개방형 디자인 및 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14416(2022) 이 기사 인용

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전 세계 도시들은 환경오염으로 어려움을 겪고 있습니다. 기존의 모니터링 방식은 물류 및 비용 관련 문제로 인해 대규모 환경 모니터링을 수행하는 데 효과적이지 않습니다. 저비용 및 저전력 IoT(사물 인터넷) 장치의 가용성은 환경 모니터링에 대한 효과적인 대안임이 입증되었습니다. 이러한 시스템은 시민들에게 환경 모니터링 기회를 제공하는 동시에 센서 정확성 및 대규모 데이터 세트 축적과 관련된 과제에 직면하게 했습니다. 센서 데이터를 분석하고 해석하는 것 자체는 광범위한 컴퓨팅 리소스와 전문 지식이 필요한 엄청난 작업입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실시간 환경 감지 장치와 직관적인 데이터 분석 및 시각화 애플리케이션을 결합한 소셜, 오픈 소스, 시민 중심 IoT(Soc-IoT) 프레임워크가 제시됩니다. Soc-IoT에는 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다. (1) 실내 및 실외 환경 모니터링을 위해 설계 및 평가된 리소스 효율적이고 휴대 가능한 모듈식 장치인 CoSense Unit과 (2) 직관적인 크로스 플랫폼 데이터 분석 및 시각화 애플리케이션인 exploreR입니다. 코딩 없이 센서 데이터를 체계적으로 분석할 수 있는 포괄적인 도구 세트를 제공합니다. 대규모 환경을 모니터링하기 위한 개념 증명 프레임워크로 개발된 Soc-IoT는 기술 장벽을 낮춤으로써 환경 탄력성과 개방형 혁신을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

지난 몇 년 동안 세계는 지역 및 국가 차원에서 도시화가 엄청나게 성장했습니다. 급속한 도시화는 경제성장을 가져왔지만 환경 파괴도 가져왔습니다1. 에너지 생산을 위한 화석 연료의 과도한 사용, 더 많은 도시 공간을 만들기 위한 삼림 벌채 등의 활동은 이미 대기 질 저하에 기여하고 있습니다. 교통 관련 오염(대부분 대기 및 소음 오염)도 환경과 건강 악화에 기여하고 있습니다. 세계보건기구(WHO)는 이미 교통 관련 소음이 인간의 수면 주기를 방해하고 스트레스를 증가시키며 정신 질환을 유발할 수 있기 때문에 공중 보건 위험으로 식별했습니다2. 소음과 대기오염은 도시화의 유일한 부작용이 아닙니다. 도시에서 인공 조명을 과도하게 사용하면 이미 빛 오염이 발생하여 대기 중으로 더 많은 열이 방출됩니다3. 환경오염은 개발도상국이나 저개발국에만 국한된 것이 아니라, 고소득 국가까지도 악영향을 미치고 있습니다4. WHO5의 보고서에 따르면 실내 및 실외 대기 오염 노출은 심장 및 심혈관 질환과 밀접한 관련이 있습니다. 다양한 오염물질 중에서 입자상 물질(PM)은 가스 성분에 비해 인체 건강에 더 위험한 것으로 알려져 있습니다6. 대기 오염과 같은 위협에 맞서기 위해 정부와 환경 보호 기관이 수많은 노력을 기울여 왔지만 PM과 같은 오염 물질 수준을 줄이는 데는 제한적인 성공이 있었습니다. 이는 효과적인 정책을 수립하기 위한 정확하고 세분화된 대기 질 데이터의 가용성이 제한되어 있기 때문입니다. 전 세계 대부분의 국가에서 사용되는 공식 모니터링 네트워크는 제한된 수의 고정 모니터링 스테이션으로 구성됩니다. 이는 정확하지만 제한된 지리적 영역에만 적용됩니다7. 이러한 스테이션은 비용이 많이 들고 부피가 크기 때문에 이러한 스테이션을 대량으로 배치하는 것은 논리적으로 불가능합니다. 마찬가지로, 소음 모니터링 인프라는 값비싼 전문 소음 측정기와 제대로 보정되지 않은 저비용 소음 모니터링 센서로 제한됩니다8.

스마트시티 개념의 대두로 대규모 환경 데이터 수집이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다. 스마트시티는 인프라를 업그레이드하고 사람들에게 더 나은 서비스를 제공할 목적으로 데이터를 수집하기 위해 정보통신기술(ICT)을 도시 구조에 통합한 도시입니다9. 스마트시티의 전략적 목표 중 하나는 경제적, 사회적, 환경적 지속가능성을 향상시키는 것이었습니다10. 지속 가능성 요구 사항을 충족하기 위해 스마트 시티는 삶의 질을 향상시키고, 도시 운영 및 서비스를 개선하며, 지속 가능한 개발을 촉진하는 기술을 사용합니다11. 사물 인터넷(IoT)은 이미 네트워크로 연결된 센서의 데이터를 사용해 교통 제어, 환경 모니터링, 자동 가로등 등 복잡한 시스템을 관리할 수 있게 함으로써 스마트 시티 혁신을 가속화하고 있습니다. 환경 모니터링을 위해 저가형 센서가 내장된 IoT 장치의 사용이 최근 몇 년간 급격하게 증가했습니다12. 센서 비용이 저렴하기 때문에 시민들은 이러한 기술에 접근하여 주민 그룹이 저비용 감지 시스템을 사용하여 주변을 모니터링하고 실행 가능한 데이터를 수집하는 군중 감지와 같은 활동에 사용할 수 있었습니다. 환경 모니터링 솔루션의 오픈 소스 특성도 IoT 기반 환경 모니터링의 증가에 기여했습니다. 오픈 소스는 소스 코드가 무료로 제공되고 재사용 및 재배포가 가능한 모든 프로그램 또는 플랫폼을 의미합니다13. 연구에서 군중 기반 방법의 적용은 지난 10년 동안 크게 증가했습니다10. 이로 인해 크라우드소싱 및 시민 과학과 같은 다양한 형태의 군중 참여가 증가했습니다. 전자는 사람들이 다양한 문제에 대한 아이디어와 해결책을 모으는 과정을 포함하는 반면, 후자는 사람들이 과학적 과정에 참여하고 의견과 귀중한 기여를 제공할 수 있도록 합니다14. 저비용 IoT 시스템을 통해 이전에는 물류 및 재정적 제약으로 인해 기존 모니터링 시스템으로는 불가능했던 더 미세한 시공간 해상도로 대규모 배포 및 데이터 수집이 가능해졌습니다15. 이러한 장치는 주변 환경을 이해하고 의사 결정자가 오염 제어를 위한 더 나은 정책을 만드는 데 도움이 될 수 있는 실시간 대기 질 데이터를 제공합니다. 대기 오염에 대한 인식을 높이고15,16,17, 대기 오염 데이터 세트를 생성하고15,18 대기 질 모니터링에 대한 시민 참여를 장려하고19,20,21, 그리고 데이터에 기반한 의사 결정을 위한 애플리케이션을 만듭니다22,23. 그 영향은 인식 제고에 국한되지 않고 시민의 웰빙을 향상시키기 위한 혁신적인 방법론과 기술 개발에도 적용됩니다24. Pigliautile et al.25,26의 연구는 웨어러블 감지 기술과 같은 혁신적인 솔루션을 사용하여 미기후 변화 및 보행자 편의성과 같은 복잡한 주제를 조사하는 방법에 대한 좋은 예입니다. IoT를 통해 크라우드소싱된 귀중한 데이터는 시민에게 제공되는 위치 기반 서비스에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 데이터는 고급 대기 질 데이터 분석 프레임워크27,28, PM2.5 예측 시스템29,30,31, 스마트 환경 거버넌스를 위한 생태계32,33 및 복원력 있는 도시34를 만드는 데 중요한 역할을 합니다.