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[인간·공감·AI] 처음 겪는 기후변화 시대, '극한 환경' 데이터 확보 AI가 나섰다

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[인간·공감·AI] 처음 겪는 기후변화 시대, '극한 환경' 데이터 확보 AI가 나섰다

2020.12.28 16:56
김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수 연구실의 연구원이 환경 실험을 하고 있다. 김 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스 영상 캡쳐
김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수 연구실의 연구원이 환경 실험을 하고 있다. 김 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스 영상 캡쳐

마이크로소프트사는 지구환경 분야에 인공지능(AI)을 사용하는 ‘지구환경AI(AI for Earth)’ 프로젝트를 2017년 출범했다. 물과 농업, 생물다양성, 기후변화 등 환경문제에 AI 기술과 교육을 적용해 대응하기 위해서다. 관련 프로젝트 수백 건에 자금을 지원하는 한편, 자체 개발한 AI 클라우드 시스템인 ‘애저’를 생태조사부터 농장 생산성 관리, 건물 및 도시의 에너지 사용량 최적화에 활용하도록 지원하고 있다. 노르웨이, 스웨덴, 호주 등 국가가 환경 및 에너지 관리에 이 기술을 적용하고 있다.


환경 분야는 빅데이터와 AI의 활약이 가장 절실한 분야 중 하나다. 대기와 바다, 강과 호수, 도시, 토양 등 사실상 인류가 접하는 모든 장소를 다루는 만큼 막대한 데이터를 측정하고 관리해야 한다. 짧게는 수 년에서 길게는 수십 년 이상 측정하면서 경향을 살필 필요도 있다.

 

문제는 환경 데이터의 범위가 공간적으로나, 시간적으로나 광범위한 만큼 부족하거나 아예 없는 데이터가 많다는 사실이다. 2000년대 초반부터 환경과 데이터과학을 접목한 연구를 해 온 김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수(아래 사진)는 “환경은 끝없이 변화하는 대상으로 반복적인 측정과 피드백이 필수적”이라며 “측정이 안 돼 빠진 부분도 있고 기존에는 겪지 못해 아예 측정된 적이 없는 데이터도 많은데, 이들을 보완해 결측이나 오측 없는 빅데이터를 생성하고 이를 분석하는 데 AI가 활약할 수 있다”라고 말했다.


김 교수는 “올해 동아시아를 강타했던 극단적인 강우와 그에 따른 홍수가 대표적”이라며 “강우량을 예측하려면 구름의 이동을 보여주는 데이터가 필요한데 실제로 이 데이터를 얻기는 어렵다”라고 말했다. 그는 “구름의 이동을 간접적으로 측정하는 방법도 있지만, 구름은 바람 환경에 따라 이동 속도와 방향이 변화무쌍하게 변하기 때문에 이마저도 어렵다”이라며 “이 경우 측정된 적 없는 데이터를 가상으로 만드는 합성 데이터가 요긴하게 활용되는데 최근 이 부분에서 AI가 활약하고 있다”라고 말했다. 데이터에서 측정값이 없는 부분을 채워주고 잘못 측정한 데이터를 수정하는 데 AI가 실질적인 기여를 할 수 있다는 뜻이다.

 

김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스 영상 캡쳐
김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스 영상 캡쳐

최근에는 기후변화로 과거에 한번도 겪지 않은 극단적인 기상 현상이 늘어나고 있다. 이에 따라 과거에 겪은 적이 없던 환경 데이터를 새롭게 만들어야 할 필요성도 늘고 있다. 김 교수는 “예를 들어 가뭄이 이어질 때 강의 흐름이 어떻게 바뀔지를 예측하려면 과거에 가뭄이 일어났을 때 측정한 데이터가 필요한데, 최근에는 기후변화로 과거에 겪은 적 없는 수준의 가뭄이 늘고 있다”라며 “이런 데이터를 AI로 합성할 필요가 있다”라고 말했다. 


최근 김 교수는 유역의 수량과 수질을 예측하는 모델에 AI를 도입하는 방안을 한국수자원공사와 함께 연구하기 시작했다. 수질 모델은 오염물의 농도와 움직임, 유량과 유속 등을 결정하는 복잡한 물리화학요소 지표(파라미터) 30~40가지를 계산해 수량과 수질을 예측한다. 파라미터를 정확히 설정해야 정확한 예측이 가능한데 모든 파라미터를 설정하는 데 한 달 가까이 걸린다. 김 교수는 이 과정을 AI로 훈련시켜 시간을 대폭 단축할 수 있을 것으로 보고 연구 중이다.

 

●부분만 보던 환경과학에서 시스템과 공정 중심의 환경과학으로


김 교수가 환경 빅데이터와 AI에 관심을 가진 계기는 환경공학을 혁신하는 과정에 이들이 반드시 필요하다는 인식 때문이다. 그는 2000년대 초반, 그 동안 분야와 매체 별로 파편적으로 연구되던 환경 분야를 시스템의 관점에서 통합, 분석할 필요성을 느끼고 ‘환경시스템공학’과 ‘환경데이터과학’를 국내에 도입했다. 이 가운데 시스템공학은 환경 시스템을 파편화된 분야가 아닌 전체 체계를 통해 바라보고 분석하는 학문이다. 문제제기와 분석, 실험, 결과 해석, 해결책 도출, 피드백 등 전 과정을 총괄적으로 다룬다. 


이 과정은 데이터 측정과 분석과 떼려야 뗄 수 없는 관계다. 김 교수는 이런 데이터를 체계적으로 모으고 분석하기 위해 국내 최초로 한국어로 된 환경통계 교과서를 집필하고 다양한 분야에 흩어져 있는 환경 관련 공공데이터를 기반으로 한 ‘환경 빅데이터플랫폼’ 구축을 주도하며 환경 데이터 분야에 본격적으로 발을 디뎠다. 덕분에 이전까지 ‘폐기물처리’, ‘하수처리’ 등 특정 목적을 위한 기술을 주로 다루는 파편화된 분야 이미지를 갖고 있던 환경과학, 환경공학이 데이터과학이라는 새로운 분야로 재해석되게 됐다.

 

김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수 연구실의 연구원이 환경 실험을 하고 있다. 김 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스 영상 캡쳐
김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수 연구실의 연구원이 환경 실험 장비를 살펴보고 있다.  GIST-동아사이언스 영상 캡쳐

그의 또다른 관심사는 환경과 관련한 공정을 개발하는 연구다. 해수를 담수화 기술을 개발해 부산에 인구 10만 명에게 먹는물을 공급할 수 있는 해수담수화시설을 구축했다. 삼면이 바다인 한국에서 바닷물을 이용해 전기를 얻는 해수염분차발전 기술도 개발해 실증실험까지 마쳤다. 염분차발전은 바닷물과 민물의 염분 농도차와 그에 따른 삼투압을 이용한 발전기술이다. 염분은 통과하지 못하고 물만 통과할 수 있는 미세한 구멍이 뚫린 막으로 바닷물과 강물을 나누면 강물이 바닷물로 이동해 양쪽의 농도를 맞추려는 작용이 생긴다. 이 때 생기는 압력이 삽투압이다. 염분차발전은 이 과정을 통제해 두 물 사이의 삼투압 차이를 크게 만든 뒤 수문을 열면 두 물이 빠르게 섞일 때 터빈을 돌려 전기를 얻는다.


김 교수는 2021년에는 환경 분야 소재·부품·장비 연구에도 도전한다. 반도체 공정에서 사용되는 세척수인 ‘초순수’를 만드는 공정이다. 초순수는 이온이 포함되지 않아 전도성이 없는 순수한 물로, 김 교수는 기존 담수 기술 개발 과정에서 확보한 이온제어 기술을 응용해 초순수 생산기술을 국산화할 계획이다. 김 교수는 “초순수는 반도체의 에칭과 식각 등 모든 공정에서 사용되는 필수 기술이지만, 아직까지 일본 기술에 크게 의존하고 있다”라며 “세척수가 없으면 대표적 산업인 반도체 산업도 위협 받는 만큼 이 분야의 핵심 기술과 부품을 확보하겠다”라고 말했다.

김준하 광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 교수는 다양한 환경 실측 데이터를 이용해 환경 빅데이터를 구축하고 이를 이용해 환경을 시스템적으로 이해하고 분석하는 연구를 하고 있다. 이 과정에서 측정이 이뤄지지 않은 데이터를 보완하는 데 인공지능(AI)가 활용되고 있다. GIST-동아사이언스

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