지하에는 다양한 종류의 상수도관, 하수도관, 가스관, 및 통신관 등의 시설물들이 매설되어 있다.이러한 지하 시설물들은 우리가 세상을 살아가는데 편리함을 제공한다. 그러나 지하에 매설할 때 시설물의 매설된 구조가 복잡하고 관리 또한 잘되지 않아 지반침하 등 다양하고 심각한 사고가 발생할 가능성이 매운 높은 실정이다.

우리나라는 매년 상수도의 누수로 연간 6,000억원 이상의 손실이 발생하고 있으며, 하수관의 파손으로 인해 연간 500건 이상의 땅 꺼짐이 발생하고 있다. 파손된 관의 방치로 침수를 유발하여 시민들의 생명을 위협하고 있다. 게다가 우리나라는 현재 여름과 겨울 날씨가 이전보다 뚜렷하게 나타나고 있어서 여름에 긴 장마와 태풍이 많아지고 있고 겨울에는 폭설과 한파가 많이 발생하고 있는 계절로 변화해 가고 있다.

지하에 시설물들이 매설되기는 하나 계절별로 지하 매설물에 이상이 발생하는 빈도가 상이하다. 특히 온도의 변화가 큰 여름과 겨울에는 지하 매설물에 이상이 발생하는 빈도가 높아진다. 다양한 이상 유무를 감시하는 시스템들이 도입 있으며 시스템의 운영 및 관리를 위해서는 수압, 유량, 수질, 누수 진동, 누수 음과 같은 다양한 내용을 실시간으로 모니터링하는 센서의 도입도 증가하고 있다.이와 같은 다양하고 풍부한 실시간 관망 운영 데이터는 지하 관망 시스템에서 운영 경험과 시계열 분석 기반의 예측 운영을 통하여 실시간 데이터 기반의 시스템 운영으로 변화를 진행하고 있다.

특히 장마, 태풍, 폭설 등의 영향으로 지하에 땅꺼짐이 발생하거나 지반침하로 인한 매설물의 교체하는 문제들을 일으킬 수 있다. 이런 문제점에도 불구하고 기존 지하 시설물 관리시스템은 낙후되어 사후적으로 누수 또는 지반침하가 발생한 후에 대처하는 문제점이 있다.

현재 TDR 또는 Cloud, GPS, 스마트 시트, VR, AR, 스마트 폰, 스마트 패드와 같은 IT 기술들을 활용한 다양한 모니터링 시스템들이 현재 현장에서 운영되고 있다. 그러나 이러한 시스템들 대부분은 고가 시스템들이므로 많은 지자체가 실제 비용 문제로 인해 현장적용에 어려움 겪고 있다[1-8]. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 비용이 저렴하고 효율이 높은 저비용 고효율의 모니터링 시스템의 요구가 증가하고 있다. 이에 최근 개발된 누수탐지기법 중에는 누수 및 파손감지 시트를 이용하는 방법이 개발되어 현장에 적용되고 있다[9].

본 본문에서는 기존의 모니터링 시스템의 파손감지의 성능을 높일 수 있도록 실시간 모니터링 데이터의 분석 및 계절별 고장 발생 확률을 이용한 지능형 파손감지 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 도로, 교량, 지하 시설물, 플랜트, 건물내 배관, 그리고 문화재 등의 파손 여부 감식에 적용될 수 있다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 관련 연구에 대해서 살펴보고 제 3장에서는 제안한 시스템 구조에 대해서 살펴본다. 제 4장에서는 제안한 시스템의 테스트에 대해서 살펴보고 마지막으로 제 5장에서는 결론을 기술한다.

본 논문에서는 계절별로 발생하는 고장 확률을 고려한 지능형 모니터링 시스템을 위하여 시스템을 PC 기반이 아닌 임베디드 보드 중에서 아두이노 우노 보드를 이용하여 모니터링 시스템을 구축하였다. <그림 4>는 모니터링 시스템의 개요도를 보여주고 있다. 지능형 시스템의 최적 운영을 위하여 각각의 임베디드 보드의 최적화를 통하여 노드간 최적 설치 위치를 선정하였다.

모니터링 시스템의 운영을 위해서 스마트 시트로 구성된 관망을 구축하고 원활한 모니터링을 위해서 모니터링 서버를 운영한다. 아두이노 우노 임베디드 보드를 이용하여 스마트 시트의 현재 상태 정보를 모니터링 한다. <그림 9>는 스마트 시트 모니터링 서버의 구성을 보여주고 있다.

노드의 통신은 제안했던 효율적인 파손감지 시스템 노드 간 거리 최적화 기술에 적용했던 노드 간 통신 프로토콜을 개량하여 각각의 임베디드 노드 1에서부터 노드 7까지 측정 신호를 전송하도록 제작하여 테스트를 진행한다[23].

각각의 임베디드 노드들은 시작 노드로부터 측정을 시작하여 다음 노드로 이전 노드(여기선 시작노드)의 데이터를 전송한다. 2~7번 노드들은 앞 노드로부터 전송된 데이터를 다음 노드로 전송한다. 반복적으로 다음 노드로 전송하여 최종적으로 7번 노드로 1번 노드의 데이터가 전송되면 결국 1번 노드에서부터 7번 노드까지 정상적으로 데이터가 전송되었다는 것을 알 수 있다. 7번 노드까지 정상적으로 전송이 되면 마지막 8번 노드에 최종적으로 해당 경로의 상태를 전송한다. 8번 노드는 7번 노드로부터 1번 노드의 데이터 값을 수신한 다음 모니터링 서버로 해당 경로의 상태정보를 전송한다. 만약 중간에 노드에 이상이 발생한다면 7번 노드에 전송되는 노드 정보를 확인하면 전송 안 된 노드의 존재를 확인할 수 있으며 전송이 안 된 각각의 노드를 검사하여 고장이 발생한 노드를 찾을 수 있다.

<그림 11>과 같이 노드 간 통신이 진행되는데 이때 계절 상태에 따라서 각 노드별 전송횟수가 결정되어 전송된다. 봄과 가을에는 기본 전송횟수인 50회의 전송횟수를 적용한다. 덥고 강수량이 많아지는 여름에는 오동작이나 오전송의 확률이 높아지기 때문에 전송횟수를 2배로 높여서 100회의 송신을 수행한다. 겨울도 영하의 기온으로 임베디드 보드의 오동작이 발생할 확률이 높아지기 때문에 80회의 송신 횟수로 노드 간 통신을 수행한다.

<그림 12>는 실제 인천 신도시에 적용하여 운영중인 모니터링 시스템의 화면을 보여주고 있다.

실제 노드 간 전송 횟수 값에 관한 결정은 여러곳의 현장 테스트를 통해 평균값으로 선정하였다. 대부분 지하 매설물 주위의 환경 및 현재 계절의 상태 그리고 주변 장소에 많은 영향을 받는 것으로 파악되었다.

<표 2>는 전송횟수와 설치 장소와의 상관관계를 보여주고 있다. 추후 전송 시 성공 확률과 전송횟수를 모니터링 서버가 아닌 임베디드 보드 펌웨어 레벨에서 연동하여 적용한다면 계절의 환경변화에도 빠르게 대처할 수 있을 것이다.

계절별로 발생하는 고장 확률을 이용한 지능형 모니터링 시스템은 기존의 시스템들이 가지고 있는 기술을 한 단계 높인 기술이라고 볼 수 있다.

현재 다양한 모니터링 시스템을 국내 업체들이 개발하고 있으나 아직 모니터링 시스템 시장에서 초기 단계에 있으며, 대부분 시스템이 단순한 누수 감지만 모니터링할 뿐 체계적인 모니터링과 시스템의 관리가 부족한 상태이다.

본 논문에서는 스마트 시트의 파손감지 모니터링 시스템의 원활한 적용하기 위하여 계절별로 발생 추이가 다름을 이용하여 누적된 데이터를 분석하여 지능적으로 지하 매설물의 상태를 모니터링 할 수 있는 지능형 모니터링 시스템을 제안하였다.

하드웨어적인 모니터링 시스템과 소프트웨어적인 모니터링 시스템의 융합을 통하여 지하 매설물 중 상, 하수도의 시간대별 배수 관련 패턴과 과거 배수 관련 자료들의 분석 정보, 계절 정보, 요일 정보 및 기상 정보를 이용한 과학적인 수요 예측을 통한 모델링을 수행하여 모니터링을 수행할 수 있었다.

본 논문에서 제안한 시스템은 모니터링 구간의 길이에 상관없이 경제적인 구축이 가능하다. 특히 짧은 거리 모니터링은 기존 방식의 약 53% 비용 절감 효과가 있으므로 노후관 교체 공사에 사용하더라도 경제성이 있다. 여기에 계절 정보의 활용을 통하여 기존 모니터링 시스템들에 비해 20% 이상의 비용 절감 효과가 발생할 것이다.

계절적 요인 데이터는 누적이 될수록 활용도가 높아지기 때문에, 모니터링 시스템 적용 초기에는 시스템 적용으로 인한 이득 효과가 미비하다는 게 시스템이 가지고 있는 단점이다. 그러나 누적데이터가 많아지면 많아질수록 시스템 적용을 통한 이득 효과가 높아질 것이다. 또한, 다른 모니터링 시스템에도 적용 분야를 확장하여 적용할 수 있으므로 상하수도 관의 교체주기를 최소 50% 이상 늘릴 수 있어 지하매설관 교체 예산을 대폭 절감시킬 수 있을 것이다.

본 논문을 통해 계절에 따라서 지하에 매설되어 관리가 어려웠던 상/하수도관 등에 지능형 모니터링 시스템을 도입함으로써 국가에서 요구하는 시설물의 안전관리와 시설물의 수명 연장을 위한 목적에 부합할 수 있는 모니터링이 가능할 것이다.

향후 누수나 파손의 이벤트가 발생 시 특정 구간 모니터링이 불가능했던 단점을 보완하고 지하 매설물 관망 전체를 모니터링이 가능할 수 있고 서버와 저비용으로 통신할 수 있도록 LoRa망을 이용한 시스템의 개발을 진행할 예정이다.