A Study on the Development of Intelligent Markup Indicator (IMI) Technology for Underground Facilities Management Using IoT

https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.3.129

JIIBC 2017-3-15

IoT를 이용한 지하매설물관리용 지능형표지기(IMI) 기술개발에 관한 연구

A Study on the Development of Intelligent Markup Indicator (IMI) Technology for Underground Facilities Management Using IoT

김태달

Tai-Dal Kim

요 약 과거 지리정보시스템 GIS(Geographic Information System)의 활용영역이 정부와 몇몇 공공분야에 국한돼 있었으나, 최근 모바일, CRM(Customer Relationship Management) 등 다른 영역과 결합하면서 시장이 다양해지고 있다. 21세기 GIS기술의 발전방향은 GIS응용시스템 개발 및 공간정보 서비스를 위한 제반 기술로서 웹 GIS, 3차원 GIS, 모바일 GIS, LBS 등을 들 수 있다.

본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 지하매설물 관련 표지못의 단순 위치파악 기능에서 탈피해서 새로운 개념의 표 지못(지능형 저장 메모리장치를 내장한 표지못)을 개발해서, 현장에서 지하매설물관련 정보 (설치일자, 매설 깊이, 배관 두께, 배관 재질, 관리기관, 시공자, 연락처 등)를 입력하고 DB서버에 저장해서, 필요하면 적시. 적소에서 활용할 수 있 게 한다.

본 연구를 통해 무분별한 굴착기 공사 등으로 야기되는 각종 사고를 미리 방지하고, 최소화 할 수 있으며, 싱크홀 관련 대책 수립을 위한 정보제공 등. 지하매설물관리를 체계적이며, 신뢰성 있는 정보 제공이 가능하도록, 현장에서 편 리하게 정보를 입력할 방안을 제시함으로써, 지하 매설관로 사고를 절대적으로 감소시킬 수 있도록 하는 목적을 두고 연구 개발하였다.

Abstract

In this study, we developed a new concept marking nail (a marking nail with built - in intelligent storage memory device) from the function of simple positioning of a marking nail related to a previously used underground item,, Burial depth, pipe thickness, piping material, management agency, contractor, contact, etc.) and store it in DB server, if necessary.Make it available in the right place.

Through this research, it is possible to prevent and minimize various accidents caused by irregular excavation works, etc., and to provide information for establishing countermeasures related to sink holes. In order to provide systematic and reliable information on underground burial management, it was proposed to input information conveniently in the field, and the purpose was to reduce the incidence of buried underground pipes absolutely.

Key Words :

*

정회원, 청운대학교 컴퓨터학과

접수일자: 2017년 1월 19일, 수정완료: 2017년 5월 2일 게재확정일자: 2017년 6월 9일

Received: 19 January, 2017 / Revised: 2 May, 2017 / Accepted: 9 June, 2017

*

Corresponding Author: [email protected]

Ⅰ. 서 론

21세기 GIS(Geographic Information System) 기술의 발전방향은 GIS 응용시스템 개발 및 공간정보 서비스를 위한 제반 기술로서 웹 GIS, 3차원 GIS, 모바일 GIS, LBS 등을 들 수 있는데, 그 활용분야 측면에서 특히 웹 GIS 기술은 향후 많은 변화를 가져 올 것으로 예견된 다.

인터넷 사용의 급격한 증가는 인터넷 상에서 다양한 형태의 자료와 이를 다룰 수 있는 응용시스템에 대한 수 요를 증가시켰다.

GIS는 특정 업무의 도구뿐 아니라 다양한 수요를 가 지고 있는 사용자가 필요로 하는 정보를 제공해 주는 역 할을 하게 되었다.

본 연구에서는 GIS 정보 입력의 근원지라고 할 수 있 는 지능형 매설관로 표지기(Intelligent Markup Indicator: IMI) 개발의 필요성, 기술적 필요성 ,경제적 중 요성과 필요성, 산업적 중요성과 필요성과 파급효과 및 활용방안에 국한해서 연구를 추진하였다.

국내 표지못 기술조사 분석을 통해 문제점을 돌출하 고, GIS 통합정보관리 측면에서 그 개선방안을 돌출해서 향후 IMI 기술 개발방향과 시범운영방안에 대해 연구하 였다.

Ⅱ. 연구배경

GIS의 활용영역이 정부와 몇몇 공공분야에 국한돼 있 었으나, 최근 모바일, CRM(Customer Relationship Management) 등 다른 영역과 결합하면서 시장이 다양 해지고 있다.

21세기 GIS기술의 발전방향은 GIS응용시스템 개발 및 공간정보 서비스를 위한 제반 기술로서 웹 GIS, 3차원 GIS, 모바일 GIS, LBS 등을 들 수 있다.

기존에 사용하고 있는 지하매설물 관련 표지못과 같 이 단순 위치파악 기능에서 탈피해서 새로운 개념의 표 지못(지능형 저장 메모리장치를 내장한 표지못)을 개발 해서, 지하매설물 관련 각종 사고를 미연에 방지하고, 최 소화 할 수 있으며, 싱크홀 관련 대책 수립을 위한 정보 제공 방법 등에 대해, 본 연구를 통해 지하 매설관로 사 고 증가의 원인 등을 사전에 파악할 수 있도록 하는데 있다.

Ⅲ. 이론적 고찰

본 연구에서는 GIS 정보 입력의 근원지라고 할 수 있 는 IMI 개발의 필요성, 기술적 필요성 ,경제적 중요성과 필요성, 산업적 중요성과 필요성과 파급효과 및 활용방 안에 국한해서 연구를 추진하였다.

1. 지하매설물관리(표지못 중심) 조사 /분석

가. 지하매설물관리(표지못 중심) 현황 1) 적용분야

지하에 매설된 배관의 7대 지하시설물은 그림 1과 같 다.

그림 1. 지하매설배관 종류

Figure 1. Types of Underground Piping

2) 현행 인식표지(관로 표지못)

기존에 표시되는 표지못은 상수도, 하수도, 오수관, 상 수도관, 가스, 전기, 전화 등 지하매설물과 관련된 시설물 에 대해 단순한 위치표시 기능만 부여하고 있어, 그림 2 와 같이 정보 활용 측면에서 최저(하급)수준이며, 설치 된 표지못도 도로 재포장의 경우, 망실 우려가 있다.

그림 2. 지하매설물관련 정보 이용 불가능

Figure 2. Unavailable information on underground materials

3) 지하매설 관로 구분 및 관리기관

지하에 매설된 각종 시설물과 관련된 관리기관은 표 1 과 같다.

표 1. 지하매설물과 관리 주체

Table 1. Underground Substance and Management Subject

구 분 설치 및 관리기관 비 고

상수관로 각급 지방자치 단체

광역상수관로 한국수자원 공사

하수(우수)관로 각급 지방자치 단체 하수(오수)관로 각급 지방자치 단체

가로등전기로 각급 지방자치 단체

BMS전기관로 각급 지방자치 단체

KT통신관로 KT(한국통신)

SK 광케이블 SK텔레콤

LG U+ 광케이블 LG U+

하나로광케블 하나로 통신

경찰통신관로 각 지방 경찰청

지중전기관로 한국전력공사

지역난방관로 각 지역난방공사

도시가스 관로 각 지역도시가스회사

가스관로 한국가스 공사

유류관로 한국 송유관 공사

나. 지하매설물관리를 위한 표지못 이용 동향 지하매설물관리 목적으로 사용되고 있는 현행 표지못 은 단순한 위치 파악 정도로 활용되고 있으며, 그나마 도 로 재포장 시에는 다시 설치하던지 망실되고 있는 것이 현실이다.

1) 지하매설물 사전 정보제공으로 사고방지 필요 2) 싱크홀 관련 대책 수립 필요

3) 지하매설관로 사고의 증가 ○ 굴착 시 장비 사용의 증가

○ 도시 미관을 위한 지중 선로화 추진 ○ 기존 관로표시기의 정보전달 한계성

다. 지하매설물 종합관리시스템(표지못 중심) 현황 지하매설물(전기, 전화, 가스, 상하수도 등)과 관련된 관련부처가 현재까지 GIS를 도입하면서 서로 개별조직 의 목적에만 취중하고 시스템의 특성만 강조하고 국내 시스템 표준화 및 파일과 데이터 공유에 대한 고려는 미

흡했다는 전문가들 지적이 지배적이다. 즉, 시스템 통합 화 체계(하드웨어, 소프트웨어, 통신, 파일 및 DB구축 등) 구축에는 실패했다는 견해가 많다.

최근에 와서 서울시를 중심으로 통합화 작업을 하고 있으나 시스템 인터페이스는 물론이고 실시간 정보처리 및 활용측면에도 쉽지 않은 난제를 갖고 있는 것이 사실 이다. 이에 지금부터라도 지하 매설물관리를 위한 국내 시스템 표준화가 요구된다.

국가 통합GIS시스템을 구축하기 위해서는 무엇보다 데이터의 신뢰성과 최신성이 중요한데, 그 해결방법으로 GIS관련 자료가 1차적으로 현장에서 바로 입력이 가능 하도록 표지못 하나에서 부터 지능화가 필요하며, 변화 하는 웹기술과 모바일 기술을 잘 활용할 수 있어야 할 것 이다. 이러한 취지하에 향후 발전방향을 위한 시스템 체 계도는 아래 그림 3과 같이 접근하도록 유도한다.

그림 3. 공사 지역, 지하매설물관련 정보 제공

Figure 3. Provides information on construc- tion sites and underground facilities

이 개념은 기존 표지못이 위치 정도를 파악하는 소모 품 개념에서 탈피해서 지하매설물에 관한 속성 데이터를 저장하고, 작업자들이 누구나 소지하고 있는 모바일 핸 드폰으로 관련정보를 현장에서 바로 입력하고, 또 검색 및 확인할 수 있게 함으로서, 지금과 같이 컴퓨터가 있는 곳에서 자료를 입력해야 하고, 공사와 관련한 해당지역 의 지하매설물에 대한 사전 파악도 없이 무분별하게 굴 삭기 등으로 작업을 함으로써 야기되는 각종 대형사고 등을 미연에 방지할 수 있을 것이다.

라. 지하매설물관리를 위한 SWOT 분석

기존에 사용되고 있는 표지못에 대한 SWOT 분석은

표 2와 같다.

Strength(장점) 1) 지능형 표지못 기술 국산화

가능

2) GIS 시스템 개발 성숙기 돌 입

3) 국내 GIS 표준화 필요성 인 식

4) 관련부처 간 통합 필요성 대두

Weakness(약점) 1) 관련 부처에 기술 홍보 부족 2) 기존 표지못 사업자 저항 3) 시공을 위한 법, 제도 개선 4) 국가 주도적 추진의 발판필

요

Opportunity(기회) 1) 스마트시티 건설과연관 2) 국내 관련기업 및 기술력

확보

3) 관련 기관들 의지와 지원 4) 관련 분야 전문가 확보

Threat(위험) 1) 국내 경쟁사(GIS분야)의 저

항

2) 국내 경쟁사(표지못)의 저항 3) 법, 제도 개선에 대한 저항 4) 전국 확대 적용에 대한 저항

Table 2. SWOT analysis

2. SWOT분석(표지못 중심)을 통한 향후 전략

가. 시스템 구축 전략(SWOT전략)

IMI가 성공적으로 개발되었다고 판단되면, 정부와 관 련부처는 시범지역을 선정한 후, 효과를 측정하기 위한 타당성검토를 통해, 점차 확대(전국) 적용하고, 향후 해 외 수출까지도 유도한다는 전략이다.

나. 시스템 구축 및 개발 전략

지하매설물관리를 위한 적시 적소에서의 정보이용 체 계는 그림 4와 같다.

그림 4. 지하매설물관리를 위한 정보이용 체계도 Figure 4. Information utilization system for underground facility management

3. IMI 연구/분석

가. 표지못 해결방안 및 대안제시

❍ 정보 전달력 강화

물리적인 정보전달 수단에 ICT기능을 융합하여 정보 저장 능력과 전달 능력을 강화함으로서 표지기 본래 의 기능 수행이 필요하다.

❍ 규칙의 개정을 통한 현실화

새로운 개념의 경쟁력을 갖춘 표지기를 개발, 설치하 고자 하여도 현실에 전혀 영향력이 없는 법규의 장벽 때문에 적용이 불가하므로 규칙 개정을 통한 현실성 부여가 필요하다.

❍ 유비쿼터스 개념 도입

언제, 어디에서든지 원하는 정보에 접근이 가능하도록 수요자 중심의 새로운 개념을 정립하여 실시간 정확 한 정보 전달로 사고를 방지함으로서 국민의 안전을 담보하고 재난 확산을 방지 할 시스템적인 개념 도입 이 필요하다.

나. 기존 표시못과 IMI 비교표

기존 표지못과 지능형 표지기의 세부적인 특성은 표 3 과 표 4와 같다.

표 3. 기존 표지못 특성

Table 3. Conventional marker nail characteristic

구 분 내 용 비 고

재 질 표시판 :황동재질, 매립기둥 : 철재

정보전달 • 관로종류

• 관로방향 시안성 황동재질로 보통 임

내구성 구리, 아연의 합금으로 중상의 내 구성

관리성 관리번호 표시 불가로 관리성 없음

유통가격 약 8,000원대 유통 (몰드비 포함) 시공비 별도

장, 단점

소량주문제작 유리, 정보전달 한계

성, 재 포장 시 기능 상실 재설치

필요

표 4. IMI 특성

Table 4. Intelligent Markup Indicator characteristics

구 분 내 용 비 고

재 질 폴리에틸렌 (Polyethlyene)

정보전달

• 관로종류

• 관로방향 및 분기

• 관리번호, 설치일자

• 매설심도

• 관로재질

• 관로크기(관경)

• 관리처 및 관리기관

• 비상시/사고시 연락처

IOT 사물인터 넷화 가능)

시안성 노란색으로 시안성 우수 내구성 강화 폴리에틸렌으로 내구

성 우수

관리성 한번 설치로 영구성 보장

예상가격 약4,000원대 예상 시공비

별도 장, 단점 다양한 정보전달, 표준화, 대량생

산 가능

4. 지하매설물관리통합 데이터 연동체계 구축 처리방안

가. 지능형 매설관료 표지기(IMI) 개발 1) 응용프로그램 개발 제작

NFC 태그에 내용을 기록하고 기록된 내용을 리딩 시 관로에 대한 정보와 단면도, 평면도 등을 디스플레이하 고 또 다른 태그를 기록하기 위한 준비 동작을 수행하는 응용프로그램을 개발하고 플레이스토어에 탑재해야 한 다.

2) NFC태그 제작

매설관로에 대한 정보를 기록하고 서버의 URL(Uniform Resource Locator: 파일 식별자)을 저장하 기 위한 메모리를 가지며 스마트폰과 통신을 수행하기 위한 안테나를 구비한 NFC태그를 구매하여 내구성과 안 정성을 가질 수 있도록 개발해야 한다.

3) 베이스 제작

표지못 전체를 구성하고 상부 내부에 NFC태그 (Ntag213)를 내장하며, 내장태그 상부에 관로명과 관로 의 방향을 표기하기 위한 플라스틱 사출물을 설계 제작 하고, 제작 후 공기관을 통한 압축, 인장, 전단강도 등의 시험을 실시하여 충분한 내구성이 나오는지를 검증해야 한다.

4) 표지못 개발 제작

관로의 종류와 방향을 인쇄함에 있어 태양의 자외선 으로부터 안정함을 유지하고 오랜 시간이 경과하여도 인 쇄의 상태가 지워 지지 않도록 먹박 인쇄나 스크린 인쇄 를 실시하여 내부에 장착되는 NFC태그를 충분하게 보호 할 수 있는 내구성을 가지도록 개발 제작해야 한다.

5) 충진용 폴리우레탄 개발

일반 에폭시는 태양의 자외선에 의한 황변 현상이 발 생하여 시간의 경과 더불어 누렇게 변색되어 내부에 있 는 표지못의 내용을 인식하기 어려워지는 반면에 폴리우 레탄은 너무 내구성을 가질 수 없을 수 있으니 최적의 폴 리우레탄을 개발하여 사용토록 권장한다.

나. IMI 개발내용 및 개발범위

모바일 핸드폰을 통해 속성자료를 입력하고 스캐닝할 수 있는 시스템 개발 체계도는 아래 그림 5와 같다.

1) IMI 개발 관계도

그림 5. IMI 개발 관계도

Figure 5. IMI Development Relationship

2) 정보입력용 응용프로그램(앱) 개발

○ 스마트폰에서 사용할 수 있는 앱 개발

3) NFC 태그 개발

○ 기존 태그 가공제작 (기존태그의 보완 및 재가공)

은 그림 6과 같다.

그림 6. NFC태그 개발

Figure 6. NFC tag development

○기존 태그의 고도화 작업

기존 NFC 태그는 얇은 폴리에필렌 피막 안에 메모리 와 안테나를 내장하여 생산되는데 실제 사용 용도는 악 천후, 온도변화, 비바람 등에 노출되어 본래 기능을 상실 할 가능성이 큼. 따라서 기존의 NFC 태그를 방수화 내구 성 증대 등을 위해서 표면에 PVC재질의 피막을 형성하 여 원래의 기능을 수행하면서도 악천후에 버틸 수 있도 록 재가 공하여야 한다.

○ NFC 태그의 동작 원리

NFC의 동작 주파수는 13.56MHz이다. 이 주파수에 상 응하는 파장은 22m로 이에 상응하는 반파장 다이폴 안테 나를 얻기 위해서는 11m 길이의 디바이스가 필요함. 그 렇지만, NFC 안테나는 다이폴 안테나가 아닌 단순한 와 이어루프로 이루어져 있다. 이러한 와이어 루프는 인덕 터로 서로 커플링 될 수 있다.

한 인덕터로 부터 또 다른 인덕터 주변을 통과하면, 두 번째 인덕터 안에 유도전류가 생성된다. 이러한 비접촉 식 에너지 전달을 이용하는 것이 그림 7의 NFC의 원리 이다.

그림 7. NFC태그의 동작 원리 Figure 7. How NFC tags work

○ NFC 태그의 구조

NFC 태그의 구조는 그림 8과 같고, 256bytes 메모리 칩을 내장한다.

그림 8. NFC 태그의 구조

Figure 8. Structure of the NFC tag

4) 내구성 재료 개발

○ 내구성 폴리우레탄 개발

태양의 자외선에 의한 황변 현상이 발생하지 않고 악 천후에도 내구성이 유지되는 폴리우레탄을 개발하여야 하며, 폴리우레탄의 특성은 다음과 같다.

● 기계적 강도가 우수

● 태양의 자외선에 강하며 황변현상이 없음

● 인장강도(300-600kg/cm2) 및 인열강도가 매우 우수

● 폭넓은 사용온도(-40도～+90도) : 내한성 –40도 저온 사용가능

● 약품성, 오존성, 화학성, 내유성이 매우 뛰어남

다. GIS 통합관리센터 시스템 구성방안

현장 공사를 하는 시공자로부터 직접 핸드폰으로 속 성정보를 받아서 서버시스템을 통해 통합관리가 가능토 록 그림 9와 같이 구성한다.

그림 9. GIS 통합관리센터 시스템 구성방안

Figure 9. GIS integrated management center system configuration plan

라. IMI 시험 결과

시험 결과는 한국기계전기전자시험연구원에 의뢰해 서 나온 결과(2017,4,21)인 시험성적서 번호: T2017-04710 에 근거한다.

시료명은 지능형매설관리 표지기(SPI), 규격 및 형식 모델(SPI-P), 성적서의 용도는 성능 분석용, 시험 환경측 면에서 아래 그림 10과 같은 조건에서 시험하였다.

그림 10. 시험 환경도

Figure 10. test environment diagram

그리고 시험 항목은 NFC기록 성공률, 일기 성공률, 앱 안정도 측면에서 시행하였으며, 시험 결과는 모두 적합 한 것으로 결과가 나왔다.

마. IMI의 활용방안

현장 공사를 하는 시공자들에게 적시적소에 지하매설 물에 관한정보를 입력할 수도 있고 필요할 때 해당 정보 를 제공할 수 있도록 그림 11과 같은 체계를 유지해서 무 분별한 굴착기 공사 등으로 인한 각종사고를 줄이고, 예 산절감은 물론이고 정보의 신뢰도를 크게 향상 시킬 수 있도록 한다.

바. IMI 사용 방법

지하매설물 공사 현장에서 핸드폰으로 직접 지하매설 물에 관한 속성 정보를 입력하고, 필요시 현장에서 핸드 폰으로 검색도 가능하도록 그림 12와 같이 시스템을 유 지한다.

그림 11. IMI 활용방안 Figure 11. Application of IMI

그림 12. IMI의 사용 방법 Figure 12. How to use the IMI

Ⅳ. 결 론

지하에 어떤 배관이 어디에 묻혀 있는지를 먼저 알아 야 한다. 실질적으로 땅 속에 있는 배관을 알 수 있는 방 법은 묻혀 있는 배관의 위치를 확인하는 것인데, 현재 많 은 관련 사업자가 수 십 년 동안 관리해온 배관의 위치가 정확하지 않아 어려움을 겪고 있다. 향후 IMI 시스템을 이용하면 스마트폰용 앱을 사용해 시공단계부터 정확한 위치정보와 속성정보의 DB를 구축할 수 있고, 이로 인해 서 효율적으로 지하매설물을 관리할 수 있다.

GIS는 무엇보다 지하매설물에 대한 이력정보를 기록

으로 남기는 것이 중요한데, 시공-폐기에 이르는 사이클

과정에서 어떤 관이 가장 적합한 배관인지 또 지하에 어 디에 어떤 것이 매설되어 있는지에 대한 질문에 정부차 원에서 해오던 지하매설물 관리 및 유지보수(maintenance) 체계가 점차 민간으로 전환되고 있는 상황에서, 지능형 매설관료 표지기(Intelligent Markup Indicator: IMI)를 전국단위로 효율적으로 활용함으로서 지하매설물에 대 한 이력관리시스템을 효율적으로 운영할 수 있게 함은 물론이고, 국가적으로도 예산절감을 위한 매우 적절한 방안이라고 판단하게 되어, 본 연구를 통해 적극적으로 추천하고 권장하고자 한다.

References

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Underground Facilities",chawhoo Co., Ltd.

[3] "Underground Urban Substation Monitoring and Management System Technology based on Internet of Things (IoT)", ETRI UGS Convergence System Research Team,

[4] "GIS industry that technology and market evolve", Korea spatial information communication [5] "Development of Intelligent Signage Technology

to Prevent Catastrophic Accidents on Underground Lines", Daejin Technology Information Co., [6] "Test Report (Intelligent Marker (SPI)", Korea

Institute of Machinery &Electric Testing, 2017, 4, 21

저자 소개

김 태 달(정회원)

∙1997년 ∼ 2017년 현재 : 청운대학교 인천캠퍼스 컴퓨터학과 정교수

∙1979년 : 숭실대학교 전자계산학과 (현, 컴퓨터학과)를 졸업

∙1997년 : 숭실대학교 대학원에서 소프트 웨어공학 전공, 석·박사 학위 취득

∙1986년 : 국가기술자격고시 합격, 정보 처리기술사자격취득(전자계산기조직 응용 현, 컴퓨터시스템 응용기술사)

∙1997년 : 정보통신기술 수석공인감리인 자격취득

∙2004년 : 제17회 정보문화의 달, 국가정 보화유공자로 선정, 국무총리상 수상

∙2013년 : 한국기술사회 전국기술사대회, 기술사 대상인 덕 원기술사상 수상

∙2009년 ～ 2013년 : 한국정보통신기술사협회 제8대, 제9대 회장

∙2017년 현재 : 한국정보통신기술사협회 한국SW창의교육센 터 이사장