KR101775148B1 - 항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법 - Google Patents

항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101775148B1 KR1020170020741A KR20170020741A KR101775148B1 KR 101775148 B1 KR101775148 B1 KR 101775148B1 KR 1020170020741 A KR1020170020741 A KR 1020170020741A KR 20170020741 A KR20170020741 A KR 20170020741A KR 101775148 B1 KR101775148 B1 KR 101775148B1
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Abstract

본 발명은 항만과 항만 인근의 해양 환경 정보를 이용하여 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 수치로 나타내는 항만해양안전지수를 예보하기 위한 항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상기 항만해양안전지수 예보 장치는 해양조사자료 및 기 설정된 격자점들에 대한 파랑변형예측정보를 가지는 파랑변형예측DB를 저장하는 해양조사자료DB부(110); 항만해양안전지수 도출을 위한 초기값으로서의 현재의 해양 관측 정보를 수집하는 해양관측정보수집부(120); 상기 해양관측정보와 추출된 해양조사자료를 이용하여 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측부(130); 상기 해양조사자료DB부(110)로부터 예보 대상 위치의 해양조사자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하는 해양조사자료추출부(140); 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출부(150); 상기 지수기초정보들을 이용하여 선박에 미치는 외력들을 산출하는 외력산출부(160); 및 상기 예측된 지수기초정보와 선박의 운동에너지와 외력들의 비교 값을 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출부(170);를 포함하는 항만해양안전지수예보부(100);를 포함하여 구성된다.

Description

항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법{HARBOR OCEAN SAFETY INDEX FORECASTING APPARATUS AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 항만해양안전지수 예보에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 항만과 항만 인근의 해양 환경 정보를 이용하여 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 수치로 나타내는 항만해양안전지수를 예보하기 위한 항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
바다의 환경은 시시각각 그 변화가 심하며, 이러한 변화는 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성에 큰 영향을 미친다.
이에 따라 해양 환경에 대한 다양한 예보 또는 정보 제공 시스템이 개발되었다.
일예로, 대한민국 공개특허공보 제2016-0072432호는 국립수산과학원, 기상청, 국립해양조사원 등에서 관측/예측한 자료 및 별도의 위성자료, 모델산출정보 등은 개별적으로만 제공하는 시스템으로 구축되어 있어, 상호 간의 활용도를 전혀 고려하지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 설정된 네트워크 그룹에서 구축된 해양환경 정보의 상태를 체계적이고, 이력적으로 관리 및 운영하여, 기 설정된 지역 또는 양식장에 예보 및 경보를 신속히 제공할 수 있도록 하는 해양환경 관측자료 제공 시스템을 개시한다.
또한, 대한민국 등록특허 제1132828호는 해양정보 운용을 위해 측정 또는 예측되어 제공되는 데이터를 수집하여 수집된 공간 데이터에 근거하여 기 정의된 공간데이터 생성프로그램에 따라 기 설정된 해역에 대한 적어도 하나의 공간영역에 대응하여 특정 포맷을 갖는 공간데이터를 생성하고 DB화하여 저장한 후 사용자의 요구에 따라 공간 데이터DB에 근거하여 해당되는 해역 범위의 특정 해양 정보를 나타내는 정보를 제공하는 해양예보정보제공장치를 개시한다.
또한, 대한민국 등록특허 제1513591호는 정확하고 정밀하게 해양공간정보를 가시화하여 실시간으로 인터넷을 통해 웹서비스 할 수 있도록 축적에 따라 LOD를 표현하여 화면에 출력하는 웹 3D엔진에 의해 생성된 3D 공간 정보 상에 조석예보자료, 조위자료, 해조류예측자료, 기상위성자료, 일기도자료 및 태풍이동경로자료, 전자해도 등 각종 실시간 해양관측데이터를 연계하여 제공하는 웹 3D를 이용한 실시간 해양공간정보 제공 시스템을 개시한다.
그러나 상술한 종래기술들의 경우, 해양의 환경에 대한 정보를 예보해 줄 뿐, 해수면의 해양환경 변화에 따른 선박의 상태에 영향을 받는 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 운영자들이 확인하여 작업의 가능성 및 안전성 등을 예측할 수 있도록 하는 항만해양안전지수를 제공하지 못하는 문제점을 가진다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0072432호 대한민국 등록특허 제1132828호 대한민국 등록특허 제1513591호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 항만과 항만 인근의 해양 환경 정보를 이용하여 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 수치로 나타내는 항만해양안전지수를 예보하기 위한 항만해양안전지수 예보 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 항만해양안전지수 예보 장치는,
수치조류도와 해류도와 조석표, 해도를 포함하는 해양조사자료 및 기 설정된 격자점들에 대한 파랑변형예측정보를 가지는 파랑변형예측DB를 저장하는 해양조사자료DB부(110);
항만해양안전지수 도출을 위한 초기값으로서의 현재의 해양 관측 정보를 수집하는 해양관측정보수집부(120);
상기 해양관측정보와 추출된 해양조사자료를 이용하여 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측부(130);
상기 해양조사자료DB부(110)로부터 예보 대상 위치의 해양조사자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하는 해양조사자료추출부(140);
선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출부(150);
상기 지수기초정보들을 이용하여 선박에 미치는 외력들을 산출하는 외력산출부(160); 및
상기 예측된 지수기초정보와 선박의 운동에너지와 외력들의 비교 값을 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출부(170);를 포함하는 항만해양안전지수예보부(100);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 파랑변형예측DB(119)는,
파고, 주기, 파향, 조위를 각 기 설정된 간격을 분할한 후, 항만해양안전지수예측을 위하여 설정된 격자점들을 가지는 격자망의 각 격자점들에서의 분할된 파고, 주기, 파향, 조위들의 조합별로 파랑변형 수치모델인 SWAN(Simulating WAves Nearshore)에 의해 파랑을 예측한 파랑변형예측정보들을 저장하도록 구성되어, WW3에 의해 현재 기상 상태의 파랑이 예측되는 경우, 예측된 파랑과 일정 오차 범위 내에서 일치하는 파랑변형예측정보들을 추출하여, 항만해양안전지수 도출을 위해 설정된 격자망의 격자점들에서의 파랑정보를 추출할 수 있도록 한다.
상기 항만해양안전지수 도출을 위해 SWAN모델이 적용되도록 설정된 격자망은,
항만 내에서는 5m ~ 25m 범위의 간격을 가지도록 설정하고, 항만의 외측에서는 5m ~　400m 범위의 간격을 가지도록 설정될 수 있다.
상기 현재의 해양 관측정보는,
조위, 해수유동(해류, 조류), 수온, 풍속, 풍향, 기압을 포함하는 국가해양관측망의 관측정보와 날씨, 기온, 일사량, 풍속, 풍향을 포함하는 기상청의 관측정보를 포함할 수 있다.
상기 지수기초정보는,
파랑, 조위, 조류 또는 바람 중 하나 이상의 정보를 포함할 수 있다.
상기 지수기초정보예측부(130)는, 해상의 기설정된 위치들에 대하여,
상기 해양 관측 정보를 해수수치예측모델(ROMS)에 적용하여 기설정된 시점 후의 조위와, 해수의 유향과 유속을 포함하는 조류를 예측하는 해수수치예측부(131);
상기 해양 관측 정보를 기상예측모델(WRF)에 적용하여 기설정된 시점 후의 풍향과 풍속을 가지는 바람을 예측하는 기상예측부(133); 및
상기 해양 관측 정보를 파랑예측모델(WW3)에 적용하여 기 설정된 시점 후의 파고, 주기 및 파향을 포함하는 파랑을 예측하는 파랑예측부(135);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 해양조사자료추출부(140)는
해양조사자료DB부(110)의 수치조류도와 해류도로부터 예보 대상 지역 해양의 유속, 유향, 풍향, 풍속, 유의파고, 해류 또는 조석을 포함하는 자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하고,
상기 지수기초정보예측부(130)의 파랑예측부(WW3)(135)가 WW3 적용 격자망의 격자점들에 대한 파랑을 예측한 경우, SWAN모델에 의해 산출되어 기 저장된 파랑변형예측정보들 중 WW3에 의해 예측된 파랑의 파고, 주기, 파향, 조위 정보와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 파랑변형예측정보들을 추출하여 외력산출부(160)와 항만해양안전지수도출부(170)로 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 외력산출부(160)에 의해 산출되는 상기 외력은,
조위와 파랑에 의해 선박에 작용하는 표류력, 조류에 의해 선박에 작용하는 유체압력, 바람에 의해 선박에 작용하는 풍하중 중 하나 이상을 포함한다.
상기 표류력은,
Figure 112017015849425-pat00001
에 의해 산출되며,
여기서, ρw는 해수의 밀도(kgㅇs2/m4), Cw는 표류력 계수, g는 중력가속도(m/s2), L은 선박의 길이(m), h는 파의 진폭(m)이다.
상기 유체압력은,
Figure 112017015849425-pat00002
Figure 112017015849425-pat00003
에 의해 산출되며, 여기서, Rh는 선수방향의 유체압력(kN), Rs는 선측방향의 유체압력(kN), S는 침수면적(m2), V는 조류속도(m/s), ρw는 해수밀도(t/m3), C는 유압계수, B는 흘수선 밑의 선체 측면 투영면적(m2)이다.
상기 풍하중은,
Figure 112017015849425-pat00004
,
Figure 112017015849425-pat00005
,
Figure 112017015849425-pat00006
에 의해 산출되며, 여기서, Rx, Ry, Rk은 풍하중의 x(선체정면), y(선척 측면), k(선체 수직면) 방향 성분(kN), U는 풍속(m/s), Cx는 x방향의 풍향력 계수, Cy는 y 방향의 풍향력 계수, Ck는 k 방향의 풍향모멘트 계수, Ar는 수면상 선체 정면 투영면적(m2), AL은 수면상 선체 측면 투영면적(m2), Lpp는 수선간 길이(m), ρa는 공기의 밀도(t/m3)이다.
상기 항만해양안전지수도출부(170)는,
파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 관심지수를 도출하고,
파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 주의지수를 도출하며,
상기 외력이 선박의 운동에너지보다 큰 경우 경계지수를 도출하고,
파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 위험지수를 도출하도록 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 항만해양안전지수 예보 방법은,
해양조사자료DB부(110), 해양관측정보수집부(120), 지수기초정보예측부(130), 선박운동에너지산출부(150), 외력산출부(160) 및 항만해양안전지수도출부(170)를 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치에 의한 항만해양안전지수 예보 방법에 있어서,
해양관측정보수집부(120)에 의한 기 설정된 시간 후의 지수기초정보의 예측을 위한 초기값으로서의 해양관측정보를 수집하는 해양관측정보수집과정(S100);
상기 해양관측정보수집부(120)에 의해 수집된 해양관측정보를 ROMS가 적용된 해수수치예측부(R131)에 적용하여 조위와 조류를 예측하고, WRF가 적용된 기상예측부(133)에 적용하여 바람을 예측하며, WW3가 적용된 파랑예측부(135)에 적용하여 파고, 주기, 파향을 가지는 파랑정보를 예측하는 것에 의해, 지수기초정보 예측을 위해 기 설정된 격자망의 격자점별로 조위, 파랑, 조류, 바람 정보를 포함하는 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측과정(S200);
상기 해양조사자료추출부(140)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 예측된 파랑과 일정 오차 범위 내에서 일치하는 SWAN에 의해 예측되어 저장된 파랑변형예측정보를 상기 파랑변형예측DB(119)로부터 추출하는 파랑변형예측과정(S300);
상기 선박운동에너지산출부(150)가 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출과정(S400);
상기 외력산출부(160)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 산출된 조위, 조류 및 바람 정보와 상기 파랑변형예측과정(S300)에서 예측된 파랑변형예측정보를 이용하여 선박에 미치는 조위와 파랑에 의한 표류력, 조류에 의한 유체압력 또는 바람에 의한 풍하중 중 하나 이상을 포함하는 외력을 산출하는 외력산출과정(S500); 및
상기 예측된 조위, 조류, 바람 및 파랑변형예측정보를 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출과정(S600);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 항만해양안전지수 도출을 위해 SWAN모델이 적용되도록 설정된 격자망은,
항만 내에서는 5m ~ 25m 범위의 간격을 가지도록 설정하고, 항만의 외측에서는 5m ~　400m 범위의 간격을 가지도록 설정될 수 있다.
상기 항만해양안전지수도출과정(S600)은,
파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 관심지수를 도출하는 관심지수도출과정(S610);
파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 주의지수를 도출하는 주의지수도출과정(S620);
상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 큰 경우 경계지수를 도출하는 경계지수도출과정(S630); 및
파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 위험지수를 도출하는 위험지수도출과정(S640);을 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은, 항만과 항만 인근의 해양 환경 정보를 이용하여 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 수치로 나타내는 항만해양안전지수를 예보할 수 있도록 하는 것에 의해 항만해양 인근에서의 선박의 주요 운영행위에 대한 안전성을 현저히 향상시키고, 선박의 주요 운형행위에서 발생할 수 있는 사고를 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 항만해양안전지수 예보 장치(1)의 구성도.
도 2는 도 1의 항만해양안전지수 예보 장치(1)의 항만해양안전지수 제공을 위한 항만해양안전지수예보부(100)의 상세 기능 블록 구성도.
도 3은 파랑변형 수치모델에 적용되는 또는 본 발명의 항만해양안전지수 예보를 위해 적용되는 격자망의 일 예로서, 울산항을 포함하는 해역의 격자망과 수심분포를 나타내는 도면.
도 4는 파랑변형 예측정보 생성을 위한 해역별 입력값들의 분류예를 나타내는 도면.
도 5는 울산항의 도 3의 격자점들에서의 파향 별 파고분포도를 나타내는 도면.
도 6은 표류계수의 예(Remery, 1972)를 나타내는 도면.
도 7은 유압계수의 예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 항만해양안전지수 예보 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 9은 도 8의 처리과정 중 항만해양안전지수도출과정(S600)의 상세처리과정을 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 항만해양안전지수 예보 장치(1)의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 항만해양안전지수 예보 장치(1)는, 중앙처리장치로서의 제어부(10), 운영프로그램과 제어부(10)에 의해 실행되어 본 발명의 항만해양안전지수 예보를 수행하도록 설치된 프로그램으로서의 항만해양안전지수 예보부(100)와 데이터가 저장되는 저장부(20), 데이터의 입력 및 사용자 제어 명령을 입력할 수 있도록 구성되는 입력부(30) 및 내부 동작 과정을 표시하는 표시부(40)를 포함하여 구성된다. 또한 외부와의 통신이 필요한 경우 외부와의 통신을 수행할 수 있도록 하는 통신부(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 항만해양안전지수 예보 장치(1)에 의해 예보되는 항만해양안전지수는 해양환경 인자에 대한 적용 외력과 대상항만별 선박의 운동에너지를 상호 비교하고, 하역한계파고 및 풍랑주의보 발생 조건을 적용하여 산출되는 지수로서, 항만과 항만 인근의 해양 환경에서의 하역, 계류, 정박, 통항 등의 항만에서의 주요 운영행위에 대한 안전성을 수치로 나타낸다.
도 2는 도 1의 항만해양안전지수 예보부(100)의 상세 기능 블록 구성도이다.
도 2와 같이, 상기 항만해양안전지수 예보부(100)는, 수치조류도(111)와 해류도(113)와 조석표(115), 선박 운항로 등의 정보를 가지는 해도(117) 및 파고, 주기, 파향, 조위를 각 기 설정된 간격을 분할한 후, 항만해양안전지수예측을 위하여 설정된 격자점들을 가지는 격자망의 각 격자점들에서의 분할된 파고, 주기, 파향, 조위들의 조합별로 파랑변형 수치모델인 SWAN(Simulating Waves Nearshore)에 의해 파랑을 예측한 파랑변형예측정보들을 저장하는 파랑변형예측DB(119) 등의 항만해양안전지수 도출을 위한 기초자료를 포함하는 해양조사자료 및 파랑변형예측정보를 저장하는 해양조사자료DB부(110)와, 항만해양안전지수 도출을 위한 초기값으로서의 관측 대상 해역의 현재의 해양 관측 정보를 수집하는 해양관측정보수집부(120)와, 해양관측정보를 이용하여 격자망으로 분할된 해양 영역에서 각 격자점들의 위치에서의 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측부(130)와, 해양조사자료DB부(110)의 수치조류도와 해류도로부터 예보 대상 지역 해양의 유속, 유향, 풍향, 풍속, 유의파고, 해류 또는 조석을 포함하는 자료를 추출하여 지수기초정보예측부(130)로 출력하는 해양조사자료추출부(140), 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출부(150), 예측된 지수기초정보들을 이용하여 선박에 미치는 외력들을 산출하는 외력산출부(160) 및 상기 예측된 지수기초정보와 선박의 운동에너지와 외력들의 비교 값을 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출부(170);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 해양조사자료DB부(110)에 저장되는 수치조류도와 해류도, 해도 및 조석표의 정보는 해양의 유속, 유향, 풍향, 풍속, 유의파고, 해류 또는 조석 등의 지수기초정보 예측을 위한 기초자료를 포함한다. 한국의 경우 상기 수치조류도와 해류도 및 조석표는 국립해양조사원의 수치조류도와 동해해류도 및 국내 해양의 조석표 정보일 수 있다. 그리고 해도는 선박의 항로 정보 등을 포함하는 해양 지도 정보를 포함한다.
또한, 상기 해양조사자료DB부(110)에 저장되는 파랑변형예측DB(119)는 항만해양안전지수 예보를 위해 세분화되어 설정된 격자망의 격자점들에서의 파랑변형을 예측할 수 있도록, 조위와 파랑의 파고와 주기와 파향을 특정범위에서 기 설정된 간격으로 분할하여 각각의 분할된 조위, 파고, 주기, 파향의 조합들 각각을 SWAN이 적용되는 파랑변형예측을 위한 파랑변형 수치모델에 입력값으로 입력하는 것에 의해 각각의 조위, 파고, 주기, 파향에 대하여 생성되는 항만해양안전지수 도출을 위한 격자망의 격자점별 파랑변형예측정보 집합을 저장한다.
상기 파랑변형 수치모델에 적용되는 SWAN모델의 기본 방정식은
Figure 112017015849425-pat00007
이다. 여기서, x, y 수평직각좌표계, σ: 상대주파수 θ: 파향, Ci 각 공간상의 전파속도, S: 에너지의 생성 소산 및 전달을 표현하는 입력항으로서의 바람에너지 유입, 에너지 소산 및 파랑의 비선형 상호작용을 포함, N: 작용밀도 스펙트럼(action density spectrum)이다. 상술한 구성의 SWAN 모델은 파랑의 굴절, 회절, 쇄파, 반사 등을 반영할 수 있고, 쇄파대 등에서 나타나는 강한 비선형조건의 파랑도 2차원 작용밀도 스펙트럼을 이용하여 계산할 수 있도록 한다.
파랑변형 수치모델에 적용되는 격자망의 계산격자는 정방격자 또는 가변격자망으로 구성될 수 있다. 그리고 400 m 이하의 격자 크기가 적용될 수 있으며, 대상 항만의 구조물(방파제, 호안 등)의 규모를 고려하여 최소 격자크기를 5 m 내지 25 m의 범위 내에서 설정될 수 있다.
도 3은 파랑변형 수치모델에 적용되는 또는 본 발명의 항만해양안전지수 예보를 위해 적용되는 격자망의 일 예로서, 울산항을 포함하는 해역의 격자망과 수심분포를 나타내는 도면이고, 도 4는 파랑변형 예측정보 생성을 위한 해역별 입력값들의 분류예를 나타내는 도면이고, 5는 울산항의 도 3의 격자점들에서의 SWAN 모델에 의해 예측된 파향별 파고분포도를 나타내는 도면이다.
일반적으로 기상예보 또는 지수기초정보예측부(130)의 파랑예측부(WW3)는 수 Km 간격의 WW3 예측을 위한 격자망의 격자점들에서 파랑을 예측하게 된다. 이는 항만해양안전지수 예보를 위한 해상도가 매우 낮아 지역별 안전성의 정확한 예보를 수행할 수 없게 된다. 그러나 본 발명의 경우 상술한 바와 같이 파랑변형 예측정보 수립을 위한 격자망의 격자점들은 최소 5 ~ 25m, 최대 400m의 간격을 가지도록 세분화되어, 특정 파고, 주기, 파향 및 조위별로 각 격자점들에서 파랑변형 수치모델(SWAN 모델)을 이용하여 파랑변형 예측정보를 미리 계산하여 DB로 구축해 놓음으로서, 기상청 예보 또는 파랑예측부(135)에서 파랑 정보에 비해 해상도가 높은 파랑 정보를 얻을 수 있도록 하여 항만해양안전지수의 해상도를 현저히 높일 수 있게 된다.
상기 해양관측정보수집부(120)에 의해 수집되는 상기 현재의 해양 관측 정보는 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보의 예측을 위한 자료로서 현재 관측된 조위, 해수유동(해류, 조류), 수온, 풍속, 풍향, 기압을 포함하는 국가해양관측망의 관측정보와 날씨, 기온, 일사량, 풍속, 풍향을 포함하는 기상청의 관측정보를 포함한다.
상기 지수기초정보예측부(130)는 상기 해양관측정보수집부(120)에서 수집된 해양관측정보와 해수수치예측모델(ROMS), 기상예측모델(WRF) 및 파랑예측모델(135)을 이용하여 기 설정된 시간별로 예보되는 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보를 기 설정된 시간별로 예측하여 생성하도록 구성된다. 상기 지수기초정보는 항만해양안전지수 도출을 위한 데이터로서의 조위, 조류, 파랑, 바람 정보를 포함한다.
이를 위해 상기 지수기초정보예측부(130)는 지수기초정보예측을 위해 설정되는 격자망의 각 격자점들의 위치에서, 해양 관측 정보를 해수수치예측모델(ROMS)에 적용하여 기 설정된 시점 후의 조위와, 해수의 유향과 유속을 포함하는 조류를 예측하는 해수수치예측부(131), 해양 관측 정보를 기상예측모델(WRF)에 적용하여 기설정된 시점 후의 풍향과 풍속을 가지는 바람을 예측하는 기상예측부(133) 및 해양 관측 정보를 파랑예측모델(WW3)에 적용하여 기 설정된 시점 후의 파고, 주기 및 파향을 포함하는 파랑을 예측하는 파랑예측부(135)를 포함하여 구성된다.
상기 해양조사자료추출부(140)는, 해양조사자료DB부(110)의 수치조류도와 해류도로부터 예보 대상 지역 해양의 유속, 유향, 풍향, 풍속, 유의파고, 해류 또는 조석을 포함하는 자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하도록 구성된다. 또한, 상기 해양조사자료추출부(140)는 상기 지수기초정보예측부(130)의 파랑예측부(WW3)(135)가 WW3 적용 격자망의 격자점들에 대한 파랑을 예측한 경우, SWAN모델에 의해 산출되어 기 저장된 파랑변형예측정보들 중 WW3에 의해 예측된 파랑의 파고, 주기, 파향, 조위 정보와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 파랑변형 예측정보들을 추출하여 외력산출부(160)와 항만해양안전지수도출부(170)로 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 선박운동에너지산출부(150)는, 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하도록 구성된다. 이때, 선박의 운동에너지는
Figure 112017015849425-pat00008
에 의해 계산되며, 여기서, Es: 선박 운동에너지(kN*m), Ms: 선박 질량(만재 시 배수톤, DT), V: 선박 속도(m/s)이다. 그리고 만재 시 배수톤 DT는 선박의 총톤수(GT)와 재화중량톤수(DWT)를 이용하여 다음과 같이 계산된다.
GT=0.529DWT
DT=1.174DWT
상기 외력산출부(160)는 지수기초정보들을 이용하여 선박에 미치는 외력들을 산출하도록 구성된다.
이때 산출되는 외력은 조위와 파랑에 의한 표류력, 조류에 의한 유체압력, 바람에 의한 풍하중을 포함한다.
상기 표류력은,
Figure 112017015849425-pat00009
에 의해 산출된다. 여기서, ρw는 해수의 밀도(kgㅇs2/m4), Cw는표류력 계수, g는 중력가속도(m/s2), L은 선박의 길이(m), h는 파의 진폭(m)이다. 도 6은 표류계수의 예(Remery, 1972)를 나타내는 도면이다.
상기 유체압력은,
Figure 112017015849425-pat00010
,
Figure 112017015849425-pat00011
에 의해 산출된다. 여기서, Rh는 선수방향의 유체압력(kN), Rs는 선측방향의 유체압력(kN), S는 침수면적(m2), V는 조류속도(m/s), ρw는 해수밀도(t/m3), C는 유압계수, B는 흘수선 밑의 선체 측면 투영면적(m2)이다. 도 7은 유압계수의 예를 나타내는 도면이다.
상기 풍하중은,
Figure 112017015849425-pat00012
,
Figure 112017015849425-pat00013
,
Figure 112017015849425-pat00014
에 의해 산출된다. 여기서, Rx, Ry, Rk은 풍하중의 x(선체정면), y(선척 측면), k(선체 수직면) 방향 성분(kN), U는 풍속(m/s), Cx는 x방향의 풍향력 계수, Cy는 y 방향의 풍향력 계수, Ck는 k 방향의 풍향모멘트 계수, Ar는 수면상 선체 정면 투영면적(m2), AL은 수면상 선체 측면 투영면적(m2), Lpp는 수선간 길이(m), ρa는 공기의 밀도(t/m3)이다.
상기 항만해양안전지수도출부(170)은 지수기초정보예측부(130)에서 예측된 지수기초정보와 선박의 운동에너지와 외력들의 비교 값을 이용하여 항만해양안전지수를 도출하도록 구성된다.
상술한 해양안전지수도출부(170)에서 도출되는 항만해양안전지수는 관심, 주의, 경계, 위험으로 분류될 수 있다.
여기서 관심지수는 파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 도출된다. 상기 하역한계파고는 0.5m이다.
상기 주의지수는 파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 도출된다.
상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 큰 경우 도출된다.
상기 위험지수는 파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 도출된다.
도 8은 본 발명의 항만해양안전지수 예보 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 8과 같이, 본 발명의 항만해양안전지수 예부 방법은, 해양조사자료DB부(110), 해양관측정보수집부(120), 지수기초정보예측부(130), 선박운동에너지산출부(150), 외력산출부(160) 및 항만해양안전지수도출부(170)를 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치에 의한 항만해양안전지수 예보 방법으로서, 해양관측정보수집과정(S100), 지수기초정보예측과정(S200), 파랑변형예측과정(S300), 선박운동에너지산출과정(S400), 외력산출과정(S500) 및 항만해양안전지수도출과정(S600)을 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 항만해양안전지수의 도출을 위하여 먼저, 해양관측정보수집부(120)에 의한 기 설정된 시간 후의 지수기초정보의 예측을 위한 초기값으로서의 해양관측정보를 수집하는 해양관측정보수집과정(S100)이 수행된다.
이후 지수기초정보예측부(130)가 해양관측정보수집부(120)에 의해 수집된 해양관측정보를 ROMS가 적용된 해수수치예측부(R131)에 적용하여 조위와 조류를 예측하고, WRF가 적용된 기상예측부(133)에 적용하여 바람을 예측하며, WW3가 적용된 파랑예측부(135)에 적용하여 파고, 주기, 파향을 가지는 파랑정보를 예측하는 것에 의해, 지수기초정보 예측을 위해 기 설정된 격자망의 격자점별로 조위, 파랑, 조류, 바람 정보를 포함하는 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측과정(S200)이 수행된다.
해양조사자료추출부(140)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 예측된 파랑과 일정 오차 범위 내에서 일치하는 SWAN에 의해 예측되어 저장된 파랑변형예측정보를 상기 파랑변형예측DB(119)로부터 추출하는 파랑변형예측과정(S300)을 수행한다.
그리고 선박운동에너지산출부(150)가 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출과정(S400)을 수행한다.
또한, 외력산출부(160)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 산출된 조위, 조류 및 바람 정보와 상기 파랑변형예측과정(S300)에서 예측된 파랑변형예측정보를 이용하여 선박에 미치는 조위와 파랑에 의한 표류력, 조류에 의한 유체압력 또는 바람에 의한 풍하중 중 하나 이상을 포함하는 외력을 산출하는 외력산출과정(S500)을 수행한다.
다음으로, 항만해양안전지수도출부(170)가 예측된 조위, 조류, 바람 및 파랑변형예측정보를 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출과정(S600)을 수행한다.
도 9은 도 8의 처리과정 중 항만해양안전지수도출과정(S600)의 상세 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 9과 같이, 상기 항만해양안전지수도출과정(S600)은, 파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 관심지수를 도출하는 관심지수도출과정(S610), 파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 주의지수를 도출하는 주의지수도출과정(S620), 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 큰 경우 경계지수를 도출하는 경계지수도출과정(S630) 및 파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 위험지수를 도출하는 위험지수도출과정(S640);을 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이 도출된 항만해양안전지수는 공중파 방송, 인터넷, 문자메시지 등의 형태로 방송될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 항만해양안전지수 예보 장치
100: 항만해양안전지수예보부

Claims (15)

  1. 수치조류도와 해류도와 조석표, 해도를 포함하는 해양조사자료 및 기 설정된 격자점들에 대한 파랑변형예측정보를 가지는 파랑변형예측DB(119)를 저장하는 해양조사자료DB부(110);
    항만해양안전지수 도출을 위한 초기값으로서의 현재의 해양 관측 정보를 수집하는 해양관측정보수집부(120);
    상기 해양관측정보와 추출된 해양조사자료를 이용하여 항만해양안전지수 도출을 위한 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측부(130);
    상기 해양조사자료DB부(110)로부터 예보 대상 위치의 해양조사자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하는 해양조사자료추출부(140);
    선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출부(150);
    상기 지수기초정보들을 이용하여 선박에 미치는 외력들을 산출하는 외력산출부(160); 및
    상기 예측된 지수기초정보와 선박의 운동에너지와 외력들의 비교 값을 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출부(170);를 포함하는 항만해양안전지수예보부(100);를 포함하며,
    상기 파랑변형예측DB(119)는,
    파고, 주기, 파향, 조위를 각 기 설정된 간격을 분할한 후, 항만해양안전지수예측을 위하여 설정된 격자점들을 가지는 격자망의 각 격자점들에서의 분할된 파고, 주기, 파향, 조위들의 조합별로 파랑변형 수치모델인 SWAN(Simulating WAves Nearshore)에 의해 파랑을 예측한 파랑변형예측정보들을 저장하도록 구성되어, WW3에 의해 현재 기상 상태의 파랑이 예측되는 경우, 예측된 파랑과 일정 오차 범위 내에서 일치하는 파랑변형예측정보들을 추출하여, 항만해양안전지수 도출을 위해 설정된 격자망의 격자점들에서의 파랑정보를 추출할 수 있도록 구성되는 항만해양안전지수 예보 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 항만해양안전지수 도출을 위해 SWAN모델이 적용되도록 설정된 격자망은,
    최소 격자 간격은 5m ~ 25m 범위의 간격을 가지도록 5m ~　400m 범위의 간격을 가지도록 설정되는 항만해양안전지수 예보 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 현재의 해양 관측정보는,
    조위, 해수유동(해류, 조류), 수온, 풍속, 풍향, 기압을 포함하는 국가해양관측망의 관측정보와 날씨, 기온, 일사량, 풍속, 풍향을 포함하는 기상청의 관측정보를 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,상기 지수기초정보는,
    파랑, 조위, 조류 또는 바람 중 하나 이상의 정보를 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 지수기초정보예측부(130)는,
    해상의 기설정된 격자망의 격자점 위치들에 대하여,
    상기 해양 관측 정보를 해수수치예측모델(ROMS)에 적용하여 기설정된 시점 후의 조위와, 해수의 유향과 유속을 포함하는 조류를 예측하는 해수수치예측부(131);
    상기 해양 관측 정보를 기상예측모델(WRF)에 적용하여 기설정된 시점 후의 풍향과 풍속을 가지는 바람을 예측하는 기상예측부(133); 및
    상기 해양 관측 정보를 파랑예측모델(WW3)에 적용하여 기 설정된 시점 후의 파고, 주기 및 파향을 포함하는 파랑을 예측하는 파랑예측부(135);를 포함하여 구성되는 항만해양안전지수 예보 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 해양조사자료추출부(140)는
    해양조사자료DB부(110)의 수치조류도와 해류도로부터 예보 대상 지역 해양의 유속, 유향, 풍향, 풍속, 유의파고, 해류 또는 조석을 포함하는 자료를 추출하여 상기 지수기초정보예측부(130)로 출력하고,
    상기 지수기초정보예측부(130)의 파랑예측부(WW3)(135)가 WW3 적용 격자망의 격자점들에 대한 파랑을 예측한 경우, SWAN모델에 의해 산출되어 기 저장된 파랑변형예측정보들 중 WW3에 의해 예측된 파랑의 파고, 주기, 파향, 조위 정보와 일정 오차 범위 내에서 일치하는 항만해양안전지수 예보를 위한 격자점들의 파랑변형예측정보들을 추출하여 외력산출부(160)와 항만해양안전지수도출부(170)로 출력하도록 구성되는 항만해양안전지수 예보 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 외력은,
    조위와 파랑에 의해 선박에 작용하는 표류력, 조류에 의해 선박에 작용하는 유체압력, 바람에 의해 선박에 작용하는 풍하중 중 하나 이상을 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 표류력은,
    Figure 112017015849425-pat00015
    에 의해 산출되며,
    여기서, ρw는 해수의 밀도(kgㅇs2/m4), Cw는표류력 계수, g는 중력가속도(m/s2), L은 선박의 길이(m), h는 파의 진폭(m)인 항만해양안전지수 예보 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 유체압력은,
    Figure 112017015849425-pat00016
    ,
    Figure 112017015849425-pat00017
    에 의해 산출되며, 여기서, Rh는 선수방향의 유체압력(kN), Rs는 선측방향의 유체압력(kN), S는 침수면적(m2), V는 조류속도(m/s), ρw는 해수밀도(t/m3), C는 유압계수, B는 흘수선 밑의 선체 측면 투영면적(m2)인 항만해양안전지수 예보 장치.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 풍하중은,
    Figure 112017015849425-pat00018
    ,
    Figure 112017015849425-pat00019
    ,
    Figure 112017015849425-pat00020
    에 의해 산출되며, 여기서, Rx, Ry, Rk은 풍하중의 x(선체정면), y(선척 측면), k(선체 수직면) 방향 성분(kN), U는 풍속(m/s), Cx는 x방향의 풍향력 계수, Cy는 y 방향의 풍향력 계수, Ck는 k 방향의 풍향모멘트 계수, Ar는 수면상 선체 정면 투영면적(m2), AL은 수면상 선체 측면 투영면적(m2), Lpp는 수선간 길이(m), ρa는 공기의 밀도(t/m3)인 항만해양안전지수 예보 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 항만해양안전지수도출부(170)는,
    파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 관심지수를 도출하고,
    파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 주의지수를 도출하며,
    상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 큰 경우 경계지수를 도출하고,
    파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 위험지수를 도출하도록 구성되는 항만해양안전지수 예보 장치.
  13. 해양조사자료DB부(110), 해양관측정보수집부(120), 지수기초정보예측부(130), 해양조사자료추출부(140), 선박운동에너지산출부(150), 외력산출부(160) 및 항만해양안전지수도출부(170)를 포함하는 항만해양안전지수 예보 장치에 의한 항만해양안전지수 예보 방법에 있어서,
    해양관측정보수집부(120)에 의한 기 설정된 시간 후의 지수기초정보의 예측을 위한 초기값으로서의 해양관측정보를 수집하는 해양관측정보수집과정(S100);
    상기 해양관측정보수집부(120)에 의해 수집된 해양관측정보를 ROMS가 적용된 해수수치예측부(R131)에 적용하여 조위와 조류를 예측하고, WRF가 적용된 기상예측부(133)에 적용하여 바람을 예측하며, WW3가 적용된 파랑예측부(135)에 적용하여 파고, 주기, 파향을 가지는 파랑정보를 예측하는 것에 의해, 지수기초정보 예측을 위해 기 설정된 격자망의 격자점별로 조위, 파랑, 조류, 바람 정보를 포함하는 지수기초정보를 예측하는 지수기초정보예측과정(S200);
    상기 해양조사자료추출부(140)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 예측된 파랑과 일정 오차 범위 내에서 일치하는 SWAN에 의해 예측되어 저장된 파랑변형예측정보를 상기 해양조사자료DB부(110)로부터 추출하는 파랑변형예측과정(S300);
    상기 선박운동에너지산출부(150)가 선박의 질량과 속도를 이용하여 선박의 운동에너지를 산출하는 선박운동에너지산출과정(S400);
    상기 외력산출부(160)가 상기 지수기초정보예측과정(S200)에서 산출된 조위, 조류 및 바람 정보와 상기 파랑변형예측과정(S300)에서 예측된 파랑변형예측정보를 이용하여 선박에 미치는 조위와 파랑에 의한 표류력, 조류에 의한 유체압력 또는 바람에 의한 풍하중 중 하나 이상을 포함하는 외력을 산출하는 외력산출과정(S500); 및
    상기 예측된 조위, 조류, 바람 및 파랑변형예측정보를 이용하여 항만해양안전지수를 도출하는 항만해양안전지수도출과정(S600);을 포함하여 이루어지는 되는 항만해양안전지수 예보 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 항만해양안전지수 도출을 위해 SWAN모델이 적용되도록 설정된 격자망은,
    최소 간격이 5m ~ 25m 범위의 간격을 가지며, 5m ~　400m 범위의 간격을 가지도록 설정되는 항만해양안전지수 예보 방법.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 항만해양안전지수도출과정(S600)은,
    파고가 하역한계파고 이하이고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 관심지수를 도출하는 관심지수도출과정(S610);
    파고가 하역한계파고를 초과하고 상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 작은 경우 주의지수를 도출하는 주의지수도출과정(S620);
    상기 외력이 상기 선박의 운동에너지보다 큰 경우 경계지수를 도출하는 경계지수도출과정(S630); 및
    파고와 바람의 풍속이 풍랑주의보 기준 이상인 경우 위험지수를 도출하는 위험지수도출과정(S640);을 포함하여 이루어지는 항만해양안전지수 예보 방법.
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