- 사회 인프라 리스크를 검지하는 스마트한 센싱 시스템 실현 -

도시에서의 게릴라 호우 등에 의한 피해 경감을 위하여 ICT를 활용하여 하수도 범람의 징조를 저비용에 검지하는 기술을 일본 주식회사 후지쯔 연구소가 개발하였다.

수위 계측 기능을 갖춘 센서를 맨홀에 조립하여 징조를 정밀도 높게 검지하기 위해서는 관로 시설에 광역에 걸쳐서 센서를 설치할 필요가 있지만 회선이나 전원 등의 전용 시설이나 무선 접속 센서 등에서 전지 교환이 필요한 경우도 있어 1대당 운용비용이 높고 광역에서의 설치가 곤란하였다.

이번에 지형이나 하수도 관로의 형상・거리에 의해서 발생되는 상류에서 하류까지의 소요 유수 시간의 분석으로부터 센서를 조립해야 할 맨홀의 위치와 수를 결정하는 기술을 개발하여 약 5분의 1의 센서 수로 하수도 전체의 흐름을 파악・예측하는 것이 가능하게 되었다. 그리고 측정 수위의 변화 상황을 고려하고 측정 파라미터를 최적으로 제어하는 기술을 개발하여 상황에 따른 측정 정밀도를 유지하면서 소비 전력을 약 70% 삭감하는 기술을 개발하였다. 이것에 의해 태양광 발전과 같은 자연 에너지만으로 동작시키는 것이 가능하게 되어 1대당 운용비용을 기존의 약 90% 삭감하였다. 이러한 기술을 적용하는 것으로 도시에 있어서의 하수도 범람 피해 경감에 연결할 것이라고 한다.

개발의 배경으로 최근 국소적인 집중호우에 의한 도시의 침수 피해가 다발하고 있어 그 예방책으로서 ICT를 활용한 리얼타임의 하수도 수위 모니터링(<그림 1>)이 기대되고 있었지만 센서의 설치나 운용 관리에 필요한 비용이 과제가 되고 있다. 설비의 삭감이나 에너지 절약 등의 대책으로 비용 저감을 도모하는 것이 가능하지만 이러한 경우 측정 정밀도나 안정성・신뢰성에 문제점이 발생한다.

광역에 걸친 하수도 수위를 저비용에 모니터링하기 위해서는 주된 비용 요인인 정보를 취득하기 위한 센서의 설치수를 가능한 한 줄이는 것이 유효하다. 그러나 센싱하는 개소는 관로 시설 내의 상황을 정확하게 파악하기 위한 중요한 요소이기 때문에 필요 최소한의 센서 설치 개소를 특정하는 것은 용이하지 않고 그 결정 방법이 과제가 되고 있었다고 한다.

이러한 과제로부터 소수의 센서로 하수도 관로 내의 상황을 정확하게 파악하기 위해서 ICT를 활용하여 센서 설치 개소를 결정하는 하수도 수위 모니터링 시스템의 실현이 요구되고 있다.

이번에 개발한 기술은 지형이나 하수도 관로의 형상・거리에 의해서 발생하는 상류에서 하류까지의 물 흐름의 소요 시간(소요 유수 시간)을 분석하여 적절한 센서의 설치 개소를 결정하는 기술을 개발하였다. 또한 개개의 센서 전지 교환 비용을 삭감하기 위해서 측정 수위의 변화 상황에 따라 측정 파라미터를 최적으로 제어하는 기술에 의해 센싱의 전력 절약화를 실현하였다고 한다.

개발한 기술의 특징은 크게 두 가지로, 첫 번째는 수위 변화의 소요 유수 시간에 근거하는 센서 설치 개소의 결정이다. 이번에 지형이나 하수도 관로 정보, 강우 패턴으로부터 구한 수위 변화의 상관에 근거하여 하수가 상류에서 하류로 흐르는데 필요한 시간을 계산해 이 시간을 고려하여 상류역의 수위 변화와 하류역의 수위 변화의 관계성을 산출하는 기술을 개발하였다. 이것에 의해 관계성이 적은 개소에서의 센서 설치를 생략할 수 있어 지형・하수도 관로・강우 특성에 범용인 센서 설치 개소를 결정할 수 있다.

두 번째로는 상황에 따른 센싱의 전력 제어 기술로 센싱으로는 측정 시 전력과 측정치를 네트워크의 중계 장치(게이트웨이)에 통지할 때 전력 합계가 주로 필요한 소비 전력이 된다. 수위 변화가 적은 맑은 날에는 측정 간격을 길게, 수위의 변화가 큰 강우 시는 측정 시간을 짧게 제어하면서 측정과 통지를 실시하는 것으로 센싱의 전력 절약화가 가능하게 되지만 강우 시 대응이 충분하지는 않았다고 한다.

이번에 개발한 기술에서는 측정한 수위에 근거하여 향후의 수위 변화를 예측해 그때그때의 센서 상황에 따라 측정 간격, 측정치의 통지 간격, 측정 시간의 세 종류 측정 파라미터를 자동적으로 조정하는 것으로 상황마다 필요한 측정 데이터의 정밀도를 유지하면서 센싱의 전력 절약화를 실현하였다고 한다.

이번에 개발한 기술에 의해 전체 약 5분의 1의 맨홀에만 센서를 설치하여 하수도 전체의 흐름을 파악・예측하는 것을 실현하였다. 시뮬레이션으로는 대표적인 강우 패턴에 대해서 센서 상황을 고려한 전력 제어를 적용하는 것으로 측정 정밀도를 유지하면서 소비 전력을 약 70% 삭감할 수 있는 것을 확인하고 있다. 태양광 발전과 같은 자연 에너지 만으로의 운용을 상정하면 1대당 운용비용을 기존의 약 90% 삭감하는 것이 가능다고 한다.

향후 후지쯔 연구소는 센싱 디바이스의 새로운 에너지 절약이나 비용 저감을 위한 기술 개발, 센싱 데이터의 이익 활용 방법 등을 검토하여 본 기술의 2015년 실용화를 목표로 할 예정이라고 한다.

<그림 1> ICT를 활용한 리얼타임의 하수도 수위 모니터링 시스템의 예
<그림 2> (상) 하수의 소요 유수 시간에 근거하는 센서 설치 개소의 결정 / (하) 기존 예와 본 개발 기술로의 센서 설치 개소의 비교
<그림 3> 상황을 고려한 센싱 전력 절약 제어 기술

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 20일]