솔루션
개발사업 개요
2021년 국방벤처 지원사업(총 사업비:3억)
| 과제명 | 지뢰 탐지를 위한 화약류에서 발생하는 가스를 원거리에서 측정할 수 있는 Open-Path 방식의 적외선 분광 탐지기 개발 |
|---|---|
| 수행기관 |
|
- 지뢰 가스
- 적외선
- Open-Path
- 드론
- UGV
사업의 배경
-
추진배경
- 지뢰 탐지 임무에 첨단 기술 적용
- 빠르고 효율적인 지뢰탐지
- 지뢰로 인한 인명피해 최소화
-
개발내용
- Open-Path 방식의 적외선 가스 탐지기 개발
- 다변량분석 기법 활용 지뢰 가스 데이터 수집 및 분석
- 무인이동체를 활용한 지뢰 탐지
기술개요
- 첨단기술을 활용하여 기존 사람이 직접 수행하던 지뢰 탐지를 무인이동체와 적외선 가스 측정기를 활용하여 수행
- 지뢰, 불발탄 등의 화약에서 발생하는 가스(질소계열 산화물, 2.4-dinitrotoluene, 유기용제 등) 탐지(출처:ChemMattersMagazine)
- 폭발물의 형태 및 재질과 상관없이 어떠한 폭발물이든 탐지가 가능
대상 기술의 필요성
- 지뢰 및 불발탄으로 인한 인명피해 최소화
- 빠르고 안전한 지뢰 탐지 및 제거
사업추진
단시간에 지뢰를 탐지/제거함으로써 인명피해를 최소화할 수 있는 시스템 필요
- 우리나라 지뢰는 군사분계선에 총 200만 발 정도가 매설된 것으로 추정
- 우리나라는 매년 4.4억의 예산을 투입해 연간 10~20만㎡ 면적의 지뢰 약 500발을 제거 중
- 현 추세라면 지뢰 제거에 약 400년 이상 소요 예상
- 전국 민간인 지뢰사고 피해자 현황(출처 : 지뢰금지국제운동(ICBL) 한국지부 (사)평화나눔회 자료, 2017. 06. 14)
| 구분 | 사망지 | 부상자 | 지역비율 | 총 계 |
|---|---|---|---|---|
| 경기도 | 68명 | 132명 | 33.8% | 200명 |
| 경기도 전체 추정치 | 136~204명 | 264~396명 | 51.2~61.2% | 400~600명 |
| 인천광역시 | 11명 | 15명 | 4.4% | 26명 |
| 강원도 | 151명 | 204명 | 60.1% | 355명 |
| 기타지역 | -명 | 10명 | 1.7% | 10명 |
| 총계 | 230명 | 361명 | 100% | 591명 |
| 전국 추정치 | 298~366명 | 483~615명 | - | 781~981명 |
국내·외 관련기술 현황
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RPS-20K
(한화시스템) -
지뢰탐지 드론
(창원기술정공) -
Vallon 시리즈
(독일 Vallon社)
-
Minelab F3 Compact
(호주 Minelab社) -
- 식물의 유전자를 변형하여 NO2가스와 접촉 시 식물의 색깔을 변하도록 함
- 이를 통해 식물의 뿌리가 지뢰에 닿으면 지뢰에서 발산된 NO2가스에 반응하여 3~5주 내에 붉은색으로 단품이 들게 되고 이로 인해 지뢰가 묻혀있는 위치를 추정함
지뢰에서 발생하는 가스를 활용한 탐지
(덴마크 아레社) -
- 적외선 카메라와 신경망 기술의 일종인 컨볼루션 신경망(Convolutional neural networks)을 활용하여 원거리에서 지뢰를 탐지할 수 있는 기술
- 지뢰뿐 아니라 다양한 폭발물을 탐지할 수 있음
드론과 머신러닝을 활용한 탐지
(뉴욕주립대학교)
관련기술 개요 - Introduction of open path theory
-
The principal vibrational modes of most molecular species (e.g., Si-O, C-O, S=O, and P-O) are located in the mid-IR. Moderately intense overtones (i.e., 2νO-H, etc.) and combination bands (e.g., νHOH + νO-H) due to even lighter groups (e.g., H2O, OH-, CO32-, SO42-) are found in the mid- to near-IR
-
관련기술 개요 - Open path technology
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Active mode
-
Passive mode
관련기술 개요 - New trend based on optical filter
관련기술 개요 - Open path system (Lab & Field method)
기술개발 현황
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기술 이전(한국건설기술연구원)
- 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법(특허 : 10-1612490)
- 독성가스의 광범위 측정용 반사형 적외선 검출기를 이용한 가스 측정 방법. 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체(특허 : 10-1623490)
- Open-Path 방식의 비접촉식 원거리 가스 측정/분석기 개발(한국건설기술연구원 공동 개발)
- Open-Path 방식의 비접촉식 원거리 가스 측정/분석기를 활용한 드론용 측정기 개발
- 계량분석 화학/다변량 등을 활용한 가스 분석 알고리즘 개발
- 가스 분석 알고리즘이 적용된 드론용 미세먼지 및 유해가스 측정/분석기 개발
- 총괄책임자의 관련 기술에 대한 연구 논문
- Fundamental study of combustion plastics by FT-NIR/FT-IR spectrometer
- Open path FT-IR spectrometr를 사용한 원거리의 VOCs 측정에 관한 연구
- 원격 측정용 개방 경로형 FT-IR spectrometer를 사용하여 플라스틱 재료의 유해가스 정량 분석에 관한 연구
- Passive open-path FT-IR spectrometer를 사용한 원거리 화재 연소 가스 정량 분석
- 근적외선 분광 분석법을 이용한 내화뿜칠재 일치성 분석
- TGA-IR을 사용한 내화 도료의 특성에 관한 연구
- Open path analyzer development with LTE Communication system based on path averaged concentration for CO〈SUB〉2〈/SUB〉 and CO quantitative Analysis 외 다수
최종개발목표
-
드론 및 UGV를 활용한 지뢰(화약) 탐지 시스템 개요 -
개발목표
- 지뢰 및 잔류폭발물에서 발생하는 가스의 기초 데이터 수집 및 DB 구축
- 화약 가스 탐지/분석 알고리즘 개발
- 비접촉식 지뢰 탐지기 개발 및 시제품 제작
- 험로 주행이 가능한 지뢰 탐지용 UGV 개발 및 시제품 제작
- 지뢰 탐지용 드론 개발 및 시제품 제작
- 실시간 지뢰 위치 맵핑 SW 개발
- 탐지 데이터 시각화 SW 개발
- UGV 및 드론 운용을 위한 전용 GCS 개발
1년차 개발목표
-
개발 예시 -
개발목표
- 지뢰에서 발행하는 가스의 기초 데이터 수집 및 DB 구축
- 화약가스 탐지/분석 알고리즘 개발
- DB 기반 가스 탐지 및 분석 알고리즘 개념 정의 및 개발
- 비접촉식 지뢰 탐지기 개발 및 시제품 제작
- 개방형 적외선 분광 측정기 개발
- 데이터 시각화 SW 개발
- 탐지 상황을 실시간 모니터링할 수 있는 SW 개발
- 전용 GCS 개발
- 드론, UGV 주행 정보 실시간 모니터링
- UGV 활용 지뢰 탐지 통합 테스트 및 알고리즘 최적화
2년차 개발목표
-
개발 예시 -
개발목표
- 화약류 관련 가스 탐지/분석 알고리즘의 거리별, 고도별 고도화
- 탐지 거리별, 가스 종별 적외선 파장 변화 분석 및 알고리즘 최적화
- 지뢰 탐지용 드론 개발 및 시제품 제작
- 탐지 시나리오, 측정 방식, 현장 환경 등을 고려 드론 설계
- 험로 주행이 가능한 지뢰 탐지용 UGV 개발 및 시제품 제작
- 측정 방식, 속도, 등판능력 등 고려 UGV 설계
- 드론의 다중관제 및 다중제어 SW 고도화
- 다수의 드론을 동시에 운용하여, 동시에 실시간으로 데이터를 수집
- 실시간 지뢰 위치 맵핑 SW 개발
- 화약류 관련 가스 탐지/분석 알고리즘의 거리별, 고도별 고도화
정량적 개발목표
1차년도 목표
| 주요성능지표 | 단위 | 최종개발목표 | 평가기관 | 측정평가방법 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 지뢰(화약) 탐지 정확도 | % | 80% 이상 | 공인시험기관 | 지면에 화약을 매설한 후 측정기를 통해 여러차례 측정하여 측정 정확도 산출 |
| 2. 지뢰(화약) 탐지 거리 | m | >3m 이상 | 공인시험기관 | 지면에 화약을 매설한 후 0.5m ~ 3m까지 0.5m 간격으로 측정한 후 최대 탐지 거리 측정 |
| 3. 탐지 위치 정확도 | m | 2m 이내 | 공인시험기관 | 5m에서 측정 시 시각화 SW에 표출된 탐지 위치와 실제 매설된 위치 비교를 통한 정확도 산출 |
| ※평가기관 자체 평가 수행 사유 ·해당없음 |
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2차년도 목표
| 주요성능지표 | 단위 | 최종개발목표 | 평가기관 | 측정평가방법 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 지뢰(화약) 탐지 정확도 | % | 90% 이상 | 공인시험기관 | 지면에 화약을 매설한 후 측정기를 통해 여러차례 측정하여 측정 정확도 산출 |
| 2. 지뢰(화약) 탐지 거리 | m | >5m 이상 | 공인시험기관 | 지면에 화약을 매설한 후 0.5m ~ 3m까지 0.5m 간격으로 측정한 후 최대 탐지 거리 측정 |
| 3. 탐지 위치 정확도 | m | 1m 이내 | 공인시험기관 | 5m에서 측정 시 시각화 SW에 표출된 탐지 위치와 실제 매설된 위치 비교를 통한 정확도 산출 |
| 4. UGV 최고 속도 | km/h | 30km/h | 공인시험기관 | 평지에서 실 주행을 통해 최대 속도 측정 |
| 5. 드론 최고 속도 | km/h | 60km/h | 공인시험기관 | 상공에서 실 비행을 통해 최대 속도 측정 |
| ※평가기관 자체 평가 수행 사유 ·해당없음 |
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활용 방안 및 개발 효과
사업화 방안
- 한국지뢰안전협회와 협업을 통해 해외 시장 진출(해외 시연, 실증, 전시 추진)
- Open-Path 방식의 이동형 원거리 지뢰(화약)탐지기의 국방부 우수상용품 시범사용제도 추진
- 기초 기술을 활용하여 화생방 탐지기, 유독가스 탐지기, 유해화학물질 탐지기, 대기오염물질 탐지기 등의 시장으로 확대 적용
DOM 측정
Soil organic matter is anything in the soil of biological origin. Carbon is its key component comprising about 58% by weight. Simple assessment of total organic matter is obtained by measuring organic carbon in soil. Living organisms (including roots) contribute about 15% of the total organic matter in soil.
개발 개념 및 측정 방식
- 토양 유기물 중에는 약 5 8 %의 유기탄소가 포함되어 있다는 가정하에, 분석을 통하여 추정된 유기탄소의 양에 상수( 1.724 )를 곱하여 토양 유기물 량으로 환산 하여 사용하고 있다(Tabatabai, 1996). 토양 유기탄소를 측정하는 방법에는 습식연소법 (wet combustion)과 건식연소법(dry combustion)이 사용되고 있음
- 습식연소법은 산화제인 크롬산을 이용하여 토양 중 유기 탄소를 산화시켜 얻어지는 이산화탄소량을 측정하여 토양 유기탄소의 양을 추정하는 방법임
- 건식연소법은 고온 ( 800 - 1000℃)을 이용하여 토양중 탄소를 연소시켜 발생하는 이산화탄소를 적외선가스 분석기 또는 가스 크로마토그래피 등을 이용하여 이산화탄소를 정량 하여 토양 유기탄소의 양을 측정함
개발 개요
- 토양 전기 저항 측정법(2극)을 이용해 측정하는 탄소의 함유량은 매우 중요한 인자인데 이는 식물 생장에 영향을 주는 토양에서 간접적으로 확인 할 수 있기 때문임. 토양의 상태 및 물은 토양내에 식물의 영양과 비료를 포함한 용액의 이송과 식물뿌리의 성장을 위한 중요한 요소임
- 그러나 이 방법은 토양의 총 저항이 포함되어지면(수분 영향) 측정값이 오류가 발생함. 하지만 토양과 탐침 사이의 접촉 저항은 Wenner가 제시 한 4 가지 탐침(4극)으로 전기 저항을 측정하면 이러한 문제점(수분 영향)을 해결되어 영양분과 비료 등을 보다 정확하게 측정할 수 있음
복합 인자를 이용한 유기 탄소 추정
- 4가지 탐침 방법(Wenner 방법)-토양의 영양분 즉 유기물에 대한 정보를 유추할 수 있음
- 토양 산도/수분/전도도를 이용하여 토양의 복합적인gh 인자를 통해 유기 탄소를 확인함
- 각 센서에 대한 데이터를 다변량 분석(주성분 분석 등)을 통해 유기 탄소량을 확인할 수 있음.
E-글루첵
E-글루첵은 채혈없이 혈당을 측정하고, 관리할 수 있는 솔루션입니다.
Near-Infrared Spectroscopy(근적외선 분광법)
빛을 모세혈관에 투과하여 통과하거나 반사되는 빛을 검출하여 혈당 수준을 측정하는 방식.
센서구성 및 방식
-
센서 구성 -
측정방식:Diffused reflectance
- Absorption coefficients에 따른 mono-light 배치
측정범위:Broadband infrared
- Multi array mono-light, bpm 보정
동작방법:Sequence mono-light
- sequence mono-light detection 개념
시스템구성
- Light source:7ea
- InGaAs detector:1ea
- Silicon detector:1ea
알고리즘
Multivariate calibration (다변량분석을 통한 보정)
측정된 데이터에 대한 다변량분석의 결과와 이에 대한 보정을 통해 정확도와 민감도를 향상시킴
서비스개요
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센서 구성 -
- E글루첵을 통해 수집된 데이터는 클라우드 서버에 저장, 분석되어 스마트폰 APP 또는 AI 스피커를 통해 결과를 전달
- 자체 제작 헬스케어 앱과 API 형태로 타사 헬스케어 앱에 제공 가능
개발단계
현재 시판중인 자가혈당측정기(BGM)의 약 90% 수준의 정확도까지 도달
현재 기술성숙도(TRL) 6단계인 실험실(Lab)에서의 유효성 및 안정성에 대한 평가 진행 중
*의료기기로써 개발은 임상을 통해 약 20개월 정도 더 소요될 것으로 예상됨
현장테스트
혈당측정대상고객
일반인부터 중증 합병증까지 측정 및 관리 가능
대국민 대기질 알림 서비스 및 다양한 정보 공유/소통 등이 가능한 시스템
대기질 알림 서비스
소통/공유 플랫폼
추진 필요성 및 배경
- 전국에 약 600여개 고정형 측정기가 설치/운영 중에 있으나 이 중 약 85% 이상이 지상 10m 이상에 설치되어 있어 국민들은 실 체감 오염도와 별개 공간의 데이터를 제공 받고 있음
- 또한 이러한 측정기들은 포집 방식으로 측정에서 데이터 산출까지 평균 80분이 소요되어 실시간 정보를 제공 받고 있지 못함
- 따라서 국민들의 실생활 공간인 1.5m ~ 2m 사이의 미세먼지, 유해가스, 악취 등의 대기질 데이터를 측정/분석하고 이를 시각화하여 실시간 국민들에게 제공함으로서 대국민 대응능력 제고가 가능한 실시간 대기질 정보 안내 시스템이 필요함
대기산업 관련 국내/외 현황
-
국내외 기술동향
- 현대자동차, 코웨이 등 대기업을 중심으로 가정, 자동차 등의 실내 공기질 측정 시스템을 출시함
- 미디어에버, 미루이엔지 등 중소기업을 중심으로 미세먼지 측정 기술 개발이 활발하게 진행 중
- 해외에서는 불꽃이온화 검출기, 광이온화 검출기, 센서 등의 원천기술 개발을 중심으로 이를 활용한 크로마토그래피, 실내공기오염물질 감지 시스템, 미세먼지 자동측정기 등을 개발/판매 중
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국내/외 업체 현황
- MET ONE社 : 미세먼지 자동측정기 세계시장 1위
- Emerson Electric社 : 시스템에 직접 연동 가능한 일체형 센서 개발
- 이밖에도 미국, 일본, 유럽을 중심으로 다양한 방식의 센서 개발 및 판매 중
- 국내에서는 센코, 유민에쓰티, 신우전자, 이엘티센서 등을 중심으로 반도체식 센서, 전기화학식 센서 등을 개발/판매 중
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국내/외 지식재산권 현황
- 국내에서는 2011년 이후 미세먼지 관련 특허가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 저감 관련 특허의 증가가 두드러짐
- 저감 64%, 측정 28%, 치료 8% 순으로 비중 차지
- 국제특허 또한 2015년부터 빠른 증가 추세를 보이고 있음
- 여과/분리 37.6%, 저감 35.2%, 집진 18.7%, 측정 8.5% 순으로 비중 차지
대기질 특히 미세먼지에 대한 인식변화에 따라 관련 시장은 꾸준하게 증가하고 있음
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2021
- 세계 시장 규모 : 963,962억원
- 국내 시장 규모 : 79,831억원
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2022년
- 세계 시장 규모 : 1,014,068억원
- 국내 시장 규모 : 83,822억원
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2023년
- 세계 시장 규모 : 1,066,8202억원
- 국내 시장 규모 : 88,013억원
- 산출 근거 : 2016년 ~ 2021년 국내/외(국내 5.1%, 국외 5.2%) 성장률을 이용하여 산출
- 출처 : 중소기업 기술로드맵 2018-2020
개발목표
측정시스템
- PM2.5, PM10, CO, SO2, NO2, O3, NH3, H2S, 복합악취 등의 오염물질을 실시간 측정/분석/전송할 수 있는 복합대기환경 측정 시스템
- 버스 정류장, 버스 내부, 버스 외부 등 다양한 장소에 설치하여 실생활 공간의 대기환경 정보 취득
- 측정 데이터의 정확도 향상을 위한 분석 알고리즘 적용
- 실시간 복합악취 산출을 위한 복합악취 산출 알고리즘 적용
| 구성 | 주요내용 |
|---|---|
| 측정시스템 |
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| 응용 프로그램 |
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| 인포테인먼트 앱 |
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시스템 개발
사업내용 및 요구조건을 충족하기 위한 전략 수립
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현장 및 요구사항 분석
- 현장분석
- 실증협의체 회의를 통한 요구사항 분석
- 통합 시스템 운영체계 정립
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기반기술개발
- 앱/웹, 관제 시스템, 분석 등 SW 관련 기반 기술개발
- 측정기, 인포테인먼트 등 HW 관련 기반 기술 구현
- 기반 기술 테스트 및 안정성 검증
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단위 기능 구현
- 기반 기술 적용을 통한 SW 단위 기능 구현
- 기반 기술 적용을 통한 HW 단위 기능 구현
- 단위 기능 테스트 및 안정성 검증
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시스템 구축, 실증 및 검증
- 통합 시스템 구축
- 시스템 테스트 및 실증
- 기술 시연, 사용자 평가 등을 통한 검증
- 요구사항 도출 및 반영
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- 기반 기술
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- 데이터 수집용 Server
- 데이터 시각화를 위한 프로그램 개발 기술
- 개별 가스 측정 시 아날로그 결과값을 디지털 데이터로 변환하는 기술
- 측정 데이터를 분석/보정할 수 있는 가공 기술
- 측정 테이터를 전송할 수 있는 통신 기술
-
- 단위 기능
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·
특성화 분야 신입생 유지
·차별화된 교육과정 운영을 통한 홍보 효과
·다양한 교육 모델과 연구활성화 기회요인의 제공
·지역적 연계가능성 및 관련 산업간 네트워킹 활성
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- 통합 시스템
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- LTE 기반 IoT 대기환경 측정 시스템
- 미세먼지 통합 분석 응용 프로그램
- 시민/관광객용 위치 기반 대기환경 인포테인먼트 앱
시스템 활용방안
- 미세먼지 측정 시스템과 공공 정보를 이용한 전주시 미세먼지 통합 분석 Web 플랫폼 구축
- 정류장 위치 기반 OTA 인포테인먼트(대기질 + 공공정보 + 엔터테인먼트)
- 사용자 앱 위치 기반 인포테인먼트(대기질 + 공공정보 + 엔터테인먼트) 등
- 위와 같은 시스템 및 서비스를 통해 전주시 대중교통 이용 활성화, 향후 저감 기술 개발 시 기초 자료 제공 및 기반 기술, 대시민 대응력 제고 등 다양한 분야에 활용
- 또한 다양한 컨텐츠 발굴 및 탑재를 통한 민, 상, 관이 정책 홍보/공익 제보/제안 등을 자유롭게 소통/공유할 수 있는 각 도시만의 커뮤니티 플랫폼으로 활용 가능
- 대기환경
알림서비스 - 관광정보
알림서비스 - 공공정보
알림서비스 - 소통/공유공간
- 고정형
미세먼지 측정기 - 고정형
악취 측정기