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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 상수도 관로 위치탐사와 관련된 선진기술의 벤치마킹을 통하여 상수도 관로의 위치를 탐사하고 탐사한 위치를 좌표화할 수 있는 기술 및 장비를 개발하고자 개발할 장비의 성능을 평가할 수 있는 기초실험을 수행하고 실험 결과의 분석을 통하여 개발할 장비의 현장 적용성 및 실용성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 상수도 관로의 정확한 위치를 탐사하기 위한 위치탐사 장비를 개발하고, 위치탐사의 정확도를 높이기 위하여 측정된 위치 데이터는 확장칼만필터를 이용하여 보정하였다. MEMS 기반의 MTi IMU 센서와 Fiber Optics 기반의 1750 IMU 센서를 사용하여 위치탐사 장비의 성능을 확인하기 위한 track 시험과 road 시험을 실시하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상수도 관로의 정확한 위치를 탐사하기 위한 위치탐사 장비를 개발하고, 위치탐사의 정확도를 높이기 위하여 측정된 위치 데이터는 확장칼만필터를 이용하여 보정하였다. MEMS 기반의 MTi IMU 센서와 Fiber Optics 기반의 1750 IMU 센서를 사용하여 위치탐사 장비의 성능을 확인하기 위한 track 시험과 road 시험을 실시하였다.
- Road test에서는 track test 결과, 정밀도가 낮아 1 km 이상 장거리 위치탐사 시 5 m이상의 큰 오차가 발생할 것으로 예상되는 MTi IMU 센서는 사용하지 않았으며, 1750 IMU 센서를 탑재한 위치탐사 프로브 H/W를 이동대차를 이용하여 장거리 공간 기초실험을 실시하였다. 각 이동속도별 위치탐사 결과는 Table 4와 같다.
- 5 m/sec) 의 속도로 각 10회씩 실시하여 구간마다 GPS 측량결과와 오차를 측정하였다. 거리 측정 오차를 최소화하기 위하여 바퀴의 미끄럼이 최소화 되도록 이동대차를 제작하여 장거리 위치탐사 실험을 실시하였다. 마지막으로, 실험 결과의 분석은 track 시험에서와 동일한 방법을 이용하였다.
- 두 번째는 road 시험으로써, 장거리 구간을 이동하며 위치를 탐사하는 경우를 모사하였다. 이를 위하여 IMU 센서를 탑재한 위치탐사 프로브 H/W를 이동대차에 탑재시킨 장비를 제작하였으며, 제작한 H/W는 Fig.
- 둘째로, 이동대차를 제작하여 859.6 m의 Road에서 GPS 정밀 측량 결과와 1750 IMU 센서를 이용한 위치 탐사 결과를 비교하여 오차의 정밀도를 확인하는 실험과 주행 속도를 변화하면서 최적의 이동속도를 확인하는 실험을 실시하였다. 위치탐사 결과는 이동거리 대비 평균 0.
- 본 연구에서는 크게 2가지의 기초실험을 진행하였다. 첫 번째는 track 시험으로써, 상수도 관로 위치탐사 장비를 일정한 속도로 일정한 거리를 이동시킨 뒤 도착지점의 위치를 파악하였으며, 개발한 하드웨어와 알고리즘의 정상작동 확인과 폐합오차를 측정하여 정확도를 파악하기 위하여 실시하였다.
- 실험 방법은 위치탐사 장비의 이동속도를 다르게 하여 속도의 변화에 따른 오차의 크기 변화와 정밀측량 결과와 비교하여 정밀도를 확인하기 위한 실험을 병행하여 실시하였다. 이동 속도는 상수도 관망에서 나타날 수 있는 속도 중 최저 및 최대 유속을 모사하여 느린 속도(0.
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3.1 Tract test 단거리 기초실험
실험방법은 레일의 한 점에서 출발하여 다시 제자리로 돌아오게 한 후 저장된 데이터를 가지고 분석하였다. 먼저 MTi IMU 센서의 이동거리별 실험 결과는 Table 2와 같이 나타났다.
- 이동 속도는 상수도 관망에서 나타날 수 있는 속도 중 최저 및 최대 유속을 모사하여 느린 속도(0.3 m/sec ∼ 0.6 m/sec), 중간 속도(1.0 m/sec ∼ 1.5 m/sec), 빠른 속도(2.0 m/sec ∼ 2.5 m/sec) 의 속도로 각 10회씩 실시하여 구간마다 GPS 측량결과와 오차를 측정하였다.
- 첫 번째 실험에서는 MTi IMU 센서와 1750 IMU 센서를 구분하여 장비를 구성한 후 장비를 각각 5 m, 10 m, 20 m, 30 m, 40 m, 50 m를 이동시키며 위치를 측정하였다. 개발한 장비에 탑재한 센서의 정밀도를 파악하기 위하여 각 실험 조건별 반복 실험을 10회 진행하였으며, 통계적 오차 및 신뢰수준을 분석하였다.
- 본 연구에서는 크게 2가지의 기초실험을 진행하였다. 첫 번째는 track 시험으로써, 상수도 관로 위치탐사 장비를 일정한 속도로 일정한 거리를 이동시킨 뒤 도착지점의 위치를 파악하였으며, 개발한 하드웨어와 알고리즘의 정상작동 확인과 폐합오차를 측정하여 정확도를 파악하기 위하여 실시하였다. Fig.
- 첫째로, 상수도 관로에서 나타날 수 있는 모든 직관 및 곡관에 대응할 수 있도록 직선, 원, 타원 형태로 5 m 길이의 Track 모형실험 장치를 만들어 누적거리를 증가시키면서 반복 주행을 하여 발생하는 오차의 정밀도를 확인하였다. MTi IMU 센서를 이용한 시험 데이터를 분석한 결과, 직선 Track의 모형실험 결과는 이동거리 대비 평균 0.
대상 데이터
- 첫 번째는 track 시험으로써, 상수도 관로 위치탐사 장비를 일정한 속도로 일정한 거리를 이동시킨 뒤 도착지점의 위치를 파악하였으며, 개발한 하드웨어와 알고리즘의 정상작동 확인과 폐합오차를 측정하여 정확도를 파악하기 위하여 실시하였다. Fig. 3은 첫 번째 실험에 사용한 트랙 3가지(직선 5 m(왕복), 원 5 m, 타원 5 m)의 제원을 나타내며, 각 트랙은 상수도 관망에 나타날 수 있는 직관 및 곡관을 모사한다. Fig.
- Road 시험 장소는 K-water Y정수장 구내 도로였으며, 먼저 정밀한 GPS 측량 장비를 이용하여 측량을 실시하고 이를 도면상에 표기하였다. 거리는 859.6 m이고 고저차가 있는 부지에서 이동에 따른 3차원(X, Y, Z)의 공간 위치탐사 실험을 실시할 수 있다. Fig.
데이터처리
- 첫 번째 실험에서는 MTi IMU 센서와 1750 IMU 센서를 구분하여 장비를 구성한 후 장비를 각각 5 m, 10 m, 20 m, 30 m, 40 m, 50 m를 이동시키며 위치를 측정하였다. 개발한 장비에 탑재한 센서의 정밀도를 파악하기 위하여 각 실험 조건별 반복 실험을 10회 진행하였으며, 통계적 오차 및 신뢰수준을 분석하였다.
이론/모형
- 위치탐사 장비의 위치와 상태는 비선형적인 요소를 포함하고 있다. 이와 같은 비선형적인 요소를 선형으로 보정하는 과정에 확장칼만필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 이용하였다. 확장칼만필터는 시스템의 실제 상태와 가장 가까운 값을 직전 추정값이라고 보고 이 값을 기준으로 선형 모델을 계산하는 방법이다.
성능/효과
- 11%로 나타났다. 10회 반복 측정에 대하여 95 % 신뢰구간을 설정한 뒤 실험 결과가 95 % 신뢰구간에 포함된 적 중률(Hit ratio)는 앞선 MTi IMU 센서를 이용할 때보다 전반적으로 높게 나타났다. IMU 센서는 이동거리가 길어질수록 오차가 커지는 경향이 있다.
- 1750 IMU 센서의 경우는 첫째로, 직선운동의 폐합오차 결과는 이동거리 대비 최소 0.05 %에서 최대 0.11%이고 평균 0.08 %의 오차를 보였으며, 둘째로 원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.11 %에서 최대 0.15 %이고 평균 0.13 %의 오차를 나타내었다. 셋째로 타원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.
- 첫째로, 상수도 관로에서 나타날 수 있는 모든 직관 및 곡관에 대응할 수 있도록 직선, 원, 타원 형태로 5 m 길이의 Track 모형실험 장치를 만들어 누적거리를 증가시키면서 반복 주행을 하여 발생하는 오차의 정밀도를 확인하였다. MTi IMU 센서를 이용한 시험 데이터를 분석한 결과, 직선 Track의 모형실험 결과는 이동거리 대비 평균 0.34 %의 오차를 보였으며, 원형 Track의 실험 결과는 평균 0.51 %의 오차를 나타내었다. 또한 타원 Track의 실험 결과는 평균 0.
- Track test 결과 두 센서 모두 직선운동이 가장 오차가 낮게 나타났으며, 타원은 중간, 원운동의 경우가 가장 높게 나타났다. 이는 실 상수도 관망에서 곡관이 많을수록 오차율이 높게 나타날 수 있음을 알 수 있는 기초 실험이다.
- 또한 위치탐사 장비의 이동속도를 변화시키면서 최적의 이동속도를 확인한 결과 장비의 이동속도가 빠를수록 정밀도가 낮아지는데 이는 거리측정 장치의 오차가 증가할수록 정확도도 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 다만 이와 같은 결과는 트랙이동시 속도에 따른 흔들림 현상으로 판단되지만 실제 상수도 관로 내에서는 흔들림 현상이 억제될 수 있으므로 개발된 장치의 실용성을 확인할 수 있었다.
- 13 %의 오차로 1 km 위치 탐사 시 1 m 정도로 정밀도가 높음을 확인하였다. 단거리 구간의 두 IMU 센서의 정밀도는 약 5배 정도인 것을 확인할 수 있었다.
- 두 센서의 정밀도의 차이는 MTi IMU 센서의 경우 폐합오차가 평균 0.34 %∼0.51 %로 1 km 위치탐사 시 최대 5 m 정도의 오차가 발생될 수 있으며, 1750 IMU 의 경우는 평균 0.08 %∼0.13 %의 오차로 1 km 위치 탐사 시 1 m 정도로 정밀도가 높음을 확인하였다.
- 11%로 나타났다. 따라서 1 km 거리의 상수도 관로를 위치탐사하면 MTi IMU 센서는 약 5 m, 1750 IMU 센서는 약 1 m 정도의 오차가 발생할 수 있어 1750 IMU 센서가 5배 정도로 정밀함을 확인할 수 있다.
- 따라서 본 연구를 통해 상수도 관로 위치탐사를 위한 위치탐사 센서는 이동거리 및 방향 전환시의 오차 발생 특성 등을 종합적으로 고려할 때 장거리 위치탐사 시 측정의 신뢰성을 보장하기 위해서는 저가의 MTi IMU 센서보다는 정밀도가 높은 1750 IMU 센서를 선택하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
- 48 %로 나타났다. 따라서 직선 구간의 이동보다 방향 변경이 발생하는 원형 또는 타원 구간에서 오차가 커짐을 확인할 수 있었으나 오차의 차이는 1 m 이동 시 2 mm로 실용성 측면에서는 차이가 없을 것으로 판단된다.
- 04 %의 오차의 정밀도를 나타내었다. 또한 위치탐사 장비의 이동속도를 변화시키면서 최적의 이동속도를 확인한 결과 장비의 이동속도가 빠를수록 정밀도가 낮아지는데 이는 거리측정 장치의 오차가 증가할수록 정확도도 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 다만 이와 같은 결과는 트랙이동시 속도에 따른 흔들림 현상으로 판단되지만 실제 상수도 관로 내에서는 흔들림 현상이 억제될 수 있으므로 개발된 장치의 실용성을 확인할 수 있었다.
- 13 %의 오차를 나타내었다. 셋째로 타원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.09 %에서 0.13 %이고 평균 0.11%로 나타났다. 10회 반복 측정에 대하여 95 % 신뢰구간을 설정한 뒤 실험 결과가 95 % 신뢰구간에 포함된 적 중률(Hit ratio)는 앞선 MTi IMU 센서를 이용할 때보다 전반적으로 높게 나타났다.
- 51 %의 오차를 나타내었다. 셋째로 타원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.33 %에서 0.63 %이고 평균 0.48 %로 나타났다. 한편, 10회 반복 측정에 대하여 95 % 신뢰구간을 설정한 뒤 실험 결과가 95 % 신뢰구간에 포함된 적중률(Hit ratio)는 직선 track의 경우 60∼80 %로 나타났으나, 원 track과 타원 track은 50∼60 %로 다소 낮게 나타났다.
- 실험 결과 XY 방향의 평균 폐합오차는 느린 속도에서는 0.32 m, 보통 속도에서는 0.38 m, 빠른 속도에서는 0.56 m로 나타났다. 오차율은 느린 속도에서 빠른 속도로 갈수록 높게 나타남을 확인할 수 있었으며, 이는 바퀴의 슬립 등 거리 측정에 오차가 발생하여 폐합오차도 증가하는 것으로 확인할 수 있었다.
- 실험 데이터를 분석한 결과, 첫째로 직선운동의 폐합오차 결과는 이동거리 대비 최소 0.19 %에서 최대 0.49%이고 평균 0.34 %의 오차를 보였으며, 둘째로 원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.37 %에서 최대 0.66 %이고 평균 0.51 %의 오차를 나타내었다. 셋째로 타원운동의 폐합오차 결과는 최소 0.
- 56 m로 나타났다. 오차율은 느린 속도에서 빠른 속도로 갈수록 높게 나타남을 확인할 수 있었으며, 이는 바퀴의 슬립 등 거리 측정에 오차가 발생하여 폐합오차도 증가하는 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과 분석을 통해 정밀도가 높은 위치탐사를 위해서는 1.
- 6 m의 Road에서 GPS 정밀 측량 결과와 1750 IMU 센서를 이용한 위치 탐사 결과를 비교하여 오차의 정밀도를 확인하는 실험과 주행 속도를 변화하면서 최적의 이동속도를 확인하는 실험을 실시하였다. 위치탐사 결과는 이동거리 대비 평균 0.04 %의 오차의 정밀도를 나타내었다. 또한 위치탐사 장비의 이동속도를 변화시키면서 최적의 이동속도를 확인한 결과 장비의 이동속도가 빠를수록 정밀도가 낮아지는데 이는 거리측정 장치의 오차가 증가할수록 정확도도 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
- IMU 센서는 이동거리가 길어질수록 오차가 커지는 경향이 있다. 장거리 측정시 측정의 신뢰성을 보장하기 위해서는 MTi IMU 센서보다 1750 IMU 센서를 이용하는 것이 바람직하다고 판단된다. 다음 Fig.
- 한편 1750 IMU 센서를 이용한 시험 데이터를 분석한 결과, 직선 Track의 모형실험 결과는 이동거리 대비 평균 0.08 %의 오차를 보였으며, 원형 Track의 실험 결과는 평균 0.13 %, 타원 Track의 실험 결과는 평균 0.11%로 나타났다. 따라서 1 km 거리의 상수도 관로를 위치탐사하면 MTi IMU 센서는 약 5 m, 1750 IMU 센서는 약 1 m 정도의 오차가 발생할 수 있어 1750 IMU 센서가 5배 정도로 정밀함을 확인할 수 있다.
- 한편, 10회 반복 측정에 대하여 95 % 신뢰구간을 설정한 뒤 실험 결과가 95 % 신뢰구간에 포함된 적중률(Hit ratio)는 직선 track의 경우 60∼80 %로 나타났으나, 원 track과 타원 track은 50∼60 %로 다소 낮게 나타났다.
후속연구
- 오차율은 느린 속도에서 빠른 속도로 갈수록 높게 나타남을 확인할 수 있었으며, 이는 바퀴의 슬립 등 거리 측정에 오차가 발생하여 폐합오차도 증가하는 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과 분석을 통해 정밀도가 높은 위치탐사를 위해서는 1.0 m/sec 전후의 속도가 가장 적합한 것으로 확인할 수 있었으며, 거리 측정 오차를 줄인다면 더욱 정밀한 위치 탐사가 가능할 것이다. 또한 Z 방향의 평균 폐합오차는 0.
- 향후 현장의 적용성과 정밀도 향상을 위하여 실제 상수도 관로 형태의 Pilot Plant를 통하여 매설 환경과 타 지하매설물의 영향 여부를 확인하고, 위치탐사 알고리즘의 업그레이드를 통하여 상수관로 탐사의 정확도 및 현장 적용성을 높일 수 있는 연구를 추진한다면 더욱 정확한 상수도 관로의 위치를 탐사할 수 있는 장비를 개발할 것으로 기대된다.
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