수위조절조

프로젝트 개요

기술개발 과제

침수피해 저감을 위한 우수관로의 계측센서 활용방안

과제 팀명

수위조절조

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2020년 6월 ~ 2020년 12월 (총 6개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2015860041 최연규(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2015860031 정경우

서울시립대학교 토목공학과 2015860035 정우석

서울시립대학교 토목공학과 2015860043 현우철

서울시립대학교 토목공학과 2017860031 임치훈

서론

개발 과제 요약

-침수피해 저감을 위한 우수관거의 계측센서 활용방안 (수위 상승에 따른 실시간 단계별 점등 시스템)

-4차산업혁명 시대에 부합한 하천 수위 정보의 수집과 전달의 효용성

-일상생활에서 누구나 수위의 정도를 파악할 수 있음

개발 과제의 배경

- 최근 기상이변에 따른 도시지역 집중호우의 증가로 인한 서울, 부산, 인천 등 대도시의 도시내수침수로 인한 피해가 급증하고 있다. 이러한 도시내수침수는 주로 초단기 집중호우로 인한 피해가 발생하고 있어, 이에 대한 침수현상을 분석하고 모니터링 하는데 매우 어려운 실정이다.

- 도시내수침수의 원인은 다음과 같이 다양하고 복잡하다. 첫째, 계획 강우를 초과하는 집중호우가 지속적으로 발생하고 국지성 집중호우 양상이 증가하는 등 기후 변화에 따른 강우패턴이 변화하였다. 둘째, 도시개발로 인한 불투수율(면적)의 증가로 지표유출수의 첨두유출시간이 감소하여 단기간 집중유출이 증대됨으로써 내수침수 요인이 증가하였다. 셋째, 기존 우수관거의 통수능 부족과 하수관거의 정비가 미흡하였다. 넷째, 수질관리 중심의 하수도 정책으로 우수관리가 미흡하기 때문이다.

- 도시지역에서 침수피해 저감을 위해 배수 펌프장 및 우수관 개선, 방수문 설치 등 대책을 수립하고 있으나 이와 같은 구조적인 대책만으로는 부족하며, 침수 예·경보, 대피 등 비구조적인 대책이 함께 이루어져야 한다.

- 도시내수침수 감지에 있어 긴급 상황 및 침수 예상지역에 대한 모니터링 기법이나 기준은 미흡한 실정이다. 또한 도시내수침수 현상 및 원인 분석을 위한 수치모형을 현실에 적용하기에는 노후화된 우수관망과 초단기 강우패턴 적용에 대해 정확한 해석결과 도출이 어려움이 있다. 따라서 도시내수침수 감지 모니터링 요구에 신속 대응할 수 있는 센서기반 모니터링 시스템 구축이 필요하다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

ㄱ. IoT 기반 재난 관리

●유비쿼터스 컴퓨팅과 정보통신기술을 기반으로 수자원 및 시설관리를 능동적이고 혁신적으로 통합하여 이수, 치수, 환경 등에 활용하는 것으로, 안전하고 친환경적으로 운영되는 지능형 관리기술을 적용한다.

● CDMA, WiBro 등 BcN 망을 통하여 수집된 수자원·시설물 모니터링 정보를 통합 서버로 전송하면 이를 통합 관제센터에서 데이터를 표출하고 저장하며, 영상감시를 통하여 원격 제어할 수 있도록 설치한다.

● 하천 현장 배수문 시설에는 원격제어용 현장반(RTU)을 통하여 데이터 전송 및 수문제어를 실시하며, 수위계를 통한 제방 내·외측 수위를 측정하며, 열화상CCTV를 통하여 수문 개폐 현황 및 수문 주위의 다양한 상황에 대한 모니터링이 이루어질 수 있도록 설계힌다.

ㄴ. 실시간 수문 모니터링 시스템

● 실시간 수문 모니터링 시스템이란 하천유역내의 강우량, 하천수위, 지하수위, 하수관거유량, 수질등 수문상황을 실시간으로 모니터링함으로써 유역내의 수문자료를 구축함은 물론 지하수위와 하천수위와의 연관성, 하천유량 증가로인한 하수관거로의 우수유입량 등의 분석을 통해 유역 전반에 걸친 물순환체계에 대한 해석과 평가를 내릴 수 있도록 지원하는 시스템이다.

● 주요 지점에 수문 모니터링 장비를 설치하고, 통신 모듈을 통해 현장에서 서버로 모니터링 자료를 실시간으로 전송하고, 전송된 자료를 웹상에서 보여줌으로써 유역관리자의 의사결정지원 자료로 활용할 뿐만 아니라 일반인들에게 거주지역에 하천에 대한 정보를 제공할 수 있게 된다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

시장성 분석

국내외 여러 곳에서 하수관로 수위 모니터링을 통해 침수를 방지하고 있고 월류량 감소, 유지관리비 절감 등 많은 성과를 얻었다. 현재 부족한 점으로 평가되는 배터리 문제나 네트워크 오류 등을 개선해 나간다면 경쟁력 있는 제품을 기대해 볼 수 있다.

ㄱ. 미국 South Bend의 CSOnet

Wireless Sensor Actuator Network를 기반으로 실시간으로 하수도 내 수위를 측정하고 데이터를 클라우드로 전송한다. 중앙 컴퓨터를 통해 강우 시 계획오수량 산정을 통한 벨브 제어 및 실시간 모니터링으로 하수관을 감시 및 관리한다. 2008년부터 2015년까지 CSOnet을 적용한 South Bend 지역의 월류량이 기존에 비해 약 70% 감소했다.

ㄴ. 부산광역시 하수도 통합관리시스템

하수관로 및 차집시설 모니터링과 원격 수문제어를 목적으로 한다. 하수관로 및 차집시설 모니터링, 하수관망 관리, 펌프장 관리 시스템으로 구성된다. 2014년부터 2017년까지 하수량 조절에 따른 펌프장,처리시설 유지관리비인 전력, 수선비 등을 절감했다.

사회성 분석

ㄱ. 조사장비의 기술 향상 필요성 증대

- 선진국에 비해 낙후된 하수도 조사 및 유지관리 분야 기술개발을 통한 격차를 해소해야 한다.

- 하수도조사 분야에 네트워크 관리시스템 등의 운용 확산추세임에 반해서, 정작 해당 시스템에 필요한 데이터를 취득하고, 송신하는 연동 센서 등의 개발은 저조한 상황이다.

- 보다 많은 지점에서 다양한 항목에 대한 조사를 바탕으로 하수관로 관련 빅데이터를 구축해야 향후 효과적인 유지관리가 가능하다.

ㄴ. 관련 지침 및 매뉴얼 강화에 따른 대응 기술

- 17년 이후 하수도조사 고도화를 위한 ‘하수도 조사 표준 매뉴얼’의 보급 및 해당 지침에 언급된 주요 계측 기능(맨홀관저고 측정, GPS 측정 의무 등)을 부여하는 단말기 수요 급증이 예측된다.

- 산업적인 측면에서 선진국과의 격차를 줄이기 위해서는 현재 유관기관에서 17년부터 적용중인 센서 연동 네트워크 시스템 등이 단순 뷰어 수준이 아닌, 고도화된 관리시스템으로 상향될 수 있도록 관련 연구 및 개발이 지속적으로 적용되어야 하며, 네트워크 시스템이 점차 고도화되어야만 이에 연동되는 현장 단말기 및 관련 장비 등도 동반 개발이 가능하다.

ㄷ. 일상생활에서 수위 예측의 필요성

현재는 도시침수가 일어나기 전까지 시민들이 정확하게 수위를 파악하지 못하고 예보나 경보에 의존할 수밖에 없는 실정이다. 또한, 서초구와 같은 몇몇 지역에서는 실시간 수해방지 모니터링 시스템과 같은 홈페이지를 통해 누구나 정보를 접할 수 있게 하였으나, 인터넷과 가까이하지 않는 사람들에게는 무용지물이나 다름이 없다. 따라서 본 과제는 누구나 일상생활에서 수위의 정도를 예측할 수 있는 데 중점을 두었다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

- 자동제어시스템의 정상가동 여부를 담당자(시군구 소속의 담당 공무원)에게 전달함으로서 재난 발생 시 신속한 대응체계를 구축가능

- 4차산업혁명 시대에 부합한 하천 수위 정보의 수집과 전달은 물론, 계측 정보의 저장, 가공 및 분석을 통하여 재난발생을 예측하는 빅데이터 기술 체계를 재난관리에 접목한 스마트 하천관 리를 완성

- 수문관리 착오로 인한 인명과 재산 피해를 최소화하는 등 재난 안전 서비스 제고를 위한 수문관리 성능을 개선

- 이를 기반으로 향후 강우에 따른 우수관(빗물받이) 수위 및 지표 침수심의 변화 양상을 분석하여 관계를 도출해 낸다면 예측 강우를 활용하여 침수가 어떻게 발생하게 될지 예측할 수 있을 것으로 기대됨

- 지속적인 계측센서 운영을 통해 다년간 많은 자료가 누적되어 딥러닝, 머신러닝과 같은 빅데이터 기술을 이용한 강우-도시침수 예측 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

- 수문 내외 수위의 높고 낮음을 자동 감지하여 수문이 자동으로 개폐되므로 안전성 확보

- 해당 정보를 관리 담당자에게 경보함으로써 관리자가 사전에 재난 발생가능성을 인지함으로써 신속한 재난대응을 가능케 함

- 담당 공무원의 업무부담을 경감하여 성과 극대화를 위한 행정혁신과 지식경영 체계를 강화함

- 강우에 따른 침수심 공간적 분포의 데이터베이스화로 침수 예측 및 예보 산업의 기반을 조성 가능

- 향후, 지역별 도시침수 경보기준이 구축되고 정확도가 개선될 경우 지자체의 도시침수 대응능력 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대

- 대응 체계에 대한 일관성 확보로 인한 측면에서 산업적으로 비용의 절감 기대

- 도시 내수침수에 취약한 지하공간의 대응시스템에 기초자료를 제공 가능

- 도시 지역 내 강우 및 침수 예측 모델의 검증에 이용될 수 있는 계측기 산업에 대한 활성화

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

1. 접촉식 수위센서

- 접촉식 수위센서는 니켈 같은 도체로 구성된 금속판이 절연체에 띄엄띄엄 떨어져 있다. 이를 개방된 회로라고 하고, 전류가 흐르지 않는다.

- 액체가 접촉하게 되면 띄어져 있는 도체가 연결되기 때문에 저항값이 무한대인 개방된 회로보다 저항값이 줄어들고 전류가 흐를 수 있게 된다.

- 물에 접촉하는 표면적이 많을수록 출력 저항값이 적어지고 센서를 세워서 연결했을 때 센서의 저항값은 액체 높이에 반비례하고 저항값에 따른 수위를 파악한다.

2. 태양광 패널

- 침수센서의 운영을 위해 전력은 가장 중요한 요소이다. 도심지에 설치한다면 가로등이나 CCTV 전력을 활용한다.

- 위치상 전력사용이 어려운 곳은 태양광발전을 통해 배터리를 충전하는 방식으로 전력을 공급한다.

3. 신호기

- 현재는 도시침수가 일어나기 전까지 시민들이 정확하게 수위를 파악하지 못하고 예보나 경보에 의존할 수밖에 없는 실정이다.

- 신호기를 이용하면 실시간 수위를 시각적으로 보여줄 수 있다. 이를 통해 시민들이 미리 침수에 대비할 수 있고 통제가 쉬워진다.

원리 및 시뮬레이션

원리

- 접촉식 수위센서는 니켈 같은 도체로 구성된 금속판이 절연체에 띄엄띄엄 떨어져 있다. 이를 개방된 회로라고 하고, 전류가 흐르지 않는다.

- 액체가 접촉하게 되면 띄어져 있는 도체가 연결되기 때문에 저항값이 무한대인 개방된 회로보다 저항값이 줄어들고 전류가 흐를 수 있게 된다.

- 물에 접촉하는 표면적이 많을수록 출력 저항값이 적어지고 센서를 세워서 연결했을 때 센서의 저항값은 액체 높이에 반비례하고 저항값에 따른 수위를 파악한다.

시뮬레이션 : 아두이노 센서 작동 시뮬레이션 (수위 측정 -> 신호기에 데이터 전송 -> 데이터 수신 -> 점등 및 경보)

상세설계 내용

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

- 아두이노 센서를 활성화 시키기 위해 Java와 C를 기반으로 개발된 IDE(Intergrated Development Environment, 아두이노용 코드변환 프로그램)를 이용한다.

- 이를 이용하여 원하는 동작을 하도록 코딩을 하고 이것을 보드에 업로드 하면 아두이노가 작동한다. (아두이노 업로드는 플래시 메모리에 써지므로 다음부터는 전원만 인가하면 동작한다.)

- 입력된 코드를 통해 아두이노가 작동하면 그에 맞게 신호기와 부저가 작동한다.

- 아래 그림은 직접 코딩한 내용의 일부분이다.

　　　　　　　　　　　　　　　<IDE 프로그램 코딩 일부>

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

기대효과

1. 수위의 변동에 따라 다른 색상의 점등을 통해 누구나 수위를 예측할 수 있음

2. 보행자 및 운전자의 시야에 들어오기에 충분함

(1,2) → 기존의 예보 및 경보에 의존할 수 밖에 없는 시스템 극복

3. 태양광 패널을 이용하여 전력을 생산함으로써 실시간 점등에 필요한 전력을 공급

4. 기존의 CCTV나 가로등에서 전력을 끌어오는 것을 극복 가능 (3,4) → 경제성 향상

5. 수위 센서를 활용하여 실시간으로 수위 정보를 제공함으로써 CCTV 정보에 의존하는 공무원의 근로여건 향상

개선사항

1. 본 과업에서는 접촉식 수위센서를 사용 하였음. 접촉식 수위센서는 습기에 민감하여 보다 정확한 데이터를 얻는데 어려움이 있음

2. 접촉식 수위센서는 물에 접촉할 수 있는 부위의 수위만 측정할 수 있음

(1,2) → 현재 도입중인 비접촉식 수위센서를 사용하면 보다 정확한 데이터 수집 가능

3. 태양광 패널 설치로 초기비용 우려

4. 비접촉식 수위센서의 도입으로 초기비용 우려

(3,4) → 향후 에너지 효율이 좋은 태양광 등 신재생 에너지를 이용하고 비접촉식 수위센서의 도입을 통해, 접촉식 수위센서의 사용으로 발생하는 빈번한 유지관리를 방지하여 장기적인 경제성 향상 기대 가능