KR101912628B1 - 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수문모형과 수리모형의 분석결과를 기반으로 추가적인 알고리즘을 적용하여 결과를 진단하기 위한 시스템에 관한 것으로, 모형의 결과 이외에 추가적인 요소를 고려한 진단결과를 도출할 수 있다. 하천의 상태를 판단하기 위해서는 수문모형과 수리모형의 분석결과 이외에도 분석 목적에 따른 다양한 주변 인자를 함께 고려하여 판단하는 것이 보다 정확하고 합리적이다. 또한, 하천현황의 분석을 위해 모의분석결과 및 추가적인 요소를 별도로 검토해야 하는 불편함을 개선하고 주변 인자를 함께 고려한 분석결과를 도출함으로써 보다 신속한 판단이 가능하다.

Description

수문-수리모형 분석결과의 진단 방법 {Method for Diagnosis of Runoff-Hydraulic Model Analysis result}

본 발명은 수문모형과 수리모형의 진단 방법과 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수문모형과 수리모형의 결과를 표준화된 형태의 DB로 구성하고 분석 목적에 따른 추가요소를 고려한 진단알고리즘을 적용하여 하천의 상태를 진단하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 유역의 수문 및 수리 현상을 분석하는 것은 자연 현상을 이해하는 것과 더불어 유역의 관리를 위하여 매우 중요하다. 이를 위하여 수리 수문모형이 개발이 되었고 이를 시스템화하여 사용자가 유역의 수리 수문현상을 분석하는 것이 용이해졌다.

수리 수문을 분석하는 모형들은 매우 다양하여 모형 별로 각각의 입력인자를 필요로 하며, 각각의 표출시스템을 위하여 결과를 처리하고 있다. 하지만, 수리 수문 해석은 강우-유출-수리 해석의 일정한 흐름을 거쳐 진행이 되며, 각각의 모형을 시스템화 한 단일의 해석 시스템으로는 통합적인 수리 수문 분석은 어렵다. 경우에 따라서는 유출해석을 통한 결과를 수리해석에 적용하거나, 1차원 수리해석 결과를 사용하여 2차원 수리해석을 수행하기도 한다. 이러한 방법은 각각의 시스템을 수행하고 수행한 결과를 다시 변환하여 다음 과정을 수행하게 되는데, 이러한 과정에서 앞 과정의 결과를 적용하기 위하여 해당 시스템에서 결과 중 특정 데이터를 추출하여 다음 과정의 시스템에 필요한 형태의 데이터로 변환해야 하는 작업이 필요하다. 또한, 앞 과정의 결과 값만을 사용하게 되면 해당 결과가 어떠한 조건으로 수행되었는지 알기 어렵다.

따라서 이러한 과정을 관리하기 위한 표준 체계가 필요하며 이러한 체계를 도입함으로써 통합적인 분석을 위한 다양한 입력인자 및 각 분석 과정의 효율적인 관리를 수행해야 하는 필요성이 있다.

또한, 하천의 현황을 분석하기 위해 주로 수문학적, 수리학적 모형을 사용한다. 각 모형들은 다양한 종류가 있으며, 분석 목적에 따라 적합한 사용모형을 선택한다. 수문학적 모형의 경우 하천의 수량의 변화에 대한 분석을 수행하게 되며, 수리학적 모형의 경우 수위변화, 하상변화 등 하천의 물리적 변화에 대한 분석을 수행하게 된다. 하지만 지형의 변화에 관련된 분석의 경우 상대적으로 그 신뢰도가 떨어지고, 관리에 있어서 절대적 평가 보다는 상대적인 평가가 중요하다. 결국, 각 분석모형을 통하여 얻어지는 결과 값만으로는 하천관리를 위한 만족스러운 분석정보를 제공해 줄 수 없으며, 관리적 측면에 따라 고려해야 할 조건도 달라진다. 즉, 관리측면에 따라 추가적으로 고려해야 할 요소가 하천시설물, 친수시설물, 유지관리이력, 시설물운영 등 다양한 요소가 별도의 방법에 의해 평가되게 된다. 따라서 분석모형의 결과와 함께 분석 목적에 따른 요소를 고려하여 결과를 진단하고 평가할 수 있는 유연성 있는 도구가 필요하다.

본 발명과 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1094221호는 확률강우량 산정에 필요한 실시간 강우관측자료와 가능 최대강수량(PMP) 산정에 필요한 전국 PMP도를 보유하는 강우자료 데이터베이스, 상기 강우자료 데이터베이스에서 독출한 상기 전국 PMP도를 이용하여 PMP산정을 자동으로 수행하는 PMP 산정 자동화부, 상기 강우자료 데이터베이스에서 독출한 상기 실시간 강우관측자료를 이용하여 확률강우량 산정을 자동으로 수행하는 확률강우량 산정 자동화부, 상기 PMP 산정 자동화부 및 상기 확률강우량 산정 자동화부의 결과를 취합하여 홍수 분석을 자동으로 수행하는 홍수 분석 자동화부, 상기 홍수 분석 자동화부의 결과를 이용하여 수리 분석을 자동으로 수행하는 수리 분석 자동화부를 포함하는 수문 및 수리분석 통합시스템을 제공함으로써, 수리수문분석의 일련의 과정을 통합화하고, 홍수량 산정의 수문분석과 홍수위 산정의 수리분석 과정에 대한 자동화 시스템을 개발하고 이들을 서로 통합시스템화하여 입출력 자료의 상호 효율적 제공 및 분석결과의 비교와 검토가 용이하도록 한 것이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1094221호(2011.12.15., 공고, 발명의 명칭: 수문 및 수리분석 통합시스템)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 수문모형과 수리모형의 결과를 통합하고, 통합된 결과를 기반으로 결과 진단을 수행하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 다양한 목적에 따른 진단알고리즘을 적용하여 분석결과를 기반으로 하는 진단결과를 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 전문가단말기가 웹에 접속되어 입력인터페이스를 통해 적용할 모형이 선택되면, 웹(GIS)서버는 선택된 모형과 관련된 파일형태의 입력데이터, 출력데이터 및 진단데이터(진단알고리즘 및 추가데이터)를 미들웨어서버로 전송하는 단계; (b) 상기 미들웨어서버의 데이터추출모듈은 입력인터페이스로부터 수신된 입력데이터와 출력데이터를 통합 DB서버의 표준모형DB에 적합한 데이터로 추출하고 표준화하는 단계; (c) 상기 미들웨어서버의 진단모듈은 입력인터페이스로부터 수신된 진단데이터와 통합 DB서버의 표준모형DB에 저장된 표준화된 데이터를 사용하여 진단알고리즘의 수행 후 그 결과를 진단결과DB에 적층 저장하는 단계; (d) 상기 미들웨어서버의 공간자료생성모듈은 통합 DB서버의 표준모형DB에 구축된 표준화된 데이터와 진단결과DB에 저장된 진단결과데이터를 사용하여 GIS공간데이터를 생성한 후 GIS공간DB에 저장하는 단계; (e) 웹(GIS)서버는 상기 통합 DB서버의 표준모형DB, 진단결과DB 및 GIS공간DB를 사용하여 통합 분석결과를 가시화하여 표출하는 단계를 포함하여 이루어진, 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법을 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 (a) 단계에서, 전문가단말기에 의하여 선택되는 모형은 수문모형(C-SEM) 및 수리모형(HEC-RAS, CCHE2D, NAYS2D, TELEMAC2D, RIVER2D, HDM2D, RIDOM) 중 어느 하나이고, 진단데이터는 진단알고리즘과 추가 데이터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 수문모형의 입력데이터는 지형자료로 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM), 유수방향(Flow Direction), 유역면적의 산출(Flow Accumulation), 토지피복도, 티센망도(강우분포), 매개변수와, 수문자료(시간 강우데이터)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력) 중에서 어느 하나 이상을 포함하고, 수리모형은 1차원 수리모형과 2차원 수리모형을 포함하며, 1차원 수리모형 입력데이터는 지형자료로 하천, 구간, 단면, 합류점, 매개변수, 지형자료, 마찰경사도와, 수문자료(수면형, 지점유량, 지점수위, 수위유량곡선, 조도계수, 손실계수)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력) 등을 포함하고, 2차원 수리모형 입력데이터는 지형자료로 하천, 구간, 단면, 합류점, 매개변수, 지형자료, 마찰경사도, 지형격자와, 수문자료(수면형, 지점유량, 지점수위, 수위유량곡선, 조도계수, 손실계수)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력, 유사이송공식, 입도분포)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 수문모형의 출력데이터는 유역침식맵, 유역퇴적맵, 유역지형변동 맵 및 시간유출유량, 시간유출 유사량 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 수리모형의 출력 데이터는 유출유량, 수위, 수심, 유속, 지반고, 침식깊이, 퇴적깊이, 하상변화량 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 (c) 단계에서, 진단알고리즘은 표준모형DB와 연관된 수식의 형태이거나 범위계산 및 통계 또는 실행파일의 형태로 등록되고, 표준모형DB의 데이터와 알고리즘과의 관계를 정의하고 입력된 진단알고리즘을 코드화 하여 정의된 연산 순서에 따라 순차적으로 수행될 수 있다.

또한, 본 발명은, 전문가단말기가 웹에 접속하여 수문모형과 수리모형 각각의 입력데이터, 출력데이터 및 진단데이터를 포함하는 모형데이터를 입력하는 입력인터페이스와, 하천관리자단말기가 웹에 접속하여 가시화 결과를 수신하는 웹서비스를 포함하는 웹(GIS)서버; 상기 입력인터페이스에서 입력된 모형데이터를 분석(Parsing)하여 표준모형DB에 저장하는 데이터추출모듈과, 상기 입력인터페이스에서 입력된 진단데이터와 표준모형DB를 사용하여 진단알고리즘을 수행하고 그 결과인 진단결과데이터를 진단결과DB에 저장하는 진단모듈과, 상기 표준모형DB와 진단결과DB에 저장된 데이터를 GIS공간데이터로 생성하는 공간자료생성모듈을 포함하는 미들웨어서버; 8가지 분석모형의 데이터를 표준화된 구조로 관리하고 각각의 모형이 포함하는 이질적인 데이터를 재정의하여 동일한 형태로 저장하는 표준모형DB와, 진단알고리즘의 수행을 통해 연산된 진단결과데이터를 저장하는 진단결과DB와, 상기 공간자료생성모듈에서 생성된 공간데이터와 속성데이터를 저장하는 GIS공간DB를 포함하는 통합 DB서버;를 포함하여 이루어진, 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템을 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 표준모형DB에 저장되는 속성데이터는 Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation, Velocity, WaterSurface를 포함하고, 상기 진단결과DB에 저장되는 속성데이터는 Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation_Change, Velocity_Change, WaterSurface_Change, Evolution를 포함하며, 상기 GIS공간DB에 저장되는 공간데이터는 벡터데이터로 River_Line, Cross_line의 선 데이터와, Mesh_Nays2d, Mesh_Telemac2d, Mesh_Hdm2d, Mesh_Cche2D, Mesh_River2d의 폴리곤데이터를 포함하고, 레스터데이터로 각 모형별/시나리오별 Riskmap, Elevation, Ebolution, Velocity, Depth을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 수문모형 및 수리모형의 결과로 표준화된 DB를 구축함으로써 분석결과의 호환성을 확보하고, 표준화된 데이터를 기반으로 추가적인 사용자 알고리즘을 적용하여 목적에 맞는 진단 및 평가 결과를 도출할 수 있고, 더욱이 하천시설의 피해액 산정 또는 관리 우선순위 선정 등 모의분석결과 이외의 추가적인 판단요소가 필요한 하천관리의 측면에서 보다 효율적인 방법으로 목적에 맞는 진단결과를 확인할 수 있고, 다양한 조건의 적용을 통한 분석결과의 활용도를 고양할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템에서 진단모듈에 입력된 진단알고리즘의 연산수행을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템에서 통합 DB서버의 각 DB에 저장되는 데이터를 예시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법에 의하여 하천유역 침식 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수문모형(C-SEM)의 가시화된 진단결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법에 의하여 구간별 저수로 침식/퇴적 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수리모형(NAYS2D)의 가시화된 진단결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법에 의하여 홍수터 범람 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수리모형(HDM2D)의 가시화된 진단결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템에 관한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

수문모형 및 수리모형의 결과를 확인하기 위해서는 각 모형을 PC에 설치하고, 모형에서 필요로 하는 기본 자료를 구축한 후 모의수행을 통해 그 결과를 확인할 수 있다. 각 모형별로 제공해주는 정보가 다르기 때문에 확인하고자 하는 분석 솔루션(모형)에 대한 전문적인 이해를 바탕으로 결과를 이해할 수 있으므로 다양한 측면에서 분석을 필요로 하는 하천관리자 또는 의사결정자의 입장에서 이러한 과정은 상당히 어렵고 번거로운 일이다.

따라서 본 발명에서는 다양한 수문모형 및 수리모형을 통합하여 표준형태의 데이터베이스로 관리함으로써 다양한 솔루션에 대한 이해도를 필요로 하지 않는다. 또한, 동일한 플랫폼으로 다양한 분석모델의 결과를 GIS 시스템 위에 공간정보를 기반으로 통합 표출함으로써 복합적인 분석결과를 보다 쉽고 명확하게 제시한다.

도 1에서, 본 발명에서 제시하는 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템(100)은 다양한 모델의 수행과 통합 분석을 위하여 각각의 솔루션 설치 등의 불편함을 해소할 수 있도록 입력인터페이스와 미들웨어서버를 바탕으로 다양한 모형자료를 자동으로 표준화하여 통합 분석결과를 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템(100)은 입력인터페이스(131), 미들웨어서버(110), 통합 DB서버(120), 웹(GIS)서버(130)로 구성된다.

도 1의 수문-수리모형 분석결과의 진단 시스템(100)에서, 웹(Web) 기반의 입력인터페이스(131)는 인터넷 익스플로러(Explorer), 크롬(Crom) 등의 일반적인 웹 브라우저를 사용하여 수행한다. 전문가단말기(140)의 사용자는 사용자 인증을 통해 데이터 접근 권한을 획득하여 시스템에 적용할 분석자료를 관리할 수 있다. 이때, 사용자 ID와 PASSWORD를 입력하여 로그인 후 시스템에 적용할 분석모형을 선택한다. 선택 모형은 수문모형(C-SEM) 및 수리모형(HEC-RAS, CCHE2D, NAYS2D, TELEMAC2D, RIVER2D, HDM2D, RIDOM) 중에서 어느 하나를 선택할 수 있다. 모형을 선택한 후 해당하는 모형의 입력데이터와 출력데이터를 선택하는 것으로 데이터를 업 로드한다. 상기 수문모형과 수리모형들을 이하에서는 8가지 분석모형이라 하고, 8가지 분석모형 모두를 각각 선택하고 해당하는 모형의 입력데이터와 출력데이터를 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 입력인터페이스(131)에서는 입력데이터와 출력데이터와 함께 진단을 위한 알고리즘 및 추가 데이터(이하 진단데이터라 함)를 입력 및 전송할 수 있다. 진단알고리즘은 진단을 위한 알고리즘을 진단모듈에 등록하여 함께 입력된 표준모형DB의 데이터를 사용하여 진단모듈에서 수행한다. 진단알고리즘의 수행에 분석데이터 이외에 별도의 데이터가 필요할 경우 해당하는 데이터를 추가로 업 로드할 수 있다.

여기서, 수문모형의 입력데이터는 지형자료로 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM), 유수방향(Flow Direction), 유역면적의 산출(Flow Accumulation), 토지피복도, 티센망도(강우분포), 매개변수와, 수문자료(시간 강우데이터)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력) 중에서 어느 하나 이상을 포함하고, 수리모형은 1차원 수리모형과 2차원 수리모형을 포함하며, 1차원 수리모형 입력데이터는 지형자료로 하천, 구간, 단면, 합류점, 매개변수, 지형자료, 마찰경사도와, 수문자료(수면형, 지점유량, 지점수위, 수위유량곡선, 조도계수, 손실계수)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력) 등을 포함하고, 2차원 수리모형 입력데이터는 지형자료로 하천, 구간, 단면, 합류점, 매개변수, 지형자료, 마찰경사도, 지형격자와, 수문자료(수면형, 지점유량, 지점수위, 수위유량곡선, 조도계수, 손실계수)와, 모의설정자료(모의기간, 계산간격, 결과출력, 유사이송공식, 입도분포) 등을 포함한다.

상기 수문모형의 출력데이터는 유역침식맵, 유역퇴적맵, 유역지형변동 맵, 시간유출유량, 시간유출 유사량 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 수리모형의 출력데이터는 유출유량, 수위, 수심, 유속, 지반고, 침식깊이, 퇴적깊이, 하상변화량 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

도 2에서, 진단모듈(112)에 입력된 진단알고리즘은 단순하게는 표준모형DB(121)와 연관된 수식의 형태이거나, 범위계산 및 통계 또는 실행파일의 형태로 등록할 수 있다. 진단알고리즘은 표준모형DB(121)에 저장된 데이터와 알고리즘과의 관계를 정의하되 표준모형DB(121)를 일부 사용하고 입력된 진단알고리즘을 코드화하여 정의된 연산 순서에 따라 순차적으로 수행된다.

예를 들어, C-SEM의 진단알고리즘의 경우, 표준모형DB(121)에서 C-SEM 모의과정에 사용된 수문입력파일과 지형입력파일, 출력결과파일의 데이터와 추가적으로 입력된 토양심도 및 토지이용도 데이터(추가데이터)와의 연산관계를 정의한다. 모의분석결과파일(표준모형DB의 데이터)의 각 픽셀은 토양심도 및 토지이용도와 1대1로 매칭되며, 토양심도와 토지이용도에 따라 정의된 등급기준에 따른 산정식을 연산코드에 입력하고, 좌상단 픽셀부터 우하단 픽셀까지 순차연산을 정의한다. 진단모듈(112)은 상기 정의된 방법과 절차를 기준으로 진단알고리즘을 수행하여 진단결과를 계산한다.

상기 각 8가지 모형별 기능적 특징은 다음과 같다.

가. C-SEM(2차원 수문모형)

■ 모형개요

분포형 강우-유사-수문모형으로 유역에서의 강우에 따른 유출과 강우 및 유출에 의한 유사의 거동을 모의한다. 수치표고모델(DEM)로부터 얻어진 정보를 이용하여 각각의 그리드 셀에서 강우에 따른 유출을 계산하고, 경사 그리드 셀을 통해 유사의 침식과 퇴적을 계산하여 하천 그리드 셀에 이송한다. 각각의 셀에서 흐름의 이송능력(TC)을 통해 그 셀에서 침식과 퇴적을 물리적으로 계산한다. 이송능력(TC)는 단위 소류력(Unit Stream Power) 이론을 기반으로 구하며, 수치표고모델(DEM)로부터 유도된 유수방향(Flow Direction)에서 경사 셀에 따라 발생한 유사는 하천 그리드 셀로 이송되고, 유사량이 계산된다. 수문모형(C-SEM)은 별도의 그래픽사용자인터페이스(GUI)가 제공되지 않고 분포형 모의 시스템으로 지리정보시스템(GIS) 자료의 전처리가 필요하다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM), 유수방향(Flow Direction), 유역면적의 산출(Flow Accumulation), 토지피복도, 티센망도(강우분포), 매개변수

b. 수문자료: 시간 강우데이터

c. 모의설정자료: 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 유역침식 맵, 유역퇴적 맵, 지형변화 맵

b. 수문자료: 시간 유출유량, 시간 유출 유사량

나. NAYS2D(2차원 수리모형)

■ 모형개요

Nays2DH 모형은 홋카이도 대학교의 시미즈 교수에 의해 개발되었으며 iRIC 모형에 탑재되어 있다. 상기 모형은 직교좌표계를 변환하여 형상이 복잡한 하천에 적합하도록 경계적합좌표계(boundary fitted coordinates)를 사용한다. 수리구조물을 포함한 2차원 흐름특성을 계산하고, 하안침식과 식생의 영향을 고려한 하도의 지형변화와 유사의 분급현상을 모의할 수 있다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 메시격자, 지반고

b. 수문자료: 지점유량, 지점수위, 하상입도

c. 모의설정자료: 유사이송공식, 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

다. HDM2D(2차원 수리모형)

■ 모형개요

SU/PG기법을 이용한 2차원 수치모델로 수심평균흐름방정식을 지배방정식으로 하며, 이를 수치화하여 상향 가중함수의 처리방법 등을 통해 계산한다. 난류해석 및 경계해석에 대한 SU/PG 유한요소모델의 확장, 자연하천지형을 반영한 유한요소망의 범용화 기법을 적용한다. HDM-2D는 전산수리학 분야의 난제로 남아있던 상류, 사류의 천이류 및 급변 부정류, 마름/젖음 현상 등 복잡한 수리현상에 대한 정교한 해석이 가능하다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 메시격자, 지반고

b. 수문자료: 지점유량, 지점수위, 하상입도

c. 모의설정자료: 유사이송공식, 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

라. TELEMAC2D(2차원 수리모형)

■ 모형개요

2D 유체 역학모듈로서 TELEMAC-2D는 Saint Venant 방정식으로 얕은 수식을 해결한다. TELEMAC-2D는 유한요소 또는 유한볼륨방법과 삼각형 요소의 계산 메시(Mesh)를 사용하여 Saint-Venant 방정식을 해결한다. 이는 일시적이고 영구적인 조건에서 시뮬레이션을 수행 할 수 있다.

또한, TELEMAC-2D는 많은 응용분야에서 사용된다. 특히, 해상 분야에서 항구 구조설계, 잠수정 방파제 또는 준설작업의 효과에 대한 연구, 해상유출로 인한 배출의 영향, 열관리의 연구에서 사용된다. 강과 관련된 다양한 종류의 건축물(교량, 창턱, 그루 인), 댐 파괴, 홍수 연구, 소산 또는 비 소산 추적자의 운송에 대한 영향에도 사용된다. TELEMAC-2D는 산업용 저수지 고장, 저수지로 떨어지는 눈사태 등과 같은 다양한 특수 용도에도 사용할 수 있다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 메시격자, 지반고

b. 수문자료: 지점유량, 지점수위, 하상입도

c. 모의설정자료: 유사이송공식, 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

마. CCHE2D(2차원 수리모형)

■ 모형개요

2차원 수치모형인 CCHE2D 모형은 하천의 흐름특성과 하상변동을 파악하기 위해 Mississippi 대학의 NCCHE(National Center for Computational Hydroscience and Engineering)에서 개발한 모형이다. CCHE2D 모형은 모의구간에 대한 지형을 구축하는 CCHE2D MESH Generator 프로그램과 구축한 지형과 계산에 필요한 입력조건을 이용하여 계산 및 결과를 보여주는 CCHE_GUI 프로그램으로 구성되어 있다. CCHE2D 모형의 가장 큰 특징으로는 하상토 입도분포를 입력하여 모의가 가능하며 총유사, 소류사 그리고 부유사 각각의 이송형태에 대해서 모의가 가능하다는 점이다. 또한, 총유사 모의시 Wu et al.(2000)의 유사량 공식을 적용하며 소류사나 부유사 모의 때에는 Ackers and White(1973), Engelund and Hansen(1967), Wu et al.(2000), SEDTRA Module(Garbrecht et al. 1995) 등 다양한 유사량 공식을 다르게 적용하여 모의할 수 있다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 메시격자, 지반고

b. 수문자료: 지점유량, 지점수위, 하상입도

c. 모의설정자료: 유사이송공식, 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

바. RIVER2D(2차원 수리모형)

■ 모형개요

River2D는 수심 평균한 유한요소모형을 사용한 2차원 수리 서식모형으로 질량보존의 개념과 x, y축의 운동량보존의 개념을 사용하여 미시적 규모의 서식처에서 공간적으로 섬세한 수리적 분석을 할 수 있는 모형이다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 메시격자, 지반고

b. 수문자료: 지점유량, 지점수위, 하상입도

c. 모의설정자료: 유사이송공식, 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

사. HECRAS(1차원 수리모형)

■ 모형개요

HEC-RAS(River Analysis System) 모형은 미육군공병단이 개발한 하천 해석모형으로 수면 곡선을 분석하는 HEC-2 모형의 확장된 시스템이다. HEC-2 모형이 자연하천이나 인공하천에서의 정상류의 점변류 수문곡선을 계산하기 위해 개발되었다면 HEC-RAS 모형은 정상류뿐만 아니라 부정류, 유사현상 해석 기능까지 포함하는 종합 하천 해석시스템으로 발전시킨 시스템이다.

■ 입력데이터

a. 지형자료: 하천, 구간, 단면, 합류점, 매개변수, 지형자료, 마찰경사도

b. 수문자료: 수면형, 지점유량, 지점수위, 수위유량곡선, 조도계수, 손실계수

c. 모의설정자료: 모의기간, 계산간격, 결과출력

■ 출력데이터

a. 지형자료: 변화지반고 등

b. 수문자료: 수위, 수심, 유속, 수면높이 등

아. RIDOM(1차원 수리모델)

■ 모형개요

하천준설은 경제적인 측면에서는 높은 사업비가 요구되며, 사업기간 중에는 사회, 환경적인 측면에서 부정적인 영향이 크다. 따라서 계획단계에서부터 이러한 요소들을 고려할 필요가 있으며, 전 기간을 고려한 계획수립이 이루어져야 한다. 또한, 이해당사자들 사이의 가치척도에 따라 대립이 이루어질 수 있기 때문에 경제적, 사회적, 환경적 가치척도를 고려하여야 한다. 상기 대부분의 내용을 고려할 수 있는 방안을 제시하고자 MCDA(Multi-Criteria Decision Analysis)를 기반으로 한 하천준설 최적 계획 수립 모형이다. MCDA 기법은 투명한 의사결정과정에 대한 증빙자료로 활용될 수 있기 때문에 수자원계획과 관리 분야에서 효율적인 기법으로 평가되고 있다. RIDOM은 최종적으로 각 준설장소에 대한 준설장비, 탈수장비, 처리장 등에 관한 사항을 최적화한 대안으로 제시하고, 이를 위해서 경제적, 사회, 환경적인영향을 고려한 것이다.

■ 입력데이터

a. 준설장소자료: 준설량, 고체농도순위, 준설기간, 탁도기준

b. 준설장비자료: 준설효율, 고체농도순위, 단위 준설비용, 유발탁도, 설치비용

c. 준설토 처리장 자료: 수용가능량, 단위 처리비용, 목표탈수율

d. 탈수장비 자료 : 탈수율, 단위 처리비용, 설치비용

e. 기타자료: 준설지점과 준설토 처리장 사이의 거리, 준설지점과 준설토 처리장 사이의 행정구역 인구수

■ 출력데이터

a. 최적준설방법: 준설량 및 준설처리장

b. 최적준설비용: 사회적 준설비용, 경제적 준설비용, 환경적 준설비용

도 3에서, 미들웨어서버(110)는 전문가단말기(140)로부터 입력인터페이스(131)를 통해 입력된 분석모형의 입력데이터와 출력데이터를 분석(Parsing)하여 표준모형DB(121)에 저장하는 데이터추출모듈(111)과, 전문가단말기(140)로부터 입력인터페이스(131)를 통해 입력된 진단알고리즘을 적용하여 도출된 진단결과데이터를 진단결과DB(122)에 전송하는 진단모듈(112), 그리고 표준모형DB(121)와 진단결과DB(122)에 저장된 데이터를 GIS공간데이터로 생성하는 공간자료생성모듈(113)을 포함한다.

더욱이 데이터추출모듈(111)은 본 발명에서 적용된 8가지 분석모델의 입력데이터와 출력데이터의 특성을 분석하여 각 모형의 입력데이터와 출력데이터로부터 표준모형DB(121)에 적합한 표준화된 특정 데이터를 추출할 수 있도록 설정되어 있다. 즉, 미리 정의된 표준모형DB(121)의 구조에 따라 데이터를 추출하여 표준모형DB(121)에 저장한다. 다시 말해, 표준모형DB(121)가 이미 표준화되어 있어 각 모형의 입력데이터와 출력데이터 모두를 추출하여 삽입하게 된다. 여기서 표준화는 파일형태, 파일구조, 데이터의 단위, 데이터 배열순서 등을 표준화하는 것이다.

또한, 각 모형의 입력데이터와 출력데이터는 모형별로 각각 ASCII 형태의 파일(TXT, EXCEL, DAT, DEM, ASC 등)과 BINARY 형태의 파일(SLF, OUT 등)을 포함한다. 추출된 데이터는 통합 DB서버(120)로 전송되어 표준화된 구조의 데이터형태로 저장된다.

진단모듈(112)은 입력인터페이스(131)로부터 입력받은 진단알고리즘을 시스템에 적용하여 표준모형DB(121)에 기반한 반복적인 연산을 거쳐 진단결과를 계산하고, 그 결과를 진단결과DB(122)에 전송한다. 여기서, 입력받은 진단알고리즘의 형태에 따라 그 진단알고리즘의 수행방식이 결정되며, 입력된 진단알고리즘과 연결되는 데이터의 관계 정의를 통해 순차적인 연산을 수행하게 된다. 즉, 진단모듈(112)은 진단알고리즘과 진단알고리즘에 필요한 추가데이터를 입력받고 표준모형DB를 활용하여 데이터를 의미있는 값으로 보정하게 되는 것이다.

공간자료생성모듈(113)은 상기 저장된 표준모형DB(121)와 진단결과DB(122)의 정보를 사용하여 GIS공간DB(123)를 생성한다. GIS공간DB는 크게 공간데이터와 속성데이터로 구분되며, 공간데이터는 벡터와 래스터로 구분된다. 단, 수문모형의 경우에는 벡터데이터는 존재하지 않는다.

수리모형의 공간데이터의 경우, 예를 들어 시스템에서 벡터데이터로 구축되는 정보는 하천지형으로서, 1차원 수리모형인 경우에는 하천형의 측점좌표(표준모형DB)를 기준으로 하천라인 공간데이터(벡터)를 생성하고, 각 하천라인의 기본 속성값으로 초기 하천단면좌표(속성데이터)를 구축한다. 각 하천라인은 추가 속성데이터로 변화된 하천단면좌표를 구축한다. 또, 2차원 수리모형의 경우에는 지형격자의 좌표정보를 기준으로 점 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하고, Voronoi 다이어그램 알고리즘을 적용하여 폴리곤 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하고, 각 폴리곤의 기본 속성 값으로 초기 지반고 데이터(속성데이터)를 구축한다. 각 폴리곤은 추가 속성데이터로 하천입력데이터, 분석결과데이터 및 진단결과데이터를 갖는다.

또한, 래스터데이터로 구축되는 정보는 수문모형의 경우에는 분석모형의 입력데이터(표준모형DB)인 토지피복도, 토양도 등은 그대로 래스터데이터로 구축되고, 수문모형의 결과 파일, 즉 출력데이터는 파일의 헤더를 표준 GIS 래스터 포맷으로 변경하여 구축한다. 2차원 수리모형의 경우에는 모의 입력 및 출력(표준모형DB), 진단결과(진단결과DB)별 속성이 부여된 벡터데이터를 사용하여 각 데이터의 격자정보로 점 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하고, 삼각형 분할보간 방법을 사용하여 래스터데이터를 구축한다.

또한, 상기 생성된 벡터데이터와 래스터데이터는 GIS기반의 시스템으로 구축되어 각각 부여된 관계에 따라 동시에 표출되고, 선택지점에 대한 표준모형DB(121)와 진단결과DB(122)중 어느 하나의 선택에 의하여 표와 그래프로 함께 제공한다.

더욱이 의사결정자로서 하천관리자가 보유한 하천관리자단말기(141)는 웹에 접속하여 선택한 수문모형(C-SEM) 및 수리모형(HEC-RAS, CCHE2D, NAYS2D, TELEMAC2D, RIVER2D, HDM2D, RIDOM) 중에서 어느 하나의 진단결과를 웹서비스(132)로 확인할 수 있다. 따라서, 하천관리자는 각 모형을 별도로 설치할 필요가 없는 것이다.

예컨대, 하천관리자단말기(141)는 웹서비스(132)로 도 5에서, 하천유역 침식 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수문모형(C-SEM)의 가시화된 진단결과를 서비스 받을 수 있고, 도 6에서, 구간별 저수로 침식/퇴적 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수리모형(NAYS2D)의 가시화된 진단결과를 서비스 받을 수 있으며, 도 7에서, 홍수터 범람 위험도에 대한 진단알고리즘을 수행한 수리모형(HDM2D)의 가시화된 진단결과를 서비스 받을 수 있다. 여기서 웹서비스(132)는 표준모형DB(121)와 진단결과DB(122) 및 GIS공간DB(123) 모두를 제공하게 된다. 또한, 상기 도 5 내지 도 7 은 표준모형DB(121)는 활용하지 않고 진단결과DB(122)를 활용했을 때의 가시화된 화면이다.

도 4에서, 통합 DB서버(120)에는 표준모형DB(121), 진단결과DB(122) 및 GIS공간DB(123)를 포함한다. 표준모형DB(121)는 본 발명에서 8가지 분석모형의 데이터를 표준화된 구조로 관리하기 위한 저장소로서, 각각의 모형이 포함한 이질적인 데이터를 재정의하여 동일한 형태로 저장하며, Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation, Velocity, WaterSurface 등의 Attribute를 포함한다.

진단결과DB(122)는 진단알고리즘의 수행을 통해 연산된 데이터를 저장하며, Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation_Change, Velocity_Change, WaterSurface_Change, Evolution 등의 Attribute를 포함한다. 또한, GIS공간DB(123)는 공간자료생성모듈(113)에서 생성된 공간데이터와 속성데이터를 포함하며, 공간데이터는 벡터데이터로 River_Line, Cross_line의 선 데이터와, Mesh_Nays2d, Mesh_Telemac2d, Mesh_Hdm2d, Mesh_Cche2D, Mesh_River2d의 폴리곤데이터를 포함하며, 레스터데이터로 각 모형별/시나리오별 Riskmap, Elevation, Ebolution, Velocity, Depth 등을 포함한다. 더욱이 GIS공간DB(123)의 공간데이터로 벡터데이터와 래스터데이터는 각각 속성데이터의 Elevation, Ebolution, Velocity, Depth와 쌍으로 존재한다.

따라서, 본 발명은 수문모형과 수리모형의 분석결과를 기반으로 추가적인 알고리즘을 적용하여 결과를 진단하기 위한 시스템에 관한 것으로, 모형의 결과 이외에 추가적인 요소를 고려한 진단결과를 도출할 수 있고, 하천의 상태를 판단하기 위해서는 수문모형과 수리모형의 분석결과 이외에도 분석 목적에 따른 다양한 주변 인자를 함께 고려하여 판단하는 것이 보다 정확하고 합리적이다. 또한, 하천현황의 분석을 위해 모의분석결과 및 추가적인 요소를 별도로 검토해야 하는 불편함을 개선하고 주변 인자를 함께 고려한 분석결과를 도출함으로써 보다 신속한 판단이 가능하다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 진단 시스템 110: 미들웨어서버 111: 데이터추출모듈 112: 진단모듈 113: 공간자료생성모듈 120: 통합 DB서버 121: 표준모형DB 122: 진단결과DB 123: GIS공간DB 130: 웹(GIS)서버 131: 입력인터페이스 132: 웹서비스 140: 전문가단말기 141: 하천관리자단말기

Claims (7)

1. (a) 전문가단말기가 웹에 접속되어 입력인터페이스를 통해 적용할 모형이 선택되면, 웹(GIS)서버는 선택된 모형과 관련된 파일형태의 입력데이터, 출력데이터 및 진단데이터(진단알고리즘 및 추가데이터)를 미들웨어서버로 전송하는 단계;
   (b) 상기 미들웨어서버의 데이터추출모듈은 입력인터페이스로부터 수신된 입력데이터와 출력데이터를 통합 DB서버의 표준모형DB에 적합한 데이터로 추출하고 표준화하는 단계;
   (c) 상기 미들웨어서버의 진단모듈은 입력인터페이스로부터 수신된 진단데이터와 통합 DB서버의 표준모형DB에 저장된 표준화된 데이터를 사용하여 진단알고리즘의 수행 후 그 결과를 진단결과DB에 적층 저장하는 단계;
   (d) 상기 미들웨어서버의 공간자료생성모듈은 통합 DB서버의 표준모형DB에 구축된 표준화된 데이터와 진단결과DB에 저장된 진단결과데이터를 사용하여 GIS공간데이터를 생성한 후 GIS공간DB에 저장하는 단계;
   (e) 웹(GIS)서버는 상기 통합 DB서버의 표준모형DB, 진단결과DB 및 GIS공간DB를 사용하여 통합 분석결과를 가시화하여 표출하는 단계를 포함하여 이루어지되,
   상기 (a) 단계에서 전문가단말기에 의하여 선택되는 모형은 수문모형(C-SEM) 및 수리모형(HEC-RAS, CCHE2D, NAYS2D, TELEMAC2D, RIVER2D, HDM2D, RIDOM) 모두를 각각 선택하고, 진단데이터는 진단알고리즘과 진단알고리즘의 수행에 분석데이터 이외에 별도의 데이터가 필요할 경우 해당하는 추가 데이터를 포함하며,
   상기 (b) 단계의 표준화는 파일형태, 파일구조, 데이터의 단위, 데이터 배열순서를 표준화하는 것이고, 각 모형의 입력데이터와 출력데이터는 모형별로 각각 ASCII 형태의 파일(TXT, EXCEL, DAT, DEM, ASC)과 BINARY 형태의 파일(SLF, OUT)을 포함하며,
   상기 (c) 단계의 진단알고리즘은 표준모형DB와 연관된 수식의 형태이거나 범위계산 및 통계 또는 실행파일의 형태로 등록되고, 표준모형DB의 데이터와 알고리즘과의 관계를 정의하고 입력된 진단알고리즘을 코드화하여 정의된 연산 순서에 따라 순차적으로 수행되어, 진단데이터를 통해 표준모형DB를 활용하여 데이터를 보정하게 되며, C-SEM의 진단알고리즘의 경우, 표준모형DB에서 C-SEM 모의과정에 사용된 수문입력파일과 지형입력파일, 출력결과파일의 데이터와 추가적으로 입력된 토양심도 및 토지이용도 데이터(추가데이터)와의 연산관계를 정의하고, 모의분석결과파일(표준모형DB의 데이터)의 각 픽셀은 토양심도 및 토지이용도와 1대1로 매칭되며, 토양심도와 토지이용도에 따라 정의된 등급기준에 따른 산정식을 연산코드에 입력하고, 좌상단 픽셀부터 우하단 픽셀까지 순차연산을 정의하고,
   상기 (d) 단계에서 GIS공간DB인 공간데이터 중 벡터데이터인 하천지형은 1차원 수리모형인 경우에는 하천형의 측점좌표(표준모형DB)를 기준으로 하천라인 공간데이터(벡터)를 생성하고, 각 하천라인의 기본 속성값으로 초기 하천단면좌표(속성데이터)를 구축하며, 각 하천라인은 추가 속성데이터로 변화된 하천단면좌표를 구축하게 하고, 2차원 수리모형의 경우에는 지형격자의 좌표정보를 기준으로 점 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하고, Voronoi 다이어그램 알고리즘을 적용하여 폴리곤 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하며, 각 폴리곤의 기본 속성 값으로 초기 지반고 데이터(속성데이터)를 구축하고, 각 폴리곤은 추가 속성데이터로 하천입력데이터, 분석결과데이터 및 진단결과데이터를 갖게하며,
   GIS공간DB인 공간데이터 중 래스터데이터로 구축되는 정보는 수문모형의 경우에는 분석모형의 입력데이터(표준모형DB)인 토지피복도, 토양도는 그대로 래스터데이터로 구축되고, 수문모형의 출력데이터는 파일의 헤더를 표준 GIS 래스터 포맷으로 변경하여 구축하며, 2차원 수리모형의 경우에는 모의 입력 및 출력(표준모형DB), 진단결과(진단결과DB)별 속성이 부여된 벡터데이터를 사용하여 각 데이터의 격자정보로 점 형태의 공간데이터(벡터데이터)를 생성하고, 삼각형 분할보간 방법을 사용하여 래스터데이터를 구축하게 하며,
   상기 (e) 단계에서 표준모형DB와 진단결과DB중 어느 하나의 선택에 의하여 분석결과를 가시화할 수 있고, 하천관리자단말기는 웹에 접속하여 선택한 수문모형(C-SEM) 및 수리모형(HEC-RAS, CCHE2D, NAYS2D, TELEMAC2D, RIVER2D, HDM2D, RIDOM) 중에서 가시화된 어느 하나의 모의분석결과 또는 진단결과를 웹서비스로 확인할 수 있어 하천관리자는 각 모형을 별도로 설치할 필요가 없으며,
   상기 표준모형DB에 저장되는 속성데이터는 Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation, Velocity, WaterSurface를 포함하고, 상기 진단결과DB에 저장되는 속성데이터는 Model_Code, Data_Code, Data_ID, Coordinate, DataSet_Num, Elevation_Change, Velocity_Change, WaterSurface_Change, Evolution를 포함하며, 상기 GIS공간DB에 저장되는 공간데이터는 벡터데이터로 River_Line, Cross_line의 선 데이터와, Mesh_Nays2d, Mesh_Telemac2d, Mesh_Hdm2d, Mesh_Cche2D, Mesh_River2d의 폴리곤데이터를 포함하고, 레스터데이터로 각 모형별/시나리오별 Riskmap, Elevation, Evolution, Velocity, Depth을 포함하며, GIS공간DB의 공간데이터로 벡터데이터와 래스터데이터는 각각 속성데이터의 Elevation, Evolution, Velocity, Depth와 쌍으로 존재하는, 수문-수리모형 분석결과의 진단 방법.
   
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