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문제 정의
- 따라서 관리자는 재분사 시점을 육안으로 판단하여 무절제한 융설액 살포로 이어지거나, 융설 시스템을 임시 대응용으로만 운영하여 그 실효성을 제대로 발휘하지 못하고 있다 (KICTEP, 2012). 따라서 본 연구에서는 국내 실정에 맞고, 내구성이 높은 온도 센서로만 구성된 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 통합 운영하는 노면결빙 예측 및 강설 감지 알고리즘을 고안하여, 내구성 및 정확도 같은 단점을 상쇄할 수 있도록 시도 하였다. 또한 별도의 강설 센서 대신에 적외선 카메라를 이용하였다.
제안 방법
- (1) 국내 실정에 맞고, 접촉식/비접촉식 센서를 통합 운영 하여 현재의 노면 및 기상 상태를 모니터링 하여 결빙 예측 및 강설 감지에 응용하는 노면결빙 예측 및 강설 감지 알고리즘을 구축하였다.
- (2) 알고리즘에서 강설 강도 구분과 적설 판정을 위하여 적외선 카메라를 이용한 ISP 기법을 도입하였고, 매그너스 방정식을 이용한 이슬점 환산 방법과 포장체 표면온도와 대기 온습도, 수분 감지 센서를 이용하여 습윤/결빙 위험 상태 구분의 가능성을 평가하였다.
- 실험 방법은 강설이나 습윤 이벤트 발생 시, 노면 및 기상 상태판정 결과와 동시간대에 실제 촬영된 영상 파일을 육안으로 확인하여 현장 상태를 비교하였다. 간혹 외부 환경 영향에 의해 카메라 촬영상태가 좋지 않아 육안으로 현장 상태 확인이 불가능한 시점은 근방 관측소의 관측 자료를 활용하여 비교하였다.
- 강설 강도 구분을 위한 이동평균 경계값은 테스트베드에 서 취득한 샘플 영상인 소설 (적설량 0-1cm/h), 중설 (적설량 1-3cm/h), 대설 (적설량 3cm/h 이상)을 각각 시뮬레이션 한 결과값을 기반으로 설정하였고, 신뢰성을 높이기 위하여 습윤 상태 판정과 같이 대기 습도와 수분감지 값을 보조 인자로 추가하였다. 이상 강설 감지 알고리즘에서 사용된 경계값은 다음 Table 2와 같다.
- 8과 같이 차량에 의한 자취가 남아 정확한 강설 및 눈 또는 비가 내리는 상황을 판정하기가 난해하다. 따라서 관심영역을 적용하여 영상 이미지 중 차량 등 움직임에 영향이 적은 부분으로 선택하여, 해당 영역 안에서만 강설 강도 변화량을 효율적으로 감시하도록 하였다.
- 따라서 취득한 영상에 차선을 잘 구별할 수 있는 경계값으 로 이진화하고 Fig. 14와 같이 선 형태의 관심영역을 설정하여 설정 영역 안의 그레이 스케일 픽셀값을 비교하도록 하였다. 설정 경계값 이상으로 레벨 상승 시 경계검출을 수행하도록 하여 차선을 감지에 실패하면 적설로 판정하는 방법을 사용하였다 (Lindeberg, 2001).
- 강설 영상을 ISP 처리 후 픽셀 변화율 분석 결과, 강설 영상은 순간적인 강설강도 변동이 심한 것으로 나타났다. 따라서 판단의 편차를 줄이고 안정적인 강도 판단을 위해 픽셀 변화율에 이동 평균을 취하도록 하였다. 각각 5, 60, 300 프레임의 변화율로 이동 평균을 취하면 Fig.
- 침식 필터는 고립 된 픽셀을 제거하고 구조 요소에 의해 정의 된 템플릿에 따라 입자의 윤곽을 침식시키는 필터로, 해당 필터를 적용하면 배경에 노이즈 성분으로 따로 떨어져 있는 작은 크기의 형체를 제거하여 상대적으로 큰 눈 입자만 효과적으로 추출할 수 있다. 또한 카메라가 설치된 구조물의 흔들림이나 야간의 차량 전조등에 의한 영상 변화율은 이전 프레임과 대비하여 일정 크기 이상 급격히 상승하면 무시하도록 2차 필터 처리하였다. 그 결과, 다음 Fig.
- 구간 (A)시간대의 현장 촬영 이미지 확인 결과 응결에 의한 습윤 상태로 나타났고, 이 구간에 선 강수 상태가 아니므로 수분 감지 값의 변화는 없으나 접촉식 센서로부터 직접 측정된 노면의 표면온도와 이슬점 차가 3℃ 미만으로 떨어져 대기 중 물방울 입자가 노면 표면에 응결이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표면온도와 이슬점 차가 3℃ 이상 올라가지 않으면 노면에 응결된 물 입자가 증발되지 않고 계속 습윤 상태에 머무르는 것을 확인하였으며, 본 시스템에서는 이 경계값들을 기준으로 습윤 상태로 판정하도록 하였다.
- 이렇게 구해진 차영상의 변화 면적 픽셀값을 환산하면 강설량을 간접적으로 측정 할 수 있게 되며, 이를 강설 강도 구분 기준 값으로 사용하였다. 반대로 현재 영상과 이전 영상의 합영상을 이용하면 변화가 없는 배경 부분만을 추출할 수 있으므로, 합영상의 픽셀값을 이용하여 적설 판정에 응용 하였다.
- 본 연구에서는 배경에 소형 객체 제거를 위한 침식 (Erosion) 필터를 1차로 적용하였다. 침식 필터는 고립 된 픽셀을 제거하고 구조 요소에 의해 정의 된 템플릿에 따라 입자의 윤곽을 침식시키는 필터로, 해당 필터를 적용하면 배경에 노이즈 성분으로 따로 떨어져 있는 작은 크기의 형체를 제거하여 상대적으로 큰 눈 입자만 효과적으로 추출할 수 있다.
- 습윤 상태는 강수에 의한 습윤 상태와 표면 응결 현상에 의한 습윤 상태로 나눌 수 있으며, 습윤 상태 판정에 사용된 경계값은 동절기 취득 샘플 데이터를 기반으로 설정하였다. 먼저, 강수에 의한 습윤 상태 샘플 데이터 그래프는 Fig.
- 실험 방법은 강설이나 습윤 이벤트 발생 시, 노면 및 기상 상태판정 결과와 동시간대에 실제 촬영된 영상 파일을 육안으로 확인하여 현장 상태를 비교하였다. 간혹 외부 환경 영향에 의해 카메라 촬영상태가 좋지 않아 육안으로 현장 상태 확인이 불가능한 시점은 근방 관측소의 관측 자료를 활용하여 비교하였다.
- 실험 중 기상상태와 노면상태의 상태 판정 결과를 파악하기 위해 실제 이벤트가 발생한 시간과 알고리즘에서 판정된 이벤트 시간을 비교하였다. 결과는 Table 3과 같으며, 강설 감지율 89%, 습윤 감지율 94%로 나타났다.
- 이렇게 구해진 차영상의 변화 면적 픽셀값을 환산하면 강설량을 간접적으로 측정 할 수 있게 되며, 이를 강설 강도 구분 기준 값으로 사용하였다. 반대로 현재 영상과 이전 영상의 합영상을 이용하면 변화가 없는 배경 부분만을 추출할 수 있으므로, 합영상의 픽셀값을 이용하여 적설 판정에 응용 하였다.
- 9와 같으며, 노이즈를 제거하면서 눈 입자는 찾을 수 있는 적정 경계값을 설정하였다. 이렇게 처리된 이진화 영상에서는 전체 픽셀 대비 움직임이 있는 픽셀 수의 변화면 적을 백분율로 구하여 강설 강도를 구분하는 척도로 사용하였다.
- 적설 상태는 강설 상태가 5분 이상 지속되면, 영상 이미지 상의 차선에 경계검출 함수를 수행하고 차선 감지가 되지 않을 경우를 적설 상태로 간주하도록 하였다. 본 시스템에서는 차량 주행에 영향을 덜 받는 도로의 최외곽 차선을 활용하였다.
- 제안하는 노면결빙 예측 및 강설 감지 시스템은 현재의 노면 및 기상 상태를 모니터링하고 상태판정 알고리즘을 수행하여 현 도로 상황을 파악하고 융설 시스템의 분사시기를 산정하기 위하여 사용된다. 융설 시스템에서 융설액이 분사 되어야 하는 시점은 노면이 결빙 위험 상황과 강설 상황이다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 국내 실정에 맞고, 내구성이 높은 온도 센서로만 구성된 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 통합 운영하는 노면결빙 예측 및 강설 감지 알고리즘을 고안하여, 내구성 및 정확도 같은 단점을 상쇄할 수 있도록 시도 하였다. 또한 별도의 강설 센서 대신에 적외선 카메라를 이용하였다. 현재 고속도로에서는 교통 상황 모니터링용 카메라가 전 구간에 약 5km 간격으로 설치되어 운영되고 있고, 만일 위험 구간에 설치된 카메라를 이용하여 강설 감지에 이용할 수 있다면, 설치비용을 절감 할 수 있고 관리자가 직접 현장 상황 파악이 가능함과 동시에 실시간 강설 상태를 구분 할 수 있다는 장점이 있다.
- 또한 표면 응결 현상에 의한 습윤 상태의 경우, 알고리즘에서 유추된 이슬점과 포장체의 실제 이슬점과는 차이가 있을 수 있으므로 샘플 데이터를 취득하여 분석하였으며, 그래프는 다음 Fig. 5와 같다. 구간 (A)시간대의 현장 촬영 이미지 확인 결과 응결에 의한 습윤 상태로 나타났고, 이 구간에 선 강수 상태가 아니므로 수분 감지 값의 변화는 없으나 접촉식 센서로부터 직접 측정된 노면의 표면온도와 이슬점 차가 3℃ 미만으로 떨어져 대기 중 물방울 입자가 노면 표면에 응결이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
- 적설 상태는 강설 상태가 5분 이상 지속되면, 영상 이미지 상의 차선에 경계검출 함수를 수행하고 차선 감지가 되지 않을 경우를 적설 상태로 간주하도록 하였다. 본 시스템에서는 차량 주행에 영향을 덜 받는 도로의 최외곽 차선을 활용하였다. 적설이 될 경우, Fig.
- 현장 적용 실험은 65번 동해고속도로 강릉5터널 입구에서 2011년 11월부터 2012년 3월 동절기 기간 동안 수행하였으며, 설치 그림은 다음 Fig. 15와 같다.
이론/모형
- 강설 감지 알고리즘은 강설 감지뿐만 아니라 분사량 조절을 위한 강설 강도 구분이 가능하여야 한다. 본 연구에서는 이를 위해 적외선 카메라와 강수 감지 센서를 알고리즘에 이용하였다. 적외선 카메라는 밤에도 촬영이 가능하므로 24시간 ISP (Image Signal Processing)을 이용하여 강설 강도 분석에 사용할 수 있으며, 강설 상태를 직접 육안으로 확인할 수 있다는 장점이 있다.
- 14와 같이 선 형태의 관심영역을 설정하여 설정 영역 안의 그레이 스케일 픽셀값을 비교하도록 하였다. 설정 경계값 이상으로 레벨 상승 시 경계검출을 수행하도록 하여 차선을 감지에 실패하면 적설로 판정하는 방법을 사용하였다 (Lindeberg, 2001).
- 차영상, 혹은 합영상은 감시 카메라에서 움직임을 포착하거나 움직이는 물체의 이동경로 등을 파악하기 위한 방법으로 사용되며, 본 연구에서는 현장 강설시 눈의 움직임을 감지하기 위한 방법으로 사용되었다. 먼저 두 이미지 사이의 산술 또는 논리 연산을 픽셀 단위로 변환하고 변환된 이미지의 현재 영상과 이전 영상 이미지를 NAND 처리하게 되면 동일 Pixel 값을 빼기 때문에 영상에 차이가 있던 부분만 효과적으로 추출해 낼 수 있다.
성능/효과
- (B)구간의 강설 상태는 5시간에 걸쳐 지속되었고, 그 중 대설 상태가 3시간 10분간 지속된 폭설 이벤트로 나타났으며, 당시 현장 촬영 이미지를 매칭 시켜보면 판정 결과와 일치하였다.
- 따라서 판단의 편차를 줄이고 안정적인 강도 판단을 위해 픽셀 변화율에 이동 평균을 취하도록 하였다. 각각 5, 60, 300 프레임의 변화율로 이동 평균을 취하면 Fig. 12와 같으며, 300 프레임의 변화율 이동평균 값이 안정적으로 강설 강도 구분 가능 한 것으로 나타났다. 이렇게 취득한 300프레임 변화율 이동평균값은 강설 상태에서 강설 강도를 구분하는 척도로 사용하였다.
- 강설 영상을 ISP 처리 후 픽셀 변화율 분석 결과, 강설 영상은 순간적인 강설강도 변동이 심한 것으로 나타났다. 따라서 판단의 편차를 줄이고 안정적인 강도 판단을 위해 픽셀 변화율에 이동 평균을 취하도록 하였다.
- 5와 같다. 구간 (A)시간대의 현장 촬영 이미지 확인 결과 응결에 의한 습윤 상태로 나타났고, 이 구간에 선 강수 상태가 아니므로 수분 감지 값의 변화는 없으나 접촉식 센서로부터 직접 측정된 노면의 표면온도와 이슬점 차가 3℃ 미만으로 떨어져 대기 중 물방울 입자가 노면 표면에 응결이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표면온도와 이슬점 차가 3℃ 이상 올라가지 않으면 노면에 응결된 물 입자가 증발되지 않고 계속 습윤 상태에 머무르는 것을 확인하였으며, 본 시스템에서는 이 경계값들을 기준으로 습윤 상태로 판정하도록 하였다.
- 4와 같으며, 구간 (A)에 해당하는 강수 시간대에서 대기 습도가 70% 이상으로 나타났다. 수분 감지 값은 강수 감지기의 센서 표면에 수분이 감지되면 트리거 형식으로 출력되며, 구간 (A)와 같이 1분 동안 누적 감지된 트리거가 15회 초과하면 산발적인 강수 상황에서도 강수 여부를 안정적으로 파악할 수 있는 것으로 나타났다.
- 첫째, 결빙 위험 감지 정확도가 낮다. 현존 결빙 센서 중 접촉식 센서는 도로 표면에 매설되어 직접 노면의 위험 상태를 판단할 수 있으나 낮은 내구성과 보수가 어려운 문제가 있다.
- 18과 같으며, 해당 그래프에서 (A), (C)구간은 일반 상태, (B)구간은 강설 상태로 판정하였다. 해당 구간에서 픽셀 변화율은 17시 12분부터 강설 강도 구분 경계값을 초과하였고, 소설부터 대설까지 점차적으로 증가하여 18시 27분에는 최대 34.6%까지 나타났다.
후속연구
- (3) 상태판정 결과를 기반으로 강설량과 결빙 위험도를 구분하여 융설 시스템의 최적 분사를 유도한다면 기존의 De-icing 방식이 아닌 Anti-icing 방식의 사전 융설의 개념을 도입할 수 있으므로 제설 효과를 높이고, 무절제한 제설제의 살포로 인한 환경오염 및 손실을 감소 시킬 수 있으므로 효율적인 도로 관리에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
- 실험 기간 동안 어는 비나 살얼음 등과 같은 직접적인 노면결빙 이벤트는 발생하지 않았으나, 일반 강수 상황이나 응결 현상에 의한 노면 습윤 상태 검지 동작은 원활하게 수행 되었다. 노면결빙 위험 판정은 습윤 상태에서 표면 온도 경계값 이하로 온도가 하강되는 조건이 추가되므로, 습윤 상태 검지가 정상적으로 수행된다면 결빙 위험 경계 조건이 발생시에도 원활한 판정 동작을 수행할 것으로 예상된다. 실험 기간 도중 2012년 1월 17일 발생한 습윤 검지 그래프를 살펴보면 다음 Fig.
- 따라서 카메라 최적 설치 기준과 관심 영역 설정에 대한 보편적 기준이 확보되어 다양한 현장 상황에서도 적용이 가능해야 한다. 또한 낮과 밤의 조도 영향에 따라 ISP의 강설 강도 구분 경계값을 수동으로 변경해야하므로, 강설 강도 구분의 안정적인 동작을 위한 노이즈 필터나 자동 감지 경계값 설정 등의 업그레이드가 추가로 연구되어야 할 것으로 판단된다.
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