IoT 기반 스마트시티 구축동향 ③

2. IoT 기반 스마트시티 추진 동향_1

1) 스마트시티 요소 기술

스마트시티를 구성하는 요소 기술에는 가상물리스스템(CPS), 사물인터넷(IoT), 빅테이터, 건축정보모델(BIM), 지리정보체계(GIS) 등이 있다.

(1) 가상물리시스템 (CPS: Cyber Physical System)

① 정의

통신, 교통, 편의시설 및 산업시설 등 매우 다양한 분야에 임베디드 시스템이 사용되고 있다. 임베디드 시스템은 일상적으로 사용되는 범용컴퓨터와 달리，특정 시스템의 한 부분으로 내장되어 사용되는 연산시간의 제약조건하에서 특정 작업을 수행하는 컴퓨터 시스템이다. 최근 들어 실제 공간에 존재하는 물리시스템과 사이버공간，즉 컴퓨터 내에 존재하는 소프트웨어간의 상호관계가 점점 더 중요시 되면서 기존의 임베디드 시스템의 개념이 가상물리시스템(Cyber Physical System)으로 확장되었다. CPS는 다양한 임베디드 기기가 물리 시스템의 상태를 관찰하여 이 정보를 바탕으로 연산 후 연산결과가 다시 물리시스템에 영향을 미치는 피드백 시스템을 형성한다. 즉 물리적 시스템의 동작이 통신망을 통해 관찰∙조율∙제어되는 통합시스템이다. 사이버물리시스템은 항공, 의료, 교통，스마트빌딩, 스마트그리드 등 광범위한 인공시스템을 모두 아우르는 개념이다. 최근 융합연구의 새로운 패러다임으로 각광받고 있는 CPS는 통신, 제어, 컴퓨팅이 통합된 시스템을 일컫는 용어이며，물리시스템과 사이버시스템 간의 정보전달 과정이 통신망을 통하여 이루어진다는 점이 특징이다(박경준 외, 2012). 스마트시티를 구성하는 수많은 기능과 설비는 대규모성，지능성 및 자율성을가지는 네트워크기반 분산형 소프트웨어에 의해 통제되고 운영될 것으로 전망되고，이를 효과적으로 지원 할 수 있는 대규모 자율제어 CPS 소프트웨어 플랫폼이 스마트시티 구축을 효과적으로 지원할 수 있을 것이다(김원태, 2014).  

물리 세계와 사이버 세계의 몸합을 통해 우리가 얻을 수 있는 가치는 첫째，물리세계에 관한 보다 많은 정보를 보다 적시에 제공받게 되며 이를 통해 물리 세계에 대한 이해를 높일 수 있다. 둘째，CPS는 기존의 자동제어 시스템을 포괄하는 개념으로 여러 측면에서 시스템의 자율성을 가능하게 한다. 즉, 시스템이 인간이 정해놓은 수동적인 작업을 하는 것에서 물리 세계를 직접 인지하고，인지한 내용을 바탕으로 스스로 반응할 수 있는 자율성을 가질 수 있을 것이다. 이러한 시스템의 자율성을 통하여 인간에게 주어진 업무 부담을 획기적으로 줄일 수 있다. 셋째，CPS를 통하여 안정성이 대폭 향상될 수 있는데, 물리 세계와 밀접하게 융합된 시스템을 통하여 물리 세계를 분석할 수 있을 뿐 아니라 빠르게 반응함으로써 안전성을 향상시킬 수 있다.

② 동향

2007년 미국 대통령과학기술자문위원회 (PCAST: President's Council Advisors on Science and Technology)에서 백악관에 제출한 NITRD(Networking & Information Technology Research and Development)분야 보고서에 처음 공식적으로 등장하며, 2010년 PCAST보고서에서는 지속적으로 미국이 확보해야 하는 최우선 핵심 연구 아이템이라 발표된 적 있다. 국가별 동향을 살펴보면, 유럽의 경우 Framework Programme 7 ARTEMIS을 통하여 연구 투자가 활발히 진행되고 있으며, 일본은 연간 약 250만 달러 규모의 재난대응 및 헬스케어 분야 CPS 연구를 지원하고 있는 실정이고, 미국의 경우 CPS 연구개발과 관련한 핵심적인 응용분야로서 스마트 생산 공정 시스템，스마트 교통 시스템. 스마트 전력 시스템, 스마트 헬스케어 시스템，스마트 홈/빌딩 시스템，스마트 국방 시스템. 스마트 재해 대응 시스템을 제시한 바 있다.

우리나라의 경우 아직 CPS 관련 연구가 걸음마 단계에 머무르고 있으며，특히 조직화된 대규모 기초연구 및 그에 걸맞은 지원이 매우 부족한 상태이다. 대구경북과학기술원의 CPS글로벌센터에서는 다수의 센서로부터 수집한 교통 정보에 기반 량의 흐름을 예측하는 것, 교통량 및 정체 예측 정보 기반의 경로 추천을 통해 최종 목적지까지의 운행시간을 단축시키는 방법을 연구하고 있다.

③ 스마트시티 적용방향

기존의 임베디드 SW 기술은 이와는 반대의 특성 즉 동질성, 구조의 단순성，낮은 상호작용성，결정성, 단독 운영성 및 기능 단순성의 특성을 가진 반면 스마트시티를 포함한 대규모 자율제어 CPS의 주요 특성은 이중성，복잡구조，강한상호작용성，불확실성，분산성，동시성 및 지능성이다. 대규모 자율제어 CPS가 가지는 이중성과 복잡성을 해결하기 위해서는 시스템익 설계단계에 방 검증단계까지 이중성과 복잡성을 고려할 수 있는 SW개발 프레임워크가 필요하다. 특히, 체계화된 기본원칙을 가지고 전체 프레임워크가 구축되기 위해서는 모델기반의 SW 개발 방법론을 도입해야 한다. 체계화된 기본원칙을 가지고 전체 프레임워크가 구축되기 위해서는 모델기반의 SW 개발 방법론을 도입해야 한다. CPS는 네트워크를 기반으로 분산되어 있으며, 동시에 강한 상호 작용성을 갖게 되는데, 기계와 기계, 기계와 사람 등 다양한 상호작용 주체들이 있을 수 있고, 실시간성 및 비실시간성 뿐만 아니라 동기성 및 비동기성 등도 지원할 수 있는 방안이 필요하다. CPS는 다양한 네트워크를 기반으로 연동될 것이므로 특정 네트워크에만 국한되지 않는 구조를 갖는 것이 요구되는 한편，통신 미들웨어는 현실적으로 그 특성상 표준화된 기술을 채택해야만 한다. 그러므로 국제표준으로 개발하고，이를 확장하여 대규모 자율제어 CPS에 적합한 형태로 발전시키고，결과를 다시 표준화로 이어지도록 하는 선순환의 고리를 만들어야 한다.

SW 개발 및 검증 단계 이후 시스템에 적용된 운용단계에서 기존의 컴퓨팅 디바이스와는 달리 CPS는 불확실한 물리적 시스템 상태로 인한 오류로 전체 시스템의 미션에 영향을 끼치게 된다. 이러한 물리적 불확실성을 극복하고 전체 CPS 차원에서 부여 받은 미션을 완벽히 수행할 수 있기 위해서는 통합 시스템 단위의 자율제어를 통해 미션을 완수할 수 있도록 지원하는 CPS 자율제어 플랫폼이 요구된다. 한국전자통신연구원(ETRI, Electronics and Telecommunications Research Institute)는 대규모 CPS를 체계적으로 개발하기 위한 방법으로 자체 개발한 하이브리드 모델링 언어인 ECML(ETRI CPS Modeling Language)를 기반으로 다양한 CPS 모델링을 할 수 있는 모델러를 제공하는 등 대규모 자율제어 CPS SW 플랫폼 기술을 개발하였다. 스마트시티와 같이 수많은 시스템들이 복합되어 있는 대규모 시스템을 위한 SW 플랫폼으로 활용되려면 보다 발전된 형태의 구조로 진화해야 할 것이다. 다음 그림은 CPS 객체 클라우드와 CPS 가상네트워크 개념을 도입하고 스마트시티 플랫폼화 한 개념도이다(김원태, 2014).

출처: 국토교통부 [스마트시티 구축을 통한 대중교통수단 운행효율성 연구], 2016.3

그림. 대규모 자율제어 CPS 플랫폼 적용

스마트시티에는 스마트 교통을 구성하는 각종 교통 센서, CCTV, 신호등，개별 자동차，스마트폰 등과 같이 수많은 기능과 시설물들이 존재하는데，CPS에서는 이러한 각 컴포넌트들을 사이버적 요소와 물리적 요소를 모두 갖추거나 한가지만을 가진 CPS객체로서 정의하고 이들은 모두 표준화된 인터페이스를 가지고 클라우드에서 관리된다. 대규모 자율제어 스마트시티 서비스가 제공되기 위해서는 기존의 CPS SW 플랫폼기술 외에도 정밀 센서데이터 기반 상황적응형 동시성 제어 기술, 분산 CPS 객체간 시간동기화 보장 기술 등이 개발되어야 할 것이다(김원태, 2014). 향후 교통∙에너지∙기상 등을 예측하는 등 최적의 도시 설계에 CPS를 활용할 수 있을 것이며, 교통 분야에서는 자동차∙교차로∙신호등 등의 물리시스템을 CPS로 하면 구체적인 과금 조정，원활한 교통 흐름 유도 등 유연한 교통 정책 실현이 가능할 것이다.

(2) 사물인터넷 (IoT: Internet of Things)

① 정의

사물인터넷(Internet of Things)은 주변에 흔히 볼 수 있는 사물들이 인터넷에 연결되어 서로 간에 대화로 정보를 주고받으며, 지능을 가지고 판단하는 지능형 기술 또는 서비스를 의미한다(이정하, 2015). 사물인터넷은 인간∙사물∙서비스 세 가지 분산된 환경 요소에 대해 인간의 개입없이 상호 협력적으로 센싱，네트워킹，정보 처리 등 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연결망이다(민경식，2012).

출처: 국토교통부 [스마트시티 구축을 통한 대중교통수단 운행효율성 연구], 2016.3

그림. 사물인터넷의 3대 주요 구성요소

사물인터넷 기술은 감지, 통신，서비스 기술의 분산된 환경 요소에 대해 사람의 개입이 없이 상호간에 협력적으로 감지，네트워킹, 정보처리 등의 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연락망이다. 사물인터넷의 주요 구성요소인 사물은 유무선 네트워크에서의 end-device 뿐만 아니라, 인간，차량，교량，각종 전자장비，문학재, 자연 환경을 구성하는 물리적 사물 등이 포함된다. 이동통신망을 이용하여 사람과 사물, 사물과 사물 간 지능통신이 가능한 M2M의 개념을 인터넷으로 확장하여 사물은 물론，현실과 가상세계의 모든 정보와 상호작용하는 개념으로 진화하고 있다. 국내에서도 사물인터넷을 활용한 주차시스템 구축 사례가 있으며, 최근에는 전 산업 분야에서 광범위하게 활용되고 있으므로, 효율적인 스마트시티 관리를 위한 정보수집에 요구되는 요소 기술이다. 사물인터넷의 주요기술로는 센싱 기술，유무선 통신 및 네트워크 인프라 기술，사물인터넷 서비스 인터페이스 기술이 있다.

센싱 기술은 전통적인 온도∙습도∙열∙가스∙조도∙초음파 센서 등에서부터 원격 감지，SAR, 레이더，위치，모션，영상 센서 등 유형 사물과 주위 환경으로부터 정보를 얻을 수 있는 물리적 센서가 포함된다. 물리적 센서는 응용 특성을 좋게 하기 위해 표준화된 인터페이스와 정보 처리 능력을 내장한 스마트 센서로 발전하고 있으며，이미 센싱한 데이터로부터 특정 정보를 추출하는 가상 센싱 기능도 포함된다. 가상 센싱 기술은 실제 사물인터넷 서비스 인터페이스에 구현되고 있다. 기존의 독립적이고 개별적인 센서보다 한 차원 높은 다중 센서기술을 사용하기 때문에 한층 더 지능적이고 고차원적인 정보를 추출할 수 있다.

사물인터넷의 유무선 통신 및 네트워크 장치로는 기존의 WPAN, WiFi, 3G/4G/LTE, Bluetooth, Ethernet, BcN, 위성통신，Microware, 시리얼 통신，PLC 등 인간과 사물, 서비스를 연결시킬 수 있는 모든 유∙무선 네트워크를 의미한다. 사물인터넷 서비스 인터페이스는 사물인터넷의 주요 3대 구성 요소(인간∙사물∙서비스)를 특정 기능을 수행하는 응용서비스와 연동하는 역할을 한다. 

사물인터넷 서비스 인터페이스는 네트워크 인터페이스의 개념이 아니라，정보를 센싱, 가공/추출/처리，저장，판단，상황 인식，인지，보안/프라이버시 보호，인증/인가, 디스커버리，객체 정형화，온톨로지 기반의 시맨틱，오픈 센서 API, 가상화, 위치확인，프로세스 관리, 오픈 플랫폼 기술, 미들웨어 기술，데이터 마이닝 기술, 웹 서비스 기술，소셜 네트워크 등익 서비스 제공을 위한 인터페이스(저장，처리, 변환 등) 역할을 수행한다.

② 동향

미국 국가정보위원회는 2025년까지 다양한 분야에서 미국의 국가 경쟁력에 영향을 미칠 수 있는 6대 와해성 기술(disruptive civil technologies, 2008) 분야 중 ‘사물 인터넷(The Internet of Things)’을 선정하였다.

EU는 2009년 7월에 인터넷 진보를 활용하는 것과 보안(개인정보)과 같이 문제가 될 우려가 있는 사항에 적절히 대응할 수 있도록 14개의 사물인터넷(Internet of Things)에 관한 액션 플랜을 발표하였다.

중국은 주로 사물인터넷에 관한 연구 및 사업지원을 위한 제반환경을 조성하고 있는데 중장기 과학기술 발전계획 수립(2006 ~ 2020년)，M2M 연구센터 구축(2010년)，사물네트워크 산업 기금 조성(2010년) 등의 다양한 정책을 수립하였다.

일본은 안전한 디지털 안심∙안전 사회의 실현을 위한 ‘i-Japan 전략 2015’에 이용자 관점에 입각한 인간중심(Human Centric)의 디지털사회 구현에 사물지능통신이 포함되었으며，2011년 8월 경제산업성에서 사물인터넷을 중심으로 한 IT융합에 의한 신산업 창출 전략을 발표하였다.

국내에서는 미추홀 IoT 신주차 사업에서 공공 및 민간 주차장별 유휴공간에 대한 날짜별，시간별 주차장 개방 및 이용자 예약제를 통하여 주차장 활용을 극대화한 사례가 있다(인천광역시，2015). 한국전력에서도 사물인터넷 기술을 이용한 전력인프라 구축 사례가 있는데, AMI(Advanced Metering Infrastructure, 지능형 전력계량시스템) 사업은 스마트그리드 기초 인프라 구축작업으로 단순히 원격검침환경만 조성하는 것이 아니라 전력 빅데이터를 이용한 수요관리∙고객요금 관리 등 다양한 컨텐츠를 고객에게 제공할 수 있기 때문에 큰 부가가치를 창출할 것으로 예상된다.

③ 스마트시티 적용방향

도시 기반 시설에 내장된 센서들은 교통 혼잡과 속도에 대한 정보를 제공하기 때문에 광고와 정보가 포함된 도로 표지판을 설치하는데 효과적이다. 소매업체들은 사물인터넷 데이터를 토대로 행사를 실시해 해당 매출에서 가져온 정보를 도시∙시민∙기업과 관련된 이벤트 데이터로 연결시킬 수 있다. 이를 통해 효과적인 조명 기술과 조명 관리로 가로등을 설치하고 다양한 서비스와 비즈니스 모델의 창출이 가능하다. 교통 시스템에 있는 사물인터넷은 운전자 및 대중교통 이용자들이 요구하는 서비스에 대한 경험을 향상시킬 수 있고，도시는 교통 센서로 수집된 데이터를 제공하고 차량 통신, 지리 정보 시스템, 서비스 애플리케이션 자체에서 사물인터넷을 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

IoT 기반 스마트시티 구축동향 ②

4) 스마트시티의 특징

(1) 4차 산업의 플랫폼을 진화하는 스마트시티

스마트시티의 용어 혼란에도 불구하고 20년 이상 스마트시티를 추진한 결과 이제는 초기의 개념상 혼란을 극복하기 시작했다. 초기에는 목적론적 정의가 많이 강조되었던 반면, 이제는 수단적 의미로 개념정의가 모이고 있고, 그 중에서도 스마트시티를 플랫폼으로 보는 개념정의가 최근 급속히 증가하는 추세다. 플랫폼으로서 스마트시티의 구조는 아래<표>와 같이 7계층으로 구성된다. 기본적으로 인프라, 데이터, 서비스로 구성되지만 세부적으로 다양한 분화도 가능하다

표. 스마트시티 구성 계층 요소와 특징

계층	특성	추진체계
① 도시인프라	- 스마트 시티는 기본적으로 SW적이지만 도시 HW 발전도 반드시 필요	- 도시 개발사업자 주도 - 건설산업 등
② ICT인프라	- 유무선 통신인프라가 도시 전체를 촘촘히 연결 - 과거에는 사람과 컴퓨터 연결이 주목적이었으나 스마트시티에서는 사물 간 연결이 핵심 - 향후 5G 무선통신 등장이 큰 변수	- ICT산업
③ 공간정보인프라	- 현실공간과 사이버공간의 융합을 위해 공간정보가 핵심 플랫폼으로 등장 - 공간정보의 이용자가 사람에서 사물로 변화 - 지도정보(외부+내부), 3D지도 GPS 등 위치측정 인프라, 인공위성, Geotagging(디지털 컨텐츠의 공간정보화) 등	- 과거 GIS 시절은 공공이 주도 - 향우 민간주도 바람직
④ IoT	- 도시 내 각종 인프라와 사물을 네트워크로 연결 - CCTV를 비롯한 각종 센서 장착 - 스마트시티 전체에서 시장규모가 가장 크고 투자도 가장 많이 필요 - 개별적 추진이 가능하여 점진적 투자확대 가능	- 교통, 에너지, 안전 등 각종 도시운영 주체가 주도
⑤ 데이터 공유	- 데이터의 자유로운 공유, 활용 지원 - 작은 공유(동일 분야 기관 간)와 큰 공유(다른 분야 간)로 구분하면 큰 공유 실현이 매우 중요 - 도시 내 스마트시티 리더들의 주도적 역할이 필요	- 유형 1: 도시주도 - 유형 2: 데이터 시장이 형성되어 민간 주도
⑥ 알고리즘 & 서비스	- 실제 활용 가능한 정도의 높은 품질과 신뢰도를 갖는 지능 서비스를 개발하는 계층 - 데이터를 처리, 분석하는 데이터 활용능력이 관건 - 유럽의 Living Lab 등 다양한 시범사업 전개	- 공공, 민간의 다양한 주체 등장 - 신뢰성 고나리가 도시의 역할 - 한국 취약
⑦ 도시혁신	- 도시문제를 해결하기 위한 새로운 방법을 고안 하고 새로운 서비스가 가능하게 도시제도를 혁신 - 정치적 리더쉽의 영역이자 사회신뢰 등 사회적 자본이 작용하는 영역 - 중앙정부의 법제도 혁신 기능도 중요	- 시민이 주도하고 정치권이 지원

출처: 산업경제리서치, 스마트시티에 관한 기술개발 동향 및 산업전망

- ①~③번(도시인프라, ICT인프라, 공간정보인프라)은 스마트시티의 인프라에 해당

- ④~⑤번(IoT, 데이터공유)은 스마트시티의 데이터 계층에 해당

- ⑥~⑦번(알고리즘&서비스, 도시혁신)은 서비스와 제도 계층에 해당

7개 계층이 완비되어야 스마트시티 플랫폼이 제대로 작동할 수 있지만, 실제로는 몇 개 요소에만 의존하는 스마트시티도 적지 않다. 특히, 인도, 모리셔스 등 개도국의 스마트시티는 도시 인프라를 현대화 하는데 주력하고 있다. 플랫폼으로서의 스마트시티란 MS의 윈도우 같은 PC운영체계가 다양한 SW와 서비스의 개발을 가능케 하였듯이, 스마트시티는 도시가 하나의 운영체계가 되어 데이터를 공유하고 새로운 서비스가 나오도록 하는 도시로 정의된다.

(2) ‘앱’ 등 응용서비스로 구현되는 스마트시티

스마트시티는 개념상의 도시개발 모델로 정보통신기술(Information & Communication Technology: ICT)을 기반으로 한 도시조성을 의미[1]한다. 스마트시티에 대한 구체적인 정의는 경제수준과 국가의 도시정책에 따라 상이하지만 일반적으로 ICT를 활용하여 도시의 경쟁력 및 삶의 질을 향상시키고 도시의 지속가능성을 추구하는 도시로 볼 수 있다. 스마트시티의 목표는 각국의 상황에 따라 에너지 효율화, 도시경쟁력 향상, 혁신기술 개발, 데이터 개방, 도시관리 효율화, 시민참여를 통한 혁신 등 다양하다.

많은 국가와 도시들이 스마트시티를 도입하려는 이유는 시민의 삶의 질을 향상하고, 도시의 경쟁력 및 지속가능성을 높일 수 있기 때문이다. 이를 달성하기 위해 사물 인터넷(IoT) ▪ 빅데이터 ▪ 클라우드 컴퓨팅과 같은 최신 ICT가 활용되고 있다.

기존 도시가 교통, 에너지, 범죄 등의 문제를 해결하기 위해 도로나 발전소를 건설하고 경찰력을 확대했다면, 스마트시티에서는 우회도로 정보를 제공하고 CCTV 모니터링, 실시간 전기요금 정보를 제공하는 등 ICT를 활용하여 도시기반시설의 효율성을 증진시켜 문제를 해결한다.

시민들의 입장에서 본다면 스마트시티는 추상적인 관념이 아니라 구체적인 응용서비스 즉, 애플리케이션(application, 이하’앱’)을 통한 구현이다. 예를 들어, 공영주차장에 센서를 설치하면 주차 공간 정보가 자동으로 데이터센터로 전송되고, 이 정보가 스마트폰 앱을 통해 실시간으로 시민들에게 서비스로 제공된다. 시민들은 시행착오 없이 비어 있는 주차 공간을 찾을 수 있기 때문에 시간과 연료비를 절약하고, 도시는 교통량과 이산화탄소배출량을 줄일 수 있다. 이러한 방식은 치안▪상하수도▪에너지 등 다양한 도시문제해결에 적용될 수 있다.

(3) 기존도시, 유시티(U-city)와 스마트시티의 비교

스마트시티의 특징을 일반도시와 비교하면 구조, 기능, 서비스 등 모든 면에서 근본적 차이가 있다. 구조 측면에서 기존의 ‘2차원 도시’를 ‘3차원 도시’로 고도화하는 것이다.

기존도시는 새로운 기능과 서비스를 추가하려면, 도시 시설을 변경하는 등 많은 비용과 사전 작업이 수반되어야 하지만, 스마트시티는 플랫폼기능을 하기 때문에 최소의 비용으로 새로운 기능과 서비스를 입체적으로 추가할 수 있다.

'3차원 도시’는 3D 프린팅의 용어를 빌려 ‘적층도시’로 표현하기도 한다. (미국 Pittsburgh시가 2016.10월부터 시작한 CrimeScan은 영화 마이너리티 리포트처럼 범죄를 사전에 예측하는 ‘예측치안’(Predictive Policing)의 한 사례)

유시티는 한국형 스마트시티의 초기 형태로, 도시의 경쟁력과 삶의 질의 향상을 위하여 유비쿼터스(ubiquitous) 도시기술을 활용하여 건설된 도시기반시설을 통하여 언제 어디서나 유비쿼터스 도시서비스를 제공하는 도시를 말한다(「유시티법」제2조). 따라서 유시티는 ICT가 내장된 물리적 인프라 구축을 강조한다.

이와 달리 스마트시티는 다양한 도시 서비스, 애플리케이션이 제공되는 가능성의 공간이라고 볼 수 있다. 그 결관 물리적 기반과 복잡한 네트워크가 원활하게 작동될 수 있는 환경, 즉 플랫폼(Platform)으로서의 도시를 강조한다. 이 외에도 유시티의 목적이 편리한 생활환경 조성을 위해 ICT인프라를 구축하는 것이라면, 스마트시티는 상대적으로 도시의 지속가능성에 더 큰 가치를 둔다. 또한 스마트시티의 경우 공공 주도가 아닌 IBM, Cisco, Siemens 등 글로벌 ICT 기업과의 협력을 통해 추진되는 것도 유시티와의 차이점이다.

표. 스마트시티와 일반도시 비교

	일반도시	스마트시티
도시 구조	<2차원 도시> - 도시구조가 경직되어 변경, 추가 어려움 - 자원 활용이 평면적 (배타적, 독점적이어 낭비 발생)	<3차원 도시> - 도시구조가 플랫폼화, 레고화되어 신규 기능과 서비스 유연하게 추가 가능 - 자원 활용이 입체적 (공유와 지능기술로 활용 극대화)
	<분절적 도시> - 도시가 도메인으로 잘게 구분 - 도메인 사이에 데이터, 기능 공유 어려움	<유기적 도시> - 도시 전체가 하나의 플랫폼으로 연결 - 수직적, 수평적으로 단절 없는 그리드
도시 운용	<기계적 도시> - 투입과 산출이 기계적으로 연결 - 문제해결 위해 투입 증가 (예 : 주차장 증가 -> 주차난 해결)	<창의적 도시> - 지식과 아이디어 활용하여 문제 해결 - 창의성과 신기술로 문제해결 (예 정보▪자원 공유-> 주차난 해결)
	<통제 도시> - 소수가 도시운용 - 컨트롤 타워를 통해 질서 유지 - 시민들은 도시에 대한 정보 배제	<자기조직화 도시> - 시민이 도시운용에 적극 참여 - 시민과 지능 사물이 스스로 질서 창출 - 도시운영에 대한 정보 자세히 공유
서비스	<도시중심 서비스> - 시민이 도시 운영체계에 적응 - 서비스보다 도시 기능유지 중요	<시민중심 서비스> - 시민의 필요에 맞춤형 서비스 - 도시 서비스 수준이 도시 경쟁력 결정
	<프로세스 기반 서비스> - 시민이 요구해야 서비스 개시 - 사전에 정의된 대로 서비스 제공	<데이터 기반 서비스> - 도시가 실시간 상황과 시민요구 인지 - 도시가 하나의 assistant로 기능

출처: NIA.IT & Future Strategy, 2016.11.7 보고서 재인용

(4) 스마트시티 구축효과

스마트시티가 가져오는 가장 대표적인 변화는 저비용도시 구현이다. Masdar City는 에너지 등 자원 활용에 있어 스마트시티가 50% 이상의 절감 효과를 실현할 수 있음을 보여준다. Masdar City는 UAE 아부다비에 2006년부터 건설되고 있는 신도시로서 ICT에 의존하기보다는 다양한 도시혁신 아이디어를 구현했다. 일부 실패라는 평가에도 불구하고 꾸준히 성과를 내고 있다. 아래<표>에서 보듯이 에너지 사용은 아부다비 평균의 절반 이하, 물의 사용은 40% 이하로 절감할 수 있다. 스마트시티는 물리적 비용뿐 아니라 범죄, 의료 등 사회적 비용도 획기적으로 절감 가능하다. Masdar City는 건물이 만들어내는 그림자를 활용하여 도시 온도를 조절하는 등 대표적 사례에 해당한다. ‘Crime Prevention Through Environmental Design’(CPTED)은 범죄 율을 낮추고 시민불안감을 없애는데 디자인 활용한다. 지능형 주차장, 지하철 무인운전 등 개별 서비스 및 도메인에 각종 정보 기술과 지능기술을 활용하여 비용 절감한다. CCTV에 의한 범죄 감소 효과처럼 논란이 많은 사례도 있지만 프로세스 전 과정이 자동화된 경우 비용절감 효과가 큰 편이다.

 표. 미 연방도로국의 필수 스마트 교통 기술

출처: Masdar City 내부자료(2016)

브라질 Rio de Janeiro는 ‘지능형 통제센터’(Intelligent Operation Center)를 설립하여 광역 단위에서 재난으로 인한 사회적 비용 절감할 수 있다. 개별 서비스 단위를 넘어 서비스 간 혹은 도메인 간 연계 · 융합을 통해 비용을 절감한다. 지능형 교통신호는 도시 여러 부문으로부터 각종 데이터를 받고 교통관련 시설들을 상호 연계하여 교통 흐름을 혁신적으로 개선할 수 있다. 미국 Pittsburgh시는 지능형 교통신호 시범사업을 통해 신호 대기시간 40%, 평균적 차량 이동시간 26% 감소했다.

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[1] Angelidou, M.,”Smart city policies: A spatial approach”, Cities, 41, 2014, pp. S3-S11

IoT 기반 스마트시티 구축동향 ①

IoT 기반 스마트시티 구축동향

서론

일반적으로 생각할 수 있는 에너지 신산업은 일반적으로 알고 있는 신재생(태양광, 풍력 등)에너지 발전소 모니터링 시스템 및 4차 산업혁명과 관계되어 있는 스마트 팩토리에서의 통신과 관제 시스템 등을 대표적인 예로 들 수 있을 것이다. 이러한 산업들은 이미 관련 전문 업체들이 준비중이며 개발 및 신규 아이템들이 쏟아지고 있다. 더 나아가 각 산업 분야에서는 고도화된 유/무선 이동통신망을 활용하여 기존보다 훨씬 복잡하며 진보된 복합 통신 서비스를 추진해야 할 것으로 판단된다. 따라서 고도화된 유/무선 통신망 서비스의 가장 많은 트래픽을 차지하는 도심지에서의 에너지의 수급에 관련된 미래 기술에 대해 생각할 수 있으며 작게는 사물인터넷으로 출발하여 좀 더 광범위한 범주의 스마트 시티에서의 역할 및 사업화 전략에 대해 생각해 볼 수 있다. 사물인터넷은 KT의 기가지니, SKT 누구, 네이버의 웨이브 등 벌써 몇몇 기업들이 인공지능 스피커 서비스를 통해 시장을 선점하고 있고 많은 얼라이언스들과 연계하여 사물 인터넷 기반 시장에 정착 발전 하고 있다. 이에 비해 스마트 시티에 관련된 준비가 아직 되어 있지 않고 있다. 스마트 시티는 이미 시범사업중인 국가 및 도시들도 있으며 특히 금년도 CES2018 에서 주요 테마로서 주요 가전, 자동차, 업체들이 커다란 테마를 가지고 홍보 전시중이었으며 가천대 에너지연구소의 연구인력 또한 전시회를 참관하였다.

따라서 본 글에서는 스마트 시티에 대한 기본적인 개념과 각각의 요소기술, 그리고 선진국 및 각국의 현황에 대해 살펴본다. 또한 스마트 시티를 구축하고 있는 도시들에 대해 각각의 스마트 시티가 어떠한 컨셉과 방법으로 구성되는지 알아보고 마지막으로 국내에서의 첫 스마트 시티로 결정된 세종특별자치시와 부산광역시에서 추진될 내용에 대해 살펴보고 고찰하는 것으로 글을 마치도록 한다.

스마트시티의 개념

스마트 시티라는 용어는 그 의미가 매우 광범위하게 사용되어 현재 국제적으로 통일된 정의는 존재하지 않지만, 일반적으로 스마트 시티는 “ICT 기술을 활용하여 도시 거주자 삶의 질과 도시 경쟁력을 향상시키는 보다 친환경적이고 지속 가능한 도시”라고 정의할 수 있으며, 첨단 기술을 활용하여 도시관리의 효율성을 높이고 탄소저감 및 생태 환경을 개선하는 미래도시(환경을 중시하는 생태도시를 포함) 조성을 의미하고 있다. 주요 연구기관에서 스마트시티를 정의할 때 포함하고 있는 주요 키워드는 위와 같다. 대부분의 저명한 국제기관과 연구소에서는 스마트 시티를 정의함에 있어 스마트 에너지/환경, 스마트 교통, 스마트 건물, 스마트 안전, 스마트 행정, 스마트 의료, 스마트 교육 등 7가지 요소를 검토하고 있음을 알 수 있다.

표. 주요 기관별 스마트 시티 정의시 핵심 구성요소

출처: 국토교통부, Gartner, IDC, IBM, Cisco, NIPA

스마트 시티 등장 배경과 의미

(1) 도시화 진전과 도시 인프라 부족 심화

2010년 기준 전 세계 도시화 율은 52%로, 도시화는 앞으로도 빠른 속도로 진전되어 2050년에는 전 세계 인구의 약 67%가 도시에서 살게 될 것으로 전망되고 있다. (*도시화 율이란 한 국가의 총 인구에서 도시 인구가 차지하는 비중) 

세계적으로 인구 1,000만 명 이상의 메가 시티는 1975년만 해도 전 세계에서 3개에 불과했지만, 2013년 24개로 늘어났고 2025년에는 30개 이상으로 확대될 것으로 전망된다. 2050년까지 전 세계적으로 30억명 이상의 인구가 도시로 유입될 것으로 전망(UN 세계 도시화 전망 보고서. 2014), 특히 아시아, 아프리카에서 도시화가 급속도로 진행 될 것으로 예상되어, 이에 따라, 향후 20년간 매년 30만명 규모의 신도시가 250개 이상 건설 해야 하는 수요 발생 전망된다. 이처럼 도시화가 진전되어 도시에 거주하는 인구가 늘어나게 되면 이에 비례하여 각종 도시 인프라와 자원 부족 현상이 더욱 심화될 것으로 예상됨으로써 새로운 대응전략이 필요해졌다. 대표적으로, 도시인구 급증에 따라 에너지소비량의 급격한 증가, 교통 혼잡, 인프라 노후 등 다양한 문제가 발생한다. IBM(International Business Machines Co.)은 2012년 10억대의 차량이 2020년 20억대로 증가하며, 주택과 건물이 전 세계 에너지의 1/3을 소비 할 것으로 내다봤다.

(2) 자원 부족 및 지구 기후변화 대응

자원, 특히 매장량이 한정된 화석연료는 앞으로 점점 더 비싸지고 공급 부족현상이 심화될 것으로 전망되고 있다. 세계 화석 에너지 부존량을 추정했을 때, 앞으로 석유는 52.9년, 천연가스는 55.7년, 석탄은 109년 채굴이 가능한 것으로 조사되고 있으며, 태양광/풍력/바이오연료/지열 등 신 재생에너지는 여전히 생산비가 비싼 편으로 한계가 있다. 또한, 에너지 소비 증가로 인해 이산화탄소 배출량이 급증함에 따라, 지구 온난화 현상이 지구 생태계의 지속가능성을 위협하면서 범국가적인 기후변화 대응전략의 마련이 요구되고 있다. 이에 세계 각국은 다양한 친환경▪에너지절감 정책들을 추진하고 있으며, 도시에서 신 재생에너지 생산을 늘리고 에너지 효율을 높이기 위한 스마트 그리드를 적극 도입 중이다.

그림. 주요국 에너지원별 에너지 소비 비중

출처: ‘BP Statistical Review of World Energy,’ BP ‘International Energy Outlook 2013,’ U.S. Energy Information Administration

(3) 차량 증가와 교통문제

도시화는 필연적으로 교통문제를 야기 시킴. 좁은 국토에 상대적으로 차량 수가 많은 우리나라의 도로보급률은 국토계수당 도로보급률[1]이 1.49로 OECD 34개국 가운데 30위 수준으로 OECD 국가 중 하위권으로 평가된다. 한국 교통연구원에 따르면, 우리나라의 교통 혼잡비용은 2010년 기준 28.5조 원으로 추산되고 있으며, 지속적으로 증가하는 추세로 나타나고 있다. 교통문제는 도시문제의 중요한 과제로 부상하고 있으며, 선진국에서는 도로설치를 지양하고 효율을 높이는 정책의 도입으로 전환하고 있으며, 국내에서도 신규도로 설치보다는 속도 하향조정, 차량의 도심 진입을 줄이는 방향으로 나아가고 있으며, 차량공유 서비스 등 미래 자동차 이용 환경 조성에도 노력하고 있다.

출처: 국토교통부, 2013

그림. OECD 국토면적. 차량수 대비 도로 길이

 (4) 인구 증가와 의료비 지출

도시화의 진전은 전 세계적인 인구증가와 관계가 높으며, 인구 증가율이 떨어진 선진국은 고령화라는 또 다른 유형의 인구 문제를 안고 있다. 선진국의 경우 2030년부터 본격적인 고령화 시대에 접어들 전망이며 출산율 저하와 기대수명 증가가 함께 진행 중인 우리나라의 65세 이상 인구 비중은 2010년 11.1%에서 2030년 23.4%까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 이는 세계적으로 유례없이 빠른 초고령 사회로 진입하고 있다. 고령화 사회의 중요한 문제는 의료비 증가를 야기한다. 1990년 3.9%, 2000년 4.3%를 기록했던 우리나라의 GDP 대비 의료비 지출 비중은 2010년에 7.3%로 크게 증가한 것으로 나타났으며 고령화에 따른 만성질환[2]자의 증가는 의료비 지출 증가를 촉진하고 있다. 미국의 경우 전체 인구 중 약 45%인 1억 3,300만 명이 만성질환의 영향을 받고 있다고 추정되며, 미국 총 의료비 지출 가운데 75% 이상이 만성질환 치료에 소요하고 있는데, 고령화가 진전될수록 만성질환자 수는 더욱 늘어날 것으로 전망된다.

(5) 성장산업이자 국가 경쟁력인 스마트시티

이미 선진국의 경우 전체 인구 중 80% 이상이 도시에 거주하고 있으며, 도시의 경쟁력이 곧 한 나라의 경쟁력이라고 해도 무방할 정도로, 문화 관광 등 산업에 미치는 영향력이 커지고 있으며, 개발 노하우는 또 다른 산업 경쟁력으로 신 성장산업으로 인식되고 있다. 글로벌 컨설팅 업체 PwC는 매년 ‘Cities of Opportunity’라는 세계 주요 도시경쟁력을 비교 평가하는 보고서를 발간하고 있는데, 2012년 조사에서 우리나라 서울시는 조사대상 27개 도시 가운데 14위를 기록했다.

(*서울시 순위: 12위(2008년) -> 8위(2010년) -> 16위(2011년) -> 14위(2012년))

따라서 세계 각국은 도시문제 해결뿐만 아니라 국가경쟁력 강화를 위해서 스마트시티와 같은 도시경쟁력 강화방안을 적극적으로 강구 중이며, 무엇보다 기존의 다양한 기술이 융▪복합되는 메가 산업으로서의 중요성을 인식하고 있다.

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[1] 국토면적과 인구를 고려하여 도로보급률을 측정하는 지표

[2] 3개월 이상 지속되는 질병을 의미하며, 대표적으로 당뇨, 고혈압, 만성 폐질환, 심장질환, 암 등이 있음.