물 안 빼고 운하 바닥 퇴적물 찾는 무인수상정 Dronar 소나 검사

물을 빼지 않고 개방형 콘크리트 운하 바닥의 퇴적물과 결함을 저비용으로 탐지할 수 있는 USV 소나 시스템을 만들고 검증할 수 있는가?

개방형 콘크리트 운하는 미국 피닉스 지역 약 250만 가구의 주요 물 공급원이지만, 시간이 지나 라이닝 변형, 콘크리트 균열, 바닥 퇴적물이 생긴다. 현재는 운하를 배수하는 4년 주기 드라이업 때만 전 구간 점검이 가능해 유지보수 인력이 가장 심한 구간을 우선적으로 파악하기 어렵다. 수위 위쪽은 육안 점검이 가능하지만 수중 균열과 퇴적물은 물을 빼지 않으면 확인할 수 없다.

기존에는 SRP 관리자가 수위 위쪽만 육안으로 점검하고, 가을과 겨울에 운하 구간을 비워 청소와 보수를 했다. 소나 조사는 전통적으로 특수 선박과 훈련된 운영자가 필요했지만, 최근 소비자용 어군탐지기를 무인기에 매달거나 원격 수상정에 장착해 얕은 물 지형을 조사하는 연구가 일부 있었다. 그러나 비행 드론에 소나를 매다는 방식은 조종 자격과 항공 규제, 경로와 소나 위치 불일치, 짧은 체공 시간 때문에 좁은 수로 검사에 한계가 있었다.

Dronar는 쌍동선 형태의 무인수상정(USV)에 Lowrance Active Imaging HD 3-in-1 800kHz 소나 트랜스듀서를 물속에 장착하고 CubePilot Cube Orange+와 ArduPilot rover 펌웨어로 수동, 자동 운항을 지원한다. 트랜스듀서를 선체 앞쪽 스러스터 아래에 매달아 난류를 줄였고, 방수 박스 2개에 소나 헤드와 제어부를 나눠 실었다. 운하 경사면에서 진수, 회수하기 위한 맞춤형 카트와 갈고리를 사용했다. 모든 데이터는 로컬 SD카드에 기록된다. 애리조나 운하 1.6km 구간과 메사 400m 구간에서 실물 운하 시험을 수행했고, 사전, 사후 유지보수 조사에서 하류 방향으로만 6회 주행하며 DownScan과 SideScan 데이터를 수집했다.

실물 애리조나 운하 시험에서 1.6km 하류 구간을 25분 만에 8km/h로 주파했고, 상류는 1.6km/h로 제한됐다. 하류 1.6km 주행 후 배터리 잔량은 62%였다. 메사 400m 구간의 사후 유지보수 조사에서는 6회 하류 주행을 했고, 16Ah 배터리로 4회 주행 후 71%, 20Ah 배터리로 2회 자동 주행 후 75%가 남았다. DownScan 수심 프로파일 반복성은 청소 구간 두 주행에서 원본과 밴드패스 필터링 결과가 거의 겹쳤고, 모든 청소 주행에서 반복 프로파일이 최대 7cm 이내로 일치했다. 퇴적물이 있던 사전 유지보수 구간의 원수심 프로파일은 청소 후 같은 구간보다 약 15cm 얕았고, 필터링 후 사전 구간은 최대 15cm의 음의 잔차를 보인 반면 사후 구간은 약 5cm 이내에 머물렀다. 이는 소나가 국소 퇴적물을 탐지했음을 보여준다.

저자들은 세 가지 한계를 밝혔다. 첫째, 검증이 퇴적물과 청소 상태 두 조건만 비교해 라이닝 변형, 콘크리트 균열, 다양한 퇴적물 유형, 이물질 탐지 성능은 확인되지 않았다. 둘째, 소나 데이터 후처리가 수동 파이썬 스크립트로 이뤄져 자동화 파이프라인과 기계학습 분류가 필요하다. 셋째, DownScan만 분석했고 SideScan은 수집만 하고 분석하지 않아 얕은 수심에서 DownScan 빔이 닿지 않는 운하 가장자리와 벽 인접 구역은 사각지대로 남는다. 운영상으로는 첫 회수에 4번 시도가 필요했고, 고온 환경에서 Herelink 컨트롤러 과열 경고가 있었으며, 상류 주행 속도가 매우 느렸고, Auto 모드가 Manual 모드보다 주행 시간 대비 전력을 더 소비했다. 전체 211km 운하망 적용에는 배터리 관리 전략이 필요하다.