Balaton Technologies - LabVIEW를 이용한 해양 관측 시스템 구현

Author(s):
Stephen Boronkay - Balaton Technologies

Industry:
Water/Wastewater

Products:
LabVIEW

The Challenge:
근해 고정 해양 부이에 사용할 윈도우 기반 소프트웨어 프로그램을 만들어야 합니다.

The Solution:
NI LabVIEW를 사용하여 인스트루먼트, 다용도 파일 처리 기능 및 강력한 내장형 분석 함수에서 편리한 통신을 제공하는 시스템을 만들었습니다.

데이터를 수집, 분석 및 제시하는 윈도우 기반 시스템
근해 고정 해양 부이(offshore stationary ocean buoy)는 수온, 해류, 파도 및 바람 뿐 아니라 다른 특성을 모니터링합니다. 이 시스템에서 판독한 데이터를 무선 모델 멀티플렉서를 통해 해안관측소(onshore station)로 보내면 해안관측소의 컴퓨터는 다중 무선 링크로부터 전송된 데이터를 읽고 파일에 저장한 다음 부분적 분석을 수행하고 자세한 분석과 보고서 생성이 이루어질 수 있도록 다른 사이트에 있는 컴퓨터로 데이터를 발송합니다. 전에는 Fortran으로 쓰인 프로그램이 이 태스크를 수행하였으나 우리는 이 소프트웨어를 윈도우에서 실행되는 프로그램으로 교체하고자 했으며 기존 소프트웨어를 교체하는 것 뿐 아니라 데이터 경로와 관련 컴포넌트를 최적화했습니다.

NI LabVIEW는 인스트루먼트와 통신하고 데이터를 분석하여 제시하는 데 특히 가장 적합하기 때문에 우리는 NI LabVIEW를 선택했습니다.

다양한 데이터 수집
부이에는 2개의 데이터 수집 인스트루먼트가 내장돼 있습니다. 하나는 수온(14개의 센서), 풍속 및 풍향(2개의 풍력계), 부이 나침반 방향(buoy compass heading) 및 배터리 전압을 30초마다 읽습니다. 그러면 무선 모뎀이 계측 결과를 육상(shore)으로 다시 전송합니다. 두 번째 인스트루먼트는 가속도계를 매초마다 읽어 해수면 고도(water elevation)를 산출하고 나면, 이 가속도계가 8초 간격으로 육상으로 정보를 전송합니다. 2개의 유속계가 각 17미터와 52미터 깊이에 있으며 해류 벡터(ocean current vector), 수온 및 전도성을 30초마다 측정합니다.

직관적 데이터 분석
해안관측소의 컴퓨터는 4개의 비동기식 직렬 포트로부터 전송된 데이터를 읽고 30초마다 수신되는 원시 데이터를 24시간 단위 파일에 저장합니다. 그러면 프로그램에서 수온, 바람, 해류, 부이 방향 및 배터리 전압의 평균을 5분마다 산출합니다. 또한 이전 34분간 파도 높이 데이터에 대해 시간 및 주파수 영역에서 파도 분석을 수행한 다음, 5분 단위로 분석된 결과 데이터를 24시간 파일에 저장합니다. 중요한 5분 데이터는 해안경비대 직원들이 볼 수 있도록 인디케이터나 24개의 플롯으로 프런트 패널에 나타납니다. 컴퓨터에는 데이터를 전파하기 위한 직렬 출력 포트가 3개 있습니다. 첫 번째 포트는 프로그램에서 5분의 평균 데이터를 기상청(Bereau of Meteorology)으로 보내는 데 사용하는 영구 라인에 연결됩니다. 나머지 2개는 전화 접속 모뎀에 연결되므로 원격 컴퓨터가 전날의 24시간 파일을 다운로드하고 파일이 도착하면 선택에 따라 5분 평균 데이터에 액세스할 수 있습니다.

LabVIEW로 신뢰성 향상
우리는 연중무휴 작동이 가능하도록 육상 컴퓨터 LabVIEW 프로그램을 설계하였습니다. 이 프로그램에서는 시작과 종료를 제외하고는 사전 정의된 작업 시퀀스와 함께 상태 머신 구조를 사용합니다. 신뢰성 및 일관적인 오류 처리를 위해 전체적으로 VISA를 사용하는 RS-232 통신 SubVI를 작성했습니다. 위에 정의된 프로그램 뿐 아니라 태스크에서는 시스템에 내재된 매우 심각한 데이터 손상을 고려하여 때로는 복원해야 합니다.

Bondi에 정박해 있는 해양 기준관측소(해양 부이)

여기에는 비동기식 다중 무선 링크, 드롭아웃(dropout), 균일하지 않은 데이터 속도 및 기상 조건(높은 파도나 비 등)에 따른 훨씬 심각한 데이터 손실이 포함됩니다. 또 다른 어려움은 부이에 자주 접근할 수 없다는 것으로(일년에 몇 회만) 이는 센서가 표류하거나 고장 날 경우 수동 정정이 가능한 프로그램이 각 센서를 상쇄시킬 수 있다는 것을 의미합니다. 또한 센서가 고장나는 겨우 시스템이 프런트 패널을 제어하여 센서를 “끄게” 됩니다.
이 관측소의 컴퓨터는 시스템의 작동을 모니터링하여 24시간 파일을 다운로드 및 보관한 다음 이전 일자의 데이터에 대한 품질 보증 작업을 수행하고 환경 및 기상 모델에서 사용할 수 있도록 요약 파일을 계산 및 합계합니다. 이러한 태스크를 수행할 수 있도록 우리는 LabVIEW에서 VI 스위트를 작성했습니다. 가장 중요하면서도 어려운 프로그램은 무인으로 자동 수행되는 프로그램들이었습니다. 매일 품질 보증 기준 스위트를 전날의 5분 평균 데이터에 적용한 다음 요약 파일을 준비하면 FTP를 통해 환경 모델링을 위해 원격 컴퓨터로 전송됩니다.

24시간 해양 온도 프로파일에 대한 Despiking 알고리즘 어플리케이션

품질 보증
품질 보증 기준을 전날의 5분 데이터에 자동으로 적용하도록 작성된 LabVIEW 프로그램을 사용하여 우리는 양호한 것으로 간주되는 값으로부터 보간을 통해 이상 값(anomalous value)을 바꾸었습니다. 이를 위해 모든 포인트마다 적응 임계값 테스트를 수행해야 하며 보간 메커니즘이 필요합니다. 1시간 분량의 데이터만 손실되었을 경우 데이터를 보간하거나 전체 시간에 해당하는 데이터가 없는 경우 null 값을 삽입할 수 있도록 다양한 예측 알고리즘으로 손실된 데이터를 채워 넣었습니다. 위의 2가지 작업을 통해 5분 데이터가 준비되면 Lancos Cosine 필터로 데이터를 필터링하여 시간당 값으로 줄입니다. 이렇게 얻은 시간당 데이터를 3개의 처리 공장으로부터 FTP를 통해 환경 모델링을 위해 원격 컴퓨터로 전송된 조류 및 하수 흐름과 결합시켰습니다. 또한 사후 QA 분석을 수행하여 자동 프로그램에서 놓친 오류를 정정할 수 있도록 이 프로그램의 변형 프로그램을 개발했습니다. 상당히 많은 양의 데이터가 매일 생성되기 때문에 이들 프로그램을 통해 수동 기법에 비해 시간을 대폭 절감할 수 있었습니다.

편리하고 강력한 다기능 솔루션
우리는 생산성이 뛰어난 그래픽 개발 환경인 LabVIEW를 이용하여 해양 기준관측소의 해양 부이 모니터링 프로그램을 현대화하였습니다. LabVIEW는 인스트루먼트, 다용도 파일 처리 기능 및 강력한 내장형 분석 함수에서 편리한 통신이 가능하므로 특히 적합합니다. 또한 개방형 개발 환경으로 FTP와 같은 기술과 그래픽 데이터를 효과적으로 표시하는 직관적 사용자 인터페이스를 생성하는 기능을 활용할 수 있었습니다.

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Stephen Boronkay
Balaton Technologies

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