Safety Monitoring Sensor for Underground Subsidence Risk Assessment Surrounding Water Pipeline

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2015.24.5.306 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

상수도관로의 주변 지반침하 위험도 평가를 위한 안전감시 센서

곽필재^1,2·박상혁^1,2,+·최창호^1,2·이현동¹

Safety Monitoring Sensor for Underground Subsidence Risk Assessment Surrounding Water Pipeline

Pill-Jae Kwak^1,2, Sang-Hyuk Park^1,2,+, Chang-Ho Choi^1,2, and Hyun-Dong Lee¹

Abstract

IoT(Internet of Things) based underground risk assessment system surrounding water pipeline enables an advanced monitoring and prediction for unexpected underground hazards such as abrupt road-side subsidence and urban sinkholes due to a leak in water pipeline. For the development of successful assessment technology, the PSU(Water Pipeline Safety Unit) which detects the leakage and movement of water pipes. Then, the IoT-based underground risk assessment system surrounding water pipeline will be proposed. The system consists of early detection tools for underground events and cor- respondence services, by analyzing leakage and movement data collected from PSU. These methods must be continuous and reliable, and cover certain block area ranging a few kilometers, for properly applying to regional water supply changes.

Keywords: Water pipeline, Leakage, Risk assessment, Subsidence, Sinkhole, Safety monitoring, Sensor, Underground

1. 서 론

최근 들어 도심지에서 땅이 꺼지는 지반함몰(싱크홀) 사고가 빈번히 발생되고 있다. 일반적인 지질학적 정의에 따르면 싱크 홀은 지표면 근처에 있는 석회암질의 암반이 물에 용해되어 공 동이 발생되어 지표가 함몰 또는 침하되는 현상을 말한다. 이에 반해 최근 서울을 중심으로 발생되고 있는 도심지의 싱크홀은 노후화된 하수관로 등의 파손 등으로 공동이 발생되어 상부의 도로나 지반이 침하되거나, 지하수 유동 등의 변화에 의한 토사 의 유실로 발생되는 것으로 알려져 있다. 서울시의 ‘도로함몰 특 별관리 대책’에 따르면 지난 5년간(2010~2014년) 도로함몰은 해 마다 평균 29%씩 증가하고 있는 추세이다. 연도별로 발생된 사

고를 살펴보면, 2010년 435건, 2011년 573건, 2012년 689건, 2013 년 854건으로 발생 횟수가 증가 추세이며, 특히 2014년도는 7 월까지 576건이 발생된 것으로 나타났다[1]. 서울시의 지반함몰 발생현황을 분석해보면 대부분 상수도관로에서 발생된 누수가 주변의 토사를 유실시키거나, 하수관로의 노후화 또는 이음새 설치불량 등에 의하여 지하수가 관로에 스며들게 되며 이 과정 에서 토사가 지하수와 함께 관로 내부로 유입되어 발생되는 것 으로 알려져 있다. 즉, 도심지에서 발생되는 지반 침하는 지반 굴착, 상하수도 관로의 누수 및 파손 등 복합적인 요인에 의해 발생되고 있으며, 도심지가 노후화됨에 따라 발생빈도와 위험성 은 더욱 증가될 것으로 예상된다.

상수도관로의 경우, 지자체에서는 수량 및 수질의 통합관리를 통해 유지관리를 수행하고 있으나 시설물의 노후화와 관리기술 등의 한계로 지반침하와 같은 사고를 사전에 예방하는 것이 어 려운 실정이다. 따라서 도로 및 지반 침하로 인한 사회적, 경제 적 피해를 최소화하기 위해서는 상수도관로 주변의 다양한 위 험 인자들의 모니터링이 필요한 시점이다[4,5]. 본 논문에서는 상수도관로의 누수 및 지반의 이상 거동을 동시에 탐지할 수 있 는 장치를 이용하여 지반침하와 관련된 정보를 수집하고, 분석 함으로써 상수도관로 주변의 지반 침하 위험도를 평가할 수 있 는 기술을 소개하고자 한다.

1한국건설기술연구원(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)

283, Goyandae-Ro Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea

2UGS 융합연구단(UnderGround Safety Project Convergence Research Program)

218, Gajeng-Ro, Yuseong-Gu, Daejeon, 305-700, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Aug. 28, 2015, Revised: Sep. 17, 2015, Accepted: Sep. 21, 2015)

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2. 상하수도관로 주변의 지반함몰 탐지 기술 동향

도심지 지반함몰은 지하수의 자연적인 현상이 아닌 인위적 수 리구조물인 상수도관로와 하수관로에 의하여 발생되는 경우가 많다[1]. 상수도관로는 노후 또는 충격 등에 의한 변형, 파손 등 에 의하여 누수가 발생될 수 있으며, 누수된 물은 지표면으로 분출될 경우 빠른 복구가 가능하지만 지표면으로 유출되지 않 을 경우 상수도관로의 주변에 매설되어 있는 하수관으로 유입 될 수 있다. 누수된 물은 토사와 함께 지속적으로 하수관로에 유입되어 관로배면에 공동을 발생시킬 수 있으며 지반함몰의 원 인이 될 수 있다.

상하수도관로에 의한 지반의 공동생성 및 지반함몰은 장기간 에 걸쳐 서서히 진행되는 것이 일반적이다. 특히, 지하구조물의 특성에 따른 접근성 한계와 및 탐지기술 부족 등으로 인하여 상 하수도관로의 배면공동을 지반함몰이 발생되기 이전에 찾아내 기란 쉽지 않으며, 상하수도관로 주변의 공동을 탐지하기 위한 목적으로 수행되는 기준화된 조사 방법 조차도 현재까지 전무 한 실정이다. 상수도관로는 누수 및 노후화 정도에 따라 관체 및 주변 지반의 건전도를 간접적으로 평가하여 공동의 위험도 를 추측하고 있으며[2,3], 일반적으로 상수도관로는 훈련된 기능 공이 타음법 등을 통하여 누수를 탐지하고 있는 실정이다.

한편, 하수관로의 경우 과거에는 막힘이나 통수능 등의 기능 적인 측면만이 강조되어 배면공동과 관련한 하수관로의 단차정 도, 파손정도, 균열밀도, 토사유입량 등의 다양한 인자들이 데이 터베이스화 되지 못하였다[4]. 다만 최근에 도심지 지반 함몰 사 고가 증가됨에 환경부에서 하수관로 정밀 조사 매뉴얼(2015)을 제시하였으며, 공동 및 지반 침하의 우려가 되는 구간을 중심으 로 지상에서 실시할 수 있는 GPR 탐사방법과 공내를 대상으로 실시할 수 있는 내시경 조사 방법 등을 제안하고 있다. 기존의 사용성기능성 중심의 상하수관로의 유지관리 프로세스와 더불 어 지반함몰의 위험도를 추정할 수 있는 시스템을 구축하기 위 해서는 현장 기술자들의 경험에 의존되었던 상수도관로의 누수 탐지방법을 체계적으로 정량화하고, 하수관로의 다양한 건전도 항목을 정량적으로 탐색하고 데이터베이스화 할 수 있는 기술 의 개발이 필요한 시점이다.

3. 상수도관로 안전감시 시스템

3.1 상수도관로 안전감시 시스템의 구성

상수도관로 안전관리 시스템은 누수감지 센서와 자이로 센서 가 장착된 감지기와 누수 위치와 및 상수도관로의 위치 변화를 해석할 수 있는 기술을 이용하여 상수도관로의 이상 유무와 공 동 발생을 예측하기 위한 시스템이다. 시스템은 누수와 위치변 위를 동시에 탐지할 수 있는 측정장비(PSU : Water Pipeline Safety

Unit), 통신 장비 및 분석 프로그램으로 구성되어 있다.

상수도관로의 누수와 위치변화를 동시에 탐지할 수 있는 측 정장비(PSU : Water Pipeline Safety Unit)는 센서부와 통신부 로 구성되어 있다. 통신부는 효율적인 통신을 위해 센서부와 분리되어 장치가 설치된 맨홀의 상부에 설치되어 있으며, 센 서부와 케이블로 연결되어 있다. PSU센서부는 외부케이스, 신 호전달부, 센서부 및 센서제어부로 구성되어 있다. 외부케이스 는 스테인리스강으로 되어 있으며, 신호전달부는 스프링, 압전 소자추, 고정틀로 나누어져 있고, 센서부는 압전소자와 자이로 센서 및 가속도센서로 구분되어 있다. 센서제어부는 누수음이 아닌 노이즈를 효과적으로 필터링할 수 있도록 프로그래밍할 수 있다.

Fig. 1. Diagram of leakage and position displacement detection sys- tem in water pipeline.

Table 1. Component of PSU sensor part

구 분 내 용 비 고

외부케이스 스테인리스 IP 67( 방수방진등급)

신호전달부 스프링, 압전소자추,

고정틀 외부신호를

최대치 전달

센서부 압전소자, 자이로센서,

가속도센서 위치변위는 6축 감지

센어제어부 누수음/ 위치변위 감지 노이즈 필터링

센서연결케이블 6P Shield Wire IP 67( 방수방진등급)

Fig. 2. Sensor part of PSU.

3.2 PSU 센서부 성능 시험

PSU 의 압전소자 부분의 성능평가 결과는 Fig. 4와 Fig. 5와

같다. Fig. 4는 고역대통과필터(High pass filter)와 저역대통 과필터(Low pass filter)를 통과한 후의 그래프이며, Fig. 5는 RMS(Root Mean Square)로 변환한 후의 그래프이다. 본 실험 결과 본 장치의 압전소자 부분의 성능은 잘 작동되고 있다고 할 수 있다.

자이로센서와 가속도센서의 작동을 시험한 결과는 Fig. 6과 같다. PSU의 가속도센서와 자이로 센서도 잘 작동되고 있다고 할 수 있다.

3.3 PSU의 알고리즘 개선을 위한 현장 실험

PSU 의 누수 및 위치변위 알고리즘 개선을 위한 현장실험을 수행하였다. 현장 모의실험 결과 실제 누수지점을 의 확인 할 Table 2. Characteristic properties of PSU

구 분 내 용 구 분 내 용

저전력 배터리 수명

2 년이상 자료량 10-20 byte

자료 전송 간격 5 packets 장치 설치 간격 최대 300 m

통신 가능 범위 1 km 정보 수신 신뢰도 95 %

시스템 관리 에러 검출,

배터리 관리 보안 암호화

Topology Star hop

extension 사용자 편이성 유지관리 쉬움

Fig. 3 Algorithm of leakage sound filtering.

Fig. 4. After passing high and low filter.

Fig. 5. After passing RMS to DC converter.

Fig. 6. Gyroscope an accelerometer sensor test.

수 있었다. 지속적인 반복실험을 통하여 센서를 통한 누수 및 위치변위 알고리즘을 개선하여 측정 오차를 줄일 수 있다.

4. 상수도관로 주변 지반침하 위험도 평가 시스템

4.1 지반침하 위험도 평가를 위한 지수선정

상수도관로 주변 지반침하의 위험도는 상수도관로의 건전성, 주변 토양의 특성, 지하수위의 거동, 인근 지역 공사 등 다양 한 인자로서 평가할 수 있다. Table 4는 상수도관로 주변 지 반침하 위험도 평가를 위한 지수이다. 각 지수는 기존 자료를 분석하는 부분과 센서 자료를 취득하여 분석하는 부분으로 되 어 있다.

4.2 지반침하 위험도 평가 시스템 의 구성

상수도관로의 매설년도, 관종, 사고 이력 등 기본 정보와 PSU 의 누수 정보 및 위치 변위 정보 등 많은 정보를 분석하여 상 수도관로 주변의 지반침하 위험도를 평가할 수 있다. Fig .10은 상수도관로의 주변 지반침하 위험도를 평가하는 사례이다.

5. 결 론

본 연구는 상수도관로에서 발생될 수 있는 위험요인을 분석 하여 관로주변의 지반침하 위험도를 평가할 수 있는 기술을 개 발하고자 한다. 기존 상하수도 유지관리 기술의 문제점을 분석 하여 경제적이며 효율적인 기술을 개발하고 IoT((Internet of Things) 과 융합하였다. 본 기술을 적용함으로써 과학적인 상수 도관로의 유지관리가 가능하고, 지반침하를 사전에 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 “사물인터넷(IoT)기반 도시지하매설물 모니터링 및 관리시스템 기술” 개발 과제로 미래창조과학부의 지원으로 수 Fig. 7. Schematic diagram, of pipeline and sensor installation point

Fig. 8. Leakage hole and water leak.

Table 3. Specifications of pipeline

관종 직경 길이 매설깊이 최대수압 누수구멍 크기

닥타일 주철관 100 mm 320 m 2 m 6 kgf/cm

1, 4 mm

Fig. 9. Result of leakage point analysis.

Table 4. Risk assessment index of surrounding water pipeline 내용

매설년수 상수도관 매설 후 경과 기간

관종 상수도관의 종류

관경 상수도관의 관경

매설 지반 상수도관 주변 지반 조건

사고 건수 및 민원 누수, 파손 등 관련 사고와 민원

교통량 주거/상업/도로 등

누수 PSU 에 의한 자료 분석

관로 이상 거동 PSU 에 의한 자료 분석

Fig. 10. Water pipe underground assessment system.

행되었습니다.

REFERENCES

[1] JoongAng Ilbo, 2015.04.07

[2] Greyvenstein, “An experimental investigation into the pres- sure leakage relationship of some pailed water pipes”, 2006.

[3] B. Ahmed, “Causes of cracking of culverts on filled soil and

their performance after repair” Journal of civil Engineering The Institution of Engineers Bangladesh , Vol. CE 30 No. 1, 2002.

[4] Stoianov I., Nachman L., Madden S., Tokmouline T.

(2007), “PIPENET: A wireless sensor network for pipeline monitoring”, Proceedings of the International Symposiu- mon Information Processing in Sensor Networks, pp.264- 273

[5] U.S.EPA (2010), “Control and Mitigation of Drinking

Water Losses in Distribution System(EPA 816-R10-019)”