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연구과제 상세정보

복잡계 네트워크에서 시스템의 동태적 특성에 기반한 광역 도시권 분석과 수치모델 개발
  • 연구자가 한국연구재단 연구지원시스템에 직접 입력한 정보입니다.
사업명 학제간융합연구사업 [지원년도 신청 요강 보기 지원년도 신청요강 한글파일 지원년도 신청요강 PDF파일 ]
연구과제번호 2010-371-B00045
선정년도 2010 년
연구기간 1 년 (2010년 09월 01일 ~ 2011년 08월 31일)
연구책임자 이정재
연구수행기관 서울대학교
과제진행현황 종료
공동연구원 현황 정남수(공주대학교)
윤준상(공주대학교)
윤성수(충북대학교)
이성우(서울대학교)
김한중(한경대학교)
과제신청시 연구개요
  • 연구목표
  • 서울, 뉴욕, 도쿄 등 세계적인 거대 도시와 그 주변의 발달을 통해 전통적인 기본 경제 단위인 도시에 대한 새로운 시각이 대두되고 있다. 기존의 도시들이 성장하면서 주변 지역으로 확장하고 서로 통합되면서 광역 도시권이라는 새로운 경제 단위로 재편됨에 따라 기존 대도시와는 다른 행태의 경제활동을 보여주고 있기 때문이다. 광역 도시권은 전통적인 대도시가 수행했던 인재의 결집, 생산, 혁신, 시장의 역할을 수행하면서, 규모가 확보된 광역 경제력 단위로 성장하고 있고, 광역 도시권 단위로 세계무대에서 경쟁하고 있다. 이에 자본, 기업, 인적자원의 공동이용이 가능한 새로운 공간단위로써, 글로벌 경제의 진정한 동력으로 평가받으며, 광역 경제권의 역할이 부각되고 있다.
    한편 최근 10년간 매우 많은 분야에서 네트워크를 이용한 연구들이 진행되었다. 그룹내 사람의 상호관계를 도식화하거나 기업의 역량 평가를 위해 기업 간 동업, 통합 등의 사회 과학 연구가 진행되었고, 방대한 양의 연구를 정확한 데이터에 기초해서 유용하게 활용하기 위해 특허, 학술 분야에서도 적용되었다. 그리고 웹상의 트래픽 문제 해결을 위해 웹 네트워크를 구성했으며 신체의 혈관 네트워크를 통한 단백질의 화학적 이동을 다룬 연구도 진행되었다. 복잡계 시스템의 한 종류인 도시 역시 네트워크 관점에서 접근하고 분석하려는 시도가 이루어지고 있다. 도시 내 효율적인 이동을 위한 항공, 철도망 노선 분배에 관한 연구, 타 도시와 연계를 통해 도시의 성장을 모사해보는 방법과 같이 도시를 노드로 단순화시킨 연구도 시도되었다. 광역 도시권은 내부 지역들의 복잡한 상호작용 결과 형성되는 복잡계 시스템이다. 따라서 네트워크 시각에서 광역 도시권에 대한 접근방식은 시도할 가치가 충분할 것이다.
    1970년대 서울권역과 2010년대 서울권역은 권역에 포함되는 도시, 인적 자원의 흐름, 산업특성, 중간 도시들의 성장에 의한 공간 구조의 변화 등에서 전혀 다른 모습을 보일 것이다. 기본적으로 광역 도시권의 경계를 결정하기 위해서는 권역의 근본적인 의미부터 고려 한 후 경계를 설정하기 위한 보다 합리적인 방안을 도출할 필요가 있다. 그리고 도출된 경계 내에서 시간과 규모에 따른 도시권의 성장, 변화, 특성 등을 분석할 필요가 있다. 우리나라의 광역 도시권과 세계의 광역 도시권을 대상으로 특성과 발전속도, 규모 등을 비교함으로써 우리나라의 국토공간구조에 대한 보다 명확한 이해와 미래 국토계획을 추진할 수 있다.
    이를 위해서 도시를 노드로, 도시의 특성을 노드의 속성으로, 도시 간 연계를 edge로 나타내어, 복잡한 도시현상과 도시 간 연계를 네트워크로 투영하여 생각할 수 있다. 투영된 네트워크를 다양한 모델을 이용하여 분석함으로써, 광역 도시권의 경계를 합리적인 방법으로 설정할 수 있을 것이며, 이는 국토공간의 이해와 지역 성장을 위한 정책 수립의 초석이 될 수 있을 것이다.
    이를 위해 본 연구에서는 다음과 같은 세부연구를 수행한다.
    - 광역 도시권의 정의와 경계 설정
    - 시기별, 규모별 광역 도시권의 특성 분석
    - 광역 도시권의 수치모델 개발
    - 광역 도시권 공간구조분석
  • 연구요약
  • 1) 광역 도시권의 정의와 경계 설정 연구
    광역 도시권(Megacity, Megaregion)에 대해 많은 학자들이 연구의 필요성을 인식하고 있기 때문에, 이를 정의하고 경계를 설정하기 위한 다양한 연구들이 해외에서는 활발히 수행되어 오고 있다. America 2050 (2006) 은 밀접히 연결된 메트로폴리탄 지역으로, Hall and Pain (2005)는 업무의 핵심지역(Core)과 출퇴근 고리에 의한 연속된 “기능적 도시 지역들”로, Wheeler (2008)은 지역 간 근접도와 내부 지역들이 공유하는 어떤 특성에 의해 연계된 메트로폴리탄들의 집합으로, Florida (2008)은 배타적 경제력을 가진 지역들의 모임으로, CBSA (Core Based Statistical Area)는 근로자 교환 비율이 25% 이상인 권역 혹은 지역으로 광역 도시권을 정의하고 있다. 그러나 상기 방법들은 각기 장단점을 가지고 있어, 보다 근본적인 방안에 대한 고려가 필요하다. 그리고 광역 도시권의 경계 기준을 설정하기 위한 방법이 결정되어야 한다. 그런데 경계 설정 기준은 도시들의 구조에 따라 다른 기준들이 적용되어야 한다. 예를 들어 우리나라의 서울이나 미국의 덴버같이 강력한 단일 중심핵이 존재하는 광역 도시권과, 미국 북동부지역 같이 보스턴-뉴욕-필라델피아-워싱턴DC로 이어지는 다핵지역의 광역 도시권의 경계를 설정하기 위해서는 서로 다른 기준값이 적용되어야 할 것이다.
    본 연구에서는 광역 도시권을 서로 밀접하게 연계된 지역들이 어떤 특성을 공유함으로써 형성된 지역들의 군집으로 간주한다. 이를 위해 연계의 정도에 따라 영역 내 도시들이 공유하는 특성의 균질성을 특정하여, 권역마다 다르게 나타나는 연계기준을 결정하고, 영역을 설정하고자 한다.

    2. 광역 도시권의 수치모델 개발 연구
    시간에 따른 지역공간의 인구, 산업, 토지이용 변화 등에 대한 시뮬레이션은 주로 Agent based model이나 Cellular automata model이 사용되었다. 그러나 이런 모델들은 기본적으로 1차원적인 지점의 속성에 대한 모델이라는 한계가 있다. 예를 들어 한 지역의 인구증가량은 계산할 수 있으나, 그 인구가 어디에서 유입되었는지는 알 수 없다. 본 연구에서는 지역 간 연계를 중시하는 네트워크 모델을 이용하여 Agent model이 가지는 한계를 극복하고자 한다.
    네트워크의 본질은 어떤 물리량의 노드 간 이동이다. 많은 연구자들은 네트워크를 흐름으로서 이해한다 (Freeman et al., 1991; Borgatti, 2005; Barthélemy and Flammini, 2006; Tutzauer, 2007; Patuelli et al., 2007). 만약 네트워크 내 물리량의 흐름을 유체로 대입할 수 있다면, 유체방정식으로써 복잡계 네트워크의 현상을 설명할 수 있을 것이다.
    본 연구에서는 물의 거동을 설명하는 기본 공식인 Bernoulli 방정식을 이용하여 네트워크 내 흐름을 계산하고, 이로써 광역 도시권을 모델링하고자 한다.

    3. 광역 도시권의 공간구조 분석 연구
    사람의 반복적인 행위는 공간구조를 형성한다. 따라서 도시의 고용자 수, 사무실 또는 소매공간, 통근흐름, 직장-주거비율, 토지사용, 인구밀도 등 도시 내 사람의 주된 행위가 유발하는 도시 속성값을 통하여 도시 공간구조는 분석되고 있다. 그러나 이런 전통적인 방법은 지역 간 상호작용 관점에서 공간구조를 잘 설명하고 있지 못하다.
    네트워크 이론에서는 네트워크의 공간구조를 분석하기 위해 노드의 중심성을 다양한 방법으로 분석한다. 대표적인 중심성 지표는 Freeman (1979)의 degree, closeness, betweenness와 엔트로피 (Gell-mann, 1991), 고유치와 고유벡터 (Bonaich and Llyod, 2001)등이 있다. 이들은 여러 관점에서 노드의 가치를 다른 노드들과의 연계 속에서 파악하기 때문에 보다 효과적인 공간구조의 분석이 가능하다.
    본 연구에서는 지역간 직주거리와 네트워크 내 노드의 중심성을 분석하는 방법, 그리고 네트워크의 고유벡터와 고유값을 이용하는 방법을 광역 도시권에 적용하여 보다 입체적이고 다양한 관점에서 광역 도시권의 공간구조를 분석하고자 한다.
  • 한글키워드
  • 통근 네트워크,직주거리,네트워크 구조,복잡계 네트워크,창조적 지역,거대도시,광역 경제권,광역 도시권
  • 영문키워드
  • commuting distance,commuting networks,Creative regions,Megacity,Megaregion,Complex networks,Network Structure
결과보고시 연구요약문
  • 국문
  • 교통과 통신의 발달로 인한 대도시의 팽창으로, 최근 보다 광역화된 생활권 계획이 여러 가지 측면에서 필요성이 제기되고 있다. 이를 위해서는 광역생활권의 정의와 공간적 범위인 경계를 설정하는 문제와 이에 활용할 수 있는 자료와 방법이 우선 결정되어야 한다.
    광역생활권은 노동력의 재배치 비용 즉 주거지나 근무지를 옮기는 비용이 낮아 사람들의 이동확률이 높은 지역들의 집합을 의미한다. 지역에 기반하며 이동에 비용을 유발하는 사람의 일상활동 중 대표적인 것이 주거와 직장이므로, 본 연구에서는 사람들이 근무지와 주거지 간 이동량을 의미하는 통근자료와 연계중심 군집방법을 이용하여 생활권을 추출하였다. 그 결과 기존 서울, 부산, 대구, 광주, 대전 등 대도시를 중심으로 하는 광역경제권이 도출되었다.
    대부분의 생활권에 대한 연구는 도시를 중심으로 한다. 이에 농촌지역 중심의 행정구역 통합지역을 탐색하고 통합이 가능한 지역을 대상으로 통합에 따른 경제적 효과를 분석하였다. 분석결과, 모두 4개의 군집이 나타났는데, 경기도 연천군-동두천시, 강원도 고성군-인제군, 경상남도 창녕군-의령군과 양산시-기장군이 농촌지역을 중심으로 분석한 행정구역 통합지역들이다. 통합 후 인구 일인당 비용절감의 경우, 연천군-동두천시는 15%(981천원), 고성군-인제군은 17%(1,867천원), 창녕군-의령군은 14%(1,059천원), 그리고 기장군ㆍ양산시는 62%(2,335천원)의 비용절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
    지역 네트워크는 지역간 사람의 이동량이고, 네트워크의 본질은 노드 간 흐름이다. 흐름은 마찰, 속도 등 속성을 가지는데, 흐름의 양과 방향을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 흐름을 표현하는 방정식을 이용하면 지역 간 사람의 이동량을 계산할 수 있을 것이다. 네트워크 내 흐름의 속도가 높아지고 마찰이 줄어드는 경우, 높은 유인력을 가지는 소수의 노드들이 연계의 대부분을 차지하는 현상이 발견된다. 따라서 전국을 대상으로 하는 교통망 정비계획의 경우, 서울의 영향력이 커지고 지역 거점도시들의 중심성 약화를 초래할 것이라 예상되므로, 이에 대한 적절한 대비가 필요할 것이다.
  • 영문
  • An expansion of big cities caused by development of transportation infrastructure and communication technology, raise policies for more widen-urban areas called megaregions. To do this, we have to decide what is a megaregion How does one determine where a megaregion exists What are appropriate methods and useful data for megaregion planning.
    Commuting represents a network and its spatial implication creates a spatial structure or an influence space of central regions. Megaregions can be defined as large communities within a nation’s commuting network. Commuting data represent a directed and weighted network, and communities within networks possess hierarchical structures and their memberships often overlap. A community detection method for megaregions needs to reflect these characteristics. Here we expand the link community method, which was introduced as a solution to the overlapping and hierarchical community structure problem, to accommodate weighted and directed networks, and apply it to U.S. commuting data. We demonstrate that our method can extract with reliability and sensitivity the community structures from a commuting network for known megaregions.
    Keywords: link community, community structure, megaregions, commuting network, core-regions
    Next, we investigate the potential economic effects of consolidation of rural administrative districts even though municipal consolidation has been focused on urban areas in Korea. We utilize two methodologies to identify rural districts that can be consolidated. First, we identify rural districts suitable for the consolidation through cluster analyses. Second, we examine the economic effects of the consolidation based on a minimum cost approach. Following the methodologies, we identify four rural regions that are suitable for municipal consolidation. They are Yoenchoen-Dongduchoen, Gosung-Injae, Changnyeong-Uiryeng and Yangsan-Gijang. With respect to per capita expenditure savings projection, Gijang-Yangsan is expected to save the expenditure by 86% through the consolidation and 33% for Gosung-Injae, 23% for Yoenchoen-Dongduchoen and 21% was estimated for Changnyeong-Uiryeng. The results may cast important light on the necessity of consolidation in all four rural regions. While the present study entails limitations in data and empirical applications, it provides a theoretical basis and empirical implications for municipal consolidation in rural regions. The present study concludes with some policy implications and directions for future studies.
    Interactions between regions have network form. Using the fact that connections between vertices of a network often represent directed and weighted flows, we apply hydraulic principles to develop novel insights into network structure and growth. We develop a network model based on Bernoulli’s principle and use it to analyze changes in network properties. Simulation results show that velocity of flow, resistance, fitness and existing connections in a system determine network connections of a vertex as well as overall network structure. We demonstrate how network structure is affected by changes in velocity and resistance, and how one vertex can monopolize connections within a network. Using Bernoulli’s principle, we are able to independently reproduce key results in the network literature.
연구결과보고서
  • 초록
  • 공간상 지역을 절점으로 그들 간의 상호작용을 연결선으로 표현하면, 국토공간은 지역 간 상호작용이 창발하는 복잡계 네트워크 중의 하나라 할 수 있다. 네트워크 내 어떤 절점들은 다른 절점들에 비해 상대적으로 강하고, 밀접하게 연관되어 군집을 형성하는데, 군집은 거대 네트워크의 전체적인 구조와 기능, 동적 성장과 조직화 과정을 이해하는데 도움을 주기 때문에, 복잡계 네트워크 연구분야에서 중요하게 취급된다. 실제 네트워크에서 군집은 대개 계층적이고 중복적인데, 중복은 한 절점이 1개 이상의 군집에 속할 수 있다는 것이고, 계층은 상위 군집은 여러개의 하위 군집으로 분리될 수 있다는 것이다.
    계층적 군집화와 중복적 군집화는 서로 배타적인 개념으로, 군집분석 방법에서 흔히 쓰이는 수형도 를 이용하여 계층적 군집을 분석한 경우, 절점의 중복을 반영할 수 없다. 이에 대해 최근에 군집을 절점의 모임이 아닌 연결선의 모임으로 정의할 경우, 군집과정에서 계층과 중복의 배타성을 해결할 수 있음을 밝혔다. 그들은 연결선 간의 유사도를 이용한 수형도와 군집 내 연결선의 밀도를 이용한 군집결정방법을 제시하고, 전화, 생체신진대사, 단어 네트워크 등에서 기존의 절점을 이용하는 방법에 비해 보다 효과적으로 군집을 도출할 수 있음을 밝힌 바 있다. 하지만 실제 네트워크가 가지는 연결선의 방향과 가중치를 반영하지 못했다는 한계를 보인다.
    국토공간구조를 결정짓는 주요 요인은 지역 간 사람들의 통행량이다. 지역에 기반한 사람들의 활동 중 주거와 직업은 가장 기본적인 생활요건이기 때문에, 주거지 간 이동인 이주량과 주거지와 근무지 간 이동인 통근통학량은 공간구조를 밝히는데 사용될 수 있다. 이주의 주된 원인은 직장 등 경제적 요인과 주거환경이고, 통근은 주거지와 근무지를 연결시키는 사람의 흐름이다. 대부분의 지역이 사람들의 주거와 직장 요구를 한 곳에서 만족시키지 못하기 때문에, 사람들은 이주 혹은 통근하며 그들의 요구를 만족시킨다. 권역은 사람들이 경제활동 또는 기본적인 일상생활을 영위하기 위해 활동하는 공간적 범위이고, 군집은 네트워크 내 구성원 각자가 혼자서는 충분히 만족시킬 수 없는 어떤 목적을 이루기 위해 모인 집단이다.
    따라서 사람의 이동에 기반한 지역 간 상호작용을 이용하면, 우리나라의 광역 경제권과 기초생활권을 복잡계 네트워크의 군집으로서 정의하고 추출할 수 있을 것이다. 여기에 군집의 계층성과 중첩성을 이용하면, 광역경제권과 기초생활권이 가지는 국토 공간의 위계적 구조와 핵심 지역들을 보다 정량적으로 분석할 수 있을 것이다.
  • 연구결과 및 활용방안
  • 교통과 통신의 발달로 인한 대도시의 팽창으로, 최근 보다 광역화된 생활권 계획이 여러 가지 측면에서 필요성이 제기되고 있다. 이를 위해서는 광역생활권의 정의와 공간적 범위인 경계를 설정하는 문제와 이에 활용할 수 있는 자료와 방법이 우선 결정되어야 한다.
    광역생활권은 노동력의 재배치 비용 즉 주거지나 근무지를 옮기는 비용이 낮아 사람들의 이동확률이 높은 지역들의 집합을 의미한다. 지역에 기반하며 이동에 비용을 유발하는 사람의 일상활동 중 대표적인 것이 주거와 직장이므로, 본 연구에서는 사람들이 근무지와 주거지 간 이동량을 의미하는 통근자료와 연계중심 군집방법을 이용하여 생활권을 추출하였다. 그 결과 기존 서울, 부산, 대구, 광주, 대전 등 대도시를 중심으로 하는 광역경제권이 도출되었다. 우리나라는 서울권, 부산권, 광주권 3개 권역으로 광역 생활권이 재편될 것이라 예상된다.
    대부분의 생활권에 대한 연구는 도시를 중심으로 한다. 이에 농촌지역 중심의 행정구역 통합지역을 탐색하고 통합이 가능한 지역을 대상으로 통합에 따른 경제적 효과를 분석하였다. 분석결과, 모두 4개의 군집이 나타났는데, 경기도 연천군-동두천시, 강원도 고성군-인제군, 경상남도 창녕군-의령군과 양산시-기장군이 농촌지역을 중심으로 분석한 행정구역 통합지역들이다. 통합 후 인구 일인당 비용절감의 경우, 연천군-동두천시는 15%(981천원), 고성군-인제군은 17%(1,867천원), 창녕군-의령군은 14%(1,059천원), 그리고 기장군ㆍ양산시는 62%(2,335천원)의 비용절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
    지역 네트워크는 지역간 사람의 이동량이고, 네트워크의 본질은 노드 간 흐름이다. 흐름은 마찰, 속도 등 속성을 가지는데, 흐름의 양과 방향을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 흐름을 표현하는 방정식을 이용하면 지역 간 사람의 이동량을 계산할 수 있을 것이다. 네트워크 내 흐름의 속도가 높아지고 마찰이 줄어드는 경우, 높은 유인력을 가지는 소수의 노드들이 연계의 대부분을 차지하는 현상이 발견된다. 따라서 전국을 대상으로 하는 교통망 정비계획의 경우, 서울의 영향력이 커지고 지역 거점도시들의 중심성 약화를 초래할 것이라 예상되므로, 이에 대한 적절한 대비가 필요할 것이다.
    본 연구 결과는 다음과 같은 분야에서 활용될 수 있다.
    우선 기초생활권을 활용하여 행정구역 통합의 근거를 제시할 수 있다. 그리고 군 단위 지방자치단체는 광역 경제권 내에서 해당 군의 위상을 정량적으로 파악할 수 있기 때문에, 보다 효과적인 지역개발정책을 수립/ 지원할 수 있을 것이다.
  • 색인어
  • 복잡계 네트워크, 광역경제권, 기초생활권, 군집분석, 행정구역 통합
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