KR20220011882A - 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기; 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기; 및 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 서버를 포함하는, 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템에 관한 것이다. 이로써, 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도의 초미세먼지 질량농도 측정을 할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있는 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
먼지는 입자의 크기에 따라 총먼지(TSP:total suspended particles), 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지, 지름이 2.5㎛ 이하인 초미세먼지(PM2.5)로 분류된다. 이 중 10㎛ 이하의 미세먼지는 황산염, 질산염, 암모니아 등의 이온 성분과 금속화합물, 탄소화합물 등 유해물질로 이루어져 있고, 또한 사람의 폐포까지 깊숙이 침투해 각종 호흡기 질환을 일으키는 직접적인 원인이 된다. 이 때문에 세계 각국에서는 10㎛ 이하의 먼지를 임계농도(기준)로 정해 엄격하게 규제하고 있다.
이와 같이, 국민 건강 및 환경친화적 측면에서 초미세먼지에 종합 대응하기 위해 정확한 측정 및 이에 기반한 예측 시스템은 필수가 되고 있다.
한편, 현재 활용되고 있는 실시간 초미세먼지 센서의 경우, 먼지의 질량을 직접 측정하는 것이 아니라, 먼지의 탁도 또는 부피를 측정하고, 여기에 임의로 추정한 입자 평균밀도를 곱하는 방식으로 먼지의 질량농도를 환산하고 있다. 그 결과, 대부분의 실시간 초미세먼지 센서는 실시간 측정이 아니므로, 측정오차가 50% 또는 그 이상으로, 신뢰도에서 큰 문제를 드러내고 있다.
또한, 현재의 환경부 인증제도는, 성능인증 장소에서 미리 센서와 기준 계측기의 성능을 비교할 수 있는 소정의 예비평가 기간을 부여하고, 그 결과를 이용해서 센서의 보정계수를 조정할 수 있도록 하고 있다. 하지만, 이 보정계수는, 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절 등에 영향을 받는 초미세먼지 특성(예를 들어 평균 밀도, 온/습도에 의한 영향)으로 인해 다른 환경에서는 다르게 조정되어야 할 수 있다. 이로써, 인정된 인증등급을 갖는 센서가 이와 다른 환경, 예를 들어 다른 시간 및/또는 장소에서도 언제나 동일한 수준의 측정 신뢰도를 갖는 측정결과를 낸다고 보장할 수 없다는 문제가 있다.
이에 따라, 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있는 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법이 필요하다.
이로써, 본 발명의 목적은 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있는 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 실시간으로 먼지의 평균 밀도를 측정하고, 또한 정교하게 온/습도에 의한 영향을 보정함으로써, 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있는 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명의 제1 측면에 따라,
분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기;
입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기; 및
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 서버를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템에 의해 달성된다.
이때, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함할 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 초미세먼지 밀도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 초미세먼지 밀도 측정 모듈은,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의하는 것일 수 있다.
이에 더하여, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 목적은, 또한 본 발명의 제2 측면에 따라,
적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기에 의해, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는 단계;
적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계; 및
서버에 의해, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 단계를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법에 의해 달성된다.
이때, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함할 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 초미세먼지 밀도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 초미세먼지 밀도 측정 모듈은,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의할 수 있다.
이에 더하여, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
나아가, 상기 목적은, 또한 본 발명의 제3 측면에 따라,
적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 산출된 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도, 및 기준 입경별 수농도를 제공받는 단계;
적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계; 및
상기 분석 대상 입자의 질량농도를 이를 저장하는 서버로 제공하는 단계를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법에 의해 달성된다.
이때, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함할 수 있다 .
한편, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 초미세먼지 밀도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 초미세먼지 밀도 측정 모듈은,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의할 수 있다.
이에 더하여, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 또한 본 발명의 제4 측면에 따라,
상기의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록 매체에 의해 달성된다.
나아가, 상기 목적은, 또한 본 발명의 제5 측면에 따라,
상기의 방법을 하드웨어와의 결합을 통해 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 따르면 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 따르면 실시간으로 먼지의 평균 밀도를 측정하고, 또한 정교하게 온/습도에 의한 영향을 보정함으로써, 저비용으로 고신뢰도 측정을 할 수 있다는 장점이 있다.
나아가 본 발명의 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 따르면 이를 통해 수집된 측정 데이터를 활용하여 입체적인 초미세먼지 모니터링 기법을 확보할 수 있게 된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초미세먼지 특성 분석기의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초미세먼지 밀도 측정 모듈의 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하전기를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이동도 분석기를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 임팩터를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 샘플링부를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 초미세먼지 센서 단말기의 기능 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지 질량농도 분포 시각화를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 방법의 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 입경 분포에 있어서 평균 입경을 결정하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초미세먼지 특성 분석기의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초미세먼지 밀도 측정 모듈의 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하전기를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이동도 분석기를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 임팩터를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 샘플링부를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 초미세먼지 센서 단말기의 기능 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지 질량농도 분포 시각화를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 방법의 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 입경 분포에 있어서 평균 입경을 결정하는 방법을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명에 따른 초미세먼지 특성 분석기의 기능 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템은, 필수적으로 분석 대상 입자의 특성, 예를 들어 밀도, 흡습성 인자에 의한 영향 등을 분석하는 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기(10), 인공지능에 기반하여 초미세먼지 센서의 보정계수를 조정하는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기(20), 및 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기(10) 및/또는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기(20)로부터 전송되는 데이터를 저장, 처리, 및/또는 보정하는 서버(30)를 포함한다.
초미세먼지 특성 분석기(10)는, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정한다. 이를 위해, 초미세먼지 특성 분석기(10)는, 도 2에서와 같이, 필수적으로 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11) 및 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12)을 포함한다. 이때 산출된 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 측정된 기준 입경별 수농도는 네트워크를 통해 서버(30) 및/또는 소정의 초미세먼지 센서 단말기(20)로 전송될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)의 기능 블록도이다. 본 발명에 따른 초미세먼지 밀도 측정은, 전기이동도 입경(de)과 공기역학적 입경(da)을 연동시킴으로써, 입자의 밀도를 식 (1)을 이용하여 산출하는 데 그 특징이 있다. 이때, C는 커닝햄 미끌림 보정 상수이고, ρ0는 단위 밀도(=1g/cm3)이다.
도면을 참조하면, 이러한 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)은, 분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기(13), 제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기(14), 제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터(15), 및 전기이동도 분석기(14) 및 초소형 임팩터(15)에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부(16)를 포함한다.
도면에는 도시하지 않았으나, 선택적으로, 복수의 하전기(13)가 마련되어 전기이동도 분석기(14) 및 초소형 임팩터(15) 각각에 연결될 수 있고, 및/또는 전기이동도 분석기(14) 및 초소형 임팩터(15)에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값을 측정하여 밀도산출부(16)로 제공하는 전류 측정 회로를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하전기(13)를 보여주는 도면이다.
도면을 참조하면, 예를 들어 코로나 방전을 이용하여 분석 대상 입자를 하전시키는 코로나 하전기(13)는, 제1 유입구(41), 제1 유출구(42), 고전압 팁 전극(43) 및 제1 접지 전극(44)으로 구성된다.
분석 대상 입자(4)가 하전되는 과정을 살펴 보면, 팁 형태의 고전압 전극(43)에 높은 전기장이 인가되면 (양)이온이 발생되고, 발생된 이온은 접지 전극(44)으로 이동하게 되는데, 고전압 팁 전극(43)과 접지 전극(44) 사이의 약한 전기장으로 인해, 이온은 확산 현상으로 입자를 하전시키게 된다. 이로써 제1 유입구(41)로 유입된 입자(4)는 하전기(13) 내부에서 양전하로 하전(4')된 이후, 제1 유출구(42)를 통해 전기이동도 분석기(14) 및/또는 초소형 임팩터(15)로 이동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이동도 분석기(14)를 보여주는 도면이다.
도면을 참조하면, 예를 들어 제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 하전된 분석 대상 입자들(4')을 포집하는 전기이동도 분석기(14)는, 제2 유입구(51), 제2 유출구(52), 및 한 쌍의 나란한 평판 전극들(53, 54)로 구성된다.
하전된 분석 대상 입자(4')가 전기이동도 분석기(14)에 포집되는 과정을 살펴 보면, 하전된 입자(4')는 제2 유입구(51)에서 제2 유출구(52) 방향으로 흐르고, 제1 평판 전극(53)에 전압이 인가되면 공기의 흐름(55)에 수직하는 방향으로 전기장이 형성되게 되고, 이로써 하전된 입자(4')는 정전기력에 의해 대각선 방향으로 움직인다. 제2 유출구(52) 방향에서 포집되는 제1 평균의 입경 및/또는 질량보다 작은 입자의 경우 관성의 힘을 적게 받고 단위 전기장에서 하전된 입자의 종단 속도인 전기이동도는 작을 수 있어 제2 평판 전극(54)에 포집될 수 있다. 한편, 제2 유출구(52) 방향에서 포집되는 제1 평균의 입경 및/또는 질량보다 큰 입자의 경우 전기이동도가 클 수 있어 제2 평판 전극(54)에 포집되지 않고 공기의 흐름(55) 방향으로 이동할 수 있다.
이때, 전기이동도 분석기(14)에서 포집되는 하전 입자(4')의 전기이동도 입경(de)은, 하기의 식 (2)에 의해, 고정된 유량(Q) 및 채널 형상 조건 하에서, 제1 평판 전극(53)에 인가되는 전압의 크기에 따라 조절될 수 있다.
여기서, Q는 유량, e는 단위 전하량(1.6 x 10-19C), C는 커닝햄 미끌림 보정 상수, n은 입자 하전 수, μ는 기체 점도, L는 입자 정지 거리(particle stopping distance), t는 채널 폭, h는 채널 높이, 및 V는 인가 전압이다.
즉, 제1 평판 전극(53)에 인가되는 전압을 증가시키면, 제2 평판 전극(54)에 포집되는 하전된 입자(4')의 전기이동도 입경 상한값을 증가시킬 수 있고, 이로써 제2 유출구(52) 방향에서 포집되는, 하전된 입자(4')의 평균 전기이동도 입경을 증가시킬 수 있다. 따라서, 전기이동도 분석기(14)는 제1 평판 전극(53)에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 제2 유출구(52) 방향에서 포집되는 하전된 입자(4')의 평균 전기이동도 입경을 선택적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 전기이동도 분석기(14)는 나노입자, 마이크론 입자, 그외 입자 등 초미세먼지에 포함된 모든 입자에 대하여 전기이동도 입경을 기준으로 선택적으로 포집할 수 있게 된다. 이때 제2 유출구(52)를 통해 이동하는 하전된 입자(4')의 양이 전류값(I0)으로 측정될 수 있다.
이러한 전압과 포집되는 하전된 입자(4')의 전기이동도 입경 관계를 이용해, 전기이동도 입경 분포를 산출해낼 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 산출된 전기이동도 입경 분포를 통해 제1 평균의 전기이동도 입경을 산출해낼 수 있다. 예를 들어, 불연속적인, 서로 상이한 적어도 하나의 이상의 전압을 반복적으로 인가하여 측정된 전류값을 이용해, 하전된 입자(4')의 입경별 수농도 분포를 도출해낼 수 있고, 이로부터 제1 평균의 전기이동도 입경을 산출해낼 수 있다. 이때 평균은, 산술적 평균, 중간값 등을 포함할 수 있다.
나아가, 상이한 전류값에 대한 (제1 평균의) 전기이동도 입경은 미리 측정 및/또는 산출하여 데이터베이스화(DB1)되어 저장될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 임팩터(15)를 보여주는 도면이다.
도면을 참조하면, 예를 들어 제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터(15)는, 적어도 하나의 초소형 임팩터 요소(15a, 15b, 15c)를 포함하고, 제3 유입구(61), 충돌 전극(그 각각은 제1 충돌 전극, 제2 충돌 전극, 제3 충돌 전극으로 지칭되는, 63a, 63b, 63c), 필터 전극(64), 제3 유출구(65), 및 유입된 입자를 가속시키는 노즐(그 각각은 제1 노즐, 제2 노즐, 제3 노즐로 지칭되는, 66a, 66b, 66c)로 구성된다.
먼저, 예를 들어, 하전된 분석 대상 입자(4')가 초소형 임팩터 요소(15a)에 포집되는 과정을 살펴 보면, 제3 유입구(61)로부터 필터 전극(64) 방향으로 흐르는 공기의 흐름을 따라 흐르는 하전된 입자(4')는 제1 노즐(66a)을 통과하며 가속되고, 공기역학적 입경이 큰 입자는 관성력이 크기 때문에 흐름 방향을 변경하지 못하고 그대로 직진하여 제1 충돌 전극(63a)에 포집될 수 있다. 즉, 소정의 제1 임계치 이상의 공기역학적 입경을 갖는 하전된 입자(4')는 제1 충돌 전극(63a)에 포집되고, 포집되지 않은 나머지 하전 입자(4')는 제2 노즐(66b)로 배출될 수 있다.
이와 유사하게, 하전된 분석 대상 입자(4')가 초소형 임팩터 요소(15c)에 포집되는 과정을 살펴 보면, 노즐(66c)로부터 필터 전극(64) 방향으로 흐르는 공기의 흐름을 따라 흐르는 하전된 입자(4')는 노즐(66c)을 통과하며 가속되고, 공기역학적 입경이 큰 입자는 관성력이 크기 때문에 흐름 방향을 변경하지 못하고 그대로 직진하여 충돌 전극(63c)에 포집될 수 있다. 즉, 소정의 제3 임계치 이상의 공기역학적 입경을 갖는 하전된 입자(4')는 충돌 전극(63c)에 포집되고, 포집되지 않은 나머지 하전 입자(4')는 필터 전극(64)으로 배출될 수 있다.
제1 충돌 전극(63a)에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_1)으로 측정될 수 있고, 이와 유사하게 제2 충돌 전극(63b), 제3 충돌 전극(63c) 및 필터 전극(64)에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 각각 전류값(I1_2), 전류값(I1_3), 및 전류값(I2)로 측정될 수 있다. 이때, 전류값(I1_1), 전류값(I1_2), 및 전류값(I1_3)의 총합은 전류값(I)로 표시할 수 있다.
예를 들어, 제1 충돌 전극(63a)에 포집되는 입자의 수와 포집되지 않는 입자의 수가 동일한 경우에 있어서의 입자의 공기역학적 입경(dp,50)은, 하기의 식 (3)과 같이 노즐의 너비, 노즐에서의 공기의 속도, 이 입경에서의 스토크 수(stokes number) 등에 의해서 결정되며, 이를 기반으로 초소형 임팩터 요소(15a)의 형상이 설계된다.
여기서, Q는 유량, Stk50은 50% 포집될 때의 입자의 공기역학적 입경에서의 스토크 수, ρp는 입자 밀도, C는 커닝햄 미끌림 보정 상수, μ는 기체 점도, t는 채널 높이, W는 노즐의 너비이다.
제1 충돌 전극(63a)에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_1)으로 측정될 수 있고, 이와 유사하게 제1 충돌 전극(63a)에 포집되지 않은 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_2 + I1_3 + I2)으로 측정될 수 있다.
이로써, 제1 충돌 전극(63a)에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1)과 각각의 충돌 전극(63a, 63b, 63c) 및 필터 전극(64), 즉 초소형 임팩터 요소(15a) 전체에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1+I2)의 비율에 의해, 초소형 임팩터(15a)의 공기역학적 입경(da)을 도출해낼 수 있다.
이와 유사하게, 제2 충돌 전극(63b)에 포집되는 입자의 수와 포집되지 않는 입자의 수가 동일한 경우에 있어서의 입자의 수가 동일한 경우에 있어서의 입자의 공기역학적 입경(dp,50) 역시, 식 (3)을 이용해 결정될 수 있다.
제2 충돌 전극(63b)에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_2)으로 측정될 수 있고, 이와 유사하게 제2 충돌 전극(63b)에 포집되지 않은 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_3 + I2)으로 측정될 수 있다.
이로써, 제2 충돌 전극(63b)에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1_2)과 제2 충돌 전극(63b), 제3 충돌 전극(63c) 및 필터 전극(64), 즉 초소형 임팩터 요소(15b) 전체에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1_2 + I1_3 + I2)의 비율에 의해, 초소형 임팩터 요소(15c)의 공기역학적 입경(da)을 도출해낼 수 있다.
역시 이와 유사하게, 제3 충돌 전극(63c)과 필터 전극(64)에 포집되는 입자의 수가 동일한 경우에 있어서의 입자의 공기역학적 입경(dp,50) 역시, 식 (3)을 이용해 결정될 수 있다.
제3 충돌 전극(63c)에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I1_3)으로 측정될 수 있고, 이와 유사하게 필터 전극(64) 에 포집된 하전된 입자(4')의 양은 전류값(I2)으로 측정될 수 있다.
이로써, 제3 충돌 전극(63c)에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1_3)과 제3 충돌 전극(63c) 및 필터 전극(64), 즉 초소형 임팩터 요소(15c) 전체에 포집되는 하전된 입자(4')의 전류값(I1_3 + I2)의 비율에 의해, 초소형 임팩터 요소(15c)의 공기역학적 입경(da)을 도출해낼 수 있다.
전기이동도 입경과 유사하게, 이러한 전류값(I1_1, I1_2, I1_3 ,I2)과 포집되는 하전된 입자(4')의 공기역학적 입경의 관계를 이용해, 공기역학적 입경 분포를 산출해낼 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 산출된 공기역학적 입경 분포를 통해 제2 평균의 공기역학적 입경을 산출해낼 수 있다. 예를 들어, 이러한 측정된 전류값(I1_1, I1_2, I1_3 ,I2)을 이용해, 하전된 입자(4')의 입경별 수농도 분포를 도출해낼 수 있고, 이로부터 제2 평균의 공기역학적 입경을 산출해낼 수 있다. 이때 평균은, 산술적 평균, 중간값 등을 포함할 수 있다.
나아가, 상이한 전류값의 비율에 대한 (제2 평균의) 공기역학적 입경은 미리 측정 및/또는 산출하여 데이터베이스화(DB2)되어 저장될 수 있다. 또한, DB1과 DB2는 하나의 DB(DB3)으로 구성될 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)은, 전기이동도 분석기(14) 및 초소형 임팩터(15)에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부(16)를 포함한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 밀도산출부(16)에서는 먼저 측정된 전류값(I0) 및 식 (2)를 이용해 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경(de)을 산출해 내거나, 또는 측정된 전류값(I0) 및 DB1을 이용해 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경(de)을 호출해 낼 수 있다. 이와 유사하게, 밀도산출부(16)에서는 측정된 전류값(I1 및 I2) 및 식 (3)을 이용해 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경(da)을 산출해 내거나, 또는 측정된 전류값(I1 및 I2) 및 DB2를 이용해 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경(da)을 호출해 낼 수 있다. 또는, 측정된 전류값(I0, I1 및 I2) 및 DB3을 이용해 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경(de) 및 공기역학적 입경(da)을 호출해 낼 수 있다.
다음으로, 밀도산출부(16)에서는, 산출 또는 호출한 전기이동도 입경(de)과 공기역학적 입경(da)을 식 (1)에 대입함으로써, 입자의 (유효) 밀도를 산출해 낼 수 있다.
상기에서와 유사하게, 나아가, 상이한 전기이동도 입경(de)과 공기역학적 입경(da)에 대한 입자의 밀도는 미리 측정 및/또는 산출하여 데이터베이스화(예를 들어, DB3)되어 저장될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 초미세먼지 특성 분석기(10), 특히 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)은, 측정한 전류값들을 이용해 도출해 낸 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 기능을 한다.
한편, 초미세먼지의 질량농도는 입경별 수농도(N(dp))와 평균 밀도(ρp)의 곱으로 산출된다. 그러므로, 정밀한 초미세먼지의 질량농도의 측정을 위해서는 또한 정확한 입경별 수농도 측정이 필수적이다. 이로써, 본 발명에 따른 초미세먼지 특성 분석기(10)는, 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)에 더하여, 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12)을 더 포함한다.
이 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12)은, 광학 측정 모듈 및 가열 샘플링부를 포함한다.
이 광학 측정 모듈은, 상용되는 발광소자 및 수광소자로 구성되는 입자 계수기(OPC, optical particle counter)를 포함할 수 있고, 이를 이용해 분석 대상 입자가 유입되면, 빛을 조사하고 입자에 의해 발생하는 산란광의 세기의 측정을 통해 분석 대상 입자의 광학적 입경(dp)을 측정하고, 산란광의 발생횟수를 통해 수농도(N)를 측정함으로써, 입경별 수농도(N(dp))를 측정하게 된다.
특히, 본 발명에 따른 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12)은 초미세먼지 측정오차에 기인하는 습도의 영향을 최소화하기 위한 가열 샘플링부를 포함한다. 이 가열 샘플링부는, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 샘플링부를 보여주는 도면인 도 7을 참조하여 설명한다.
초미세먼지, 특히 황산염/질산염과 같은 흡습성 입자는 조해 상대습도(DRH, deliquescence relative humidity) 이상의 높은 상대습도 환경에서 습기를 흡수하여 액적으로 성장하는 현상이 발생한다. 초미세먼지 센서는 입자의 입경이 클수록 산란광량이 증가하기 때문에, 이러한 현상이 발생할 경우 실제 측정값보다 높은 부정확한 초미세먼지의 질량농도를 측정하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 가열 샘플링부(70)는, 이러한 액적 성장을 억제하기 위하여, 샘플링된 공기의 상대습도를 원래 입자의 크기가 되는 백화 상대습도(ERH, efflorescence relative humidity) 이하로 낮출 수 있도록, 다습한 공기가 유입되는 제4 유입구(71), 유입된 공기를 가열하는 튜브 형태의 히터(73), 건조된 공기가 유출되는 제4 유출구(72), 및 온/습도 센서(74)를 포함하고, 또한 도면에는 도시되어 있지 않으나, 분석 대상 입자 주변 공기의 상대습도를 조절하기 위해 히터의 발열을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 나아가, 선택적으로 히터(73) 주변에는 열방출을 차단하는 단열재(75)가 내장되고, 프레임 자체는 내열성 플라스틱을 이용해 구축될 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12), 특히 가열 샘플링부(70)는 온/습도가 변하는 외부 환경에서도 초미세먼지 센서가 정확한 초미세먼지의 질량농도를 측정할 수 있도록 기준을 설정해줄 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템은, 인공지능에 기반하여 초미세먼지 센서의 보정계수를 조정하는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기(20)를 포함하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 초미세먼지 센서 단말기(20)의 기능 블록도이다.
도 8을 참조하면, 초미세먼지 센서 단말기(20)에는, 필수적으로 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 획득하는 초미세먼지 센서(81) , 및 서버(30)로의 데이터 전송을 위해, 이 초미세먼지 센서와 서버(30) 간의 통신을 위한 무선통신 모듈(84)이 내장되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초미세먼지 센서 단말기(20)는, 정교하게 온/습도에 의한 영향을 보정하고, 또한 실시간으로 측정된 먼지의 평균 밀도를 적용하여 질량농도를 산출하고자, 기준 입경별 수농도 및 온/습도 정보에 기초하여 입경별 수농도를 보정하는 센서보정부(82), 및 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 보정된 입경별 수농도에 기초하여 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 질량농도산출부(83)를 포함한다.
여기서, 센서보정부(82)는, 초미세먼지 특성 분석기(10), 특히 기준 입경별 수농도 측정 모듈(12)에 의해 획득된 기준 입경별 수농도를 목표로 소정 시간 동안 초미세먼지 센서(81)에 의해 획득된 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 입력으로 하여 인공 지능을 학습시키는 것에 의할 수 있는데, 예를 들어 4-레이어 DNN 모델을 이용해 센서의 보정계수를 조정할 수 있다. 이로써, 해당 초미세먼지 센서 단말기(20)가 설치되어 있는 장소에서의 흡습성 입자 영향이 해당 초미세먼지 센서(81)에 반영되게 된다.
질량농도산출부(83)는, 초미세먼지 특성 분석기(10), 특히 초미세먼지 밀도 측정 모듈(11)에 의해 실시간으로 획득된 밀도를 이용해, 예를 들어 하기의 식 (4)와 같이 입경별 수농도에 기초하여 획득된 총 체적과 곱하여, 초미세먼지 질량농도를 산출해 낸다.
이때, M은 질량농도, ρp는 밀도, N(dp)는 입경별 수농도, 및 Vtot은 총 체적이다.
이로써, 초미세먼지 특성 분석기에서 확보된 초미세먼지 특성(예를 들어, 밀도, 흡습성 입자 영향) 데이터를 활용하여, 초미세먼지 센서 단말기의 측정 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 예를 들어, 초미세먼지 특성 분석기가 설치된 위치와 초미세먼지 센서 단말기가 설치된 위치가 상이할 수 있다. 특히, 초미세먼지의 특성은 위치에 따라 매우 상이하기 때문에, 초미세먼지 특성 분석기 사이의 결측 지역에 설치된 초미세먼지 센서 단말기에서 정확한 초미세먼지의 질량농도를 측정하기 위해서는, 해당 초미세먼지 센서 단말기 주변의 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 데이터를 전송받아 이를 소정의 규칙에 따라 합산할 필요가 있다.
이를 위해, 예를 들어 공간보간기법 중 하나인 IDW(Inverse Distance Weighted) 기법을 활용할 수 있다. 이는 측정 위치들에서의 실측값의 선형 가중 조합을 이용하여 결측 지역의 미실측값을 추론하는 방법으로, 공간적으로 인접한 지점 사이의 값은 공통된 위치 요인으로 인하여 유사성을 갖게 되는 반면, 두 지점 사이의 거리가 증가할수록 이러한 유사성은 상대적으로 감소한다는 가정에 기반한다.
즉, 해당 초미세먼지 센서 단말기와 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치를 파악하고, 이에 기초하여, 예를 들어 파악된 상대적 위치에 실질적으로 반비례하여 가중치를 정의한다. 이에 따라서, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여, 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 보정된 입경별 수농도에 기초하여 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 정의된 가중치를 적용하여 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출하게 된다. 이로써 결측 지역에 대해서도 상대적으로 정확한 초미세먼지의 질량농도를 추론할 수 있게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템은, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기(10)로부터 분석 대상 입자의 특성, 특히 유효 밀도 및/또는 기준 기준 입경별 수농도를 제공받고, 또한 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기(20)로부터 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 서버(30)를 포함한다.
또한 나아가, 서버(30)는 이러한 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 및 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터의 데이터, 및 상기에서 언급된 공간보간기법을 이용해, 소정의 면적을 포괄하는 일정 지역에서 연속적인 초미세먼지 질량농도 분포를 추론하고 이를 도 9와 같이, 시각화할 수 있다. 이로써, 초미세먼지 질량농도 분포를 한눈에 볼 수 있게 되고 그에 따라 초미세먼지 요염원 추적이 가능해진다. 뿐만 아니라, 이러한 질량농도 분표지도를 시계열로 분석하면, 장단기적인 초미세먼지 추세 분석 및 그에 따른 예보도 가능해질 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 방법의 흐름도이다. 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명된 본 발명에 따른 초미세먼지 질량 농도 측정 시스템에서 중복된 내용은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 방법은, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기에 의해, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는 단계(S100); 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고(S200), 또한 기준 입경별 수농도 및 온/습도 정보에 기초하여 입경별 수농도를 보정하고(S300), 또한 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 보정된 입경별 수농도에 기초하여 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계(S400); 및 서버에 의해, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 단계S(500)를 포함한다.
이 방법에서 이용되는 초미세먼지 특성 분석기, 및 초미세먼지 센서 단말기의 기능 및 그 구체적인 구성은, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템의 설명에서 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 방법은, 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기 측면에서, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 직/간접적으로, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 산출된 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도, 및 기준 입경별 수농도를 제공받는 단계; 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 입경별 수농도를 보정하고, 또한 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 보정된 입경별 수농도에 기초하여 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계; 및 분석 대상 입자의 질량농도를 이를 저장하는 서버로 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법에서 이용되는 초미세먼지 특성 분석기, 및 초미세먼지 센서 단말기의 기능 및 그 구체적인 구성은, 본 발명에 따른 초미세먼지 질량농도 측정 시스템의 설명에서 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨팅 장치를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령(instruction) 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 기록될 수 있다.
상기 프로그램 명령 형태는, 소프트웨어로 통칭될 수 있고, 이는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 (collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨팅 장치상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
요약하면, 본 발명의 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 따르면 어떠한 환경, 예를 들어 시간, 장소, 계절에 상관없이 고신뢰도 측정을 할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법에 따르면 실시간으로 먼지의 평균 밀도를 측정하고, 또한 정교하게 온/습도에 의한 영향을 보정함으로써, 저비용으로 고신뢰도 측정을 할 수 있게 된다.
일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함) 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.
10: 초미세먼지 특성 분석기
20: 초미세먼지 센서 단말기
30: 서버
30: 서버
Claims (23)
- 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는, 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기;
입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기; 및
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 서버를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 초미세먼지 밀도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 초미세먼지 밀도 측정 모듈은,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정되는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 시스템. - 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기에 의해, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하고, 또한 기준 입경별 수농도를 측정하는 단계;
적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계; 및
서버에 의해, 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 제공받고, 또한 상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기로부터 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 제공받아 이를 저장하는 단계를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정되는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기로부터, 분석 대상 입자의 전기이동도 입경 및 공기역학적 입경에 기초하여 산출된 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도, 및 기준 입경별 수농도를 제공받는 단계;
적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기에 의해, 입경별 수농도 및 온/습도 정보를 측정하고, 또한 상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하고, 또한 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하는 단계; 및
상기 분석 대상 입자의 질량농도를 이를 저장하는 서버로 제공하는 단계를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
초미세먼지 센서; 및
상기 초미세먼지 센서와 상기 서버 간의 통신을 위한 무선통신 모듈을 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
상기 기준 입경별 수농도를 측정하는 기준 입경별 수농도 측정 모듈을 포함하고, 이때 상기 기준 입경별 수농도 측정 모듈은,
광학 측정 모듈 및
가열 샘플링부를 포함하고, 상기 가열 샘플링부는,
튜브 형태의 히터, 온/습도 센서 및 상기 분석 대상 입자 주변 공기의 상대 습도를 조절하기 위해 상기 히터를 제어하는 제어부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기는,
분석 대상 입자들을 하전시키는 하전기,
제1 평균의 전기이동도 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 전기이동도 분석기,
제2 평균의 공기역학적 입경을 갖는 분석 대상 입자들을 포집하는 초소형 임팩터, 및
상기 전기이동도 분석기 및 상기 초소형 임팩터에서 포집된 분석 대상 입자들에 의한 전류값들에 기초하여 상기 분석 대상 입자들의 전기이동도 입경 및 상기 분석 대상 입자들의 공기역학적 입경을 산출하고, 이로써 상기 분석 대상 입자의 유효 밀도를 산출하는 밀도산출부를 포함하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 기준 입경별 수농도 및 상기 온/습도 정보에 기초하여 상기 입경별 수농도를 보정하는 것은, 소정 시간 동안 온/습도 정보 및 입경별 수농도를 수집하고 이를 통해 인공 지능을 학습시키는 것에 의하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 센서 단말기는,
상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각에 대하여,
상기 분석 대상 입자의 유효 밀도 및 상기 보정된 입경별 수농도에 기초하여 상기 분석 대상 입자의 질량농도를 산출하고, 이에 할당된 소정의 가중치를 적용하여
상기 분석 대상 입자의 합산된 질량농도를 산출하는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 소정의 가중치는,
상기 초미세먼지 센서 단말기와 상기 적어도 하나의 초미세먼지 특성 분석기 각각의 상대적 위치에 기초하여 결정되는,
인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 측정 방법. - 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
- 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 방법을 하드웨어와의 결합을 통해 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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| KR1020200090693A KR20220011882A (ko) | 2020-07-22 | 2020-07-22 | 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 |
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|---|---|---|---|
| KR1020200090693A KR20220011882A (ko) | 2020-07-22 | 2020-07-22 | 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 |
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| KR1020200090693A KR20220011882A (ko) | 2020-07-22 | 2020-07-22 | 인공지능 기반의 고신뢰도 초미세먼지 질량농도 측정 시스템 및 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117705662A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-15 | 北京英视睿达科技股份有限公司 | 一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法 |
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| US20170124461A1 (en) | 2015-10-28 | 2017-05-04 | International Business Machines Corporation | Air quality forecast by adapting pollutant emission inventory |
| KR101921125B1 (ko) | 2016-12-08 | 2018-11-22 | 에스케이플래닛 주식회사 | 미세먼지 센서를 이용한 기상 정보 관리 장치, 그 방법 및 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록매체 |
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2020
- 2020-07-22 KR KR1020200090693A patent/KR20220011882A/ko unknown
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117705662A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-15 | 北京英视睿达科技股份有限公司 | 一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法 |
| CN117705662B (zh) * | 2024-02-02 | 2024-05-07 | 北京英视睿达科技股份有限公司 | 一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法 |
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