[논문]파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션

정경용

doi:10.5392/jkca.2013.13.01.048

[국내논문] 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션
Water Leakage Detection Monitoring Simulation using Power Spectrum Analysis 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.13 no.1, 2013년, pp.48 - 54

초록
AI-Helper

IT융합기술의 발전에 따라 누수탐지를 위한 인프라스트럭처가 구축되면서, 파손된 관로의 위치 및 규모의 파악 기술이 부각되고 있다. 또한 상수도 시설의 누수로 인한 수자원의 고갈 때문에 효율적으로 누수를 탐지할 수 있는 방법이 시급하다. 본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션을 제안하였다. 제안한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션에서 반사파 파형을 측정한다. 수집된 반사파 파형으로부터 변화율을 계산한다. 그리고 고속 퓨리에 변환을 이용한 파워 스펙트럼 분석은 누수의 크기와 반사파 파형의 상관관계를 평가한다. 이를 시뮬레이션의 논리적 타당성과 유효성을 검증하기 위해 실험적인 적용을 시도하고자 한다. 따라서 실시간 누수탐지를 제공하여 효율적인 관리에 대한 만족도와 서비스의 질을 향상시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of IT convergence technology and the construction of infrastructure for water leakage detection, the detection technology of damaged pileline's location and size is being spotlighted. The exhaustion of water resource due to the leakage of water supply facilities renders it urgent to detect water leakage effectively. In this paper, we proposed the water leakage detection monitoring simulation using the power spectrum analysis. We measured the reflected wave signal by the proposed water leakage detection monitoring simulation. The rate variability is calculated form the acquired reflected wave signal. And the power spectrum analysis using the Fast Fourier Transform is evaluated the correlation between the water leakage's size and the reflected wave. Ultimately, this paper suggests empirical simulation to verify the adequacy and the validity. Accordingly, the satisfaction and the quality of services will be improved the efficient management by supporting the real-time water leakage detection.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 반사파 파형을 이용하여 누수감지 파이프에 반사파 자동 분석을 프로세스의 시발점으로 하고 개발의 궁극지점으로 하는 모니터링 시뮬레이션을 개발하고자 한다.
본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 반사파 파형을 이용하여 누수감지 파이프에 반사파 자동 분석을 프로세스의 시발점으로 하고 개발의 궁극지점으로 하는 모니터링 시뮬레이션을 개발하고자 한다. 관로 파손 지점의 위치를 실시간으로 모니터링하여 파손 지점의 보수 공사를 빠른 시간 내에 하고자 한다.
반사파 파형을 이용하여 누수감지 파이프에 반사파 자동 분석을 프로세스의 시발점으로 하고 개발의 궁극지점으로 하는 모니터링 시뮬레이션을 개발하고자 한다. 관로 파손 지점의 위치를 실시간으로 모니터링하여 파손 지점의 보수 공사를 빠른 시간 내에 하고자 한다. 또한 이러한 차세대 융합기술을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션 시스템은 산업간 서비스간 융합을 유발하여 경제 산업 전 분야에 걸쳐 막대한 변화를 초래할 것으로 전망되며 산업시장 수요를 창출하고 글로벌리더 역할이 가능하다.
본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션을 구축하는 방안을 제시한다. 누수 탐지를 하기 위한 시뮬레이션 구축은 상지대학교 컴퓨터정보공학부 지능시스템연구실의 학우의 도움으로 2개월간 진행되었다.
상·하수도는 역사가 오래됨에 따라 배관의 노후가 빠르게 진행되고 있고, 다양한 원인에 의하여 발생하는 배관의 파손은 누수 현상을 발생시킨다. 본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션의 구축 방법론을 제안한다. 제안하는 누수탐지 모니터링 시뮬레이션은 신호 처리 기법에서 잘 알려진 고속 퓨리에 변환을 이용한 파워 스펙트럼 분석을 이용하여 실시간으로 관리한다.

제안 방법

본 논문에서는 상·하수도관에 사용할 수 있도록 음용수에 적합한 물질을 사용한다.
TDR은 주파수 신호를 사용하는 반사 측정기로서 임피던스의 불균등, 단선, 단락, 고장, 고장 지점의 거리 등을 측정하는 장비이다. 신호를 송출하고 고장지점으로 부터 반사 신호를 수신하여 그 시간으로 고장위치를 측정한다. 반사 신호의 파형에 따라 파이프의 파손원인 파악이 가능하다[1][6].
제안하는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션은 탐지 신호 출력 부분, 반사파 입력 부분, 관로 파손 검출 부분으로 구성한다. 탐지 신호 출력 부분은 신호 입출력 센서를 통해 전도성 물질이 도장된 배관으로 탐지 신호를 출력한다.
반사파 입력 부분은 배관의 파손 부위에서 발생하는 탐지 신호의 반사파를 입력받아 처리한다. 관로 파손 검출 부분은 반사파 데이터를 정상 상태 패턴과 비교하여관로 파손 여부를 검출한다. 배관 파손이 검출된 경우, 반사파가 입력되는데 걸리는 시간으로 배관 파손 위치를 파악할 수 있고, 반사파의 크기로 배관 파손 정도를 파악할 수 있다.
반사파의 패킷에서 최대값 R을 검출해서 R-R 간격을 계산하고 HRV로 재구성한다. 반사파에서 기저선의 변동을 감소하기 위해 2Hz 고역통과필터를 사용한다[3][4].
또한 저역통과필터를 이용하여 반사파 파형의 관심 주파수 범위 이외의 잡음을 제거한다. 필터에 통과된 데이터를 샘플링하여 R-R 간격을 계산한다. 정확한 간격을 검출하기 위해 [11]에서 제안한 방법을 적용한다.
HRV를 이용하여 상태를 분석하는 방법은 시간영역 분석과 주파수영역 분석이 있다. 본 논문에서는 반사파 패킷에 대해 HRV를 이용하여 주파수영역 분석 방법을 사용한다. 주파수영역 분석을 하기 위해서 R-R 간격으로 구성된 HRV에 고속 푸리에 변환을 이용하여 파워스펙트럼 밀도를 분석한다[10].
본 논문에서는 반사파 패킷에 대해 HRV를 이용하여 주파수영역 분석 방법을 사용한다. 주파수영역 분석을 하기 위해서 R-R 간격으로 구성된 HRV에 고속 푸리에 변환을 이용하여 파워스펙트럼 밀도를 분석한다[10]. 관의 반사파 파형 상태를 정상적인 상태와 비정상적인 상태로 구분하고 저주파수(LF), 고주파수(HF)의 변화를 측정한다.
주파수영역 분석을 하기 위해서 R-R 간격으로 구성된 HRV에 고속 푸리에 변환을 이용하여 파워스펙트럼 밀도를 분석한다[10]. 관의 반사파 파형 상태를 정상적인 상태와 비정상적인 상태로 구분하고 저주파수(LF), 고주파수(HF)의 변화를 측정한다. 반사파의 활동 정도를 분석하기 위해 LF/HF 비율을 정의하여 누수 감지 분석에 사용한다.
관의 반사파 파형 상태를 정상적인 상태와 비정상적인 상태로 구분하고 저주파수(LF), 고주파수(HF)의 변화를 측정한다. 반사파의 활동 정도를 분석하기 위해 LF/HF 비율을 정의하여 누수 감지 분석에 사용한다. HRV 신호의 주파수는 크게 세 가지 타입의 주파수를 가지고 있다.
각각의 처리 과정을 통해 입력 반사파로부터 누수 상태의 전반을 모니터링하게 되며 그 결과는 상·하수도의 적용에 활용할 수 있도록 개발한다.
관의 재질은 철판과 더불어 수도관으로 많이 쓰이고 있는 스테인리스로 구성한다[14]. 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션의 성능 평가를 하기 위해서 30일 동안 시제품 보드를 설치하고, 반사파 파형을 수집하여 데이터베이스에 저장한다. 수집된 반사파 파형의 성능 평가를 위한 파일서버의 사양은 Sun Blade 2000, 2.
간이상수도 통합관제 운영시스템은 기존의 선행 연구[6][7][15]에서 구현을 했던 모듈을 활용한다. 본 논문에서는 성능 평가를 위해 제안한 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션(LDMS-PSA)과 기존 방법인 간이상수도 통합 관제 운영시스템(WTOS)과 누수 지점의 수를 증가시키면서 평균 절대 오차와 반응시간을 사용하여 성능을 비교한다.
평균 절대오차는 일반적으로 시스템의 예측 알고리즘의 정확도를 평가하는 데 많이 사용되는 방법이다. 제안한 시뮬레이션에서 누수 탐지의 정확도를 측정하기 위해 통계학적인 정확도를 측정하는 방법을 적용한다. 이는 실제 항목에 대한 수치화된 값을 비교하기 위해서 가장 적합한 방법이다[7].
본 논문에서는 파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션의 구축 방법론을 제안한다. 제안하는 누수탐지 모니터링 시뮬레이션은 신호 처리 기법에서 잘 알려진 고속 퓨리에 변환을 이용한 파워 스펙트럼 분석을 이용하여 실시간으로 관리한다. 관로 파손 지점의 위치 및 파손 정도 또한 실시간으로 파악할 수 있다.
제안하는 시뮬레이션을 이용하여 파손 지점의 보수 공사를 빠른 시간 내에 할 수 있다. 그리고 누수의 크기와 반사파 파형의 연관성 실험을 통해 양의 상관관계의 결과를 도출하였다.

대상 데이터

누수탐지 모니터링 시뮬레이션을 개발하기 위해 한백 전자[12]의 ZigbeX의 센서로 구성한다. ZigbeX에서 환경 모니터링 센서를 제공받아 구성한다. ZigbeX는 RFID 리더뿐만 아니라 다양한 환경을 탐지하고 이를 관리할 수 있는 서버를 패키지로 만들어 구현할 수 있는 장비이다.
파워스펙트럼 분석을 이용한 누수탐지 모니터링 시뮬레이션의 성능 평가를 하기 위해서 30일 동안 시제품 보드를 설치하고, 반사파 파형을 수집하여 데이터베이스에 저장한다. 수집된 반사파 파형의 성능 평가를 위한 파일서버의 사양은 Sun Blade 2000, 2.8GHz이고, 수집 모듈은 Microsoft Visual Studio C++ 2008을 사용하여 개발한 시뮬레이션과 간이상수도 통합관제 운영시스템의 성능평가 모듈 부분을 구현한다. 간이상수도 통합관제 운영시스템은 기존의 선행 연구[6][7][15]에서 구현을 했던 모듈을 활용한다.

데이터처리

X축은 누수의 크기를 0-1의 값으로 정규화 처리를 하여 나타내고, Y축은 반사파 파형의 크기를 0-1의 값으로 정규화 처리를 하여 나타낸다. 연관성 상관관계는 평가 실험을 통해 누수의 크기에 따른 평가값과 반사파 파형의 파워스펙트럼 분석에서 활동 정도를 비교 평가한다. [그림 2]에서 누수의 크기와 반사파 파형의 크기간의 상관관계는 양의 상관관계를 나타낸다.

이론/모형

필터에 통과된 데이터를 샘플링하여 R-R 간격을 계산한다. 정확한 간격을 검출하기 위해 [11]에서 제안한 방법을 적용한다.

성능/효과

[그림 2]에서 누수의 크기와 반사파 파형의 크기간의 상관관계는 양의 상관관계를 나타낸다. 누수의 크기가 작을 때 반사파 파형은 작게 변화하며 누수의 크기가 클 때 반사파 파형은 크게 변화하는 결과를 확인할 수 있다. 반사파 파형의 분석으로 누수의 크기를 구별할 수 있다.
시뮬레이션의 효율적인 관리를 위해 정보의 수정, 삭제가 가능하며 위치에 따른 누수감지 모니터링도 가능하다. 따라서 누수탐지 모니터링 시뮬레이션을 데이터베이스화하여 관리하면 시간을 단축하고 경비를 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 누수탐지의 효율성을 향상시킬 수 있다.
[표 1]에서 누수 지점의 수에 따른 평균 절대오차의 실험 결과를 보면 LDMS-PSA 방법이 WTOS 방법보다 누수 지점의 수에 관계없이 정확도가 높음을 보여주고 있다. 반응시간의 실험 결과를 보면 누수 지점의 수가 많아질수록 반응시간이 느려지는 점을 볼 수 있다.

후속연구

이는 시뮬레이션을 실시간 처리가 가능하도록 데이터가 발생할 때마다 즉시 처리되어야 하는 형태의 대화식 처리방식으로 구현하여 데이터가 생성된 시간과 실제 처리되는 시간 사이의 지연이 발생하여 반응시간이 느려졌다. 향후 시뮬레이션에 우선순위를 부여하여 일정 시간 동안 서버를 공유하게 함으로서 작업을 효율적으로 처리할 수 있는 시분할 처리 시스템으로 만들어야 한다. 따라서 중앙 처리 장치가 사용 가능함에도 불구하고 사용되지 않고 있는 시간인 유휴시간을 줄일 수 있다.
향후 본 연구의 결과를 토대로 송유관, 가스관, 지역난방관, 발전소의 냉각수관 등 각종 관망에 적용하는 연구가 필요하다. 그리고 반사파 파형을 분석하기 위해 사용한 주파수 분석 이외의 신호 분석에 대해서 구체적인 연구가 필요하다.
향후 본 연구의 결과를 토대로 송유관, 가스관, 지역난방관, 발전소의 냉각수관 등 각종 관망에 적용하는 연구가 필요하다. 그리고 반사파 파형을 분석하기 위해 사용한 주파수 분석 이외의 신호 분석에 대해서 구체적인 연구가 필요하다. 기업과 구체적인 제품 출시를 통하여 시장성 증대와 고부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대한다.
그리고 반사파 파형을 분석하기 위해 사용한 주파수 분석 이외의 신호 분석에 대해서 구체적인 연구가 필요하다. 기업과 구체적인 제품 출시를 통하여 시장성 증대와 고부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상·하수도의 누수 현상의 문제점은 무엇인가?	상·하수도의 누수 현상은 수자원의 손실일 뿐만 아니라, 압력 손실로 인한 추가적인 가압 설비의 필요하다. 또한 누수가 발생한 관로 주변의 토질 약화를 초래한다. 따라서 상·하수도관의 유지 관리를 어렵게 하고, 이로 인한 수자원의 손실뿐만 아니라 심각한 경제적 손실 및 환경오염을 야기한다. 대부분의 정수장에서 생산된 수돗물 중 요금이 징수된 유수량은 유수율 80%로 상수도의 선진국과 비하여 매우 낮은 수준을 나타내고 있는 것을 알 수 있다[1][2].
	누수의 원인은 무엇인가?	대부분의 정수장에서 생산된 수돗물 중 요금이 징수된 유수량은 유수율 80%로 상수도의 선진국과 비하여 매우 낮은 수준을 나타내고 있는 것을 알 수 있다[1][2]. 누수의 원인은 여러가지가 있으나 주원인으로는 교통하중, 토지의 움직임, 수압, 관의 노후화, 지반공사에 따른 손상, 관의 부실 등이 있다. 융합기술이 발전하면서 정수장의 누수탐지는 필요성은 부각되고 있다.
	설치된 배관의 안정성 확보를 위해 필요한것은 무엇인가?	따라서 설치된 배관의 안정성 확보가 중요한 과제로 대두되고 있다. 이를 위해 유수가 발생하기 전에 파손 부분을 탐지하여 예방하거나 파손 부분을 신속하게 수리할 수 있는 방법이 필요하다. 그리고 관로에서 실시간 감지가 가능한 능동적인 시스템이 필요하다[4].

참고문헌 (15)

정대원, 정경용, "TDR 반사파 자동 분석 모니터링 시스템 개발", 대한전자공학회 학술대회, 충남대학교, pp.65-66, 2009.
윤동진, 정중채, 이영섭, "음향방출 및 상관법을 이용한 상수도배관 누수탐기 연구", 대한기계학회 2003년 춘계학술대회 논문집, pp.84-89, 2003.
정대권, 홍인식, "PDA환경에서의 누수탐지시스템에 관한 연구", 한국멀티미디어학회 추계학술발표 대회, pp.1014-1017, 2003.
정경용, 전인자, "저수조 자동 분류를 이용한 효과적인 수질 오염 관리", 한국콘텐츠학회논문지, 제9 권, 제8호, pp.1-8, 2009.

원문보기 상세보기
윤동진, 정중채, 이영섭, "음향방출 및 상관법을 이용한 상수도배관 누수탐지 연구", 대한기계학회, 춘계학술대회 논문집, pp.84-89, 2003.
정대원, "관로 감시 시스템 및 방법", 출원번호 2008-97504, 특허청.
정경용, 조선문, "수질향상을 위해 예측을 이용한 환경 친화적인 저수조 관리", 한국콘텐츠학회논문지, 제9권, 제6호, pp.9-16, 2009.

원문보기 상세보기
C. Njiru and M. Albu, "Improving Access to Water Through Support to Small Water Providing Enterprises," J. of Small Enterprise Development, pp.30-36, 2004.
오헌철, 조유선, 현승엽, 김세윤, "지하 탐사 레이더를 이용한 누수탐지 가능성 연구", 한국전자파 학회논문지, 제14권, 제6호, pp.616-624, 2003.

원문보기 상세보기
정경용, "웨어러블 기반의 심전도 측정 의복을 이용한 시각감성과 생체신호간의 상관관계", 한국콘텐츠학회논문지, 제9권, 제12호, pp.496-503, 2009.

원문보기 상세보기
G. B. Moody, "ECG-based Indices of Physical Activity," Computers in Cardiology, Vol.19, pp.403-406, 1992.
한백전자, http://www.hanback.co.kr/.
물 수요관리 종합대책 수입 연구, 환경부, 2002.
문광순, 환경친화적인 위생저수조 및 옥내배관 시스템의 유지관리기술 개발, 한국계면공학연구소 보고서, 환경부, 2004.
정경용, "저수조 무선 통합 관리 시스템 개발", 한국콘텐츠학회논문지, 제6권, 제6호, pp.16-25, 2006.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증