1. 서 론

산업의 성장과 일회용품 소비의 증가에 따라 환경문제가 대두되면서, 환경문제를 완화하기 위한 범국가 차원에서의 환경규제 및 협정 등을 통하여 문제 해결을 위한 노력이 진행되고 있으며, 4차 산업혁명의 고도화된 기술도입을 통하여 효율적인 관리 체계 구축 및 운영을 통해 환경문제 완화를 위한 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다⁽¹⁾⁽²⁾.

산업현장에서 특수목적을 위해 사용된 후 배출되는 미세플라스틱과 사용 후 회수되지 못하고 강과 바다로 흘러들어 생성되는 미세플라스틱과 일상생활에서 사용 후 방출하는 미세플라스틱으로 인한 생태계 훼손 및 인류에 미치는 악영향 문제가 국제적으로 대두되면서, 미세플라스틱 검출 및 모니터링에 대한 기술개발의 필요성이 요구되고 있다^(3)(4)(5).

산업현장과 일상생활에서 발생하는 미세플라스틱을 법과 제도로 제한하고 단속할 수 없는 것이 현재 상황이며, 다양한 사용규제 마련과 계도과정을 통한 배출량 저감의 노력만이 시도되고 있을 뿐이다.

이에, 가정이나 산업현장에서 발생 되는 미세플라스틱이 하수를 통해 환경기초시설에 집결 후 정화과정을 거처 하천이나 해양으로 방류되는 점을 고려하여 미세플라스틱의 효과적 관리 포인트를 환경기초시설의 방류수 관리로 목표를 설정하고자 한다⁽⁶⁾.

환경기초시설의 경우 방류수 수질 기준, 유독 성분 및 부영양소의 방류 허용기준의 초과 여부를 실시간으로 감시하는 기술(다항목 수질 계측정장비 - pH, BOD, COD, TN, TP)과 시스템(TMS : Tele -Monitoring System)은 존재하고 있으나, 미세플라스틱을 측정하고 관리하는 기술에 대한 연구와 시스템 개발은 진행되지 않고 있다.

본 논문에서는 카메라 기반 CV솔루션을 활용하여 환경기초시설에서 하천이나 바다로 방류되는 처리수에 포함될 수 있는 미세플라스틱을 각종 이미지센서와 동영상 분석을 통해 검출하고 기존 운영 중인 감시제어시스템과 연동이 쉬운 형태로 구성하고, 산업계의 표준 범용 통신프로토콜인 모드버스 프로토콜을 적용하여, 기존에 운영되고 있는 모니터링 시스템(하수처리장 감시제어시스템 및 수질 TMS)과 연동하기 쉬우며, 이미지 분석을 통해 검출한 미세플라스틱 정보를 기존 모니터링 시스템 이외의 시스템과의 연계도 가능하다.

또한, 제안한 카메라 기반 CV솔루션은 별도의 네트워크 구성을 통해 미세플라스틱 통합 모니터링 시스템의 구축도 가능하다.

본 논문의 순서는 다음과 같다. 1장인 서론에 이어 2장에서는 카메라 기반 CV솔루션을 설계를 수행하였으며, 3장에서는 실제 솔루션을 구현하고 시료수에 포함된 미세플라스틱을 측정 동작을 확인 및 고찰을 진행하였으며, 마지막으로 4장에서는 본 논문의 결론을 짓고 마무리하였다.

2. 카메라기반 CV 인체유해물질 검출 솔루션 설계

본 장에서는 환경기초시설에서 방류되는 처리수 내에 포함 가능한 유해물질(미세플라스틱) 관리시스템의 설계를 수행하며, 카메라 기반 CV솔루션 구현을 목표로 제안한 시스템의 구조는 그림 1과 같다.

카메라 기반 CV솔루션은 환경기초시설의 방류수와 방류구 주변의 환경정보를 유/무선 카메라에 의해 수집되는 사진과 동영상 등의 이미지 매체를 활용하여 영상을 정보를 획득하고 시료 수 내에 포함 가능한 미세플라스틱과 다양한 유해 환경 요소를 검출하도록 구성한다.

환경기초시설 방류구 환경에 적용이 쉽도록 방류수의 시료를 연속적으로 채집할 수 있도록 방류구 현장의 샘플링 펌프를 구성하였고, 시료수의 안정화를 통한 안정적인 영상정보 취득을 위해 투명 아크릴 구조물도 추가로 구성하여 시료에 포함된 미세플라스틱의 잔존 여부를 연속적으로 감지할 수 있도록 구성한다.

제시한 하드웨어 구조를 토대로 CV솔루션 장치(SW)에 시료수에 포함 가능한 유해물질(미세플라스틱)의 검출을 위해 수집하는 이미지 데이터를 연계 구성하며, 수신된 이미지 분석을 통해서 데이터 생성하고 네트워크를 통해 상위 시스템에 전송이 원활하게 진행되도록 산업용 표준 프로토콜을 활용하는 표준 인터페이스부를 설계하였다.

또한, 모니터링 시스템에 취합된 환경기초시설 방류 미세플라스틱 데이터를 활용하여 관리자가 처리수 상황을 편리하게 인지할 수 있도록 그래픽 기반의 사용자 소프트웨어 구조로 설계하였다.

3. 미세플라스틱 검출을 위한 카메라 기반 CV솔루션 구현 및 테스트

본 장에서는 설계한 카메라 기반 CV솔루션을 토대로 방류수 내에 포함된 미세플라스틱 검출을 실제 구현을 수행하였으며, 제안한 미세플라스틱 모니터링 시스템에 대한 구현 및 테스트를 위하여 사용된 제원 정보는 다음 표 1과 같다.

원격지(제어실)에서의 방류상황 모니터링을 위한 컴퓨터 설비와 프로그램(SW), 방류수의 지속적인 시료 채취와 주변 환경정보 수집을 위한 원격단말(RTU) 및 환경센서, 채취단 시료 속에 포함된 미세플라스틱 검출을 위한 센싱 모듈과 이미지 센서로 구성하였다.

방류수 내에 포함된 인체 유해물질-미세플라스틱 검출을 위한 카메라기반 MP-Sol v1 CV솔루션은 윈도우 10에서 운영이 가능하도록 MFC를 활용하여 개발하였으며, 내장된 Tab Control을 활용하여 CV솔루션에 입력되는 다양한 신호를 구분하여 분석할 수 있도록 UI를 구성하였다.

그림 2와 같이 첫 번째 탭에는 카메라와 스트림을 토대로 CV 결과를 확인할 수 있는 원본 영상과, CV처리 결과, CV 적용 여부를 설정하는 버튼을 배치하였다. 하단부의 Start 버튼을 누르면 Setting 탭의 설정값을 토대로 영상을 획득하며 분석하도록 구성하였다.

그림 3은 CV 솔루션의 영상 소스 설정 및 영상처리에 관련된 설정값들을 변경하여 실행되는 CV솔루션에 반영이 되도록 구성하였다.

그림 4는 미세플라스틱 검출 및 분석 하드웨어 패키지를 구성한 것으로 현장 방류수를 채집하는 샘플링 펌프, 이미지 취득을 지원하는 샘플링 수조, 이미지 검출부 및 이미지 모니터링 & 분석부로 구성하였다.

그림 5의 상부는 이미지센서(426x240)를 이용한 검출 및 분석 패키지의 결과로 0.901의 정확도를 나타냈으며, 하부는 이미지센서(640x360)를 이용한 검출 및 분석의 결과로 0.906의 정확도를 나타냈다. 미세플라스틱 검출 및 분석 패키지를 이용하여 시료수에 투입한 미세플라스틱을 패키지가 인식하고, 결과를 표출하는 모습으로, 이미지 센서로부터 취득되는 실시간 영상을 분석하여 하수처리장에서 제거되지 못하고 방류될 수 있는 미세플라스틱을 검출하고 정보화하여 관리할 수 있음을 미세플라스틱 검출 및 분석 패키지와 CV 솔루션을 구현하고 결과를 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서 연구하고자 하는 시스템은 하수처리장으로 유입되어 하수처리과정을 통해 제거되지 않은 미세플라스틱이 하천에 방류되는 상황을 모니터링하고 이를 체계적으로 관리할 수 있는 체계를 확보하기 위하여 방류수 내에 포함될 수 있는 미세플라스틱의 개체수량을 카메라 기반 CV솔루션을 이용하여 검출하는 시스템이다.

이러한 미세플라스티틱 검출시스템은 하수처리장의 방류구를 통해 하천으로 유입이 가능한 미세플라스틱의 개체수량을 파악하여 이에 대한 하수처리 공정상의 미세플라스틱 제거를 위한 방류 필터의 적용 및 추가 관리의 필요성을 공유하는 목적으로 이용된다.

본 논문에서는 연속적으로 방류되는 처리수의 실시간 미세플라스틱의 검출을 위한 처리수 샘플링 설비 및 분석 영상 취득용 아크릴 구조체의 설계와 취득된 영상을 객체인식 분석 알고리즘을 이용하여 촬영된 영상 내에서의 객체 추적을 통한 미세플라스틱의 개체 수를 측정하는 알고리즘을 구현하여 측정결과 영상과 원격전송이 가능한 프로토콜로 변환됨을 확인할 수 있었다. 또한 제안된 카메라 기반 CV솔루션이 426x240의 영상에서는 0.901의 정확도를 640x360의 영상에서는 0.906의 정확도를 나타내며 적용되는 이미지센서의 해상도에 따라 측정의 정확도가 개선됨도 확인할 수 있었다.

카메라 기반 CV솔루션 패키지를 이용하여 하수처리장으로 집결되는 미세플라스틱이 완벽하게 제거되지 못하고 방류될 경우 이를 감시하고 관리하여 하수처리장 운영에 반영할 수 있음을 확인하였다. 미세플라스틱이 이슈화되고 사회문제시 되어가는 현시점에 CV솔루션을 이용한 방류수에 포함될 수 있는 미세플라스틱의 검출 방안과 관련 키트 구성을 통해 미세플라스틱으로 인한 하천 및 바다의 오염을 예방하는 귀중한 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.