본 연구는 바람통로의 세밀도와 편이성을 향상시켜 도시 녹지계획 활용도를 높이는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 유체역학적 거칠기 특성을 나타내는 거칠기길이($z_0$)로부터 바람통로 네트워크 추출기법을 제안하였다. 지적필지 단위로 산출된 $z_0$에 IDW, Spline, Kriging내삽기법을 적용해 표면이 연속적인 수치거칠기길이모델(DZoM)을 생성한 후 수계망 추출 기법을 적용해 바람통로 네트워크를 산출하였다. 내삽기법 적용 결과들을 비교하여 가장 적합한 내삽 기법을 정하고 산출된 바람통로와 토지피복 및 지표온도의 공간적 관계를 분석하였다. 연구결과 DZoM 산출기법 중 Kriging 기법의 적용성이 IDW 및 Spline 기법보다 우수한 것으로 나타났다. Kriging 기법을 이용하여 선형 추출한 바람통로 네트워크(Type B)와 Landsat-7 ETM+에서 산출한 여름철과 겨울철 야간 지표온도 분포를 비교한 결과는 공간적 일치도가 높았다. 주목할 부분으로 산출된 바람통로의 흐름이 도시의 야간 열 부하들을 완화하는 것으로 보인다. 추출된 바람통로 네트워크 사상들(features)에 대한 엄밀한 평가와 개선이 수행된다면 녹지계획 실무에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. 이를 위해서는 (1) 거칠기길이 개선, (2) 녹지계획 목적에 맞는 바람통로의 해석 및 편집, (3) 분절된 바람통로 네트워크 연결, (4) 관련 자료의 상세한 구축 및 무결성 확보 등이 선행되어야 할 것이다. 제안된 바람통로 네트워크의 녹지계획 적용을 위해 향후 연구범위를 수도권으로 확장할 계획이다.
본 연구는 바람통로의 세밀도와 편이성을 향상시켜 도시 녹지계획 활용도를 높이는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 유체역학적 거칠기 특성을 나타내는 거칠기길이($z_0$)로부터 바람통로 네트워크 추출기법을 제안하였다. 지적필지 단위로 산출된 $z_0$에 IDW, Spline, Kriging 내삽기법을 적용해 표면이 연속적인 수치거칠기길이모델(DZoM)을 생성한 후 수계망 추출 기법을 적용해 바람통로 네트워크를 산출하였다. 내삽기법 적용 결과들을 비교하여 가장 적합한 내삽 기법을 정하고 산출된 바람통로와 토지피복 및 지표온도의 공간적 관계를 분석하였다. 연구결과 DZoM 산출기법 중 Kriging 기법의 적용성이 IDW 및 Spline 기법보다 우수한 것으로 나타났다. Kriging 기법을 이용하여 선형 추출한 바람통로 네트워크(Type B)와 Landsat-7 ETM+에서 산출한 여름철과 겨울철 야간 지표온도 분포를 비교한 결과는 공간적 일치도가 높았다. 주목할 부분으로 산출된 바람통로의 흐름이 도시의 야간 열 부하들을 완화하는 것으로 보인다. 추출된 바람통로 네트워크 사상들(features)에 대한 엄밀한 평가와 개선이 수행된다면 녹지계획 실무에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. 이를 위해서는 (1) 거칠기길이 개선, (2) 녹지계획 목적에 맞는 바람통로의 해석 및 편집, (3) 분절된 바람통로 네트워크 연결, (4) 관련 자료의 상세한 구축 및 무결성 확보 등이 선행되어야 할 것이다. 제안된 바람통로 네트워크의 녹지계획 적용을 위해 향후 연구범위를 수도권으로 확장할 계획이다.
The purpose of this study is increasing ventilation network usability for urban green space planning by enhancing its practicality and detail. A ventilation network feature extraction technique using roughness length($z_0$) was proposed. Continuously surfaced DZoMs generated from $z_...
The purpose of this study is increasing ventilation network usability for urban green space planning by enhancing its practicality and detail. A ventilation network feature extraction technique using roughness length($z_0$) was proposed. Continuously surfaced DZoMs generated from $z_0$(cadastral unit) using three interpolations(IDW, Spline, and Kriging) were compared to choose the most suitable interpolation method. Ventilation network features were extracted using the most suitable interpolation technique and studied with land cover and land surface temperature by spatial overlay comparison. Results show Kriging is most suitable for DZoM and feature extraction in comparison with IDW and Spline. Kriging based features are well fit to the land surface temperature(Landsat-7 ETM+) on summer and winter nights. Noteworthy is that the produced ventilation network appears to mitigate urban heat loads at night. The practical use of proposed ventilation network features are highly expected for urban green space planning, though strict validation and enhancement should follow. (1) $z_0$ enhancement, (2) additional ventilation network interpretation and editing, (3) linking disconnected ventilation network features, and (4) associated dataset enhancement with data integrity should technically preceded to enhance the applicability of a ventilation network for green space planning. The study domain will be expanded to the Seoul metropolitan area to apply the proposed ventilation network to green space planning practice.
The purpose of this study is increasing ventilation network usability for urban green space planning by enhancing its practicality and detail. A ventilation network feature extraction technique using roughness length($z_0$) was proposed. Continuously surfaced DZoMs generated from $z_0$(cadastral unit) using three interpolations(IDW, Spline, and Kriging) were compared to choose the most suitable interpolation method. Ventilation network features were extracted using the most suitable interpolation technique and studied with land cover and land surface temperature by spatial overlay comparison. Results show Kriging is most suitable for DZoM and feature extraction in comparison with IDW and Spline. Kriging based features are well fit to the land surface temperature(Landsat-7 ETM+) on summer and winter nights. Noteworthy is that the produced ventilation network appears to mitigate urban heat loads at night. The practical use of proposed ventilation network features are highly expected for urban green space planning, though strict validation and enhancement should follow. (1) $z_0$ enhancement, (2) additional ventilation network interpretation and editing, (3) linking disconnected ventilation network features, and (4) associated dataset enhancement with data integrity should technically preceded to enhance the applicability of a ventilation network for green space planning. The study domain will be expanded to the Seoul metropolitan area to apply the proposed ventilation network to green space planning practice.
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문제 정의
본 연구에서는 바람통로 산출의 객관성과 세밀도를 높이고 녹지계획 활용을 증진하기 위해 거칠기길이(z0)로부터 내삽기법을 적용한 선형 네트워크 추출 방법들을 연구하였고 도시열섬 바람체계를 공간적으로 명확하게 도시할 수 있는 방법을 모색하였다. 더불어 산출된 바람통로 네트워크가 현재 및 미래의 녹지계획 실무와 실효성 있게 연결되기 위해 해결해야 할 기술적 과제들을 도출해 보았으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(2015)은 서울시를 대상으로 상세한 도시 지표구조로부터 z0 및 관련 모수들을 필지 기반으로 산출하고 계획적 활용을 제안한 바 있다. 이에 본 연구는 상세한 도시 건물들의 구조적 배치를 통해서 도시열섬 순환체계를 설명하는 z0 연구로부터 바람 통로 선형 네트워크 추출 기법을 제안 및 평가하고 향후 산출된 바람통로 네트워크를 녹지계획 실무에 활용하기 위해 필요한 선결 과제들을 도출하고자 한다.
가설 설정
높은 운동량을 가진 공기가 하강하는 자유대기 메커니즘에서 상층 고도의 단위질량 공기덩어리가 운동량을 보존하면서 하강하면 하층 공기덩어리의 평균속도(u′)를 초과(가속)하게 되고 이때 단위 체적 운동량은 ρ× u′가 된다. 단위 면적에 대한 운동량 플럭스는 해당 에디의 연직속도(w′)를 곱하여 계산되지만 대기 중립조건에서 난류가 충분하게 회전하여 원운동한다고 가정한다면 u′ = w′ = w*가 된다. 마찰속도(w*)는 특정 지점 자동풍속계의 서로 다른 고도에서 관측된 풍속 데이터를 통해서 계산된다.
제안 방법
이에 Table 2의 IDW, Spline, Kriging 기법들을 적용해 내삽 결과들을 비교한 후 가장 적절한 내삽기법을 결정하고 이를 통해 바람통로 네트워크 사상들을 추출하였다. 마지막으로 야간 온열환경 및 녹지와 추출된 바람통로 네트워크의 공간적 관련성을 분석 및 고찰하였다. 온열환경 분포 자료로는 야간에 촬영된 Landsat-7 열적외선 밴드(Table 1 참조)로부터 구한 야간 지표온도(land surface temperature, LST) 분포를 이용하였으며 피복자료로는 WISE project에서 제공한 토지피복 자료와 환경부에서 제공한 세분류 토지피복 지도를 이용하였다.
적용된 수식 및 z0 산출 방법은 지표면이 균질하며, 지속적인 관성 계층에서 대기안정도가 중립인 조건에서 유효하다. 본 연구에서는 건물 및 지적도를 이용하여 바람통로 네트워크를 구성하고 토지피복 및 지표온도와 함께 나타나는 공간적 분포 특성을 분석하고 이를 통해 바람통로의 기능을 고찰하였다(Figure 2 참조).
Gal and Unger(2009)는 마찰력이 낮은 곳에서 높은 곳으로의 유체의 흐름 현상을 바람길로 해석하고 도해(圖解)적으로 시각화하였다. 본 연구에서는 이러한 방법을 확장하여 공기역학적흐름방향(flow direction) 및 누적흐름(flow accumulation)을 계산하고 이를 통해 상세한 바람통로 네트워크 사상들(features)을 추출하였다. 불규칙적으로 분포하는 z0(point) 데이터의 공간적 분포와 내삽기법들의 차이들로 인해 바람통로 네트워크 사상들이 달라질 수 있다.
불규칙적으로 분포하는 z0(point) 데이터의 공간적 분포와 내삽기법들의 차이들로 인해 바람통로 네트워크 사상들이 달라질 수 있다. 이에 Table 2의 IDW, Spline, Kriging 기법들을 적용해 내삽 결과들을 비교한 후 가장 적절한 내삽기법을 결정하고 이를 통해 바람통로 네트워크 사상들을 추출하였다. 마지막으로 야간 온열환경 및 녹지와 추출된 바람통로 네트워크의 공간적 관련성을 분석 및 고찰하였다.
대상 데이터
선릉/정릉을 제외하면 대부분 경사가 완만한 평지지형이라는 점과, 내삽에 사용될 필지가 비교적 균질하게 분포하고 있어 본 연구를 적용하는데 적합하였다. z0 및 바람통로 네트워크 산출에는 안전행정부에서 제공한 지적도 및 건물 층수 정보를 포함하고 있는 수치지도 2.0 건물 레이어 등을 이용하였다(Table 1 참조).
적용하는 z0 산출 기법이 지형을 고려할 수 없는 점을 감안하여 연구지역은 서울시에서 비교적 지형 경사가 완만한 강남의 선릉 및 정릉 일대(4km×4km)로 정하였다(Figure 3 참조). 강남은 서울시 내에서 토지이용 활동 및 배출활동이 높고 인공구조물에 의한 야간 복사 갇힘(trapping) 및 열섬현상이 크게 나타나는 지역으로 대기질 관리 및 폐열 방출을 위한 바람통로 계획이 우선적으로 요구되는 지역이다.
이론/모형
z0 계산은 Macdonald et al.(1998)가 적용한 식 8 및 식 9에 마찰계수(C D(1.2)), 칼만상수(k(0.4)), 경험상수(α(4.43), β(1.0))를 적용하였다. 산출된 z0로부터 면(polygon)을 점(center point)으로 변환 후 대표적 내삽(interpolation) 기법들인 IDW, Spline, Kriging 내삽기법을 적용하여 구배가 완만한 수치거칠기길이모델(digital roughness length interpolation model, DZoM)을 생성하였다.
0))를 적용하였다. 산출된 z0로부터 면(polygon)을 점(center point)으로 변환 후 대표적 내삽(interpolation) 기법들인 IDW, Spline, Kriging 내삽기법을 적용하여 구배가 완만한 수치거칠기길이모델(digital roughness length interpolation model, DZoM)을 생성하였다. 여기서, DZoM은 수치표고모델(digital elevation model, DEM)과 같이 유체의 흐름을 야기하는 힘의 방향과 크기를 결정하는 것으로 간주한다.
마지막으로 야간 온열환경 및 녹지와 추출된 바람통로 네트워크의 공간적 관련성을 분석 및 고찰하였다. 온열환경 분포 자료로는 야간에 촬영된 Landsat-7 열적외선 밴드(Table 1 참조)로부터 구한 야간 지표온도(land surface temperature, LST) 분포를 이용하였으며 피복자료로는 WISE project에서 제공한 토지피복 자료와 환경부에서 제공한 세분류 토지피복 지도를 이용하였다.
성능/효과
둘째, Kriging 기법을 이용하여 산출한 바람통로 네트워크 연결 차수와 여름철과 겨울철 야간지표온도 분포를 비교한 결과 공간적 일치도가 높았으며 도시에서 바람통로가 열적 부하 완화에 기여하는 것으로 판단된다.
도로변을 따라 분포하는 상가 건물들이 보통 내부의 건물들보다 높고 크기 때문에 상대적으로 높은 z0 값을 가지게 되고 이러한 z0 위상의 차이로 인해 바람통로 네트워크가 구성된다. 따라서 Inverse DZoM를 적용한 선형 네트워크에서는 높은 z0를 가지는 초고층 아파트 주거 공간이, DZoM를 적용한 선형 네트워크에서는 낮은 z0를 가지는 도시 숲 등 오픈스페이스 녹지가 바람통로 네트워크가 향하는 최종 종착 지점으로 나타난다.
셋째, 바람통로 네트워크의 개선 및 녹지계획 활용을 위해서는 z0 개선, 순환체계를 고려한 네트워크의 해석 및 편집, 분절된 바람통로 네트워크의 연결, 상세한 연계자료 구축 및 무결성 확보 등이 선행되어야 한다.
첫째, z0 내삽기법 적용 결과 Kriging 기법이 DZoM, 흐름방향, 누적흐름, 바람통로 네트워크 추출 결과 평가에서 IDW 및 Spline 기법보다 적용성이 높은 것으로 나타났다.
후속연구
z0 정확도 개선: 바람통로 네트워크 산출의 기초자료가 되는 z0 계산에 있어서 사용된 입력자료 및 산출방법의 불완전성은 향후 해결되어야 할 과제이다. Yi et al.(2015)에 의해 언급된 것처럼 적용된 z0 산출 기법은 지형에 의한 효과들을 고려하고 있지 않고 있으며 더불어 수목 등 기타 수직적 분포를 이루는 지표 피복들을 건물들과 함께 필지기반의 산출체계에 통합 포함시키기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. z0 개선이 선행되어야만 바람통로 네트워크의 신뢰성도 높아질 것이다.
1. z0 정확도 개선: 바람통로 네트워크 산출의 기초자료가 되는 z0 계산에 있어서 사용된 입력자료 및 산출방법의 불완전성은 향후 해결되어야 할 과제이다. Yi et al.
장기적인 관점에서는 폭넓은 연결성을 확보할 수 있는 바람통로 네트워크를 추출할 수 있도록 새로운 선형네트워크 추출 알고리즘을 개발해야 할 것이다. 그러나 대상지의 공간적 특성을 충분히 이해하는 바람통로 네트워크 전문가 또는 녹지 네트워크 전문가들에 의해서 국지적 연결 구조를 유지하고 있는 바람통로 네트워크 사상들과 기존의 거시적 바람통로 체계가 통합적으로 해석되고 연결되어 구축된다면 녹지계획 실무 활용도 기대할 수 있을 것이다.
Figure 10에서 보는 바와 같이 산출된 바람통로 네트워크의 공간적 분포가 지표온도 분포와 높은 일치를 보이는 것은 지표구조가 기후환경에 미치는 영향이 적지 않음을 짐작하게 한다. 그러나 지표온도의 편차는 여러 기상 요인들이 상호작용 결과로 나타나기 때문에 바람통로 계급별 지표온도는 추가 검정이 필요하다.
주관적 판단에 근거해 도해되는 바람통로 선형추출의 문제들은 본 연구가 제시하는 기법을 통해 일부 보완될 수 있을 것이다. 더불어 도출된 바람통로 네트워크 사상들이 기존 연구결과에 비해 바람통로의 배치와 연결 관계를 공간적으로 상세하게 기술하기 때문에 향후 확인 및 보완 편집 과정을 거친다면 일반적으로 활용되는 지도 중첩 및 분석 과정을 통하여 녹지계획에 실무에서 바람길 활용을 보다 용이하게 수행할 수 있을 것이다.
(2004)은 도시 내부의 대기 흐름을 좋게 하는 건물의 배치, 형태규제, 옥상녹화, 건축선 후퇴, 하천녹지 활용 등은 도시열섬 완화, 대기오염 저감, 에너지 절약, 이산화탄소 삭감 등에 기여할 것이라 하였다. 도시 바람의 순환체계를 대표할 수 있는 상세한 바람통로 네트워크 자료가 녹지계획 및 토이이용 계획에 활용되기 위해서는 현재의 세밀도를 유지하면서 지역계획에 적합한 크기로 도메인 확장이 필요할 것이다. 향후 수도권 영역으로 공간범위를 확장하여 지표구조로부터 유도되는 바람통로망을 통해서 녹지-기후대기질을 함께 고려하는 연구를 수행할 계획이다.
녹지와 바람통로 연계를 위한 자료 구축 및 무결성: 도시계획 및 녹지계획에는 토지이용 및 토지피복 등 다양한 유형의 정보들이 중첩되고 분석에 이용된다. 따라서 녹지계획을 위한 중첩 기반의 구체적 녹지계획 수립을 위해서는 상세한 위치와 경로로 가시화된 바람통로 네트워크처럼 연계된 자료들 역시 상응하는 정확도와 세밀도가 필요할 것이다. Figure 11은 환경부 토지피복 세분류 지도(a) 및 WISE project에서 제공한 토지피복도(b)와 바람통로 네트워크 중첩 결과이다.
이처럼 연계된 자료가 상세해진다면 이를 활용하는 인력들이 바람통로 네트워크와 더불어 녹지계획에 필요한 공간정보를 해석하는 능력도 향상될 것이다. 상세한 배출 자료와 결합한다면 녹지계획을 통한 도로에서 배출되는 대기오염물질의 관리도 가능할 것이다. Barlag and Kuttler(1991)가 제언한 것처럼 z0가 주변지역에 비해 낮을수록 이 바람통로를 통해 전원풍이 도시 내부 깊은 곳까지 도달할 수 있으므로 바람통로 네트워크를 녹지와 함께 관리함으로써 축적된 오염물질들을 효과적으로 포집 및 희석하는 다양한 계획적 연구들이 시도될 수 있다.
연결 차수가 증가할수록 집중되며 비가역적인 방향성을 보이는 수문체계와 주간-야간의 흐름이 바뀌는 일부 가역적 방향성을 보이는 도시열섬 순환체계는 근본적인 차이가 있다. 이러한 이해를 기반으로 선형적으로 나타나는 바람통로 네트워크를 녹지계획 활용에 맞추어 해석하고 편집하는 과정이 이어져야 할 것이다.
중요한 기능을 가지는 낮은 차수의 네트워크가 소외 되지 않도록 산출된 선형 네트워크로부터 바람통로의 기능을 검토하여 보완 편집되어야 한다. 이를 위해서는 DZoM 기반 바람통로 네트워크와 Inverse DZoM 기반 바람통로 네트워크를 바탕으로 도시열섬 순환체계를 해석하는 연구가 필요하다. 연결 차수가 증가할수록 집중되며 비가역적인 방향성을 보이는 수문체계와 주간-야간의 흐름이 바뀌는 일부 가역적 방향성을 보이는 도시열섬 순환체계는 근본적인 차이가 있다.
따라서 기존의 도시지역과 교외지역을 연결하는 바람통로 네트워크와 비교해 볼 때 연속성이 부족하다고 판단된다. 장기적인 관점에서는 폭넓은 연결성을 확보할 수 있는 바람통로 네트워크를 추출할 수 있도록 새로운 선형네트워크 추출 알고리즘을 개발해야 할 것이다. 그러나 대상지의 공간적 특성을 충분히 이해하는 바람통로 네트워크 전문가 또는 녹지 네트워크 전문가들에 의해서 국지적 연결 구조를 유지하고 있는 바람통로 네트워크 사상들과 기존의 거시적 바람통로 체계가 통합적으로 해석되고 연결되어 구축된다면 녹지계획 실무 활용도 기대할 수 있을 것이다.
본 연구는 수문분야 선형 추출기법을 적용하여 비교적 상세한 바람통로 네트워크 사상들을 추출하고 수행 과정을 객관화 하여 녹지계획을 위한 기초를 다진 것에 의의를 둘 수 있다. 주관적 판단에 근거해 도해되는 바람통로 선형추출의 문제들은 본 연구가 제시하는 기법을 통해 일부 보완될 수 있을 것이다. 더불어 도출된 바람통로 네트워크 사상들이 기존 연구결과에 비해 바람통로의 배치와 연결 관계를 공간적으로 상세하게 기술하기 때문에 향후 확인 및 보완 편집 과정을 거친다면 일반적으로 활용되는 지도 중첩 및 분석 과정을 통하여 녹지계획에 실무에서 바람길 활용을 보다 용이하게 수행할 수 있을 것이다.
도시 바람의 순환체계를 대표할 수 있는 상세한 바람통로 네트워크 자료가 녹지계획 및 토이이용 계획에 활용되기 위해서는 현재의 세밀도를 유지하면서 지역계획에 적합한 크기로 도메인 확장이 필요할 것이다. 향후 수도권 영역으로 공간범위를 확장하여 지표구조로부터 유도되는 바람통로망을 통해서 녹지-기후대기질을 함께 고려하는 연구를 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바람통로는 어떤 통로로 해석되고 있는가?
바람통로를 활용한 기후요소의 개선은 환경적으로 지속가능하고 탄력성(resilience) 높은 도시를 만들기 위한 수단의 하나로써 독일 Stuttgart 市에서 바람통로 개념을 대기오염 저감 방법으로 적용한 이후 많은 후속사례들이 도시계획 분야에서 이어지고 있다. 바람통로는 지역의 지배적인 주풍향에 영향을 받지 않으면서 일정한 방향으로 바람이 불어가는 통로(Baumül er et al., 1992; 송영배, 2007) 또는 녹지와 물, 오픈스페이스 네트워크를 추진하여 도시 내 산이나 바다로부터 신선한 공기가 흐르는 길을 만들어 도심에 신선한 공기를 받아들이도록 하는 것(경기개발연구원, 1999; Eum et al., 2001) 등으로 다양하게 해석되고 있다. 유체로서의 공기는 지형과 건물 배치 특성에 따라 정체되거나 자유롭게 유동하며 국지기후(local climate) 환경을 조성한다(Hwang and Song, 2003).
세계보건기구(WHO)에서 정의하는 도시기후란?
녹지계획 및 그린인프라 정책이 공원, 녹지, 가로수 등을 이용해 온열환경과 대기질(air quality)을 함께 관리하는 기후-대기질 연계 형태로 바뀌고 있다(Kang, 2012). 세계보건기구(WHO)는 도시기후를 “도시의 물리적 구조물로부터 파생되는 폐열 및 대기오염물질의 상호작용으로 변형된 기후”라고 정의하고 있으며(Byun and Lee, 2002), 이를 도시민의 거주환경을 포함한 도시 생태계의 안정성과 변화에 지대한 영향을 미치는 중요한 인자들로 인식하고 있다. 바람통로를 활용한 기후요소의 개선은 환경적으로 지속가능하고 탄력성(resilience) 높은 도시를 만들기 위한 수단의 하나로써 독일 Stuttgart 市에서 바람통로 개념을 대기오염 저감 방법으로 적용한 이후 많은 후속사례들이 도시계획 분야에서 이어지고 있다.
수치모델링을 통한 녹지계획의 불편함을 해소하기 위해 어떤 시도가 있었는가?
이러한 불편함을 해소하기 위해 Kim et al.(2012)은 수치모델 대신 국내에서 활발하게 구축된 비오톱 지도를 활용하여 간편하게 기후분석 및 평가정보를 제공하는 연구를 시도하였으나 적용한 Haaren(2004)의 평가기준 설명이 명확하지 않았다. Grimmond and Oke(1999) 등을 중심으로 수행된 경계층기후(boundary layer climate) 분야에서는 도시 지표구조에 따른 도시열섬 순환체계를 과학적으로 설명하기 위한 연구들이 수행되고 있다.
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