Win Tech - 싱크홀 예방을 위한 지하공간안전(UGS) 시스템 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 이인환 책임연구원
한국전자통신연구원 IoT연구본부
도심지를 중심으로 발생하는 싱크홀 문제로 인해 국민들의 불안감이 증가하고 있는 상황이며, 이에 따라 지반침하 가능성에 대한 종합적 분석 및 예방 시스템 기술을 개발하여 재난재해 사고를 선제적으로 대응하는 연구를 수행하였다.
서울시 도로함몰 발생지역 중에서 약 60%에 해당하는 지점이 지하철 노선 위에서 발생하고 있다는 조사 결과가 발표되어, 지하철 주변 지역에 대한 안전관리가 시급한 실정이다.
이러한 현상은 국내에만 발생하는 문제가 아니라 전 세계적으로 오래된 도시들에서 발생하고 있으며, 지하매설물의 노후화와 지하 난개발이 주요 원인으로 작용하고 있다.
따라서 지반침하 방지에 대한 접근 방법으로 UGS융합연구단에서 그림 1과 같이 사물인터넷(IoT)기반 지하공간 그리드 시스템을 개발하였다.
이 시스템은 지반과 관련된 매설물인 상수도, 하수도, 도시철도, 지하수 등을 상시 감시하고, 지상에서는 위험한 지역을 확인 감시함으로써 지하공간 상황을 조기에 감지하고 예측 및 대응이 가능하다.
상시 감시에 있어서 상수관로의 누수는 누수 센서와 IoT 통신 기술을 통해 상시 모니터링하여 누수를 확인한다.
하수관로는 CCTV 탐지 로봇을 통해 하수관 내부의 균열과 이음매 상태 등을 탐사하고, 영상을 정밀 분석하여 손상된 하수관로의 위치와 손상 정도까지 분석한다.
도시철도 주변 지하유입수나 관정을 통해 지하수의 성분과 수위와 유출량 그리고 지하수 내의 토립자 등을 분석하여 지반함몰의 영향 인자를 도출한다.
한국전자통신연구원은 빅데이터 분석 체계를 통해 싱크홀과 같은 신규 복합 재난·재해 사고를 조기에 감지하고 사전 예방할 수 있는 의사결정 시스템을 확보하기 위해 지상 및 지하 매설물의 센싱 데이터를 기지국까지 무선 전송하는 IEEE 802.15.4g/4k(SUN/LECIM) FSK 표준 지원 저전력·광역 무선통신 칩 개발, IEEE 802.15.4k MAC 국제표준을 지원하는 동기방식 TDMA/멀티채널 자원할당 기반 고신뢰 LPWA IoT 네트워크 스택 S/W 개발, 지하공간의 센싱 정보를 지상의 사물인터넷으로 연결하기 위한 맨홀커버형 전방향성 안테나 개발(900㎒, 2.4㎓ 대역), 도시 지하공간의 입체적인 분석을 위한 지하공간 정보 통합 및 3D 가시화 기술 등 7종의 핵심 실용화 제품을 개발하였다.
한국건설기술연구원은 기존 지상 물리탐사에 의존했던 지반함몰 위험도 평가 방법을 탈피하고, 신뢰성 향상을 위해 상하수도관로 주변을 모니터링하는 실시간 전역 위험감시 기술을 개발하였고, 상수도관로 안전감시 복합센서 모듈 및 시스템 기술, 하수관로 손상 및 배면공동 탐지 시스템 및 분석 기술, 상하수관로 주변 지반함몰 위험도 분석 기술을 연구하여 지하 매설물 실시간 전역 위험감시 기술을 개발하였다.
누수감지 센서와 변위감지 센서를 이용하여 상수관로의 누수 여부 및 위치 변화를 감지하고, 이를 통해 상수관로의 이상 유무를 감지하여 관로 주변 지반의 공동발생 위험을 최소화할 수 있었다.
상수관로 안전감시 시스템은 가속도계를 통해 상수관로에 누수를 측정할 수 있으며, 관로의 이상거동을 감지하기 위해 MEMS 자이로/가속도 센서를 이용하였다.
이는 UGS 노드 통신모듈과 연결을 통해 사물인터넷(IoT)과 연동되어 상수관로 주변 지하공간의 위험을 실시간으로 감지할 수 있다.
그림 2의 하수관로 배면 공동 탐사 장치는 지하에 매설된 하수관을 대상으로 GPR을 이용한 내부 조사를 통해 관로 배면 공동의 존재 여부를 확인하기 위한 장치이다.
하수관 내부에서 배면 공동을 탐지하기 위한 GPR 장치는 500㎜관과 1,000㎜관을 대상으로 탐사하며, 중심 주파수를 600㎒이다.
그림 3의 하수관 건전도 평가 소프트웨어 알고리즘은 이미지 프로세싱과 딥러닝을 활용하여 하수관로 내부 손상을 자동으로 탐지할 수 있다.
촬영된 CCTV 영상을 개별 이미지로 분리하여 이미지 프로세싱이 가능하도록 전처리하고, 분리된 이미지에서 영상의 자막을 추출하고, 하수관 정보를 자동으로 추출할 수 있다.
한국철도기술연구원은 지하철 주변 지반의 이상 거동 시 지하철 구조물의 거동을 미리 예측하고 대비하기 위한 지하매설물 실시간 전역 위험감시 시스템을 개발하였고, 도시철도 지하구조물 정적·동적 모니터링 요소기술, 도시철도 유입수 실시간 모니터링 및 평가 기술, 도시철도 기본정보 기반 지반침하 위험도 평가 기술에 관한 연구를 수행하여 도시철도 지하구조물 및 주변 지반 감시 기술을 개발하였다.
도시철도 지하구조물, 주변 지반의 위험도 영향인자 계측 및 이에 대한 위험도 평가 알고리즘을 구축하였으며, 레이저-영상 기반 철도 터널 스캔 시스템, 고해상도 분포형 광섬유 센서 시스템을 통한 도시철도 지하구조물 탐사/모니터링 기술, 도시철도구조물 상부 지반 확인 감시 기술, 철도 관련 Basic SRI(Subsidence Risk Index) 평가 기법 및 적용 시스템 등 8종의 핵심 실용화 제품을 개발하였다.
도시철도 지하구조물 및 주변지반, 유입수 등을 계측, 탐사, 모니터링하여 계측 및 탐사된 결과들을 실시간 또는 주기적으로 전송받아 항목별 필요에 따라 Raw data와 상태평가 결과값을 UGS 플랫폼에 연계하는 기능으로 구현하였으며, 각 계측/탐사 항목들과의 데이터 전송, UGS 플랫폼과의 데이터 연계에 관련한 Interface 부분을 최적화하였으며, 테스트베드를 대상으로 시험, 검증하였다.
한국지질자원연구원은 지하수와 지표(지반) 통합센서 개발을 통해 이들 정보를 동시에 수집하고 복합적으로 분석하고 평가하는 사전 평가 기술을 개발하였다.
지하수-지질환경 모니터링 시스템, 도심지 지반함몰 위험지수(SRI) 체계 개발 및 서울시 지반함몰 취약성 지도에 관한 연구를 수행하여 도시 지하수 및 지질환경 실시간 예측 기술을 개발하였다.
도시지역의 지질과 지하수 변화를 실시간으로 예측하여 복합 재난재해를 조기에 감지 및 대응하기 위한 IoT 기반 지하수-지질환경 상시 모니터링 시스템, 도시 전역을 대상으로 지반침하 위험성에 대한 사전 평가 기술, 도심지 지반함몰 위험 지수(SRI) 체계와 지반함몰 취약성 지도 구축 기술을 확보하였다.
한편, 토립자 유실로 인해 야기되는 내부침식(Internal erosion) 현상은 댐이나 제방 구조물에 있어서 다양한 공학적 문제를 야기하기 때문에 입도분포에 따른 내부 안정성(Internal stability) 평가기준에 대한 연구들이 있었다.
내부침식 단계는 토립자 분리 개시, 지속, 발전, 파괴와 같은 일련의 과정으로 발생하며, 이런 현상이 발생하기 위해서는 흙으로 구성된 지반, 토립자를 움직일 수 있는 가능성 혹은 유체 운동에너지, 그리고 침식토가 쌓일 수 있는 공간의 존재 등이 전제되어야 한다.
이와 같은 개념은 토립자 유실로 발생하는 도심지 지반함몰 현상의 기작을 설명하는 데 매우 유용한 개념이 될 수 있다.
UGS 시스템은 지반함몰의 위험을 보다 정확히 예측하여, 위험한 지하공간의 상황을 선제적으로 대응하는 데 활용될 예정이며, 향후 가스관, 전력선, 송유관 등 다양한 지하 매설물의 상태를 원격탐지 하는 분야에도 활용될 것으로 기대된다.