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최근 이상기후로 인한 폭염 및 열대야, 한파, 미세먼지 등의 문제가 심화되고 있다. 이러한 문제는 열환경 특성상 밀도가 높고 공기의 흐름이 약한 도시지역이 더 취약하다.도시는 주거, 상업, 공업 등 활동이 밀집된 곳으로 인공열 발생과 오염물질이 집중적으로 발생돼 도시 기후환경이 좋지 않기 때문이다.이번 회에서는 '한강변 개발형태에 따른 폭염기 저온공기의 확산 시뮬레이션 연구 – 서울시 동작구 흑석동 일대를 대상으로'라는 주제의 석사 논문을 소개하고자 한다. 이 논문은 2024년 2월 중앙대학교 대학원 토목공학과 도시공학전공 이재준이 완성했다.고층·고밀의 개발로 인한 공기 흐름이 차단 및 정체되고 도시 내부의 자연공기의 순환이 감소돼 열환경 문제가 심화되고 있다.이러한 열환경 문제는 공원 및 녹지공간 조성과 하천, 강 등 수공간 조성을 통해 완화시킬 수 있으므로 폭염기 저온 공기의 확산 시뮬레이션 연구가 좋은 시도라고 생각한다. 논문의 주요 내용을 간력하게 소개한다.◇ 연구의 목적... 하천지역에서 생성된 저온 공기가 도시 내 지역으로 확산 정도 파악현재 도시 수공간에서 생성된 저온 공기의 확산에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 서울특별시 중간을 가로지르는 한강에 대한 저온 공기 확산을 정량적으로 파악한 연구는 부족하다.이에 따라 도시 내 열환경 문제를 완화하고자 하천지역에서 생성된 저온 공기가 도시 내 지역으로 확산 정도를 확인하고 이에 따른 온도 및 풍속 차이를 건축물 군집유형별로 비교함으로써 열환경 분포 특징을 파악하고자 한다.▲ 도시 수공간 저온공기의 확산 원리◇ 공원녹지 및 수공간 활용이 열환경 개선에 중요한 도시공간요소먼저 공원녹지 및 수공간 활용이 열환경 개선에 중요한 도시공간요소인 것을 확인했다. 특히 도시 수공간의 냉각효과가 오후에 가장 높은 것을 확인했으며 수공간의 종류, 면적, 형태에 따라 냉각효과가 달라진다.둘째, 수공간 저온 공기의 확산에 따른 수공간의 냉각효과는 최대 1,315m까지 영향을 미친다. 기존 전산유체역학)CFD) 프로그램을 활용한 수공간의 냉각효과를 분석한 연구는 한계가 있었다.특정 지점만을 비교 분석하거나 대상지 전체의 평균값을 비교분석했기 때문이다. 또한 CFD시뮬레이션 결과를 지리정보체계(GIS)와 연계해 거리별 냉각효과를 파악한 연구는 부족하다.셋째, 축물 유형 및 배치 등 도시 형태가 온도에 영향을 미치며 상업>주거 및 상업 혼용>주거>녹지지역 순으로 기온이 높게 나타난다.하지만 수공간에서 생성된 저온 공기의 확산에 따른 변화가 건축물의 유형에 미치는 영향을 파악하는 연구는 부족하다.◇ 주요 연구결과... 한강변 지역의 건축물 및 구조물은 한강에서 생성된 저온 공기의 확산 저해연구를 위한 분석은 4단계로 대상지 선정 및 현황분석, 한강변 저온 공기의 확산범위 분석, 한강변 저온 공기의 확산에 따른 건축물 군집유형별 온도변화 분석, 결과 종합 분석 및 시사점 도출하는 것으로 구성된다. 연구 결과는 다음과 같다.첫째, 한강변 지역의 건축물 및 구조물은 한강에서 생성된 저온공기 확산을 저해시켜 내륙 지역의 온도를 0.2도(℃) 상승시킨다.둘째, 한강에서 생성된 저온 공기는 800미터(m)까지 0.10퍼센트(%) 이상의 냉각효과가 있다. 또한 한강변 개발에 의해 저해됐던 저온 공기는 10~14m 이상 높이에서 확산된다. 이는 한강 저 온공기를 활용해 도시 내륙 지역의 열환경 문제에 대한 개선 가능성을 시사한다.셋째, 한강에서 생성된 저온 공기의 확산에 따른 전체, 지형, 건축물 변화에 대한 영향 분석결과, 지형은 84%, 내륙 지역의 건물은 16%의 영향을 준다.넷째, 한강에서 생성된 저온공기의 확산에 따른 내륙지역의 건축물 군집유형별 평균온도는 고층주거지역<상업지역<저층주거지역 순으로 평균온도가 높았다.평균풍속은 상업지역<고층주거지역<저층주거지역 순으로 평균풍속이 높다. 이를 통해 저층주거지역이 한강변 지역의 개발로 인해 영향을 많이 받는 취약지역임을 알수 있다.◇ 연구성과의 한계... 일부 자료릐 분석으로 연구결과를 보편적으로 적용하기에 애로연구의 성과를 보편적으로 적용하기에 어려움이 있으며 CFD 시뮬레이션의 한게에 대해 정리하면 다음과 같다.첫째, 분지지형을 이룬 대상지에 한정함에 따라 보편적으로 적용에 어려움이 있고 CFD 시뮬레이션의 한계로 지형과 건축물 모양을 비롯해 차량, 유동인구 등 실제 환경을 제한적으로 모델링할 수밖에 없었다.둘째, 컴퓨터 처리용량의 부족으로 대상지를 일부 단순화했다는 점과 흑석동 전체를 분석하지 못함에 따라 전체 대상지에서 한강 저온 공기의 확산을 제한적으로 확인했다셋째, 1시간 시뮬레이션 결과를 활용함에 따라 검증 과정에서 통계적 검증이 불가능해 해당 시간대 실측 데이터를 활용할 수밖에 없었다.넷째, 건축물의 군집 유형별로 온도 및 풍속의 변화를 연구했으나 건축물의 유형 및 배치 등에 따른 세부적인 영향을 반영하지는 못했다.◇ 향후 연구과제... 도시 내 수공간 저온 공기의 확산에 대한 보다 상세한 추가 연구 필요도시 내 수공간 저온공기의 확산에 대한 보다 상세한 추가 연구가 필요하다고 생각된다. 특히 도시 수공간을 활용한 열환경을 개선하는 도시설계에 대한 연구가 필요하다.본 연구를 바탕으로 도시 수공간의 저온공기 확산에 따른 거리별 냉각효과 및 건축물 군집유형별 변화를 추가 연구해 도시 재개발 등을 설계하는데 반영되길 기대한다. ▲ 배웅규 전문위원(중앙대학교 교수)
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2022-01-03미국 알파벳(Alphabet)의 자율주행 자회사인 웨이모(Waymo)에 따르면 중국 자동차 제조사 지리자동차(Geely Automobile)와 협력해 전기 자율주행 군집 로봇 택시를 개발하고 있다.개발하고 있는 차량은 지리자동차가 소유하고 있는 스웨덴의 볼보자동차(Volvo)에서 설계했다. 해당 기술을 지리자동차의 전기 자동차인 5도어 지커(Zeekr)에 적용했다.자율주행에 필요한 하드웨어와 소프트웨어가 설치됐다. 차량의 컨셉 이미지는 평평한 바닥, 쉬운 승하차를 위한 B-필러 디자인, 슬라이딩 도어, 리클라이닝 시트를 갖춘 미니밴과 유사하다.참고로 웨이모는 자율주행 로봇 택시 차량 부분의 시장을 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 자율주행 자동차에 대한 수요가 증가하면서 관련 업체들의 경쟁이 치열해지고 있는 상황이다.▲ 웨이모(Waymo)의 홍보자료(출처 : 홈페이지)
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2021-11-02미국 적층가공 업체인 스트라타시스(Stratasys)에 따르면 3D 프린터 군집 관리(printer fleet management)를 위한 그랩캐드(GrabCAD) 적층가공 플랫폼을 론칭했다.스트라타시스는 성능 테스트 및 참조 요구 사항을 충족하는 모든 소프트웨어 공급업체에 플랫폼을 공개했다. 2021년 초부터 AMFG, Teton Simulation, Link3D 및 수십 곳의 파트너가 참여했다. 3만8000명 이상의 애플리케이션 사용자, 2만명의 3D 프린터 및 3000명의 업무플로우 사용자가 이미 참가하고 있다. 이 플랫폼은 개방형 소프트웨어 플랫폼으로서 적층가공의 요청 사항을 수용하도록 설계됐다.특히 다수의 3D 프린터를 관리하고 출력 품질을 모니터링하며 재료 관리를 자동화할 수 있다. 또한 플랫폼은 그랩캐드 프린트를 통합하여 설계와 3D 프린팅 준비간의 업무플로우를 단순화했다.그랩캐드 소프트웨어 개발 키트는 API, 문서, 코드 샘플을 제공하고 엔터프라이즈 IT와의 통합을 지원한다. 또한 계정 관리, 자산 관리, 계획 및 주문 관리, 보안, 품질 관리 및 분석을 위한 타사 애플리케이션도 제공된다.2022년 초 더 많은 기능이 추가될 것으로 예상된다. 이와 같은 적층가공은 소프트웨어 플랫폼 지원과 함께 스마트 제조(smart manufacturing)의 상당한 수혜자가 될 수 있을 것으로 전망된다.▲ 스트라타시스(Stratasys)의 홍보자료(출처 : 홈페이지)
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미국 글로벌 시장조사기관인 리포츠앤데이터(Reports and Data)에 따르면 2026년까지 트럭 군집 시장(Truck Platooning Market)의 연평균성장률(CAGR)은 31.65%이 달할 것으로 전망된다. 트럭 군집 시장은 2018년 US$ 6억5000만달러였다. 트럭 군집 주행은 커넥티비티 기술과 전산화된 운전 지원 시스템을 사용해 차량 한 대에 2대 이상의 트럭을 연결하는 것이다. 자동차 산업의 성장으로 차량과 승객의 안전에 대한 요구가 높아짐에 따라 트럭 군집 시장의 성장이 촉진된 것으로 평가된다. 또한 연료 소비를 낮추려는 수요 증가가 주요 성장 요인으로 분석된다. 배출량 감소와 관련된 정부 규제도 증가하고 있기 때문이다. 특히 트럭 군집 주행 시스템의 일부 고급 기능에는 적응형 크루즈 컨트롤(adaptive cruise control), 전방 충돌 방지 시스템(forward collision avoidance system) 및 차선 이탈 경고(lane departure warning)가 포함된다.트럭에 이러한 기능을 포함하면 반자율주행 수준으로 진입할 수 있어 인적 오류 사고가 발생할 가능성이 줄어들게 된다. 이와 같은 운송 효율 때문에 트럭 군집 주행과 자동화는 더욱 활성화 될 것으로 전망된다.▲ 리포츠앤데이터(Reports and Data)의 홍보자료(출처: 홈페이지)
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2021-07-19영국 국방부에 따르면 군집 드론(drone swarms)을 투입한 최초의 해병특공대 훈련을 실시한 것으로 나타났다. 해상과 해저 그리고 공중에서 연합작전이 이뤄졌다.최근 해병특공대(Royal Marines Commandos)는 미사일 및 레이더 설치와 관련된 침투 훈련을 수행했다. 해군의 통제로 중대형 드론 총 6대가 영국군 최초로 투입돼 임무를 맡았다.이 군집 드론의 임무는 해병대 특공대원에게 필요한 탄약부터 의무병에게 전달될 혈액에 이르기까지 모든 군수물자를 공급하는 것이다. 게다가 드론의 원초적인 감시 및 정찰 임무도 병행했다.군집 드론은 감지 센서와 알고리즘의 분석으로 작전 지역 내 적군의 정보를 수집하도록 프로그래밍됐다. 정확하게 적을 식별하고 공격할 표적의 정보를 실시간으로 처리 및 공유했다.이번 훈련에 가장 중점을 두고 있는 드론 기술은 자율비행이다. 이번 훈련 시 단일 통제소에서 6대의 드론을 모두 자율비행 시스템으로 제어했다. 향후 더 많은 드론을 운영하겠다는 계획이다.자율비행은 미래 군사작전에 인간과 드론의 원활한 결합의 전제 조건이다. 특공대원이 원월하게 작전을 수행할 수 있도록, 자율비행드론을 서포터로써 활용한다는 방침이다.국방부는 이번 훈련이 드론의 군사적 효용성만을 강조하는 것이 아니라고 주장한다. 드론이 전투인력을 대체하는 것이 아니라 특공대원의 전투력을 향상시킬 수단이라고 강조했다.▲영국 해병특공대 훈련 모습(출처 : ROYAL MARINES 홈페이지)
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2021-07-07이스라엘 방위군(IDF)에 따르면 최근 인공지능(AI) 기술을 적용한 군집 드론으로 팔레스타인 무장정파 하마스의 공격에 대응한 것으로 나타났다.방위군에 배치된 이동식 방공 시스템인 아이언 돔(Iron Dome)이 최근 가자지구에서 발생한 하마스의 로켓 공격을 성공적으로 저지한 것은 이미 보도된 바 있다.하지만 군집 드론으로 하마스 군사기지에 대한 정보 수집과 대응 공격을 가한 사실은 공개되지 않았다. 방위군도 군집 드론에 대한 작전 임무가 완벽하지 않았기 때문이다.인공지능(AI) 기술과 슈퍼컴퓨터가 연계된 군집 드론은 하마스 일대의 공격 표적을 정확하게 탐지했다. 이후 표적물에 대한 공격도 성공적이었다는 것이 방위군의 입장이다.군집 드론의 이점은 작전 중 몇 대가 실종되거나 격추돼도 남은 드론으로 작전이 지속된다는 데 있다. 자율비행드론 기술이 집약된 군집 드론은 군내 별도로 연구개발을 진행하고 있다.또한, 인공지능과 슈퍼컴퓨터로 확보한 표적을 끝까지 추적하고 추후 적 공격의 출처를 분석 및 예측하는 데도 효과적이다. 이번 하마스 로켓 공격의 발사지점을 파악하는 데 인공지능 기술이 크게 일조했다.현재 방위군은 스파이 윙(spy wing)으로 불리는 ‘유닛 8200’을 개발하고 있다. 알고리즘 기술을 복합적으로 접목해 적 주둔지에 대한 다양한 정보를 탐색하고 식별하기 위한 목적이다.▲이스라엘 아이언 돔 구현 이미지(출처 : Rafael)
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2021-05-20스위스 로잔연방공과대학(EPFL)에 따르면 군집 드론의 원활한 비행을 위해 기체 간 비행경로를 예측하는 인공지능(AI) 시스템을 개발하고 있다.대중에 공개된 군집 드론의 비행 모습은 대부분 야외 행사에서 볼 수 있다. 정해진 지점으로 이동해 각자의 위치에서 비행하는 호버링에 집중하는 방식이다.그러나 군집 드론이 실내에서 비행한다면 얘기는 달라진다. 실내의 수많은 장애물부터 그 장애요소를 피해가는 각 기체의 움직임을 모두 통제할 수 있어야 하기 때문이다.로잔연방공과대 인공지능연구소(LIS)는 비행경로를 스스로 탐색하는 AI 시스템, 타 기체의 움직임까지 예상 경로에 적용하는 딥러닝 시스템을 각각 개발 중이다.만약 한개의 기체가 장애물을 피하기 위해 경로를 변경하면 주변 기체가 이 데이터를 반영해 자동으로 경로를 동기화한다. 주변 및 후방에 위치한 기체의 속도가 일시적으로 줄어들거나 충돌할 위험이 발생한다.결국 기체 간 충돌을 방지하고 원활하게 장애물을 피하기 위해 미래 움직임까지 예측하는 딥러닝 방식을 연구하게 된 것이다. 현재는 초소형 드론으로 연구를 진행 중이다.인공지능연구소는 “새떼가 이동할 때 다른 개체의 움직임까지 예측하면서 무리 이동을 하는지는 파악할 수 없다”면서 “기계라면 별도 학습이 필요하다고 생각한다"라고 말했다. ▲인공지능 군집 드론 비행 테스트 장면(출처 : 로잔연방공과대 홈페이지)
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2021-05-19체코 체코공과대학(CTU) 멀티로봇시스템 연구진에 따르면 최근 몇 주간 아랍에미리트 사막에서 군집 드론의 완전자율비행 연구를 진행 중인 것으로 나타났다.현재 연구팀은 새나 물고기의 무리 이동 방식을 착안해 완전자율비행 알고리즘을 구성하고 있다. 군집 드론은 다수의 드론이 서로 충돌하지 않고 하나의 유기체로 운행돼야 하기 때문이다.무리 이동이 가능한 동물들의 특성상 인접한 동료 개체를 감지하는 감각기관이 상당히 발달해 있다. 개체 간 거리를 유지하면서 적절하게 분산하고 이동할 수 있는 이유이다.군집 드론을 테스트할 때에 물고기나 새의 감각기관과 유사한 방식으로 주변 드론을 인식할 수 있는 온보드 카메라를 장착했다. 동물의 한계성을 극복하기 위해 GPS 통신망도 연결해 실험을 진행 중이다.연구진이 군집 드론을 연구하는 목적은 인명 구조 및 수색용 드론 시스템을 구축하기 위함이다. 하나는 사막에 투입할 초소형 군집 드론을, 다른 하나는 복층 건물을 수색하는 군집 드론이다.사막과 같은 광활한 지역은 수색 임무가 중요하기 때문에 기존 10kg 중량의 드론은 지양하자는 입장이다. 마치 새처럼, 센서 장비의 경량화로 중량을 200g까지 낮추는 것이 목표다. 복층 건물의 경우 사고 현장을 염두에 두고 사람 및 설비를 수색하는 데 사용된다. 지금처럼 드론 1기가 아닌 다수의 드론을 여러 현장에 동시 다발적으로 투입시키기 위한 목적이다.연구진은 "동물들이 자연스럽게 떼로 이동하듯이 군집 드론도 사람의 통제 없이 스스로 움직일 날이 올 것이다"라며 연구성과에 대한 자신감을 내비쳤다.▲아랍에미리크 사막에서 테스트 비행 중인 군집 드론(출처 : 체코공과대 홈페이지)
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2021-05-14일본 복합전자기업 소니(SONY)에 따르면 특정 지역의 소음을 제거하는 데 군집 드론이 투입되는 방식이 특허로 출원됐다. 출원처는 미국특허청(USPTO)이다.특허의 핵심 내용은 소음이 많은 특정 지역에 다수의 드론을 배치시켜 특수 오디오 장비로 주변 소음을 제거하는 것이다.소음이 발생하는 지역에 방음벽을 설치하는 것은 환경적, 비용적 측면에서 상당히 제한적이다. 이때 드론을 활용한다면 더 쉽게 소음을 해결할 수 있다고 본 것이다.하지만 특허를 출원했어도 이 방식이 상용화되려면 더 많은 조건을 충족해야 한다. 먼저 군집 드론을 운용할 수 있는 통합 컨트롤 시스템이 구축돼야 한다.각 기체별로 본다면 조직화된 자율비행을 위한 알로리즘 프로그램과 실시간 데이터를 수집할 수 있는 카메라와 측정 장비 등이 필요하다.무엇보다 변칙적인 환경 조건에 대응할 수 있는 군집 드론의 원활한 운용을 위해 막대한 양의 데이터가 사전에 확보돼야 한다.이처럼 지금은 발명 초기 단계에 놓인 방식에 불과하다. 해당 기술이 좀 더 안정화된다면 광산이나 공장 등 산업 현장에서 수요가 발생할 것으로 전망된다.▲소니에서 개발한 Airpeak 드론 홍보 영상 중(출처 : 홈페이지)
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2021-05-03미국 해군(US Navy)이 2021년 4월 26일 공개한 훈련 보고서에 따르면 군집 드론(Drone Swarm)이 공격 목표물인 수상함을 파괴하는 데 성공한 것으로 드러났다.본 훈련의 공식 명칭은 ‘무인 시스템 통합 대응(Unmanned Systems Integrated Battle Problem 21)’으로 캘리포니아 인근 해역에서 수행됐다.군집 드론의 공격 훈련은 계획된 여러 작전 중 하나였다. 훈련 상황은 유도미사일 구축함 USS John Finn과 교전 중인 수상함을 타격하는 것으로 구성됐다.훈련 시 USS 함대와 군집 드론이 네트워크로 연결돼 연합작전을 펼쳤고 수상함을 파괴하는데 성공했다. 피격된 수상함은 단순 목표물이 아닌 대드론 방공 데이터를 수집하기 위한 타겟이었다.다만 이번 무인시스템 훈련에 대한 미해군의 설명이 반쪽짜리에 그쳤다는 평가가 많았다. 군집 드론의 크기나 유형, 규모가 공개되지 않았기 때문이다.군사 전문가들은 미국이 남중국해 분쟁 대상국인 중국에 대응하기 위한 방편으로 군집드론 훈련을 수행했고, 이를 비공개에 부쳤을 가능성에 무게를 두고 있다.현재 중국은 남중국해를 거점으로 미국 함대 및 항공기에 대응할 미사일 방어체계를 개발하고 있다. 미국은 그 대응책으로 군집 드론을 내세웠을 것이란 분석이 제기된다.참고로 2020년 8월경 남중국해에서 훈련 중인 중국군 작전 지역에 미군 고고도 정찰기 U-2가 출현했다. 당시 중국군은 탄도미사일 2발을 발사하며 응수한 바 있다.▲록히드사에서 설계한 고고도 정찰기 U-2(출처 : wikipedia)
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