기후변화를 고려한 격오지 보건지소용 스마트 모니터링 시스템 개발
Development of a Smart Monitoring System for Isolated Health Centers Considering Climate Change
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Abstract
범세계적 기후변화는 다양한 재난과 함께 건강 위협의 심화를 초래하고 있다. 특히, 기후 민감 질병의 발병률이 높아지고 있는데, 이러한 현상은 기상 요소의 관측과 질병 발생의 추세를 통합적으로 분석하여 조기에 경보가 가능할 것으로 판단되고 있다. 한편, 의료 인프라가 부족하고 국가 전력망의 접근이 어려운 개발도상국의 격오된 지역은 이러한 기후 민감 질병의 예측과 대응이 상당히 어려운 실정이다. 특히, 북한지역은 산악지형의 점유율이 높고 국가 전력망이 원활하게 형성되지 못했을 뿐만 아니라, 주민 건강과 밀접한 보건지소의 여건 또한 열악한 것으로 알려져 있다. 본 연구는 북한 지역과 같은 개발도상국 격오지에서 보건지소를 운영할 수 있는 전력 인프라의 확보와 기후 민감 질병의 예측에 활용 가능한 기상 데이터를 수집할 수 있는 스마트 모니터링 시스템을 제안한다. 격오지역의 통신 특성 등을 고려하여 설계된 스마트 모니터링 시스템을 북한 지역과 유사한 환경의 강원도 평창군 보건지소에 설치하여 활용 가능성을 실증하였다. 본 연구를 통해 개발된 스마트 모니터링 시스템은 기후 민감 질병 예측 데이터를 확보하고, 격오지역 보건지소 운용에 필요한 태양광 발전 소요를 예측하는데 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 향후 다양한 격오지역에서 기후 민감 질병의 예측과 의료 활동에 필요한 전력 인프라 확보에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
Trans Abstract
Global climate change is causing various disasters and exacerbating health threats. In particular, the incidence of climate-sensitive diseases is increasing, and early warning of these phenomena is expected through integrated analysis of meteorological observations and disease outbreak trends. Meanwhile, isolated areas in developing countries, where healthcare infrastructure is lacking and access to the national power grid is limited, face significant challenges in predicting and responding to climate-sensitive diseases. North Korea, in particular, is known to have a high proportion of mountainous terrain, an underdeveloped national power grid, and poor health conditions at public health centers essential for the health of its residents. This study proposes a smart monitoring system that can secure the power infrastructure necessary for operating public health centers in isolated areas of developing countries, such as North Korea, and collect meteorological data that can be used to predict climate-sensitive diseases. Designed with the communication characteristics of remote areas, the smart monitoring system was installed at a public health center in Pyeongchang County, Gangwon Province, which has a similar environment to North Korea, and its feasibility was verified. The smart monitoring system developed through this study was utilized to obtain climate-sensitive disease prediction data and to estimate the amount of solar power generation required to operate remote protection centers. This system is expected to be useful in predicting climate-sensitive diseases and securing the power infrastructure necessary for medical activities in various isolated areas.
서론
세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)에 따르면 2000년 이후 기후변화로 인한 극단적인 기상이변과 자연재해 발생 빈도가 급격히 증가하고 있으며, 이로 인한 인명 및 경제적 피해가 지속적으로 확대되어 가고 있다(United Nations Office for Disaster Reducton, 2020). 평균 기온과 해수면의 상승, 기상 재해 빈도 증가 등의 기후변화는 감염병 확산과 영양실조 증가, 호흡기 질환 악화 등 다양한 건강 문제를 동반하는데, 이러한 변화는 특히 의료 인프라가 부족한 개발도상국에서 더욱 심각하게 나타나고 있다. 개발도상국의 경우, 의료 시설의 부족과 함께 의료 시설을 운영할 수 있는 전력 상황 또한 어려운 실정으로 기후 민감 질병의 확산시 이에 대한 통제가 어려울 것으로 판단되고 있다.
한편, 본 연구팀이 탈북 의사들과 인터뷰를 진행한 결과에 따르면, 북한의 보건지소에는 의료 설비의 부족뿐만 아니라, 국가 전력망의 부실로 인해 조명 또는 일부 난방 수준의 전력만 사용 가능한 실정으로 확인되었다. 북한은 현재 15개 수력발전소와 8개 화력발전소를 운영중이나, 가용율은 50% 수준으로 추정되며, 2018년 기준 전력 이용률은 48.5%로 세계 최빈국 수준으로 평가되고 있다(Kim et al., 2021). 구축된 발전설비 또한 현대화와 설비 대체투자의 미흡으로 노후화가 심화되는 상황에서, 대북 제재로 외부 연료 수급도 제한되어 재생에너지를 활용하는 정책을 추진하고 있는데, 북한지역 총 면적의 51%가 산악지역으로 풍력과 태양광에 의한 발전 잠재력이 높은 것으로 추정되고 있다(Kim et al., 2018). 이러한 북한의 상황을 고려하면, 기후변화로 인해 증가하고 있는 감염병과 호흡기 질환 등에 상당히 취약할 것으로 판단되나, 의료 인력 및 설비가 공급되면 재생에너지 생산을 통해 이를 운영할 수 있는 여건은 구축이 가능할 것이다.
도시로부터 분리된 격오지역은 국가 전력망의 연결이 어려울 뿐만 아니라 통신 여건 또한 많은 제약이 따른다. 격오 지역에서 수집되는 기후 관련 데이터를 분석하고 기후 민감 질병에 대한 조기 경보를 연동하기 위해서는 기상센서로부터 수집된 데이터를 원격지에 있는 서버로 전송하는 방안이 필요하다. 하지만, 인프라가 구성된 도시로부터 원거리에 위치하거나 산악과 같은 지형적 제약이 있는 격오지역에서는 현재 통상적으로 운용되는 통신방법은 적용이 어렵다.
이에, 본 연구에서는 격오지역, 특히 북한지역 보건지소에서 기후변화에 따른 민감 질병을 예측하고, 재생에너지를 이용하여 의료 설비를 운용하는데 활용할 수 있는 스마트 모니터링 시스템을 제안한다. 전력 및 통신이 제한되는 오지 환경에서 기상 변화와 함께 재생에너지를 통한 전력 발전을 모니터링할 수 있는 시스템을 구축하고, 북한지역과 유사한 국내 지역을 선정하여 실증을 통해 적용 가능성을 검증하였다. 본 연구 결과는 북한을 포함한 다양한 개발도상국의 기후 민감 질병 조기 경보와 의료 시설 운영을 위한 재생에너지 확보에 참고 가능한 유용한 방향성을 제시할 수 있을 것이다.
이론적 배경
본 연구팀은 선행연구를 통해 2013년부터 2023년까지의 서울대학교 관악 캠퍼스 보건진료소 데이터와 동일 기간의 서울시 기상 데이터를 비교 분석하여 기상 요소의 변화와 호흡기 질환 및 정신건강에 대한 상관관계를 분석하였다. 분석 결과, 호흡기 질환은 온도의 변화와 선형적 연관성을 가짐이 확인되었으며, 정신건강의 경우에는 온도와 일부 관계됨을 검증하였다. 본 선행연구는 보건의료 시설이 잘 구축되어 있고 기상의 변화가 극단적이지 않은 대도시 지역에서의 분석 결과로, 산악지역과 같은 오지 환경에서는 보다 많은 종류의 질환이 기상 요인의 영향을 받을 것으로 추정된다(Institute for Health and Unification Studies, 2025).
전력소비량과 보건지표는 밀접한 상관관계를 가지는 것으로 조사되었는데, 일반적으로 인당 전력소비량이 높은 국가는 보건지표가 양호한 반면, 개발도상국의 경우 전력보급의 제약으로 낮은 인당 전력사용량을 보이며 이와 함께 보건지표도 매우 낮게 나타나는 현상을 보였다(Kim et al., 2020). 북한을 포함한 개발도상국들에게 있어 재생에너지가 경제성장과 에너지 효율 향상에 긍정적임을 확인한 다양한 연구 결과가 제시되고 있는데(Jang et al., 2022), 북한은 일반 주민에 대한 에너지 공급이 부진하여 자체적으로 해결하고 있는 상황으로 알려져 있으나(Bang and Lee, 2017), 태양광 발전 잠재량은 남한보다 높은 것으로 추정되어 재생에너지를 이용한 전력 공급을 통해 민간의 에너지 수급이 가능할 것으로 판단되고 있다(Kim et al., 2021).
개발도상국 오지 환경에서 재생에너지를 이용하여 전력을 생산하거나 현지의 데이터를 수집하고 분석하는 스마트 모니터링에 대한 연구도 다양하게 수행되고 있는데, 네팔 산악지역에서 태양광-소수력 하이브리드 발전시스템을 구 축하고 지역사회와 연계된 확장 모델을 제시한 연구(Ahn et al., 2012), 탄지니아에 오프그리드 태양광 발전시스템을 구축하고 스마트 미터를 통해 실시간으로 전력의 생산과 소비량을 모니터링하며 알고리즘으로 분석하고 원격제어가 가능토록 개발한 사례 등이 있다(Kim et al., 2019).
본 연구는 기후 민감 질병의 예측을 위한 질병 영향 기상 데이터를 수집하는 동시에 전력 발전량을 예측하여 보건진료시설의 운용 여건을 확보한다는 차원에서 기존의 연구와 차별이 있다고 할 수 있다.
스마트 모니터링 시스템 구축 및 운용 실증
1. 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 설계 및 제작
1.1 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 설계
스마트 모니터링 시스템은 기후 민감 질병 대응 및 보건의료시설 운용 재생에너지 생산 예측을 고려하여 아래의 요구 기능을 반영하여 설계하였다.
- 기후 민감 질병 영향 기상 요소인 온도, 습도, 풍향 및 풍속, 기압 등의 데이터 수집 및 전송
- 태양광 발전량 추정이 가능한 일사량 데이터 수집 및 전송
- 북한지역 등의 산악 격오지역의 환경을 고려한 데이터 통신
- 외부 환경에 노출된 상태에서 요구 데이터 수집
오지의 환경에서 다양한 기상 데이터를 수집 및 전송하기 위해 라즈베리파이를 기반으로 기상센서와 일사량센서, 통신모듈을 적용하고, 외부 환경을 고려하여 방수패키징을 하는 것으로 판단하였다(Figure 1).
Smart monitoring system architecture design
1.2 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 제작
Figure 2는 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템에 적용된 주요 기능 모듈로서, 기상센서는 온도와 습도, 풍향/풍속 및 기압을 통합적으로 측정할 수 있는 웨더 스테이션 센서 모듈을 적용하였으며, 일사량 센서는 우리나라에서 최대 일사량을 수용할 수 있는 범위의 센서를 선정하여 반영하였다. 통신의 경우, 북한과 같은 오지환경을 고려한 통신 모듈을 적용하기 위해 글로벌 유심(Global USIM)을 이용한 2G 통신을 채택하였다. 통신 부하 및 비용을 최소화하기 위해, 중요한 상태 메시지는 문자메시지로 발송하고 측정된 데이터는 MQTT(Message Queueing Telemetry Transport) 통신을 적용하여 통신량을 최소화 하였다. 데이터 수집주기는 1분으로 설정하였으며, 수집된 데이터는 10분 단위로 구글 클라우드로 전송되어 저장되도록 설정하였다.
Key functional modules applied to the smart monitoring system
Figure 3은 본 연구를 통해 제작된 스마트 모니터링 시스템의 모습으로, 라즈베리파이 기반의 컴퓨팅 모듈, 기상센서 및 일사량센서 모듈, 통신모듈로 구성되어 있으며 방수 패키징을 통해 외부 환경 노출시 시스템의 우천 피해를 최소화 하도록 제작하였다. 제작된 스마트 모니터링 시스템은 실내의 안정적인 기상 환경에서 기온, 습도, 풍향, 기압 등의 확인을 통해 정상 작동됨을 확인하였으며, 태양광을 조사 및 차단하며 일사량의 정상 측정 여부도 검증하였다. 통신 또한 모니터링 시스템에 장착된 통신 모듈을 이용하여 구글 클라우드 서버로 정상적으로 데이터가 송신됨을 확인하였다.
Smart Monitoring System for Isolated Health Centers to Address Climate Change
실증 운용 전 외부 환경 테스트는 실증 지역이 확정되기 전에 평창군 지역의 보건지소 2개소를 대상으로 시험 가동하여 해당 지역의 기상청 데이터와 비교하였는데, 기상 및 일사량 데이터가 기상청 데이터와 유사하게 측정되고 통신 또한 원활하게 데이터를 송신함을 확인할 수 있었다(Figure 4).
Smart monitoring system field operation test
2. 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 운용 실증 지역 선정
본 연구에서 개발된 스마트 모니터링 시스템은 강원도 평창군내 보건지소에 설치되어 파일럿 테스트를 수행하였다. 강원도 평창군은 평균 해발고도 600m 이상의 산악지형으로, 동·북·서 방향의 삼면이 높고 험준하여 북한지역과 유사한 지리적 특성을 가졌다. 한편, 최근 10년간 연평균 기온과 강수량은 9.4~11.0℃, 662.0~2,004.5mm의 분포를 보이고 있으며, 10년간 연평균 기온은 약 1 ℃ 상승하였고, 연평균 강수량은 약 6mm 감소하고 있는 추세를 확인할 수 있었다(Figure 5). 지형적 특성으로 볼때, 평창군의 해발고도는 북한지역보다 다소 낮고, 평균 기온 또한 5℃ 정도 높으나, 남한의 지리적 특성을 고려할 때, 강원도 고성군과 더불어 북한지역의 지형 및 기후 특성과 가장 유사한 지역으로 판단할 수 있다.
Temperature and precipitation changes in Pyeongchang-gun, Gangwon-do
평창군에서는 10개의 보건진료소 및 보건지소를 운용하고 있는데, 본 연구에서는 평창군보건의료원의 협조하에 대화보건지소를 실증 지역으로 선정하였다(Figure 6). 대화보건지소는 산 능선의 끝자락에 위치하여 도심 주거지와 다소 이격되어 있어 타 보건지소에 비해 산악 격오지역의 특성을 잘 보여줄 것으로 판단되었다.
Geographical location of Pyeongchang-gun Public Health Center, Gangwon-do (left) and Daehwa Public Health Center (right)
3. 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 운용 실증
개발된 스마트 모니터링 시스템은 실증 지역으로 선정된 대화보건지소의 태양광 패널 옆에 설치되어 24시간 온도, 습도, 풍향 및 풍속, 기압 등의 기상 데이터와 일사량을 측정하여 서버로 전송하였다. 연구의 한계로 태양광 패널을 직접 운용하기 제한되어, 스마트 모니터링 시스템을 구동하는 전원은 대화보건지소의 협조를 받아 상전을 연결하여 운용하였으며, 기상 및 일사량 데이터 수집 조건은 외부의 영향이 최소화되도록 설치하였다.
Figure 7은 대화보건지소에 설치된 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템의 모습이다. 설치된 시스템은 2025년 2월부터 2025년 10월 말 현재까지 데이터를 수집하여 전송하고 있는데, 보건지소 운영 특성으로 인해 모니터링 시스템의 전원이 차단되는 상황이 간헐적으로 발생하여 본 연구에서는 2025년 2월과 3월의 동일자 일부 데이터를 분석하여 시스템 운용 가능성을 검증하였다.
Smart monitoring system demonstration test installation
기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템 실증 결과 및 고찰
1. 기후 민감 질병 예측 기상 데이터 모니터링
Figure 8은 스마트 모니터링 시스템을 통해 기온과 습도, 기압, 풍향 및 풍속 등 기후 민감 질병에 영향을 주는 기상 요인들을 모니터링한 결과이다. 기온은 최저 –14℃에서 최고 33℃의 분포를 보이고 2월 보다 3월에 높아진 것으로 측정되었는데, 최고 기온이 높게 측정된 이유는 웨더 스테이션 센서의 구조상 온도센서에 태양광이 직접 조사되어 주간 기온이 과다하게 상승하는 현상이 확인되어, 차후 실 운용 모니터링 시스템 설계시 보완이 필요할 것으로 판단된다.
Analysis results of meteorological factors monitoring data
습도는 2월과 3월이 동일하게 주간에 20% 수준의 낮은 분포를 보이다가 야간에 70% 수준으로 높아지는 경향을 나타내었으며, 기압은 전반적으로 953~987hPa의 분포를 보이는 가운데 2월에 비해 3월이 약 15hPa 정도 낮은 분포를 보였다. 한편, 풍속은 2월 대비 3월이 높게 나타났으며, 주간에는 바람이 불고 야간에는 바람이 잦아지는 경향을 보였다. 풍향은 2월에는 주로 북풍과 북동풍이 불고 3월에는 동풍과 북동풍으로 바뀜을 확인할 수 있었다.
Figure 9는 2월과 3월의 일사량-온도-습도의 상관관계를 정리한 것이다. 2월과 3월 모두 일조가 시작되며 온도는 상승하고 습도는 하락하는 모습을 보였는데, 일조 시작 후 온도는 일부 시간적 지연을 두고 서서히 상승하는 모습을 보였다. 이를 통해 온도와 습도의 상승 및 하강은 반비례하는 성향을 확인할 수 있었다. 기상 요소의 변화를 통해 2월과 3월은 시기에 따른 특별한 변화 요인은 관찰되지 않았다.
Weather factor overlay chart
수집된 기상 데이터는 본 연구팀의 선행연구에서 확인된 기후 민감 질환의 발병 추세와 기상 변화의 상관관계에서 확인된 기상 변화 결과와 상당히 유사한 것으로 분석되어(Institute for Health and Unification Studies, 2025), 향후 해당 지역의 진료 데이터와 연계하여 기후 민감 질환 예측 시스템에 적용 가능할 것으로 판단하였다. 또한, 본 연구를 통해 특정 국소 지역 관측지점에서의 기상 데이터를 적정 비용으로 확보할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
2. 격오지역 보건지소 운용 재생에너지 생산 예측
Figure 10은 스마트 모니터링 시스템을 통해 태양광 일사량을 측정하고, 이를 통해 해당 지역에서 발전 가능한 전력량을 산출한 결과이다. 측정된 일사량은 최대 약 830W/m2로 2월 대비하여 3월에 다소 증가한 모습을 보였으며, 일조시간은 약 11시간으로 역시 2월에 비해 3월에 일부 길어진 것으로 확인되었다. 수집된 일사량 데이터를 기반으로 9.6kW급 태양광 패널 기준 발전량을 산출한 결과, 일일 약 2.9~4.0kWh 수준의 전력을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다. 일사량과 일조시간이 비교적 낮은 동계 후반의 산출 결과라 하계의 경우에는 보다 많은 전력의 생산이 가능할 것으로 추정되나, 본 연구팀의 또 다른 선행 연구를 통해 산출한 보건지소 1개소의 운용 요구전력이 10kW 수준임을 고려할 때, 소요에 따라 설비 규모 확장의 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.
Solar irradiance-based power generation calculation
3. 연구의 한계 및 향후 계획
본 연구는 기후변화를 고려한 스마트 모니터링 시스템의 적용 가능성을 검증하기 위한 선행 연구로, 향후 본 연구 결과의 실제적 적용을 위해서는 일부 보완이 필요한 부분이 있다. 스마트 모니터링 시스템의 실증 지역인 평창군 대화 지역의 의료 데이터와 연계한 기상 상태 변화와 기후 민감 질병의 발병에 대한 상관관계 분석을 의료 정보 공개 제한 으로 수행하지 못하였는데, 향후 지역 보건의료원과 협의를 통해 이에 대한 추가연구가 필요할 것이다.
스마트 모니터링 시스템의 제작 및 운용과 관련하여, 하드웨어적으로는 평창지역의 평균 기온 및 일반적 풍속에 대해서는 센서 모듈의 측정 범위에서 충분히 수용이 가능할 것이나, 북한지역의 최저 기온과 특수한 기상 상황을 고려하면 측정 범위가 보다 확장된 센서를 사용할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 온도 센서의 경우 직사광선을 회피할 수 있도록 설계 조정이 요구되었다. 한편, 보건지소의 운영상 야간 안전을 위해 외부로의 상전 공급을 차단하는 상황이 있어 지속적인 데이터 수집 및 분석이 제한되었는데, 이는 향후 태양광 발전과 연계하여 주간에 발전되어 축적된 전력을 활용하여 야간에 모니터링 시스템을 가동하면 충분히 해결 가능할 것으로 판단된다.
보건지소 운용에 소요되는 전력의 실제 발전과 관련해서는 연구의 예산 및 한국전력에서 태양광 발전 전력을 관리하는 현재 우리나라의 전력관리 특성상 태양광 패널과 연계한 실험의 진행이 제한되는 점 또한 향후 본 연구를 기반으로 실제 적용을 통해 구현이 필요할 것이다.
결론
본 연구는 북한의 격오지역 보건지소에서 해당 지역의 기후변화에 민감한 질병의 예측과 태양광을 이용한 보건지소 운용 전력의 확보를 위한 스마트 모니터링 시스템의 적용 가능성 검증을 목표로, 다양한 고려요소를 반영하여 스마트 모니터링 시스템을 설계 및 제작하고 북한 격오지와 유사한 강원도 평창에서 실증 테스트를 수행하였다. 예산 및 환경상 일부 제약이 있었으나, 향후 보완 및 추가 연구를 통해 본 연구 결과를 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 지역적 특성을 반영하며 스마트 모니터링 시스템의 구조와 특성을 개선한다면 다양한 개발도상국 환경에서 활용이 가능할 것이다.
기후변화로 인한 기상이변과 자연재해, 감염병의 확산과 호흡기 질환 악화 등이 점점 현실로 다가오는 가운데, 북한과 같이 의료 및 전력 인프라가 부족한 개발도상국은 이 위기에 대응하는데 큰 어려움을 겪게 될 것이다. 비록 국제 정세적, 정치적 차원에서의 상황이 북한을 포함한 개발도상국들의 위기 대응 여건 구축에 많은 영향을 미치게 될 것이나, 위기가 심화되기 전에 선행 연구와 준비를 통해 보다 효과적으로 위기를 극복할 수 있을 것이다.
Notes
사사
이 연구는 서울대학교 통일·평화연구원에서 운영하는 2025년 서울대학교 통일·평화기반구축사업의 지원을 받아 수행한 연구의 결과물입니다.