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Nikkei Robotics_2018.10 Case Study (p22-27)

전국 하천의 유량 계측에 드론 도입
호우 시의 인력 작업에서 탈피, 측량 사업자의 부담 경감

태풍이나 호우 시 드론으로 하천 상황을 효율적으로 파악하려는 움직임이 추진되고 있다. 군마현에서 환경계측기기 판매와 관측서비스를 전개하는 TYPE-S가 하천의 유량 관측에 드론을 도입하였다.

TYPE-S는 2018년 4월, 니가타현 오지야시를 흐르는 시나노가와(信濃川)에서 드론으로 유량을 관측. 드론이 자율비행으로 강을 횡단하면서 상공에서 강의 흐름을 계측하였다. 드론에 탑재한 것은 소형 전파유속계. 요코가와전자기기가 드론 용으로 개발한 것이다.

국토교통성 지방정비국이 관할하는 일급 하천은 전국에 1만 4,000개 이상이다. 이들 하천의 유량 관측은 법령으로 의무화되어 있다. 큰비로 하천이 불어났을 때 실시하는 관측과 평상시에 월 1회 정도 실시하는 2종류가 있다. 이번에는 사람이 강에 접근하지 못하는 긴급 재해 시에 실시하는 유량 관측에 드론을 사용하였다. 수량이 작은 평상시는 위험이 적기 때문에 계측도 쉽지만 하천의 범람 가능성이 있는 재해 시는 위험이 동반하는데다 많은 일손이 필요했다.

-- 측량업자 잇달아 철수 --
하천의 유량 관측은 사람들의 생활을 지원하는 치수∙이수의 운용 계획에 있어서 반드시 필요하다. 특히, 증수 시의 최고치 데이터를 취득하는 재해 시의 유량 관측은 제방 높이를 견적하는 등의 하천 계획을 세우는데도 중요하다.

유량 관측에서는 강의 단면을 흐르는 단위 시간 당 물의 양을 계측한다. 이 때문에 수위처럼 수위계를 한 곳에 설치하면 관측할 수 있는 간단한 것이 아니다. 사전에 강의 단면을 측량하거나 넓은 강 폭을 몇 개로 분할하여 여러 곳에서 유속을 측정할 필요가 있기 때문이다. 강의 단면적은 그렇게 큰 변화가 없기 때문에 기본적으로는 일년에 여러 번 평상시에 측량한다. 사람이 보드로 강을 횡단하면서 계측 막대를 강바닥에 꽂아서 수심을 계측한다.

유속의 계측 방법에는 여러 가지가 있지만 재해 시도 포함하여 가장 널리 이용되고 있는 것이 부표를 이용하는 ‘부표측량법’이다. 막대 모양의 부표를 사람이 다리 위에서 강으로 낙하. 하천 부지에 있는 관측원이 강을 떠내려 오는 부표의 통과시간을 스톱워치로 계측함으로써 유속을 구한다.

이 외에도 초음파식 유속계를 보드에 장착하여 계측하는 ‘ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)’라는 방법도 있다. 그러나 이러한 방법들은 근처에 다리가 없거나 붕괴 등으로 다리를 사용할 수 없는 경우에는 계측이 불가능하다는 문제가 있다.

부표측량법은 하천의 증수 시에 하천부지에 들어갈 필요가 있어 안전 문제도 있다. 재해 시의 관측에는 위험이 동반되는 경우도 있어 측량사업자가 사업에서 철수하는 일이 이어지고 있다. 이에 따라 노동력 부족도 심각해지고 있는 것이다.

측량사업자는 지방정비국이 관할하는 하천사무소로부터 의뢰를 받아 태풍이나 호우 등의 예보가 나올 때마다 24시간 체제로 대기한다. 관측은 1곳 당 최저 5인 1조가 되어 작업을 해야 하기 때문에 하루에 돌 수 있는 하천의 수는 한정적이다. 하천 범람의 위험이 동반되는 가운데 다리 위나 강 옆에서 작업을 해야 하는 작업자의 부담이 컸다. 이번 대책은 관측에 드론을 이용함으로써 이러한 부담을 줄이기 위한 것이다.

-- 인프라가 정비되지 않은 유량 관측 --
하천의 유량은 수위와는 달리 자동 계측할 수 있는 인프라가 정비되어 있지 않다. 수위 관측은 전국에 약 2,000곳 있는 수위관측소에서 자동 계측할 수 있는 등 IoT화가 추진되었다. 그러나 유량 관측은 지금도 대부분 사람에게 의지하고 있는 것이 실정이다.

다리에 부설하여 자동으로 유속을 관측할 수 있는 전파유속계가 20년 전부터 나왔지만 많이 보급되지 못했다. 전국 약 60곳에 도입되었으며 보급률은 3% 정도에 불과하다.

전파유속계 자체가 1개에 400~500만엔으로 고가인데다 유량 관측은 강 폭 전체를 커버하기 위해 여러 개를 설치할 필요가 있어 비용이 커지기 때문이다. 전파유속계로 강 폭 100m의 하천 유량을 관측하려고 하면 수천만 엔의 도입 비용이 든다.

삼각에 올려 사용하는 포터블형 전파유속계도 있지만 이것도 도입은 100대 정도에 그쳤다. 이러한 포터블형 전파유속계도 다리가 없는 곳에서는 계측할 수 없다.

-- 기상관측용 드론에서 착안 --
상공을 비행하는 드론이라면 이러한 문제를 해결할 수 있지 않을까? TYPE-S는 원래 기상관측용으로 드론을 이용하고 있다. 드론에 유속계를 장착하면 하천의 유량 관측에도 사용할 수 있지 않을까 생각했다.

TYPE-S는 기상관측 기기를 드론에 탑재하여 상공에서의 풍향이나 풍속, 온도, 습도와 같은 기상정보를 제공하는 서비스를 전개하고 있었다. 지금까지는 풍력발전 계획시의 사전 조사나 로켓발사 전 조사 등에 사용하였지만 이번에 유량 관측으로도 용도를 넓혔다.

TYPE-S는 우선 기존의 포터블형 전파유속계를 드론에 탑재하는 것을 생각했다. 2016년 3월경에 요코가와전자기기의 전파유속계 ‘RYUKAN’을 구입. 질량 1kg 정도의 전파유속계를 드론에 탑재할 수 있도록 1년에 걸쳐 자사에서 소형∙경량화를 검토했다.

2017년 4월에는 요코가와전자기기가 드론용 전파유속계의 공동 개발을 TYPE-S 측에 의뢰하면서 새로운 프로젝트가 시작되었다. 원래 요코가와전자기기는 자사의 지상용 수위계나 우량계 등을 TYPE-S에 납품하고 있어 인연이 있었다. 2018년 2월에는 질량을 400g으로 경량화한 드론용 전파유속계를 완성, 이번 도입에 이르렀다.

-- 측선(側線)에 따라 자동 계측 --
TYPE-S가 니가타현 오지야시의 시나노가와(信濃川)에서 실시한 드론을 사용한 유량 관측 사례를 살펴보자. 드론은 오지야시의 아사히바시(旭橋) 하류 부근에서 이륙. 수면에서 5m 정도의 높이를 자율비행, 강 폭 100m 정도의 하천을 횡단하면서 계측하였다.

사진 측량이나 인프라 점검 등과 같이 카메라를 사용한 촬영이라면 이동하면서도 가능하다. 그러나 전파유속계의 경우는 정해진 어느 관측 지점에서 1분 정도 멈춰서 유속을 계측해야 한다. 때문에 각 관측 지점에서 드론을 호버링시키면서 계측하였다.

유속의 관측 방법은 총리부령 ‘수위 및 유량조사작업규정준측’에 정해져 있다. 유속은 강 폭 방향에 따라 다르기 때문에 여러 곳에서 계측할 필요가 있다. 강을 강폭 방향으로 여러 개로 분할한 것을 측선이라 하는데 이 측선 별로 계측한다. 이번 드론을 이용한 계측에서도 이 측선 별로 유속을 관측하였다. 부표를 투하할 경우나 다리에 고정하는 타입의 전파유속계로 계측하는 경우도 마찬가지다.

측선 수는 강폭에 따라 정해져 있다. 아사히바시(旭橋) 부근의 시나노가와(信濃川)의 경우는 측선이 10개 정도다. 이번 드론은 한번 비행으로 5곳을 계측, 자동으로 시작 지점으로 귀환한다. 사전에 정한 경로에 따라 GPS로 자율 비행한다. 강풍으로 인해 자율 비행이 불가능한 경우를 대비하여 오퍼레이터가 수동으로 조종할 수 있도록 대기하였다. 기체는 자율제어시스템연구소(ACSL)의 측량∙점검용 기종인 ‘PF1-Survey’를 이용하였다.

전파유속계의 조작 자체는 현시점에서는 작업자가 수동으로 한다. 작업자는 컨트롤러의 화면으로 드론이 관측 지점에 도착한 것을 확인하고 전파유속계를 조작하였다. 앞으로는 자동 셔터 기능처럼 드론이 자동으로 계측을 시작하는 시스템을 도입한다. 장기적으로는 혼자서도 계측이 가능할 것으로 보고 있다. 5명이 1조가 되어 실시했던 기존의 부표관측과 비교하여 노동력을 크게 줄일 수 있다.

-- 레이저로 기체 속도를 계측하여 보정 --
이번에 이용한 전파유속계는 도플러 효과로 유속을 계측한다. 강의 수면을 향해 마이크로파를 발사하면 그 반사파는 강의 흐름에 의한 표면의 물의 움직임에 따라 도플러 시프트를 받는다. 이 주파수 변화량으로 유속을 계측한다. 전파유속계는 드론에 45도로 비스듬하게 하향 장착하여 전파를 수면에 비스듬하게 투사시키도록 하였다. 파도로 수면이 기울면 원래 방향으로 전파가 되돌아간다.

-- 부표 투하도 드론으로 --
-- 농약살포 드론에서 힌트 --

  -- 끝 --