KR20230174936A - 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법 - Google Patents

적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

노변에 설치하는 고정식 적외선 센서로부터 획득된 데이터 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 간단하게 탐지할 수 있으며, 또한, 도로상의 결빙 취약구간에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지함으로써 전국적으로 광역적인 구간의 정보 수집원으로 활용할 수 있는, 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법이 제공된다.

Description

적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법 {FREEZING DETECTION SYSTEM FOR ROAD SURFACE USING ROAD SURFACE TEMPERATURE DATA BASED ON INFRARED RAY SENSOR, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 노면 결빙 탐지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 노면온도 감지용 고정식 적외선 센서로부터 획득된 데이터 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 이를 통해 노면의 결빙을 탐지하는, 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 결빙, 적설 등의 악천후 노면상태 정보는 효율적인 도로관리 및 교통안전에 중요한 역할을 한다. 특히, 고속도로에서 발생하는 겨울철 사고와 같이, 운전자가 인지하기 힘든 노면상태는 교통안전을 위협하는 요소로 작용한다. 예를 들면, 도로교통공단이 밝힌 최근 5년간 도로 노면 상태별 교통사고 현황자료에 따르면, 서리 또는 결빙으로 인한 교통사고는 2014년 1,812건, 2015년 847건, 2016년 1,135건, 2017년 1,359건, 2018년 1,349건으로 집계됐다. 이로 인한 5년간 사망자는 198명, 부상자는 11,837명인 것으로 보고되었다.
따라서 결빙, 적설 등 위험한 노면상태 정보를 사전에 인지하는 것이 무엇보다 중요하다. 이러한 노면상태 정보를 수집하기 위해서, 예를 들면, 노면에 매설하는 센서를 사용하고 있다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 도로 기상정보 시스템을 간략히 나타낸 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 노면센서로서 매설형 센서를 예시하는 사진이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 현재 국내의 고속도로 등에 설치되어 운영되고 있는 도로기상정보 시스템(Road Weather Information System: RWIS)은 도로변에 관측장비를 설치하고, 온도센서 및 습도센서가, 도 1b에 도시된 바와 같이, 도로 표면에 매설된다.
이러한 센서들은 도로의 기상정보를 수집하여 기지국으로 전달하고, 기지국은 유무선 통신망을 통해서 교통센터로 전송한다.
그러면 교통센터는 전광판 등을 통해 도로의 노면상태에 대한 정보를 운전자에게 제공할 수 있다.
여기서, 종래의 기술에 따른 매설형 센서(10)는 포장 덧씌우기, 중차량에 의한 파손 등의 문제가 있고, 이동성이 없어 연속적인 구간에 대한 정보수집이 불가능하다는 문제점이 있다.
뿐만 아니라 대당 2~3천만 원에 달하는 비용적인 측면 때문에 일부 지역에서 시범적으로 설치되는 경우가 있었으나, 광역적인 구간의 정보 수집원으로서 활용되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 도로의 동결, 적설 등의 위험 상태를 자동으로 감지하여 이를 운전자에게 미리 알려줌으로써 운전 사고를 줄이기 위한 노면상태 판별장치에 관한 여러 기술들이 공지되어 있다.
종래의 노면상태 판별장치들은, 도 1b에 도시된 매설식 센서를 장착하거나 또는 사람이 도로의 각 지점에 설치되어 있는 카메라를 주시하여 판단하는 방법을 이용하였다.
그러나 이러한 종래의 노면상태 판별장치들은 상대적으로 높은 장착비용, 인건비 상승 및 잦은 고장 등의 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도로에 설치된 카메라로부터 취득된 영상 정보와 주변에 설치된 센서를 통해 얻어진 온도 또는 습도 등의 추가 정보를 분석하여 노면 상태를 자동으로 판단하는 노면상태 판별장치가 연구되고 있다.
예를 들면, 편광필터를 회전시키면서 노면 상태를 판정하는 방법이 있다.
한편, 노면 결빙 예측과 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1280361호에는 "노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2a는 종래의 기술에 따른 편광영상 및 ECU 정보를 활용한 이동식 노면상태 자동검지 시스템을 구비한 차량을 예시하며, 도 2b는 도 2a에 도시된 이동식 노면상태 자동검지 시스템을 구비한 차량의 주행을 예시하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 편광영상 및 ECU 정보를 활용한 이동식 노면상태 자동검지 시스템을 구비한 차량(30)은, 전방에 차량외부 센서(21), 예를 들면, 비접촉식 온도 센서를 장착하여 노면온도를 측정한다.
이러한 비접촉식 온도센서는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 차량(30) 전면의 범퍼 또는 라디에이터 그릴(Radiator Grille) 안쪽에 장착 가능한 구조로서, 차량(30)의 훼손 없이 안정적으로 장착되고, 노면온도 측정 지점의 조절이 가능하도록 각도 조절이 가능한 구조를 갖는다.
또한, 차량(30)의 ECU(22)로부터 차량주행 정보 및 외부온도 정보인 주행환경 정보를 취득할 수 있다. 이때, ECU(22)의 OBD-Ⅱ 단자 전용 커넥터를 사용하는 OBD 단자 전용케이블을 제작함으로써, ECU(22)와 센서정보 취합모듈(23)의 연결을 용이하게 한다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 차량(30)의 유리창에 영상취득 모듈(25), 예를 들면, 수평/수직 편광필터가 부착된 2대의 카메라를 장착하여 차량 전방의 노면영상을 촬영한다. 이때, 차량외부 센서(21)로부터 측정된 센서정보 및 ECU(22)로부터 생성된 주행환경 정보는 센서정보 취합 모듈(23)에서 취합하여 영상처리 모듈(24)로 전달한다.
이에 따라 영상처리 모듈(24)은 주행환경정보, 센서정보 및 노면영상 정보에 따라 노면상태를 판단하게 된다.
영상처리 모듈(24)은 도로 표면의 분류가 가능하고, 불량노면상태를 판단하며, 노면영상 및 데이터를 저장할 수 있다.
즉, 종래의 기술에 따른 편광영상 및 ECU 정보를 활용한 이동식 노면상태 자동검지 시스템을 구비한 차량(30)은 도로 구간의 단위 노면상태를 이동식으로 측정하는 시험차량(Probe Car)으로서, 추후 분석이 가능하도록 원시 데이터(Raw Data) 정보 및 촬영영상을 저장할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 편광영상 및 ECU 정보를 활용한 이동식 노면상태 자동검지 시스템의 경우, 주간 환경에서는 노면상태를 비교적 정확하게 판단 및 분류해 낼 수 있는 반면에, 야간 환경에서는 정확도가 현저히 떨어지며, 다양한 노면상태를 판단할 수 없다는 문제점이 제시되고 있는데, 예를 들면, 노면상태를 젖음과 결빙을 하나의 노면상태로 판단할 우려가 매우 높다는 문제점이 있다.
이러한 문제점이 나타나는 이유는 저조도 환경인 야간에는 이동하는 환경에서는 질감 분석에 활용하기에 충분한 수준의 영상 취득이 어려우며, 또한, 피사체를 표현함에 있어 명도(Intensity)로 표현하기 어렵기 때문에 영상처리-기반 노면상태 판단 절차를 수행하기 어렵다는 문제점이 있다.
예를 들면, 젖은 노면과 결빙노면에 따른 블랙아이스(Black Ice)의 경우, 야간에 촬영한 흑백영상으로는 육안으로도 그 상태를 구분하기 어렵다는 한계가 있다..
또한, 종래의 기술에 따른 편광영상을 활용한 기술은 태양광을 이용하여 편광계수를 산출하기 때문에 주간에 한해서 측정이 가능하며, 주간의 경우에도 매우 흐린 날일 때, 편광계수를 정확하게 산출할 수 있는지에 대한 확인이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 노면 결빙 예측과 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1280361호에는 "노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3a는 종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템의 구성도이고, 도 3b는 적외선 카메라로 취득된 영상 중 평상시와 강설강도에 따른 영상 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템(40)은 데이터 획득부(41), 상태 판정부(42), 융설 시스템 제어부(43) 및 융설 기록부(44)를 포함하며, 융설 시스템 제어부(43)에 의해 융설 시스템(50)을 제어할 수 있다.
데이터 획득부(41)는 노면 표면 온도 데이터, 포장체 내부 온도 데이터, 대기 온도와 습도 데이터 및 노면 영상을 획득한다. 이러한 데이터 획득부(41)는 표면 온도센서(41a), 포장체 온도센서(41b), 대기 온도센서(41c), 대기 습도센서(41d) 및 적외선 카메라(41e)를 통합적으로 이용하여 데이터를 획득하며, 이에 따라 노면의 결빙상태를 판단할 수 있다.
구체적으로, 표면 온도센서(41a)는 서미스터와 같은 온도 센서를 이용할 수 있으며, 미리 설정된 노면 표면에 설치되어 노면의 표면 온도를 측정할 수 있다.
포장체 온도센서(41b)는 서미스터와 같은 온도 센서를 이용할 수 있으며, 포장체 내부 온도를 측정하고자 하는 위치에서 포장체 코어 채취 후 복수의 온도센서를 소정 간격의 깊이로 삽입하여 포장체 내부의 깊이별 온도를 측정할 수 있다.
대기 온도센서(41c)는 온도계를 이용할 수 있으며, 미리 설정된 융설 지역의 대기 온도를 측정할 수 있rh, 또한, 대기 습도센서(41d)는 습도계를 이용할 수 있으며, 미리 설정된 융설 지역의 대기 습도를 측정할 수 있다.
적외선 카메라(41e)는 미리 설정된 노면을 촬영하여 노면 영상을 획득할 수 있는데, 적외선 카메라41e)를 이용함으로써 야간에도 선명한 노면 영상을 획득할 수 있다. 또한, 적외선 카메라(41e)는 촬영한 노면 영상을 실시간으로 관리자에게 제공하여, 현재 노면의 상태 및 융설 시스템 가동 후 상태를 관리자가 육안으로 확인하도록 할 수 있다. 예를 들면, 도 3b에서 a)는 적외선 카메라(41e)로 취득된 영상 중 평상시 밤을 나타내는 영상이고, b)는 약한 강설시 밤을 나타내는 영상이며, c)는 중간 강설시 밤을 나타내는 영상이며, d)는 강한 강설시 밤을 나타내는 영상이다.
표면 온도센서(41a) 및 포장체 온도센서(41b)는 노면에 접촉하는 접촉식으로 구현될 수 있고, 대기 온도센서(41c), 대기 습도센서(41d) 및 적외선 카메라(41e)는 미리 설정된 융설 지역의 노면에서 일정 거리 이격되어 설치되는 비접촉식으로 구현될 수 있다.
상태 판정부(42)는 데이터 획득부(41)에서 획득한 데이터를 이용하여 융설 지역의 기상 상태 및 노면 상태를 판정하여, 강설 강도 및 결빙 위험 정도를 예측한다. 이러한 상태 판정부(42)는 기상 상태 판정부(42a) 및 노면 상태 판정부(42b)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 기상 상태 판정부(42a)는 데이터 획득부(41)의 적외선 카메라(41e)로부터 촬영된 노면 영상에 이미지 프로세싱을 적용하여 융설 지역의 기상 상태를 판정할 수 있다. 즉, 이미지 프로세싱을 적용하여 추출한 강우 판정 수치 및 강설 판정 수치를 각각 강우 기준 및 강설 기준과 비교하여 일반, 강우/강설 여부를 판정할 수 있다.
상태 판정부(42)는, 예를 들면, 노면 영상에 나타난 각 밝기값의 빈도를 나타내는 히스토그램 그래프를 이용할 수 있다.
즉, 강설량이 많아질수록 영상의 밝기 변화가 생기는 것을 육안으로 확인할 수 있으므로 히스토그램에서도 그 차이를 분석해 낼 수 있고, 이 밝기값 변화를 통해 강설 강도를 판정해낼 수 있다.
종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템은, 표면 온도센서, 포장체 온도센서, 대기 온도센서, 대기 습도센서로부터 획득된 각 온도 및 습도 데이터를 활용하여 노면의 습윤, 적설, 결빙 상태를 판정하되,
노면 표면 온도데이터로부터 표면 온도가 영하일 때, 대기 습도 데이터와 강우 판정데이터가 결빙 가능한 환경 조건을 만족하면, 각 온도 및 습도 데이터로 미리 설정된 표면 온도 영하 결빙 위험 판정 알고리즘을 통해 노면의 상태를 예측할 수 있다.
종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템에 따르면, 기상 상태 및 노면 상태의 관측과, 노면의 결빙을 예측할 수 있으므로, 결빙 위험 및 강설시에 융설 시스템을 자동으로 가동시켜 강설, 노면 결빙으로 인한 사고 발생률을 줄일 수 있으며, 이로 인해, 사고로 인한 인적, 물적 피해를 감소시킬 수 있어, 강설과 결빙 위험시 겨울철 운전자의 안전과 국가 물류망의 기본인 도로의 원활한 소통을 보장할 수 있다.
또한, 기존의 비접촉식 적외선 온도센서를 이용한 결빙 감지 센서와는 달리, 접촉/비접촉식 센서를 통합 이용하므로 차량 이동시에도 데이터를 획득할 수 있으며, 미리 설정된 알고리즘을 통해 결빙 위험을 효과적으로 예측할 수 있어 정확도를 향상시킬 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템의 경우, 표면 온도센서(41a), 포장체 온도센서(41b), 대기 온도센서(41c), 대기 습도센서(41d) 및 적외선 카메라(41e) 등을 사용해야 하는 한계가 있다.
한편, 다른 선행기술로서. 대한민국 등록특허번호 제10-1844507호에는 "열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치를 구비한 감시 서비스 시스템"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치의 구체적인 구성도이다.
도 4a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템은 감시장치(61), 통신망(62), 중앙 관제서버(63), 복수의 무인 자동 살포장치(64) 및 복수의 사용자 단말(65)을 포함한다.
감시장치(61)는 열화상 이미지를 촬영하는 열적외선 온도 어레이 센서부와 고해상도의 영상을 촬영하는 영상 카메라부를 일체형으로 구성하고, 감시 영역의 영상 정보와 온도 데이터를 분석하여 도로 표면의 결빙 상태, 피사체의 화재 감지 등의 온도와 관련된 다양한 감시 알람 서비스를 수행할 수 있다.
또한, 감시장치(61)는 도로 표면의 방사율 파장값과 온도 데이터를 측정하여 도로 표면의 결빙 상태, 비오는 상태, 눈 내림 상태를 자동으로 측정하고, 결빙 상태, 비오는 상태, 눈 내림 상태를 이미지 프로세싱 기술을 이용하여 복합적으로 판단할 수 있다.
또한, 감시장치(61)는 열적외선 온도 어레이 센서부를 통해 기준값 이상의 온도 변화를 감지하고, 기준값 이상의 온도 변화가 발생된 위치를 고해상도의 영상 카메라부의 영상 정보의 픽셀 위치로 환산하며, 온도 변화가 발생된 위치를 확대하여 화면상에 표시함으로써 온도 변화가 발생된 위치의 영상 정보를 효과적으로 확인할 수 있다.
또한, 감시장치(61)는 결빙 발생, 눈 내림 발생을 나타내는 알람 정보를 생성하고, 생성된 알람 정보를 최종 영상정보에 포함시켜 통신망(62)을 통해 중앙 관제 서버(300)로 전송한다.
통신망(62)은 이동통신망, 유선 인터넷, 무선 인터넷, 방송망)을 활용하는 통신 방식뿐만 아니라 기기들간의 근거리 무선 통신 역시 포함될 수 있다.
중앙 관제서버(63)는 감시장치(61)로부터 도로 노면의 결빙 발생이나 눈 내림 발생과 같은 이벤트 정보의 발생을 주기적으로 온도 데이터와 영상 정보를 수신하여 모니터링하며, 제설 작업, 해빙 작업을 신속하게 조치할 수 있다.
감시장치(61)는 도로 표면이 결빙 발생, 눈 내림 발생을 나타내는 이벤트 정보가 발생하는 경우, 도로의 해빙이나 제설을 위한 구동 신호를 생성하여 복수의 무인 자동 살포장치(64)의 각 PLC용 제어부(64a)로 전송한다.
각각의 PLC용 제어부(64a)는 감시장치(61)로부터 구동신호를 수신하는 경우, 무인 자동 살포장치(64)를 구동시켜 도로 표면에 해빙이나 제설을 위한 살포재를 자동으로 살포한다.
복수의 사용자 단말(65)은 이동형 단말로서 스마트폰(Smart Phone), 휴대폰, 디지털방송용 단말, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 태블릿 PC 등을 포함한다.
중앙 관제서버(63)는 온도와 관련된 다양한 감시 알람 서비스를 제공하는 전용 애플리케이션의 설치를 위한 파일을 통신망(62)을 통해 각각의 사용자 단말(65)로 전송한다.
각각의 사용자 단말(65)은 중앙 관제서버(63)로부터 제공되는 파일을 이용하여 전용 애플리케이션을 설치한다.
복수의 사용자 단말(65)은 중앙 관제서버(63)에 통신망(62)을 통해 접속하여 전용 애플리케이션을 다운로드하여 설치하고, 설치된 전용 애플리케이션을 실행하여 전용 애플리케이션의 제어에 따라 감시장치(61)에 접속하며, 감시장치(61)에서 중앙 관제서버(63)로 제공되는 도로 표면에 발생되는 다양한 이벤트 정보, 영상정보를 제공받을 수 있다.
또한, 각각의 사용자 단말(65)은 전용 애플리케이션을 실행하여 원격으로 감시장치(61)를 제어하여 무인 자동 살포장치(64)를 원격 구동 제어할 수 있다.
중앙 관제서버(63)는 화재 발생, 침입 감지, 도로 표면이 결빙 발생, 눈 내림 발생 등의 이벤트 정보가 발생하는 경우, 이벤트 정보를 푸쉬 알람 정보로 생성하여 각각의 사용자 단말(65)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 도 4b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치(61)는 열적외선 온도 어레이 센서부(61a), 영상 카메라부(61b), 전원부(61c), 제어부(61d), 영상 데이터 저장부(61e), 디스플레이부(61f) 및 통신부(61g)를 포함한다.
열적외선 온도 어레이 센서부(61a)는 복수의 서모파일 센서를 어레이로 배열하고, 열이 발생하는 물체에서 나오는 온도를 감지하도록 감시 영역의 열 이미지를 촬영하여 온도 데이터를 생성한다.
영상 카메라부(61b)는 도로 표면, 나무, 사람 등의 피사체에 대한 고해상도 실영상을 촬영하고, 줌(Zoom) 기능이 내장되어 있으며, 줌 렌즈의 위치를 조정하기 위한 줌 모터와 줌 모터 엔코더가 내장되어 있다.
전원부(61c)는 열적외선 온도 어레이 센서부(61a)와 영상 카메라부(61b)의 각 센서에 전원을 공급한다.
제어부(61d)는 열적외선 온도 어레이 센서부(61a)로부터 수집된 온도 데이터와, 영상 카메라부(61b)에서 촬영된 영상정보의 이미지 특징을 기반으로 온도 데이터와 영상 정보를 매칭하여 도로 표면의 결빙 상태, 피사체의 화재 감지 등의 온도와 관련된 다양한 감시 알람 서비스를 수행할 수 있다.
종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템은, 열적외선 온도 어레이 센서로서, 감시 영역의 방사율 파장값과 온도 데이터의 측정에 의한 도로 표면의 결빙 상태의 정보를 모니터링하여, 측정된 방사율 파장값이 얼음 0.96㎛이고, 온도데이터가 영하 3℃ 이하인 경우 도로면에 결빙이 생성했음을 알릴 수 있다.
따라서, 종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템에 따르면, 감시 영역의 방사율 파장값과 온도 데이터의 측정에 의한 도로 표면의 결빙 상태의 이벤트 정보를 주기적으로 모니터링하여 제설 작업, 해빙 작업을 신속하게 조치할 수 있다.
또한, 온도 변화가 발생된 위치의 화재 발생 영역을 확대하여 디스플레이부에 표시함으로써 온도 변화가 발생한 지점의 실시간 영상을 효과적으로 확인할 수 있다. 또한, 열적외선 온도 어레이 센서부와 영상 카메라부가 일체형으로 구성하여 감시 영역의 온도 데이터와 고해상도의 영상 정보를 매칭하여 분석하고, 이에 따라 감시 영역의 온도와 관련된 상태 변화를 신속하게 감지하여 화재 감지, 침입 감지, 결빙 상태 감지의 다양한 감시 알람 서비스를 제공할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템의 경우, 열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치(61)에 의해 구현된다.
한편, 또 다른 선행기술로서, 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허등록된 대한민국 등록특허번호 제10-2388804호에는 "분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다.
도 5a는 종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 5b는 노면상태 분류 시스템이 노변 상에 고정식으로 설치되는 것을 예시하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템(70)은, 분광측정기(71), 노면온도센서(72), 적외선 조명(73), 조도센서(74) 및 노면상태 분류 유닛(75)을 포함하여 구성된다.
분광측정기(71)는 특정 파장대의 근적외선으로 노면을 측정하여 분광 데이터를 생성한다. 이때, 분광측정기(71)는 1.3㎛, 1.5㎛ 및 1.7㎛ 파장대의 근적외선으로 노면을 측정하여 분광 데이터를 생성할 수 있다.
여기서, 분광측정기(71)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 포토다이오드, 필터 및 렌즈로 구성되어 각 파장에 의한 적외선을 수광할 수 있도록 구성할 수 있다.
노면온도센서(72)는 분광측정기(71)가 측정하는 동일 노면지점에서, 특정 파장대의 열적외선으로 노면을 측정하여 노면온도 데이터를 생성한다. 이때, 노면온도센서(72)는 8~12㎛ 파장대의 열적외선으로 노면을 측정하여 노면온도 데이터를 생성할 수 있다.
조도센서(74)는 노면의 조도를 측정하고, 적외선 조명(73)은 조도센서(74)에서 검출된 조도에 따라 야간이나 낮은 조도인 경우, 레이저 다이오드를 이용한 적외선 조명을 분광측정기(71)에게 제공한다.
이때, 적외선 조명(73)은 분광측정기(71)와 동일한 1.3㎛, 1.5㎛ 및 1.7㎛ 파장대의 근적외선을 사용하는 적외선 조명을 제공하는 레이저 다이오드일 수 있다.
노면상태 분류 유닛(75)은 분광측정기(71)가 측정한 분광 데이터 및 노면온도센서(72)가 측정한 노면온도 데이터에 따라 노면상태를 분류한다. 즉, 분광측정기(71)가 측정한 분광 데이터는 노면상태에 따라 근적외선 영역대의 분광분포가 다르게 나타나며, 노면상태 분류 유닛(75)은 분광 데이터의 특정 파장대의 반사율 비율로부터 노면상태를 건조, 적설, 결빙 또는 습윤 중 어느 하나로 분류할 수 있다.
종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템은, 노면상태에 따라 근적외선 영역대의 분광분포가 다르게 나타나는 현상에 착안하여 노면상태를 분류할 수 있고, 특히, 주간·야간, 기상상태 등에 따라 노면의 밝기 차이에 따라 달라질 수 있는 반사율을 고려하여, 특정 파장대 반사율 값을 이용하는 대신에 반사율 값의 비율을 활용하여 노면상태를 분류할 수 있다.
이때, 분광측정기(71), 노면온도센서(72), 적외선 조명(73) 및 노면상태 분류 유닛(75)은, 도 5b에 도시된 형태로 구현되어, 노변에 고정식으로 설치되거나, 프로브 차량에 이동식으로 탑재될 수 있다.
따라서 종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템에 따르면, 편광 기반이 아닌 근적외선 파장대의 분광 데이터와 열적외선 파장대의 비접촉식 노면온도센서 데이터를 이용하여 노면상태를 건조, 습윤, 적설 또는 결빙의 네 가지로 분류함으로써,
겨울철 도로교통 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 비매설형 노면상태 탐지기술로서, 노변에 설치하는 고정식으로 활용하거나 차량에 부착하는 이동식으로도 활용할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템의 경우, 분광측정기(71), 노면온도센서(72), 적외선 조명(73), 조도센서(74) 등을 설치해야 하므로 비용적인 측면에서 비효율적이며, 특히, 광역적인 구간의 정보 수집원으로 활용하기 어렵다는 한계가 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-2388804호(등록일: 2022년 4월 15일), 발명의 명칭: "분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템 및 그 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1844507호(등록일: 2018년 3월 27일), 발명의 명칭: "열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치를 구비한 감시 서비스 시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-1280361호(등록일: 2013년 6월 25일), 발명의 명칭: "노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템 및 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-2349016호(등록일: 2022년 1월 5일), 발명의 명칭: "도로 분석 관리시스템" 대한민국 등록특허번호 제10-2136131호(등록일: 2020년 7월 15일), 발명의 명칭: "도로결빙 예측 자동 감시 시스템 및 그 운영방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 노변에 설치하는 고정식 적외선 센서로부터 획득된 데이터 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 탐지할 수 있는, 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 도로상의 결빙 취약구간에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지함으로써 전국적으로 광역적인 구간의 정보 수집원으로 활용할 수 있는, 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템은, 결빙 취약구간의 노변에 고정식으로 설치되어 노면온도를 감지하는 고정식 적외선 센서; 상기 고정식 적외선 센서로부터 적외선 노면온도 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부가 수집한 적외선 노면온도 데이터의 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 탐지하는 결빙 탐지 유닛; 및 상기 결빙 탐지 유닛에 의해 결빙이 탐지된 경우 결빙 관련 경고메시지를 발생하는 경고메시지 발생부를 포함하되, 상기 데이터 수집부는 상기 고정식 적외선 센서로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 결빙 탐지 알고리즘은, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위 이내일 경우 데이터 크기를 비교하여 현재 시점 온도가 이전 시점 온도보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이를 산출하며, 상기 산출된 온도 차이가 임계값보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정할 수 있다.
여기서, 상기 결빙 탐지 유닛은, 상기 데이터 수집부에서 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위 이내인지 분석하는 데이터 분석부; 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위 이내일 경우, 이전 시점 온도 데이터와 현재 시점 온도 데이터의 크기를 비교하는 데이터 비교부; 현재 시점 온도가 이전 시점 온도보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이를 산출하는 온도차 산출부; 상기 산출된 온도 차이를 기설정된 임계값과 비교하는 임계값 비교부; 및 상기 산출된 온도 차이를 기설정된 임계값보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 결빙 여부 판정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 임계값은 딥러닝이나 가우시안 분포를 이용하여 갱신되도록 기설정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고정식 적외선 센서는 노면온도를 감지하는 비매설식 및 비접촉식의 고정식 적외선 온도계로서, 도로상의 결빙 취약구간에 설치되어 초당 1회 이상의 데이터를 감지할 수 있다.
여기서, 상기 고정식 적외선 센서는 렌즈의 조정을 통해 측정 영역을 좁게 조절하여 물질의 상 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화를 관측하며, 물질의 복사에 의한 열전달 정도를 측정하여 노면온도를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 열전달 정도()는 로 주어지며, 는 방사율을 나타내며, 는 스테판-볼츠만 상수를 나타내고, 는 캘빈 온도(K)를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 경고메시지 발생부는 상기 결빙 관련 경고메시지를 관제센터에게 전송하고, 신속한 결빙 제거 및 안전운전을 위해 도로관리자 및 운전자에게 전달하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법은, a) 결빙 취약구간의 노면에 설치된 고정식 적외선 센서를 통해 도로 노면온도를 측정하는 단계; b) 데이터 수집부가 상기 고정식 적외선 센서로부터 적외선 노면온도 데이터를 수집하는 단계; c) 결빙 탐지 알고리즘에 따라 상기 적외선 노면온도 데이터로부터 노면 결빙을 탐지하는 단계; d) 도로 노면이 결빙 상태인 것으로 판단하는 단계; 및 e) 도로 노면이 결빙 상태인 경우, 경고메시지를 발생하여 관제센터로 전송하는 단계를 포함하되, 상기 고정식 적외선 센서로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계는, c-1) 상기 적외선 노면온도 데이터가 기설정된 상한값보다 작은지 확인하는 단계; c-2) 상기 적외선 노면온도 데이터가 기설정된 상한값보다 작은 경우, 상기 적외선 노면온도 데이터가 기설정된 하한값보다 큰지 확인하는 단계; c-3) 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위 이내일 경우, 이전 시점 온도 데이터와 현재 시점 온도 데이터의 크기를 비교하는 단계; c-4) 현재 시점 온도가 이전 시점 온도보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이를 산출하는 단계; c-5) 상기 산출된 온도 차이를 기설정된 임계값과 비교하는 단계; 및 c-6) 상기 산출된 온도 차이를 기설정된 임계값보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 노변에 설치하는 고정식 적외선 센서로부터 획득된 데이터 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 간단하게 탐지할 수 있다. 즉, 도로상 한 지점에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도로상의 결빙 취약구간에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지함으로써 전국적으로 광역적인 구간의 정보 수집원으로 활용할 수 있다. 즉, 기존의 매설식 탐지기 등은 대당 2~3천만 원에 달하는 비용적인 측면 때문에 일부 지역에서 시범적으로 설치되는 경우가 있었으나, 저가의 고정식 적외선 센서를 활용하여 경제적으로 노면의 결빙을 탐지할 수 있다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 도로 기상정보 시스템을 간략히 나타낸 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 노면센서로서 매설형 센서를 예시하는 사진이다.
도 2a는 종래의 기술에 따른 편광영상 및 ECU 정보를 활용한 이동식 노면상태 자동탐지 시스템을 구비한 차량을 예시하며, 도 2b는 도 2a에 도시된 이동식 노면상태 자동탐지 시스템을 구비한 차량의 주행을 예시하는 도면이다.
도 3a는 종래의 기술에 따른 노면 결빙 예측 및 강설 감지 시스템의 구성도이고, 도 3b는 적외선 카메라로 취득된 영상 중 평상시와 강설강도에 따른 영상 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 도로의 결빙 상태 감시 서비스 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 열적외선 온도 어레이 센서와 영상카메라 일체형 감시장치의 구체적인 구성도이다.
도 5a는 종래의 기술에 따른 분광 데이터와 노면온도센서 데이터를 이용한 노면상태 분류 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 5b는 노면상태 분류 시스템이 노변 상에 고정식으로 설치되는 것을 예시하는 도면이다.
도 6은 노면 결빙 시 온도변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템이 적용되는 결빙 취약구간 분포를 예시하며, 도 9b는 결빙 취약구간의 영상을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법의 동작흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법의 구체적인 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템(100)]
일반적으로, 도로 노면의 습기가 어는 시점은 0℃가 되었을 때 바로 어는 것이 아니고 실제로는 0℃보다 더 낮은 지점에서 결빙이 발생한다.
이러한 현상을 과냉각(supercooling)이라고 하는데, 액체인 물이 고체상태로 될 때 수학식 1과 같이 333 J/g만큼의 열을 방출한다.
이러한 열은, 도 6에 도시된 바와 같이, 순간적이고 급작스러운 노면온도 상승을 유발한다. 도 6은 노면 결빙 시 온도변화를 나타내는 도면이다.
[수학식 1]
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 물질의 상(phase) 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화(step-change)를 관측하기 위해서는 상 변화 대응성(responsivve)이 있어야 하고, 측정 영역이 매우 좁아야 한다.
이러한 두 가지 조건을 만족하는 온도계는 적외선 센서(또는 적외선 온도계)이다.
이러한 적외선 센서(또는 적외선 온도계)는 비접촉식으로 도로에 적용하기에 적당하고, 렌즈의 조정을 통해 측정하는 영역을 아주 좁게 조절할 수 있다.
이러한 적외선 센서(또는 적외선 온도계)의 온도 측정은 수학식 2와 같이 물질의 복사(radiation)에 의한 열전달(Head transfer) 정도를 측정함으로써 가능해진다.
[수학식 2]
여기서, 는 Heat transfer(W*m-2)를 나타내고, 는 방사율(Emissivity)을 나타내며, 는 스테판-볼츠만 상수를 나타내고, 는 캘빈 온도(K)를 나타낸다.
이러한 결빙 탐지 알고리즘은 도 7에 도시된 바와 같은 노면 결빙 탐지 시스템에 적용될 수 있다.
즉, 도로상 한 지점에 설치된 적외선 센서를 설치하여 지속적으로 적외선 노면온도 데이터를 수집하고 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석된다. 이러한 결빙 탐지 알고리즘 실행을 통해 결빙이 탐지되면, 도로관리자 및 운전자에게 전달되어 신속한 결빙 제거 및 안전운전을 위한 기초정보로 활용될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템(100)은 고정식 적외선 센서(110), 데이터 수집부(120), 결빙 탐지 유닛(130) 및 경고메시지 발생부(140)를 포함하여 구성된다.
고정식 적외선 센서(110)는 결빙 취약구간의 노변에 고정식으로 설치되어 노면온도를 감지한다. 이때, 상기 고정식 적외선 센서(110)는 노면온도를 감지하는 비매설식 및 비접촉식의 고정식 적외선 온도계로서, 도로상의 결빙 취약구간에 설치되어 초당 1회 이상의 데이터를 감지하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 고정식 적외선 센서(110)는 렌즈의 조정을 통해 측정 영역을 좁게 조절하여 물질의 상(phase) 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화(step-change)를 관측하며, 물질의 복사(radiation)에 의한 열전달(Head transfer) 정도를 측정하여 노면온도를 측정한다.
데이터 수집부(120)는 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 적외선 노면온도 데이터(T)를 수집한다.
즉, 상기 데이터 수집부(120)는 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정될 수 있다.
결빙 탐지 유닛(130)은 상기 데이터 수집부(120)가 수집한 적외선 노면온도 데이터(T)의 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 탐지한다.
여기서, 상기 결빙 탐지 알고리즘은, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우 데이터 크기를 비교하여 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하며, 상기 산출된 온도 차이가 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정할 수 있다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 결빙 탐지 유닛(130)은, 데이터 분석부(131), 데이터 비교부(132), 온도차 산출부(133), 임계값 비교부(134) 및 결빙 여부 판정부(135)를 포함할 수 있다.
상기 결빙 탐지 유닛(130)의 데이터 분석부(131)는 상기 데이터 수집부(120)에서 수집된 적외선 노면온도 데이터(T)가 일정 범위( < T < ) 이내인지 분석한다.
상기 결빙 탐지 유닛(130)의 데이터 비교부(132)는 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우, 이전 시점 온도(Tn-1) 데이터와 현재 시점 온도(Tn) 데이터의 크기를 비교한다.
상기 결빙 탐지 유닛(130)의 온도차 산출부(133)는 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출한다.
상기 결빙 탐지 유닛(130)의 임계값 비교부(134)는 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()과 비교한다. 이때, 상기 임계값()은 딥러닝이나 가우시안 분포를 이용하여 갱신되도록 기설정할 수 있다.
상기 결빙 탐지 유닛(130)의 결빙 여부 판정부(135)는 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정한다.
도 8을 다시 참조하면, 경고메시지 발생부(140)는 상기 결빙 탐지 유닛(130)에 의해 결빙이 탐지된 경우 결빙 관련 경고메시지를 발생한다.
즉, 상기 경고메시지 발생부(140)는 상기 결빙 관련 경고메시지를 관제센터(200)에게 전송하고, 신속한 결빙 제거 및 안전운전을 위해 도로관리자 및 운전자에게 전달할 수 있다.
한편, 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템이 적용되는 결빙 취약구간 분포를 예시하며, 도 9b는 결빙 취약구간의 영상을 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템(100)은, 도 9a에 도시된 바와 같이, 현재 국토교통부에서 전국 고속도로 및 일반국도에 지정한 464개의 결빙 취약구간에 적용될 수 있다.
특히, 현재 결빙 취약구간에는 노면의 결빙을 제거할 수 있는 자동 염수분사장치가 설치되어 있지만 결빙 여부를 탐지할 수 있는 센서가 없기 때문에 안개, 서리, 어는 비 등에 의해 발생하는 블랙아이스 방지에 한계가 있다.
그렇다고 해서 많은 지점에 종래의 고가(2∼3천만원)의 기존의 결빙 탐지장치를 설치하기에는 비용 측면에서 현실적이지 않다는 한계가 있다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템(100)을 적용할 경우, 도 9b에 도시된 바와 같이, 결빙 취약구간에 단지 고정식 적외선 센서(110)를 설치함으로써 결빙을 탐지하여 결빙 여부를 판정함으로써, 기존 대비 1/10 이하의 예산으로도 결빙 탐지 기능 구현이 가능하므로 현장 적용성이 매우 높다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 노변에 설치하는 고정식 적외선 센서로부터 획득된 데이터 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 간단하게 탐지할 수 있다.
즉, 도로상 한 지점에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지할 수 있다.
또한, 도로상의 결빙 취약구간에 저가의 고정식 적외선 센서만 설치하여 노면의 결빙을 탐지함으로써 전국적으로 광역적인 구간의 정보 수집원으로 활용할 수 있다. 즉, 기존의 매설식 탐지기 등은 대당 2~3천만 원에 달하는 비용적인 측면 때문에 일부 지역에서 시범적으로 설치되는 경우가 있었으나, 저가의 고정식 적외선 센서를 활용하여 경제적으로 노면의 결빙을 탐지할 수 있다.
[적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법]
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법의 동작흐름도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법의 구체적인 동작흐름도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법은,
먼저, 결빙 취약구간의 노면에 설치된 고정식 적외선 센서(110)를 통해 도로 노면온도를 측정한다(S110).
여기서, 상기 고정식 적외선 센서(110)는 노면온도를 감지하는 비매설식 및 비접촉식의 고정식 적외선 온도계로서, 도로상의 결빙 취약구간에 설치된다. 즉, 상기 고정식 적외선 센서(110)는 렌즈의 조정을 통해 측정 영역을 좁게 조절하여 물질의 상 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화를 관측하며, 물질의 복사에 의한 열전달 정도를 측정하여 노면온도를 측정할 수 있다.
다음으로, 데이터 수집부(120)가 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 적외선 노면온도 데이터(T)를 수집한다(S120).
다음으로, 결빙 탐지 알고리즘에 따라 상기 적외선 노면온도 데이터(T)로부터 노면 결빙을 탐지한다(S130).
즉, 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정될 수 있다.
여기서, 상기 결빙 탐지 알고리즘은, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우 데이터 크기를 비교하여 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하며, 상기 산출된 온도 차이가 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정한다.
구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 S130 단계는, 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 상한값()보다 작은지 확인하고(S131),
이후, 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 상한값()보다 작은 경우, 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 하한값()보다 큰지 확인한다(S132). 이후, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우, 이전 시점 온도(Tn-1) 데이터와 현재 시점 온도(Tn) 데이터의 크기를 비교하고(S133), 이후, 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하며, 이후, 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()과 비교한다.
이때, 상기 임계값()은 딥러닝이나 가우시안 분포를 이용하여 갱신되도록 기설정할 수 있다.
다음으로, 도로 노면이 결빙 상태인 것으로 판단한다(S140).
즉, 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정한다.
다음으로, 도로 노면이 결빙 상태인 경우, 경고메시지를 발생하여 관제센터(200)로 전송한다(S150).
이에 따라, 도로관리자 및 차량 운전자에게 전달되어 신속한 결빙 제거 및 안전운전을 위한 기초정보로 활용될 수 있다.
다시 말하면, 종래에는 2∼3천만 원에 달하는 고가의 센서를 설치해야만 수집할 수 있었던 노면의 결빙 정보를 수집할 수 있었지만, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법의 경우, 100∼200만 원밖에 하지 않는 저가의 적외선 노면온도 센서만으로도 노면의 결빙을 탐지할 수 있어, 비용-효과 측면에서 종래 제품에 비해 매우 우수하다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템 및 그 방법에 따르면, 결빙 정보를 도로 유지관리차량 및 운전자에게 제공할 경우, 겨울철 도로교통 사고를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 미국 교통부 보고서에 따르면, 운전자가 전방의 위험상황 정보를 미리 인지하였을 경우, 사고율을 약 80% 줄일 수 있는 것으로 보고되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 노면 결빙 탐지 시스템
110: 고정식 적외선 센서(노면온도 감지용)
120: 데이터 수집부
130: 결빙 탐지 유닛
131: 데이터 분석부 132: 데이터 비교부
133: 온도차 산출부 134: 임계값 비교부
135: 결빙 여부 판정부
140: 경고메시지 발생부 200: 관제센터

Claims (15)

  1. 결빙 취약구간의 노변에 고정식으로 설치되어 노면온도를 감지하는 고정식 적외선 센서(110);
    상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 적외선 노면온도 데이터(T)를 수집하는 데이터 수집부(120);
    상기 데이터 수집부(120)가 수집한 적외선 노면온도 데이터(T)의 분석을 통해 노면온도의 급격한 변화시점을 파악하고, 결빙 탐지 알고리즘을 통해 노면의 결빙을 탐지하는 결빙 탐지 유닛(130); 및
    상기 결빙 탐지 유닛(130)에 의해 결빙이 탐지된 경우 결빙 관련 경고메시지를 발생하는 경고메시지 발생부(140)를 포함하되,
    상기 데이터 수집부(120)는 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결빙 탐지 알고리즘은, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우 데이터 크기를 비교하여 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하며, 상기 산출된 온도 차이가 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결빙 탐지 유닛(130)은,
    상기 데이터 수집부(120)에서 수집된 적외선 노면온도 데이터(T)가 일정 범위( < T < ) 이내인지 분석하는 데이터 분석부(131);
    상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우, 이전 시점 온도(Tn-1) 데이터와 현재 시점 온도(Tn) 데이터의 크기를 비교하는 데이터 비교부(132);
    현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하는 온도차 산출부(133);
    상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()과 비교하는 임계값 비교부(134); 및
    상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 결빙 여부 판정부(135)를 포함하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 임계값()은 딥러닝이나 가우시안 분포를 이용하여 갱신되도록 기설정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정식 적외선 센서(110)는 노면온도를 감지하는 비매설식 및 비접촉식의 고정식 적외선 온도계로서, 도로상의 결빙 취약구간에 설치되어 초당 1회 이상의 데이터를 감지하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정식 적외선 센서(110)는 렌즈의 조정을 통해 측정 영역을 좁게 조절하여 물질의 상(phase) 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화(step-change)를 관측하며, 물질의 복사(radiation)에 의한 열전달(Head transfer) 정도를 측정하여 노면온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열전달(Head transfer) 정도()는 로 주어지며, 여기서, 는 방사율(Emissivity)을 나타내며, 는 스테판-볼츠만 상수를 나타내고, 는 캘빈 온도(K)를 나타내는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경고메시지 발생부(140)는 상기 결빙 관련 경고메시지를 관제센터(200)에게 전송하고, 신속한 결빙 제거 및 안전운전을 위해 도로관리자 및 운전자에게 전달하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 시스템.
  9. a) 결빙 취약구간의 노면에 설치된 고정식 적외선 센서(110)를 통해 도로 노면온도를 측정하는 단계;
    b) 데이터 수집부(120)가 상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 적외선 노면온도 데이터(T)를 수집하는 단계;
    c) 결빙 탐지 알고리즘에 따라 상기 적외선 노면온도 데이터(T)로부터 노면 결빙을 탐지하는 단계;
    d) 도로 노면이 결빙 상태인 것으로 판단하는 단계; 및
    e) 도로 노면이 결빙 상태인 경우, 경고메시지를 발생하여 관제센터(200)로 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 고정식 적외선 센서(110)로부터 지속적으로 노면온도 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터는 결빙 탐지 알고리즘을 통해 실시간으로 분석되어 결빙 여부가 판정되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계의 결빙 탐지 알고리즘은, 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우 데이터 크기를 비교하여 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하며, 상기 산출된 온도 차이가 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 c) 단계는,
    c-1) 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 상한값()보다 작은지 확인하는 단계;
    c-2) 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 상한값()보다 작은 경우, 상기 적외선 노면온도 데이터(T)가 기설정된 하한값()보다 큰지 확인하는 단계;
    c-3) 상기 수집된 적외선 노면온도 데이터가 일정 범위( < T < ) 이내일 경우, 이전 시점 온도(Tn-1) 데이터와 현재 시점 온도(Tn) 데이터의 크기를 비교하는 단계;
    c-4) 현재 시점 온도(Tn)가 이전 시점 온도(Tn-1)보다 클 경우, 두 온도 데이터 차이()를 산출하는 단계;
    c-5) 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()과 비교하는 단계; 및
    c-6) 상기 산출된 온도 차이()를 기설정된 임계값()보다 클 경우, 노면의 결빙이 진행되고 있다고 판정하는 단계를 포함하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 임계값()은 딥러닝이나 가우시안 분포를 이용하여 갱신되도록 기설정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 a) 단계의 고정식 적외선 센서(110)는 노면온도를 감지하는 비매설식 및 비접촉식의 고정식 적외선 온도계로서, 도로상의 결빙 취약구간에 설치되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고정식 적외선 센서(110)는 렌즈의 조정을 통해 측정 영역을 좁게 조절하여 물질의 상 변화에 따른 짧은 시간 동안의 급격한 온도변화를 관측하며, 물질의 복사에 의한 열전달 정도를 측정하여 노면온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열전달 정도()는 로 주어지며, 여기서, 는 방사율을 나타내며, 는 스테판-볼츠만 상수를 나타내고, 는 캘빈 온도(K)를 나타내는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 기반의 노면온도 데이터를 이용한 노면 결빙 탐지 방법.
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