KR102448079B1 - 실시간 지진동 판별 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건물 또는 그 주변에 서로 떨어진 채로 2개 이상 설치되는 지진동 기록계에 실시간으로 수집된 가속도 데이터를 기초로 더욱 정확하게 지진 발생 사실을 경보하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 함으로써 지진 발생 조기 경보의 신뢰성을 제고시킬 수 있도록 한 실시간 지진동 판별 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시간 지진동 판별 방법은 관제 대상물에 이격된 채로 적어도 2개 설치된 지진동 기록계가 3축 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 신호를 디지털 가속도 데이터로 변환하여 수집하는 (a) 단계; 각 지진동 기록계가 수직 방향 가속도 데이터의 크기 및 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율을 산출하는 (b) 단계 및 각 수직 방향 가속도 데이터의 크기가 제1 기준치(R1)를 초과하고 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율이 제2 기준치(R2)를 초과하는 경우에 각 지진동 기록계가 해당 시간 구간의 원시 가속도 데이터를 관제센터 서버에 전송하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 수직 방향 가속도 데이터는 소정 시간 구간의 실효(RMS) 가속도이다.
관제센터 서버는 상기 원시 가속도 데이터를 수신한 경우에 관계자에게 지진 가능성을 경보한다.
관제센터 서버는 각 지진동 기록계로부터 수신산 상기 원시 가속도 데이터 사이의 상관도를 계산하여 제3 기준치(R3)를 초과하면 지진 발생 사실을 경보한다.
상기 제3 기준치는 지진동 기록계의 이격 거리에 따라 다르게 주어진다.

Description

실시간 지진동 판별 방법{method for real time discriminating seismic motion}
본 발명은 실시간 지진동 판별 방법에 관한 것으로, 특히 건물 또는 그 주변에 서로 떨어진 채로 2개 이상 설치되는 지진동 기록계에 실시간으로 수집된 가속도 데이터를 기초로 더욱 정확하게 지진 발생 사실을 경보하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 한 실시간 지진동 판별 방법에 관한 것이다.
우리나라는 비교적 안정된 지각판 내부에 존재하지만, 동일본 대지진의 여파로 최근 경주 및 포항 지진과 같이 리히터 지진계로 5.0 이상의 중규모 지진이 빈번하게 발생하고 있어서 더 이상 지진 안전 지역이라고 단언할 수 없는 실정이다.
지진에 의한 인명 및 재산 피해를 최소화 하기 위해서는 지진의 발생을 조기에 판별하여 이를 경보하고, 최대한 빠른 시간에 필요한 조치를 취하는 것이 매우 중요하다.
잘 알려진 바와 같이, 지진은 P파(Primary Wave)와 S파(Secondary Wave)로 구분되는데, P파는 수직 방향의 진동을 수반하는 지진파로 수평 방향의 진동을 수반하는 S파보다 약 2배 정도 속도가 빠른 특성을 갖는다(S파: 3~4km/s, P파: 7~8km/s). 또한 수직 방향의 P파보다 S파의 진동의 크기가 훨씬 크기 때문에 대부분의 피해는 S파에 의해서 발생된다.
따라서, P파를 빨리 감지하고 지체 시간을 최소화하면서 방송이나 경보 등을 발령하여 사람들에게 S파가 도달하기 전에 지진 발생 사실을 인지시켜서 대비할 수 있도록 한다면 지진에 의한 피해를 상당 부분 줄일 수 있다. 일반적으로 S파가 도달하기 10초 전에 지진을 인지할 수 있다면 사망 피해의 90%를 줄일 수 있다는 연구 결과도 있다.
P파를 빨리 감지하여 사람들에게 곧 S파가 도달한다는 사실을 알리기 위해서는 우선 고성능의 가속도 센서와 함께 고성능의 지진동 기록계가 필요하며, 발생한 진동이 일반적인 진동(이하 '일반 진동'이라 한다)인지 아니면 지진에 의한 진동(이하 '지진동'이라 한다) 인지를 빨리 판별할 수 있어야 한다. 이러한 요구 사항을 만족하고 지진 오보를 줄이기 위해서는 일반 진동과 지진동을 판별하는 알고리즘이 지진동 기록계 내에서 이루어져야 한다.
그러나 종래의 지진 경보 시스템에 따르면, 지진동 기록계가 가속도 센서에서 측정된 신호를 A/D 변환한 후 신호 처리하여 중앙 서버로 전송하고, 중앙 서버가 발생한 진동이 일반 진동인지 아니면 지진동인지를 판별한 후에 경보 및 필요 조치를 수행하도록 되어 있기 때문에 지진동 기록계와 중앙 서버 사이의 데이터 전송에 따른 시간 지연 등이 필연적으로 발생하고, 그 지연 시간만큼 조기 경보가 늦어지는 문제점이 있었다.
이를 감안하여 하기 선행기술 3에서는 발생한 진동이 일반 진동인지 아니면 지진동인지의 여부를 현장에 설치된 지진동 기록계에서 실시간으로 판별한 후 그 결과만을 중앙 서버로 전송함으로써 보다 신속한 조기 경보를 가능하게 하고 있다.
그러나 선행기술 3에 따르면, 실시간으로 입력되는 가속도 샘플의 STA(Short Term Average)/LTA(Long Term Average)에 의해 지진동 발생 여부를 추정하고 이후 STA 계산에 사용된 가속도 데이터 샘플의 평균이 기준치를 초과하는 경우에 해당 샘플 시점을 P파 도달 시점으로 추정하기 때문에 오 경보의 가능성이 상존하여 왔다. 무엇보다도 1~2개의 가속도 센서와 1대의 지진동 기록계에 의해 지진동 발생 여부를 판별함으로써 오 경보의 발생 확률이 증가, 즉 지진 발생 조기 경보의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
선행기술 1: 10-1208625호 등록특허공보(발명의 명칭: 지진 조기 경보용 구형 지진기록계의 데이터 전송 지연시간 단축 시스템 및 방법) 선행기술 2: 10-1227443호 등록특허공보(발명의 명칭: 지진 조기 경보용 파라미터 생산 시스템 및 방법) 선행발명 3: 10-2003382호 등록특허공보(발명의 명칭: 실시간 지진 판별 및 조기 경보 기능을 구비한 지진동 기록 장치 및 이에 사용되는 지진동 판별 방법)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 건물 또는 그 주변에 서로 떨어진 채로 2개 이상 설치되는 지진동 기록계에 실시간으로 수집된 가속도 데이터를 기초로 더욱 정확하게 지진 발생 사실을 경보하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 함으로써 지진 발생 조기 경보의 신뢰성을 제고시킬 수 있도록 한 실시간 지진동 판별 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법은 관제 대상물에 이격된 채로 적어도 2개 설치된 지진동 기록계가 3축 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 신호를 디지털 가속도 데이터로 변환하여 수집하는 (a) 단계; 각 지진동 기록계가 수직 방향 가속도 데이터의 크기 및 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율을 산출하는 (b) 단계 및 각 수직 방향 가속도 데이터의 크기가 제1 기준치(R1)를 초과하고 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율이 제2 기준치(R2)를 초과하는 경우에 각 지진동 기록계가 해당 시간 구간의 원시 가속도 데이터를 관제센터 서버에 전송하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 수직 방향 가속도 데이터는 소정 시간 구간의 실효(RMS) 가속도이다.
관제센터 서버는 상기 원시 가속도 데이터를 수신한 경우에 관계자에게 지진 가능성을 경보한다.
관제센터 서버는 각 지진동 기록계로부터 수신산 상기 원시 가속도 데이터 사이의 상관도를 계산하여 제3 기준치(R3)를 초과하면 지진 발생 사실을 경보한다.
상기 제3 기준치는 지진동 기록계의 이격 거리에 따라 다르게 주어진다.
본 발명의 실시간 지진동 판별 방법에 따르면, 대규모 공동 주택 등에 서로 떨어진 채로 2개 이상 설치되는 지진동 기록계에 실시간으로 수집된 가속도 데이터를 기초로 더욱 정확하게 지진 발생 사실을 경보하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 함으로써 초기 대응이 무엇보다 중요한 지진 발생시 인명 및 재산 피해를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법의 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법의 시스템 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시간 지진 판별 방법이 구현되는 시스템은 크게 관제 대상물, 예를 들어 아파트와 같은 공동 주택이나 대규모 산업시설단지에 간격을 두고 설치되는 적어도 2개의 지진동 기록계(100; 100') 및 각 지진동 기록계(100; 100')로부터 실시간으로 입력되는 가속도 데이터 사이의 상관도를 비교하여 실제 지진 발생 여부를 판단한 후에 필요한 조치를 수행하는 관제 센터(200)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 각 지진동 기록계(100; 100')는 유의미한 상관도 비교를 위해 가급적 멀리, 예를 들어 해당 아파트 단지의 양 끝에 설치하는 것이 바람직하다. 각 지진동 기록계(100; 100')는 가속도 센서(105; 105'), 각각의 가속도 센서(105; 105')로부터 측정된 아날로그 형태의 가속도 신호를 디지털 형태의 데이터로 변환하는 AD 컨버터(120; 120') 정확한 시간 동기를 유지하기 위해 GPS 위성으로부터 표준 시간 정보를 제공받은 GPS 수신부(110; 110'), 가속도 데이터를 저장하는 기록 매체(140; 140'), 외부 연동 시스템, 예를 들어 관제 센터(200)와의 사이에서 통신을 수행하는 통신부(150; 150') 및 AD 컨버터(120; 120')로부터 수신된 가속도 데이터를 분석하여 지진동, 특히 P파 발생 여부를 추정하고, 지진동이 발생한 것으로 추정된 경우 해당 구간의 원시 가속도 데이터를 통신부(150; 150')를 통해 관제 센터(200)로 전달하는 중앙 제어부(130; 130')를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 가속도 센서(105; 105')는, 예를 들어 X축, Y축 및 Z축의 3축 방향의 가속도를 감지하는 FBA(Force Balanced Accelerometer) 등의 가속도 센서로 구현될 수 있다.
AD 컨버터(120; 120')는 가속도 센서(105; 105')와 일대일 대응되어 구비되는데, 예를 들어 32비트의 분해능 및 130dB 이상의 동적 범위를 갖는 것으로 구현될 수 있을 것이다.
기록 매체(140; 140')는 대용량 SSD(Solid State Drive)로 구현될 수 있는데, 매초마다 적정 수의 샘플, 예를 들어 각 축에 대해 초당 100 샘플(SPS; Sample Per Second)의 가속도 데이터 또는 이에 더하여 후술하는 P파 데이터 패킷을 저장할 수 있다. 이러한 방식으로 가속도 데이터가 누적되어 저장 용량이 꽉 차면 가장 먼저 기록된 가속도 데이터부터 순차적으로 삭제될 수 있을 것이다. 통신부(150; 150')는 무선 랜이나 유선 랜 등과 같은 인터넷 통신이나 USB 같은 직렬 통신 인터페이스를 포함하여 이루어질 수 있을 것이다.
중앙 제어부(130; 130')는 리눅스를 OS로 사용하는 CPU로 구현될 수 있는데, AD 컨버터(120; 120')를 거쳐서 입력되는 100 SPS의 가속도 데이터에 포함된 DC 성분을 제거하는 하이패스 필터와 로우 패스 필터를 통한 신호 처리 기능 및 발생한 진동의 지진동 여부를 매초마다 추정하는 기능을 구비하고 있다.
다음으로, 관제 센터(200)는 서로 다른 위치에 설치된 2개 이상의 지진동 기록계(100; 100')로부터 전달받은 원시 가속도 데이터의 상관도(Correlation)가 소정의 기준치 이상인지의 여부에 따라 실제 지진 발생 여부를 판단하고, 지진이 발생한 것으로 판단되면 유/무선 랜을 통해 관제 대상물, 예를 들어 아파트나 산업시설단지의 각종 안전장치(220)인 엘리베이터 컨트롤러, 가스 밸브 컨트롤러 또는 출입문 컨트롤러를 제어하는 관제센터 서버(210)를 포함하여 이루어질 수 있다.
관제센터 서버(210)는 또한 아파트의 각 세대에 구비된 월 패드(240)나 공용 방송 시스템의 스피커를 통해 경보를 발생하거나 지진 강도에 따른 대피 요령 등을 방송할 수 있고, 이외에도 SNS나 SMS 발송 시스템(230)을 통해 미리 저장된 이동전화번호로 경보를 발생함으로써 지진으로 인한 피해를 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법을 설명하기 위한 흐름도인데, 각 지진동 기록계(100; 100')의 중앙 제어부(130; 130') 및 관제센터 서버(210)가 주체가 되어 수행될 수 있다. 먼저, 각 지진동 기록계(100; 100')의 중앙 제어부(130; 130')는 관제 대상물에 설치된 복수, 통상적으로 2개의 지진동 기록계(100; 100')의 중앙 제어부(130; 130')는 각각의 가속도 센서(105; 105')를 통해 감지되고 AD 컨버터(120; 120')를 통해 디지털 데이터로 변환된 가속도 데이터를 실시간으로 수집(단계 S10; S10')한 후에 이를 CGS 단위계에 속하는 Gal(= 1cm/s²= 0.01m/s²) 값으로 변환(단계 S20; S20')를 수행한다.
다음으로, 각 지진동 기록계(100; 100')의 중앙 제어부(130; 130')는 이렇게 수집된 가속도 데이터에 대해 각종 필터링, 예를 들어 하이패스 필터링이나 로우패스 필터링을 수행하여 DC 성분이나 노이즈 성분을 제거(단계 S30; S30')한 후에 소정 시간, 예를 들어 1초 동안의 수직 방향, 즉 Z축 가속도 데이터에 대한 RMS(Root Mean Square)(이하 '실효 가속도 데이터'라 한다)를 지속적으로 산출(단계 S20)한다.
여기에서 수직 방향의 순시 가속도 데이터를 사용하지 않고 실효 가속도 데이터를 사용하는 이유는 순시 가속도 데이터의 경우 순간적인 노이즈에 의해서도 민감하게 변화함으로써 데이터의 신뢰성이 낮기 때문이다.
다시 도 2로 돌아가서, 각 지진동 기록계(100; 100')의 중앙 제어부(130; 130')는 소정 시간, 예를 들어 1초 동안의 수직 방향 실효 가속도 데이터가 미리 정해진 기준치(R1)를 초과함과 함께 수직 방향 가속도에 대한 수평 방향 가속도의 비율(V/H)이 미리 정해진 기준치(R2), 예를 들어 1을 초과하는지를 판단한다. 여기에서 수평 방향의 가속도 역시 X 방향 가속도 벡터 및 Y 방향 가속도 벡터의 합 벡터의 크기에 대한 실효 가속도 데이터가 될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 수직 방향의 실효 가속도 데이터의 크기 및 수직 방향 가속도에 대한 수평 방향 가속도의 비율을 함께 고려하여 지진동의 발생 여부를 추정(1차 판단)함으로써 추정의 정확도를 향상시키고 있다.
전술한 구성에서, 수직 방향 실효 가속도 데이터가 기준치(R1)를 초과하지 않거나 수직 방향 가속도에 대한 수평 방향 가속도의 비율(V/H)이 기준치(R2) 이하이면 발생한 진동이 발파 작업 등과 같이 주변 산업 활동에 의한 일시적인 진동으로서 건축물의 안전에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 판단하여 조기 경보나 별다른 안전 조치 없이 단계 S10(S10')으로 복귀한다.
반면에, 수직 방향 실효 가속도 데이터가 기준치(R1)를 초과하고 또한 수직 방향 가속도에 대한 수평 방향 가속도의 비율(V/H)이 기준치(R2)를 초과하면 각 지진동 기록계(100; 100')가 일단 건축물의 안전에 영향을 미칠 수 있는 진동이 발생한 것으로 추정하고, 더욱 정확한 판단을 위해 기준치(R1)를 초과한 구간의 원시 가속도 데이터를 관제센터 서버(210)에 전송(단계 S60; S60')한다.
다음으로, 관제센터 서버(210)는 각 지진동 기록계(100; 100')로부터 가속도 데이터를 수신한 경우 미리 정해진 관계자나 관리인, 예를 들어 아파트 관리소장이나 경비원 등에게 지진 가능성을 경보(단계 S120; S120')함으로써 곧 있을지 모를 지진 발생에 대비 태세를 갖추도록 한다.
이와 동시에 관제센터 서버(210)는 각 지진동 기록계(100; 100')로부터 수신한 가속도 데이터의 상관도를 계산(단계 S110)한 후 소정의 기준치(R3), 예를 들어 0.8을 초과하는지를 판단(단계 S130)한다. 단계 S130에서 두 지점 이상에서 측정한 가속도 데이터 사이의 상관도가 그 기준치(R3) 이하이면 건축물의 안전에 별반 영향을 미치지 않는 진동이 발생한 것으로 간주하고 단계 S160으로 진행하여 해당 데이터 분석을 통한 원인을 파악한다.
반면에 단계 S130에서 두 지점 이상에서 측정한 가속도 데이터 사이의 상관도가 그 기준치(R3)를 초과하면 건축물의 안전에 영향을 미칠 수 있는 지진이 발생한 것으로 최종적으로 판단(단계 S140)하여 필요한 후속 조치, 예를 들어 엘리베이터 컨트롤러를 통한 엘리베이터 운행 중지, 가스 밸브 컨트롤러를 통한 가스 배관 잠금 또는 출입문 컨트롤러를 통한 출입문 개방 등의 조치를 취함과 함께 각 세대에 구비된 월패드(240) 및 SMS/SNS(230)를 통해 지진 발생 사실을 신속하게 경보(단계 S150)한다.
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시간 지진동 판별 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
예를 들어, 전술한 실시예에서 각종 기준치 R1, R2, R3는 지진동 기록계(100; 100')가 설치된 지역(지반)의 상태나 지진동 기록계 사이의 거리 등을 감안하여 적절하게 증감될 수 있을 것이다.
100, 100': 지진동 기록계, 105, 105': 가속도 센서,
110, 110': GPS 수신부, 120, 120': AD 컨버터,
130, 130': 중앙 제어부(CPU), 140, 140': 기록 매체,
150, 150': 통신부, 200: 관제 센터,
210: 관제센터 서버, 220: 각종 안전장치,
230: SNS/SMS 발송 시스템, 240: 월 패드

Claims (5)

  1. 관제 대상물에 이격된 채로 적어도 2개 설치된 지진동 기록계가 3축 가속도 센서에 의해 감지된 가속도 신호를 디지털 가속도 데이터로 변환하여 수집하는 (a) 단계;
    각 지진동 기록계가 수직 방향 가속도 데이터의 크기 및 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율을 산출하는 (b) 단계 및
    각 지진동 기록계가 수직 방향 가속도 데이터의 크기가 제1 기준치(R1)를 초과하고 수직 방향 가속도 데이터에 대한 수평 방향 가속도 데이터의 비율이 제2 기준치(R2)를 초과하는 경우에 지진동이 발생한 것으로 추정한 후 관제센터 서버에 해당 시간 구간의 원시 가속도 데이터를 전송하는 (c) 단계를 포함하여 이루어지되,
    관제센터 서버는 2 이상의 지진동 기록계로부터 원시 가속도 데이터를 수신한 경우에 2이상의 상기 원시 가속도 데이터 사이의 상관도를 계산하여 제3 기준치(R3)를 초과하면 지진 발생 사실을 경보하는 것을 특징으로 하는 실시간 지진동 판별 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직 방향 가속도 데이터는 소정 시간 구간의 실효(RMS) 가속도인 것을 특징으로 하는 실시간 지진동 판별 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    관제센터 서버는 상기 원시 가속도 데이터를 수신한 경우에 관계자에게 지진 가능성을 경보하는 것을 특징으로 하는 실시간 지진동 판별 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3 기준치는 지진동 기록계의 이격 거리에 따라 다르게 주어지는 것을 특징으로 하는 실시간 지진동 판별 방법.
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