02분반 4조 먼지살수없 조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도로 미세먼지 및 온도 관리를 위한 스마트 버스 살수 시스템

영문 : Smart Bus Spray System for Road Fine Dust and Temperature Management

과제 팀명

먼지살수없 조

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 박**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

도로의 비산먼지 저감을 위해 살수차량을 운행하고 있는데, 기존의 방식은 여러 단점이 존재한다. 효율성을 위해 일정 구역을 한 번만 지나고 이 때 많은 양의 물을 뿌리게 된다. 이로 인해 물이 차량 바퀴에 의해 튀고 다른 차량 운전자들이 민원을 제기할 수 있다. 또한, 물의 양이 충분하지 못하다면 대기 중으로 먼지가 재비산하여 저감효과가 반감된다. 그리고 현재 살수차 운영 방식으로는 도로 곳곳에 충분히 살수할 수 없다. 무더운 여름철이나 미세먼지가 많은 날에만 한정적으로 도입하고 있는데 교통량이 증가하여 특정 구간의 미세먼지가 급격히 높아지거나 더위가 극심한 경우에는 한계가 있을 수 있다.
이러한 단점들을 개선하기 위해 버스에 살수장치를 설치하고자 한다. 살수차 1대의 살수 용량을 나누어 버스 여러 대가 운용하므로 한 번에 많은 양을 살수하지 않는다. 따라서 물튀김으로 인한 운전자의 불만을 완화할 수 있고 같은 도로를 지나는 여러 대의 버스로부터 살수하기 때문에 각 물탱크의 용량을 줄일 수 있으며 미세먼지 재비산 현상 또한 완화할 수 있다. 그리고 스마트 살수 시스템을 설계하여 정류장에 버스가 접근할 때 다음 정류장 구간까지 미세먼지 농도와 온도를 실시간으로 수신해 만약 농도가 임계치보다 높다면 이를 저감하기 위해 살수장치를 작동하고자 한다, 이를 통해 효율적으로 물을 사용할 수 있다. 살수차를 운행할 필요없이 기존에 운행하는 버스에 장착하는 형식이기 때문에 인건비, 행정 비용 등에 대한 절감효과 또한 기대할 수 있을 것이다.

개발 과제의 배경

기존의 도로 살수차 운영은 비용이 많이 들고 효율적이지 않다. 기존의 살수차는 Figure 1 과 같이 물을 고압으로 살수하여 도로를 씻어내는 방식이며, 이러한 형태를 일반 살수차라 부른다. 이러한 형태에는 여러가지의 단점이 존재한다. 먼저 살수 된 도로위의 물이 다른 차량 바퀴에 의해 튀김으로서 다른 차량 운전자들로부터 빈번하게 불만이 제기된다. 한 길목은 한 번만 지나는 운영 방침 때문에 한 번에 최대한 많은 양의 물을 뿌리기 때문이다. 두번째로는 살수 된 물의 양이 충분하지 못할 경우 제거되지 못한 먼지가 다시 대기 중으로 비산하여 효과가 반감될 수 있다. 세번째로는 현재 운용하고 있는 살수차로는 자치구들의 모든 도로에 충분히 살수하지 못한다. 현재 우리나라의 경우 미세먼지가 많거나 무더운 여름철 때에 살수차를 기간적으로 도입하고 있다. 이러한 경우 다른 때에 특정 도로의 미세먼지가 높거나 더위가 심할 경우에는 살수차의 도움을 받지 못한다는 것이다.

Figure 1. 일반 살수차량

우리는 이러한 단점들을 개선하고자 공공버스에 살수장치를 달고자 한다. 우리의 시스템을 구현한다면 물을 적정한 양으로 공급할 수 있으며, 미세먼지 저감과 지표면 온도 감소 등의 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 버스 여러 대가 살수차 1대의 물의 양을 나누어 적정할 때에 뿌리기에 물튀김으로 인한 다른 차량 운전자로부터의 불만이 줄어들 것이다. 두 번째 단점으로 언급되었던 물의 양 부족 또한 한 대의 버스에 물이 부족하더라도 같은 도로를 지나는 다른 여러 버스로부터 물이 충분히 공급될 수 있을 것이다. 버스는 사시사철 모든 시내를 구석구석 돌아다니며 미세먼지 농도 및 온도 정보를 수집하여 살수장치를 제어하기에 자치구들의 모든 도로에 언제나 충분히 살수 될 수 있음과 동시에 기존 살수차의 비용 절감 및 효율적인 물 사용을 실현한다.

분석 및 기대효과

시장분석

강점(Strength)은 다음과 같다. 스마트 도로 미세먼지 저감 시스템으로 버스 정류장 간 미세먼지가 높은 구간에서 처리할 수 있어 전력 및 살수용량의 저감을 장점으로 채택할 수 있다. 또한, 기존 도로 미세먼지 저감 차량은 제한된 시간에 제한된 구간을 살수하여 처리하는 반면 대중교통에 탑재한 본 시스템은 대중교통이 운행되는 시간이라면 가동이 가능하며 제한된 구간에서만 살수하던 기존 살수차량과 달리 버스 노선이라면 모두 살수가 가능하다는 강점을 지닌다.
약점(Weakness)은 다음과 같다. 본 시스템은 추가적인 장치가 설치가 요구되며 살수에 필요한 액체를 담기 위해 적지 않은 부피와 무게가 탑재될 것이며 각 버스 정류장 및 살수 액체 보충을 위한 스테이션의 설치가 필요할 것으로 예상된다. 또한, 기존 살수차량에 비해 자유로운 동선을 지닌 버스이지만 버스가 지나다니는 차선에만 살수가 가능하다는 약점을 지닌다.
기회(Opportunity)는 다음과 같다. 본 시스템을 통해 대중교통과 융합된 친환경 시스템을 구축하는데 받침이 될 것으로 예상된다. 기존 신규로 도입한 친환경 시스템이 특정 지자체에 제한적으로 설치 후 전국적으로 확대되는 경향성을 보였으며 이에 따라 대중교통 융합형 친환경 시스템을 구축하는데 도움이 될 것으로 사료된다. 또한, 도로에서 구간 별로 장치를 스마트하게 가동하는 장치의 특성상 데이터 수집을 필요로 하므로 다른 장치에 데이터를 공유하며 스마트 미세먼지 저감 장치의 확대를 기대할 수 있다.
위협(Threat)은 다음과 같다. 기존에 사용하는 도로 미세먼지 살수차량의 운행에 큰 어려움이 없는 상황이다. 또한, 버스에 추가적인 장치를 도입하는 본 시스템의 특성상 버스를 운영하는 운수회사 및 지자체의 협조가 필요하다.

위와 같은 스마트 살수장치의 SWOT을 통해 다양한 전략을 생각할 수 있다.

기대효과

기술적 효과는 다음과 같다. 스마트 버스 시스템은 현재 운영되고 있는 살수차량들의 기술적 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다. 현재 살수차 운영 방식으론 일정 구역에서 물을 살포해 살수차가 다니는 구역에서만 도로 청소가 이루어지고 그 외 지역에선 청소가 이뤄지지 않고 있는 실정이다. 하지만 살수장치를 갖춘 버스가 운행되면 대부분의 지역에서 버스가 운행됨으로 전국 대부분의 도로 표면을 효과적으로 청소할 수 있고 미세먼지 저감을 노릴 수 있다. 또한 도로에서 비산하는 미세먼지를 원천적으로 막아 공기질 향상을 불러일으킬 수 있다. 이렇듯 기존의 살수차량 운영 대비 살수의 유연성 및 효율성의 기술적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 현재의 살수차량은 살수차량이 지나가는 도로에 따라 살수가 진행되는데 버스의 노선을 고려하며 현장의 미세먼지 수치 데이터를 고려한다면 미세먼지가 높은 지역의 도로에서만 효과적인 공기질 개선을 이뤄낼 수 있다. 필요 지역에만 물을 분사한다면 기존 살수차보다 적은 양의 물로 큰 기술적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

경제적 효과는 다음과 같다. 스마트 버스 시스템 운영할 시 다양한 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 우선 기존 운영되고 있는 버스에 살수장치를 부착함으로써 한 가지의 기능만 하던 버스의 활용을 다목적 활용으로 전환시키며 경제적 효과를 일으킨다. 버스가 승객 이송과 도로 청소 기능을 동시에 하고 살수차량을 따로 제작하지 않아도 되어 경제적 효과가 실현된다. 만약 살수차량과 버스를 모두 운행하다 고장 발생 시 두 차량을 각각 수리를 해야 하는 문제가 발생한다. 하지만 버스에 살수장치를 장착함으로써 인프라를 공유하게 하여 별도의 살수차량 운영 및 유지보수에 필요한 비용을 절감할 수 있고 차량 유지보수 빛 운영 비용을 최적화하여 초반엔 버스에 살수장치를 다는 손해가 발생하더라도 장기적으로 비용 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한 살수장치를 운행하는 데에 필요한 인력을 줄일 수 있어 인건비 또한 절감할 수 있다. 기존의 버스에 살수장치를 부착하는 간단한 기술로, 버스 살수차량이 각각 운행되면 제작, 인건비, 수리비 등의 비용이 버스와 살수차량 각각에서 부과되지만 이를 하나로 통합한다면 이러한 비용을 효율적으로 줄여 경제적 효과를 일으킬 수 있다. 또한 기존의 살수차량보다 효율적으로 물을 분사하고 더 많은 구역에서 살수를 진행하기 때문에 효율적인 도로 관리로 청결한 도로 환경 및 공기질과 이로 인해 도로 수명을 연장하고, 장기적으로 도로 보수 비용에 대한 감소도 일어날 것으로 기대된다. 결국 이러한 깨끗한 도로 환경은 시민들에게 더 나은 생활 환경을 제공하고 청결한 공기질을 제공함으로써 추가적인 경제적 효과도 기대된다.

사회적 효과는 다음과 같다. 환경적으로 기존 방식에 비해 물 절약을 할 수 있다. 살수차를 15km/h의 속도로 고압 살포 방식으로 물청소를 진행하면 약 70km의 도로를 살포하는데 10t의 물이 모두 소진되는 한편, 저압 살포 방식으로 비산방지제 200배 희석액 8t을 살포할 경우 4.3km 도로 물청소가 가능하다는 실험 결과가 있다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

설계 요구 사항

요구사항은 총 6가지로 스마트 버스 시스템을 설계하는데 있어 필요한 요구사항을 표에 정리하였다. 요구사항의 중요도는 표 순서대로 미세먼지 저감 능력, 물탱크 용량 설계, 미세먼지 농도에 따른 상수장치 on/off 기능, 실시간 미세먼지 데이터 확보 능력, 저압 살수 능력, 기존 살수차량 운영 대비 비용 감소로 선정하였다.

요구사항 중 미세먼지 저감 능력은 다음과 같다. 우선 스마트 버스 살수 시스템의 주 목적인 미세먼지 저감 및 도로 온도를 낮출 수 있는 능력이 필요하기 때문에 중요도 상으로 분류하였다. 기존 운행되는 살수차량과 비슷한 성능을 가진 살수장치를 사용하여 살수능력이 기존보다 감소하진 않을 것이다. 미세먼지가 많은 지역을 선정하여 살수하도록 설계하기 때문에 기존의 살수차량보다 효과는 증가할 것이다. 또한 유동차량이 많은 지역에서는 같은 노선을 다니는 버스가 많기 때문에 더 자주 물을 뿌려 효과가 증대될 것으로 기대된다.

요구사항 중 버스에 부착 가능한 물탱크 용량 설계는 다음과 같다. 기존에 정상적으로 운행되고 있는 버스에 살수장치 및 물탱크를 부착하는 것이기에 이로 인해 버스 운행에 차질이 생겨선 안 된다. 이러한 관점에서 적정한 물탱크 용량 설계를 중요도 상 및 두번째 필요 요구사항으로 선정하였다. 만약 물탱크의 용량이 너무 크면 그로 인해 추가적으로 발생하는 기름값이나 운행 자체에도 문제를 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 미세먼지 저감이 필요한 지역을 선정하고 그에 따라 필요한 물의 양을 정확히 측정해야 한다. 미세먼지가 많은 지역은 주로 운행되는 버스가 많기 때문에 필요한 물을 적절히 여러 버스의 물탱크에 분산시킨다면 운행에 차질 없이 물탱크 용량을 설계할 수 있을 것이다.

요구사항 중 미세먼지 농도에 따른 살수장치 on/off 기능은 다음과 같다. 위의 물탱크 용량 설계 및 효율적인 살수에 꼭 필요한 기능으로 생각되어 미세먼지 농도에 따른 살수장치 on/off 기능을 중요도 상으로 분류하였다. 현재의 살수차량과 달리 살수장치를 미세먼지가 높은 지역에서만 가동하여 살수를 진행한다면 물 사용량을 줄일 수 있고 효율적인 공기 질 개선이 가능하다. 평소에 off 상태로 버스를 운행하고 실시간 미세먼지 데이터를 받아 기준치를 초과하는 지역에 도달하면 on으로 바꿀 수 있는 switch 역할을 하는 기능을 추가한다면 물탱크 용량 설계에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

요구사항 중 실시간 미세먼지 데이터 확보는 다음과 같다. 실시간 미세먼지 데이터 확보는 어느 위치에서 살수장치를 작동할지 필요하기 때문에 설계에 필요한 요구사항이다. 하지만 실시간으로 확보하지 않아도 우리나라의 어떠한 지점에서 유동인구 및 유동차량이 많고 미세먼지가 높을 것으로 생각되는 지역이 있기 때문에 중요도를 중으로 분류하였다.

Figure 3. 실시간 미세먼지 데이터

현재 미세먼지 데이터는 서울시를 기준으로 구별로 약 3개의 측정소를 가지고 있어 한시간마다 측정하고 있다. 하지만 최근 건설되고 있는 버스 정류장에선 직접 측정기로 미세먼지를 측정하고 있어 버스 정류장의 데이터를 이용하여 실시간으로 살수장치 작동 여부를 결정할 수 있을 것으로 생각된다.

요구사항 중 도로 청결 유지할 수 있는 저압 살수 능력은 다음과 같다. 필요사항의 마지막으로 살수장치의 분사 압력을 선정하였고 선택 가능한 부분이며 다른 필요사항에 비해 중요도가 낮아 중으로 분류하였다. 현재 대부분의 살수차량은 고압 살수 차량으로 물을 고압으로 분사해 도로의 먼지를 씻어내는 방식으로 도로먼지의 비산 억제기능과 도로먼지를 빗물받이로 유출시켜 제거하는 역할을 한다. 물을 빠르게 분사하면 효과적인 먼지 제거가 가능하지만 물 튀김 등의 문제로 인해 보행자 및 차량 운전자들에게 피해를 줄 수 있다. 하지만 같은 노선을 다니는 버스가 지속적으로 물을 분사하기 때문에 저압으로 물을 분사하여도 충분한 먼지 제거 및 도로 온도 감소 효과를 볼 수 있다.

요구사항 중 기존 살수차량 대비 비용 감소는 다음과 같다. 마지막으로 희망사항으로 기존 살수차량 대비 비용 감소를 선정하였다. 현재 설계를 진행하고 있는 스마트 버스 살수 시스템은 기존 살수차량보다 성능이 뛰어나지만 비용적인 측면에서도 우수할 것으로 생각된다. 현재 생각보다 많은 예산이 여름에 살수차량으로 사용되는데 실제로 2019년 전주 한옥마을에서 추가적인 살수를 위해 투입된 살수차량에만 1대당 100만원, 총 20대로 2000만원의 예산이 추가적으로 투입되었다. 물론 미세먼지 농도가 감소되었지만 이는 1회성으로 살수차량 투입이 중지되자 다시 미세먼지 농도는 높아졌다. 이를 고려해 보았을 때 일회성의 살수차량 추가 투입이 아닌 버스에 살수 장치를 부착하여 지속적인 살수 능력을 가진다면 비용적인 측면에서도 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

목적 계통도

설계목적 리스트

a. 도로 비산 미세먼지를 저감할 것

b. 타이어 및 도로의 온도를 낮출 것

c. 도로 물튀김을 방지할 것

d. 스마트 시스템을 통해 살수 효율을 높일 것

e. 살수간 물의 용량을 파악할 것

f. 기존 살수차량보다 청소하는 도로의 범위를 늘릴 것

g. 버스운영에 영향을 최소화할 것

h. 정류장을 통해 원활한 데이터를 수집하여 사용할 것

목적 계통도

Figure 4. 목적 계통도

개념설계안

스마트 버스 살수 시스템은 기존의 버스 운행 체계에 살수장치를 부착하여 효율성, 경제성, 편의성 등을 모두 고려하여 설계를 진행하였다. 우선적으로 현재 버스 정류장에서 측정되고 있는 미세먼지 농도 데이터를 확보하고 이를 버스에서 실시간으로 수신한다. 실시간 미세먼지 데이터가 현재의 시간당 미세먼지 주의 농도 기준 중 매우 나쁨 기준을 초과할 시 버스에 부착된 수중 모터를 작동시켜 살수장치를 작동시키도록 설계하였다. 또한 여름철엔 도로면 및 도로 주변의 온도를 감소시키기 위해 기온이 30도 이상일 경우도 모터를 작동시켜 살수장치를 작동시킨다. 이러한 데이터를 10초의 주기로 업데이트 하여 효율적으로 살수가 진행될 수 있게 설계하였다. 우리가 설계한 스마트 버스 살수 시스템 설계의 개념도는 아래와 같다.

Figure 5. 스마트 버스 살수 시스템 설계 개념도

스마트 버스 살수 시스템을 설계하는데 있어 효율성, 경제성, 편의성을 고려해 주었는데 우선적으로 효율성을 살수장치로 인한 타이어 및 도로의 온도 저감과 도로의 비산 먼지 저감이다. 기존의 살수차량의 목표와 그 목표는 비슷하지만 효율성을 높였으면 직접적으로 타이어에 소량의 물을 흐르게 하여 비산되는 먼지의 양을 크게 줄이고자 하였다.
필요한 구간에서만 살수하는 스마트 시스템을 사용하여 최적의 물 사용량을 설계해 경제성을 높여주었다. 기본적으로 버스에 탑재되는 물탱크 용량을 200L로 평소 미세먼지가 많은 지역들을 선정하여 설계를 진행하였다. 차량이 많고 유동인구가 많아 미세먼지가 많은 지역들로, 차량이 많아 주행 속도를 30km/h로 가정하고 펌프 용량을 20L/min으로 설계하였을 때 물탱크의 용량이 200L일 때 가장 효율적인 것으로 나타났다. 버스의 노선을 전체적으로 따라가보며 살수가 필요한 지역에서 살수를 진행했을 때 총 154.16L의 물이 사용되었고 여유고를 고려하였을 때 200L의 물탱크를 설계하였다.
설계의 고도화를 위해 물탱크 설계 위치와 물이 차 있는 물탱크의 무게에 의한 연비 감소 및 차량 무게 증가로 인한 추가 미세먼지 발생량도 고려해 주었다. 살수장치가 뒷바퀴에서 분사된다는 것을 고려하여 버스 뒤편의 각 타이어 상부에 100L의 물탱크를 각각 설치하였다. 연비 계산은 선행연구에서 자주 사용된 경험식을 통해 산출되었고 이를 통해 버스의 전체 무게 및 최대 47명의 사람들이 탑승할 수 있는 버스의 특성을 고려한다면 연비 감소율이 유의미할 정도의 크기는 아님으로 확인되었다. 또한 차량 무게 증가에 따른 추가 미세먼지 발생량에 대한 예측도 기존의 선행 논문을 참고하였을 때 오염물질의 추가 발생은 불가피하지만, 연비 감소로 생기는 손해와 마찬가지로 살수 장치의 작동을 통해 충분히 상쇄될 정도의 발생량을 보였다.
최종적으로 1회 운행 후 물탱크를 충전하기 위한 세부 설계도 진행해주었다. 대부분의 버스들이 1회 운행 후 차고지에서 회차 하게 되는데 이때 버스 차고지에 대량 물 공급 설비를 설치하여 빠르게 물이 공급될 수 있도록 설계할 예정이다.

살수장치 설치 및 운용

목적은 다음과 같다. 스마트 버스에 살수장치를 설치하여 도로 미세먼지 및 도로 노면의 온도 관리를 효율적으로 수행할 수 있도록 설계하는 것이 목적이다. 이 과정에서 기존의 살수차 시스템의 문제점이었던 차량 바퀴에 의한 물튀김이 최소화되도록 설계해야 한다.
기능 및 요구사항은 다음과 같다. 살수장치는 다음과 같다. 살수장치는 버스의 전면 하부 또는 후면 하부에 설치되어야 한다. 살수장치가 각 두 위치에 설치되면, 살수 도중 도로 위에 물이 튀는 것을 방지함과 동시에 도로 표면에 있는 미세먼지에 물이 적절하게 분사되어 균일하게 살수할 수 있다. 미세먼지가 발생하는 지점은 도로 표면 전반에 걸쳐 다양하게 분포하므로, 적절한 위치에 설치되어 미세먼지를 효과적으로 저감할 수 있도록 설계해야 한다.
물탱크 및 물 공급 관리는 다음과 같다. 버스에서 살수장치를 통해 도로 청소를 하기 위한 충분한 물의 저장이 필요하다. 그러므로 버스에는 물탱크가 필요한데, 이는 운행 중에 필요한 물을 공급할 수 있을 만큼 충분한 용량을 가져야 하고, 외부 충격에 대한 내구성이 있어야 하며, 물의 누출을 방지하기 위한 적절한 봉합 및 밀봉 시스템이 필요하다. 또한 물탱크 내 센서를 통해 물탱크의 수위를 확인할 수 있도록 해야 한다. 물 공급 시스템은 물의 유입, 유출, 및 분사를 효과적으로 관리할 수 있도록 설계되어야 하고 적절한 정수설비로부터 안전한 품질의 물을 공급받을 수 있도록 해야 한다. 이는 시스템의 장애 또는 고장 없이 작동해야 하고 신속히 물을 분사할 수 있도록 해야 한다.
스마트 살수 시스템은 다음과 같다. 스마트 살수 시스템은 구역별 주변 미세먼지 및 기온 데이터를 수집하고, 이 데이터를 기반으로 스마트 버스에 설치된 센서가 도로상의 미세먼지 농도를 모니터링한다. 설정된 임계치를 초과하면 살수장치가 자동으로 가동되어 도도를 살수하고, 미세먼지를 저감하는 역할을 한다. 물 공급 및 관리, 에너지 효율성, 통신 및 제어 등의 다양한 요구사항들을 충족하여 효율적이고 환경 친화적인 미세먼지 관리가 가능하도록 설계해야 한다.

버스 통해 데이터를 활용한 물탱크 용량 설계

버스 정류장 각 지점의 미세먼지 데이터를 활용하여 미세먼지가 설정한 기준치를 초과한다면 살수장치를 가동하는 시스템을 구축하고자 한다. 이 때, 기존의 살수차량에 비해 버스에는 승객의 안전, 설치 공간 등을 고려해 대용량의 물탱크를 설치할 수는 없기에 비교적 적은 용량의 물탱크를 특정 정류장 구간을 지나는 버스 대수를 통해 설계하고자 한다. 서울에서 내부 통행이 가장 많은 강남구, 그리고 그 중에서도 전체 버스 이용지점 3위의 ‘지하철2호선강남역(22012)’에서 ‘논현역(22014)’에 살수를 한다고 가정하고 그 버스 정류장을 지나는 버스 중 하나이자 교통량이 많은 지점인 가산디지털단지와 고속터미널, 사당역을 지나는 643번 간선 버스를 선택하였다.

Figure 6. 서울특별시 643번 버스 노선도

643번 버스는 04:30~22:40까지 배차간격 11분으로 운영되고 있다. 이 버스는 운행시간 동안 98회 운행한다. 그렇다면 살수 구간을 98번 지날 것이며, 10톤의 물을 98회로 나누어 살수한다고 가정하면 100L 용량의 물탱크를 장착하면 될 것이다. 하지만 펌프 압력을 고려하여 200L 정도로 설계하도록 한다. 물 공급은 차고지와 회차지점에서 진행할 계획이므로 한 버스가 한번 운행시 물을 분사하는 총량은 400L이다. 또한, 가정한 살수 구간 외에 가산디지털단지, 고속터미널, 사당역 세 지점 모두 교통량이 많을 가능성이 높기에 기준치보다 높다면 총 4개 지점에 100L씩 물을 분사하면 된다.

살수장치(저압 살수장치, 후면)

본 설계에서 이용할 살수장치는 우선 버스의 후면에 설치되도록 한다. 기존의 기술현황 조사에 따르면 후면 살수장치의 경우 제설에도 용이하다. 또한 물탱크 설치 위치를 고려하였을 때 뒤쪽에 살수장치를 설치하는 것이 효율적이라 판단된다. 현재 살수차량에서 설치된 살수유닛과 분사방향을 조절하는 작동유닛으로 물을 효율적으로 분사할 수 있도록 하는 살수 장치 특허가 존재하기에 본 설계에서도 이를 이용할 계획이다.

Figure 7. 도로바닥 살수장치 도면

Figure 8. 서울특별시의 도로살수차

본 설계에서 지정한 구간에서 버스의 물탱크 용량을 200L로 설정하고 총 98회에 걸쳐 나누어 물을 살수한다. 표 1을 살펴보면 현재 도로 살수차량은 1,000 L/min 이상으로 살수를 진행하고 있다. 이에 맞추어 우리의 스마트 버스 살수 시스템에서의 살수장치의 펌프용량은 현재 도로 살수차의 펌프용량에서 살수횟수를 나눈 약 10L/min정도이다. 하지만 도로 살수차의 경우 도로마다의 환경을 고려치 않고 균일하게 살수를 진행하며 운행을 하는 반면에 본 설계의 경우 필요한 구간에만 운행을 해 물을 조절하며 사용이 가능하다. 그러므로 본 설계에서의 살수장치의 펌프용량은 15L/min ~ 25L/min으로 설정하였다.

스마트 버스 살수 시스템

현재 서울시의 공기질 측정의 경우 구단위로 2~3개 장소에서 아황산가스, 일산화탄소, 이산화질소, 미세먼지, 초미세먼지, 오존 총 6개 항목을 측정해 이를 평균하여 구별 시간평균 대기환경 정보를 수집하고 있다. 이 정보는 각 구에 있는 버스 전광판에 공기질 정보로 이용되고 있다. 본 설계의 목적은 도로마다의 공기질 자료 및 기상정보에 맞게 살수장치가 작동되도록 하는 것이 목적이기에 우리는 각 버스 정류장에 공기질 측정기를 설치하여 정류장 별 측정기의 데이터 자료를 받아 살수장치가 작동되도록 설계를 하기로 하였다.

Figure 9. 스마트 버스정류장의 기능

2021년부터 기존의 낙후된 버스정류소에서 탈피해 최첨단 ICT를 도입한 편의성이 뛰어난 ‘스마트 버스정류장’의 구축이 본격화되었고, 현재 2020년 8월부터 숭례문 정류소를 시작으로 홍대입구(2곳), 합정역(2곳), 공항대로(2곳), 구파발역, 독립문공원, 건대입구역 등 현재 13개소를 운영해 버스정류장 주변의 공기질을 측정하고 있다. 우리는 이러한 공기질 데이터를 버스로 수신해 기준에 따라 살수장치를 작동시키는 시스템을 구축할 예정이다.

상세설계안

이론적 계산

살수장치 작동 기준 설정은 다음과 같다. 스마트 살수 시스템 설계에 따라 한 버스 정류장에서 미세먼지 농도 데이터를 받았을 때 그 농도가 설정한 기준치를 초과한다면 다음 정류장까지의 구간에서 살수장치를 가동하기로 하였다. 여기서, 기준치 설정을 어떻게 할 것인지는 실질적인 대기질 개선과 환경보전비(살수차 및 인건비) 등을 고려하여 결정할 것이다. 현재 서울시에서는 미세먼지 주의보를 시간당 평균농도 150μg/m^3 이상 2시간 이상 지속인 때 발령하고 있으며 이 때 도로 물청소를 진행한다. 이러한 기준을 참고하여 미세먼지(PM-10) 농도가 매우나쁨(151μg/m^3 이상) 또는 초미세먼지(PM-2.5) 농도가 매우나쁨(101μg/m^3 이상)일 때 살수장치를 작동하도록 설정할 것이다.
물탱크의 무게에 의한 연비감소 및 추가 미세먼지 발생량 계산은 다음과 같다. 연비는 차령, 신호등 수, 정차정류장수, 통행속도 등 차량 중량뿐만 아니라 여러 외부 요인에 의해 영향을 받으나 다른 조건들을 제한하고 승객수와 통행속도를 변수로 한 다중회귀분석을 이용한 연비추정 모형을 작성해보았다. 식은 다음과 같다. Y=-0.0603X_1+0.0350X_2+1.6565 (여기서 Y는 연비, X_1은 승객수, X_2는 통행속도)이며 조정된 R^2값은 0.115이다. 물탱크 용량을 200L로 가정하였으므로, 물의 비중을 1이라고 하고 만수 시 물탱크 자체의 무게를 배제하면 총 무게는 200kg이다. 이를 승객수로 환산하면 성인 평균 체중이 약 65kg이므로 3명 정도이다. 추가로 서울에서 저상 시내버스로 주로 쓰이는 기종(현대 ‘뉴 슈퍼에어로시티 초저상’)의 정원은 입석 포함 최대 47명이다. 또한, 버스 통행속도는 교통상황에 따라 다르나 50km/h로 가정하면 Y=-0.0603*(47+3)+0.0350*50+1.6565=0.3915km/L이다. 물탱크가 없던 기존 연비를 계산해보면 Y=-0.0603*47+0.0350*50+1.6565=0.5724km/L이다. 따라서 연비 감소율은 (1-(0.3915)/(0.5724))*100=31.60%이다.
스위스 국립연구소에 따르면, 차량 무게가 280kg 증가하면 1km 운전 시 타이어 마모에 의해 미세먼지가 1.1mg 추가로 발생한다고 한다. 이와 더불어 브레이크 마모에 의해 추가적인 비배기성 오염물질이 나올 수 있다.
물탱크 물 충전주기 계산은 다음과 같다. 643번 간선 버스는 ‘지하철2호선강남역(중)~논현역’ 정류장을 지나며 이 사이의 거리는 대략 545m이다. 이 구간은 정체 구간이므로 주행 속도를 30km/h로 가정하자. 추가로 펌프 용량은 20L/min이고 물탱크 용량을 200L로 가정하자. 이 구간을 지날 때 물 분사량은, 545m/(500m/min)*20L/min=21.8L이다. 다른 교통혼잡 예상 구간은 ‘가산디지털단지역입구~디지털단지오거리, 가산파출소’(약 260m), ‘신반포역, 세화여중고~고속터미널(중)’(752m), ‘사당역9번출구앞~사당1동관악시장앞’(370m) 이다. 위 3개 구간에서 물 분사량을 계산해보자. 모두 주행속도는 30km/h로 한다.

위 계산 결과에 따라 643번 간선버스가 1회 운행 시 회차까지 고려한다면 총 물 분사량은 2*(21.8+10.4+30.08+14.8)=2*77.08=154.16L이다. 따라서, 여유분을 고려하여 물탱크 용량은 200L가 적당하며 물 충전은 운행 종료 후 차고지에서 공급하면 될 것으로 예상된다.

기존 데이터를 통한 살수 기대효과 분석은 다음과 같다. ‘도로청소의 효과분석 및 표준화 방안’ 자료에 기재된 데이터를 참고해 설계한 스마트 버스 살수 장치와 비교한다. 2005년 사용된 16톤 고압 살수 차량의 1회 충전 기준으로 1회 살수 시간은 총 46분이며 1회 16000L를 살수하며 이동거리는 12.5km/hr*46min*1hr/60min=9.853km 이다. 이전에 예시로 설정한 643번 버스의 노선 중 4개의 혼잡 구간에 대해 설계한 스마트 버스 살수 장치는 총 0.545km+0.260km+0.752km+0.370km=1.927km를 이동하며 물 1회 충전된 차량, 시속 50km주행, 살수 유량 20L/min 기준으로 물 살수량은 2*(21.8L+10.4L+30.08L+14.8L)=154.16L를 살수한다. 혼잡 구간에 이동하는 버스의 수를 30대로 가정한다면 1회 충전당 총 물 살수량/거리는 2400L/km로 계산된다. 이는 일반 고압 살수차량의 1회 충전당 총 물 살수량/거리의 값인 1669.565L/km의 수치를 상회하며 고압 살수차량을 운행하여 자동차 연료연소 및 타이어 마모로 인해 배출된 미세먼지의 저감량인 39.7ton/yr 보다 높을 것으로 사료된다. 스마트 버스 살수 장치에 사용되는 물에 비산방지제를 첨가한다면 본 값보다 높은 저감량을 기대할 수 있다.

아두이노 회로 설계

Figure 10. 스마트 버스 살수장치의 아두이노 회로도

아두이노 장치를 기반으로 설계된 스마트 버스 살수 시스템은 실시간으로 버스의 구간과 미세먼지 데이터를 수신해 미세먼지 농도가 기준치 이상일 경우 살수 장치를 작동시키는 스마트한 도로 미세먼지 제거 시스템이다. 스마트 버스 살수장치에 사용되는 아두이노의 회로(Fig 1)는 와이파이 모듈이 포함된 아두이노 R4 와이파이 모델, 미세먼지 농도에 따라 연결된 수중모터의 작동을 제어하는 릴레이 모듈, 릴레이 모듈에 연결된 전원부와 수중모터가 존재한다. 본 시스템의 아두이노는 와이파이 모듈이 장착된 아두이노를 사용하며, 서울 시내에 운행하는 간선버스, 마을버스에는 공공 와이파이 기기가 설치 되어있으므로 와이파이를 통해 실시간 버스의 운행 구간과 미세먼지 데이터를 수신한다. 이를 통해 수신한 미세먼지 데이터는 아두이노 장치와 연결된 릴레이 모듈을 제어한다. 릴레이 모듈은 수중모터와 연결되어 있으며 미세먼지가 기준치 이상일시 수중모터가 작동되어 살수를 시작하며 기준치 이하의 미세먼지 수치일시 릴레이 모듈이 멈춰 살수가 중단된다. 이런 시스템을 통해 미세먼지 수치가 높은 곳에서만 선택적으로 살수장치가 작동되어 살수에 필요한 물과 전력을 절약할 수 있다.

소프트웨어 설계

앞선 아두이노의 설계를 통해 각 버스정류장의 미세먼지 및 기온의 데이터를 받아오는 방법에 대해 설명했다. 이번에는 설계한 아두이노 코드를 통해 수집된 각 버스정류장의 미세먼지 및 기온 데이터를 기반으로 살수장치를 효율적으로 제어하는 시스템을 구현할 것이다. 시스템 구성을 위한 코드 설계의 핵심 내용은 다음과 같다.

Figure 11. Wifi 연결 설정 코드

우선적으로 프로그램 설계에는 python 언어를 사용했다. 먼저 위 코드를 통해 와이파이의 연결 설정을 완료한다. 와이파이의 경우 1초 간격으로 연결 시도를 반복하며, WiFi에 연결되면 루프를 빠져나가고 “Connected to WiFi”라는 메시지를 출력하도록 한다.

Figure 12. 데이터 수집 코드

WiFi를 연결한 후 버스정류장의 데이터를 수집하는 코드는 다음과 같다. 버스가 현재 다니는 도로를 중심으로 모든 버스정류장의 위치와 현재 버스의 위치를 비교하여 가장 가까운 버스 정류장을 찾은 후, 그 정류장에서의 미세먼지 및 기온 데이터를 서버에서 가져오도록 한다.

Figure 13. 조건부 살수장치 작동 코드

미세먼지 센서에서 불러온 데이터 ‘dustValue’ 값이 100 이상, 또는 기온이 30도 이상일 경우에 모터를 작동시키고, 그렇지 않으면 모터를 정지시키는 코드이다. 여기서 조건에 부합할 시에 연결된 디지털 핀에 전압을 공급하여 모터를 작동시키게 된다. 또한 미세먼지 및 기온의 데이터를 주기적으로 업데이트하기 위해 10초마다 한 번씩 데이터 수집 및 처리를 진행하게 된다.
시스템 구성코드를 마무리하면서 우리는 현재까지의 설계를 토대로 WiFi 연결 설정부터 각 버스 정류장의 환경 데이터를 수집하고, 이를 기반으로 살수장치를 효율적으로 제어하는 코드는 제시하였다. 실제 시제품에 이 코드를 적용하고 테스트한 결과를 토대로 추가적인 수정 및 보완을 진행할 예정이다. 이를 통해 실제 환경에서의 성능과 안정성을 확인하고, 미세먼지 및 기온에 따른 효율적인 살수 시스템을 구현할 예정이다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

Figure 14. 프로토타입의 살수부

Figure 15. 프로토타입의 제어부

Figure 16. 프로토타입을 도입한 버스 모형

포스터

Figure 18. 포스터

완료작품의 평가

평가항목은 다음 5가지를 통해 평가했다.

평가는 A, B, C 로 평가한다.

A: 기대 수준을 만족했으며 결점 혹은 약점이 없음.

B: 기대 수준을 만족했고, 결점이 있으나 추후 보완 가능

C: 기대 수준의 일부만을 만족했음

미세먼지 감축량

미세먼지 감축량은 앞선 상세설계안에서 제시된 계산을 통해 확인할 수 있듯이 설정된 혼잡 구간에서 고압 살수 차량보다 높은 총 살수량/거리를 보이며 현재 살수차량 저감량인 39.7ton/yr 보다 높을 것으로 기대할 수 있다. 단, 이는 1회 물 충전당 비교한 수치이므로 추가적인 운행을 통해 더 높은 미세먼지 저감량을 기대할 수 있다. 따라서 기존 운영하는 살수차량 보다 높은 저감량을 보일 것으로 계산되어 A로 평가를 내렸다.

경제성

기존 살수차량 운행시 드는 비용은 다음과 같으나 2005년 기준 자료만 존재하여 물가상승률과 인건비 상승률을 반영하여 보정하였다. 물청소 차량 구매는 1대 당 2.0억원, 운전원 인건비(연 인건비)는 1대 당 0.5억원/인, 유지비는 1대 당 2.0억*0.09원으로 계산된다. 2014년 기준 총 225대가 운영되고 있으며 이를 토대로 초기 비용과 운영 비용을 계산하면 차량 비용450억원, 유지비용 40.5억원, 연 운전원 인건비 112.5억원로 계산할 수 있다. 스마트 버스 살수장치에 소요되는 비용을 계산하면 기존 운행 버스 비용으로 기존 버스 운행 대비 추가적인 차량 비용, 유지비 및 인건비가 없을 것이며 장치 및 장치 설치비용 및 유지비는 약 버스 1대당 100만원, 버스기사 장치운용 교육비용 17896명*60000원이 추가되어 저비용으로 운영할 수 있음이 사료된다. 하지만 이는 추정되는 비용이므로 실제 운용 시 추가되는 비용에 대해 정확하게 판단하지 못해 B로 평가했다.

독창성

최근 4차 산업혁명과 더불어 빅데이터 기술을 활용하여 탄력적으로 기존 상황에 대응하는 경우가 많아지는 추세이다. 본 설계도 이러한 점을 고려하여 기존 살수차량 운용의 경직성을 개선하고 교통 혼잡 구역의 효율적인 미세먼지 저감을 위해 관련 데이터를 활용한 스마트 기술을 접목하였다. 더불어, 살수차량보다 혼잡 구역을 더 자주 지나고 기존의 공공차량을 활용할 수 있는 방안이 없을까 하는 아이디어에서 착안해 버스를 활용하는 것이 좋다 생각하였다. 이렇게 기존에 떨어져 존재한 여러 요소들을 합쳐 차세대 살수 시스템을 개발한 것은 독창적이라 생각하여 A로 평가하였다.

효율성

기존 살수차량은 서울특별시 행정 절차에 따라 미세먼지 및 초미세먼지 농도가 ‘매우나쁨’일 때만 운용되고 있다. 하지만, 특정 지역은 비산먼지, 교통 혼잡 등으로 국소적으로 대기질 수준이 나빠질 수 있다. 이런 상황에 보다 탄력적, 선제적 대응을 하고 시민들의 생활 건강 개선을 위해 반드시 필요하다 생각되어 본 시스템을 설계하였으며 공공버스를 활용하여 운용할 계획이므로 시스템이 제대로 구비된다면 추가적인 살수차량 운용은 더 이상 필요 없다 판단되어 효율성을 A로 평가하였다.

실현가능성

버스 내부 공간을 활용하여 기존 대비 적은 용량의 물탱크를 설치하고 차고지에서 물 공급 1회만 하면 살수량을 충족시킬 수 있으므로 별도의 물 충전 장소를 확보할 필요도 없다. 따라서 살수차 운용에 소요되는 행정 비용을 절감하여 혼잡 구역을 지나는 버스들 일부를 개조하고 차고지에 물을 공급할 수 있는 물 저류시설, 호스 등만 설치하면 되는 상황이라 판단된다. 미세먼지 데이터의 경우 본격화되고 있는 ‘스마트 버스정류장’에서 측정한 공기질 데이터를 이용할 예정이고 그러지 못할 경우 버스정류장에 미세먼지 농도 측정 장치만을 추가하여 수집한 정보를 활용할 예정이다. 이는 큰 비용 소모가 없을 것으로 예상할 수 있고 따라서 충분히 실현 가능하다 생각되어 A로 평가하였다.

향후계획

본 설계에서는 기존의 살수시스템에서 보다 효율적이고 효과적인 새로운 스마트 살수 시스템을 개발하였다. 평가 분석을 기반으로 향후계획을 써보자면 초기 단계에서는 설계 지역에서 초점을 맞추어 시범 운영을 하여 효과 검증이 필요하다. 추후 시스템의 안정성과 성능이 입증이 된다면 서울시 전역으로 스마트 버스 살수 시스템을 확대하면 될 것이다. 추가적인 데이터 수집 및 분석을 통해 시스템의 효율성을 높이고 보다 정확한 미세먼지 저감 효과를 도출할 수 있도록 지속적인 연구 및 개선 작업을 진행할 필요가 있다. 산업 및 기술의 발전에 따라 새로운 센서 및 장비의 도입도 고려하여야 한다. 또한 스마트 버스 살수 시스템은 주변 지자체 및 정부 기관과의 협력이 필수적이다. 이를 통해 지역 간 도로의 미세먼지 데이터에 대한 적극적이고 효과적인 대응을 모색할 필요가 있다. 또한 시민들이 더욱 이러한 시스템에 친숙해질 수 있고, 살수시스템의 운영을 손쉽게 확인할 수 있도록 스마트 어플리케이션을 추가적으로 개발해 도로의 미세먼지 상황에 대한 정보를 제공하고, 시민들의 의견까지 수렴할 수 있는 플랫폼을 구축하면 좋을 듯하다. 최종적으로 지속적으로 더 많은 지역에 시스템을 확장하고 확산하여 더 많은 국민들이 안전하게 깨끗한 환경을 즐길 수 있도록 살수 시스템을 지속적으로 발전시킴으로써 환경보호에 도움이 되는 시스템으로 거듭나길 희망한다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

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2. 이범규, 「시내버스 연료소모에 영향을 미치는 요인 분석」, 대전세종연구원, 2017, 63쪽.

3. “전기차는 다를 줄 알았는데…미세먼지 만만찮네”, <매일경제>, 2021.06.10.

4. 네이버 지도, 2023.10.22

5. https://retech.kr/sub020304/view/id/66 , 2023.09.21

6. https://patents.google.com/patent/KR102227000B1/ko ,2023.09.21

7. http://www.culturein.co.kr/18590, 2023.09.21

8. 박현강, 조현준, 이주헌, 김영진, 이지은 and 김기범. (2019). 미세먼지 발생 저감을 위한 타이어 냉각. 대한기계학회논문집 B, 43(10), 677-682.

9. 최유진, 김영은. (2018). 미세먼지 저감 위한 도로청소 개선방안 보고서. 서울연구원.

10. 정보통신산업진흥원. 지식경제부. (2009). 공개SW 기술적 효과성 분석 보고서

11. http://www.newsroad.co.kr/news/articleView.html?idxno=24709, 2023.10.13

12. 특허 10-2016-00494698 도로 바닥 살수차용 살수구 회전 작동장치

13. http://dwelling.co.kr/smart-station/ ,2023.10.22

14. 에어코리아 ,2023.10.22

15. https://www.news1.kr/articles/?3565325 ,2023.10.22

16. 서울 도로청소의 환경오염물질 제거 효과 검토. 나유미, 유기영, 김익수

17. 데이터에 담긴 서울교통 2022, 서울특별시 도로교통실 미래첨단교통과, 2023.

18. 서울특별시 서울 정책 아카이브 웹사이트 ‘도로 분진청소’ https://seoulsolution.kr/ko/content/2111, 2023.12.06