비정형 스마트센서망을 이용한 토석류 긴급 모니터링시스템 개발 및 시범적용

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1. 서 론

최근 기상이변에 따른 집중호우의 증가는 우 면산 산사태(‘11.07)와 같은 도심지 토석류를 발 생을 야기하였으며, 기상이변의 발생빈도가 높아

질 것으로 예측되어 토석류 발생가능성 및 위험 성이 높아질 것으로 예상된다. 그러나 현재 재난 분야 예·경보기술의 현장적용에는 장기간이 소 요되며, 이와 같은 긴급상황에 대한 모니터링의 한계로 신속한 대피와 같은 대응이 부족한 것이 실정이다.

이에 긴급상황에 대한 실시간 감시 및 모니터 링의 필요성이 대두되게 되었다. 산사태 가운데 우리나라에서 발생빈도가 가장 높은 형태인 토석 류의 발생원인은 사면을 구성하고 있는 지반의 종류(토사사면, 암반사면), 강수량, 사면의 피복 된 식생상태, 경사도 등에 따라 다르며 파괴현상 도 다양하다.

토석류를 감지하기 위하여 위험지역에 대한 지표, 주변 수목, 사방시설물 거동에 대해 실시 간 긴급 모니터링 시스템 요구에 신속하게 대응 할 수 있는 비정형 계측망 구축이 필요하며, 모 니터링 설치와 운영에 관한 간편성, 유동적 변경 및 재활용 등 효율성이 요구된다.

국내 사면관련 계측시스템은 주로 수동 및 육 안관찰에 의한 계측관리가 대부분을 차지하고 있 으며, 주로 인공절취 사면을 중심으로 개발되어 기술개발이 미진한 상태로 초기예측 및 방재가 취약한 실정이다. 따라서 토석류에 대한 위험여 부를 사전에 감지하여 신속한 대응이 가능한 시 스템 구축이 필요하다.

비정형 스마트센서망을 이용한 토석류 긴급 모니터링시스템 개발 및 시범적용

강 경 석｜

㈜평화엔지니어링 전무 [email protected]

박 기 춘｜

㈜평화엔지니어링 과장 [email protected]

최 우 정｜

국립방재연구원 시설연구관 [email protected]

김 진 영｜

국립방재연구원 시설연구사 [email protected]

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2. 스마트센서 설치

스마트센서 시범설치를 위하여 토석류 모니터 링 시범 대상지역 선정, 시범대상지역내 최적 센 서 설치위치 및 방법 선정, 비정형 스마트센서망

태 위험등급조사, 산사태 발생위험도 조사를 수 행하였고, 과거 산사태로 인한 토석류 발생지역 을 조사하였다.

관련 자료 및 현장조사 결과로서 최근에 대규 모의 인적·물적 피해가 발생하였으며, 수도 서 울의 중심에 위치하고 있는 지리적 특성 등을 고 려하여 서울 우면산 내 산사태 위험예상지역이며

그림 1. 산사태 위험등급 구분도 및 산사태발생 위험도

우면산(대성사 지역) 우면산(삼성래미안아파트 앞)

그림 2. 과거 토석류 발생지역 현장조사

우면산(대성사 지역) 우면산(삼성래미안아파트 앞)

그림 3. 시범대상지역 현황

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과거 토석류 피해가 발생한 대성사 지역 및 삼성 래미안 아파트 전면 일원을 시범대상지역으로 선 정하였다.

2.2 시범대상지역내 최적센서 설치위치 및 방법 선정

센서의 종류는 기울기 센서, 기울기 스위치, 지중경사계를 검토하여 산사태 및 토석류 감시를 경제성, 시공성, 유지관리성을 고려하여 기울기 센서(표준형센서, M1)를 선정하였으며, 통합 PCB형태의 센서노드 제작을 통해 현장적용 실 용성 증대 및 편의성을 확보하였다.

통신거리, 토석류 발생 예상지역을 검토하고 대상위치 및 현장 상황에 따라 부착형 및 매립형 센서를 설치하여 대성사에 부착형 2개소, 매립형 7개소를 삼성래미안 아파트에 부착형 2개소, 매 립형 8개소를 설치하였다.

2.3 비정형 스마트센서망 설치

광역화 네트워크망과 네트워크 구성 통신방식 및 양방향 통신 네트워크 선정으로 광역화 적용 및 다양한 노드배치가 가능한 메쉬네트워크를 사 용한 지그비 망통신으로 무선센서망을 구축하였 다.

3. 실시간 토석류 감지모니터링 시스템 파일럿 개발

실시간 토석류 감지 모니터링 시스템 파일럿 개발에서는 실시간 거동분석을 위한 센서모니터 링 기법 개발, 스마트폰을 이용한 실시간 현장모 니터링 영상취득기법 개발, 자동계측을 통한 센 서네트워크 구축, 실시간 웹/모바일 모니터링 및 DB시스템 개발을 수행하였다.

3.1 실시간 거동분석을 위한 센서모니터링 기법 개발

실시간 거동분석을 위한 센서모니터링 기법 개발은 스마트센서노드, 게이트웨이, 모니터링 서버를 구성하여 각 사이트에 적용토록 하였으

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표준형센서(M1)

그림 4. 센서의 선정 및 통합 PCB형태의 센서노드

그림 6. 비정형 스마트센서망의 구축

매립형 부착형

그림 5. 설치위치 및 방법의 선정

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며, 전원공급, 자료 전송 및 통신방법에 따른 운 영방식 시나리오를 구분하였다.

스마트센서부

스마트센서(1축경사계가 탑재된 자료처리보 드)와 Zigbee 근거리 통신모듈, 내장 배터리, 케 이스로 구성되어지며 측정하고자 하는 지점의 지 형이나 외부 구조물에 따라서 매립형과 부착형의 2가지 형태로 제작하였다. 산사태 등의 재해인자 를 감지하여 해당 물리값을 게이트웨이로 전송하 며 Zigbee 근거리 통신을 이용하여 게이트웨이 와 1:1로 연결되며 직접 연결이 원활하지 않을 경 우 센서 노드들 간의 multi-hop 통신을 자동으 로 이루어져 게이트웨이와 통신이 이루어진다.

게이트웨이

통신모듈(CDMA 통신모뎀), 자료 처리 모듈 (데이터로거 또는 넷북), 전원모듈(산업용 축전 지), Zigbee 통신 모듈, 계측함으로 구성되어지 며, 자료처리부는 대상 지점의 자료처리 주기, 통신상황 등에 따라서 데이터로거 형태나 넷북 형태로 구성 가능하고 스마트센서부로 부터 수신 된 자료들을 원시형태 또는 변환하여 정해진 서 버로 전송하는 기능을 수행하고 있다. 시스템을 설치할 현장의 전원과 통신환경에 따라 다양한 경우의 수가 존재한다.

아래 표에서 제시된 게이트웨이 시스템 구성 의사결정 시나리오에 따라 대성사는‘case6’, 래미안은‘case4’로 시스템 구성이 결정되었다.

그림 7. 실시간 토석류 모니터링 시스템 기본 구성

그림 8. 스마트센서부의 구성

그림 9. 게이트웨이의 구성

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모니터링 서버

게이트웨이로부터 전송된 자료를 수신하여 D/B에 저장하고 게이트웨이에서 수신된 자료들 은 최종 서버로 전송되어 웹 모니터링 시스템과 모바일 모니터링 시스템과 연동되어 관련 정보가

표출된다. 자료를 수신할 고정 IP를 가지는 서버 PC와 소켓 프로그램이 필요하다.

3.2 스마트폰을 이용한 실시간 현장모니터링 영상취득기법 개발

실시간 영상취득이 필요한 긴급 현장을 대상 으로 단기간동안 신속하게 설치, 운영할 수 있는 스마트폰을 이용한 실시간 현장 모니터링 영상취 득 시스템을 검토하여 그 적용성을 알아보았다.

스마트폰을 이용한 실시간 현장모니터링 영상취 득기법 개발은 설치대, 넷북, 스마트폰, 배터리, 부속장비로 구성됨으로서 설치가 현장에 1∼2인 이 쉽게 설치가 가능하여 실시간 영상취득이 필 요한 긴급사이트에 신속하게 설치, 운영이 가능 하여 기존 CCTV운영과 차별화하였다.

원격제어 기술 방식을 이용한 영상취득시스템

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표 1. 게이트웨이 시스템 구성 시나리오

구 분 전원 공급 자료 전송 통신 방법 운영 방식

case1 상시전원 넷북 유선망 30초주기, 상시운영 모니터링

case2 상시전원 넷북 무선망 1분주기, 상시운영 모니터링

case3 상시전원 넷북 유.무선 통신불량 현장 재결정

case4 Solar 충전양호 산업용데이터로거 무선망 1분주기, 1주일이상 운영 모니터링 case5 Solar 충전불량 산업용데이터로거 무선 통신불량 통신불가, 자료 저장후 다운로드 방식 case6 Solar 충전불량 산업용데이터로거 무선망 1분주기, 3일운영 모니터링

case7 Solar 충전불량 산업용데이터로거 무선 통신불량 현장 재결정

그림 10. 서버의 구성

그림 11. 원격제어 기술을 활용한 영상취득기법

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을 16호 태풍 산바가 북상하는 시점에 맞춰 래미 안 현장에 설치, 운영하였다. 설치된 시스템은 다음 그림에서 보듯이, 스마트폰과 간단한 설치 대 그리고 넷북과 산업용배터리 등이 포함된 케 이스로 구성된다. 래미안 현장에서 상시전원 사 용이 불가하여 산업용배터리 만으로 전 원이 운용되므로 약 10시간~12시간의 긴급 태풍 모니터링 용도로 시범 운영되 었다. 긴급 모니터링 용도로 제한적으로 활용 가능하지만 1~2인의 인원으로 특 별한 장비없이 손쉽게 설치, 운영할 수 있음을 확인하였다.

3.3 자동계측을 통한 센서네트워크 구축

자동계측을 위한 무선센서 네트워크

구축에서는 게이트웨이, 스마트 센서간 안정화된 네트워크 유지로서, 설치환경이나 기후에 따른 센서통신 주기변경이 가능하여 내구성 연장과 악 조건에서도 센서간 양방향 통신으로 안정적인 통 신이 가능하게 하였다.

그림 12. 현장에 설치 영상취득시스템 모습

그림 13. 실시간 영상확인 모습 (좌-스마트폰, 우-데스크탑)

그림 14. 자동계측을 위한 무선센서 네트워크 구축

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3.4 실시간 웹/모바일 모니터링 및 DB시스템 개발

토석류 감지모니터링 서비스 구축방안을 제시 하고, 웹/모바일 서비스를 개발함으로서 실시간 모니터링 데이터베이스 구축방안을 제시하였다.

웹/모바일 서비스 개발기능으로 웹/모바일 단 말기를 통한 센서위치정보 조회, 센서실시간 모 니터링 상태 정보, 데이터 등록 정보 및 이력정 보 조회가 가능하게 하고, 센서로부터 수신정보 위험수준을 넘길 경우 SMS로 위험신호를 전송 하게 하였다. 또한 관리자 모드의 제공으로 타사 이트에 적용이 가능토록 하여 긴급시 신속히 적 용할 수 있게 하였다.

웹/모바일 단말기를 통한 센서위치정보 조회 위험 모니터링 대상지역으로 선정된 위치정보 를 일반 이미지 배경지도 및 구글의 항공사진 지 도를 이용하여 센서 및 모니터링 장비가 설치된 위치정보 및 주변정보를 확인할 수 있도록 하였 다.

센서의 실시간 모니터링 상태 정보

위험 모니터링 대상지역에 설치된 스마트센서 망을 통하여 실시간으로 센서의 측위정보 또는 변위정보를 주기적으로 모니터링 서버시스템으 로 전송하게 되며, 서버 시스템에 전송된 센서의 정보들을 웹/모바일 기기를 통하여 확인할 수 있 는 서비스를 제공한다.

센서 데이터의 등록정보 및 데이터 이력정 보 조회

위험 대상지역에 설치된 스마트 센서들의 등 록 정보 및 주기적으로 서버로 수신된 센서들의 데이터 이력정보를 확인할 수 있는 기능을 제공 하며, 센서군이 설치된 현장사진의 등록정보를 같이 확인할 수 있다.

토석류 발생 감지모니터링, 산사태 발생경 고 서비스 제공

산사태 발생 위험대상지역 현장으로부터 주기 적인 센서들의 상태정보를 수신하며, 주기적으로 수신되는 실시간 정보데이터들 중에 각 센서들의 마지막 두 개의 데이터 정보를 분석하여 두 데이 터의 변위량이 설정기준값 이상 변동될 시 해당 센서의 상태정보를 위험상태로 간주하여 해당정 보를 미리 등록되어있는 담당자에게 SMS 메시 지를 통해서 전달할 수 있는 서비스를 제공하도 록 한다.

모바일 서비스 보완시스템 구축방안 비정형센서 안전모니터링 시스템에서는 관리 자 로그인을 통해서 위험대상지역을 추가, 편집, 삭제 할 수 있는 기능을 제공하며 대상지역에 설 치된 센서, 게이트웨이 등 현장 설치된 정보 및 위치정보를 설정할 수 있는 기능을 제공하며, 현 장 설치된 장비들의 현장사진 정보들도 등록할 수 있는 기능을 제공토록 하였다.

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그림 15. 실시간 웹/모바일 모니터링 서비스

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4. 현장모니터링 시범적용결과

대성사 일대의 수신된 센서정보는 2012년 9월 7일~24일, 삼성래미안아파트 일대의 수신된 센 서정보는 2012년 9월 14일~24일까지로서 태풍

“산바”내습기간인 2012년 9월 16일~17일까지 전후의 기울기(경사도) 정보를 가지고 있다. 이에 대한 결과로서 스마트센서 기울기 DB의 추출, 센서노드별 기울기 변화량 분석, 시범지역 강우 량 분석 및 풍속에 대한 풍속을 수행함으로서 기 본 통계량을 분석하였으며 계측된 변위값은 0을 기준점으로 변환하여 그래프로 도시하였다.

본 연구에서는 수목에 부착한 부착형 센서는 지면으로부터의 높이, 수목직경을 검토하고, 매

립형 센서는 매립깊이(매립심도)를 조사하였으 며, 시범설치 이전 및 이후 사진을 검토함으로써 그 현황을 검토하였다. 또한 우면산 산사태(2011 년 7월 26일부터 27일)까지의 강우와 풍속을 비 교함으로서 현장조사 결과를 고찰하였다.

본 연구에 활용된 센서는 +0.5°~-0.5°의 기 계오차를 가진 기울기센서로서 그 허용오차를 도 시하였으며, 부착형 센서의 경우에는 바람의 영 향이 탁월하여 태풍“산바”내습시의 시간별 풍 속을, 매립형 센서의 경우는 바람보다는 강우의 영향이 끼치므로 태풍“산바”내습시의 시강우량 을 도시하였다.

이때 활용한 풍속 및 강우 시간 자료는 기상청 의 서울기상관측소 기준자료를 활용하였으며, 하 그림 16. 관리자 기능모드 화면

그림 17. 태풍 내습 전후 사진 및 현황(매립형센서)

구 분 1시간 최대 풍속(㎧) 일강우량(㎜) 우면산 산사태

6.1 301.5 (11.07.26~27)

태풍“산바”

(12.09.16~17) 10.1 85.5 구 분 1시간 최대강우량(㎜) 일강우량(㎜) 우면산 산사태

57.5 301.5 (11.07.26~27)

태풍“산바”

(12.09.16~17) 15.5 85.5

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절기의 토양습윤 상태를 고려하여 수신된 센서정 보가 포함된 2012년 9월 7일부터 24일까지의 풍 속 및 강우자료를 검토하였다.

위의 그림에서 보는바와 같이 태풍“산바”내 습시 일강우량은 85.5㎜로 우면산 산사태시 301.5㎜의 28.4%에 해당하는 것으로 조사되었 으며 최대풍속은 10.1㎧로 우면산 산사태시 6.1

㎧의 1.7배에 해당하는 것으로 조사되었다.

이러한 현장모니터링 정보는 자동계측을 통한

무선센서 네트워크 구축으로 정확하고 객관적인 Data측정이 가능하게 하였으며, 실시간 웹 모니 터링 및 DB시스템 개발로써 웹서비스 및 모바일 서비스로 활용도를 높게 하였으며, 각 센서별 결 과 및 고찰은 다음과 같다.

현장 모니터링 시범적용 결과는 대성사 9/7∼

24, 삼성래미안아파트 9/14∼24에 시범적용한 사항으로 설치시, 태풍내습이후의 재조사로 수행 하였다. 대성사 설치지역은 매립형 센서의 경우

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센서설치위치 센서 설치후 태풍 내습후

부착형 센서케이스 지표로부터 거리 : 100㎝, 수목직경 11㎝, 활엽수

그림 19. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(대성사지역, 부착형센서)

매립형 센서케이스 총길이 64㎝ 중 매립심도 : 27㎝

그림 18. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(대성사지역, 매립형센서) 기

울 기 (도)

강 우 (mm)

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그림 19. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(대성사지역, 부착형센서) (계속)

매립형 센서케이스 총길이 64㎝ 중 매립심도 : 30㎝

부착형 센서케이스 지표로부터 거리 : 90㎝, 수목직경 6㎝, 활엽수

그림 20. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(래미안아파트 전면지역, 매립형센서)

그림 21. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(래미안아파트 전면지역, 부착형센서) 기

울 기 (도)

강 우 (mm)

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재조사시 수목이 없어지고, 센서의 뒤편에 작은 토석이 발생하여 일시적인 변위가 발생하였으며, 부착형 센서는 활엽수 수종상 강풍으로 인한 상 부 흔들림으로 인해 변위가 계측된 것으로 조사 되었다.

삼성래미안 아파트 설치지역은 매립형센서가 사면 상부 수목의 외부충격으로 일시적인 변위가 계측된 것으로 판단된다. 부착형센서는 활엽수 수종으로 강풍에 의한 상부흔들림으로 변위가 계 측되었다.

5. 적용성 검토 및 결론

센서의 시범설치는 대성사 일대 및 삼성래미 안아파트 전면 우면산 지역에 대하여 태풍산바 내습 전에 긴급모니터링시스템을 설치함으로써 운영이 가능하였으나, 운영결과 다음과 같은 몇 가지 문제점이 도출되었다.

태풍산바 내습시 시간당 최대강우량이 약 15.5㎜/hr 정도이며 일강우량은 약 85.5㎜ 정도 로‘11년 우면산 산사태에 비해 강우량이 적어 토석류가 발생하지 않았다. 토석류 미발생에 따 라 설치된 스마트센서들의 변위가 대부분 허용오 차 범위 내에서 발생한 것으로 조사되었다. 이로 인해 설치된 스마트센서의 적용성에 대한 검증절 차가 추가적으로 필요한 것으로 판단된다.

긴급모니터링을 위한 시스템 구성으로 초기에 는 데이터 전송주기 및 운영기간이 짧은 문제점 이 발생하였다. 대부분의 긴급모니터링을 필요로 하는 지역이 상시전원이 공급되지 않는 점을 고 려해볼 때 현재 목표치인 계측값 전송주기 1분, 시스템 운영기간 1주일을 유지하는데 필요한 시 스템 구조적인 개선(배터리 성능 등)이 필요할 것 으로 판단된다.

또한, 토석류 발생시 위험알림 기능에 필요한 구체적인 기준 제시, 매립 및 부착기준, 추가적 인 계측장비 필요, 경제적인 시스템 제작 등이 요구 되는 것으로 검토되었다.

센서의 적용성 검증을 위하여 토석류 발생가 능성이 높은 지역에 대한 지속적인 모니터링 연 구가 계속되어져야 할 것이다. 장기간에 걸쳐 토 석류 발생에 대한 모니터링 데이터가 구축된다면 좀 더 발전된 긴급모니터링 시스템을 구축할 수 있을 것이므로, 스마트센서의 적용성에 대한 검 증이 가능할 것으로 판단된다.

시스템의 구조적인 개선 및 지속적인 IT계열 의 기술개발을 통하여 시스템의 구조적 개선(배 터리 소모량 등)을 개선함으로서 긴급모니터링시 필요한 데이터 전송주기 및 운영기간을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

지속적이고 추가적인 연구를 통하여 장기간의 토석류 발생에 대한 모니터링 데이터가 축적되고 실험적인 연구를 지속적으로 병행함으로써 위험

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그림 21. 태풍 내습 전후 사진 및 센서 변위현황(래미안아파트 전면지역, 부착형센서) (계속) 기

울 기 (도)

강 우 (mm)

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참고문헌

1. 국토해양부 한국건설교통기술평가원(2006), 유비쿼터스 환경의 지능형 시설물모니터링 기술개발.

2. 국토해양부 국토지리정보원(2011), 보도자료“서울·경기북부 산사태 지역의 긴급 공간정보 제작”

3. 국토해양부 한국건설교통기술평가원(2012), 차세대홍수방어기술개발 연구보고서(1) - 홍수조사 선진화 및 모니터링 기술.

4. 김석우(2012), 한국임학회지 논문집, “2011년 집중호우로 인한 산사태 발생특성 분석”