KR102223173B1 - 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법 및 이를 구현하는 시스템, 및 그 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록매체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세먼지를 측정하는 장비의 성능평가 및 이를 교정하는 기술에 대한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 초미세먼지의 농도와 습도에 따른 측정 변화를 보정하는 교정계수를 활용하여 상대적으로 저렴한 측정장비를 활용할 수 있도록 하며, 추후 신종 미세먼지 센서 장치의 현장교정이 가능하여 다양한 측정 장비의 정밀도를 향상할 수 있도록 하는 범용성을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 미세먼지를 측정하는 장비의 성능평가 및 이를 교정하는 기술에 대한 것이다.
눈에 보이지 않는 아주 작은 물질이 대기 중에 오랫동안 떠다니거나 흩날려 내려오는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질을 미세먼지라 한다. 미세먼지(particulate matter;PM)는 석탄, 석유 등의 화석연료가 연소될 때 또는 제조업, 자동차 매연 등의 배출가스 등에서 나온다. 미세먼지는 기관지를 거쳐 폐에 흡착되어 각종 폐질환을 유발하는 대기오염물질이다.
일반적으로, 먼지는 입자의 크기에 따라 총먼지(지름이 10㎛ 이상), 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지(PM 10), 지름이 2.5㎛ 이하(PM 2.5)인 초미세먼지로 나뉜다. 이들 중 미세먼지는 질산염(NO3-), 암모늄(NH4+), 황산염 (SO42-) 등의 이온 성분과 탄소화합물(carbon compounds), 금속(elements) 화합물 등으로 이루어져 있다. 세계보건기구(WHO)는 미세먼지 중 디젤에서 배출되는 BC(black carbon)을 1급 발암물질로 지정한 바 있다. 장기간 미세먼지에 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다. 특히 직경 2.5㎛ 이하의 초미세먼지는 인체 내 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하기 쉬워 기관지, 폐 등에 붙어 각종 질환을 유발한다.
한편, 환경부는 2017년 3월 우리나라와 국제적으로 사용하는 미세먼지에 대한 용어가 달라 혼란스럽다는 지적에 따라 미세먼지(PM10)는 부유먼지, 초미세먼지(PM2.5)는 미세먼지로 각각 변경한다고 발표하였다. 또 부유먼지와 미세먼지를 함께 아우르는 용어는 흡입성 먼지로 정하고, PM2.5에 붙여온 초미세라는 표현은 앞으로 PM2.5보다 작은 PM1.0이나 PM0.1 등에 사용할 수 있게 남겨두기로 했다.
이와 같은 대기 중의 부유된 미세먼지를 측정하는 방법은, 중량법(소용량공기포집법, 저용량공기포집법), 광 산란법, 베타선측정법 등이 있다.
최근에는 저렴한 ($ 300 미만) 초미세먼지 실시간 모니터가 가정용 측정기로 많이 도입되고 있다. 이러한 저가형 모니터링 장치는 지상 기반의 고정식 측정 시스템보다 월등히 개선된 시간적 및 공간적 해상도의 PM 분포 패턴을 제공할 수 있다.
최근에는 광원으로 레이저를 사용하는 저렴한 ($ 300 미만) 실시간 입자상 물질 모니터가 스마트 폰과의 네트워킹을 가능한 앱을 탑재하여 출시되고 있다.
그러나, 이러한 저가형 측정장비는 저렴한 반면 그 정확도가 불명하며, 미세먼지 모니터의 정확성과 편차에 대한 조사가 충분치 않아 측정자료의 해석에 제한적인 문제가 있다.
이러한 다양한 소형 저가형 측정장비의 출현과 다양한 측정 센서를 탑재한 장비의 제공의 환경에서는 기준이 되는 정밀한 측정정보를 바탕으로 하는 측정값과 차이가 존재하여 결과 해석에 따른 오해를 초래할 우려가 있다.
본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 미세먼지의 농도를 측정하는 소형측정기 또는 저가형 측정기의 측정성능을 표준이 되는 고가의 정밀한 장비의 기준값과 대비하여 자체교정계수를 산출하고, 이를 실측값에 적용하여, 상대 습도의 변화에 따른 측정오류를 정밀하게 보정할 수 있도록 하는 교정방법 및 시스템을 구현하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 기준 측정 장비를 이용하여 측정 대상지에 대한 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 상기 측정 대상지에서의 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 1단계;
상기 측정 대상지에 대하여 적용 측정 장비를 이용하여 상대 습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출하는 2단계;
상기 실시간 측정값에 대해 상대습도에 따른 미세먼지 농도(PM)의 변화량을 선형회귀식으로 도출하는 3단계; 및
상기 기준 측정장비를 이용하여 산출된 상기 기준측정값과 상기 적용 측정 장비를 이용항 측정된 실시간 측정값을 대비하여 상기 적용측정장비에 대한 자체 교정계수를 산출하는 4단계;
를 포함하는, 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법을 제공할 수 있도록 한다.
상술한 방법을 구현하기 위한 구성으로서 본 발명의 실시예에서는, 도 1에서 도시된 것과 같이, 유무선 통신을 통해 정보 전송기 가능한 기준 측정장비에서 측정 대상지에서 측정된 미세먼지 농도(PM)를 측정한 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 기준측정값 제공부(110);
측정 대상지에 대하여 실시간으로 상대습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출받아 입력하는 실측 측정값 입력부(120);
상기 실시간 측정값에 대해 상대 습도에 따른 미세먼지 동도의 변화량을 선형 회귀식으로 도출하고, 이를 상기 기준측정값과 대비하여 자체 교정계수를 산출하는 교정계수산출부(130);
상기 교정계수산출부(130)에서 산출된 교정계수를 적용하여 상기 실시간 측정값에 대한 보정 측정값을 산출하는 교정계수적용부(140);
상기 교정계수적용부(140)에서 산출된 데이터 값을 기반으로 상기 적용측정장비에 대한 최종 결정계수를 산출하는 최종결정계수산출부(150);를 포함하는,
교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세먼지의 농도를 측정하는 소형측정기 또는 저가형 측정기의 측정성능을 표준이 되는 고가의 정밀한 장비의 기준값과 대비하여 자체교정계수를 산출하고, 이를 실측값에 적용하여, 상대 습도의 변화에 따른 측정오류를 정밀하게 보정할 수 있도록 하는 효과가 있다.
특히, 초미세먼지의 농도와 습도에 따른 측정 변화를 보정하는 교정계수를 활용하여 상대적으로 저렴한 측정장비를 활용할 수 있도록 하며, 추후 신종 미세먼지 센서 장치의 현장교정이 가능하여 다양한 측정 장비의 정밀도를 향상할 수 있도록 하는 범용성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템의 구성블록도이다.
도 2는 도 1에 따른 시스템을 적용하여 구현되는, 본 발명의 실시예에 따른 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법의 구현 순서도이다.
도 3은 다양한 적용 측정장비로 하는 경우를 상정하기 위하여, 이들 장비를 동일한 장소, 동일한 시간 대에서 미세먼지를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 8은 상술한 다수의 측정장비 중 ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA), MICROPEM(RTI, NC, USA) 등 총 5개를 적용 측정장비로 선정하여, 동일장소에서 상대습도를 조절하며, 습도 수준별 측정장비의 측정값의 변화(미세먼지 농도)를 측정한 것을 도시한 그래프이다.
도 9는 상대 습도에 따른 미세먼지의 농도 변화량을 선형회귀식으로 도출한 것이며, 도 10은 도 9에서 도출된 BAM 회귀선에서 얻은 95% 신뢰구간의 상대습도 변화를 집계한 것이다.
도 11 내지 도 12는 보정계수의 적용결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1에 따른 시스템을 적용하여 구현되는, 본 발명의 실시예에 따른 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법의 구현 순서도이다.
도 3은 다양한 적용 측정장비로 하는 경우를 상정하기 위하여, 이들 장비를 동일한 장소, 동일한 시간 대에서 미세먼지를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 8은 상술한 다수의 측정장비 중 ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA), MICROPEM(RTI, NC, USA) 등 총 5개를 적용 측정장비로 선정하여, 동일장소에서 상대습도를 조절하며, 습도 수준별 측정장비의 측정값의 변화(미세먼지 농도)를 측정한 것을 도시한 그래프이다.
도 9는 상대 습도에 따른 미세먼지의 농도 변화량을 선형회귀식으로 도출한 것이며, 도 10은 도 9에서 도출된 BAM 회귀선에서 얻은 95% 신뢰구간의 상대습도 변화를 집계한 것이다.
도 11 내지 도 12는 보정계수의 적용결과를 도시한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템(이하, '본 시스템'이라 함)을 도시한 구성 블록도이다. 또한, 도 2는 도 1에 따른 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템을 이용한 성능 평가 방법(이하, '본 발명'이라 함)의 순서를 도시한 블록도이다.
본 시스템은, 도 1에 도시된 것과 같이, 유무선 통신을 통해 정보 전송기 가능한 기준 측정장비에서 측정 대상지에서 측정된 미세먼지 농도(PM)를 측정한 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 기준측정값 제공부(110), 측정 대상지에 대하여 실시간으로 상대습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출받아 입력하는 실측 측정값 입력부(120), 상기 실시간 측정값에 대해 상대 습도에 따른 미세먼지 동도의 변화량을 선형 회귀식으로 도출하고, 이를 상기 기준측정값과 대비하여 자체 교정계수를 산출하는 교정계수산출부(130), 상기 교정계수산출부(130)에서 산출된 교정계수를 적용하여 상기 실시간 측정값에 대한 보정 측정값을 산출하는 교정계수적용부(140), 상기 교정계수적용부(140)에서 산출된 데이터 값을 기반으로 상기 적용측정장비에 대한 최종 결정계수를 산출하는 최종결정계수산출부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 기준 측정장비(10)는 미세먼지 측정 센서를 구비하여 측정하는 장비에서 상용화된 공지의 측정장비를 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는, PurpleAir(PurpleAir U.S.A)를 사용하여 미국 EPA 연방 등가 모니터링(FEM; Federal equivalent method) 장치, 즉 GRIMM180(독일 GRIMM Aerosol, BAMet, OR)을 적용하여 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 기준 측정장비(10)의 경우, 미세먼지 측정의 신뢰도를 인정받은 상용화장비를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 적용 측정장비(200)은 기준 측정장비에 비해 상대적으로 저렴한 가격을 가지는 저가의 측정장비로, 최근 가정이나 개인용으로 보급되는 장비를 통칭하는 것으로, 본 발명의 실시예에서는, GRIMM (EDM180)(GRIMM Aerosol, Germany), BAM-1020(MetOne, OR), ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA), MICROPEM(RTI, NC, USA)와 같은 시제품으로 유통되는 저가형 측정장비를 적용하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 상술한 시스템 구조를 이용하여, 적용 측정장비의 측정 오차를 산출하고, 이를 보정하는 보정계수를 도출하여 보정을 적용하여 기준 측정장비의 측정값과의 대비를 통해 오차범위를 줄일 수 있도록 하는 방법을 제공할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 발명은 기준 측정 장비를 이용하여 측정 대상지에 대한 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 상기 측정 대상지에서의 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 1단계와, 상기 측정 대상지에 대하여 적용 측정 장비를 이용하여 상대 습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출하는 2단계, 상기 실시간 측정값에 대해 상대습도에 따른 미세먼지 농도(PM)의 변화량을 선형회귀식으로 도출하는 3단계 및 상기 기준 측정장비를 이용하여 산출된 상기 기준측정값과 상기 적용 측정 장비를 이용항 측정된 실시간 측정값을 대비하여 상기 적용측정장비에 대한 자체 교정계수를 산출하는 4단계를 포함하는, 교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법으로 구현될 수 있다.
이 경우, 상기 1단계는, 기준 측정 장비(10)를 이용하여 측정 대상지에 대한 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 상기 측정 대상지에서의 상대 습도별 기준 측정값을 무선통신부(20)을 통해 전송하게 되고, 전송되는 기준 측정값은 적용측정장비(200)에 탑재되거나 외부 프로그램화되어 실장되는 제어모듈(100)의 기준 측정값 제공부(110)으로 전송되게 된다.
이후, 상기 2단계에서는, 상기 측정 대상지에 대하여 적용 측정 장비를 이용하여 상대 습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출하게 된다. 미세먼지 농도의 경우, 상대 습도의 영향을 받게 되며, 상대습도의 비율에 따라 미세먼지 농도가 더 높게 측정되는 오류가 발생하게 되므로, 이에 대한 보정이 필요하게 된다.
이에 적용측정장비(100)에서는, 측정 대상지에서 실시간 측정값을 산출하고, 이러한 상기 실시간 측정값에 대해 상대습도에 따른 미세먼지 농도(PM)의 변화량을 선형회귀식으로 도출할 수 있도록 하며, 이후, 상기 기준 측정장비를 이용하여 산출된 상기 기준측정값과 상기 적용 측정 장비를 이용한 측정된 실시간 측정값을 대비하여 상기 적용측정장비에 대한 자체 교정계수를 산출할 수 있도록 한다.
자체 교정계수의 경우, 4단계에서 산출한 교정계수를 상기 실시간 측정값에 적용하여 보정 측정값을 산출하게 되며, 이후, 교정계수를 적용하여 산출된 보정된 데이터를 사용하여 상기 기준 측정장비에 대한 상기 적용 측정 장비에 대한 최종 결정계수(R)를 산출할 수 있다. 최종 결정계수(R)는 적용측정 장비에 대한 기준 측정장비와의 보정을 결정하게 되는 계수로, 이후 동일한 적용 측정장비가 적용되는 경우, 해당 장비에는 통해 실시간으로 장비의 측정 값을 보정하여 보정된 값을 산출할 수 있도록 하게 할 수 있다.
{식 1}
Y = X * m + Temp * n + Hummid*g
(Y는 보정계수를 적용한 이후의 보정 값, X는 적용 측정장비의 미세먼지 측정농도값, m은 보정계수, temp는 온도, Hummid는 습도, n, g는 상수)
상기 {식 1}은 보정계수를 적용한 이후의 보정된 미세먼지 농도값을 산출하는 수식에 해당하며, 이를 기반으로 후술하는 최종 결정계수를 산출할 수도 있다. 나아가 최종 결정계수(R)는 위의 식에 X변수가 Y값의 설명력을 나타내는 것으로, 본 발명에서는 세가지 변수로 기준 장비 측정값의 80~90%를 설명하여 보정계수의 설명력이 매우 우수하게 된다. 이를테면, 유사한 중저가의 적용 측정장비 3대를 이용하는 경우, 보다 보정계수의 설명력이 우수하게 된다.
이러한 본 발명에 따른 방법을 적용하는 경우, 가정용으로 보급되는 저가형 측정기를 적용 측정장비로 하고, 미국 환경부의 고가의 기준 측정장치로 하는 경우, 같은 시간, 같은 장소에서 사용하여, 초미세먼지의 농도와 온도, 습도의 정보를 획득하고 이들 자료를 활용하여, 대기환경에서 20%씩 변화하는 대기중 상대습도 수준에 따른 각 기기 (저가형 기기: ESCORTAIR, PA; 연구용 기기: PDR, SIDEPAK, MICROPEM)의 측정값 차이에 대한, 정량값을 도출하고, 0~100% 범위의 상대습도 영역에서 각 기기의 반응값 차이를 확인하고, 미국 기준 측정장치에 준하는 교정계수를 산출할 수 있게 된다.
이러한 교정 계수를 활용할 경우, 서로 다른 두개의 저가형 또는 두개의 중가형 (또는 저가 중가 혼합형) 장치로 새로운 장치에 대해 습도를 보정한 새로운 보정농도를 제시할 수 있게 된다.
이러한 교정계수를 산출하는 방법은, 추후 신종 미세먼지 센서 장치의 현장 교정을 위한 기술로 활용 및 소프트웨어 개발을 위한 알고리즘으로 활용 가능하게 할 수 있다.
이하에서는, 본 시스템을 적용하여, 본 발명에 따른 방법을 적용하는 과정을 실험과정을 통해 설명하기로 한다.
도 3은, GRIMM (EDM180)(GRIMM Aerosol, Germany), BAM-1020(MetOne, OR), ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA), MICROPEM(RTI, NC, USA)를 적용 측정장비로 하는 경우를 상정하기 위하여, 이들 장비를 동일한 장소, 동일한 시간 대에서 미세먼지를 측정한 결과를 나타낸 것이다(본 결과는 대전에 있는 국가 초미세먼지 측정장소에서, 동일한 시간, 장소에서 측정한 결과임).
도 3의 결과를 통해 보더라도, 다양한 적용 측정장비의 경우, 동일한 장소, 시간에서의 초미세먼지 농도를 각각 다른 값을 제시하고 있음을 알 수 있다. 각 장소의 경우, 실내에서 프라이팬 요리를 수행한 경우(Indoor-pan frying), 실내에서 흡연후(Indoor-SHS), 실외 교통체증이 이루어지는 장소(Outdoor-Urban hotspot)로 나누어 측정하였으며, 각 상황에서 모든 기기의 측정 값이 서로 다른 값을 나타낸 것을 보이고 있다. 이러한 결과는 기준 측정장비와의 관계에서도 이러한 차이값을 나타내는 것으로 판단할 수 있으며, 정밀한 측정을 위해서는 보급형 측정장비에 오차 보정을 수행할 필요성이 있음을 의미한다.
도 4 내지 도 8은 상술한 다수의 측정장비 중 ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA), MICROPEM(RTI, NC, USA) 등 총 5개를 적용 측정장비로 선정하여, 동일장소에서 상대습도를 조절하며, 습도 수준별 측정장비의 측정값의 변화(미세먼지 농도)를 측정한 것을 도시한 그래프이다.
이 경우, 기준이 되는 기준 측정장비는, 미국 EPA 연방 등가 모니터링(FEM; Federal equivalent method) 장치(이하, 'FEM' 이라 함)로 설정하고, 이에 대해 상대 습도를 0~100% 범위에서 증가시키며 미세먼지 농도(PM2.5)를 측정한 것을 Y축상에 나타낸 것이다.
나아가, X축에 배치는 각각의 적용 측정장비를 이용하여 동일 장소, 시간에 상대 습도를 0~100% 범위에서 증가시키며 미세먼지 농도(PM2.5)를 측정한 것을 나타낸 것이다.
도 5를 기준으로 살펴보면, 이는 미국연방정부에서 인정하는 측정장비 FEM 장비를 기준측정장비로 설정하고, 이를 통해서 습도를 20% 단위로 분획하여 습도 수준별(0~20%, 20.1~40%, 40.1~60%, 60.1~80.0%, 80.1~100.0%) 미세먼지 농도를 측정하여 표시한 그래프(Y축배치), 이고, 동일한 환경과 조건에서 적용 측정장비인 ESCPRT를 통해 측정한 미세먼지 농도를 비교하면, 기준측정장비에서 측정한 값과 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상대습도가 증가할수록, 측정되는 미세먼지 농도(PM2.5) 역시 유의하게 증가함을 알 수 있다.
이러한 상대 습도에 따른 미세먼지의 농도 변화량을 선형회귀식으로 도출할 수 있으며, 이를 도 9에 도시하였으며, 도 10은 도 9에서 도출된 BAM 회귀선에서 얻은 95% 신뢰구간의 상대습도 변화를 집계한 것이다.
상대습도 80% 이상의 (BAM = Slope * ESCORT + 절편)에서 각 적용 측정장비에 대한 FEM의 단순한 회귀선에서 구한 경사는 <20.0%, 20.1% ~ 40.0%, 40.1% ~ 60.0%, 60.1 ~ 80.0%의 경사보다 작았다. 감소 추세의 정도는 두 개의 RGM, 즉 PDR-1500 또는 SIDEPAK에 비해 적용 측정장비의 값이 더 컸다. MICROPEM도 비슷한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이러한 측정 결과에 대해, 다음으로 단계적 선형 회귀 분석을 수행함으로써 각각의 적용 측정장치에 대한 자체 교정 모델을 개발했다. 교정 계수는 간단한 선형 회귀 모형(ESCORT의 경우 1.1, PA의 경우 1.92), PA의 경우 0.00, PA의 경우 0.87, ESCORT의 경우 1.15, PA의 경우 0.70으로 산출되었다. 이 경우, 온도 및 상대습도를 조절한 후 실내 테스트에 대해 결과는 변경되지 않았(ESCORT의 경우 1.0, PA의 경우 1.90, ESCORT의 경우 0.97, PA의 경우 0.81)으나, 실외 측정의 경우 슬로프의 변화(ESCORT의 경우 0.72, PA의 경우 0.77)는 상대적으로 작았지만 R2 값은 변경되었다.
특히, 높은 수준의 실외 상도습도RH(80% 이상)가 있는 날 적용 측정장비의 미세먼지농도(PM2.5)의 측정 레벨을 높게 측정되는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 온도 및 상대습도의 영향을 조절한 후 교정 모델(YBAM = XESCORT * 1.14 + Temp * 0.43 + Hummid*(-0.01)을 산출하였다.
도 11은 단계적 선형 보정모델을 적용, 다변량 회귀 모형의 결과를 사용하여 비교 분석을 수행함으로써 교정 모델에서 얻은 보정 계수를 적용한 후 적용 측정장비(예:ESCORT)에서 측정한 원래 미세먼지농도(PM2.5) 데이터를 개선한 범위를 결정했다(도 11).
보정된 데이터를 사용하여 FEM(Y)과 ESCORT(X) 사이의 최종 결정 계수(R2)는 0.81(Y = X * 1.14 + Temp * 0.43 + Hummid*- 0.01)이었다.
또 다른 적용측정장비인, PA의 계수는 0.87이었다(Y = X * 0.71 + Temp * -0.07 + Hummid*- 0.13). FEM과 비교하여 보정된 데이터와의 차이(중체(IQR)를 16.3. (8.5 ~ 28.0), ESCORT의 경우 8.5. %, 실외 환경의 경우 PA의 경우 14.5(6.1 ~ 23.5) %로 확인하였다(도 12).
편향(차이의 평균)은 ESCORT의 경우 13.1%, 야외의 경우 PA의 경우 7.8%로 나타났다. 실내 데이터에 대한 편향은 적어도 실외 시험에서 얻은 편향 수준과 비슷하거나 낮음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 본 방법을 통해 적용한 교정계수를 적용하여 기준 측정값과 편차가 근접하는 신뢰도를 보이는 보정 값을 얻을 수 있음을 의미한다.
상술한 본 시스템을 통하여 본 발명인, 미세먼지 측정장치의 성능 평가를 구현하는 방법은 프로그램으로 구현이 가능하다. 즉, 본 발명에서의 방법을 수행하는 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다.
본 발명에의 방법 수행을 위한 기능블록의 과정인 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 기준측정장비 20: 통신부
110: 기준측정값 제공부 120: 실측측정값 입력부
130: 교정계수 산출부 140: 교정계수 적용부
150: 최종결정계수 산출부 200: 적용측정장비
210: 측정센서부 220: 통신부
110: 기준측정값 제공부 120: 실측측정값 입력부
130: 교정계수 산출부 140: 교정계수 적용부
150: 최종결정계수 산출부 200: 적용측정장비
210: 측정센서부 220: 통신부
Claims (7)
- 기준 측정 장비를 이용하여 측정 대상지에 대한 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 상기 측정 대상지에서의 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 1단계; 상기 측정 대상지에 대하여 적용 측정 장비를 이용하여 상대 습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출하는 2단계; 상기 실시간 측정값에 대해 상대습도에 따른 미세먼지 농도(PM)의 변화량을 선형회귀식으로 도출하는 3단계; 상기 기준 측정장비를 이용하여 산출된 상기 기준측정값과 상기 적용 측정 장비를 이용하여 측정된 실시간 측정값을 대비하여 상기 적용측정장비에 대한 자체 교정계수를 산출하는 4단계; 및 상기 산출한 자체 교정계수를 상기 실시간 측정값에 적용하여 보정 측정값을 산출하되, 상기 자체 교정계수를 적용하여 산출된 보정된 데이터를 사용하여 상기 기준 측정장비에 대한 상기 적용 측정 장비에 대한 최종 결정계수(R)를 산출하는 5 단계;를 포함하며,
상기 최종결정계수(R)의 산출은, 하기의 {식 1}에 의해 산출되며,
{식 1}
Y = X * m + Temp * n + Hummid*g
(Y는 보정계수를 적용한 이후의 보정 값, X는 적용 측정장비의 미세먼지 측정농도값, m은 보정계수, temp는 온도, Hummid는 습도, n, g는 상수)
상기 기준 측정 장비는 미국 EPA 연방 등가 모니터링(FEM; Federal equivalent method) 장치를 적용하고, 상기 적용 측정 장비는, GRIMM (EDM180)(GRIMM Aerosol, Germany), BAM-1020(MetOne, OR), ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA) 및 MICROPEM(RTI, NC, USA) 중 선택되는 세 개 이상의 장치를 적용하여 교정계수를 산출하고,
상기 기준 측정값 또는 상기 실시간 측정값은, 상대습도 0~100% 범위의 영역에서, 20%씩 증가하는 영역을 구분하여 5개 영역으로 구분하고, 상기 5개 영역에서의 상대 습도 수준에 대한 각 기기의 측정값의 차이를 산출하는,
교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 방법.
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- 유무선 통신을 통해 정보 전송기 가능한 기준 측정장비에서 측정 대상지에서 측정된 미세먼지 농도(PM)를 측정한 상대 습도별 기준 측정값을 전송받는 기준측정값 제공부(110); 측정 대상지에 대하여 실시간으로 상대습도별 미세먼지 농도(PM)를 측정하여 실시간 측정값을 산출받아 입력하는 실측 측정값 입력부(120); 상기 실시간 측정값에 대해 상대 습도에 따른 미세먼지 동도의 변화량을 선형 회귀식으로 도출하고, 이를 상기 기준측정값과 대비하여 자체 교정계수를 산출하는 교정계수산출부(130); 상기 교정계수산출부(130)에서 산출된 교정계수를 적용하여 상기 실시간 측정값에 대한 보정 측정값을 산출하는 교정계수적용부(140); 상기 교정계수적용부(140)에서 산출된 데이터 값을 기반으로 적용측정장비에 대한 최종 결정계수(R)를 산출하는 최종결정계수산출부(150);를 포함하고,
상기 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템은 상기 산출한 교정계수를 상기 실시간 측정값에 적용하여 보정 측정값을 산출하고,
상기 기준 측정 장비는 미국 EPA 연방 등가 모니터링(FEM; Federal equivalent method) 장치를 적용하고, 상기 적용 측정 장비는, GRIMM (EDM180)(GRIMM Aerosol, Germany), BAM-1020(MetOne, OR), ESCORTAIR(ESCORT, Seoul, South Korea), PA(PurpleAir, CA, USA), PDR-1500(Thermo Scientific, MA, USA), SIDEPAK(TSI, MN, USA) 및 MICROPEM(RTI, NC, USA) 중 선택되는 세 개 이상의 장치를 적용하여 교정계수를 산출하고,
상기 기준 측정값 또는 상기 실시간 측정값은, 상대습도 0~100% 범위의 영역에서, 20%씩 증가하는 영역을 구분하여 5개 영역으로 구분하고, 상기 5개 영역에서의 상대 습도 수준에 대한 각 기기의 측정값의 차이를 산출하며,
상기 최종결정계수(R)의 산출은, 하기의 {식 1}에 의해 산출하는,
{식 1}
Y = X * m + Temp * n + Hummid*g
(Y는 보정계수를 적용한 이후의 보정 값, X는 적용 측정장비의 미세먼지 측정농도값, m은 보정계수, temp는 온도, Hummid는 습도, n, g는 상수)
교정계수를 적용하는 미세먼지 측정장비의 성능평가에 의한 교정 시스템.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| G170 | Publication of correction |