과학 학술지 『MDPI 스마트 시티』에 발표

최근 스페인 바르셀로나 수도권에서 보고된 것과 같은 대도시 하층토(subsoil)의 가뭄과 대규모 누수로 인해 도시환경의 수자원 관리를 개선하는 것이 그 어느 때보다 절실한 상황이다.

상수도 및 정화 인프라를 위한 스마트하고 연결된 시스템의 구현에는 분명한 이점이 있으며 시간이 지남에 따라 올 것이다. 그러나 현재 디지털화가 부족한 분야이기 때문에 이러한 전환은 민첩하고 신중하게 모니터링해야 한다.

새로운 연구가 이 프로세스를 수행하는 방법에 대한 토대를 마련했다. 이 연구의 주 저자는 오베르타 데 카탈루냐 대학교(University of Oberta de Catalunya ; UOC) 졸업생이자 스페인 최고의 기술회사 중 한 곳의 직원인 크리스티나 빌라르(Cristina Villar)이다. 그녀는 다양한 유형의 인프라를 위한 디지털화 및 보안 솔루션을 설계하고 있다.

UOC(베르타 데 카탈루냐 대학교)에서 전기통신공학 석사학위를 위한 최종 프로젝트로 수행된 이 연구는 이러한 갱신이 발생하기 위해 무엇이 발생해야 하는지 검토하고 물 공급망(water supply chain)을 확보하는 데 필요한 네트워크 구조(network architecture)와 특정 유형의 하드웨어에 대해 설명한다. 

기후변화와 인구 증가가 이 자원을 점점 더 부족하게 만들고 있다는 것을 고려할 때 이것은 중요하다.

이 연구의 첫 번째 저자로 등재된 빌라르(Villar)는 “수처리와 관리에서, 디지털 프로토콜(digital protocols)의 개발과 표준화가 상당히 부족하다. 우리는 독특하거나 유연하지 않은 설계를 만드는 대신, 이러한 환경을 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 및 스페인 법률의 요구에 맞게 조정할 수 있는 운영 기반을 마련하고자 했다”고 설명했다.

빌라르(Villar)의 석사학위 최종 프로젝트는 공개적으로 출판되었고 현재 룩셈부르크 대학교(University of Luxembourg)의 연구원인 빅터 몬존 배자(Victor Monzon Baeza)에 의해 감독되었다.

우수한 결과를 얻은 이 연구는 나중에 카탈루냐 통신기술센터(Telecommunications Technology Centre of Catalonia)의 연구원인 라울 파라다(Raul Parada)와 UOC 컴퓨터 과학, 멀티미디어 및 통신학부의 구성원인 카를로스 몬조(Carlos Monzo)가 공동으로 작성한 연구 논문으로, 세계에서 가장 큰 오픈 액세스 과학 학술지 출판사인 MDPI 스마트 시티(Multidisciplinary Digital Publishing Institute Smart Cities)에 발표되었다.

복잡한 아키텍처(A complex architecture)

이들의 관점에서 물 공급망과 연결된 중요 기반시설의 갱신은 조치 및 측정 그룹(현장 센서의 대규모 배열)과 간섭이 없는 네트워크를 포함하는 아키텍처를 기반으로 하여 적용 범위를 제공하고 제안된 솔루션의 중추인 핵심 컴퓨팅 그룹에 데이터를 전송해야 한다.

시스템의 이 부분은 센서로부터 모든 데이터를 수집하고 액추에이터에 대한 명령을 실행하는 역할을 한다. 이러한 명령은 시스템 유지관리를 담당하는 운영자가 수동으로 입력하거나 자동화하여 물관리 시스템의 응답 시간을 개선할 수 있다.

모든 데이터는 몽고디비(MongoDB)와 같은 노에스큐엘(NoSQL) 데이터베이스에 저장되며, 개인 데이터처리센터(data processing centres ; DPC)에 위치한 고가용성 서버에 구축하는 것이 이상적이다. 

이러한 서버는 백업 및 복제되므로 만일의 경우에도 시스템이 가동 상태를 유지하고 서비스 중단을 겪지 않는다.

이러한 정보는 데이터 분석 프로세서를 통해 추출 및 연구되고 추가 계산 및 인공지능 적용을 위해 클라우드에 업로드될 수 있다. 저자들은 필요한 모든 통신 보안 프로토콜을 사용하기 때문에 현장 장치에 협대역 사물인터넷(NB-IoT ; NarrowBand-Internet of Things) 프로토콜을 채택하고, 높은 수준의 커버리지를 제공하기 때문에 연결을 위해 4G 모바일 네트워크를 채택할 것을 제안한다.

[그림 1] 컴퓨팅 핵심 그룹 아키텍처

우선순위 1 : 보안(Priority one : security)

관련된 모든 시스템은 현재의 규제 기준을 준수하고 최적의 성능을 달성하기 위해 일련의 요구사항을 충족해야 한다. 여기에는 고가용성, 서비스 중단 없는 업데이트, 24x7(매일 가능한 서비스) 원격 모니터링을 지원하는 유지보수 계획, 처리를 위한 데이터 수율 균일화 가능성 등의 요인이 포함된다.

저자인 크리스티나 빌라르(Cristina Villar)는 “시스템 보안을 유지하기 위해 물리적이든 가상 이든 서로 다른 세분화된 인프라를 구축하고 솔루션을 지원하는 시스템의 이중화를 보장하는 방식으로 클러스터 모드에 여러 방화벽이 있는 고가용성 인프라를 구축할 것”을 권장한다.

빌라르는 “사이버 보안은 이러한 중요한 인프라에서 중요한 역할을 하므로 권장 지침을 고려하는 것이 중요하다. 여기에는 높은 가용성을 보장하기 위해 방화벽과 서버를 지리적으로 독립적인 위치에 배포하여 이러한 위치 중 하나에서 발생한 충돌이 나머지에 영향을 미치지 않도록 하고 두 개의 DPC(데이터처리센터)를 사용하는 것이 포함된다. 아무도 해커가 시스템에 침입해서 물이 없는 마을을 떠나는 것을 원하지 않는다”라고 강조했다.

자동화된 개선사항(Automated improvements)

이 디지털화 프로세스는 많은 작업을 자동화하고 생태환경을 변경하지 않도록 정수가 충분히 높은지 확인하고 시스템에서 소비하는 에너지 양을 측정하고 누수를 신속하게 감지하고 조치하는 등 다양한 개선사항을 출시할 수 있다. 

즉, 물 공급망, 정수처리 수준을 모니터링하고 연간 급수 서비스가 중단되는 평균 시간을 결정한다.

제안된 인프라의 이점은 NB-IoT(협대역 사물인터넷) 센서의 낮은 경제적 비용과 낮은 전력 소비, 모바일 네트워크를 통한 장거리 통신을 가능하게 하는 LPWAN(저전력 광역통신망) 솔루션 하에서 사용 가능한 광범위한 센서, 그리고 낮은 투자비용을 포함할 것이다. 

이것은 전화 사업자가 사용하는 기존 4G 무선국 인프라를 활용하기 때문이다. 또한 오픈 소스 관리 플랫폼을 사용하면 플랫폼과 통합될 수 있는 다른 애플리케이션 코드와의 호환성이 향상된다.

[그림 2] 행동 및 측정 그룹 아키텍처

인공지능(Artificial intelligence)

저자들은 앞으로 네트워크 구성 요소의 예방적 유지보수를 강화하여 부품 마모로 인한 사고를 방지하기 위해 향후 고려해야 할 추가 구현으로 초자동화(hyperautomation) 및 인공지능(Artificial intelligence ; AI) 시스템의 사용을 옹호한다.

이러한 로봇 프로세스(robotic processes)는 예상치 못한 문제를 처리하기 위해 기술 운영자가 항상 곁에 있어야 하지만 가능한 인적 오류를 상당 부분 제거할 수 있다.

 빌라르는 “스페인의 물관리 시스템은 디지털화에 관한 한 여전히 매우 친환경적”이라면서 “그들은 다소 구식이고 인터넷에 연결하기 어렵지만, 지금이 인류에게 매우 소중한 자원인 물을 낭비하지 않기 위해 이 과정을 시작하고 실시간 모니터링을 구현할 적기이다”라고 강조했다.
 

[원문보기] 
 

Researchers determine how to digitalize, optimize and safeguard water management in smart cities

Drought and massive water leaks in the subsoil of large cities, such as those recently reported in the Barcelona metropolitan area, make it more necessary than ever to improve the management of water resources in urban environments. 

The implementation of smart, connected systems for water supply and purification infrastructures has clear benefits and will come with time. However, as the sector is currently wanting in digitalization, this transition must be agile and carefully monitored.

A new study has laid the foundations for how this process should be carried out. The brain behind it is Cristina Villar, a graduate of the Universitat Oberta de Catalunya (UOC) and an employee at one of Spain's top tech companies, where she designs digitalization and security solutions for multiple types of infrastructure. 

Carried out as a final project for the University Master's Degree in Telecommunications Engineering, the study examines what needs to happen for this renewal to take place and describes the network architecture and specific type of hardware required to secure the water supply chain, which is key considering that climate change and population growth are making this resource increasingly scarcer.

Villar, who is listed as the study's first author, said: "In water treatment and management, there is a considerable lack of development and standardization of digital protocols. Instead of creating a unique or inflexible design, we wanted to lay the foundations of operation to adapt this environment to the needs of Industry 4.0 and Spanish legislation." 

Her master's degree final project is published in open access and was supervised by Victor Monzon Baeza, currently a researcher at the University of Luxembourg. 

Having achieved excellent results, the study was later published in MDPI Smart Cities as a research paper co-authored by Raul Parada, researcher at the Telecommunications Technology Centre of Catalonia, and Carlos Monzo, member of the UOC Faculty of Computer Science, Multimedia and Telecommunications.

A complex architecture

In their view, the renewal of critical infrastructures linked to the water supply chain should be based on an architecture that includes an action and measuring group (a large array of on-site sensors) and an interference-free network to provide coverage and send data to the core computing group, the backbone of the proposed solution. 

This part of the system would be responsible for collecting all the data from the sensors and executing commands for the actuators. These commands could be entered manually by the operators in charge of maintaining the system or they could be automated to improve the response time of the water management system. 

All data would be stored in NoSQL databases such as MongoDB, ideally deployed on high availability servers located in private data processing centres (DPCs). 

These servers would be backed up and duplicated so that the system would remain up and running in the event of contingencies and would not suffer service outages.

Such information could be extracted and studied through data analytics processors and uploaded to the cloud for further computation and the application of artificial intelligence. The authors propose adopting the NB-IoT protocol for on-site devices, as it uses all the necessary communication security protocols, and the 4G mobile network for connectivity, as it offers a high level of coverage.

Priority one: security

All systems involved would need to meet a series of requirements in order to comply with current regulatory criteria and achieve optimal performance. These include factors such as high availability, updates without service disruption, a maintenance plan with 24/7 remote monitoring, and the possibility of homogenizing data yields for processing.

In order to maintain system security, the authors advise having different and segmented infrastructures, whether physical or virtual, and "an infrastructure with high availability with several firewalls in cluster mode, in such a way as to ensure the redundancy of the systems that support the solution."

Villar said: "Cybersecurity plays a vital role in these critical infrastructures, so it's crucial to consider the recommended guidelines. These include distributing firewalls and servers in geographically independent locations to ensure high availability, so that a crash in one of these locations does not affect the rest, and using two DPCs. Nobody wants some hacker to break into the system and leave a town without water."

Automated improvements

This digitalization process could automate many operations and roll out a variety of improvements, such as checking that water purification is high enough so as not to alter the ecological environment, measuring the amount of energy consumed by the system, detecting and acting quickly on leaks in the supply chain, monitoring the level of water purification treatment and determining the average number of hours the water supply service is interrupted per year.

The benefits of the proposed infrastructure would include the low economic cost and low power consumption of NB-IoT sensors; the wide range of sensors available under the LPWAN solution, which allows long-range communication over the mobile network; and the low investment cost, as it leverages the existing 4G radio station infrastructure used by telephone operators. 

In addition, the use of an open-source management platform would improve compatibility with other application codes that could be integrated with the platform.

Artificial intelligence

Looking further ahead, the authors advocate the use of hyperautomation and artificial intelligence systems as an additional implementation to be considered in the future to reinforce preventive maintenance of network components and thus prevent incidents owing to worn parts. 

These robotic processes would also eliminate possible human errors to a large extent, although it would always be necessary to have technical operators on hand to deal with unforeseen issues.

Villar said: "In Spain, water management systems are still very green as far as digitalization is concerned. They are rather old-fashioned and are hard to connect to the internet, but it's the right time to set this process in motion and implement real-time monitoring to avoid wasting this resource, water, that is so precious to humanity."

[출처=UOC(오베르타 데 카탈루냐 대학교)(https://www.uoc.edu/portal/en/news/actualitat/2023/103-water-tech.html) / 2023년 5월 2일]

[논문출처 = https://www.mdpi.com/2624-6511/6/2/35]