KR20220165690A - 상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템 - Google Patents

상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

상하수도관의 누수 검출 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 상하수도관에 설치되는 소리감지장치는, 상하수도관을 통해 전달되는 음파신호를 감지하는 음파신호 감지부, 상기 감지된 음파신호를 증폭시키는 증폭부, 상기 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별하는 판별부, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 증폭부의 증폭도를 조절하는 제어부, 및 상기 증폭도가 조절된 음파신호를 관리 서버로 전송하는 통신부를 포함한다.

Description

상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템 {SOUND SENSING DEVICE INSTALLED IN WATER AND SEWER PIPES, AND WATER LEAK DETECTION SYSTEM INCLUDING THE DEVICE}
본 발명은 상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 누수음의 증폭으로 인해 발생하는 누수 지점의 오류를 해소할 수 있는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수돗물은 정수장에서 정수 처리된 뒤 공급된다. 안정적으로 수돗물을 공급하기 위해서는, 정수장으로부터 수요자의 계량기까지 물을 공급하기 위한 상수관망을 거치고, 수요자가 사용한 물을 배출하기 위해서는 하수관망을 거치도록 구성된다.
물은 인간생활에서 없어서는 안되는 요소이므로, 상수관망 및 하수관망은 도시를 포함한 생활시설의 필수적인 기반 시설이다. 이러한 상하수도관은 정수장으로부터 연결되는 관을 통해 수돗물을 이동시키는데, 주로 지하에 매설되는 형태로 형성된다.
이로 인해, 상하수도관이 파손되거나 노후되었을 때 그 상태를 정확하게 파악할 수 없는 문제점이 있다. 상하수도관이 파손되는 경우, 누수가 발생하여 경제적인 손실을 가져오게 되고, 노후관이 방치되면 녹물이 발생할 수 있으며, 파손 부위를 통해 오염물질이 침투하여 수질 관리에 문제가 발생한다.
상하수도관을 관리하는 주체에서는 수질 관리 문제를 해소하기 위하여, 상하수도관의 설치시기에 따라 노후관을 순차적으로 교체하는 방안을 사용한다. 하지만, 상하수도관의 파손이 노후 상태와 반드시 비례하지는 않는다. 상하수도관의 상태는 매설된 땅의 상태에 따라서도 현저히 차이가 발생한다. 그러므로, 노후관을 순차적으로 교체하는 방안은 실질적으로 파손된 상하수도관만을 골라내 교체하는 것이 아니라, 경제성 및 효율성 측면에서 매우 바람직하지 못한 방안이다.
이에, 상하수도관에 직접적으로 파손이 발생한 위치를 찾아내어 해당 관만을 교체하도록 하기 위한 방안들이 제시되고 있다. 예를 들면, 상하수도관의 외주면에 소리감지센서를 부착시켜 물의 흐름에 의해 발생되는 소리를 감지하는 방안이 있다.
이 방안은, 누수가 발생하였을 경우 물의 소리가 달라진다는 점에서 착안한 것으로, 설치가 용이한 장점이 있으나, 소리감지센서가 상하수도관의 외주면에 설치되는 것이어서, 파이프의 두께 및 파이프의 재질에 따라 소리 감지에 큰 영향을 받게 되어, 정확한 소리를 측정하기 어려운 문제점이 있다.
특히, 누수음은 기본적으로 매우 작은 소리인 관계로, 누수 감지기에 필수적으로 앰프를 내장하여 누수음을 증폭시키도록 구성한다. 그런데, 누수음의 증폭 설정이 과하게 되면, 신호의 피크가 앰프의 증폭 한계를 초과하여 포화될 수 있는데, 이 경우 신호의 왜곡이 발생하게 된다. 결국, 신호의 왜곡으로 인해 신호의 형상이 달라지므로, 누수음의 처리 과정에서의 정확도 저하, 및 정확한 누수 지점 도출이 어려워지는 문제점이 있다.
국내공개특허공보 제10-2022-0061559호(2022. 05. 13. 공개)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 증폭된 누수음에 패스트 퓨리에 변환을 적용하여 오류가 발생하지 않는 최대 증폭 범위를 도출함으로써, 정확한 누수지점을 찾아낼 수 있는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치 및 이를 포함하는 누수 검출 시스템을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 상하수도관에 설치되는 소리감지장치는, 상하수도관을 통해 전달되는 음파신호를 감지하는 음파신호 감지부, 상기 감지된 음파신호를 증폭시키는 증폭부, 상기 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별하는 판별부, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 증폭부의 증폭도를 조절하는 제어부, 및 상기 증폭도가 조절된 음파신호를 관리 서버로 전송하는 통신부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭부의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키고, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭도를 반복적으로 감소시킬 수 있다.
상기 판별부는, 상기 증폭된 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 상기 패스트 푸리에 변환 결과를 이용하여 상기 직류성분을 판별할 수 있다.
상기 음파신호 감지부에 의해 감지된 음파신호를 저장하는 저장부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 증폭도가 조절된 음파신호와 함께 상기 저장부에 저장된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하도록 상기 통신부를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 상하수도관의 누수 검출 시스템은, 상하수도관에 일정 간격 이격되어 각각 설치되고, 상기 상하수도관으로부터 전달되는 음파신호를 감지하여 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키며, 상기 증폭된 음파신호에 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭도를 조절하여 전송하는 복수의 소리감지장치, 및 상기 복수의 소리감지장치로부터 수신한 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는 관리 서버를 포함한다.
상기 소리감지장치는, 상기 상하수도관으로부터 상기 음파신호를 감지하는 음파신호 감지부, 상기 감지된 음파신호를 증폭시키는 증폭부, 상기 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별하는 판별부, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 증폭부의 증폭도를 조절하는 제어부, 및 상기 증폭도가 조절된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하는 통신부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭부의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키고, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭도를 반복적으로 감소시킬 수 있다.
상기 판별부는, 상기 증폭된 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 상기 패스트 푸리에 변환 결과를 이용하여 상기 직류성분을 판별할 수 있다.
상기 소리감지장치는, 상기 음파신호 감지부에 의해 감지된 음파신호를 저장하는 저장부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 증폭도가 조절된 음파신호와 함께 상기 저장부에 저장된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하도록 상기 통신부를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 상하수도관의 누수 검출 시스템은, 상하수도관에 일정 간격 이격되어 각각 설치되고, 상기 상하수도관으로부터 전달되는 음파신호를 감지하여 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키는 복수의 소리감지장치, 및 상기 복수의 소리감지장치로부터 증폭된 음파신호를 수신하고, 상기 수신된 음파신호에 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭도를 조절하도록 제어하고, 상기 복수의 소리감지장치로부터 수신한 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는 관리 서버를 포함한다.
상기 관리 서버는, 상기 복수의 소리감지장치로부터 상기 증폭된 음파신호를 수신하는 네트워크 인터페이스부, 상기 수신한 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 FFT 변환부, 및 상기 음파신호에 대한 상호상관 연산을 적용하여 상기 누수지점을 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 매우 작은 소리인 누수음을 감지하기 위하여 필연적으로 구성되는 증폭기에 의해 음파신호가 증폭되어 발생하는 신호의 왜곡을 간단한 패스트 퓨리에 연산에 의해 해소할 수 있는 상하수도관의 누수 검출 시스템 및 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 패스트 퓨리에 연산에 의해 직류 성분이 검출되면, 음파신호의 증폭도를 단계적으로 감소시킴으로써, 신호가 포화되지 않을 정도의 적절한 증폭도를 적용하여 정확한 누수지점을 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누수 검출 시스템의 네트워크 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상하수도관에 설치되는 소리감지장치의 블럭도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 누수 검출 시스템의 설치 예를 보인 도면,
도 4는 도 3에 도시한 관리 서버의 블럭도, 그리고,
도 5는 본 발명의 소리감지장치에서 감지하는 음파신호를 설명하기 위한 도면,
도 6은 음파신호의 직류성분을 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상하수도관의 누수 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.
또한, 제1 엘리먼트 (또는 구성요소)가 제2 엘리먼트(또는 구성요소) 상(ON)에서 동작 또는 실행된다고 언급될 때, 제1 엘리먼트(또는 구성요소)는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)가 동작 또는 실행되는 환경에서 동작 또는 실행되거나 또는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)와 직접 또는 간접적으로 상호 작용을 통해서 동작 또는 실행되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템이 프로그램 또는 소프트웨어로 이루어진 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우, 명시적인 언급이 없더라도, 그 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템은 그 프로그램 또는 소프트웨어가 실행 또는 동작하는데 필요한 하드웨어(예를 들면, 메모리, CPU 등)나 다른 프로그램 또는 소프트웨어(예를 들면 운영체제나 하드웨어를 구동하는데 필요한 드라이버 등)를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 어떤 엘리먼트(또는 구성요소)가 구현됨에 있어서 특별한 언급이 없다면, 그 엘리먼트(또는 구성요소)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어 및 하드웨어 어떤 형태로도 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누수 검출 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 누수 검출 시스템을 살펴보면, 서로 네트워크를 통해 통신이 가능한 소리감지장치(100) 및 관리 서버(200)로 이루어진다.
소리감지장치(100)는 상하수도관에 인접하게 설치되어 상하수도관을 통해 전달되는 음파신호를 감지하고, 이 음파신호의 증폭을 수행한 후 이 음파신호를 관리 서버(200)로 전송한다. 소리감지장치(100)에 관하여는 후술하는 도 2에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
관리 서버(200)는 상하수도관에 설치되는 복수의 소리감지장치(100)들로부터 음파신호를 전송받고, 이 음파신호를 이용하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상하수도관에 설치되는 소리감지장치의 블럭도이다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 소리감지장치(100)는 음파신호 감지부(110), 증폭부(120), 판별부(130), 저장부(140), 통신부(150), 및 제어부(160)를 포함한다.
음파신호 감지부(110)는 상하수도관을 통해 전달되는 음파신호를 감지한다. 음파신호 감지부(110)는 상하수도관의 음파신호를 감지하기 위해, 소리 센서로 구성될 수 있다. 음파신호 감지부(110)에 의해 감지되는 음파신호의 파형은 후술하는 도 5에서 보다 상세히 살펴보도록 한다.
증폭부(120)는 음파신호 감지부(110)에 의해 감지된 음파신호를 기설정된 증폭도에 의해 증폭시킨다. 증폭부(120)에 설정된 증폭도가 너무 크면 증폭된 신호에 포화가 발생하므로, 후술하는 제어부(160)의 제어에 의해 증폭도가 조절될 수 있다.
판별부(130)는 증폭부(120)에 의해 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별한다. 음파신호에 직류성분이 포함되는 것은 증폭부(120)에 의해 증폭된 신호에 포화가 발생하였기 때문에 발생하는 것으로, 이는 누수 지점 감지에 오류를 발생시키는 요인이 되므로, 판별부(130)에서는 증폭된 신호에 직류성분이 포함되어 있는지를 판별한다.
즉, 판별부(130)는 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)을 수행한다. 판별부(130)에서 음파신호에 대한 FFT를 수행하게 되면, 증폭된 음파신호에 직류(DC)성분이 포함되었는지를 파악할 수 있다.
저장부(140)는 소리감지장치(100)의 동작에 필요한 모든 정보를 저장할 수 있다. 특히, 저장부(140)는 음파신호 감지부(110)에 의해 감지된 음파신호를 저장해 둔다. 이를 통해, 제어부(160)는 증폭되기 이전 즉, 음파신호 감지부(110)에 의해 감지된 원음 형태의 소리를 관리 서버(200)로 전송할 수 있다.
통신부(150)는 소리감지장치(100)와 관리 서버(200) 간의 네트워크 통신을 지원한다. 즉, 통신부(150)는 제어부(160)의 제어에 의해, 관리 서버(200)로 증폭된 음파신호 및 저장부(140)에 저장된 원음 형태의 음파신호를 전송할 수 있다.
제어부(160)는 소리감지장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 즉, 제어부(160)는 음파신호 감지부(110), 증폭부(120), 판별부(130), 저장부(140), 및 통신부(150)들 간의 신호 입출력을 제어한다.
제어부(160)는 판별부(130)에 의해 음파신호에 직류성분이 검출되면, 증폭부(120)의 증폭도를 조절한다. 보다 구체적으로, 제어부(160)는 판별부(130)에 의해 음파신호에 직류성분이 검출되면, 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭부(120)의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키고, 판별부(130)에 의해 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭도를 반복적으로 감소시킨다. 이에 의해, 음파신호 감지부(110)에 의해 감지된 신호는, 증폭부(120)에 의해 증폭되지만 포화가 발생하지 않는 범위에서 증폭되도록 조절될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 상하수도관의 누수 검출 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 소리감지장치(100a)(100b)에서 포화가 발생되지 않는 범위에서 조절되어 증폭된 음파신호를 수신하고, 이에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는 관리 서버(200)를 포함한다.
도 3은 누수 검출 시스템의 설치 예를 보인 도면으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 누수 검출 시스템을 살펴보면, 한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b), 중계장치(400), 및 관리 서버(500)를 포함한다.
누수예상관로(L)의 일측에 누수지점(P)이 존재한다. 하지만, 사용자 혹은 관리자는 누수예상관로(L)의 어느 지점에 누수지점(P)이 있는지를 알고 있는 상태가 아니므로, 단지 누수가 예상되는 관로에 일정 간격 이격되도록 한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b) 및 중계장치(400)를 설치하게 된다. 이후, 한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b)와 중계장치(400)를 동작시켜, 누수예상관로(L)의 어느 지점에서 누수가 발생하였는지를 찾아내도록 한다.
한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b)는 누수예상관로(L)의 양단에 각각 설치되고, 음파신소 감지부(110)에 의해 감지된 음파신호를 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키는 증폭부(120)가 포함된다.
도시하지는 않았으나, 한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b)는 각각 온도 센서를 포함할 수 있다. 여기서, 온도 센서는 물의 온도에 따라 소리의 전달속도가 달라질 수 있음은 감안하기 위하여, 상하수도관 내에 흐르는 물의 온도를 측정하여 반영할 수 있다. 또한, 통신기는 중계장치(400)와의 통신을 지원할 수 있다.
중계장치(400)는 한 쌍의 소리감지장치(100a, 100b)와 통신이 가능하여, 각각의 소리감지장치(100a, 100b)로부터 출력되는 각각의 음파신호를 수신하고, 이 수신된 음파신호를 네트워크 통신을 통해 관리 서버(200)로 전송한다.
이때, 중계장치(400)를 거치지 않고 소리감지장치(100a, 100b)에서 통신부(150)을 통하여 직접 관리 서버(500)로 전송할 수 있다.
관리 서버(200)는 수신된 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점(P)을 검출하고, 이를 디스플레이 또는 관리자 단말기로 안내할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 누수 검출 시스템은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b), 중계장치(400), 및 관리 서버(500)를 포함한다.
누수예상관로(L)의 일측에 누수지점(P)이 존재한다. 하지만, 사용자 혹은 관리자는 누수예상관로(L)의 어느 지점에 누수지점(P)이 있는지를 알고 있는 상태가 아니므로, 단지 누수가 예상되는 관로에 일정 간격 이격되도록 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b) 및 중계장치(400)를 설치하게 된다. 이후, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)와 중계장치(400)를 동작시켜, 누수예상관로(L)의 어느 지점에서 누수가 발생하였는지를 찾아내도록 한다.
한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)는 누수예상관로(L)의 양단에 각각 설치되고, 소리센서(미도시)에 의해 감지된 음파신호를 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키는 증폭기(미도시)가 포함된다.
도시하지는 않았으나, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)는 각각 소리센서 및 증폭기 외에도 온도 센서, 메모리, 통신기를 포함할 수 있다. 여기서, 온도 센서는 물의 온도에 따라 소리의 전달속도가 달라질 수 있음은 감안하기 위하여, 상하수도관 내에 흐르는 물의 온도를 측정하여 반영할 수 있다. 또한, 통신기는 중계장치(400)와의 통신을 지원할 수 있다.
중계장치(400)는 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)와 통신이 가능하여, 각각의 소리감지장치(300a, 300b)로부터 출력되는 각각의 음파신호를 수신하고, 이 수신된 음파신호를 네트워크 통신을 통해 관리 서버(500)로 전송한다.
즉, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)는 비용 절감의 차원에서 근거리 통신만이 가능한 구성이고, 근거리 통신을 통해 중계장치(400)로 음파신호를 전송한다. 중계장치(400)는 네트워크 통신이 가능한 장치로, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)와 근거리 통신을 통해 음파신호를 수신하고, 이 수신한 음파신호를 관리 서버(500)로 전송한다.
관리 서버(500)는 중계장치(400)와의 네트워크 통신을 통해 음파신호를 전송받아 이 음파신호를 통해 누수지점을 찾아낸다. 관리 서버(500)에 관하여는 후술하는 도 4에서 보다 상세히 설명한다.
도 4는 도 3에 도시한 관리 서버의 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 관리 서버(500)는 네트워크 인터페이스부(510), 검출부(520), FFT 변환부(530), 저장부(540), 및 제어부(550)를 포함한다.
네트워크 인터페이스부(510)는 관리 서버(500)의 네트워크 인터페이스를 지원한다. 즉, 네트워크 인터페이스부(510)는 중계장치(400)와 통신하여 중계장치(400)로부터 음파신호를 수신한다.
검출부(520)는 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점(P)을 검출한다. 이때, 검출부(520)에서 상호상관 연산에 사용하는 음파신호는 후술하는 제어부(550)의 동작에 의해 직류성분이 포함되지 않은 음파신호일 수 있다.
FFT 변환부(530)는 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)을 수행한다. FFT 변환부(530)에서 음파신호에 대한 FFT를 수행하게 되면, 증폭된 음파신호에 직류(DC)성분이 포함되었는지를 파악할 수 있다.
저장부(540)는 본 관리 서버(500)의 동작에 필요한 모든 정보를 저장한다. 예를 들면, 저장부(540)는 FFT 변환부(530)에서 FFT 수행을 위한 연산식, 및 제어부(550)에서 상호상관 연산 수행을 위한 연산식 등을 저장할 수 있다.
제어부(550)는 본 관리 서버(500)의 전반적인 동작을 제어한다. 즉, 제어부(550)는 네트워크 인터페이스부(510), 검출부(520), FFT 변환부(530), 및 저장부(540)들 간의 신호 입출력을 제어한다.
제어부(550)는 네트워크 인터페이스부(510)를 통해 음파신호가 수신되면, FFT 변환부(530)를 통해 FFT를 수행하도록 하고, FFT가 수행된 음파신호에 직류성분이 포함되어 있는지의 여부를 검출한다.
제어부(550)는 음파신호에 직류성분이 검출되면, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)로 증폭기의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키는 제어신호를 전송함으로써, 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)가 음파신호의 증폭도를 감소시키도록 한다. 제어부(550)는 음파신호의 증폭도를 감소시킬 때마다 해당 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판단하는 과정이 반복되도록 제어하고, 음파신호에 직류성분이 검출되지 않을 때까지 반복한다. 이후, 더 이상 음파신호에 직류성분이 검출되지 않는 것으로 판단되면, 검출부(520)가 동작하도록 제어한다.
도 5는 본 발명의 소리감지장치에서 감지하는 음파신호를 설명하기 위한 도면이다.
(a)는 일반적인 형태의 음파신호를 예시한 것이다. 측정시간(t)에 따른 누수음의 웨이브 파형을 보인다. 상하수도관에 누수가 발생하였다면, 소리감지장치(100, 300a, 300b)에서 (a)와 같은 누수음을 감지할 수 있다.
상하수도관에는 도 1에서 예시한 소리감지장치(100)가 복수의 지점에 각각 설치될 수 있고, 혹은 도 3에서 예시한 소리감지장치(300a, 300b)가 설치될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 소리감지장치(300a, 300b)이 설치된 상태에서의 소리 감지 상태를 설명하도록 한다.
A지점에 설치된 소리감지장치(100a)와 B지점에 설치된 소리감지장치(100b)는 누수지점(P)과 그 거리가 서로 다르므로, 누수음이 각 소리감지장치(300a, 300b)에 도달하는 시간도 서로 상이하다.
(b)는 B지점에 설치된 소리감지장치(100b)에 의해 감지된 누수음의 파형을 도시한 것이고, (c)는 A지점에 설치된 소리감지장치(100a)에 의해 감지된 누수음의 파형을 도시한 것이다.
누수지점(P)은 상대적으로 B지점과 가깝지만 A지점과는 먼 거리에 있다. 그러므로, 누수지점(P)과 가까운 B지점에 설치된 소리감지장치(100b)는 T2만큼 지연되어 누수음을 감지하게 되고, 누수지점(P)과 먼 A지점에 설치된 소리감지장치(100a)는 T1만큼 지연되어 누수음을 감지하게 된다.
누수지점(P)으로부터 A지점에 설치된 소리감지장치(100a)에 누수음이 도달하는 시간을 T1이라 하고, B지점에 설치된 소리감지장치(100b)에 누수음이 도달하는 시간을 T2라 할 때, T1 > T2의 상태로 나타난다.
이때, T1과 T2의 차이를 △T라 한다. 이러한 원리를 이용하여, 상호상관 연산에 의해 파형의 형태가 동일한 구간을 찾아낸다. 즉, (b)와 (c)의 파형을 시간축으로 시프트(shift) 하면서 두 파형이 같아지는 시간이 언제인지를 확인하면, 결국 그 시간이 △T가 된다.
도 6은 음파신호의 직류성분을 설명하기 위한 도면이다.
(a)에 누수음의 원래 형태의 파형을 예시하였다. 즉, (a)에 도시한 파형은 증폭되기 이전의 파형에 해당하는 것으로, 통상적인 웨이브 형태의 파형이다.
그런데, 누수음은 기본적으로 작은 소리임에 따라, 소리감지장치(100, 300a, 300b)에서 누수음을 증폭시킨 후 출력하게 된다. 이때, 누수음을 증폭시키는 증폭도는 기설정되어 있게 되는데, 설정값에 따라 증폭이 과하게 되는 경우가 발생한다.
(a)의 누수음이 소리감지장치(100, 300a, 300b)에 의해 감지되고 정상적으로 증폭이 되면, (b)와 같이 파형의 크기만 커진 웨이브 형태의 파형으로 나타난다. 이러한 경우, 소리감지장치(100) 혹은 관리 서버(500)에서 상호상관 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는데 오류가 발생하지 않는다.
하지만, 소리감지장치(100, 300a, 300b)에서 증폭이 과하게 이루어진 경우, 즉, (c)와 같이 증폭도가 너무 크게 증폭이 된 경우에는 신호의 피크가 증폭 한계를 초과하여 포화되는 현상이 발생한다. 이 경우, C1 및 C2에 도시한 바와 같이 신호의 왜곡이 발생한다. 이러한 신호의 왜곡이 발생하게 되면, 누수 발생을 감지하는 것에 오류가 발생한다. 경우에 따라서는, 누수가 있음에도 누수 사실을 발견하지 못하는 상황도 발생하게된다.
그러므로, 본 발명에서는 소리감지장치(100, 300a, 300b)에서의 과한 증폭에 의해 신호의 왜곡이 발생한 상황을 해소하기 위하여, 판별부(130) 혹은 FFT 변환부(530)에서 음파신호에 대하여 FFT를 수행하여 직류 성분이 나타나도록 한다. 이를 통해, 음파신호에 직류 성분이 포함되었는지의 여부를 판단하여, 직류 성분이 검출된 경우에는 증폭도를 낮추도록 하여 음파신호를 재수신한다. 이후, 다시 FFT를 수행하고 직류 성분의 포함 여부를 판단하여 음파신호에 직류 성분이 포함되지 않은 것으로 판단될 때, 상호상관 연산을 수행하여 누수지점을 검출하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상하수도관의 누수 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
여기에서는, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상하수도관의 누수 검출 방법을 설명하도록 한다.
누수가 예상되는 상하수도관 즉, 누수예상관로(L)에 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b), 및 중계장치(400)를 설치한다. 한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)에서 음파신호를 감지한다(S310). 이때, 중계 장치(400)는 관리자가 소지하고 있는 상태일 수 있다
한 쌍의 소리감지장치(300a, 300b)에서는 소리센서가 누수가 있는 경우 누수음을 감지하게 되고, 누수음이 감지되면 증폭기에서 이를 증폭시킨다(S320). 소리감지장치(300a, 300b)는 증폭된 누수음을 중계장치(400)로 전송한다.
중계장치(400)는 소리감지장치(300a, 300b)로부터 전달받은 누수음을 관리 서버(500)로 전송한다. 이에 의해, 관리 서버(500)는 네트워크 인터페이스부(510)를 통해 이 누수음을 수신하고, FFT 변환부(530)에서 누수음에 대한 FFT를 수행한다(S330).
제어부(550)은 FFT 수행된 누수음에 대하여 직류성분이 검출되는지를 판단하게 된다(S340). S340 단계에서, 누수음에 직류성분이 검출되면(S340-Y), 제어부(550)는 소리감지장치(300a, 300b)의 증폭도를 감소시키는 제어신호를 소리감지장치(300a, 300b)로 전송하여 증폭도를 감소시키도록 한다. 이러한 동작에 의해, 소리감지장치(300a, 300b)에서는 현재의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시켜 누수음을 다시 증폭시켜 관리 서버(500)로 전송한다(S350).
증폭도가 감소한 누수음은 중계장치(400) 및 네트워크 인터페이스부(510)를 통해 관리 서버(500)로 수신되고, FFT 변환부(530)에서 FFT가 수행된다. 이후, 제어부(550)는 다시 이 음파신호에 직류 성분이 포함되어 있는지를 판단한다(S370).
S370 단계에서, 직류 성분이 더 이상 검출되지 않는다면(S370-Y), 검출부(520)에서 상호상관 연산을 적용하여 누수지점을 검출한다(S390). 만약, S370 단계에서, 직류 성분이 재차 검출되면, 제어부(550)는 증폭도를 다시 감소시키는 제어신호를 중계장치(400)를 통해 소리감지장치(300a, 300b)로 전송하게 된다. 이후, S350 단계부터 다시 반복한다.
즉, 본 발명의 상하수도관의 누수 검출 방법에 따르면, 누수음에 따른 음파신호가 필연적으로 증폭되어 전달됨에 따라 발생할 수 있는 신호 왜곡 문제를 해소하기 위하여, 직류 성분을 검출할 수 있는 패스트 퓨리에 변환을 적용한 후, 상호상관 연산을 적용한다. 또한, 음파신호에 직류 성분이 검출되지 않을 때까지 음파신호의 증폭도를 단계적으로 감소시킴에 따라, 증폭도를 과도하게 줄이지 않고, 포화되지 않을 정도의 적절한 증폭도를 설정할 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 300a, 300b : 소리감지장치
110 : 음파신호 감지부
120 : 증폭부
130 : 판별부
140 : 저장부
150 : 통신부
160 : 제어부
200, 500 : 관리 서버
400 : 중계장치

Claims (11)

  1. 상하수도관을 통해 전달되는 음파신호를 감지하는 음파신호 감지부;
    상기 감지된 음파신호를 증폭시키는 증폭부;
    상기 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별하는 판별부;
    상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 증폭부의 증폭도를 조절하는 제어부; 및
    상기 증폭도가 조절된 음파신호를 관리 서버로 전송하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭부의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키고, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭도를 반복적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 판별부는, 상기 증폭된 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 상기 패스트 푸리에 변환 결과를 이용하여 상기 직류성분을 판별하는 것을 특징으로 하는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음파신호 감지부에 의해 감지된 음파신호를 저장하는 저장부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 증폭도가 조절된 음파신호와 함께 상기 저장부에 저장된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하도록 상기 통신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 상하수도관에 설치되는 소리감지장치.
  5. 상하수도관에 일정 간격 이격되어 각각 설치되고, 상기 상하수도관으로부터 전달되는 음파신호를 감지하여 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키며, 상기 증폭된 음파신호에 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭도를 조절하여 전송하는 복수의 소리감지장치; 및
    상기 복수의 소리감지장치로부터 수신한 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는 관리 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소리감지장치는,
    상기 상하수도관으로부터 상기 음파신호를 감지하는 음파신호 감지부;
    상기 감지된 음파신호를 증폭시키는 증폭부;
    상기 증폭된 음파신호에 직류성분의 포함여부를 판별하는 판별부;
    상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 증폭부의 증폭도를 조절하는 제어부; 및
    상기 증폭도가 조절된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되면, 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭부의 증폭도를 기설정된 크기만큼 감소시키고, 상기 판별부에 의해 상기 직류성분이 검출되지 않을 때까지 상기 증폭도를 반복적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 판별부는, 상기 증폭된 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 상기 패스트 푸리에 변환 결과를 이용하여 상기 직류성분을 판별하는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 소리감지장치는, 상기 음파신호 감지부에 의해 감지된 음파신호를 저장하는 저장부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 증폭도가 조절된 음파신호와 함께 상기 저장부에 저장된 음파신호를 상기 관리 서버로 전송하도록 상기 통신부를 제어하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  10. 상하수도관에 일정 간격 이격되어 각각 설치되고, 상기 상하수도관으로부터 전달되는 음파신호를 감지하여 기설정된 증폭도에 의해 증폭시키는 복수의 소리감지장치; 및
    상기 복수의 소리감지장치로부터 증폭된 음파신호를 수신하고, 상기 수신된 음파신호에 직류성분이 검출되지 않을 때까지 증폭도를 조절하도록 제어하고, 상기 복수의 소리감지장치로부터 수신한 음파신호에 대하여 상호상관(Cross-correlation) 연산을 적용하여 누수지점을 검출하는 관리 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 관리 서버는,
    상기 복수의 소리감지장치로부터 상기 증폭된 음파신호를 수신하는 네트워크 인터페이스부;
    상기 수신한 음파신호에 대한 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 FFT 변환부; 및
    상기 음파신호에 대한 상호상관 연산을 적용하여 상기 누수지점을 검출하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하수도관의 누수 검출 시스템.
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