1. 서 론
최근 우리사회에서 4차 산업혁명이 화두로 등장하면서 국내외 전 분야에서 4차산업혁명에 대한 논의가 활발히 진행되고 있다. 4차산업혁명은 2016년 초 세계경제포럼에서 Klaus Schwab이 제시하였는데[1], 물리적, 디지털 그리고 바이오 기술이 보다 새롭고 다양한 방식으로 융합하고 변화하여 산업구조의 급격한 변화 및 혁신적인 전환을 가져올 것으로 주장하였다.
4차산업혁명을 주도하는 주요 기술로는 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능, 클라우드, 로봇, 드론, 3D 프린터 등이 있으며 현재 사회 전반에 해당 기술들은 빠르게 적용 및 확산되는 추세이다[1,2]. 4차 산업혁명은 과학기술과 학문간의 융합 및 고도화를 통해 지난 산업혁명들과 비교하여 변화의 속도가 매우 빠르고 혁신적임에 따라 세계적으로 이 추세를 따라잡지 못하게 되는 나라들은 경쟁력에서 도태될 것이다.
환경분야에서도 IoT(Internet of Things), ICT(Information and Communication Technologies) 기술 등을 융합한 기술개발이 활발히 추진되고 있는데, 본 연구에서는 4차산업혁명이 환경기술개발에 적용된 사례를 환경정책기반공공기술개발사업 과제를 중심으로 분석하여 작업환경 개선이나 운영효율화 등 예상되는 변화를 살펴보고 환경기술 고도화를 위한 적용 가능성과 개발방향을 제시하고자 한다.
2. 4차산업혁명이 투영된 환경정책기반공공기술개발사업
2.1. 4차산업혁명 기술
18세기에 처음 시작된 1차 산업혁명은 증기기관의 발명으로 동력에 의한 기계식 생산설비를 통해 생산량이 증가하였고, 2차 산업혁명은 19세기에서 20세기 전반까지 전기에너지에 의한 분업화 및 자동화에 따른 대량 생산으로 대표되며, 3차 산업혁명은 20세기 후반에 컴퓨터와 인터넷에 의한 디지털 세상으로 표현할 수 있다. 3차 산업혁명까지는 산업전반의 생산성 혁명으로 변화의 속도가 상대적으로 느렸지만, 4차산업혁명은 단순한 생산성 혁명정도가 아니라 기존 산업생태계의 근본적 체질과 경제 패러다임 자체를 변화시키고 현재의 시장경제 모델에 큰 영향을 주고 있는 상황이다[2]. 각 산업혁명의 특징을 비교하여 Table 1과 같이 정리하였으며, 4차산업혁명에 따른 제조, 생산시스템 및 노동방식의 전환은 미래직업의 변화와 함께 인간의 삶의 질에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
4차 산업혁명의 핵심은 초연결, 초지능 및 융복합이다. 4차 산업혁명은 산업간의 융복합 기술혁신을 통해 전개되고 있는 상황이다. 인공지능(Artificial Intelligence), 사물인터넷(Internet of Things), 차세대 통신기술(Fifth Generation communication technology), 로봇, 블록체인, 드론, 3D(Three Dimension) 프린터, 빅데이터, 무인 운송수단, 바이오 공학, 신소재, 공유경제, VR/AR(Virtual Reality/Augmented Reality) 등이 4차 산업혁명의 주요 기술로 부상하고 있다[2].
사물인터넷은 사물에 센서를 부착하여 실시간으로 데이터를 네트워크 등으로 주고받는 기술로 인간의 개입없이 사물 상호간 정보를 직접 교환하며 필요에 따라 정보를 분석하고 스스로 작동하는 자동화가 가능하다. 인공지능은 컴퓨터가 사고, 학습, 자기개발 등 인간 특유의 지능적인 행동을 모방할 수 있도록 하는 컴퓨터 공학 및 정보기술로 다양한 분야와 연결하여 인간의 업무를 대체하고 그보다 높은 효율성을 가져올 것으로 예상된다. 빅데이터는 디저털 환경에서 생성되는 다양한 형태의 방대한 데이터를 바탕으로 인간의 행동패턴 등을 분석 및 예측하는 기술로 산업현장에서 데이터를 활용하면서 시스템의 최적화 및 효율화 도모가 가능하다. 로봇공학은 로봇에 생물학적 구조를 적용함에 따라 뛰어나 적응성과 유연성을 갖춤으로서 사람이 수행하기 힘든 중노동부터 정밀 작업 등을 신속하고 정확하게 처리할 수 있을 정도로 다양한 범위에서 활용도가 향상되고 있다.
이처럼 4차산업혁명 기술들은 산업과 사회에 엄청난 변화를 주고 있으며 환경분야에도 다양하게 연계되어 활용되고 있음에 따라 현재 환경 R&D(Research and Development)에 어떻게 적용되고 있는지 사례분석 및 향후 발전방향에 대해 알아보고자 한다.
2.2. 환경정책기반공공기술개발사업 개요
경정책기반공공기술개발사업은 공공환경 현안해결 및 환경정책 구현을 위해 산업지향성이 낮은 공익형 환경정책대응기술을 개발함으로써 깨끗한 환경실현 및 국민 삶의 질 향상을 목적으로 지원한 연구개발 사업이다. 2011년에 시작되어 2020년까지 2,258억의 정부지원금이 지원되었으며 지역적 환경문제 해결 등 국내외 주요 환경이슈에 효과적으로 대응하기 위한 환경정책의 수립 및 실현을 위한 공공기술개발로 추진되었다. 물환경, 상하수도, 대기환경, 자연보전, 자원순환 등 5대 분야 환경에 대한 다매체 지원사업으로 민간이 하기 어렵고 공공적 성격을 갖는 환경정책실현을 위해 반드시 필요한 기술개발을 추진한 것이 특징으로 분야별 과제지원 현황은 Table 2와 같다.
동 사업을 ‘11~’20년간 추진하여 발생한 성과[3]를 살펴보면 논문 성과는 총 1,094건으로 SCI 논문 60.7%(664건), 비SCI 논문 39.3%(430건)의 비중을 차지하고 있으며, 특허출원은 706건, 특허 등록은 355건으로 총 1,061건의 특허 성과가 창출되었다. 사회적 성과로는 공공기술개발 특성에 맞게 연구개발 추진을 통해 제안된 정책제안은 총 114건인데 이 중 10건의 성과가 환경 관련 법률 및 시행령, 시행규칙 조문에 직･간접적으로 반영되었고, 16건의 성과가 환경 관련 제도를 위해 공공기관에서 만들어지는 지침, 규칙 등에 반영되었으며, 정책채택을 위한 기반자료로 활용되는 정책반영 성과는 70건이 창출되어 총 96건이 정책 활용에 반영되었다. 또 다른 사회적 성과로는 깨끗한 환경을 조성하고 지역사회 주민들의 삶의 질 향상을 위한 연구시설의 기부채납 4건, 개발기술의 지역현장적용 성과 56건, 환경기초시설 및 지역사회 환경문제에 대한 해결책을 제시하기 위한 테스트베드 구축 32건으로 총 92건의 연구결과 지역사회 이전 성과를 도출하였다.
동 사업 과제를 4차산업혁명기술 적용사례 분석에 적용한 이유는 환경정책기반공공기술개발사업 수행을 통해 환경 오염인자 저감 및 공해, 폐기물 등으로 인한 지역민원 저감, 멸종위기종 증식 등 다양한 분야에서 환경적 성과가 우수하고 국민체감형기술개발을 통해 국민 관심과 이해도가 높기 때문이다. 아울러 개발된 기술이 환경 정책에 활용·확대되며 국가 물관리 체계 확립, 상하수도 악취와 지반침하 분야 현안해결을 통한 국민 삶의 질 향상, 대기질 오염물질 저감 기여, 생태계 보전 및 지역경제 활성화 기반마련, 폐기물 절감 및 자원화 기반 마련 등의 사회적 파급효과가 큰 것을 고려하여 선정하였다.
3. 국내 적용사례 및 전망
환경정책기반공공기술개발사업의 분야별 과제를 검토하여 4차산업혁명기술 적용사례 및 전망을 분석하였으며 관련 과제를 Table 3에 제시하였다.
3.1. 물 환경
‘16년에서 ’19년까지 수행한 최첨단 환경감시 장비 및 통합관리체계 기법 개발 연구는 불법 무단방류에 대응하기 위해 지속적인 유량, 수질 모니터링 체계 구축 및 IoT 기반 환경감시기술 개발을 목적으로 하는 과제이다[4].
주거지역의 폐수배출업체 방지시설이 정상적으로 작동하지 않아 유출될 경우 처리장 및 하천에 오염물질이 누출되기 때문에 이를 해결하기 위한 대응이 필요하다. 또한 공단과 같은 산업지역에서 관리자의 부주의로 발생할 수 있는 화학물질, 의약품 등의 유출은 다량의 중금속을 포함하고 있어, 상수원으로 유입 시 국민 삶의 안전을 위협할 수 있기 때문에 오염물질에 대한 수질 모니터링 감시 체계가 중요하다.
Fig. 1에서 제시한 바와 같이 환경감시 장비는 산업 단지 내 하수관로(맨홀)에 설치되어 실시간으로 유량과 수질의 변화를 감시하는 센서 기반의 고정식 감시 장비 및 드론, 이동식 로봇에 영상 또는 수질측정 장비를 부착한 이동식 감시 장비로 구분할 수 있다. 고정식 환경감시 장비는 대상지역의 발생 폐수의 종류 및 특성에 따라 측정센서를 설치하여 플랫폼으로 연결하였다. 센서에서 오염배출현장의 유량, 수질, 영상정보를 실시간으로 측정하여 데이터를 수집 및 저장하여 플랫폼(데이터관리시스템)으로 실시간 전송하면 수집된 정보를 모델링하여 이상 징후가 발생하는 경우 관리자에게 알람을 주거나 무단방류 배출 시간과 오염원을 지정하는 등 신속한 대응이 가능하다.
이동식 환경감시 로봇 장비는 기존 하수관로 조사에 사용된 CCTV(Closed Circuit Television) 조사장비를 기반으로 기존 장비에서 지원하지 못했던 관 내부의 내시경 상세조사 기능을 추가 개발하여 현장에서 환경범죄의 발생 위치 파악 및 불법 행위에 대한 증거 채집을 할 수 있도록 개발하였다. 또한, CCTV 조사장비에 소형 수질 측정장비를 부착하여 영상촬영 뿐만 아니라 배출되고 있는 폐수의 수질 농도를 측정하여 불법행위 여부를 즉각 판독할 수 있도록 모듈화 하였다. 이외에도 드론을 이용하여 문제가 되는 하천의 방류수를 채집하여 신속하게 증거 확보가 가능하다.
환경감시 분야는 대상지역에 비해 인력이 부족하고 24시간 감시체계 구축이 필요함에 따라 센서를 이용한 원격 모니터링 및 로봇과 드론을 이용한 증거채집은 업무효율 향상에 기여할 것으로 판단된다. 현재 모니터링 시스템의 경우 외국산 장비에 대한 의존도가 높아 측정장비의 국산화 기술개발과 감시 대상지역의 특성(규모, 업종, 주요 배출오염물 등)에 따라 접근방법의 차별이 요구되어 모니터링과 분석에 대한 다양한 알고리즘 개발이 요구된다. 또한 감시단속 결과에 대한 민원을 고려하여 수집된 데이터의 신뢰성 확보가 필요하다.
3.2. 상하수도
‘18년에서 ’20년까지 추진된 자연재해 대비 노후화된 상하수도 지하매설물 안전관리 실증화기술 개발 연구는 가뭄이나 홍수에 대비하여 강우모니터링, 수량-수질 분석, 유량 예측 솔루션과 노후 상하수도 관로의 자산관리 등을 통해 안전관리 플랫폼을 구축하는 과제이다.
자연재해 중 하수관로와 연관되는 재해의 대부분은 침수라고 볼 수 있다. 침수는 동일 지역에서 반복적으로 발생하는 경향을 보이는데 지속적인 모니터링과 사전 유지관리 등을 통해 예방이 가능하다. 이를 위해 정확한 유량 정보가 요구되는데 유량 측정 센서는 다양한 원인(장비 유실, 센서 오작동 등)에 의해 데이터 오차가 발생할 수 있어 이를 보완할 수 있는 방법이 필요하다. 동 과제에서는 Bi-LSTM(Long Short-Term Memory) 유량 예측 알고리즘 통해 하수관로 설계인자를 계산할 수 있는 엑셀 기반의 산정 프로그램을 개발하였다. 유속과 수위는 강우량, 유입수 등과 밀접한 연관이 있음에 따라 동 연구에서는 인공신경망(LSTM)을 이용한 시계열 분석을 통해 정확도가 높은 최적의 하수관로 내 유량예측 솔루션을 개발하였다[5]. 개발 프로그램은 복잡한 변수 없이 과거의 자료를 기반으로 최적의 계수를 산정하기 때문에 기존과 대비하여 데이터 확보에 들어가는 비용과 시간을 저감하고 산출결과는 하수관로의 설계 및 우수토실의 운전조건 산정 등에 유용하게 활용될 수 있다.
또한 상하수관로의 노후 상태 및 문제를 예측하기 위해 지하 시설물 관망 자료를 GIS DB(Geographic Information System Data Base)로 운용하고 증강현실 기술을 연계한 지하시설물 관리 체계를 개발하였다[6]. 상하수관로 정보를 증강현실(AR) 플랫폼에서 운용할 수 있도록 자료를 변환하고 스마트폰에서 사용자의 위치정보와 지하시설물의 QR(Quick Response) 코드를 연계함으로써 사용자의 위치 주변에 있는 지하시설물 구조를 3차원 공간에 Fig. 2와 같이 가상으로 구현함으로써 관리 효율성을 제고하였다.
하수관로에 빅데이터와 인공지능기반 분석시스템을 활용하면 침수, 유출량 등을 파악하기 위한 비용과 시간 절감을 통해 홍수 예측 및 대비를 효율적으로 할 수 있는 장점이 있다. 하수관망 안전관리 시스템에 적용시 다양한 자연재해에 대한 리스크 예측과 실측 자료 비교 분석을 통해 검증이 요구되며, 증강현실을 이용한 정보제공은 사용자 편의성과 데이터 업데이트 등 수요처의 의견을 지속적으로 반영하여 개선이 필요하다.
3.3. 대기환경
‘16년에서 ’19년까지 수행된 환경감시 업무의 첨단 기술(드론, 로봇 등) 적용 및 통합 관리 기술 개발 연구는 이동체(드론) 탑재 카메라(영상, 열화상, 초분광) 및 센서(오염물질)를 활용하여 환경감시 지도･점검･단속을 위한 실용기술을 개발하고 지원체계 등을 마련하는 과제이다[7].
환경특별사법경찰 제도는 환경분야에 전문성이 있는 행정 공무원에게 사법경찰권을 부여하여 환경 관련 단속/수사를 하고 있으나 관리 업체수의 지속적 증가 및 단속업무시 공장의 출입이 제한되거나 대상지역이 복잡하고 규모가 큰 경우 등에 따라 업무수행이 쉽지 않다. 동 과제에서는 드론을 이용하여 문제 지역으로 의심되지만 출입이 제한되어 접근이 불가능한 지역, 복잡하고 규모가 큰 지역 등을 대상으로 항공사진, 동영상 등을 촬영함으로써 입체적인 점검이 가능하며 촬영한 사진 및 동영상을 이용한 3D 모델 분석을 통해 불법 폐기물의 위치 및 용적에 대한 모니터링이 가능한 장점이 있다.
열화상, 초분광 등 카메라 및 센서를 드론에 적용하면 Fig. 3과 같이 기존에 육안으로 확인되지 않는 영역에 대해 추가적인 정보를 확보할 수 있고, 이를 통해 공장 운영 여부, 오염정화시설의 작동 여부, 대상 지역의 특정 오염물질이나 분진 확산 정도 등을 파악할 수 있다.
초분광 센서를 이용한 환경감시 기술은 초분광 자료를 획득하고 분석함으로써 오염물질의 확산된 영역을 이미지 정보로 도출하고 오염 물질 성분을 과학적 방법으로 추정함으로써 기존에 문제 지역으로 의심될 경우 시료 채취를 통해 실내 분석을 수행했던 전통적인 방법을 개선하여 신속한 대응이 가능하게 하였다. 아울러 계측센서나 시료채취 장비를 드론에탑재하면 기존에 현장 접근이 어려운 공간을 대상으로 오염물질의 직접계측 및 시료 채취가 가능하여 오염 물질의 객관적인 분석과 증거 채집이 가능하다.
‘17년에서 ’20년까지 수행한 환경위성탑재체 알고리즘 개발 연구단(II) 연구는 위성자료를 활용한 대기질 현업 예보지원과 대기질 예보 관리 관련 정책반영을 위한 자료처리 알고리즘 고도화, 검･보정 네트워트를 개발하는 과제이다[8].
동 연구는 2020년 2월 발사된 환경위성탑재체 GEMS(Geostationary Environment Monitoring Spectrometer)의 관측자료 처리를 위한 측정항목별 산출알고리즘의 고도화 및 표준화를 지원하는 연구개발이다. GEMS 발사 이전 시점에서는 타 위성, 항공기 자료 및 복사전달모델로부터 계산된 모의 위성자료를 이용해 알고리즘의 성능을 분석하여 산출 정확도를 향상시키고, 발사 이후에는 알고리즘을 GEMS 비행 자료에 적용하여 결과를 보완하고 개선하였다.
환경위성탑재체의 에어로졸, 오존, HCHO, NO2, SO2 등의 산출 알고리즘 정확도를 향상시키고 추가적으로 CHOCHO, 자외선 지수의 알고리즘을 설계하여 통합 알고리즘에 반영하였다. 각 요소별 알고리즘의 표준화를 위하여 환경위성 자료 처리 시스템에 최적화된 병렬화 구조를 구축하고 국제(NASA, ESA) 규격에 기반한 입･출력 변수를 설정하였다. 또한 표준화된 통합 자료처리 알고리즘의 안정성 확보를 위해 타 위성 자료, 항공 측정 자료, 모의 위성자료를 이용한 알고리즘 구동 시험 결과를 평가하고 환경위성탑재체의 물리적 특성을 모의자료에 반영하여 알고리즘의 성능을 분석하고, 각 요소별 알고리즘이 환경위성탑재체의 하드웨어 특성과 호환되는지 검증하였다.
궤도상 운영 기간 동안에는 환경위성탑재체의 실제 비행 관측 자료와 산출 시스템의 특성에 맞추어 알고리즘을 최적화하고 이후 각 요소별 알고리즘의 산출 성능을 평가하기 위해 3개월 이상의 검증을 수행하였다. 개발된 알고리즘은 정지궤도 환경위성과 구축된 측정 네트워크에 활용되어 국내 미세먼지, 오존 등 대기 예보 정확도 향상과 국내를 포함한 동아시아에 대기정보를 제공하는 등 국민의 삶의 질 향상 및 건강보호에 기여한다.
대기감시 기술들은 기존의 인력부족 문제를 해소하고 신속하고 정확하게 환경위반 업체를 관리·감독할 수 있게 하여 업무 효율성 제고에 기여할 수 있으며, 드론을 사용하는 경우 비행에 제한이 있는 지역이나 운영시간, 채취방법의 표준화에 대한 검토와 대응이 연계되야 한다. 환경위성탑제체 알고리즘 개발은 위성 운영을 지원할 수 있는 연구로 한반도를 포함한 동아시아의 대기오염물질 및 기후, 환경생태 변화 등의 예측에 기여할 수 있는 것이 장점이며, 위성의 운영 기간을 고려할 때 지속적인 모니터링 및 검증, 보정 작업 등의 개선이 필요할 것으로 판단되며 향후 연구개발 결과물을 보다 효과적으로 활용할 수 있는 후속 연계 연구와 추진 전략방안이 필요할 것으로 판단된다.
3.4. 자연보전
‘16년에서 ’19년까지 수행된 드론을 이용한 식생입체구조 정보분석 및 정책활용 기술개발 연구는 국토환경성평가지도, 생태자연도 작성 및 환경영향평가 시 신속하게 주변 생태계를 조사하고 식생정보의 정확성을 향상하는 과제이다[9].
국토환경성평가지도의 환경‧생태적 평가 항목 중 자연성과 안정성은 생태･자연도, 임상도, 도시생태현황도를 활용하여 제작되나 현장조사 및 사진측량에만 의존해서는 식생구조를 다면적으로 파악하기 어려워 자료 작성에 한계가 있다.
동 연구에서는 광학 및 레이더(Radar), 라이다(Lidar)센서를 드론에 장착하여 다양한 영상 확보 및 전처리 기술을 개발하여 다양한 스케일로 확보한 수평적 자료와 수직적 자료의 융합을 통해 식생(인공림, 자연림) 판별 및 식생구조(층위구조) 구분 등 입체적인 산림구조를 파악할 수 있다. 드론에 다양한 센서를 장착하여 산림 식생을 촬영함으로써 정밀한 식생정보 확보가 가능하고 드론을 이용할 경우 현장조사 시간 및 투입 인력 저감이 가능하다.
‘17년에서 ’20년까지 수행한 인공지능 및 기계학습 기반 동물 울음소리를 통한 동물종 구별 원천기술개발 연구는 장시간 녹음된 음향신호 분석을 통해 동물의 울음소리를 검출하여 동물종을 구별할 수 있는 알고리즘 및 플랫폼을 개발하는 과제이다[10].
야생동물의 서식, 출몰 등 생태 파악을 위해서는 전문 조사원이 현장을 직접 방문하여 생태 환경에 대한 조사, 분석을 수행하는데 기존 조사방식은 전문 조사원의 경험과 능력에 따라 조사결과 오차가 클 수 있고, 장시간의 노동력이 요구된다.
동 연구에서는 야생동물의 울음소리 데이터를 수집하고 Fig. 4와 같이 인공지능 기법을 활용하여 동물종을 단시간에 구별할 수 있는 연구를 수행하였는데 양서류, 조류, 포유류, 곤충류에 대해 97% 이상의 종 구별 정확도를 달성하였다. 기계학습과 인공지능 기술을 활용한 울음소리 기반 야생동물 종구별 기술은 전문 조사원의 노동력 저감 및 안정적인 생태 조사를 가능하게 하여 환경영향평가와 멸종위기종에 대한 데이터 수집･분석 등 다방면에 활용이 가능하다.
드론을 이용한 식생입체구조 분석은 대규모 개발사업의 환경영향평가 업무 등 조사면적이 넓어 광역적인 현장 대응이 곤란하거나 공간적인 제약 때문에 접근이 어려운 지역을 드론을 통해 실시간 확인이 가능함으로써 업무 효율화에 기여할수 있다. 조사의 신뢰도 제고를 위해 실제현장과 영상자료의 분석을 통해 오차를 줄이고 최적의 드론촬영과 분석시스템에 대한 사용자 매뉴얼 제시가 필요하다. 인공지능을 이용한 울음소리 기반 야생동물 종구별 기술은 사람이 판별하는 오차를 줄여 판별 정확도 향상 및 야생동물 실태 조사 시간을 단축하는 장점이 있으며, 향후 프로그램 개선을 위해 동일 야생동물종이라도 각 개체별 소리의 차이점(변이 및 다양성)이나 여러 종이 동시에 울었을 때 분류 정확도 제고 방안 등에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다. 아울러 환경영향평가 활용 등 조사 목적에 따라 장기적인 DB 확보 및 빅데이터 분석 등이 필요하여 관련 플랫폼 구축을 통한 활용성 제고 등 지속적인 관리 검토가 요구된다.
4. 환경분야에 활용 가능한 기술개발 전망
물환경 기술들은 데이터 수집 및 축적에서 저장, 분석, 예측으로 발전하고 있다. 다양한 머신러닝 모형은 수자원 관리분야에서 하천의 유량 예측에 이용되고 있으며, 센서를 적용하여 수질오염물질 유입 및 유량변화의 모니터링과 원격제어가 가능하다. 센서기술의 고도화는 실시간 모니터링과 방대한 자료의 확보, 단시간의 결과 분석을 가능하게 하여 국민들의 환경서비스 질이 향상될 것이다.
상하수도 기술의 설계, 운영, 유지관리 분야에서는 센서를 통해 수량정보를 확대하고 IoT를 이용한 양방향 통신으로 시설을 제어하며, 빅데이터와 인공지능을 통해 신속하고 과학적인 의사결정을 지원할 수 있다. 해외 사례로 영국의 AquamatiX 회사는 IoT 기술을 활용하여 도시 배수망 전역에 수도관 센서를 설치하고 펌프제어시스템을 연결하여 효율적인 물공급 시스템 관리를 통한 에너지 절약을 가능하게 하고 실시간 모니터링을 통해 수도관 파열과 같은 갑작스런 사고에 신속히 대응할 수 있게 하였다[11]. 앞으로 센서를 이용한 상하수도 감시 및 진단 기술, ICABM(IoT, Cloud, Artificial Intelligence, Big Data, Mobile) 및 증강현실을 이용한 운영 고도화 기술, 인공 지능 기반 환경시설 최적화 운전 시스템 등이 더욱 발달할 것으로 전망된다[12]. 이러한 서비스를 안정적으로 공급하기 위해서는 양질의 데이터 확보 및 데이터의 품질과 신뢰도 제고 방안이 요구된다.
대기관리 기술에서는 국가측정망에 연계 가능하고 설치나 공간에 제약이 없으면서 저비용으로 구축 가능한 IoT 기반 대기환경 측정시스템을 통해 환경모니터링을 고도화할 수 있다. 사업장의 대기오염물질 배출을 규제하고 개선하기 위해 환경센서나 드론 등을 배출시설 관리, 감독에 활용하면 최적의 환경시설 운영･유지 및 업무 효율성 제고가 가능하다. 또한 빅데이터와 인공지능을 활용하여 대기질 데이터 고도분석을 통한 예보 정확성 향상 및 IoT를 통한 실시간 노출평가과 모바일 연계 알림 서비스 등을 통해 국민에게 고품질의 환경서비스 제공이 가능하다. 실제로 캐나다의 TZOA 기업은 웨어러블 환경감시센서를 출시하여 옷 또는 가방에 해당 센서를 부착하여 미세먼지, 자외선, 온도 등 주변데이터를 실시간 수집하여 이용자에게 개인의 환경오염노출 정보를 서비스하고 있다[13]. 기관별로 다양한 대기정보를 관리함에 따라 효과적인 서비스 제공 및 국민의 삶의 질 향상을 위해 데이터들의 공유와 검증, 시스템 표준화를 위한 통한 플랫폼 구축이 요구된다.
자연보전 기술에서는 드론과 로봇을 이용해 생물종과 서식지를 조사하여 접근이 불가한 지역이나 극한의 환경에서도 실시간 영상자료 수집이 가능하다. 환경센서망을 통한 데이터를 수집하여 생물서식지의 환경적 변화, 생물종 변화를 모니터링할 수 있고 위성과 드론 영상을 활용하여 자연환경의 훼손 감지 및 원인 추적이 가능하다. 이와 같이 다양한 식생 및 자연정보를 수집하고 데이터를 분석하여 인공지능 의사결정 시스템까지 연결하면 동식물의 병해충 감지 및 진단이 가능하고, 기후변화나 산림재해 등에 대한 생태계 변화를 예측하고대응하는데 활용할 수 있다. 자연환경은 범위와 분야가 넓어 데이터의 수집범위와 관리방법에 대한 체계를 구축해야 하는 상황으로 4차산업 기술은 생태조사에 필요한 시간과 인력, 예산을 저감시켜 생태보존 및 복원에 기여할 것이다.
자원순환 기술에서는 IoT를 이용하여 쓰레기통의 상태를 원격으로 체크하여 적절한 수거시점을 파악하고 광역단위로 운영하는 폐기물처리시설의 반입량, 가동율, 처리효율 등 운영정보를 공유하여 적절한 분배를 통한 반입부하를 신속히 처리할 수 있다. 또한 의료폐기물과 음식물쓰레기에 RFID(Radio Frequency Identifification)를 적용하여 폐기물 처리, 인계･인수 정보관리, 수수료 부과관리 등을 효율적으로 처리할 수 있다. 인적이 드문 곳이나 심야시간대 등 관리가 취약한 곳을 대상으로 드론을 이용한 방치폐기물 모니터링 및 CCTV를 활용한 쓰레기 무단투기 감시를 통해 불법행위 예방 효율을 높일 수 있다. 인공지능을 활용한 폐기물 선별 로봇을 활용하면 무인선별로 인건비 저감 및 단시간에 효율적인 폐기물 선별이 가능하여 운영 효율 고도화가 가능할 것이다. 이에 대한 예시로 미국의 Bulk handling systems 회사에서 개발한 폐기물 선별로봇은 인공지능이 적용되어 폐기물 재활용 회수 용량을 30% 증가시키고, 인건비 저감과 분류 품질 향상 효과를 제시하였다[14]. 제품의 생산부터 폐기까지 전과정을 사물인터넷 기반으로 정보화하여 폐기물 발생과 수요를 예측하고 폐기물을 자원화할 수 있는 지능형 최적관리 플랫폼 개발이 요구된다.
이와 같은 다양한 분야의 스마트 환경기술은 스마트 도시구축을 위해 활용될 수 있으며[15] 스마트 환경기술이 지속적으로 발전하기 위해서는 미래사회가 요구하는 관련 인재 양성과 기술개발 투자 확대가 필요하며, 이를 통해 환경산업 고도화 및 고부가가치 창출로 대국민 서비스의 품질도 혁신적으로 개선될 것으로 전망된다.
5. 결 론
본 연구에서는 4차산업혁명시대의 국내 환경기술의 경쟁력 강화를 위해 환경정책기반공공기술개발사업 과제의 적용사례를 조사･분석하여 향후 변화될 스마트 환경관리 전망 및 발전방향을 제시하고자 하였다. 현재는 센서를 이용한 실시간 모니터링과 데이터 전송, 데이터 분석 등 ICT를 기반으로 하는 융합 환경기술 많이 적용되고 있으며 향후에는 로봇, 인공 지능 등과 결합하여 기술의 범위가 확대되고 영향력이 증가할 것이다. 우리나라의 정보통신기술과 기반시설 구축 현황은 세계적 수준으로 IT 기술을 활용한 환경기술의 혁신화는 빠르게 진행될 것으로 예상되며, 환경관리 인프라 개선과 유지관리 스마트화를 통해 관련 비용은 저감하고 작업효율성은 증대될 것이다. 초연결 기반의 지능화 환경기술은 산업 고도화 및 고부가가치 창출로 연계되어 대국민 서비스의 품질도 개선될 것으로 전망된다.
이러한 스마트 환경기술이 더욱 발전하기 위해서는 저에너지로 넓은 전파거리를 갖는 무선통신기술[16,17] 연계 및 양질의 데이터 확보가 필수적이며 수집된 데이터의 오류를 줄이고 품질과 신뢰도를 높이는 노력이 필요하다. 이를 위해서는 여러 기관에서 관리하고 있는 데이터들의 공유와 검증, 시스템 표준화 등을 할 수 있는 플랫폼을 만들어 각 시설과 구성요소의 정보가 효율적으로 통합되고 활용될 수 있어야 한다. 아울러 환경분야 과학기술 경쟁력을 강화하는데 중점을 두고 미래사회가 요구하는 관련 인재 양성과 기술개발에 적극 투자해야 한다.
4차산업기술의 발전은 앞으로도 활발히 진행될 것이며, 변화에 따라가지 않으면 쉽게 국제사회에서 도태될 것이다. 스마트 환경기술 개발은 신사업 발굴과 고용창출, 국민서비스 개선을 위한 기회가 될 것이기 때문에 이를 위한 정책적인 지원과 관련기술의 개발이 지속적으로 추진되어야 한다.
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