Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 10 pp. 678-684, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.10.678 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 신창주 1, 장인성 1*, 원덕희 1, 서정민 1, 백원대 1, 김기훈 2, 김종훈 3 1 한국해양과학기술원연안방재연구센터, 2 선박해양플랜트연구소수중로봇연구실, 3 ( 주 ) 희송지오텍 Sonar System Application for detection of underwater work space boundary using seabed type underwater equipments Changjoo Shin 1, In-Sung Jang 1*, Deokhee Won 1, Seo Jung-min 1, Won-Dae Baek 1, Kihun Kim 2, KIM JONG HOON 3 1 Coastal Disaster Prevention Research Center, Korea Institute of Ocean Science and Technology 2 Marine Robotics lab, Korea Research Institute of Ship & Ocean Engineering 3 Heesong Geoteck Co., Ltd. 요약수중사석고르기장비와같은착저형수중장비를활용하여해저면에서수중작업을수행할경우해당장비는작업경계면을정확히인식하고작업장내에자리잡고있는것이중요하다. 이는장비전복과같이장비안전사고와직결될수있기때문이다. 이때작업경계면표식을위해서는잠수부의도움이필수적인데, 이를위하여잠수부가수중작업을수행할때작업이용이하면서도시중에서쉽게구할수있으며재료를선정하는것이중요한데나일론줄을해저면에설치하여작업경계를표시하도록하였다. 수중에서주변환경을관찰하기위하여소나와팬틸트를이용하여소나시스템을구성하였으며이를이용하여거리변화에따른수중작업경계면탐지여부를확인하였다. 또한수중사석고르기장비에최종적으로소나시스템을설치하고나일론줄로표시된작업경계면에대한탐지여부를검증하였다. 본연구결과를활용하여착저형수중장비를이용한수중작업시작업경계면인식을수행할수있는방안을확보하였다. 작업경계면인식방안을활용할경우추후에개발될수있는다양한종류의착저형수중작업장비의작업절차에광범위하게적용할수있을것으로판단된다. Abstract The detection of an underwater work space boundary is very important when an underwater construction is carried out using seabed type underwater equipment, such as underwater machines for rubble mound leveling, because it can induce industrial disasters. Therefore, divers are needed to mark the underwater work space boundary. A nylon rope is used to improve the convenience during an underwater diver's work. The results showed that the work space boundary can be detected using a sonar system. Using these results, an efficient method to detect the underwater work space boundary can be obtained when an underwater construction is carried out using seabed type underwater equipment. Keywords : Sonar, Detection, Underwater work space boundary, Underwater equipment 1. 서론 한국해양과학기술원은 Fig. 1 과같이항만공사공정 중하나인수중사석고르기작업을수행할수있는수중사석고르기장비를개발하고있다. 수중사석고르기작업은다이버가수중에서수행하는업무중깊은수심, 강한 본연구는해양수산부미래해양산업기술개발사업인 항만수중공사용무인다목적기계화시공장비사업화 연구과제로수행된것으로, 이에관계자여러분께감사드립니다. * Corresponding Author : In-Sung Jang(Korea Institute of Ocean Science and Technology) Tel: +82-10-3262-7354 email: isjang@kordi.re.kr Received July 4, 2016 Accepted October 7, 2016 Revised (1st August 5, 2016, 2nd October 6, 2016) Published October 31, 2016 678
Fig. 1. Underwater equipment for rubble mound leveling 조류, 작업시발생하는부유물들로인한난시야등으로매우험한작업중하나이다 [1]. 이를극복하고안전한작업을수행하기위하여무인수중사석고르기장비를투입하고자한다. 장비가수중작업공간에투입되어수행할전체작업중가장위험한경우는장비가작업경계면을인식하지못하고가장자리에서전도되는상황이다. 따라서수중에서장비가작동함에있어작업경계면을항상인식할수있어야만한다. 수중작업시경계면인식을위한수중환경모니터링을수행할때광학카메라대신소나를이용하는것이유리하다 [2]. 개발장비를이용하여수중작업을수행하는데잠수사의도움이일부필요하다. 수중에서작업을수행하기위하여산업잠수부가요구되는데세계적으로통용되는산업잠수인증기관으로 ADCI[3], IMCA[4] 등이있으며해당기관들은산업잠수사에대한인증, 잠수작업기준을제시하고있다. 국내의경우산업잠수는최대 57.9m 로제한하며, 이때잠수시간은매우제한적이다 [5]. 즉, 개발장비의작업을보조하기위하여투입되는전문산업잠수사일지라도이들의안전을확보하기위해서는수중업무를최소화하는것이필요하다. Frias[6] 는 1.8MHz 주파수의음파를사용하는소나를탁도 5이하수중조건에서 3m 전방의물고기를명확히인식한바있다. 해당주파수를사용하는소나의경우매우깨끗한영상을보여주기때문에대상물인식하기에는유리하나, 고주파음파를사용하는관계로인하여탁도가높거나, 또는원거리탐지에는적합하지않은장비이다. Lee[7] 는소나를이용하여수중의인공표식물을탐지하는방법하고인식할수있는알고리즘을연구한바있다. 소나를이용하여수중표식물을인식하는것은매우유용한방법이다. 하지만이를위하여인공적으로표 시를하고동시에원하는수중의위치에정확하게이를설치한다는것은수중건설작업시많은경비와시간을요구하기때문에실제현장에서적용하기에는적합하지못한해결책이다. Sac[8] 은작동주파수 900kHz인이미징소나를이용하여수중에서 12m 떨어진전방대상물을관찰후해당대상물의표면을연속적으로나타낼수있도록시뮬레이션을수행한바있다. 상대적으로원거리를관찰할수있는 900kHz 이미징소나를활용하는것은적합한선택이지만, 소나영상을이용하여사용자가원하는깨끗한연속이미지를얻기위해서는실시간으로데이터처리가힘들어시뮬레이션으로만이미지처리를수행한바있다. Shin[2] 은수중장비가탁도가높은수중에서경계를인식함에있어나일론줄을활용할것을제안하였다. 나일론은가볍고도유연하며또한시중에서매우쉽게확보할수있기때문에잠수사가수중에서가장많이다루는장비중의하나이다. 하지만이를활용할시인지에대한한계, 및이를활용하기위한방안에대한연구는매우부족하다. 위와같이소나를활용한다양한선행연구는많이있으나, 수중건설작업에바로적용할수있도록하기위하여원거리탐지가능, 탁도조건에서도대상물인식을인식, 건설현장에서바로적용하기위한경제성및작업효율성을동시에고려되는소나의활용방안에대한연구는전무한상태이다. 본연구에서는수중사석고르기장비에탑재되는소나를이용하여경제적이면서도효율적으로수중작업장경계를표시하고이를인지할수있는방법, 한계, 그리고이를활용할수있는방안을제안하였다. 2. 실험장비및환경본실험을위하여 Blueview사의 2D 멀티빔이미징소나 P900-90을이용하였다. 해당소나의작동주파수는 900kHz, 시야각은 90 를가진다. 소나의빔갯수는 512 개이며작동가능수심은최대 1,000m, 공기중무게는 2.6kg이다 [9]. 해당소나는 2D 이미지를제공하는데마치흑백사진처럼음파의반사강도를이용하여명암차이에의한대상물이미지를제공한다. 소나는사진과는달리음파를이용하기때문에그영상이매우거칠고, 숙련자조차도대상물식별이어려운경우가다수있다. 이를극복하기위해서는팬틸트를사용하여대상물을다양한 679
한국산학기술학회논문지제 17 권제 10 호, 2016 Fig. 4. Prepared nylon rope (thickness of about 25mm and length of 10m) Fig. 2. Sonar and pantilt installed zig Fig. 5. Setting ranges between sonar and rope (10m, 20m, 30m) Fig. 3. South Sea Research Institute of KIOST (Captured at Google Earth) 각도로관찰하고소나사용자가대상물을인식하는것이필요하다. 이에 Sidus사의 SS109HT 팬틸트를사용하였다. 해당팬틸트의최대출력토크는 19Nm, 최대허용하중은 23kg으로소나를설치해도작동에무리가없다 [10]. 또한팬틸트의통신방식은 RS-485 시리얼통신을이용하기때문에장거리에서팬틸트제어가가능하다. 해당소나와팬틸트는수중사석고르기장비에장착되어운영되는것을감안하여 Fig. 2와같이동일한높이 (1.9m) 를가지는지그를만들어최상단에소나, 바로아래에팬틸트, 그리고하단에지그를조립하였다. Fig. 3 은 Google Earth에서캡쳐한한국해양과학기술원남해분원사진으로원형표시를한곳에서실험을수행하였다. 해당지역은평균 7 ~ 10m 내외의수심을가진다. 3. 수중장애물인식을위한실험 수중사석고르기장비가현장에서활용될경우장비전 용물건을따로준비하며다니는것은현장인부들에게있어매우불편한일이다. 따라서주위에서쉽게구할수있으며또한저렴한가격으로구할수있는인식표를준비하는것이필요하다. Shin[2] 은물속에서수중사석고르기장비를이용하여작업을수행할경우작업장경계면을인식하기위하여나일론줄을이용하는것을제안한바있다. 따라서본실험에서도나일론줄을활용하였다. Fig. 4와같이나일론줄을엮어두께약 25mm, 길이 10m가되도록준비하였다. 나일론줄두께 25mm를선정한이유는소나의거리분해능성능이 1 inch( 25.4mm) 이기때문이다. 분해능보다두꺼운나일론줄의경우대상물인식이원활할것으로판단되므로분해능의한계에가깝게선정하여이에대한특성을보고자나일론줄두께를 25mm로선정하였다. 거리에따른나일론줄인식여부를판명하기위하여 Fig. 5와같이소나와나일론줄사이의거리를실험변수로선정하고 10m, 20m, 30m 간격으로각세팅하여해저면에설치후관찰하였다. Fig. 6은해저면에설치된나일론줄을소나로관찰한이미지들이다. 10m, 20m에서는나일론줄이명확히인식되었다. 10m의경우 10m 길이의나일론줄전체가인식되었다. 20m에설치된나일론줄은 6m는확인이되는데나머지 4m 관찰이되지않았다. 이러한이유는잠수 680
(a) Range of 10m 부의증언으로확인할수있었다. 나일론줄을설치한장소앞에돌로이루어진언덕이일부존재하였으며동시에해조류속에설치되었다고한다. 이로인해하여 6m 길이의로프만확인될수있었다. 30m에설치된나일론줄은팬틸트를이용하여다각도로나일론줄을관찰하여야만해당줄이희미하게나마나타나찰나의순간으로확인이가능하였다. 4m는확인할수있으나나머지 6m 는관찰되지않았다. 30m 지점에설치된경우쉽게관찰되지않는이유를 Fig. 7과같이레이아웃을이용하여고찰하였다. 나일론줄의두께 (a) 0.025m, 소나와의거리 (L) 30m, 소나설치높이 (H) 1.9m가결정되어있다. 피타고라스정리에의하여 b1, b2는각각 30.09m, 30.06m이다. 이때소나에서보이는줄의두께는 c가되며, 이를계산하면 1.6mm가된다. 즉 25mm 두께의나일론줄을수중사석고르기장비의소나설치위치에서바라보게되면약 15배얇은 1.6mm 두께의나일론줄로보이게된다. 이는해저면에설치된 25mm 두께의나일론줄을관찰하는데있어소나성능의한계에가까운것으로판단되었다. (b) Range of 20m 4. 수중사석고르기장비에소나설치후결과비교 (c) Range of 30m Fig. 6. Nylon rope detection Fig. 7. Layout for calculation of rope detection 수중사석고르기장비는해저면에착저한상태로전진하여전방에놓인사석들을블래이드로밀고나가며고르기작업을수행한다. 전방에놓여있는사석들의상태를확인하며작업을수행하는장비의특성상로소나는지속적으로바닥면을관찰하고있어야한다. 따라서바닥면을바라보고있는소나에서작업장경계를알리기위한표식을확인할수있어야된다는것을의미한다. 이럴경우, 앞서 3장에서수행한것과같이표식을바닥면에설치함으로서작업경계확인을위한불필요한소나움직임이최소화하는것이합당하다고판단된다. Fig. 8과같이소나를수중사석고르기장비에설치하였다. 그리고해저면인식을위한표식으로서나일론줄해저면에설치하고이를명확히인식할수있는지확인해보았다. Fig. 9와같이장비에장착된소나와나일론줄사이의거리를 10m, 35m로각각설정하고해저면에설치후이를관찰하였다. 681
한국산학기술학회논문지제 17 권제 10 호, 2016 Fig. 8. Installed sonar at underwater equipment for rubble mound leveling Fig. 9. Setting ranges between sonar and rope (10m, 35m) Fig. 10(a) 는소나로부터 10m 떨어진위치에설치된나일론줄을확인한결과이다. 소나영상에서거리 1~3m 지점에밝은색의선이관찰되는데이것은수중사석고르기장비의다목적암과버켓이다. 확인된나일론줄은소나영상내타원으로표시한부분에나타나는것을확인하였다. Fig. 10(b) 는소나로부터 35m 떨어진위치에설치된나일론줄을확인한결과이다. 실험계획에의하면 30m 전방에나일론줄을설치하도록예정하였으나, 다이버에의하여실제설치된위치는소나전방 35m로확인되었다. 3장에서언급한것과같이 35m에설치된나일론줄의경우이를인식하는것이쉽지않았다. Fig. 10(b) 에서는나일론줄이확인되고있지만, 대상물을인식하기위하여장비가정지된상태에서해당나일론줄을탐지하기위하여팬틸트를이용하여 10분이상다각도로관찰하였고, 매우짧은시간잠시나타난뒤다시사라졌다. 이때탐지된나일론줄길이는 3m 이하로확인되었다. 이것은개발장비를이용하여수중작업을수행시작업장경계로표시된나일론줄인식을 30m 이상에있을경우매우어렵다는의미한다. 이를바탕으로개발장비를수중작업시안전하게이용하기위해서는전방의작업장경계표식을먼저확인후이상없을경우전진시작, 20m 전진후일시정지, 소나영상을통하여다시작업장경계표시인식을절차를반복하여수행하면될것으로판단된다. 5. 결론 (a) Range of 10m 본연구에서는 2D 멀티빔이미징소나를수중사석고르기장비에탑재하여수중작업장경계면을인식할수있는방안을실험및검증하였다. 이에대한결론은아래와같다. (b) Range of 35m Fig. 10. Nylon rope detection (1) 수중사석고르기장비에설치되어사용될소나가해저면에설치된 25mm두께의나일론줄을탐지할수있는거리는 30m 이하이다. (2) 수중사석고르기장비를이용하여수중작업을수행시작업경계면을인식하며안전하게작업을하기위한절차는 1 소나를이용하여전방의작업장경계표식유무확인 682
2 이상없을경우전진시작 3 20m 전진후일시정지를반복하는것이다.. [10] http://www.sidus-solutions.com/product/ss109ht-highperformance-pan-tilt-device/ 본연구를통하여정리된작업경계면인식절차를활용한다면수중사석고르기장비외추후에개발될착저형수중작업용장비의작업절차에광범위하게적용할수있을것으로판단된다. 이를통하여수중건설관련기계화산업에도움을줄수있을것이다. References 신창주 (Changjoo Shin) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 부산대학교기계공학부 ( 공학사 ) 2012 년 2 월 : 부산대학교기계공학부 ( 공학석 박사 ) 2012 년 6 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원재직 [1] In Sung Jang, Changjoo Shin, Kihun Kim and Won Dae Baek, "Development of Underwater Equipment for Rubble Mound Leveling of Port Construction Works", Proceeding of Autumn Conference on Korean Unmanned Underwater Vehicle, pp. 27-32, Nov. 2012. [2] Changjoo Shin, In-Sung Jang, Kihun Kim, Hyun-Tack Choi and Won Dae Baek, "Performance Analysis of Sonar System Applicable to Underwater Construction Sites with High Turbidity", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 14, no. 9, pp. 4507-4513, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.9.4507 [3] A. J. Bacharach, "A Short History of Man in the Sea", The Physiology and Medicine of Diving, 3rd Ed., London, pp. 1-14, 1982. [4] 박정식, 해군잠수의역할과잠수교육훈련체계발전방향, 한국해양대학교대학원석사논문, p.47, 2008. [5] Sin-Young Kang, "A Study on the Diving Standard for Underwater Work in Hostile Environment", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 5, pp. 735-742, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2010.34.5.735 [6] Sarah Frias-Torres, Jiangang Luo, "Using dual-frequency sonar to detect juvenile goliath grouper Epinephelus itajara in mangrove habitat", Endangered Species Research, vol. 7, pp. 237-242, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.3354/esr00138 [7] Yeongjun Lee, Jihong Lee, Hyun-Taek Choi, "A Framework of Recognition and Tracking for Underwater Objects based on Sonar Images : Part 1. Design and Recognition of Artificial Landmark considering Characteristics of Sonar Images", Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 51, no. 2, pp. 182-189, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5573/ieie.2014.51.2.182 [8] Hakan SAC, Kemal LEBLEBICIOGLU, Gozde BOZDAGI AKAR, "2D high-frequency forward-looking sonar simulator based on continuous surfaces approach", Turkish Journal of Electronical Engineering & Computer Sciences, vol. 23, pp. 2289-2303, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.3906/elk-1305-188 [9] http://www.blueview.com/products/2d-imaging-so nar/pseries-archives/p900-series/ 수중로봇, 센서융합, 소음진동 장인성 (In-Sung Jang) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 서울대학교공과대학토목공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 3 월 ~ 2002 년 12 월 : 한국해양과학기술원연수연구원 2001 년 3 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원재직 지반공학, 지반조사, 해양구조물, 수중시공장비 원덕희 (Deokhee Won) [ 정회원 ] 강구조및합성구조, 해양구조, 구조해석 2008 년 8 월 : 고려대학교사회환경시스템공학과 ( 구조공학석사 ) 2011 년 8 월 : 고려대학교건축사회환경공학과 ( 구조공학박사 ) 2011 년 9 월 ~ 2012 년 6 월 : 고려대학교연구교수 2012 년 6 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원재직 683
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