2017년 12월 17ZH1300-01-2300P
Infra-less 보행항법 기반 증강인지
커넥티드 헬멧 시스템 기술 개발
Infra-less PDR based connected helmet system
for augmented cognition
인사말씀
본 연구개발 과제는 인간의 능력만으로는 쉽게 대응할 수 없는
재난현장상황에서 구조대원의 위치, 위험 및 급변하는 주변상황에 대한
인지력 증강을 통해, 사전에 사고를 예방하도록 하는 선제적 긴급
재난대응 기술 개발을 목적으로 하고 있습니다. 본 연구 결과물을
바탕으로 과학적 재난예방, 현장중심의 대응능력 강화 및 첨단 장비 보강
등을 통한 “국민의 안전을 지키는 재난관리”에 크게 기여할 것으로
기대합니다.
특히, 인프라 없는 환경에서 인지증강 인프라 분야와 관련 구조·안전
장비 핵심요소 기술 개발의 결과를 통해 세계적인 기술 우위를 차지하는
한편, 기술선점의 효과를 볼 수 있을 것으로 확신합니다.
본 연구개발을 통하여, 우리나라 구조·안전 장비의 국제 기술 경쟁력이
향상되고 기반 기술의 조기 확보를 통해 제품의 조기 상용화, 기술 도입
비용 절감 및 국내 산업 보호, 새로운 구조·안전 산업의 조기정착과 기술
수출에 많은 기여를 할 것으로 기대합니다.
본 기술 개발이 우리나라 구조·안전 분야의 산업경쟁력을 강화하고
미래시장을 개척하는데 미력하나마 많은 보탬이 되기를 희망하며, 그 동안
불철주야 연구개발에 몰두하여 온 참여연구원들의 노고를 치하하는
바입니다. 또한, 본 연구사업의 수행에 아낌없는 지원을 보내주신 관계자
여러분께 깊은 감사를 드립니다.
2017년 12월
한국전자통신연구원 원장 이 상 훈
제출문
본 연구보고서는 주요사업인“안전하고 스마트한 초연결 핵심기술
개발”대과제내 “Infra-less 보행항법 기반 증강인지 커넥티드 헬멧
시스템 기술 개발”세부과제의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의
연구진이 작성한 것입니다.
2017년 12월
연구책임자 : 책임연구원 이강복 (ETRI, 2017.01~12)
연구참여자 : 책임연구원 방효찬 (ETRI, 2017.01~03)
책임연구원 박종현 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 배명남 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 신동범 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 이상연 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 명승일 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 박광로 (ETRI, 2017.03~12)
책임연구원 정유현 (ETRI, 2017.05~09)
책임연구원 홍상기 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 임선화 (ETRI, 2017.06~12)
책임연구원 박찬원 (ETRI, 2017.01~12)
책임연구원 김주완 (ETRI, 2017.07~12)
책임연구원 장인성 (ETRI, 2017.07~12)
책임연구원 최길영 (ETRI, 2017.09~12)
책임연구원 신현순 (ETRI, 2017.09~12)
책임연구원 도이미 (ETRI, 2017.01~04)
책임연구원 백규하 (ETRI, 2017.01~04)
선임연구원 양회성 (ETRI, 2017.01~12)
선임연구원 손교훈 (ETRI, 2017.01~12)
선임연구원 모상현 (ETRI, 2017.01~08)
선임연구원 이혜선 (ETRI, 2017.01~12)
선임연구원 강찬모 (ETRI, 2017.01~04)
연구원 한규원 (ETRI, 2017.01~12)
연구원 진준호 (ETRI, 2017.04~12)
연구원 정민기 (ETRI, 2017.02~12)
연구원 이학준 (ETRI, 2017.01~12)
팀장 김영수 ((주)산청, 2017.01~12)
팀장 장용현 ((주)산청, 2017.01~12)
본부장 오상군 ((주)산청, 2017.01~12)
책임연구원 김진태 ((주)산청, 2017.01~12)
선임연구원 장양근 ((주)산청, 2017.01~12)
연구원 윤청현 ((주)산청, 2017.01~12)
요약문
Ⅰ. 제 목
o 대과제명 : 안전하고 스마트한 초연결 핵심기술 개발 o 세부과제명 : Infra-less 보행항법 기반 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기술 개발Ⅱ. 연구목적 및 중요성
본 연구는 재난대응에 필요한 인공감각 정보를 수집, 생성, 전환, 공유하여 열 악한 구조현장에서도 활용 가능한 증강인지 서비스를 제공하는 IoT 기반 커넥티드 헬멧 시스템 기술 개발을 목표로 한다. 본 연구 결과물을 활용하여, 재난·재해 현장에 투입되는 구조대원의 신속하고 안전한 귀환을 통한 인명사고 감소, 핵심 요소기술을 개발함으로써 핵심원천 기술 확보는 물론 지적재산권을 선점하여 국가 기술 발전에 이바지할 수 있으며, 향후 재난안전 분야뿐만 아니라 사물인터넷 및 실내·외 보행항법 관련 유관 산업으로 기술을 확산시켜 새로운 시장 창출에 기여하고자 한다.본 연구는‘안전’이라는 국가사회 현안문제 해결에 있어 ICT 첨단 기술을 접목 하는 시도로서, 재난․재해 관리 등 공공서비스의 지능화를 위해 IoT 기술이 주도 적인 역할을 담당할 것이며, 구체적인 연구 결과물인 ‘증강인지 커넥티드 헬멧’ 을 통해 재난안전 분야의 실용적인 IoT 기술로의 발전이 예상된다. 또한, 재난안 전 이슈가 국가혁신 핵심 과제로 부상하면서 국가안전의 전반적인 개선이 시급한 시점으로 기존 안전시스템의 한계를 ICT의 창조적 접근법으로 해결하는 핵심기술 제공이 가능하다. 구조대원은 증강인지 커넥티드 헬멧을 통해 구조대원은 위험요소 및 안전 귀환 에 대한 증강인지가 가능하고, 이를 통해 고립에 대한 두려움이 경감되고 현장 대 응능력이 향상되며 결국 인명사고를 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
Ⅲ. 연구내용 및 범위
본 연구는 2차년도 핵심 기술의 고도화와 기술에 대한 성능 검증결과를 기반으로 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템의 통합 및 시작품 개발을 목표로 한다. 우선적으로 커넥티드 헬멧 시스템의 시작품을 개발하여 각 객체 간 상대/거리위치 추정 기술, 장거리 통신 기술 및 SW프레임워크 신뢰성 보장 기술을 적용하고, 헬멧에 탑재되는 증강인지 시범서비스를 개발한다. 또한 현장지휘소 관제시스템에 대한 시작품을 개 발하고 제품인증 및 표준화를 지속적으로 추진한다. 당해연도(3차년도, 2017)의 세부적인 연구 범위는 다음과 같다. - 객체간 거리/위치 추정 기술 개발 - 보행지도 저작도구 개발/배포 및 재난대응활동 인지기술 적용 - 증강인지 기반 현장지휘소 관제시스템 기술 - 다채널 LoRa 기반 저전력 장거리 통신 기술 - 증강인지 SW 프레임워크 신뢰성 보장 기술 - 시범 서비스 개발 및 감각전환 적용 - 제품인증 확보 및 헬멧 간 인터페이스 표준화Ⅳ. 연구결과
본 연구의 당해연도 결과물은 증강인지 커넥티드 헬멧을 위한 증강인지 커넥티 드 헬멧 시스템의 통합 및 시작품 개발이다. 1, 2차년도에 개발된 핵심요소 기술을 기반으로 소방관들의 상대적인 거리를 파악하기 위한 거리 위치/추정 기술, 다채널 LoRa 기반 저전력 장거리 통신 기술 그리고, 증강인지 SW프레임워크의 신뢰성을 보장하기 위한 기술에 대한 구현 및 검증을 수행하였다. 기술의 통합과 검증을 목적으로 커넥티드 헬멧 시스템에 대한 시작품 및 현장 지휘 관제시스템에 대한 시작품을 제작하였고, 자체 테스트베드에 적용하여 개발 된 시작품 및 핵심 기술을 시험하고 검증하였다. 수요처의 의견을 수렴하여 시스 템의 특징 및 요구사항을 최대한 반영하여 표준화를 추진하였으며, 현장의 구조대 원에게 지속적인 안전보장이 가능하도록 연속성 및 신뢰성을 보장하도록 하였다. 이를 종합하여 커넥티드 헬멧 시범 시작품 및 시범서비스 개발에 적용하였다. 또한, 증강인지 커넥티드 시스템에 대한 핵심 IPR 확보, 표준화 결과물 활용을 통해 국내 제조업체의 구조·안전장비의 조기 상용화에 기여할 것으로 예상된다.Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
본 연구의 최종 결과물은 행정안전부 등 수요기관 및 국내 구조·안전 장비 업 체의 요구사항을 반영한 시스템 설계 및 핵심기술을 확보하여 화재, 폭발, 붕괴 등의 화재진압 및 인명구조 등 재난안전 분야에 활용하고자 한다. 핵심요소 기술 중에서, 인프라가 없는 환경의 보행항법 기술 확보를 통해 재난 안전 분야뿐만 아니라 건물 내·외 이용자 위치추적 등 위치기반 서비스에 활용할 수 있다. 또한, 신뢰성 있는 감각 정보 전달 그룹통신 기술 및 IPR 확보를 통한 기술경쟁력 강화 및 핵심 원천기술 확보가 가능하다. 감각융합 프레임워크 기술은 다수의 디바이스와 주변 환경이 상호연동·융합되는 웨어러블 지능화 디바이스에적용하여 커넥티드 카, 스마트 홈, 헬스 케어, 생활 제품 등 향후 ICT 융합 신서 비스 창출에 활용 방안을 마련하고자 한다. 또한, 소방대상물 및 도면정보 시스템의 소방 활동 조사 정보(방화시설 현황, 구조물 위치/구조/관계설비 현황, 진압계획용 도면 등)와 연동하는 방안과 경량 보행 맵의 연계성 검토를 통한 실제 현장 정보 활용을 추진하고 있다. 아울러, 다 수의 모바일 기기로 구성된 근접기반 네트워크에서, 분산·협업 처리 기술을 통해 협력 센싱 및 분산 처리가 가능하도록 하는 플랫폼에 활용할 수 있다.
Ⅵ. 기대성과 및 건의
본 연구를 통해, 국가 현안문제 해결을 위한 IoT기반 핵심원천 기술 고도화를 통한 질적 완성도를 향상시킬 수 있다. 특히, 인프라가 없는 환경에서 세계최고 수준의 보행항법 기술, 신뢰성 있는 감각 정보 전달 그룹통신 기술, 그리고, 세계최고 수준의 분산·협업 처리 소프트웨어 구조 기술의 제공이 가능하다. 연구실을 벗어나 실제 환경에 적용가능한 시작품 제작 및 현장 시험을 통한 실용화 및 산업화 가능성 분석이 필요하다. 이를 위해, 재난안전 분야의 산학연 연계를 통한 기술개발 체계를 마련하고자 한다. 또한, 재난안전 제조 기업에 첨단 융합 IT 기술을 지원하여 기술 경쟁력 확보에 일조하고자 한다. 재난안전 분야의 제한적 수요에 따른 시장한계가 존재하지만, 이를 극복하기 위해 산업안전, 보건의료, 스포츠 등 서비스의 다각화를 통해 신규 시장 창출에 기여하고자 한다. 이를 위한 선결 조건인 각종 재난안전 장비용 제품 인정 기준 및 기술기준(안) 제시를 통해 기업 기술이전 준비도를 높이는 과정으로 차년도 결과물의 시험인증 및 제품 인정을 위한 규격(안) 제시를 통해 달성하고자 한다.ABSTRACT
Ⅰ. TITLE
o Title : Development of ICT Integrated Public Infrastructure Technology
o Detailed title : Infra-less PDR based Connected Helmet System for Augmented Cognition
Ⅱ. THE OBJECTIVES
The main objective of this project is to developing IoT base connected helmet system technologies to provide services that collect, create, transform and share common artificial sensory information necessary for responding to disasters and extremely poor situations.
Utilizing the results of this research, key element technologies to reduce human accidents through swift and safe return of rescuers who are put into disaster can be developed. It can contribute to national technology development by preempting intellectual property right as well as securing core technology.
IoT technology will do a central role in smartizing public services such as disaster management. It is expected that the results of the research, ‘cognitive connected helmet’contribute to the field of disaster and safety.
Also, using the cognitive connected helmet, rescuers can reduce the risk of accidents, improve onsite response capabilities, and ultimately reduce the amount of injuries.
Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
In this research, we aim at integrating and prototyping the cognitive connected helmet system based on the advancement of the core technologies of the 2nd year and the performance verification results of the technologies. First, we develop a prototype of the connected helmet system, and apply relative distance and position estimation technology, long distance communication technology, and SW framework reliability assurance technology, and then develop augmented cognition demonstration services and install them on the helmet system. We also develop a prototype of the on-site command center control system and continue certification and standardization of the products.
The detailed research scope of this year (3rd year, 2017) is as follows. - Development of relative distance and position estimation technology
between objects
- Development and distribution of pedestrian map authoring tool and application of cognitive technology for disaster response activities - Development of augmented cognition based on-site command center control
system technology
- Development of multi-channel LoRa based low power and long distance communication technology
technology
- Development of demonstration services and application of sensory conversion
- Certification of the products and standardization of an interface between helmets
Ⅳ. RESULTS
The result of this study is the integration and prototyping of the cognitive helmet system.
Based on the core element technologies developed in the 1st and 2nd years, distance and location estimation technology for computing relative distance between firefighters, multi-channel LoRa based low power and long distance communication technology, and augmented cognition SW framework reliability assurance technology were implemented and validated.
For the integration and validation of the technologies, a prototype of the connected helmet system and a prototype of the on-site command center control system were developed and applied to the self test bed, and the developed prototypes and core technologies were tested and validated. Accepting opinions of the customers, we have standardized the system to reflect the characteristics and requirements of the system as much as possible and ensured continuity and reliability so that the on-site rescue personnel can be ensured safety. We applied this concepts to the development of the prototype and demonstration services of the connected helmet.
In addition, based on the core IPRs and the standardization results for the cognitive connected system, it is expected to contribute to the early commercialization of rescue and safety equipment of domestic manufacturers.
Ⅴ. UTILIZATION PLAN OF THE RESULTS
The final results of this research are planned to be utilized in the disaster and safety areas including firefighting (such as fire, explosion, collapse) and rescue, by providing system design and core technologies that reflect the requirements of organizations (such as the Ministry of the Interior and Safety) and of domestic rescue and safety equipment manufacturing companies.
Among the core element technologies, the PDR (pedestrian dead reckoning) technology in infrastructure-less environments can be utilized for disaster and safety but also location-based services such as internal/external user location tracking. Also, based on the group communication technology and its IPRs for reliable transmission of sensory information, it is possible to strengthen technological competitiveness and secure core source technologies. The sensory fusion framework technology is planned to be applied to wearable smart devices that can interoperate and converge with multiple devices and surrounding environments, in order to provide a utilization plan for future ICT convergence services such as connected cars, smart homes, health care, and consumer products.
In addition, we plan to utilize actual field information by providing a plan to incorporate the firefighting activity survey information (status of fire prevention facilities; status of location, structure, and related facilities of structures; drawings for fire suppression plan, etc.) of the firefighting object and drawing information system, and by examining the incorporation of lightweight pedestrian maps. Also, based on the distribution and collaboration processing technology in a proximity based network composed of multiple mobile devices, the results can be applied to a platform that enables cooperative sensing and distributed processing.
VI. EXPECTATIONS AND SUGGESTIONS
Through this research, it is possible to improve the qualitative perfection by enhancing IoT based core source technologies for solving national pending problems. In particular, it is possible to provide the world-class PDR technology in infrastructure-free environments, the reliable sensory transmission group communication technology and the world-class distribution and collaboration processing SW structure technology.
It is necessary to analyze the possibility of commercialization and industrialization through prototyping and field test of the system that can be applied to actual environments after leaving the laboratory. To do this, we will establish a technology development system through the linkage of industry, academia and research in the disaster and safety field. Also, we will contribute to securing technology competitiveness by supporting cutting-edge convergence IT technologies to disaster and safety manufacturing companies.
There exist market limitations due to limited demand in the disaster and safety field, but in order to overcome this, we will contribute to the creation of new markets by diversifying services such as industrial safety, health care, and sports. We will present the accreditation standard and the technical standard (draft) for various disaster and safety equipment products, which is a prerequisite for the achievement. Also, for the process of enhancing the preparedness level of the technology transfer, we will present specification (draft) for test certification and product accreditation of the results in the next year.
연차실적 보고서
과제유형 1. 기초미래선도형 ( ) 2. 공공인프라형 (○) 3. 산업화형 ( ) 대과제명 안전하고 스마트한 초연결 핵심기술 개발 세부과제명 Infra-less 보행항법 기반 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기술 개발 세부과제 책임자 소속 및 부서 IOT연구본부 직위 (직급) PL (책임연구원) 성명 이 강 복 총연구기간 2015년 1월 1일 부터 2018년 12월 31일 까지 (48개월) 당해연도 연구기간 2017년 1월 1일 부터 2017년 12월 31일 까지 (12개월)(3차년도) 총 연 구 비 정부출연금 7,543,398 천원 당해 년 연 구 비 정부출연 금 2,012,000 천원 민간부담금 400,000 천원 민간부담 금 100,000 천원 계 7,943,398 천원 계 2,112,000 천원 참여인력(M/Y) 총 연 구 기 간 115 명 ( 48.25 M/Y) 당해연도 연구기간 22 명 ( 12.09 M/Y) 참여기관 기관명 연구책임자 참여연구기관 ㈜산청 김영수 위탁연구기관 부산대학교 이장명 키워드 (6~10개) 재난·안전, 증강인지, 인공감각, 보행항법, 분산협업, 실행제어, 경로구성, Infra-less 정부출연금사업 연차평가 보고서를 제출합니다. 2017 년 12 월 08 일 세부과제책임자 : 이 강 복 (인) 직 할 부 서 장 : 황 승 구 (인) 한국전자통신연구원장 귀하Content
Chapter 1 Introduction ··· 1
Section 1 Study Background ··· 1
Section 2 Research Objectives and Contents ··· 3
1. Final Goal ··· 3
2. R & D Goals and Contents by Year ··· 4
3. Establishment of the Current Year Indicators and Targets ··· 6
Section 3 Domestic and Foreign R & D Trends ··· 8
1. Domestic and Foreign Technology Trends and Levels ··· 8
Chapter 2 Augmented Connected Helmet System Technology Development ··· 13
Section 1 R & D Promotion System ··· 14
Section 2 Technology Development Schedule ··· 16
Section 3 Performance Year ··· 18
1. Planned Performance ··· 18
2. Performance Details ··· 25
Section 4 Performance Indicator Test Results ··· 67
1. Return Path Error Range ··· 67
2. Reliability of Alarm for Maintaining Distance Between Rescuers ··· 70
3. Delay Time of Information Transmission Using Sub-GHz ··· 72
4. Processing Time of Artificial Sensory Information ··· 76
5. Interworking Time of Structure and Safety Equipment ··· 78
6. Risk perception (Peer, Explosion) Information Accuracy ··· 79
7. Artificial Sensory Information Maintenance time ··· 80
8. Number of LoRa Basestation Simultaneous Reception ··· 81
Section 5 Technology Development Results ··· 86
1. Summary of Technology Development Results ··· 86
2. Details of Technology Development Results ··· 86
Chapter 3 Utilization of R & D Results ··· 104
Chapter 4 Conclusion ··· 105
Chapter 5 Usage of Project Budget ··· 107
Chapter 6 Research Facilities and Equipments ··· 109
Abbreviations Table ··· 111
목 차
제1장 서론 ··· 1 제1절 연구배경 ··· 1 제2절 연구목표 및 내용 ··· 3 1. 최종목표 ··· 3 2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ··· 4 3. 당해연도 성과지표 및 목표설정 ··· 6 제3절 국내·외 연구개발 동향 ··· 8 1. 국내·외 기술동향 및 수준 ··· 8 제2장 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 개발 ··· 13 제1절 연구개발 추진체계 ··· 14 제2절 기술개발 추진 일정 ··· 16 제3절 당해연도 추진 실적 ··· 18 1. 계획 대비 실적 ··· 18 2. 실적 세부설명 ··· 25 제4절 성과 지표 시험 결과 ··· 67 1. 귀환감각의 이동경로 이탈 오차범위 (2m 이내) ··· 67 2. 구조대원 상호 인접거리 유지 경보 신뢰성 (99% 이상) ··· 70 3. Sub-GHz 활용 위험감각 정보 전송 지연시간 (2초 이내) ··· 72 4. 인공감각 정보 증강인지 처리시간 (1.5초 이내) ··· 76 5. 구조·안전 장비의 인터워킹 접속시간 (3초 이내) ··· 78 6. 위험감각(동료, 폭발) 정보 정확도 (80% 이상) ··· 79 7. 인공감각 정보(장비, 현장상태 로깅) 유지 시간 (8시간 이상) ··· 80 8. LoRa 베이스스테이션 동시 수신 채널 수 (16채널) ··· 81 제5절 연구개발결과 ··· 86 1. 연구개발 결과 요약 ··· 86 2. 연구개발 결과 세부 내용 ··· 86 제3장 연구개발 결과의 활용계획 ··· 104 제4장 결론 ··· 105 제5장 사업비 사용현황 ··· 107 제6장 연구 시설·장비 현황 ··· 109 약어 표 ··· 111 부록 ··· 112표 목차
(표 2-1) 자원 타입 간 부모/자식 관계 ··· 47 (표 2-2) 메시지 프레임 종류 ··· 51 (표 2-3) 증강인지서비스 종류 ··· 57 (표 2-4) 보드별 하드웨어 인터페이스 요약표 ··· 63 (표 2-5) 정보 전송 지연 시간 ··· 75 (표 2-6) 인공감각 정보 증강인지 처리 시간 측정결과 ··· 77 (표 2-7) 측정된 인터워킹 접속시간 ··· 79(표 2-8) LoRa Base station 통신 채널 할당 ··· 82
그림 목차
(그림 1-1) 연차별 기술 개발 목표 ··· 4 (그림 1-2) 인공지능형 스마트 소방 진압복 구성도 ··· 9 (그림 1-3) 대상물 및 경방/도면 관리 시스템 ··· 10 (그림 1-4) Smart Firefighting 프로젝트 개요 ··· 10 (그림 2-1) 연구개발 추진체계도 ··· 15 (그림 2-2) 모듈 설계 회로도 및 배치 구성도 ··· 25 (그림 2-3) 임펄스 센서 모듈 HW 버전 1(좌)과 버전 2(우) ··· 26 (그림 2-4) 제어 소프트웨어 UART 데이터 송수신 화면 ··· 26 (그림 2-5) 고정 슬롯 배정 모델 ··· 27 (그림 2-6) 보정 알고리즘 별 측정분산 보상 실험 ··· 27 (그림 2-7) SMS 모듈 설계 회로도 ··· 28 (그림 2-8) SMS 모듈 v1.6(좌)과 SMS 모듈 V1.7(우) ··· 28 (그림 2-9) 관성센서 데이터(좌)와 SMS 모듈의 지원 명령(우) ··· 29 (그림 2-10) 관성센서 데이터(좌)와 보행항법 데이터(우) ··· 29 (그림 2-11) 보행항법 시험 환경 ··· 30 (그림 2-12) PC의 보행항법 결과(좌)와 SMS 모듈의 보행항법 결과(우) ··· 30 (그림 2-13) 허리기반 보행항법 시험(좌) 보행경로(우) ··· 30 (그림 2-14) 보행검출모델 출력 데이터(좌) 보정 전/후의 Heading값(우) ··· 31 (그림 2-15) 경로 보정 전(좌) 경로 보정 후(우) ··· 31 (그림 2-16) 지도 저작도구 프로그램 ··· 31(그림 2-17) MMS 연동 지도 배포 ··· 32 (그림 2-18) PASS Unit 시작품 형상 ··· 33 (그림 2-19) PASS Unit 초기 UI ··· 33 (그림 2-20) PASS Unit 상태 및 위치 표시 UI ··· 34 (그림 2-21) 베이스스테이션 시작품 ··· 34 (그림 2-22) 메인 UI ··· 35 (그림 2-23) 대원장비 UI ··· 35 (그림 2-24) 현장지휘 UI ··· 35 (그림 2-25) LoRa ED ver.3 블록도 ··· 36 (그림 2-26) LoRa ED ver.3 저전력 RF 설계 ··· 37
(그림 2-27) CAD 기반 충돌 방지 MAC 프로토콜 State diagram ··· 37
(그림 2-28) CAD 기반 충돌 방지 MAC 프로토콜 Timing flow ··· 38
(그림 2-29) LoRa ED-상위 응용 간 HW 인터페이스 ··· 38 (그림 2-30) Broadcast command에 대한 전송 흐름도 ··· 38 (그림 2-31) Unicast command에 대한 전송 흐름도 ··· 39 (그림 2-32) 상위 응용 -> LoRa ED 패킷 구조 ··· 39 (그림 2-33) LoRa ED -> 상위 응용 패킷 구조 ··· 40 (그림 2-34) LoRa ED v3.1 A 시작품 ··· 40 (그림 2-35) LoRa ED v3.1 B 시작품 ··· 41 (그림 2-36) IPC 기반 다채널 확장 알고리즘 시뮬레이션 ··· 41 (그림 2-37) 다채널 Base station 블록도 ··· 42
(그림 2-38) 다채널 LoRa Base station 초기화 흐름도 ··· 42
(그림 2-39) 다채널 LoRa Base station 송신(TX) 흐름도 ··· 43
(그림 2-40) 다채널 LoRa Base station 수신(RX) 흐름도 ··· 43
(그림 2-41) 동시 수신 통합 시험 환경 1 ··· 44
(그림 2-42) 동시 수신 통합 시험 환경 2 ··· 44
(그림 2-43) Spectrum analyzer를 통한 채널 환경 (920.3MHz ~ 923.3MHz) ··· 45
(그림 2-44) 다채널 LoRa Base station을 통한 수신 결과 ··· 45
(그림 2-45) 다채널 Base station v1.1 시작품 ··· 45 (그림 2-46) 컨테이너 데이터 저장·관리를 위한 DB 테이블 ··· 46 (그림 2-47) 응용 데이터 저장·관리를 위한 DB 테이블 ··· 46 (그림 2-48) 저장·관리되는 자원 트리의 최상위 구조 ··· 48 (그림 2-49) 프레임워크 구성 패키지별 데이터 저장·관리 매니저 ··· 48 (그림 2-50) 트랜잭션 매니저 구조 ··· 49 (그림 2-51) 프레임 구조 ··· 50
(그림 2-52) 위치 프레임 구조 ··· 51
(그림 2-53) 상태 프레임 구조 ··· 51
(그림 2-54) RPC(Remote Procedure Call)에서 REST로 개발 패러다임 변화 ··· 52
(그림 2-55) 탑재되는 응용/장치 종류 정의 예시 ··· 52 (그림 2-56) 탑재되는 응용/장치 인터페이스 정의 예시 ··· 53 (그림 2-57) 지휘관과 소방관, 그리고 소방안전 ··· 53 (그림 2-58) 인지증강 서비스와 SOP ··· 54 (그림 2-59) 시간과 온도변화에 따른 연소 이상 현상 ··· 55 (그림 2-60) DRL을 사용한 사실/규칙 선언 및 정의 시험 ··· 57 (그림 2-61) 증강인지 서비스 소프트웨어 구조도 ··· 58 (그림 2-62) 증강인지 서비스 상태도 ··· 58 (그림 2-63) 증강인지 서비스 시스템 구성도 ··· 59 (그림 2-64) 팀 편성 UI1 ··· 59 (그림 2-65) 출동 명령 UI ··· 60 (그림 2-66) 지도 관리 UI ··· 60 (그림 2-67) 구조대원 상태 및 장비상태 로깅 DB 구조 ··· 61 (그림 2-68) 구조대원 개인화 장치 구성 ··· 61 (그림 2-69) 데이터 공유 메시지 규격 ··· 62 (그림 2-70) 위치공간감각 가시화 화면 ··· 62 (그림 2-71) MPB/SPB 하드웨어 인터페이스 ··· 63 (그림 2-72) 통신/확성기 모듈 장착된 안면부 시제품 제작 ··· 64 (그림 2-73) 증강인지서비스 구성요소 ··· 64 (그림 2-74) RemoteDIOSApp 통신구조 ··· 65 (그림 2-75) 시스템 인터페이스 - 지도배포 ··· 65 (그림 2-76) 증강인지 커넥티드 시스템 TTA 표준 ··· 66 (그림 2-77) 화재현장 통신시험 시험 구성도 ··· 66 (그림 2-78) 화재현장 통신시험 시스템 배치상황 ··· 67 (그림 2-79) 화재현장 통신시험 ··· 67 (그림 2-80) 허리장착 SMS ··· 68 (그림 2-81) 시험 시나리오 1의 시험경로 ··· 68 (그림 2-82) 시험 시나리오 2의 시험경로 ··· 69 (그림 2-83) 시험 시나리오 1의 시험결과 ··· 69 (그림 2-84) 시험 시나리오 2의 시험결과 ··· 70 (그림 2-85) 상호인접거리 유지 시험 구성도 ··· 71 (그림 2-86) 상호인접거리 이탈 경고 전송률 시험 ··· 72
(그림 2-87) 위험 정보 1회~ 5회 송신시각 ··· 73 (그림 2-88) 위험 정보 6회~ 10회 송신시각 ··· 73 (그림 2-89) 위험 정보 1회~ 3회 수신시각 ··· 74 (그림 2-90) 위험 정보 4회~ 6회 수신시각 ··· 74 (그림 2-91) 위험 정보 7회~ 9회 수신시각 ··· 74 (그림 2-92) 위험 정보 10회 수신시각 ··· 75 (그림 2-93) 인공감각 정보 증강인지 처리 시간 평가를 위한 시스템 구성 ··· 76 (그림 2-94) 인공감각 정보 증강인지 처리 시간 측정 시험 화면 ··· 77 (그림 2-95) SMS 장치 블루투스 인터워킹 접속 시험 구성 및 절차 ··· 78 (그림 2-96) SMS 인터워킹 접속 시험 화면 ··· 78 (그림 2-97) IR 카메라를 이용한 온도 측정 ··· 79 (그림 2-98) 온도센서 및 산소센서를 이용한 센서값 측정 ··· 80 (그림 2-99) 등지게 BACKPACK 배터리 통합형기구 ··· 81 (그림 2-100) LoRa End-device v3.1B ··· 81
(그림 2-101) LoRa Base station v1.1 ··· 82
(그림 2-102) gw_master_conf.json / gw_slave_conf.json 채널 설정 ··· 83
(그림 2-103) LoRa Base station 사용자 GUI 내 Link Parameter Config ··· 83
(그림 2-104) LoRa End-device 통합 시험 환경 ··· 84
(그림 2-105) LoRa Base station 통합 시험 환경 ··· 84
(그림 2-106) Spectrum analyzer를 통한 채널 환경 (920.3MHz ~ 923.3MHz) ··· 85
제1장 서론
제1절 연구배경
사회가 발전함에 따라 안전에 대한 사회적 인식이 높아지고, 개인의 안전을 위 한 자동화된 서비스에 대한 요구와 과학적 재난예방, 현장중심의 대응역량 강화 및 첨단장비 보강 등을 통한 “국민의 안전을 지키는 재난관리시스템 구축”에 대 한 필요성이 증가되고 있다. 또한 재난대응의 전술적 역량과 작전효율성을 제고할 수 있는 첨단시스템과 잠재적인 위협으로부터 현장요원을 보호하고 소방·구급· 구조 활동의 효율을 높일 수 있는 구조·안전 장비에 대한 연구개발의 필요성이 대두되고 있다. 국외에서도 글로벌 선진기업들은 다양한 국가적 재난 경고를 개개인에게 실시간 으로 제공하고 있고, 미국과 유럽 등 선진국에서는 재난·재해에 대한 대응력 강 화를 위해 정부 주도의 기술 개발과 위치, 센서, OS, 알고리즘 등 민간의 제조 산 업을 분야별로 특화하는 등 전문 제조 산업으로 육성하기 위한 다양한 시도가 진 행 중이다. 특히 국가사회 문제 해결을 위한 IoT 중심의 재난․재해 관리기술들이 등장하고 있고, 그 조류는 점점 확대되고 있다. 이러한 국내외 요구사항을 충족하기 위하여, ETRI는 ICT 기술을 기반으로 재난ž 안전 관련 기술과 융합하여 안전과 현장대응에 필요한 실용적이면서 도전적인 연 구개발을 통해 핵심 원천기술 확보하고, 세계 최고/동등 수준의 기술을 개발하여 재난안전 산업 분야의 신산업 창출과 기존산업의 경쟁력을 획기적으로 강화하기 위하여 핵심원천 기술 및 핵심특허를 조기에 확보할 수 있는 혁신형 연구개발 과제인 “Infra-less 보행항법 기반의 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템” 개발을 추진하고 있다. 본 과제에서는 “재난대응 증강인지를 통한 안전한 사회 기반 구축”의 비전을 달성하기 위하여 다음과 같은 3대 핵심기술 개발을 추진하고 있다. 첫째, IoT기반 인공감각 정보생성 기술은 재난현장 내의 폭발위험감각, 동료· 자기위험감각, 귀환감각과 같이 사람이 직접 인지할 수 없는 영역에 대한 인공감 각 정보를 생성하고, 분산된 인공감각 정보를 서로 연계 및 융합 처리하여 작업자(소방관, 구조·안전대원, 현장대응 요원 등)가 본연의 임무를 수행하는데 방해 받지 않으면서 필요한 정보를 쉽게 제공하는 기술이다. 또한 통신 인프라가 전혀 없는 실내 환경에서 2m 이내의 오차범위를 갖는 세계최고 수준의 IoT 복합 센서와 보행맵 정보를 융합한 Infra-less 보행항법 기술을 포함하고 있으며, 세계 최고의 목표 달성을 위하여 기 확보하고 있는 실시간 위치추적 기술, 센서 신호처리 기 술, 센서 미들웨어 및 단말 기술을 적용 환경에 맞게 보완 및 최적화 하고 인프라 가 없는 환경에 적합한 보행항법 알고리즘 및 경량형 보행맵 생성 기술을 개발하 고 있다. 둘째, 신뢰성 있는 인공감각 정보전달 기술은 통신 인프라가 파괴된 재난·재해 상황에서 센서 및 IoT 기술을 융합하여 재난 현장대응이 가능하고 극한 환경에서 도 활용할 수 있는 통신기술에 관한 것이다. 위치 및 응급신호 등 작업자 필수정 보를 전달하고 위치 정보를 활용하여 동적 라우팅 및 데이터 가변 전송률을 제어 하는 기술은 정보 신뢰성을 제공하는 그룹통신 기술로 통신 인프라가 불가능한 상 황에서 상호 정보를 교환 및 공유하기 위한 핵심원천 기술이다. 신뢰성 있는 무선 전송 기술은 위험 및 재난 상황 등 통신 인프라가 없는 환경에서 생존을 위한 최소 한의 정보를 안정적으로 전달할 수 있는 강한 생존력을 갖는 통신수단을 제공할 수 있으며, 위치정보 전달망과 데이터 전달망을 물리적으로 분리함으로써 이동 환경에 서 안정적인 통신 경로와 최적의 통신 성능 확보를 보장한다. 셋째, 인공감각 융합처리를 통한 증강인지 기술은 각종 센서 정보로부터 헬멧 시스템 내에서 상황정보를 인지할 수 있는 개별 인공감각 정보를 생성하고, 개별 인공감각 정보를 분석 및 통합함으로써 1차 인공감각 융합을 수행하고, 개별 인공 감각 정보를 작업자 간 통신을 통해 상호 교환 및 공유를 통하여 다른 작업자로부 터 전달받은 인공감각 정보를 자신의 인공감각 정보와 2차 융합하여 인지영역이 확장된 2차 융합 인공감각 정보를 생성하는 기술이다. 작업자는 융합된 인공감각 정보를 시각/청각/촉각 등 사용자 최적의 감각정보로 변환된 멀티모달 UI/UX 기반 증강인지 서비스를 제공받을 수 있다. 세계 최초로 사람이 직접 인지할 수 없는 영역에 대하여 작업자의 인지 능력을 증강시키는 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템의 개발을 통하여, ETRI는 지능형 복합 센서 신호처리, Infra-less 보행항법, 고신뢰 그룹통신 및 감각융합 프레임워크 관 련 기술의 조기 IPR화로 해당 분야 기술을 선점하고, 감각융합 프레임워크 기술을 재난안전 분야의 공통플랫폼에서 정보 융합을 하기 위한 핵심 기술로 활용하여 재 난안전 분야에서 유연하고 지능화된 증강인지 SW 기술을 확산할 예정이고, 개발 과
정에서 국내 기업과 밀접히 상호 협력하여 기술이전 및 상용화 지원을 통해 국내 기업의 기술경쟁력 강화에 기여할 수 있다. 본 과제의 센서·통신·소프트웨어 기술융합 목표는 “정보기술을 활용한 재난 안전 기술의 고도화”와 “재난대응의 과학기술 역할 강화”를 추진하는 정부의 범부처 중장기 계획과 일치하며, 향후 정부의 19대 미래성장동력 사업과 연계하여 재난안전 산업의 육성과 확장에 기여할 예정이며, 나아가 국민의 행복과 재난현장 요원들의 안전을 지켜주는 기술이 될 전망이다.
제2절 연구목표 및 내용
1. 최종목표
본 연구는 재난대응에 필요한 인공감각 정보를 수집, 생성, 전환, 공유하여 극 한·열악 현장에서도 활용 가능한 증강인지 서비스를 제공하는 IoT 기반 커넥티드 헬멧 시스템 기술 개발을 목표로 한다. 최종목표 Ÿ 안전하고 정확한 보행항법 기반 경로 구성 및 감각 서비스 기술 Ÿ 위치 정보 기반 신뢰성 있는 네트워킹 기술 Ÿ 분산·협업 및 실행·제어 프레임워크 기술 Ÿ 증강인지 커넥티드 헬멧 및 보행항법용 방화부츠 시작품 Ÿ 국내/국제 핵심 IPR 확보 보행항법, 보행맵 기반 경로 구성 및 보정 기술 신뢰성 있는 통신 및 장치 인터워킹 기술 감각정보 융합 증강인지 SW 기술 - 보행항법 기반 경로 생성 기술 - 실내지도(건축 설계도면 등)를 활용한 보행맵 생성 및 경로 보정 기술 - 인프라가 없는 환경에서 신뢰성 있는 그룹통신 기술 - 구조·안전 장비 자동 연결 및 해제 기술 - IoT 인터워킹 적용 기술 - 증강인지 서비스 기술 - 분산·협업 처리 기술 - 감각정보 상호운용 기술이를 통해 달성하고자 하는 세부 기술개발 목표는 다음과 같다. - 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기술을 개발하여 재난·재해 현장에 투입되 는 구조대원의 신속하고 안전한 귀환을 통한 인명사고 감소 - 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템의 요소기술을 개발함으로써 핵심원천 기술 확보는 물론 지적재산권을 선점하여 국가 기술 발전에 이바지 - 재난안전 분야뿐만 아니라 실내·외 보행항법 관련 산업으로 기술을 확산시 켜 새로운 시장 창출에 기여
2. 연차별 연구개발 목표 및 내용
본 연구의 연차별 연구목표 및 내용은 다음 그림과 같다. (그림 1-1) 연차별 기술 개발 목표- (1차년도, 2015) 인프라가 없는 환경의 세계최고 수준 보행항법 IPR 확보, 신뢰성 있는 감각 정보 전달 그룹통신 기술 및 IPR 확보, 세계최고 수준의 분산·협업 처리를 위한 SW 구조 기술 확보 . 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 요구사항 분석 및 기능 설계 . 센서 융합을 통한 실내 보행항법 기술 개발 . 실내지도 활용한 보행맵 생성 기술 개발 . 위치 정보를 활용한 이동 애드혹 통신을 위한 연결성 기술 개발 . 구조·안전장비 연결 인터워킹 프록시 기술 개발 . 감각 연결과 융합을 위한 SW 구조 기술 개발 . IoT 기반 경량형 구조·안전 장비의 요소기술 설계 및 프로토타입 개발 . 핵심 요소 기술 단위 시험 . 인프라가 없는 환경의 세계최고 수준 보행항법 IPR 확보 . 신뢰성 있는 감각 정보 전달 그룹통신 기술 및 IPR 확보 . 세계최고 수준의 분산·협업 처리 SW 구조 기술 확보 - (2차년도, 2016) 세계최고 수준의 증강인지 기술 확보, 연구시작품 제작을 통한 기술완성도 향상, 제품인증 확보 가능성 검증 및 헬멧 간 인터페이스 표준화 . 보행맵 매칭을 통한 경로 보정 및 처리 기술 개발 . 주변 형상인식 기반 경로 보정 기술 개발 . 위험감각 정보 생성을 위한 데이터 분석 및 신호탐지 기술 개발 . 이동성 지원 위치 정보 기반 동적 라우팅 기술 개발 . 분산 감각 정보 융합 실행·제어 기술 개발 . 귀환경로 기반 감각생성 및 감각전환 기술 개발 . 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기능 통합 및 시험 . IoT 기반 경량형 구조·안전 장비의 연구시작품 개발 및 성능 목표 측 정, 오류 검증 . 세계최고 수준의 증강인지 기술 확보 . 연구시작품 제작을 통한 기술완성도 향상 - (3차년도, 2017) 세계최초의 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 시작품 확보, 테스트베드 활용 적합성 시험을 통한 신뢰성 확보, 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 인터페이스 표준화 . 세계최초의 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 시작품 확보
. 객체 간 상대 거리/위치 추정 기술 개발 . 증강인지 기반 현장지휘소 관제시스템 시스템 시작품제작 . 다채널 LoRa기반 저전력 장거리 통신기술 . 증강인지 SW프레임워크 신뢰성 보장 기술 . 증강인지 시범서비스 개발 및 감각전환 적용 . 증강인지 시작품 제품인증 확보 및 헬멧 간 인터페이스 표준화 - (4차년도, 2018) 개발된 증강인지 커넥티드 헬멧 시작품에 대한 현장적용 및 인증을 통한 신뢰성 제고 및 시스템 인증규격 확보 . 다중항법 기반 객체 경로 추적 기술 개발 . 실내지도 기반 보행원점 설정 기술 . 증강인지 서비스 생성 및 실행지원 기술 . 재난정보 통합용 시스템 연계 기술 . 테스트베드 활용 적합성 시험을 통한 신뢰성 확보 . 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 인증 규격 확보
3. 당해연도 성과지표 및 목표설정
가. 기술개발 성과지표
성과지표 (주요성능 Spec) 단위 세계 최고 수준 기술개발 목표치 (‘17) 목표치 산출근거 검증방법 ① 귀환감각의 이동경로 이탈 오차범위 m < 2m < 2m 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제 15조2항(복도의 너비 및 설치기준) ; 1.2~2.4m, 절대적 오차 기준에 의한 오차범위 2m 산정 외부 기 관 인증 ( 한 국 소 방산업기 술 원 , TTA 등) 혹은 실 내 건축 물 환경 에서 실 측 ② 구조대원 상호 인접거리 유지 경보 신뢰성 % 99% 99% Infra-less 이동 환경에서 리더 중심 인접거리 이탈 및 통신단절에 따른 고립 시 자신 및 전체 동료에 이탈 경보 발생률로 산정 (수요기업 요구사항)③ Sub-GHz 활용 위험감각 정보 전송 지연시간
sec 2sec < 2sec
Infra-less 이동 환경을 고려, 위험지역 표시 구간 (5m), 오차범위(2m) 및 작 업자 이동속도(1.2m/s)를 고려한 전송 지연시간 계 산 ④ 인공감각 정보 증강인지 처리시간
sec 1.5sec < 1.5sec
작업자 이동속도 1.2m/s 대비, 2m의 경로이탈 오차 범위를 인지처리하기 위한 최대 허용 시간 ⑤ 구조안전 장비의 인터워킹 접속시간
sec < 2sec < 3sec
Bluetooth 기반 접속 시간 고려 (MAC, 장치ID 정보 등 단순 정보만 교환) ⑥ 위험감각 (동료, 폭발) 정보 정확도 % > 90% > 80% 폭발위험 측정에 필요한 필수 구조·안전장치 연결 (필수 3종) 및 위험 상황 판단 정확도로 산정(수요 기업 요구사항) ⑦ 인공감각 정보(구조대 원, 장비, 현장상태 로깅) 유지 시간
hour 8hour 8hour
1일 최대 운용시간(이력 저장 용량을 포함하여 8시 간 용량)으로 산정 ⑧ LoRa Base station 동시 수신 채널 수 개 8 16
LoRa Base station 분야 세계 최고 기술을 보유한 Kerlink 사 대비 2배 향상 된 16개 수신 채널을 최종 목표로 정함
나. 연구산출물 성과지표
제3절 국내·외 연구개발 동향
1. 국내·외 기술동향 및 수준
행정안전부는 미래 환경 변화로 인한 재난·재해에 대응할 수 있도록 재난안전 대응기술에 대한 연구개발을 추진하고 있으며, 재난·재해 현장에 투입되는 구조 대원의 위치를 추적하기 위해 실내항법 기술에 대한 검토, 첨단 센서를 이용한 구 조대원의 생체정보 및 위험감지, 실시간 현장통제 및 대응을 위한 국가 재난망 구 축 등 미래 재난안전 시스템을 위한 첨단 기술의 도입을 추진하고 있고, 이를 바 탕으로 국내 기술력을 확보하여 해외 시장 진출을 모색하고 있는 것으로 파악되고 있다. 행정안전부는 화재 진압 현장에서 구조대원의 정확한 위치를 추적함은 물론 구 조대원의 상태를 실시간으로 파악함으로써 구조대원의 생명과 안전을 지킬 수 있 고, 신속한 화재 진압 및 인명구조가 가능해 질 것으로 전망된다. 공통지표 자율지표 지표명 총사업 연도 ‘17년 도 지표명 총사업 연도 ‘17 년도 과학적 성과 표준화된 IF 상위 20% SCI 논문(건) - -IPR 확보 (국내외 특허출원) 15 5 기술적 성과 특허활용률 (기술이전건수/ 특허등록보유건수) 2/0 1/0 현장적용을 위한 표준화 (국내표준기고서) 6 4 국제표준특허(건) - - 소프트웨어 등록 23 10 국제표준승인 표준기고서(건) - -연구시작품/시스 템시작품 5 3 3극 특허(건) 1 0 장치 및 시스템시작품 인증 2 1 경제적 성과 연구비 대비 기술료 수입(%) 3.8 1.9 기술이전/기술료 2/2억 1/1억(그림 1-2) 인공지능형 스마트 소방 진압복 구성도
- 행정안전부는 구조대원의 위치 추적을 위해서 3차원 실내지도 구축을 진행 중 에 있으며, 국토교통부는 BIM(Building Information Modeling) 기술을 이용한 실내지도 구축 오픈 플랫폼을 진행 중임 - 경남소방본부는 소방현장지휘관에게 구조대원의 위치와 상태정보를 알려주는 현장대원 안전관리시스템과 3차원 실내지도정보 구축, 소방현장 정보의 119종 합상황실 공유 및 안전행정부 세외수입시스템 연계 등을 포함하여 이미 구축 돼 있는 “119소방현장통합관리시스템”의 확산 및 기능고도화를 수행 중임 한편, 대상물/경방관리 시스템은 긴급구조 시스템의 일부로, 사전 예방경계 활 동을 목적으로 각 소방서와 파출소에서 중요 대상물의 상세정보를 관리하는 시스 템이다. - 경방카드는 소방관리 대상에 관한 각종 정보로써 화재진압작전도, 소방시설배 치, 출동로 등 화재진압에 필요한 정보를 포함 - 소방활동 자료조사는 소방방재청 훈령 제127호에서 소방본부장이나 소방서장 이 화재의 경계·진압 및 인명구조·구급 등을 위한 자료를 수집하고 소방활 동 정보카드에 반영함 - 소방서는 소방대상물 및 각종 도면 정보를 관리하고, 경방카드의 관리, 조회,
출력을 제공하고 있음
- 특히, 경방카드는 접수관제, 진압활동 등에 필요한 정보(도면과 위험물 위치 등)를 제공하고, 평상시에는 재난에 대비한 훈련자료로 활용함
(그림 1-3) 대상물 및 경방/도면 관리 시스템
국외 기술개발 사례로, 미국 NFPA(National Fire Protection Association)의 Fire Research Division의 Smart Firefighting Project에서는 2012년 10월부터 혁 신적 재난안전 대응력 향상을 위한 기술 개발에 착수함 (그림 1-4) Smart Firefighting 프로젝트 개요 - 재난안전 장비에 새로운 센서 및 컴퓨팅 기술을 융합하여 스마트 안전 소방 및 화재 방재 기술을 개발함 - Cyber-physical System(CPS) 기반 글로벌 정보 수집을 통한 재난안전 대응의 효율성, 상황인식 및 상황 맞춤형 화재 진압 기술을 2015년까지 개발함
- 美 Worster Polytechnic Institute의 연구진은 화재현장의 온도를 발화지점에 서 실시간 측정하여 온도가 플래쉬오버(Flashover)에 이르기 전에 소방관을 탈출시킬 수 있도록 하는 센서 시스템을 개발하여 테스트 중임 한편, 재난안전 제품규격의 국제화와 관련하여 주도적 역할을 담당하고 있는 재 난안전기기 국제 표준화기구는 ISO/TC21에서 전문위원회를 구성하여 활동 중임 - 우리나라에서는 SC2의 휴대용소화기 분과위원회의 국제간사로 활동하여 각 국 가 대표기관이 참석하는 정기총회 참석은 물론 국제 표준 제·개정 과정에 필 요한 절차 제공, 정보 공유화, 온라인 작업 공간 지원 등의 임무를 수행하고 있음 - 국내 분과위원회 간사기관으로는 한국소방산업기술원과 방재시험연구원이 활 동 중임 재난안전 제품은 국민의 생명과 재산을 화재로부터 보호해 주는 중요한 기기이 기 때문에 최소한의 성능이 있는 제품만 유통ㆍ설치될 수 있게 하기 위하여 국가 로부터 사전에 검사를 받도록 법률로 정하고 있고, 국내 재난안전 제품은 한국소 방산업기술원의 제품 대상품목 및 기술 기준에 따라 인증되고 있다. 따라서 연구 결과물의 활용을 위해, 소방검정제도와 화재안전기준 등 소방기술기준을 미국의 UL, FM 및 NFPA 등 제반 기술수준으로 끌어올리는 정책이 필요함 OGC, ISO와 같은 국제표준화 기구에서 2D 및 3D 형태의 실내지도를 모델링하는 표준을 진행 중에 있고, 실내지도를 다양한 분야에서 사용하기 위해서 지도 형식 을 표준화하는 작업이 진행 중임 - OGC의 CityGML은 2D 및 3D 형태로 빌딩, 다리, 시설물, 도로 등과 같은 도시 공간의 객체를 모델링하기 위한 표준으로써 표현하고자 하는 대상 객체의 정 밀도(LoD:Level of Detail)를 여러 단계로 구분하여, 서비스에 맞는 수준의 모델을 활용함 - ISO TC204 표준안에서 제안되는 내용은 기존의 지능형교통정보환경에 각 실내 공간에 대한 실내지도 및 측위참조정보 등을 제공하는 다양한 실내 데이터 서 버에 대한 접근정보와 실내 데이터 등록(Registry) 서버를 연동시키는 구조로 써 제안되고 있음
- 실내지도와 관련하여 IEEE SAMDR(Map Data Representation) 워킹그룹에서는 실내 공간을 포함하여 로봇에서 활용될 수 있는 지도형식을 표준화하기 위한 활동을 진행 중임
를 결성하여, 다양한 관련 기구 및 기관을 연합하여 BIM의 국가적인 적용을 가속화하고 있으며, 현재는 GIS 분야의 국제표준화 컨소시움인 Open Geospatial Consortium(OGC)과 연계하여 BIM표준인 IFC와 OGC표준을 연계 적 용방안을 시험 중임
PPDR이란 공공안전(PP: Public Protection)과 재난구조(DR: Disaster Relief)를 위한 전파통신으로서 광대역 데이터 기반의 기술방식인 LTE, WiMax와 협대역 기반 기술방식으로 TETRA 방식이 제공되고 있음. - LTE 방식은 현재 이동통신 시장에서 광대역 기술의 실질적 표준기술로서 미국 과 호주가 PPDR기술로 선정했으며, 유럽도 LTE를 고려중 - LTE 기술은 영상, 데이터 등 광대역 기능에는 우수한 반면 PPDR에서 요구하는 음성 기능(직접통화, 그룹 통화 등)에는 다소 취약하나, 현재 이를 위한 기술 개발 및 표준화가 진행 중임 - WiMax 방식은 현재 이동통신 시장에서 규모의 경제를 이루지 못하여 상용화에 어려운 상황임 - TETRA 방식은 협대역 기반 기술방식으로 유럽을 중심으로 널리 활용되고 있음 - 현재 ITU-R WP5에서 진행 중인 PPDR관련 표준화는 증강인지 서비스를 위한 요 구를 만족하기 어렵고, 증강인지 서비스를 위해서는 광대역 통신수단이 필요 하지만 인프라가 없는 환경에 대해서는 D2D 수준에 대한 연구가 진행되고 있 으며 다중홉 이동노드에 대해 운용하기는 어려운 수준임 국내·외 지식재산권 출원을 분석한 결과, 기존의 선행특허 및 원천기술은 주로 인프라 기반의 위치 인식이나 실내지도 기반의 경로 안내 분야에 편중되어 있으 며, 인터네트워킹 분야도 인터워킹 절차 및 구조, RF관련 무선 통신 관련 요소 기 술만을 다루고 있는 것으로 파악되었다. 특히, 우리나라는 유럽이나 북미와 비교 하여 Infra-less 보행 항법 관련 분야의 핵심 기술 확보가 미약한 상황으로, 핵심 요소 기술에 대한 원천 기술력 확보 및 관련 IPR 확보가 시급한 상황이다. 또한, 조사, 분석한 선행 기술의 경우 본 과제 고유의 핵심적 개념을 포함하지 않은 부 분적/구체적으로 한정된 요소기술이기 때문에 본 과제에서 도전하고 있는 Infra-less 보행 항법 및 그룹 통신 기술, 감각 융합 SW 프레임워크 기술 분야의 원천기술 확보가 시급하고 중요하다고 판단된다. 이를 종합해 볼 때, 본 과제 수 행을 통해 극한·열악 환경에서 재난대응에 필요한 인공감각 정보를 고속으로 수 집ž생성ž전환ž공유하여 현장대응에 필요한 위험인지, 귀환경로를 제공하는 IoT 기 반 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템의 핵심 원천기술 발굴 및 관련 기술에 대한 지 재권 선점이 가능할 것으로 판단된다.
제2장 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 개발
증가인지 커넥티드 헬멧 시스템 기술은 화재, 폭발 등 극한 상황에서는 전력 및 통신 인프라 사용이 불가한 위험 상황과 갑작스런 건물 붕괴 및 장애물 발생, 가 스 유출, 폭발 등 예측할 수 없는 잠재적 위협으로부터 구조대원을 보호하면서 보 다 빠른 대응과 구조를 위해 민첩성과 대응능력을 향상시켜 주는 기술을 제공하 며, 다음의 기본 기능을 포함한다. o 보행맵 매칭을 통한 경로 보정 및 처리 기술 개발 - 보행항법-보행맵 간 상호 정합을 통한 경로 오류 보정 기술 - 경방관리 시스템의 경방도면 활용 및 연계성 분석 - 보행맵 기반의 이동 경로 생성 및 저장·처리 기술 o 주변 형상인식 기반 경로 보정 기술 개발 - 부가 센서에 의한 경로보정기술 - 경로 정확도 향상을 위한 센서 융합 기술 o 위험감각 정보 처리용 데이터 분석 및 신호탐지 기술 개발 - 다중 센서(온도·가스 등)정보 다변량 분석 및 폭발 위험 추정 기술 - 보행항법 연동형 동료·자기위험 감지, 구조신호 발생 연계 기술 - 위험감각의 사용자 작업환경 친화적 감각 전환·대체 기술 o 이동성 지원 위치 정보 기반 동적 라우팅 기술 개발 - 위치정보를 활용한 멀티홉 이동통신 라우팅 기술 및 연결 제어 기술 - 프로토콜 안정성 및 통신성능 검증을 위한 네트워크 시뮬레이터 o 분산 감각 정보 융합 실행·제어 기술 개발 - 인공감각 정보의 명세·해석 및 연동을 위한 감각 개발 인터페이스 기술 - 증강인지 서비스 요구에 대한 시간 제약적 처리 및 응답 제공 기술 - 장비, 상호 위치, 표현 독립적인 인공감각 정보 교환 기술 o 귀환경로 기반 감각생성 및 감각전환 기술 개발 - 증강인지 서비스의 생성 및 실행 지원 기술 - IoT 장치 자동인식 및 연동 기술o 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기능 통합 및 시험 - 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 기능 통합 및 시험 - 증강인지 커넥티드 헬멧/방화부츠 연구시작품 제작 - 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 규격 제시 - 증강인지 커넥티드 헬멧 간 세부 인터페이스 국내 표준화 o IoT 기반 경량형 구조·안전 장비의 연구시작품 개발 및 성능 목표 측정, 검증 - 구조·안전 장비와 연결하기 위한 통신모듈 연계 개발 - IoT 기반 경량형 구조·안전 장비의 연구시작품 개발 - 구조안전장비(공기호흡기, 방화부츠)연계 시험을 위한 테스트베드 구축 - 테스트베드를 활용한 연구시작품의 성능 목표 측정 및 오류 검증 - 구조·안전 장비의 시험방법(안) 개발
제1절 연구개발 추진체계
o 극한·열악 환경에서도 새로운 인공감각을 생성·활용하여 “귀환경로 및 위험 인지”라는 재난안전 분야의 난제 해결을 위한 산·학·연 연구개발 추진체계 마련 - 기술연구소를 포함하여 제조설비를 보유한 국내 최고의 구조·안전 장비 생산 업체, 구조·안전 제품에 대한 검정전문기관, 센서/통신/플랫폼/데이터 처리 등 IoT 핵심 기술을 보유한 연구소, 보행항법 알고리즘 등 관련 기초 기술 연 구를 위한 대학이 유기적으로 연계된 연구개발 체제를 구성 - 현장 경험이 많은 기업을 중심으로 한 실제적 요구사항과 제약사항을 고려하 여 연구개발 전략 수립과 추진 - 재난안전, 측위, 의료 분야 등 전문가로 구성된 ‘자문위원회’를 운영하여 주기적으로 연구개발 내용을 검토하고, 연구개발 사업의 기본 방향 설정, 기 술 개발 점검, 연구결과물 통합 및 조정 등 기술 개발 사업의 효율적 추진을 위한 ‘운영위원회’를 운영(그림 2-1) 연구개발 추진체계도 o 산·학·연의 유기적 협력에 의해 참여기관이 기보유하고 있는 전문 기술과 현 장 경험을 최대한 활용하여 원천 기술 조기 확보 및 상용화 추진 - 현장 애로기술 및 요구사항에 따라 시스템 적용 환경에 적합한 기술을 우선적 으로 개발하고, 연구개발 결과물의 적용을 주도할 기업과 긴밀히 협조하여 신 뢰성 인증 및 판로 확보, 마케팅 전략 등 사업화 전략 수립을 통한 상용화 지 원 - 개발된 제품의 판매 및 보급을 위한 인증 기준안 마련 및 다양한 도메인 적용 을 위한 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템의 상호운용 인터페이스 표준화 추진 - 과제 종료 후 원천기술을 활용하여 정부/민간 수탁 사업화 연계 과제 추진
제2절 기술개발 추진 일정
당초계획 개발내용 일련 번호 개발 내용 추진 일정(12개월) 달성도 (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 객체간 거리/위치 추정기술 개발 100% - 임펄스 센서 모듈 HW 개발 - 임펄스 센서 모듈 구동 드라이버 개발 - 객체간 거리 측정 기술 2 보행지도 저작도구개발/배포 및 재난대응 활동 인지기술 적용 100% - 관성센서 모듈 HW 개발 - 관성센서 모듈 구동 드라이버 개발 - 발/허리기반 보행항법 적응적 알고리즘 개발 - 보행지도 저작도구 개발 및 지도 배포 3 증강인지 기반 현장지휘소 관제시스템 기술 100% - Sub-GHz 통신 기반 SCBA 사용자 단말기 시스템시작품 - 현장 모니터링 및 상황 제어를 위한 통합 관제 SW4 다채널 LoRa 기반 저전력 장거리 통신 기술 100% - 저전력 LoRa End- device 시작품 개발 - 다채널 LoRa Base station시작품 개발 5 증강인지 SW 프레임워크 신뢰성 보장 기술 100% - 분산 감각정보 및 트랜잭션 무결성 보장 기술 - 헬멧-구조 안전장비, 헬멧-헬멧 간 인공감각 정보 교환 기술 - IFTTT기반 증강인지 엔진 연계 기술 6 시범 서비스 개발 및 감각전환 적용 100% - 인공감각 서비스 정의 및 구현 - 분산 환경 장치 동기화 및 공유서비스 개발 - 구조대원 상태 장비 로깅 및 모니터링 서비스 개발 - 인공감각 상호운영 시험 및 전환 7 제품인증 확보 및 헬멧 간 인터페이스 표준화 100% - 증강인지 커넥티드 헬멧 시스템 HW규격 - 증강인지 커넥티드 헬멧시스템 SW운영규격 - 증강인지 커넥티드 헬멧 간 메시지 규격 및 연동 인터페이스 국내 표준화 - 증강인지 커넥티드 시스템 제품 인증
제3절 당해연도 추진 실적
1. 계획 대비 실적
목 표 세 부 계 획 실 적 목표 달성도 (%) 사 유 1) 객체간 거리/위치 추정 기술 개발 o 임펄스 센서 모듈 HW 개발 o RangeFinder 모듈 제작 § RangeFinder ver 2.1.0 기반 모듈 버전 1 제작 (시작품) § RangeFinder ver 2.3.0 기반 모듈 버전 2 제작 (시작품) 100% o 임펄스 센서 모듈 구동 드라이버 개발 o UWB 칩 제어 및 데이터 입출력 제어 § UWB 신호 송수신을 위한 DW1000 칩 제어 모듈 § UART/USB 기반 데이터 송수신 모듈 o 다수의 임펄스 센서 모듈 간 측위 시스템 및 거리 측정 알고리즘 설계 및 개발 o 측위 시스템 및 거리측정 알고리즘 § 고정할당 슬롯 기반 다수 노드 간상태전이 모델 § 비대칭 이중 메시지 교환 정밀거 리측정 알고리즘 § 하드웨어 특성 및 거리에 따른오 차 보정 알고리즘 § 프로그램: 1건 (인프라리스보행 항법 기반 증강인지 커넥티드헬 멧 시스템의 초광대역 통신기반 측위 프로그램, 관리번호: PG20170750) 등록 § TM: 6건 (ATENA-TM-SMS-017, 018,019,020,021,022) 2)보행지도
저작도구개
발/배표 및
재난대응
활동
인지기술
적용
o 관성센서 모듈 HW 개발 o SMS 모듈 제작 § SMS 모듈 상세설계서 TDP 1건 (ATENA-BD-SMS-002) § SMS 모듈 V1.6 10매 제작(시작품) § SMS 모듈 V1.7 10매 제작(시작품) 100% o 관성센서 모듈 구동 드라이버 개발 o 발기반/허리기반 SMS 모듈의 센서 데이터 추출을 위한 제어프로그램 § SMS 모듈의 제어 명령 및 데이터목 표 세 부 계 획 실 적 목표 달성도 (%) 사 유 포맷 설계 (ATENA-TM-SMS-016)
§ UART 및 BLE 통신 Plug-in 지원 (ATENA-TM-SMS-015) o 발/허리기반 적응적 보행항법 알고리즘 개발 o 발기반 SMS 모듈에 보행항법 탑재 § 관성 센서 데이터 전송과 보행항법 위치 데이터 전송을 별도의 명령으로 지원 § 이동한 ZUPT 구간마다 이동 거리를 계산하여 전송 o 허리기반 보행항법 알고리즘 연구 § 허리에 장착하여 측정한 SMS의 관성 센서 데이터에 기반하여 보폭 추정 모델링 및 최적 보폭 결정 상수 파라미터 선정 § Heading 추정을 위한 각속도 센서 데이터 분석 및 보정 알고리즘 연구 o 보행지도 저작도구 개발 및 지도 배포 o 다중 해상도 지원 지도 저작도구 개 발 및 지도 배포 § 4가지 해상도 지원(PU, BS, QVGA, VGA Type) 저작도구 개발 § 보행지도 지도 배포 기술 개발 – MMS 데이터베이스 연계 기술 개발 3) 증강인지 기반 현장지휘소 관제시스템 기술 o Sub-GHz 통신 기반 SCBA 사용자 단말기 시스템 시작품 o 커넥티드 SW 탑재 가능 개인 단말 시스템 시작품(PASS Unit V2.0) § PASS Unit 펌웨어 개발 § 상태 및 위험 감각정보 생성 표시 기술 개발 o 개인별 상태 및 위치 표시 가능한 현장 지휘소 시작품(Base Station HW V2.0) § 베이스스테이션 HW 시작품 § 통합관리서버(IMS) 기술 개발 § 서버 연동을 위한 Application 개발 100% o 현장 모니터링 및 상황 제어를 위한 통합 관제 SW o 개인별 상태 및 위치 표시 가능한 현장 지휘관제 SW 시작품(Base Station SW V2.0) § 현장 지휘관제 SW 시작품 § 사용자 친화적 UI/UX 기술 개발 § Q-mark: 재난 현장 지휘 시스템 기술 (인증번호: 기술 Q-mark 2017-2021) § 프로그램: 1건 (현장지휘시스템 베이스스테이션 프로그램,
목 표 세 부 계 획 실 적 목표 달성도 (%) 사 유 관리번호: PG20170793) 등록 § TDP: 1건(ATENA-STPR-FCS-001) § TM: 2건 (ATENA-TM-DIOS-024,025)등록 § 4) 다채널 LoRa 기반 저전력 장거리 통신 기술 o 저전력 LoRa End-device 시작품 개발 o LoRa ED ver. 3 HW 및 저전력 RF회로 상세 설계 o CAD 기반 충돌 방지 MAC 프로토콜상 세 설계 및 개발 o LoRa ED-상위 응용 간 SW 인터페이스 설계 및 개발 o LoRa ED v3.1 A/B 시작품 1건 § TM: 4건 (ATENA-TM-PNM-020 외) § 프로그램: 1건 (2300-2017-13839)등록 (2017.12) 예정 § 국내특허: 1건 (출원중,관리번 호: 등록예정) 100% o 다채널 LoRa Base station 시작품 개발 o IPC 기반 다채널 확장 알고리즘 설계 및 개발
o 다채널 LoRa Base station MAC프로토 콜 설계 및 개발 o 최대 16개 채널 동시 수신 통합 시험 및 성능 검증 o 다채널 Base station v1.1 시작품1건 § TM: 3건 (ATENA-TM-DIOS-022 외) § 프로그램: 1건 (2300-2017-13842)등록 (2017.12) 예정 § 국내특허: 1건 (출원중,관리번 호: 등록예정) 5) 증강인지 SW o 분산 감각정보 및 트랜잭션 o DBMS 기반 데이터 및 처리 오류 복구를 위한 트랜잭션 정의 기술 100%
목 표 세 부 계 획 실 적 목표 달성도 (%) 사 유 프레임워크 신뢰성 보장 기술 무결성 보장 기술 § TM: 3건
- ATENA-TM-DIOS-004, DIOS Core Framework API 소개
- ATENA-TM-DIOS-005, DIOS Core Framework 데이터 저장부 개발 계획
- ATENA-TM-DIOS-014, DIOS Core Framework 개발 노트 § 표준: 1건 - 휴대용 재난 구조 장비를 위한 증강인지 커넥티드 시스템 제4부: 서비스 프레임워크 인터페이스, 한국정보통신표준협회(TTA) 12월 제정 예정 o 트랜잭션 실행에 따른 Commit/ Rollback 기술 § TM: 1건 - ATENA-TM-DIOS-006, 증강인지 핵심 프레임워크 API 가이드 § 프로그램: 1건 - 데이터베이스 기반 데이터 저장관리를 제공하는 소방관용 커넥티드 헬멧 프레임워크, 관리번호: PG20170747, 12월 제정 예정 o 헬멧-구조 안전장비, 헬멧-헬멧 간 인공감각 정보 교환 기술 o 표준 명세언어를 사용한 메시지 정의 기술 § TM: 1건 - ATENA-TM-DIOS-006, 증강인지 핵심 프레임워크 API 가이드 o 헬멧 간 서비스 상호운용을 위한 송수신 처리 규격 § 표준: 1건 - 휴대용 재난 구조 장비를 위한 증강인지 커넥티드 시스템 제3부: 장치 간 메시지 프레임 구조, 한국정보통신표준협회(TTA) 12월 제정 예정 o IFTTT기반 증강인지 엔진 연계 기술 o 상황인지를 위한 이상 상태 정의 및 메시지 필터링 기술 § TM: 1건 - ATENA-TM-DIOS-003, 커넥티드 헬멧과 소방전술 (화재) o 이벤트/메소드를 활용한 상황인지
목 표 세 부 계 획 실 적 목표 달성도 (%) 사 유 핸들러 처리 기술 § TM: 3건
- ATENA-TM-DIOS-001: Rule Engine (JBoss Drools)
- ATENA-TM-DIOS-011, Drools Rule Syntax 분석
- ATENA-TM-DIOS-012, Drools Rule Complex Event Processing(CEP) 분석 6) 시범 서비스 개발 및 감각전환 적용 o 인공감각 서비스 정의 및 구현 o 구조대원 감각정보 상호운용서비스 시나리오 설계 § TM: 1건 (ATENA-TM-DIOS-011, 증강인지 상호운영서비스 시나리오) o 위치/거리 데이터 획득을 위한 Slave Board 인터페이스 § TM: 1건 (ATENA-TM-DIOS-010, Master &Slave interface 설계) o 위치 및 거리 공간감각 획득 및 공 유 프로그램 구현 § 프로그램 1건 (위치 및 거리장치 통합 제어 프로그램) 100% o 핵심 프레임워크 연동 응용서비스 데이터 container 설계 구현 § TM: 1건 (ATENA-TM-DIOS-012, 증강인지 응용서비스 데이터 컨테이너 설계) o 핵심 프레임워크 연동 응용서비스 Subscription/Notification 구조 설 계 및 구현 § TM: 1건 (ATENA-TM-DIOS-012, 증강인지 응용서비스 데이터 컨테이너 설계) o 구조대원 상태 및 장비 상태 기록을 위한 로깅 정보 제공 서비스 개발 o 구조대원의 감각서비스 데이터 로깅 을 위한 데이터베이스 설계 및 구현 § 프로그램 1건 (소방관 현장지원을 위한 증강인지서비스 프로그램 - transaction) o 현장 작전정보 전송/통합/가시화를 위한 시스템 설계 및 구현 § TM: 1건 (ATENA-TM-DIOS-008, 증강인지서비스 시스템 GUI설계) § 프로그램 1건 (소방현장 지원 통합관리 서버 프로그램)
