KR102371467B1 - 해양 부이 관측망 설계방법 - Google Patents

해양 부이 관측망 설계방법 Download PDF

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KR102371467B1
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observation network
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vertices
observation
ocean
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김남훈
권재일
허기영
최진용
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계됨으로 인해 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결하기 위해, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해, 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공된다.

Description

해양 부이 관측망 설계방법{Method for designing ocean buoy observation network}
본 발명은 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, 기존의 해양 관측망들은 대부분은 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계되고 있으며, 이로 인해, 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결하기 위해, 실제 해양현상을 사실적으로 재현할 수 있는 고해상도 수치모델 자료를 기반으로 실제 해역의 전역 또는 지역적 특성을 관측하기 위한 최적의 관측지점을 선택할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결하기 위해, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해, 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 공학적 기법에 근거하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 하기 위해, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로 활용될 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
최근, 전지구적인 온난화 등과 같은 기후변화나 기존에 없던 기상이변이 빈번히 발생함에 따라 이러한 환경이나 기후변화에 대한 관심이 높아지고 있고, 이러한 추세는 기상분야 뿐만 아니라 해양 분야에도 이어지고 있다.
이에, 최근에는, 기후변화에 기인한 해양환경 변화를 감시하거나 해양 예측모델의 정확도 향상 등을 위한 해양 관측정보의 수요가 증가하면서 효율적인 해양 관측망 구성의 필요성이 제기되고 있는 상황이다.
여기서, 특히, 해양 관측용 부이(buoy)나 과학기지와 같은 형태의 관측망은 설치 및 운용에 막대한 비용이 소요됨에 따라 의사결정 과정에서 보다 합리적인 위치에 관측을 위한 정점을 배치하여 양질의 관측자료 취득이 요구된다.
그러나 현재로서는, 국내외적으로 관측망을 설계하기 위한 제도적인 표준 가이드라인이 부재한 상황이며, 특히, 우리나라 주변해역 부이 관측망은 대부분 연안 해역에 집중되어 있기 때문에 외해역 감시를 목적으로 하는 관측망의 확대 운영 필요성이 제기되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 해양환경에 대한 다양한 관측자료를 취득하기 위한 장치나 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2019-0038211호에 제시된 바와 같은 "실시간 위치기반 표준형 등부표용 해양 감시 시스템"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2019-0038211호는, 표준형 LED 등명기, 해수면에 뜨는 부상체, 해수상태를 감지 및 수집하는 해수측정기, 해수측정기와 연결되어 데이터를 전송받으며 무선통신망을 이용하여 원격지에 수집데이터를 교류하는 무선중계기, 해수측정기와 무선중계기로 전원을 공급하는 솔라 전원공급장치를 포함하여, 표준형 LED 등명기의 하단에 간편하게 장착 가능하도록 구성됨으로써, 표준형 등부표를 활용하여 특히 파고 분야의 해양 관측장치에 있어서 도입 및 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 실시간 위치기반 표준형 등부표용 해양 감시 시스템에 관한 것이다.
또한, 상기한 바와 같이 해양환경에 대한 다양한 관측자료를 취득하기 위한 해양 관측장치나 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1200895호에 제시된 바와 같은 "무선통신 모뎀을 이용한 해양관측 부이 시스템 및 그 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1200895호는, 기 설정된 관측시간이 되면 기 설정된 관측범위를 계류용 와이어 로프(Mooring Wire Rope)를 따라 수중이동 하면서 해양상태를 관측하여 수심별 해양상태 관측결과를 생성하고 해양상태 관측결과가 무선통신 모뎀을 통해 부이 장치에 전송되도록 처리하는 프로파일 장치 및 무선통신 모뎀을 이용하여 프로파일 장치의 동작을 제어하며 프로파일 장치로부터 전송받은 수심별 해양상태 관측결과가 통신망을 통해 관리자 단말기에 전송되도록 처리하는 부이 장치를 포함하여, 별도의 유선통신 케이블을 구비할 필요가 없으므로 해저에 신속하고 간편하게 설치할 수 있도록 구성되는 무선통신 모뎀을 이용한 해양관측 부이 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 해양환경에 대한 다양한 관측자료를 취득하기 위한 해양 관측장치나 방법에 대하여 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 해양 환경을 관측하기 위하여는 광범위한 해역에 걸쳐 관측장비를 적절한 위치에 적절한 개수로 배치하고 지속적으로 데이터를 수집하는 것이 중요하나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 단지 개별적인 관측장비나 방법에 관한 기술내용만을 제시하고 있을 뿐, 특정 해역에 대하여 적절한 위치 및 개수로 관측장비를 배치하여 관측망을 구축하는 기술내용에 대하여는 제시된 바 없었다.
더 상세하게는, 해양 관측망에 있어서, 국내외적으로 관측망을 설계하기 위한 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황으로, 현행 관측망 대부분은 연구자나 실무자의 경험 또는 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 결정되고 있는 실정이며, 이에, 공학적 근거에 기반한 체계적인 관측망 체계 수립이 요구되고 있으나, 조사정점의 개수 및 위치나 배열 등을 선정하기 위한 기술적인 방안은 부재한 상태이다.
이에, 상기한 바와 같이 관측 정점의 개수 및 위치를 적절히 선정하여 해양 관측망을 설계하기 위한 기술적 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로도 활용 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 해양 관측망 설계방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2019-0038211호 (2019.04.08.) 한국 등록특허공보 제10-1200895호 (2012.11.07.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계됨으로 인해 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결하기 위해, 실제 해양현상을 사실적으로 재현할 수 있는 고해상도 수치모델 자료를 기반으로 실제 해역의 전역 또는 지역적 특성을 관측하기 위한 최적의 관측지점을 선택할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법을 제시하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 공학적 기법에 근거하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 하기 위해, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로 활용될 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 해양 부이 관측망을 구축하기 위해 최적의 정점배열을 선택하기 위한 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행되도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 있어서, 상기 처리는, 관측망을 설치하고자 하는 대상해역을 선정하는 처리가 수행되는 대상해역 선정단계; 상기 대상해역 선정단계에서 선정된 상기 대상해역에 대한 수치모델을 구축하는 처리가 수행되는 수치모델링단계; 상기 대상해역에 대하여 기존 정점 외에 추가로 설치될 설계정점의 개수를 설정하는 처리가 수행되는 설계정점 개수 설정단계; 상기 대상해역에 대하여 구축된 수치모델을 이용하여 관측망을 구축하기 위한 최적의 정점배열을 나타내는 최적해를 추출하는 처리가 수행되는 다중목적 최적화 단계; 상기 다중목적 최적화 단계에서 추출된 상기 최적해들 중 설계용도에 적합한 정점배열을 선택하는 처리가 수행되는 정점배열 선택단계; 및 상기 정점배열 선택단계에서 선택된 정점배열을 이용하여 상기 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점을 선정하여 관측망의 설계를 수행하는 처리가 수행되는 정점선정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공된다.
여기서, 상기 수치모델링단계는, 상기 대상해역에 대한 수치모델을 구축하고, 상기 대상해역에 대한 관측자료를 이용하여 구축된 상기 수치모델에 대한 검증 및 교정을 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 설계정점 개수 설정단계는, 상기 대상해역 내에 정규격자 형태로 초기 정점배열을 구성하고, 상기 대상해역에 대하여 기존에 존재하는 정점 외에 추가로 설치될 설계정점의 개수를 설정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 다중목적 최적화 단계는, 상기 수치모델로부터 기존 정점 및 초기 정점에 대한 각 항목의 값을 추출하고, 상기 초기 정점들 중 임의의 상기 설계정점의 위치를 선택하고 최적 내삽기법(Optimal Interpolation ; OI)을 이용하여 공간분포를 재구성하는 처리가 각각의 상기 설계정점에 대하여 반복 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 다중목적 최적화 단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 평균제곱오차(Mean Square Error, MSE)를 포함하는 정량적 함수를 사용하여 설계항목별로 목적함수 f를 구축하고,
Figure 112020127110109-pat00001
(여기서, 참값(True)은 수치모델값을 의미하며, 추정값(Estimate, Est.)은 재구성값을 의미함.)
이하의 수학식을 이용하여, 가중치결합(Weighted Sum)을 통해 상기 목적함수 f를 단일 목적함수 F로 변환하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020127110109-pat00002
또한, 상기 다중목적 최적화 단계는, 상기 초기 정점배열 중 상기 설계정점의 위치를 변경해 가면서 상기 목적함수 F가 최소가 되는 지점을 탐색하는 처리가 반복적으로 수행됨으로써, 초기정점 중 설계정점 개수에 대한 정점의 최적위치를 나타내는 최적해를, 가중치별로 항목별 목적함수를 트레이드 오프(trade-off) 시키면서 최적의 효율을 달성할 수 있는 비열등해(non-inferior solutions)들의 집합체인 파레토 프론트(Pareto-Front) 형태로 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 정점배열 선택단계는, 파레토 프론트 기반의 상기 최적해들의 집합 중 설계용도에 따라 적절한 정점배열을 선택하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 정점선정단계는, 상기 정점배열 선택단계에서 선택된 정점배열에 근거하여 상기 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점들을 선택하는 것에 의해 상기 대상해역에 대한 관측망의 설계를 수행하는 처리가 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 해양 환경을 관측하기 위한 복수의 해양 관측용 부이를 포함하여 구성되는 해양 부이 관측망에 있어서, 상기에 기재된 해양 부이 관측망 설계방법을 이용하여 구축된 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계됨으로 인해 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 실제 해양현상을 사실적으로 재현할 수 있는 고해상도 수치모델 자료를 기반으로 최적화 기법을 활용하여 실제 해역의 전역 또는 지역적 특성을 관측하기 위한 최적의 관측지점을 선택할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 공학적 기법에 근거하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법에서 대상해역 선정 및 초기 정점 배열을 설정하는 과정에 대한 예시를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법에 따라 정점설계를 수행한 결과에 대한 예시를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 해양 부이 관측망 설계방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계됨으로 인해 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결하기 위해, 실제 해양현상을 사실적으로 재현할 수 있는 고해상도 수치모델 자료를 기반으로 실제 해역의 전역 또는 지역적 특성을 관측하기 위한 최적의 관측지점을 선택할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 공학적 기법에 근거하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 하기 위해, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로 활용될 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 해양 부이 관측망 설계방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 해양 관측망을 설계하기 위해 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 설계정점의 개수와 위치는 다중목적 최적화 기법과 최적 내삽기법(Optimal Interpolation ; OI)을 융합하여 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해는 부이 관측망을 의미하고, 관측 항목별로 가중치를 부여하여 여러가지 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트(Pareto-Front) 형태로 추출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 나누어, 먼저, 관측망을 설치하고자 하는 대상해역을 선정하는 대상해역 선정단계(S10)와, 선정된 대상해역에 대한 관측자료를 이용하여 대상해역에 대한 수치모델을 구축하는 수치모델링단계(S20)와, 대상해역에 대하여 기존 정점 외에 추가로 설치될 정점의 개수(k)를 설정하는 설계정점 개수 설정단계(S30)와, 대상해역에 대하여 구축된 수치모델에 다중목적 최적화, 최적 내삽기법(Optimal Interpolation ; OI) 및 가중치결합(Weighted Sum)을 적용하는 과정을 통하여 파레토 프론트(Pareto-Front) 형태의 최적해를 추출하는 다중목적 최적화 단계(S40)와, 추출된 파레토 프론트 기반의 최적해들 중 설계용도에 적합한 정점배열(위치)을 선택(의사결정)하는 정점배열 선택단계(S50)와, 선택된 정점배열을 이용하여 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점을 선정하는 정점선정단계(S60)를 포함하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행되도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 먼저, 대상해역 선정단계(S10)는, 각각의 해역에 대한 특성을 분석하여 관측망을 설치하기 적합하거나 또는 관측망의 설치가 필요한 해역을 대상해역을 선정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
다음으로, 수치모델링단계(S20)는, 대상해역 선정단계(S10)에서 각각의 해역에 대한 특성을 분석하여 관측망을 설치하고자 하는 대상해역이 선정되면, 대상해역에 대한 각종 관측자료를 이용하여 해당 수치모델을 참값(True)으로 가정해도 될만큼 정교한 수준으로 검증 및 교정을 수행하는 과정을 통해 대상해역에 대하여 사실적인 수치모델을 구축하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 검증 및 교정과정은, 예를 들면, 유속(uv), 수온, 염분 등과 같이, 설계하고자 하는 항목을 대상으로 필요에 따라 적절히 선택하여 수행될 수 있다.
또한, 설계정점 개수 설정단계(S30)는, 대상해역 내에 정규격자 형태로 초기 정점배열을 구성하고, 대상해역 내에 존재하는 기존의 관측정점 이외에 추가로 설계할 설계정점의 개수(k)를 설정하는 처리가 수행되는 단계로서, 특별한 규칙이나 제한 등이 없는 경우라면 이러한 추가적인 설계정점의 수는 설계자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법에서 대상해역 선정 및 초기 정점배열을 설정하는 과정이 수행된 결과에 대한 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
아울러, 다중목적 최적화 단계(S40)는, 상기한 바와 같이 하여 구축된 수치모델로부터 기존 정점 및 초기 정점과 동일한 위치에서 각 항목의 값을 추출하며, 설정된 설계정점의 개수(k)에 따라 배치된 초기 정점들 중 임의의 설계 정점의 위치를 선택하여, 추출된 정점 자료를 최적 내삽기법(Optimal Interpolation ; OI)을 이용하여 공간분포를 재구성하는 처리가 설계정점의 개수만큼 반복 수행된다(Est.).
계속해서, 다중목적 최적화 단계(S40)는, 이하의 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 평균제곱오차(Mean Square Error, MSE)와 같은 정량적 함수를 사용하여 설계항목별 목적함수 f를 구축하고, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이, 가중치결합(Weighted Sum)을 통해 구축된 설계항목별 목적함수 f를 단일 목적함수 F로 변환하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020127110109-pat00003
여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, 참값(True)은 수치모델값을 의미하며, 추정값(Estimate, Est.)은 최적 내삽기법(OI)을 이용한 공간분포 재구성을 통해 재구성된 재구성값을 의미한다.
[수학식 2]
Figure 112020127110109-pat00004
이어서, 다중목적 최적화 단계(S40)는, 초기 정점배열 중 설계정점의 위치를 변경해 가면서 목적함수 F가 최소가 되는 지점을 탐색하는 처리가 반복적으로 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 바와 같이 목적함수 F가 최소가 되는 지점을 탐색하기 위한 처리방법으로는, 예를 들면, 다중목적 진화 알고리즘(Multi-Objective Evolutionary Algorithms ; MOEAs) 등과 같이, 적절한 최적화 알고리즘을 적용하여 수행될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 다중목적 진화 알고리즘(MOEAs) 이외에도 당업자가 필요에 따라 다양한 최적화 알고리즘을 적절히 선택하여 적용 가능한 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 다중목적 최적화 단계(S40)는, 초기정점 중 설계정점 개수에 대한 정점의 최적위치를 나타내는 최적해를, 가중치별로 항목별 목적함수를 트레이드 오프(trade-off) 시키면서 최적의 효율을 달성할 수 있는 비열등해(non-inferior solutions)들의 집합체인 파레토 프론트(Pareto-Front) 형태로 추출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
다음으로, 정점배열 선택단계(S50)는, 상기한 바와 같이 하여 추출된 파레토 프론트 기반의 최적해들의 집합 중 설계용도에 따라 적절한 정점배열을 선택하는 의사결정 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 설계용도의 의미는, 예를 들면, 어떤 관측항목에 어느 정도의 가중치를 우선 부여할지 여부를 나타내는 것일 수 있으나, 반드시 이러한 의미로만 한정되는 것은 아니다.
마지막으로, 정점선정단계(S60)는, 정점배열 선택단계(S50)에서 선택된 정점배열에 근거하여 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점들을 선택하는 것에 의해 대상해역에 대한 관측망의 설계를 완성하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법에 따라 정점선택 및 관측망 설계를 수행한 결과에 대한 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
따라서 상기한 바와 같이 해양 부이 관측망을 구축하기 위해 최적의 정점 배열을 선택하기 위한 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행되도록 구성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 해양 부이 관측망 설계방법을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 해양 부이 관측망 설계방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 최적화 기법을 활용하여, 충분한 신뢰도를 확보하고 있는 수치모델 자료를 입력값으로 활용하고, 다중목적 최적화기법과 최적내삽기법을 융합하여 설계 정점의 개수와 위치를 결정하며, 최적화 과정에서 도출되는 최적해가 부이 관측망을 의미하고, 관측항목별로 가중치를 부여하여 다양한 선택안을 제시할 수 있는 파레토 프론트 형태로 추출되는 것에 의해 대상 해역에 대한 최적의 관측정점 개수와 위치를 결정할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 제도적으로 정립된 가이드라인이 부재한 상황에서 실무자의 경험이나 각종 이해 당사자들간의 협의에 따라 설계됨으로 인해 실제 해양현상을 관측하는 데 있어서 전역 또는 지역적 특성을 나타낼 수 있는 유의미한 지점이 고려되지 않을 가능성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 해양 관측망들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 실제 해양현상을 사실적으로 재현할 수 있는 고해상도 수치모델 자료를 기반으로 최적화 기법을 활용하여 실제 해역의 전역 또는 지역적 특성을 관측하기 위한 최적의 관측지점을 선택할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 해양 관측망을 설계함에 있어서 공학적 기법에 근거한 합리적인 가이드라인을 제시하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 공학적 기법에 근거하여 보다 효과적인 해양 부이 관측망을 구축할 수 있도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법이 제공됨으로써, 관측망 구성을 위한 예산책정이나 또는 예산범위 내 의사결정 과정에서 최적화된 관측망을 설계할 수 있도록 하기 위한 기술적 가이드라인을 제공하고, 그것에 의해, 국가, 사회적 현안 문제를 해결하고 대응체계를 수립하기 위한 해양 관측망의 수립 및 구축과 관련된 정책적 의사결정을 지원하기 위한 과학적 수단으로 활용될 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 해양 부이 관측망 설계방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (9)

  1. 해양 부이 관측망을 구축하기 위해 최적의 정점배열을 선택하기 위한 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행되도록 구성되는 해양 부이 관측망 설계방법에 있어서,
    상기 처리는,
    관측망을 설치하고자 하는 대상해역을 선정하는 처리가 수행되는 대상해역 선정단계;
    상기 대상해역 선정단계에서 선정된 상기 대상해역에 대한 수치모델을 구축하는 처리가 수행되는 수치모델링단계;
    상기 대상해역에 대하여 기존 정점 외에 추가로 설치될 설계정점의 개수를 설정하는 처리가 수행되는 설계정점 개수 설정단계;
    상기 대상해역에 대하여 구축된 수치모델을 이용하여 관측망을 구축하기 위한 최적의 정점배열을 나타내는 최적해를 추출하는 처리가 수행되는 다중목적 최적화 단계;
    상기 다중목적 최적화 단계에서 추출된 상기 최적해들 중 설계용도에 적합한 정점배열을 선택하는 처리가 수행되는 정점배열 선택단계; 및
    상기 정점배열 선택단계에서 선택된 정점배열을 이용하여 상기 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점을 선정하여 관측망의 설계를 수행하는 처리가 수행되는 정점선정단계를 포함하여 구성되고,
    상기 다중목적 최적화 단계는,
    상기 수치모델로부터 기존 정점 및 초기 정점에 대한 각 항목의 값을 추출하고, 상기 초기 정점들 중 임의의 상기 설계정점의 위치를 선택하고 최적 내삽기법(Optimal Interpolation ; OI)을 이용하여 공간분포를 재구성하는 처리가 각각의 상기 설계정점에 대하여 반복 수행되는 단계;
    이하의 수학식을 이용하여, 평균제곱오차(Mean Square Error, MSE)를 포함하는 정량적 함수를 사용하여 설계항목별로 목적함수 f를 구축하는 처리가 수행되는 단계; 및

    Figure 112022004119531-pat00010


    (여기서, 참값(True)은 수치모델값을 의미하며, 추정값(Estimate, Est.)은 공간분포 재구성을 통해 재구성된 재구성값을 의미함.)

    이하의 수학식을 이용하여, 가중치결합(Weighted Sum)을 통해 상기 목적함수 f를 단일 목적함수 F로 변환하는 처리가 수행되는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.

    Figure 112022004119531-pat00011

  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수치모델링단계는,
    상기 대상해역에 대한 수치모델을 구축하고, 상기 대상해역에 대한 관측자료를 이용하여 구축된 상기 수치모델에 대한 검증 및 교정을 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 설계정점 개수 설정단계는,
    상기 대상해역 내에 정규격자 형태로 초기 정점배열을 구성하고, 상기 대상해역에 대하여 기존에 존재하는 정점 외에 추가로 설치될 설계정점의 개수를 설정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 다중목적 최적화 단계는,
    상기 초기 정점배열 중 상기 설계정점의 위치를 변경해 가면서 상기 목적함수 F가 최소가 되는 지점을 탐색하는 처리가 반복적으로 수행됨으로써, 초기정점 중 설계정점 개수에 대한 정점의 최적위치를 나타내는 최적해를, 가중치별로 항목별 목적함수를 트레이드 오프(trade-off) 시키면서 최적의 효율을 달성할 수 있는 비열등해(non-inferior solutions)들의 집합체인 파레토 프론트(Pareto-Front) 형태로 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 정점배열 선택단계는,
    파레토 프론트 기반의 상기 최적해들의 집합 중 설계용도에 따라 적절한 정점배열을 선택하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 정점선정단계는,
    상기 정점배열 선택단계에서 선택된 정점배열에 근거하여 상기 대상해역에 대한 관측망을 구축하기 위한 정점들을 선택하는 것에 의해 상기 대상해역에 대한 관측망의 설계를 수행하는 처리가 구성되는 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망 설계방법.
  9. 해양 환경을 관측하기 위한 복수의 해양 관측용 부이를 포함하여 구성되는 해양 부이 관측망에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 3항, 청구항 6항 내지 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 해양 부이 관측망 설계방법을 이용하여 구축된 것을 특징으로 하는 해양 부이 관측망.
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