KR102111637B1 - 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법 - Google Patents

관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법 Download PDF

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강태순
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(주)지오시스템리서치
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Abstract

본 발명은 해양에 설치된 복수의 관측 지점으로부터 관측된 관측 데이터(파랑의 특성 정보 및 내부 기상 정보를 포함)를 이용하여 해안에서의 파랑을 예측하는, 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득하는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m); 및 상기 관측 기기들로부터 관측 데이터를 입력받아 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성된 파랑 예측 장치(100);를 포함한다.

Description

관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PREDICTING WAVE USING OBSERVATION DATA}
본 발명은 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 해양에 설치된 복수의 관측 지점으로부터 획득된 관측 데이터(파랑의 특성 정보 및 내부 기상 정보를 포함)를 이용하여 해안에서의 파랑을 예측하는, 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 파랑 예측은 관측 지역의 기상 정보를 수집하고 수집된 기상 정보를 파랑 수치 모형에 대입함으로써 파랑의 발생 및 특성을 예측한다. 이러한 파랑 수치 모형을 이용한 파랑의 예측은 기본적인 입력 자료인 기상 정보에 대한 자료가 정확하게 입력되어야 한다. 기상 상태가 안정된 상태에서는 기상 수치 모형으로 계산된 기상의 예측 값의 정확도가 높아 파랑 수치 모형을 이용하여 파랑을 예측하는데 문제가 없다. 그러나 갑작스럽게 발생하여 전파되는 고파랑은 기상현상의 급격한 변화가 주 발생요인으로, 이러한 현상은 기상 수치 모형으로 정확히 예측해내기 힘들다.
따라서 종래의 파랑 예측 방법으로는 기상 현상과 파랑의 급격한 변화를 감지하거나 모의하기 힘들다는 문제가 있어 이에 대한 보완이 필요하게 된다.
국내 특허 공개 2015-0117972(공개일: 2015, 10, 21)
따라서 본 발명은 상기한 점을 고려하여 이루어진 것으로서, 관측망의 내부 및 외부에서 고파랑 및 급격한 파고가 발생될 경우에는 정확한 예측이 가능한, 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템은 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득하는 관측 기기들; 및 상기 관측 기기들로부터 관측 데이터를 입력받아 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성된 파랑 예측 장치;를 포함하며, 상기 파랑 예측 장치는 상기 관측 기기들로부터 상기 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하는 통신부; 상기 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하도록 구성된 저장부; 및 상기 파랑의 특성 정보에 기초하여 상기 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하고, 상기 단위 파원 및 상기 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하며, 상기 증폭계수, 상기 응답 파랑 스펙트럼 및 상기 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성된 파랑 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템에 있어서, 상기 증폭계수는 다음의 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019114828514-pat00001
[여기서, obs는 관측 지점을 나타내고, freq는 주파수를 나타내며, dir은 파향을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00002
은 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 나타내고,
Figure 112019114828514-pat00003
은 단위 파원의 에너지 크기를 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00004
은 관측 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
상기 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템에 있어서, 상기 파랑 예측부는 상기 증폭계수와 상기 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출하고, 상기 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출하며, 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼과 상기 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 산출하며, 상기 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템에 있어서, 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼은 상기 관측 파랑 스펙트럼이 시간에 대해 연속일 경우, 다음의 [수학식 2]에 의해 산출되는 한편, 상기 관측 파랑 스펙트럼이 이산화 된 자료일 경우, 다음의 [수학식 3]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020032341559-pat00065
[여기서, t는 구하고자 하는 시간의 시점을 나타내고, n은 관측 지점, 주파수 분할, 방향 분할의 수를 나타내며, τ는 단위 파원 계산 시 진행시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00006
은 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
[수학식 3]
Figure 112020032341559-pat00066
[여기서, m은 응답 파랑 스펙트럼의 순서를 나타내고, n은 구하고자 하는 시점의 시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00008
는 관측 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00009
은 응답 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00010
은 내림 연산자이며,
Figure 112019114828514-pat00011
은 응답 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 방법은 파랑 예측 장치가 해양에 설정된 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하는 단계; 관측 기기들이 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득하는 단계; 상기 파랑 예측 장치가 상기 관측 기기들로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하는 단계; 상기 파랑 예측 장치가 상기 파랑의 특성 정보에 기초하여 상기 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하는 단계; 상기 파랑 예측 장치가 상기 단위 파원 및 상기 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하는 단계; 및 상기 파랑 예측 장치가 상기 증폭계수, 상기 응답 파랑 스펙트럼 및 상기 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 방법에 있어서, 상기 파랑 예측 단계는 상기 증폭계수와 상기 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출하는 단계; 상기 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출하는 단계; 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기와 상기 내부 기상에 의한 파랑 에너지 크기를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 산출하는 단계; 및 상기 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태들에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법에 의하면, 해양에 설정된 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하고, 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치된 관측 기기들로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하며, 파랑의 특성 정보에 기초하여 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하고, 단위 파원 및 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하며, 증폭계수, 응답 파랑 스펙트럼 및 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성됨으로써, 관측망의 내부 및 외부에서 고파랑 및 급격한 파고가 발생될 경우에는 정확한 예측이 가능하다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템의 제어블록도이다.
도 2는 도 1의 파랑 예측 장치의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 불규칙 파랑의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파랑 관측망의 구축을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 단위 파원에 의한 응답 파랑 스펙트럼의 데이터베이스화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 파랑 예측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 11은 도 10의 스텝(S600)에 대한 상세 플로우챠트이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 장치에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 장치 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
먼저, 본 발명을 설명하기에 앞서 "파랑"은 바다에서 바람이 해수면 위를 지속적으로 불 때 생기는 풍파와 먼 바다에서 발생한 풍파가 연안으로 전파되는 너울을 모두 포함하는 것을 의미한다. 파랑의 특성인 "파고(wave height)"는 파곡(wave trough)에서 파봉(wave crest)에 이르는 연직거리이고, "파장(wave length)"은 파봉에서 파봉 또는 파곡에서 파곡에 이르는 거리이며, "주기(wave period)"는 파봉에서 파봉 또는 파곡에서 파곡이 연속해서 한 지점을 통과하는 시간을 의미하고, "파속(wave celerity 또는 speed)"은 파장을 주기로 나눈 속도를 의미한다. "군속도(wave group velocity)"는 파랑 에너지의 전파속도를 나타내며 파진동수(wave frequency)의 변화율과 파수(wave number)의 변화율의 비를 의미한다. "단위 파원"은 단일 주기 및 단일 파향을 갖는 단위 에너지 크기의 단위 파랑의 에너지를 의미하며, 단위 파랑과 혼용하여 사용될 수 있다. 또한, "응답 파랑 스펙트럼"은 관측 지점에서 가정된 단위 파원에 대하여 파랑 수치 모형을 적용하여 산출한 관심 지역에서의 파랑의 에너지 스펙트럼을 의미한다. "관측 파랑 스펙트럼"은 관측 지점에서 관측된 파랑의 에너지 스펙트럼을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템의 제어블록도이고, 도 2는 도 1의 파랑 예측 장치의 상세 구성도이다.
파랑 예측 시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m) 및 파랑 예측 장치(100)를 포함한다.
관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)은 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득하여 파랑 예측 장치(100)에 제공하는 역할을 한다.
관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)은 관심 지역인 해안으로부터 50km 이상 떨어져 배치된 해양 관측 부이일 수 있다.
파랑의 특성 정보는 불규칙 파랑 정보를 나타내는 유의파고, 유의주기, 평균파향 및 첨두파향, 파랑 스펙트럼 등을 포함할 수 있다. 획득된 관측 데이터에 파랑 스펙트럼이 없는 경우, 유의파고, 첨두파향, 첨두주기 등을 이용하여 파랑 스펙트럼을 산출할 수 있으며, 이는 파의 주파수(또는 주기)와 방향 성분으로 이루어진 에너지 스펙트럼 형태로 표현될 수 있다.
관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)은 해수면 위에 떠서 파고, 파향, 주기, 파랑 스펙트럼을 관측하는 부이식 파고계(wave radar buoy)로 구현될 수 있다. 다만, 이는 일예로서, 이에 한정되는 것은 아니다. 관측 지점에서의 파고, 파향, 주기, 파랑 스펙트럼 등의 파랑에 대한 특성 정보를 획득할 수 있다면, 수압식 파고계나 초음파식 파고계 등 종류에 관계없이 관측 기기로 이용될 수 있다.
관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)에서 파랑 예측 장치(100)로의 특성 정보의 전송은 실시간으로 수행될 수 있다. 이를 위하여, 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)은 파랑 예측 장치(100)와 데이터를 송수신할 수 있는 통신부를 포함할 수 있다. 통신부는 파랑 예측 장치(100)와 데이터를 송수신할 수 있다면, 특정 통신 방법이나 수단에 한정되지 않는다.
관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)의 수는 m개(m은 1 이상의 자연수)인 것을 예로 들었으나 그 개수는 설정된 관측 지점의 수에 따라 결정될 수 있다. 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)은 관심 지역인 해안 지역을 둘러싸는 형태로 배치되는데 필요한 개수로 설정될 수 있다.
내부 기상 정보는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)이 통신부를 통해 기상청 서버로부터 전달받은 정보로서, 관측망의 내부에서 발생되어 고파랑 및 급격한 파고를 유발시키는 태풍 정보, 국지적인 강한 저기압 정보 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 태풍에 의해 파랑의 발생에 직접 영향을 끼치는 경우와, 한반도 남동 해안에 강한 저기압이 위치하게 되고 저기압과 배치되는 동해 북쪽의 시베리아에 위치한 고기압에 의해 강한 바람 영역이 남하하는 경우 고파랑이 관측망 내부에서 발생하게 되는 경우를 들 수 있다.
파랑 예측 장치(100)는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로부터 파랑의 특성 정보 및 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 입력받아 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하는 역할을 하며, 도 2에 도시한 바와 같이, 통신부(110), 저장부(120) 및 파랑 예측부(130)를 포함한다.
통신부(110)는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하는 역할을 한다.
통신부(110)는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)과 유선 또는 무선을 통해 데이터를 송수신할 수 있으며, 통신 방식은 데이터를 주고받을 수 있다면 특별히 한정되지 않는다.
통신부(110)는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로 상태 확인 메시지를 전송하고, 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로부터 상태 보고 메시지를 수신할 수 있다. 상태 보고 메시지가 수신되지 않거나 이상 메시지가 수신되면, 해당 관측 기기는 고장인 것으로 판단될 수 있다. 이를 위하여, 파랑 예측 장치(100)에는 별도의 제어부 및 출력부가 더 구비되어 관측 기기의 고장 판단 및 고장 알림 정보의 출력을 수행할 수 있다.
저장부(120)는 파랑 예측 장치(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 저장부(120)는 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장할 수 있다.
저장부(120)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크 및 광디스크 중 적어도 한 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
파랑 예측부(130)는 통신부(110)를 통해 파랑의 특성 정보 및 내부 기상 정보를 입력받아, 파랑의 특성 정보에 기초하여 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하고, 단위 파원 및 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하며, 증폭계수, 응답 파랑 스펙트럼 및 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하는 역할을 한다.
파랑 예측부(130)는 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼의 데이터베이스를 구축하여 저장부(120)에 저장할 수 있다. 이를 위하여, 파랑 예측부(130)는 복수의 관측 지점 각각에서 서로 다른 파향과 주기를 갖는 복수의 증폭 또는 감쇄된 단위 파원이 관측되는 것으로 가정할 수 있다. 복수의 단위 파원 각각은 서로 다른 단일 주기 및 단일 방향을 갖고, 서로 동일한 에너지 크기로 설정될 수 있다
즉, 해양에 존재하는 파랑은 여러 주기와 다양한 방향의 파들이 합성되어 불규칙 파랑의 형태로 나타난다. 이러한 불규칙 파랑은 단일 주기와 단일 방향 성분들의 합으로 나타낼 수 있다. 도 3을 참조하면, 특정 관측 지점에 존재하는 것으로 가정된 파랑(W1)에 대한 에너지 스펙트럼(S1)이 도시되어 있다. 해당 파랑(W1)은 서로 다른 파향과 주기를 갖는 복수의 단위 파원으로 이루어지며, 예를 들어, A 위치에서는 단위 파원(U1)이 설정될 수 있다. 파랑 예측부(130)는 관측 지점을 기준으로 하여 각 주기에 대한 각 방향의 단위 파원을 설정할 수 있다. 즉, 각 단위 파원은 관측 지점, 주기, 파향 중 적어도 하나는 서로 다른 값을 갖도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 소정의 주기를 갖는 단위 파원이 0 도에서 360 도까지 7.5도 간격의 파향으로 진행되는 것으로 설정 될 수 있다. 또한, 소정의 주기는 1초 단위로 설정되어, 각 주기마다 단위 파원이 0 도에서 360 도까지 7.5도 간격의 파향으로 진행되는 것으로 설정될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예로서, 이에 한정되는 것은 아니며, 단위 파원의 주기 및 파향은 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다.
파랑 예측부(130)는 복수의 단위 파원이 관측 지점을 통과하여 관심 지역으로 진행한 경우를 파랑 수치 모형을 이용하여 모의할 수 있다. 도 4를 참조하면, 총 일곱 개의 관측 지점(1 내지 7)을 갖는 파랑 관측망의 일예가 도시되어 있다. 다만, 이는 일예로서, 파랑 관측망을 구성하는 관측 지점의 개수는 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다.
파랑 예측부(130)는 복수의 관측 지점(1 내지 7) 각각에 대응하는 복수의 선분(segment_1 내지 segment_7)을 설정할 수 있다. 일예에 따라, 복수의 선분 각각은 관측 지점을 중심에 포함하도록 설정될 수 있다. 이 경우, 각 세그먼트들은 대응하는 각 관측 지점에서의 단위 파원을 계산하기 위한 영역으로 설정될 수 있다. 또한, 복수의 선분들은 관심 지역(B)인 해안 지역을 둘러싼 형태가 되도록 설정될 수 있다. 다만, 도 4에 도시된 파랑 관측망은 일예로서, 이에 한정되는 것은 아니다.
파랑 예측부(130)는 복수의 단위 파원 각각에 대하여 파랑 수치 모형을 적용하여 응답 파랑 스펙트럼을 산출할 수 있다. 이를 위하여, 파랑 예측부(130)는 복수의 단위 파원 성분의 파랑이 복수의 선분 중 하나로 입사시켜 관심 지역(B)으로 진행하는 경우를 가정할 수 있다. 설정된 영역에 단위 파원(단일 주기, 단일 방향) 성분의 파랑을 입사시켜 모의하기 위해 파랑 에너지가 초기 입력 자료로 활용될 수 있다. 파랑 예측부(130)는 초기 입력 자료로, 각 단위 파원에 해당하는 단일 주기와 단일 방향 성분이 소정의 시간 동안 진행하는 영역에 동일한 에너지를 넣어준다. 파랑 예측부(130)는 초기 입력 자료를 이용하여 파랑 수치 모형(SWAN, WWIII 등)을 모의하여 관심 지역에서의 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화할 수 있다.
일예에 따라, 각 관측 지점에서 서로 다른 파향과 주기를 갖는 복수의 단위 파원들 각각에 의해, 관측 지점에 대응하는 선분을 소정의 시간 동안 지나가는 파랑이 설정될 수 있다. 이때, 단위 파원의 폭은 관측 지점에 대응하는 선분이 파의 진행 방향과 직각 방향의 선상에 투영된 길이이며, 단위 파원의 길이는 단위 시간당 파랑이 군속도로 전파하는 거리로 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제 3 관측 지점(3)을 통과하여 관심 지역(B)으로 1시간 동안 진행하는 단위 파원(U2)이 도시되어 있다. 예를 들어, 단위 파원(U2)은 주기가 14.9 초이고, 파향은 220 도로 설정될 수 있다. 이 경우, 단위 파원(U2)의 진행 방향인 파향은 화살표로 도시되고, 3시 방향을 기준(0 도)으로 하여 반시계 방향으로 측정하면 파향은 220 도가 된다.
마찬가지로, 도 6을 참조하면, 제 4 관측 지점(4)을 통과하여 관심 지역(B)으로 1 시간 동안 진행하는 단위 파원(U3)이 도시되어 있다. 예를 들어, 상기 단위 파원(U3)은 주기가 14.9 초이고, 파향은 220 도로 설정될 수 있다. 이를 도 5에 도시된 단위 파원(U2)과 비교하면, 주기와 파향은 서로 동일하나 관측 지점이 다른 단위 파원(U3)으로 나타날 수 있다.
마찬가지로, 도 7을 참조하면, 제 3 관측 지점(3)을 통과하여 관심 지역(B)으로 1 시간 동안 진행하는 단위 파원(U4)이 도시되어 있다. 예를 들어, 상기 단위 파원(U4)은 주기가 18.3 초이고, 파향은 220 도로 설정될 수 있다. 이를 도 5에 도시된 단위 파원(U2)과 비교하면, 관측 지점과 파향은 서로 동일하나, 주기가 더 길기 때문에, 단위 파원(U4)는 단위 파원(U2)에 비하여 진행 방향으로 더 긴 형태로 나타날 수 있다.
마찬가지로, 도 8을 참조하면, 제 3 관측 지점(3)을 통과하여 관심 지역(B)으로 1 시간 동안 진행하는 단위 파원(U5)이 도시되어 있다. 예를 들어, 상기 단위 파원(U5)은 주기가 14.9 초이고, 파향은 270 도로 설정될 수 있다. 이를 도 5에 도시된 단위 파원(U2)과 비교하면, 관측 지점과 주기는 서로 동일하나 파향이 다른 단위 파원(U4)으로 나타날 수 있다.
즉, 도 5 내지 도 8은 설정된 복수의 단위 파원들 중 관측 지점, 주기 및 파향 중 하나가 다른 단위 파원의 예를 도시한다. 전술한 것과 같이, 파랑 예측부(130)는 각 관측 지점별로, 복수의 주기 각각에 대하여 복수의 파향을 각각 갖는 단위 파원들을 설정할 수 있다. 또한, 각 단위 파원들은 관측 지점 또는 관측 지점이 포함된 선분을 통과하여 관심 지역(B)으로 진행하는 것으로 설정될 수 있다.
파랑 예측부(130)는 복수의 단위 파원 각각이 관심 지역으로 진행한 경우를 가정하고, 파랑 수치 모형을 이용하여 모의할 수 있다. 파랑 예측부(130)는 모의 결과에 따라 산출된 파랑의 특성 정보를 이용하여 관심 지역에서의 각 단위 파원에 대응하는 응답 파랑 스펙트럼을 산출할 수 있다. 응답 파랑 스펙트럼을 이용하여 파랑의 특성을 산출하는 것은 특정 제한 없이 다양한 공지의 방법에 따르며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
파랑 예측부(130)는 산출된 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장할 수 있다. 파랑 예측부(130)는 관측 지점, 파향 및 주기별로 각 단위 파원에 대한 응답 신호로서, 관심 지역에서의 에너지 스펙트럼을 데이터베이스화할 수 있다. 응답 파랑 스펙트럼의 데이터베이스는 실제 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하기 위하여 계속적으로 사용될 수 있다. 데이터베이스의 구축 이후, 파랑 예측부(130)는 통신부(110)를 통하여 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로부터 관측 데이터를 수신할 수 있다. 파랑 예측부(130)는 관측 데이터(파랑의 특성 정보)에 기초하여 관측된 파랑에 대한 관측 지점에서의 관측 파랑 스펙트럼을 획득할 수 있다.
이를 위하여, 파랑 예측부(130)는 전술한 파랑 관측망을 구성하는 복수의 선분 중 관측된 파랑이 통과하는 선분에 대응하는 관측 지점의 관측 기기로부터 관측 데이터를 수신할 수 있다. 파랑 예측부(130)는 관측 데이터에 포함된 파랑의 특성 정보를 이용하여 관측 지점에서의 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 산출할 수 있다.
또는, 다른 일예에 따라, 관측 기기에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼이 산출된 경우, 파랑 예측부(130)는 통신부(110)를 통하여 관측 파랑 스펙트럼을 수신할 수 있다.
파랑 예측부(130)는 단위 파원 및 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 다음의 [수학식 1]에 의해 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112019114828514-pat00012
[여기서, obs는 관측 지점을 나타내고, freq는 주파수를 나타내며, dir은 파향을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00013
은 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 나타내고,
Figure 112019114828514-pat00014
은 단위 파원의 에너지 크기를 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00015
은 관측 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
파랑 예측부(130)는 증폭계수(
Figure 112019114828514-pat00016
) 및 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하며, 그 과정은 다음과 같다.
먼저, 파랑 예측부(130)는 증폭계수(
Figure 112020032341559-pat00017
)와 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출한다.
관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼은 관측 파랑 스펙트럼이 시간에 대해 연속일 경우, 다음의 [수학식 2]에 의해 산출된다.
[수학식 2]
Figure 112020032341559-pat00067
[여기서, t는 구하고자 하는 시간의 시점을 나타내고, n은 관측 지점, 주파수 분할, 방향 분할의 수를 나타내며, τ는 단위 파원 계산 시 진행시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00020
은 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
한편, 관측 파랑 스펙트럼이 이산화 된 자료일 경우, 다음의 [수학식 3]에 의해 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112020032341559-pat00068
[여기서, m은 응답 파랑 스펙트럼의 순서를 나타내고, n은 구하고자 하는 시점의 시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00022
는 관측 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00023
은 응답 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00024
은 내림 연산자이며,
Figure 112019114828514-pat00025
은 응답 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
파랑 예측부(130)는 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출한다.
이후, 파랑 예측 장치(130)는 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼과 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 다음의 [수학식 4]와 같이 산출한다.
[수학식 4]
Figure 112019114828514-pat00026
[여기서,
Figure 112020032341559-pat00027
는 내부 기상 정보를 입력 자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 산출된 파랑 에너지의 크기를 나타내고,
Figure 112020032341559-pat00028
는 최종 합성 파랑 에너지의 크기를 나타냄]
최종적으로, 파랑 예측부(130)는 산출된 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출한다.
이하, 위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템에 의해 구현되는 파랑 예측 방법에 대해서 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 파랑 예측 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 11은 도 10의 스텝(S600)에 대한 상세 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(Step)을 나타낸다.
먼저, 스텝(S100)에서는 파랑 예측 장치(100)가 해양에 설정된 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장한다.
스텝(S200)에서는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)이 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득한다.
스텝(S300)에서는 파랑 예측 장치(100)가 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신한다.
스텝(S400)에서는 파랑 예측 장치(100)가 수신된 파랑의 특성 정보에 기초하여 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득한다.
스텝(S500)에서는 파랑 예측 장치(100)가 단위 파원 및 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출한다.
증폭계수는 다음의 [수학식 1]에 의해 산출된다.
[수학식 1]
Figure 112019114828514-pat00029
[여기서, obs는 관측 지점을 나타내고, freq는 주파수를 나타내며, dir은 파향을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00030
은 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 나타내고,
Figure 112019114828514-pat00031
은 단위 파원의 에너지 크기를 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00032
은 관측 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
스텝(S600)에서는 파랑 예측 장치(100)가 스텝(S500)에서 산출된 증폭계수, 스텝(S100)에서 데이터베이스화되어 저장된 응답 파랑 스펙트럼 및 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측한다.
스텝(S600)에 대해 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 스텝(S610)에서는 파랑 예측 장치(100)가 증폭계수와 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출한다.
관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼은 관측 파랑 스펙트럼이 시간에 대해 연속일 경우, 다음의 [수학식 2]에 의해 산출된다.
[수학식 2]
Figure 112020032341559-pat00069
[여기서, t는 구하고자 하는 시간의 시점을 나타내고, n은 관측 지점, 주파수 분할, 방향 분할의 수를 나타내며, τ는 단위 파원 계산 시 진행시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00034
은 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
한편, 관측 파랑 스펙트럼이 이산화 된 자료일 경우, 다음의 [수학식 3]에 의해 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112020032341559-pat00070
[여기서, m은 응답 파랑 스펙트럼의 순서를 나타내고, n은 구하고자 하는 시점의 시간을 나타내며,
Figure 112019114828514-pat00036
는 관측 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00037
은 응답 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
Figure 112019114828514-pat00038
은 내림 연산자이며,
Figure 112019114828514-pat00039
은 응답 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
스텝(S620)에서는 파랑 예측 장치(100)가 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출한다.
스텝(S630)에서는 스텝(S610)에서 산출한 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기와 내부 기상에 의한 파랑 에너지 크기를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 다음의 [수학식 4]와 같이 산출한다.
[수학식 4]
Figure 112019114828514-pat00040
[여기서,
Figure 112020032341559-pat00041
는 내부 기상 정보를 입력 자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 산출된 파랑 에너지의 크기를 나타내고,
Figure 112020032341559-pat00042
는 최종 합성 파랑 에너지의 크기를 나타냄]
스텝(S640)에서는, 파랑 예측부(130)가 스텝(S630)에서 산출된 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출한다.
본 발명의 실시예에 의한 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템 및 방법에 의하면, 해양에 설정된 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하고, 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치된 관측 기기들로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하며, 파랑의 특성 정보에 기초하여 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하고, 단위 파원 및 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하며, 증폭계수, 응답 파랑 스펙트럼 및 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성됨으로써, 관측망의 내부 및 외부에서 고파랑 및 급격한 파고가 발생될 경우에는 정확한 예측이 가능하다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 파랑 예측 장치
110: 통신부
120: 저장부
130: 파랑 예측부
200_1, 200_2 ...200_m: 관측 기기

Claims (6)

  1. 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보(관측망의 내부에서 발생되어 고파랑 및 급격한 파고를 유발시키는 태풍정보, 및 국지적인 강한 저기압 정보를 포함)를 포함하는 관측 데이터를 획득하는 관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m); 및
    상기 관측 기기들로부터 관측 데이터를 입력받아 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성된 파랑 예측 장치(100);를 포함하며,
    상기 파랑 예측 장치는,
    상기 관측 기기들로부터 상기 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하는 통신부(110);
    상기 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하도록 구성된 저장부(120); 및
    상기 파랑의 특성 정보에 기초하여 상기 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하고, 상기 단위 파원 및 상기 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하며, 상기 증폭계수, 상기 응답 파랑 스펙트럼 및 상기 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하도록 구성된 파랑 예측부(130);를 포함하며,
    상기 증폭계수는 다음의 [수학식 1]에 의해 산출되고,

    [수학식 1]
    Figure 112020032341559-pat00071


    [여기서, obs는 관측 지점을 나타내고, freq는 주파수를 나타내며, dir은 파 향을 나타내며,
    Figure 112020032341559-pat00072
    은 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 나타내고,
    Figure 112020032341559-pat00073
    은 단위 파원의 에너지 크기를 나타내며,
    Figure 112020032341559-pat00074
    은 관측 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]

    상기 파랑 예측부(130)는
    상기 증폭계수와 상기 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출하고,
    상기 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출하며,
    상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼과 상기 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 산출하며,
    상기 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출 하는, 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼은
    상기 관측 파랑 스펙트럼이 시간에 대해 연속일 경우, 다음의 [수학식 2]에 의해 산출되는 한편,
    상기 관측 파랑 스펙트럼이 이산화 된 자료일 경우, 다음의 [수학식 3]에 의해 산출되는, 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템.

    [수학식 2]
    Figure 112020032341559-pat00075

    [여기서, t는 구하고자 하는 시간의 시점을 나타내고, n은 관측 지점, 주파수 분할, 방향 분할의 수를 나타내며, τ는 단위 파원 계산 시 진행시간을 나타내며,
    Figure 112020032341559-pat00048
    은 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]

    [수학식 3]
    Figure 112020032341559-pat00076


    [여기서, m은 응답 파랑 스펙트럼의 순서를 나타내고, n은 구하고자 하는 시점의 시간을 나타내며,
    Figure 112020032341559-pat00050
    는 관측 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
    Figure 112020032341559-pat00051
    은 응답 파랑 스펙트럼의 시간 간격이며,
    Figure 112020032341559-pat00052
    은 내림 연산자이며,
    Figure 112020032341559-pat00053
    은 응답 파랑 스펙트럼의 에너지 크기를 나타냄]
  5. 제 1 항에 기재된 관측 데이터를 이용한 파랑 예측 시스템을 이용한 파랑 예측 방법으로서,
    파랑 예측 장치(100)가 해양에 설정된 복수의 관측 지점 각각을 기준으로 하는 복수의 단위 파원 각각에 의한 관심 지역에서의 응답 파랑 스펙트럼을 데이터베이스화하여 저장하는 단계;
    관측 기기들(200_1, 200_2..., 200_m)이 해양에 설정된 복수의 관측 지점에 각각 배치되어 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 획득하는 단계;
    상기 파랑 예측 장치가 상기 관측 기기들로부터 파랑의 특성 정보와 관측 지점의 내부 기상 정보를 포함하는 관측 데이터를 수신하는 단계;
    상기 파랑 예측 장치가 상기 파랑의 특성 정보에 기초하여 상기 복수의 관측 지점 중 적어도 하나에서 관측된 파랑에 대한 관측 파랑 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 파랑 예측 장치가 상기 단위 파원 및 상기 관측 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관측된 파랑에 대한 증폭계수를 산출하는 단계; 및
    상기 파랑 예측 장치가 상기 증폭계수, 상기 응답 파랑 스펙트럼 및 상기 내부 기상 정보를 이용하여 관측된 파랑에 의한 관심 지역에서의 파랑을 예측하는 단계;를 포함하는 파랑 예측 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 파랑 예측 단계는,
    상기 증폭계수와 상기 응답 파랑 스펙트럼에 기초하여 상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼을 산출하는 단계;
    상기 내부 기상 정보를 입력자료로 이용하여 파랑 수치 모형으로 계산을 수행하여 내부 기상에 의한 파랑 에너지를 산출하는 단계;
    상기 관심 지역에서의 합성 응답 스펙트럼의 에너지 크기와 상기 내부 기상에 의한 파랑 에너지 크기를 합산하여 최종 합성 파랑 에너지를 산출하는 단계; 및
    상기 최종 합성 파랑 에너지를 이용하여 관심 지역에서의 파랑 정보를 산출하는 단계;를 포함하는 파랑 예측 방법.
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