실내공기질 분야 베타선 흡수법 미세먼지 측정 정확도 향상을 위한 보정식 개발 연구 = A Study on the Calibration of Beta-Ray Absorption Method for the Improved Accuracy of Measuring Indoor Particulate Matters
저자
발행사항
서울 : 서울시립대학교 도시과학대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울시립대학교 도시과학대학원 : 환경공학과 환경공학전공 2024. 8
발행연도
2024
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
v, 82 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 차윤경
UCI식별코드
I804:11035-000000035554
소장기관
The research aimed to assess the concentrations of particulate matter (PM2.5 and PM10) in subway stations and develop a correction model by comparing measurements obtained through beta-ray absorption and gravimetric methods. Data were collected over 15 days from four stations within the metropolitan area to analyze the variations in particulate matter concentrations by time and day of the week. The analysis revealed that the particulate matter concentrations measured by the beta-ray absorption method were higher than those obtained by the gravimetric method, which could be attributed to the fundamental differences between the two measurement principles.
The temporal variation in particulate matter concentrations indicated that all stations experienced the lowest levels between 3 a.m. and 6 a.m., while peak concentrations occurred during rush hours from 8 a.m. to 10 a.m. and from 6 p.m. to 8 p.m. This pattern was interpreted as being influenced by subway operation times and passenger traffic. Additionally, the weekday analysis showed higher particulate matter concentrations compared to weekends, suggesting a correlation with increased human activity on weekdays.
For the comparison between beta-ray absorption and gravimetric methods, simultaneous measurements were conducted over 15 days at the platforms of four stations within the metropolitan area. The analysis showed that the beta-ray absorption method yielded concentrations that were on average 1.02 to 1.76 times higher than those from the gravimetric method, due to the differences in measurement principles. However, the trend in concentration changes remained consistent between the two methods, indicating that the beta-ray absorption method provided similar trends to the gravimetric method.
To enhance the accuracy of the beta-ray absorption method, a linear regression analysis was performed, using the gravimetric method as the dependent variable and the beta-ray absorption method as the independent variable. The analysis yielded high R-squared values for each station, with station B achieving the highest explanatory power at 0.960. Applying the correction factors derived from the regression analysis, the corrected beta-ray absorption measurements were found to be consistent with the gravimetric measurements.
The impact of external factors such as temperature, relative humidity, subway ridership, and ambient PM10 and PM2.5 concentrations on particulate matter measurements was also analyzed. The results indicated that ambient PM10 and PM2.5 levels and subway ridership were significant factors affecting particulate matter concentrations. By developing and applying a correction model that accounted for these external factors, the accuracy of the beta-ray absorption method measurements significantly improved in all stations.
For station A, the R-squared value of the beta-ray absorption method improved from 0.921 to 0.961 after correction for external factors, while the mean squared error (MSE) decreased from 7.549 to 1.500. Similarly, for station B, the R-squared value increased from 0.960 to 0.976, and the MSE decreased from 8.656 to 2.243. Similar patterns were observed for stations C and D, confirming that correction for external factors significantly enhanced the measurement accuracy of the beta-ray absorption method.
The research established correction factors for the beta-ray absorption method and developed a correction model that accounted for external factors to more accurately measure particulate matter concentrations in subway stations. Consequently, the reliability of beta-ray absorption method measurements improved, contributing to better indoor air quality management and more accurate prediction of ambient particulate matter concentrations. The findings could serve as important foundational data for particulate matter monitoring and management in various indoor environments, not just subway stations.
본 연구는 지하철 역사 내 실내공기질 중 미세먼지(PM2.5 및 PM10) 농도를 파악하고, 베타선 흡수법과 중량법 간의 측정값을 비 교하여 보정모델을 개발하는 것을 목표로 한다. 수도권 내 4개 역사 에서 15일간 데이터를 수집하여 시간 및 요일별 미세먼지 농도의 변 동을 분석하였다. 분석 결과, 베타선 흡수법으로 측정한 미세먼지 농 도가 중량법보다 높게 나타났으며, 이는 두 방법의 측정 원리 차이에 서 기인하는 것으로 확인되었다. 시간에 따른 미세먼지 농도 변화를 살펴본 결과, 모든 역사에서 오 전 3시부터 6시 사이에 미세먼지 농도가 가장 낮았으며, 출퇴근 시간 대인 오전 8시부터 10시, 오후 6시부터 8시에 농도가 피크를 이루었 다. 이는 지하철 운행 시간과 승객의 통행량에 따른 변동으로 해석된 다. 또한 요일별 분석에서는 평일의 미세먼지 농도가 주말보다 높게 나타났으며, 이는 평일 동안의 높은 인간 활동과 관련이 있음을 시사 한다. 베타선 흡수법과 중량법 간의 비교를 위해 수도권 내 4개 역사 승 강장에서 15일간 동시 측정을 실시하였다. 분석 결과, 베타선 흡수법 의 측정값이 중량법보다 평균적으로 1.02배에서 1.76배 높게 나타났 으며, 이는 두 방법의 측정 원리 차이에 기인한다. 그러나 두 방법 간 의 농도 증감 경향성은 일치하여, 베타선 흡수법이 중량법과 유사한 트렌드를 제공함을 확인하였다. 베타선 흡수법의 정확성을 높이기 위 해 중량법을 종속변수로, 베타선 흡수법을 독립변수로 설정하여 선형 회귀분석을 실시하였다. 분석 결과, 각 역사별로 높은 결정계수(R2) 값을 얻었으며, 특히 B 역사에서 0.960으로 가장 높은 설명력을 보였 다. 회귀분석을 통해 산정된 보정 계수를 적용한 결과, 보정된 베타선 흡수법의 측정값이 중량법 측정값과 일치함을 확인하였다. 기온, 상대습도, 지하철 이용 인원, 대기 중 PM10 및 PM2.5 등의 외부 요인이 미세먼지 측정에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과, 대기 중 PM10 및 PM2.5 농도와 지하철 이용 인원이 미세먼지 농도 에 중요한 영향을 미치는 인자로 확인되었다. 이러한 외부 요인을 고 려한 보정모델을 개발하여 적용한 결과, 모든 역사에서 보정 후 베타 선 흡수법 측정값의 정확성이 유의미하게 향상되었음을 확인하였다. A 역사의 경우, 보정 전 베타선 흡수법의 결정계수(R2)는 0.921이 었으나, 외부 요인을 고려한 보정 후 결정계수는 0.961로 증가하였 고, 평균제곱오차(MSE)는 7.549에서 1.500으로 감소하였다. B 역 사에서도 결정계수가 0.960에서 0.976로 증가하였고, MSE는 8.656 에서 2.243으로 감소하였다. C와 D 역사에서도 유사한 패턴이 나타 나, 외부 요인을 고려한 보정이 베타선 흡수법의 측정 정확성을 크게 향상시키는 것을 확인하였다. 본 연구는 지하철 역사 내 미세먼지 농도를 보다 정확하게 측정하 기 위해 베타선 흡수법의 보정계수를 산정하고, 외부 요인을 고려한 보정모델을 개발하였다. 이를 통해 베타선 흡수법 측정값의 신뢰성을 높일 수 있었으며, 이는 실내공기질 관리 및 대기 중 미세먼지 농도 예측의 정확성을 높이는 데 기여할 수 있을 것이다. 본 연구 결과는 향후 지하철 역사뿐만 아니라 다양한 실내 환경에서의 미세먼지 모니 터링 및 관리에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.
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