터널과 같은 폐쇄된 구조물 및 구조물 건설현장에서는 내부의 상황과 인력들의 상태를 파악하기가 어려워 내부 안전 사고에 대한 위험과 붕괴, 화재 등의 위험요인들로 인한 안전성 문제가 부각되고 있다. 특히 안전사고 발생시 사고 발생 지점과 붕괴 사고 발생시에는 매몰된 사람 또는 장비를 찾는 문제가 중요하다. 이에 작업자의 위치를 측정하고, 사고를 감지할 수 있는 터널과 같은 구조물에 대한 안전 시스템이 연구개발되어지고 있다.

터널 안전과 관련된 시스템은 아주 빈번하게 발생하지는 않지만, 사고가 발생했을 시 대형사고를 야기시킬 수 있는 고 위험사고 유형들이다. 사고시 폐쇄될 수 있는 구조물에서는 만일의 사고에 대비하기 위하여 위험 요인들을 모니터링하는 시스템의 유지기간이 길어야 하고 유지비용이 저렴하여야 한다. 터널의 각 지점마다 설치된 무선센서로 네트워크를 구축하여 안전상태를 측정하는 기존의 기술들은 배터리 소모가 많아 터널 안전 관리 시스템의 유지보수 관리와 효율성 측면에서 좋지 않고 시스템을 장기적으로 운영하는데 어려운 점들이 나타나있다. 이러한 구조물의 안전관리의 자동화 및 효율성 증대를 위해 다양한 위험요인들을 복합적으로 분석할 수 있도록 데이터를 클라우드로 전송하고, 저전력화된 센서들로 구성되어 장기적으로 모니터링 및 관리가 가능하고, 수집된 데이터들을 분석하여 위험요인을 측정하고, 안전 사고를 분석할 수 있는 시스템을 필요로 하고 있다.

본 논문에서 제안하는 시스템은 터널과 같은 폐쇄 구조물이 붕괴하는 등의 안전사고가 발생하였을 때 신속하게 붕괴지점을 파악하고, 붕괴된 지점에 매몰된 사람 또는 장비 등을 찾도록 하는 터널 붕괴 및 화재를 감지할 수 있는 지능형 안전 관리 시스템을 구축하는 것이다. 또한 한번 설치하면 배터리 소모가 적어 시스템 유지 기간이 길고 시스템의 사후 관리가 편리한 시스템을 제공하고자 한다. 제안하는 시스템은 터널과 같은 폐쇄 구조물이 붕괴하거나 화재(유독가스 발생) 등의 사고가 발생하였을 때 센서에 의해 위험요인을 감지하고, 저전력 및 메시네트워크 망 설계를 적용하여 BLE(Bluetooth Low-Energy) 통신 기술을 활용하여 저전력화된 센서를 제공하며, wake-up방식의 센싱 및 통신 방식을 제안하여 효율적인 전원 관리 및 안전한 데이터 송수신 시스템을 제공한다. 또한 위험 요인에 대한 분석으로 터널에 대한 안전사고를 예방할 수 있는 터널 내 붕괴 및 화재(유독가스 발생)을 감지할 수 있는 IoT 센서 및 블루투스 메시 네트워크기반의 지능형 터널 위험요인 탐지 및 안전 분석 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 각 측정 센서와 통신을 위해 결합된 통신모듈을 통해 블루투스 매쉬 네트워크 기술을 사용하여 터널내 local network를 구축하여 안전하게 센싱 정보를 전달할 수 있는 센서네트워크를 적용하였다. 안전하게 전달된 센싱 정보는 인터넷 가능지역까지 데이터를 전송하여, 서버로 데이터를 전송할 수 있는 게이트웨이를 포함하였으며 전송된 데이터는 클라우드를 통해 모니터링 및 분석을 수행하여 터널 안전 요인의 모니터링 및 안전 분석이 가능한 지능형 IoT 시스템이다.

제안하는 시스템은 실제 터널내 설치하여 전력 소모 및 데이터 무결성을 테스트 하였다. 설치된 센서들의 전력 소모는 붕괴 및 화재감지, 네트워크 모듈을 포함하여 총 5V, 110mA로 낮은 전력 소모량을 나타내었다. 이는 약 5년간 교체없이 사용할 수 있는 수준의 전력 소모량이다. 실제 실험환경에서는 1일 소비량이 70.125mA로 wake-up방식에 의해 더 낮은 소모량을 나타내어 효율적인 전력관리가 가능하여 유지관리 효율이 높은 안전사고 모니터링 시스템을 구축할 수 있었다. 또한 제안하는 메시 구조는 기존 LTE 및 유선망에 비해 붕괴, 화재등의 위험요인 파악이 가능하고, 휴대전력의 효율적 사용과 사고유형 파악이 가능한 시스템이며 초기 설치 및 유지관리비 면에서 높은 효율을 보이는 시스템으로 터널 등의 폐쇄된 구조물의 지능형 안전관리 시스템으로 활용이 가능한 시스템이라고 볼 수 있다. 위치파악이 가능한 시스템이기 때문에 붕괴 지점 및 사고자의 위치를 파악할 수 있어 사고의 대응과 후처리에도 활용가능한 시스템이다.