MAIN

  • 서 론

  • 사물인터넷(IoT)의 개념 및 세부기술

  •   사물인터넷의 개념

  •   무선식별시스템(RFID)의 개념 및 특징

  •   블루투스의 개념 및 특징

  •   무선센서네트워크(WSN) 및 Zigbee의 개념 및 특징

  • 오픈소스 하드웨어의 개념 및 대표적인 제품

  •   오픈소스 하드웨어의 개념 및 특징

  • 광업분야에서의 적용 사례 및 연구 동향

  •   근로자의 안전 관리

  •   현장 환경 모니터링

  •   작업 효율 향상

  •   광산업체 및 기관에서의 사물인터넷 활용 사례

  • 결 론

서 론

2016년 다보스 포럼의 의제였던 ‘4차 산업혁명의 이해’ 이후 4차 산업혁명이라는 용어는 누구에게나 익숙해졌으며 이와 함께 미래의 혁신 기술이 가져올 변화에 대해 전세계적으로 많은 논의가 이루어지고 있다. 4차 산업혁명의 개념을 하나로 정의하는 것은 어려우나 다양한 분야가 융합된 새로운 혁신 기술에 기반을 두고 있음과 모든 것이 상호 연결되고 지능화되는 초연결 및 초지능화의 특성을 가진다는 것은 분명하다. 이러한 4차 산업혁명에 있어 정보통신기술(Information and Communication Technology, ICT)은 인류 사회 다양한 분야의 진보와 발전에 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다. 대표적인 ICT 기술로서 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 인공지능, 빅데이터, 3D 프린팅, 로봇공학 등이 주목받고 있으며 이러한 기술들의 융복합화를 통해 새로운 기술과 적용 방법이 창출될 수 있다.

이 중 사물인터넷 기술은 초연결 사회를 위한 핵심 기술로서 세상에 존재하는 모든 유형의 물체들이 다양한 방식으로 서로 연결되어 새로운 서비스를 제공하는 기술을 의미한다. DHL과 시스코의 분석 결과(DHL Trend Research and Cisco Consulting Services, 2015)에 따르면 2020년 이후에는 인터넷에 연결된 기기들이 500억 개를 초과할 것이며, 사물인터넷 기술은 향후 10년 동안 세계적으로 약 8조 달러 규모의 경제적 파급효과를 가져올 것으로 전망된다. 사물인터넷 기술은 점차적으로 대중들에게 익숙해지고 있으며 차량 및 교통 관리, 자원 및 에너지 모니터링, 공장의 생산체계 관리, 장비 및 직원의 모니터링, 물리적 보안 관리 등 다양한 산업 분야에서 운영의 효율성 및 안전과 보안 등을 위한 서비스를 제공하고 있다(Park, 2016).

그 동안 광산 현장에서는 자원의 생산환경 관리와 작업자의 안전이 매우 중요함에도 불구하고 통신이나 긴급 수송이 어려워 다양한 문제가 발생해 왔다. 따라서 초연결에 핵심을 둔 사물인터넷 기술은 이러한 문제점을 극복하고 광업 분야에서의 안전 관리, 생산성 향상, 운반 시스템 개선 등을 위해 매우 유용하게 활용될 수 있다. 예를 들어 사물인터넷 기술을 활용하면 광산 내에서 작업자와 장비의 현황을 실시간으로 파악하여 작업의 효율을 개선할 수 있으며, 광산 내의 환경 변화를 실시간으로 파악함으로써 위험상황 발생 시 작업자들을 신속하게 대피시킬 수 있다(Jung et al., 2015). 이에 따라 최근 해외에서는 광업 분야에서 사물인터넷 기술을 활용하기 위한 다양한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 국내의 광업 분야에서도 ICT 도입의 필요성이 점차 대두되고 있지만 아직까지는 시작 단계에 머물고 있다(Choi, 2017). 특히 국내의 경우 세계 최고 수준의 정보통신 기술을 보유하고 있음에도 불구하고 광업 분야에서 사물인터넷 기술을 활용하거나 연구를 수행한 사례는 상대적으로 부족한 실정이다. 이는 국내 광업 분야 종사자들에게 있어 아직 사물인터넷 자체가 생소하고, 그 중요성과 적용 가능성이 알려지지 않았기 때문이라고 생각된다.

따라서 본 논문에서는 사물인터넷의 개념과 핵심 세부기술을 소개함으로써 사물인터넷 기술에 대한 이해를 돕고, 광업 분야에서의 적용 사례와 기술 동향을 알리고자 한다. 사물인터넷 서비스를 위해서는 네트워크 구성과 네트워크로의 연결을 위한 통신기술들이 필요하다. 다양한 세부기술이 존재하지만 본 논문에서는 광업 분야에서 활발하게 활용되고 있거나 대중적으로 익숙한 무선식별시스템(Radio Frequency IDentification, RFID), Bluetooth, Zigbee를 위주로 소개하였다. 또한 사물인터넷의 적용을 위해서는 센서, 혹은 하드웨어 플랫폼이 중요한 역할을 수행한다. 따라서 광업을 비롯한 다양한 분야에서 널리 활용되고 있는 아두이노와 라즈베리 파이를 중심으로 오픈소스 하드웨어에 대해서도 다루고자 한다. 광업 분야에 사물인터넷 기술과 오픈소스 하드웨어가 적용된 사례는 적용된 기술 종류보다는 기술들이 활용된 목적에 따라서 분류하고 제시하였다.

사물인터넷(IoT)의 개념 및 세부기술

사물인터넷의 개념

사물인터넷이라는 용어는 1999년 매사추세츠 공과대학(MIT)의 케빈 애시튼 교수가 처음 사용한 것으로 알려져 있으며 단어 그대로 사물들이 서로 연결된, 사물들로 구성된 인터넷을 의미한다. 대중들에게 익숙하던 기존의 인터넷은 컴퓨터나 휴대전화 등이 상호 연결되어 구성되었던 반면, 사물인터넷은 모든 사물이 연결되어 구성된 인터넷이라 할 수 있다. 따라서 사물인터넷의 대상은 새롭고 확장되었을지라도 기본적인 개념 자체는 그 동안 존재해 왔던 것임을 알 수 있다. 이처럼 기존에 존재하던 개념이 새롭게 주목받고 사회 전체적으로 영향력을 넓히게 된 이유는 수 많은 사물에 접목될 수 있을 정도로 스마트 센서와 통신 모듈이 보급되고 컴퓨팅 파워와 무선 통신 네트워크 기술이 향상되었기 때문이다.

사물인터넷 장치들이 전송망에 연결되는 방법은 게이트웨이를 통해서 연결되는 경우와 무선 기술을 통해 직접 연결되는 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 사물인터넷 장치들은 배터리 및 통신 반경의 제약이 있고, 처리 능력과 저장 능력도 한계가 있기 때문에 일반적으로 게이트웨이를 통해 전송망으로 연결된다(Kim, 2015). 이 때 사물 장치들의 인터넷 연결을 위해서는 무선센서네트워크(Wireless Sensor Network, WSN) 기술이 중요하며, 이는 무선 통신 및 컴퓨팅 능력을 갖춘 센서노드로부터 자율적인 네트워크를 형성하고 획득한 정보를 활용하는 기술이다. WSN은 일반적으로 저비용·저전력의 센서노드들로 이루어져 있으므로 광업 현장과 같은 곳에서도 활용이 가능하다. 본 논문에서는 무선 통신을 위한 세부기술 중 광업 분야에서도 활용되고 있는 RFID와 블루투스(Bluetooth)에 대해서 살펴보고 네트워크 구축을 위한 WSN 기술의 개념 및 대표적인 WSN 기술인 ZigBee에 대해서 알아본다.

무선식별시스템(RFID)의 개념 및 특징

무선식별시스템이라고도 하는 RFID는 무선주파수를 이용하여 태그에 저장된 데이터를 비접촉으로 읽어내는 시스템으로서 전원을 필요로 하는 능동형과 수신기의 전자기장에 의해 작동되는 수동형으로 나뉜다. RFID는 인식률이 높고 접근 방향의 영향을 받지 않을 뿐 아니라 여러 정보를 동시에 읽거나 수정할 수 있기 때문에 기존의 바코드 기술의 한계점을 해결할 수 있다는 장점을 가진다(Lee at al., 2008). 일상 생활을 예로 들면 RFID 기술은 도난과 복제 방지, 도서관 도서 출납, 마트에서의 계산 및 대중교통 요금징수 등에 이용되고 있다. RFID 기술은 사용하는 주파수 대역에 따라서 분류할 수 있다. 저주파 RFID 시스템은 인식거리가 짧고 인식 속도가 비교적 느리지만 환경에 따른 성능 저하가 적고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 고주파 RFID는 전송되는 데이터의 신뢰도가 높고 여러 개의 태그를 인식할 수 있으며, 극초단파 RFID는 원거리에서도 뛰어난 인식률을 보인다. 마이크로파 RFID는 다중 태그 성능이 가장 뛰어나지만 수분 등의 환경 조건에 큰 영향을 받는다는 단점이 있다(Jang et al., 2004). 이처럼 RFID는 사용하는 주파수 대역에 따라서 장단점이 다르기 때문에 활용 목적에 따라 적합한 제품을 선정할 필요가 있다.

RFID 기술은 광산 현장에서도 활발하게 활용되어 왔으며 Jung et al.(2015)은 해외 및 국내 광산을 대상으로 RFID가 적용된 사례를 조사한 바 있다. 대표적으로 호주의 Dendrobium 석탄광산에서는 광산 입구와 갱내 주요 작업장에 수신기를 설치하고, 광산장비와 작업자의 안전모에 RFID 태그를 설치하여 효율적인 장비 운영과 작업자의 안전 확보에 기여하였다(Swedberg, 2011). 그 외에도 호주의 Norwich Park 석탄광산, 인도네시아의 Pasir Mine, 칠레의 Los Bronces 동광산 등에서 RFID가 활용되면서 광산에서의 물류 관리, 차량 운행 관리, 근로자 근태 관리 등에 이용되었다. Nevada의 Leeville 금광산에서 활용되고 있는 RFID 장치(Fig. 1)는 램프 배터리에 내장되어 근로자들의 위치 파악에 활용되었다. 국내의 대성 MDI 석회석 광산에서는 작업자의 근태관리, 안전관리, 실시간 현장 상황 파악 등을 위해 2014년 RFID 시스템을 도입하였고, 포스코 마그네슘 제련 공장에서는 환원로에 RFID 시스템을 설치하여 공정을 자동화하고 체계적인 품질관리 체계를 구축한 것으로 보고되었다(Jung et al., 2015).

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Fig. 1.

An AeroScout RFID tag built into the battery pack that powers a miner’s cap lamp (image source: RFID Journal, https://www.rfidjournal.com/articles/view?5253).

블루투스의 개념 및 특징

블루투스(Bluetooth)는 휴대기기를 서로 연결해 정보를 교환하는 근거리 무선 기술 표준이다. 1994년 휴대폰 공급업체인 에릭슨(Ericsson)의 연구를 바탕으로, 1998년 ‘블루투스 SIG(Special Interest Group)’를 통해 본격적으로 개발되었다. 2001년부터 블루투스 클래식(Bluetooth Classic)이라 불리는 초기 버전의 기술이 이어폰이나 마우스 등의 다양한 휴대기기에 접목되면서 대중들에게도 익숙한 기술이 되었다. 지속적인 발전을 통해서 전송 속도를 향상시키고 전력 소모를 줄여왔으며 블루투스 4.0부터는 LE(Low Energy) 프로토콜을 기반으로 위치정보를 포함한 블루투스 신호를 주기적으로 전송하는 블루투스 비콘(beacon) 제품들이 다수 출시되었다. 이러한 블루투스 비콘은 실내에서의 위치를 파악하고 주변의 환경변화를 감지하는 등의 목적으로 다양한 분야에서 활용되고 있다(Yim and Keum, 2015). 2014년에 공개된 블루투스 4.2는 새로운 인터넷 프로토콜 지원 프로파일(IPSP)을 추가함으로써 사물인터넷(IoT)에 대한 대응 능력이 향상되었다. 최신 버전인 블루투스 5.0에서는 LE 프로토콜의 느린 전송속도를 개선하였으며, 사물인터넷 기기들 간의 간섭을 줄이기 위해 이를 미리 차단하는 Slot Availability Mask(SAM) 기능이 추가되었다. Jung et al.(2016)은 블루투스 기술이 광업현장에 적용된 사례를 조사하고 블루투스 비콘 기술의 광산 내 적용 가능성을 평가하였다. Wu et al.(2014)은 블루투스를 지하광산 내의 가스농도를 모니터링하는데 활용한 바 있으며, Radinovic and Kim(2008)은 미국 Oklahoma주 Pollyanna 지하광산을 대상으로 갱내 위치추적 시스템을 설치할 때 블루투스의 적용성을 평가하였다. Jung and Choi(2016)는 지하광산의 다수 지점에 블루투스 비콘을 설치하고 스마트폰을 활용하여 운반용 트럭의 이동 시간을 측정하였다. Baek et al.(2017)은 블루투스 비콘을 이용한 스마트폰 애플리케이션을 개발하여 운반용 트럭의 위치를 추적하고 이를 3차원으로 가시화할 수 있도록 하였다(Fig. 2). 과거의 블루투스 기술은 통신 거리와 전송 속도의 한계로 인해 광업 현장에서의 활용성은 떨어졌으나 지속적인 개선이 이루어졌기 때문에 향후 효과적인 적용이 기대되고 있다.

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Fig. 2.

(a) Bluetooth beacon, (b) results of testing the BBUNS application during the haulage operation, and (c) screenshot of BBUNS application when the signal of a Bluetooth beacon is recognized (Modified from Baek et al., 2017).

무선센서네트워크(WSN) 및 Zigbee의 개념 및 특징

WSN 기술의 궁극적인 목적은 모든 사물에 컴퓨팅 능력과 무선 통신 능력을 부여해서 언제 어디서나 사물들끼리 통신이 가능한 유비쿼터스 환경을 구현하는 것이다. WSN은 정보 취득을 위한 무선 센서, 수집된 정보를 가공하는 프로세서, 이를 전송하는 무선 송수신 장치로 구성된다. 즉 WSN은 센서 노드와 이를 수집하여 외부로 내보내는 싱크 노드(또는 게이트웨이)로 구성된 네트워크이다(Fig. 3). 센서 노드 간의 무선통신에는 블루투스도 많이 사용되지만 WSN 관점에서는 저전력, 저가격 통신을 핵심 목표로 개발된 ZigBee와 같은 기술이 주로 이용된다(Kim, 2015).

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Fig. 3.

Conceptual image of Wireless Sensor Network (WSN).

ZigBee는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하며, 소형의 저전력 디지털 라디오를 이용해 무선개인통신망(Wireless Personal Area Network, WPAN)을 구성하기 위한 표준기술이다. ZigBee 표준은 블루투스나 Wi-Fi를 이용한 다른 WPAN 기술에 비해 상대적으로 더 단순하고 저렴한 기술을 목표로 만들어졌다. 저렴한 가격 덕분에 광범위한 영역에 다량으로 배치하는 것이 가능하고, 여러 중간 노드를 거친 메쉬 네트워크 방식을 이용해서 넓은 범위의 통신이 가능하다는 장점을 가진다. 따라서 낮은 수준의 전송 속도만 필요로 하면서 긴 배터리 수명과 보안성을 요구하는 응용 분야에 적합하다. Ledange and Mathurkar(2016)는 ZigBee 기반의 네트워크 통신이 가능한 로봇을 만들어 지하 석탄광산에서의 가스 농도, 온도, 습도 등의 환경정보를 감지하고 안전 경보를 울리도록 하였다. Paulchamy(2018)는 가스 농도, 온도, 습도 센서를 헬멧에 설치하고 ZigBee를 이용하여 근로자의 상태를 지상의 시스템에서 관리할 수 있도록 하였다. Kumar et al.(2017)은 열적외선 센서를 비롯한 다양한 센서를 갖춘 무인 차량을 이용해서 지하 광산에서의 환경 정보와 위치 정보를 측정하고 ZigBee를 통한 네트워크 통신을 수행하였다. 이처럼 ZigBee는 WSN 기술로서 다양한 센서와 연동하여 지하 광산에 적용될 수 있음을 알 수 있다.

오픈소스 하드웨어의 개념 및 대표적인 제품

오픈소스 하드웨어의 개념 및 특징

사물인터넷 기반의 다양한 서비스를 제공하기 위해서 사물로부터의 데이터를 수집·제공하고 사물 디바이스들을 관리하는 공통의 미들웨어 시스템을 사물인터넷 플랫폼이라고 한다. 데이터 분산 처리, 개방형 API를 통한 데이터 공유, 빅데이터 분석, 개별 지능화 서비스 등의 다양한 기능들이 상호 연결된다면 궁극적인 사물인터넷 플랫폼이 실현될 수 있다(Choi et al., 2014). 이러한 사물인터넷 플랫폼 중 하나로서 오픈소스 하드웨어(Open Source Hardware, OSHW)가 하드웨어 및 디바이스 플랫폼으로서 주목받고 있으며, 그 활용영역 또한 점차 확장되고 있다. OSHW는 하드웨어의 설계와 디자인을 공개하고 관련 정보를 공유하기 때문에 관련 분야 전공자가 아니어도 손쉽게 하드웨어를 설계하고 제어할 수 있다. 따라서 OSHW는 다양한 센서 및 사물인터넷과의 결합을 통해서 혁신적인 개발이 가능하다는 장점을 가진다. 이러한 OSHW는 사물인터넷 확산에 크게 기여하고 있으며 대표적인 OSHW로는 아두이노(Arduino)와 라즈베리파이(Raspberry Pi)가 있다.

아두이노는 하드웨어 비전공자들을 위해 2005년 인터랙션 디자인 전문학교(Interaction Design Institute Ivrea, IDII) 마시모 반지 교수가 개발하였다. 아두이노 통합 개발 환경을 통해서 소스 코드를 작성하고 편집할 수 있으며, 코드를 아두이노 하드웨어가 이해할 수 있는 명령어로 컴파일할 수 있다. 아두이노는 하드웨어와 소프트웨어가 오픈소스로 개방되어 있기 때문에 아두이노를 기반으로 누구나 다양한 호환 보드를 개발 및 판매할 수 있으며 가장 대중적인 보드로는 아두이노 우노(UNO)가 있다(Fig. 4(a)). 저렴하고 간단하게 다양한 센서 및 사물인터넷과의 결합이 가능하기 때문에 광업 분야에서도 아두이노를 활용한 사례가 다수 보고되었다. Roja and Srihari(2018)는 열적외선 센서, 가스 센서, 온습도 센서 등을 아두이노를 통해 헬멧과 결합하여 사물인터넷 기반의 안전 시스템을 구축하였다. 아두이노와 수질 센서를 결합하면 광산 배출수의 산도를 측정할 수 있으며(Salamanca et al., 2017), 일부 노천광산에서는 아두이노에 유압계, 신장계, 기울기 센서 등을 결합하여 사면 붕괴 위험성을 분석하고 그 결과를 ZigBee를 통해 전송하였다(Jayanthu et al., 2017).

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Fig. 4.

(a) Arduino Uno Rev3 board (www.arduino.cc), and (b) Raspberry Pi 4 board (www.raspberrypi.org).

라즈베리파이는 교육을 목적으로 개발된 초소형 컴퓨터로서 2006년 에벤 업톤을 포함한 네 명의 공동설립자들이 디자인하고 2012년에 첫 번째 모델이 공개되었다(Fig. 4(b)). 초소형 컴퓨터인 라즈베리파이는 컴퓨터에 필요한 최소 구성요소와 부품들을 가지고 있으며 아두이노와 마찬가지로 사용자가 원하는 대로 기능을 확장하거나 용도를 변경할 수 있다. 예를 들어 카메라 모듈을 연결하면 디지털 카메라가 되고, 휴대용 게임기가 될 수도 있으며, 각종 센서를 연결하면 사물인터넷 장치가 될 수 있다. 광업 현장에서는 라즈베리파이 역시 아두이노와 유사한 방식으로 활용이 되고 있다. 가속도 센서와 가스 센서 등을 라즈베리파이와 결합하여 대기 오염과 충격을 감지하는 스마트 헬멧 연구가 수행되었으며(Behr et al., 2016), 지하광산에서의 환기 시스템을 최적화하기 위해서 다수의 장치로 각종 대기질의 정보와 위치 정보를 측정하고 분석할 수 있는 스마트 환기 네트워크 연구가 보고된 바 있다(Roibal, 2017). 또한 사람이 접근하기 어려운 지하광산의 내부 환경을 모델링하기 위해서 라즈베리파이 기반의 로봇과 3차원 레이저스캐닝 기술을 결합한 사례가 있다(Olivka et al., 2016). 지하광산 뿐 아니라 폐광산 오염수에 의해 발생하는 수질오염을 모니터링하기 위해서도 다수의 수질센서와 사물인터넷 기술을 이용한 라즈베리파이 장치가 활용될 수 있다(Ogallo, 2016). 일반적으로 아두이노보다 라즈베리파이가 더 고성능의 고가 제품으로서 운영체제를 갖추고 있다는 장점이 있다. 반면에 아두이노는 저렴하고 간단하게 제어가 가능하기 때문에 활용성이 좋고 다수의 제품을 필요로 할 때 유리하다.

광업분야에서의 적용 사례 및 연구 동향

앞서 살펴보았듯이 사물인터넷의 구현을 위해서는 다양한 세부기술이 필요하며 이러한 세부기술들은 광업현장 곳곳에서 활용되고 있다. 광업현장에서 사물인터넷 기술이 적용된 사례를 활용 목적 및 활용 방식에 따라서 분류한 결과는 Table 1과 같다. 유사한 적용 방식이 다른 목적으로 사용될 수 있으나 사물인터넷의 활용 목적을 크게 분류하면 근로자 안전 관리, 현장 환경 모니터링, 작업 효율 향상으로 구분할 수 있다. 현장 환경의 모니터링을 위한 일부 기술들은 근로자의 안전과 직결되기도 하는데 이런 경우에는 장치를 근로자에게 부착하는지, 혹은 현장에 설치하는지에 따라 각각 ‘근로자 안전 관리’와 ‘현장 환경 모니터링’ 범주로 구분하여 분류하였다.

Table 1. Application cases of IoT technology and open source hardware in the mining industry

Objective Methods Examples
Safety management
for workers
∙Wearable sensors for position, motion,
acceleration using smart helmet,
smartphones, and smart watches
∙Medical parameter sensors for monitoring
the condition of workers
∙Personnel orientation and rescue system in mine using RFID
(Bin et al., 2011)
∙IoT based smart helmet (Roja and Srihari, 2018;
Paulchamy, 2018; Behr et al., 2016)
∙Smart eyewear and smart watch (Mardonova and Choi, 2018)
Mine environment
monitoring and mapping
∙Robot-based monitoring of dangerous
environments for human
∙Sensors for environmental monitoring
such as toxic gases, water quality,
temperature, atmospheric pressure,
and humidity.
∙3D Mapping of the coal mine using IoT based robot
(Olivka et al., 2016)
∙Robot-based wireless monitoring and safety
system for underground coal mines using ZigBee
(Ledange and Mathurkar, 2016)
∙Blast-induced ground vibration monitoring system
(Prashanth and Nimaje, 2019)
∙Mine ventilation data collection and analysis
(Roibal, 2017)
∙Slope monitoring in opencast mines
(Jayanthu et al., 2017)
∙Pre-Alarm system based on real-time
monitoring for tailings dam
(Dong et al., 2017)
∙Water Quality Monitoring System
(Ogallo, 2016)
Operational efficiency
improvement
∙IoT-based machine for improving the
efficiency of mining operations
∙Location and efficiency analysis of
working objects in underground mine
using geoinformation
∙Self-advancing (mobile) goaf edge support (SAGES) for
depillaring operations in underground coal mines
(Singh et al., 2018)
∙Tracking of unmanned vehicles for underground mines
(Kumar et al., 2017)
∙Measuring transport time of mine equipment using a
Bluetooth beacon system (Jung and Choi, 2016)
∙Bluetooth Beacon-based underground navigation
system to support haulage operations (Baek et al., 2017)
∙Simulation of truck haulage operations using
ICT-based Big Data (Baek and Choi, 2019)

근로자의 안전 관리

근로자의 안전 관리를 위한 사물인터넷 적용 사례는 근로자가 착용할 수 있는 웨어러블 기기의 발전과 함께 확산되고 있다. 광업 현장에서의 근로자라면 반드시 착용해야 하는 헬멧에 다양한 센서를 부착하여 근로자의 위치, 움직임, 심장 박동수 등을 파악할 수 있으며(Bin et al., 2011), 온습도나 가스 농도 등 근로자 주변의 주요 환경 변화를 감지하고 그 결과를 통신할 수 있다(Roja and Srihari, 2018; Paulchamy, 2018; Behr et al., 2016). 최근에는 스마트글라스나 스마트워치 등의 상용화와 함께 이러한 환경 변화를 근로자가 직접 확인할 수 있는 기술(Fig. 5)도 개발되고 있다(Mardonova and Choi, 2018).

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Fig. 5.

Wearable safety communication system using IoT technology and open source hardware (Mardonova and Choi, 2018).

현장 환경 모니터링

광산 환경의 모니터링을 위해서는 로봇을 이용하거나 광산 내의 다수 지점에 센서를 설치하는 연구가 수행되고 있다. 근로자가 착용할 수 있는 사물인터넷 장치는 근로자 개인의 안전과 사후 대책을 위해서 주로 활용될 수 있는 반면에 환경 모니터링 시스템은 전체적인 광산의 정보 파악 및 안정성 확보, 사람이 직접 얻기 힘든 데이터의 취득에 목적이 있다. 예를 들어 사물인터넷 기반의 로봇을 이용해서 사람을 대신해 지하 광산의 3차원 정보를 획득하거나(Olivka et al., 2016) 유해가스 농도를 측정할 수 있다(Ledange and Mathurkar, 2016). 또한 무선통신 기술을 갖춘 다수의 센서를 활용해서 지하광산 뿐 아니라 노천광산, 광미댐, 주변 환경에 대한 모니터링 연구가 수행되고 있다. 발파에 의한 지하광산 내의 진동 분석(Prashanth and Nimaje, 2019), 지하광산 내의 가스농도 분석 및 배기 시스템 설계(Roibal, 2017), 노천광산의 사면안정성 분석(Jayanthu et al., 2017), 광미댐의 붕괴 위험도 분석(Dong et al., 2017), 산성광산배수에 의한 주변 수질 오염 분석(Ogallo, 2016) 등이 이러한 범주에 속한다. 최근에는 사물인터넷 기술 및 OSHW와 더불어 스마트폰 기반의 애플리케이션을 활용해 지하광산의 대기환경을 모니터링한 사례도 보고되었다(Mardonova and Choi, 2019). 이러한 사물인터넷 센서 기술의 적용 방식은 기존의 유선 시스템과 목적은 비슷하나, 전선의 설치가 어려운 환경에도 설치가 가능하고 예산 절약 및 실시간 데이터 취득이 가능하다는 장점이 있다.

작업 효율 향상

작업 효율 향상을 위한 연구는 취득한 데이터의 해석을 통해서 이루어지는 경우가 많으나 본 논문에서는 사물인터넷과 직접적으로 관련된 사례를 중심으로 제시한다. 광산 내에서의 일부 작업은 사물인터넷 기능을 갖춘 로봇을 활용하려는 시도가 이루어지고 있으나(Singh et al., 2018) 아직까지는 근로자에 의존하는 상황이다. 광업 활동의 자동화를 위한 요소기술로서 무인 차량의 위치 추적 기술이 연구되고 있으며(Kumar et al., 2017), 블루투스 비콘을 이용해서 운반 트럭의 위치를 인지하고 운반 시간을 측정하는 연구가 수행되었다(Jung and Choi, 2016; Baek et al., 2017). 최근에는 이러한 운반 트럭의 정보와 빅데이터 분석 기술의 결합을 통해서 작업 설비의 조건에 따라 작업 시간을 예측하는 연구도 이루어지고 있다(Baek and Choi, 2019).

광산업체 및 기관에서의 사물인터넷 활용 사례

실제 광업현장에 사물인터넷 기술을 적용하기 위한 광산업체와 기관의 노력 또한 계속되고 있다. 이러한 노력은 궁극적으로 가상물리시스템(Cyber-Physical System, CPS)을 이용한 스마트 마이닝(smart mining) 혹은 디지털 마이닝(digital mining)의 형태로 나타난다. CPS는 물리적인 실제 시스템과 가상공간의 해석을 실시간으로 통합하는 시스템으로서, CPS 구축을 위해서는 사물인터넷, 빅데이터 분석, 인공지능 등의 ICT 기술 융복합 과정이 필수적이다. CPS를 통한 가상환경 내에서의 분석 및 예측 결과를 이용하면 실제 물리 시스템에서 필요로 하는 최적의 문제해결 방안을 도출할 수 있다(Ryu, 2019). 대규모 광산업체인 Rio Tinto(www.riotinto.com)는 호주 필바라(Pilbara) 철광석 광산을 대상으로 ‘Mine of the Future’ 프로그램을 통한 디지털 광산 시스템을 구축했다. 사물인터넷 기술을 통해 다수의 광산에 대한 실시간 모니터링과 안전 관리, 시추 자동화, 운반시설 자동화를 수행하였으며, 그 결과 관련 비용을 줄이고 안전성을 향상시켰다. 글로벌 광업 회사인 Metso (www.metso.com)는 사물인터넷 기술과 클라우드 플랫폼을 활용하여 광업 장비들로부터 데이터를 수집하고 모니터링 및 첨단 분석을 수행할 수 있도록 하였다. 이를 통해 사용자가 실시간으로 데이터에 접근하여 더 빠르고 안전한 장비의 가동이 가능해지고, 궁극적으로는 더 적은 비용으로 더 많은 작업을 수행할 수 있게 되었다(Tech World, 2017). 글로벌 산업 소프트웨어 회사인 AVEVA(www.aveva.com)는 광업 및 석유가스, 전기, 화학공학 등의 분야에서 사물인터넷 기술을 통해 얻은 정보를 디지털화하고 최적화 할 수 있는 디지털 트윈을 구축하고 있다. 국내업체인 대성 MDI (www.dsmd.co.kr)는 RFID와 블루투스 비콘 등을 활용하여 지하광산에서 생산되는 다양한 정보를 전산화하고 이를 안전 관리 및 생산성 향상에 활용하고 있다. 또한 가행광산이 아닌 폐광산에서도 사물인터넷을 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 한국광해관리공단(www.mireco.or.kr)에서는 폐광산에서 발생할 수 있는 광산재해를 효과적으로 관리하기 위해 사물인터넷 기반의 광산안전 관리 기술을 연구하고 있다(Energy Daily, 2018).

결 론

본 연구에서는 4차 산업혁명의 핵심기술인 사물인터넷 기술과 오픈소스 하드웨어의 개념 및 광업 분야 활용 사례를 정리하여 제시하였다. 사물인터넷 기술은 그 활용분야가 점차적으로 확대되고 있으며 광업현장에서도 자원의 생산환경 관리 및 작업자의 안전 확보 등의 목적을 위한 활용사례가 증가하고 있다. 사물인터넷의 세부기술로서 활용되고 있는 무선식별시스템 RFID는 주파수 대역에 따라서 다른 용도로 활용될 수 있으며 광업현장에서도 RFID의 무선통신기술을 이용한 다수의 적용사례가 보고되었다. 근거리 무선 기술 표준인 블루투스는 통신 거리와 전송 속도의 한계로 인해 광업 현장에서의 활용성이 떨어졌으나 지속적인 개선과 함께 적용성이 확장되고 있음을 확인하였다. 이러한 무선통신 기술을 기반으로 사물들 간의 네트워크 환경을 구축하기 위해서는 WSN 기술이 필수적이다. WSN은 정보 취득을 위한 무선 센서, 정보 처리 프로세서, 정보를 전송하는 무선 송수신 장치로 구성되며, 아두이노와 라즈베리파이 같은 오픈소스 하드웨어가 이러한 사물인터넷 및 센서 기술과 결합될 수 있다. 광업 현장에서의 적용 사례를 기반으로 분석한 결과, 사물인터넷 및 오픈소스 하드웨어는 광산에서의 근로자 안전 관리, 현장 환경 모니터링, 작업 효율 향상 등에 활용되고 있음을 알 수 있었다. 특히 사물인터넷 기술은 접근성 및 환경의 문제로 사람이 직접 취득하기 어려운 정보를 다수의 위치에서 지속적으로 제공할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 사물인터넷 기술은 빅데이터 분석, 인공지능 등의 ICT 기술과의 융복합을 통해 궁극적으로 CPS 기반의 디지털 광산을 구현하는데 중요한 역할을 수행하며, 이를 위한 광산업체와 기관들의 노력이 계속되고 있다. 이처럼 사물인터넷 기술은 새로운 시대의 핵심기술로서 광업분야에서도 매우 중요한 역할을 수행할 것으로 기대되고 있지만, 아직 국내 광업분야에서는 이에 대한 연구와 현장 적용 사례가 부족한 상황이다. 침체 속에 있는 국내 광업분야가 회복되고 국제적인 경쟁력을 갖추기 위해서는 전통적인 지질자원 및 광업에 대한 기초기술과 함께 최신 ICT 기술의 결합모델을 제시할 필요가 있다. 이를 위해서는 광업 분야에서 활용 가능한 사물인터넷 기술을 지속적으로 개발하고 현장 적용을 위한 다양한 노력이 이루어져야 할 것이다.

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