사물인터넷(IoT) 기반 도시 지하매설물 모니터링 및 관리시스템 기술

IoT based Urban Underground Utility Monitoring and Management System

Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 30, No. 5, Oct 2015, pp. 28-38

전종암 (Jun J.A.) UGS융합시스템연구팀 책임연구원
이재흠 (Lee J.H.) UGS융합시스템연구팀 팀장
신철호 (Chin C.H.) UGS무선통신연구팀 팀장
최창호 (Choi C.H.) UGS지중관로안전감시연구팀 팀장
이성진 (Lee S.J.) UGS도시철도지반연구팀 팀장
염병우 (Yum B.W.) UGS지하수지질환경감시연구팀 팀장
이인환 (Lee I.H.) UGS융합연구단 단장

* 본 연구는 미래창조과학부 및 국가과학기술연구회의 융합연구사업의 일환으로 수행하였음[융합연구단-14-2-ETRI, 사물인터넷(IoT) 기반 도시 지하매설물 모니터링 및 관리시스템 기술 개발].

Abstract

최근 빈번히 발생하고 있는 도심지 내 지반침하의 주된 원인은 지하공간의 난개발, 상하수도 시설의 노후화, 이로 인한 급격한 지하 수위의 변화에 기인한다고 알려져 있으며 이에 대한 실시간 모니터링 및 종합적인 상관성 분석을 통한 사고예방이 시급한 실정이다. 지하공간의 특수성으로 인해 광역 지하공간 정보를 실시간으로 수집하여 모니터링할 수 있는 기술이 부재한 점과 이로 인한 지하공간의 위험도 분석과 과학적 재난대응 시스템 구축에 어려움이 존재한다. 본고에서는 도시 지하공간 내 지하매설물(상하수도)의 상태와 지하공간상황(도시철도구조물, 지하수, 지반변형)을 실시간으로 모니터링하기 위한 도메인별 기술개발 동향에 대해서 정리하고, 수집된 정보의 종합적 분석을 통한 지하공간의 이상 징후를 사전감지, 예측, 대응하기 위해 도전하고 있는 기술적 이슈들을 살펴보고자 한다.

Ⅰ. 서론

도심지에서 발생하는 지반침하는 지하공간의 난개발, 상하수도 누수 및 급격한 지하 수위의 변화 등 복합적인 요인에 의해 발생하고 있으며, 향후 도심지 노후화에 따라 발생 빈도 및 위험성이 더욱 증가할 것으로 예상된다. 현재 지자체를 중심으로 시설물 유지 관리가 수행되고 있으나, 상하수도의 경우 관망의 노후화와 기술의 한계로 인해 정밀한 관리가 미흡한 실정이다.

전국 상수도관의 20%인 35,800km가 20년이 넘은 노후관이며, 대형밸브, 공기밸브, 신축관 작동상태 조사 및 관리소홀 등으로 인해 연 8억톤의 누수가 발생하고 있다. 또한, 전국 하수관의 33.9%는 내구연한이 초과되었으며, 전국 하수관 123,311km 중 41,820km가 20년 이상 노후화된 하수관이며, 특히 서울은 총 10,487km 중 70% 이상의 하수관이 노후화된 상태이다[1].

2008년부터 도로가 함몰된 적이 있거나 추가 함몰이 우려되는 구간이 197곳이며, 이 중 약 60%에 해당하는 지점이 지하철 노선 위에서 발생하고 있다는 조사 결과가 발표되어 지하철 주변 지반에 대한 관리가 요구되고 있다[2]. 2013년 서울시 전체에서 연간 방출된 지하수 총량은 17.9만톤/일, 6,519만톤/연이며, 서울 시내 각 지하철 역사별 지하수 방출 총량은 12만톤/일, 4,376만톤/년으로 지하철에서의 지하수 유출량이 전체의 약 67%로 이러한 지하수위 변화는 도심지 지반의 안정성 평가를 위해 고려해야 할 중요한 요소이다[3].

최근 다양한 분야에서 사물인터넷 기술이 활용되고 있으나 지하공간에서는 실시간 모니터링을 위한 센서와 사물인터넷, 조사 로봇, 재난재해 분석과 예측 등 첨단기술의 융합 활용이 미흡한 실정이다. 이러한 현상의 이면에는 지하공간의 특수성으로 인해 광역 지하공간 정보를 실시간으로 수집하여 모니터링할 수 있는 사물인터넷 기술이 부재한 점과 실시간 데이터 분석과 예측에 기반을 둔 과학적 재난대응 시스템을 구축하지 못한 점, 그리고 기존 재난관리 정보 시스템이 부처별로 상이하여 체계적이고 통합적인 재난관리에 어려운 점 등이 주된 이유로 알려져 있다.

사물인터넷(Internet of Things: IoT) 기반 도시 지하매설물 모니터링 및 관리시스템은 (그림 1)과 같이 지하공간의 상하수관로, 도시철도 구조물 및 주변환경, 지하수 및 지질환경 변화 등의 복합감시(상시감시, 확인감시, 광역감시)를 통해 수집한 지하공간 빅데이터를 분석하여 지하공간 상황을 조기에 감지, 예측, 대응하는 서비스를 제공한다. 본고에서는 도시 지하공간 내 지하매설물(상하수도)의 상태와 지하공간상황(도시철도구조물, 지하수, 지반변형)을 실시간으로 모니터링하기 위한 도메인별 기술개발 동향에 대해 정리하고, 수집된 정보의 종합적 분석을 통해 지하공간의 이상 징후를 사전감지, 예측 및 대응하는 기술적 이슈들을 살펴보고자 한다.

(그림 1)

사물인터넷(IoT) 기반 도시 지하매설물 모니터링 및 관리시스템

II. 상/하수관로 감시기술

국내에서 발생하고 있는 지반침하 발생현황을 분석해보면 많은 부분이 상수관로에서 발생한 누수가 주변 토사를 유실시키거나 하수관로의 노후화 및 이음새 설치불량에 의해 지하수가 스며들고 이 과정에서 토사가 관로 내부로 유실되어 발생하는 것으로 알려져 있다[4].

도심지 지반침하 분석을 위해서는 상하수관로의 기능성 및 구조물 건전도 감시 기술개발이 필요하여서 도심지 상하수관로 주변에서 발생하는 지반침하를 사전에 예측하기 위한 센서, 관로 내부에서 관로구조물 건전도를 확인할 수 있는 장치 및 이미지 센싱 기술, 관로 외측에 형성된 공동을 감지하는 기술에 초점을 맞추어 연구가 진행되고 있다. 도심지 지반침하의 종합적인 분석을 위해서는 도심지에 설치된 상하수관로의 누수 및 건전도 등을 사물인터넷 기반으로 실시간 모니터링하여 지하매설관 주변의 지반침하 발생 위험도를 분석하는 시스템 개발이 필요하다.

상하수관로에 의한 지반 공동생성 및 지반침하는 장기간에 거쳐 서서히 진행되는 것이 일반적이다. 그런데도 지하구조물의 특성에 따른 접근의 어려움 및 전문인력의 부족으로 상하수관로의 배면공동을 지반침하가 발생하기 이전에 찾아내기는 어려운 실정이다. 상하수도관로 주변의 공동을 탐지하기 위한 목적으로 수행하는 기준화된 기존 조사 방법은 없었으며, 상수도관로의 경우 누수 및 노후화 정도에 따라 관체 및 주변 지반의 건전도를 간접적으로 평가하여 공동의 위험도를 추측하는 정도가 현재의 탐지방식이다. 하수관로의 경우 최근 이슈가 되었던 도심지 지반침하 사고의 증가에 따라 2015년 환경부에서 제시한 하수관로 정밀 조사 매뉴얼에서는 공동 및 지반 침하의 우려가 있는 구간을 대상으로 지표에서 실시하는 Ground Penetrating Radar(GPR) 탐사와 관로 내를 대상으로 내시경 조사 등의 조사 방법들이 제시되고 있다[5].

지표로 유출되지 않는 상수도관로의 누수는 훈련된 기능공이 타음법으로 찾아내고 있으며, 하수관로의 경우 막힘이나 통수능 등의 기능적인 측면이 우선 강조되어 배면공동의 발생확률을 추정하기 위한 단차정도, 파손정도, 균열밀도, 토사유입량 등의 다양한 인자들에 대한 조사분석이 미진한 상태이다. 기존의 사용성, 기능성 중심의 상하수관로의 유지관리 프로세스에 더하여 지반침하의 위험도를 추정할 수 있는 시스템을 구축하기 위해서는 경험에 의존하던 상수도관로 누수감지방법을 기계화 및 정량화하고, 하수관로의 다양한 건전도 항목을 기계적, 수치적으로 데이터베이스화할 수 있는 기술에 초점을 맞춘 연구개발이 필요하다.

<표 1>은 지반침하 위험도를 추정하기 위한 상하수관로의 건전도 평가기술 및 구성 요소를 보여준다. 상하수관로 감시기술은 크게 세 개의 세부 시스템이며, 각각 상수도관로 지반위험도 평가 시스템, 하수관로 내부 건전도 분석을 위한 이미지 센싱 시스템, 하수관로 배면 공동 분석 시스템으로 구성되어 있다.

상하수관로 감시기술을 구성하고 있는 3개의 시스템은 도심지 지반침하를 야기시키는 물리적 환경을 센싱하는 장치개발을 필요로 한다. (그림 2)는 상하수관로 감시기술의 일환으로 개발되는 유형적인 장치의 특징과 규격을 보여준다. 다음은 3개 시스템의 주요 특징을 설명한다.

<표 1>

상하수관로 건전도 평가기술

(그림 2)

상하수관로 감시기술

1. 상수도관로 지반위험도 평가 시스템

상수도관로는 지자체를 중심으로 통합관리를 통해 유지관리하고 있으나, 시설물의 노후화와 관리기술의 한계로 지반침하 사고의 사전 예방이 어려운 실정이다. 이에 도로 및 지반침하로 인해 많은 사회적, 경제적 피해를 예방하기 위한 상수도관로 주변의 다양한 위험 인자에 대한 모니터링이 필요하다. 최근 국내에서 누수감지 정확도가 90% 이상이고, 이동변위 10cm 이상인 경우를 감지할 수 있는 상수도관로 누수 및 위치변위 탐지 장치를 개발하고 있으며, 이를 이용하여 누수 및 관로의 위치 변화를 해석하고 상수도관로의 이상 유무와 관로 주변 지반의 안정성을 예측하기 위한 시스템 개발이 추진되고 있다.

2. 하수관로 내부 건전도 분석 시스템

하수관로의 경우 상수도관로와 다르게 광역시 단위의 통합시스템이 요구되지 않아, 상대적으로 유지관리와 보수 보강에 큰 관심을 두지 않았다. 지반침하를 일으키는 발생 빈도 측면에서 하수관이 지하 매설물 중에서 가장 큰 요인으로 알려져 있으며, 급속한 산업화의 산물로 20년 이상의 노후하수관의 비율이 증가하면서 하수관로의 건전도를 평가하기 위한 기술 및 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 최근 국내에서 200만 화소 이상의 고해상도 정적 이미지를 촬영하는 시스템 및 관로 내 위치인식 장치를 개발하여 이미지 촬영시간 및 장치의 위치를 동기화할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 또한, 측정된 위치정보와 이미지 정보를 이미지 프로세싱하여 결합하고 다수의 정적이미지를 하나의 프로파일 이미지로 변환하여 DB에 저장하여, 이를 통해 하수관로의 손상, 연결부 단차, 접속부 주변의 수밀성 등을 분석하고, 하수관로 주변 지반에 발생할 수 있는 공동을 파악할 수 있는 시스템 개발이 추진되고 있다.

3. 하수관로 배면 공동 분석 시스템

하수관로 배면 공동 분석 시스템은 하수관로 내부에서 공동과 최대한 접근하여 조사를 수행함으로써 탐지의 신뢰성을 높이기 위한 기술로, 최적의 조사 방법을 선정하고 다양한 조사 조건에 따른 복합 조사 및 분석 기법으로 구성된다. 시스템의 성능 목표는 하수관 배면 1m 이내의 구간에서 탐지 신뢰성 80% 이상을 확보하는 데 있으며, 관내 조사가 용이하도록 관경 600mm 이하의 공간에서 활용이 가능한 탐지장치의 소형화, 경량화 기술개발이 추진되고 있다. 획득된 공동의 유무 및 규모에 대한 정보는 하수관로 배면 거동 예측 시스템을 통해 지반침하 위험도를 평가하게 된다.

III. 도시철도 지하구조물 감시기술

도심지 지하공간의 개발이 가속화되면서 기존 지하구조물과 주변 지하공간의 안전성 평가에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 최근 도심지 지하철 주변의 지반침하가 빈번하게 발생하면서 이에 대한 근본적인 원인 분석과 대책 마련의 필요성이 증대되고 있다. 도심지 지하공간에 발생할 수 있는 공동과 주변 굴착 등으로 야기될 수 있는 도시철도 지하구조물의 모니터링 기술과 주변 지반의 침하, 변형, 함몰, 공동 발생에 대한 위험도 예측, 평가방법을 위하여 다음과 같은 분야에 대한 연구개발이 진행되고 있다[6].

1. 상부지반 탐지시스템

지반관입에 적용되는 Resistivity and Dynamic Cone Penetration(RDCP) 장치와 비파괴 시험인 GPR탐사를 융합한 지하공동 발생 검측 및 위험도 평가 시험이 시도되고 있다. RDCP는 (그림 3)과 같이 동적관입과 동시에 동적 콘관입지수를 측정하여 대상 지반의 직접적인 강도 및 상태를 평가하며 동시에 전기비저항을 측정하여 지반의 전기비저항 특성 및 유전율 특성을 획득할 수 있는 방식이다. GPR탐사의 경우 (그림 4)와 같이 이완구간 및 지하공동 탐지에 적용되며 그 결과를 RDCP 실험 결과와 비교하여 GPR탐사 결과 해석의 정확도를 제고할 수 있을 것으로 기대된다.

(그림 3)

지반관입장치 개념도

(그림 4)

GPR 분석 공동탐사 결과예시

2. 지하구조물 건전도 평가시스템

도시철도 지하구조물의 경우 공사 초기부터 지속적인 실시간 모니터링을 통해 더욱 안전한 운영과 합리적인 유지보수 시기와 방법을 결정할 수 있다. 지하철 구조물 주변의 대형 굴착이나 신규 터널, 또는 예상치 못한 지하 공동 등으로 지하철 구조물의 구조적 손상을 발생시킬 수 있으므로 위험이 예상되는 구간의 특별한 모니터링이 요구된다. 이를 위한 요소기술로써 (그림 5)와 (그림 6)과 같은 cm급의 분해능을 가지고 스캔 속도를 향상시킨 고분해능 분포형 광섬유센서 분석 및 포설 기술, 궤도 및 하부 지반의 강성을 평가할 수 있는 탄성파 탐사 시스템, 궤도의 이상 거동을 1차적으로 모니터링할 수 있는 Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS) 활용 궤도응답 평가 시스템, 궤도 변형 및 균열 조기 감지 스캔 시스템 등에 대한 개발 및 실용화 연구가 진행 중이다.

(그림 5)

Opto Laser Tunnel Scanner

(그림 6)

고분해능 분포형 광섬유 분석 개념도

3. 유입수 모니터링 시스템

도심지 지반침하의 약 60%가 지하철 노선을 따라 발생하고 있다는 통계가 있다. 이는 지하철이 배수터널로 설계 시공되면서 시공부터 운영단계에서 지속해서 지하수가 많은 곳은 하루 수천 톤씩 배출되면서 주변 지반의 함몰을 야기하고 지표면의 지반침하로 이어질 가능성이 공감을 얻고 있다. 따라서 지하철 유입수를 실시간으로 계측하고 이에 대한 시계열 분석과 지반 침하, 함몰로 이어지는 상관성을 도출하여 지반침하 위험도 평가가 이루어져야 한다. 따라서 (그림 7)과 같이 지하철로 유입되어 배출되는 지하수를 모니터링하고 주변 지반의 지하수 변화 계측 결과와 연계하여 지반 함몰 가능성을 평가할 수 있도록 실시간 다항목 지하수 수량/수질 모니터링 장치를 개발하여 지반 및 구조물 거동과의 상관성을 해석할 수 있는 연구가 필요하다.

(그림 7)

지하철 유입수 모니터링

IV. 지하수/지질환경 감시기술

도심지 지반침하의 경우 넓은 지역에서 광범위하게 발생할 수도 있지만 대부분 국소적으로 발생되고 있으며 그 주된 원인이 인위적인 경우가 많다. 광역 지반침하의 경우 해당지역의 광역감시 및 지질정보를 기반으로 원인 분석이 가능한 데 반하여 국소 지반침하의 경우 인위적인 요인의 다양성으로 인해 별도의 정밀감시 방법이 필요하다.

도심지 지반침하 현상의 종합적 분석을 위해서는 먼저 대상 지역의 대규모 지반침하 분석을 위하여 ① Interferometric Synthetic Aperture Radar(InSAR)를 이용한 광역감시를 수행하고, ② 해당지역의 지질도, 지형도, 토양도 관련 조사정보를 반영하고 ③ 국가지하수관측망과 각 지방자체단체에서 수집하고 있는 지하수관측망의 정보연계가 필요하다. 도심지 국소지역에 대한 실시간 정밀감시를 위해서는 다음과 같은 분야에 대한 연구개발이 진행 중이다.

1. 다항목 측정센서

다항목 측정센서는 (그림 8)과 같이 지하수위 혹은 수질, 탁도 등의 급격한 변동사항을 실시간 관측하는 센서로서 관심지역 내에서 일어나는 토목공사, 혹은 동공의 진화에 따른 토립자 유실을 효과적으로 관측할 수 있다.

(그림 8)

실시간 측정과 전송이 가능한 복합센서

2. 자기유도활용 상시 감시방식

자기유도활용 상시 감시방식은 지하철도 주변의 토양층을 (그림 9)와 같은 Magnetic Induction(MI) 센서를 이용하여 감시하는 방식으로서 지하공동의 유무, 수분 포화도 변화, 다짐도 차이, 그리도 토양 조성 지반 환경변화를 유도자기 신호의 변화를 측정하여 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

(그림 9)

자기유도 센서[7]

3. 토양함수비 측정장치

토양 함수비 측정장치는 (그림 10)과 같이 토양의 원특성을 측정하는 장치로서 토양함수비뿐 아니라 점토-모래-자갈 입도분포에 따른 전단실험, 모래 다짐도와 입도 분포에 따른 지반침하 유발 실험 등을 실시하여 대상 지역의 토양 특성을 분석할 수 있는 기본값을 제공하는 역할을 수행할 수 있다.

(그림 10)

땅꺼짐 유발 함수비 측정

V. 사물인터넷 기반 재난재해 모니터링 기술

사물인터넷 기반 재난재해 모니터링 기술은 도시 지하공간 내 지하매설물(상하수도)의 상태와 지하공간 상황(도시철도 지하구조물, 지질, 지하수, 지반변형)을 사물인터넷(IoT) 기반 광역 실시간 지하상태 정보수집기술을 통하여 이상 징후를 사전에 감지, 예측, 대응하는 기술로서 지하공간의 변화를 추적하는 통합 감시/예측 모델 개발을 통해 주요 시설에 대한 개별적 상태변화뿐만 아니라, 지반침하와 같은 복합 재난재해 사고를 조기에 감지하고 사전 예방할 수 있다.

본 시스템은 도시 전역에 분포하고 있는 지하매설물 및 도시철도 지하구조물 주변 지반의 자원과 자산에 대한 센싱 및 계측 데이터 수집을 위한 광역 저전력 고신뢰 Wireless Personal Area Network(WPAN) 기술, 도시 지하공간에 대한 입체적인 분석을 통한 능동적인 의사결정을 지원하기 위한 지하공간정보 통합 및 3D 가시화 기술, 빅데이터 분석 체계를 통해 상이한 재난재해 요인 상호 간의 관계성을 규명하여 개별적 재난재해뿐만 아니라, 지반침하와 같은 신규 복합 재난재해 사고를 조기에 감지하고 사전 예방할 수 있는 의사결정 시스템 기술로 구성되어있다.

1. 무선통신 네트워크 기술

WPAN 기술은 무선 근거리 개인 통신망(WPAN) 전송 규격인 IEEE802.15.4 표준을 기반으로 관련산업의 요구에 적절한 상위 계층을 규정한 ZigBee, ISA100.11a 및 Wireless HART 등 <표 2>와 같은 규격이 있다. 최근에는 ITU-R M.2002/M.2224 등의 요구사항을 고려하여 기존 IEEE802.15 기술의 문제점을 극복하고 1km 이상의 통신거리, 음영지역에서 신뢰성 있는 통신, 10년 이상의 단말 수명을 위한 저전력화, 최소 인프라 기술 요구사항 등을 만족시키기 위해 Weightless v1.0, IEEE802 15.4e,g,k 표준 등이 완료되었고 15.4m, 15.8 등의 표준이 논의되고 있다[8][9]. IEEE802.15.4e는 시분할 기반 채널접근 방식인 Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension(DSME) 모드와 Time Slotted Channel Hopping(TSCH) 모드 등 복수의 모드로 구성되어 서비스가 요구하는 특성에 따라 사용자가 선택할 수 있다. 시분할 기반 채널 접근 방식은 패킷 충돌에 의한 재전송을 줄여 유효 통신 전력을 최소화하고, 예측 가능한 지연 시간을 제공하는 응용에 적합한 Media Access Control(MAC) 기술이다[10].

IEEE802.15.4g 기술은 15.4 PHY에 비해 증대된 전송거리와 다양한 전송률 그리고 다중경로 페이딩에 대한 강건성을 높이고자 Frequency Shift Keying(FSK), Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM), Multi-plexed Direct Sequence Spread Spectrum (MDSSS)를 기반으로 하는 PHY 기술로 구성되어 있다[11].

IEEE802.15.4k는 옥외 환경에서 40kbps 이하 전송속도에서 1km 이상 전송거리와 10~20년 단말 수명 규격을 만족시키기 위한 표준으로 Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS) 방식과 FSK 방식의 물리계층과 IEEE802.15.4k에 적합하게 변형된 DSME와 ALOHA등의 MAC 계층으로 구성된다[12].

<표 2>

무선통신 네트워크 기술

2. 저전력 장거리 WPAN 전송 칩기술

저전력/장거리 WPAN 칩 기술은 국내의 경우 산업계의 요구에 따라 ETRI를 중심으로 IEEE802.15.4g 기술의 표준단계부터 참여하여 Multi-Rate and multi-regional Orthogonal Frequency Division Multiplexing(MR-OFDM)에 대한 표준 특허를 확보하였고, 국내 900MHz 비면허 대역에서 운용할 수 있는 IEEE 802.15.4g 기술표준을 만족하는 Multi-Rate and multi-regional Frequency Shift Keying(MR-FSK)와 MR-OFDM 테스트 칩셋을 2014년 개발하였다[13].

국외의 경우 <표 3>과 같이 영국 Neul사(Weightless Sig.), 미국 OnRamp사, 프랑스 SIGFOX사 등 글로벌 사물인터넷 디바이스 기업들은 옥외 저전력/장거리 통신의 필요성을 조기에 인식하고 표준화 및 사업화를 활발히 진행 중이다.

<표 3>

저전력 장거리 WPAN 전송 칩

3. 지하매설물 공간 데이터 처리기술

지하매설물 공간 데이터 처리기술은 국내의 경우 ETRI가 지능형국토정보혁신기술개발 사업을 통해 3차원 공간/시공간 Data-Base Management System(DBMS) 기술과 ubiquitous Geographic Information System(u-GIS)　융합엔진을 확보하였으나 ESRI, Google 등 국외 글로벌 기업과 비교하여 지하공간에 대한 3차원 공간분석 기술이 미흡한 상태이다.

국내 지하공간정보 기술은 지하시설물 통합관리시스템 구축을 통하여 지하시설물의 체계적인 관리 기반이 마련되었지만, 지하시설물 정보만으로는 지하공간의 효율적 개발 및 안전관리 대응에 미흡한 부분이 있다. 국토교통부는 ‘국토지반정보 통합DB센터’와 ‘7대 지하시설물 정보’를 융복합하는 방안을 검토 중에 있다[14][15].

국외의 경우 오스트리아 지하시설물 관리 시스템과 영국의 지하노선도 시스템이 대표적이나, 정보 연계를 통한 통합활용체계 구축 기술은 전무한 실정이다. 지하공간정보 기술 중 3차원 지하공간분석 기술이 핵심이나 국내 GIS 분야는 외산 SW가 85% 이상 점유하고 있다.

지하공간 상태정보를 가시화하는 기술의 경우 (그림 11)과 같이 기존의 3차원 가시화 방법의 경우 지하매설물 파손과 같은 추가정보 표현에 한계가 있으므로 지하매설물의 형상과 유사하게 표현하는 기술, 지하매설물 각각을 식별하기 위한 객체화 기술, 지하매설물 단면 및 내부 등에 다양한 정보를 표현하는 기술 등이 개발되고 있다.

(그림 11)

지하공간 상태정보 가시화 기술

4. 지하매설물 재난재해 예측 대응기술

지하매설물 재난재해 예측대응기술은 (그림 12)와 같이 지하관리 대상물인 상하수도관로, 도시철도구조물 및 지하수/지질에 대한 상시감시 데이터와 상하수도 누수 및 노후화에 대한 확인감시 데이터, 도시철도구조물의 유입수 변화와 주변지반변형에 대한 확인감시 데이터 및 지하수 및 지반변화의 광역감시 데이터를 빅데이터기반의 분석을 통해 개별적 재난재해뿐만 아니라, 지반침하와 같은 복합 재난재해 사고를 조기에 감지하고 사전 예방할 수 있는 의사결정 시스템 기술이다. 본 기술은 지하매설물 유지관리, 재난재해 예경보 및 다양한 부가서비스와 연계되어 지하매설물의 재난재해에 선제적으로 대응할 수 있을 것으로 예측된다.

(그림 12)

지하매설물 재난재해 예측 대응기술

VI. 결론

도시 지하공간 내 지하매설물(상하수관로)의 상태와 지하공간상황(도시철도구조물, 지하수, 지반변형)을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술에 대해서 살펴보았다. 본 기술은 지자체, 공공기관이 따로 관리하는 지하매설물 정보와 지질정보, 지반정보, 지하수 정보 등을 활용하여 종합적인 분석을 수행하고, 이를 통해 신속하고 정확한 재난재해 예측 대응이 가능해질 것으로 기대된다. 또한, 도시철도구조물 주변의 지하수위 변동 예측을 통한 주변 지반 위험도 평가지표 및 기준 제시를 통해 도시철도구조물 주변 공동 발생 가능성을 예측하여 도로함몰 및 침하, 지하매설구조물의 파손 등의 문제에 선제로 대응하여 지하공간의 재난재해를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

약어 정리

DBMS

Data-Base Management System

DSME

Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Electric Conductivity

FSK

Frequency Shift Keying

GPR

Ground Penetrating Radar

InSAR

Interferometric Synthetic Aperture Radar

IoT

Internet of Things

MAC

Media Access Control

MDSSS

Multiplexed Direct Sequence Spread Spectrum

MEMS

Micro-Electro-Mechanical Systems

Magnetic Induction

MR-FSK

Multi-Rate and multi-regional Frequency Shift Keying

MR-OFDM

Multi-Rate and multi-regional Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

RDCP

Resistivity and Dynamic Cone Penetration

TSCH

Time Slotted Channel Hopping

u-GIS

ubiquitous Geographic Information System

Water Content

WPAN

Wireless Personal Area Network

References

[1] 글로벌 뉴스통신, “20년 이상된 상하수도 총 연장 9만km, 싱크홀 위험,” 2014. 8. 23.

[2] SBS뉴스, “서울 싱크홀 60%, 지하철 노선 따라 분포,” 2014. 8. 30.

[3] 이인환, “미래창조과학부 국가과학기술연구회 실용화형 융합연구단사업 UGS 융합연구단,” 대한토목학회지, 제63권 제6호, 2015. 6, pp. 13-20.

[4] 중앙일보, “모래지층 송파·구로, 낡은 종로… 도로함몰 집중,” 2015. 4. 7.

[5] 환경부 보도자료, “지반침하 대응, 노후 하수관로 정밀조사 일제 실시,” 2015. 3. 11.

[6] K. Sudha et al., “Soil Characterization Using Electrical Resistivity Tomography and Geotechnical Investigations,” J. Applied Geophysics vol. 67, no. 1, Jan. 2009, pp. 74–79.

[7] I.F. Akyildiz and E.P. Stuntebeck, “Wireless Underground Sensor Networks: Research Challenges,” Ad Hoc Networks, vol. 4, no. 6, Nov. 2006, pp. 669-686.

[8] P. Middleton, P. Kjeldsen, and J. Tully, “Forcast: The Internet of Things, Worldwide, 2013,” Gartner, Nov. 18th, 2013.

[9] 미래네트워크 시리즈, “Session 3 IoT 통신기술,” 사물인터넷 IoT 워크숍, 2013. 6.

[10] IEEE Std 802.15.4e-2012 (Amendment of IEEE Std 802.15.4-2011), 2012.

[11] IEEE Std 802.15.4g-2012 (Amendment of IEEE Std 802.15.4-2011), 2012.

[12] IEEE Std 802.15.4g-2012 (Amendment of IEEE Std 802.15.4-2011), 2012.

[13] 신철호, 오미경, 최상성, “IEEE 802.15.4g SUN 표준 기술 동향,” 주간기술동향, 2011. 2. 18.

[14] 디지털타임즈, “국토부, 지하 통합 공간정보 구축 착수,” 2014. 9. 11.

[15] 국토교통부, “2014년도 국가공간정보정책 시행계획,” 2014. 2.