R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C152077-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 오염 배출원 주변 미세먼지 3차원 공간분포 및 질량농도(μgm-3) 관측용 원격 계측장비 개발 ？ 사업장, 건설현장 등 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-19 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 윤문상 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
17명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 316,000,000 원 기업 : 105,333,340 원 계 : 421,333,340 원 |
총연구비 | 정부 : 600,000,000 원 기업 : 200,000,010 원 계 : 800,000,010 원 |
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| 연구기관명 | (주)솔탑 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 재난재해에 준(準)하는 최악의 미세먼지로 인한 대기질 악화로 몸살 앓는 한반도 - 다양한 원인에 의해 발생하는 미세먼지는 직경의 크기에 따라서 미세먼지와 극미세먼지로 구분되며, 주로 세기관지에 염증반응을 일으켜 천식, 만성기관지염, 기도폐쇄 또는 악화 등 다양한 호흡기 질병 원인이 됨 - 2013년 세계보건기구 산하의 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질(Group 1)로 지정 - 특히 국내의 경우 미세먼지(PM10) 오염도는 2006년 이후 개선 정체 경향을 보이며, 최근 봄·겨울철의 PM2.5 평균농도가 지속적으로 상승 및 주의보 발령횟수도 증가(관계부처 합동, 2017, 미세먼지 관리 종합대책) ○ 건설·교통 사업장이 국내 미세먼지 발생 원인 1순위 배출원으로 분석 - (국내배출) 대도시는 경유차가, 전국적으로는 사업장이 1순위 배출원 · (수도권) 경유차(23%) 〉건설기계·선박등(16%) 〉사업장(14%) · (전국) 사업장(38%) 〉건설기계·선박등(16%) 〉발전소(15%) - (국외영향) 평상시 중국, 북한 등을 포함한 국외영향은 연평균 30∼50%, 고농도시(´15∼´16년연간18∼29일)에는 60∼80%로 추정(미세먼지 관리 종합대책(2018) 주요내용과 방향, 2018, KEI) ○ 건설·교통 부문에 지속적·과학적인 미세먼지 측정을 위한 저비용·고효율의 미세먼지 측정기술 적용 필요성 증대 - 국립환경과학원에서 학교나 건설현장 설치된 미세먼지 간이측정기 정확도 검증결과 48%에서부터 86%까지 다양하며, 장비 설치 및 제작을 위한 비용이 고가로 저효율·고비용장비 사용으로 인한 예산낭비 심각(2018.04.12. 중앙일보) - ‘휴대용 미세먼지 측정기는 신뢰도가 낮기 때문에 절대적인 수치를 믿기보다는 장소별 차이를 비교‘해야 하므로 광역적이고 시공간적 분석이 가능한 신뢰도 높은 미세먼지 측정기술 필요 (동 보도) - 또한 정책 의사결정을 위한 과학적이고 체계적인 실시간 보조자료 제공을 통해 건설·교통부문 종사자뿐만 아니라 대국민 삶의 질 개선을 위한 미세(비산)먼지 측정기술 필요 - 미세먼지 조사·단속원이 미세먼지 발생원에 직접 접촉하여 미세먼지 농도를 측정하는 종래의 재래식 방식을 벗어나 실시간으로 발생원을 감시·관리할 수 있는 비접촉식 고효율·고신뢰성이 보장된 기술 개발 요구 발생 ○ 미세먼지 관측기술 개발 및 현업 운영 동향 - 현재 현업에 사용되는 미세먼지 관측 장비는 대기 중에 공기를 흡입하여 질량농도를 관측하는 부유분진측정기(β-ray PM10), 광학입자계수기(OPC : Optical Particle Counter)와 입경별 수농도를 관측하는 전자기유도입자계수기(SMPS : Scanning Mobility Particle Sizer), 공기역학입자계수기(APS : Aerodynamic Particle Sizer), 응결핵계수기 (CPC : Condensation Particle Counter) 등이 사용되고 있음. - 기존 장비는 측정하고자 하는 장소마다 관측 장비를 설치하여 질량농도나 수 농도를 관측하므로 광역적·입체적 관측을 수행하기 위해서는 비용/공간적인 면에서 많은 어려움 발생 - 이를 극복하기 위해 기존 Point 관측에서 벗어나 광역적 미세먼지 분포를 측정하는 드론 기술이 활용되고 있지만 날씨와 드론에 탑재되는 센서 중량 등 많은 제약이 따름 - 최근 미세먼지의 입체적 관측을 위해 라이다 방식을 이용한 기술이 개발되어 오염 배출원 주변 입체적 관측이 가능하게 됨. - 국내에서는 환경부와 기상청 공동으로 한반도에서의 에어로졸(황사, 미세먼지 등) 발생과 이동을 실시간으로 관측하기 위해 KALION (Korea Aerosol LIDAR Observation Network) 네트워크를 운용하고 있지만, KALION에 사용된 에어로졸 라이다는 고출력/저반복률(lower repetition)의 레이저가 사용되어 시간 분해능이 낮고 고가이며, 스캐닝 기능이 없어 오염 배출원 주변 입체적 관측이 어려운 단점이 상존 - 이에, 본 사업을 통해 라이다 방식을 이용한 오염 배출원 주변 미세먼지 입체적 관측 및 질량농도 관측용 저가형 원격 관측 장비를 개발하고자 함. ○ 미세먼지 오염 배출원 주변 입체적 관측 및 질량농도 관측이 가능한 원격관측 기술 개발 - 본 사업의 목표인 오염 배출원 주변 미세먼지 원격 관측 장비는 크게 4가지로 구성됨. · 송신부 : 대기 중으로 레이저 빔을 조사 · 수신부 : 대기 중에서 공기 분자, 에어로졸에 의해 후방 산란되는 신호 수집 · 데이터 처리부 : 수집된 신호 처리 · 통합·관리부 : 건설현장 비산먼지 규정에 따른 미세먼지 수치 도시 [최종목표] ○ 오염 배출원 주변 미세먼지 3차원 공간분포 및 질량농도 관측용 원격 계측장비 개발과 자료 표출 자동화 기반 기술 개발 - 오염 배출원 주변 미세먼지 3차원 공간분포 및 질량농도 관측용 H/W 개발 ？ 측정 거리 : 5km 이상 ？ 측정 자료 : 미세먼지 종류 구분(편광소멸도(Depolarizatiojn Ratio)), 3 차원 미세먼지 공간 분포, 미세먼지 질량 농도(μg/m3), 거리별 미세먼지 산란 계수 ？ 거리 분해능 : 7.5m 이하 ？ 관측 주기 : 120 초 이내 ？ 최대 스캔 속도 : 20？ /sec - 오염 배출원 주변 미세먼지 3차원 공간분포 및 질량농도 관측용 S/W 개발 ？ 거리 보정된 후방산란(Backscatter) 프로파일 ？ 거리별 미세먼지 종류 산출(편광소멸도 프로파일) ？ 거리별 미세먼지 질량농도 산출 [연구내용 및 범위] ○ 1차년도: 3차원 미세먼지 관측용 시작품 개발 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시작품 H/W 구조 분석 및 개념 설계 - 3차원 미세먼지 관측용 시작품 H/W 설계 및 제작 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시스템 시작품 S/W 신호처리 기술 설계 및 개발 - 선행연구를 통해 개발된 광자계수기, 광센서 성능 개선 - 시작품 자체 성능평가 ？ 3차원 미세먼지 관측용 시작품을 개발하는데 있어서 가장 핵심은 송·수신 광학계 설계 및 개발에 있음. ？ 송·수신 광학계의 설계 및 개발은 전체 시스템의 안정도, 효율에 직접적이고 광범위하게 영향을 미치는 요소임. ㈜솔탑은 대기 관측용(구름, 에어로졸, 오염물질 등) 라이다 개발에 경험이 많은 핵심인력을 바탕으로 송·수신 광학계에 대하여 광학설계프로그램을 이용한 이론적 분석을 하고 최적의 광학부품을 선정하여 기존 상용시스템에 경쟁력이 있도록 함. ？ 3차원 미세먼지 관측용 라이다를 개발함에 있어서 신호 획득용 광센서와 디지털 신호 변환용 광자계수기는 각각 1천만 원 이상의 고가로 가격적인 측면에서 중요한 부분을 차지함. ？ 선행 연구를 통해 개발된 라이다용 광센서와 디지털 광자계수기의 장비활용을 극대화하기 위해 성능개선을 수행하여 미세먼지에 의해 산란되는 미세한 신호도 검출이 가능하도록 최적화를 통해 미세먼지 원격 관측용 라이다의 가격을 저가로 개발이 가능하도록 함. ？ 기상청, 대학교 등에서 실시하는 연구세미나 및 보고회 활동과 논문발표 및 학회 활동을 통한 다양한 트랜드 및 기술 확보 - (외부용역) 품질관리 전문기관을 통한 관측 관련 품질관리(QC) 프로세스 개발 ○ 2차년도: 현장 적용 가능한 3차원 미세먼지 관측용 시제품 개발 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 H/W 설계 및 제작 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 S/W 개발 - 시제품 구성요건 분석 - 시제품 자체 성능평가 ？ 1차년도 시작품의 성능을 바탕으로 조립 중에 발생하는 오차를 가능한 줄이고, 시작품의 문제점을 파악하여 악조건에서도 측정이 가능한 시제품을 개발. ？ 사용 환경 및 조건 변화에 따른 자체 성능평가를 실시하고 실험결과를 분석하여 현장적용이 가능한 수준으로 개선. ？ 미세먼지의 광학적 특성은 klett’s method를 통해 산출하고, 미세먼지의 거리별 분포는 slope method 또는 Gradient method 등을 이용하여 실시간 자동 산출이 가능하도록 신호처리/분석 알고리즘을 개발하고 H/W를 구성하고 있는 레이저 및 데이터 수집 장치의 제어를 위해 시스템 제어 통합 운영프로그램 개발. - (외부용역) 정확도 및 신뢰성을 높이기 위한 데이터 처리 방식의 품질관리(QC) 프로세스 개발 ○ 3차년도: 3차원 미세먼지 관측용 시제품 현장 적용 실험을 통한 최적화 및 내구성 테스트 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최종 성능 검증 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최적화 - 3차원 미세먼지 관측용 라이다 사업화 준비 ？ 환경부, 기상청 등에서 운용중인 비교 관측 사이트에 개발된 시제품을 설치하여 장기 비교 관측을 통해 성능 시험 및 데이터 신뢰성 확보. ？ 상용화의 주요 필수조건이 내구성 및 시스템 확장성을 위해 야외 테스트 실험을 충분히 수행(환경 테스트 및 LongRun Test)하여 시스템 수정 보완을 통해 내구성 확보. ？ 마케팅 및 매출 증대를 위해 최종산출물에 대하여 홈페이지 등록 및 e-카달로그/브로슈어 제작을 통하여 제품홍보 및 전시회 참가. - (외부용역) 관측 결과의 실제 정확도를 분석하기 위한 비교 분석 프로세스 개발 |
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| 색인어 | 한글 | 미세먼지 | 라이다 | 3차원 관측 | 편광소멸도 | 질량농도 |
| 영문 | Fine dust | LIDAR | 3-D observation | Depolarization ratio | Mass concentration | |
| 최종보고서 | 2-1. 최종보고서_최종본_(주)솔탑.pdf | |||||