- AI 정수장 및 상수도 관망 자율 운영 시스템의 안정적 운영

IMU(Inertial Measurement Unit, 관성 측정 유닛)는 가속도, 방향, 지자기 센서 등의 결합체로 탑재된 제품의 운동 감지, 자세 추적 및 위치 결정을 위한 최신 기술이 적용된 센서로 자동차, 항공기, 드론, 자동화 설비, 로봇 등 첨단 기술이 집약된 제품에 필수적으로 사용되고 있다. 이는 과거 기계적 장치로만 구성되었던(부피가 크고 고가 제품이었던) INS를 MEMS 기술로 최소화하고, 상대적으로 저가 제품으로 시장에 출시할 수 있었다.
주 응용 분야를 살펴보면 항공 및 우주 산업에서는 항공기, 드론 및 우주선의 자세 추적, 안전한 착륙 및 조종 지원 장치에 사용되며 자동차 및 로봇에서는 차량의 자율주행, 로봇의 자세 제어 및 모션 감지 장치에 사용된다. 또 가상현실(AR, VR 등) 및 게임에서는 사용장 동작 인식 및 가상세계를 반영하는 장치에 사용되고, 의료 분야에서는 수술용 로봇·보행 보조 장치·재활 치료 장비에 사용되고, 모바일 폰 및 휴대 기기에서는 방향 감지, 자세 추적, 화면 회전 등의 기술 구현에 사용된다.

㈜엠앤제이테크는 2002년 대진시스템㈜로 설립되어 20여 년간 물 산업 분야 중 원격 감시제어 제품 및 설비의 개발과 시공을 전문적으로 수행하였으며, 상수도 및 하천의 계측장치로부터 수집된 데이터를 전송해 주는 계장 제어장치의 개발과 제조·시공에 특화된 업체이다. 무엇보다 20여 년간 주요 고객인 지자체 상하수도사업소와 업무를 추진하면서 더 효율적인 상수도 관망 관리를 위한 기술 개발의 필요성에 공감하고, 기술 개발에 역량을 집중하고 있다.

기술 활용 필요성

몇 년 전 한 고객 기관으로부터 상수도 관망 중 제수밸브의 상시 관리에 어려움을 토로한 적이 있어 제수밸브의 관리 실태를 점검했다. 제수밸브는 상수도의 유량 제어를 위한 핵심 설비로, 잦은 유량 조절이 필요한 정수장, 배수지 및 관로 상 분기 밸브실의 경우 수동 제수밸브에 액추에이터를 탑재한 전동 제수밸브를 사용하고 도수, 송수, 급수 관로(급수관로의 경우 통상 ‘블록 시스템’이라 칭함)상 통수, 단수, 퇴수용으로 수동 제수밸브를 사용하고 있다.

제수밸브 관리 점검 실태를 보면 전동 제수밸브는 관제실에서 원격제어를 하는데, 제수밸브 자체의 개도율을 보는 것이 아닌 액추에이터의 회전수를 개도율로 변환하여 모니터링하고 있으며, 모든 제수밸브의 유지보수 및 점검은 인력에 의해 육안 점검, 제한된 동작 점검만을 수행하고 있음을 확인했다.

관 및 밸브로 구성된 상수도 관망은 물의 흐름으로 발생하는 수압과 진동에 의해 물리적 피로도가 지속적으로 쌓이며, 피로 누적이 한계를 넘어설 경우 파손이 발생하여 누수 사고로 연결된다.

현재까지 상수도 관로는 관의 상태 관리에 초점을 맞춰 관로의 누수 지점을 더 정확하게 찾아내는 기술 개발에 주력했다. 밸브는 관에 비해 상대적으로 사고가 적고 육안 점검을 할 수 있으며, 전동 제수밸브의 경우 원격으로 개도 감시 및 제어가 가능하고, 관리 기술 개발에 미진한 부분이 있었다.

그러나 상수도를 운영하고 있는 기관 및 지자체 담당자의 이야기를 들어보면 밸브 관리가 되지 않아 발생하는 작은 사고들, 정비 후 밸브 상태 원복 미조치로 인한 누수 사고, 밸브 파손으로 인한 밸브실 침수, 밸브실 지반 침하(싱크홀)로 인한 연결부 파손 등 언론이나 뉴스에 나오지 않는 작은 사고들이 지속 발생함을 토로하고 있다.

위의 사진은 제수밸브 대형 사고 발생으로 인한 국민 생활 불편을 보여준다. 그렇다고 제수밸브의 원격 관리를 위한 기술이 개발되지 않은 건 아니다. 개도를 확인할 수 있는 센서로 포텐셔미터, 홀센서 등을 활용하여 밸브에 대한 직적 개도 감시 기술이 적용된 제품이 개발되기도 하지만, 관경이 작고 운용 환경이 양호하며, 정밀 유량 관리가 필요한 공업용 제품이 개발됐다.
관경이 큰 제수밸브에 적용하려는 노력이 있었으나, 소구경 대비 높은 수압 및 진동 발생, 지하에 위치해 습도, 먼지 등이 열악한 제수밸브실에서의 적용은 불가해 실제 제수밸브용 개도 감시 장치의 상용화는 되지 않았다.

IMU를 활용한 밸브 및 수문의 개도와
물리적 상태를 감시하는 기술 개발

상수도 관망에서 제수밸브는 유량 제어, 단수, 통수를 위한 개도만을 확인만 하는 설비였다. 개도만을 확인하기 위해서는 기존에 존재하는 포텐셔미터, 홀 센서 등을 활용할 수 있겠지만, 센서 자체의 기계적 한계로 상용화되지 못했다.

일례로 2016년 OO 업체는 개발한 주기 점검 시 제수밸브실 출입을 최소화할 수 있는 제수밸브 개도 검출 장치를 개발 및 출시했지만, 제수밸브에 장착 시 밸브 훼손, 데이터 오류, 낮은 효용성 등으로 상용화까지 이뤄지지 않았다.

이에 비해 IMU는 이동 거리·이동 방향·진동량 등을 센싱할 수 있고, 크기를 최소화하여 다양한 산업 분야에 활용되고 있다. 제수밸브에 활용 시 수요자가 요구하는 기능을 갖출 수 있는가에 대한 검토 결과, 밸브 사용의 주요 목적인 개도 감시가 가능했고 수압 및 유량에 따른 진동 측정, 지진, 지반 침하, 외부 충격에 의한 미세한 위치 변화 등 물리적 상태 감시가 가능하고, 센서 모듈화 및 케이스 방수 방진 처리로 열악한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 확신했다.

이에 따라 IMU를 포함하는 센서 모듈 회로 설계, 데이터 처리를 위한 펌웨어 설계, 처리된 데이터를 사용자가 요구하는 기능으로 구현될 수 있도록 펌웨어를 설계했다. 개발 중 어려운 부분은 IMU 자체 드리프트 현상을 최소화하는 것이다. Drift 현상이 일어나는 이유를 간단히 말하자면 각속도 값은 시간에 걸쳐 누적되어 회전 값(yaw)을 구하게 되는데, 각속도 값에 Noise가 포함되어 있을 경우 필연적으로 오차가 누적되기 때문이다.

개발 시 사용한 IMU는 9 axis IMU로, 가속도 값(ax, ay, az)과 각속도 값(wx, wywz)과 지자기 값(mx, my, mz)을 함께 출력한다. 드리프트 현상을 최소화하기 위해 획득된 지자기 값을 통해 센서에서 바로 지구 중력 방향을 계산하고, 지자기 값 데이터가 가속도 값과 각속도 값과 융합되어 회전에 대한 변화량(Orientation)을 좀 더 정교하게 구할 수 있게 프로그램을 구성하고, 장시간 시험을 통해 문제를 해결할 수 있었다.
기술이 개발되었다고 제품이 완전하게 개발된 것은 아니다. 관련 기술에 대한 국제 및 국내 규격 부재로 객관적인 규격 설정이 필요했고, 사용자가 요구하는 기능 구현과도 연관되어 있기에 국내 공인시험인증기관인 KTC(한국기계전기전자시험연구원)와 평택시 상하수도사업소의 전문가와의 협의를 통해 최초로 규격을 설정하고, 평택시 상하수도사업소와 테스트베드 지원 협약을 통해 실증할 수 있는 기회를 확보했다.

실증 시험을 통해 시험실에서 확인하지 못한 사항을 찾아내고, 수정 및 반복 시험을 통해 문제 해결 및 규격을 설정했다. 또한 국내 상수도 국책 기관인 한국수자원공사에서 지원하는 K-테스트베드 지원사업에 선정되었고, 아산권지사 정수장에서도 실증 시험을 하여 기술 성능확인서를 획득했다. 아울러 경기도에서 지원하는 물 산업 신기술 실증지원사업에도 선정되어 1년간 지원받았다. 이로써 성공적으로 실증지원사업을 완료했다.

개발 기술의 상용화

개발 기술을 적용한 제품의 최대 고객은 정부기관인 한국수자원공사, 한국농어촌공사 및 지자체 상하수도사업소이다. 정부 및 지자체 납품을 위해서는 정부에서 주관하는 각종 인증을 획득하였고, 정부 조달 물자로써 적합하고 우수한 제품임을 증명해야 하기에 개발 제품의 인증 지정을 추진했다.

첫 번째로 조달청 및 정부 각 부처에서 지정하는 혁신제품으로 지정받았으며, 두 번째 중소벤처기업부에서 지정하는 성능 인증을 받았다. 세 번째로 공공기관의 상생협력사업으로 추진하고 있는 중소기업기술마켓 인증 제품으로 지정받았다.

제품에 대한 정부 조달 관련 인증을 획득함으로써 시흥시, 한국건설기술원, 평택시, 한국수자원공사 등에서 운용 중이다.

AI 정수장 및 상수도 관망
자율 운영 시스템의 필수 기술 및 제품으로서의 밸브 관리 시스템

최근 다양한 산업 분야에서 AI를 활용하고 있다. 물 산업 분야에서도 한국수자원공사 및 서울시, 평택시에서 AI 정수장 및 지자체 상수도 자율 운영 시스템 구축을 추진하고 있다. 한국수자원공사에서는 AI 정수장을 3단계에 걸쳐 구축할 예정이다.

△(1단계·2024년 12월까지) 전국 43개 광역정수장에 AI 정수장 기술 확대 및 정수장 실시간 운영 데이터(수량, 수질 등) 수집·분석 등 △(2단계·2025년 1월 ~ 2027년 12월) AI를 통한 이상 상황 자동 탐지 시스템 구축 △(3단계·2028년 1월 ~ 2030년 12월) 이상 상황 대처·에너지 공급량 자동 제어 등 AI 자동 의사결정 시스템 구축을 통해 전국 광역상수도에 자율 운전 AI 정수장을 지속 확장·고도화한다.
서울시에서는 △(1단계·2024년 10월 ~ 2025년 12월) 수치형 데이터, 영상 데이터, 텍스트 데이터 등 유형별 AI 기술 개발을 통한 ‘정수처리 공정별 맞춤형 AI 모델 개발’ △(2단계·2026년 1월 ~ 2027년 12월) 정수장 통합 AI 운영 시스템 구축 △(3단계 ·2028년 1월 ~ 2029년 12월) 생성형 AI 기반 운영 시스템으로 구축할 예정이다.

평택시에서는 △1단계 자율 운전: 자율 운영에서 특정 공정이나 일부 설비(기능)만을 자율화/무인화하는 것. △2단계 자율 운영: 전체 시설 또는 공정별 운영 업무를 완전 자율화/무인화하는 것. △3단계 지능형 수처리 설비 수처리 설비의 운영 관리를 사람이 분석, 판단하는 기존 시스템에서 벗어나 데이터 기반 인공지능 기술을 접목한 무인 자율 운영 수처리 설비로 구축할 예정이다. 이를 통해 사람의 개입을 최소화하면서 ‘공정 효율화’, ‘에너지 절감’ 등의 효과를 낼 것이다.

AI 정수장 및 관망 자율 운영 시스템에서 제어가 가장 많은 설비가 제수밸브이다. 제수밸브 관리가 포함되지 않으면 제수밸브 이상에 대한 감시가 되지 않아 고장, 오작동, 제어 신호 오류 시 유량제어에 큰 문제가 발생하고, AI 운영의 신뢰도를 떨어뜨린다. AI 도입에 있어 기 개발된 제수밸브의 개도 및 물리적 상태 감시 장치가 포함된 제수밸브 관리 시스템 구축은 필수라 할 수 있다.

기존 관망 관리 시스템에서는 전동 제수밸브의 액추에이터 신호를 받는 간접 개도율만을 감시하는데, 이는 밸브 이상, 고장, 오작동, 오류 신호에 대한 적극적 대처가 불가능하다. 더 적극적인 제수밸브 관리가 필요하며, 개도 외 물리적 상태 감시를 더함으로써 안정적인 AI 운영에 필요한 데이터를 확보할 수 있다. 또한 향후 상수도 관망 자산 관리 시스템과의 연동 시 예지보전 기능이 추가될 경우, 적시 교체를 통하여(제수밸브 이상, 고장, 오작동으로 인한 불시 사고를 예방하여) 국민 생활에 불편을 주는 단수, 누수, 월류 등의 대형 사고를 최소화할 수 있다.

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