[논문]이내비게이션을 활용한 해양환경관측 및 빅데이터 분석방안

이관홍; 박재훈; 하호경; 김도완; 이우주; 김홍태; 신현정

doi:10.7850/jkso.2018.23.4.204

이내비게이션을 활용한 해양환경관측 및 빅데이터 분석방안
Methodology on e-Navigation-Assisted Ocean Monitoring and Big Data Analysis 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.23 no.4, 2018년, pp.204 - 217

이관홍 (인하대학교 해양과학과) , 박재훈 (인하대학교 해양과학과) , 하호경 (인하대학교 해양과학과) , 김도완 (인하대학교 수학과) , 이우주 (인하대학교 통계학과) , 김홍태 (선박해양플란트연구소 해양안전환경연구본부) , 신현정 (인하대학교 해양과학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 이내비게이션 시스템이 장착된 연안 및 국제여객선을 활용하여 효율적으로 해양환경관측을 실시하고 관측된 해양 환경 빅데이터를 분석할 수 있는 방안을 제시하였다. 먼저, 이내비게이션 시스템과 운영 개념을 소개하고, 우리나라 연안의 해양환경모니터링 현황을 개괄한 후, 기존 관측망의 단점을 보완하고 장점을 강화할 수 있도록 이내비게이션을 활용한 해양환경모니터링 관측방법과 관측요소(기상, 물성, 유속 및 수심)를 제안하였다. 또한, 이내비게이션 시스템이 장착된 여객선에서 관측한 자료를 실시간으로 분석하는 시공간 혼합효과모형, 앙상블기법 및 무요소기법과 같은 해양빅데이터 분석 기법을 제안하였다. 본 연구는 연안 선박과 소형어선에 중점을 둔 한국형 이내비게이션 추진에 도움이 될 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a cost-effective method to monitor coastal environments using e-Navigation-implemented domestic and international ferries, and to analyze big data of records such as wind, temperature, salinity, waves, and currents that are gathered through e-Navigation system. First, we present the concept and architecture of e-Navigation operation system based on the General Information Center on Maritime Safety and Security. Then, the marine observation system that can be applied to ferries operating in our nation's territory is discussed. Analytical methods, such as spatio-temporal mixed effects model, ensemble method, and meshfree method, in handling real-time big data obtained by the e-Navigation observing system are then explained in detail. This study will support the implementation of the Korean e-Navigation project that focuses on the safety of small vessels such as coasters and fishing vessels.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. List of e-Navigation MSPs
그림 Fig. 1. KHOA real-time oceanographic observation networks and monitoring stations.
그림 Fig. 2. NIFS oceanographic observation networks and monitoring stations.
표 Table 2. Observation elements of KHOA real-time oceanographic observation networks
표 Table 3. Monitoring elements of NIFS oceanographic observations (NOS)
그림 Fig. 3. KMO oceanographic observation networks and monitoring stations.
표 Table 4. Monitoring elements of KMO oceanographic observation networks
그림 Fig. 4. Routes of domestic ferries(A) and international ferries(B).
그림 Fig. 5. Routes of domestic and international ferries overlaid to oceanographic observation stations.

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 국내 도서 및 중국, 일본 및 러시아를 하루 또는 이틀에 한번 왕복하는 정기 연안여객선과 국제여객선은 연안에 집중되고 두 달 혹은 세 달 간격으로 시행되고 있는 전통적인 해양환경 관측에 비해 광역적이고 효과적인 해양환경 장기모니터링을 가능하게 할 것이다. 그러므로 본 연구에서는 이내비게이션을 구현한 연안 및 국제여객선을 활용한 해양환경모니터링 방법 및 효용을 고찰한다.
,2017). 그러므로, 본 연구에서는 국내에서 추진되고 있는 이내비게이션 선박을 활용한 해양환경관측 방법을 제시하고, 이내비게이션 선박에서 획득한 해양 빅데이터에 적용할 수 있는 빅데이터 처리기법과 활용방안을 고찰하였다. 이를 위해서 2장에서는 한국형 이내비게이션 운영시스템을 소개하고, 3장에서는 우리나라 연안의 해양환경모니터링 시스템을 개괄한 후, 이내비게이션 여객선을 활용한 해양환경관측 요소 및 방법을 제시하였으며, 4장에서는 해양 빅데이터 분석 방법 및 활용방안을 고찰하였고, 5장의 결론에서는 본 해양관측의 효용성 및 극복해야 할 문제를 제시하였다.
이내비게이션의 핵심기술 국산화 및 국제표준화를 위해 해양수산부의 R&D사업으로 진행되고 있는 차세대 해양안전종합관리체계 기술개발은 우리나라 연안에 LTE통신을 구축하고, 실시간 통신을 통한 선박의 해양안전 종합상황인식 및 항행안전지원서비스를 제공하게 된다. 본 연구에서는 선박의 항행안전을 도모하기 위하여 개발되는 이내비게이션을 구현한 선박의 해양환경모니터링 활용 가능성을 주목한다. 특히, 국내 도서 및 중국, 일본 및 러시아를 하루 또는 이틀에 한번 왕복하는 정기 연안여객선과 국제여객선은 연안에 집중되고 두 달 혹은 세 달 간격으로 시행되고 있는 전통적인 해양환경 관측에 비해 광역적이고 효과적인 해양환경 장기모니터링을 가능하게 할 것이다.
이상과 같이 해양환경조사는 해양물리 및 해양지질학적인 특성 뿐만 아니라 수질, 생태 및 오염물질과 같은 다양한 항목에 대해 수행되고 있다. 본 연구에서는 시료의 분석이 필요하지 않고 이내비게이션 선박에서 자동관측 및 전송이 가능하며 한국형 이내비게이션 서비스와 관련된 항목들만 검토하였다.
비록 이내비게이션이 구현된 연안 및 국제여객선의 항로가 기존 정점관측망을 보완하는 해양환경관측망이 될 수 있다고 하더라도, 여객선에서 실질적으로 해양환경 관측이 이루어질 수 있어야 할 것이다. 본 연구에서는 이내비게이션 사업의 목적에 부합하면서 선박에서 실시간 관측 및 전송이 가능한 아래와 같은 해양환경 요소들을 고려하였다. 이들 환경요소는 국립해양조사원, 국립수산과학원과 기상청의 실시간 정점관측에서 관측하고 있으므로, 이들 정점을 보완하는 광역 측선관측망에서 모니터링하기에 적합하다.
본 연구에서는 이내비게이션 시스템을 갖춘 연안여객선을 활용하여 해양환경관측을 실시하고 자료를 분석할 수 있는 방안을 제시하였다. IMO에서 시행 예정인 이내비게이션을 위한 한국형 이내비게이션 시스템은 우리나라의 해상통신과 항행 안전을 위한 서비스 기능을 획기적으로 향상시키게 된다.
IMO에서 시행 예정인 이내비게이션을 위한 한국형 이내비게이션 시스템은 우리나라의 해상통신과 항행 안전을 위한 서비스 기능을 획기적으로 향상시키게 된다. 본 연구에서는 이내비게이션을 개괄하고 우리나라 해양환경 모니터링 현황을 검토하였다. 그리고 이내비게이션 시스템을 갖춘 연안여객선에 적용 가능한 해양관측시스템의 구성 요소를 제안하고, 본 연구에서 제안한 해양관측시스템으로 관측한 자료를 실시간으로 분석하는 해양 빅데이터 분석 기법을 제안하였다.
시공간 상관성을 적절하게 반영하지 못하는 경우 관측되지 않은 지점의 예측 값에 편의(bias)가 생기거나 추정치의 불확실한 정도를 과소평가하는 문제가 생기게 된다. 본 장에서는 비정형 해양환경 빅데이터가 가질 수 있는 이러한 문제점을 줄일 수 있는 대안적인 빅데이터 분석 기법과 분석자료의 활용방안을 살펴보았다.

제안 방법

본 연구에서는 이내비게이션을 개괄하고 우리나라 해양환경 모니터링 현황을 검토하였다. 그리고 이내비게이션 시스템을 갖춘 연안여객선에 적용 가능한 해양관측시스템의 구성 요소를 제안하고, 본 연구에서 제안한 해양관측시스템으로 관측한 자료를 실시간으로 분석하는 해양 빅데이터 분석 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 이내비게이션 활용 해양환경 모니터링은 광역 지역의 장기적인 자료를 저비용으로 획득하는 획기적인 방안이 될 것이다.
연안에 집중되어 있는 기존의 해양환경관측망뿐만 아니라 외해 지역의 해양환경 기초자료를 제공함으로써 한국형 이내비게이션이 목표하는 해양안전을 구현하는데 공헌을 할 수 있을 것이다. 둘째, 본 연구에서 제시한 관측방법에 따라 우리나라 전역을 포괄하는 관측망에서 획득하는 빅데이터 분석 자료를 기상 및 해양수치모델의 자료동화기법에 접목하는 것이다. 오늘날의 기상 및 해양 수치모델은 비약적인 발전을 이루었지만, 모델을 평가하고 검증하는 자료는 여전히 부족한 형편이다.
이외에 해양관측 29개소와 해수유동관측소(HF-Radar) 33개소에서 해수유동을 관측하고 있다. 이외에도 광역 해양환경변화 모니터링을 위한 주기적인 해류 및 물리특성(수온, 염분)관측을 연 4회에 걸쳐 실시한다. 이상에서 기술한 국립해양조사원 관측 정점은 Fig.

성능/효과

위에서 기술한 환경요소에 대한 선박, 특히 여객선에서의 관측은 충분히 가능하다. 또한, 이들 요소에 대한 실시간 관측 및 자료 전송도 가능하며, 현업과 연구에 사용 가능할 정도로 자료의 질이 검증되었다. Kim et al.
Kim and Kim (2004)에 의하면 비구조적인 데이터에서 자료동화에서 필요한 근삿값의 정확성을 높이기 위해서는 국소적 반경함수 p_i(x)의 도입이 필수적임을 밝혔다. 이 방법의 분해능과 정확도는 반경함수에 의존함이 이론적으로 증명되어 있고 이를 활용하면 다차원의 비구조적인 해양데이터의 세련된 처리에 가장 적합한 방법으로 개선될 수 있다. 그러나 빠른 데이터처리를 위해서는 조합론(combinatorics)의 고급이론이 필요하고 4.

후속연구

특히 배깅(Bagging), 랜덤 포레스트(Random Forest) 등의 앙상블 기법이 현재 공학 및 금융 분야에서 널리 사용되고 있는데 해양 환경 변수를 분석 및 예측하는 것에도 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 앙상블 기법이 성공적이기 위해서는 f_i들 간의 상관성이 작아야 된다는 조건이 필요한데, 해양학 분야에서 사용되는 f_i들 간의 상관성이 어느 정도인지는 앞으로 더 연구되어야 할 부분이다. 한편, 해양 분야에서 전통적으로 사용되어오던 신경망 모형은 내재된 비선형성으로부터 야기되는 예측 값의 불안정성이 그 동안 가장 큰 문제점으로 지적되었는데, 이러한 문제점을 해결하는 방법으로서 앙상블접근은 매우 효과적인 해결책이다.
4). 그러므로 이들 항로는 정점 관측을 보완하는 광역적인 연근해 해양관측을 가능하게 할 것이다.
우리나라에서 이내비게이션이 시행된다는 것은 육지로부터 100 km 이내의 연안 해역에 초고속 해상무선 통신체계(LTE-M)가 구축되고, 이 통신체계를 통해 LTE급 정보의 송수신이 가능함을 의미한다. 그러므로, 이내비게이션이 구현된 선박을 활용해서 해양환경자료를 획득하고 자료를 실시간 전송하는 해양관측은 기존의 정점 및 측선관측망을 보완하는 획기적인 관측망이 될 것이다.
광대한 해양에서 정형화된 격자에서 관측을 수행하고 자료를 획득하는 것은 쉽지 않다. 그렇지만 위에서 제시한 다양한 빅데이터 분석방법을 사용하여 비정형화된 해양환경자료에서 더 정확한 구조적인 환경변수를 예측하는 자료처리가 가능하다. 이렇게 얻은 자료의 활용에는 다음 세 가지를 고려할 수 있다.
현재, 국내의 연구선에서 관측되는 유속 자료는 자료 크기와 전송속도 제한으로 인하여 실시간 전송이 이루어지고 있지는 않지만, 이내비게이션 LTE-M은 연구선과 여객선에서 관측되는 유속 자료의 실시간 전송을 가능하게 할 것이다. 마지막으로, 소나는 모든 여객선에 설치하는 것을 국내법으로 규정하고 있으므로, 이내비게이션을 통한 자료 획득 및 활용이 가능할 것이다.
그리고 이내비게이션 시스템을 갖춘 연안여객선에 적용 가능한 해양관측시스템의 구성 요소를 제안하고, 본 연구에서 제안한 해양관측시스템으로 관측한 자료를 실시간으로 분석하는 해양 빅데이터 분석 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 이내비게이션 활용 해양환경 모니터링은 광역 지역의 장기적인 자료를 저비용으로 획득하는 획기적인 방안이 될 것이다. 그리고 이내비게이션 여객선에서 획득한 자료는 이내비게이션 서비스의 필수적인 콘텐츠를 개발하는데 필요할 뿐만 아니라, 한국형 이내비게이션 시스템의 소형선박 최적안전지원서비스를 제공하는데 필수적이라고 본다.
특히 정기적인 관측이 수행되지 않는 황해 중부 지역의 자료는 한반도 기상 및 해양모델의 정확도를 높이는데 크게 기여할 것이다. 셋째는 우리나라 연근해 기후 및 해양환경의 장기변화 연구에 기여할 것이다. 국립수산과학원의 정선관측은 50년 이상 유지되면서 한반도 주변 해역의 해양변동을 이해하는데 크게 공헌하였다.
첫째는 이내비게이션 구현된 선박에서 획득한 빅데이터를 분석한 자료는 한국형 이내비게이션 소형선박 최적안전지원서비스의 해양환경 기초자료로 활용하는 것이다. 연안에 집중되어 있는 기존의 해양환경관측망뿐만 아니라 외해 지역의 해양환경 기초자료를 제공함으로써 한국형 이내비게이션이 목표하는 해양안전을 구현하는데 공헌을 할 수 있을 것이다. 둘째, 본 연구에서 제시한 관측방법에 따라 우리나라 전역을 포괄하는 관측망에서 획득하는 빅데이터 분석 자료를 기상 및 해양수치모델의 자료동화기법에 접목하는 것이다.
이상과 같은 한국형 이내비게이션은 IMO에서 추진하는 이내비게이션을 선도할 뿐만 아니라 국내의 실정에 적합한 해상 교통 종합관리를 위한 시스템을 확장해서 대형선박뿐만 아니라 어선과 같은 소형 선박의 해양안전을 극대화하는데 기여할 것이다. 그렇지만, 한국형 이내비게이션에서 개발된 플랫폼을 통해 다양한 서비스가 제공되기 위해서는 해상 교통량, 항해보조, 해상안전과 같은 정보뿐만 아니라 해양기상, 조류 및 수심과 같은 정보가 실시간으로 수집되고 분석·통합되어야 한다.
국립수산과학원의 정선관측은 50년 이상 유지되면서 한반도 주변 해역의 해양변동을 이해하는데 크게 공헌하였다. 이에 상응하는 짧은 주기의 관측자료와 빅데이터 분석은 복잡한 자연 현상을 규명하는데 기여할 것이다.
오늘날의 기상 및 해양 수치모델은 비약적인 발전을 이루었지만, 모델을 평가하고 검증하는 자료는 여전히 부족한 형편이다. 특히 정기적인 관측이 수행되지 않는 황해 중부 지역의 자료는 한반도 기상 및 해양모델의 정확도를 높이는데 크게 기여할 것이다. 셋째는 우리나라 연근해 기후 및 해양환경의 장기변화 연구에 기여할 것이다.
본 연구에서는 선박의 항행안전을 도모하기 위하여 개발되는 이내비게이션을 구현한 선박의 해양환경모니터링 활용 가능성을 주목한다. 특히, 국내 도서 및 중국, 일본 및 러시아를 하루 또는 이틀에 한번 왕복하는 정기 연안여객선과 국제여객선은 연안에 집중되고 두 달 혹은 세 달 간격으로 시행되고 있는 전통적인 해양환경 관측에 비해 광역적이고 효과적인 해양환경 장기모니터링을 가능하게 할 것이다. 그러므로 본 연구에서는 이내비게이션을 구현한 연안 및 국제여객선을 활용한 해양환경모니터링 방법 및 효용을 고찰한다.
, 2005). 현재, 국내의 연구선에서 관측되는 유속 자료는 자료 크기와 전송속도 제한으로 인하여 실시간 전송이 이루어지고 있지는 않지만, 이내비게이션 LTE-M은 연구선과 여객선에서 관측되는 유속 자료의 실시간 전송을 가능하게 할 것이다. 마지막으로, 소나는 모든 여객선에 설치하는 것을 국내법으로 규정하고 있으므로, 이내비게이션을 통한 자료 획득 및 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이내비게이션은 무엇인가?	국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서 2019년부터 국제적으로 시행할 예정인 이내비게이션은 선박과 선박 또는 선박과 육상의 실시간 통신 및 정보교환을 증진시켜 항행안전을 도모하는 선박운행체계이다(An, 2015, 2016). 이내비게이션의 핵심기술 국산화 및 국제표준화를 위해 해양수산부의 R&D사업으로 진행되고 있는 차세대 해양안전종합관리체계 기술개발은 우리나라 연안에 LTE통신을 구축하고, 실시간 통신을 통한 선박의 해양안전 종합상황인식 및 항행안전지원서비스를 제공하게 된다.
	지구온난화와 기후변화로 인한 한국 해양환경의 변화는 무엇인가?	지구온난화와 기후변화에 따라 세계의 바다 및 한국 연안은 급격한 해양환경 변화를 겪고 있다. 한반도 주변해역에서는 수온이 증가하고 해수면이 상승하고 있으며, 플랑크톤 종 조성 및 회유하는 어류의 종이 변하고 있다(Kim et al., 2010).
	차세대 해양안전종합관리시스템 구축을 위해 해양수산부가 추진한 일은 무엇인가?	IMO 이내비게이션 개발에 따라 국내에서는 해양수산부 주도로 한국형 이내비게이션 구축을 위한 프로그램이 개발되었다. 차세대 해양안전종합관리시스템 구축을 목적으로 해양수산부는 한국형 이내비게이션 프로젝트 기획연구를 2013년에 실시하였고, 이 기획연구는 2014년 1월과 11월에 각각 미래창조과학부의 기술성 평가와 기획재정부 예비타당성 조사를 통과하였다(An, 2015; Kang et al., 2015).

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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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