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문제 정의
- 본 연구에서는 도시철도터널에서 미세먼지의 특성을 파악하고, 무선센서네트워크 기능을 갖춘 미세먼지 측정 장치를 개발하였으며, 장치의 평가를 위해 지하역사에 개발 제품과 상용 측정기기를 동일한 장소에서 평가한 후 통계분석을 통해 보정하였다.
제안 방법
- 광학 측정 챔버는 광 발생부 및 광 제거부, 산란광 측정부, 광학 본체, 유입노즐, 유출 노즐로 구성된다. PMX는 적외선 영역의 파장을 발생시키는 레이저 다이오드를 이용하여 광을 발생시켰으며, 발생된 광의 집적 효율을 높이기 위하여 렌즈 부의 조절이 가능하도록 만들었다. 또한 입자의 측정효율을 높이기 위하여 직사각형 초점을 갖는 렌즈를 이용하였다.
- 본 연구를 통해 개발한 미세먼지 측정 장치인 PMX (Particulate Matter X)는 Zigbee 프로토콜을 사용했으며, RF (radio frequency) 증폭기를 탑재하여 장애물이 없는 공간에서는 1 km 까지도 무선으로 데이터의 전송이 가능하다. PMX의 유입구에 임팩터를 이용하여 10 ㎛ 이상의 미세먼지가 분리 및 제거되도록 하였다. PMX의 미세먼지 측정농도는 0～10,000 ㎍/㎥ (입자밀도 = 1.
- PMX와 측정값의 비교를 위해서 광산란 방식의 미세먼지 측정 장치인 dust spectrometer를 사용하였다. 두 장비 모두 측정간격은 1 분으로 24시간 동안 연속 측정하였다. Dust spectrometer의 factor C의 값은 1로 설정하였다.
- 97의 결정 계수를 보였으며, PMX의 자료의 경우 추세선 부근에 대부분의 자료가 밀집하는 경향을 보였다. 따라서 PMX를 실제 현장에 적용하기 위해서는 PMX 데이터에 대한 보정이 필요하여 통계적 처리를 하였다.
- 본 연구를 통해 개발한 미세먼지 측정 장치인 PMX (Particulate Matter X)는 Zigbee 프로토콜을 사용했으며, RF (radio frequency) 증폭기를 탑재하여 장애물이 없는 공간에서는 1 km 까지도 무선으로 데이터의 전송이 가능하다. PMX의 유입구에 임팩터를 이용하여 10 ㎛ 이상의 미세먼지가 분리 및 제거되도록 하였다.
- 본 연구에서는 PMX의 보정을 위하여 각 채널의 분리 입경을 정하고, 그 입경에서 측정효율이 절대값 대비 50 %가 되도록 각각의 채널을 보정하였다. 측정 장치의 테스트 입자로 0.
- 본 연구에서는 보정되기 전의 미세먼지의 농도를 x′i, 보정된 후의 미세먼지 농도를 yi로 설정했다.
- 유입된 입자에 의해 산란된 광은 광 다이오드를 이용하여 측정되는데, 적외선 영역에서 최적의 효율을 나타내는 광 다이오드를 적용하여 입자의 측정 효율을 높였다. 센서 보드는 광다이오드에서 측정된 광량을 전기적인 신호로 변환시키고, 그 전기적인 신호를 증폭시켜 입자의 크기를 분리할 수 있도록 하였다. PMX는 사전 실험 결과 0.
- 본 연구를 통해 무선센서네트워크 기능, CO2, 및 온.습도 측정 기능을 갖춘 PMX를 개발했으며, PMX의 신뢰성을 검증하기 위해서 PMX를 이미 수많은 연구자들에 의해 데이터의 신뢰성이 확보된 Dust spectrometer와 동일한 장소와 조건으로 서울메트로 4호선 길음역 터널에 설치하여 비교 실험을 수행하였다.
- 0 ㎛ 이상의 입자는 PSL과 micro-pearl 입자를 발생시켜 실험을 하였다. 실험 순서는 먼저 테스트 입자를 초순수와 함께 섞어 atomizer를 이용해 분사한 뒤, diffusion dryer를 이용해 제습을 하고, 제습된 0.5 ㎛ 이하의 입자는 DMA를 통해 입자의 크기를 분리한 뒤 dilution chamber에 주입하였다. 이 dilution chamber에 보정하고자 하는 PM10 센서와 비교장비의 유입부를 연결하여 입자 농도를 측정하고, PM10 센서의 측정값을 비교장비의 측정값과 일치하도록 센서의 측정 감도를 조절하였다.
- 또한 입자의 측정효율을 높이기 위하여 직사각형 초점을 갖는 렌즈를 이용하였다. 유입된 입자에 의해 산란된 광은 광 다이오드를 이용하여 측정되는데, 적외선 영역에서 최적의 효율을 나타내는 광 다이오드를 적용하여 입자의 측정 효율을 높였다. 센서 보드는 광다이오드에서 측정된 광량을 전기적인 신호로 변환시키고, 그 전기적인 신호를 증폭시켜 입자의 크기를 분리할 수 있도록 하였다.
- 5 ㎛ 이하의 입자는 DMA를 통해 입자의 크기를 분리한 뒤 dilution chamber에 주입하였다. 이 dilution chamber에 보정하고자 하는 PM10 센서와 비교장비의 유입부를 연결하여 입자 농도를 측정하고, PM10 센서의 측정값을 비교장비의 측정값과 일치하도록 센서의 측정 감도를 조절하였다. 그림 2는 지하철 대합실에서 PMX와 중량법 측정기기인 베타레이 (FH62C-14, Anderson)의 측정값간의 1시간 회귀분석 결과를 나타낸 것이다.
- Dust spectrometer와 PMX를 이용해서 구한 미세먼지 측정값에는 차이가 존재한다. 이 차이를 최소화하기 위해서 PMX의 측정값을 통계처리한 후 측정값을 보정하였다. 측정값의 보정에는 회귀분석법 (regression analysis method) 중 단순선형회귀분석 (simple linear regression analysis)과 비선형회귀분석 (nonlinear regression analysis)을 사용하였다.
- Dust spectrometer의 factor C의 값은 1로 설정하였다. 장비간의 정확한 비교를 위하여 설치전의 Dust spectrometer의 정도관리를 실시하였고 측정기간 중에 필터를 교체하지 않았다. 본 연구에서는 PM10과 PM2.
- 본 연구에서는 PMX의 보정을 위하여 각 채널의 분리 입경을 정하고, 그 입경에서 측정효율이 절대값 대비 50 %가 되도록 각각의 채널을 보정하였다. 측정 장치의 테스트 입자로 0.3 ㎛와 0.5 ㎛ 크기의 입자는 NaCl과 PSL (polystylen latex) 입자를 이용해서, 1.0 ㎛ 이상의 입자는 PSL과 micro-pearl 입자를 발생시켜 실험을 하였다. 실험 순서는 먼저 테스트 입자를 초순수와 함께 섞어 atomizer를 이용해 분사한 뒤, diffusion dryer를 이용해 제습을 하고, 제습된 0.
대상 데이터
- 이 역은 평일 5시 43분에 사당행 첫차가 운행하여 24시 44분에 당고개행 차량을 마지막으로 운행이 중단된다. PMX와 측정값의 비교를 위해서 광산란 방식의 미세먼지 측정 장치인 dust spectrometer를 사용하였다. 두 장비 모두 측정간격은 1 분으로 24시간 동안 연속 측정하였다.
- PMX는 적외선 영역의 파장을 발생시키는 레이저 다이오드를 이용하여 광을 발생시켰으며, 발생된 광의 집적 효율을 높이기 위하여 렌즈 부의 조절이 가능하도록 만들었다. 또한 입자의 측정효율을 높이기 위하여 직사각형 초점을 갖는 렌즈를 이용하였다. 유입된 입자에 의해 산란된 광은 광 다이오드를 이용하여 측정되는데, 적외선 영역에서 최적의 효율을 나타내는 광 다이오드를 적용하여 입자의 측정 효율을 높였다.
- 장비간의 정확한 비교를 위하여 설치전의 Dust spectrometer의 정도관리를 실시하였고 측정기간 중에 필터를 교체하지 않았다. 본 연구에서는 PM10과 PM2.5만을 대상으로 연구를 진행하였고 관련법 상의 규제 대상이 아닌 PM1.0 데이터는 연구에서 제외하였다. 장비를 설치한 연구지점과 장비의 모습을 그림 1에 나타내었다.
- 서울메트로 구간인 4호선 길음역에서 미아삼거리역 방면으로 200 m 가량 진입한 터널 내부에 데이터 수집용 노트북에서 50 m 가량 떨어진 위치에 PMX를 설치하고, 2010년 3월 24일부터 4월 9일까지 샘플링을 하였다. 길음역은 다른 역사와는 달리 1개의 승강장에 상하행 객차의 승하차가 이루어지는 구조이다.
- 지하철 현장실험에서는 장비의 샘플링 시간을 1분 간격으로 조절하여 24시간 동안 총 1,440개의 데이터를 샘플링 하였다. 광산란방식 고유의 단점으로 인한 오차를 최소화하기 위하여 관찰된 1분 Data를 10분 평균값의 통계치를 대체하여 표 1에 나타내었다.
데이터처리
- 단순선형회귀분석을 통해 PMX 측정값을 보정했으나 결정계수가 PM10의 경우 0.72, PM2.5의 경우 0.97로서 다소 낮아서 PMX 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서 비선형회귀분석을 실시하여 식 3)과 식 4)의 모형을 구했다
- 통계처리기법 중 단순선형회귀분석과 비선형회귀 분석을 선택하여 연구를 진행하였다. 그 결과 비선형회귀분석의 결정계수가 PM10 0.
이론/모형
- 이 차이를 최소화하기 위해서 PMX의 측정값을 통계처리한 후 측정값을 보정하였다. 측정값의 보정에는 회귀분석법 (regression analysis method) 중 단순선형회귀분석 (simple linear regression analysis)과 비선형회귀분석 (nonlinear regression analysis)을 사용하였다.
성능/효과
- 센서 보드는 광다이오드에서 측정된 광량을 전기적인 신호로 변환시키고, 그 전기적인 신호를 증폭시켜 입자의 크기를 분리할 수 있도록 하였다. PMX는 사전 실험 결과 0.3 ㎛ 입경에서 50 %, 0.5 ㎛ 이상의 입경에서 90 %이상의 입자 검출효율을 나타냈다.
- 통계처리기법 중 단순선형회귀분석과 비선형회귀 분석을 선택하여 연구를 진행하였다. 그 결과 비선형회귀분석의 결정계수가 PM10 0.81, PM2.5는 0.98 그리고 단순선형회귀분석의 결정계수가 PM10 0.72, PM2.5 0.97로서 비선형회귀분석 방법이 조금 더 높은 결정계수를 나타내는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 장비의 보정에는 비선형회귀분석이 더 적합한 것으로 판단된다.
- 실험결과 두 측정기기에서 수집된 자료에는 다소의 차이가 있었지만 유사한 시계열 경향을 나타냈다. 두 그룹의 자료에 대해 단순상관성 분석을 수행한 결과, PM10은 0.72, PM2.5는 0.97의 결정 계수를 보였으며, PMX의 자료의 경우 추세선 부근에 대부분의 자료가 밀집하는 경향을 보였다. 따라서 PMX를 실제 현장에 적용하기 위해서는 PMX 데이터에 대한 보정이 필요하여 통계적 처리를 하였다.
- 97로서 비선형회귀분석 방법이 조금 더 높은 결정계수를 나타내는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 장비의 보정에는 비선형회귀분석이 더 적합한 것으로 판단된다.
- 비선형회귀분석을 이용한 상관성분석 결과 결정계수가 PM10은 0.81, PM2.5는 0.98을 나타냈다. 통계분석 방법에 따른 결정계수를 비교한 결과 PM10의 결정계수는 비선형회귀분석이 선형회귀분석에 비해 높은 결정계수를 나타냈으며, PM2.
- 6 ㎍/㎥으로 나타났다. 선형회귀분석 결과와 비교해보면 비선형회귀분석을 통해 구한 PMX의 PM 평균값이 Dust spectrometer의 40.7 ㎍/㎥, 16.6 ㎍/㎥와 좀 더 일치하지만 표준편차는 선형회귀분석에 의한 값이 Dust spectrometer 측정값과 더 유사한 것으로 나타났다.
- 98을 나타냈다. 통계분석 방법에 따른 결정계수를 비교한 결과 PM10의 결정계수는 비선형회귀분석이 선형회귀분석에 비해 높은 결정계수를 나타냈으며, PM2.5의 경우는 두 방법 간의 큰 차이가 없었다. 이와 같은 결과는 Kim et al.
- 광산란방식 고유의 단점으로 인한 오차를 최소화하기 위하여 관찰된 1분 Data를 10분 평균값의 통계치를 대체하여 표 1에 나타내었다. 표에서 PMX와 Dust spectrometer로 구한 측정농도 사이에는 PM10의 경우는 평균 58 ㎍/㎥ PM2.5의 경우는 평균 70 ㎍/㎥의 농도차이를 나타내었다.
후속연구
- 지하철 운영처에서 사용하는 가장 일반적인 환기를 이용한 미세먼지 저감법의 경우 환기시스템의 가동이 지하철 운영비에 큰 부담을 주고 있다. 여러 가지 이유로 미세먼지 농도와 연동되는 공조시스템은 보편화되지 않고 있으므로 정확도를 갖춘 저가의 미세먼지 측정 장치를 개발할 경우 활용가치가 높을 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 무선센서네트워크 기능, CO2, 및 온.
- 가장 일반적인 미세먼지 저감방법은 환기를 통한 내부 공기의 교환이며, 이를 위해 대용량의 환기팬을 연속 운전하고 있다. 지하철에서 정확도를 갖춘 저가의 미세먼지 측정 장치를 개발하여 공조시스템과 연동할 경우 불필요한 팬의 운전으로 필요한 장소와 시간에 실내보다 깨끗한 외부 공기질 유도하여 지하철 운영비를 절감하고, 실내 대기오염물질로 인하여 발생되는 지하철 관련 근로자 및 이용객의 인체 위해성을 저감하는 등 더 활용가치가 높다고 사료된다.
- 또한 원하는 지점의 공기질 현황을 실시간으로 분석하여 일정 프로그램을 사용하여 환기설비와 연동할 경우 지하철 환기설비의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전력사용량도 줄일 수 있다. 하지만 현재 개발된 장비는 본 연구에서와 같이 현장 적용을 위해서는 통계적 처리를 거쳐야 하는 수준이므로 추후 더욱 높은 신뢰성 및 내구성을 갖는 공기질 측정 센서에 대한 추가 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
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