초록 ▼

□ 연구개요
본 과제에서는 자연재해, 산업 재해, 원자력 사고, 화생방 테러 등에 의해 유해물질이 대기 중으로 방출되는 재난 상황 발생 시 다수의 무인비행체와 이에 탑재된 탐지센서를 이용하여 빠른 시간 내에 근원지와 방출량을 추정하고 오염 범위를 지속적으로 감시하기 위한 기법을 연구하였다. 유해물질의 감시를 위해 위험 예상지역에 다수의 탐지 센서를 지상에 미리 설치시켜 놓고 유출 사고 시 유해물질을 탐지하는 시스템이 일반적이다. 그러나, 이러한 방식은 원하는 정확도를 얻기 위해 상당히 많은 수의 센서를 넓은 지역에 사용하는 등

□ 연구개요
본 과제에서는 자연재해, 산업 재해, 원자력 사고, 화생방 테러 등에 의해 유해물질이 대기 중으로 방출되는 재난 상황 발생 시 다수의 무인비행체와 이에 탑재된 탐지센서를 이용하여 빠른 시간 내에 근원지와 방출량을 추정하고 오염 범위를 지속적으로 감시하기 위한 기법을 연구하였다. 유해물질의 감시를 위해 위험 예상지역에 다수의 탐지 센서를 지상에 미리 설치시켜 놓고 유출 사고 시 유해물질을 탐지하는 시스템이 일반적이다. 그러나, 이러한 방식은 원하는 정확도를 얻기 위해 상당히 많은 수의 센서를 넓은 지역에 사용하는 등 설비에 드는 비용과, 예상치 못한 임의의 장소에서 누출 사고 시 대처하기 어려운 단점이 있다. 따라서, 본 연구의 최종 목표는 자연재해, 산업 재해, 원자력 사고, 화생방 테러 등에 의해 유해물질이 대기 중으로 방출되는 재난 상황 발생 시 다수의 무인비행체와 이에 탑재된 탐지 센서를 이용하여 빠른 시간 내에 근원지와 방출량을 추정하고 오염 범위 (경계선) 등을 지속적으로 감시하기 위한 기법 개발이다. 무인이동체를 이용한 근원지 자율 탐색 연구는 추정 알고리듬에 사용되는 대기 확산 모델의 오차, 넓은 지역에서 얻어지는 산발적이고 노이즈가 큰 센서 측정치, 다수의 유해물질 방출 지점 존재 가능, 실시간으로 계산해야 하므로 알고리듬 개발이 어렵다. 본 연구에서는 베이지안 추론을 기반으로 하는 통계적/확률적 프레임워크를 통해 이를 해결하였다. 정보를 극대화 시킬 수 있는 위치로 다수의 드론을 이동시켜 최소한의 센서 측정값만을 이용해 빠르고 정확하게 유해물질 정보를 추정하고 오염 범위를 추적할 수 있게 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구의 최종목표는 유해물질이 대기 중으로 방출되는 재난 상황 발생 시 다수의 무인이동체와 이에 탑재된 탐지 센서를 이용하여 빠른시간 내에 근원지와 방출량을 추정하고 오염 범위를 지속적으로 감시하기 위한 기법 개발이다. 이를 위해, 다음 세가지 사항에 중점을 두고 연구를 진행하여 연구결과를 얻었다. (1) 유해물질 감시를 위한 추정 기법은 베이지안 추론 (Bayesian inference) 기반의 통계적/확률적 추정 기법으로 개발하는 목표를 달성하여 유해물질 종류, 발생 장소 및 시각 등에 따라 대기 중 물질의 확산 특성이나 필요한 탐지 센서는 다를 수 있으나 동일한 알고리듬으로 다양한 유해물질 방출 시나리오에 적용하였다. (2) 드론의 비행경로는 탐색 지역 전체에 대해 미리 정해진 탐색 패턴이나 운용자의 수동 조종 명령이 아닌 실시간으로 획득된 센서 정보와 현재까지의 추정치를 바탕으로 베이지안 추론을 통해 유해물질에 대한 최적의 정보를 얻을 수 있는 위치로 자율적으로 실시간 업데이트하였다. (3) 다수의 무인이동체에 탑재된 센서에서 얻어지는 정보를 효과적으로 융합하여 유해물질 탐색에 요구되는 시간을 최소화하고 오염 지역을 지속적으로 감시할 수 있는 기법을 개발하였다. 본 연구에서는 실내외 실험을 통해 제안한 알고리듬의 현실적인 사용 가능성 여부를 판단하는 것을 목표로 하여 다수의 지상 무인이동체를 이용한 실내 방출 근원지 추정 실험 및 드론을 이용한 실외 방출 근원지 추정 실험을 진행하여 성공적으로 근원지를 추정하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서 개발된 기술은 무인비행체의 자율성을 한 단계 높이는 데 크게 기여할 것이고 유해물질 및 환경감시에 대한 새로운 패러다임을 가져올 것으로 기대된다. 본 연구의 결과에 따라 산업 시설이 밀집되어 있는 공단 지역이나 원전 지역에 적절한 센서를 갖춘 드론이 상시 배치되어 자율적으로 경로를 계획하여 유해물질 유출상황에 대한 정보를 획득하고 오염 지역에 대한 맵(map)을 생성하면, 사고 발생 시 긴급 대응 및 대피를 위한 정보 제공에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 간접적으로는, 향후 다른 이종 무인/자율 시스템들 간의 상호작용을 통한 임무 수행(예: 조난자 탐색 및 구조, 산불 진화 등)이 요구되었을 때 본 과제에서 개발된 다수의 드론에 탑재된 센서에서 얻어지는 정보를 이용해서 현재까지의 상황을 파악하고 실시간으로 비행경로를 결정하는 프레임워크를 유사하게 적용 가능할 것이다. 또한, 이에 따른 새로운 기술의 창업과 고용창출도 가능할 것이라 기대되며, 최근 정부가 드론 등 국내 무인기 시장 규모를 10년 내에 크게 확장하기로 함에 따라 드론 자율운용 전문 인력 양성이 시급히 요구되는 시점에서 본 연구를 통해 배출되는 전문 인력이 그 수요를 채우는 데 기여 할 수 있을 것이라 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구 목표의 창의성(원천성) 및 도전성 ... 4
• 2) 연구의 시급성 ... 4
• 3) 기존 방식의 한계 및 본 연구의 필요성 ... 5
• 4) 최종 연구 목표 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 유해물질 감시 시스템 개발에 필요한 자료 확보, 요구도 조사 및 시스템 모델링 ... 6
• 2) 유해물질 감시를 위한 알고리듬 개발 ... 7
• 3) 다수의 이동 센서를 이용한 유해물질 감시를 위한 알고리듬 개발 ... 8
• 4) 수치 시뮬레이션 ... 9
• 5) 실내외 실험환경 구축 및 초기 실험 결과 ... 9
• 6) 현실적인 통합 수치 시뮬레이션 결과 검증 ... 10
• 7) 실외 유해물질 방출 시나리오에 대한 비행 실험 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 끝페이지 ... 16