KR101607878B1 - 가상센서와 관측센서를 통합한 대기질 정보 서비스 시스템 및 방법 - Google Patents

가상센서와 관측센서를 통합한 대기질 정보 서비스 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기질 정보 서비스 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 받는 수신부, 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 가상 센서 모듈, 측정된 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정함으로써 보정된 대기질 데이터를 생성하는 보정 모듈, 및 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 보내는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 가상 센서 모듈을 통하여 대기질 정보의 제공 범위가 향상되는 이점이 있다.

Description

가상센서와 관측센서를 통합한 대기질 정보 서비스 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING AIR QUALITY INFORMATION BY INTEGRATING VIRTUAL SENSOR AND MONITORING SENSOR}
본 발명은 대기질 정보 서비스 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 대기질을 관측하기 위해 설치된 센서의 공간적 제약을 극복하여 대기질 정보를 제공할 수 있는 서비스 시스템 및 방법에 관한 것이다.
대기질(Air quality)이란 인체에 위해한 가스 및 미세먼지와 같은 대기 오염 물질의 확산 농도를 의미한다. 대기질은 인간의 보건에 영향을 미치는 중요한 대기환경 지표로 활용된다. 현재의 대기질 정보 제공 서비스는 도로변 등에 설치된 네트워크를 통해 지역별로 설치된 대기질 측정 센서들의 측정된 데이터를 사용자들에게 전달한다.
이와 관련 종래 기술로는 한국등록특허 제10-0996877호가 있으며, 지역별로 대기 오염도를 측정하는 복수의 대기오염 측정 단말기를 개시하고 있으나 대기오염 측정 단말기를 모든 지역에 설치하는 것은 불가능하고, 대기오염 측정 단말기를 조밀한 간격으로 설치하게 되는 경우 많은 비용이 소모되는 문제점이 있다.
이와 같이 종래의 대기질 정보 서비스는 정확한 대기질 정보를 제공하는 지역이 한정되는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해서는 모든 지역마다 조밀한 간격으로 대기질 측정 센서를 설치해야 하므로, 대기질 정보를 제공하는 서비스에 있어서 많은 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 사용자가 원하는 특정 지역의 대기질 정보를 제공받을 수 있도록 대기질 정보의 제공 범위를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 받는 수신부, 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 가상 센서 모듈, 측정된 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정함으로써 보정된 대기질 데이터를 생성하는 보정 모듈, 및 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 보내는 송신부를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 본 발명에 따른 가상 센서 모듈은, 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받는 입력부, 및 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할하여 연산하고, 연산된 결과를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 테이터를 생성하는 연산부를 포함할 수 있다. 이 경우, 연산부는 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터를 둥지기법(nesting method)을 이용하여 연산할 수 있다. 또한, 보정 모듈은, 편차평균 보정 기법을 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정할 수 있다.
또한 본 발명은, 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 수신하는 단계, 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 단계, 측정된 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정하여 보정된 대기질 데이터를 생성하는 단계, 및 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 송신하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가상 센서 모듈을 통하여 대기질 정보의 제공 범위가 향상되는 이점이 있다. 또한, 사용자가 원하는 특정 지역의 대기질 정보를 제공받을 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기질 정보 서비스 시스템을 나타낸다.
도 2는 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대기질 정보 서비스를 위한 보정 모듈의 데이터베이스와 전산유체분석(CFD)의 3차원 행렬구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 실시예에 따른 보정 모듈에서 수행하는 과정을 나타낸다.
도 5는 대기질 정보 서비스가 웹 또는 스마트폰을 통해 제공되는 모습을 나타낸다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 대기질 정보 서비스 방법을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
도 1은 대기질 정보 서비스 시스템을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 대기질 정보 서비스 서버(10)는 대기질을 측정하도록 설치된 센서(101)로부터 측정된 데이터를 받는 수신부(102), 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 가상 센서 모듈(103), 측정된 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정함으로써 보정된 대기질 데이터를 생성하는 보정 모듈(105) 및 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 보내는 송신부(107)를 포함할 수 있다.
대기질을 측정하도록 설치된 센서(101)는 일산화탄소, 아황산가스, 질소산화물, 미세입자, 휘발성유기화합물 등을 측정하고, 짧은 주기(수초~수분) 동안 대기 중의 농도를 감지하여 이를 평균한 값을 측정 데이터로 할 수 있다. 이후, 측정 데이터를 수신부(102)가 받게 된다.
가상 센서 모듈(103)은, 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받는 입력부(1031) 및 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할하여 연산하고, 연산된 결과를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 테이터를 생성하는 연산부(1033)를 포함할 수 있다. 본 실시예로, 가상 센서 모듈(103)은 대기질 정보 서비스를 이용하는 사용자와 통신 가능한 통신 수단을 구비할 수 있고, 입력부(1031)는 사용자와의 통신으로 사용자가 대기질 정보를 받고자 하는 특정 지역을 입력받을 수 있다. 이하 특정 지역이란, 사용자가 대기질 정보를 제공받고자 하는 지역을 의미한다. 도 2를 참조하여 가상 센서 모듈(103)에서 수행하는 과정을 설명한다.
도 2를 참조하면, 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받아, 거시적 규모의 대기 거동을 파악하기 위해 입력부(1031)는 전지구 예측 시스템(Global Forecast System, GFS) 모델(211)을 초기 입력 자료로 사용할 수 있다. 본 실시예로, 입력부(1031)는 미국 해양대기관리처 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 National Operational Model Archive & Distribution System(NOMADS) 데이터 서버에서 제공하는 UTC 기준 5일 대기질 데이터를 매일 14시 30분(05:30 UTC)에 자동으로 수신할 수 있다. GFS 모델(211)이 수행되어 데이터를 생산하고, 인터넷에 공개되기까지는 약 5시간의 시간지연(212)이 발생하며, 입력부(1031)가 해당 데이터를 자동 다운로드하는데 약 2시간이 소요될 수 있다.(213)
연산부(1033)는 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터를 둥지기법(nesting method)을 이용하여 연산할 수 있다. 보다 상세하게, 연산부(1033)는 지구 규모의 대기 움직임과 연관된 세부 규모의 대기 움직임 및 오염물질의 이동과 확산을 모의하기 위해 지구 내의 가장 큰 도메인인 D1(201), D1(201)내의 한국을 포함하는 D2(202), D2(202)내의 경기도를 포함하는 D3(203), D3내의 서울시를 포함하는 D4(204), D4(204)내의 도시블록 규모의 특정 지역 D5(205)와 같이, 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할할 수 있다. 이 경우, 분할된 5개의 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터는 둥지기법(nestiong method)을 이용하여 상호 연결됨으로써, 거시적인 규모의 대기의 거동과 작은 규모에서 나타나는 대기의 거동이 상호 연계되는 다중 규모 대기화학 모델링이 수행될 수 있다.
또한, 연산부(1033)는 입력부(1031)의 GFS 모델(211)의 데이터 수신이 정상적으로 완료되면 대기의 거동 예측 모델(WRF)을 수행한다.(214) 본 실시예로, 대기질 정보 서비스 서버(10)가 매일 가동될 수 있도록 모델 적분시간은 5일(120시간)로 할 수 있다. 대기의 거동 예측 모델 수행이 완료되면 인간에 의한 배출을 계산하는 모델(SMOKE)을 수행한다.(215) 적분시간은 120시간으로 대기의 거동 예측 모델 수행시간과 같으며 약 1시간이 소요될 수 있다. SMOKE 수행이 완료되면 대기화학 모델링(CMAQ)이 시작되고, CMAQ 화학-수송 모델(CCTM, CMAQ Chemistry-Transport Model) 과정을 거쳐서 5일의 대기질 데이터를 생산(216)하는데 약 13시간이 소요될 수 있다.
본 실시예로 연산부(1033)는 특정 지역인 D5(205)의 대기질 데이터 생성을 위해 D4(204) 모델링 결과에서 동서바람(U), 남북바람(V), 연직바람(W), 기온(T), 난류운동에너지(TKE, Turbulance Kinetic Energy)를 추출한다. 이후, 연산부(1033)는 추출된 데이터를 전산유체역학 분석(CFD)을 통해 CFD 모델링을 수행하여 4일 대기질 데이터를 생산(217)하며, 이 작업은 약 20시간이 소요될 수 있다. 이와 같이 연산부(1033)는 다중 규모 대기화학 모델링 및 CFD 분석을 이용한 모델링을 통해 특정 지역의 대기질 테이터를 생성할 수 있다.
도 3은 대기질 정보 서비스를 위한 보정 모듈(105)의 데이터베이스(1051) 구조와 전산유체분석(CFD)의 3차원 행렬구조를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 보정 모듈(105)은 수신부(102)가 센서(101)로부터 받은 측정 데이터와 가상 센서 모듈(103)의 출력 데이터인 특정 지역의 대기질 데이터를 통합하는 데이터베이스(1051)를 포함할 수 있다.
보정 모듈(105)의 데이터베이스(1051)는 센서(101)의 이름과 경도, 위도와 같은 센서(101) 데이터를 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 데이터베이스(1051)는 SensorLocation 테이블(312)과 SensorType 테이블(313), SensorHeight 테이블(314)을 포함한다.
SensorData DB(321)는 실제 센서(101)를 관리하는 저장소로써, 센서(10)가 추가되면 테이블이 추가 생성되면서 추가된 센서(101)의 데이터를 저장할 수 있도록 한다. 본 실시예로 SensorInfo DB(311)에 센서(101)가 하나 추가 등록되면, 추가된 센서(101)의 locationName(315)의 컬럼에 있는 Name을 SensorData DB의 테이블(322)로 추가 생성하여 측정된 정보를 저장한다.
CFD 모델링 DB(331)는 도 2의 프로세스를 거쳐서 생성된 특정 지역의 대기질 데이터를 재처리 및 보정 후 저장 관리하는 데이터베이스이다. 보정 수행과정은 도 4를 통해 후술한다. 본 실시예로 CFD 모델링 DB(331)는 특정 지역의 대기질 데이터를 경량화하여 5분 간격으로 저장하고 관리할 수 있다. 본 실시예로 특정 지역의 대기질 데이터에 대한 경량화는 150*150*76 행렬 크기의 셀들(1,710,000 개) 중 지표 사람들이 접근할 수 있는 영역을 포함하는 수 백 ~ 수 천 개의 셀 정보만을 추출하여 CFD 모델링 DB(331)로 저장 및 관리함으로써 경량화 할 수 있다.
특정 지역의 대기질 데이터 셀(341)은 1,500m*1,500m*958m의 3차원 공간에서 시간변화에 따라 발생하는 대기 거동 및 오염물질 확산 농도에 대한 모든 속성들인 X-Y-Z 방향 속도성분, 압력, 압력교란, 온도, CO, NOxm PM, VOC등을 150*150*76 행렬로 배열된 셀(cell)에 5분 간격으로 기록한다. 이 경우, 하나의 셀(342)의 크기는 연직방향으로 30층 까지는 7m 등간격이고(343), 31층부터 76층까지는 1.1x(배수)만큼 연직방향 셀의 높이가 증가할 수 있다.(344)
보정 모듈(105)은 센서(10)에서 측정된 데이터를 통해 가상 센서 모듈(103)에서 생성한 특정 지역의 대기질 데이터를 보정할 수 있다. 이와 관련 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 보정 모듈(105)에서 수행하는 편차평균 보정 기법을 개념적으로 나타낸 것이다. 본 실시예로, 가상 센서 모듈(103)이 생성한 특정 지역(401)의 대기질 데이터는 일종의 가상 센서(Virtual(CFD) sensor)(402)가 측정한 대기질 데이터로 이해될 수 있다. 따라서, 해당 데이터를 토대로 특정 지역(401)상에 다수의 가상 센서를 지리적 위치를 참조하여 위치시킬 수 있다. 또한, 제한된 수의 대기질 측정 센서(101)는 실제 설치된 센서(Real(USN) sensor)(403)로서 지리적 위치를 참조하여 좌표상에 위치시킬 수 있다.
편차평균 보정은 실제 설치된 센서(403)로부터 측정된 오염물질 농도의 값(V_real)을 참값으로 간주하고 가상 센서의 오염물질 농도의 값(V_virtual)을 편차들의 평균을 통해 보정하여 특정 지역의 대기질 데이터(CV_virtual)를 생성하는 보정식은 다음과 같다.
Figure 112014055787270-pat00001
본 실시예로 편차평균 보정이 수행된 5개의 오염물질(CO, NO, PM, SO2, VOC) 농도 값에 관한 테이블(421)이 결과로 출력될 수 있으며, 이는 CFD 모델링 DB(331)에 테이블 포맷으로 저장 및 관리될 수 있다.
도 5는 대기질 정보 서비스가 웹 또는 스마트폰을 통해 제공되는 모습을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 대기질 정보 서비스는 웹(501)으로 제공될 수 있다. 웹(501)으로 제공되는 대기질 정보 서비스는 사용자가 컴퓨터로 대기질 정보 웹 사이트에 접속하면 적색의 대기질 측정 센서(real sensor)(502)와 청색의 가상 센서(503)가 공간적 위치를 참조하여 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 특정 지역의 가상 센서(504)를 클릭하면 해당 이벤트가 발생한 시간에 대한 5가지 오염물질의 확산 농도를 알려주는 정보창(505)이 팝업되어 대기질 정보를 확인할 수 있다.
대기질 정보 서비스 시스템은 스마트폰을 통한 서비스(511)를 통해 이용될 수 있다. 스마트폰을 통한 서비스(511)에서 대기질 정보를 통해 대기질 측정 센서(502) 위치에 대한 대기질 정보와(512) 일변화 통계표(513)를 확인할 수 있다. 또한, 가상 센서(503) 위치에 따른 오염물질의 확산 농도(514)를 터치하여 웹서비스(501)와 같이 정보를 제공받을 수 있다. 대기질 정보 서비스 시스템을 스마트폰을 통한 서비스(511)로 이용하는 경우, 스마트폰에서 제공하는 GPS와 통합하여 사용자가 위치를 입력하지 않아도 서있거나 움직이는 위치에서 가까운 주변의 대기질 정보를 확인할 수 있다.(515)
도 6는 대기질 정보 서비스 방법을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 대기질 정보 서비스 방법은 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 수신하는 (a) 단계, 지구적 범위의 대기질 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 (b) 단계, 측정된 데이터를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 보정하여 보정된 대기질 데이터를 생성하는 (c) 단계, 및 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 송신하는 (d) 단계를 포함할 수 있다.
특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 (b) 단계는, 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받는 입력 단계, 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할하여 연산하는 연산 단계 및 연산된 결과를 이용하여 특정 지역의 대기질 테이터를 생성하는 출력 단계를 포함할 수 있다.
(b) 단계는 상술한 가상 센서 모듈(103)에서 수행되는 단계를 의미하고, 입력부(1031)에서 입력 단계가 수행되며, 연산부(1033)에서 연산 단계가 수행된다. 연산된 특정 지역의 대기질 데이터는 보정 모듈(105)의 데이터베이스(1051)로 보내진다. 또한, (c) 단계는 상술한 보정 모듈(105)에서 수행되는 단계를 의미하고, (d) 단계는 송신부(107)에서 수행되는 단계를 의미한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
10: 대기질 정보 서비스 서버 101: 센서
102: 수신부 103: 가상 센서 모듈
1031: 입력부 1033: 연산부
105: 보정 모듈 1051: 데이터베이스
107: 송신부 201: D1 도메인
202: D2 도메인 203: D3 도메인
204: D4 도메인 205: D5 도메인
211: 전지구 예측 시스템(GFS)
212, 213: 시간 지연
214: 대기의 거동 예측 모델(WRF)
215: 인간에 의한 배출을 계산하는 모델(SMOKE)
216, 217: 특정 지역의 대기질 데이터
341: 특정 지역의 대기질 데이터 셀
342: 하나의 셀 343, 344: 셀 간격
401: 특정 지역 402: 가상 센서(Virtual(CFD) sensor)
403: 센서(Real(USN) sensor) 421: 결과 테이블
501: 대기질 정보 서비스 웹 502: 센서(Real(USN) sensor)
503: 가상 센서(Virtual(CFD) sensor)
504: 특정 지역의 가상 센서 505: 정보창
511: 스마트폰을 통한 서비스 512: 대기질 정보
513: 일변화 통계표 514: 오염물질의 확산 농도

Claims (8)

  1. 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 받는 수신부;
    지구적 범위의 대기질 데이터를 분할하여 연산된 결과를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 가상 센서 모듈;
    상기 측정된 데이터를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 데이터를 보정함으로써 보정된 대기질 데이터를 생성하는 보정 모듈; 및
    상기 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 보내는 송신부를 포함하고,
    상기 보정 모듈은,
    상기 설치된 센서로부터 측정된 오염물질 농도의 값과 상기 가상 센서 모듈에서 생성된 오염물질 농도의 값의 편차를 평균하여 상기 특정 지역의 대기질 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 대기질 정보 서비스 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가상 센서 모듈은,
    상기 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받는 입력부, 및
    상기 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할하여 연산하고, 연산된 결과를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 테이터를 생성하는 연산부를 포함하는 대기질 정보 서비스 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터를 둥지기법(nesting method)을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 대기질 정보 서비스 시스템.
  4. 삭제
  5. (a) 대기질을 측정하도록 설치된 센서로부터 측정된 데이터를 수신하는 단계;
    (b) 지구적 범위의 대기질 데이터를 분할하여 연산된 결과를 이용하여 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 단계;
    (c) 상기 측정된 데이터를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 데이터를 보정함으로써 보정된 대기질 데이터를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 보정된 대기질 데이터를 사용자의 단말기로 송신하는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계는,
    상기 (a)단계에서 측정된 오염물질 농도의 값과 상기 (b)단계에서 생성된 오염물질 농도의 값의 편차를 평균하여 상기 특정 지역의 대기질 데이터를 보정하는 것을 특징으로 하는 대기질 정보 서비스 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 (b)단계는,
    상기 지구적 범위의 대기질 데이터를 입력받는 입력 단계;
    상기 지구적 범위의 대기질 데이터를 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터로 분할하여 연산하는 연산 단계; 및
    연산된 결과를 이용하여 상기 특정 지역의 대기질 테이터를 생성하는 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기질 정보 서비스 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연산 단계는 상기 서로 다른 공간 규모의 대기질 데이터를 둥지기법(nesting method)을 이용하여 연산하고, 전산유체역학(CFD) 분석을 통해 상기 특정 지역의 대기질 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 대기질 정보 서비스 방법.
  8. 삭제
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