KR101942058B1 - 전산유체역학과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법 - Google Patents

전산유체역학과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법 Download PDF

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KR101942058B1 KR1020170154957A KR20170154957A KR101942058B1 KR 101942058 B1 KR101942058 B1 KR 101942058B1 KR 1020170154957 A KR1020170154957 A KR 1020170154957A KR 20170154957 A KR20170154957 A KR 20170154957A KR 101942058 B1 KR101942058 B1 KR 101942058B1
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Abstract

본 발명은 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 항공레이저측량기법(LiDAR) 자료처리를 통해 구축된 공간정보(GIS)와 수치표고모델(DEM)로부터 해안 계측 정보 및 지형 정보를 취득하는 제1 단계, 상기 공간정보(GIS)에 상기 수치표고모델(DEM) 및 토지피복도를 중첩해 시간, 위치 및 지형특성에 따라 토질의 특성과 흡수 정도를 파악하는 제2 단계, 강우, 태풍 및 기후변화의 데이터를 적용하고, 바다와 접하지 않은 내륙의 관로 정보를 이용하여 상기 공간정보(GIS)상 맨홀의 위치 좌표를 통해 맨홀의 위치에서 내륙 침수심을 추가 적용하여 침수범위를 산정하는 제3 단계, 보정된 상기 수치표고모델(DEM) 및 상기 토지피복도를 SPH에 적용하여 위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, GPU 병렬 계산 처리를 통해 시뮬레이션 결과를 가시화하는 제4 단계 및 웹과 모바일을 통해 3D 시뮬레이션 영상을 제공하는 제5 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

전산유체역학과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법{Simulation method of sea level rise flooding using Computational Fluid Dynamics and ocean characteristics}
본 발명은 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 3차원 수치표고모델(DEM)에 해수면 레이어판을 상승시켜 침수를 예측하는 방법이 아닌 수치표고모델(DEM)에 전산유체역학(CFD)과 GPU 연산을 적용한 3차원 시뮬레이션을 제공하는 방법에 관한 것이다.
최근, 산업화 및 도시화로 인한 지구온난화 문제가 심각해지면서 기후변화가 가속화되고 있으며, 이로 인해 침수피해가 해마다 반복되어 많은 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 이처럼 매년 반복되는 침수 재해로부터 국민의 생명과 재산을 보호하고 재해의 효과적인 관리를 위해 사전예측을 위한 과학적인 분석시스템 구축이 필요하나 대부분 재해에는 많은 변수와 불확실성이 존재하기 때문에 현재의 정보체계에서는 한계가 있는 것이 사실이다.
또한, 기후변화와 해수면의 상승은 해안, 연안을 기반으로 하는 주민들과 마을 시설에 간헐적이고 영구적인 피해가 발생하며, 연안 지역의 항만, 간척지, 어항, 방재시설, 하수시설, 방파제 및 방조제가 제 기능을 하지 못하거나 안전 문제가 발생할 위기에 놓이게 된다. 사람들은 연안을 통해 바다의 다양한 자원을 얻어내기도 하며, 수산물을 얻고 해양의 광물자원을 채취하기도 하고 해운을 통한 물자의 이동 역시 모두 연안을 통해 이루어진다. 갯벌에서는 수산물을 채취하고 해변에서는 해수욕이나 해양레저와 같은 이용행위가 이루어진다. 우리나라만 해도 전국 국가산업단지의 78%가 연안에 위치한다. 국가 경제의 측면이나 다양한 이용의 측면에서도 중요한 공간이 연안이다.
특히, 기후변화의 가장 직접적인 변화인 해수면 상승은 연안 공간의 환경과 현재의 연안 이용방식에 큰 영향을 미칠 수밖에 없다. IPCC(2007) 보고서에서도 연안을 기후변화의 주요 현상인 해수면 상승에 가장 취약한 곳으로 지적하였다. 이미 1991년 보고서에서 21세기의 해수면 상승률을 연평균 0.6 까지 예측했고, 좀 더 정밀한 연구 결과를 참고한 IPCC의 제4차 평가보고서에서는 금세기 말까지 최대 58cm 에 이르는 해수면 상승을 예측했다.
미국의 NOAA는 해수면 상승에 대비하여 전 연안의 단계별 해수면 상승 지도를 서비스하고 있다. 우리나라도 해수면 상승에 의한 침수범위를 제공하는 한반도 해수면 상승 침수지도와 시스템의 개발이 절실한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0088674호(2011.09.01) 대한민국 등록특허공보 제10-0057845호(2016.05.11)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 침수로 인한 물질적 및 경제적 손실을 최소화할 수 있도록 하기 위하여, 바닷물의 침수 특성에 토지의 특성을 융합하여 해수면의 상승에 따른 침수 정도를 예측한 시뮬레이션을 제공한다.
또한, 해수면 상승은 해수의 범람으로 이어지기 때문에, 연안지역의 침수를 유발할 가능성이 높다. 해수면 상승에 영향을 미칠 수 있는 대조평균고조위시, 기후변화로 대형화된 태풍이 내습한다면 해수면의 높이는 상당히 증가되어 연안지역의 건설시설물에 대하여 큰 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 과학적인 예측을 통한 영향 분석을 하여 시뮬레이션을 제공함으로써 시설물의 효율적인 관리 및 개발이 가능하도록 한다.
또한, 해일이 해안에 가까이 다가오면 해안의 지형이나 수심 등에 의해 파형이 변형된다. 때로는 예상보다 더 높은 파가 되어 해안을 덮칠 수도 있고, 때로는 더 작아져 큰 피해가 나지 않을 수도 있다. 결국, 해수면의 상승에 따라 영향권역은 달라지고, 이는 연안의 특성에 따라 분석하여 침수 재난 및 위기상황에 대비하여 피해를 최소화할 수 있는 예방과 대응 전략, 법규 및 정책 개발을 할 수 있도록 하며, 이를 공공에 전파하고 교육하도록 한다.
또한, 상기 시뮬레이션을 단순한 수치가 아니라, 3차원 영상을 통하여 현실과 가장 유사하게 사실적으로 표현할 수 있는 시스템을 제공하는 것이 목적이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전산유체역학과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법은 강우, 항공레이저측량기법(LiDAR : Light Detection And Ranging) 자료처리를 통해 구축된 공간정보(GIS)와 수치표고모델(DEM)로부터 추출한 해안 계측정보 및 지형 정보를 서버에 저장하는 제1 단계와, 상기 공간정보(GIS)에 상기 수치표고모델(DEM) 및 국가공간정보 유통시스템에서 제공받은 토지피복도를 중첩시켜 시간, 위치, 지형특성에 따라 토질의 특성과 흡수 정도를 계산하고, 상기 토지피복도의 특성에 대하여 사전 가중치를 적용하는 제2 단계와, 강우 시에는 현재 하천의 강우 시 최고 높이를 해수면 상승치에 더하여 하천 주변 1km 이내 지역에 대하여 적용하고, 태풍내습 시에는 태풍내습 시의 외력에 대해 침수 지도위에 해일 및 범람예측이 동시에 가능한 컴퓨터 프로그램인 ADCIRC, FVCOM 및 Geo_Surge를 적용하고, 기후변화 시에는 해수면상승치(해수면 상승치 + 각 지역의 약 최고 고조위 - 평균해면 값)를 상기 수치표고모델(DEM)에 보정 적용을 하여, 침수범위를 산정하는 제3 단계와, 위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션을 가시화하는 제4 단계 및 웹과 모바일을 통해 3D 시뮬레이션 영상을 제공하는 제5 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 상기 수치표고모델은 저해상도이며, 저해상도의 수치표고모델은 베지어곡선(bezier curve)를 이용하여 해상도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 바다와 접하지 않은 내륙의 관로 정보를 이용하여 상기 공간정보(GIS)상 맨홀의 위치 좌표를 통해 맨홀의 위치에서 내륙침수심( 해수면상승치 - 맨홀의고도값 )을 추가적용 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 상기 제4 단계는, 보정된 상기 수치표고모델(DEM) 및 상기 토지피복도를 전산유체역학(CFD) 중 SPH를 적용하여 위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션 결과를 가시화하며, 상기 SPH는 (수학식 1) 로 표현된 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 지배방정식으로 하되, 우항의 요소들은 각각 압력(
Figure 112018040563539-pat00038
), 점성(
Figure 112018040563539-pat00039
), 외력(
Figure 112018040563539-pat00040
)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure 112018040563539-pat00041

본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 상기 제4 단계는 상기 SPH로부터 도출된 상기 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 SPH solver에서 GPU 병렬계산 처리를 통해 데이터베이스(Data Base)에 저장하고, 이를 렌더링(rendering)하여 실시간으로 가시화하는 것을 특징으로 한다.
삭제
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상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법은 특정 지역에 발생할 수 있는 침수 재해를 예측할 수 있어 사전에 물질적 및 경제적 손실을 최소화할 수 있도록 대비하고, 이를 단순한 수치가 아니라 3차원 영상을 통해 사실적으로 표현함으로써 더욱 용이하게 침수 상황을 파악하여, 침수 재해 발생 시에도 효과적인 구호, 대응 및 복구 작업이 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 활용하여 침수 취약 지역에 대해서 개발 행위를 제한하는 보전 목적의 용도지역이 지정될 수 있도록 토지이용 방향을 제시할 수 있으며, 기개발지에는 방재시설을 설치하여 자연재해로 인한 피해를 줄이는 방법을 적용할 수 있도록 한다.
또한, 보정된 수치표고모델(DEM) 및 토지피복도에 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 하는 입자법 방식의 SPH를 적용하며, SPH는 격자를 생성할 필요가 없기 때문에 격자가 꼬이는 위상 관계를 고려할 필요가 없어 복잡한 유체 유동 표현시, 활용성을 높여준다.
또한, 연산결과를 도출하기까지 시간이 오래 걸리는 기존의 격자법 대신 입자법 방식의 SPH를 이용함으로써 높은 정확도의 유체 시뮬레이션 결과를 신속하게 제공 받을 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 해당 업계 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
도 2는 항공레이저측량(LiDAR) 자료로부터 건물레이어를 중첩하여 구축한 수치표고모델(DEM)을 나타낸 도면이다.
도 3은 공간정보(GIS)에 수치표고모델(DEM)을 중첩한 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 SPH에 GPU 연산을 적용한 3D 시뮬레이션 가시화 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 5는 GPU와 CPU의 유체 시뮬레이션에 대한 성능평가 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 해수면 상승 예측 시뮬레이션을 3D 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 해수면 상승 예측 시뮬레이션을 3D 영상으로 나타낸 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예를 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하여지도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한, 복수형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수치표고모델(DEM)에 전산유체역학(CFD)중 하나인 SPH와 GPU 병렬 계산을 적용한 3차원 시뮬레이션 영상을 제공하는 방법에 관한 것이다. SPH에 의한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 GPU 병렬 계산 처리를 통해 사실적인 가시화가 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
도 1을 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법(S100)은 제1 단계(S110), 제2 단계(S120), 제3 단계(S130), 제4 단계(S140) 및 제5 단계(S150)를 포함한다.
제1 단계(S110)는 항공레이저측량기법(LiDAR : Light Detection And Ranging) 자료처리를 통해 구축된 공간정보(GIS)와 수치표고모델(DEM)로부터 추출한 해안 계측 정보 및 지형 정보를 취득한다. 상기 수치표고모델(DEM)은 저해상도이며, 저해상도의 수치표고모델(DEM)은 베지어곡선(bezier curve)을 이용하여 해상도를 증가시킨다.
제2 단계(S120)는 상기 공간정보(GIS)에 상기 수치표고모델(DEM) 및 국가공간정보 유통시스템에서 제공하는 토지피복도를 중첩해 시간, 위치 및 지형특성에 따라 토질의 특성과 흡수 정도를 파악하고, 상기 토지피복도의 특성에 대하여 사전 가중치를 적용한다.
제3 단계(S130)는 강우 시에는 현재 하천의 강우 시 최고 높이를 해수면 상승치에 더하여 하천 주변 1km 이내 지역에 대하여 적용하고, 태풍내습 시에는 태풍내습 시의 외력에 대해 침수 지도위에 해일 및 범람예측이 동시에 가능한 컴퓨터 프로그램인 ADCIRC, FVCOM 및 Geo_Surge를 적용하며, 기후변화 시에는 해수면상승치(해수면상승치 + 각 지역의 약 최고 고조위 - 평균해면 값)를 상기 수치표고모델(DEM)에 보정 적용한다.
이때, ADCIRC는 3D 컴퓨터 시뮬레이션, 해저와 해안지형, 풍속, 조류변화, 해양깊이 및 수온과 같은 여러 자료를 통합해 어느 지역에 해일이 발생할지 정확하게 차트로 나타내주는 것이 특징이다.
또한, 제3 단계(S130)에서, 바다와 접하지 않은 내륙의 관로 정보를 이용하여 상기 공간정보(GIS)상 맨홀의 위치 좌표를 통해 맨홀의 위치에서 내륙침수심(해수면 상승치 - 맨홀의 고도값)을 추가적용 한다.
제4 단계(S140)는 보정된 상기 수치표고모델(DEM) 및 상기 토지피복도를 전산유체역학(CFD) 중 SPH에 적용하여 위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션 결과를 가시화하며, 상기 SPH는 (수학식 1) 로 표현된 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 하되, 상기 (수학식 1) 에서 우항의 요소들은 각각 압력(
Figure 112017115398504-pat00005
), 점성(
Figure 112017115398504-pat00006
), 외력(
Figure 112017115398504-pat00007
)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017115398504-pat00008
구체적으로, 상기 (수학식 1)을 각 입자 i 에 작용하는 힘에 대해 정리하면 (수학식 2)로 표현할 수 있으며, 상기 (수학식 2)의 압력(
Figure 112017115398504-pat00009
)은 (수학식 3)으로 표현된다.
Figure 112017115398504-pat00010
Figure 112017115398504-pat00011
상기 (수학식 3)에서 (
Figure 112017115398504-pat00012
)는 밀도 함수,
Figure 112017115398504-pat00013
는 커널 함수,
Figure 112017115398504-pat00014
는 각 입자에 대한 유효 반경,
Figure 112017115398504-pat00015
은 입자간 간격이며, 커널 함수
Figure 112017115398504-pat00016
는 (수학식 4)로 표현되고, 밀도 함수(
Figure 112017115398504-pat00017
)는 (수학식 5)와 같이 표현된다.
Figure 112017115398504-pat00018
Figure 112017115398504-pat00019
상기 (수학식 5)에서,
Figure 112017115398504-pat00020
는 커널 함수로, (수학식 6)으로 표현되고, 상기 (수학식 2)의 점성(
Figure 112017115398504-pat00021
)은 (수학식 7)로 표현된다.
Figure 112017115398504-pat00022
Figure 112017115398504-pat00023
상기 (수학식 7)에서, 커널 함수
Figure 112017115398504-pat00024
는 (수학식 8)과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017115398504-pat00025
상기 (수학식 2)의 외력(
Figure 112017115398504-pat00026
)은 중력이나 충돌과 같은 경계조건 또는 사용자가 임의로 가한 힘 등을 나타내며 SPH를 사용하지 않고 입자에 직접 가해지는 말한다.
상기 SPH로부터 도출된 상기 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 SPH solver에서 GPU 병렬 계산 처리를 통해 데이터베이스(Data Base)에 저장하고, 이를 렌더링(rendering)하여 실시간으로 가시화하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 렌더링(rendering)은 2차원의 화상에 광원, 위치, 색상, 등 외부의 정보를 고려하여 사실감을 불어넣음으로써 3차원의 화상을 만드는 과정으로, 입자법인 SPH를 적용한 유체 유동표현을 사실적으로 가시화하기 위해 수행된다.
또한, SPH 방식은 격자를 생성할 필요가 없기 때문에 격자가 꼬이는 위상 관계를 고려할 필요가 없어 복잡한 유체 유동 표현에 유리한 장점이 있으며, 격자법보다 계산비용이 적고 병렬성이 높아 실시간 시뮬레이션을 수행하는 데 적합하다.
제5 단계(S150)는 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션을 웹과 모바일을 통해 사용자에게 3D 시뮬레이션 영상을 제공한다. 시뮬레이션 결과를 통해 특정 지역에 발생할 수 있는 침수 재해를 예측할 수 있고, 3차원 영상을 통해 사실적으로 표현함으로써 더욱 용이하게 재해 발생 상황을 파악할 수 있다.
도 2는 항공레이저측량(LiDAR) 자료로부터 건물레이어를 중첩하여 구축한 수치표고모델(DEM)을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 항공레이저측량기법(LiDAR) 자료처리를 통해 구축한 수치표고모델(DEM)은 실세계 지형정보 중 건물, 수목, 인공구조 등을 제외한 지형 부분을 표현하는 수치모형으로, 불규칙한 지형 기복을 3차원 좌표형태로 구축할 수 있다. 이를 활용하여, 강우, 태풍 및 기후변화의 요인으로 인해 유발되는 해수면 상승 침수 시뮬레이션을 하기 위한 해안 계측 정보 및 지형 정보를 취득한다.
또한, 항공레이저측량(LiDAR)은 항공레이저측량시스템을 항공기에 탑재하여 레이저를 주사하고, 그 지점에 대한 3차원 위치 좌표를 취득하는 측량방법으로, 타 방법과는 달리 완전 자동처리가 가능하며, 처리속도가 빠르고, 능동적인 센서이므로 어느 정도 날씨에 구애를 받지 않는다. 지상기준점 측량이 어려운 해안, 습지 측량과 그림자에 의해 방해받는 산림, 도심지역의 수치표고 자료 제작에 유리하다.
도 3은 공간정보(GIS)에 수치표고모델(DEM)을 중첩한 모습을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유역 분지의 면적과 규모, 형태와 모양 및 기복과 경사를 추정하고 하천 유량에 영향을 주는 지형학적 요인 자료를 제공하는 프로그램인 공간정보(GIS)의 중첩기능을 활용하여, 수치표고모델(DEM)을 중첩 하며, 도시하지는 않았으나, 상기 수치표고모델(DEM)에 토지피복도를 중첩하여 시간, 위치 및 지형특성에 따라 토질의 특성과 흡수 정도를 파악하고 상기 토지피복도의 특성에 대하여 사전 가중치를 적용하는 것을 특징으로 한다. 이러한 공간정보(GIS)의 중첩기능을 활용하여 주제도를 여러 개 중첩해 주어진 조건에 맞는 대상을 찾아낼 수 있다.
도 4는 SPH에 GPU 연산을 적용한 3D 시뮬레이션 가시화 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, SPH 기반의 3D 시뮬레이션 가시화 프로세스는 크게 3가지, 유체의 유동해석을 위한 SPH Solver, 시뮬레이션 결과를 DB에 저장하는 데이터 입출력 DB, 그리고 이를 실시간 가시화 처리하는 시뮬레이션 가시화 부분으로 나뉜다.
전산유체역학(CFD)는 컴퓨터를 사용하여 공학 문제에서 유체와 기체의 상호작용을 시뮬레이션하는 프로그램으로, 전산유체역학(CFD)중 하나가 SPH이다. SPH는 입자에 유체의 성질을 부여하여 유체의 흐름을 시뮬레이션하는 기법의 하나로, 입자법인 SPH는 기존의 격자법과 비교하여 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, SPH는 각각의 입자가 질량을 포함하고 있기 때문에 별도의 계산 없이도 질량 보존이 보장되며, 둘째, SPH는 선형 시스템을 해석하지 않고 이웃한 입자의 거리 가중치에 따라 압력을 계산한다. 셋째, 유체의 경계를 찾기 어려운 그리드 기반의 기술과는 달리 입자 기반의 SPH는 유체의 경계를 쉽게 찾을 수 있다.
도 5는 GPU와 CPU의 유체 시뮬레이션에 대한 성능평가 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, GPU 병렬 계산은 단순 작업만 가능하지만 CPU 연산보다 그림 한 장을 완성하는데 걸리는 속도가 더 빠르며, GPU 병렬계산 처리가 CPU 단일계산 처리보다 1000만 개의 입자 계산 시 80배 이상의 우수한 성능을 가지는 것이 특징이다. 상기 SPH로부터 도출된 상기 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 SPH solver에서 GPU 병렬 계산 처리를 통해 데이터베이스(Data Base)에 저장하고, 이를 2차원의 화상에 광원, 위치, 색상 및 외부의 정보를 고려해 사실감을 불어넣는 렌더링(rendering) 과정을 통해, 유체 유동표현을 사실적으로 가시화한다.
도 6과 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 해수면 상승 예측 시뮬레이션을 3D 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자는 웹과 모바일을 통해 3차원의 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 제공 받을 수 있으며, 구체적으로, 스마트폰, 태블릿 통신기기 및 개인 PC를 통해 시뮬레이션 처리 결과를 실시간으로 방재 방안 및 대피 방안을 구축할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전산유체역학(CFD)과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션은 바닷물의 침수특성과 토지의 특성을 고려해서, 실시간으로 해수면 상태를 시뮬레이션하고, 해수면 상승에 따른 침수 정도를 예측함으로써, 해수면 상승에 따른 침수 재해로부터 방재 방안 및 대피 방안을 신속히 구축할 수 있다.
또한, 해수면 상승 시, 각 계측 장비에서의 데이터를 통해, 과거에 해석된 해수면 상승 침수 시뮬레이션과 현재 계측 데이터 피드백을 통해 계속 값을 보정함으로써 시뮬레이션의 신뢰성을 높일 수 있다. 그리고 해수면 상승 침수 시뮬레이션 계산 시, 전산유체역학(CFD)과 GPU 해석기법을 활용하여 시뮬레이션함으로써 예측 정확성을 높일 수 있다.
또한, 과거의 데이터 또는 축적된 데이터를 통해 지역별 해수면 상승에 따른 시나리오를 도출하여, 해수면 상승에 따른 침수 상황을 미리 확인함으로써 대피 방안 및 방재 방안을 구축함에 따라 2, 3차적인 피해를 줄일 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100: 전산유체역학과(CFD) 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법
S110: 해안 및 지형 정보 자료 취득단계
S120: 공간정보(GIS)에 수치표고모델(DEM) 및 토지피복도를 중첩하여 토질의 특성과 해수 흡수 정도를 파악하는 단계
S130: 강우, 태풍, 해일, 기후변화 등의 데이터를 적용하는 단계
S140: SPH를 이용하여 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션 결과를 가시화하는 단계
S150: 3D 시뮬레이션 영상을 제공하는 단계

Claims (8)

  1. 강우, 태풍 및 기후변화의 요인으로 인해 유발되는 해수면 상승 침수를 예측하여 시뮬레이션하는 방법에 있어서,
    항공레이저측량기법(LiDAR : Light Detection And Ranging) 자료처리를 통해 구축된 공간정보(GIS)와 수치표고모델(DEM)로부터 추출한 해안 계측정보 및 지형 정보를 서버에 저장하는 제1 단계(S110);
    상기 공간정보(GIS)에 상기 수치표고모델(DEM) 및 국가공간정보 유통시스템에서 제공받은 토지피복도를 중첩시켜 시간, 위치, 지형특성에 따라 토질의 특성과 흡수 정도를 계산하고, 상기 토지피복도의 특성에 대하여 사전 가중치를 적용하는 제2 단계(S120);
    강우 시에는 현재 하천의 강우 시 최고 높이를 해수면 상승치에 더하여 하천 주변 1km 이내 지역에 대하여 적용하고, 태풍내습 시에는 태풍내습 시의 외력에 대해 침수 지도위에 해일 및 범람예측이 동시에 가능한 컴퓨터 프로그램인 ADCIRC, FVCOM 및 Geo_Surge를 적용하고, 기후변화 시에는 해수면상승치(해수면 상승치 + 각 지역의 약 최고 고조위 - 평균해면 값)를 상기 수치표고모델(DEM)에 보정 적용을 하여, 침수범위를 산정하는 제3 단계(S130);
    위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션을 가시화하는 제4 단계(S140);
    웹과 모바일을 통해 3D 시뮬레이션 영상을 제공하는 제5 단계(S150);
    를 포함하는 전산유체역학(CFD)과 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수치표고모델은 저해상도이며,
    저해상도의 수치표고모델은 베지어곡선(bezier curve)을 이용하여 해상도가 증가하는 것을 특징으로 하는
    전산유체역학(CFD)과 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    바다와 접하지 않은 내륙의 관로 정보를 이용하여 상기 공간정보(GIS)상 맨홀의 위치 좌표를 통해 맨홀의 위치에서 내륙침수심(해수면 상승치 - 맨홀의 고도값)을 추가적용 하는 것을 포함하는
    전산유체역학(CFD)과 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 단계(S140)는,
    보정된 상기 수치표고모델(DEM) 및 상기 토지피복도를 전산유체역학(CFD) 중 SPH에 적용하여 위치에 따라 해수면의 높이를 예측하고, 시뮬레이션 결과를 가시화하며, 상기 SPH는 (수학식 1) 로 표현된 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 하되,
    (수학식 1)
    Figure 112017115398504-pat00027

    여기서, 상기 (수학식 1) 에서 우항의 요소들은 각각 압력(
    Figure 112017115398504-pat00028
    ), 점성(
    Figure 112017115398504-pat00029
    ), 외력(
    Figure 112017115398504-pat00030
    )을 포함하는 것을 특징으로 하는
    전산유체역학(CFD)과 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제4 단계(S140)는,
    상기 SPH로부터 도출된 상기 해수면 상승 침수 시뮬레이션 결과를 SPH solver에서 GPU 병렬계산 처리를 통해 데이터베이스(Data Base)에 저장하고, 이를 렌더링(rendering)하여 실시간으로 가시화하는 것을 포함하는
    전산유체역학(CFD)과 해양 특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법.
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