[논문]IoT기반 저수지/사방댐 담수량 및 토사량 모니터링 시스템 설계 및 구현

홍성표

doi:10.9728/dcs.2017.18.4.787

IoT기반 저수지/사방댐 담수량 및 토사량 모니터링 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of amount of contained water, earth and sand Monitoring System based on IoT 원문보기

디지털콘텐츠학회 논문지 = Journal of Digital Contents Society, v.18 no.4, 2017년, pp.787 - 793

초록
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본 논문은 기존의 단순한 수위측정 방식과는 달리 저수지 및 사방댐 등의 담수량 및 토사의 퇴적량을 단위체적블록 객체모델링을 통하여 실시간 측정하고, 해당 정보를 영상 정보와 같이 제공하는 IoT기반 소규모 저수지/사방댐 담수량 및 토사량 모니터링 시스템을 제안한다. 제안 시스템은 점차 강화되고 있는 사방댐 관리규정과 함께 보다 정확한 준설계획의 수립과 효율적인 물 관리가 가능하고, 산사태 등의 재해사고 방지에 매우 효과적이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the IoT based monitoring system to reservoir and erosion control dam that measure amount of contained water and amount of sediment by real time through unit volume block object modeling and support the related image. The proposed system is more effective in establishing a more accurate dredging plan and effectively managing efficient water management plans, and effectively preventing accidents such as landslides, etc.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 제안하는 IoT기반[3] 소규모 저수지/사방댐 담수량 및 토사량 모니터링 시스템은 담수량 및 토사의 퇴적량을 단위체적블록 객체모델링을 통하여 실시간 측정하고, 해당 정보를 영상 정보와 같이 제공함으로써, 저수지 및 사방댐 등의 상태 변화 및 위험 감지와 정확한 준설시기 및 준설규모 파악을 위한 정보를 제공하는 시스템을 개발 하고자 한다.
본 연구에서는 담수량 및 토사의 퇴적량을 단위체적블록 객체모델링을 통하여 실시간 측정하고, 해당 정보를 영상 정보와 같이 제공함으로써, 저수지 및 사방댐 등의 상태 변화 및 위험 감지와 정확한 준설시기 및 준설규모 파악을 위한 정보를 제공하는데 목적이 있다. 담수량 및 토사량 모니터링 시스템 구현을 위해 그림 5와 같이 하드웨어 플랫폼을 설계하였으며, 시스템 진행 흐름은 그림 6과 같다.

제안 방법

물’과 ‘토사’ 등 서로 다른 매질의 경계면 데이터 측정 및 거리 검출을 위해 그림 7과 같이 마이크로웨이브 대역의 임펄스- 레이더[11]와 초음파대역을 사용하는 소나-사운더 GPS 및 고도계를 결합한 다중센서 모듈을 설계 및 구현하였다.
사전에 드론, UAV와 GPS를 이용하여 지형정보를 습득한후 그림 9의 수치표고형 생성 알고리즘을 이용하여 대상지형물의 GIS 정보를 바탕으로 저수지, 댐의 하상에 고도 값을 갖는 수치표고모형(DEM) 파일[12]을 제작하고, 하상 곡면 3D 모델링 기술을 적용하여 정확한 기초 데이터를 확보한 후, 그림 10 의 단위체적블록의 객체모델링과 체적량 연산 알고리즘을 통해 정확한 체적량을 산출할 수 있도록 하였다.
시스템운용자의 사용 편의성을 위해 다음의 기능을 제공하는 관리용 UI를 구현하였다.

성능/효과

임펄스-레이더 모듈의 아키텍쳐는 그림 8과 같이 지향성 초광대역 안테나, 임펄스 신호발생기, 임펄스 검출기, 고속의 A/D 변환기, 신호처리기 등으로 구성되어 있으며, 구현된 임펄스-레이더 모듈로 전라남도 화순군 장치저수지의 취수장에서 현장실험을 실시한 결과 표 2에서 보는바와 같이 목적피사체 및투과매질에 따라 최대검출거리와 최대오차 값에서 차이가 있음을 확인하였으나, 오차 값은 소프트웨어를 통해 보정이 가능하고, 검출거리의 경우 본 시스템은 소규모 저수지 및 사방댐을 대상으로 운영하기 때문에 현장 운영에 적합한 것으로 평가되었다.

후속연구

IoT기반 소규모 저수지/사방댐 담수량 및 토사량 모니터링 시스템은 기존의 단순한 수위측정 방식과는 달리 저수지 및 사방댐 등의 담수량 및 토사의 퇴적량을 단위체적블록 객체모델 링을 통하여 실시간 측정하고, 해당 정보를 영상 정보와 같이 제공함으로써 보다 정확한 준설계획의 수립과 효율적인 물관 리가 가능하여 산사태 등의 재해 사고를 예방 할 수 있을 것으로 판단된다.
기후변화에 따라 홍수와 가뭄이 심화되고 있어 제방을 높이 쌓는 일차원적 대책으로는 침수피해 가능성 대비에 한계가 있으므로, 집중호우로 인한 도심 하천 범람을 막기 위해서는 사전에 퇴적토 등을 모니터링하고, 퇴적량 통계 D/B를 구축하여 정확한 준설계획을 수립할 필요가 있다.
또한 본 시스템을 활용하여 현재수위 및 토사 그리고 시간당 강우량 데이터를 분석하여 수위에 따른 하천 수문 자동개폐 시스템으로 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWB무선기술의 장점은 무엇인가?	UWB(ultra wide band) 무선기술은 무선반송파를 사용하지 않고 그림 3과 같이 기저대역에서 수 Ghz 대의 매우 넓은 주파 수를 사용하여 통신이나 레이더 등에 응용되고 있는 새로운 무선 기술이다. 특히 이 기술은 수 나노 혹은 수 피코 초의 매우 좁은 펄스를 사용함으로써 기존의 무선 시스템의 잡음과 같은 매우 낮은 스펙트럼 전력으로 기존의 이동통신, 방송, 위성 등의 기존 통신 시스템과 상호간섭 영향 없이 주파수를 공유하여 사용할 수 있으므로 주파수의 제약 없이 사용 가능한 시스템으로 새롭게 대두되고 있다.
	초음파센서를 이용한 수위 측정 방법의 특징은 무엇인가?	담수량과 토사량의 측정방법은 표 1과 같이 발전해 왔다. 2세대 기술인 수압센서를 이용한 측정 방법은 토사나 부유물의 침적으로 인한 센서 하중의 변화를 보정할 수 없어 실제 수량과 차이를 보이는 경우가 많고, 최근 많이 사용되고 있는 3세대 기술인 초음파센서를 이용한 수위 측정 방법의 경우 음파를 이용 하기 때문에 기후 변화에 따른 매질 밀도 변화에 측정 결과가 달라지는 경우가 있어 주기적이고 상시적인 보정 및 관리가 필요하다. 기타 하상 및 항만 준설을 위한 물리적 측량 기술로는 시추(보링;Boring)에 의해 직접 시료를 채취 후 측량 하는 방법, 2주파 형식의 수심 측정기로 퇴적층을 분석하는 방법, GPS와음향측심기를 이용하여 위치자료와 수심자료를 측정하여 GIS 를 이용한 3차원 하상 측정법 등이 있다.
	담수량과 토사량 측정 방법인 수위표지판을 이용하는 방법의 문제점은 무엇인가?	기존의 측정방법 중 수위표지판을 이용한 방법은 기준이 되는 바닥이 고정이 된 상태여서 바닥면과 수위면 사이에 토사나 부유물의 침적으로 인한 기준면 변화에 대응 하지 못하는 문제 점이 있으며, 수압센서를 이용한 측정 방법은 토사나 부유물의 침적으로 인한 센서 하중의 변화를 보정할 수 없어 실제 수량과 차이를 보이는 경우가 많다. 최근 많이 사용되고 있는 초음파센 서를 이용한 수위 측정 방법의 경우 음파를 이용하기 때문에 기후 변화에 따른 매질 밀도 변화에 측정 결과가 달라지는 경우가 있어 주기적이고 상시적인 보정 및 관리가 필요하며, 일부 GIS 기술을 활용하고 있는 기술의 경우 수동 또는 반자동으로 바닥의 수심 데이터를 측량한 후 GIS 데이터와 매칭 하는 형태다.

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