실시간 모니터링 및 원격제어 시스템과 CFD 시뮬레이션을 활용한 지하광산 안전관리 시스템 개발 = Development of a Safety Management System for Underground Mines Using Real-time Monitoring, Remote Control, and CFD Simulation

국문 초록 (Abstract)

지하 광산은 폐쇄적인 공간 특성상 유해가스 누출, 갱도 붕락 등 중대재해 위험이 상존하며, 사고 발생 시 대규모 인명 피해로 이어질 가능성이 높다. 최근 스마트 마이닝 기술의 발전으로 다양한 안전관리 솔루션이 등장하고 있으나, 고비용의 인프라 구축과 유지보수 부담으로 인해 국내 대다수를 차지하는 중소규모 영세 광산에는 도입이 어려운 실정이다. 기존의 인력 의존적이고 수동적인 관리 방식은 돌발 상황에 신속히 대응하기 어렵고, 작업자가 장비 가동을 위해 위험 구역으로 이동해야 하는 비효율성을 내포하고 있다. 이에 본 연구는 아두이노(Arduino)와 ESP32 등 저비용 오픈소스 하드웨어를 활용하여 경제적이면서도 실효성 높은 ‘소규모 광산 맞춤형 스마트 안전관리 시스템’을 개발하고 그 성능을 실증하였다. 본 시스템은 단순히 센서를 나열하는 방식에서 탈피하여, 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 갱내 기류 정체 구간과 가스 축적 위험 구역을 사전에 과학적으로 예측하고, 이를 바탕으로 최적의 센서 설치 위치를 선정하는 통합적인 접근 방식을 취하였다. 연구는 충북 제천시 소재 석회석 광산을 대상으로 수행되었다. ZigBee 기반의 무선센서 네트워크(WSN)를 구축하여 CO, CO2, NO2, O2 등 주요 가스 농도를 실시간으로 모니터링하였으며, 서보모터를 이용한 물리적 스위치 제어 모듈을 통해 외부에서 환기 및 배수 장치를 원격으로 즉각 제어할 수 있는 시스템을 구현하였다. 현장 실증 결과, 개발된 시스템은 갱내 환경변화를 안정적으로 탐지하여 데이터베이스화하였으며, 앱(App)을 통한 원격 제어 명령이 실제 현장 설비에 지연 없이 반영됨을 확인하였다. 특히 CFD 해석 결과를 반영하여 배치된 센서들은 통기 사각지대의 위험 데이터를 효과적으로 수집함으로써 시스템의 신뢰도를 높였다. 본 연구는 고가의 상용 시스템 도입이 어려운 소규모 광산 현장에 적용 가능한 안전 모델을 제시하였으며, CFD 해석과 IoT 실증을 결합하여 안전관리의 정밀도와 효율성을 동시에 확보했다는 점에서 학문적·산업적 의의를 지닌다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 기존 연구 검토 4
• 1.3 연구 목적 7
• Ⅱ. 연구방법 8
• 2.1 가스 센서와 측정 모듈 구성 8
• 2.2 ESP32를 이용한 데이터 수집 및 전처리 13
• 2.3 ZigBee 기반 무선 네트워크 구성16
• 2.4 Wi-Fi 백홀과 Firebase 연동 24
• 2.5 ESP32와 서보모터를 이용한 원격 제어 모듈 제작 26
• 2.6 바이브코딩과 프레임워크를 이용한 애플리케이션 제작31
• Ⅲ. 연구 결과 43
• 3.1 데이터 통신 예비 실험43
• 3.2 연구대상 지하광산 및 현장 실험 환경53
• 3.3 CFD를 활용한 가스 측정 위치 선정 56
• 3.4 갱내 가스 모듈 설치 및 시간대별 모니터링 결과70
• 3.5 통기배수 스위치 조작 모듈 원격 제어 성능 평가 77
• Ⅳ. 토의 80
• 4. 토의80
• Ⅴ. 결론 81
• 5. 결론81
• Ⅵ. 부록 83
• 6.1 아두이노 코드 (코디네이터, 라우터)83
• 6.2 아두이노 코드 (서보모터) 93
• □ 참고문헌 96
• □ Abstract 99