KR20230061678A - 배출 가스 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

인공 신경망을 이용하여 배출 시설 환경에 최적화되는 배출 가스 측정 시스템 및 그 동작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 배출 가스 측정 시스템은 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 장치; 및 전처리 장치로부터 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 센서 장치를 포함하며, 센서 장치는 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행할 수 있다.

Description

배출 가스 측정 시스템 및 그 방법{System for measuring exhaust gas and method of operation thereof}
배출 가스 측정을 위한 기술로서 특히, 인공 신경망을 이용하여 배출 시설 환경에 최적화되는 배출 가스 측정 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
굴뚝원격감시체계는 사업장 굴뚝에 설치된 자동측정기에서 실시간 측정된 대기오염물질의 측정값을 자료수집기(Datalogger)로 전송하고, 자료수집기는 통신망(인터넷)을 통해 한국환경공단으로 전송하는 시스템이다.
그러나, 굴뚝원격감시체계는 매우 고가의 장비로 대기환경보전법 상 사업장 분류 중 4,5 종에 해당하는 영세사업장에서 활용하는데 어려움이 있다. 반면, 배출 가스의 경우 매우 고온 및 다습한 성질을 가지고 있어 저가의 상용 센서를 이용하여 측정하는데 한계가 있다. 이에 따라, 인공 신경망을 이용하여 상용 센서의 정확도를 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0103356호 (2020. 09. 02. 공개)
인공 신경망을 이용하여 배출 시설 환경에 최적화되는 배출 가스 측정 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는데 목적이 있다.
일 양상에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 장치; 및 전처리 장치로부터 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 센서 장치를 포함하며, 센서 장치는 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행할 수 있다.
센서 장치는 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서를 포함하는 센서부; 및 센서부로부터 측정 정보를 수신하여 오염값을 계산하도록 학습되는 인공 신경망을 포함하는 제어부를 포함할 수 있다.
인공 신경망은 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서 각각의 측정 정보를 입력 받아 오염값을 출력하며, 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교한 피드백 정보를 수신하여 학습을 수행할 수 있다.
센서 장치는 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값의 오차가 임계값 이내가 되는 경우 인공 신경망의 학습을 완료하여 초기화를 완료할 수 있다.
센서 장치는 초기화가 완료된 경우, 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신하지 않으며, 계산된 오염값을 저장부에 저장할 수 있다.
배출 가스 측정 시스템은 외부 사용자 단말과 통신을 수행하는 통신 장치를 더 포함하며, 센서 장치는 오염값이 소정 값 이상이 되는 경우, 통신 장치를 통하여 외부 사용자 단말로 오염값에 대한 정보를 전송할 수 있다.
일 양상에 따르면, 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 단계; 및 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 단계를 포함하며, 오염값을 계산하는 단계는 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행할 수 있다.
인공 신경망을 이용하여 센서 측정값을 보정함으로써 보다 정확하게 대기오염물질을 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배출 가스 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배출 가스 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 배출 가스 측정 시스템 및 그 동작 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배출 가스 측정 시스템의 구성도이다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템(100)은 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 장치(110), 및 전처리 장치로부터 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 센서 장치(120)를 포함할 수 있다.
일 예로, 배출 시설에서 발생하는 배출 가스는 고온 및 다습의 성질을 가지고 있다. 이에 따라, 고온 및 다습의 배출 가스에 포함된 대기오염물질을 직접 측정하기 위해서는 환경 조건에 강건한 센서를 이용하여야 한다. 그러나, 이러한 센서는 매우 고가이며, 공급량이 한정되어 있어 사용 및 유지 보수에 어려움이 있다. 반면, 고온 및 다습한 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 과정을 거치는 경우, 환경 조건이 낮은 상용 센서를 이용하여 배출 가스에 포함된 대기오염물질을 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
일 실시예에 따르면, 센서 장치(120)는 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서를 포함하는 센서부(121) 및 센서부(121)로부터 측정 정보를 수신하여 오염값을 계산하도록 학습되는 인공 신경망을 포함하는 제어부(123)를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 센서부(121)는 온도,습도, 산소 및 유량 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 또한, 센서부(121)는 먼지, 일산화탄소, 질소산화물, 이산화황, 염화수소, 불화수소, 암모니아 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 대기오염물질 측정 센서를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 센서 장치(120)는 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행할 수 있다.
예를 들어, 배출 가스 측정 시스템(100)을 구성하고 있는 전처리 장치(110) 및 센서 장치(120)의 센서들은 제조 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 또한, 배출 가스 측정을 수행할 배출 시설에 따라 온도, 습도, 배출량, 대기오염물질의 종류 등의 특성이 상이할 수 있다. 이에 따라, 배출 가스 측정 시스템을 설치 후 초기화를 통한 조율(tuning) 과정이 필요할 수 있다. 특히, 인공 신경망을 통한 배출 가스의 오염 정도를 측정하기 위해서는 환경에 맞는 학습 과정이 필요하다.
일 실시예에 따르면, 제어부(123)에 포함된 인공 신경망은 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서 각각의 측정 정보를 입력 받아 오염값을 출력하며, 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교한 피드백 정보를 수신하여 학습을 수행할 수 있다.
일 예로, 배출 가스 측정 시스템(100)을 배출 시설에 설치 후 가동을 시작하면, 배출 시설 및 전처리 장치(110)의 동작에 따라 온도, 습도, 대기오염물질의 배출량 및 종류 등이 시시각각 변화할 수 있다. 이때, 인공 신경망은 센서부(121)를 구성하는 각각의 센서들을 통해 획득한 측정 정보를 입력 받을 수 있으며, 입력된 측정 정보에 기초하여 오염값을 계산하여 출력할 수 있다.
일 예로, 제어부(123)는 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 기준 측정 장치는 고온 및 다습한 배출 가스를 직접 측정할 수 있도록 제작되어 배출 시설에서 배출되는 대기오염물질을 전처리 과정 없이 직접 측정할 수 있으며, 측정값이 공인된 장치일 수 있다.
일 예로, 제어부(123)는 인공 신경망을 통해 계산된 오염값과 기준 측정 장치에서 측정한 기준 오염값을 비교할 수 있으며, 그 결과를 이용하여 인공 신경망을 학습시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 센서 장치(120)는 소정 범위의 온도 및 소정 범위의 습도 내에서 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값의 오차가 임계값 이내가 되는 경우 인공 신경망의 학습을 완료하여 초기화를 완료할 수 있다.
일 예로, 전처리 장치(110)를 통해 센서 장치(120)로 입력되는 배출 가스의 온도 및 습도는 소정 범위 내의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 전처리된 배출 가스의 온도 범위는 30oC ~ 80oC 일 수 있으며, 습도 범위는 45% ~ 65% 일 수 있다.
이때, 인공 신경망은 온도 범위 내 소정 간격 및 습도 범위 내 소정 간격 마다 오염값에 대한 학습을 수행하며, 모든 경우에서 오염값의 오차가 임계값 이내가 되는 경우, 학습을 완료할 수 있다. 예를 들어, 온도 간격이 5oC인 경우, 30oC ~ 80oC 범위에서 5oC 간격으로 증가시키며 오염값을 계산할 수 있다. 또한, 습도 간격이 5%인 경우, 45% ~ 65% 내에서 5% 간격으로 증가시키며 오염값을 계산할 수 있다.
예를 들어, 인공 신경망은 30oC , 45% 환경에서 배출 가스의 오염값을 계산할 수 있으며, 이 조건에서의 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교하여 인공 신경망을 학습시킬 수 있다. 해당 조건에서 학습이 완료된 경우, 온도 및 습도 조건을 위에서 설명한 바와 같이 변화시킬 수 있으며, 변화된 조건에서 반복적으로 인공 신경망을 학습시킬 수 있다.
일 예에 따르면, 배출 시설의 공정에 따라 온도, 습도 및 대기오염물질의 배출량 및 종류 등이 달라질 수 있다. 이에 따라, 인공 신경망은 공정에 따른 센서부(121)의 측정 정보를 획득하여 오염값을 계산할 수 있다. 또한, 센서 장치(120)는 동일한 공정에서 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보를 획득할 수 있다. 센서 장치(120)는 배출 시설의 공정에 따른 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교하여 인공 신경망을 학습시킬 수 있다. 이를 위해서, 초기화 과정은 오염값의 오차가 임계값 이내가 될 때까지 배출 시설의 공정을 반복 수행하여 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 센서 장치(120)는 초기화가 완료된 경우, 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신하지 않으며, 계산된 오염값을 저장부(미도시)에 저장할 수 있다.
일 예로, 센서 장치(120)는 초기화가 완료된 후 독립적으로 배출 가스의 오염을 측정할 수 있다. 이에 따라, 전처리 장치(110)는 배출 시설의 공정에서 발생하는 배출 가스를 전처리할 수 있으며, 센서 장치(120)는 각 공정에서 발생되는 대기오염물질을 측정할 수 있다. 또한, 센서 장치(120)는 계산된 오염값에 대한 정보를 별도의 저장부에 저장하여 관리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템(100)은 외부 사용자 단말과 통신을 수행하는 통신 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 LTE, 5G와 같은 셀룰러 통신, Wi-Fi 통신 등의 통신 기술을 이용하여 사용자 단말과 통신을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 센서 장치(120)는 오염값이 소정 값 이상이 되는 경우, 통신 장치를 통하여 외부 사용자 단말로 오염값에 대한 정보를 전송할 수 있다.
일 예로, 배출 시설에서 과도한 대기오염물질을 배출하는 경우, 배출 가스 측정 시스템은 배출 시설을 관리하는 관리자에게 해당 사실을 통지할 필요가 있다. 이에 따라, 배출 가스 측정 시스템은 센서 장치(120)에서 계산된 오염값이 소정 값 이상인 경우, 미리 지정된 사용자 단말로 해당 정보를 전송하여 배출 시설의 상태를 관리하도록 할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 배출 가스 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절할 수 있다(310).
일 예로, 배출 가스 측정 시스템은 고온 및 다습한 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 과정을 통하여 환경 조건이 낮은 상용 센서를 이용하여 배출 가스에 포함된 대기오염물질을 측정하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산할 수 있다(320).
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서 등의 각종 센서 및 센서로부터 측정 정보를 수신하여 오염값을 계산하도록 학습되는 인공 신경망을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 온도,습도, 산소 및 유량 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 또한, 배출 가스 측정 시스템은 먼지, 일산화탄소, 질소산화물, 이산화황, 염화수소, 불화수소, 암모니아 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 대기오염물질 측정 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 오염값을 계산함에 있어서, 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템에 포함된 인공 신경망은 온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서 각각의 측정 정보를 입력 받아 오염값을 출력하며, 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교한 피드백 정보를 수신하여 학습을 수행할 수 있다.
일 예로, 인공 신경망은 각각의 센서들을 통해 획득한 측정 정보를 입력 받을 수 있으며, 입력된 측정 정보에 기초하여 오염값을 계산하여 출력할 수 있다.
일 예로, 배출 가스 측정 시스템은 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 기준 측정 장치는 고온 및 다습한 배출 가스를 직접 측정할 수 있도록 제작되어 배출 시설에서 배출되는 대기오염물질을 전처리 과정 없이 직접 측정할 수 있으며, 측정값이 공인된 장치일 수 있다.
일 예로, 배출 가스 측정 시스템은 인공 신경망을 통해 계산된 오염값과 기준 측정 장치에서 측정한 기준 오염값을 비교할 수 있으며, 그 결과를 이용하여 인공 신경망을 학습시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 소정 범위의 온도 및 소정 범위의 습도 내에서 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값의 오차가 임계값 이내가 되는 경우 인공 신경망의 학습을 완료하여 초기화를 완료할 수 있다.
일 예에 따르면, 배출 시설의 공정에 따라 온도, 습도 및 대기오염물질의 배출량 및 종류 등이 달라질 수 있다. 이에 따라, 인공 신경망은 공정에 따른 센서들의 측정 정보를 획득하여 오염값을 계산할 수 있다. 또한, 배출 가스 측정 시스템은 동일한 공정에서 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보를 획득할 수 있다. 배출 가스 측정 시스템은 배출 시설의 공정에 따른 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 계산된 오염값을 비교하여 인공 신경망을 학습시킬 수 있다. 이를 위해서, 초기화 과정은 오염값의 오차가 임계값 이내가 될 때까지 배출 시설의 공정을 반복 수행하여 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 초기화가 완료된 경우, 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신하지 않으며, 계산된 오염값을 저장할 수 있다.
일 예로, 배출 가스 측정 시스템은 초기화가 완료된 후 독립적으로 배출 가스의 오염을 측정할 수 있다. 또한, 배출 가스 측정 시스템은 계산된 오염값에 대한 정보를 별도의 저장 장치에 저장하여 관리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 외부 사용자 단말과 통신을 수행하는 통신 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 LTE, 5G와 같은 셀룰러 통신, Wi-Fi 통신 등의 통신 기술을 이용하여 사용자 단말과 통신을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배출 가스 측정 시스템은 오염값이 소정 값 이상이 되는 경우, 통신 장치를 통하여 외부 사용자 단말로 오염값에 대한 정보를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 배출 가스 측정 시스템
110: 전처리 장치
120: 센서 장치
121: 센서부
123: 제어부

Claims (7)

  1. 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 장치; 및
    상기 전처리 장치로부터 전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 센서 장치를 포함하며,
    상기 센서 장치는
    상기 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 상기 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행하는, 배출 가스 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 장치는
    온도 센서, 습도 센서 및 대기오염물질 측정 센서를 포함하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 측정 정보를 수신하여 오염값을 계산하도록 학습되는 인공 신경망을 포함하는 제어부를 포함하는, 배출 가스 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인공 신경망은
    상기 온도 센서, 상기 습도 센서 및 상기 대기오염물질 측정 센서 각각의 측정 정보를 입력 받아 오염값을 출력하며,
    상기 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 상기 계산된 오염값을 비교한 피드백 정보를 수신하여 학습을 수행하는, 배출 가스 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 장치는
    상기 기준 측정 장치의 기준 오염값 정보와 상기 계산된 오염값의 오차가 임계값 이내가 되는 경우 상기 인공 신경망의 학습을 완료하여 초기화를 완료하는, 배출 가스 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서 장치는
    초기화가 완료된 경우, 상기 기준 측정 장치로부터 기준 오염값 정보를 수신하지 않으며, 상기 계산된 오염값을 저장부에 저장하는, 배출 가스 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    외부 사용자 단말과 통신을 수행하는 통신 장치를 더 포함하며,
    상기 센서 장치는 오염값이 소정 값 이상이 되는 경우, 상기 통신 장치를 통하여 상기 외부 사용자 단말로 오염값에 대한 정보를 전송하는, 배출 가스 측정 시스템.
  7. 배출 시설로부터 배출 가스를 입력 받아 배출 가스의 온도 및 습도를 조절하는 전처리 단계; 및
    전처리된 배출 가스를 입력 받아 온도, 습도 및 대기오염물질 농도를 측정하여 오염값을 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 오염값을 계산하는 단계는
    상기 배출 시설과 직접 연결된 기준 측정 장치로부터 상기 배출 가스의 기준 오염값 정보를 수신하여 초기화를 수행하는, 배출 가스 측정 방법.






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