지하철 역사의 미세먼지농도는 지하철 승객의 건강을 위해서 항상 모니터링되고 관리되어야 한다. 서울메트로와 서울도시철도공사는 몇몇 공기 오염물질을 주기적으로 측정하고 있다. 본 논문에서는 지하철 역사의 $PM_{10}$ 농도를 연속해서 측정하기 위해, 선형회귀분석법을 이용하여 저가의 광산란식 미세먼지측정기의 성능을 향상시키고자 하였다. 이와 더불어, 지하철 역사의 대합실, 승강장, 터널, 외기의 $PM_{10}$, $CO_2$. 습도, 온도 등을 측정하고 기록하기 위해 CDMA M2M 기법을 적용한 무선통신 모니터링 시스템을 구축하였다.
지하철 역사의 미세먼지농도는 지하철 승객의 건강을 위해서 항상 모니터링되고 관리되어야 한다. 서울메트로와 서울도시철도공사는 몇몇 공기 오염물질을 주기적으로 측정하고 있다. 본 논문에서는 지하철 역사의 $PM_{10}$ 농도를 연속해서 측정하기 위해, 선형회귀분석법을 이용하여 저가의 광산란식 미세먼지측정기의 성능을 향상시키고자 하였다. 이와 더불어, 지하철 역사의 대합실, 승강장, 터널, 외기의 $PM_{10}$, $CO_2$. 습도, 온도 등을 측정하고 기록하기 위해 CDMA M2M 기법을 적용한 무선통신 모니터링 시스템을 구축하였다.
The particle matter concentrations in the subway stations should be monitored and controlled for the health of commuters on the subway system. Seoul Metro and Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation are measuring several air pollutants regularly. In this paper, the reliability of the cheap inst...
The particle matter concentrations in the subway stations should be monitored and controlled for the health of commuters on the subway system. Seoul Metro and Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation are measuring several air pollutants regularly. In this paper, the reliability of the cheap instruments using light scattering method is improved with the help of a linear regression analysis technique to measure the $PM_{10}$ concentrations continuously in the subway stations. In addition, a monitoring system is implemented to display and record the data of $PM_{10}$, $CO_2$, humidity, and temperature. To transmit and receive these measured sensor data, CDMA M2M wireless communication method is applied.
The particle matter concentrations in the subway stations should be monitored and controlled for the health of commuters on the subway system. Seoul Metro and Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation are measuring several air pollutants regularly. In this paper, the reliability of the cheap instruments using light scattering method is improved with the help of a linear regression analysis technique to measure the $PM_{10}$ concentrations continuously in the subway stations. In addition, a monitoring system is implemented to display and record the data of $PM_{10}$, $CO_2$, humidity, and temperature. To transmit and receive these measured sensor data, CDMA M2M wireless communication method is applied.
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문제 정의
단일입자 측정법으로는 입자가 산란시키는 빛의 양을 근거로 입자의 광학적인 크기 및 개수를 실시간으로 측정하는 광산란식 측정법이 있다. 그 중에서 실시간 모니터링을 위해서는 광산란식 미세먼지 측정기가 가장 적합한데 측정방식 자체의 문제점 때문에 측정 오차가 발생하는데 본 논문에서는 이를 줄이는 방안을 연구한다. 또한, 이들 측정된 센서 데이터를 전송하고 받기 위해 CDMA M2M 기법을 이용한 무선통신방식을 적용하였고, 3호선 대청역의 대합실, 승강장, 터널, 그리고 외기의 미세먼지농도, CO2 농도, 온습도를 3일간 측정하고 모니터링하였으며, 이들 데이터의 상관관계를 파악하였다.
제안 방법
그 중에서 실시간 모니터링을 위해서는 광산란식 미세먼지 측정기가 가장 적합한데 측정방식 자체의 문제점 때문에 측정 오차가 발생하는데 본 논문에서는 이를 줄이는 방안을 연구한다. 또한, 이들 측정된 센서 데이터를 전송하고 받기 위해 CDMA M2M 기법을 이용한 무선통신방식을 적용하였고, 3호선 대청역의 대합실, 승강장, 터널, 그리고 외기의 미세먼지농도, CO2 농도, 온습도를 3일간 측정하고 모니터링하였으며, 이들 데이터의 상관관계를 파악하였다.
지하철 역사 공기질 개선을 위한 다양한 연구들의 수행되고 있고, 대기 환경 분야에서 다양한 센서들이 개발되어 오염된 지하공간에서의 공기질을 모니터링하고 이를 이용하여 개선하려는 노력들이 점차 현실화 되어가고 있다. 본 논문에서는 저가의 광산란식 미세먼지측정기기의 정밀도 향상을 위해 선형회귀분석을 실시하고 추정된 회귀모형을 통해서 미세먼지센서의 정밀도를 향상하였으며, 이와 더불어 지하철 대합실, 승강장, 터널, 외기의 미세먼지농도, CO₂농도, 온습도를 측정하여 USN 환경센서 모니터링 시스템을 지하철 역사에 구축하였다.
본 연구에서는 그림 4와 같이 안정적인 네트워크 성능을 가지는 CDMA 무선통신 방식을 이용한 M2M(Machine to Machine) 통신을 사용하여 측정 데이터를 전송하는 통합 공기질 모니터링 시스템을 구축하였다. M2M 솔루션 통신모듈(MDT-800)은 퀄컴의 MSM6025칩을 채용하여 설계된 800[MHz]대역의 CDMA2000 1X용 모듈인 BCM-865를 적용하여 구현된 외장형 모뎀이다.
이와 같은 선형회귀분석을 이용하여 Airtest 미세먼지 측정기의 보정을 시도한다. 2012년 4월 8일 24시간동안 학여울역 대합실에 HCT와 Airtest를 설치하여 데이터를 취득한 결과가 그림 1에 있다.
한편, 광산란법으로는 6백만원 정도하는 HCT의 측정장비가 정밀한데 반해, HCT의 1/10 가격인 60만원 정도하는 Airtest는 오차가 상대적으로 큰 단점이 있다. 이처럼 가격이 저렴하지만 오차가 큰 Airtest 측정장치를 선형회귀분석 기법을 이용하여 보정함으로써 오차를 줄이고자 한다.
대상 데이터
구현된 통합 공기질 모니터링 시스템의 성능을 평가하기 위해 지하철 역사에 시범 설치하여 운용하였다. 대합실, 승강장 및 터널, 외기 등에 설치될 통합 공기질 측정 장비는 주기적으로 온 습도, CO2, 미세먼지를 측정한 공기질 데이터를 CDMA 통신 모듈을 통해 BTS(Base Station Transceiver Subsystem)에 전달하고, 이 데이터는 통신회사의 수신 서버로 전달된다.
온습도센서는 SENSIRION사의 SHT11 라는 온·습도를 동시에 측정할 수 있는 센서를 이용하였다.
정부는 2003년 5월 실내공기질의 합리적 관리를 위하여 기존의 지하 생활공간 공기질 관리법을 다중시설 등의 실내공기질 관리법으로 개정하여 2004년 5월 30일부터 시행하고 있다. 이 법의 적용대상이 되는 다중이용시설들은 종전 지하역사, 지하도 상가의 2개 시설군에서 도서관, 의료기관, 찜질방, 대규모점포 등 15개 시설군을 추가하여 17개 시설군으로 확대하였다. 다중이용시설의 실내공기질 오염물질 중 미세먼지(PM10), 이산화탄소(CO2), 포름알데히드(HCHO), 총부유세균, 일산화탄소(CO) 등 5개 물질에 대하여 유지기준을 표 1에 제시한 바와 같이 설정하고 있다(법 제5조).
지하철 대기환경중에서 가장 중요한 미세먼지 PM10, CO2, 온도, 습도에 대해 서울지하철 3호선 대청역의 대합실에서 2012년 8월 15일부터 17일까지 30초 간격으로 3일간 측정한 데이터가 그림 7에 있다. CO2 농도 측정기는 NDIR 방식 휴대용 측정기로 0∼10,000ppm 까지 측정가능하며 15ppm의 오차를 허용한다.
성능/효과
(a)의 대청역 대합실 미세먼지 PM10의 3일간 데이터를 보면 120μg/m3 이하로 항상 표 1의 다중이용 시설 실내공기질 유지기준 150μg/m3을 만족하고 있음을 알 수 있다.
(a)의 외기 미세먼지 PM10의 3일간 데이터를 보면 대략 10∼120μg/m3 로 대청역 주변도로의 미세먼지농도는 대체적으로 양호한 편이다.
(b)의 승강장 CO2 농도는 500∼700ppm 정도를 나타내며 대략 대합실에 비해 100ppm 정도 높은데, 이는 많은 승객이 승강장에 모여 있기 때문으로 판단되고 표 1의 실내 공기질 유지기준인 1000ppm을 넘지 않는 것으로 확인되었다.
지하 역사 승강장보다 터널에서의 통신환경은 더 열악한 것으로 알려져 있다. 그림 6과 같은 CO2, 온습도센서와 PM10, PM2.5 미세먼지 센서, MCU 보드, M2M 단말기로 구성된 M2M 솔루션 통신 모듈을 이용한 공기질 모니터링 시스템을 구축하고, 통합 공기질 측정장비의 성능을 확인한 결과, 통신 성공율이 99.86% 라는 긍정적인 결과를 얻을 수 있었다. 결론적으로, M2M 통신을 활용한 통합 공기질 측정 장비를 바탕으로 공기질 관리시스템을 구축하면, 기존 유무선 시스템을 대체 할 충분한 신뢰성을 보일 것으로 기대된다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 가격이 상대적으로 저렴한 Airtest 광산란식 미세먼지 측정기로도 교정을 통해 오차를 보정함으로써 충분히 실시간 모니터링용으로 이용이 가능함을 알 수 있다. 또한, 그림 1-3까지의 24시간 보정데이터를 이용하여 오차보정한 뒤 1년여의 필드테스트를 수행한 결과, 측정기의 장소가 바뀌지만 않는다면 한 번 보정한 결과를 유용하게 이용할 수 있음을 확인하였다.
이들 측정된 센서 데이터를 전송하고 받기 위해 CDMA M2M 무선통신 기법 등을 적용하였으며, 지하철 터널구간에서도 큰 어려움없이 무선통신이 됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
86% 라는 긍정적인 결과를 얻을 수 있었다. 결론적으로, M2M 통신을 활용한 통합 공기질 측정 장비를 바탕으로 공기질 관리시스템을 구축하면, 기존 유무선 시스템을 대체 할 충분한 신뢰성을 보일 것으로 기대된다. 다만, M2M CDMA 무선통신을 이용할 경우는 기존 무선통신 사업자의 중계기를 이용하여 데이터를 수신받아야 하기 때문에 월 사용료를 지불해야 하는 단점이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
빌딩증후군 증상이 호소하는 사례가 증가되는 배경은?
최근 경제적 수준과 과학의 발달에 따라 복잡하고 다양한 생활용품, 건축 내장재 등으로부터 다양한 오염물질이 방출되는 등 실내공간에서 생활하는 거주자들로부터 빌딩증후군 증상을 호소하는 사례가 증가하고 있다. 또한, 많은 사람들이 지하공간에서 생활을 하는 시간이 늘어남에 따라 지하 공간 및 다중 이용시설에서의 공기질에 대한 관심 또한 높아지고 있고, 이들 공간에서의 공기질 관리에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다[1∼6].
다중시설 등의 실내공기질 관리법은 언제 시행했나?
또한, 많은 사람들이 지하공간에서 생활을 하는 시간이 늘어남에 따라 지하 공간 및 다중 이용시설에서의 공기질에 대한 관심 또한 높아지고 있고, 이들 공간에서의 공기질 관리에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다[1∼6]. 정부는 2003년 5월 실내공기질의 합리적 관리를 위하여 기존의 지하 생활공간 공기질 관리법을 다중시설 등의 실내공기질 관리법으로 개정하여 2004년 5월 30일부터 시행하고 있다. 이 법의 적용대상이 되는 다중이용시설들은 종전 지하역사, 지하도 상가의 2개 시설군에서 도서관, 의료기관, 찜질방, 대규모점포 등 15개 시설군을 추가하여 17개 시설군으로 확대하였다.
다중시설 등의 실내공기질 관리법의 적용 대상은?
정부는 2003년 5월 실내공기질의 합리적 관리를 위하여 기존의 지하 생활공간 공기질 관리법을 다중시설 등의 실내공기질 관리법으로 개정하여 2004년 5월 30일부터 시행하고 있다. 이 법의 적용대상이 되는 다중이용시설들은 종전 지하역사, 지하도 상가의 2개 시설군에서 도서관, 의료기관, 찜질방, 대규모점포 등 15개 시설군을 추가하여 17개 시설군으로 확대하였다. 다중이용시설의 실내공기질 오염물질중 미세먼지(PM10), 이산화탄소(CO2), 포름알데히드(HCHO), 총부유세균, 일산화탄소(CO) 등 5개 물질에 대하여 유지기준을 표 1에 제시한 바와 같이 설정하고 있다(법 제5조).
참고문헌 (12)
Kim, M.Y., Jung, I.H., "The measurement of airborne particle matter using different methods at City Hall station of subway in Seoul," Journal of the Korean Society for Environment Analysis, vol.1, no.3, pp.227-238, 1998
Chillrud, S.N.D. Epstein, et al., "Elevated air-borne exposures of teenagers to manganese, chromium, and iron from steel dust in New York City's subway system," Environmental Science and Technology, vol.38, no.3, pp.732-737, 2004
Aarnio, P., et al., "The concentrations and composition of exposure to fine particle (PM2.5) in the Helsinki subway system," Atmospheric Environment, vol.39, pp.5059-5066, 2005
Branis, M., "The contribution of ambient sources to particulate pollution in spaces and trains of the Prague underground transport system," Atmospheric Environment, vol.40, pp.348-356, 2006
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