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보고서 요약서
요약문
목차
제1장 연구개발과제 개요 19
제1절 연구개발의 목적 및 필요성 19
1. 연구개발의 목적 19
2. 연구개발의 필요성 19
제2절 연구개발의 내용 및 범위 23
1. 무인 로봇선 개발 범위 24
2. 자동채수시스템 및 수문정보 획득시스템 개발 범위 25
3. 하천정보 관리시스템 개발 범위 25
제3절 관련분야의 국내외 기술개발 현황 26
1. 관련기술의 특허 및 차별성 26
2. 관련분야 국내외 기술개발 현황 및 차별성 29
제4절 연구개발 결과가 관련분야에서 차지하는 위치 33
제2장 연구개발 수행 내용 및 결과 34
제1절 연구수행 전략 및 방법론 34
제2절 자동 유량 산출 및 채수 시스템 개발 결과 38
1. 이론적 고찰 38
2. 무인 로봇선 개발 52
3. 자동 채수 시스템 개발 64
4. 하천정보 관리 시스템 개발 76
제3절 시스템 적용 실험 및 분석 결과 100
1. 자동 채수시스템 운용 실험 및 분석 100
2. 하천정보 관리 시스템 운용 실험 및 분석 106
제3장 연구성과 및 적용실적 147
제1절 핵심요소기술별 성과물 147
1. 무인 로봇선 개발 147
2. 자동 채수 시스템 148
3. 수문정보 획득시스템 개발 149
제2절 주요 연구성과 150
1. 학술적 성과 150
2. 기술적 성과 151
제3절 기술 실시 및 적용사례 157
제4절 기술개발 성과의 국내외 시장 전망 161
1. 정부지원정책 현황 161
2. 관련 분야 시장현황 162
제4장 연구목표 달성 및 효과 165
제1절 연구개발 최종목표 달성도 165
제2절 연구개발 성과의 기술적 효과분석 167
제3절 연구개발 성과의 경제적 효과분석 168
1. 비용 절감 효과 168
2. 시장창출 및 고용창출 효과 172
제4절 연구개발 성과의 정책적 효과분석 173
제5장 연구성과의 활용 및 추가연구 필요성 174
제1절 연구성과 향후 활용방안 174
제2절 추가연구 필요성 174
참고문헌 175
부록 177
부록 1. 논문, 특허 등 정량적 성과와 정성적 성과 177
부록 2. GPS에코사운더 측정 데이터 1 180
부록 3. GPS에코사운더 측정 데이터 2 184
부록 4. 예정항로 일치 여부 분석 결과 188
부록 5. 유속 및 수질 센서 측정 데이터 190
부록 6. 수질 센서 측정 데이터 194
표 2.1. 국가별 수위 관측소 밀도 20
표 2.2. 국가수질측정망의 조사항목, 횟수 및 시기(하천수) 22
표 2.3. 중권역별 하천측정망의 밀도 비교 23
표 2.4. 연차별 연구목표 및 주요 연구내용 35
표 2.5. 기술개발 세부내용 및 추진방법 36
표 2.6. 수질오염공정시험기준 변경방안 39
표 2.7. Seabotix사 HPDC1513 모델 쓰러스터의 주요사양 52
표 2.8. 무인 로봇선 선체의 제원 53
표 2.9. 전원공급 장치의 기본사양 54
표 2.10. 자동수질 측정센서의 사양 56
표 2.11. 하상정보 수집을 위한 음향측정센서의 세부 사양 57
표 2.12. 유속계 사양 58
표 2.13. 지그비 통신장치 세부 사양 60
표 2.14. 관절 각도에 따른 수평 및 수직 거리 66
표 2.15. 요구 깊이에 따른 회전수 68
표 2.16. 하천정보 관리 시스템의 기능 76
표 2.17. GPS와 음향측심기의 원시 데이터 93
표 2.18. 실험에 사용된 장비의 제원 107
표 2.19. 로봇선 속도 분석 결과 111
표 2.20. GPS와 음향측심기의 원시 데이터 111
표 2.21. 인접성 분석결과의 기술통계값 116
표 2.22. 무선 인터넷 품질 비교 118
표 2.23. DB에 저장된 송수신명령 원시데이터 124
표 2.24. 대상지역의 측정 수질 정보 비교 137
표 2.25. 수질 분포도 작성 결과 142
표 2.26. 현장적용 실험 결과 146
표 3.1. 학술적 성과 150
표 3.2. 특허등록 현황 151
표 3.3. 소프트웨어 등록 현황 154
그림 2.1. 시스템 개요도 19
그림 2.2. 유속-단면법에 의한 유량 측정 방법 21
그림 2.3. 무인 로봇선 구성(안) 25
그림 2.4. 채수 컨테이너 개념도 25
그림 2.5. 수직이동 조절장치 개념도 25
그림 2.6. 하천정보 3차원 시각화 프로그램 개념도 26
그림 2.7. 자동 유량 산출 프로그램 개념도 26
그림 2.8. 하천 횡단면도 제작 프로그램 26
그림 2.9. 수질분포도 작성 개념도 26
그림 2.10. 3차원 하상 지형 분포도 작성 개념도 26
그림 2.11. 유량 및 수질 측정을 위한 무인 장치 30
그림 2.12. 자동 수질 측정을 위한 로봇 물고기 30
그림 2.13. SonTek사의 유량측정 장치 31
그림 2.14. 한국해양과학기술원의 다목적 무인선 32
그림 2.15. KAIST에서 개발한 자율운항 무인선 32
그림 2.16. 기술개발 내용 및 추진 체계 35
그림 2.17. 하천수 채수지점 38
그림 2.18. 하천수의 채수위치 39
그림 2.19. 로봇선 자동운항 알고리즘 41
그림 2.20. 직선에서 점까지의 y축 방향 수직거리 42
그림 2.21. 로봇선의 진행방향과 유속벡터 43
그림 2.22. 로봇선 속도벡터와 유속벡터와의 관계 44
그림 2.23. 로봇선의 단위벡터와 로봇선에서 목표점까지의 위치벡터와의 관계 45
그림 2.24. 유속벡터에 의한 로봇선의 진행 경로 변화 46
그림 2.25. Move Rotation을 통한 자동운항 48
그림 2.26. LOS를 적용한 자동제어 정확도 개선 49
그림 2.27. 자동제어 알고리즘 절차 49
그림 2.28. 자동운항 알고리즘 육상적용 실험 50
그림 2.29. 추진기 위치에 따른 중심에서의 회전반경 비교 51
그림 2.30. 추진기 위치에 따른 선미에서의 회전반경 비교 51
그림 2.31. 기존 무인선의 추력장치 및 부속장치 52
그림 2.32. 선체의 추진기 장착 위치 53
그림 2.33. 방수 케이스의 설계도 54
그림 2.34. 방수 케이스의 제작 결과 54
그림 2.35. 기존 채수 방법 55
그림 2.36. 자동 수질측정 센서 구성 55
그림 2.37. 자동 수질측정 센서 마운트 제작 56
그림 2.38. 하상정보 수집을 위한 음향측정 센서 57
그림 2.39. RF 통신 모뎀 및 송수신 안테나 58
그림 2.40. 스마트폰을 이용한 무선 인터넷 통신 개념도 59
그림 2.41. 지그비를 이용한 무선통신 개념도 59
그림 2.42. 통신포트 설정화면 60
그림 2.43. 통신 연결이후 데이터 수신 결과 61
그림 2.44. 로봇선 제어 프로그램 61
그림 2.45. 로봇선 제어 및 데이터 수집 프로그램 62
그림 2.46. 원격제어 데이터 처리과정 62
그림 2.47. 캐드 기반의 자동항로 작성화면 63
그림 2.48. 자동 항로 설정 화면 63
그림 2.49. 자동 항로 운항 명령 파일 예시 64
그림 2.50. 자동 채수시스템의 개념 65
그림 2.51. 채수 리프트의 하강 수치 계산을 위한 개념도 65
그림 2.52. 채수 리프트 설계도 66
그림 2.53. 수평 이동 거리에 따른 수직이동 거리 67
그림 2.54. 요구 깊이에 따른 모터의 회전수 68
그림 2.55. 채수 리프트의 프레임 구조 및 재질 변경 69
그림 2.56. 채수 리프트 하강을 위한 동력전달 장치 69
그림 2.57. 수평이동 변화에 따른 채수 리프트 하강 시뮬레이션 69
그림 2.58. 관절식 채수 리프트 개발 결과 70
그림 2.59. 관절식 채수 리프트 승강 시험 70
그림 2.60. 수직이동 가능한 장치의 종류 71
그림 2.61. 수직체인의 원리와 사례 71
그림 2.62. 체인원리를 이용한 수직상승과 하강 연결부 설계 72
그림 2.63. 채수 리프트 설계 단면도 72
그림 2.64. 채수 리프트 및 채수컨테이너 결합 72
그림 2.65. 채수 리프트 하강 시뮬레이션 결과 73
그림 2.30. 기존 채수장치인 채수통 74
그림 2.67. 채수 컨테이너 설계(안) 74
그림 2.68. 기계식 공압 밸브 75
그림 2.69. 개발된 카트리지형 채수 컨테이너 75
그림 2.70. 채수통과 밸브의 연결 부분 75
그림 2.71. 채수 컨테이너의 가압 및 제어장치 76
그림 2.72. 하천정보 관리 시스템 구성도 77
그림 2.73. 하천정보 관리 시스템의 기능 및 연결성 78
그림 2.74. 3차원 시각화 유즈케이스 79
그림 2.75. 3차원 시각화 시퀸스 다이어그램 79
그림 2.76. 횡단면도 자동 작성 유즈케이스 80
그림 2.77. 횡단면도 자동 작성 환경설정 시퀸스 다이어그램 80
그림 2.78. 횡단면도 자동 작성 시퀸스 다이어그램 81
그림 2.79. 유량 자동 산출 유즈케이스 81
그림 2.80. 유량 자동 산출 시퀀스 다이어그램 82
그림 2.81. 수질분포도 유즈케이스 82
그림 2.82. 수질분포도 작성 시퀀스 다이어그램 83
그림 2.83. 수질분포 레이어 제어 시퀀스 다이어그램 83
그림 2.84. 하상 퇴적층 자료 유즈케이스 84
그림 2.85. 하상 퇴적층 분포 시퀀스 다이어그램 84
그림 2.86. 통합데이터 교환 유즈케이스 84
그림 2.87. 통합데이터 교환 시퀀스 다이어그램 85
그림 2.88. 하천 정보 관리 시스템 클래스 다이어그램 86
그림 2.89. 하천정보 관리 시스템 클래스 모델(1) 87
그림 2.90. 하천정보 관리 시스템 클래스 모델(2) 88
그림 2.91. 하천정보 관리 시스템 클래스 모델(3) 89
그림 2.92. 메인 화면 프로그램 인터페이스 설계 90
그림 2.93. 3차원 시각화 프로그램 인터페이스 설계 90
그림 2.94. 횡단면도 자동 작성 프로그램 인터페이스 설계 90
그림 2.95. 유량 자동 산출 프로그램 인터페이스 설계 91
그림 2.96. 수질 분포도 프로그램 인터페이스 설계 91
그림 2.97. 퇴적층 분포 시각화 프로그램 인터페이스 설계 91
그림 2.98. 음향측심기 데이터 케이블 개선 결과 92
그림 2.99. 음향측심기의 위치에 따른 수심 및 정표고 산출방법 93
그림 2.100. 자동 유량산정 알고리즘 94
그림 2.101. 유량 자동 산출 프로그램 인터페이스 94
그림 2.102. 유량 자동 산출 프로그램 인터페이스 개선 95
그림 2.103. 캐드기반의 수질분포도 작성 프로그램 96
그림 2.104. 음향측정센서 연결 프로그램 개발결과 97
그림 2.105. 하상 분포 시각화 프로그램 개발결과 97
그림 2.106. 하상 분포 3차원 시각화 결과 98
그림 2.107. 하상 단면 자동 작성 프로그램 98
그림 2.108. 하상 분포의 종단면도 생성 결과 99
그림 2.109. 하상 분포의 횡단면도 생성 결과 99
그림 2.110. 채수 리프트 관절부분의 제작공차 101
그림 2.111. 채수 리프트의 관절 제작공차에 의한 처짐현상 101
그림 2.112. 자동 채수 리프트 승강실험 결과 102
그림 2.113. 자동 채수 리프트 구동부 103
그림 2.114. 심도별 채수 리프트 설정 화면 103
그림 2.115. 채수컨테이너와 컨트롤러 104
그림 2.116. 채수컨테이너 작동 104
그림 2.117. 수중에서 채수컨테이너 작동 104
그림 2.118. 채수컨테이너를 이용한 채수 결과 105
그림 2.119. 정확한 수평 위치로 이동하기 위한 로봇선 제어 명령 105
그림 2.120. 심도별 채수장치 작동 설정화면 105
그림 2.121. 심도별 채수장치 작동 실험 106
그림 2.122. 유수지에서의 현장실험 대상지역 현황 107
그림 2.123. 유수지에서의 운용 실험 준비 107
그림 2.124. 유수지에서의 로봇선 운항 계획도 108
그림 2.125. 유수지에서의 현장 운항 실험 결과 109
그림 2.126. 유수지에서의 측량 결과 평면위치도 110
그림 2.127. 유수지에서의 로봇선 운항 항적도 110
그림 2.128. 유수지의 항공사진과 항적도의 중첩 111
그림 2.129. 운항 계획도 112
그림 2.130. 로봇선 항적도 113
그림 2.131. 로봇선 운항 결과 113
그림 2.132. GIS를 이용한 인접성 분석의 개념도 114
그림 2.133. ArcGIS를 이용한 인접성 분석 과정 114
그림 2.134. ArcGIS를 이용한 인접성 분석을 위한 항적데이터 변환결과 115
그림 2.135. ArcGIS를 이용한 인접성 분석 결과 115
그림 2.136. ArcGIS를 이용한 인접성 분석 결과 통계량 115
그림 2.137. 자동운항 경로의 관측값 분석 116
그림 2.138. 자동운항 경로의 인접성 분석결과 117
그림 2.139. 자동운항 경로의 분석결과 출력 117
그림 2.140. 계획경로와의 일치율 그래프 118
그림 2.141. 실내 유선 LAN망의 전송 속도 및 품질 119
그림 2.142. 실내 WiFi 망의 전송 속도 및 품질 119
그림 2.143. 테더링(스마트폰 통신)에 의한 WiFi망의 전송 속도 및 품질 119
그림 2.144. 하천에서의 현장실험 대상지역 현황 120
그림 2.145. 하천에서의 현장실험 대상지역의 수준점 측량 121
그림 2.146. 로봇선 수동 제어 프로그램 121
그림 2.147. 로봇선 자동 제어 프로그램 122
그림 2.148. 수동제어 운항 실험 결과 122
그림 2.149. 자동제어 운항 실험결과 123
그림 2.150. 제어명령 송수신 데이터 DB 화면 124
그림 2.151. 호수에서의 현장실험 대상지역 현황 125
그림 2.152. 수심측정 정확도를 체크하기 위한 반사체 126
그림 2.153. 바체크를 위한 수심 실측 과정 126
그림 2.154. 음향측심기를 이용한 수심 측정 과정 127
그림 2.155. 흘수보정을 위한 실측 127
그림 2.156. 바체크 및 흘수보정 값 입력 과정 128
그림 2.157. 호수에서의 무인 로봇선의 운항 실험 128
그림 2.158. 호수에서의 무인 로봇선의 항적도 129
그림 2.159. 호수에서의 측정 데이터의 수신 결과 129
그림 2.160. 측정자료 보정을 위한 기준점 측량 130
그림 2.161. 획득된 수중공간정보로부터 공간보정된 하상지형의 등심선도 130
그림 2.162. 획득된 수중공간정보로부터 공간보정된 하상지형의 DEM 131
그림 2.163. 연안해역 현장에서의 실험 과정 131
그림 2.164. 현장 지상기준점 측량 132
그림 2.165. GPS와 음향측심기 데이터의 수집 결과 132
그림 2.166. 연안해역에서의 항적도 및 격자 수심도 133
그림 2.167. 하상정보의 수직모델 보정을 위한 관측 정보 획득 지점 134
그림 2.168. GPS와 음향측심기를 이용한 정표고 산정결과 비교 135
그림 2.169. 측정데이터로부터 공간 보간된 하상 분포도 136
그림 2.170. 선택된 임의의 단면에서의 단면도 136
그림 2.171. 대상지역의 자동 유량 산출 프로그램 초기화면 137
그림 2.172. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 수위자료 입력화면 138
그림 2.173. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 수위표면 자료 생성 결과 138
그림 2.174. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 유속자료 입력화면 139
그림 2.175. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 유속표면 자료 생성 결과 139
그림 2.176. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 하상지형자료 입력화면 140
그림 2.177. 대상지역의 자동 유량 산출을 위한 하상지형 표면 자료 생성 결과 140
그림 2.178. 대상지역의 자동 유량 산출을 표면 자료선택 화면 141
그림 2.179. 대상지역의 자동 유량 산출 결과 141
그림 2.180. 수심에 따른 실시간 수질변화 145
그림 2.181. 캐드기반의 수질측정 결과의 3차원 시각화 145
그림 3.1. 자동운항이 가능한 무인 로봇선 개발 성과 147
그림 3.2. 방향전환이 용이한 선체의 추진기 147
그림 3.3. 자동 채수 리프트 148
그림 3.4. 채수 컨테이너 149
그림 3.5. 수문정보 획득 시스템 개발 성과 149
그림 3.6. 하천정보 관리시스템 성과 150
그림 3.7. 현장적용 관련 자료 1 157
그림 3.8. 현장적용 관련 자료 2 158
그림 3.9. 현장적용 관련 자료 3 159
그림 3.10. 현장적용 관련 자료 4 160
그림 3.11. 3대 강점 및 4대 미래유망 환경산업의 구분 163
그림 3.12. 국내 환경시장 규모 및 성장률 164