[논문]작업현장의 안전을 위한 LoRa기반 통신의 음영지역 해소를 위한 연구

김승용; 김동식; 황인철; 김경수; 김경용

doi:10.15683/kosdi.2020.06.30.402

작업현장의 안전을 위한 LoRa기반 통신의 음영지역 해소를 위한 연구
A Study on Resolving Shadow Area of LoRa-based Communication for Workplace Safety 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.16 no.2 = no.48, 2020년, pp.402 - 410

김승용 (Department of Management Information System, Korea National University of Transportation) , 김동식 (KCC Engineering & Construction Co., Ltd.) , 황인철 (Secuware Inc.) , 김경수 (Department of Construction Safety Engineering, Kyonggi University) , 김경용 (Department of Paramedic Science, Korea National University of Transportation)

초록
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연구목적: 본 연구의 목적은 '스마트 안전관리 시스템'의 통신 음영지역을 해소하는 것이다. '스마트 안전관리 시스템'은 고위험 작업장(산업현장, 재난현장)에서 일하는 근로자의 실시간 데이터를 모니터링하고 중계할 수 있다. 데이터는 구조팀에게 구조작업 시 '골든 타임'을 제공한다. 연구방법: 이 연구에서 안전 태그는 사용자의 중계기 역할을 하도록 설계 및 구현되었다. 연구결과: 다시 말해, 안전 태그와 지휘부의 통신 구간에서 통신 음영이 생길 경우, 안전 태그는 해당 지역의 다른 안전 태그에 대한 중계기 역할을 한다. 결론: 이 연구는 개발한 안전 태그가 통신 음영지역이 있는 특정 건물에서 통신두절 문제가 해소되는지 테스트했다. 먼저, 안전 태그와 지휘부 단말기 사이에서 통신 음영지역을 확인했다. 동일한 상황에서 추가 안전 태그를 배포한 결과 통신 음영지역이 해소된 것으로 나타났다. 중계기 역할을 하는 안전 태그는 테스트 빌딩에서 최대 지하 3층 까지 통신 음영지역을 해소할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose of this research is to eliminate communication shadowing loss of the 'smart safety management system'. The 'smart safety management system' can monitor and relay real time data of workers working in high risk workplace (i.e: industrial scene, disaster scene). The data will provide the rescue team the 'golden hour' in their rescue operations. Method: In this research, safety tag was designed and implemented so that it acts as a repeater for the user. Result: In other words, when communication in-between the safety tag and headquarters' communication terminal is jeopardized, the safety tag will act as a repeater-terminal for other safety tags in the area. Conclusion: The research tested if a specific building with communication shadowing loss problem was resolved when safety tags were implemented. Communication shadowing was first identified in-between the safety tag and headquarters' communication terminal. When extra safety tags were deployed in the same situation, the results showed that the communication shadowing loss was resolved. The repeater safety tags could resolve communication shadowing loss of up to three basement levels in this test building.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Smart safety management system diagram
그림 Fig. 2. Coverage for basement 1
그림 Fig. 3. Coverage for basement 2
표 Table 1. Improve coverage area after repeating (Unit : ㎡)
그림 Fig. 4. Coverage for basement 3
그림 Fig. 5. Floor communication status through repeating function of safety tag

AI 본문요약
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문제 정의

본 시스템에 관한 선행연구에서는 안전 태그 및 현장지휘부 단말기의 기능구현과 검증을 위한 실험을 수행했다. 실험을 통해 위에 적시한 모든 기능이 구현되는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 안전태그와 현장지휘부 단말기 간 통신이 원활하지 않은 상황에서 다른 안전태그를 통해 비상 상태의 신호를 전달할 수 있도록 구현하였다. 본 연구에서 통신 음영지역이 형성되는 특정 건축물에서 통신 음영지역이 해소되는지에 대한 실험을 수행하였다. 안전태그와 현장지휘부 단말기 간 직접 통신 환경에서 통신 성능을 측정하여 통신 음영지역을 확인하였고, 동일한 환경에서 중계기 역할을 하는 안전태그를 추가로 투입한 후 통신 성능을 측정하여 통신 음영지역이 해소되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 건물의 대형화 및 복잡한 내부 구조에서 ‘스마트 안전관리 시스템’을 운영 시 안전태그의 비상신호를 안정적으로 현장지휘부로 전송할 수 있도록 하기 위해 LoRa 무선통신의 음영지역을 최소화할 수 있도록 제작한 ‘스마트 안전관리 시스템’의 성능에 대하여 분석하였다.
본 연구에서는 고위험 작업장(재난현장, 산업현장)에 투입된 작업자의 위험 상황을 실시간으로 모니터링하여 비상 상태의 작업자를 구조하기 위한 골든아워를 확보하고자 하는 ‘스마트 안전관리 시스템’의 통신 음영지역 해소에 관한 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 통신 음영지역을 해소하기 위한 방안으로 기존 연구와 달리 안전태그 자체가 중계기 역할을 할 수 있도록 하였다. 통신 음영지역에서 안전태그가 발신한 비상 신호를 인접한 안전태그가 받아 현장지휘부로 전달할 수 있는 알고리즘을 개발하여 안전태그 내 펌웨어로 구현하였다.

제안 방법

기존 연구와 달리 본 연구에서는 별도의 중계기를 필요하지 않고 작업자가 착용하는 안전태그가 중계기 역할을 할 수 있도록 설계하여 구현하였다.
먼저, 테스트 장소를 선정하고 장소의 특성에 맞는 시나리오를 준비하였다. 실외-실내 간 통신, 실내-실내 간 통신으로 시나리오를 구분하였다.
본 실험을 수행한 건축물에서는 안전태그의 중계기 역할(리피팅)을 통해 통신 음영지역이 해소되어 지하 3층까지 통신이 가능한 것을 확인하였다. 본 실험에서는 안전태그 간의 중계가 1회만 진행되도록 알고리즘을 구현하였다. 향후 중계횟수를 늘리는 연구를 통해 통신 음영지역의 해소범위를 확대하고자 한다.
지휘부 단말기 1대와 안전태그 1대를 선정하여 1초 주기로 송수신 테스트를 하여 기록하였다. 시나리오에 따라 각 구간별로 수신단말기 IMU정보와 수신 RSSI정보를 획득하여 저장하였다. 저장된 정보를 분석하여 PDR 결과와 PDR위치에 따른 RSSI값을 시각적으로 표현하였다.
먼저, 테스트 장소를 선정하고 장소의 특성에 맞는 시나리오를 준비하였다. 실외-실내 간 통신, 실내-실내 간 통신으로 시나리오를 구분하였다. 지휘부 단말기 1대와 안전태그 1대를 선정하여 1초 주기로 송수신 테스트를 하여 기록하였다.
통신 음영지역에서 안전태그가 발신한 비상 신호를 인접한 안전태그가 받아 현장지휘부로 전달할 수 있는 알고리즘을 개발하여 안전태그 내 펌웨어로 구현하였다. 알고리즘을 통해 n개의 안전태그가 통신 음영지역의 비상 신호를 최적의 방법으로 전송할 수 있도록 하였다.
이를 통해 신속하게 구조작업을 수행하여 인명구조를 위한 골든아워을 확보할 수 있는 ‘스마트 안전관리 시스템’에 대한 연구를 진행하였다.
작업자의 비상 상태를 실시간으로 감지하여 비상 신호를 현장지휘부로 전송하는 과정에서 고위험 작업장의 환경(건물구조, 지하층 등)에 따라 발생하는 통신 음영지역에서의 통신성능을 향상시키기 위한 방안을 다각도로 검토하였다.
시나리오에 따라 각 구간별로 수신단말기 IMU정보와 수신 RSSI정보를 획득하여 저장하였다. 저장된 정보를 분석하여 PDR 결과와 PDR위치에 따른 RSSI값을 시각적으로 표현하였다. 현장 Map 정보와 분석된 정보를 매칭하여 최종 결과를 생성하였다.
즉, 안전태그와 현장지휘부 단말기 간 통신이 원활하지 않은 상황에서 다른 안전태그를 통해 비상 상태의 신호를 전달할 수 있도록 구현하였다. 본 연구에서 통신 음영지역이 형성되는 특정 건축물에서 통신 음영지역이 해소되는지에 대한 실험을 수행하였다.
실외-실내 간 통신, 실내-실내 간 통신으로 시나리오를 구분하였다. 지휘부 단말기 1대와 안전태그 1대를 선정하여 1초 주기로 송수신 테스트를 하여 기록하였다. 시나리오에 따라 각 구간별로 수신단말기 IMU정보와 수신 RSSI정보를 획득하여 저장하였다.
본 연구에서는 이러한 통신 음영지역을 해소하기 위한 방안으로 기존 연구와 달리 안전태그 자체가 중계기 역할을 할 수 있도록 하였다. 통신 음영지역에서 안전태그가 발신한 비상 신호를 인접한 안전태그가 받아 현장지휘부로 전달할 수 있는 알고리즘을 개발하여 안전태그 내 펌웨어로 구현하였다. 알고리즘을 통해 n개의 안전태그가 통신 음영지역의 비상 신호를 최적의 방법으로 전송할 수 있도록 하였다.
저장된 정보를 분석하여 PDR 결과와 PDR위치에 따른 RSSI값을 시각적으로 표현하였다. 현장 Map 정보와 분석된 정보를 매칭하여 최종 결과를 생성하였다.
5의 (a)는 안전태그와 현장지휘부 단말기 사이의 직접 통신상태를 측정한 결과를 보여준다. 현장지휘부 단말기와 멀어지는 위치와 건물 구조상 현장지휘부 단말기와 안전태그 사이에 벽체가 가로막고 있는 위치에서 통신이 되지 않는 음영지역으로 측정되었다. 지하 2층, 지하 3층 등 지하로 내려갈수록 통신 음영지역이 확대되는 것을 확인하였다.
현장지휘부 단말기와 안전태그의 비상 신호, 긴급 대피 신호를 기준으로 통신 거리를 측정하여 통신 음영지역을 판별하였다. 현장지휘부 단말기와 안전태그 중간에 중계 가능한 안전태그가 있을 때 거리 확장 범위를 측정하여 건물 내부에서 안전태그 간 무선통신 성능을 측정하였다.
안전태그의 비상 신호를 수신하는 현장지휘부 단말기는 건물 1층의 외부에 고정하였다. 현장지휘부 단말기와 안전태그의 비상 신호, 긴급 대피 신호를 기준으로 통신 거리를 측정하여 통신 음영지역을 판별하였다. 현장지휘부 단말기와 안전태그 중간에 중계 가능한 안전태그가 있을 때 거리 확장 범위를 측정하여 건물 내부에서 안전태그 간 무선통신 성능을 측정하였다.

대상 데이터

리피팅의 커버리지를 확인하기 위해 지하 1층, 2층, 3층에서 각각 15번의 실험을 진행하였으며 그 결과는 Table 1에 정리되어 있다. Table 1과 Fig.

성능/효과

결과적으로 단지 몇 개의 LoRa 기지국 설치만으로도 도시 전체를 커버할 수 있어 '스마트 도시' 조성이 용이해진다.
ADR은 개별 기기 별로 적용되는 특정 알고리즘을 사용해 네트워크 서버가 관리한다. 결과적으로 전체 네트워크 용량이 최적으로 활용되고 LoRa 구현이 훨씬 쉽고 효율적으로 되고, 기기 배터리 수명이 한층 증가한다.
LoRa는 좁은 대역폭 및 비면허 주파수 대역에서 동작한다. 결과적으로, 이 기술은 낮은 매우 낮은 데이터 전송 및 데이터 변동 가능성이 있는 IoT 사용 사례에 이상적이다. 다시 말해, LoRa 기술의 좁은 대역폭 요구사항은 최종 사용자에게 '정보 전달' 만 하는 IoT 기기에 딱 들어맞는다.
본 실험을 수행한 건축물에서는 안전태그의 중계기 역할(리피팅)을 통해 통신 음영지역이 해소되어 지하 3층까지 통신이 가능한 것을 확인하였다. 본 실험에서는 안전태그 간의 중계가 1회만 진행되도록 알고리즘을 구현하였다.
본 실험을 통해 안전태그가 중계기 역할을 수행하여 통신 음영지역을 해소하는 것을 확인할 수 있었다. 다양한 재난현장 또는 고위험 작업장에서 작업자의 위험 상황을 현장지휘부에 전달함에 있어 통신 음영지역을 극복하기 위해 안전태그 자체가 중계기 역할을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
본 시스템에 관한 선행연구에서는 안전 태그 및 현장지휘부 단말기의 기능구현과 검증을 위한 실험을 수행했다. 실험을 통해 위에 적시한 모든 기능이 구현되는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 통신 음영지역이 형성되는 특정 건축물에서 통신 음영지역이 해소되는지에 대한 실험을 수행하였다. 안전태그와 현장지휘부 단말기 간 직접 통신 환경에서 통신 성능을 측정하여 통신 음영지역을 확인하였고, 동일한 환경에서 중계기 역할을 하는 안전태그를 추가로 투입한 후 통신 성능을 측정하여 통신 음영지역이 해소되는 것을 확인하였다.
현장지휘부 단말기와 멀어지는 위치와 건물 구조상 현장지휘부 단말기와 안전태그 사이에 벽체가 가로막고 있는 위치에서 통신이 되지 않는 음영지역으로 측정되었다. 지하 2층, 지하 3층 등 지하로 내려갈수록 통신 음영지역이 확대되는 것을 확인하였다. 이러한 위치에서는 안전태그의 비상 신호를 현장지휘부 단말기가 인식할 수 없어 비상 상태의 작업자를 골든아워 내 구조할 수 없게 된다.
5의 (d)는 지하 3층에서 동일한 경로로 통신 성능을 측정하였다. 지하 2층보다 통신 성능이 확연히 떨어지는 것으로 확인할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 중계기 역할의 안전태그가 없는 환경보다 우수한 통신 성능을 보였다.

후속연구

본 연구는 현장지휘부 단말기와 안전태그 사이의 1:1 통신 거리 및 Repeating(중계) 안전태그의 존재 여부에 따른 확장 거리를 측정하였으며, 이 결과는 실제 고위험 지역에서 운용 시 예상 통신 거리에 대한 가이드로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
본 실험에서는 안전태그 간의 중계가 1회만 진행되도록 알고리즘을 구현하였다. 향후 중계횟수를 늘리는 연구를 통해 통신 음영지역의 해소범위를 확대하고자 한다. 그러나 중계 횟수가 증가할수록 중계알고리즘의 복잡도 또한 증가하기 때문에 오히려 전체적인 통신성능을 떨어뜨릴 수 있어 이에 대한 충분한 고려가 되어야 할 것이다.

참고문헌 (7)

e-National Index (2017). Firefighters Status
Kim, M.J., Kim D.Y., Lee M.S. (2016) "The study on the functions for design and development of Public institutions Disaster mitigation management and support system." Journal of The Korean Society of Disaster Information, Vol.12, No. 1, pp. 32-39.

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Korean Statistical Information Service (2017). Industrial accident statistics
Korean Statistical Information Service (2018). Five-year casualty figures for firefighters
Korean Statistical Information Service (2018). Social Survey (Family, Education, Health, Safety and Environment)
Lee, D.H., Lee, W.J., Park, H.S., Ko, D.S. (2019). "A study on the improved transmission distance of the LoRa network." Journal of KIIT, Vol. 17, No. 4, pp. 53-59.
Lim, J.Y., Lee, J.M., Kim, D.H., Kim, J.d. (2017). "Performance analysis of LoRa (long range) according to the distances in indoor and outdoor spaces." Journal of KIISE, Vol. 44, No. 7, pp. 733-741.

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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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