[ 알기 쉬운 국토연구방법론 ]
국토연구원 엮음
시·공·인 통합모형 SWOT분석 정책네트워크분석 질적 연구데이터 분석방법 표본설계와 설문지 작성 인터뷰조사기법 심층인터뷰연구방법론 델파이기법 공론조사기법 SP조사설계및분석방법론 회귀분석 패널모형 경로분석방법론 구조방정식모형 Logit Model CGE(Computable General Equilibrium) Decomposition Method) Urbanism KOPSS 인과분석방법론 Cellular Automata 공간계량경제모델링 Hot Spot Analysis 시공간분석기법 Fuzzy Set Theory 네트워크분석 Cognitive Map작성법 시나리오기법 Futures Wheel기법 Q방법론 AHP(Analytic Hierarchy Process) 확장비용편익분석 사전사후 비교연구방법 시·공·인 통합모형 SWOT분석 정책네트워크분석 질적 연구데이터 분석방법 표본설계와 설문지 작성 인터뷰조사기법 심층인터뷰연구방법론 델파이기법 공론조사기법 SP조사설계및분석방법론 회귀분석 패널모형 경로분석방법론 구조방정식모형 Logit Model CGE(Computable General Equilibrium) Decomposition Method) Urbanism KOPSS 인과분석방법론 Cellular Automata 공간계량경제모 델링 Hot Spot Analysis 시공간분석기법 Fuzzy Set Theory 네트워크분석 Cognitive Map작성법 시나리오기법 Futures Wheel기법 Q방법론 AHP(Analytic Hierarchy Process) 확장비용편익분석 사전사후 비교연구방법 Analytic Hierarchy Process 질적 연구데이터 분석방법 Logit Model SWOT분석 정책네트워크분석 질적 연구데이터 분석방법 표본설계와 설문지 작성 인터뷰조사기법 심층인터뷰연구방법론 델파이기법 공론조사기법 SP조사설계및분석방법론 회귀분석 패널모형 경로분석방법론 구조방정식모형 Logit Model정책네트워 크분석 질적 연구데이터 분석방법 표본설계와 설문지 작성 인터뷰조사기법 심층인터뷰연구방법론 델파이기법 공론조사기법 SP조사설계및분석방법론 회귀분석 패널모형 경로분석방법론 구조방정식모형 AHP(Analytic Hierarchy Process) 확장비용편익분석 사전사후 비교연구방법 시·공·인 통합모형 SWOT분석 정책네트워크분석 질적 연구데이터 분석방법 표본설계와 설문지 작성 인터뷰조사기법 심층인터뷰연구방법론 델파이기법 공론조사기법 SP조사설계및분석방법론 Logit Model CGE(Computable General Equilibrium) Decomposition Method) Urbanism KOPSS 인과분석방법론 Cellular Automata 공간계량경제모
국토연구원
ⓒ 2009, 국토연구원
｢알기 쉬운 국토연구방법론｣을 발간하며
국토연구원은 지난 2006년 3월부터 2008년 12월까지 34회에 걸쳐 월간 ｢국토｣지에 공간분석과 관련된 ‘알기 쉬운 연구방법론’을 연재해 왔다. 이번에 이들 단편들을 하나로 묶어 이렇게 예쁜 책으로 발간하게 되었다. 게재되었던 일부 방법론은 새로 작성하였으며, 기존 원고도 모두 수정 보완하였다. 전체 내용은 크게 다섯 분야로 나누어 구성했다. ‘전체를 꿰뚫는 방법론’이 5편, ‘사회조사와 전문가 활용’ 6편, ‘다양한 계량분석방법’ 7편, ‘공간분석과 GIS’ 9편, 그리고
‘의사결정과 미래전망’ 7편 등이다.
그동안 연구방법에 관한 많은 저서가 출간되었으나 대부분 통계기법 중심의 계량·수학모 형 설명에 치중하여 실무연구자나 학생들이 공간현상을 이해하고 원인을 규명하며, 정책제안을 제시하는 데는 다소 미흡했다. 이번에 발간하는 ｢알기 쉬운 국토연구방법론｣은 어렵고 무겁지 않으며, 연구과정에 필요한 내용을 수시로 찾아보고 참고할 수 있도록 기획하여 ‘알기 쉬운’
책이 되도록 했다.
전체가 일련의 연계성이 있으므로 전체를 일독하면 좋겠으나, 한 편 한 편 필요한 연구방법만 읽어도 무방하도록 단편마다 개별적인 완성도를 갖추었다. 각 연구방법의 용도와 원리를 설명하 고, 적절한 사례를 통해 적용과 결론도출 과정을 소개하였으며, 나아가 발전적인 응용분야도 함께 제시했다. 현장에서 연구를 수행하고 있는 연구자, 계획가는 물론이며 대학의 학습 과정 등에도 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다. 본 저서가 국토연구원이 2004년에 발간한 ｢공간분석 기법｣과 더불어 좋은 국토 및 공간분석 연구방법론 관련 연구지침서가 될 것으로 생각한다.
책이 발간되기까지 필자를 포함하여 기획, 교정, 편집, 발간에 이르기까지 많은 분들의 땀과 열정이 있었다. 수고를 아끼지 않으신 한 분 한 분께 감사의 뜻을 전한다.
2009년 12월
국토연구원장
서문
연구 잘 하는 길
- 갈 곳이 분명하고, 전체를 꿰뚫어야
김영표 _ 국토연구원 선임연구위원
지난 2006년 3월부터 월간 ｢국토｣는 ‘알기 쉬운 연구방법론’이라는 기획연재 코너를 마련하고, 매달 한 편씩 국토연구, 지역분석, 도시계획을 비롯해서 사회과학분야를 연구하는 데 필요한 연구방법론을 두루 연재해 왔다.
첫 회의 ‘인과분석방법론: 인과관계도만 잘 그리면 연구의 절반은 성공’을 시작으로 ‘인지도 (Cognitive Map) 작성법: 심리적 거리 인지도를 이용한 고속도로 건설효과 분석하기’에 이르기 까지 모두 33 종류의 연구방법론을 실었다. 그 가운데 주요 연구방법론을 몇 가지 소개하면,
‘공론조사기법: 학습과 토론을 통해 공론 확인하기’, ‘SWOT분석기법: 지피지기(知彼知己)전략은 SWOT분석을 통해서’, ‘시스템다이내믹스기법: 미래예측에서 정책효과 측정까지’, ‘시ㆍ공ㆍ인 통합모형: 시간ㆍ공간ㆍ인간 요소의 대통합’, ‘델파이기법: 전문적 통찰로 미래예측하기’, ‘핫스 팟분석기법(Hot Spot Analysis): 최근린군집분석과 국지모란지수를 이용한 공간집중 및 특이지 역 분석하기’ 등이 있다.
월간 ｢국토｣의 ‘알기 쉬운 연구방법론’ 기획연재는 연구자들이 연구를 수행할 때 풍부한 연구성과와 결과에 대한 신뢰를 더하기 위한 다양한 연구방법론을 소개하였다. 각각의 이론과 철학적 바탕을 탄탄히 갖추고 내용도 알기 쉽도록 씌어 있으며 보기에도 아름답게 디자인하도록 노력하였다. 그동안 필자의 경험을 바탕으로 연구방법론과 더불어 ‘연구를 잘 하는 길’에 대해 몇 가지 생각을 정리해본다.
연구의 길
연구(硏究)의 사전적 의미는 어떤 일이나 사물에 대하여 깊이 있게 조사하고 생각하여 진리를 따져보는 일을 말한다. 이러한 연구에 대해 글자를 하나씩 나누어 살펴보면, 본래 연(硏)은 돌로 문질러 간다는 뜻이고, 구(究)는 끝까지 다해 파고든다는 뜻이다. 따라서 연(硏)이나 구(究) 나 둘 다 주어진 것이 다할 때까지 속속들이 깊이 파고든다는 의미를 지니고 있다.
연구에 대응하는 사자성어로 격물치지(格物致知)라는 용어가 있는데, 사서삼경(四書三經) 의 하나인 대학(大學)에 나오는 말이다. 격물치지는 격물과 치지가 결합된 용어인데, 격물은 사물을 깊이 생각하거나 자세히 조사하는 것을 뜻하고, 치지는 격물을 통해 그 사물의 참된 이치나 사실을 밝혀내는 것을 말한다.
또한 장인(匠人)이 절차탁마(切磋琢磨)의 과정을 거쳐야 제대로 된 명품을 만들 수 있듯이, 연구의 길도 마찬가지다. 절차탁마는 시경(詩經) 위풍편(衛風篇)에 나오는 ‘여절여차여탁여마 (如切如磋如琢如磨)’의 준말로서, 옥돌을 쓸 만한 크기로 자르고(절: 切), 자른 옥돌을 톱으로 썰고 다듬어서 틀을 만든 다음(차: 磋), 끌이나 정(鋌)으로 쪼아 각인하고(탁: 琢), 끝으로 옥돌을 잘 갈아서(마: 磨), 빛나는 작품을 완성한다는 뜻으로, 학문이나 인격을 갈고 닦는 과정을 설명하 는 말이다. 연구를 하는 과정에 있어서도 연구에 필요한 자료를 수집해서 적절한 연구절차와 연구방법으로 자료를 분석하고 연구결과를 여러 사람들과 토론하면서 다듬어 가는 과정이 바로 장인의 절차탁마 과정과 다를 바 없다.
이처럼 본래 연구의 길이란, 마치 누에고치가 베틀을 통해 비단으로 다시 태어나듯이, 치열 한 격물치지의 자세와 반드시 거쳐야 하는 절차탁마의 과정을 요구한다.
한편 연구의 길에서 일념으로 간직해야 할 마음은 나라와 국민을 위하는 비민보세(裨民補世) 의 마음이다. 그것을 이루기 위해서는 연구과정에서 어느 한 쪽으로 지나치게 치우치지 않는 엄정한 관점과 기준을 세우고, 연구자의 속셈 없이 참된 진실과 실체를 찾아야 한다. 창의적이고 독창적인 연구를 수행하는 과정에서 때로는 역발상의 사고도 필요할 때가 있다. 그리고 실사구 시(實事求是)적 관점에서 늘 연구의 결과가 어디에 어떻게 이용될 수 있는지 그 쓸모를 꼼꼼히 따지는 일도 잊지 말아야 한다. 이러한 연구의 길은 때로는 도자기를 빚는 장인의 길이기도 하고 때로는 성직자가 걷는 수도의 길과 같기도 하다.
된장처럼 숙성된 주제를 뽑아야
연구자가 연구를 수행하기에 앞서 연구의 주제를 어떻게 뽑느냐에 따라 연구의 성패가 갈라진 다. 왜냐하면 연구주제가 바로 그 연구의 얼굴이기 때문이다. 사람과 사람이 처음 만날 때, 굳이 관상가가 아니더라도, 일반적으로 상대자의 얼굴과 첫 인상으로 그 사람을 평가하듯이, 연구 상품의 가치에 대한 일차 품평은 연구 수요자나 독자가 연구보고서의 겉면을 통해 처음 대하는 연구주제에 따라 결정된다고 해도 지나친 말이 아닐 것이다.
그러나 좋은 연구주제를 찾아내는 데는 어느 정도의 시간 투자와 노력이 뒷받침 되어야 한다. 마치 맛있게 익은 김치나 잘 발효된 된장을 얻기 위해서는 상당한 숙성 기간이 필요하듯이, 국민과 수요자의 관심을 끌 만한 연구주제를 뽑기 위해서도 생각의 숙성 기간이 필요하다.
일상생활 속에서 또는 다른 사람들과의 대화나 회의 과정에서 연구주제를 캐내어 내 것으로 만들기 위해서는 무엇보다도 평소에 떠오르는 생각을 꾸준히 메모하는 버릇이 습관화되어 있어야 한다. 뿐만 아니라 연구주제와 관련하여 일상에서 떠오르는 아이디어나 마음속의 생각을 정돈하고 끊임없이 살피면서 조직하고 단련하는 작업도 필요하다. 수도의 길을 걷는 선승들이 자나 깨나 참선의 화두를 지니듯이, 연구자도 늘 새로운 연구주제를 발굴하기 위한 노력과 시간 투자를 아끼지 말아야 비로소 고객을 만족시킬 만한 좋은 주제를 건질 수 있다.
연구주제를 결정한 다음에는 그 연구가 나아가야 할 방향을 분명히 하고 가는 길을 구체적으 로 꿰뚫어야 한다. 전자는 연구의 목적을 명확히 하는 작업이고, 후자는 연구의 방법을 제대로 활용해야 한다는 뜻이다. 연구의 목적은 활을 쏠 때 과녁과 같은 것이다. 활을 쏠 때 과녁을 뚫어지게 보면서 화살이 날아갈 궤도를 염두에 두고 시위를 놓듯이, 연구를 할 때에도 연구의 과녁인 연구목적을 향해서 시위를 당겨 놓게 된다. 연구자가 처음부터 바라던 연구목적에 안착 하기 위해서는 화살의 대와 촉 그리고 깃털에 해당하는 연구의 틀과 방법론을 제대로 갖추어야 한다.
한편 과일 하나를 놓더라도 좋은 그릇에 담아야 그 과일이 빛을 발하는 법이다. 마찬가지로 연구과정에서도 연구의 내용과 방법을 담을 그릇이 필요하다. 그것이 바로 연구의 틀이다.
연구의 틀을 만드는 작업은 연구내용의 갈래를 잡고 문목(門目), 즉 차례를 세우는 일에서 출발하여, 연구의 핵심 내용과 방법만으로 연구의 본령을 이해할 수 있도록 도식화하는 일이다.
문(文)ㆍ사(史)ㆍ철(哲)ㆍ기(技)에 바탕을 둔 철학 있는 연구
연구자들이 연구과정에서 흔히 듣는 이야기 가운데 하나가 그 연구에 철학이 뒷받침되고 있느냐 는 지적이다. 어찌 보면 참으로 애매한 질문일 수 있으나, 곰곰이 생각하면 그러한 질문에 대응할 수 있는 방법이 없는 것은 아니다. 철학의 주요 관심사는 우주와 생명 그리고 인간과 인간사회라고 할 수 있다.
그러므로 철학이 뒷받침되는 연구 수행에 익숙하기 위해서는, 먼저 문학, 역사, 철학, 즉 문사철(文史哲)에 대한 인문학적 소양과 더불어, 수학, 물리, 화학, 생물, 즉 수물화생(數物化生) 에 대한 이공학적 소양도 함께 갖추는 것이 필요하다. 경험과 논리 그리고 직관을 바탕으로 한 인문학적 소양이 사회과학 분야뿐 아니라 자연과학 분야의 연구에도 밑거름이 되듯이, 과학 과 기술을 바탕으로 한 이공학적 소양이 사회과학 분야의 연구에도 밑거름이 되기 때문이다.
문사철의 소양은 세상사의 문리와 지혜의 눈을 뜨게 하고, 수물화생의 소양은 우주의 원리와 자연의 법칙을 깨닫게 해준다. 그래서 요즈음은 자연과학과 인문학을 연결하여 양대 지식을 대통합하려는 학문의 통섭(統攝, Consilience)에 관심을 가진 사람들이 많다.
철학이 뒷받침되는 연구를 수행하는 전통적인 방법 중 하나는 바로 우주의 원리와 자연의 법칙을 충실히 수용하고 그것을 적절히 활용하는 접근방법이다. 옛날부터 전해오는 가장 대표적 인 우주론적 접근방법은 삼재사상(三才思想)이다. 이 사상은 우주에 시간(天), 공간(地), 인간 (人)이라는 삼간(三間), 즉 세 가지 근본요소(三才)가 존재하는데, 이 삼간이 조화를 이루면서, 인간을 존중하고 인간과 인간 사이의 조화를 꾀하며 인간과 대자연 사이에도 조화를 이루어야 한다는 것이 사상의 핵심이다. 그러므로 철학 있는 연구 성과를 얻기 위해서는 삼재사상을 바탕에 깔고 연구를 수행하는 것이 바람직하다.
예를 들어 어떤 시스템을 대상으로 시뮬레이션 모형을 만들 때에도, 예측과 전망 등 시간적 요소, 지역 간의 상호작용과 변수들 간의 인과관계 등 공간적 요소, 대안 설정과 의사결정 등 인간적 요소를 두루 고려하고 함께 녹일 수 있는 시공인 통합시뮬레이션 모형을 구축하는 것이 바로 삼재사상에 충실한 연구 접근방법이다. 이때 기술적으로는 시간요소를 담는 시스템 다이내믹스 기법, 공간요소의 수용에 유용한 지리정보시스템, 인간요소를 쉽게 반영하는 최적제 어이론 등을 연계하고 통합하면 대상 시스템의 미래 전망과 더불어 정책효과도 한꺼번에 얻어낼
수 있을 것이다.
세종대왕이나 은나라 탕왕 같이 지혜로운 군주들은 늘 삼재사상을 바탕으로 나라를 경영하 여 역사에 위대한 군주로 우뚝 솟아 있다.
한편 철학 있는 연구에 적용할 수 있는 대자연의 기본법칙 몇 가지를 소개한다. 먼저 대자연 은 시간과 에너지를 절약하려는 자영원리를 지니고 있다. 빛이 다른 매질을 지날 때 경계선에서 굴절하는 것은 시간을 절약하기 위해서이고, 물컵 위의 표면장력은 에너지 소비를 최소화하려는 대자연의 노력이다. 인류가 그동안 누렸던 에너지 고소비 문명, 즉 석유 등 화석문명으로부터 벗어나 지구 온난화를 늦추기 위해 저탄소 사회를 지향하며 녹색경제와 녹색성장을 이루려는 노력은, 뒤늦은 감이 없지 않지만, 다름 아닌 바로 우주 자체가 지닌 에너지 절약원리에 충실히 따르는 일이다.
그리고 갈릴레오가 직관적으로 깨달아 문제를 제기하고 베르누이가 증명한 브래키스토크론 (brachistochrone, 최단시간경로)이나, 손자병법의 군쟁 편에서 전쟁에 이기는 방책의 하나로 제시되어 있는 우직지계(迂直之計)는, 또 다른 시간 절약법칙의 하나로서, ‘돌아가는 길이 빠를 수도 있다’는 사실을 이공학적으로 그리고 인문학적으로 함께 입증한 것이다. 이는 경제학에서 말하는 자본의 우회축적 개념과 일치한다. 이것을 통해 우리가 대자연으로부터 얻을 수 있는 지혜는, 장기계획을 수립할 때 직선적 사고보다는 곡선적 사고로 접근하는 것이 오히려 목표에 빨리 도달하는 계책이라는 사실이다.
한편, 불교에서 우주의 대법칙으로 삼는 제법무아(諸法無我)와 제행무상(諸行無常)의 개념 도 어떤 연구에나 적용할 수 있는 철학적 접근방법론이다. 이 두 개념은 우리에게 시스템적 사고와 그물망적 시각을 던져준다. 또한 대자연의 현상에서 우연과 필연의 발생문제를 다루는 확률이론을 통해 우리는 많은 지혜와 법칙을 배울 수 있다. 예를 들어 대수정규분포 (Log-Normality)는 시스템 내부의 효율성과 형평성이 조화를 이루는 안정상태를 분석하여 규명 하고자 할 때 이론과 현상의 차이를 논리와 철학적으로 설명하는 데 뒷받침할 수 있는 유용한 법칙의 하나다.
따라서 연구자가 어떤 대상을 연구하더라도, 첫째, 삼재사상을 바탕으로 하여 그 대상이 속한 시스템과 환경에서 핵심적으로 움직이는 시간, 공간, 인간의 요소들을 추출하여 상호
작용 관계를 파악하고, 둘째, 그러한 요소들 간에 일어나는 상호 작용을 분석하거나 기준을 설정하는 데 적용할 수 있는 대자연의 법칙들이 있는지 탐색하여 찾아내고 그것을 연구에 충실히 활용하며, 셋째, 연구대상과 관련 있는 인문학, 사회과학, 자연과학의 통섭을 통해 새로운 지혜와 융합적 아이디어를 얻어 연구를 수행하면, 그 연구는 철학이 담긴 연구 성과를 얻게 되고 또 그렇게 객관적 평가를 받게 될 것이다.
전체를 꿰뚫는 연구방법론
연구의 성패와 연구내용의 품질은 연구자가 연구과정에서 적용한 연구방법론에 따라 결정된다.
크게 보면 연구주제와 관련된 문제의 인식에서부터 시작하여, 연구의 틀을 작성하고, 연구대상 시스템과 시스템 밖 환경을 설정한 후, 굵직한 연구 줄기에 대한 SWOT[Strength(강 점)-Weakness(약점)-Opportunity(기회요인)-Threat(위협요인)] 분석과 전략을 도출하는 작업 등이 거시적 연구방법론에 해당된다. 미시적으로는 연구대상 시스템 내외의 변수들이나 요소들 간의 상호작용과 인과관계 분석, 변수들 사이의 함수관계 규명과 파라미터 도출, 이것들을 종합한 모형화 작업 등이 주요 연구방법이다.
여기서 연구의 틀은 연구의 내용과 절차 그리고 연구의 방법과 성과 등을 한눈에 파악할 수 있도록 정돈하여 도식화한 것을 말한다. SWOT분석은 요인분석에서 시작하여 전략 도출에 이르기까지 일련의 과정을 하나로 꿰뚫을 수 있는 연구방법론으로 지피지기(知彼知己)전략을 도출하는 데 유용한 기법이다. 구체적으로 SWOT분석기법은 분석 대상의 내부체제적 강점과 약점을 경쟁자와 비교하여 찾아내고[知己], 외부환경에서의 기회요인과 위협요인들을 구분, 정 리함으로써[知彼], 분석대상이 향후 취해야 할 방향을 전략적으로 마련하고자 할 때 쓸모 있는 기법이다. SWOT전략은 SWOT분석을 통해 도출되는 네 가지 전략, 즉 SO전략, ST전략, WO전 략, WT전략을 말한다. 여기서 SO전략이란 분석대상의 강점을 활용해서 외부환경의 기회요인들 을 살리는 전략이고, ST전략은 강점을 활용해서 외부환경의 위협요인들을 피하거나 최소화하는 전략이다. WO전략은 분석대상의 약점을 보완하여 기회요인들을 살리는 전략이고, WT전략은 약점을 보완하면서 아울러 위협요소를 피하거나 최소화하는 전략을 말한다.
한편, 인과관계분석은 시스템 변수들이나 요소들의 각종 상호작용 메커니즘을 파악하고
규명하는 작업이다. 그러므로 변수들이나 요소들 사이의 인과관계를 제대로 밝히고 정확한 인과관계도만 작성한다면 연구의 절반은 끝난다고 해도 지나친 말이 아니다. 이러한 인과와 인연 현상에 대해 가장 깊게 다룬 철학은 화엄사상이다. 연구자가 인과관계분석에 능통하기 위해서는 연구주제가 확정되었을 때 연구대상 전체를 파악하려는 시스템적 사고와 더불어, 변수들 사이에 얽혀 있는 ‘거미 없는 거미줄’을 인식하는 그물망적 시각을 갖추어야 한다. 그리고 분석과정에서 시간, 공간, 인간적 개념에 확률적 개념을 추가한 분석 기법을 고려해야 하고, 그러한 개념을 뒷받침하는 시뮬레이션 모형을 구축함으로써 전체를 꿰뚫는 연구방법론의 극치 에 이를 수 있다.
파 껍질을 벗겨내듯, 다보탑을 쌓아가듯
연구자의 보고서는 나름대로의 진선미(眞善美)를 갖추어야 한다. 여기서 진(眞)을 갖춘 보고서 란 ‘논리적인 보고서’를 말한다. 하나의 보고서가 논리적으로 구성되기 위해서는, 먼저 파 껍질을 벗겨내듯 끝까지 체계적으로 진실을 파헤치는 보고서이어야 하고, 다음은 다보탑을 쌓아가듯 참신한 아이디어를 하나하나 정성껏 차곡차곡 발굴하고 짜임새 있게 엮어야 한다.
선(善)을 갖춘 보고서란 ‘알기 쉬운 보고서’를 뜻한다. 구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배이듯 이, 아무리 좋은 대안을 제시한 보고서라 하더라도 그 대안이 쓸모 있어야 한다. 달리 말해서 실사구시(實事求是)적이어야 한다. 또 보고서는 읽혀야 그 값을 발휘한다. 읽히지 않는 보고서 는 이미 죽은 보고서다. 그러므로 고객 또는 독자라면 누구나 쉽게 읽을 수 있는 보고서를 쓰기 위해 노력해야 하며 때로는 독자의 이해를 돕기 위해 만화 기법을 도입할 수도 있다.
독자의 수준을 중학생에 맞추는 신문과 잡지에서 보고서 작성의 힌트를 얻을 수 있다. 분야의 대가가 쓴 책일수록 깔끔하고 읽기 쉬운 경우를 흔히 본다.
미(美)를 갖춘 보고서란 ‘아름다운 보고서’를 뜻한다. 보기 좋은 떡이 맛도 좋은 법이다.
같은 내용이라도 아름다운 색상과 멋진 디자인을 갖춘 보고서는 독자를 배려하는 마음이 담긴 책자라 할 수 있다. 이때 보고서에 역사적으로 기록될 만한 진실한 사진 한 컷을 남긴다면 금상첨화일 것이다.
이처럼 진선미를 두루 갖춘 보고서가 바로 고객이 바라는 명품보고서다.
보고서도 상품, 고객은 왕
지식이 보편화되면서 연구시장도 경쟁이 치열하다. 모든 보고서도 하나의 상품이 된 지 오래다.
그러므로 연구자는 보고서의 품질을 높여 명품보고서를 생산하는 것이 살 길이다. 또 경쟁시장 에서 고객은 왕이다. 고객 중심으로 연구를 해야 한다는 구호는 옛말이 된 지 오래다. 이제는 그 단계를 넘어서 고객에게 감동을 주어야 하는 시대다. 그러자면 연구자는 고객이 절실히 바라는 것이 무엇인지에서부터 연구를 시작해야 한다.
글 순서
발간사 알기 쉬운 국토연구방법론을 발간하며 3
서문연구 잘 하는 길: 갈 곳이 분명하고, 전체를 꿰뚫어야 5
I 전체를 꿰뚫는 방법론
시·공·인 통합모형: 시간·공간·인간 요소의 대통합 _ 김영표 17
인과분석방법론: 인과관계도만 잘 그리면 연구의 절반은 성공 _ 김영표 33 SWOT분석기법: 지피지기(知彼知己)전략은 SWOT분석을 통해서 _ 김영표 43 정책네트워크분석: 정책연구 방법론의 개요와 정책네트워크분석 _ 홍성만 51 질적 연구데이터 분석방법: 많이 생각해야 남을 설득할 수 있다 _ 이영아 65
II 사회조사와 전문가 활용
표본설계와 설문지 작성: 성공적인 표본조사를 위한 두 밑그림 그리기 _ 강미나 77 인터뷰조사기법: 질적 연구를 위한 인터뷰 성공기술 _ 이영희 93
심층인터뷰 연구방법론: 타인에게 배우는 데이터 수집·분석기법 _ 신혜란 109 델파이기법: 전문적 통찰로 미래예측하기 _ 노승용 ․ 박경준 121
공론조사기법: 학습과 토론을 통해 공론 확인하기 _ 김선희 135
SP조사설계 및 분석방법론: 가상의 상황에 대한 선호도 조사 _ 김강수 149
III 다양한 계량분석방법
회귀분석: 상관관계도 알고 예측도 하고 _김영표 169 패널모형: 시계열분석과 횡단면분석을 한 번에 _ 최충익 191
경로분석: 인과관계의 논리적 설명은 경로분석을 통해서 _ 변세일 203 구조방정식모형: 데이터를 이용한 체계적 효과분석 및 전망 _ 김민철 215
로짓모형: 순서화 로짓과 네스티드 로짓 _ 김호정 ․ 김종학 ․ 김준기 237 CGE모형: 경제적 합리성이 있는 국토정책 수단을 찾아보자 _ 김의준 251 해체기법: 차이와 차별에 대한 통계학적 논증 _ 이성우 263
IV 공간분석과 GIS
어번심: 대도시 성장관리를 위한 도시시뮬레이션 모형 활용하기 _ 김단야 277
국토공간계획지원시스템: 공간계획지원을 위한 분석모형의 결정체 _ 임은선·김 걸 289 셀룰러 오토마타: 셀 기반의 공간변화 모델링하기 _ 조대헌 301
공간계량경제모델링: 공간적 자기상관과 공간회귀모델 _ 변필성 315
핫스팟분석기법: 최근린군집분석과 국지모란지수를 이용한 공간집중 및 특이지역 분석하기 _ 강호제 327 시공간분석기법: 공간적 집중, 시간의 변화도 고려해야 한다 _ 강호제 339
퍼지이론: 언어변수를 이용하여 상황에 유연한 입지분석하기 _ 임은선 349 네트워크분석: 공간 상호작용 지수를 활용하여 도시 간 네트워크 구조 파악하기
_ 권영섭·구정은 361 인지도작성법: 심리적 거리 인지도를 이용한 고속도로 건설효과 분석하기
_ 김호정 ․ 정우현 373
V 의사결정과 미래전망
시스템다이내믹스기법: 미래예측에서 정책효과 측정까지 _ 김영표 385
시나리오기법: 다양한 시나리오분석은 최적 정책 패키지 선정의 밑거름_ 김경석 401 퓨처스 휠 기법: 흥미롭고 한눈에 보이는 미래연구방법 _ 박영숙 413
Q방법론: 주관적 의식에 관한 연구로의 초대 _ 진상현 427
다기준의사결정방법: 복잡다단한 문제, 합리적으로 결정 _ 임은선 441 확장비용편익분석: 환경가치의 시장가치화 _ 김종원 453
사전사후 비교연구방법: 공공사업의 효율성 평가를 위한 연구기법 _ 조남건 465
시·공·인 통합모형 Causal Loop Method 인과분석방법론 SWOT Analysis SWOT분석기법 Policy Network Analysis 정책네트워크분석 Data Analysis in Qualitative Research Methods 질적 연구데이터 분석방법
I
전체를 꿰뚫는 방법론
※ 편집자 주: 아래 원고는 월간 ｢국토｣(국토연구원 발간)에 게재된 기사를 수정 보완하였음을 밝힙니다.
시·공·인 통합모형: 시간·공간·인간 요소의 대통합 _ 2007. 11 인과분석방법론: 인과관계도만 잘 그리면 연구의 절반은 성공 _ 2006. 3 SWOT분석기법: 지피지기(知彼知己)전략은 SWOT분석을 통해서 _ 2006. 11 정책네트워크분석: 정책연구 방법론의 개요와 정책네트워크분석 _ 2006. 7 질적 연구데이터 분석방법: 많이 생각해야 남을 설득할 수 있다 _ 2007. 12
시·공·인 통합모형
時·空·㆟ 統合模型 - 시간·공간·인간 요소의 대통합
김영표 _ 국토연구원 선임연구위원
세상과 대자연에 깃든 세 가지 보물
우주가 생겨나던 태초에 조물주가 가장 신경을 써 만든 것은 과연 무엇일까? 그 답은 천자문, 회남자, 구약성서 등에서 쉽사리 유추할 수 있다.
천자문(千字文)은 1500년 전쯤 중국 양(梁)나라 주흥(周興)이 우주 삼라만상의 크고 작은 모든 것을 사언고시(四言古詩) 형식으로 250구절에 1천 개의 한자로 엮은 책이다. 그 속에는 현대과학적 해석과 일치하는 우주이론을 비롯해서, 자연의 섭리, 인문지리, 역사, 윤리도덕, 정치, 경제 등 사람 사는 데 소중한 내용들이 구석구석에 배어 있다. 흔히 ‘하늘은 검고 땅은 누렇다’고 풀이되는 첫 구절의 천지현황(天地玄黃)은 우주 생성의 비밀을 담고 있다. 천지현황에 서 천지란 지금과 같은 하늘과 땅이 아니라, 개벽(開闢, big bang)되기 전에 하늘과 땅이 아직 나뉘지 아니한 혼돈(混沌, chaos)을 뜻하며, 현황은 혼돈의 상태와 색상을 함축하는 의미를 지닌다. 천자문의 둘째 구절은 우주홍황(宇宙洪荒)이다. 직역하면 우주는 넓고 거칠다는 뜻이 다. 우주에 대해서는 기원전 중국 전한시대에 저술된 회남자(淮南子)에 간단하면서도 알기 쉽게 정의되어 있다. 회남자에는 “사방상하왈우(四方上下曰宇), 고왕금래왈주(古往今來曰宙)”
라고 우(宇)와 주(宙)를 정의하고 있다. 그 뜻을 풀이하면, 우는 사방상하 즉 온 공간을 의미하며, 주는 고왕금래 즉 시간의 흐름을 뜻한다. 그러므로 우주(cosmos)란 곧 시간과 공간이 어우러져
있는 큰 집이다. 따라서 우주홍황(宇宙洪荒)은 “우주가 공간적으로 무한히 넓고 시간적으로 거침이 없다”라고 그 뜻을 자연스럽게 풀이할 수 있다. 이처럼 천자문의 처음 두 구절은 우주가 만들어지기 이전의 혼돈상태 즉 카오스와 개벽 후 질서 잡힌 우주 즉 코스모스의 의미를 잘 설명해준다.
이러한 시간과 공간에다가 그것들을 인식할 수 있는 존재인 인간을 더해서 흔히 ‘우주의 삼간(三間)’이라고 한다. 한편 구약성서 창세기에 있는 하느님의 창조물도 요약하면 바로 이 삼간이다. 하느님께서 태초의 혼돈에서 우주를 창조할 때, 첫째 날, 빛과 어두움을 나누어 시간을 만들고, 둘째 날부터 다섯째 날까지 공간과 그 속에서 노닐 삼라만상을 만든 후, 여섯째 날 인간을 만듦으로서 천지와 만물의 창조를 다 이루었다. 이처럼 태초에 조물주가 만드신 후 지금까지 우주에 존재하는 세 가지 보물은 바로 ‘우주의 삼간’, 즉 시간, 공간 그리고 인간이다.
그런데 동양사상에서 이 삼간을 학문적으로 다룰 때는, 시간을 천(天), 공간을 지(地), 인간을 인(人)으로 대응시켜 학술적 용어로 정의하고, 천지인을 우주에 있는 세 가지 근본요소라 하여 삼재(三才)라고 부른다. 그리고 이러한 삼재를 바탕으로 하는 사상체계를 삼재사상이라 한다.
삼재에서 재(才)는 재주라는 의미가 아니라 근본을 뜻한다.
시간, 공간, 인간의 고리로 얽힌 세상
대자연이든 인간세상이든 그것을 구성하는 근본 요소는 시간, 공간, 인간이다. 그리고 대자연과 인간세상은 삼간이 거미줄처럼 서로 얽히고설킨 가운데 균형과 조화를 향해 움직인다. 대자연을 탐구하거나 인간사회를 조직하는 데 있어서 삼간이 조화되도록 하면 가장 자연스럽고 완전한 성과를 얻을 수 있다. 국가 경영에 있어서나 과학, 문학, 예술 등의 활동에 있어서도 마찬가지 다.1)
1) 이제껏 우리나라 전통 시가 중 가장 뛰어난 시가로 평가받는 황진이의 시조도 철저히 시 ․ 공 ․ 인 삼간을 바탕으로 구성된 시조다.
[時] 동짓달 기나긴 밤을 한 허리를 버혀 내어 [空] 춘풍 니불 아래 서리서리 너헛다가 [㆟] 어론 님 오신 날 밤이여든 구뷔구뷔 펴리라
예를 들어, 3,500년 전 중국 은나라를 세운 탕왕이나 조선시대의 세종대왕처럼 늘 삼재사상 을 바탕으로 나라를 다스리고 백성을 돌보았던 왕들은 역사상 성군으로 큰 자취를 남겼다.
탕왕이 나라를 세운 뒤, 어떻게 조정을 구성하면 나라가 오래도록 번성할 수 있을지, 그의 책사인 이윤에게 묻자, 그가 답하기를 “삼승(三丞), 구경(九卿), 대부(大夫), 열사(列士)의 체제로 조정을 구성하되, 천도(天道)를 깨친 세 사람을 발탁하여 맨 위의 벼슬인 정승의 자리에 앉히고, 지도(地道)를 깨친 아홉 사람을 분야별 장관 자리에 앉히고, 그 아래에 인도(人道)를 깨우쳐 유능한 사람을 발탁할 뿐만 아니라 인사를 공정하게 다루는 대부를 배치하고, 대부 아래에는 법을 잘 아는 열사들을 배치하기 바랍니다”라고 조언했다. 이윤이 말한 천도란 ‘시간의 도’를 뜻하므로 요즘 말로는 미래를 정확히 내다보고 국민들에게 비전을 제시하면서 국가발전전략을 바르게 펼쳐 나가는 길을 말한다. 그리고 지도는 ‘공간의 도’로서 나라를 다스리는 데 있어서 필요한 각 부문을 바르게 경영하고 헤쳐 나가는 길을 뜻한다. 물론 탕왕은 그대로 시행하여 건국 초기에 나라의 기틀을 빠르게 안정시켰고, 탕왕과 이윤은 중국 역사상 성군과 명재상의 콤비 제1호로 역사에 기록되어 있다.
세종대왕도 국사를 시행할 때 늘 삼재사상을 고려했다. 대표적인 사례가 한글창제와 조세정 책이다. 한글을 만들 때 천지인 삼재사상을 바탕으로 했다는 것은 널리 알려진 사실이다. 그리고 공평 조세를 실현하기 위해 연분구등법(年分九等法)과 전분육등법(田分六等法)을 창안하고 측 우기를 발명했다. 연분구등법은 시간개념을 도입한 토지평가법이고 전분육등법은 공간개념의 토지평가법이다. 측우기는 토지에서 생산된 수확량 평가 시 사람에 의해 저질러질 수 있는 농간과 오차를 없애기 위해 개발한 첨단장비였다. 이처럼 삼재사상을 바탕으로 조세정책을 시행하다 보니, 세종대왕 시대가 우리 역사상 가장 공평하고 완벽하게 토지를 평가했던 시기로 꼽힌다.
사회현상을 분석하거나2) 국가정책을 연구할 때도 마찬가지다. 시간, 공간, 인간의 고리로 얽힌 세상사를 정확히 규명하고 이해하기 위해서는 접근방법이나 모형을 개발할 때 삼간의 세 요소를 두루 포괄하는 데서 출발해야 한다. 모든 학문이 발전해 가는 방향도 따지고 보면, 대부분 해당 분야에 대해 삼간을 통섭(統攝)하는 접근방법과 완전한 통합모형을 지향하고 있다.
2) 미국 미래학자 앨빈 토플러 부부의 2006년작 ｢부의 미래｣의 차례를 보면 제3부에서 제5부까지 시간의 재정렬, 공간의 확장, 지식에 대한 신뢰 등 앞부분에서 시간, 공간, 인간을 다루고 있다.
시스템 다이내믹스, GIS, 최적제어기법의 대통합
1. 개요
그동안 개발된 여러 가지 접근방법 가운데, 시간 개념에 바탕을 둔 동태적 모형을 구성하기에 가장 적합한 방법은 시스템 다이내믹스(System Dynamics: SD)이고, 공간의 분석과 모형구성에 뛰어난 기술은 지리정보시스템(Geographic Information System: GIS)이며, 사람의 의사 또는 정책 결정에 가장 유용한 방법은 최적제어기법(Optimal Control Method)이다. 이 세 가지 기법이 모두 탁월하기는 하나, 각 방법 하나하나를 이해하고 활용하는 데에도 많은 시간과 노력이 필요하기 때문에, 세 가지 모두를 꿰뚫고 통합하여 활용한다는 것은 무척 어려운 과제다.
그러나 세상은 시간, 공간, 인간의 세 요소가 거미줄처럼 얽혀 있는 복잡계(Complex Syste m)3)이므로 세상의 돌아가는 현상을 정확히 규명하고 명쾌한 대책을 마련하기 위해서는 세 요소를 함께 다루는 통섭의 접근방법과 대통합의 모형이 필요하다. 과거에는 이러한 대통합적 모형을 구상했더라도 해를 구하는 데는 기술적 애로와 난관이 가로 막고 있었는데, 이제는 여러 가지 접근방법과 기술을 적절히 조합하면 상당한 해결책을 찾을 수 있는 이론적 토대와 기술적 환경이 마련되어 있다.
따라서 이 글에서는 시스템 다이내믹스를 비롯하여 GIS와 최적제어기법을 통합한 시·공·
인 통합모형의 개념과 개발절차 그리고 간단한 사례를 소개하고자 한다. 이러한 접근방법은 국내외적으로 아직 전례를 찾기 어려우므로 필자 나름의 지식과 경험을 바탕으로 개념을 정립하 고 사례모형을 개발한 것이다.
3) 복잡계는 한마디로 복잡한 시스템을 뜻한다. 그러므로 복잡계는 수많은 요소들로 구성되고, 그 요소들은 여러 가지 형태로 상호작용한다. 구성 요소들끼리 상호 작용하는 가운데, 개별 요소들이 지닌 고유한 독립적 속성과는 달리, 복잡계 속에는 새로운 거시적 현상과 질서가 나타난다. 그리고 한 복잡계 속의 구성 요소들은 또 다른 복잡계를 이루면서 끊임없이 적응해 가기도 한다. 복잡계 안에서 일어나는 구성 요소들 간의 상호작용관계는 일반적으로 비선형적(nonlinear) 관계이며 되먹임 고리(Feedback Loop)를 형성한다. 또한 복잡계는 외부환경과 닿아 있는 열린 시스템(Open System)이기 때문에 그 경계가 불분명할 때도 있다.
2. 시스템 다이내믹스 : 시간 중심적 접근
시스템 다이내믹스는 여러 가지 복잡한 변수들로 구성되어 있는 역동적 시스템을 종합적으로 이해하기 위한 하나의 방법론으로 연립미적분방정식체계를 기반으로 한다. 일반적으로 시스템 이라는 것은, 그것이 자연현상계이든 또는 사회현상계이든, 그 시스템을 구성하는 여러 가지 요소들의 상호 작용과 복잡다단한 인과관계로 이루어진다. 그러한 요소들 간의 변화무쌍한 역동적 관계를 수학적으로 표현하면 상태변수들의 적분방정식, 증감변수들의 미분방정식 그리 고 여타 변수들의 보조방정식 등이 혼합된 연립방정식 구조를 취하게 된다.
그러므로 일반 컴퓨터 언어를 이용하여 역동적 시스템을 정확히 분석하기 위한 모형을 구축하고 해(解)를 구하는 데는 많은 어려움이 따르게 마련이다. 그러한 어려움을 극복하고 역동적 시스템을 보다 간편하게 분석하기 위해 1959년에 미국 MIT의 학자들이 다이나모 (DYNAMO)4)라는 특수 시뮬레이션 언어를 개발하였다. 그 그룹을 이끌던 포레스터(J. Forrester)는 1962년에 최초로 다이나모를 활용하여 기업동학(Industrial Dynamics)이라는 제명 하에 기업 활동에 대한 분석을 시도하였다. 특히 1969년에 포레스터가 저술한 도시동학(Urban Dynamics)을 계기로 시스템 다이내믹스 기법은 도시문제 분석에도 활용되기 시작했다. 그 밖에도 1971년에 출간된 세계동학(World Dynamics)은 자원을 포함한 국제환경문제의 분석에 이르기까지 시스템 다이내믹스 기법의 활용대상을 넓혔다. 그 이후 이러한 접근방법은 사회, 경제, 교육, 환경, 자원, 공간계획, 정치, 외교, 군사 등 여러 가지 경제사회현상을 수리적으로 또는 정성적으로 분석하는 데 폭넓게 이용되고 있다.
이처럼 여러 분야에서 역동적 시스템을 종합적으로 이해하기 위한 하나의 방법론으로 다이 나모(DYNAMO), 스텔라(STELLA), 벤심(VENSIM), 파워심(POWERSIM) 등의 시스템 시뮬레이 션 언어를 이용한 분석기법이 널리 활용되고 있다. 그런데 그 주요 접근방법은 별로 차이가 없으므로 이러한 방법론을 통틀어 시스템 다이내믹스라고 부른다.
포레스터 등이 초기에 시스템 다이내믹스라고 이름 지은 사유를 추정해보면, 복잡다단한 현실세계의 인과관계 속에서 이루어지는 수많은 요인들의 상호 의존성을 대변하는 용어로
4) DYNAMO는 DYNAmic MOdel의 축약어다.
시스템이라는 말이 무난하고, 또 시간적 변화무상성(變化無常性)을 대변하는 용어로는 다이내 믹스가 적합하므로, 이 두 개념을 합친 용어로 시스템 다이내믹스라 명명한 것으로 보인다.
이러한 시스템 다이내믹스 기법을 활용하면, 복잡한 사회현상의 인과구조를 비교적 쉽게 체계화할 수 있을 뿐만 아니라, 모형 내 모든 변수들에 대한 미래 예측과 전망도 쉽다. 결론적으 로 시스템 다이내믹스 기법은 역동적 현상을 다루는 시간 차원의 문제를 분석하고 해결하는 데 매우 유용한 도구다.
3. GIS: 공간 중심적 접근
공간 차원의 문제를 다루는 데 가장 적합한 도구는 지리정보시스템(GIS) 기술이다. GIS는 토지, 지리, 환경, 자원, 시설물, 도시계획, 방재, 경제활동, 문화활동, 보건활동, 군사활동 등 제반 공간요소에 연계된 지리공간정보와 속성정보를 지리적 공간위치에 맞추어 일정한 형태로 수치 화하여 입력하고, 그 정보를 사용목적에 따라 관리, 처리, 분석하여 필요한 결과물을 출력할 수 있는 기능을 갖춘 공간분석에 관한 종합적인 정보처리기술이다.
초기에 GIS 기술은 주로 지도의 정보화에 초점이 맞춰져 있었으나, 점차 관련 기술이 발달하 고 그 유용성이 알려지면서 지하매설물 등 각종 도시시설물의 관리업무를 비롯하여 토지정보관 리, 건축물관리 등 지리공간정보 관련 여러 행정업무에 널리 활용되기 시작했다. 그 후 지리학, 도시계획학, 토목학 등 공간을 대상으로 하는 학문들의 각종 이론적 뒷받침에 힘입어 공간분석 도구로서의 위상을 확립해 가고 있다.
GIS를 이용한 공간분석방법으로는 단순한 공간중첩분석, 근접성분석, 완충지대분석 등에서 부터 복잡한 지형분석, 네트워크분석, 접근성분석, 입지적정성분석, 입지-배분분석, 토지이용-교 통통합분석, 지역인구성장동태분석 등에 이르기까지 다양한 분석방법들이 개발돼 있다. 또 필요에 따라서는 이러한 분석방법들을 두 개 이상 결합하여 사용하면 대상공간을 훨씬 다채롭게 분석할 수도 있다.
또한 근자에 GIS 분야에서는 공간의 3차원적 표현과 분석에 관한 방법론, 즉 공간정보의 자연색감 및 3차원적 표현, 가상도시 구축과 도시경영분석 시뮬레이션, 사이버국토 건설과
<그림 1> 일반적인 제어문제의 수학적 표현 지역투자정책분석 방법 등이 집중적으로 개발되고 있다.
4. 최적제어기법: 인간 중심적 접근
일반적으로 어떤 현상을 분석하고 접근하는 방법으로 정태적 접근방법과 동태적 접근방법을 들 수 있다. 어떤 상황하에서 주어진 목표를 달성하기 위해 의사를 결정해야 하는 최적화문제에 있어서도 그 접근방법에 따라, 시간의 흐름을 고려하지 않는 정태적 최적화문제와 시간의 흐름 속에서 의사결정자의 목적에 부합하도록 자원을 배분하는 동태적 최적화문제로 구분할 수 있다. 전자를 수리계획문제(數理計劃問題, Mathematical Programming Problem)라 부르고, 후 자를 제어문제(制御問題, Control Problem)라 일컫는다. 이러한 제어문제는 사회경제 현상에서 흔히 볼 수 있는데, 예를 들면 지역투자정책, 농산물가격정책, 통화량조절, 이자율조절, 공동주택 의 적정 유지관리비용 및 철거시기 문제 등이 있다.
일반적으로 제어문제는 시간, 상태변수, 제어변수, 운동방정식, 말기의 상태 그리고 목적함 수 등으로 구성되는데, 이들의 함수관계는 <식 1>에서 <식 5>까지의 수식으로 표현된다. 이러한 제어문제를 풀기 위한 접근방법에는 수학적으로 세 가지 유형, 즉 변분해석학(變分解析學, Calculus of Variation), 동적계획(動的計劃, Dynamic Programming), 최대원리(最大原理, Maximum Principle) 등이 있다.
변분해석학은 1630년대 갈 릴레오(G. Galileo)에 의해 제
기된 최단시간경로
(brachistochrone) 문제를 해 결하는 과정에서, 1696년에 베 르누이(J. Bernoulli)가 이론을 전개시킨 수학의 한 분야로서, 그후 오일러(L. Euler) 등 여러 수학자에 의해 발전을 거듭하 여, 1950년대까지 자연과학 분
야는 물론 사회과학 분야에 이르기까지 여러 방면의 제어문제를 해결하는 데 주요한 역할을 담당해 왔다. 고전 변분해석학에서 다루는 제어문제는 통상 주어진 시간의 범위 내에서 상태변 수와 그 변화율 그리고 시간변수로 구성된 중간함수의 적분값을 극대화할 수 있는 상태변수의 시간경로를 구하는 문제이다. 그런데 변분해석학에서 다루는 제어문제는 일반적인 제어문제와 는 달리 독립된 제어변수와 말기함수 부분이 목적함수에 내포되지 않은 특수한 경우에 해당한 다. 따라서 변분해석학적인 접근방법으로는 하나의 제어변수가 주어진 제어변수들의 집합에 제약을 받게 되는 일반적인 제어문제에는 곧 바로 대처할 수 없는 단점을 가지고 있다. 그러한 단점은 동적계획이나 최대원리를 통해 해결될 수 있다.
동적계획은 1950년대 미국에서 벨만(R. Bellman)에 의해 개발되었으며, 이 방법은 최대원리 와 함께 일반적인 제어문제에 직접 적용될 수 있는 접근방법 중 하나다. 동적계획은 ‘최적성의 원리(Principle of Optimality)’5)를 토대로 도출된 벨만방정식에 의해 제어문제의 해를 구하게 된다. 동적계획은 변분해석학보다 한결 일반화된 접근방법이긴 하나, 필요조건인 벨만방정식이 편미분방정식(Partial Differential Equation)이므로 대부분의 경우 해석학적인 해를 구할 수 없고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 수치적 방법으로 문제를 해결해야 하는 불편이 따르며, 대형모 형일 경우 많은 시간과 노력이 필요하다.
한편 1950년대 소련에서 폰트리야긴(L. S. Pontryagin)이 개발한 최대원리는, 일반적인 제어 문제에 직접 적용될 수 있다는 점에서는 동적계획과 다를 바 없으나, 동적계획의 필요조건인 벨만방정식이 편미분방정식으로 나타나는 데 비해, 최대원리의 필요조건은 통상의 미분방정식 (Ordinary Differential Equation)으로 표시된다. 따라서 최대원리를 통한 제어문제의 접근이 동적계획을 통한 접근보다 한층 쉽다. 결론적으로 최적제어문제를 풀 때 세 가지 접근방법 가운데 폰트리야긴의 최대원리가 가장 유용한 접근방법이다.
5) 최적성의 원리는 현재 남아있는 상태가 어떠하든 할 수 있는 최선을 다하라는 뜻을 지니고 있다. 보다 수학적으로 표현하면 “초기의 상태와 의사결정(즉 제어)이 무엇이었던지 관계 없이, 향후 의사결정은 현 상태에서 취할 수 있는 최적정책을 채택해야 한다”는 원리다.
<그림 2> 시·공·인 통합모형
5. 시간·공간·인간 요소의 대통합 모형
현실세계에 나타나는 현상들은 시간요소와 공간요소 그리고 인간의 의사결정요소가 어우러 져 나타난 결과들이다. 때문에 예로부터 철학을 비롯한 대부 분의 학문은 시간과 공간 그리 고 인간의 요소를 통합한 사고 의 틀이나 모형을 정립하는 데 궁극적 목표를 두고 발전해 오 고 있다. 마찬가지로 대자연의
법칙을 탐구하거나, 사회현상을 분석하거나, 또는 국가정책을 다룰 때에도 시간차원과 공간차원 그리고 인간차원을 두루 갖춘 틀 속에서 탐구해야 최적의 정보와 지식을 도출할 수 있다.
그러므로 여러 용도에 두루 쓸 수 있는 현실적이고 실용적인 시·공·인 통합 정책시뮬레이션 모형을 만들고자 할 때에도 시간차원을 잘 뒷받침하는 시스템 다이내믹스 기법과 공간차원의 분석에서 출발한 GIS기법 그리고 합리적 의사결정수단을 도출하는 데 적합한 최적제어기법을 연계하거나 결합한 통합모형의 개발이 필요하다. 그러한 모형을 만들기 위해서는 차원이 서로 다른 세 기법을 엮어주는 연결고리가 있어야 한다.
기법들 간의 연결은 두 가지 방식이 있다. <그림 2>에서 보는 바와 같이, 연결고리로 엑셀(Excel) 을 이용하는 방식과 개발도구인 SDK(Software Development Kit)를 이용하는 방식이다. 모든 길은 로마로 통한다는 말이 있듯이, 요즘 모든 자료는 엑셀로 통한다. 그래서 엑셀로 자료를 입출력할 수 있는 소프트웨어라면 어떤 소프트웨어라도, 엑셀을 중간 매개체로 하여, 서로 연계하거나 통합하는 시스템을 구축할 수 있다. 그리고 SDK를 이용하여 시스템 다이내믹스와 GIS를 연결하는 구체적인 방식은 <그림 3>처럼 하면 된다. 이 글에서는 시스템 다이내믹스 소프트웨어 중 POWERSIM과 GIS 소프트웨어 중 ArcGIS를 상호 연결하는 사례를 일례로 제시했다.
이러한 연결방식을 이용하기 위해서는, 먼저 시스템 다이내믹스 모형 속의 각종 변수(x)를 시간(t)에 대한 변수[x(t)]로만 한정하지 말고, 시간과 공간(s)에 대한 변수[x(t, s)]로 그 영역을
<그림 3> PowerSim과 ArcGIS를 이용한 시공간 통합모형
확장해야 한다. 이때 공간의 단위는 행정구역에서부터 지역지구, 필지, 픽셀(pixel) 등의 단위에 이르기까지 필요에 따라 구분하면 된다. 공간단위를 크게 나눌수록 작업은 간편하나 소기의 목적을 달성하는 데 한계가 따를 수 있고, 작게 나눌수록 분석내용은 상세해지나 그만큼 자료를 취득하기 어렵고 시간과 비용이 많이 들게 된다. 따라서 연계모형에서는 목적과 비용 등을 종합적으로 고려하여 공간단위를 결정하는 지혜가 필요하다.
한편 POWERSIM이 나오기 전까지, 시스템 다이내믹스 기법은 미래를 전망하고 정책의 파급효과를 측정하는 수준에 머물렀다. 그러나 POWERSIM의 등장으로 그동안 서술적 또는 예측적 접근방법에 만족해야 했던 이 기법은 그 한계를 넘어 시간의 흐름까지 감안하는 역동적
최적제어상태까지 도출하는 처방적 기법으로까지 발전을 거듭하고 있다. 또한 일부 GIS 소프트 웨어 중에서도 최적화문제를 해결하기 위한 수단들이 포함되어 있다. 이처럼 시스템 다이내믹스 와 GIS 소프트웨어 내에 최적화문제를 푸는 기능이 포함된 경우에는 그것을 활용하면 되나, 그렇지 못할 경우에는 외부환경에서 최적화문제를 해결하는 프로그램을 개발하거나 별도로 구득하여 외부함수로 연결하는 방식을 모색할 수 있다. 그러기 위해서는 최적화 기법 자체에 대한 상당한 지식이 추가로 필요하다.
끝으로 시·공·인 통합모형은 장기적으로 시뮬레이션 결과의 3차원(3D) 입체 시각화 작업 과 함께, 구축된 대형 시스템을 필요 시 단위모형별로 활용하기 쉽도록 컴포넌트(component)화 하는 작업이 필요하다. 목표로 삼아야 할 입체 시각화의 수준은 궁극적으로 도시경영 시뮬레이 션 게임인 ‘심시티(SimCity)’6)처럼 게임 같이 활용되면서 현실세계를 그대로 반영한 살아 움직이 는 3차원의 모습까지 구현되는 방향으로 발전시켜 나가야 할 것이다. 그러한 기술개발 노력과 함께 모형을 활용하는 데 있어서도 유연성을 높이기 위해서는 단위모형의 컴포넌트화 작업도 반드시 병행해야 할 추구방향의 하나다.
시·공·인 통합모형의 사례
1. 모형 구축을 위한 시나리오
이 글에서는 시·공·인 통합모형의 사례로 ‘적정이윤 달성을 위한 재고관리모형’을 구축하고, 그 개발과정과 모형의 시뮬레이션 결과를 소개한다.
이 모형은, <그림 4>에서 보는 바와 같이, 어떤 회사가 생산하는 제품에 대해 시간의 흐름에 따라 재고량이 변동하는 메커니즘과 그 과정을 보여주며, 아울러 회사의 당기이윤과 총 이윤을 산출해준다. 따라서 이 모형에서 가장 중요한 결과변수는 재고량과 총 이윤이다.
6) 심시티란 설계자가 꿈꾸는 가상의 도시를 건설하고 운영하는 게임 소프트웨어로서, 숲과 호수를 만들고 동물을 사육할 수 있으며, 시장의 입장에서 도시를 개발하고 운영한 결과에 대한 실적평가도 가능하며, 도시에 거주하는 가상 아바타인 심즈(Sims)들의 생활을 통해 도시 삶의 이모저모를 몸소 체험할 수 있다.
<그림 4> 적정이윤 달성을 위한 재고관리모형 모형의 메커니즘 을 구체적으로 설명하 면, 제품의 재고량은 생산량과 판매량에 따 라 결정된다. 생산량 이 많으면 재고량이 늘어나고, 판매량이 많으면 재고량이 줄어 든다. 생산량은 생산 주문량과 주문을 실행 하는 데 걸리는 시간 에 따라 정해지고, 생 산주문량은 바람직한 재고량과 실제 재고량 의 차이에 따라 결정 된다고 가정했다. 바 람직한 재고량은 기대 수요량에 재고기간을 곱한 값이다. 기대수 요량은 시장에서의 실 제수요량과 회사경영자가 수요에 대한 정보를 파악하는 데 걸리는 시간에 따라 결정된다고 설정했다.
실제수요량은 외부에서 주어지는 외생변수다. 한편 시뮬레이션 기간 동안 회사의 총 이윤은 당기수입에서 당기비용을 뺀 당기이윤을 누적한 값이다. 그리고 당기수입은 판매량에 판매단가 를 곱해서 구하고, 당기비용은 생산비용과 재고관리비용을 합한 값이다. 생산비용은 생산량과 생산단가를 곱하고, 재고관리비용은 재고량과 재고관리단가를 곱한 값이다. 재고관리단가는 판매단가의 일정비율로 가정하고 모형에서 그 비율을 재고관리단가환산지수라 부른다.
시스템 다이내믹스 기반의 재고관리모형을 GIS 연계모형으로 확장하기 위해, 이 회사의
파라미터 값
판매단가 20만 원/개
생산단가 8만 원/개
재고기간 2.35일
재고관리단가환산지수 5.69%/일
수요정보지연기간 11.01일
주문실행지연기간 3.03일
<표 1> 적정이윤 달성을 위한 조건값 생산공장이 A지역에서 G지역까지 7개 지역에 입지해 있고 각 지역의 공장은 해당 지역의 제품수요에 대응한다고 가정했다.
이 모형에서 판매단가, 생산단가, 재고기간, 재고관리단가환산지수, 수요정보지연기간, 주문 실행지연기간 등 6개 요소들은 그 값의 변화에 따라 시뮬레이션의 결과에 직접적으로 영향을 미친다. 이 6개 요소들은 그림에서 상수를 의미하는 마름모꼴로 표현되어 있다. 그 밖의 나머지 변수들은 모두 수식 또는 함수관계로 서로 연계된 구조를 갖추고 있다. 그림에서 재고량처럼 네모꼴은 수준(상태)변수이고, 동그라미꼴은 보조변수를 뜻한다.
2. 최적제어기법을 활용한 시스템 다이내믹스 모형 구축
￭ 가정과 전제
앞에서 구축한 ‘적정이윤 달성을 위한 재고관리모형’에서, 주어진 조건에 맞는 적정이윤을 구하 는 사례를 소개하기 위해, 먼저 주문실행지연기간, 수요정보지연기간, 재고관리단가환산지수에 대하여 다음과 같은 조건을 부여했다.
주문실행지연기간은 절단된 정규분포(Truncated Normal Distribution)를 이루며, 이 분포의 파라미터값은 평균 3일, 표준편차 0.8일이고, 주문실행지연기간은 항상 양의 값을 갖는다고 가정했다. 수요정보지연기간은 삼각분포
(Triangular Distribution)를 이루며, 이 분포의 정점(peak)은 10일이고, 최소값은 9일, 최대값 은 12일이라고 가정했다. 재고관리단가환산지 수는 5%와 10% 사이에서 일양분포(Uniform Distribution)를 이룬다고 가정했다.
￭ 목적함수와 결정변수
모형에서 목적함수는 ‘90% 신뢰수준에서 전체 지역의 총 이윤의 합을 100억 원 이상 확보’하
기 위한 전략을 수립하는 데 있다. 재고기간을 결정변수, 즉 목적함수를 제어하는 변수로 설정하 고, 그러한 목적을 달성하는 데 필요한 적정 재고기간을 찾고자 한다. 단 재고기간은 최소 1일에서 최대 5일이라고 설정했다.
￭ 분석 과정
이 사례에서는 신뢰수준을 90%로 설정했으나, 모형의 전체적인 행태를 파악하기 위하여 신뢰수 준 95%, 75%, 50%, 25%, 10%에 대해서도 각각 분석하여 비교하는 절차를 거쳤다.
￭ 분석 결과
목적함수에서 설정한 ‘90% 신뢰수준에서 7개 전 지역의 총 이윤을 최소한 100억 원 이상 확보’하 기 위해서는, 모형 구축에서 전제한 가정의 조건하에서, <표 1>에 제시한 바와 같이 재고기간 2.35일, 재고관리단가환산지수 5.69%/일, 수요정보지연기간 11.01일, 주문실행지연기간 3.03 일로 하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
3. GIS 연계모형의 시뮬레이션 결과
￭ 지역별 재고량
모형을 1일 단위로 2007년부터 2009년까지 3년간 시뮬레이션한 결과에 따르면, 7개 지역별 적정 재고량은 <그림 5>와 같고, 전체 지역에 대한 재고량 합은 <그림 6>과 같다. 특히 <그림 5>는 <그림 4>에서 도출된 시스템 다이내믹스 기법의 시뮬레이션 결과를 <그림 3>의 방식으로 GIS와 연계하여, 7개 지역별로 3년간의 적정 재고량 변동 전망값에 관한 그래프를 알기 쉽도록 하나의 그림으로 묶어 표현한 것이다. 이 글에서는 가상적인 모형을 이용하여 시스템 다이내믹 스, GIS, 최적화 기법의 연계방법, 그 가능성 그리고 유용성을 소개하는 데 목적이 있으므로 도출된 값 자체는 의미를 둘 필요가 없다.
신뢰수준 전 지역 총 이윤 합
95% 91.5억 원
90% 102.6억 원 75% 125.6억 원 50% 140.4억 원 25% 166.4억 원 10% 191.3억 원
<표 2> 신뢰수준별 총 이윤 합
<그림 5> 지역별 적정 재고량 <그림 6> 전 지역 재고량 합
<그림 7> 지역별 총 이윤 <그림 8> 전 지역 총 이윤 합
￭ 지역별 총 이윤
총 이윤에 관한 시뮬레이션 과정도 앞의 재고량 의 경우와 같다. 3년을 기간으로 시뮬레이션한 결과에 따르면, 지역별로 분석시점까지의 적정 누적이윤(총 이윤)은 <그림 7>과 같고, 7개 전체 지역에 대한 총 이윤의 합은 <그림 8>과 같다.
모형을 시뮬레이션하기 전에, ‘90% 신뢰수 준에서 전체지역 총 이윤의 합을 최소한 100억 원 이상 확보’하는 것을 목적함수로 두었다. 그 런데 시뮬레이션 결과, <표 1>의 최적조건을 만
족할 때 100억 원을 달성할 확률, 즉 신뢰수준은 92.5%로 추정되었으므로 그 값에 미달될
위험도는 7.5%다. 참고로 신뢰수준별 전 지역의 총 이윤 합은 <표 2>와 같다. 이처럼 이 모형을 이용하면 위험분석을 통해 시뮬레이션 결과에 대한 확률적 접근도 가능하다.
[ 참고문헌 ]
김영표. 2007. “시스템 다이내믹스 기법: 미래예측에서 정책효과 측정까지”. 월간 ｢국토｣ 10월호. 국토 연구원. pp117-127.
김영표 외 2인. 1986. ｢체계동학적 방법에 의한 권역분석모형 개발에 관한 연구｣. 서울 : 국토개발연구 원.
김영표 외 2인. 1988. ｢지역간 투자파급효과의 측정모형 개발｣. 서울 : 국토개발연구원.
김영표·정문섭. 1989. ｢지가동향 예고지표 개발에 관한 기초연구｣. 서울 : 국토개발연구원.
김영표·임은선. 2004. ｢GIS기반 공간분석방법론 적용 연구｣. 경기 : 국토연구원.
앨빈 토플러·하이디 토플러. 2006. 김중웅 역. ｢부의 미래｣. 서울 : 청림출판.
국토연구원 선임연구위원
∙ 경원대학교, 도시계획학 박사
∙ 국토연구원 부원장, 우리산맥바로세우기포럼 상임대표 등 역임
∙ 주요 연구: 상전벽해 국토60년(2008)
재정투자파급효과측정시스템 개발 및 국가발전지수 정립 연구(2007) 등 Author｜김영표
인과분석방법론
Causal Loop Method - 인과관계도만 잘 그리면 연구의 절반은 성공
김영표 _ 국토연구원 선임연구위원
인연 따라 생겼다가 인연 따라 사라지고
우리는 우주 속에 존재하는 모든 사물들과 온갖 현상들을 한마디로 삼라만상(森羅萬象)이라 부른다. 그들 사이에 서로 얽히고설킨 시공간상의 씨줄과 날줄은 때로는 인연(因緣)으로, 때로 는 인과(因果)로 나타난다. 삼라만상이란 글자 자체에서 알 수 있듯이, 갖가지 사물들과 현상들, 즉 만상(萬象)은 촘촘한(森) 네트워크(羅)로 연계되어 있어 서로 영향을 주고받으며, 인연 따라 생겼다가 인연 따라 사라지기도 한다. 불교에서는 이러한 인연현상을 공간적으로는 제법무아 (諸法無我), 시간적으로는 제행무상(諸行無常)이라 설명한다.
인연현상은 구체적으로 인(因)과 연(緣)의 움직임으로 나타난다. 일반적으로 어떤 결과에 근본적이고 직접적인 영향을 미치는 원인을 인이라 하고, 간접적으로 영향을 주는 원인을 연이 라 하며, 그러한 직접원인과 간접원인을 두루 합쳐 인연이라 한다. 예를 들면, 쌀과 콩은 그 씨가 인이고, 그것을 생산하는 데 기울인 노력과 거름 그리고 자연환경은 연에 해당한다.
또한 모든 사물과 현상이 생성되고 변화하는 과정에는 원인과 결과가 있게 마련인데, 그러한 원인과 결과를 합쳐 인과(因果)라 하고, 원인과 결과를 잇는 네트워크를 인과관계라 한다. 이처 럼 원인이 있으면 반드시 그 결과가 뒤따르고 결과가 있으면 반드시 그 원인이 있을 수밖에 없다는 자연질서와 세상사의 보편적 이치를 인과율(因果律) 또는 인과법칙이라 한다.
34 I. 전체를 꿰뚫는 연구방법론
주문량 증가 재고량 감소 배송일 증가
배송일 감소 재고량 증대 주문량 감소
주문량 재고량
배송일 지연 -
- -
(B) (A)
고용 증가
생상량 증가
보관비용 증가 고용
생산량 + 보관비용
+
+
-
주문량 증가 재고량 감소 배송일 증가
주문량 재고량
배송일 지연 -
- -
(A)
고용 증가
생상량 증가
보관비용 증가 고용
생산량 + 보관비용
+
+
-
< 그림 1> 인과관계도
사회과학도나 계획가가 다루는 사회경제현상이나 국토공간구조도 마찬가지다. 국가를 이루 는 사회경제시스템과 국토공간시스템 안에서 활발히 움직이는 수많은 주체들의 활동도 크고 작은 톱니바퀴처럼 씨줄과 날줄로 엮이어 서로 인연이나 인과를 형성하며 움직인다. 따라서 이 글에서는 사회과학도나 계획가가 연구를 수행하는 데 있어서 대상 주체들이나 요소들 간의 상호 작용관계와 파급효과를 체계적이고 종합적으로 파악하고 이해하는 데 도움을 주는 인과관 계 분석방법에 대해 몇 가지 사례를 중심으로 설명하고자 한다.
원인과 결과 그리고 관계를 나타내는 인과관계도
일반적으로 시스템이론에서 인과관계도(因果關係圖, Causal Loop Diagram)란, <그림 1>에서 보는 바와 같이, 분석대상시스템 내의 주요 인자들 간의 기본적인 인과관계를 단순히 +, - 부호와 화살표를 이용해서 나타낸 그림을 뜻한다. 인과관계도의 각 화살표 끝부분에는 양(陽) 또는 음(陰)의 부호를 표기한다. 그 부호는 어떤 인자(X)의 변화가 다른 인자(Y)의 변화에 양의 효과(+)를 미치느냐 또는 음의 효과(-)로 작용하 느냐에 따라 결정된다. 여 기서 양의 효과란 인자 X가 커지면 인자 Y도 함께 커지 거나, 인자 X가 변하면 인자 Y도 같은 방향으로 변하는 관계를 의미한다. 음의 효 과는 크기와 방향에서 그 반 대의 경우다. 예를 들어 <그 림 1>의 (A)에서 주문량이 많아지면 고용도 늘어나므 로 ‘주문량→고용’에서 화 살표 끝부분에 +부호를 표
