2013년 6월전자공학회논문지제 50 권제 6 호 Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, O. 6, June 2013 http://dx.doi.org/10.5573/ieek.2013.50.6.294 논문 2012-50-6-34 지하철역사공기질모니터링시스템의구현 ( Implementation of Indoor Air Quality Monitoring System for Subway Stations ) 김규식 * * (Gyu-Sik Kim c ) 요 약 지하철역사의미세먼지농도는지하철승객의건강을위해서항상모니터링되고관리되어야한다. 서울메트로와서울도시철도공사는몇몇공기오염물질을주기적으로측정하고있다. 본논문에서는지하철역사의 PM10 농도를연속해서측정하기위해, 선형회귀분석법을이용하여저가의광산란식미세먼지측정기의성능을향상시키고자하였다. 이와더불어, 지하철역사의대합실, 승강장, 터널, 외기의 PM10, CO2. 습도, 온도등을측정하고기록하기위해 CDMA M2M 기법을적용한무선통신모니터링시스템을구축하였다. Abstract 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 PM10 concentrations continuously in the subway stations. In addition, a monitoring system is implemented to display and record the data of PM10, CO2, humidity, and temperature. To transmit and receive these measured sensor data, CDMA M2M wireless communication method is applied. Keywords : PM 10, linear regression analysis, subway station, CO 2, CDMA. Ⅰ. 서론 최근경제적수준과과학의발달에따라복잡하고다양한생활용품, 건축내장재등으로부터다양한오염물질이방출되는등실내공간에서생활하는거주자들로부터빌딩증후군증상을호소하는사례가증가하고있다. 또한, 많은사람들이지하공간에서생활을하는시간이늘어남에따라지하공간및다중이용시설에서의공기 * 정회원, 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, University of Seoul) 본논문은 2012년도서울시립대학교교내자유공모과제지원에의하여연구되었음 c Corresponding Author(E-mail: gskim318@uos.ac.kr) 접수일자 2013년2월13일, 수정완료일 2013년5월14일 질에대한관심또한높아지고있고, 이들공간에서의공기질관리에대한다양한연구가진행되고있다 [1 6]. 정부는 2003년 5월실내공기질의합리적관리를위하여기존의지하생활공간공기질관리법을다중시설등의실내공기질관리법으로개정하여 2004년 5월 30일부터시행하고있다. 이법의적용대상이되는다중이용시설들은종전지하역사, 지하도상가의 2개시설군에서도서관, 의료기관, 찜질방, 대규모점포등 15개시설군을추가하여 17개시설군으로확대하였다. 다중이용시설의실내공기질오염물질중미세먼지 (PM 10 ), 이산화탄소 (CO 2), 포름알데히드 (HCHO), 총부유세균, 일산화탄소 (CO) 등 5개물질에대하여유지기준을표 1에제시한바와같이설정하고있다 ( 법제5조 ). 실내공기질관리법에의하면다중이용시설물중지하역사, 지하도상가, (1610)
2013 년 6 월전자공학회논문지제 50 권제 6 호 295 Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, O. 6, June 2013 표 1. 다중이용시설실내공기질유지기준 ( 법제5조 ) Table 1. Spec. of indoor air quality for public utilizing facilities. 다중이용시설 오염물질항목 PM 10 ( g/ m 3 ) 지하역사, 지하도상가, 여객자동차터미널의대합실, 철도역사의대합실, 공항시설중여 150 객터미널, 항만시설중이하대합실, 도서관, 박물관, 미술관, 장례식장, 찜질방, 대규모점포 의료기관, 보육시설, 노 100 인의료시설, 산후조리이하원 실내주차장 200 이하 총부유 CO 2 CO HCHO 세균 (pp (pp ( g/m 3 ) (CFU/ m) m) m 3 ) 1,00 0 이하 120 이하 - 10 이하 800 이하 - 25 이하 지하상점및여객터미널등의시설물에서 PM10 ( 직경 10 이하인미세먼지농도 ) 은 150 이하를유지하도록되어있다. 한편, 지하철공기질중에서는미세먼지농도가가장중요한것으로알려져있다. 이러한미세먼지 (PM10) 의측정방법으로는중량법, 베타선흡수법, 그리고광산란법이있다. 중량법은질량측정방법이라고도한다. 대기중에부유하는에어로졸중미세먼지를분리포집하여걸러진여과지의중량을측정하여입자의농도 [ ] 를측정하는방법이다. 그리고베타선흡수법은 β 선을조사 ( 照射 ) 하는광원이필터위에채취된먼지를통과할때흡수또는소멸되는 β 선의차이로먼지농도를측정하는방법이다. 단일입자측정법으로는입자가산란시키는빛의양을근거로입자의광학적인크기및개수를실시간으로측정하는광산란식측정법이있다. 그중에서실시간모니터링을위해서는광산란식미세먼지측정기가가장적합한데측정방식자체의문제점때문에측정오차가발생하는데본논문에서는이를줄이는방안을연구한다. 또한, 이들측정된센서데이터를전송하고받기위해 CDMA M2M 기법을이용한무선통신방식을적용하였고, 3호선대청역의대합실, 승강장, 터널, 그리고외기의미세먼지농도, CO 2 농도, 온습도를 3일간측정하고모니터링하였으며, 이들데이터의상관관계를파악하였다. II. 본론 2.1 회귀분석에의한미세먼지측정기의정밀도향상지하역사와같은공간에서실내공기질을유지하기위해서는오염물질에대한실시간모니터링과데이터의신뢰성이대단히중요하다. 일반적으로, 미세먼지의농도측정에있어서중량법이가장신뢰할수있지만이방법은일정시간이상의시료를채취해야만농도값을구할수있고매번여과지를교체해야하기때문에실시간모니터링을하기에는문제가크다. 한편, 광산란법으로는 6백만원정도하는 HCT 의측정장비가정밀한데반해, HCT 의 1/10 가격인 60만원정도하는 Airtest 는오차가상대적으로큰단점이있다. 이처럼가격이저렴하지만오차가큰 Airtest 측정장치를선형회귀분석기법을이용하여보정함으로써오차를줄이고자한다. 회귀분석이란변수들의상호관련성을규명하기위하여어떤수학적모형을가정하고이모형을측정된변수들의데이터로부터추정하는분석방법을말한다 [11]. 일반적으로선형회귀선은식 (1) 과같은직선의형태로나타낼수있다. y mx b (1) m 은회귀선의기울기를나타내고 b는회귀선의 y의절편을나타낸다. 선형회귀법은데이터에대해서최소제곱오차를사용하여구할수있다. 식 (1) 의미지의변수 m 과 b 를구하기위해서오차 e 는다음식 (2) 와같이나타낼수있다. e i y i mx i b (2) 여기서, e는오차또는잔차 (residual) 를나타낸다. 최소오차제곱은오차의제곱합을최소화하기때문에, 그계수들은각각의매개변수에대해서오차 를편미분을취함에의해서얻어질수있다. e m x i y i mx i b (3) e b y i mx i b (1611)
296 지하철역사공기질모니터링시스템의구현김규식 식 (3) 을정리하면식 (4) 와같이나타낼수있다. m x i b x i x i y i (4) m x i b y i 식 (4) 를연립해서풀이하면식 (5) 를얻는다. x i y i x i y i m (5) x i x i b y i m x i (Airtest Large x축 : number, HCT PM 10 y축 : g/m3) 그림 2. 선형회귀분석결과 Fig. 2. Results of linear regression analysis. 이와같은선형회귀분석을이용하여 Airtest 미세먼지측정기의보정을시도한다. 2012년 4월 8일 24시간동안학여울역대합실에 HCT와 Airtest 를설치하여데이터를취득한결과가그림 1에있다. 그림 2와같은선형회귀분석방법을거쳐그림 3과같이 Airtest Large (PM5 이상의미세먼지 ) 데이터의교정결과를얻었다. 이때, 보정모델 y = 0.0014*x - 10.8731 의적합도 = 0.7132 의높은상관도를가짐을확인할수있었다. 그림 3에서볼수있듯이가격이상대적으로저렴한 Airtest 광산란식미세먼지측정기로도교정을통해오차를보정함으로써충분 (x축 : minute, y축 : g/m3) 그림 3. 선형회귀분석에의한 Airtest Large 데이터의보 정 Fig. 3. Data correction of Airtest Large using linear regression analysis. 히실시간모니터링용으로이용이가능함을알수있다. 또한, 그림 1-3까지의 24시간보정데이터를이용하여오차보정한뒤 1년여의필드테스트를수행한결과, 측정기의장소가바뀌지만않는다면한번보정한결과를유용하게이용할수있음을확인하였다. (Airtest Large 왼편 y축 : number, HCT PM 10 오른편 y축 : g/m3) 그림 1. Airtest Large( 위 ) 와 HCT PM 10( 아래 ) 의데이터비 교 Fig. 1. Data comparison of Airtest Large(upper) and HCT PM 10(lower). 2.2 CDMA 무선통신을이용한지하철공기질모니터링지하철을이용하는시민고객및근무자들에게편안하고안전한교통수단과근무환경을제공하기위해서는지하철대기환경의미세먼지, CO 2, 온도, 습도등의 (1612)
2013 년 6 월전자공학회논문지제 50 권제 6 호 297 Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, O. 6, June 2013 실시간공기질정보를정확하게측정하고안정적인네트워크성능을가지는무선통신방식을이용하여측정데이터를전송하는통합공기질모니터링시스템을구축할필요가있다 [12]. 유선으로전송할경우는복잡한구조를갖고있는지하철역사를고려할때승강장이나대합실에지저분한통신선의설치가불가피하고미관상이나관리에상당한불편을초래할것으로판단된다. 본연구에서는그림 4와같이안정적인네트워크성능을가지는 CDMA 무선통신방식을이용한 M2M (Machine to Machine) 통신을사용하여측정데이터를전송하는통합공기질모니터링시스템을구축하였다. M2M 솔루션통신모듈 (MDT-800) 은퀄컴의 MSM6025 칩을채용하여설계된 800[MHz] 대역의 CDMA2000 1X 용모듈인 BCM-865를적용하여구현된외장형모뎀이다. 이장비는최근증가하고있는 M2M 기능의요구를수용하기위하여개발되었으며, 임의의시스템에부가적시스템으로장착하여해당시스템을 CDMA 무선망에접속하여음성및데이터통신기능을갖도록하는무선단말장치이다. 이모뎀은 153.6[kbps] 의패킷데이터 (packet data) 의전송속도를지원하며, 소형, 경량제품으로서원격감시, 제어, 검침, 텔레매틱스, 보안기기등의다양한 M2M 응용분야에사용할수있다. 또한, RS-232 통신을통해서제어하며다양한응용분야에쉽게적용할수있도록다양한 AT 명령어들을제공한다. 구현된통합공기질모니터링시스템의성능을평가하기위해지하철역사에시범설치하여운용하였다. 대합실, 승강장및터널, 외기등에설치될통합공기질측정장비는주기적으로온습도, CO 2, 미세먼지를측정한공기질데이터를 CDMA 통신모듈을통해 BTS(Base Station Transceiver Subsystem) 에전달하고, 이데이터는통신회사의수신서버로전달된다. 통 그림 5. M2M CDMA 무선통신을이용한모니터링시스 템 Fig. 5. Monitoring system using M2M CDMA wireless communication. 신회사에서는수신된데이터를 M2M 플랫폼을사용하여데이터수신서버와 TCP 소켓 (Socket) 통신을하여데이터를송신한다. 그림 5는공기질측정장비에서측정한데이터가최종적으로수신서버까지전송되는과정을보여준다. 지하역사승강장보다터널에서의통신환경은더열악한것으로알려져있다. 그림 6과같은 CO 2, 온습도센서와 PM 10, PM 2.5 미세먼지센서, MCU 보드, M2M 단말기로구성된 M2M 솔루션통신모듈을이용한공기질모니터링시스템을구축하고, 통합공기질측정장비의성능을확인한결과, 통신성공율이 99.86% 라는긍정적인결과를얻을수있었다. 결론적으로, M2M 통신을활용한통합공기질측정장비를바탕으로공기질관리시스템을구축하면, 기존유무선시스템을대체할충분한신뢰성을보일것으로기대된다. 다만, M2M CDMA 무선통신을이용할경우는기존무선통신사업자의중계기를이용하여데이터를수신받아야하기때문에월사용료를지불해야하는단점이있다. 그러나, 데이터전송에소요되는통신료가그리비싸지않고지 그림 4. M2M CDMA 무선통신 Fig. 4. M2M CDMA wireless communication. 그림 6. 터널에설치된공기질측정장치 Fig. 6. Air quality measurement apparatus set up in tunnel. (1613)
298 지하철역사공기질모니터링시스템의구현김규식 그비나 RF 무선통신을위해서는짧은구간에중계기를설치해야하는데설치비나장치의가격이비싸경제적으로는 M2M CDMA 가훨씬유리하다. 2.3 서울지하철대기환경현황분석지하철대기환경중에서가장중요한미세먼지 PM 10, CO 2, 온도, 습도에대해서울지하철 3호선대청역의대 합실에서 2012년 8월 15일부터 17일까지 30초간격으로 3일간측정한데이터가그림 7에있다. CO 2 농도측정기는 DIR 방식휴대용측정기로 0 10,000ppm 까지측정가능하며 15ppm의오차를허용한다. 온습도센서는 SESIRIO사의 SHT11 라는온 습도를동시에측정할수있는센서를이용하였다. 그림 7 (a) 의대청역대합실미세먼지 PM10의 3일간 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : g/m3) (a) 미세먼지 PM 10 데이터 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : g/m3) (a) 미세먼지 PM 10 데이터 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : ppm) (b) CO 2 농도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : ppm) (b) CO 2 농도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : oc) (c) 온도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : oc) (c) 온도 (x축 : number - 30초간격, y축 : 상대습도 %) (d) 상대습도 그림 7. 대청역대합실의미세먼지농도, CO 2 농도, 온 도, 상대습도 Fig. 7. Particle matter concentration, CO 2 concentration, temperature, humidity of Daechung station waiting room. (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : 상대습도 %) (d) 상대습도 그림 8. 대청역승강장의미세먼지농도, CO 2 농도, 온 도, 상대습도 Fig. 8. Particle matter concentration, CO 2 concentration, temperature, humidity of Daechung station platform. (1614)
2013 년 6 월전자공학회논문지제 50 권제 6 호 299 Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, O. 6, June 2013 데이터를보면 120 g/m3 이하로항상표 1의다중이용시설실내공기질유지기준 150 g/m3을만족하고있음을알수있다. 그림 7 (b) 의 CO 2 농도는 400 600ppm 정도를나타내며, 그림 7 (c) 의대청역대합실의온도는대략 29 32oC 를유지하고있다. 그림 7 (d) 의대청역대합실의상대습도는대략 50 70% 정도를나타냄을확인할수있었다. 한편, 그림 7과동일한시간대에대청역의승강장에서측정한데이터가그림 8에있다. 그림 8 (a) 의대청역승강장미세먼지 PM10의 3일간데이터를보면 90 g/m3 이하로항상표 1의다중이용시설실내공기질유지기준 150 g/m3을만족하고있음을알수있다. 그림 8 (b) 의승강장 CO2 농도는 500 700ppm 정도를나타내며대략대합실에비해 100ppm 정도높은데, (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : g/m3) (a) 미세먼지 PM 10 데이터 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : g/m3) (a) 미세먼지 PM 10 데이터 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : ppm) (b) CO 2 농도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : ppm) (b) CO 2 농도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : oc) (c) 온도 (x 축 : number - 30 초간격, y 축 : oc) (c) 온도 (x축 : number - 30초간격, y축 : 상대습도 %) (d) 상대습도 그림 9. 대청역과학여울역사이의터널안미세먼지농 도, CO 2 농도, 온도, 상대습도 Fig. 9. Particle matter concentration, CO 2 concentration, temperature, humidity of Daechung - Hakyeowool station tunnel. (x축 : number - 30초간격, y축 : 상대습도 %) (d) 상대습도그림 10. 대청역외기미세먼지농도, CO 2 농도, 온도, 상대습도 Fig. 10. Particle matter concentration, CO 2 concentration, temperature, humidity of Daechung station out door air. (1615)
300 지하철역사공기질모니터링시스템의구현김규식 이는많은승객이승강장에모여있기때문으로판단되고표 1의실내공기질유지기준인 1000ppm을넘지않는것으로확인되었다. 그림 8 (c) 의대청역승강장온도는대략 31 33oC 를유지하고있고그림 8 (d) 의대청역승강장상대습도는대략 50 60% 정도를나타냄을확인할수있었다. 그림 7과동일한시간대에대청역과학여울역사이의중간부분에위치한터널에서측정한데이터가그림 9에있다. 그림 9 (a) 의터널미세먼지 PM10의 3일간데이터를보면대략 100 400 g/m3로표 1의다중이용시설실내공기질유지기준 150 g/m3을넘어선다. 이는대합실이나승강장과는달리터널은스크린도어설치이후터널안에서발생된미세먼지가밖으로빠져나가지못하고계속쌓여있기때문으로판단된다. 이들미세먼지가전동차안으로유입되어승객이나승무원의건강에위해요인이될수있다. 그림 9 (b) 의터널 CO 2 농도는 400 600ppm 정도를나타내며대략대합실과비슷하다. 그림 9 (c) 의터널온도는대략 27 30oC 를유지하고있고그림 9 (d) 의터널상대습도는대략 70 80% 정도를나타낸다. 마지막으로, 그림 7과동일한시간대에지하대청역의위쪽에도로변외기에서측정한데이터가그림 10에있다. 그림 10 (a) 의외기미세먼지 PM10의 3일간데이터를보면대략 10 120 g/m3 로대청역주변도로의미세먼지농도는대체적으로양호한편이다. 이는측정한시기가여름철우기라자주비가내려대기중의미세먼지농도가낮았고특히대청역주변은차량통행이그리많지않아대기환경이나쁘지않다고판단된다. 그림 10 (b) 의외기 CO 2 농도는 400 500ppm 정도를나타낸다. 그림 10 (c) 의외기온도는대략 25 35oC 를유지하고있고그림 10 (d) 의외기상대습도는대략 50 90% 정도를나타낸다. 흥미로운사실은외기의온도가올라가면상대습도는떨어지는현상을그림 10 (c) 와 (d) 에서확인할수있었다. Ⅲ. 결론지하철역사공기질개선을위한다양한연구들의수행되고있고, 대기환경분야에서다양한센서들이개발되어오염된지하공간에서의공기질을모니터링하고이를이용하여개선하려는노력들이점차현실화되어가고있다. 본논문에서는저가의광산란식미세먼지측정기기의정밀도향상을위해선형회귀분석을실시하고 추정된회귀모형을통해서미세먼지센서의정밀도를향상하였으며, 이와더불어지하철대합실, 승강장, 터널, 외기의미세먼지농도, CO ₂ 농도, 온습도를측정하여 US 환경센서모니터링시스템을지하철역사에구축하였다. 이들측정된센서데이터를전송하고받기위해 CDMA M2M 무선통신기법등을적용하였으며, 지하철터널구간에서도큰어려움없이무선통신이됨을확인할수있었다. REFERECES [1] 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 [2] Chillrud, S..D. Epstein, et al., Elevated air-borne exposures of teenagers to manganese, chromium, and iron from steel dust in ew York City's subway system, Environmental Science and Technology, vol.38, no.3, pp.732-737, 2004 [3] 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 [4] 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 [5] 박용만, 김희식, 김규식, 이문규, 지하철역내 가 스검출원격모니터링시스템구현 2007 정보 및제어심포지움 ICS'2007, pp.439-441, 2007. 4 [6] 김서진, 강호성, 손윤석, 윤상렬, 김조천, 김규식, 김인원, 지하역사내미세먼지실시간모니터링을 위한광산란법보정, 한국대기환경학회지, 제26권, 제5호, pp.533-542, 1010 [7] 권종원, 박용만, Odgerel Ayurzana, 김희식, ZigBee 무선표준을이용한상수도원격검침네트 워크 구현, 정보 및 제어 심포지움 ICS'06, pp.168-170, 2006. 4 [8] 권종원, 오드게렐, 박용만, 구상준, 김희식, ZigBee 를이용한실시간임베디드리눅스기반의저전력 형 U-Health 시스템구현, 2007 정보및제어심 포지움 ICS'2007, pp.436-438, 2007. 4 [9] 오준태, 박재우, 전진용, 김규식, 박기호, 디지털 저항을이용한용접기용무선리모콘, 정보및제 어심포지움 ICS'08, pp.225-227, 2008. 4 (1616)
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