[논문]도시하천관리 연계 플랫폼 개발(I)

이성학; 심규철; 구본현

doi:10.3741/jkwra.2019.52.12.1087

도시하천관리 연계 플랫폼 개발(I)
Development of urban river data management platform(I) 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.12, 2019년, pp.1087 - 1098

이성학 ((주)제이비티 스마트재난관리연구소) , 심규철 ((주)제이비티 스마트재난관리연구소) , 구본현 ((주)제이비티 스마트재난관리연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 도시하천관리에 있어 이용되는 데이터를 수집, 정제 및 제공하는 기능을 수행하는 도시하천 통합데이터 플랫폼 개발을 수행하였다. 도시하천 통합데이터 플랫폼은 Open API서비스를 활용하여 다양한 기관에서 제공되는 데이터를 수집하는 기능을 가지고 있으며, 수집된 데이터는 전처리 과정을 통하여 정제되어 데이터베이스에 적재된다. 수집된 데이터는 시각화 시스템을 활용하여 검토 및 분석이 가능하며, 단위 Open API 형태로 제공되므로 도시하천모형에서 이를 조합하여 개별적인 입력자료로 활용할 수 있도록 하였다. 또한 실시간 데이터에 대한 제공시스템을 개발하여 도시하천모형에 실시간 데이터를 적용할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 사용자는 데이터의 수집과 전처리, 입력자료 구축에 필요한 시간과 노력을 절감하여 도시하천관리 모형과 시스템의 개발에 있어 효율성과 확장성이 증대될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed an integrated urban river data platform that collects, cleans, and provides data for urban river management. The urban river integrated data platform has the function of collecting data provided by various institutions using the Open API service. The collected data is purified through pre-processing and loaded into a database. The collected data can be reviewed and analyzed using a visualization system and provided through the Open API, so that it can be used as individual input data by combining them in the urban river model. In addition, the development system for real-time data was developed to apply real-time data to urban river models. Through this, users will be able to reduce the time and effort required for data collection, pre-processing and input data construction, thereby increasing efficiency and scalability in the development of urban river models and systems.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Design of data processing framework
그림 Fig. 2. Urban river management REST-ful API Service
그림 Fig. 3. User requirement analysis and database design
표 Table 1. Urban river model common data
표 Table 2. Urban river model specific data
그림 Fig. 4. Urban river model data gathering and pre-processing
그림 Fig. 5. Data gathering and linkage management system
그림 Fig. 6. Data visualization system
표 Table 3. HRFCO precipitation data API basic information sheet
표 Table 4. HRFCO precipitation data request API information sheet
표 Table 5. HRFCO precipitation data response API information sheet
그림 Fig. 7. Design of integrated urban river model data platform
표 Table 6. HRFCO precipitation data API example

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 도시하천관리 분야의 모델 구동에 필요한 기관별 제공데이터를 실시간으로 수집하고, 전처리를 통하여 표준화하여 데이터베이스에 저장하고, 파일 및 Open API(Open Application Programming Interface)방식으로 제공하는 도시하천관리 데이터 연계 플랫폼 개발을 목적으로 한다.
본 연구는 도시하천모형의 시나리오 모의가 가능하여야 하므로 모의에 필요한 실시간 관측시설과 하천, 수리시설물 및 일반 시설물 간의 연관관계를 표현할 수 있도록 데이터베이스를 구성하였다. 데이터베이스의 설계는 공간자료인 하천정보를 기준으로 하여 각 하천의 부속 시설물에 대한 제원 정보와 실시간 자료를 연계하여 구축하였으며, 하천의 주요시설물은 수리시설물과 관측시설물을 통합하여 정의하였다.
본 연구에서는 도시하천에 필요한 다양한 데이터를 한 곳에 수집하여 이를 표준적인 형태로 전처리하여 Open API 형태로 제공하므로써 도시하천관리 모형의 데이터 이용의 편의성을 증대하였다. 기존에 개발되는 시스템은 개별적인 데이터 수집체계 및 제공체계를 가지고 있어 적용의 범위가 한정되거나 새로운 시스템의 개발을 위해서는 데이터의 수집 및 제공체계를 새로운 구축하는 단점이 있었다.
본 연구에서는 연구자가 효율적으로 도시하천관리 모형을 구동할 수 있도록 Open API 기반 도시하천관리 연계플랫폼을 개발하였다. 개발된 시스템은 다양한 기관에서 제공되는 정보를 취합하고 이를 가공하여 개별 도시하천모형의 입력 자료로 활용할 수 있도록 하였으며, 이러한 서비스를 통하여 도시하천모형의 개발자는 데이터의 취득과 검토에 필요한 시간과 노력을 줄이고, 실시간 데이터를 활용할 수 있도록 시스템을 편리하게 구성할 수 있다고 판단되며, 아래의 4가지 영역에서 활용성을 검토하였다.
본 연구에서는 자료 수집의 현황을 파악할 수 있도록 자료 수집시스템관리기능을 개발하였다. 아래 Fig.

제안 방법

Table 3은 본 연구에서 개발된 API 명세서 중 한강홍수통제소 강수량 관측정보 조회API를 예로 나타낸 것으로 한강홍수통제소 강수량 관측정보에 대한 명세로 API명, HTTP 방식, 기본 URI, 기능설명으로 구성하였다. Table 4는 한강홍수통제소 강수량 관측정보제공을 위한 API 요청메시지 명세를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 연구자가 효율적으로 도시하천관리 모형을 구동할 수 있도록 Open API 기반 도시하천관리 연계플랫폼을 개발하였다. 개발된 시스템은 다양한 기관에서 제공되는 정보를 취합하고 이를 가공하여 개별 도시하천모형의 입력 자료로 활용할 수 있도록 하였으며, 이러한 서비스를 통하여 도시하천모형의 개발자는 데이터의 취득과 검토에 필요한 시간과 노력을 줄이고, 실시간 데이터를 활용할 수 있도록 시스템을 편리하게 구성할 수 있다고 판단되며, 아래의 4가지 영역에서 활용성을 검토하였다.
본 연구는 도시하천모형의 시나리오 모의가 가능하여야 하므로 모의에 필요한 실시간 관측시설과 하천, 수리시설물 및 일반 시설물 간의 연관관계를 표현할 수 있도록 데이터베이스를 구성하였다. 데이터베이스의 설계는 공간자료인 하천정보를 기준으로 하여 각 하천의 부속 시설물에 대한 제원 정보와 실시간 자료를 연계하여 구축하였으며, 하천의 주요시설물은 수리시설물과 관측시설물을 통합하여 정의하였다. 저수지, 댐, 보 등 수리시설물은 하천에 부속되어 이수 및 치수를 목적으로 사용되는 구조물에 해당되며, 관측시설은 수위관측소, 유량관측소, 기상관측소, 저수지 수위관측소 등으로 구분하였다.
도시하천모형에 필요한 자료를 제공하기 위해서 자료의 저장 및 추출을 위한 데이터베이스 구성이 요구된다. 도시하천모형 사용자 수요조사로부터 도출한 공통 이용자료 및 고유 이용자료를 대상으로 세부자료 구조를 분석하여 데이터베이스 설계를 수행하였다.
데이터 시각화는 데이터 적합성, 오류 및 형태를 파악하는 데 도움이 된다. 도시하천모형 자료수집 관리시스템에서 수집된 자료는 시각화 분석을 수행할 수 있도록 개별 데이터에 대한 시각화 시스템을 구축하였다. 자료의 검증에 있어 시계 열 측정자료를 그래프로 표현하거나 공간자료의 경우 지도상에 표시하여 데이터의 유효성을 검증하는 것이 효과적이다.
도시하천모형에 필요한 데이터를 제공하기 위해 Fig. 3과 같이 데이터베이스 요구사항 수집 및 분석, 수집 데이터베이스 설계 및 연계, 도시하천관리 통합 데이터베이스 설계의 3가지 과정으로 분리하여 수행하였다.
자료의 검증에 있어 시계 열 측정자료를 그래프로 표현하거나 공간자료의 경우 지도상에 표시하여 데이터의 유효성을 검증하는 것이 효과적이다. 따라서 본 시스템에서는 속성자료, 시계열자료, 공간자료로 구분하여 각각을 시각화할 수 있도록 하였다.
연구자의 경우는 필요에 따라 자료를 재구성, 통계정보, 분석정보 등을 생산하는 2차 가공과정을 거친다. 따라서 시각화 시스템을 통하여 필요한 데이터를 분석하고 텍스트, 엑셀 및 공간정보 포맷으로 자료를 제공 받을 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발된 도시하천 연계플랫폼은 사용자와 시스템에게 데이터를 제공하는 플랫폼으로 기존에 사용자나 모형개발자가 각각 구축하여야 했던 자료를 수집하여 정제 및 가공하여 시각화하였으며, 이를 Open API를 활용하여 사용자와 시스템에 정보를 연계하여 제공할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 개발된 도시하천관리 연계플랫폼에서는 여러 기관의 데이터를 모아 표준화하여 제공하므로 사용자는 연계 플랫폼에 대한 접속만으로 해당 도시하천 모형에 필요한 데이터를 취득하여 자동으로 연계할 수 있는 장점이 있다.
Open API를 이용한 자료연계 방식은 대부분의 공공기관에서 데이터 제공방식으로 채택되고 있으며, 웹을 이용한 시스템의 개발 시에 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 각 기관으로부터 수집한 자료를 바탕으로 개별 자료에 대한 API 명세서를 작성하고 공통 API와 모형별 개발 API로 구분하여 제공한다. 제공 API에 대한 자세한 정의는 API 명세서를 통하여 제공되고 API 명세서는 각 API에 대한 기본정보, 요청 메시지 명세, 응답메시지 명세로 구성되어 있다.
본 연구에서는 각 시스템에 산재되어 있는 기상정보, 수문 정보, 공간정보, 하천시설 정보 등 다양한 하천정보를 도시하천관리 연계플랫폼 내 통합 데이터베이스를 적재하여 Open API를 통해 제공하고, 도시하천관련 치수, 친수, 환경 평가 모델 및 홍수평가 모델을 웹에서 운영할 수 있도록 모듈화하여 개발하였다.
FTP 수집은 클라이언트 서버 간 연결을 통하여 대용량 파일을 수집할 때 주로 사용된다. 본 연구에서는 기관별 자료 제공방식에 적합한 방법을 적용하여 각각 자료 수집 시스템을 구축하였다.
본 연구에서는 웹기반 데이터의 수집 및 제공 시스템의 설계를 위하여 데이터의 수집/제공 방법을 Fig. 1과 같이 구성하였다. 시스템은 크게 수집부, 분석부, 표출부 및 제공부로 나뉘며, 수집부는 외부의 공공 데이터 제공기관에서 Open API 및 파일로 제공되는 자료를 주기적으로 수집하여 전처리를 수행한 후 도시하천관리 통합 데이터베이스에 적재한다.
시스템은 크게 수집부, 분석부, 표출부 및 제공부로 나뉘며, 수집부는 외부의 공공 데이터 제공기관에서 Open API 및 파일로 제공되는 자료를 주기적으로 수집하여 전처리를 수행한 후 도시하천관리 통합 데이터베이스에 적재한다. 분석부는 수집된 데이터가 홍수분석, 하천평가 등 도시하천관리 모형의 입력 자료로 활용될 수 있도록 하천분석, 공간분석 등 전처리 과정을 수행한다. 표출부는 데이터의 시각적 확인을 위하여 속성, 시계열 및 공간데이터를 웹 화면상에 도시하는 역할을 수행한다.
사용자는 데이터 연계시스템을 통하여 수집된 자료를 확인하고 시각화 시스템을 통하여 자료의 유효성을 파악한 후 이를 제공받아야 한다. 사용자에게 구축된 데이터의 제공의 위하여 본 연구에서는 데이터의 수요대상을 연구자 및 시스템으로 구분하여 각각 제공방식을 설정하였다. 연구자의 경우는 필요에 따라 자료를 재구성, 통계정보, 분석정보 등을 생산하는 2차 가공과정을 거친다.
저수지, 댐, 보 등 수리시설물은 하천에 부속되어 이수 및 치수를 목적으로 사용되는 구조물에 해당되며, 관측시설은 수위관측소, 유량관측소, 기상관측소, 저수지 수위관측소 등으로 구분하였다. 수리시설과 관측시설은 외부키(foreign key)를 이용하여 연관관계(relation)를 나타내었으며 각 시설물 간의 위상관계 표현은 공간 질의와 테이블 간의 연관관계를 활용하도록 데이터베이스를 구성하였다
실시간 자료를 수집시 자료 생성기관의 상황에 따라 자료별 데이터 수집 주기를 설정하는 것이 필요하며, 1시간 주기로 자료를 생성하는 경우 자료에 따라 매시간의 30분에서 35분 사이에 자료를 수집하도록 구성하였으며, 일자료의 경우 대부분이 오전 0시를 기준으로 생성되지만 자료 제공기관의 여건에 따라 다른 편차가 발생하므로 안정적인 자료의 수집을 위하여 오전 4시에서 오전 4시 30분 사이에 자료를 수집하도록 하였다. 다만, 기상청 종관기상관측 일자료는 매일 오전 7시에 수집하도록 하였다.
제공 API에 대한 자세한 정의는 API 명세서를 통하여 제공되고 API 명세서는 각 API에 대한 기본정보, 요청 메시지 명세, 응답메시지 명세로 구성되어 있다. 여기서 응답메시지는 웹에서 데이터 교환방식으로 가장 많이 사용되고 있는 JSON 및 XML 형태를 채택하여 구축하였다.
도시하천모형에 필요한 데이터를 제공하기 위해서는 각 도시하천 모형별로 필요로 하는 데이터의 종류, 시간 및 공간적 스케일(scale) 및 제공주기 등에 대한 고려가 필요하다. 이를 위하여 각 모형의 개발자를 대상으로 모형에 필요한 데이터 수요조사를 실시하였다.

대상 데이터

수요조사의 내용은 도시하천 모형을 개발하는 담당자를 대상으로 모형에 필요한 입력 및 출력 데이터의 종류, 데이터의 구조, 데이터의 시공간적 스케일을 조사하였으며, 그 결과는 다음과 같다. Table 1의 도시하천모형에서 공통으로 이용되는 자료와 Table 2의 개별 도시하천모형에서 고유하게 이용되는 자료로 구분할 수 있으며, 자료의 제공기관은 공통 이용자료의 경우 기상청, 한강홍수통제소, KWATER, 국토교통부, 국토지리정보원 등으로 나타났으며, 도시하천모형에서 고유하게 이용하는 자료는 여러 기관에서 개별적으로 수집되는 것으로 나타났다.

이론/모형

CUAHSI HIS(Hydrologic Information System)은 미국의 대학과 정부기관이 협력하여 개발한 수자원정보화 시스템으로 수공자료 저장을 위한 자료구조 표준화를 수행하였다 (Kim and You, 2013). 이 시스템은 기존 GIS기반 유역공간자료 표준화 모델인 ArcHydro(Maidment, 2002)를 기반으로 자료의 저장 및 활용을 위한 표준화 방법으로 ODM(Observation Data Model)을 제시하였다. 이 시스템은 다양한 시계열 관측 자료를 데이터베이스에 저장하고 관리할 수 있도록 구축되었으며, 웹서버를 통하여 다양한 자료요청을 처리할 수 있도록 ‘WaterOneFlow Web Service’를 제공한다(Goodall et al.

성능/효과

2) 도시하천 모형의 경우 하천 수위, 강우, 유량 등 다양한 실시간 관측 자료를 사용하는 경우가 많으며, 이러한 자료는 연구자가 도시하천관리모형과 연동하여 사용할 경우 시스템 개발자의 도움을 받아야만 했다. 본 연구의 도시하천 관리 통합데이터 연계 플랫폼을 활용할 경우 표준적으로 제공되는 Open API방식으로 실시간 모형의 구축이 편리할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 Fig. 4와 같이 산재된 하천관련 정보를 통합 데이터베이스에서 조회하거나 Open API를 통해 이용 가능하며, 별도의 프로그램 없이 시스템 내에서 도시하천에 대한 치수, 친수, 환경에 대한 평가를 수행할 수 있도록 하였다.

후속연구

5) 본 연구를 통하여 개발된 도시하천관리 연계플랫폼은 도시하천 모형에 대한 데이터 제공 및 관리 플랫폼으로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 도시하천관리를 위한 데이터의 수집/가공/제공에 대한 시스템 구출에 대하여 기술하였으며, 향후에는 이를 활용한 도시하천모형과의 연계를 수행하고 이에 대한 평가를 수행할 예정이다.
1) 도시하천모형에 필요한 수리/수문 관련 정보는 여러 기관에서 제공되며, 이러한 자료를 취합하여 사용하기에는 시간과 노력이 많이 소요된다. 본 연구에서 개발된 도시하천 관리 데이터 연계 플랫폼은 모형에 필요한 자료를 자동 수집하고 변환하여 항목별로 제공하므로 모형 사용자 및 개발자의 데이터 수집과 변환에 필요한 과정을 줄여 모델 알고리즘 개발에 집중할 수 있도록 한다.
3) 도시하천모형에 사용되는 데이터는 사용자가 자료를 그래프나 공간도시의 형태로 확인하여야 하는 경우가 많으며, 대부분의 경우 시계열 자료는 Excel과 같은 그래프 작성 도구를 활용하거나, GIS 프로그램을 사용하여 공간정보를 확인한다. 본 연구에서 개발된 도시하천 데이터 연계 플랫폼에서는 속성, 시계열 및 공간자료에 대한 시각화를 지원하므로 사용자의 데이터에 대한 이해도를 높일 수 있도록 활용할 수 있으며, 이는 개발 모형의 입력 자료를 질적으로 향상시키고 오류를 줄이는데 할용 할 수 있을 것으로 판단된다.
기존에 개발되는 시스템은 개별적인 데이터 수집체계 및 제공체계를 가지고 있어 적용의 범위가 한정되거나 새로운 시스템의 개발을 위해서는 데이터의 수집 및 제공체계를 새로운 구축하는 단점이 있었다. 본 연구에서 개발된 도시하천 통합 데이터 플랫폼을 활용하여 다양한 데이터를 수집하는 필요한 시간과 노력을 줄여 보다 성능이 우수한 도시하천관리 모형의 개발에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
5) 본 연구를 통하여 개발된 도시하천관리 연계플랫폼은 도시하천 모형에 대한 데이터 제공 및 관리 플랫폼으로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 도시하천관리를 위한 데이터의 수집/가공/제공에 대한 시스템 구출에 대하여 기술하였으며, 향후에는 이를 활용한 도시하천모형과의 연계를 수행하고 이에 대한 평가를 수행할 예정이다.
2) 도시하천 모형의 경우 하천 수위, 강우, 유량 등 다양한 실시간 관측 자료를 사용하는 경우가 많으며, 이러한 자료는 연구자가 도시하천관리모형과 연동하여 사용할 경우 시스템 개발자의 도움을 받아야만 했다. 본 연구의 도시하천 관리 통합데이터 연계 플랫폼을 활용할 경우 표준적으로 제공되는 Open API방식으로 실시간 모형의 구축이 편리할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4차 산업혁명의 특징은?	4차 산업혁명의 대표적인 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 모바일 및 인공지능 기술은 광범위하고 정제된 데이터를 기반으로 하고 있으며, 이러한 데이터에 대한 효과적인 관리가 매우 중요하다. 도시하천관리를 위해서는 홍수분석, 하천 환경, 친수평가, 치수평가 등의 다양한 모델 분석결과를 활용하여 통합적인 평가가 수행되어야 하며, 적용되는 모델들은 다양한 형태의 입력 자료를 필요로 하지만 기관 및 개인 보유하고 있는 자료들은 상이한 제공방식과 데이터 형태를 가지고 있어 이를 개별 모델에 필요한 형태로 가공하기는 쉽지않은 것이 현실이다.
	도시하천 분석에 어려움을 국제적으로 극복한 예는?	CUAHSI HIS(Hydrologic Information System)은 미국의 대학과 정부기관이 협력하여 개발한 수자원정보화 시스템으로 수공자료 저장을 위한 자료구조 표준화를 수행하였다 (Kim and You, 2013). 이 시스템은 기존 GIS기반 유역공간자료 표준화 모델인 ArcHydro(Maidment, 2002)를 기반으로 자료의 저장 및 활용을 위한 표준화 방법으로 ODM(Observation Data Model)을 제시하였다.
	도시하천관리를 원활하게 하기위해서는 어떻게 해야하는가?	4차 산업혁명의 대표적인 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 모바일 및 인공지능 기술은 광범위하고 정제된 데이터를 기반으로 하고 있으며, 이러한 데이터에 대한 효과적인 관리가 매우 중요하다. 도시하천관리를 위해서는 홍수분석, 하천 환경, 친수평가, 치수평가 등의 다양한 모델 분석결과를 활용하여 통합적인 평가가 수행되어야 하며, 적용되는 모델들은 다양한 형태의 입력 자료를 필요로 하지만 기관 및 개인 보유하고 있는 자료들은 상이한 제공방식과 데이터 형태를 가지고 있어 이를 개별 모델에 필요한 형태로 가공하기는 쉽지않은 것이 현실이다. 이러한 데이터 유통 환경은 도시하천관리 분석에 있어 데이터 수집, 정제 및 가공에 많은 노력을 필요로 하거나 실시간 자료를 활용한 도시하천 분석에 어려움으로 작용하고 있다.

참고문헌 (10)

Choi, S.S., Kim, D.S., and You, H.j. (2018). "Development of relational river data model based on river network for multidimensional river information system." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 51, No. 4, pp. 335-346.

원문보기 상세보기
Fielding, Roy T., (2000). Architectural styles and the design of network-based software architectures. Ph. D. dissertation, University of California, Irvine.
Goodall, J., HorsBurgh, J., Whiteaker, T., Maidment, and M., Zaslavsky, I. (2008). "A first approach to web services for the National Water Information System." Environmental Modelling & Software, Vol. 23, pp. 404-411.

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Kim, T., Lee, J.J., Nam, W.H., and Suh, K. (2014). "Development of REST-ful Web Service for loading data focusing on daily meteorological data," Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 56, No. 6, pp. 93-102.

원문보기 상세보기
Kim, D.S., and You, H.J. (2013). "Development of HydroConnector tool for dynamically incorporating hydrodata with numerical modeling based on CUAHSI HIS web service." Korean society of civil engineers magazine, Vol. 61, No. 1, pp. 34-43.
Maidment, D. (2002). Arc Hydro-GIS for Water Resources, ESRI Press, Redland, CA, USA.
National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA) (2019). Big Data Project, accessed 20 November 2019,
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United States Geological Survey(USGS) (2019). National Water Information System, accessed 20 November 2019,
US Army Corps of Engineers(USACE) (2002). Water Management System(CWMS)-Capabilities and Implementation Status, TP-161.

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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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