KR102709813B1 - 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기울기 변화에 따른 각도 변위량과 진동량을 측정하는 센싱모듈과 신호처리를 위한 임베디드 제어장치(PCB)를 이용하여 자연 또는 인공적으로 형성된 급경사면, 교량 및 건물의 붕괴를 예측하고 경보할 수 있는, 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템을 제공하기 위한 것이다.

Description

진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템{Hazard prediction warning system for steep slopes, bridges and buildings using vibration and tilt measuring devices}

본 발명은 위험 예측 및 경보 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 급경사면, 절개지, 교량 및 빌딩 등의 기울기 및 진동 변화를 계측하여 붕괴 위험의 예측 및 경보에 보다 정밀하게 적용할 수 있는, 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템에 관한 것이다.

급격한 기후환경 변화에 따라 집중호우 등이 빈번히 발생하여, 경사도가 급한 급경사면이나 절개지의 붕괴, 노후화된 건물이나 교량의 관리위험도가 해마다 증가함에 따라 국민의 안전과 재산이 심각하게 피해를 보고 있다. 급경사면은 자연적으로 만들어진 경사면과 택지개발, 공원, 도로 및 철도의 부설 등으로 인공적으로 만들어진 경사면(절개지)으로 나눌 수 있으며, 일반적으로 경사도가 34° 이상인 비탈면을 지칭한다. 이러한 급경사면은 강우나 지진과 같은 자연재해에 의해 붕괴되어 인명피해와 같은 피해를 유발할 수 있다.

급경사면의 붕괴 위험도, 건물 및 교량 노후화를 측정하기 위한 여러 방법이 존재한다. 예를 들면, 경사도의 변화, 토양의 온도, 함수량, 전기전도도, 강우량 측정, 흡입응력 측정, 토석류 감지, CCTV를 통한 영상관제 등 물리적, 화학적 방법으로 데이터를 검출하고, 검출된 데이터를 비교 분석하여 붕괴 위험을 예측할 수 있다.

일반적으로 국내에서 발생하는 산사태와 같은 붕괴는 대부분 강우에 의한 것으로, 과거에는 낙석 및 표면 경사도를 보고 이에 대한 경사면의 기울기 변화 정도에 따라 위험도를 예측했었고, 현재는 산사태의 발생을 감시하고 예보 및 경보하기 위한 기준으로 강우량(강우강도, 누적강우 등)만을 사용하거나, 지표면 변형(지표면 변위계) 또는 지중 변형(지중경사계)을 측정하는 예·경보 시스템이 많이 사용되고 있다.

기존의 지표면 경사계를 이용하여 산사태의 규모를 결정하는 방법은 지표면 변위계는 산사태가 발생되지 않는 노출암반 등의 고정지점이 있는 경우에만 적용이 가능하고 동·식물에 의해 영향을 받으며, 유지관리에 인력과 비용이 많이 소요된다는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2022-0163565호(공개일: 2022년 12월 12일)

본 발명은 전술한 문제점에 기반하여 안출된 발명으로, 본 발명의 목적은, 기울기 변화에 따른 각도 변위량과 진동량을 측정하는 센싱모듈과, 신호처리를 위한 임베디드 제어장치(PCB)를 이용하여 자연 또는 인공적으로 형성된 급경사면, 교량 및 건물의 붕괴를 예측하고 경보할 수 있는, 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 위험 예측 및 경보 시스템은, 기울기 및 진동 데이터를 수집하기 위한 데이터 수집부; 및 상기 데이터 수집부에서의 기울기 및 진동 데이터에 기반하여 데이터가 수집된 장소의 안정성을 평가하는 서버를 포함하고,

상기 데이터 수집부는 병렬로 연결되어 있고 각각이 경사계 센서를 포함하는 복수의 슬레이브 보드; 및 상기 복수의 슬레이브 보드와 병렬로 연결되어 있는 마스터 보드를 포함하고,

상기 슬레이브 보드에는 토양 온도, 토양 함수율, 토양 전기전도도, 강우량, 간극수압, 온습도, 풍향 및 풍속을 포함하는 환경 요소를 계측할 수 있는 환경 센서가 연결되어 있고,

상기 슬레이브 보드는 경사계 센서로부터 측정된 진동 및 기울기 값과 상기 환경 센서로부터 계측된 토양 온도, 토양 함수율, 토양 전기전도도, 강우량, 간극수압, 온습도, 풍향 및 풍속을 포함하는 환경 요소 계측값을 마스터 보드로 전송하도록 구성된다.

바람직하게는, 마스터 보드는 슬레이브 보드에서 측정된 온도 변화에 따른 오류 측정된 결과에 기반하여 오류 데이터를 제거하는 온도 의존성 제거 알고리즘을 포함한다.

바람직하게는, 슬레이브 보드는 토질부에 매립되는 고정 지그에 고정되고, 고정 지그는 토질부에 설치시 기본 수평을 잡기 위해 상·하·좌·우 움직임이 가능한 구조로 구성된다.

바람직하게는, 마스터 보드에는 상기 슬레이브 보드의 경사계 센서의 값을 영점 조절할 수 있도록 제공된 영점조절 스위치가 제공되고, 슬레이브 보드가 상·하·좌·우 움직임 가능한 고정 지그 내에서 수평으로 고정된 후, 상기 마스터 보드에서의 영점조절 스위치가 동작되면 해당하는 슬레이브 보드의 경사계 센서의 값이 영점으로 초기화된다.

바람직하게는, 서버는 통합관리 프로그램을 포함하고, 상기 통합관리 프로그램은, 진동 및 기울기 값과, 환경 센서로부터의 검출값에 기반하여 원격에서 현장을 통제할 수 있는 영상 관제, 방송, LED 전광판 구동, 차단기 구동을 자동으로 제어하는 인공지능 기반의 통합관제모듈을 포함한다.

본 발명에 따른 위험 예측 및 경보 시스템은, 기울기 변화에 따른 각도 변위량과 진동량을 측정하기 위한 센싱모듈과, 데이터를 받아 신호처리를 하고 전송할 수 있는 임베디드 신호처리장치 및 원격에서 현장 조치가 가능하도록 제어되는 가능한 수단(CCTV, LED전광판, 경보방송, 경보싸이렌, 도로차단기 등)과 관제자를 위한 SMS 알림 기능, 상황별 4색 경광등을 상황실에 적용하여 자연 또는 인공적으로 형성된 급경사면, 교량 및 건물 등의 붕괴를 보다 정밀하게 예측하고 경보하는 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템의 슬레이브 보드의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템의 마스터 보드의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템에서의 데이터 흐름 및 전력 공급 흐름을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 슬레이브 보드가 설치되는 고정 지그의 동작을 나타내는 도면이다.
도 6은 가속도 센서를 이용하여 중력가속도를 구하는 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 가속도 센서에서 바닥과 이루는 각도를 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 자이로 센서에서의 코리올리의 힘 작용을 설명하기 위한 참고도이다.
도 9는 온도 의존성 제거 알고리즘의 적용전 및 적용후의 경사 센서에서의 데이터 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서의 센서 데이터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 대시보드 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 데이터 통계 조회 화면을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 이벤트 로그 화면을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 시설물 관리 화면을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 시스템 설정 화면을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 통합관제 영상 모니터링 화면을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에서의 통합관제 프로그램의 LED 전광판 구동 모드를 변경하는 화면을 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도 1 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 경사면 붕괴 예측 및 경보 시스템은 경사면의 데이터를 수집하기 위한 데이터 수집부(10) 및 서버(30)를 포함하여 구성된다.

데이터 수집부(10)는 경사면, 교량, 빌딩과 같이 붕괴 위험이 있는 대상물에 설치되고 대상물로부터 얻어지는 지반의 붕괴 또는 경사와 각종 데이터를 수집하고 수집된 데이터를 서버(30)로 전송하고, 서버(30)는 수집된 데이터에 기반하여 붕괴위험 대상물의 붕괴를 예측하고 위험 발견시 이를 통보하도록 구성된다.

데이터 수집부(10)는 복수의 복합 센싱 보드(또는 슬레이브 보드)(100) 및 상기 복수의 복합 센싱 보드(100)로부터 데이터를 수집하여 서버(30)에 수집된 데이터를 전송하기 위한 마스터 제어 보드(또는 마스터 보드)(200)을 포함한다.

도 2는 전술한 바와 같은 복합 센싱 보드(100)의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 복합 센싱 보드(또는 슬레이브 보드)(100)은 경사계 센서(110); 외부 센서 연결부(120); 마스터 보드 연결부(130); 전압 변환 분배부(140); 발진부(150); 및 MCU(170)을 포함한다.

전압 변환 분배부(140)는 마스터 제어 보드(200)로부터 직류전원(12V)을 공급받아 직류전원을 강하(5V) 변환하여 복합 센싱 보드(100)의 구성요소들에 분배하는 역할을 수행 하며, 설치되거나 연결되는 각종 센서 특성에 따라 필요한 전압으로 변환하도록 구성되어 있다.

MCU(170)는 펌웨어 프로그램에 따라 경사계 센서(100) 및 다른 외부 센서들에서 측정되는 데이터를 저장하고, 연산처리하여 측정된 값을 발진부(150)로부터의 신호에 따라 계산된 일정 시간 간격으로 마스터 제어 보드(200)로 전송하는 기능과 복합 센싱 보드(100)에 실장 또는 연결된 주변 장치를 제어하도록 구성된다.

딥스위치는 N개의 병렬구조로 구성된 복합 센싱 보드(100)을 구분하는 역할을 수행하며, 지정되어 구분된 신호를 MCU에서 마스터 제어 보드(200)로 보낼 때 주소를 부여하여 보내는 역할을 한다.

경사계 센서(110)는 설치된 장소에서의 진동 및 기울기를 측정하도록 구성된다. 이를 위해 경사계 센서(110)는 3축 자이로 센서(또는 가속도 센서)일 수 있으며, X-축, Y-축 Z-축의 경사 변화와 경사 변화에 따른 진동 영향을 계측하도록 제공된다. 계측된 신호는 MCU의 펌웨어 프로그램을 이용하여 평균 및 표준편차 방식을 통해 센서의 온도에 따른 의존성을 보정하여 계산하도록 구성된다.

3축 자이로 가속도 센서는 지구 중력축(Z-축)을 중심으로 X-Y방향으로 기울어지는 각도를 측정하며, 기울어진 각도에 대한 데이터를 MCU(170)로 전송하고, MCU(170)에서 노이즈 등을 제거하고, 수회 이상 반복된 평균값과 변화량의 일정시간 지속성 등을 계산하여 마스터 보드로 계산된 데이터를 전송한다. 슬레이브 보드(100)는 반도체 센서의 실외 온도 변화에 따른 온도 변화에 민감하여 오류 측정될 경우가 있어 슬레이브 보드에서 측정된 온도 변화에 따른 오류 측정된 결과를 마스터 보드에서 측정값의 변화 정도와 변화의 지속성을 파악하여 오류 데이터를 제거하는 온도 의존성 제거 알고리즘을 적용하여 급경사면 붕괴 예·경보 시스템 및 건물과 교량 붕괴 예측을 보다 정밀하게 수행할 수 있다.

다음으로 가속도 센서를 이용한 진동 및 기울기 측정에 대해 설명한다. 가속도 센서는 지구의 중력가속도를 기준으로 사물이 얼마만큼의 힘을 받고 있는지를 측정하는 센서이다. 즉 가만히 있을 때 센서에 작용하는 중력가속도를 X, Y, Z 축으로 벡터 3개로 나누어 크기를 측정한다. 가속도 센서는 시간이 경과에 따른 오차에 강하고, 가속도 센서의 값들은 정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도를 파악하거나 진동을 파악하는데 사용될 수 있다.

가속도 센서에서 측정되는 X, Y , Z 값의 벡터합으로 중력가속도를 나타낼 수 있다. 중력가속도는 X, Y, Z축의 벡터합으로 나타낼 수 있다. 가속도 센서는 바로 이런 분할된 벡터값들을 측정한다. 즉, 가속도 센서를 사용하면 중력가속도를 X, Y, Z축으로 성분 분해하여 각 축의 크기를 표시할 수 있다. 그러나 가속도 센서는 지표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없는 단점이 있다.

도 6은 가속도 센서를 이용한 중력가속도를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 적색으로 표시된 중력가속도는 X,Y,Z 벡터의 합으로 나타낼 수 있다. 이때의 X, Y, Z 벡터가 가속도 센서의 출력이 된다. X, Y, Z 세 개의 벡터를 가지고 각각을 축으로 한 오일러 각을 구할 수 있다. 오일러 각이란 특별한 3축에 대한 회전각으로 정의(Roll, Pitch, yaw)된다.

롤(roll): x축에 대한 회전 ()

피치(pitch): y축에 대한 회전 (θ)

요(yaw): z축에 대한 회전

도 7에 도시된 바와 같이, 3축 가속도 센서를 x축을 중심으로 기울여, 바닥과 이루는 θ각을 측정하기 위해, y와 z 벡터값을 탄젠트(tan)적용하였다. 아크탄젠트(Arctan)를 이용하여 θ값을 구할 수 있다. 이러한 원리를 적용하면

롤(roll) = arctan(y/z)

피치(pitch) = arctan(x/z)

그러나 요(yaw)는 구할 수 없다. 왜냐하면 중력가속도 방향과 일치하는 z축에 대한 회전은 감지할 수 없기 때문이다. z축에 대한 회전을 구하기 위해서는 자이로 센서 값이나 자기장 센서 값이 추가로 필요하다.

이 원리를 3차원 좌표계에 적용시켜보면 아래와 같은 식이 구해진다.

가속도 센서는 시간이 지나도 오차에 강한 특징을 가지고 있다. 구할 수 없는 요(Yaw) 값은 자이로 센서를 통해 구해질 수 있다. 위치 추정에서 방위각인 요(Yaw) 각을 알 수 없으면 ‘위치’가 아닌 ‘이동거리’만을 측정하는 것과 다를 바 없다. 위치 측정에서는 얼마만큼을 이동했느냐도 중요하지만 어느 방향으로 이동했는지에 대한 부분도 필수적인 요인이다.

자이로센서는 각속도 (단위시간당 각의 변화량)를 검출하는 센서이다. 이는 운동하고 있는, 즉 어떤 속도를 가지고 있는 물건이 회전하면 그 속도 방향과 수직으로 코리올리의 힘이 일한다는 물리현상을 이용하여 각속도를 검출하는 원리이다.

도 8은 코리올리의 힘을 설명하기 위한 도면이다. 코리올리의 힘 = 전향력으로, 물체가 회전 좌표계에서 운동할 때 나타나는 관성력, 운동 방향과 직각 방향으로 질량과 속도에 비례한 크기의 힘이다. 전향력이라고 불리는 코리올리의 힘은 회전하는 물체에 나타나는 힘을 그 강도는 물체의 속도에 비례하며 힘의 방향은 물체가 움직이는 방향에 수직으로 작용한다.

질량 m에 작용하는 코리올리의 힘 F는 속도 v, 각속도 ω의 벡터곱에 의해 Fc = 2mv* ω로 표기될 수 있다.

MEMS 자이로 센서는 그 힘(코리올리의 힘)을 측정하여 전기적인 신호로 변환, 각속도를 산출한다. 물체 각 V 방향과 반대방향으로 진행하면 각속도 측정이 불가하므로, 어떤 방향으로 회전력이 가해져도 측정이 가능하도록 반대 방향으로 끊임없이 진동하는 2개의 추를 배치하여 사용하는 방식을 튜닝포크 방식이라 한다.

자이로스코프는 가속도 센서로 측정할 수 없는 방위각과 모든 축에 대한 회전각 정보를 제공한다. 가속 운동을 하는 물체는 항상 직선운동을 한다고 보장할 수 없다. 오르막, 내리막길에서 이동하거나, 코너링을 하며 좌.우로 기울어졌을 때, 그리고 걷거나 뛸 때 진동과 같은 여러가지 요소를 고려해야 한다. 다시 말해서 가속도 센서로 측정할 수 없는 회전운동 요소인 각도(자이로스코프로 각도의 변화(각속도)를 측정하여 적분하고 각도를 산출한다.) 정보를 구할 수 있는 자이로스코프와 직선 운동에서 발생하는 가속도(동적 가속도)를 측정하여 조합하면 이동한 거리와 방향을 알 수 있어 정확한 위치 측정이 가능하다. 특히 자이로스코프는 팽이의 물리적 특성을 가져왔다. 팽이는 외부의 힘이 작용하지 않으면 지표면의 기울기와 상관없이 회전력을 유지하려는 성질(관성)을 지니고 있다.

자이로스코프는 3가지 성질을 갖는다.

방향안정: 고속으로 회전하는 로터(팽이)에 어떠한 외부적인 힘도 작용하지 않는 경우, 로터의 각 운동량 벡터는 항상 일정하여 최초의 각 운동량 벡터의 방향과 크기는 시간의 흐름과 관계 없이 일정하게 된다. 뉴턴의 운동 제 1법칙에 따라 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 최초의 운동 상태를 유지하려는 성질이 있으며, 회전축의 방향을 바꾸려는 어떤 시도에 대해서도 저항하려는 특성을 갖고 있다.

세차운동 : 로터의 수직축 방향으로 외부의 힘이 작용할 경우에 발생하는 회전반발력으로, 로터에 수직한 제 3의 수직축 방향에 대해 로터가 회전운동을 한다.

자이로가 탑재된 물체가 회전운동을 하여 세차운동이 나타나면 그 자이로에는 회전 반발력이 생기고, 그 힘을 측정하여 그 값에 비례하는 전기신호를 발생시키는 장치를 추가하여 자이로 센서로 사용한다.

자이로스코프 센서값 이용하여 회전각도를 구할 수 있다. 속력 공식을 이용하여 자이로센서값에서 측정된 각속도로 거리를 구할 수 있다.

속력 = 거리/시간 -> 각속도 = 회전한 각도/시간

속력 * 시간 = 거리 -> 각속도 * 시간 = 회전한 각도

따라서 단위 시간 동안 측정되는 각속도를 이용하여 회전한 각도를 누적하여 더하게 되면 (적분) 회전한 각도를 구할 수 있게 된다.

자이로는 운동을 유지하고자 하는 성격을 이용하여 물체의 회전감도를 감지하는 센서로 이용할 수 있다.

다음으로 다시 도 2를 참조하면, 각종 센서들이 연결되는 외부센서 연결부(120)(또는 센서 단자)는 직류전원을 공급하고, RS485통신으로 데이터를 수집하여 MCU로 전송하여 MCU로 하여금 연산처리한 후 마스터 제어 보드(200)로 전송되고, 외부센서 연결부(120)는 다수로 구성할 수 있으며, 진동 및 기울기 계측, 토양 온도/함수율/전기전도도, 강우량, 간극수압, 온습도, 풍향풍속 등과 같은 다양한 환경적 요소를 계측할 수 있는 다양한 센서가 연결될 수 있다. 여기서, 경사계 센서 및 외부 센서 연결부(120)를 통해 전송되어 온 데이터들은 MCU에서 처리하여 송수신기를 통해 마스터 제어 보드(200)로 전송된다.

슬레이브 보드(100)는 토질부를 천공하여 슬레이버 센서를 고정하기 위한 고정지그에 설치된다. 도 5에 도시된 바와 같이 고정 지그는 토질부에 천공시 기본 수평을 잡기 위한 상·하·좌·우 움직임이 가능한 구조로 되어 있다. 슬레이브 보드(100)의 영점 조절을 위해 마스트 보드에는 슬레이브 보드의 영점조절을 위해 스위치(이후에 설명함)가 제공되고, 이를 통해 고정지그 내의 슬레이브 보드의 경사계 센서의 값을 영점 조절할 수 있다.

도 2는 마스터 제어 보드(200)의 구성을 나타내는 도면이다. 마스터 제어 보드(200)는 복수의 복합센싱 보드(슬레이브 보드)로부터 병렬방식으로 입력되는 계측 데이터 신호를 병렬로 처리하여 통신부(290)를 통해 서버(30)로 전송하는 기능을 수행한다.

마스터 보드(200)는 N개의 슬레이브 보드(복합센싱보드)(100)로부터 수집된 데이터를 MCU(270) 및 내장된 펌웨어 프로그램으로 저장, 제어, 연산처리를 한 후 다양한 통신 방법을 통해 서버(30)(관제실)로 표준 프로토콜을 이용해 전송할 수 있게 구성된다.

통신부(290)(또는 통신 방법)은 유선 / 무선 통신 모두 가능하도록 구성될 수 있으며, 유선통신 모듈을 연결하면 전용선 및 내부망을 통해 데이터의 전송 및 제어가 가능하고, 무선통신모듈을 연결하면 외부망의 LTE 통신을 통해 관제실로 데이터의 전송이 가능하다.

또한, PC-USB 통신부가 제공되고 이를 통해 직접적으로 PC에서 제어 및 데이터의 수집이 가능하도록 설계되어 관리 및 데이터의 분석이 용이하다.

마스터 보드(200)는 전압 변환 분배부(240), MCU(270), 발진부(250), 딥스위치, 영점조정스위치(260), 송수신기, 전압측정 단자(292, 294)가 내장되어 설계되어, 데이터의 송수신 및 제어가 가능하도록 구성된다.

바람직하게 본 발명의 실시예에 따른 마스트 보드(200)는 영점조절 스위치(260)를 포함하고, 영점조절 스위치(260)를 통해 내장된 MCU(270)에 영점조정 기능을 부여하여, 설치시 경사계 센서의 값을 고정시키기 위해 마스트 보드와 연결된 모든 N개의 슬레이브 보드(복합 센싱 모듈(100))의 경사계 값을 영점 조정할 수 있도록 지원한다. 즉, 영점 조절 스위치(260)는 경사계 센서로부터 입력되는 데이터 값을 영점조정하여 설치 시 정확한 위치를 맞추기가 불가하여 이를 보완함으로써 데이터 기준값으로부터 발생하는 변경값을 정확히 보정할 수 있는 기능을 수행한다.

예를 들면 현장에서 슬레이브 보드(100)를 고정하기 위한 지그 설치시 센서 지그의 X, Y축 설치 오류를 보정하고자 영점조정 스위치를 통해 마스터 보드에서 슬레이버 보드의 MCU에 신호를 보내 “0”값으로 최초 관리기준을 적용할 수 있게 구성되어 있다.

메인 전원 입력부는 주 전원인 직류전원 12V를 입력하여, 마스터 보드와 슬레이브 보드에 전원을 공급하는 역할을 수행한다. 그리고, 전압변환 분배부는 직류전압을 변환하여 마스터 보드(200) 내에 사용 전원을 제공한다. 필요에 따라서 각각의 구성품 및 센서들의 사용전압에 따라 적절하게 전압을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.

전압측정단자(292,294)는 신재생에너지를 활용하여 설치하였을 경우 자가발전시스템의 태양광 패널의 전압, 또는 제공되는 배터리 전압을 계측하여 전원공급 시스템 관리에 이용될 수 있다.

경사계 센서를 포함하는 슬레이브 보드(100)가 실외에 설치되는 경우, 기존 경사계 센서가 반도체 칩 온도 의존성 영향과 자전축 보상을 위한 알고리즘 반영되지 않아 경사계 센서의 측정치가 계절과 외부 환경에 따라 차이가 많아 상·하한치 각도 차이가 2°이상 격차가 있으며 행안부 일일 측정치 안전규정 0.05° 이내의 정확도 구현이 어렵다.

도 9는 온도 의존성 제거 알고리즘의 적용 전 및 적용후의 비교 그래프를 나타내는 도면이다. 종래 온도 의존성으로 인해 정확도 구현이 어려려운데 반하여 본 발명의 실시예에서 MCU에 온도 의존성 영향 제거 및 지구 자전축 보상을 위한 프로그램 알고리즘이 적용되어 정확성이 향상된다.

또한 종래 경사계 센서 방식은 기울기 측정센서가 측정값을 전압 출력으로 송출하여 수직, 수평의 기울기를 측정하므로 측정지점에서 마스터 보드로 송출시 거리가 3m 이상 멀어지면 배선 손실에 의한 측정 전압값 왜곡으로 정밀 측정이 불가능하며 한 지점의 경사면이 넓게 펼쳐져 있을 경우 다중 지점 연속 설치시 배선길이가 길어질수록 측정 전압 왜곡으로 정밀 측정이 불가능하고 마스터와 슬레이브 보드간 1:1 구성으로 측정할 수 밖에 없는데 반해, 본 발명에서는 마스터와 마스터에 병렬로 연결되는 N개 슬레이브 보드 구성(1:N 구성)으로 측정 지점의 값을 센서 온도 의존성 보정을 통해 측정 지점의 값을 485통신으로 왜곡 없이 마스터 보드(200)로 송출하므로 정밀 측정이 가능할 뿐만 아니라 다중지점 시공이 용이하다.

도 4는 마스트 보드(200)와 슬레이브 보드(100)의 데이터 흐름 및 전원 흐름의 구조를 나타낸 도면으로, 마스터 보드 1개에 슬레이브 보드를 3개가 병렬로 연결되어 있는 구조를 나타낸다. 도시된 바와 같이 슬레이브 보드 1, 2, 3은 슬레이브 보드 내의 딥스위치의 설정에 의해 고유의 주소를 갖게 되므로 슬레이브 3, 슬레이브 2, 슬레이브 1 및 마스터 보드의 순서로 각각에서 측정된 경사계 센서 데이터가 마스터 보드로 입력된다.

마스터 보드에서 수집된 각각의 경사계 계측 데이터는 유선 또는 무선 통신부를 통해 서버로 전송되거나, 마스터 보드에 제공된 PC-USB TTL 단자를 통해 관리자가 노트북 또는 PC를 통해 마스터 보드에 접속한 후 저장된 계측 데이터(경사, 진동, 환경)를 다운로드하여 전용 소프트웨어를 통해 데이터 차트 및 분석을 수행할 수도 있다.

전원의 흐름 구성은 DC 전원 공급부(12V)로부터 전원을 공급받거나, 태양광 패널로부터 축적된 배터리의 전압이 충분한 경우 전원분배기를 통해 마스터 보드로 공급되지만 그렇지 않은 경우에는 DC 전원 공급부를 통해 전원을 공급받게 된다.

서버(30)는 마스터 보드에서 전송되는 경사계 계측 데이터에 기반하여 위험도를 평가한다. 종래 기술에서는 경사계 센서가 측정된 값만 전달하여 위험도를 평가하는데 비하여 경사면 및 기울기의 예보·경보 기술의 적용성을 고려하여 AI 기반의 정보활용 기능을 제공한다.

서버(30)의 예보 및 경보 서비스는 다음과 같은 특징을 갖는다.

▷ 사면의 정상/비정상 DATA SET수집

- 산사태 및 붕괴 징후에 대한 정상 비정상 속성 정의

- 대상지역/지형에 따른 정상 및 비정상 속성 정의

▷ 수집된 DATA의 특징 추출 및 분석

- 수집된 데이터에 대한 상황별, 위험별 특징 추출

- 정형화된 데이터에 대한 프로그램 데이터 적용

- 임의의 비정상 상황을 가정한 상황모사 데이터 수집

- 네트워크 기반의 지능형 기술부가

또한, 종래 급경사면 계측 통합관리 프로그램은 계측자료만 전송하는 하거나 일부 영상 등의 자료를 별도의 관제 프로그램에서 확인 가능하도록 제작되어 있지만, 본 발명에서는 다양한 물리적 센서 값과 지능형 분석을 통한 상황표출, 상황판단시 자동, 혹은 수동으로 원격에서 현장을 통제할 수 있는 영상관제, 방송(자동/수동), LED전광판(자동/수동), 차단기(자동/수동), 경광등을 급경사지 재해등급과 산사태 재난 매뉴얼에 따라 자동제어 되는 AI기반의 통합관제 프로그램으로 구성된다.

예를 들면, 재해위험도 평가지수 81이상지역 + 일변위 0.5°이상인 경우, 상황실경광등(심각 상태표출) + 담당자 SMS문자전송 + 진입금지 자동방송 + 진입차단기 내림 + LED전광판 붕괴조짐에 따른 우회 안내 + 현장 긴급경광등 구동될 수 있다.

[표 1] 급경사지 재해 등급

[표 2]산사태 재난 현장 조치 행동 메뉴얼

도 11은 서버(30)의 통합관제 프로그램의 대시 보드를 나타내는 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 대시 보드 구성에 1주일 위험경보 발생현황, 1주일 이벤트 로그, 장치상태 알림과 각 설치지역의 센싱 데이터를 표출하도록 구성된다.

또한 도 12에 도시된 바와 같이 데이터 통계화면은 각각의 마스터 보드로부터 전송되어 온 온도, 토양함수율, 경사면 변위량 통계 데이터를 표출하돌 구성되어 있으며, 관리자는 이를 통해 관련된 데이터 통계를 조회할 수 있다.

도 13은 통합관제 프로그램의 이벤트 로그를 나타내는 도면이다. 이벤트 로그 화면에서는 관리 구역별 이벤트 통계 자료를 제공하도록 구성된다.

도 14는 통합관제 프로그램의 시설물 관리와 관련된 화면을 나타내는 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이 시설물 관리 화면에서는 장비별 설치 내역과 장비 력 내용을 제공한다.

도 15는 통합관제 프로그램의 시스템 설정 화면의 일례를 나타내는 도면이다. 관리자는 이를 통해 관리자 정보, SMS 알람문자 메시지발송 설정, 위험 단계값 설정 등의 기능을 설정할 수 있다.

도 16은 통합관제 프로그램의 통합관재 영상 화면을 나타내는 도면이다. 도 16에 도시된 바와 같이 현장에 카메라가 설치되어 있는 경우 위험 신호 발생시 관리자는 통합관재 프로그램을 통해 현장 영상을 확인하는 것이 가능하다.

도 17은 통합관제 프로그램을 통해 LED 전광판을 원격제어하기 위한 일례를 나타내는 도면이다. 현장에 LED 전광판이 설치된 경우 관리자는 통합관제 프로그램을 통해 진입금지, 위험상황 문자 표출과 같은 기능을 수행할 수도 있다.

전술한 본 발명에 따르면 자연 또는 인공적으로 형성된 급경사면, 교량 및 건물의 붕괴를 예측하고 경보할 수 있는 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 위험 경보 시스템을 제공하는 것이 가능하다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(Command)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor)와 같은, 다른 처리 구성(Processing Configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(Code), 명령(Command), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(Collectively)처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(Component), 물리적 장치, 가상 장치(Virtual Equipment), 컴퓨터 저장매체 또는 장치에 구체화(Embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속하는 것으로 해석되어야만 한다.

10: 데이터 수집 장치 30: 관제 서버
100: 슬레이브 보드 200: 마스터 보드
110: 경사계 센서 120: 외부센서 연결단자
130: 마스터 연결 단자 140: 전압변환 분배부
150: 발진부 170: 슬레이브측 MCU
260: 영점조절 스위치 292: 배터리전압 측정 단자
293: 태양광패널 전압 측정 단자 290: 유무선 통신부

Claims (5)

1. 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 위험 예측 및 경보 시스템에 있어서, 상기 에측 및 경보 시스템은,
   기울기 및 진동 데이터를 수집하기 위한 데이터 수집부와, 상기 데이터 수집부에서의 기울기 및 진동 데이터에 기반하여 데이터가 수집된 장소의 안정성을 평가하는 서버를 포함하고,
   상기 데이터 수집부는, 병렬로 연결되어 있고 각각이 경사계 센서를 포함하는 복수의 슬레이브 보드 및 상기 복수의 슬레이브 보드와 병렬로 연결되어 있는 마스터 보드를 포함하고,
   상기 슬레이브 보드에는 토양 온도, 토양 함수율, 토양 전기전도도, 강우량, 간극수압, 온습도, 풍향 및 풍속을 포함하는 환경 요소를 계측할 수 있는 환경 센서가 연결되어 있고,
   상기 슬레이브 보드는 경사계 센서로부터 측정된 진동 및 기울기 값과 상기 환경 센서로부터 계측된 토양 온도, 토양 함수율, 토양 전기전도도, 강우량, 간극수압, 온습도, 풍향 및 풍속을 포함하는 환경 요소 계측값을 마스터 보드로 전송하도록 구성되고,
   상기 마스터 보드는 슬레이브 보드에서 측정된 온도 변화에 따른 오류 측정된 결과에 기반하여 오류 데이터를 제거하는 온도 의존성 제거 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 슬레이브 보드는 토질부에 매립되는 고정 지그에 고정되고,
   상기 고정 지그는 토질부에 설치시 기본 수평을 잡기 위해 상·하·좌·우 움직임이 가능한 구조로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 마스터 보드에는 상기 슬레이브 보드의 경사계 센서의 값을 영점 조절할 수 있도록 제공된 영점조절 스위치가 제공되고,
   상기 슬레이브 보드가 상·하·좌·우 움직임 가능한 고정 지그 내에서 수평으로 고정된 후, 상기 마스터 보드에서의 영점조절 스위치가 동작되면 해당하는 슬레이브 보드의 경사계 센서의 값이 영점으로 초기화되는 것을 특징으로 하는 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 서버는 통합관리 프로그램을 포함하고, 상기 통합관리 프로그램은, 상기 진동 및 기울기 값과, 환경 센서로부터의 검출값에 기반하여 원격에서 현장을 통제할 수 있는 영상 관제, 방송, LED 전광판 구동, 차단기 구동을 자동으로 제어하는 인공지능 기반의 통합관제모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 및 기울기 계측장치를 이용한 급경사지, 교량 및 빌딩의 위험 예측 및 경보 시스템.