스마트 시트는 지하에 매설된 관망의 파손을 판단할 수 있도록 부틸 재질의 접착 시트 사이에 감지 도선을 두 가닥으로 <그림 1>에서와 같이 상단부에 삽입하여 제작한다[5]. 지하시설물 상부에 부착 또는 단독으로 지하에 매설하여 사용하며 지하관망의 파손탐지 및 모니터링에 사용된다. 관망 연결시 스마트 시트도 연결하여 스마트 시트 간 통신을 가능하게 한다. 시트 간의 통신으로 공사시 사고로 인한 관망의 파손, 지진과 같은 재해로 인한 관망의 파손 그리고 싱크홀 등의 사고를 탐지할 수 있는 목적으로 개발되었다.

지하에 매설된 관망의 파손 유무를 파악하기 위해서 사용하는 스마트 시트들의 통신을 위해서 통신용 시스템이 필요하다. 통신 시스템으로 사용이 가능한 임베디드 보드로는 아두이노, 라즈베리 파이, 비글본 블랙 등 여러 종류의 임베디드 보드가 있는데 다음과 같은 조건에 맞는 임베디드 보드를 기준으로 선정해야 한다[6],[7].

내장된 운영체제 없이도 입력된 코드 기반으로 연속적인 동작이 가능하며, 5V의 전원 공급이 가능하며 다양한 확장성과 저비용으로 구축이 가능한 임베디드 보드로 <그림 2>와 같은 아두이노 보드를 선정하여 사용하였다. 또한, 1km 이상의 스마트 시트들 거리를 측정하기 위해서 RS-485모듈을 함께 사용한다[8-10].

TDR(Time-Domain Reflectometer)로 <그림 3>과 같이 주로 케이블의 오류를 검출하는 장비로 TDR에서 송출하는 전자기파 속도, 전달 매체의 길이 그리고 전자기파의 왕복 시간을 이용하여 전달 매체의 길이 측정이 가능하다.

기존 시스템 중에는 지하에 매설된 관망의 파손 감지를 위해서 누수 및 파손 감지관이라는 특수 감지관과 TDR 장비를 이용하여 모니터링 하는 시스템을 이용하였다. 하지만 범용관이 아닌 특수 감지관의 사용과 고가의 측정 장비인 TDR 장비로 모니터링하기 때문에 구축비용의 상승이 발생한다. 또한, TDR 측정시 장거리 검출은 가능하나 약 300m 이내의 거리는 블라인드 스팟 문제로 측정이 어려운 단점을 가지고 있다[11],[12].

결함 감내 시스템(Fault Tolerance System)은 다른 이름으로 장애 허용 시스템으로도 불리는데 S/W나 H/W 구조와 시스템 일부가 올바르게 동작하지 않더라도 그 기능을 지속할 수 있도록 설계된 시스템을 말한다.

시스템을 구성하는 일부에서 결함이나 고장 발생 시에도 정상 기능을 수행할 수 있는 시스템이다. 이러한 결함 감내 시스템은 장애가 발생하면 인명과 이나 재산에 피해를 초래하는 시설에 적용해야 하는 안전에 필수적인 시스템에 사용된다. 의료시설, 화력, 수력, 원자력과 같은 발전시설, 국방, 항공, 우주, 자동차, 철도, 금융, 조선, 플랜트 시설 등 다양한 분야에서 임베디드 시스템으로 적용되어 운용되고 있다.

스마트 시티(Smart City)는 도시의 경쟁력과 삶의 질의 향상을 위하여 건설·정보통신기술 등을 융·복합하여 건설된 도시기반시설을 바탕으로 다양한 도시서비스를 제공하는 지속 가능한 도시를 말한다. 스마트 시티는 다양한 유형의 센서를 이용하여 데이터를 수집하고 효율적인 자원관리에 필요한 정보를 제공하는 기능을 수행한다. 서비스의 효율성, 지속 가능성, 이동성, 안전 및 보안, 경제 성장, 도시 평판, 삶의 질 향상 등의 목표들을 달성하기 위해서 구축된다[13]-[15].

본 논문에서는 스마트 시티의 목표 중의 하나인 재난 재해 또는 사고로 인한 안전에 최선의 준비 태세를 갖추기 위한 모니터링 시스템을 제안한다.

본 논문에서 제안하는 시스템은 <그림 4>와 같이 스마트 시트와의 통신을 위한 RS-485 모듈을 탑재한 임베디드 보드들을 이용하여 일정 시간마다 측정경로별로 시작 노드에서 마지막 노드까지 데이터를 전송한다. 전송이 끝나면 다음 경로로 진행하며 마지막 측정경로까지 전송하면 경로별 통신이 끝나게 된다. 각각 경로에서 마지막 노드는 통신이 끝나면 제공되는 유/무선망을 이용하여 수신한 데이터 정보를 모니터링 서버로 전송한다.

모니터링 서버는 전송된 데이터를 분석하여 현재 스마트 시트가 시공된 네트워크의 이상 유무 상태를 관리자에게 PC 및 스마트 장비로 모니터링할 수 있도록 제공한다[16],[17]. <표 1>은 기존 방식과 제안한 방식과의 차이를 보여주고 있다.

본 논문에서 제안한 통신 프로토콜은 TCP/IP 프로토콜과 유사한 형태로 구성되며, 통신의 신뢰성을 유지하기 위해서 이상 발생시 타이머를 이용하여 재전송을 수행한다. 또한, 임베디드 노드의 이상 발생시 이상 정보를 분석하여 S/W 고장인지 H/W 고장인지를 판별하는 기능을 수행한다.

파손감지를 위한 거리측정 프로토콜 플로우는 <그림 6>과 같이 진행된다. 측정할 경로 및 거리 측정시 S/W나 H/W상에서 문제가 발생할 수 있으므로 1개의 시스템이 아닌 3개의 시스템(이후 A, B, C 시스템)으로 멀티 측정을 하여 결함의 발생을 미연에 방지할 수 있다. 측정경로 검사가 완료되면 자동적으로 거리측정 모드로 변경되어 측정한다. <그림 5>와 같이 정상적인 거리측정 모드일 경우에는 아래와 같은 단계로 수행한다.

1. 측정경로 검사 성공시 거리측정 모드로 변경함

2. 거리측정 모드시 측정경로의 다음 노드로 데이터 패킷을 전송함

3. 데이터 패킷을 전송받은 노드는 다음 노드로 데이터를 전송함

4. 마지막 노드까지 전송되면 마지막 노드는 모니터링 서버로 데이터를 전송함

5. 송신노드로 수신 완료 데이터 패킷을 전송함

6. 수신 완료 패킷 데이터가 수신되면 메인 타이머 순서에 따라서 다음 경로 측정 작업을 수행함

7. 모든 경로 측정을 위해서 2에서 6의 과정을 반복하고 모든 경로별 거리측정이 완료되면 측정을 완료함

파손감지를 수행하기 위해서는 우선적으로 A, B, C 시스템들이 <그림 6>의 (a)와 같이 측정할 경로 검사가 우선되어야 한다. 측정경로의 검사가 성공이면 (a)와 같이 경로별 데이터 패킷을 전송하고 다음과 같은 단계로 수행된다.

1. 송신 노드는 측정경로의 첫 번째 경로의 수신 노드로 데이터 패킷을 전송함

2. 수신 노드는 데이터 패킷을 수신후 송신 노드로 수신 성공 메시지를 전송함

3. 측정경로의 상태가 정상이면 거리측정 모드로 변경하여 측정을 진행함

4. 거리측정이 끝나면 다음 측정경로로 변경함

5. 모든 측정경로를 1에서 4의 과정을 반복한 후 A-B-C 순으로 위의 과정을 반복함

그러나 H/W나 S/W의 이상으로 측정경로의 측정이 어려울 경우에는 (b)와 같이 측정경로의 변경을 통하여 경로의 이상을 확인하거나 다음 시스템(B나 C 시스템)으로 변경하여 검사를 수행한다.

측정경로 검사와 거리측정이 모두 성공하면 시스템의 H/W는 이상이 없음을 알 수 있다. 그러나 S/W는 모니터링 서버로 전송되는 측정데이터의 분석을 통해서 A, B, C 시스템의 이상 유무를 알 수 있다. H/W는 정상이지만 거리측정 S/W에서 오류가 발생할 수 있기 때문이다. 만약 경로 검사나 거리측정이 실패한다면 H/W의 이상이나 S/W 둘 다 오류를 의심할 수 있으므로 유지 보수를 수행하여 이상 발생 확률을 줄일 수 있다.

본 논문에서 제안하는 멀티 포인트 파손감지 시스템의 동작 플로우는 다음 <그림 7>과 같다. <그림 7>에서와 같이 측정경로별로 A, B, C 시스템의 통신 확인을 진행한다.

각 시스템별 통신이 확인되면 거리측정 모듈로 전환하여 각 경로별로 거리측정을 수행한다. 거리측정 알고리즘은 기존 시상수와 전압 간 임피던스 특성과 임베디드 보드를 사용한 모니터링 시스템을 이용하였다[18],[19]. 기존의 시스템에서는 펄스 발생 및 데이터 수집 과정을 하나의 프로세스를 내장한 아두이노로 구현하였다. 그리고 싱글 CPU 기반 시스템에서 프로세스 처리 속도를 줄이는 방향으로 설계하였다. 또한, 임베디드 보드에 이상이 발생하면 펄스 발생과 데이터 수집에 동시에 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 펄스 발생과 데이터 수집을 위하여 각각의 임베디드 보드로 구현하였으나 동기화 문제가 발생하여 정확한 거리측정이 불가능한 문제가 발생하였다.

논문에서 제안한 방식은 측정시스템을 A, B, C로 다중 구성하여 각 시스템별로 오류 발생 시 해당 시스템만 유지 보수를 진행하고 모니터링은 멈추지 않고 운영이 될 수 있는 장점이 있다.

지하에 매설된 스마트 시트의 파손 위치를 측정하기 위해 제안된 측정경로 검사 및 파손 위치 측정 S/W와 통신 진단 S/W를 탑재한 파손 거리측정 시스템은 <그림 8>과 같이 구성하였다.

<그림 8>에서 A는 다중경로 측정을 위한 경로선택 및 검사 시스템으로 3개의 임베디드 보드로 구성하여 결함 감내 시스템의 기능을 수행한다. <그림 8>의 B는 시작 노드, C는 중간노드, D는 마지막 노드로 시작 노드는 거리측정 모드로 전환된 후 경로별 노드들에게 데이터 전송을 시작한다. 중간노드는 시작 노드와 마지막 노드 사이에 있는 노드로써 경로에 따라서 다수의 중간노드가 생성되어 운용될 수 있다. 마지막 노드는 중간노드로부터 전달된 데이터를 모니터링 서버로 전송하는 역할을 수행한다. 모니터링 센터는 마지막 노드로부터 오는 데이터와 센터 데이터베이스에 저장된 데이터를 분석하여 이상 유무를 판독한다.

시뮬레이션은 다중 노드 측정을 위한 측정경로 검사용 3대의 아두이노 시스템과 노드 경로의 거리측정을 위한 3대의 아두이노로 이루어진 시스템을 구성하여 테스트를 진행하였다. <그림 9>와 같이 측정경로 검사 및 거리측정도 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.

만약 측정경로를 검사하는 3대의 아두이노 보드 중 한 대의 아두이노 보드에 고장이 발생하여 측정경로를 검사하지 못한다면 <그림 10>과 같은 결과가 발생한다.

시스템의 운용 정보는 모니터링 서버로 전송되어 PC뿐만 아니라 관리자의 스마트폰 화면으로도 확인할 수 있다[13-15].