KR20060012556A

KR20060012556A - 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법

Info

Publication number: KR20060012556A
Application number: KR1020050129958A
Authority: KR
Inventors: 이성민; 김영근; 조용범; 박승수; 최재붕
Original assignee: 한국가스공사연구개발원
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2006-02-08

Abstract

본 발명은 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법에 관한 것으로, 가속도센서로부터의 감지 신호에서 소정 주파수 대역에서의 주파수 스펙트럼 밀도를 분석하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 판단의 신뢰도를 제고시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법은 (a) 가스배관의 임의의 두 지점에 인접하게 설치된 가속도센서로부터 감지신호를 입력받는 단계; (b) 단계 (a)에서 입력된 감지신호에 대해 FFT 처리를 수행하는 단계; (c) 단계 (b)에서 FFT 처리된 주파수 신호에 대해 PSD와 CSD를 계산하는 단계; 및 (d) 계산된 PSD의 지배적인 주파수 및 CSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하는 경우에는 타공사에 의한 신호라고 판단하여 경보를 발생시키고, 속하지 않는 경우에는 이를 무시하는 단계를 포함하여 이루어진다.

타공사, 가스, 배관, 파이프, 주파수, FFT, PSD, CSD, 경보

Description

주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법{Third-party damage monitoring method by PSD/CSD analysis}

도 1 은 종래 기술에 따른 타공사 감시 시스템의 개략적인 블록 구성도.

도 2 는 도 1 에 도시된 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도 3 은 본 발명의 기술에 따른 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법을 설명하기 위한 가속도센서의 설치 상태 예시도.

도 4a 내지 도 4d 는 브레이커 임팩트에 의한 타공사 발생시 도 3의 각 센서 설치 지점에서의 시간 및 주파수 도메인의 신호 파형을 보인 그래프.

도 5a 내지 도 5d 는 햄머드릴 임팩트에 의한 타공사 발생시 도 3의 각 센서 설치 지점에서의 시간 및 주파수 도메인의 신호 파형을 보인 그래프.

도 6a 및 도 6b 는 각각 브레이커 임팩트 및 햄머드릴 임팩트에 의한 타공사 발생시 도 3의 C 및 D 지점에서의 PSD 및 CSD 파형을 보인 그래프.

도 7 은 본 발명의 기술에 따른 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법을 설명하기 위한 흐름도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10. 가스배관 20, 30. 가속도센서

40. 증폭기/대역여파기 50. 신호처리기

60. 모뎀 70. 데이터분석처리기

80. 모니터 90. 알람

본 발명은 가스배관에 대한 타공사 감시 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도센서로부터의 감지 신호에서 소정 주파수 대역에서의 주파수 스펙트럼 밀도를 분석하여 타공사 발생 여부를 판단하는 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법에 관한 것이다.

일반적으로 1950년대 이후 편리하고 경제적인 에너지원 수송방법으로 배관을 이용한 수송방법이 크게 각광받고 있으며, 현재 많은 에너지원이 원거리 수송이 용이한 배관을 통해 이루어지고 있다. 이러한 배관 중 천연가스 수송에 사용되는 매설배관은 그 매설범위가 광범위하고 인구 밀집지역에도 설치되는 특징으로 인해 파손으로 인한 가스누출이나 폭발과 같은 대형사고를 유발할 수 있다.

한편, 최근 자료의 분석에 따르면 천연가스 매설배관 손상은 배관 내부 압력변화나 부식을 원인으로 하는 것보다 배관 주변의 토목공사 중 굴착장비 등에 의한 직접적인 타격(이하, "타공사(Third-Party Damage)"라 한다)이 더 큰 위험요소로 작용하고 있는 것으로 분석되고 있는데, 타공사는 배관 파손의 주요 원인일 뿐만 아니라 특히 사고가 발생한 경우에 유발될 수 있는 경제적, 인적 피해규모가 막대하다는 점에서 그 방지대책의 마련이 필수적이라고 할 수 있다.

따라서, 이를 방지하기 위한 대책의 일환으로 본 출원인은 가스배관에 가해지는 충격을 유/무선데이터 통신망을 이용하여 실시간으로 모니터링하여 이를 감시 자가 인식할 수 있도록 표시하거나 위험신호를 발생함으로써 사고발생을 미연에 방지할 수 있는 가스배관 감시 시스템을 특허출원하여 특허번호 제402685호로 등록(발명의 명칭: 타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링 시스템 및 가스배관의 충격위치 산출방법)한 바 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 타공사 감시 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이 가스배관(10)에 충격이 가해질 경우 충격파는 배관의 가스를 타고 양방향으로 전파하게 되는데, 이를 감안하여 종래 타공사 감시 시스템은 가스배관(10)의 양쪽 가장자리에 배관의 충격을 감지할 수 있도록 된 가속도센서A, B(20, 30)를 설치한 상태에서 가속도센서A, B(20, 30)에 의해 감지된 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭기 및 대역여파기(40)를 거친 아날로그 신호를 대응되는 크기의 디지털 신호로 변환, 즉 A/D 변환하여 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 실시간으로 무선 송/수신하는 무선 모뎀(60), 무선 모뎀(60)을 통해 전달받은 데이터를 실시간으로 분석하여 타공사의 발생 여부를 분석하는 데이터 분석처리기(70) 및 데이터 분석처리기(70)에서 처리된 분석결과를 디스플레이하는 모니터(80)와 타공사의 발생시 이를 경보하는 알람(90)을 포함하여 구성된다.

전술한 바와 같은 구성에서 데이터 분석처리기(70)는 양쪽 구간의 충격신호 데이터를 비교하여 타공사의 발생되었다고 판단되는 경우에는 알람(90)을 통해 관리자에게 경보함과 아울러 양쪽 구간의 충격신호 데이터가 도착한 시간차에 의거하여 충격위치를 연산한 후에 모니터(80) 등을 통해 관리자에 알려주게 된다.

도 2 는 도 1 에 도시한 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2 에 도시된 바와 같이 가스배관(10)의 일측 끝단에 고정적으로 설치된 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서A(20)가 배관에 가해지는 충격을 감지하면 감지신호는 먼저, 증폭기(40)에서 10V/g로 증폭된 후에 다시 대역여파기(band pass filter, 40)를 통해 1Hz∼1kHz대역의 신호만이 추출되게 된다. 다음으로, 신호처리기(50)에서는 이렇게 필터링된 신호를 미리 정해진 기준신호와 비교하여 필터링된 신호가 기준신호보다 큰 경우에는 트리거신호를 출력하는데, 이때 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형을 무선 모뎀(60)을 통하여 데이터 분석처리기(70)에 보낸다.

마찬가지의 방법으로, 가스배관(10)의 반대쪽 끝단에 고정적으로 설치된 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서B(30)가 가스배관(10)에 가해지는 충격을 감지하면 감지신호는 먼저, 증폭기(40)에서 10V/g로 증폭된 후에 다시 대역여파기(40)를 통해 1Hz∼1kHz대역의 신호만이 추출되게 된다. 다음으로, 신호처리기(50)에서는 이렇게 필터링된 신호를 미리 정해진 기준신호와 비교하여 필터링된 신호가 기준신호보다 큰 경우에는 트리거신호를 출력하는데, 이때 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형을 이더넷(ethernet)을 통해 데이터 분석처리기(70)로 보내게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 트리거신호의 발생시간과 필터링된 신호의 파형이 이더넷(ethernet)을 통해 데이터 분석처리기(70)로 들어오면 데이터 분석처리기(70)에서는 이들 데이터를 비교 분석하여 타공사의 발생 여부를 최종적으로 판단하 고, 타공사가 발생된 것으로 최종적으로 판단된 경우에는 이를 관리자에게 경보함과 아울러 미리 정해진 알고리즘에 의해 타공사의 발생위치를 산출하여 모니터에 디스플레이하게 된다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 타공사 감시 시스템에 따르면 단순히 가속도 센서에서 감지된 감지 신호의 크기를 미리 정해진 기준치와 비교한 결과에 따라 타공사의 발생 여부를 판단하기 때문에 외부에서 발생된 노이즈 자체 또는 이에 의한 간섭 등으로 인해 판단 결과에 대한 신뢰성이 현저하게 떨어진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 가속도센서로부터의 감지 신호에서 소정 주파수 대역에서의 주파수 스펙트럼 밀도를 분석하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 판단의 신뢰도를 제고시킬 수 있도록 한 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법은 (a) 가스배관의 임의의 두 지점에 인접하게 설치된 가속도센서로부터 감지신호를 입력받는 단계; (b) 단계 (a)에서 입력된 감지신호에 대해 FFT 처리를 수행하는 단계; (c) 단계 (b)에서 FFT 처리된 주파수 신호에 대해 PSD와 CSD를 계산하는 단계; 및 (d) 계산된 PSD의 지배적인 주파수 및 CSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하는 경우에는 타공사에 의한 신호라고 판단하여 경보를 발생시키고, 속하지 않는 경우에는 이를 무시하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법의 바람직한 실시 예에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명의 기술에 따른 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법을 설명하기 위한 가속도센서의 설치 상태 예시도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이 가속도 센서는 각각 가스배관에 접촉하여 가스배관의 A, B, C 및 D지점에 설치되어 있다. 이때, A지점의 가속도센서와 B지점의 가속도센서는 1㎞만큼 떨어져서 설치되어 있고, B지점의 가속도센서와 C지점의 가속도센서는 6.5㎞만큼 떨어져서 설치되어 있으며, C지점의 가속도센서와 D지점의 가속도센서는 7㎞만큼 떨어져서 설치되어 있고, 타격점은 B지점인 것으로 하여 실험을 진행하였다. 이러한 상태에서 브레이커 임팩트에 의한 타공사 발생시 각 센서 설치 지점에서의 시간 및 주파수 도메인의 신호 파형은 도 4a 내지 도 4d 와 같다.

그리고, 도 3 의 설치 상태에서 햄머드릴 임팩트에 의한 타공사 발생시 각 센서 설치 지점에서의 시간 및 주파수 도메인의 신호 파형은 도 5a 내지 도 5d 와 같다. 한편, 브레이커 임팩트 및 햄머드릴 임팩트에 의한 타공사 발생시 도 3의 C 및 D 지점에서의 PSD 및 CSD 파형은 도 6a 및 도 6b 와 같다.

도 4 내지 도 6 의 신호 분석 결과에서 알 수 있는 바와 같이 가스배관에 충격을 가하는 타공사 종류에 있어서 5㎞ 이내에서 가스배관을 통해 전파되는 탄성파는 가스배관이 매설된 경우 토양과 가스배관과의 상호작용에 의해 탄성파는 감쇄되 어 신호가 전파되지 못하게 된다. 즉, 고주파 신호이기 때문에 가스배관과 접하고 있는 땅으로 손실되게 된다. 따라서, 5㎞ 이상인 C지점과 D지점에서 수집된 데이터는 저주파 영역인 타공사 신호로써 배관의 매질을 따라 특정 중심 주파수의 범위를 지닌 신호들이 전파되고 있다. 아래의 표 1 및 도 2 는 C지점과 D지점 사이의 PSD 및 CSD의 지배적인 주파수 범위를 보이고 있다.

구분	C(6.5km)	D(13.5km)
브레이커 임팩트	100∼300Hz	100∼300Hz
햄머드릴 임팩트	100∼300Hz	100∼300Hz

	브레이커 임팩트	햄머드릴 임팩트
CSD	100∼300Hz	100∼300Hz

나아가, 신호 분석 결과 타공사 신호는 특정 주파수 범위(100∼300㎐)를 보이며, 배관 매질을 따라 약 42㎧의 속도로 전파되고 있었다. 또한, 타공사 신호 대 배관 자체의 노이즈의 크기를 비교해 본 결과 가장 먼거리인 D지점에서도 특정 문턱값(약 2배) 이상 차이를 보임으로써 성공적인 실험이었음이 확인되었다. 결론적으로, PSD와 CSD의 지배적인 주파수 범위를 체크하면 타공사에 의한 신호인지 노이즈에 의한 신호인지를 파악할 수가 있다.

그런데, 스펙트럼 분석(Spectral Analysis)은 유한한 개수의 주어진 자료에 대하여 자료가 포함하고 있는 주파수를 분석하는 방법이다. 푸리에 변환(Fourier Transform)은 이론적으로 무한하고 연속인 신호를 다루지만, 현실 자연과학에서 취급하는 자료는 유한하고 수집(Sampling)된 자료이다.

따라서, 위신호(Aliasing) 현상이 나타나게 된다. 주파수 분석을 기본적으로 사용되는 툴은 FFT(Fast Fourier Transform)이다. 이 툴은 기본적으로 받아들이는 입력이 유한한 개수의 자료이고, 출력은 이 자료에 대한 푸리에 급수를 통한 주파수 정보이다. 이 방식을 통하여 신호의 파워 스펙트라(Power Spectra)를 추정하는 것이 기본적인 스펙트럼 분석방법이라 할 수 있고 대표적인 것으로 PSD와 CSD를 들 수 있다.

여기에서, PSD(Power Spectral Density)는 단위 주파수당 파워를 의미하는데, 두 개의 타공사 신호를 분석하여 PSD가 주파수 대역에서 일치할 때 이를 타공사로 판정할 수 있다. 한편, CSD(Cross Spectral Density) 역시 주파수 분석 방법으로 교차 파장 분석이라고도 하는데, 두 개의 신호에서 교차 동일 정도를 분석하는 것에 의해 신호의 신뢰성을 검증함으로써 타공사 신호로 판정할 수 있게 된다.

도 7 은 본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법을 설명하기 위한 흐름도로, 기본적으로 도 1 에 도시한 시스템을 기반으로 수행될 수 있다.

도 7 에 도시된 바와 같이 먼저, 단계(S10)에서는 가속도센서로부터 감지신호가 입력되었는지를 판단하는데, 입력되지 않은 경우에는 단계(S10)로 복귀하고, 입력된 경우에는 단계(S12)로 진행하여 입력된 감지신호에 대해 FFT 처리를 행하게 된다.

다음으로, 단계(S14)에서는 단계(S12)에서 FFT 처리된 주파수 신호에 대해 PSD와 CSD를 계산하고, 이어지는 단계(S16)에서는 가속도센서가 설치된 인접한 두 지점의 PSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하는지를 판단하게 된다.

단계(S16)에서의 판단 결과 가속도센서가 설치된 인접한 두 지점의 PSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하지 않는 경우에는 단계(S22)로 진행하여 타공사에 의한 신호가 아닌 노이즈라고 판단하여 이를 무시하고, 속하는 경우에는 다시 단계(S18)로 진행하여 인접한 두 지점의 CSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하는지를 판단한다.

단계(S18)에서의 판단 결과 인접한 두 지점의 CSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하지 않는 경우에는 단계(S22)로 진행하여 타공사 신호가 아닌 노이즈라고 판단하여 이를 무시하고, 속하는 경우에는 단계(S20)로 진행하여 타공사에 의한 신호라고 판단하여 경보를 발생시키게 된다.

본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법에 따르면, 가속도센서로부터의 감지 신호에서 소정 주파수 대역에서의 주파수 스펙트럼 밀도를 분석하여 타공사 발생 여부를 판단함으로써 판단의 신뢰도를 제고시킬 수가 있다.

Claims

(a) 가스배관의 임의의 두 지점에 인접하게 설치된 가속도센서로부터 감지신호를 입력받는 단계;

(b) 상기 단계 (a)에서 입력된 감지신호에 대해 FFT 처리를 수행하는 단계;

(c) 상기 단계 (b)에서 FFT 처리된 주파수 신호에 대해 PSD와 CSD를 계산하는 단계; 및

(d) 상기 계산된 PSD의 지배적인 주파수 및 CSD의 지배적인 주파수가 미리 정해진 기준 주파수 범위에 속하는 경우에는 타공사에 의한 신호라고 판단하여 경보를 발생시키고, 속하지 않는 경우에는 이를 무시하는 단계를 포함하여 이루어진 주파수 스펙트럼 밀도 분석에 의한 타공사 감시 방법.