[논문]도로기상정보체계 활성화를 위한 노면온도예측 모형 개발

양충헌; 박문수; 윤덕근

도로기상정보체계 활성화를 위한 노면온도예측 모형 개발
A Road Surface Temperature Prediction Modeling for Road Weather Information System 원문보기

大韓交通學會誌 = Journal of Korean Society of Transportation, v.29 no.2, 2011년, pp.123 - 131

양충헌 (한국건설기술연구원 도로연구실) , 박문수 ((사)대기환경모델링센터) , 윤덕근 (한국건설기술연구원 도로연구실)

초록
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본 연구에서는 지표면과 대기사이의 열-에너지 균형원리를 이용한 노면온도예측모형을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 노면온도예측모형은 두 가지 모듈로 구성되는데 Canopy 1은 지표면과 대기 간의 열 교환을 묘사하기 위한 것이고, Canopy 2는 열에너지 교환 과정에서 포장체 특성을 반영하기 위한 것이다. 모형 수행에 필요한 다양한 입력변수는 기상청으로부터 수집하였다. 개발된 모형의 성능을 평가하기 위해 청원-상주 간 고속도로 상 문의교 지점에 설치된 접촉식 노면온도측정센서로부터 수집한 노면온도자료와 모형 수행을 통해 나온 결과 값을 비교 하였다. 이러한 비교는 동절기(12월)와 동절기 외 기간(10월)에 걸쳐 수행되었다. 비교 결과, 두 온도의 평균오차 값이 ${\pm}2^{\circ}C$ 범위 내에 있어, 모형의 성능이 매우 우수한 것으로 판단된다. 이러한 연구는 동절기 도로관리에 다양하게 사용될 것으로 사료되고, 특히 도로 기상정보체계 운영에 핵심이 되는 노면온도 예측 알고리즘으로 사용될 수 있는 기초 연구가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a model for road surface temperature prediction on basis of the heat-energy balance equation between atmosphere and road surface. The overall model is consisted of two types of modules: 1) Canopy 1 is used to describe heat transfer between soil surface and atmosphere; and 2) Canopy 2 can reflect the characteristics of pavement type. Input data used in the model run is obtained from the Korea Meteorological For model validation, the observed and predicted surface temperature data are compared using data collected on MoonEui Bridge along CheongWon-Sangju Expressway, and the comparison is made on winter and other seasons separately. Analysis results show that average difference between two temperatures lies within ${\pm}2^{\circ}C$ which is considered as appropriate from a micrometeorology point of view. The model proposed in this paper can be adopted as a useful tool in practical applications for winter maintenance. This study being a fundamental research is anticipated to be a starting point for further development of robust surface road temperature prediction algorithms.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국내 기상 및 포장체 특성을 고려한 노면온도예측모형을 개발하여 동절기 교통안전 향상을 위한 기초연구로써 수행되었다. 이는 향후 시스템 측면에서 국내 실정에 맞는 도로기상정보체계 구축과 운영의 효율성을 극대화하기 위한 목적도 있다.
이는 태양으로부터 나오는 열이 도로표면에 미치는 영향과 도로표면에서 대기 중으로 방출되는 복사열을 계산하여 추정하는 것이 궁극적으로 모형의 정확도와 밀접한 영향이 있음을 시사하고 있다. 본 연구에서는 기존 연구에서 주로 노면온도예측을 위해 주로 사용하였던 파라메타의 수를 줄이는 반면, 정확도를 높이기 위한 방법을 선택하였다. 실제 예측에 필요한 모든 기상관련 파라메타의 현장 관측이 어려운 만큼, 실제 관측이 가능한 파라메타만을 이용하는 것이 보다 현실적인 접근인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 미시기상학에서 기본이 되는 지표면과 대기 사이의 열-에너지 균형이론을 바탕으로 한 노면온도예측모형을 개발하였다. 이는 도로 기상정보체계 운영에 필수적인 요소로써, 국내 도로교통분야에서 최초로 시도된 연구이다.
본 연구는 국내 기상 및 포장체 특성을 고려한 노면온도예측모형을 개발하여 동절기 교통안전 향상을 위한 기초연구로써 수행되었다. 이는 향후 시스템 측면에서 국내 실정에 맞는 도로기상정보체계 구축과 운영의 효율성을 극대화하기 위한 목적도 있다. 본 연구에서 개발된 모형의 성능을 평가하기 위해 연구지점에 대해 동절기와 동절기외 기간 동안에 축적된 노면온도와 모형 수행을 통한 예측 값을 비교하였다.

제안 방법

12월 한 달 중 기상상태가 매우 양호한 날을 선택하여 24시간 노면온도예측을 수행하였고 그 결과는 와 같다.
과 같이 실제 포장체에서의 연직구조는 아스팔트, 콘크리트 이외에 다른 층들이 포함되기 때문에 이에 대한 변수 값들을 조사할 필요가 있으나, 본 연구에서는 각종 문헌에서 나타난 포장체 특성별 밀도(ρ[kgm-3]), 열전도도(λ[JS-1m-1K-1], 열용량(C[Jm-3K-1], 열확산도(K[m2s-1]는 과 같고, 본 모형 수행을 위해 이 값들을 사용하였다.
이 시간대의 노면온도예측 오차가 적은 것으로 나타났기 때문에 모형의 성능이 매우 양호한 것으로 판단된다. 그러나 위의 결과는 동절기외 기간 해당하기 때문에 보다 나은 검증을 위해 동절기 기간 동안에 수집된 노면온도 자료와의 2차 검증을 수행하였다.
이는 도로 기상정보체계 운영에 필수적인 요소로써, 국내 도로교통분야에서 최초로 시도된 연구이다. 기존 모형을 근간으로 하였지만, 포장체의 특성을 고려하였고, 특정 지점을 대상으로 모형의 성능을 검증하였다.
본 모형의 핵심적인 내용을 살펴보면 우선, Canopy 1 모형을 통해 지표면에서 대기 중으로 발산되는 열 에너지양을 추정하게 된다. 동시에 Canopy2 모형을 통해 계산된 포장체에서 대기로 배출되는 열 에너지양을 추정한다. 이는 지표면보다 포장체에서 대기로 발생시키는 열 에너지양이 훨씬 많다는 사실²⁾을 반영하기 위한 것으로 Canopy 1과 2를 거치면서 산출된 열에너지 양을 실제 노면에서 배출하는 양과 유사하게 보정하는 작업을 수행하는 역할을 한다.
Shao and Lister(1996)의 연구에서는 특정 도로 구간에 대해 짧은 시간동안(일반적으로 현재시점에서 향후 3시간 후) 노면 온도 그리고 상태(dry, wet, freezing)등에 대한 높은 정확도를 가진 정보를 산출하기 위해 자동화된 노면결빙 예측 모형을 개발하였다. 모형 수행 결과의 신뢰성을 입증하기 위해 유럽 7개국 41개 도로 구간을 대상으로 도로표면에 설치된 노면온도측정 센서로부터 취득한 관측 값과 모형을 통해 산출된 값을 비교하였다. 이모형의 가장 큰 특징은 노면 온도예측이 요구되는 지점으로부터 수집한 풍속, 이슬점, 대기온도, 노면온도를 자동으로 수집하는 것 외에 다른 외부 기상자료 없이 노면온도를 예측할 수 있다는 특징이 있다.
모형 수행에 필요한 주요 입력 자료인 대기 온ㆍ습도와 상대습도는 노면에서 2.8m 높이에 설치된 기상관측장비로부터 매 30분마다 측정된 자료를 이용하였다. 또한, 모형 수행에 필요한 기상자료 즉, 대기압, 일사량, 풍향, 풍속 등의 자료는 청주, 상주, 구미, 추풍령에 있는 기상청 지상기상관측소의 관측 자료를 이용하였다.
본 모형의 핵심적인 내용을 살펴보면 우선, Canopy 1 모형을 통해 지표면에서 대기 중으로 발산되는 열 에너지양을 추정하게 된다. 동시에 Canopy2 모형을 통해 계산된 포장체에서 대기로 배출되는 열 에너지양을 추정한다.
본 연구에서 개발된 모형을 수행하기 위해서 필요한 입력 자료는 기본적으로 연구지점 주변의 기상청 정규기상관측소의 1시간 평균 대기기온, 상대습도, 기압, 풍속, 일사량 자료를 이용하였고 수학적 모형은 Fortran과 Matlab 프로그램을 이용하여 코딩하였다. 전체적인 모형의 개념은 <그림 1>에 나타난 것과 같다.
이는 향후 시스템 측면에서 국내 실정에 맞는 도로기상정보체계 구축과 운영의 효율성을 극대화하기 위한 목적도 있다. 본 연구에서 개발된 모형의 성능을 평가하기 위해 연구지점에 대해 동절기와 동절기외 기간 동안에 축적된 노면온도와 모형 수행을 통한 예측 값을 비교하였다.
본 연구에서는 개발된 모형은 국내에서 이미 개발된 토양(지표면) 에너지 균형 이론을 바탕으로 한 지표면온도예측 모형(박순웅, 1994)을 기본 틀로 하는 모형(Canopy 1)과 본 연구에서 새롭게 개발한 포장체 특성을 고려한 모형(Canopy 2)으로 구성된다.
시간대별로 현장관측 값과 모형 예측 값과의 차이를 알아보기 위해 10월 24일~25일 동안에 대해 과 같이 약 24시간 예측결과와 현장 관측 값과의 비교분석 하였다.
연구지점에 대한 기상특성과 일반적인 포장체특성을 파악한 후, 본 연구에서 개발된 Canopy 1과 2 모형 수행을 통해 모형의 성능을 파악하였다. 우선, 동절기 외 기간에 해당하는 2009년 10월 1달 동안 노면에 부착된 접촉식 노면온도측정센서로부터 수집한 노면온도 관측 값과 모형 수행 값을 plot 한 결과는 <그림 6>과 같다.
일단 기상자료가 수집되면, 과 같이 해당 지점의 고도에 맞게 내삽 하여 모형 수행에 필요한 입력 값을 보정하는 작업을 수행하였다.
현재는 모형 수행에 필요한 다양한 기상관련 입력 자료를 실시간으로 전송받는 시스템이 구축되어 있지 않기 때문에 과거 일정기간동안 축적된 노면온도를 현장 관측 값으로 설정하여 모형 수행 값과 비교하였다. 전반적인 온도오차가 ±2℃안에 있어 모형 수행 값이 현장 관측 값을 잘 모사하고 있다고 판단할 수 있다.

대상 데이터

8m 높이에 설치된 기상관측장비로부터 매 30분마다 측정된 자료를 이용하였다. 또한, 모형 수행에 필요한 기상자료 즉, 대기압, 일사량, 풍향, 풍속 등의 자료는 청주, 상주, 구미, 추풍령에 있는 기상청 지상기상관측소의 관측 자료를 이용하였다. 일단 기상자료가 수집되면, <그림 3>과 같이 해당 지점의 고도에 맞게 내삽 하여 모형 수행에 필요한 입력 값을 보정하는 작업을 수행하였다.
위의 2가지 조건을 가장 잘 충족하는 지역은 우리나라 중부내륙 지역을 관통하는 청원-상주 간 고속도로이고, 이 구간 중 접촉식 노면온도측정 센서와 도로변 기상 관측 장비가 설치ㆍ운영되고 있어 자료 수집이 비교적 원활한 지점인 문의교를 모형의 검증을 위한 연구지점으로 선정하였다.

성능/효과

1℃인 것으로 나타났다. 결과적으로 모형 수행 값이 현장 관측 값의 변화추이를 잘 모사하고 있는 것으로 판단된다.
기상학적 관점에서 일반적으로 두 온도간의 오차가 평균 ±2℃이면 정확하다고 판단하는데 본 결과에서 나타난 것 같이 현장 관측 값과 모형 수행 값에 대한 10월 1달 평균 온도 오차의 평균이 약 2℃로 나타났다.
모형 수행 결과, 관측된 노면온도변화 추이와 변화범위를 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 기상학적 관점에서 일반적으로 두 온도간의 오차가 평균 ±2℃이면 정확하다고 판단하는데 본 결과에서 나타난 것 같이 현장 관측 값과 모형 수행 값에 대한 10월 1달 평균 온도 오차의 평균이 약 2℃로 나타났다.
분석결과, 문의교 주변 기상 관측 장비에서 측정된 대기기온은 청주 관측소에서 측정한 것과 약간의 오차가 있으나, 전반적으로 유사한 월평균 일변화 경향을 보이고 있다. 특히, 야간에 문의교 주변 기상 관측 장비에서 측정된 대기온도가 약 2.
(2009)의 연구에서는 black-ice1)와 차량으로부터 발생되는 열과의 관계를 규명하기 위한 모형을 구축하였다. 연구결과, 차량으로부터 발생되는 열들은 노면결빙과 해빙에 일정부분 영향을 미치고 이러한 현상들이 결과적으로 도로 상에 black-ice 현상을 유발하는 것으로 파악하였다.
Sass(1997)는 덴마크 기상청(Danish Meteorological Institute)에서 추진하던 노면 자동 예측 시스템에 내재되는 도로상태모형(Road Condition Model: RCM)을 개발하였다. 이 연구에서 예측모형의 민감도는 시스템에 입력되는 대기기상자료에 상당히 의존하는 경향이 크다고 밝혀졌으며, 적어도 현재 시점에서 장래 3시간 후 범위까지는 높은 예측 정확도를 나타내는 것으로 판명되었다. Shao and Lister(1996)의 연구에서는 특정 도로 구간에 대해 짧은 시간동안(일반적으로 현재시점에서 향후 3시간 후) 노면 온도 그리고 상태(dry, wet, freezing)등에 대한 높은 정확도를 가진 정보를 산출하기 위해 자동화된 노면결빙 예측 모형을 개발하였다.

후속연구

그러나 본 연구는 국내 노면온도예측모형 개발에 대한 최초 시도로써, 향후 도로 기상정보체계구축과 그 활용성, 체계 유지 관리 효율성 극대화를 위한 기초연구로 충분한 가치가 있다고 판단된다. 궁극적으로 이러한 연구는 도로 교통 분야에 동절기 교통소통의 원활함 및 교통안전을 향상할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 본 연구는 국내 노면온도예측모형 개발에 대한 최초 시도로써, 향후 도로 기상정보체계구축과 그 활용성, 체계 유지 관리 효율성 극대화를 위한 기초연구로 충분한 가치가 있다고 판단된다. 궁극적으로 이러한 연구는 도로 교통 분야에 동절기 교통소통의 원활함 및 교통안전을 향상할 수 있을 것으로 기대된다.
위의 한계점을 극복하기 위해서 보다 다양한 기상조건 하에서 모형 수행이 필요하며, 모형의 일반화를 위해 모형 안의 파라메타에 대한 정확한 보정작업과 입력 자료를 실시간으로 수집할 수 있는 시스템 구축이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로상태모형의 특징은?	Sass(1997)는 덴마크 기상청(Danish Meteorological Institute)에서 추진하던 노면 자동 예측 시스템에 내재되는 도로상태모형(Road Condition Model: RCM)을 개발하였다. 이 연구에서 예측모형의 민감도는 시스템에 입력되는 대기기상자료에 상당히 의존하는 경향이 크다고 밝혀졌으며, 적어도 현재 시점에서 장래 3시간 후 범위까지는 높은 예측 정확도를 나타내는 것으로 판명되었다. Shao and Lister(1996)의 연구에서는 특정 도로 구간에 대해 짧은 시간동안(일반적으로 현재시점에서 향후 3시간 후) 노면 온도 그리고 상태(dry, wet, freezing)등에 대한 높은 정확도를 가진 정보를 산출하기 위해 자동화된 노면결빙 예측 모형을 개발하였다.
	정확한 노면온도예측을 위해서 무엇이 필요한가?	이러한 체계 중 핵심적인 역할을 담당하는 부분이 바로 대기기상예측자료를 통해 장래 노면온도 변화 추이를 예측하는 것이다. 정확한 노면온도예측을 위해서는 다양한 기상 자료와 도로 포장체(아스팔트 또는 콘크리트)의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 국내에 도로기상정보체계가 도입된지 10년이 넘었으나, 아직까지 노면온도예측모형은 외국에서 개발된 모형에 의존하고 있는 실정이다.
	도로기상정보체계란?	도로기상정보체계(RWIS: Road Weather Information System)는 노면 결빙예방 및 제설작업수행 결정과 같은 동절기 도로관리업무를 보다 과학적이고 체계적으로 하기 위한 것뿐만 아니라, 운전자의 도로 주행 시 교통안전 향상을 위해 특정 도로구간의 노면상태에 대한 정보를 제공하는 것을 포함한다. (양충헌 등, 2010) 즉, 포괄적인 의미에서 도로기상정보체계는 노면상태에 영향을 미치는 대기기상자료(대기 온-・습도, 대기압, 풍향, 풍속, 강수량)를 도로변에서 직접 관측하여 도로관리주체나 도로관리자에게 실시간으로 전송하는 기술과 기상청에서 제공하는 기상예측자료를 입력 자료로 사용하여 노면온도 예측 모형 수행을 통해 장래 노면 상태, 예를 들어 현재 시점에서 최소 3~시간 후부터 최대 24시간 후 까지의 노면온도변화 추이를 예측(nowcasting)하여 정확한 제설작업 시점 및 정도(degree)에 대한 도로관리자의 의사결정을 지원하는 것 모두를 포함한다.

참고문헌 (11)

국토해양부(2008), "한국형 포장설계법 개발과 포장 성능 개선방안 연구", 한국건설기술연구원.
박순웅(1994), "지표 물리적 조건이 대기경계층성장에 미치는 영향", 한국기상학회 Vol. 30, No. 1, 19.
양충헌.윤덕근.성정곤(2010), "동절기 도로관리를 위한 도로기상정보체계 개요", 한국도로학회 학회지 제12권 제1호, pp.47-52.
한국건설기술연구원(2010), "고속도로기상정보체계 구축 연구" 1차년도 최종보고서, 한국도로공사.
Crevier and Delage(2002), "METRo : A New Model for Road-Condition Forecasting in Canada." Journal of Applied Meteorology. Vol. 41 pp.1226-1240.
Fujimoto, Watanabe, and Fukuhara(2009), "Influence of Vehicle Related Heats on 'Black-ice'" 13th Road Engineering Association of Asia and Australasia Conference.
Sass, B.H.(1997), "A Numerical Forecasting System for the Prediction of Slippery Roads." Journal of Applied Meteorology. Vol.36, pp.801-817.

상세보기
Sato(2009), "Road Surface Temperature Forecasting (Case Study in a Mountainous Region of Japan)," Preceedings of Cold Region Technology Conference, pp.382-388.
Shao and Lister(1996), "An Automated Nowcasting Model of Road Surface Temperature and State for Winter Road Maintenance." Journal of Applied Meteorology. Vol. 35. pp.1352-1361.

상세보기
Song and Lee(2002), "Prognosis of the Road Surface Condition in Korea using Surface Energy Balance Theory", Journal of Korean Meteorological Society. Vol.1. No.2. pp.420-422.
Thornes, J.E and Shao, J.(1991), "A comparison of UK ice prediction models", Meteorological Magazine 120: pp.51-57.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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