1. 서 론
플랜트 배관의 누설감시 시스템은 배관 누설 유 무의 정확한 판별뿐만 아니라 신속한 보수를 위하 여 배관의 누설 위치를 파악하는 것 또한 중요하 게 여겨지고 있다. 플랜트 배관 누설 사고는 대부 분 고온ž고압의 증기누설 및 오일누설 사고이다.
2004년 8월 일본 미하마 원전 3호기에서 터빈 측 배관파열로 고온ž고압의 증기가 터빈건물 내 부에 분출되어 4명이 숨지고 7명이 다치는 대형 사고가 있었다. 그 후 플랜트 배관에 대한 검사 및 누설감시에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
플랜트 배관은 검사 영역이 매우 방대하여 단 순 육안검사 및 기존의 누설감시 방법을 활용하 기에는 많은 어려움이 따르며 이에 실제 산업현 장에서는 적극적인 감시활동이 이루어지지 않고 있다. 배관 감시 방법의 대표적인 예로 AE (acoustic emission) 센서를 이용한 누설감시 및 누 설 위치 검출 시스템이 있지만 이 시스템은 센서 부착의 어려움이 따르고 가동 중인 플랜트 배관 은 노이즈로 인해 인식률이 떨어진다. 또한 다수 의 배관을 동시에 측정 시 센서의 수가 증가하여 많은 인력 및 비용이 소요된다. 최근 마이크로폰 어레이를 이용한 누설 여부 및 누설 위치 추정에
초 록 플랜트 배관의 누설감시 시스템은 누설 유무 판단뿐만 아니라 누설의 위치를 신속히 파악하는 것
또한 매우 중요하다. 플랜트 배관의 누설 검출 방법에는 주로 AE(acoustic emission)센서, 마이크로폰어레이 그 리고 카메라 영상을 이용한 방법들이 있다. 최근 광역감시 및 원거리감시의 이점이 있는 카메라 영상을 이용 한 방법에 대한 연구가 진행되어 왔다. 하지만 기존 카메라 영상을 이용한 방법들은 누설 유무와 대략적인 누설의 위치를 판단하고 있으나 누설이 시작되는 정확한 위치 추정에 대한 연구는 아직 미흡한 상태이다.
따라서 본 논문에서는 카메라를 이용한 누설 검출 방법을 이용해 누설영역을 산출하고 누설 검출 결과를 분 석하여 누설 위치를 추정하는 방법을 제안하였으며 실험을 통하여 성능을 평가하였다.
주요용어: 카메라, 영상처리, 증기누설, 누설 검출, 누설 위치 추정
Abstract It is important to have a pipeline leak-detection system that determines the presence of a leak and quickly identifies its location. Current leak detection methods use a acoustic emission sensors, microphone arrays, and camera images. Recently, many researchers have been focusing on using cameras for detecting leaks. The advantage of this method is that it can survey a wide area and monitor a pipeline over a long distance. However, conventional methods using camera monitoring are unable to target an exact leak location. In this paper, we propose a method of detecting leak locations using leak-detection results combined with multi-frame analysis. The proposed method is verified by experiment.
Keywords: Camera, Image Processing, Steam Leak, Leak Detection, Leak Location Estimation
[Received: September 13, 2016, Revised: October 18, 2016, Accepted: October 20, 2016] *세안기술(주), **충남대학교 정보통신공학과, ✝Corresponding Author: Department of Information Communications Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea (E-mail: [email protected])
ⓒ 2016, Korean Society for Nondestructive Testing
대한 연구가 이루어 졌으나 일반적으로 실제 플 랜트 현장의 주변 소음 및 반사파 등의 영향으로 인해 어려움이 따른다.
이런 단점들을 해결하기 위해 최근 카메라를 이용한 배관누설 감시 시스템에 대한 연구가 이 루어지고 있다[1,2,3]. 이 방법은 Fig. 1과 같이 간 단한 시스템으로 설치가 용이하며 고온 구조물이 나 고방사능 지역에서 원거리 측정 및 광역감시 가 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만, 기존에 연구된 카메라를 이용한 누설 검출 알고리즘들은 대부분 누설 유무를 판별하고 있으나 누설이 시 작되는 정확한 위치 파악에 대한 연구는 미비한 상태이다.
본 연구에서는 카메라 영상을 이용한 증기누설 검출 시 신속한 조치를 통한 추가사고 예방을 위 해 검출된 누설영역을 분석하여 누설 위치를 추 정하기 위한 방법을 제안하고 실험을 통해 성능 을 검증한다.
2. 누설 위치 추정
2.1. 증기누설의 특징
일반적으로 고온ž고압의 배관에 증기누설이 발 생하면 Fig. 2와 같이 고압에 의해 누설 물질이 압축되어 누설 위치에서는 가늘게 뿜어져 나오고 누설 위치에서 멀어질수록 넓게 확산 된다. 또한 시간이 지나면서 누설 증기의 분포가 대기 중에 서 넓게 퍼지는 특징이 있다. 그리고 누설되는 동
안 누설되는 물질이 동일하면 동일한 색상분포나 일정한 모양으로 누설의 특징이 나타나게 된다.
2.2. 누설 위치 추정 알고리 즘
본 연구에서는 이러한 누설의 특징을 기반으로 카메라를 이용하여 고온ž고압의 누설 영상을 고속 촬영하여 누설 검출 프로세스를 수행하며 일정한 패턴을 갖는 누설 검출 결과를 분석하여 누설 위 치를 추정하게 된다. 누설 위치 추정은 Fig. 3과 Fig. 1 Leak detection monitoring system by using
camera
Fig. 2 Characteristic of leak
Fig. 3 Flowchart of proposed leak location estimation
같은 순서로 진행되며 카메라에서 취득한 영상으 로부터 검출된 누설영역을 분석하여 누설 위치를 추정하는 방법을 제안한다.
2.2.1. 누설영역 윤곽선 추출 및 무게중심 산출
Fig. 4(a)와 같이 카메라에서 받은 누설 영상을 기존의 누설 검출 기법[2]을 이용하게 되면 Fig.
4(b)와 같이 누설영역을 검출할 수 있다. 검출된 누설영역은 이진화를 수행하고 라벨링 한 후 8방 향 윤곽선 추적알고리즘[4]을 이용하여 윤곽선을 추출한다. 그리고 윤곽선의 무게중심을 구하면 Fig. 4(c)와 같은 형태로 나타나게 된다.
8방향 윤곽선 추적 알고리즘은 체인코드(chain code) 기반으로 수행된다. 체인코드는 라벨링된
을 나타낼 수 있다[5].
2.2.2. 최대 및 최소거리 산출
검출된 누설영역 윤곽선의 무게중심을 라 하고 윤곽선 정보 에서 검출된 윤곽선 좌표 가 개라 할 때 번째 좌표를 , 누설영 역 윤곽선 좌표와 무게중심과의 거리를 , 무게 중심으로부터 누설영역까지의 최대거리를 , 최소거리를 이라 하고 최대 및 최소거리를 구하는 함수를 각각 , 이라 하면 식(1)을 이용해 최대 및 최소거리를 산출할 수 있다. 이는 누설 위치 추정을 위한 타원 생성 및 수행 프로세스의 기초 데이터로 사용된다.
(1)
2.2.3. 누설 위치 추정
누설 위치 추정은 누설영역에 대한 윤곽선 검 출 후 윤곽선 영역의 무게중심과 윤곽선과의 최 대 거리를 갖는 좌표를 검색하여 누설 위치로 추 정할 수 있다. 하지만 Fig. 6과 같이 누설영역이 타원 형태에 가깝게 검출되면 추정된 누설 위치 가 실제 누설 위치와 반대방향으로 나타날 수 있 다. 따라서 본 연구에서는 다중 프레임 영상을 이용하여 누설 위치를 추정한다.
연속된 프레임에 대해 연속영상 각각의 누설영 역 윤곽선의 무게중심을 중점으로 타원을 생성한 다. 생성된 타원들 장축 양 꼭짓점들의 좌표집단 을 산출하고 좌표집단간의 거리를 산출하여 비교
(b) (c)
Fig. 4 Leak area and contour detect; (a) original leak image, (b) leak detect image, (c) calculation result of contour and center of gravity
Fig. 5 8-direction chain code
한다. 좌표집단에서 점들 간의 거리가 짧고 밀집 된 지점을 산출하고 산출된 좌표집단의 중심점을 누설 위치로 추정한다.
누설 위치 추정을 위해 먼저 산출된 무게중심 을 기준으로 타원을 생성한다. 앞서 2.2.2에서 구 한 및 을 이용해 축이 장축인 타원은 식(2)를 이용해 생성할 수 있다.
(2)
각 프레임에서 검출된 누설영역의 윤곽선 부분 을 확대하여 무게중심과 지점의 두 좌표를 지나는 직선을 생성하면 Fig. 7과 같이 축을 기 준으로 만큼 기울어져 있는 것을 확인할 수 있다.
앞서 생성된 타원은 이 기울기가 반영되지 않은 상태이므로 정확한 누설 위치 추정을 위해 타원 좌표값을 이 기울기를 반영하여 수정하여야 한다.
수정된 타원 좌표를 ′ ′라 할 때 식(3)을 이용하면 Fig. 8과 같이 실제 누설영역과 일치된 타원을 산출할 수 있다.
′′
cos sinsin cos
(3)
위에서 산출한 각 타원의 좌표들 중 Fig. 8과 같이 타원 장축 두개의 꼭짓점 좌표를 산출한다.
연속 영상에서 꼭짓점 좌표들을 산출하고 상단 꼭짓점 좌표집단과 하단 꼭짓점 좌표집단을 산출 한다. 산출된 좌표집단 내에서 각 꼭짓점 좌표간
의 분포를 비교하여 분포가 밀집된 지점을 누설 위치로 추정한다.
3. 실험 및 결과
제안된 방법을 검증하기 위해 Fig. 9와 같이 누설 실험 장치를 이용하여 실험을 수행하였다.
누설 실험 장치는 최대온도 250˚에서 9기압의 증기를 지름 1 mm의 핀홀을 통해 증기누설 효 과를 낼 수 있는 장치이다. 카메라 이미지 센서 사이즈는 5.86 이고 렌즈는 12 mm 단렌즈를 사용하였다. 카메라 영상은 100프레임, 640×480 의 해상도로 영상을 취득하였으며 취득한 영상을
Fig. 7 Gradient of leakage area
Fig. 8 Leak location estimation through the multi frame analysis
Fig. 6 Error of location estimation at leakage area
이용하여 다양한 누설 검출 및 누설 위치 추정 실험을 수행하였다.
실험은 3 m 거리에서 누설 실험 장치의 압력 을 4기압으로 설정하여 실험하였다. Fig. 10(a)는 실험을 통해 취득한 연속 3프레임 원본 이미지이 고 Fig. 10(b)는 각 프레임에서 산출된 누설영역 에 대한 검출 결과이다.
Fig. 11은 제안된 방법을 이용한 연속 영상에 서의 추정된 누설 위치와 누설 실험 장치의 실제 누설 위치를 보여주고 있는데 19 mm의 오차로 일치하는 것을 보여주고 있다.
수치 산출 근거는 640×480 이미지에서 실제 19 mm의 배관이 차지하는 픽셀 수가 13개 이고 이때, 한 픽셀 당 1.435 mm의 사이즈를 갖는다.
누설 위치 추정 프로그램 상에서는 실제 누설 위치 좌표를 입력 후 추정된 누설 위치와 실제 누설 위치 좌표간의 거리를 산출하여 오류 수치
로 나타내었다.
실제 플랜트 배관에서 누설 발생 시에는 더 높 은 압력으로 누설이 발생하게 된다. 따라서 3 m 거리에서 누설 실험 장치 압력을 9기압으로 설정 하여 실험을 진행하였다.
Fig. 12(a)는 실험을 통해 취득한 연속된 3프레 임 원본 이미지이고 Fig. 12(b)는 각 프레임에서 산출된 누설영역에 대한 결과이며 이전 실험에 비해 높은 압력으로 인하여 연속 3프레임 동안의 누설량이 증가한 것을 보여준다.
Fig. 13은 제안된 방법을 이용한 연속 영상에 서의 추정된 누설 위치와 누설 실험 장치의 실제 누설 위치를 보여주고 있는데 고압의 증기누설임 에도 불구하고 21 mm의 오차로 일치하는 것을 보여주고 있다.
이는 높은 압력으로 인해 순간적인 누설량이 Fig. 9 Experimental equipment setup for steam leak
detection
(a)
(b)
Fig. 10 Leak detection image by using conventional method; (a) original image, (b) leak detect image
Fig. 11 Result of leakage location estimation
(a)
(b)
Fig. 12 Leak detection image by using conventional method; (a) original image, (b) leak detect image
많았지만 고속 촬영을 통해 미세한 누설 변화량 을 검출할 수 있었기 때문이다.
Table 1은 거리 변화에 따라 제안한 방법의 추 정된 누설 위치와 누설 실험 장치의 실제 누설 위치와의 오차를 나타낸 실험 결과이다.
실험은 4기압의 압력으로 12 mm 단렌즈를 사 용하여 100프레임, 640×480의 해상도로 영상을 취득하여 실험을 수행하였다.
Fig. 14의 실험 결과에서 알 수 있듯이 거리가 늘어남에 따라 누설 위치 추정 오차가 증가하는 데 이는 카메라 해상도로 인해 픽셀 사이즈가 증 가하여 누설 검출단계에서 오차가 발생하였기 때 문이다.
Table 2는 압력 변화에 따라 제안한 방법의 추 정된 누설 위치와 누설 실험 장치의 실제 누설 위치와의 오차를 나타낸 실험 결과이다.
실험은 3 m 거리에서 12 mm 단렌즈를 사용하
여 100프레임, 640×480의 해상도로 영상을 취득 하여 실험을 수행하였다.
실험 결과에서 알 수 있듯이 압력 변화에 따른 실험에서는 평균적으로 22 mm의 오차를 보이고 있으며 표준편차 2.999로 위치 추정이 가능함을 보였다.
4. 결 론
본 연구에서는 카메라 영상을 이용한 증기 누 설 측정 방법을 이용해 산출된 누설영역을 분석 하여 누설의 위치를 추정하는 방법을 제안하였다.
카메라를 이용하여 취득한 연속영상을 이용하 여 누설영역을 검출하고 누설영역에 대한 라벨링 수행, 윤곽선 검출 및 타원 분석 등을 통하여 누 설 위치를 안정적으로 추정할 수 있었다.
실험을 통하여 제안한 방법의 성능을 검증하였 Fig. 13 Result of leakage location estimation
Table 1 Results of according to the distance
Distance alteration
Distance (m)
Measurement error (mm)
2 13
3 19
4 25
5 31
6 38
7 44
8 50
9 56
10 64
Fig. 14 Result graph of according to the distance
Table 2 Results of according to the pressure
Pressure alteration
Pressure (bar)
Measurement error (mm)
1 28
2 25
3 19
4 19
5 19
6 20
7 23
8 23
9 24
Mean 22.222
Standard deviation 2.999
방법으로 일반적인 저속촬영에서도 누설 위치 추 정이 가능한 방법에 대한 추가 연구가 필요하며 선행연구된 카메라를 이용한 누설 검출 방법의 성능에 따라 위치 추정 결과가 크게 좌우되므로 보다 효과적으로 누설을 검출할 수 있는 방법에 대한 추가 연구가 진행되어야 한다.
후 기
이 연구는 2016년 산업통상자원부의 제원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수 행한 연구과제입니다(No.20131020102420).
Annual Spring Conference, pp. 136-141 (2011) [3] S. O. Kim, H. S. Jeon, K. S. Son, G. S.
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