KR102389279B1 - Method and apparatus for constructing tsunami numerical simulation model based on finite element method - Google Patents

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Abstract

유한요소법 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 범람역의 DEM 데이터를 수집하는 단계, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하는 단계, 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하는 단계 및, 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 단계를 포함한다.A method for constructing a tsunami numerical simulation model based on the finite element method is disclosed. The method of the present invention includes the steps of collecting DEM data of the flooding area, constructing a grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data based on preset contour lines on the numerical map, It includes the steps of setting a grid correction region in the grid system based on the seabed topography and location information of past tsunami occurrence points, and determining the optimal resolution of the grid system for each grid correction region using fractal dimensional analysis.

Description

유한요소법 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법 및 그 장치 { METHOD AND APPARATUS FOR CONSTRUCTING TSUNAMI NUMERICAL SIMULATION MODEL BASED ON FINITE ELEMENT METHOD }Method and Apparatus for Building Numerical Tsunami Simulation Model Based on Finite Element Method { METHOD AND APPARATUS FOR CONSTRUCTING TSUNAMI NUMERICAL SIMULATION MODEL BASED ON FINITE ELEMENT METHOD }

본 발명은 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유한요소법 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for constructing a numerical simulation model of a tsunami, and more particularly, to a method and apparatus for constructing a numerical simulation model based on a finite element method.

2011년도 동일본 대지진으로 막대한 피해 발생 이후 지진 발생 빈도 및 규모가 증가하는 가운데, 2016년 9월 12일 발생한 경주 지진 등 국가적 대비책 부족으로, 지진에 대한 국민의 불안감이 증폭되고 있다.While the frequency and magnitude of earthquakes have increased since the Great East Japan Earthquake in 2011 caused great damage, the lack of national countermeasures, such as the Gyeongju earthquake on September 12, 2016, is increasing public anxiety about earthquakes.

그러나, 가상시나리오 기반을 둔 대응기술로는 다양한 진원 및 지진규모에 대응이 불가하고, 지진으로 인한 해일 대비 및 초기대응을 위하여 전국연안의 위험정보 제공 및 피해추정 기술 확보를 통한 실시간 의사결정 시스템 구축이 시급한 상황이다.However, it is impossible to respond to various seismic sources and earthquake scales with virtual scenario-based response technology, and to prepare and respond to tsunamis caused by earthquakes, real-time decision-making system is established by providing risk information and securing damage estimation technology across the country. This is an urgent situation.

기존에 구축된 지진해일대응시스템은 시나리오 기반의 지진해일 침수예상도만 제공되었으며, 불규칙 다발적으로 발생하는 해저지진에 기인한 지진해일 실시간 침수분석 기술 및 사회·경제적 피해추정의 기술은 부재하다.The existing tsunami response system provided only scenario-based tsunami inundation forecasts, and the technology for real-time tsunami inundation analysis and socio-economic damage estimation due to irregular and frequent undersea earthquakes was absent.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 동해 지형지물을 해상할 수 있는 유한요소법 기법의 침수시뮬레이션 모델을 구축 및 최적화하고, 효율적인 지진해일 광역범람수치모델 병렬화를 위한 운영방안을 수립하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to construct and optimize a flood simulation model of the finite element method that can resolve the East Sea topographic features, and to efficiently parallelize the tsunami wide area flood numerical model. is to establish

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법(FEM, Finite Element Method) 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법은 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 수집하는 단계, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하는 단계, 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하는 단계 및, 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 단계를 포함한다.A method for constructing a tsunami numerical simulation model based on a finite element method (FEM) according to an embodiment of the present invention includes the steps of collecting DEM (Digital Elevation Model) data of an overflow area, a preset contour line on a numerical map The step of constructing a grid system within the flood area corresponding to the size of the flood area and the resolution of the DEM data based on setting, and determining the optimal resolution of the grid system for each grid correction region using fractal dimensional analysis.

이때, 상기 범람역에서의 과거 지진 파형을 상기 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 범람역의 최적 격자크기를 결정할 수 있다.In this case, the past earthquake waveform in the flooding area may be compared with a waveform simulated according to the grid size of the flooding area, and the optimal grid size of the flooding area may be determined according to the comparison result.

또한, 상기 최적 해상도를 결정하는 단계는 격자 간격 차이에 따른 상기 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하는 단계 및, 상기 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하고, 상기 추출된 제1 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the determining of the optimal resolution includes: preparing a surface area graph indicating the size of the surface area of the correction region according to a difference in grid spacing; extracting a first threshold based on a curve of the surface area graph; 1 may include determining an optimal grid size corresponding to the threshold.

또한, 상기 방법은 상기 격자 간격 차이에 따른 상기 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하는 단계 및, 상기 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하고, 상기 추출된 제2 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method includes the steps of creating an energy graph representing the energy level of the correction region according to the difference in the grid spacing, and extracting a second threshold based on the curve of the energy graph, and corresponding to the extracted second threshold and determining an optimal grid size to be used.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법(FEM, Finite Element Method) 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 장치는 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받는 입력부 및, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 프로세서를 포함한다.On the other hand, an apparatus for building a tsunami numerical simulation model based on a finite element method (FEM) according to an embodiment of the present invention includes an input unit that receives DEM (Digital Elevation Model) data of an overflow area, and A grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data is configured based on a preset contour line, and based on the subsea topography of the flooding area and location information of past tsunami occurrence points and a processor for setting a grid correction region in the grid system, and determining an optimal resolution of the grid system for each grid correction region by using fractal dimension analysis.

이때, 상기 프로세서는 상기 범람역에서의 과거 지진 파형을 상기 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 범람역의 최적 격자크기를 결정할 수 있다.In this case, the processor may compare the past earthquake waveform in the flooding area with a waveform simulated according to the grid size of the flooding area, and determine the optimal grid size of the flooding area according to the comparison result.

또한, 상기 프로세서는 격자 간격 차이에 따른 상기 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 상기 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제1 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.In addition, the processor creates a surface area graph indicating the size of the surface area of the correction region according to the difference in grid spacing, extracts a first threshold based on the curve of the surface area graph, and an optimal lattice corresponding to the extracted first threshold size can be determined.

또한, 상기 프로세서는 상기 격자 간격 차이에 따른 상기 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하고, 상기 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제2 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.In addition, the processor creates an energy graph indicating the energy level of the correction region according to the difference in the grid spacing, extracts a second threshold based on the curve of the energy graph, and an optimal value corresponding to the extracted second threshold The grid size can be determined.

이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 지진해일 광역침수시뮬레이션모델의 성능을 확보하여, 동해안 전역을 포함하는 최적 지진해일 광역범람수치모델의 개발 및 운영방안 수립에 활용할 수 있다.According to various embodiments of the present invention as described above, the performance of the tsunami wide area flood simulation model can be secured, and it can be used to develop and operate an optimal tsunami wide area flood numerical model including the entire eastern coast.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법을 간략히 설명하기 위한 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시범지역의 수심도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시범지역의 유한요소법 격자망도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지진해일 가상시나리오 발생해역 및 동해 주요 해저지형을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 프랙탈 차원분석 예를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대화퇴 격자망도 및 격자에 따른 표면적 그래프를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 시나리오 지점의 격자망도 및 격자에 따른 에너지 그래프를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광역 격자망 및 수심장을 나타낸 도면,
도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법 기반으로 계산이 수행된 동해 지진해일 가상 시나리오의 지진 해일 초기 파형을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치의 구성을 간략히 도시한 블록도이다.
In order to more fully understand the drawings recited in the Detailed Description, a brief description of each drawing is provided.
1 is a flowchart for briefly explaining a method of constructing a numerical simulation model of a tsunami based on a finite element method according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing a water depth of a demonstration area according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing a finite element method grid network diagram of a demonstration area according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing a tsunami virtual scenario occurrence sea area and major seabed topography of the East Sea according to an embodiment of the present invention;
5 is a view for explaining an example of fractal dimension analysis according to an embodiment of the present invention;
6 is a diagram showing a surface area graph according to a grid mesh diagram and a grid according to an embodiment of the present invention;
7 is a diagram illustrating a grid network diagram of a virtual scenario point and an energy graph according to the grid according to an embodiment of the present invention;
8 is a view showing a wide-area grid network and a water depth according to an embodiment of the present invention;
9 is a view showing an initial waveform of a tsunami in the East Sea tsunami virtual scenario calculated based on the finite element method according to an embodiment of the present invention;
10 is a block diagram schematically illustrating the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.First, terms used in the present specification and claims have been selected in consideration of functions in various embodiments of the present invention. However, these terms may vary depending on the intention of a person skilled in the art, legal or technical interpretation, and emergence of new technology. Also, some terms may be arbitrarily selected by the applicant. These terms may be interpreted in the meanings defined herein, and in the absence of specific definitions, they may be interpreted based on the general content of the present specification and common technical common sense in the art.

또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.Also, the same reference numbers or reference numerals in each drawing appended hereto indicate parts or components that perform substantially the same functions. For convenience of description and understanding, the same reference numbers or reference numerals are used in different embodiments. That is, even though all components having the same reference number are shown in a plurality of drawings, the plurality of drawings do not mean one embodiment.

또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.Also, in this specification and claims, terms including ordinal numbers such as 'first' and 'second' may be used to distinguish between elements. The ordinal number is used to distinguish the same or similar components from each other, and the meaning of the term should not be construed as limited due to the use of the ordinal number. As an example, for components combined with such an ordinal number, the use order or arrangement order should not be construed as being limited by the number. If necessary, each ordinal number may be used interchangeably.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '구성하다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특성, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특성들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as 'comprise' or 'comprise' are intended to designate the existence of a characteristic, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other It is to be understood that this does not preclude the possibility of addition or existence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, in an embodiment of the present invention, when it is said that a certain part is connected to another part, this includes not only direct connection but also indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a certain part includes a certain component means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

유한요소법(FE, Finite Element Method, 유한요소법)은 수치적 기법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 모델로서, 연속체 역학(continuum mechanics) 분야 등 광범위한 분야에서 사용되는 모델이다. The finite element method (FE, finite element method) is a computer simulation model using a numerical technique, and is a model used in a wide range of fields such as continuum mechanics.

유한요소법 중 하나인 ADCIRC 모델은 천수방정식의 연속방정식과 운동방정식을 합성하여 수면변위에 대해 하나의 식으로 표현한 파동방정식(wave equation)을 지배방정식으로 사용하고 있다.The ADCIRC model, which is one of the finite element methods, uses the wave equation expressed as a single equation for water surface displacement by synthesizing the continuity and motion equations of the thousands of equations as the governing equation.

ADCIRC 모델은 많은 연구원들이 오랜 시간에 걸쳐 주 엔진과 전후처리 코드들을 개발하고, 현장 적용을 통해 그 타당성을 검증해왔으며, 최근에는 병렬처리코드를 개발하여 실제적인 문제를 다룰 수 있는 현실성 있는 수치모형으로 자리잡아 가고 있다.ADCIRC model has been developed for a long time by many researchers, developing the main engine and post-processing codes, and verified its validity through field application. Recently, a realistic numerical model that can deal with practical problems by developing parallel processing codes is being established as

본 발명에 사용된 유한요소법 기반 모델인 ADCIRC 모델은 지난 20여년에 걸쳐 개발된 2, 3차원의 동수역학적 모형이고, 병렬화는 텍사스 대학의 Mary Wheeler 교수의 그룹(Chippada et a., 1996)이 만든 코드로서 현재는 수질, 생태모형과도 병렬 연계하는 연구가 활발히 진행 중에 있다.The ADCIRC model, which is a finite element method-based model used in the present invention, is a two- and three-dimensional hydrodynamic model developed over the past 20 years. Currently, as a code, research is being actively carried out to link it in parallel with water quality and ecological models.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 방법을 간략히 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart for briefly explaining a method of constructing a tsunami numerical simulation model based on a finite element method according to an embodiment of the present invention.

먼저, 범람역의 DEM(Digital Elevation Model, 수치표고모델) 데이터를 수집하여, 범람역의 정밀표고 및 수심자료를 확보할 수 있다(S110). 여기서, DEM 데이터란 수치 지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로서, 지형의 고도값을 수치로 저장함으로써 지형의 형상을 나타내는 자료이다. DEM 데이터는 경사도, 경사방향, 지형분석 등에 대한 정보를 포함한다.First, by collecting DEM (Digital Elevation Model, Numerical Elevation Model) data of the flooded area, it is possible to secure precise elevation and water depth data of the flooded area (S110). Here, DEM data is a general term related to numerical topography or water depth survey data, and is data representing the shape of the topography by storing the elevation value of the topography as a numeric value. DEM data includes information on slope, slope direction, topographic analysis, and the like.

이후, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성한다(S120).Thereafter, a grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data is constructed based on preset contour lines on the numerical map (S120).

도 2는 신남항, 노곡항 및 임원항의 수심도를 나타낸 것이며, 도 3은 신남항, 임원항 및 노곡항의 3개 시범지역을 대상으로 격자체계를 구성하고, DEM 데이터, 수심측량자료 및 최신해안선 자료를 이용하여 격자체계를 보완한 것이다.Figure 2 shows the water depth of Sinnam Port, Nogok Port, and Imwon Port, and Figure 3 is a grid system for three pilot areas of Shinnam Port, Imwon Port and Nogok Port, and DEM data, water depth survey data, and the latest coastline data was used to supplement the grid system.

동해시범지역의 격자체계는 1:5,000 축적의 수치지도를 활용하여 EL.10m 등고선을 기준으로 구성되었으며, 시범지역의 범람역 내 격자크기는 DEM 데이터의 해상도(5.0m)를 고려하여 4.0m로 구축하였다.The grid system of the Donghae pilot area was constructed based on the EL.10m contour line using a 1:5,000 scale numerical map. built.

항의 규모에 따라 격자 수는 신남항, 임원항 및 노곡항에서 각각 20,183개, 101,149개 및 10,491개로 구성하였고, 범람역 외측에서는 격자크기가 점차 증가하여 최대간격 40.0m로 구성하였다. 구성된 범람역은 동해 및 일본 연안의 격자와 결합하였으며, 지진해일 침수 범람역 시뮬레이션을 수행하였다.According to the size of the port, the number of grids was composed of 20,183, 101,149, and 10,491 grids in Sinnam Port, Imimwon Port, and Nogok Port, respectively, and the grid size gradually increased outside the flooding station, and the maximum spacing was 40.0m. The constructed flooding area was combined with the grids of the East Sea and the coast of Japan, and a tsunami flooding flood area simulation was performed.

아래 표 1은 동해 시범지역의 격자체계 현황을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the current status of the grid system in the East Sea pilot area.

구분division 신남항 격자체계New South Port Grid System 임원항 격자체계executive term grid system 노곡항 격자체계Nogok Port Grid System 격자 수number of grids 20,18320,183 101,149101,149 10,49110,491 노드 수number of nodes 10,74110,741 50,70850,708 5,7085,708 최소간격(dx)Minimum spacing (dx) 4.0m4.0m 4.0m4.0m 4.0m4.0m 최대간격(dx)Maximum spacing (dx) 40.0m40.0m 40.0m40.0m 40.0m40.0m

이후, 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정한다(S130).Thereafter, a grid correction region in the grid system is set based on the subsea topography of the flooding area and the location information of the past tsunami occurrence point (S130).

도 4를 참조하면, 동해 해상의 주요 해저지형 및 지진의 위치정보를 반영하여, 격자 수정 영역을 설정하였다. 울진-삼척 해저지형(41)과 대화퇴 인근 해저지형(42), 지진해일 11개 가상 시나리오 및 과거 일본 지진해일(1983, 1993) 발생 지점의 위치 정보(43)를 반영한 격자 수정 영역을 산정할 수 있다.Referring to FIG. 4 , a grid correction area was set by reflecting the location information of major seabed topography and earthquakes in the East Sea. It is possible to calculate the lattice correction area that reflects the Uljin-Samcheok submarine topography (41), the submarine topography near the Great Basin (42), 11 hypothetical tsunami scenarios, and the location information (43) of the point where the past Japanese tsunami (1983, 1993) occurred. there is.

울진-삼척 해저지형은 두 갈래로 갈라진 해저산맥으로 각각 울진 연안, 삼척 연안에서 동해 먼 바다를 향하는 형상을 나타내고, 대화퇴는 반경 약 300 ~ 400km, 높이 3km, 정상부 수심 0.2 ~ 0.3km의 지형이다. 지진해일 11개 가상 시나리오는 번호가 1에서 11로 증가할수록 그 위치가 일본 연안 남측에서 북측으로 이동한다. 이때, 지진 발생 위치에 따른 지진 초기 파형을 고려하여 격자크기를 수정할 수 있다.The Uljin-Samcheok submarine topography is a bifurcated underwater mountain range, showing the shape from the Uljin and Samcheok coasts to the distant East Sea, respectively. In the 11 hypothetical tsunami scenarios, as the number increases from 1 to 11, the location moves from the south to the north of the coast of Japan. In this case, the grid size may be modified in consideration of the earthquake initial waveform according to the location of the earthquake.

아래 표 2는 지진해일 가상시나리오의 위치정보를 나타낸 것이고, 표 3은 과거 일본지진해일 위치정보를 나타낸 것이다.Table 2 below shows the location information of the tsunami virtual scenario, and Table 3 shows the location information of the past tsunami in Japan.

No.No. LocationLocation OrientOrient Latitude(°N)Latitude (°N) Longitude(°E)Longitude (°E) 1One 37.537.5 137.5137.5 0.00.0 22 38.338.3 137.7137.7 14.514.5 33 39.039.0 138.0138.0 27.527.5 44 39.739.7 138.4138.4 17.017.0 55 40.240.2 138.7138.7 10.010.0 66 40.940.9 138.9138.9 1.01.0 77 41.741.7 139.0139.0 1.01.0 88 42.142.1 139.1139.1 4.04.0 99 42.942.9 139.1139.1 2.02.0 1010 43.543.5 139.2139.2 2.02.0 1111 44.444.4 139.2139.2 3.03.0

No.No. LocationLocation 비고note Latitude(°N)Latitude (°N) Longitude(°E)Longitude (°E) 19831983 38.7438.74 139.42139.42 40.2140.21 138.84138.84 19931993 40.5440.54 139.02139.02 42.3442.34 139.25139.25 43.1243.12 139.40139.40

이후, 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정한다(S140).Thereafter, the optimal resolution of the grid system for each grid correction region is determined using fractal dimension analysis (S140).

이때, 격자 간격 차이에 따른 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 표면적 그래프의 커브에 기초하여 임계치를 추출하며, 추출된 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.In this case, a surface area graph indicating the size of the surface area of the correction region according to the difference in grid spacing may be prepared, a threshold value may be extracted based on a curve of the surface area graph, and an optimal grid size corresponding to the extracted threshold may be determined.

구체적으로, 영역별 격자 수정은 격자체계의 최적 해상도를 제고하기 위한 프랙탈 차원분석에 의해 수행될 수 있다. 지형을 현상하는 dx 차이에 따른 표면적 크기를 그래프로 작성하고, 그래프의 커브를 바탕으로 수정 영역의 최적 dx를 선정할 수 있다. 여기서, dx는 격자 간격 또는 격자 크기를 나타낼 수 있다.Specifically, the grid correction for each region can be performed by fractal dimensional analysis to improve the optimal resolution of the grid system. The size of the surface area according to the dx difference that develops the topography can be drawn on a graph, and the optimal dx of the correction area can be selected based on the curve of the graph. Here, dx may represent a grid spacing or a grid size.

최적 dx를 산정하는 과정은 ⅰ) x축을 dx의 크기, y축을 수정 영역의 표면적으로 하는 그래프를 작성하는 단계,ⅱ) dx가 작을수록 표면적이 커지는 그래프에서 그래프의 커브를 검토하여 경제적인 최적의 dx를 선정하는 단계, ⅲ) 도 5에 도시된 바와 같이 격자 3점의 X, Y 및 Z의 위치 정보를 이용하여, 벡터의 내적 활용에 의한 삼각형의 면적을 산정하는 단계로 이루어질 수 있다. 도 5에서, a는 벡터의 내적 활용에 의해 산출된 각 격자의 면적, A는 범람역의 전체 면적, Dm은 프랙탈의 차원을 의미한다.The process of estimating the optimal dx is i) creating a graph with the size of dx on the x-axis and the surface area of the y-axis as the surface area of the correction region, ii) The economically optimal optimal The step of selecting dx, iii) as shown in FIG. 5 , using the location information of X, Y, and Z of the three grid points, may include a step of calculating the area of a triangle by using a vector dot product. In FIG. 5 , a is the area of each grid calculated by using the vector dot product, A is the total area of the flooding area, and D m is the dimension of the fractal.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 프랙탈 차원 분석의 과정을 통해 표면적(A)-dx 그래프에서 임계치를 찾아 해저지형을 표현할 수 있는 대화퇴의 최적 격자크기를 선정할 수 있다. 도 6의 (a)는 대화퇴의 격자망도를, (b)는 대화퇴의 격자에 따른 표면적 그래프를 나타낸 것이다.At this time, as shown in FIG. 6 , through the process of fractal dimensional analysis, it is possible to select a threshold value in the surface area (A)-dx graph to select the optimal grid size of the large mound that can express the seabed topography. Fig. 6 (a) is a grid diagram of the large mound, and (b) is a graph of the surface area according to the grid of the large mound.

이후, 에너지(E)-dx 그래프에서 임계치를 찾아 지진해일 초기 파형을 적절하게 구현할 수 있는 가상시나리오 지점의 최적 격자크기를 선정할 수 있다.After that, it is possible to find the threshold in the energy (E)-dx graph and select the optimal grid size of the virtual scenario point that can appropriately implement the initial waveform of the tsunami.

구체적으로, 격자 간격 차이에 따른 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프를 작성하고, 에너지 그래프의 커브에 기초하여 임계치를 추출하며, 추출된 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.Specifically, an energy graph indicating the energy level of the correction region according to the difference in grid spacing may be created, a threshold value may be extracted based on a curve of the energy graph, and an optimal grid size corresponding to the extracted threshold may be determined.

도 7에 도시된 예에서, 수심 및 에너지 그래프를 검토한 결과, 표면적(A)-dx 그래프의 최적 dx는 800m이고 에너지(E)-dx 그래프의 최적 dx는 1,000m로 나타났다.In the example shown in FIG. 7 , as a result of examining the water depth and energy graph, the optimal dx of the surface area (A)-dx graph was 800 m, and the optimal dx of the energy (E)-dx graph was 1,000 m.

수심 및 초기수위에 대한 최적 dx를 산정하기 위하여 대화퇴, 삼척-울진, 지진해일 가상시나리오, 과거 지진 및 국내 지진발생 영역에 대한 격자 크기를 선정할 수 있다. 주요 지형 및 과거·국내 지진 발생 지점의 상세화된 격자를 기존 격자체계에 이식할 경우, 격자크기의 차이로 인한 굴절, 반사로 인해 지진해일 전파에 영향을 미칠 수 있으므로, 본 발명에서는 동해 전체를 1,000m 이하의 격자로 구성하였다.In order to calculate the optimal dx for water depth and initial water level, grid sizes can be selected for the Great Basin, Samcheok-Uljin, tsunami hypothetical scenarios, past earthquakes, and domestic earthquake occurrence regions. When a detailed grid of major topography and historical and domestic earthquake occurrence points is transplanted into an existing grid system, refraction and reflection due to differences in grid size may affect tsunami propagation. m or less.

구분division 선정
크기
(m)
selection
size
(m)
격자 수number of grids 노드 수number of nodes 비고note
수정 전before modification 수정 후after modification 수정 전before modification 수정 후after modification 대화퇴chatter 수심depth of water 800800 10,00710,007 228.394228.394 5,1375,137 114,255114,255

동해 전체
1.0km
이하 격자
크기로
구성


East Sea
1.0km
sub grid
by size
Configuration
국내지진
발생영역
domestic earthquake
generation area
1,0001,000 8,6868,686 213,870213,870 4,1374,137 107,029107,029
삼척-울진Samcheok to Uljin 1,0001,000 8,3258,325 575,509575,509 4,3104,310 287,902287,902 지진해일 가상 시나리오 및 과거지진Tsunami Hypothetical Scenarios and Past Earthquakes 초기
파형
Early
waveform
1,0001,000 18,31018,310 174,100174,100 9,2579,257 87,26087,260

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광역 격자망 및 수심장을 나타낸 도면이다.8 is a view showing a wide-area grid network and a water depth according to an embodiment of the present invention.

광역 격자망을 대상으로 과거 역사지진(1983, 1993)에 대한 반복 계산을 통해 격자체계의 안정화 및 최적화를 수행하였다.Stabilization and optimization of the grid system were performed through iterative calculations of past historical earthquakes (1983, 1993) for a wide-area grid network.

이때, 범람역에서의 과거 지진 파형을 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 범람역의 최적 격자크기를 결정함으로써, 격자체계의 안정화 및 최적화를 수행할 수 있다.At this time, the grid system can be stabilized and optimized by comparing the past earthquake waveform in the flooded area with the simulated waveform according to the grid size of the flooding area, and determining the optimal grid size of the flooding area according to the comparison result. there is.

1.0km 이하로 최종 구성된 동해영역 격자의 적절성을 검토하기 위해, 동해영역을 대상으로 격자크기를 1.0km, 2.0km, 5.0km, 8.0km, 10.0km로 구성하여 시간에 따른 공간적인 파형 전파, 동해안 주요 지점(임원, 묵호, 속초, 포항)을 대상으로 파형 비교를 통해 격자체계를 비교할 수 있다.In order to examine the appropriateness of the grid of the East Sea region finally composed of less than 1.0 km, spatial wave propagation according to time by configuring the grid size of 1.0 km, 2.0 km, 5.0 km, 8.0 km, and 10.0 km for the East Sea region, The grid system can be compared by comparing waveforms at major points (Imwon, Mukho, Sokcho, and Pohang).

과거 역사지진(1983, 1993)에 대한 파형 비교 결과, 격자크기가 줄어들수록 파형의 수위 값이 증가하였고, 이는 격자크기에 따른 초기파형의 수위 재현에 의한 결과로 판단되어, 정도 높은 초기파형을 재현하기 위해 1.0km의 격자가 적합함을 확인하였다.As a result of comparing waveforms for past historical earthquakes (1983, 1993), the level of the waveform increased as the grid size decreased. For this purpose, it was confirmed that a grid of 1.0 km is suitable.

도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유한요소법 기반으로 계산이 수행된 동해 지진해일 가상 시나리오의 지진 해일 초기 파형을 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating an initial waveform of a tsunami in a hypothetical East Sea tsunami scenario in which calculations are performed based on the finite element method according to an embodiment of the present invention.

11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트규모(Mw)를 0.5 단위로 7.5 ~ 8.5로 증가시키며 유한요소법 기반 모델의 계산을 수행하였다. The finite element method-based model was calculated by increasing the moment scale (M w ) from 7.5 to 8.5 in 0.5 increments for 11 hypothetical scenarios.

도 9는 case 1 및 case 5의 가상 시나리오의 지진 해일 초기 파형을 예로 나타낸 것이다. 가상시나리오는 번호가 증가할수록 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 모멘트규모가 커질수록 파형의 범위가 동측과 북측으로 커지는 형태를 나타낸다.9 is an example showing the initial waveform of the tsunami in the hypothetical scenarios of case 1 and case 5. As the number increases, the virtual scenario moves from the south to the north of the coast of Japan, and as the magnitude of the moment increases, the range of the waveform increases to the east and north.

11개의 가상 시나리오를 대상으로 유한요소법 기반 모델로 모멘트규모(Mw) 7.5에 대한 계산을 수행하여 임원항, 묵호항, 속초항 등 주요항의 FDM(Finite Difference Method, 유한 차분법) 모델 시계열과 최대해일수위를 비교할 수 있다. 가상 시나리오는 case 1에서 case 11로 갈수록 동해안에 늦게 도달하고, case 1의 경우 약 105분, case 11의 경우 약 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타났다.The calculation of the moment scale (M w ) 7.5 was performed with a finite element method-based model for 11 hypothetical scenarios, and the FDM (Finite Difference Method) model time series and the maximum tidal level of major ports such as Imwon Port, Mukho Port, and Sokcho Port were calculated. can be compared It was found that the hypothetical scenario reached the east coast later from case 1 to case 11, and reached the east coast in about 105 minutes in case 1 and 125 minutes in case 11.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치의 구성을 간략히 도시한 블록도이다.10 is a block diagram schematically illustrating the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수치심ㅍㄹ레이션 모델을 구축하는 장치(100)는 입력부(110) 및 프로세서(120)를 포함한다.As shown in FIG. 10 , the apparatus 100 for building a numerical simulation model of the present invention includes an input unit 110 and a processor 120 .

입력부(110)는 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받는 구성이다.The input unit 110 is configured to receive DEM (Digital Elevation Model) data of the flooding area.

프로세서(120)는 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 범람역의 해저지형 및 과저 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정한다. 이후, 프로세서(120)는 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정한다.The processor 120 configures a grid system within the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data based on the preset contour lines on the numerical map, and location information of the subsea topography of the flooding area and the over-flood tsunami occurrence point Based on , the grid correction area in the grid system is set. Thereafter, the processor 120 determines the optimal resolution of the grid system for each grid correction area by using the fractal dimension analysis.

또한, 프로세서(120)는 범람역에서의 과거 지진 파형을 범람역의 격자크기에 딸 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 범람역의 최적 격자크기를 결정할 수 있다.In addition, the processor 120 may compare the past earthquake waveform in the flooding area with a simulated waveform derived from the grid size of the flooding area, and determine the optimal grid size of the flooding area according to the comparison result.

또한, 프로세서(120)는 격자 간격 차이에 따른 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 표며적 그래프의 커브에 기초하여 임계치를 추출하며, 추출된 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.In addition, the processor 120 may create a surface area graph indicating the size of the surface area of the correction region according to the difference in grid spacing, extract a threshold based on the curve of the surface area graph, and determine an optimal grid size corresponding to the extracted threshold. there is.

또한, 프로세서(120)는 격자 간격 차이에 따른 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프를 작성하고, 에너지 그래프의 커브에 기초하여 임계치를 추출하며, 추출된 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.In addition, the processor 120 may create an energy graph indicating the energy level of the correction region according to the difference in grid spacing, extract a threshold based on the curve of the energy graph, and determine an optimal grid size corresponding to the extracted threshold. .

이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 지진해일 광역침수시뮬레이션모델의 성능을 확보하여, 동해안 전역을 포함하는 최적 지진해일 광역범람수치모델의 개발 및 운영방안 수립에 활용할 수 있다.According to various embodiments of the present invention as described above, the performance of the tsunami wide area flood simulation model can be secured, and it can be used to develop and operate an optimal tsunami wide area flood numerical model including the entire eastern coast.

또한, 상술한 다양한 실시 예에 따른 방법은 프로그램으로 구현되어 다양한 기록 매체에 저장될 수 있다. 즉, 각종 프로세서에 의해 처리되어 상술한 방법을 실행할 수 있는 컴퓨터 프로그램이 기록 매체에 저장된 상태로 사용될 수도 있다.In addition, the method according to the above-described various embodiments may be implemented as a program and stored in various recording media. That is, a computer program that is processed by various processors to execute the above-described method may be used in a state stored in a recording medium.

일 예로, ⅰ)범람역의 DEM 데이터를 수집하는 단계, ⅱ)수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하는 단계, ⅲ)범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하는 단계 및, ⅳ)프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 단계를 수행하는 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)가 제공될 수 있다.As an example, i) collecting DEM data of the flooding area, ii) configuring a grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data based on preset contour lines on the numerical map, iii) ) setting the grid correction area in the grid system based on the seabed topography of the flooding area and the location information of past tsunami occurrence points; A non-transitory computer readable medium in which a program for performing the steps is stored may be provided.

비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.The non-transitory readable medium refers to a medium that stores data semi-permanently, rather than a medium that stores data for a short moment, such as a register, cache, memory, and the like, and can be read by a device. Specifically, the above-described various applications or programs may be provided by being stored in a non-transitory readable medium such as a CD, DVD, hard disk, Blu-ray disk, USB, memory card, ROM, and the like.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.On the other hand, although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims In addition, various modifications are possible by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

S110: 범람역의 DEM 데이터를 수집하는 단계
S120: 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하는 단계
S130: 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하는 단계
S140: 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 단계
100: 수치시뮬레이션 모델 구축 장치 110: 입력부
120: 프로세서
S110: Collecting DEM data of the flooded area
S120: A step of constructing a grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data based on the preset contour lines on the numerical map
S130: Setting a grid correction area in the grid system based on the subsea topography of the flooding area and the location information of past tsunami occurrence points
S140: Determining the optimal resolution of the grid system for each grid correction area using fractal dimensional analysis
100: numerical simulation model building device 110: input unit
120: processor

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 유한요소법(FEM, Finite Element Method) 기반의 지진해일 수치시뮬레이션 모델을 구축하는 장치에 있어서,
범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받는 입력부; 및
수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형, 지진해일 가상시나리오의 발생 지점의 위치 정보, 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 프로세서;를 포함하고,
상기 범람역 내의 격자체계는 격자 수, 노드 수, 최소간격, 및 최대간격 정보를 포함하며,
상기 프로세서는,
지진 발생 위치에 따른 지진 초기 파형을 고려하여 격자크기를 수정하며,
상기 프로세서는,
격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 상기 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제1 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정하며,
상기 프로세서는,
상기 격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하고, 상기 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제2 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정하는 장치.
In an apparatus for building a tsunami numerical simulation model based on a finite element method (FEM),
an input unit for receiving DEM (Digital Elevation Model) data of the flooded area; and
Based on the preset contour line on the numerical map, a grid system in the flooding area corresponding to the size of the flooding area and the resolution of the DEM data is constructed, and the subsea topography of the flooding area and the location of the occurrence point of the tsunami virtual scenario A processor that sets a grid correction region in the grid system based on information and location information of past tsunami occurrence points, and determines the optimal resolution of the grid system for each grid correction region using fractal dimensional analysis;
The grid system in the flood zone includes information on the number of grids, the number of nodes, the minimum spacing, and the maximum spacing,
The processor is
The grid size is corrected in consideration of the initial waveform of the earthquake according to the location of the earthquake,
The processor is
creating a surface area graph indicating the size of the surface area of the grid correction region according to the difference in grid spacing, extracting a first threshold based on the curve of the surface area graph, and determining an optimal grid size corresponding to the extracted first threshold, ,
The processor is
Create an energy graph indicating the energy level of the grid correction region according to the difference in grid spacing, extract a second threshold based on the curve of the energy graph, and determine the optimal grid size corresponding to the extracted second threshold device to do.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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