[논문]지하공간에서 노무자의 위치 인식을 위한 RTL 시스템 개선

송기일; 임진선; 이항로

doi:10.9711/ktaj.2016.18.3.331

지하공간에서 노무자의 위치 인식을 위한 RTL 시스템 개선
Improvement of RTL system for location monitoring of multi-laborers in the underground space 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.3, 2016년, pp.331 - 339

송기일 (인하대학교 토목공학과) , 임진선 (삼우아이엠씨 기술연구소) , 이항로 (인하대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 터널 및 지하건설현장에서 노무자의 안전을 관리할 수 있는 실시간 위치정보 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 다수의 노무자들에 대한 실시간 위치 탐색 및 이동 이력을 확인할 수 있다. 이 시스템은 지하공간에서 다양한 노무자들의 이동 특성을 손쉽게 파악하기 위하여 저전력의 이동이 용이한 시스템으로 구성하였다. RSSI를 이용한 삼각측량으로 위치 인식을 하는 과거의 방법은 매우 큰 오차를 가지는 이유로 가속도계를 이용한 새로운 거리측정 방법 및 보정 방안을 제시하였다. 지하건설현장에서 개발한 시스템을 평가한 결과 움직임이 없는 경우 약 0.2 m 오차를 나타내었고, 움직임이 있는 경우 약 0.4 m의 오차가 발생하였으며, 현장에서 충분히 활용할 만한 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Real time location (RTL) system which can control the safety of laborers in the underground space is developed in this study. This innovative system can monitor the location and history of movement of multiple laborers in real time. To accommodate constrains of the underground space, the system is portable and composed with low-battery mode. Since conventional method to detect the location of laborer with radio signal strength indicator (RSSI) contains high errors, new measurement system using accelerometers and correction method are suggested in this study. Field test is performed to validate the developed system. The error for moving laborer was 0.4 m and for non-moving laborers was 0.2 m. Thus, it is found that the new RTL system can be used to monitor the location of laborers in the underground construction space.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 터널 및 지하건설 공간에서 노무자의 안전을 효율적으로 관리하기 위해 기존의 RTL 시스템 기술의 개발현황 및 각 기술간의 특성을 살펴보았고, 이를 개선하기 위하여 센서를 이용한 보다 효율적인 위치탐색 알고리즘을 제시하였다. 이를 지하건설현장에서 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 RSSI와 가속도계가 함께 구성된 BLE 기반 RTL 시스템의 현장 성능을 평가하기 위해 인천 중구 신흥동 인근의 제2외곽 순환고속도로 지하건설 현장에서 현장실험을 수행하였다. 다음 Fig.
본 연구는 터널 혹은 지하공간 구조물 건설 시 여러 명의 노무자의 행동 패턴을 동시에 실시간으로 모니터링하고 안전 여부를 평가할 수 있는 연구용도의 RTL 시스템을 구축하기 위해서 적절한 센서 등의 하드웨어의 구축, 위치결정방법의 개선, 행동패턴의 판단 등에 대한 연구를 수행하였다.
9의 이동 경로를 순차적으로 한 방향으로 각각 이동 시키면서 위치를 추적하였다. 본 연구의 목적은 제안 알고리즘에 대한 다중 이동식 노드의 성능을 평가하는 것으로 기준 선에서 벗어난 정도를 측정하여 이에 대한 평가를 수행하였다. 다음 Fig.
현장실험은 닫힌 공간에서의 본 연구에서 제안한 위치추적 방법의 성능을 평가하는 것을 주목적으로 하였다. 첫째로 고정된 태그에 대하여 Bluetooth를 이용한 RSSI 삼각측량의 성능과 칼만필터 및 최대 이동 거리를 적용하였을 때의 오차를 평가하였다.

가설 설정

3축 가속도의 X, Y, Z방향의 가속도를 a_x, a_y, a_z라고 하고, Z축이 중력방향을 가리킨다고 가정하자. Y축을 기준으로 회전한 각도는 Θ_y라 할 때, 중력가속도 영향을 제거한 가속도 a_xz는 다음 식 (6) 및 식 (7)로부터 구할 수 있다.
또한 MAMD는 단위 시간에 영향을 받기 때문에 고정 노드의 스캔시간이 짧을수록 보다 거리 측정에 대한 오류를 줄일 수 있다. 터널 및 지하 건설공간은 외부의 평지에서 보다 이동이 비교적 수월하지가 않은 이유로 초당 0.5 m이상의 속도로 움직이지 않는다고 가정 하였고, 0.5초 간격에서 MAMD 거리는 0.25 m로 간주하였다.

제안 방법

RSSI의 이러한 부정확한 위치추정 한계를 극복하기 위해 추가적으로 BLE (Bluetooth Low Energy) 환경에서 사용 가능한 3축 가속도 센서를 이용하였다. 3축 가속도 센서는 3방향의 가속도를 일정 시간간격으로 측정하는 센서로 3 방향의 가속도를 측정하여 태그의 이동 거리, 태그의 기울기, 태그의 이동 방향 등을 결정할 수 있다(Yeom et al.
고정된 태그에 대한 제안된 위치탐색 능력을 평가 하기 위해 가로세로 5 m × 5 m에 4개의 노드를 설치하였고, 좌표 2.5 m, 2.5 m 위치에 태그를 부착한 헬멧을 얹어 놓았다.
5초 간격으로 시간차를 두며 스캔 하여 이동식 노드를 순차적으로 스캔 하는 방법을 적용하였다. 그리고 이 방법을 적용하기에 앞서 RSSI 신호의 오류로 인한 데이터 손실을 최소화 하기 위해 최대 이동 가능 거리(Max Allowable Movement Distance 이하 MAMD)를 위치측정 시스템에 적용하였다. 본 연구에서 정의한 MAMD란 건설현장의 노무자가 단위 시간 동안 최대로 움직일 수 있는 절대적 거리를 의미한다.
더불어 5개의 이동식 노드에 대한 동시 추적을 수행 하였다. 5개의 이동식 노드는 Fig.
첫째로 고정된 태그에 대하여 Bluetooth를 이용한 RSSI 삼각측량의 성능과 칼만필터 및 최대 이동 거리를 적용하였을 때의 오차를 평가하였다. 두번째는 태그 1개를 정해진 경로로 이동시키며 그 경로를 기반으로 위치추적 데이터가 벗어나는 지에 대한 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 4개의 고정 노드를 기반으로 각 고정 노드가 0.5초 간격으로 시간차를 두며 스캔 하여 이동식 노드를 순차적으로 스캔 하는 방법을 적용하였다. 그리고 이 방법을 적용하기에 앞서 RSSI 신호의 오류로 인한 데이터 손실을 최소화 하기 위해 최대 이동 가능 거리(Max Allowable Movement Distance 이하 MAMD)를 위치측정 시스템에 적용하였다.
본 연구에서는 위치추적에 대한 연속적인 이력자료를 근거로 하여 오차를 최소화 하는 방법 중 그 유효성이 충분히 입증된 최소제곱법을 이용한 칼만 필터를 사용하여 오차를 최소화 하였다. 칼만 필터는 노이즈를 정규 분포인 가우시안 분포로 가정하여 평균 및 분산으로 그 특성을 충분히 표현 가능하며 다음 식 (5)와 같이 표현할 수 있다(Kim et al.
또한 Bluetooth 방법은 여러가지 센서 신호를 통합적으로 보내기에 수월하다. 위치정보의 데이터 크기는 음성 및 동영상 파일에 비하여 그리 크지 않은 관계로 몇 고정 노드에서 서버로 정보를 보내는 통신 시스템은 네트워크 확장성이 비교적 좋은 Zigbee로 구성하였다.
이동하는 태그에 대한 위치 탐색 능력을 평가하기 위해 10 m × 10 m크기의 평면환경에서 총 8개의 노드를 사용하여 정해진 경로를 10회 정도 왕복할 때의 위치탐색 능력을 확인하였다.
현장실험은 닫힌 공간에서의 본 연구에서 제안한 위치추적 방법의 성능을 평가하는 것을 주목적으로 하였다. 첫째로 고정된 태그에 대하여 Bluetooth를 이용한 RSSI 삼각측량의 성능과 칼만필터 및 최대 이동 거리를 적용하였을 때의 오차를 평가하였다. 두번째는 태그 1개를 정해진 경로로 이동시키며 그 경로를 기반으로 위치추적 데이터가 벗어나는 지에 대한 평가를 수행하였다.
초기에 이동식 태그를 위치정보가 정확한 위치에 놓고 충분한 초기 셋팅을 수행한 후 4개의 고정 노드가 0.5초 간격으로 각각 RSSI 신호를 감지하여 거리를 추정한다.
위와 같이 장기간 대규모로 비용적인 측면을 고려하지 않을 경우 위 무선 통신 방법 중 성능이 출중한 RTL 통신시스템을 구축할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 태그 및 고정 노드의 전력 사용을 최소화 하고 고정 노드의 이동 및 설치가 자유로운 시스템을 구축하기 위해 태그와 고정 노드의 무선 통신은 Bluetooth 로 구성하였다. 또한 Bluetooth 방법은 여러가지 센서 신호를 통합적으로 보내기에 수월하다.

성능/효과

RSSI만을 이용한 삼각측량의 오차는 최대 3 m까지 발생하였고, 칼만 필터를 사용할 경우 일정 시점 이후부터 상당한 오차를 줄일 수 있었다.
RSSI만을 이용할 경우 별다른 대안이 없지만 본 연구는 가속도계를 같이 사용하는 연유로 고정 노드 한 개만으로도 RSSI 신호 및 가속도계 정보를 이용하여 위치정보를 업데이트 할 수 있다.
이는 이동 태그가 부착된 헬멧을 쓴 노무자의 가속도센서로부터 유입되는 오차의 영향이라 판단된다. 대체로 주어진 이동 경로를 따라서 위치탐색 이력결과가 도시되었으며, 이를 통해 본 연구에서 제안한 위치추적 방법이 대략 0.5 m 오차 범위를 인정할 경우 현장에서 충분히 적용가능 할 것으로 판단된다.
55 m 수준까지 나타났다. 마지막으로 칼만 필터및 MAMD를 고려한 경우 평균 오차는 0.21 m로 현격 하게 줄일 수 있었다. 이는 MAMD가 0.
본 연구에서 사용한 BLE 태그는 평균 20 Hz로 신호를 송출하는데 한 개의 고정 노드가 만약 20개 정도의 다중의 태그에서 송출하는 신호를 각각 읽어 들일 경우 약 2초 정도의 시간이 지연된다. 이는 20개의 태그를 사용하는 환경에서 RSSI 방법으로 3각 측량을 적용하려면 최소 매 2초 마다 스캔을 하여 위치 정보를 업데이트하게 되는 것을 의미하며, 임의의 태그가 0.
본 연구에서 제시한 최대 허용 이동 거리인 MAMD 를 이용할 경우 오차를 보다 더 줄일 수 있었고, 또한 이동하는 태그의 위치정보를 충분히 탐색할 수 있었다.
앞서 고정된 태그에 대하여 본 연구에서 제안한 위치탐색 알고리즘을 충분히 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이동하는 태그에 대한 위치 탐색 능력을 평가하기 위해 10 m × 10 m크기의 평면환경에서 총 8개의 노드를 사용하여 정해진 경로를 10회 정도 왕복할 때의 위치탐색 능력을 확인하였다.
0 m까지 오차가 발생하였다. 이동식 태그가 움직이지 않았음에도 기존 연구와 유사하게 기대치에 비해 큰 오류를 나타내었는데, 이로써 실질적으로 현장에서 RSSI만으로 삼각측량을 실시하여 위치탐색및 이동경로에 대해 추정하는 것은 쉽지 않음을 확인할 수 있었다. 칼만 필터를 사용한 경우 최초 약 20회까지는 다소 큰 오류를 나타내었으나 자료가 축적될수록 오차의 범위를 현격하게 줄여 평균 거리오차가 0.
지하건설현장에서 개발한 시스템을 평가한 결과 움직임이 없는 경우 약 0.2 m 오차를 나타내었고, 움직임이 있는 경우 약 0.4 m의 오차가 발생하였으며, 현장에서 충분히 활용할 만한 결과를 나타내었다.
이동식 태그가 움직이지 않았음에도 기존 연구와 유사하게 기대치에 비해 큰 오류를 나타내었는데, 이로써 실질적으로 현장에서 RSSI만으로 삼각측량을 실시하여 위치탐색및 이동경로에 대해 추정하는 것은 쉽지 않음을 확인할 수 있었다. 칼만 필터를 사용한 경우 최초 약 20회까지는 다소 큰 오류를 나타내었으나 자료가 축적될수록 오차의 범위를 현격하게 줄여 평균 거리오차가 0.55 m 수준까지 나타났다. 마지막으로 칼만 필터및 MAMD를 고려한 경우 평균 오차는 0.

후속연구

본 연구를 통해 제안된 위치추적 방법을 이용하여 지하건설공간에서 충분히 노무자의 위치이력을 탐색할 수 있었으며, 향후 유전자 알고리즘 등과 같은 최적화 알고리즘을 적용하여 보다 정밀한 위치 추적에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 가속도계 이외 타 센서를 연계하여 노무자의 행동 특성을 평가를 통한 안전 및 노무관리가 가능할 것으로 사료 된다.
본 연구를 통해 제안된 위치추적 방법을 이용하여 지하건설공간에서 충분히 노무자의 위치이력을 탐색할 수 있었으며, 향후 유전자 알고리즘 등과 같은 최적화 알고리즘을 적용하여 보다 정밀한 위치 추적에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 가속도계 이외 타 센서를 연계하여 노무자의 행동 특성을 평가를 통한 안전 및 노무관리가 가능할 것으로 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTL (Real Time Location) 시스템 기술이란?	다양한 IT 및 센서기술 중 RTL (Real Time Location) 시스템 기술은 관리하고자 하는 물체(혹은 사람)에 RFID(Radio Frequency Identification) 태그(Tag)를 부착하여 이에 대한 위치정보를 관리하고 실시간으로 모니터링 할 수 있는 시스템이다.
	건설관리 및 안전분야에 효율적인 체계가 필요해진 이유는?	건설산업은 점차 대형화 및 복합화 되고 있으며, 이에 따라 건설관리 및 안전분야에 효율적인 체계가 필요한 상황이다. 특히, 터널 및 지하시설물과 같이 열린 공간이 아닌 제한된 공간에서의 장비 및 인력의 안전은 무엇보다도 중요시 되고 있다.
	제한된 공간에서의 장비 및 인력의 안전을 위해 최근 어떤 연구가 진행되고 있는가?	특히, 터널 및 지하시설물과 같이 열린 공간이 아닌 제한된 공간에서의 장비 및 인력의 안전은 무엇보다도 중요시 되고 있다. 최근 들어 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 시도가 있었으며, 이중 IT 및 센서기술을 건설분야에 적용하여 현장의 자재, 장비 혹은 인력을 효율적으로 관리하는 방안이 활발하게 연구되고 있다(Kim et al., 2011).

참고문헌 (10)

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Park, J.S., Lim, S.B., Pyeon, M.W., Hong, T.M., Lee, B.K. (2009), "Experiment of propagation for development of the RTLS to the construction site", The Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 27, No. 4, pp. 505-513.
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상세보기
Lee, H.S., Lee, K.P., Park, M.S., Kim, H.S., Lee, S.B. (2009), "A construction safety management system based on Building Information Modeling and Real-time Locating System", Korea Journal of Construction Engineering and Management, Vol. 10, No. 6, pp. 135-146.
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원문보기 상세보기
Kim, J.H., Joo, Y., Lee, S.G., Park, S.S., Seo, D.H. (2012), "Improvement of multilateration using vector prediction algorithm and kalman filter", The Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 16, No. 12, pp. 2792-2799.

원문보기 상세보기
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Yeom, J.N., Lee, G.B., Park, J.J., Cho, B.J. (2009), "Position estimation system of moving object using GPS and accelerometer", Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 12, No. 4, pp. 600-607.
Kwon, S.R., Jung, K.J., Park, S.S., Kim, J.H., (2007), "RTLS technologic application for ubiquitous port management efficiency", Korea Information Science Society, Vol. 13, No. 6, pp. 371-377.

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].

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