[논문]하천 홍수 위험 감시를 위한 다중센서 기반 하천 관측 기술 개발

장봉주; 정인택

doi:10.9717/kmms.2020.23.11.1372

[국내논문] 하천 홍수 위험 감시를 위한 다중센서 기반 하천 관측 기술 개발
Development of Multi-Sensor based River Monitoring Technology for River Flood Risk surveillance 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.23 no.11, 2020년, pp.1372 - 1382

장봉주 (Dept. of Water, Land and Environment Research, KICT) , 정인택 (Planning and Coordination Department, KICT)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a core technology for a micro river monitoring terminal device suitable for flood monitoring in small rivers and valleys. Our proposed device is basically equipped with a 77GHz radar, gyro and accelerometer sensors. To measure the flow velocity and water level, we proposed a signal processing technique that extracts pure water energy components from the observed Doppler velocity and reflection intensity from the radar. And to determine the stability of the river structure equipped with our device, we constantly monitor the displacement of the measured values of the gyro and accelerometer sensors. Experimental result verified that our method detects pure water energy in various river environments and distinguishes between flow velocity and water level well. And we verified that vibration and position change of structures can be determined through a gyro sensor. In future research, we will work to build a secure digital twin river network by lowering the cost of supplying RF-WAV devices. Also we expect our device to contribute to securing a preventive golden time in rivers.

Keyword

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Bridge loss site due to typhoon Maemi, Sep. 14, 2003.
그림 Fig. 2. River monitoring system operated by Han River Flood Control Office.
표 Table 1. Various types of water meters according to operation principle
그림 Fig. 3. Concept of proposed RF-WAVE technologty.
그림 Fig. 4. Flowchart for proposed RF-WAVE system.
그림 Fig. 5. Vertical side view of proposed RF-WAVE when installing the river.
그림 Fig. 6. Radar reflectivity expression area according to Doppler velocity and distance.
그림 Fig. 7. (a) River observation Site using RF-WAVE, and (b) 2D representation of observation results.
그림 Fig. 8. River water level measurement using RF-WAVE.
그림 Fig. 9. Non water energy Filtering Processing of RF-WAVE.
그림 Fig. 10. Non water energy Filtering Processing of RF-WAVE.
그림 Fig. 11. RF-WAVE installed upstream on the river bridg, (a) test site, (b) observed signal.
그림 Fig. 12. RF-WAVE installed downstream on the river bridge, (a) test site, (b) observed signal.
그림 Fig. 13. RF-WAVE installed downstream direction above a small underwater dam in a river, (a) test site, (b) observed signal.
그림 Fig. 14. RF-WAVE installed upstream direction under the river levee, (a) test site, (b) observed signal.
그림 Fig. 15. Pure water energy, stream direction, water level and velocity extracted from each stream environment in Fig. 11-14, (a) result of Fig. 11, (b) result of Fig. 12, (c) result of Fig. 13, and (d) result of Fig. 14.
그림 Fig. 16. Example of determining the risk of river structures by vibration through the measured values of the gyro sensor in RF-WAVE.
표 Table 2. RF-WAVE observations in various environments derived from Fig. 15

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 홍수로 인한 피해는 하천 관리가 느슨하거나 낙후된 지역의 지류 및 계곡에서 주로 발생하는 점에 착안하여 소하천 및 계곡의 홍수 감시에 적합한 초소형 첨단 하천감시 단말장치RF-WAVE (RainFall, Water-level And VElocity)의 원천기술을 제안한다. 본 논문에서 소개하는RF-WAVE는 전파(RF Wave) 센서를 포함한 다중 센서를 이용하여 하천의 강수, 수위, 유속을 감시하는 동시에 하천 구조물의 변형 또는 붕괴위험을 사전에 무선망을 통해 경보할 수 있는 시스템의 핵심 요소 기술로 제안된다.
제안 기술은 이와 같이 지방 소하천 또는 계곡에서의 홍수 피해를 최소화할 수 있는 최적화된 감시체계에 대한 방법론을 함께 제시하고자 한다.
본 장에서는 제안하는 RF-WAVE의 성능 검증을 위해 각기 다른 유속을 갖는 지점 및 수위 변화를 가정한 다양한 높이에서의 관측 실험을 수행한 결과에 대해 다루고자 한다. Fig.
본 논문은 소하천 및 계곡의 홍수 감시에 적합한 초소형 첨단 하천감시 단말장치의 원천 기술을 제안하였다. 산업용 레이더와 도플러 속도와 반사강도로부터 순수 하천 에너지 성분을 검출하여 유속과 수위를 측정하는 한편, 자이로 및 가속도 센서 값의 변위를 측정함으로써 하천구조물의 안정성을 모니터링 한다.

가설 설정

3. Concept of proposed RF-WAVE technologty.
제안한 RF-WAVE를 이용하여 하천의 표면유속을 측정하기 위해 Fig. 5와 같이 RF-WAVE를 하천 교각(또는 구조물)에 설치하는 것을 가정하였다.
11 및 12와 같이 비교적 하천과의 거리가 먼 교량 위에서 관측 실험을 수행하였다. 반대로 하천 수위가 높은 때를 가정하여 Fig. 13 및 14와 같이 하천의 수중 보와 제방 및 유속이 빠른 곳을 찾아 관측을 수행하였다.

제안 방법

3일로 역대 가장 긴 장마를 기록하였으며 강수량 또한, 같은 기간 평년의 두 배에 달하는 평균 687 mm에 육박했다[1]. 태풍 마이삭, 하이선 등과 장마기간이 겹침으로 해서 여름철 수재해 피해를 더 가중시켰다. 최소 50명 이상이 사망 또는 실종되었으며[2], 한탄강 지류, 섬진강, 합천 황강, 낙동강 등지에서 재방이 유실되고 하천이 범람하면서 큰 피해를 발생시켰다[3-6].
본 논문은 홍수로 인한 피해는 하천 관리가 느슨하거나 낙후된 지역의 지류 및 계곡에서 주로 발생하는 점에 착안하여 소하천 및 계곡의 홍수 감시에 적합한 초소형 첨단 하천감시 단말장치RF-WAVE (RainFall, Water-level And VElocity)의 원천기술을 제안한다. 본 논문에서 소개하는RF-WAVE는 전파(RF Wave) 센서를 포함한 다중 센서를 이용하여 하천의 강수, 수위, 유속을 감시하는 동시에 하천 구조물의 변형 또는 붕괴위험을 사전에 무선망을 통해 경보할 수 있는 시스템의 핵심 요소 기술로 제안된다.
제안하는 기술은 앞선 예측, 추정 방법론에 비해 보다 직접적인 관측 네트워크를 구축하기 위한 원천기술이다. 제안 기술은 상대적으로 하천 폭이 좁은 지방천이나 계곡에서 나뭇가지를 포함한 하천 식생과 새, 고라니 등의 동식물이 하천 감시 정확도를 저해하는 요인들을 효과적으로 제거하여 하천의 순수한 수세(水勢, pure water energy)만을 판별하도록 설계되었으며, 지방천의 교각 및 계곡의 간단한 구조물 등에 설치하여 유실의 위험 없이 간단히 운영될 수 있도록 설계되었다.
제안하는 기술은 앞선 예측, 추정 방법론에 비해 보다 직접적인 관측 네트워크를 구축하기 위한 원천기술이다. 제안 기술은 상대적으로 하천 폭이 좁은 지방천이나 계곡에서 나뭇가지를 포함한 하천 식생과 새, 고라니 등의 동식물이 하천 감시 정확도를 저해하는 요인들을 효과적으로 제거하여 하천의 순수한 수세(水勢, pure water energy)만을 판별하도록 설계되었으며, 지방천의 교각 및 계곡의 간단한 구조물 등에 설치하여 유실의 위험 없이 간단히 운영될 수 있도록 설계되었다.
Jang 등[12]은 초소형 산업용 W밴드 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더를 이용하여 강우를 관측하고 강우강도를 추정하는 연구를 진행한 바 있다. 본 연구에서는 [12]에서 사용된 것과 같은 산업용 레이더와 자이로 센서를 사용하여 유속과 수위를 측정하는 한편, 자이로 및 가속도 센서값의 변위를 측정함으로써 하천구조물의 안정성을 모니터링 한다. Fig.
자세한 내용은 다음 절 및 실험결과를 통해 자세히 살펴보기로 한다. 레이더 센서의 도플러 신호와 반사 강도를 통해 순수 하천 에너지를 검지하고, 자이로 센서로부터 계산된 방향값을 이용해 하천의 표면 유속과 수위를 측정한다. 한편 자이로 센서와 가속도 센서 자료의 변위와 편차를 상시 모니터링하면서 하천 구조물의 이상 징후를 검지하여 서버에 전달하고 자체 경보시스템을 발동할 수 있도록 설계되었다.
레이더 센서의 도플러 신호와 반사 강도를 통해 순수 하천 에너지를 검지하고, 자이로 센서로부터 계산된 방향값을 이용해 하천의 표면 유속과 수위를 측정한다. 한편 자이로 센서와 가속도 센서 자료의 변위와 편차를 상시 모니터링하면서 하천 구조물의 이상 징후를 검지하여 서버에 전달하고 자체 경보시스템을 발동할 수 있도록 설계되었다.
11∼14는 실제 2003년 태풍 매미의 영향으로 제방 붕괴 및 하천 범람으로 인해 큰 피해를 입었던 경남 봉수면 삼동마을 일대의 신반천에서 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 현실적으로 하천의 수위 변화를 단시간에 검지하기 힘든 이유로, 하천 수위가 낮을 때를 가정하여 Fig. 11 및 12와 같이 비교적 하천과의 거리가 먼 교량 위에서 관측 실험을 수행하였다. 반대로 하천 수위가 높은 때를 가정하여 Fig.
0 m/s로 나타냈다. 교량 상류 및 하류의 수위 관측 결과와 실제 교량의 높이를 측정한 결과로부터 RF-WAVE의 수위 관측치를 검정하였다. 또한 상류와 하류에 0.
본 논문은 소하천 및 계곡의 홍수 감시에 적합한 초소형 첨단 하천감시 단말장치의 원천 기술을 제안하였다. 산업용 레이더와 도플러 속도와 반사강도로부터 순수 하천 에너지 성분을 검출하여 유속과 수위를 측정하는 한편, 자이로 및 가속도 센서 값의 변위를 측정함으로써 하천구조물의 안정성을 모니터링 한다. 실험 결과 다양한 하천의 수위 및 유속 환경에서 안정적으로 하천을 모니터링 할 수 있음을 증명하였다.

이론/모형

최종적으로 검지된 하천에너지를 Blob Labeling 알고리즘[13]을 통해 군집화 한 후 수위 및 유속 정보를 검출한다. 검출된 하천 수위 및 유속 정보만으로도 하천의 위험도를 추정할 수 있지만, Fig.

성능/효과

레이더는 주파수 특성 상 수면에서 반사되는 신호를 명확한 관측 대상으로 인식하기 어려운 점이 있다. 하지만, 제안한 유속 측정 방법으로부터 지속적으로 유속이 관측되는 거리를 가장 가까운 수면과 RF-WAVE와의 거리 r_min로 판단할 수 있다. 그 후 자이로 센서 데이터 값 Θ와 식 (2)를 통해 Fig.
일반적인 상황에서 차량에 의한 교량의 흔들림 외에, 교량의 구조적인 문제, 즉 붕괴 또는 파손을 가정하여 인위적인 충격을 가한 구간을 점선 원으로 표시하였다. 해당 구간에서만 자이로 센서의 X축, Y축 각도값 및 계산된 RF-WAVE의 방향인 Heading 값이 상대적으로 매우 큰 변동폭을 갖는 것을 확인하였다.
Fig. 16의 결과를 이용해 하천 홍수 등으로 인해 약화된 구조물의 진동 또는 뒤틀림 등에 의한 RFWAVE 내 자이로센서 측정값의 변위를 관측함으로써 해당 지역의 하천 구조물의 위험성을 조기 판별할 수 있음을 실험적으로 알 수 있었다. 이를 이용함으로써 하천 수의 및 유속을 보다 정확히 관측하는 동시에 RF-WAVE가 설치된 교각등의 뒤틀림, 붕괴 등을 실시간으로 감시할 수 있음을 검증하였다.
16의 결과를 이용해 하천 홍수 등으로 인해 약화된 구조물의 진동 또는 뒤틀림 등에 의한 RFWAVE 내 자이로센서 측정값의 변위를 관측함으로써 해당 지역의 하천 구조물의 위험성을 조기 판별할 수 있음을 실험적으로 알 수 있었다. 이를 이용함으로써 하천 수의 및 유속을 보다 정확히 관측하는 동시에 RF-WAVE가 설치된 교각등의 뒤틀림, 붕괴 등을 실시간으로 감시할 수 있음을 검증하였다.
실험 결과 다양한 하천의 수위 및 유속 환경에서 안정적으로 하천을 모니터링 할 수 있음을 증명하였다. 제안한 기술을 통해 하천의 수위 및 유속 뿐 아니라, 구조물의 안전성까지 감시함으로써 위험성을 조기에 판단하여 예경보 할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다. 하지만 소하천 및 계곡의 경우 지형이 복잡하며, 수위와 유속의 변화량 역시 하천 마다 다른 특성을 나타내므로 각 하천에서의 관측치를 지속적으로 모니터링 하여 위험수위 및 유속 등을 하천별로 지표화 할 필요가 있다.
산업용 레이더와 도플러 속도와 반사강도로부터 순수 하천 에너지 성분을 검출하여 유속과 수위를 측정하는 한편, 자이로 및 가속도 센서 값의 변위를 측정함으로써 하천구조물의 안정성을 모니터링 한다. 실험 결과 다양한 하천의 수위 및 유속 환경에서 안정적으로 하천을 모니터링 할 수 있음을 증명하였다. 제안한 기술을 통해 하천의 수위 및 유속 뿐 아니라, 구조물의 안전성까지 감시함으로써 위험성을 조기에 판단하여 예경보 할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다.

후속연구

하지만 소하천 및 계곡의 경우 지형이 복잡하며, 수위와 유속의 변화량 역시 하천 마다 다른 특성을 나타내므로 각 하천에서의 관측치를 지속적으로 모니터링 하여 위험수위 및 유속 등을 하천별로 지표화 할 필요가 있다. 향후 보다 심도 깊은 연구를 통해 실제 유속계 및 수위계를 도입하여 실제 관측치와 측정치를 비교하고 정확성을 향상시키고 위험 지표를 개발하는 연구를 진행할 계획이다. 아울러, RF-WAVE 장치 내 다중센서 신호처리를 통해 강우 강도까지 측정하는 기술을 적용하는 연구를 진행할 계획이며, 향후 장치 보급 단가를 낮추고 리빙랩 대상 유역을 선정하여 안전한 디지털 트윈 하천망을 구축하여 수재해 예방 골든타임 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
향후 보다 심도 깊은 연구를 통해 실제 유속계 및 수위계를 도입하여 실제 관측치와 측정치를 비교하고 정확성을 향상시키고 위험 지표를 개발하는 연구를 진행할 계획이다. 아울러, RF-WAVE 장치 내 다중센서 신호처리를 통해 강우 강도까지 측정하는 기술을 적용하는 연구를 진행할 계획이며, 향후 장치 보급 단가를 낮추고 리빙랩 대상 유역을 선정하여 안전한 디지털 트윈 하천망을 구축하여 수재해 예방 골든타임 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (13)

Monthly Climate Analysis Information August (2020), http://www.kma.go.kr/download_02/ellinonewsletter_2020_08.pdf (accessed October 4, 2020).
Article Dated August 9(2020), https://www.etoday.co.kr/news/view/1927331 (accessed October 6, 2020).
Article Dated August 5(2020), http://www.hani.co.kr/arti/area/gangwon/956584.html (accessed October 6, 2020).
Article Dated August 5(2020), http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid202008081620001 (accessed October 6, 2020).
Article Dated August 10(2020), http://www.nbnnews.co.kr/news/articleView.html?idxno414271 (accessed October 6, 2020).
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J.S. Kim and C. Kim "Extrapolation of Rating Curve Using a Numerical Simulation," Proceeding of the 2019 Korea Society of Civil Engineers EXPO, pp. 172-173, 2019.
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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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