KR20200123620A - 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템 및 그 방법 - Google Patents

광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광량, 습도 및 온도를 이용하여 미지의 지역에서의 생물학 작용제의 소멸율을 예측하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템은 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 측정 유닛; 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 제어 모듈; 및 상기 제어 유닛으로부터 계산된 생물학 작용제 소멸율 값을 전달받아 표시하는 표시 모듈;을 포함한다.

Description

광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR ESTIMATING DECAY RATE FOR AGENT OF BIOLOGICAL ORIGIN CONSIDERING QUANTITY OF LIGHT, WETNESS AND TEMPERATURE AND ESTIMAING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 특정 환경 조건에서 생물학적 작용제의 소멸율을 예측하기 위한 시스템 및 그에 적용되는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은, 국방 기술에 적용 가능한 발명으로서, 화생방 오염 확산 및 피해 예측 모델 중 사건 발생 지역에서의 세균 및 바이러스 농도, 노출량 분포 등을 수치 모의하는 방법에 관한 것이다.
우리나라와 같은 휴전 국가에서, 전시 상황의 생물학 작용제, 즉 화생방 가스와 같은 공격 무기의 위험성은 익히 알려진 바 있으며, 이에 대처하기 위한 방법들은 군 부대 훈련을 중심으로 다양하게 학습되고 있다. 그러나 생물학 작용제의 위험성에 대해서만 교육되고 있을 뿐, 이를 소멸시키기 위한 기술 또는 이 소멸율을 예측하는 기술에 대해서는 연구 정도가 미진한 수준이었다.
생물학 작용제의 소멸율은 종래에는 광량에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 왔다. 따라서, 종래에는 소멸율을 예측하는 기존 모델들은 모두 일조량에 대한 함수를 기반으로 하여 구축되어 있었다. 현재 적용되는 군사 기술에 있어서도 화생방 상황에서 생물학 작용제의 소멸 속도는 광량을 변수로 한 조건에 따라서 예측하여 시뮬레이션을 적용하고 있었다.
그러나 생물학 작용제의 소멸율을 광량에만 의존하여 예측하는 것은 오차율이 대단히 높아 실질적인 효용성이 떨어지는 문제가 있었다. 따라서 광량 이외의 요건을 변수로 하여 생물학 작용제의 소멸율을 표현하고 그에 기반하여 예측할 수 있는 방법이 필요로 되고 있었다.
게다가 우리나라의 경우 습도는 최저 50 %(3월, 4월)에서 최대 85 %(7월, 8월)의 수준이다. 기온 또한 낮을 때는 영하 6도에서부터 높을 때는 영상 30도까지 올라가게 된다. 우리나라와 같이 온도 차와 습도 차가 큰 환경에서는 상술한 생물학 작용제의 소멸율 예측 방법이 큰 오차값을 발생시키곤 하였다.
따라서, 우리나라와 같은 환경을 중심으로, 병원성세균이나 바이러스 등을 포함하는 생물학 작용제의 소멸율에 대한 보다 정확한 예측이 요구되고 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 필요에 부응하고 광량, 온도 및 습도에 대한 함수로 계산할 수 있는 수치모의식을 개발하고 그를 바탕으로 환경에 최적화된 생물학 작용제 소멸율을 예측하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 환경 조건에 따라 변수가 많아서 오차율이 높았던 종래의 방법들에 비해, 보다 많은 변수를 이용하여 정확하고 오차가 낮은 확률로 생물학 작용제들의 소멸율을 예측하고자 하는 것이다.
본 발명은, 국방상 적용할 수 있는 기술을 개발하기 위한 연장선 상에서, 화생방 가스와 같은 생물학 작용제 소멸율을 광량, 온도, 습도에 대한 함수로 계산할 수 있는 수치모의식을 수립하여 화생방 오염확산 및 피해예측 모델링에 적용하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템은, 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 측정 유닛; 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 제어 모듈; 및 상기 제어 유닛으로부터 계산된 생물학 작용제 소멸율 값을 전달받아 표시하는 표시 모듈;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미지의 지역은, 온도, 습도 및 광량 값 중 하나 이상의 값에 대한 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율의 확보된 정보가 없는 지역인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, 무차원화된 광량, 습도 및 온도 값을 이용하여 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정 유닛으로부터 전달받은 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 방법인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식을 이용하는 방법은, 온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및 IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식은, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식은 하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00001
k = 미지의 지역의 소멸 상수
decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리
본 발명의 다른 일 측에 따르는 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법은, 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 단계; 및 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 확보된 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 것이고, 온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및 IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 IDW 방식은, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 IDW 방식은 하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
k = 미지의 지역의 소멸 상수
decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리
본 발명의 생물학 작용제 소멸율의 예측 시스템 및 방법은, 온도, 습도 및 광량의 값을 종합적으로 고려하여, 해당 지역의 환경에 적합한, 특히 국내와 같이 온도나 습도 조건의 변화 폭이 넓은 환경에서 최적의 생물학 작용제 소멸율의 예측이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 자연 환경에서 에어로졸 형태로 분사되는 생물시료에 대한 소멸특성을 고려하여, 생물학적으로 영향을 주는 온도, 습도 및 광량과 생물학적 작용제의 특성을 감안하여, 해당 지역에 방문하지 않고도 오차가 적은 수준으로 생물학 작용제의 소멸율을 확인할 수 있다.
도 1은, 실제 그람음성균의 광량, 온도, 습도에 의한 소멸율 측정 데이터 값(좌)과 본 발명의 일 실시예에 따라서 그람음성균의 소멸율울 모델링한 방법을 통해 예측한 데이터 값(우)을 비교하여 나타낸 그림이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 생물학 작용제의 소멸율을 예측하는 모듈에 따라서, 측정하여 실험한 조건에 대한 테이블 함수(table function) 값을 적용한 예를 나타내는 표이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 생물학 작용제의 소멸율을 예측하는 모듈에 따라서, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 하고, 측적?? 지역의 소멸율 값과, 측정되지 않은 미지의 지역의 소멸율의 값 간의 거리 개념을 나타내는 그림이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
생물학작용제의 소멸율은 광량에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 소멸율을 예측하는 기존 모델은 일조량에 대한 함수로만 이루어져 있었다. 그러나 연구 결과 생물학작용제의 소멸율은 광량에만 영향을 받는 것이 아니라 온도, 습도에도 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 따라서 생물학작용제 소멸율을 광량, 온도, 습도에 대한 함수로 계산할 수 있는 표현 방법이 필요함을 인식하고, 본 발명자는 연구 끝에 생물학 작용제의 소멸율을 보다 효과적으로 예측하기 위한 시스템과 방법을 개발하였으며, 그 연구 결과물에 관한 것이다.
생물학 작용제는, 그 종류와 상관없이 세균 및/또는 바이러스의 시간별 독성 정도의 변화는 개체수 감소에 대한 값으로서 보편적으로 표현한다. 이러한 표현을 위하여 널리 사용되어 온 수식은 다음과 같다.
Figure pat00003
Nt : t시간이 흐른 후 개체군 수
N0 : 실험 초기의 개체군 수
k : 소멸율
t : 시간
여기서 소멸율(k)은 지수함수 적인 개체군의 변화 속도를 나타낸다. 종래의 기술에 따르면 실험을 통해서 광량 조건을 변화시켜가며 그 조건에 맞는 소멸율(k) 값을 표현하는 것이 고작이었다. 그러나 이러한 방식은 큰 오차 값을 발생시키곤 하여 문제가 되어 왔다.
본 발명자는 생물 에어로졸 환경 챔버를 이용한 실험 결과를 바탕으로 하여, 생물학 작용제의 소멸율을 광량, 온도 및 습도를 이용한 함수로서 나타낼 수 있다는 사실을 확인하고 다음과 같은 발명을 하였다.
본 발명의 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템은, 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 측정 유닛; 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 제어 모듈; 및 상기 제어 유닛으로부터 계산된 생물학 작용제 소멸율 값을 전달받아 표시하는 표시 모듈;을 포함한다.
본 발명의 예측 시스템에 따르면, 측정 유닛에서는 실험할 수 있는 조건의 온도, 습도 및 광량 값에 매칭되는 특정 생물학 작용제의 소멸율을 확보하고, 그를 제어 모듈로 전달한다. 제어 모듈에서는 전달받은 자료를 기반으로 하여, 측정된 바 없는 조건의 온도, 습도 및 광량 값을 가지는 미지의 지역에 대한 해당 생물학 작용제의 소멸율을 계산한다. 그리고, 표시 모듈에서는 제어 모듈에서 계산된 값을 전달받아 사용자에게 알려주도록 표시하는 장치를 포함한다.
본 발명은 종래의 방법들과는 다르게, 온도, 습도 및 광량의 세 가지 변수를 모두 고려하여 미지의 지역에서의 특정 생물학 작용제의 소멸율을 예측할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미지의 지역은, 온도, 습도 및 광량 값 중 하나 이상의 값에 대한 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율의 확보된 정보가 없는 지역인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, 무차원화된 광량, 습도 및 온도 값을 이용하여 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명에서 제안하는 하나의 실시예에 따르면, 광량, 온도 및 습도를 단위를 제거한 무차원의 변수로 각각 상정하고, 생물학 작용제의 소멸율을 각각에 대한 2차 함수들의 곱으로서 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정 유닛으로부터 전달받은 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수
상술한 수학식 1에 따르면, 광량, 온도 및 습도가 각각 대등한 2차 함수의 변수로서 취급될 수 있다.
도 1은, 실제 그람음성균의 광량, 온도, 습도에 의한 소멸율 측정 데이터 값(좌)과 본 발명의 일 실시예에 따라서 그람음성균의 소멸율울 모델링한 방법을 통해 예측한 데이터 값(우)을 비교하여 나타낸 그림이다.
도 1의 좌측 그림은, 동일한 축 조건 하에서 광량, 온도 및 습도에 대한 값을 3차원의 각 축으로 삼고, 각 조건에서 측정된 그람음성균의 소멸율을 실제로 측정하여 버블의 크기로 도시한 값이다.
도 1의 우측 그림은, 광량, 온도 및 습도에 대한 값(여기서 광량, 온도 및 습도의 값은 실험환경 안에서의 환경조건에 해당)을 3차원의 각 축으로 삼고, 각 조건에서 측정된 소멸율을 바탕으로 상기 수학식 1에 나타난 2차 함수들의 상수들을 결정한 후, 미지의 지역의 광량, 온도 및 습도에 대한 값을 대입하여 결정한 그람음성균의 소멸율에 대한 예측 값을 버블 그래프로 표현한 것이다.
도 1의 좌측 그림과 도 1의 우측 그림을 비교할 때, 주어진 데이터들에 대해서 모델링한 결과가 상당히 유사함을 확인할 수 있다. 반복해서 다양한 조건들에 대해서 생물학 작용제 소멸율을 예측해 본 결과 그 오차율은 21 %에 불과하였다. 이는 종래의 광량 만을 변수로 하여 소멸율을 예측하였을 때 나타나던 오차율에 비해 현저하게 낮아진 수치인 것이다. 이와 관련해서 후술할 실시예에서 보다 구체적으로 제시하기로 한다.
한편, 본 발명에서 제안하는 다른 하나의 실시예에 따르면, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식에 의하여 생물학 작용제의 소멸율을 예측할 수도 있다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 광량, 온도 및 습도를 기반으로 특정 생물학 작용제의 소멸율에 대한 측정이 완료된 지역에 대해서는 테이블 함수(table function)으로 소멸율을 산출 가능하도록 데이터를 저장해둘 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 생물학 작용제의 소멸율을 예측하는 모듈에 따라서, 측정하여 실험한 조건에 대한 테이블 함수(table function) 값을 적용한 예를 나타내는 표이다.
도 2에 나타난 것과 같이, 특정한 광량, 온도 및 습도 조건에 해당되는 생물학 작용제의 소멸율 값을, 앞서 상술한 바 있는 지수함수로 표현되는 수학식
Figure pat00004
을 이용하여 계산한 후 테이블 함수에 기록하여 데이터베이스를 구축할 수 있다. 이는 후술할 INDW 방식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제의 소멸율 값을 예측하는 기반이 된다.
이 때, 각 실험 조건들(생물학 작용제의 종류, 온도, 습도 및 광량)과 그에 해당하는 소멸율 값을 DB로 만들 수 있다. 추후 실험 조건에 부합되는 소멸율 결과를 요구받게 되면, 예측할 필요 없이 구축된 데이터베이스에서 해당 생물학 작용제의 소멸율 결과를 검색하여 사용자에게 표시할 수 있다.
한편, 실험되지 않은 다양한 조건(광량, 온도 및 습도)에 대한 특정 생물학 작용제의 소멸율에 대해서는 INDW 방식을 적용하여, 기 측정된 지역의 생물학 작용제의 소멸율 값을 이용하여 예측할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 생물학 작용제의 소멸율을 예측하는 모듈에 따라서, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 하고, 측적?? 지역의 소멸율 값과, 측정되지 않은 미지의 지역의 소멸율의 값 간의 거리 개념을 나타내는 그림이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 방법인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식을 이용하는 방법은, 온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및 IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 실험하지 않은 조건들에 대해서는 Inverse normalized distance weight method(INDW)를 사용하여 산출함으로써 소멸율을 예측할 수 있다. 일 예에 따르면 광량, 습도, 온도를 최대값으로 나눠서 무차원화하여 normalize를 한 후에 inverse distance weight method를 사용할 수 있다.
도 3을 참고하여 설명해 보면, 미지의 지역에서의 소멸율 k 값은, 광량, 온도 및습도를 기준으로 하는 세 축 상에서, 기 측정된 지역의 광량, 온도 및 습도 값을 기준으로 결정한 위치들을 기준하여 계산할 수 있다. 이 때, 기 측정된 지역의 소멸율 값 k-1 내지 k4 및, 측정하고자 하는 미지의 지역의 위치(광량, 온도 및 습도 값을 기준한 축 상의 위치)와 기 측정된 위치 간의 거리 r1 내지 r4 를 이용하여, 미지의 지역의 소멸율 값 k를 예측할 수 있다.
그에 이용되는 식은 하기와 같다.
Figure pat00005
본 발명의 상기 방식에 따르면, 무차원화된 광량, 습도 및 온도가 각 축이 된다. 측정되지 않은 광량, 습도 및 온도 조건을 가지는 미지의 지역 대해서 사용자가 해당 생물학 작용제의 소멸율을 요청하게 되면, 인근 위치(유사한 광량, 습도 및 온도 값을 가지는 위치)의 소멸율 값들로부터의 상대 거리를 계산할 수 있다. 위의 식에 적용하여서 사용자가 요청한 조건에서의 소멸율을 추출한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 위의 식을 사용할 경우, 가까이 있는 소멸율이 더 큰 양으로 영향을 끼치게 되고 멀리 있는 소멸률이 더 적게 영향을 끼치게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식은, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 INDW 방식은 하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
k = 미지의 지역의 소멸 상수
decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리
한편, 본 발명의 다른 일 측에 따르면, 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 방법을 제시한다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법은, 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 단계; 및 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 확보된 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 1]
d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학적 방법은, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 것이고, 온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및 IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 IDW 방식은, 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 IDW 방식은 하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00007
k = 미지의 지역의 소멸 상수
decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리
실시예
본 발명에서 제안한 생물학 작용제의 소멸율 측정방법과 관련하여 본 발명자는 다음과 같은 환경 챔버 장비를 제작하여 실험하였다.
본 시험에 사용된 환경챔버 장비는 자연 환경 조건에서 조사되는태양광 파장 범위(400 nm 이하)를 고려하여, 생물학적 시료에 영향을 주는 이 범위의 조사 강도가 다른 파장 영역대에 비해 상대적으로 크게 조사될 수 있도록 제작한 장비이다.
또한, 정확한 시험 환경 조건을 유지시키기 위해 예비 환경 챔버를 연동하여 챔버 내에서 온도 및 습도 조절을 가능하게 하였다.
환경 챔버 장비는 챔버를 중심으로 위쪽으로는 광 조건을 모사하기 위한 Xenon lamp 를 위치시키고, 아래쪽으로 습도 조절을 위한 제습 장치를 구비시켰다. 생물학적 작용제의 개체 발생 및 개체 수를 측정하기 위한 장치 그리고 시료 포집을 할 수 있는 장치를 연결하도록 설계 하였다. 그리고 상술한 모든 장치들을 S/W 제어 장치를 통해 제어 하였다.
환경 챔버 장비 내에서 생물학 작용제의 소멸율 측정은 다음과 같은 단계를 거쳐 실험하였다.
소멸 특성 시험 환경 조건
소멸 특성 시험을 수행하기 위한 환경 조건은 온도(10, 25, 45 ℃), 습도(30, 60, 90 %), 광량(dark, 20 and 40 W/m2, 300-400 nm) 등 총 27가지 조건으로 결정하였다.
환경 챔버 cleaning
액상 시료를 발생하기 전, 챔버의 inlet, outlet valve를 열고 fan을 가동하여 HEPA filter를 통해 챔버 안 공기가 순환되도록 하였다. spectropan 장비를 사용하여 챔버 안 입자수가 최소화 되도록 모니터링 하면서 약 10-30분간 순환시켰다. 입자수가 최소화 되었다고 판단되면, 시료 발생 준비를 하였다.
액상 에어로졸 입자 발생(생물학적 작용제 시료 발생)
챔버 cleaning 이 끝나면, 입자 발생 전후의 변화량을 측정하기 위해 준비된 액상 시료의 무게를 측정하였다. 액상 시료는 종류에 따라 희석하여 최소 정량인 10 ml 또는 20 ml 되도록 준비하였다. Collision nebulizer를 통해 압축된 공기를 25 liter/minute (L/min) 되도록 하여 챔버 내에 약 10분간 에어로졸을 발생시켰다. 입자 발생시, 환경 인자인 온도 및 습도 조절에 신경 쓰도록 하였다.
시료 포집
SKC biosampler는 생물 에어로졸 및 생물학적으로 불활화된 공기유래 입자를 포집하여 분석하기 위한 장비이다. TSI flow meter를 사용하여 펌프 포집 유속을 12 L/min으로 조정하였다. SKC biosampler에 각 작용제에 맞게 멸균 증류수 또는 buffer 20 ml을 넣었다. 환경 챔버에 분산된 시료는 1분 동안 포집을 하며, 0에서 20분까지 5분 간격으로 포집하였다.
시료 및 측정값 분석
포집된 시료는 분석을 위해 1 ml을 취하여, counting 에 사용하였다. 챔버 내 1 liter에 포함된 세포수를 측정하기 위해 배양 후 얻어진 값에 포집액 용량 비와 공기량 용량 비를 환산하여 최종 값을 구하고, 시간 별 소멸율을 계산하였다. 입자 측정값은 시험 장비에서 측정된 입자 수이며 이론값은 100 liter 챔버에서 포집 시간당 12 L/min으로 포집하였을 경우의 이론적인 감소값을 분석하였다. 측정값 보정은 측정값에서 이론적인 감소값을 보정하여 시료 포집에 의한 입자의 감소를 보정한 값으로 분석하였다.
상술한 과정을 통하여 본 발명자는 하기 수학식 1에 따른 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학적 작용제 소멸율을 예측하였다.
[수학식 1]
d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수.
하기는 그에 따른 결과를 제시하였다.
실험실 값을 통하여 확보한 상수 값
A 0.0000363343
B -107.90611
B1 0.36809
B2 -0.0000752127
C -0.28148
C1 0.05178
C2 -0.000822689
D 1.86831
D1 -0.05336
D2 0.000389665
E 0.00329
미지 영역의 환경 조건에서 수학식 1을 통한 예측 값과 실측 값의 비교
환경 조건 decay rate 　
temperature humidity light 수학식 1에 따른 예측값 실측 실측-수학식 1 예측값
10 30 0 0.0029100 0.0016200 0.0012900
10 60 0 0.0032500 0.0054900 0.0022400
10 90 0 0.0031500 0.0014700 0.0016800
25 30 0 0.0020800 0.0028300 0.0007500
25 60 0 0.0031500 0.0027400 0.0004100
25 90 0 0.0028500 0.0009670 0.0018830
45 30 0 0.0023600 0.0020300 0.0003300
45 60 0 0.0031800 0.0039900 0.0008100
45 90 0 0.0029500 0.0053600 0.0024100
10 30 2000 0.0044200 0.0041400 0.0002800
10 60 2000 0.0034100 0.0039800 0.0005700
10 90 2000 0.0036900 0.0034300 0.0002600
25 30 2000 0.0069600 0.0073000 0.0003400
25 60 2000 0.0037000 0.0043800 0.0006800
25 90 2000 0.0046100 0.0040900 0.0005200
45 30 2000 0.0061000 0.0054100 0.0006900
45 60 2000 0.0036000 0.0036700 0.0000700
45 90 2000 0.0043000 0.0057000 0.0014000
10 30 4000 0.0038400 0.0032100 0.0006300
10 60 4000 0.0033500 0.0033100 0.0000400
10 90 4000 0.0034900 0.0039600 0.0004700
25 30 4000 0.0050900 0.0052200 0.0001300
25 60 4000 0.0034900 0.0020400 0.0014500
25 90 4000 0.0039400 0.0027600 0.0011800
45 30 4000 0.0046700 0.0055700 0.0009000
45 60 4000 0.0034400 0.0037400 0.0003000
45 90 4000 0.0037900 0.0033800 0.0004100
상술한 것과 같이, 온도, 습도 및 빛의 세 가지 조건으로 수학식 1에 의해 상수 값들을 결정한 후, 결정된 함수 식을 이용하여 미지의 영역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하였다. 그 결과 실제 해당 조건에서의 생물학 작용제의 소멸율과 큰 오차가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 상술한 과정을 통하여 본 발명자는 도 1과 같은 테이블 함수 값들을 도출하였고, 측정된 값들을 기반하여, 수학식 1과 같은 이차 함수를 이용한 생물학 작용제의 소멸율 예측하는 시스템 및 방법과, 도 2 및 도 3과 같은 INDW 방식으로 수학식 2와 같은 식을 이용하여 생물학적 소멸율 값을 예측하는 시스템 및 방법을 도출하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 측정 유닛;
    상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 제어 모듈; 및
    상기 제어 유닛으로부터 계산된 생물학 작용제 소멸율 값을 전달받아 표시하는 표시 모듈;을 포함하는,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미지의 지역은, 온도, 습도 및 광량 값 중 하나 이상의 값에 대한 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율의 확보된 정보가 없는 지역인 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수학적 방법은,
    무차원화된 광량, 습도 및 온도 값을 이용하여 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정 유닛으로부터 전달받은 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템:

    [수학식 1]
    d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
    d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
    A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수학적 방법은,
    INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 방법인 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 INDW 방식을 이용하는 방법은,
    온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및
    IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 INDW 방식은,
    온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때,
    미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 INDW 방식은
    하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템:

    [수학식 2]
    Figure pat00008

    k = 미지의 지역의 소멸 상수
    decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
    distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리.
  9. 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과, 각각의 환경 조건에서의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 확보하는 단계; 및
    상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 전달받아 수학적 방법에 의해 미지의 지역에서의 생물학 작용제 소멸율을 계산하는 단계; 를 포함하는,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 확보된 적어도 둘 이상의 환경 조건의 온도, 습도 및 광량 값과 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율을 이용하여 하기의 수학식 1의 상수 값을 결정하고, 그로부터 결정된 수학식을 이용하여 미지의 지역의 생물학 작용제 소멸율을 예측하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법:

    [수학식 1]
    d = A * (B + B1 * light + B2 * light2) * (C + C1 * temperature + C2 * temperature2) * (D + D1 * humidity + D2 * humidity2) + E
    d: 소멸율, light: 광량, temperature: 온도, humidity: 습도
    A, B, B1, B2, C, C1, C2, D, D1, D2, E : 상수.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수학적 방법은, INDW(Inverse Normalized Distance Weight) 방식을 이용하는 것이고,
    온도, 습도 및 광량 값을 무차원화한 후 노말라이즈(Normalize) 하는 단계; 및
    IDW(Inverse Distance Weight method) 방식에 따라서 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 단계;를 포함하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 IDW 방식은,
    온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때,
    미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 적어도 둘 이상의 지점 간의 거리를 변수로 이용하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 IDW 방식은
    하기의 수학식 2에 의해 미지의 지역의 소멸율을 예측하는 것인,
    광량, 습도 및 온도를 고려한 생물학 작용제 소멸율 예측 시스템:
    [수학식 2]
    Figure pat00009

    k = 미지의 지역의 소멸 상수
    decayRate: 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값이 조사된 지역의 생물학 작용제의 시간에 따른 소멸율
    distance: 온도, 습도 및 광량을 세 축으로 할 때, 미지의 지역의 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점과, 상기 측정 유닛으로부터 확보된 온도, 습도 및 광량의 값에 따라 결정되는 지점 간의 거리.
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