선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 전반적으로 신호의 크기가 크며 주로 250Hz 이하 대역의 신호가 매우 커짐을 알 수 있다. 본 논문에서는 DC부근의 데이터는 노이즈의 영향을 많이 받을 수 있기 때문에 50～250Hz 대역의 신호를 비교하여 누수 발생 여부를 판단하였다.
- 본 논문에서는 무선 네트워크를 이용한 누수 발생 탐지 및 누수 위치 추정 시스템을 제안하였다. 누수 발생 탐지 테스트 결과 100m 떨어진 지점에서 분당 3 정도의 누수를 탐지할 수 있었다.
제안 방법
- 정해진 시간에 DSP 장치는 수중음을 반복해서 샘플링하여 주파수 영역에서 누적하여 평균값을 구한다. 누수 판단의 임계치가 정해지면 다음날부터는 같은 시간에 수중음을 샘플링하여 주파수 영역에서 임계치와 비교한다. 비교 결과 임계치보다 일정비율 이상 큰 신호가 들어온다면 누수가 발생한 것으로 판단하게 된다.
- 또한 누수 위치를 추정하기 위해서는 두 DSP장치간 시각 동기가 중요하다. 본 논문에서는 GPS의 1PPS 신호를 이용하여 시각 동기를 맞추었다. 누수 위치 추정 연산을 반복한 결과가 일정하다는 것은 1PPS를 이용한 시각 동기가 정확하게 동작함을 알 수 있다.
- 실제로 운용되고 있는 상수도관에 시스템을 설치하고 테스트하기까지는 여러 정부 기관의 협조가 필요하다. 본 논문에서는 누수 이벤트 발생을 위한 밸브를 한군데밖에 설치하지 못하였지만 실험의 정확도를 높이기 위해서는 추가적인 밸브를 설치해야 한다. 또한 현재는 주철관에서만 테스트하였으나 PVC관과 강철관과 같이 관의 종류 및 직경을 달리하여 폭넓은 현장 데이터를 얻어야 누수 탐지 시스템의 정확도를 높일 수 있을 것이다.
- 비교 결과 임계치보다 일정비율 이상 큰 신호가 들어온다면 누수가 발생한 것으로 판단하게 된다. 본 논문에서는 새벽 2시, 3시 그리고 4시 정각에 이와 같은 동작을 1분 간격으로 각각 N회씩 반복하도록 하였으며 그 결과를 NCAP으로 전송하였다. 전체 N회중 M회 이상 동시에 누수로 판단되었을 경우 최종적으로 누수가 발생한 것으로 판단한다.
- 본 연구에서는 하이드로폰을 이용하여 누수를 탐지하였다. 하이드로폰은 특수하게 제작된 금속 케이스에 넣고 상수도관을 천공하여 설치한다.
- 새벽 2시, 3시 그리고 4시 정각이 되면 DSP 장치는 1분 간격으로 한번씩 10번 동안 샘플링 하여 50～250Hz 대역의 스펙트럼을 임계치 데이터와 비교한다. 임계값보다 일정비율 이상 큰 신호가 감지되면 누수 발생으로 판단하고 10회 동안 판단한 결과를 NCAP으로 전송한다.
- 두 하이드로폰은 154m가량 떨어져 있고 밸브는 한쪽 하이드로폰에서 51m 정도 떨어진 지점에 설치되었다. 실제로 지하에 묻혀있는 상수도관이기 때문에 지상의 도로를 따라서 매설된 거리를 측정하였다.
- 새벽 2시, 3시 그리고 4시 정각이 되면 DSP 장치는 1분 간격으로 한번씩 10번 동안 샘플링 하여 50～250Hz 대역의 스펙트럼을 임계치 데이터와 비교한다. 임계값보다 일정비율 이상 큰 신호가 감지되면 누수 발생으로 판단하고 10회 동안 판단한 결과를 NCAP으로 전송한다. 실험 결과 제안된 시스템에서는 100m 떨어진 지점에서 분당 3리터 정도의 누수를 탐지하였다.
- DSP장치가 처음 동작될 때에는 누수 발생을 판단하기 위한 임계치를 획득하는 동작을 한다. 정해진 시간에 DSP 장치는 수중음을 반복해서 샘플링하여 주파수 영역에서 누적하여 평균값을 구한다. 누수 판단의 임계치가 정해지면 다음날부터는 같은 시간에 수중음을 샘플링하여 주파수 영역에서 임계치와 비교한다.
- 하이드로폰의 입력 신호는 TI사의 ADS1256 24Bits ADC를 이용하여 2KHz로 샘플링 하였다. 정확한 시간 정보와 동기를 얻기 위해서 ASCEN사의 GPS 모듈을 사용하였다. 시간정보는 UART를 통해서 입력 받고, 1PPS신호는 인터럽트로 이용하기 위하여 GPIO신호로 입력 받는다.
- 그림 5는 실제 상수도관에서 수집된 데이터를 이용하여 그린 스펙트럼 그림이다. 주파수 영역에서 실제 신호의 모습을 보기 위해서 DC성분만 제거하였을 뿐 Band-Pass Filter 등의 사전 신호처리는 거치지 않고 FFT 연산을 하였다. 파란색 실선 데이터는 평상시 누수가 없을 때 샘플링한 데이터의 주파수 스펙트럼을 100회 평균한 그림이다.
- 실험 결과 누수음은 주로 5～250Hz 대역에 분포하였다. 필터를 통과시킨 뒤에는 FFT(Fast Fourier Transform) 를 통해 주파수 영역에서 신호를 분석한다. DSP장치가 처음 동작될 때에는 누수 발생을 판단하기 위한 임계치를 획득하는 동작을 한다.
- 하이드로폰은 특수하게 제작된 금속 케이스에 넣고 상수도관을 천공하여 설치한다. 하이드로폰 전용 오디오 케이블을 이용하여 DSP 장치의 ADC 입력단자에 연결하였다. 다음 그림 2는 맨홀 내부의 상수도관에 설치된 누수 탐지 센서이다.
대상 데이터
- DSP장치는 TI사의 TMS320F28335 DSP 프로세서를 이용하였으며 무선 네트워크 구성을 위한 ZigBee 모듈은 TI의 CC1100을 이용하였다. 하이드로폰의 입력 신호는 TI사의 ADS1256 24Bits ADC를 이용하여 2KHz로 샘플링 하였다.
- 이때 신호의 전파속도는 파이프의 재질, 두께, 수압, 파이프가 설치된 기울기, 파이프를 외부의 재료 등에 따라 다르다. 본 논문에서 실제로 적용된 상수도관의 재질은 주철관(cast iron pipe)으로 유사한 조건에서 측정된 전달 속도는 1175m/sec 이다[8].
- 만일 샘플링 시작 시간이 달라지면 그 시간차만큼 누수 발생 위치를 추정하는데 오차가 커진다. 본 논문에서는 두 DSP 장치가 서로 떨어져 있기 때문에 시간 동기를 맞추기 위해서 GPS에서 제공하는 1PPS 신호를 이용하였다. 1PPS 신호는 서로 다른 GPS 수신 모듈에서도 항상 절대적으로 같은 시간에 1초마다 한번씩 내어주는 펄스 신호이다.
- 이 펄스 신호를 이용하여 동시에 같은 시간에 샘플링을 시작한다. 샘플링은 2KHz로 2048개의 data를 샘플링 한다. 24bit ADC이기 때문에 4byte word로 저장하여 전체 데이터 사이즈는 8Kbytes가 된다.
- DSP장치는 TI사의 TMS320F28335 DSP 프로세서를 이용하였으며 무선 네트워크 구성을 위한 ZigBee 모듈은 TI의 CC1100을 이용하였다. 하이드로폰의 입력 신호는 TI사의 ADS1256 24Bits ADC를 이용하여 2KHz로 샘플링 하였다. 정확한 시간 정보와 동기를 얻기 위해서 ASCEN사의 GPS 모듈을 사용하였다.
성능/효과
- Ⅲ장에서는 누수 발생 여부를 탐지하는 동작에 관하여 서술하고 Ⅳ장에서는 누수 위치를 탐지하는 동작에 관하여 서술한다. Ⅴ장에서는 실제 상수도관에 적용하여 얻은 데이터를 이용하여 성능을 검증하였으며 Ⅵ장에서 결론을 맺는다.
- 본 논문에서는 무선 네트워크를 이용한 누수 발생 탐지 및 누수 위치 추정 시스템을 제안하였다. 누수 발생 탐지 테스트 결과 100m 떨어진 지점에서 분당 3 정도의 누수를 탐지할 수 있었다. 또한 누수 위치를 추정하기 위해서는 두 DSP장치간 시각 동기가 중요하다.
- 다음 그림 9는 실제 상수도에서 90회 반복하면서 얻은 두 지점의 누수음을 이용하여 cross-correlation 연산을 한 뒤 중심을 기준으로 최대값이 나타나는 샘플의 위치를 나타낸 히스토그램이다. 모든 최대값이 나타난 샘플의 위치가 89～91 샘플이내의 일정한 결과를 보이므로 본 논문의 누수 위치 탐지에 사용된 시각 동기 방법과 누수 신호 처리 방법이 그만큼 정확하다고 판단된다. 만일 1샘플의 오차가 발생한다면, 2KHz로 샘플링하고 누수음의 전달 속도가 1163m/sec 라 가정할 때 0.
- DSP 장치에서는 샘플링된 신호의 DC성분을 제거하고 Band-Pass Filter를 통과시켜 누수음이 주로 분포하는 주파수 대역만을 통과시킨다. 실험 결과 누수음은 주로 5～250Hz 대역에 분포하였다. 필터를 통과시킨 뒤에는 FFT(Fast Fourier Transform) 를 통해 주파수 영역에서 신호를 분석한다.
- . 제안된 누수 탐지 시스템은 항시 상수관로상에 설치하여 온라인으로 감시를 하며 누수 발생 탐지와 누수 위치 추정까지 모두 장비 내에서 자동으로 처리하는 보다 적극적인 누수 탐지 방식이라 할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서는 누수 이벤트 발생을 위한 밸브를 한군데밖에 설치하지 못하였지만 실험의 정확도를 높이기 위해서는 추가적인 밸브를 설치해야 한다. 또한 현재는 주철관에서만 테스트하였으나 PVC관과 강철관과 같이 관의 종류 및 직경을 달리하여 폭넓은 현장 데이터를 얻어야 누수 탐지 시스템의 정확도를 높일 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.