1. 서론
1.1 연구배경 및 필요성
2000년 이후 국내 태풍, 집중강우로 인한 산사태 피해가 지속적으로 발생하고 있으며, 특히 2006년 강원도 지방을 중심으로 산사태피해가 크게 발생하여 재산손실을 가져왔으며, 2011년 서울시 우면산 산사태로 인한 인명피해가 크게 발생하였다(Kim et al., 2013). Fig. 1의 산림청 산사태정보시스템통계보고에 의하면 2000년 이후 피해물량 당 복구비(백만원/ha)가 매년 약 10%씩 증가하는 추세를 보이고 있다(Landslide Information System of Korea Forest Service, 2014).
이후 토사재해 예방 및 관리에 대한 관심이 증대하였고, 2000년 후반부터 토사재해 모니터링 및 통합관리 구축이 진행되고 있다.
일본, 홍콩, 미국 등 국외에서는 2000년 이전에 토사재해 예경보 통합관리시스템 구축 및 운영을 하고 있으며, 이후 다른 나라에서도 지속적으로 시스템 구축을 진행하고 있다. Table 1의 각 국가별 구축 시스템은 크게 외부 전원을 공급하는 시스템(외부전원 시스템)과 태양광 전원을 사용하여 외부전원을 공급하지 않는 시스템(태양광전원 시스템)으로 구분할 수 있다. 외부전원 시스템은 상시전원으로써 충분한 전력공급이 가능하므로, 다양한 계측항목 및 CCTV에 의한 영상을 동시에 모니터링할 수 있으나, 태양광전원 시스템은 비교적 전력소비량이 적은 계측항목만을 모니터링하고 있다(Devoli, 2011).
Table 1
Overseas Systems related with debris-flow monitoring
하지만, 스위스에서는 태양광전원에 의한 계측 및 CCTV운영을 동시에 수행하는 것으로 조사되었는데, 이는 산사태의 원인이 높은 온도로 인한 눈이 녹아 발생되는 것으로, 강우에 의한 발생과는 다른 환경조건이며, 충분한 태양광전원이 확보될 수 있는 특이한 조건으로 판단된다(Badoux et al., 2009).
Table 2는 2008년 이후 등록된 바이텍코리아(P1), 한국지질연구원(P2), 소암컨설턴트(P3), 케이티(P4), 숭실대학교(P5), 금성산업(P6), 서울대학교와 케이스포유(P7) 등 에서 국내 토사재해 모니터링시스템 구성 현황을 나타내고 있다. 국내 개발된 시스템도 태양광전원을 이용할 경우 강우 및 지반 계측항목만을 수집하고 있으며, CCTV를 적용하고 있지는 않다. 2014년 숭실대에서 제안된 이미지 픽셀 분석에 의한 토석류 발생 감지 후 분석 결과만을 전송하며, 이미지와 계측자료를 전송하지는 않는 것으로 판단된다(Han, S.H and Han, Y.J., 2014).
1.2 연구목표
본 연구에서는 도심지 산지형 지역에 적합한 토석류 원격모니터링시스템을 개발하고자 하였으며, 다음 세 가지 사항을 고려하였다. 1) 도심지에서는 무선 통신망이 우수한 점을 활용하고, 2) 산지형의 접근이 용이하지 않아 외부 전원 공급 및 유지관리가 어려운 점을 고려하였으며, 3) 시스템 운영자는 토석류 발생 유무를 확인하고자 한다는 점을 고려하였다.
위 내용을 기반으로 다음과 같은 시스템을 개발하고자 목표를 정하였다. 1) 국내에서 서비스하고 있는 3G/LTE 통신망을 이용한 자료 수집, 2) 외부 전원을 사용하지 않고, 태양광 전원에 의한 시스템 운영, 3) 토석류 발생을 육안으로 확인하기 위한 카메라 이미지 취득 4) 집중 강우시 배터리 충전이 되지 않더라도 7일간 시스템 운영이 가능한 충분한 전원 공급.
2. 시스템 설계
2.1 설계 절차
시스템 개발을 위해 다음 Fig. 2와 같은 과정으로 설계를 수행하였다. 모니터링 항목 및 계측기기를 선정하고, 계측기기별 소비전력을 분석 후 계측된 자료를 통신서버로 전송하는 통신부 설계를 수행하였으며, 종합적으로 고려된 태양광전원모듈 설계 후 시스템 설치 및 운영을 수행하였다.
2.2 계측항목 선정
계측항목은 국내외 토사재해 모니터링시스템의 적용 사례를 근거로, Table 3과 같이 토석류 발생에 직접적인 영향을 미치는 주요 인자인 강우량과 간접적 영향인자인 지반상태를 파악할 수 있는 함수량, 간극수압을 선정하였으며, 토석류 발생을 감지하기 위한 지표변위(와이어 센서), 기울기, 지오폰(geophone), 수위, 영상 이미지를 선정하였고, 태양광 발전시스템 운영상태 파악을 위한 태양광전원모듈의 전압을 선정하였다.
Table 3
Selection of monitoring parameters
2.3 소비전력 분석
전원부 설계를 위해 기기별 소비전력을 분석하였다(Table 4). 계측항목을 측정하는 계측기기는 대부분 1W 이하의 전력(강우량계과 지오폰은 계측시 자체적으로 신호를 발생시켜 소비전력은 0임)을 사용하였으나, CCTV, 3G/LTE 통신모듈, 데이터로거는 계측기기에 비해 매우 높은 전력소비량을 가졌다. 통신모듈을 포함함 4개의 장비가 전체 소비전력의 82%를 차지하였다.
2.4 시스템 소비 전력 절감 방안
강우강도에 따라 토석류 발생 위험도를 국가위기경보단계를 적용하여 정상(Level 0), 관심(Level 1), 주의(Level 2), 경계(Level 3), 심각(Level 4)의 5단계로 나누었으며, 계측 및 이미지 자료 수집을 Table 5와 같이 설정하였다.
Table 5
Communication interval and operation time of each level
| Risk levels | Communication interval | Device On-Time |
|---|---|---|
| Level 0 | 60 min. | 2 min. |
| Level 1 | 30 min. | 2 min. |
| Level 2 | 10 min. | 2 min. |
| Level 3 | 1 min. | always |
| Level 4 | 2 sec. | always |
장치의 구동 시 소모되는 전력을 최소화하기 위해 메인 데이터로거를 제외한 모든 장치는 자료 측정 및 전송 시에만 구동되도록 설정하였다. 장비 구동 및 계측에 소요되는 시간은 약 2분 정도 소요되었으며, 통신 주기가 2분 이내일 경우 모든 장치가 상시 운영되도록 설정하였다. 1시간 간격으로 자료측정 시, 상시 측정에 비해 약 1/30 소비전력을 사용하게 된다.
2.5 태양광 전원부 설계
토석류 모니터링시스템 구축을 위해 설치된 계측기기 수량 및 전체 소비전력은 Table 6과 같다.
Table 6
Applied device list and power consumption
전체 기기의 전체 소비전력은 47.8Wh이며, 메인 데이터로거는 상시 운영되도록 하고, 18개 장치는 On/Off 제어를 통해 운영하도록 설계하였다. 장마철 집중강우 시 배터리충전이 불가능할 것으로 가정하여, 최대 7일간 시스템 운영이 가능하도록 다음과 같이 설계를 하였다.
배터리는 12V, 200Ah 4개를 선정하였다. 배터리 충전은 맑은 날 기준 하루 5시간에 배터리 총 용량의 20%가 충전되도록 태양광패널 용량을 산정하였다.
이와 같이 산정하여, 태양광패널(120Wh, 효율 83%) 4개를 설치하였다.
2.6 자료 전송 설정
계측된 자료를 원격 서버로 전송하기 위해 통신방식으로 3G (WCDMA), LTE 통신을 고려하였다.
3G 통신은 통신요금이 저렴하고, 직렬(serial) 통신(RS232)방식을 지원하여 다양한 장비와 연결할 수 있다는 장점이 있으나, 자료 전송 속도가 느리고, 1회 전송 가능한 자료의 양이 제한적이라는 단점이 있다. LTE 통신은 자료 전송 속도가 빠르고, 1회 대용량 자료 전송이 가능한 장점이 있으나, 통신 요금이 높은 단점이 있다.
본 연구에서는 고용량의 이미지를 전송하기 위한 LTE 통신과 계측자료 전송을 위한 3G 통신을 분리하여 구성하였다(Fig. 3). 평균 0.5MB 용량의 이미지를 심각단계(Level 4)에서 운영 시 일일 8,640회 전송되며, 약 4.2GB의 용량에 해당되므로, 통신비용 절감을 위해 무제한 요금제를 반드시 사용해야 한다.
현장에 시스템을 적용한 초기에는 LTE 통신을 사용하여 계측 및 이미지를 동시에 전송하였으나, 무제한 요금제의 일일사용량을 초과한 조건에서는 이미지만 전송되고, 계측자료가 전송되지 않는 문제가 발생하여 전송을 이중화하였다.
그리고 현장에서 계측된 자료를 통신서버로 전송되어 데이터베이스에 저장되도록 구성하였으나, 시스템 운영 중 통신서버의 유지관리, 건물 내 단전 등의 원인으로 통신서버와의 연결이 불가한 상황이 발생하였으며, 이러한 경우에는 데이터베이스에 자료 저장이 불가능하였다. 이를 보완하기 위한 방안으로 데이터로거와 통신서버 사이 접속이 중단 될 경우, 계측된 자료를 데이터로거 메모리에 임시 저장하고, 통신서버와 접속이 되었을 때 미전송 자료를 함께 전송하도록 통신기능을 개선하였다.
3. 시스템 개발 및 현장 적용
3.1 현장 적용
단계별 설계 과정을 통해 구성된 원격모니터링시스템은 S시 테스트베드 현장에 구축하였다(Fig. 4). 이 지역은 2015년여름 집중강우로 인해 계곡하부에 토사가 퇴적되는 현장이 관측되었으며, 향후 토석류 발생이 가능성이 높은 지역으로 판단되었다.
태양광 모듈은 일조 조건이 좋은 계곡부 바깥쪽에 설치하였으며, 배터리 제어반은 계곡부 안쪽에 설치하였다. 테스트베드 현장 계곡 하부에서 상부 200 m 지점을 4개소로 나누어 계측기기를 설치하였다.
다음 Table 7과 같이 맨 아래쪽(L1)에 카메라, 수위계를 설치하였고, 위쪽(L2, L3, L4)에는 지반특성 변화를 관측하기 위해 간극수압, 수분함량, 경사도, 지반온도를 설치하였다. 중간지점(L2)에 토석류 흐름 발생을 감지하기 위해 지오폰을 설치하고, 최상부 비탈면(L4)에 토사이동을 관측하기 위해 지표변위를 측정하였다.
Table 7
Installed location of each device
시스템 설치 후 정상운영은 2015년 11월 1일부터 시작하였으나, 운영기간 동안 비가 내린 일수가 적고, 강우강도가 크지 않아 계측값은 크게 변화하지 않았다.
다음 Fig. 5는 현장에 설치된 CCTV에 의해 측정된 주간 및 야간 이미지를 나타내고 있으며, 모두 토석류 흐름 발생 시 육안으로 잘 관측될 수 있을 것으로 판단된다.
2016년 3월 25일 11시 부터 2016년 4월 1일 11시 까지 7일간 전원 공급을 차단한 상태에서 운영을 하였다. 7일이 되는 시점에 배터리 출력 전압이 24V 이하로 낮아지는 것을 확인하였다(Fig. 6).
7일 동안 데이터로거에서 계측 후 송신한 자료는 302,394회였고, 통신서버에서 수신 후 데이터베이스에 저장된 자료는300,145회(전체 99.3%)였다. 이 중 650회(전체 0.2%)는 통신이상으로 데이터로거에 임시 저장 후 서버로 전송된 자료이다. 약 7%의 자료 손실은 2초 간격 빠른 자료 전송 시 발생되는 것으로 파악되며, 통신프로토콜 내 문자 오류 발생과 데이터로거 내 자료 저장 기능의 오류 발생이 원인이다.
3.2 모니터링 프로그램 개발
현장에서 수집된 자료 중 계측자료는 TCP/IP 통신 방식으로 자료가 전송되며, CCTV 이미지는 FTP 통신 방식으로 자료가 전송된다.
수집된 자료를 실시간 감시하는 모니터링 화면, 계측 자료를 조회하는 표/그래프 화면, 저장된 CCTV 이미지를 조회 및 연속 재생하는 이미지화면 등으로 구성하여 개발하였다(Fig.7).
3.3 모니터링 자료 분석
다음은 현장에서 수집된 계측 자료 중 강우량, 수위, 간극수압, 함수량, 지오폰 변화를 나타내고 있다(Fig. 8). 약 5개월 동안 일일 강우량 20 mm이상인 경우는 단지 3일이었고, 토석류가 발생되지는 않았다. 이와 같은 이유로 수위, 지오폰 계측자료 또한 거의 변화가 없었다. 하지만 일일 강우량이 약 10 mm 이상인 경우에는 간극수압 및 함수량의 변화가 유사하게 관측되었으며, 상부지점(Location 2 & 3)보다 하부지점(Location 1)에서 큰 변화가 관측되었다.
토석류 발생과 계측자료와의 관계 도출을 위해서는 토석류발생이 예상되는 장마기간의 계측 자료를 포함하여 지속적으로 수집할 계획이다.
4. 결론
본 연구에서는 태양광 전원을 이용한 에너지 자립형 도심지토석류 원격모니터링시스템의 설계, 개발 및 현장 적용을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 계측 및 CCTV 이미지 자료를 동시 수집 가능하며, 외부전원 공급이 없이 태양광 전원에 의해 운영되는 토석류 원격모니터링 시스템 구축을 완료하였다.
2) 유사 시스템에 적용 가능한 설계 절차를 제시하였으며, 소비전력을 최소화하기 위한 구성 및 운영 방안을 제시하였다.
3) 계측 및 CCTV 이미지 자료 전송의 통신망 이중화, 전송실패 자료의 백업 및 재전송 기능 등을 적용한 안정적 자료수집 방안을 제시하였다.
4) 향후 집중강우 기간을 포함한 장기간의 시스템 운영 및 자료 수집을 통해 구축 시스템의 안정성을 검토되어야 한다.
5) 장기간 수집된 자료는 토사재해 예경보기준 설정 및 토석류 발생 시뮬레이션 검증 등의 2차 연구 수행을 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
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