상기 통신 모듈의 동작을 제어할 수 있다. 상기 전원공급 모듈은 상기 인터페이스 모듈, 상기 통신 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급할 수 있다. 상기 제2 하우징 케이스는 상기 물로부터 상기 인터페이스 모듈, 상기 통신 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치 및 상기 전원공급 모듈을 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 센서는 로드 셀(Load Cell) 및 FBG 센서 기반 광케이블(Fiber Bragg Grating (FBG) sensor based Fiber-optic cable)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 통신 모듈은 동작 초기에는 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 통하여 상기 모니터링 데이터를 전송하고, 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 수행할 수 없는 경우에 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 다른 하나를 통하여 상기 모니터링 데이터를 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 센서 노드들 각각은 전력량이 부족한 경우에, 상기 복수의 게이트웨이들 중 하나로 전력 공급을 요청하여 필요한 전력을 공급받을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 싱크 노드들 각각은 제1 내지 제2 통신 모듈들, 제3 통신 모듈, 경보 모듈, 마이크로 컨트롤러 장치, 전원공급 모듈 및 하우징 케이스를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제2 통신 모듈들은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 N개의 센서 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신할 수 있다. 상기 제3 통신 모듈은 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 수신된 복수의 모니터링 데이터들을 상기 복수의 게이트웨이들 중 하나로 전송할 수 있다. 상기 경보 모듈은 상기 경보 데이터에 기초하여 상기 수중 경보를 발생할 수 있다. 상기 마이크로 컨트롤러 장치는 상기 제1 내지 제3 통신 모듈들 및 상기 경보 모듈의 동작을 제어할 수 있다. 상기 전원공급 모듈은 상기 제1 내지 제3 통신 모듈들, 상기 경보 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급할 수 있다. 상기 하우징 케이스는 물로부터 상기 제1 내지 제3 통신 모듈들, 상기 경보 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치 및 상기 전원공급 모듈을 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수중터널용 원격 모니터링 시스템은 적어도 하나의 수중로봇(Underwater Robot)을 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 수중로봇은 상기 수중터널에 대한 외부 모니터링을 수행하여 이미지 데이터를 획득하고, 무선통신을 통하여 상기 획득된 이미지 데이터를 상기 복수의 게이트웨이들 중 인접한 게이트웨이에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 게이트웨이들 각각은 제1 통신 모듈, 제2 통신 모듈, 제3 통신 모듈, 제4 통신 모듈, 경보 모듈, 마이크로 컨트롤러 장치, 발전 모듈, 전력충전 모듈, 전원공급 모듈 및 하우징 케이스를 포함할 수 있다. 상기 제1 통신 모듈은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 1개의 싱크 노드로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신할 수 있다. 상기 제2 통신 모듈은 적어도 하나의 수중로봇을 더 포함하는 경우에, 상기 수중로봇으로부터 이미지 데이터를 수신할 수 있다. 상기 제3 통신 모듈은 상기 로컬 게이트웨이인 경우에, 인접한 로컬 게이트웨이와의 통신을 수행할 수 있다. 상기 제4 통신 모듈은 상기 글로벌 게이트웨이인 경우에, 상기 모니터링 센터와의 통신을 수행할 수 있다. 상기 경보 모듈은 상기 경보 데이터에 기초하여 상기 수표면 경보를 발생할 수 있다. 상기 마이크로 컨트롤러 장치는 상기 제1 내지 제4 통신 모듈들 및 상기 경보 모듈의 동작을 제어할 수 있다. 상기 발전 모듈은 자체적으로 전력을 생성할 수 있다. 상기 전력충전 모듈은 상기 발전 모듈에 의해 생성된 전력을 저장할 수 있다. 상기 전원공급 모듈은 상기 전력충전 모듈에 저장된 전력에 기초하여 상기 제1 내지 제4 통신 모듈들, 상기 경보 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급할 수 있다. 상기 하우징 케이스는 물로부터 상기 제1 내지 제4 통신 모듈들, 상기 경보 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치, 상기 발전 모듈, 상기 전력충전 모듈 및 상기 전원공급 모듈을 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 모니터링 센터는 통신 모듈, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU) 및 전원공급 모듈을 포함할 수 있다. 상기 통신 모듈은 무선통신을 통하여 상기 글로벌 게이트웨이로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신할 수 있다. 상기 중앙 처리 장치는 상기 복수의 모니터링 데이터들에 기초하여, 실시간 모니터링 기능, 그래프 및 결함 분석 기능, 및 제어 및 경보 데이터 전송 기능을 수행할 수 있다. 상기 전원공급 모듈은 상기 통신 모듈 및 상기 중앙 처리 장치에 전원을 공급할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙 처리 장치는 상기 복수의 모니터링 데이터들에 대한 보정(Calibration)을 수행하여 실시간 모니터링 결과를 생성하고, 미리 정해진 시간 간격 동안에 획득된 상기 실시간 모니터링 결과에 대한 평균 값을 산출하고, 상기 평균 값과 미리 정해진 임계 값을 비교하며, 상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에 상기 경보 데이터를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙 처리 장치는 상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에 상기 경보 데이터를 생성하기 이전에 상기 복수의 모니터링 데이터들을 다시 수집하기 위한 제어 데이터를 생성하거나, 사용자 요청에 의해 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수집할 필요가 있는 경우에 상기 제어 데이터를 생성할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템은, 수중 센서 네트워크와 지상 네트워크를 연결하기 위하여 저전력 기반의 통신 방식을 이용함으로써, 즉 위성 또는 Cellular 기반의 통신보다 저전력 기반의 LPWAN을 이용함으로써, 에너지 제약성을 극복할 수 있다. 수중 센서 네트워크와 지상 네트워크의 연결을 통하여, 수중 센서 네트워크에서 획득한 데이터를 지상의 모니터링 센터로 전송하고, 모니터링 센터에서는 제어 및 경보 데이터를 수중 센서 네트워크로 전송하여 관련 기능을 통한 원격 제어를 수행할 수 있으며, 수집한 데이터를 유용한 정보로 가공할 수 있다.
또한, 수중 센서 네트워크인 센서 노드, 싱크 노드 및 게이트웨이를 통하여, 거리 제한의 제약성을 극복할 수 있다. 즉, 수중터널의 길이와 텐션 레그들의 개수에 따라 수중 센서 네트워크를 확장할 수 있다. 이와 함께, 유선 케이블에 의한 해양 환경의 제약사항을 극복할 수 있도록 유선통신과 무선통신을 둘 다 수행할 수 있도록 구성함으로써, 해양 환경에서의 통신에 대한 제약사항을 극복할 수 있다.
또한, 경보 기능을 포함하고 있으므로, 텐션 레그들에 이상이 있음을 감지할 경우, 수중터널 주변으로 경보 데이터를 전송할 수 있다. 따라서, 재난 발생 시 외부에서 다가오는 물체에 위험 상황을 알릴 수 있으며, 특히 이러한 경보 발령은 수중 뿐만 아니라 수표면 위에서 동시에 발생할 수 있다.
추가적으로, 수중로봇으로부터 수집된 데이터를 수신할 수 있는 통신모듈을 장착하고 있으며, 따라서 수중로봇과 공동협업을 수행하여, 보다 폭 넓은 역할을 수행할 수 있다. 또한, 수표면에 설치된 게이트웨이가 전원공급 장치를 제공하고 있으므로, 수중 센서 네트워크 노드인 센서 노드와 싱크 노드는 게이트웨이로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 따라서 수중 환경에 의한 에너지 제약성을 극복할 수 있다.
한편, 수중 센서 네트워크를 구성하여 해당 어플리케이션을 수행하므로, 수중터널 뿐만 아니라 다른 수중 구조물에서 수중 센서 네트워크를 필요로 할 경우 본 시스템을 변형하여 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 수중터널의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 센서 노드의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 싱크 노드의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 게이트웨이의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 모니터링 센터의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 터널 몸체(11), 복수의 텐션 레그들(13), 복수의 앵커들 및 파운데이션들(15), 및 복수의 환기탑들(17)로 구성되는 수중터널(10)의 복수의 텐션 레그들(13)을 모니터링하도록 구현된다.
수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 복수의 센서 노드들(Sensor Nodes)(100), 복수의 싱크 노드들(Sink Nodes)(SK)(200), 복수의 게이트웨이들(Gateways)(300a, 300b, 400)(또는 수표면 게이트웨이들) 및 모니터링 센터(Monitoring Center)(800)를 포함하며, 적어도 하나의 수중로봇(Underwater Robot)(UWR)(500), 베이스 스테이션(Base Station)(600) 및 네트워크(Network)(NW)(700)를 더 포함할 수 있다. 복수의 센서 노드들(100), 복수의 싱크 노드들(200), 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 및 적어도 하나의 수중로봇(500)은 수중 센서 네트워크(Underwater Sensor Network)를 형성할 수 있다.
복수의 센서 노드들(100)은 복수의 텐션 레그들(13)에 설치되는 복수의 센서부들(S)(110)을 각각 포함하고, 터널 몸체(11)에 설치되는 복수의 제어부들(C)(130)을 각각 포함한다. 다시 말하면, 하나의 센서부(110) 및 하나의 제어부(130)가 하나의 센서 노드(100)를 형성할 수 있다.
복수의 센서 노드들(100)은 복수의 센서부들(110)을 이용하여 복수의 모니터링 데이터들을 생성한다. 다시 말하면, 수중터널(10)의 텐션 레그(13)를 모니터링하기 위해서 각 센서 노드(100)는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부(110)와 연결되며, 상기 센서를 통하여 상기 모니터링 데이터를 생성할 수 있다.
복수의 센서 노드들(100) 각각의 구체적인 구조 및 동작은 도 3을 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.
복수의 싱크 노드들(200)은 터널 몸체(11) 및 복수의 환기탑들(17)의 접속 부분에 설치된다. 복수의 싱크 노드들(200)은 복수의 센서 노드들(100) 중 N(N은 2 이상의 자연수)개의 센서 노드들을 각각 관리한다. 다시 말하면, 각 싱크 노드(200)는 2 이상의 다수의 센서 노드들을 제어할 수 있다.
복수의 싱크 노드들(200)은 복수의 센서 노드들(100)로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신한다. 도 3 및 4를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 수중 센서 네트워크의 센서 노드(100)와 싱크 노드(200) 사이의 통신은 무선 또는 유선통신을 수행하며, 이를 통하여 센서 노드(100)에서 생성된 데이터는 싱크 노드(200)로 전송되고, 싱크 노드(200)는 다수의 센서 노드들(100)로부터 데이터를 수집할 수 있다.
복수의 싱크 노드들(200)은 경보 데이터가 수신된 경우에 수중 경보를 발생한다. 상기 경보 데이터는 모니터링 센터(800)에서 생성되어 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)을 통해 복수의 싱크 노드들(200)에 제공될 수 있다. 도 2에서, 각 싱크 노드(200)로부터 시작되는 연속하는 3개의 곡선 표시가 상기 수중 경보를 나타낼 수 있다.
복수의 싱크 노드들(200) 각각의 구체적인 구조 및 동작은 도 4를 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 복수의 환기탑들(17)에 설치된다. 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 복수의 싱크 노드들(200) 중 1개의 싱크 노드를 각각 관리한다. 다시 말하면, 각 게이트웨이(300a, 300b, 400)는 1개의 싱크 노드를 제어할 수 있다. 이에 따라, 서로 대응하는 게이트웨이 및 싱크 노드는 서로 인접하여 설치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 싱크 노드들(200)은 복수의 환기탑들(17)에 인접하도록 설치될 수 있다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 복수의 싱크 노드들(200)로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신한다. 도 4 및 5를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 수중 센서 네트워크의 싱크 노드(200)에서 게이트웨이(300a, 300b, 400) 사이의 통신은 무선 또는 유선통신을 수행하며, 이를 통하여 싱크 노드(200)는 수집한 데이터를 자신에 인접한 게이트웨이(300a, 300b, 400)로 전송할 수 있다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 상기 경보 데이터가 수신된 경우에 수표면 경보를 발생한다. 상술한 것처럼, 상기 경보 데이터는 모니터링 센터(800)에서 생성되어 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)에 제공될 수 있다. 도 2에서, 각 게이트웨이(300a, 300b, 400)로부터 시작되는 연속하는 3개의 곡선 표시가 상기 수표면 경보를 나타낼 수 있다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 복수의 싱크 노드들(200) 및 복수의 센서 노드들(100)에 전원을 공급한다. 예를 들어, 상기 수중 센서 네트워크의 각 노드의 에너지 제약성을 극복하기 위하여, 즉 상기 수중 센서 네트워크에 전력을 공급하기 위하여, 각 게이트웨이(300a, 300b, 400)에는 발전 모듈, 전력충전 모듈, 전원공급 모듈 등이 설치되며, 이를 통하여 상기 수중 센서 네트워크의 센서 노드(100), 싱크 노드(200) 및 게이트웨이(300a, 300b, 400)는 전원을 공급받을 수 있다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400)은 복수의 로컬 게이트웨이들(Local Gateways)(LGW)(300a, 300b) 및 1개의 글로벌 게이트웨이(Global Gateway)(GGW)(400)를 포함한다. 글로벌 게이트웨이(400)는 지상 네트워크와 연결된 최종 게이트웨이일 수 있다. 만약, 로컬 게이트웨이(300a, 300b)인 경우 수집된 데이터를 최종 글로벌 게이트웨이(400)로 전송하기 위하여 인접한 로컬 게이트웨이로 전송하고, 글로벌 게이트웨이(400)인 경우 수집된 데이터를 베이스 스테이션(600) 및 네트워크(700)를 통하여 모니터링 센터(800)로 전송할 수 있다.
도 5 및 7을 참조하여 후술하는 것처럼, 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 사이 및 글로벌 게이트웨이(400)에서 모니터링 센터(800) 사이의 통신은 무선통신을 수행하며, 도 2에서 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 사이 및 글로벌 게이트웨이(400)에서 모니터링 센터(800) 사이의 전파(또는 번개) 표시가 상기 무선통신을 나타낼 수 있다. 예를 들어, Smart 기반 수중 모니터링을 위하여 본 발명은 Low Power Wide Area Network (LPWAN) 통신 방식인 LoRa 또는 NB-IoT 기반의 양방향 통신을 수행할 수 있다. 다시 말하면, 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 및 베이스 스테이션(600)은 LPWAN 통신 방식을 지원하도록 구현될 수 있다.
복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 각각의 구체적인 구조 및 동작은 도 5를 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.
모니터링 센터(800)는 수중터널(10)과 이격되어 설치된다. 예를 들어, 모니터링 센터(800)는 지상에 설치될 수 있다. 모니터링 센터(800)는 글로벌 게이트웨이(400)를 관리한다. 다시 말하면, 모니터링 센터(800)는 1개의 글로벌 게이트웨이(400)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 글로벌 게이트웨이(400)는 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 모니터링 센터(800)와 가장 가깝게 설치될 수 있다.
모니터링 센터(800)는 글로벌 게이트웨이(400)로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하고, 상기 복수의 모니터링 데이터들을 이용하여 위험 감지 및 결함에 대한 분석을 수행하며, 상기 분석 결과에 기초하여 상기 경보 데이터를 생성한다.
구체적으로, 모니터링 센터(800)는 최종적으로 수집한 데이터를 분석하며, 실시간 모니터링에 의해 획득한 데이터를 이용하여 위험 감지 및 결함에 대한 분석을 수행하고, 이를 통하여 결함을 찾아내고 분석 결과를 그래프로 표시할 수 있다. 만약 분석한 데이터에서 이상이 감지될 경우, 재차 상기 수중 센서 네트워크로부터 데이터를 수집하기 위하여 제어 데이터를 전송하거나 사용자의 요구에 의해 상기 수중 센서 네트워크로부터 데이터를 수집할 필요가 발생할 경우 제어 데이터를 전송할 수 있다. 만약 위험이 감지될 경우, 상기 경보 데이터를 상기 수중 센서 네트워크로 전송하여 이를 수신한 게이트웨이들(300a, 300b, 400)와 싱크 노드들(200)은 상기 경보 데이터에 따라 경보를 발생할 수 있다. 상기 데이터(즉, 상기 제어 데이터 및/또는 상기 경보 데이터)의 전송은 글로벌 게이트웨이(400)에서 로컬 게이트웨이(300a, 300b) 순서로 이루어지며, 각 게이트웨이(300a, 300b, 400)는 자신의 관리 영역의 싱크 노드(200)로 데이터 전송을 수행하여, 최종적으로 센서 노드(100)가 전송된 데이터를 수신할 수 있다.
모니터링 센터(800)의 구체적인 구조 및 동작은 도 7을 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.
수중로봇(500)은 수중터널(10)에 대한 외부 모니터링을 수행하여 이미지 데이터를 획득하고, 무선통신을 통하여 상기 획득된 이미지 데이터를 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 인접한 게이트웨이에 전송할 수 있다. 도 2에서, 게이트웨이들(300a, 300b, 400)에서 수중로봇(500) 사이의 전파(또는 번개) 표시가 상기 무선통신을 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)의 동작을 간단하게 정리하면, 상기 수중 센서 네트워크는 센서 노드(100) 및 수중로봇(500)으로부터 수집한 데이터를 게이트웨이(300a, 300b, 400)를 통하여 모니터링 센터(800)로 전송할 수 있다. 모니터링 센터(800)는 수집된 데이터를 기초로 실시간 모니터링 및 분석을 수행하여 그 결과를 표시하며, 위험 및/또는 이상이 감지된 경우에 경보 및/또는 제어 데이터를 상기 수중 센서 네트워크로 전송하여 게이트웨이(300a, 300b, 400)와 싱크 노드(200)에서 경보를 발생하거나 센서 노드(100)를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 수중터널(10)의 텐션 레그들(13)을 모니터링하기 위하여 개발된 시스템으로 하기와 같은 기술적 과제를 고려하여 구현될 수 있다.
먼저, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 원격 모니터링 형태로서 수중 데이터통신 시스템으로 구성된 수중 센서 네트워크의 구성이 필요하다. 즉, 수중 센서 네트워크를 구성함으로써, 센서부(110)를 이용하여 각각의 구조물을 계측하고 계측하여 획득한 데이터를 전송할 수 있게 된다. 이 때, 수중터널(10)의 길이는 수 Km ~ 수십 Km의 범위를 가지며, 텐션 레그들(13)도 50m 간격 이상으로 시공되어 수중터널(10)의 길이에 비례하여 그 개수가 증가하므로, 텐션 레그들(13)을 모니터링하기 위해서는 수중터널(10)의 길이와 텐션 레그들(13)의 개수에 대한 모니터링 거리의 제약성을 극복하는 것이 필요하다.
다음에, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 원격 모니터링 형태로서 수중에서 획득한 데이터를 지상에서 수신하기 위한 지상 데이터통신 시스템이 필요하다. 이 때, 수중에서 획득한 데이터가 유효한 데이터가 되기 위해서는 보정(Calibration) 및 데이터 분석이 필요하고, 분석을 통해 위험을 감지한 경우 외부의 다가오는 물체에 경보를 생성할 수 있어야 하므로, 이러한 수행을 관리할 수 있는 모니터링 센터(800)가 필요하다.
또한, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 수중에서 수집한 데이터가 모니터링 센터(800)로 전달되어야 하므로, 이를 위한 데이터 통신 방안이 필요하다. 즉, 수중 센서 네트워크와 모니터링 센터(800)를 연결하기 위해서는 고전력 및 고가 기반의 위성 및 Cellular 통신 방식보다는 저전력 및 저가 기반의 통신 방안이 요구되며, 수중 센서 네트워크는 해양 환경의 제약 사항 극복과 데이터 전송의 신뢰성 제공을 위하여 유선통신과 무선통신을 모두 필요로 한다.
한편, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 수중 환경에 의한 에너지 제약성이 존재하며, 터널 외부에 설치됨에 따라 터널 내부로부터 전원을 공급받을 경우 기술적인 제약사항이 존재한다. 따라서 터널 외부에 설치되는 시스템은 터널 내부와 분리되어야 하므로 에너지 제약성을 극복하기 위하여 전원을 공급할 수 있는 전원공급 장치의 구성이 요구된다.
그리고, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 외부의 다가오는 물체(예를 들어, 선박, 물고기, 잠수함 등)와 작업자에게 위험 상황을 알리기 위하여 수중과 수표면 위에서 경보를 동시에 발생시켜야 하며, 결국 이러한 경보 기능을 수행하기 위한 경보 시스템이 필요하다.
추가적으로, 수중터널(10)의 안전관리를 위하여 수중로봇(500)이 활용되고 있으며, 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)은 이러한 안전관리를 수행하는 수중로봇(500)과도 협업을 필요로 한다. 따라서, 수중로봇(500)으로부터 데이터를 수집하기 위한 통신 방법이 필요하다.
상술한 기술적 과제를 고려하여 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템(1000)을 구현하는 경우에 하기와 같은 효과를 가질 수 있다.
먼저, 수중 센서 네트워크와 지상 네트워크를 연결하기 위하여 저전력 기반의 통신 방식을 이용함으로써, 즉 위성 또는 Cellular 기반의 통신보다 저전력 기반의 LPWAN을 이용함으로써, 에너지 제약성을 극복할 수 있다. 수중 센서 네트워크와 지상 네트워크의 연결을 통하여, 수중 센서 네트워크에서 획득한 데이터를 지상의 모니터링 센터(800)로 전송하고, 모니터링 센터(800)에서는 제어 및 경보 데이터를 수중 센서 네트워크로 전송하여 관련 기능을 통한 원격 제어를 수행할 수 있으며, 수집한 데이터를 유용한 정보로 가공할 수 있다.
다음에, 수중 센서 네트워크인 센서 노드(100), 싱크 노드(200) 및 게이트웨이(300a, 300b, 400)를 통하여, 거리 제한의 제약성을 극복할 수 있다. 즉, 수중터널(10)의 길이와 텐션 레그들(13)의 개수에 따라 수중 센서 네트워크를 확장할 수 있다. 이와 함께, 유선 케이블에 의한 해양 환경의 제약사항을 극복할 수 있도록 유선통신과 무선통신을 둘 다 수행할 수 있도록 구성함으로써, 해양 환경에서의 통신에 대한 제약사항을 극복할 수 있다.
또한, 경보 기능을 포함하고 있으므로, 텐션 레그들(13)에 이상이 있음을 감지할 경우, 수중터널(10) 주변으로 경보 데이터를 전송할 수 있다. 따라서, 재난 발생 시 외부에서 다가오는 물체에 위험 상황을 알릴 수 있으며, 특히 이러한 경보 발령은 수중 뿐만 아니라 수표면 위에서 동시에 발생할 수 있다.
추가적으로, 수중로봇(500)으로부터 수집된 데이터를 수신할 수 있는 통신모듈을 장착하고 있으며, 따라서 수중로봇(500)과 공동협업을 수행하여, 보다 폭 넓은 역할을 수행할 수 있다. 또한, 수표면에 설치된 게이트웨이(300a, 300b, 400)가 전원공급 장치를 제공하고 있으므로, 수중 센서 네트워크 노드인 센서 노드(100)와 싱크 노드(200)는 게이트웨이(300a, 300b, 400)로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 따라서 수중 환경에 의한 에너지 제약성을 극복할 수 있다.
한편, 수중 센서 네트워크를 구성하여 해당 어플리케이션을 수행하므로, 수중터널(10) 뿐만 아니라 다른 수중 구조물에서 수중 센서 네트워크를 필요로 할 경우 본 시스템을 변형하여 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 센서 노드의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 센서 노드(100)는 센서부(110) 및 제어부(130)를 포함한다.
센서부(110)는 적어도 하나의 센서(112, 114) 및 제1 하우징 케이스(116)를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 센서(112, 114)는 모니터링 데이터(MDAT)에 대응하는 센싱 값(SV)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 센서(112, 114)는 로드 셀(Load Cell)(112) 및 FBG 센서 기반 광케이블(Fiber Bragg Grating (FBG) sensor based Fiber-optic cable)(114)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 예시적으로 2개의 센서를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 센서의 개수 및 종류는 다양하게 변경될 수 있다.
제1 하우징 케이스(116)는 물로부터 적어도 하나의 센서(112, 114)를 보호할 수 있다. 상술한 것처럼 센서 노드(100)는 수중에 설치되므로 물로부터 보호가 필요하며, 따라서 제1 하우징 케이스(116)를 포함하는 센서부(110)가 수중터널(10) 외부의 텐션 레그(13)에 설치되어 주기적인 모니터링을 수행할 수 있다.
제어부(130)는 인터페이스 모듈(140), 통신 모듈(150), 마이크로 컨트롤러 장치(Micro Controller Unit; MCU)(160), 전원공급 모듈(170) 및 제2 하우징 케이스(180)를 포함할 수 있다.
인터페이스 모듈(140)은 적어도 하나의 센서(112, 114)로부터 센싱 값(SV)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 모듈(140)은 센서(112)로부터 센싱 값(SV)을 획득하는 제1 인터페이스(142) 및 센서(114)로부터 센싱 값(SV)을 획득하는 제2 인터페이스(144)를 포함할 수 있다. 인터페이스 모듈(140)에 포함되는 인터페이스들(142, 144)의 개수는 센서부(110)에 포함되는 센서들(112, 114)의 개수와 실질적으로 동일할 수 있다.
통신 모듈(150)은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 센싱 값(SV)에 대응하는 모니터링 데이터(MDAT)를 복수의 싱크 노드들(200) 중 하나(예를 들어, 인접한 싱크 노드)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 통신 모듈(150)은 초음파 기반의 무선통신을 수행하는 음파통신 모듈(152) 및 RS485 기반의 유선통신을 수행하는 유선통신 모듈(154)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 센서 노드(100)의 주기적인 모니터링은 이벤트(Event) 기반으로 동작할 수 있다. 따라서, 상기 이벤트를 받은 센서 노드(100)는 인터페이스 모듈(140)을 통하여 적어도 하나의 센서(112, 114)로부터 센싱 값(SV)을 획득하며, 통신 모듈(150)을 통하여 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 적어도 하나를 수행하여 센싱 값(SV)에 대응하는 모니터링 데이터(MDAT)를 싱크 노드(200)로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈(150)은 동작 초기에는 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 통하여 모니터링 데이터(MDAT)를 전송하고, 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 수행할 수 없는 경우에 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 다른 하나를 통하여 모니터링 데이터(MDAT)를 전송할 수 있다. 예를 들어, 처음에는 상기 무선통신을 수행하다가, 만약 송수신기가 오염되거나 고장나는 등 상기 무선통신을 수행할 수 없게 되면, 상기 유선통신을 수행할 수 있다. 다른 예에서, 처음에는 상기 유선통신을 수행하다가, 만약 통신 케이블이 끊어지는 등 상기 유선통신을 수행할 수 없게 되면, 상기 무선통신을 수행할 수 있다.
전원공급 모듈(170)은 인터페이스 모듈(140), 통신 모듈(150) 및 마이크로 컨트롤러 장치(160)에 상기 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 전원공급 모듈(170)은 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 하나(예를 들어, 인접한 게이트웨이)로부터 필요한 전원을 공급받을 수 있다. 도 3 및 이후의 도면에서, 실선 화살표가 전원 공급을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 전력량이 부족한 경우에, 센서 노드(100)는 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 하나로 전력 공급을 요청하여 필요한 전력을 공급받을 수 있다.
마이크로 컨트롤러 장치(160)는 인터페이스 모듈(140) 및 통신 모듈(150)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러 장치(160)는 상술한 모든 동작들을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 도 3 및 이후의 도면에서, 점선 화살표가 마이크로 컨트롤러 장치(160)의 제어를 나타낼 수 있다.
제2 하우징 케이스(180)는 물로부터 인터페이스 모듈(140), 통신 모듈(150), 마이크로 컨트롤러 장치(160) 및 전원공급 모듈(170)을 보호할 수 있다. 상술한 것처럼 센서 노드(100)는 수중에 설치되므로 물로부터 보호가 필요하며, 따라서 제2 하우징 케이스(180)를 포함하는 제어부(130)가 수중터널(10) 외부에 설치되어 주기적인 모니터링을 수행할 수 있다.
도 3에서는 센서부(110) 및 제어부(130)가 별개의 하우징 케이스(116, 180)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 센서부(110) 및 제어부(130)는 하나의 하우징 케이스를 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 싱크 노드의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 싱크 노드(200)는 제1 내지 제2 통신 모듈들(210, 220), 제3 통신 모듈(230), 경보 모듈(240), 마이크로 컨트롤러 장치(250), 전원공급 모듈(260) 및 하우징 케이스(270)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제2 통신 모듈들(210, 220)은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 싱크 노드(200)에 의해 관리되는 N개의 센서 노드들(100)로부터 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 수신할 수 있다. 제1 통신 모듈(210)은 초음파 기반의 무선통신을 수행하는 음파통신 모듈(212) 및 RS485 기반의 유선통신을 수행하는 유선통신 모듈(214)을 포함하며, 제2 통신 모듈(220)은 초음파 기반의 무선통신을 수행하는 음파통신 모듈(222) 및 RS485 기반의 유선통신을 수행하는 유선통신 모듈(224)을 포함할 수 있다.
제3 통신 모듈(230)은 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 하나로 전송할 수 있다. 제3 통신 모듈(230)은 초음파 기반의 무선통신을 수행하는 음파통신 모듈(232) 및 RS485 기반의 유선통신을 수행하는 유선통신 모듈(234)을 포함할 수 있다.
싱크 노드(200)는 N개의 센서 노드들(100)로부터 데이터를 수집하기 위하여 2개의 통신 모듈들(210, 220)이 요구된다. 예를 들어, 싱크 노드(200)에 의해 관리되는 다수의 센서 노드들(100)을 싱크 노드(200)를 기준으로 좌측의 센서 노드 그룹과 우측의 센서 노드 그룹으로 분류하여, 좌측의 인접한 센서 노드들 사이의 통신을 수행하여 제1 통신 모듈(210)을 통하여 싱크 노드(200)로 전송되고, 우측의 인접한 센서 노드들 사이의 통신을 수행하여 제2 통신 모듈(220)을 통하여 싱크 노드(200)로 전송될 수 있다. 다수의 센서 노드들(100)로부터 데이터 수신을 완료하면, 수집한 데이터를 제3 통신 모듈(230)을 통하여 게이트웨이(300a, 300b, 400)로 전송할 수 있다. 다시 말하면, N개의 센서 노드들(100)을 관리하는 경우에, 싱크 노드(200)는 3개의 통신 모듈들(210, 220, 230)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제3 통신 모듈들(210, 220, 230) 각각은 도 3의 통신 모듈(150)과 유사하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 동작 초기에는 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 수행하고, 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 수행할 수 없는 경우에 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 다른 하나를 수행할 수 있다.
경보 모듈(240)은 경보 데이터(WDAT)에 기초하여 상기 수중 경보를 발생하기 위한 경보 신호(UWS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 경보 데이터(WDAT)는 모니터링 센터(800)에서 생성되어 게이트웨이들(300a, 300b, 400)을 통해 제공되며, 경보작동 요청 메시지를 포함할 수 있다. 도 4에서는 경보 데이터(WDAT)가 경보 모듈(240)에 직접 제공되는 것으로 도시하였으나, 실제로는 제3 통신 모듈(230)을 통하여 경보 모듈(240)에 제공될 수 있다.
전원공급 모듈(260)은 제1 내지 제3 통신 모듈들(210, 220, 230), 경보 모듈(240) 및 마이크로 컨트롤러 장치(250)에 상기 전원을 공급할 수 있다. 전원공급 모듈(260)은 도 3의 전원공급 모듈(170)과 유사하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 하나로부터 필요한 전원을 공급받으며, 전력량이 부족한 경우에, 복수의 게이트웨이들(300a, 300b, 400) 중 하나로 전력 공급을 요청하여 필요한 전력을 공급받을 수 있다.
마이크로 컨트롤러 장치(250)는 제1 내지 제3 통신 모듈들(210, 220, 230) 및 경보 모듈(240)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러 장치(250)는 상술한 모든 동작들을 수행하도록 프로그램될 수 있다.
하우징 케이스(270)는 물로부터 제1 내지 제3 통신 모듈들(210, 220, 230), 경보 모듈(240), 마이크로 컨트롤러 장치(250) 및 전원공급 모듈(260)을 보호할 수 있다. 상술한 것처럼 싱크 노드(200)는 수중에 설치되므로 물로부터 보호가 필요하며, 따라서 하우징 케이스(270)를 포함하는 싱크 노드(200)가 수중터널(10) 외부에 설치되어 주기적인 모니터링을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 게이트웨이의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 게이트웨이(300)는 제1 통신 모듈(310), 제2 통신 모듈(320), 제3 통신 모듈(330), 제4 통신 모듈(340), 경보 모듈(350), 마이크로 컨트롤러 장치(360), 발전 모듈(370), 전력충전 모듈(380), 전원공급 모듈(390) 및 하우징 케이스(395)를 포함할 수 있다.
제1 통신 모듈(310)은 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 게이트웨이(300)에 의해 관리되는 1개의 싱크 노드(200)로부터 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 수신할 수 있다. 제1 통신 모듈(310)은 초음파 기반의 무선통신을 수행하는 음파통신 모듈(312) 및 RS485 기반의 유선통신을 수행하는 유선통신 모듈(314)을 포함할 수 있다. 제1 통신 모듈(310)은 도 3의 통신 모듈(150)과 유사하게 동작할 수 있다.
제2 통신 모듈(320)은 수중로봇(500)과의 통신을 수행할 수 있다. 제3 통신 모듈(330)은 로컬 게이트웨이들(300a, 300b) 사이의 통신을 수행할 수 있다. 제4 통신 모듈(340)은 글로벌 게이트웨이(400)와 모니터링 센터(800) 사이의 통신을 수행할 수 있다. 제2, 제3 및 제4 통신 모듈들(320, 330, 340)은 각각 무선 통신만을 수행할 수 있다.
구체적으로, 게이트웨이(300)는 제1 통신 모듈(310)을 통하여 데이터를 수집할 수 있다. 만약 게이트웨이(300)가 로컬 게이트웨이(300a, 300b)인 경우에, 수집된 데이터(즉, 모니터링 데이터들(MDAT))를 글로벌 게이트웨이(400)로 전송하기 위하여 인접한 로컬 게이트웨이로 먼저 데이터를 전송하는데, 이 때 제3 통신 모듈(330)을 이용할 수 있다. 만약 게이트웨이(300)가 글로벌 게이트웨이(400)인 경우에, 최종 수집된 데이터를 모니터링 센터(800)로 전송하기 위하여 제4 통신 모듈(340)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 제3 및 제4 통신 모듈들(330, 340)은 각각 LPWAN 방식의 무선통신을 수행할 수 있다.
또한, 게이트웨이(300)는 수중로봇(500)과의 협업을 수행할 수 있다. 수중로봇(500)이 수집한 데이터(즉, 이미지 데이터(IDAT)) 역시 모니터링 센터(800)로 전송되어야 하므로, 게이트웨이(300)는 제2 통신 모듈(320)을 통하여 수중로봇(500)으로부터 데이터를 수집하여 상술한 방법에 따라 모니터링 센터(800)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 제2 통신 모듈(320)은 WiFi 기반의 무선통신을 수행할 수 있다.
경보 모듈(350)은 경보 데이터(WDAT)에 기초하여 상기 수표면 경보를 발생하기 위한 경보 신호(SWS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 경보 데이터(WDAT)는 모니터링 센터(800)에서 생성되어 제공되며, 경보작동 요청 메시지를 포함할 수 있다. 도 5에서는 경보 데이터(WDAT)가 경보 모듈(350)에 직접 제공되는 것으로 도시하였으나, 실제로는 제3 및 제4 통신 모듈들(330, 340) 중 하나를 통하여 경보 모듈(350)에 제공될 수 있다. 또한, 경보 데이터(WDAT)는 수중 경보 발령을 위하여 제1 통신 모듈(310)을 통하여 싱크 노드(200)에 제공될 수 있다.
발전 모듈(370)은 자체적으로 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발전 모듈(370)은 태양광 발전 모듈을 포함할 수 있다. 전력충전 모듈(380)은 발전 모듈(370)에 의해 생성된 상기 전력을 저장할 수 있다. 예를 들어, 전력충전 모듈(380)은 배터리, 커패시터 등을 포함할 수 있다.
전원공급 모듈(390)은 전력충전 모듈(380)에 저장된 상기 전력에 기초하여 제1 내지 제4 통신 모듈들(310, 320, 330, 340), 경보 모듈(350) 및 마이크로 컨트롤러 장치(360)에 상기 전원을 공급할 수 있다. 전원공급 모듈(390)은 전력량이 부족한 경우에, 전력충전 모듈(380)로부터 필요한 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 전력충전 모듈(380)에 저장된 상기 전력은 센서 노드(100) 및 싱크 노드(200)의 전원공급 모듈(170, 260)에 연결된 전원 케이블을 통하여 전달될 수 있다.
마이크로 컨트롤러 장치(360)는 제1 내지 제4 통신 모듈들(310, 320, 330, 340) 및 경보 모듈(350)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러 장치(360)는 상술한 모든 동작들을 수행하도록 프로그램될 수 있다.
하우징 케이스(395)는 물로부터 제1 내지 제4 통신 모듈들(310, 320, 330, 340), 경보 모듈(350), 마이크로 컨트롤러 장치(360), 발전 모듈(370), 전력충전 모듈(380) 및 전원공급 모듈(390)을 보호할 수 있다. 상술한 것처럼 게이트웨이(300)는 수표면에 설치되므로 물로부터 보호가 필요하며, 따라서 하우징 케이스(395)를 포함하는 게이트웨이(300)가 수중터널(10) 외부의 환기탑(17)에 설치되어 주기적인 모니터링을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 수중터널용 원격 모니터링 시스템에 포함되는 모니터링 센터의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 모니터링 센터(800)는 통신 모듈(810), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)(820) 및 전원공급 모듈(830)을 포함할 수 있다.
통신 모듈(810)은 무선통신을 통하여 글로벌 게이트웨이(400)로부터 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 수신할 수 있다. 또한, 통신 모듈(810)은 상기 무선통신을 통하여 글로벌 게이트웨이(400)로 경보 데이터(WDAT)를 전송하거나 제어 데이터(CDAT)를 전송할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 센터(800)와 베이스 스테이션(600) 사이는 인터넷 통신구간이므로, 통신 모듈(810)은 베이스 스테이션(600)으로부터 모니터링 데이터들(MDAT)을 수신하거나 또는 베이스 스테이션(600)으로 경보 데이터(WDAT) 및/또는 제어 데이터(CDAT)를 전송하기 위하여 인터넷 통신 모듈일 수 있다.
중앙 처리 장치(820)는 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)에 기초하여, 실시간 모니터링 기능, 그래프 및 결함 분석 기능, 및 제어 및 경보 데이터 전송 기능(825)을 수행할 수 있다. 다시 말하면, 실시간 모니터링 기능, 그래프 및 결함 분석 기능, 및 제어 및 경보 데이터 전송 기능(825)은 중앙 처리 장치(820)에 의해 구현 및 실행될 수 있다.
구체적으로, 중앙 처리 장치(820)는 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)에 대한 보정(Calibration)을 수행하여 실시간 모니터링 결과를 생성하고 이를 표시(display)할 수 있다. 또한, 미리 정해진 시간 간격(예를 들어, 1시간 간격) 동안에 획득된 상기 실시간 모니터링 결과에 대한 평균 값을 산출하고, 상기 평균 값과 미리 정해진 임계 값을 비교할 수 있다. 비교 결과 상기 평균 값이 상기 임계 값보다 작으면 아무런 문제가 없는 것으로 판단하며, 상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에는 수중터널(10)에 이상이 있음을 감지하고 경보 데이터(WDAT)를 생성하여 통신 모듈(810)을 통하여 전송할 수 있다.
추가적으로, 중앙 처리 장치(820)는 상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에 경보 데이터(WDAT)를 생성하기 이전에 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 다시 수집하기 위한 제어 데이터(CDAT)를 생성하거나, 사용자 요청에 의해 복수의 모니터링 데이터들(MDAT)을 수집할 필요가 있는 경우에 제어 데이터(CDAT)를 생성할 수 있다.
모니터링 센터(800)가 경보 데이터(WDAT) 및/또는 제어 데이터(CDAT)를 전송하는 과정은 모니터링 데이터들(MDAT)을 수집하는 과정과 반대되며, 통신거리를 기반으로 데이터 전송이 이루어질 수 있다. 즉, 글로벌 게이트웨이(400)가 제일 먼저 데이터를 수신하면, 자신의 인접한 로컬 게이트웨이(300a)를 통하여 문제가 되는 구역의 로컬 게이트웨이 또는 전체 로컬 게이트웨이(300a, 300b)로 데이터 전송이 이루어지며, 이를 통하여 에너지를 고려한 데이터 통신을 수행할 수 있다. 상기 전송을 통하여 문제가 있는 해당 구역의 게이트웨이 뿐만 아니라 전체 로컬 게이트웨이(300a, 300b)는 데이터를 수신하면, 경보 데이터(WDAT)인 경우에 수표면에서의 경보를 발령하고 수중에서의 경보를 발령하기 위하여 경보 데이터(WDAT)는 바로 싱크 노드(200)로 전송되어, 최종적으로 싱크 노드(200)도 경보를 발령할 수 있다. 제어 데이터(CDAT)인 경우에는 게이트웨이(300a, 300b, 400), 싱크 노드(200)를 거쳐 최종적으로 센서 노드(100)로 전송되며, 이에 기초하여 다시 모니터링 데이터들(MDAT)을 수집할 수 있다.
전원공급 모듈(830)은 통신 모듈(810) 및 중앙 처리 장치(820)에 전원을 공급할 수 있다.
중앙 처리 장치(820)는 상술한 모든 동작들을 수행하도록 프로그램될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드를 포함하는 제품 등의 형태로 구현될 수도 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드는 다양한 컴퓨터 또는 다른 데이터 처리 장치의 프로세서로 제공될 수 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 컴퓨터로 판독 가능한 신호 매체 또는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체일 수 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는 명령어 실행 시스템, 장비 또는 장치 내에 또는 이들과 접속되어 프로그램을 저장하거나 포함할 수 있는 임의의 유형적인 매체일 수 있다. 예를 들어, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 비일시적은 저장 매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장 매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
본 발명은 수중 센서 네트워크를 포함하여 수중터널의 텐션 레그 모니터링을 위한 시스템에 적용될 수 있으며, 수중터널 뿐만 아니라 다른 수중 구조물에서 수중 센서 네트워크를 필요로 할 경우 본 시스템을 변형하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 터널 몸체(Tunnel Body), 복수의 텐션 레그들(Tension Legs), 복수의 앵커들 및 파운데이션들(Anchors and Foundations) 및 복수의 환기탑들(Ventilations)로 구성되는 수중터널(Submerged Floating Tunnel; SFT)의 상기 복수의 텐션 레그들을 모니터링하기 위한 수중터널용 원격 모니터링 시스템으로서,
    상기 복수의 텐션 레그들에 설치되는 복수의 센서부들을 각각 포함하고, 상기 터널 몸체에 설치되는 복수의 제어부들을 각각 포함하며, 상기 복수의 센서부들을 이용하여 복수의 모니터링 데이터들을 생성하는 복수의 센서 노드들(Sensor Nodes);
    상기 터널 몸체 및 상기 복수의 환기탑들의 접속 부분에 설치되고, 상기 복수의 센서 노드들 중 N(N은 2 이상의 자연수)개의 센서 노드들을 각각 관리하고, 상기 복수의 센서 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하며, 경보 데이터가 수신된 경우에 수중 경보를 발생하는 복수의 싱크 노드들(Sink Nodes);
    상기 복수의 환기탑들에 설치되고, 상기 복수의 싱크 노드들 중 1개의 싱크 노드를 각각 관리하고, 상기 복수의 싱크 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하고, 상기 경보 데이터가 수신된 경우에 수표면 경보를 발생하고, 상기 복수의 싱크 노드들 및 상기 복수의 센서 노드들에 전원을 공급하며, 복수의 로컬 게이트웨이들(Local Gateways) 및 상기 복수의 로컬 게이트웨이들을 관리하는 1개의 글로벌 게이트웨이(Global Gateway)를 포함하는 복수의 게이트웨이들(Gateways); 및
    상기 수중터널과 이격되어 설치되고, 상기 글로벌 게이트웨이를 관리하고, 상기 글로벌 게이트웨이로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하고, 상기 복수의 모니터링 데이터들을 이용하여 위험 감지 및 결함에 대한 분석을 수행하며, 상기 분석 결과에 기초하여 상기 경보 데이터를 생성하는 모니터링 센터(Monitoring Center)를 포함하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드들에 포함되는 상기 복수의 센서부들 각각은,
    상기 모니터링 데이터에 대응하는 센싱 값을 생성하는 적어도 하나의 센서; 및
    물로부터 상기 적어도 하나의 센서를 보호하기 위한 제1 하우징 케이스를 포함하며,
    상기 복수의 센서 노드들에 포함되는 상기 복수의 제어부들 각각은,
    상기 적어도 하나의 센서로부터 상기 센싱 값을 획득하는 인터페이스 모듈;
    유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 센싱 값에 대응하는 상기 모니터링 데이터를 상기 복수의 싱크 노드들 중 하나로 전송하는 통신 모듈;
    상기 인터페이스 모듈 및 상기 통신 모듈의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러 장치(Micro Controller Unit; MCU);
    상기 인터페이스 모듈, 상기 통신 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급하는 전원공급 모듈; 및
    상기 물로부터 상기 인터페이스 모듈, 상기 통신 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치 및 상기 전원공급 모듈을 보호하는 제2 하우징 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는,
    로드 셀(Load Cell) 및 FBG 센서 기반 광케이블(Fiber Bragg Grating (FBG) sensor based Fiber-optic cable)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 통신 모듈은,
    동작 초기에는 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 통하여 상기 모니터링 데이터를 전송하고, 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 하나를 수행할 수 없는 경우에 상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 다른 하나를 통하여 상기 모니터링 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드들 각각은 전력량이 부족한 경우에, 상기 복수의 게이트웨이들 중 하나로 전력 공급을 요청하여 필요한 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 싱크 노드들 각각은,
    유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 N개의 센서 노드들로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하는 제1 내지 제2 통신 모듈들;
    상기 유선통신 및 상기 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 수신된 복수의 모니터링 데이터들을 상기 복수의 게이트웨이들 중 하나로 전송하는 제3 통신 모듈;
    상기 경보 데이터에 기초하여 상기 수중 경보를 발생하는 경보 모듈;
    상기 제1 내지 제3 통신 모듈들 및 상기 경보 모듈의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러 장치;
    상기 제1 내지 제3 통신 모듈들, 상기 경보 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급하는 전원공급 모듈; 및
    물로부터 상기 제1 내지 제3 통신 모듈들, 상기 경보 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치 및 상기 전원공급 모듈을 보호하는 하우징 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수중터널에 대한 외부 모니터링을 수행하여 이미지 데이터를 획득하고, 무선통신을 통하여 상기 획득된 이미지 데이터를 상기 복수의 게이트웨이들 중 인접한 게이트웨이에 전송하는 적어도 하나의 수중로봇(Underwater Robot)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 게이트웨이들 각각은,
    유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나를 통하여 상기 1개의 싱크 노드로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하는 제1 통신 모듈;
    적어도 하나의 수중로봇을 더 포함하는 경우에, 상기 수중로봇으로부터 이미지 데이터를 수신하는 제2 통신 모듈;
    상기 로컬 게이트웨이인 경우에, 인접한 로컬 게이트웨이와의 통신을 위한 제3 통신 모듈;
    상기 글로벌 게이트웨이인 경우에, 상기 모니터링 센터와의 통신을 위한 제4 통신 모듈;
    상기 경보 데이터에 기초하여 상기 수표면 경보를 발생하는 경보 모듈;
    상기 제1 내지 제4 통신 모듈들 및 상기 경보 모듈의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러 장치;
    자체적으로 전력을 생성하는 발전 모듈;
    상기 발전 모듈에 의해 생성된 전력을 저장하는 전력충전 모듈;
    상기 전력충전 모듈에 저장된 전력에 기초하여 상기 제1 내지 제4 통신 모듈들, 상기 경보 모듈 및 상기 마이크로 컨트롤러 장치에 상기 전원을 공급하는 전원공급 모듈; 및
    물로부터 상기 제1 내지 제4 통신 모듈들, 상기 경보 모듈, 상기 마이크로 컨트롤러 장치, 상기 발전 모듈, 상기 전력충전 모듈 및 상기 전원공급 모듈을 보호하는 하우징 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링 센터는,
    무선통신을 통하여 상기 글로벌 게이트웨이로부터 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수신하는 통신 모듈;
    상기 복수의 모니터링 데이터들에 기초하여, 실시간 모니터링 기능, 그래프 및 결함 분석 기능, 및 제어 및 경보 데이터 전송 기능을 수행하는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU); 및
    상기 통신 모듈 및 상기 중앙 처리 장치에 전원을 공급하는 전원공급 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 중앙 처리 장치는,
    상기 복수의 모니터링 데이터들에 대한 보정(Calibration)을 수행하여 실시간 모니터링 결과를 생성하고,
    미리 정해진 시간 간격 동안에 획득된 상기 실시간 모니터링 결과에 대한 평균 값을 산출하고, 상기 평균 값과 미리 정해진 임계 값을 비교하며, 상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에 상기 경보 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 중앙 처리 장치는,
    상기 평균 값이 상기 임계 값을 초과하는 경우에 상기 경보 데이터를 생성하기 이전에 상기 복수의 모니터링 데이터들을 다시 수집하기 위한 제어 데이터를 생성하거나,
    사용자 요청에 의해 상기 복수의 모니터링 데이터들을 수집할 필요가 있는 경우에 상기 제어 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 수중터널용 원격 모니터링 시스템.

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