KR102265387B1 - 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템 - Google Patents

화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대형화학 사고에 의한 화학재난 발생 시 전문적이고 과학적인 Forensic 조사와 분석을 통해 명확한 사고의 원인을 규명함으로써 동일한 사고를 예방할 수 있도록 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템에 관한 것으로,
화학사고 발생에 따른 피해의 결과를 표출하기위한 시뮬레이션으로서, 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(HGSYSTEM 모델이라고도 칭함)과; 상기 HGSYSTEM 모델을 구동하기 위한 HGSYSTEM 운영엔진과; 상기 HGSYSTEM 운영엔진을 구동하기 위한 사용자 인터페이스로 구성되는데.
상기 HGSYSTEM 모델은, HGSYSTEM의 확산평가 모듈에 사용되는 화학물질의 물리화학적 물성치를 제공하기 위한 화학물질 모듈과, 누출 모멘텀에 의한 확산평가를 수행하기 위한 근거리 확산모듈과, 바람에 의한 확산평가를 수행하기 위한 원거리 확산모듈로 구성되고,
상기 HGSYSTEM 운영엔진은, 상기 HGSYSTEM의 각 모듈을 구동하기 위한 입력파일을 생성하기 위한 입력파일 생성기와, 상기 HGSYSTEM 각 모듈의 결과파일을 해석하여 구조화된 자료로 변환하기 위한 출력파일 해석기로 구성되고,
상기 사용자 인터페이스는, 확산평가 출력 결과를 지도상에 출력하는 기능을 제공하기 위한 GIS 모듈과, 확산평가를 구동하기 위한 인자를 입력하는 기능을 제공하기 위한 시나리오 입력 모듈과, 확산평가 결과를 표, 차트 등을 통해 표현하는 기능을 제공하기 위한 확산평가 출력 모듈로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템 {A system for predicting the damage range of a chemical disaster and analyzing the cause}
본 발명은 대형화학 사고에 의한 화학재난 발생 시 전문적이고 과학적인 Forensic 조사와 분석을 통해 명확한 사고의 원인을 규명함으로써 동일한 사고를 예방할 수 있도록 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템에 관한 것으로,
화학사고의 과학적 원인조사를 위해서는 수치기반의 사고피해영향을 분석할 수 있는 도구가 필수적으로 요구되는데, 화학사고 원인조사 시 피해영향을 분석할 수 있는 도구 즉, 프레임워크(프로그램이나 시스템)를 구축하여 재난원인조사단의 과학적 원인조사 활동을 지원할 수 있도록 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템에 관한 것이다.
화학사고란 시설의 교체 등 작업 시 작업자의 과실, 시설결함, 노후화, 자연재해, 운송사고 등으로 인하여 화학물질이 사람이나 환경에 유출, 누출되어 발생하는 일체의 상황을 『화학물질관리법』에서는 화학사고라 정의하고 있다. 최근 국내에서는 유해위험물질을 취급하는 화학물질 취급공정에서 지속적으로 화학사고가 발생하고 있어 화학사고의 안전에 대한 이슈가 사회적으로 제기되고 있으며 특히, 2012년 경북 구미시에 소재한 휴브글로버(주)에서 발생된 HF 누출사고는 화학사고에 대한 사회적 인식과 사고예방을 위한 구체적인 대책의 필요성에 대해 인식하고 행동의 변화를 가져오는 중요 계기가 되었다. 사회적으로 큰 파장을 가져온 본 사고 이후『화학물질관리법』이 제정되었으며 『산업안전보건법』은 크게 강화되었다.
Figure 112020113398483-pat00001
또한, 재난관리법은 재난 및 안전관리 기본법으로 개정, 시행되면서 지자체는 사고 대응 조직 정비를 통해 실질적으로 화학사고에 대한 예방 및 대응 활동을 위해 가동될 수 있도록 재정비 하였다.
대형 화학사고가 발생한 경우, 사고결과의 형태는 화재나 폭발 또는 독성중독 및 질식과 같은 단일사고 뿐만 아니라 동시에 복합적으로 발생되는 2차, 3차적 피해가 발생할 수 있는 도미노 위험이 수반되어 대규모의 인명과 재산 및 환경피해를 초래할 수 있는 위험이 존재한다.
최근 국내에서 발생된 화학사고에 대해 조사한 결과 2017년 85건으로 2014년과 대비하여 감소하였으나 발생 건수는 여전히 많이 발생하고 있으며, 화학사고로 인한 재해자 현황은 2004년부터 2013년까지 10년 동안 산업재해로 처리된 재해자의 통계자료를 분석한 결과 평균적으로 화재는 489명(사망자 36명), 폭발은 431명(사망자 36명), 누출로 인한 중독 및 질식은 339명(사망자 16명)이 발생한 것으로 나타났다
화학물질 유통량은 1998년 175.4백만톤에서 2016년 558.6백만톤으로 산업수요가 증가하였으며 1960년부터 시작된 화학산업의 오래된 시작기원에 따른 설비 노후화 그리고 안전문화 정착 미숙은 그 동안 수차례 제기된 특성으로 이러한 1차원적 일반적 산업지표를 통해, 향후 화학사고의 발생 가능성은 여전히 높다고 예측할 수 있다.
이와 같이 화학사고는 높은 위험성을 포함하고 있으며 사고의 발생 가능성 또한 높다고 예측할 수 있으므로, 이러한 화학사고 또는 화학재난으로부터 국민의 안전을 지키기 위한 노력으로 대형화학 사고에 의한 화학재난 발생 시 전문적이고 과학적인 Forensic 조사와 분석을 통해 명확한 사고의 원인을 규명함으로써 동일한 사고를 예방하기 위한 사고조사 활동이 필요하다.
대한민국특허청 특허 공개번호 제10-2018-0117024호 대한민국특허청 특허 공개번호 제10-2003-0031948호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서,
대형화학 사고에 의한 화학재난 발생 시 전문적이고 과학적인 Forensic 조사와 분석을 통해 명확한 사고의 원인을 규명함으로써 동일한 사고를 예방할 수 있도록 함에 첫번째 목적이 있는 것이다.
화학사고의 과학적 원인조사를 위해서는 수치기반의 사고피해영향을 분석할 수 있는 도구가 필수적으로 요구되는데, 화학사고 원인조사 시 피해영향을 분석할 수 있는 도구 즉, 프레임워크(프로그램이나 시스템)를 구축함으로써, 재난원인조사단의 과학적 원인조사 활동을 실제와 차이가 없을 정도로 지원하되,
IT 프로그램 기술을 이용한 모델링 분석기술의 구현 표출 프로그램을 사용하여 화학사고의 유형별, 규모별 시뮬레이션 기술현황과 시뮬레이션 분석을 위한 기술적 지도 그리고 확산 피해영향범위 도출 기반의 의사결정지원 프레임을 병행할 수 있도록 함에 두번째 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는,
화학사고 발생에 따른 피해의 결과를 표출하기위한 시뮬레이션으로서, 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(HGSYSTEM 모델이라고도 칭함)과; 상기 HGSYSTEM 모델을 구동하기 위한 HGSYSTEM 운영엔진과; 상기 HGSYSTEM 운영엔진을 구동하기 위한 사용자 인터페이스로 구성되는데.
상기 HGSYSTEM 모델은, HGSYSTEM의 확산평가 모듈에 사용되는 화학물질의 물리화학적 물성치를 제공하기 위한 화학물질 모듈과, 누출 모멘텀에 의한 확산평가를 수행하기 위한 근거리 확산모듈과, 바람에 의한 확산평가를 수행하기 위한 원거리 확산모듈로 구성되고,
상기 HGSYSTEM 운영엔진은, 상기 HGSYSTEM의 각 모듈을 구동하기 위한 입력파일을 생성하기 위한 입력파일 생성기와, 상기 HGSYSTEM 각 모듈의 결과파일을 해석하여 구조화된 자료로 변환하기 위한 출력파일 해석기로 구성되고,
상기 사용자 인터페이스는, 확산평가 출력 결과를 지도상에 출력하는 기능을 제공하기 위한 GIS 모듈과, 확산평가를 구동하기 위한 인자를 입력하는 기능을 제공하기 위한 시나리오 입력 모듈과, 확산평가 결과를 표, 차트 등을 통해 표현하는 기능을 제공하기 위한 확산평가 출력 모듈로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 HGSYSTEM 모델은 누출과 근거리 확산모듈, 원거리 확산모듈로 구성되는데, 각각의 모듈은 모두 화학물질의 물성치를 사용하여 구동되고, HGSYSTEM은 별도의 모듈을 통해 각 모델에 필요한 물성치 정보를 제공받는다.
상기 화학물질의 물성치로는 분자량, 액체 열용량, 기체 열용량, 증발잠열, 임계온도, 임계압력, 증기압, 액상밀도를 포함하는데, 상기 증기압을 제외한 물성치는 상수로 온도압력에 따른 변화를 고려하지 않으며, 증기압의 경우 온도에 따른 변화가 크기 때문에 증기압은 온도 함수를 통해 계산하며 그 온도 함수는 아래와 같다.
Figure 112020113398483-pat00002
상기 HGSYSTEM 모델의 근거리 확산모듈은, 누출과 동시에 강한 압력으로 분사되는 상태의 확산거동을 해석하기 위한 것으로서, 바람에 의한 영향보다는 누출 모멘텀에 의한 영향이 확산거동에 더 많은 영향을 미치는 상태를 모사하므로, 상기 근거리 확산모듈의 입력 요소로는 저장용기 온도, 저장용기 압력, 저장물질 물성치, 누출직경, 누출높이, 누출각, 풍속, 대기온도, 대기압력, 상대습도, 지면거칠기, 대기안정도를 포함하고, 확산평가 결과로는 누출원에서 Downwind방향으로의 거리, 누출된 플럼의 중심축의 수직높이, 누출된 플럼의 직경, 누출된 플럼의 평균 볼륨 농도, 누출된 플럼의 온도, 누출된 플럼의 액상 비율, X지점에 도달할 때까지 걸린 시간이다.
상기 HGSYSTEM 모델의 원거리 확산모듈은, 모멘텀이 소멸된 이후 바람에 영향을 받는 확산 거동을 해석하기 위한 것으로서, 상기 원거리 확산모듈의 입력 요소로는 풍속, 대기온도, 대기압력, 상대습도, 지면거칠기, 대기안정도, 평균시간, 초기농도(%), 누출물질 물성치를 포함하고, 확산평가 결과로는 누출지점으로부터 Downwind방향으로의 거리, Downwind방향으로 X축에서의 최대 농도, X축에서 수직방향(Z축)으로 분포 함수, X축에서 수평방향(Y축)으로 분포 함수, 누출된 플럼의 온도이다.
상기 HGSYSTEM 운영엔진의 입력파일 생성기는 상기 HGSYSTEM의 모든 모듈에 텍스트 형태의 입력파일을 제공하기 위한 것으로서, 입력파일은 HGSYSTEM의 각 모듈별로 상이하므로 상기 입력파일 생성기는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 값을 이용하여 입력양식을 각각의 모듈 양식에 맞춰 생성한다.
상기 HGSYSTEM 운영엔진의 출력파일 해석기는, HGSYSTEM에서 제공하는 모든 모듈의 구동 평가 결과는 비정형 텍스트 형태로 출력되므로 이를 해석하여 정형화된 데이터로 변환하여 사용자인터페이스의 출력을 위해 활용되도록 제공한다.
상기 사용자 인터페이스의 GIS 모듈에서는, 계산된 확산영향범위를 표현할 경우, EPSG 900913좌표 체계를 m단위의 비율변경이 없는 TM좌표로 변경하여 정확한 좌표를 계산한 후 이를 다시 EPSG 900913좌표로 변경하여 적용하되,
EPSG 900913좌표는 TM좌표로 바로 변경하기 어렵기 때문에 전지구 좌표계(WGS84 위경도 좌표계)를 중간단계로 사용하여 두 개의 좌표체계를 서로 변환하되, 아래 수식에 의해 EPSG 900913좌표를 전지구 좌표계로 변환한다.
Figure 112020113398483-pat00003
상기 사용자 인터페이스의 시나리오 입력모듈에서는, 용기에 저장된 물질의 상태와 누출 정보를 사용자에게 입력 받아 확산 시뮬레이션을 구동하는데, 시나리오 입력모듈을 통해 사용자가 입력하는 정보는 시나리오명, 사고물질에 대한 기본정보와, 풍향, 풍속 등의 기상정보와, 용기온도, 용기압력 등의 누출정보와, 농도기준과, 관심지점에 대한 정보이다.
상기 사용자 인터페이스의 화산평가 출력모듈에서는 확산평가 결과를 확인할 수 있는데, 그 형태는 누출기본정보, 누출된 화학물질의 대기중 농도를 위에서 내려다 본 Foot-Print 컨투어와 옆에서 농도를 관찰한 Side-View 컨투어의 어느 한가지 이상으로 제공된다.
이와 같이 구성되어진 본 발명에서는,
대형화학 사고에 의한 화학재난 발생 시 전문적이고 과학적인 Forensic 조사와 분석을 통해 명확한 사고의 원인을 규명함으로써 동일한 사고를 예방할 수 있도록 한다.
또한, 화학사고의 과학적 원인조사를 위해서는 수치기반의 사고피해영향을 분석할 수 있는 도구가 필수적으로 요구되는데, 화학사고 원인조사 시 피해영향을 분석할 수 있는 도구 즉, 프레임워크(프로그램이나 시스템)를 구축함으로써, 재난원인조사단의 과학적 원인조사 활동을 실제와 차이가 없을 정도로 지원하되,
IT 프로그램 기술을 이용한 모델링 분석기술의 구현 표출 프로그램을 사용하여 화학사고의 유형별, 규모별 시뮬레이션 기술현황과 시뮬레이션 분석을 위한 기술적 지도 그리고 확산 피해영향범위 도출 기반의 의사결정지원 프레임을 병행할 수 있도록 하는 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템의 세부 구성에 대해 설명한 도표이다.
도 3은 본 발명에서 HGSYSTEM 운영엔진의 입력화일생성기에 의해 생성된 근거리 확산모듈 입력화일의 예시도이다.
도 4는 본 발명에서 HGSYSTEM 운영엔진의 출력화일해석기에 의해 생성된 확산평가 모듈 결과 출력 화일의 예시도이다.
도 5는 본 발명에서 사용자 인터페이스의 GIS 모듈에서 제공되는 화면의 예시도이다.
도 6은 본 발명에서 사용자 인터페이스의 시나리오 입력모듈에서 누출시나리오 설명화면의 예시도이다.
도 7은 본 발명에서 사용자 인터페이스의 확산평가 출력모듈에서 누출기본정보 화면의 예시도이다.
도 8은 본 발명에서 사용자 인터페이스의 확산평가 출력모듈에서 Side-View 컨투어 화면의 예시도이다.
도 9는 본 발명에서 사용자 인터페이스의 확산평가 출력모듈에서 Foot-Print 컨투어 화면의 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 결코 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 화학사고 발생에 따른 피해의 결과를 표출하는 시뮬레이션에 대한 발명으로서,
화학사고 발생에 요구되는 물리학적 개념만을 이용하여 피해결과를 해석하고 그 결과를 2D 지도위에 표출하는 방식인 현상학적 시뮬레이션 방법을 사용하고 있는데,
현상학적 시뮬레이션은 일반적으로 활용되는 화학사고 결과의 표출방식으로 대부분의 화학사고 발생 시 피해결과를 분석하는데 적용되는 접근 방법이며, 실제 구조를 단순화하고 초기온도와 압력 등을 고려하여 예측하는 방법으로 화학사고에 대한 피해결과와 원인 분석을 위해 사용되었다.
화학사고에 대한 시뮬레이션은 실제 발생된 사고에 대한 원인조사를 위한 수치해석 분야와, 사고가 발생되지는 않았지만 안전을 확보하기 위한 정량적 위험성 평가 차원의 수치해석 분야로 구분되는데,
본 발명에서 화학사고 발생에 따른 피해영향을 모델링할 수 있는 시뮬레이션 기술은 현상학적 모델을 기반으로 프로그램이 개발되어 활용되고 있다.
분산모델은 유독물질이 사고지점에서 공장이나 다른 인근지역으로 분산되는 현상을 수치로 해석하기 위한 것으로, 누출될 경우 위험물질은 플럼(plume)이나 퍼프(puff)의 형태로 바람을 타고 이동하는데, 이때 누출된 물질의 최대 농도는 누출지점에서 발생하며 지표면이 아닐 수도 있다.
위험물질은 공기로 분산되어 급격하게 혼합됨에 따라 농도는 바람의 진행방향으로 분산되면서 낮아지게 되는데, 이 경우 여러 매개변수가 위험물질의 대기 확산에 영향을 주며 이는 다음과 같다.
- 바람의 속도(wind speed)
- 대기의 안정도(atmospheric stability)
- 지표면의 조건(Ground condition)
- 누출지점의 높이
- 누출된 물질의 부력과 운동량
플럼(Plume)의 분산형태로 바람의 속도가 증가하면 증기운(cloud)은 길고 가늘게 바람이 부는 방향으로 이동하며 공기에 의해 빠르게 희석된다. 이는 연속누출의 경우이며, 순간누출의 경우에는 증기운의 형태로 퍼프(Puff) 형태를 나타낸다.
Figure 112020113398483-pat00004
대기안정도(Atmospheric stability)는 공기의 수직적 혼합과 관련이 있다. 이는 고도가 증가함에 따라 낮 동안 공기온도가 급속히 낮아져 수직으로의 이동이 증가하는 것으로 낮과 밤 동안의 온도변화는 일시적으로 역전현상(Inversion)이 일어날 수 있으며 역전현상이 일어나는 동안의 온도는 높이에 따라 높아지며 이로 인해 작게나마 수직이동이 일어나는데, 이러한 현상은 일반적으로 대지가 냉각되는 밤에 일어난다.
대기안정도는 불안정, 중간안정 그리고 안정이라는 3개의 안정도 등급으로 분류된다. 불안정한 대기조건은 이른 아침과 같이 지표가 잃는 열보다 태양이 지표면을 더 가열하여 지면 부근의 공기온도가 고도가 높은 곳의 공기온도 보다 높은 경우로 이 경우, 더워진 공기는 부피가 늘어나면서 상승하게 되며 이런 부력 효과는 대기의 기계적 난류흐름을 강화시킨다.
중성을 나타내는 안정도의 경우, 태양에너지나 일사량의 감소로 인하여 지표면 위의 공기가 더워지면서 풍속이 증가하는데, 이 경우, 공기온도의 차이는 대기의 난류에 영향을 주지는 않는다.
대기조건이 안정된 경우, 태양은 지면이 차가워지는 만큼 빠르게 지면을 가열할 수 없어 지표의 온도는 높은 고도의 공기 온도보다 낮아지게 된다. 이로 인해 낮은 밀도의 공기 아래에 높은 밀도의 공기가 존재함으로 공기의 수직이동은 발생하지 않아 대기는 안정되는데, 이와 같은 부력의 영향은 난류를 억제할 수 있다.
대지조건(Ground condition)은 지표면에서의 역학적 혼합과 높이에 따라 바람의 특성에 영향을 주는데, 호수나 개방된 영역이 혼합효과를 줄이는 반면 나무와 빌딩은 혼합효과를 증대시킨다. 누출높이는 대지의 농도에 큰 영향을 주며, 누출높이가 높을수록 대지의 농도는 감소하게 되는데 이는 플럼(Plume)이 수직으로 더 많은 거리에서 분산되기 때문이다.
만약, 가스의 밀도가 공기보다 낮은 경우 누출된 가스는 초기에 양성부력을 가지게 되며 이로 인해 위로 상승할 것이나, 가스가 공기보다 무거운 밀도를 가질 경우에는 누출 가스는 초기에 음성부력을 가져 지면으로 가라앉을 것이다. 모든 가스는 순풍향(Downwind)으로 이동하며 신선한 공기와 혼합하여 농도는 희석되고 결국 중성부력에 도달하는 점에 도달한다. 또한, 이 시점에서의 분산은 대기 난류에 의해 지배된다.
위험물질의 누출에 대해 분산모델을 적용하면 누출지점에서 주변지역으로 퍼져나가는 확산현상을 수치로 해석할 수 있으며 이를 기반으로 피해영향 범위를 예측할 수 있다. 하지만, 이러한 수치해석은 실제 발생된 사고의 현상과 완전하게 일치할 수 있을 정도로 정밀한 해석결과를 제시하지는 않는다.
실제 발생된 사고현상과 완전하게 일치할 수 있는 정밀한 수치해석 접근방법은 현재 존재하지 않으며 이를 위해 동일한 조건하에서 물리적인 실험을 진행한다 하더라도 대규모 영역에 진행되는 확산실험에 관여되는 풍속, 풍향, 습도 등의 변수가 너무 많아 결과 값에 항상 오차가 발생한다. 이를 위해 선진국에서는 완전히 동일하지는 않으나 사고현상과 유사하게 분석할 수 있는 시뮬레이션 방법을 적용하고 있다.
시뮬레이션 방법의 경우, 실제사고와 가장 근접한 결과를 수치적으로 해석하기 위해서는 사고시점과 동일한 조건의 여러 조건 변수들이 유사하게 정보로서 입력되어야 한다. 우선, 입력정보는 크게 3개의 항목으로 분류할 수 있으며 각 항목에 포함된 세부 입력정보는 물질의 열역학적 특성과 외부조건 그리고 공정조건에 따라 다음과 같이 나뉜다. 또한, 사고조사가 이루어지는 경우, 아래에 제시된 3개의 항목에 대해 심도 있고 정밀하게 정보가 수집되어야 한다.
Figure 112020113398483-pat00005
도 1은 본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템의 세부 구성에 대해 설명한 도표이다.
본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이 크게 3개의 모듈이 상호 연계되어 동작하도록 개발되었으며, 각각의 모듈은 다시 도 2에서와 같은 세부 모듈로 구성된다.
즉 본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템은,
화학사고 발생에 따른 피해의 결과를 표출하기위한 시뮬레이션으로서, 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(이하, HGSYSTEM 모델이라 칭함)과; 상기 HGSYSTEM 모델을 구동하기 위한 HGSYSTEM 운영엔진과; 상기 HGSYSTEM 운영엔진을 구동하기 위한 사용자 인터페이스로 구성되는데.
상기 HGSYSTEM 모델은, HGSYSTEM의 확산평가 모듈에 사용되는 화학물질의 물리화학적 물성치를 제공하기 위한 화학물질 모듈과, 누출 모멘텀에 의한 확산평가를 수행하기 위한 근거리 확산모듈과, 바람에 의한 확산평가를 수행하기 위한 원거리 확산모듈로 구성되고,
상기 HGSYSTEM 운영엔진은, 상기 HGSYSTEM의 각 모듈을 구동하기 위한 입력파일을 생성하기 위한 입력파일 생성기와, 상기 HGSYSTEM 각 모듈의 결과파일을 해석하여 구조화된 자료로 변환하기 위한 출력파일 해석기로 구성되고,
상기 사용자 인터페이스는, 확산평가 출력 결과를 지도상에 출력하는 기능을 제공하기 위한 GIS 모듈과, 확산평가를 구동하기 위한 인자를 입력하는 기능을 제공하기 위한 시나리오 입력 모듈과, 확산평가 결과를 표, 차트 등을 통해 표현하는 기능을 제공하기 위한 확산평가 출력 모듈로 구성된다.
본 발명에 따른 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(이하, HGSYSTEM 모델이라 칭함)은 윈도우 응용프로그램 형태로 개발되어 사용자 PC에서 설치하여 사용할 수 있으며 아래 표는 확산 시뮬레이션 프로토타입 프로그램의 운영환경을 상세하게 나타낸 것이다.
Figure 112020113398483-pat00006
상기 HGSYSTEM의 경우 누출과 근거리 확산모듈, 원거리 확산모듈로 구성되고. 각각의 모듈은 모두 화학물질의 물성치를 사용하여 구동되며, HGSYSTEM은 DATAPROP이라고 불리는 모듈을 통해 각 모듈에 필요한 물성치 정보를 제공받을 수 있는데, DATAPROP 모듈은 30개의 현재 30여종의 물성치를 지원하며 DATAPROP 모듈이 지원하는 물질목록은 다음과 같다.
Figure 112020113398483-pat00007
HGSYSTEM 모듈별 필요한 물성치는 각각의 모듈별로 약간 상이하나 크게 다르지는 않다. 아래 도표 는 각각의 모듈에서 사용되는 HGSYSTEM 물성치를 하나의 표에 나타낸 것이다.
Figure 112020113398483-pat00008
HGSYSTEM은 증기압을 제외한 물성치는 상수로 온도압력에 따른 변화를 고려하지 않는다. 증기압의 경우 온도에 따른 변화가 크기 때문에 HGSYSTEM은 증기압을 온도 함수를 통해 계산하며 그 온도 함수는 다음과 같다.
Figure 112020113398483-pat00009
본 발명에 따른 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(이하, HGSYSTEM 모델이라 칭함)에서는 누출과 동시에 강한 압력으로 분사되는 상태의 확산거동을 해석하는 모델을 제공하고 있으며, 본 발명에서는 이 모델을 근거리 확산모듈로 지칭한다.
근거리 확산모듈의 특성은 바람에 의한 영향보다는 누출 모멘텀에 의한 영향이 확산거동에 더 많은 영향을 미치는 상태를 모사하는데, HGSYSTEM에서 제공하는 근거리 확산모듈의 입력 요소는 다음과 같다.
Figure 112020113398483-pat00010
근거리 확산모듈은 위의 입력요소에 의해 구동되며 아래와 같은 확산평가 결과를 출력한다.
Figure 112020113398483-pat00011
HGSYSTEM은 근거리 확산 모델을 이용하여 누출 모멘텀이 지배하는 영역에서의 확산 거동을 해석하지만 모멘텀이 소멸된 이후부터는 원거리 확산모듈을 적용하여 바람에 영향을 받는 확산 거동을 해석하는데, HGSYSTEM에서 제공하는 원거리 확산모듈의 입력 요소는 다음과 같으며 대부분 바람과 지표면에 대한 정보이다.
Figure 112020113398483-pat00012
원거리 확산모듈은 위의 입력요소에 의해 구동되며 아래와 같은 확산평가 결과를 출력한다.
Figure 112020113398483-pat00013
HGSYSTEM에서 제공하는 모든 모듈은 텍스트 형태의 입력파일을 기반으로 구동되므로 각 모듈별로 이를 구동하기 위한 입력파일 생성기가 필요하다. 입력파일은 HGSYSTEM의 각 모듈별로 상이하며 개발된 입력파일 생성기는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 값을 이용하여 입력양식을 각각의 모듈 양식에 맞춰 생성한다.
도 3은 본 발명에서 HGSYSTEM 운영엔진의 입력화일생성기에 의해 생성된 근거리 확산모듈 입력화일의 예시도로서 여기에서 보면, 입력파일 생성기에 의해 생성된 근거리확산 모듈의 입력파일로 근거리 확산모듈의 입력요소가 잘 나타나 있음을 알 수 있다.
한편, HGSYSTEM에서 제공하는 모든 모듈의 구동 평가 결과는 비정형 텍스트 형태로 출력되는데, 확산 시뮬레이션 프로토타입 프로그램은 이를 해석하여 정형화된 데이터로 변환하여 사용자인터페이스의 출력을 위해 활용한다.
도 4는 본 발명에서 HGSYSTEM 운영엔진의 출력화일해석기에 의해 생성된 확산평가 모듈 결과 출력 화일의 예시도로서, HGSYSTEM의 확산평가 구동 모듈의 결과 파일을 나타낸 것으로 사람이 읽어서 내용을 파악할 수 있는 비정형 형태로 구성되어 있음을 알 수 있다.
확산 시뮬레이션 프로토타입에서는 이러한 비정형 데이터를 구조체 형태로 변환할 수 있는 텍스트 해석기를 구현하였으며 HGSYSTEM의 각 모듈의 출력 형태가 다르기 때문에 출력파일 해석기는 HGSYSTEM가 제공하는 각 모듈별로 구현되었다.
본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인분석 시스템에서는 확산피해거리곡선을 지도상에 표현하므로 GIS 기반 구축이 필요한데, 교통부에서 구축한 브이월드 지도 서비스를 활용하여 프로토타입 프로그램을 운영하는데 필요한 지도 기반을 구축하였으며 브이월드가 제공해 주는 오픈 API (Application Programming Interface)를 활용하여 다양한 기능을 구현하였다.
또한 브이월드 지도 서비스는 기본적으로 웹 브라우저(Web Browser)를 통해서만 활용할 수 있기 때문에 프로토타입 프로그램과 같이 윈도우 응용 프로그램 형태로 구축된 시스템에 이를 적용하기 위해 별도의 인터페이스 기술을 적용하였다. (도 5참조)
GIS 시스템 아키텍처를 기반으로 윈도우 응용프로그램 수준에서 브이월드를 완전하게 제어할 수 있는 체계가 수립되었으며 브이월드에서 발생한 이벤트가 윈도우 응용프로그램에 전달될 수 있도록 하여 효과적인 GIS구축을 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.
브이월드의 지도 서비스 이외에도 지번, 주소(구주소, 새주소)등을 통해 GIS상 위치를 추적할 수 있는 지도 검색서비스를 부가적으로 활용하였으며 이를 통해 사용자가 원하는 위치를 신속하게 찾아갈 수 있도록 구성하였다. 구축된 GIS 기술기반 위에 구현된 관련 세부 기능은 아래와 같다.
- 드로잉 API를 이용한 지도상 선 그리기 및 선 끝점 좌표 획득
- 마우스 클릭 이벤트를 이용한 특정 위치 지정 및 좌표획득
- 지도상 이미지 형태의 마커 지정 및 이동, 삭제
- 지도상 폴리곤 형태 개체 표현 및 삭제
- 지도상 특정 개체를 화면중심으로 이동
- 지도 확대 축소 및 거리·면적 측정
브이월드가 사용하는 좌표계는 외국계 지도서비스(구글, 빙, 야후 등)가 대부분 사용하고 있는 EPSG 900913 좌표계를 사용하고 있다. EPSG 900913 좌표계는 기본적으로 m단위를 사용하나 위치에 따라 비율이 달라 지도상에 확산영향범위를 좌표로 지정하면서도 정확한 거리를 유지해야 되는 상황에서는 항상 오차를 수반하게 된다.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 계산된 확산영향범위를 표현할 경우, 브이월드에 적용된 EPSG 900913좌표 체계를 m단위의 비율변경이 없는 TM좌표로 변경하여 정확한 좌표를 계산한 후 이를 다시 EPSG 900913좌표로 변경하여 브이월드에 적용하는 방법을 사용하였다. EPSG 900913좌표는 TM좌표로 바로 변경하기 어렵기 때문에 전지구 좌표계(WGS84 위경도 좌표계)를 중간단계로 사용하여 두 개의 좌표체계를 서로 변환하였다. 아래는 본 연구에서 사용한 EPSG 900913좌표를 전지구 좌표계로 변환하는 수식이다.
Figure 112020113398483-pat00014
이러한 변환을 통해 확산영향범위 곡선정보를 브이월드 상에 정확히 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인분석 시스템에서는 누출 시나리오 입력모듈을 통해 용기에 저장된 물질의 상태와 누출 정보를 사용자에게 입력 받아 확산 시뮬레이션을 구동하는데, 시나리오 입력모듈을 통해 사용자가 입력하는 정보는 다음과 같다.
Figure 112020113398483-pat00015
시나리오 입력 모듈은 단순 사용자 입력을 처리하는 작업 외에 필요한 요소를 입력하지 않으면 경고 메시지를 출력하고 시나리오 입력 작업이 완료될 수 없도록 유효성 검사를 처리하는 로직을 탑재하였다. 도 6은 본 발명에서 사용자 인터페이스의 시나리오 입력모듈에서 누출시나리오 설명화면의 예시도이다.
본 발명에 따른 화학재난 피해범위 예측 및 원인분석 시스템에서는 누출 시나리오 입력이 완료되면 확산평가 출력모듈을 통해 확산평가 결과를 확인할 수 있으며 그 형태는 누출기본정보, 누출된 화학물질의 대기중 농도를 위에서 내려다 본 Foot-Print 컨투어와 옆에서 농도를 관찰한 Side-View 컨투어 3가지이다.
여기서 Foot-Print 컨투어는 GIS상에 표현하고 Side-View컨투어는 그래프를 통해 표현하는데,
도 7, 8, 9는 확산 시뮬레이션 프로토타입의 출력 형태를 누출기본정보, Side- View 컨투어, Foot-Print 컨투어의 순서대로 나타낸 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 이처럼 본 발명은 이들이 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항들의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

Claims (10)

  1. 화학사고 발생에 따른 피해의 결과를 표출하기위한 시뮬레이션으로서, 현상학적 접근방법에 의한 시뮬레이션 모델(HGSYSTEM 모델이라고도 칭함)과; 상기 HGSYSTEM 모델을 구동하기 위한 HGSYSTEM 운영엔진과; 상기 HGSYSTEM 운영엔진을 구동하기 위한 사용자 인터페이스로 구성되는데.
    상기 HGSYSTEM 모델은, HGSYSTEM의 확산평가 모듈에 사용되는 화학물질의 물리화학적 물성치를 제공하기 위한 화학물질 모듈과, 누출 모멘텀에 의한 확산평가를 수행하기 위한 근거리 확산모듈과, 바람에 의한 확산평가를 수행하기 위한 원거리 확산모듈로 구성되고,
    상기 HGSYSTEM 운영엔진은, 상기 HGSYSTEM의 각 모듈을 구동하기 위한 입력파일을 생성하기 위한 입력파일 생성기와, 상기 HGSYSTEM 각 모듈의 결과파일을 해석하여 구조화된 자료로 변환하기 위한 출력파일 해석기로 구성되고,
    상기 사용자 인터페이스는, 확산평가 출력 결과를 지도상에 출력하는 기능을 제공하기 위한 GIS 모듈과, 확산평가를 구동하기 위한 인자를 입력하는 기능을 제공하기 위한 시나리오 입력 모듈과, 확산평가 결과를 표, 차트 등을 통해 표현하는 기능을 제공하기 위한 확산평가 출력 모듈로 구성되는데,
    상기 HGSYSTEM 모델은 윈도우 응용프로그램 형태로서 사용자 PC에 설치되어 사용되므로 DATAPROP의 모듈을 통해 화학물성치 정보를 제공받으며, 웹 브라우저(Web Browser)를 통해서만 지도서비스가 제공되기 위해 윈도우 응용프로그램 형태로 구축된 시스템에 별도의 인터페이스 기술에 의해 제공되어지되, GIS 시스템 아키텍처를 기반으로 윈도우 응용프로그램 수준에서 제어되도록 구축됨으로써 각종 이벤트가 윈도우 응용프로그램에 전달되어 효과적인 GIS구축이 수행되고,
    상기 지도서비스에서 사용된 좌표계는 오차를 수반하기 쉬운 EPSG 900913 이므로, 이를 m 단위의 비율변경이 없는 TM 좌표로 변경하여 정확한 좌표를 계산한 후 다시 EPSG 900913 좌표로 변경하여 상기 지도서비스에 적용하되, 상기 EPSG 900913 좌표는 TM 좌표로 바로 변경하지 않으므로 전지구 좌표계(WGS84 위경도 좌표계)를 중간단계로 사용하여 두개의 좌표체계를 서로 변화하도록 구성되며,
    상기 HGSYSTEM 모델의 화학물질 모듈, 근거리 확산모듈과 원거리 확산모듈은 모두 텍스트 형태의 입력파일을 기반으로 구동되고, 이에 따라 상기 입력파일 생성기는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 값을 이용하여 입력양식을 각각의 모듈양식에 맞도록 생성하며,
    상기 HGSYSTEM 모델의 화학물질 모듈, 근거리 확산모듈과 원거리 확산모듈의 구동평가 결과는 비정형 텍스트형태로 출력되는데, 상기 출력파일 해석기는 사용자 인터페이스를 통해 이를 해석하고 정형화함으로써 출력양식을 각각의 모듈양식에 맞도록 생성하는 것을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 HGSYSTEM 모델은 누출과 근거리 확산모듈, 원거리 확산모듈로 구성되는데, 각각의 모듈은 모두 화학물질의 물성치를 사용하여 구동되고, HGSYSTEM은 별도의 모듈을 통해 각 모듈에 필요한 물성치 정보를 제공받는 것을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 HGSYSTEM 모델의 근거리 확산모듈은, 누출과 동시에 강한 압력으로 분사되는 상태의 확산거동을 해석하기 위한 것으로서, 바람에 의한 영향보다는 누출 모멘텀에 의한 영향이 확산거동에 더 많은 영향을 미치는 상태를 모사하므로, 상기 근거리 확산모듈의 입력 요소로는 저장용기 온도, 저장용기 압력, 저장물질 물성치, 누출직경, 누출높이, 누출각, 풍속, 대기온도, 대기압력, 상대습도, 지면거칠기, 대기안정도를 포함하고, 확산평가 결과로는 누출원에서 Downwind방향으로의 거리, 누출된 플럼의 중심축의 수직높이, 누출된 플럼의 직경, 누출된 플럼의 평균 볼륨 농도, 누출된 플럼의 온도, 누출된 플럼의 액상 비율, X지점에 도달할 때까지 걸린 시간인 것을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 HGSYSTEM 모델의 원거리 확산모듈은, 모멘텀이 소멸된 이후 바람에 영향을 받는 확산 거동을 해석하기 위한 것으로서, 상기 원거리 확산모듈의 입력 요소로는 풍속, 대기온도, 대기압력, 상대습도, 지면거칠기, 대기안정도, 평균시간, 초기농도(%), 누출물질 물성치를 포함하고, 확산평가 결과로는 누출지점으로부터 Downwind방향으로의 거리, Downwind방향으로 X축에서의 최대 농도, X축에서 수직방향(Z축)으로 분포 함수, X축에서 수평방향(Y축)으로 분포 함수, 누출된 플럼의 온도인 것을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스의 시나리오 입력모듈에서는, 용기에 저장된 물질의 상태와 누출 정보를 사용자에게 입력 받아 확산 시뮬레이션을 구동하는데, 시나리오 입력모듈을 통해 사용자가 입력하는 정보는 시나리오명, 사고물질에 대한 기본정보와, 풍향, 풍속 등의 기상정보와, 용기온도, 용기압력 등의 누출정보와, 농도기준과, 관심지점에 대한 정보임을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스의 화산평가 출력모듈에서는 확산평가 결과를 확인할 수 있는데, 그 형태는 누출기본정보, 누출된 화학물질의 대기중 농도를 위에서 내려다 본 Foot-Print 컨투어와 옆에서 농도를 관찰한 Side-View 컨투어의 어느 한가지 이상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 화학재난 피해범위 예측 및 원인 분석 시스템.






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