KR102676981B1 - 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템 및 이를 이용한 재난 대응 시스템과 그 방법 - Google Patents

초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템 및 이를 이용한 재난 대응 시스템과 그 방법 Download PDF

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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명의 목적은, 통제가 어렵거나 통제할 수 없는 지역의 강 상류에 있는 댐의 무단 방류를 준-실시간으로 탐지 또는 감지하고, 준-실시간으로 재난 대응 준비를 할 수 있는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템은, 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부; 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부; 및 음원 분석부로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템 및 이를 이용한 재난 대응 시스템과 그 방법{A detection system for detecting unauthorized discharge of a dam in quasi-real time using infrasound detection, and a disaster response system and method using the same}
본 발명은 댐 무단 방류 탐지 시스템 및 재난 대응 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대규모 댐의 무단 방류 사실을 준실시간으로 탐지 또는 모니터링하고 무단 방류 정보를 신속히 전파함으로써, 하류 지역의 홍수 위험으로부터 인명과 재산 등을 보호할 수 있는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템 및 이를 이용한 재난 대응 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
중력 전위 또는 해양풍에 의해 야기되는 강과 바다의 대규모 물의 움직임은 수면 파동과 하부 대기층의 상호 작용으로 저주파 대기 음향 파동인 초저주파 음파(Infrasound)를 생성할 수 있다. 해안에서 부서지는 큰 파도는 근해 해수면 높이에서 파생되는 파동 주기와 유사한 서프(surf) 초저주파 음파(Infrasound) 신호를 생성하기도 한다.
자연 폭포 또한 낙하하는 물과 캐치 풀과의 충돌에 의해 지속적으로 초저주파 음파 신호를 생성하는 것으로 알려져 있다. 종래의 연구에서는 나이아가라 폭포에서 주기적으로 발생하는 인프라사운드가 떨어지는 물과 폭포의 바위면 사이에 갇힌 공기 기둥의 공명 때문이라고 보고했다. 또한 종래의 연구에서는 수면에서 진동하는 피스톤 모양의 파도 모형을 사용하여 댐에서 떨어지는 물로 인해 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 설명했다.
높은 산악 지역에서 갑작스러운 토석류 발생하거나, 댐에서 물을 대량 방류하면 일반적으로 하류 지역에서 예기치 않은 돌발 홍수가 발생한다. 홍수 피해를 완화하고 시민을 보호하기 위해서는 이러한 통제되지 않은 재해를 모니터링하고 경보를 제공하는 것이 요구된다.
예를 들어, 임진강은 북한에서 발원하여 경기 북부를 거쳐 황해로 흘러가는 남북한을 가로지르는 강이다. 남북한은 홍수 조절과 전력 생산을 위해 임진강에 여러 개의 댐을 운영하고 있다. 지난 몇 년간 북한의 긴급 홍수 조절을 위한 수문 개방 정보가 남한에 신속히 전달되지 않아 남한 하류 지역에서 갑작스런 수위 상승에 의해 홍수 피해가 발생한 바 있다.
이와 같은 황강댐, 임남댐 등 북한 지역의 대규모 댐 방류를 확인하는 종래의 방법(하류 수위관측, CCTV 영상자료 모니터링, 초병 육안 감시, 군 위성영상 판독 등)은 선제적으로 홍수(급격한 수위 상승)를 실시간 또는 준-실시간 탐지하고 이를 즉시 전파하는 데 분명한 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0288738호(공고일자: 2001년04월16일) 대한민국 등록특허 제10-2457909호(공고일자: 2022년10월25일)
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 통제가 어렵거나 통제할 수 없는 지역의 강 상류에 있는 대규모 댐의 무단 방류를 준실시간으로 탐지 또는 감지하고, 무단 방류를 정밀하게 판단하고 신뢰성 있는 위험 정보를 도출하여 준실시간으로 재난 대응 준비를 할 수 있는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 제공하고자 함이다.
또한, 본 발명의 목적은, 통제가 어렵거나 통제할 수 없는 지역의 강 상류에서 무단으로 방류된 강물이 하류로 유입되기 전에 방류 사실을 확인하고 충분히 대비할 수 있는 시간을 확보하여 효과적으로 재난에 대응하기 위한 재난 대응 조기 경보 시스템을 제공하고자 함이다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템은, 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부; 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부; 및 음원 분석부로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 탐지부는, 다수개의 초저주파 음파 센서(정밀기압계)가 배치되어 구비되는 초저주파 음파 센서 배열(array)과, 상기 초저주파 음파 센서 배열이 감지한 신호를 상기 음원 분석부로 송신하는 통신장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 센서 어레이는, 다수개의 초저주파 음파 센서가 미리 설정된 삼각형 또는 원형 패턴으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 센서 어레이는, 상기 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하고, 댐 또는 강 부근에 위치하여 배치된 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)는 개별 정밀기압계에 10개의 다공성 호스가 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음원 분석부는, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 관측된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 통해 파형 파라미터를 추정하여 상기 음원 정보를 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음원 분석부는, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 초저주파 음파 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음원 분석부는, 상기 음원으로부터 상기 초저주파 음파 탐지부까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 음파 에너지 감쇠 수준을 산출하고, 음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE)을 이용하여 상기 탐지된 신호를 분석하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템은, 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부; 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하고, 추출된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하여 경고 알람 정보를 생성하는 무단 방류 경고 시스템; 및 상기 무단 방류 경고 시스템으로부터 경고 알람 정보를 수신 받고 재난 위험 대응 프로토콜에 따라 대응하는 적어도 하나의 재난 관제 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 탐지부는, 다수개의 초저주파 센서(정밀기압계)가 배치되어 구비되는 초저주파 음파 센서 어레이와, 상기 초저주파 음파 센서 어레이가 감지한 신호를 상기 무단 방류 판단 시스템으로 송신하는 통신장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 센서 어레이는, 다수개의 초저주파 음파 센서가 미리 설정된 삼각형 또는 원형 패턴으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초저주파 음파 센서 어레이는, 상기 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하고, 댐 또는 강 부근에 위치하여 배치된 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)는 개별 정밀기압계에 10개의 다공성 호스가 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무단 방류 판단 시스템은, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 통해 파형 파라미터를 추정하여 상기 음원 정보를 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무단 방류 경고 시스템은, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부와, 음원 분석부로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부와, 상기 무단 방류 판단부가 판단한 위험 무단 방류 판단 정보를 바탕으로 경고 알람 정보를 생성하는 경고 알람부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음원 분석부는, 상기 음원으로부터 상기 초저주파 음파 탐지부까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 음파 에너지 감쇠 수준을 산출하고, 음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE)을 이용하여 상기 탐지된 신호를 분석하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 이용한 무단 방류 판단방법은, (a) 초저주파 음파 탐지부가 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 배치된 초저주파 음파 탐지부가 상기 탐지 대상 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 단계; (b) 음원 분석부가 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 음원 정보를 추출하여 분석하는 단계; 및 (c) 무단 방류 판단부가 상기 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 통제가 어렵거나 통제할 수 없는 지역의 강 상류에 있는 댐의 무단 방류를 준실시간으로 탐지 또는 감지하기 위해, 초저주파 대기 음파 신호를 측정하고 이를 통해 무단 방류를 정밀하게 판단하고 신뢰성 있는 위험 정보를 도출하여 준실시간으로 재난 대응 준비를 할 수 있는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명에 의하면, 선제적 홍수 피해 관리를 위해 대규모 댐의 무단 방류 사실을 원거리에서 즉시 확인하고 방류 정보를 전달하는 경보 체계를 용이하게 구축할 수 있고, 방류된 강물이 유입되기 전에 방류 사실을 확인하고 충분히 대비할 수 있는 시간 확보 가능한 재난 대응 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 초저주파 음파 센서 어레이의 정밀기압계를 통해 초저주파 음파로 인한 압력 변화를 측정하여 이를 분석할 수 있는 전기 신호로 변환하고, 주파수와 진폭과 같은 초저주파 음파의 특성을 분석하여 파동의 출처(방향)를 파악함으로써, 무단 방류 출처 정보를 준실시간으로 신뢰성 높게 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 이용한 무단 방류 판단방법 및 이를 이용한 재난 대응 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 음파 센서 어레이의 배치 지도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 적용된 철원(CHNAR) 초저주파 음파 자료에 대한 PMCC 결과와 이 이벤트에 대한 후속 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 2009년 이벤트에 대한 수위 기록에 따른 초저주파 에너지 곡선을 나타낸 그래프 예이다.
도 7은 2008 ~ 2021년 48개 수위 상승 이벤트 모두에 대한 수위 기록과 해당 초저주파 음파 에너지 추정치 및 환경요인을 비교한 그래프이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제1", "제2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)의 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템의 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 다른 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)은, 초저주파 음파 탐지부(110), 음원 분석부(130) 및 무단 방류 판단부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
초저주파 음파 탐지부(110)는, 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 장치일 수 있다.
여기서 초저주파 음파(Infrasound) 탐지부(110)는, 다수개의 초저주파 센서가 배치되어 구비되는 초저주파 음파 센서 어레이(111)와, 상기 초저주파 음파 센서 어레이(111)가 감지한 신호를 상기 음원 분석부(130)로 송신하는 통신장치(113)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 초저주파 음파 센서 어레이(111)는, 다수개의 초저주파 음파 센서(정밀기압계)가 미리 설정된 삼각형 또는 원형 패턴으로 배치되어 구성된 것이 바람직하고, 상기 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하고, 댐 또는 강 부근에 위치하여 배치된 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)인 것이 바람직하다.
여기서, 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)는 10개의 다공성 호스에 각각 정밀기압계가 설치되어 구성된 것일 수 있다.
강 상류에 위치하고, 통제할 수 없는 타국 또는 타지역의 댐에서 무단 방류하는 경우 강물 수위의 빠른 상승으로 대응이 어렵다는 점에서, 무단 방류와 거의 실시간으로 감지하고 모니터링 하여 대응하는 것이 재난 안전에 있어서 매우 중요한 사안이다.
이에 본 발명의 실시예에서는 통제할 수 없는 지역의 강 상류에 있는 댐의 무단 방류를 준-실시간으로 탐지 또는 감지하기 위해, 초저주파 대기 음파 신호를 측정하고 이를 통해 무단 방류를 정밀하게 판단하고 신뢰성 있는 위험 정보를 도출하여 재난 대응 준비를 할 수 있는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)을 제안한다. 여기서 초저주파는 저주파 대기 음파(Infrasound)를 말하는 것으로 이하에서는 초저주파 음파로 통일하여 개시한다.
즉, 댐에서 물을 방류하면 물의 흐름이 대기압의 변화를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 저주파 대기 음파의 변화가 발생할 수 있고, 이와 같은 초저주파 음파(Infrasound) 모니터링을 사용하여 이러한 변화를 측정하면 원거리에서도 댐 방류를 감지하고 모니터링할 수 있다.
초저주파 음파 센서 어레이(111)(Infrasound Array)로 사람의 귀에 들리지 않는 초저주파 음파를 감지하고 연구하는 데 사용되는 센서 그룹일 수 있다. 여기서, 초저주파 음파는 사람의 청각 한계인 20 Hz보다 낮은 주파수를 가진 소리이다.
이 센서는 초저주파에 의해 생성되는 기압의 변화를 감지하고, 화산 폭발, 운석 충돌, 대기 난기류, 파도, 폭발 등 다양한 자연 및 인공적인 원인에 의해 저주파 대기 음파가 발생할 수 있다.
초저주파 음파 센서 어레이(111)의 센서인 정밀기압계는 초저주파로 인한 압력 변화를 측정하여 이를 분석할 수 있는 전기 신호로 변환하고, 주파수와 진폭과 같은 초저주파 음파의 특성을 연구하여 파동의 출처(방향)를 파악할 수 있다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 음원 분석부(130)는 초저주파 음파 탐지부(110)로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 장치로서, 미리 프로그램된 음파 분석 프로그램이 설치되어 실행되는 컴퓨팅 장치일 수 있다.
또한, 음원 분석부(130)는, 상기 초저주파 음파 탐지부(110)로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 통해 파형 파라미터를 추정하여 상기 음원 정보를 분석하는 장치일 수 있다.
또한, 음원 분석부(130)는, 초저주파 음파 탐지부(110)로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 초저주파 음파 신호를 추출하는 컴퓨팅 장치일 수 있다.
여기서, 프로그레시브 다중 채널 상관관계(PMCC: Progressive Multi-Channel Correlation) 방법은 특히 신호 처리 및 시계열 분석 분야에서 다 채널 데이터를 분석하는 데 사용되는 통계적 방법으로, PMCC는 동시에 수집되는 여러 신호 간의 상관 관계를 바탕으로 신호를 탐지하는 데 사용되는 기법이다.
PMCC 방법은 신호 쌍 간의 상관관계를 계산한 다음 추가 신호를 포함하도록 이러한 상관관계를 반복적으로 업데이트하는 과정을 거치고, 그 결과 신호 간의 복잡한 관계를 포착하는 점진적(프로그레시브)으로 개선된 상관 계수 집합이 생성된다.
PMCC는 여러 신호에서 패턴과 추세를 식별할 수 있으므로 여러 센서 또는 채널의 데이터를 분석하는 데 유용하고, 상당한 수준의 노이즈가 있는 경우에도 의미 있는 정보를 추출하는 데 도움이 될 수 있으므로 노이즈가 많거나 불완전한 데이터를 처리하는 데 특히 적합하다는 점에서, 본 발명의 실시예에서와 같이 노이즈를 포함해 자연에서 발생하는 다양한 저주파 음파에서 댐 방류에 의한 초저주파 신호를 추출하고 분석하는데 적합한 방법일 수 있다.
여기서, 초저주파 음파(Infrasound) 어레이의 작동 원리는 일반적으로 초당 330 미터의 음파 속도로 대기를 통해 전파된다는 사실에 기반하고, 어레이의 센서는 각 센서에서 초저주파의 도착시간을 감지하고 이 정보는 초저주파 음원의 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다.
초저주파 음파가 발생하는 음원(source)의 정확한 정보를 파악하려면 어레이에 충분한 수의 센서가 충분히 넓은 간격으로 배치되어 각도 분해능이 우수해야 한다.
그리고 이와 같은 초저주파 음파 신호를 분석하는 음원 분석부(130)의 데이터 처리 시스템은 정교한 알고리즘을 사용하여 각 센서의 신호를 결합하고 초저주파 음원의 위치와 특성을 추정할 수 있다. 이러한 알고리즘에는 시간 지연 추정, 빔포밍 및 기타 신호 처리 기술이 포함될 수 있다.
또한, 상기 음원 분석부(130)는, 음원으로부터 상기 초저주파 음파 탐지부(110)까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 음파 에너지 감쇠 수준을 산출하고, 음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE)을 이용하여 상기 탐지된 신호를 분석하는 것일 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예로서 초저주파 음파 신호 탐지를 이용한 준-실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템은, 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부(210)와, 상기 초저주파 음파 탐지부(210)로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하고, 추출된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하여 경고 알람 정보를 생성하는 무단 방류 경고 시스템(200)과, 상기 무단 방류 경고 시스템(200)으로부터 경고 알람 정보를 수신 받고 재난 위험 대응 프로토콜에 따라 대응하는 적어도 하나의 재난 관제 서버(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 초저주파 음파 탐지부(110)는, 도 1의 실시예와 동일한 구성으로 설명을 생략하기로 한다.
그리고, 도 2에 도시된 무단 방류 경고 시스템(200)은, 상기 초저주파 음파 탐지부(210)로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부(251)와, 음원 분석부(251)로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부(253)와, 상기 무단 방류 판단부(150)가 판단한 위험 무단 방류 판단 정보를 바탕으로 경고 알람 정보를 생성하는 경고 알람부(255)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 음원 분석부(251) 및 무단 방류 판단부(253)는 도 1의 실시예와 유사하거나 동일하므로 설명을 생략하고, 경고 알람부(255)는 무단 방류 판단부(253)에서 위험 무단 방류라고 판단하는 경우, 미리 설정된 절차에 따라 외부의 재난 대응 센터 또는 재난 관제 서버(300)로 경고 알람 정보를 전송할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 무단 방류 경고 시스템(200)이 초저주파 음파 탐지부(210)로부터 실시간으로 탐지 신호를 수신 받아 분석한 후, 위험 무단 방류로 판단되는 경우, 인터넷 등의 네트워크를 통하여 외부 재난 관제 서버(300)로 경고 알람 정보를 전송하면, 재난 관제 서버(300)가 미리 설정된 프로토콜에 따라 각 재난 대응 관련 기관들(400)로 경고 알람 정보를 전송하여 재난 대응 프로세스를 진행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)을 이용한 무단 방류 판단방법 및 이를 이용한 재난 대응 방법에 대한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)을 이용한 무단 방류 판단방법은, (a) 초저주파 음파 탐지부(110)가 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 배치된 초저주파 음파 탐지부(110)가 상기 탐지 대상 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 단계(S100)와, (b) 음원 분석부(130)가 상기 초저주파 음파 탐지부(110)로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 음원 정보를 추출하여 분석하는 단계(S200)와, (c) 무단 방류 판단부(150)가 상기 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무단 방류 판단방법은 상술한 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100)을 이용하여, 먼저, 초저주파 음파 탐지부(110)가 댐 방류로 인하여 발생하는 초저주파 신호를 탐지한다.(S110)
탐지된 신호는 초저주파 음파 탐지부(110)에서 구비된 통신장치(113)가 음원 분석부(130)로 전송하고(S120), 음원 분석부(130)는 초저주파 신호로부터 PMCC 방법으로 음원과의 거리, 음원의 방향, 속도 등의 음원 정보를 추출하여 분석한다.(S200)
분석된 음원 정보는 무단 방류 판단부(150)가 미리 설정된 조건에 따라 상류에 위치한 댐으로부터 무단 방류가 이루어졌는지, 방류가 위험 정도를 넘어서는지 등을 판단하여 위험 무단 방류 여부를 판단하고, 경고 알람 정보를 생성한다.(S300)
그리고 나서, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 무단 방류 경고 시스템(200)의 경고 알람부(255)가 재난 관제 서버(300)로 경고 알람 정보를 전송하고, 재난 관제 서버가 재난 대응 프로토콜에 따라 재난 대응 관련 기관(400)들로 경고 알람 정보를 전송하여 재난 대응 프로세스를 진행한다.(S400)
이하에서 통제가 어렵거나 불가능한 상류에 위치(북한 등)한 댐에서 원격에 위치한 초저주파 음파 센서 어레이(111)를 통해 저주파 대기 음파를 감지하고, 이를 통해 댐의 무단 방류에 의한 신호인지 여부를 분석하고, 실제 특정 기간 동안의 대상 댐으로부터 원거리에 위치한 통제 가능한 댐의 수위 데이터를 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템(100) 성능 및 유효성을 검증하였다.
첫째, 원격의 초저주파 음파 센서 어레이(111)에서 탐지된 신호를 이용하여 댐의 대규모 방류를 파악하고자 했다.
둘째, 2008 ~ 2021년 기간동안 방류에서 발생한 초저주파 음파(Infrasound) 신호를 특성화하고 이를 수위 상승 이벤트와 비교했다.
그 결과 지진 조기 경보 시스템과 유사하게 초저주파 음파(Infrasound) 데이터를 사용하여 눈에 띄지 않는 방류 이벤트에 대해 사전에 경보를 제공할 수 있음을 발견했다.
데이터 및 방법
인프라사운드 데이터
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초저주파 음파 센서 어레이(111)의 배치 지도를 나타낸 도면이다.
도 4는 남쪽으로 흐르는 임진강(파란색 선), 황강댐(H댐), 소형 둑형 댐(A댐), 필승교(수위 관측소, P-bridge), 강우량과 풍속 데이터를 기록하는 기상 관측소(WS)를 표시한 지도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 빨간색 점은 남북한 경계선(검은색 선) 부근에 위치한 지질자원연구원의 10개 초저주파 음파 센서로 구성된 어레이(111)(자세한 위치는 삽입물에 표시)의 위치이다. 삽입된 지도의 사각형은 연구 지역의 위치를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 황강댐(H-dam)은 북한 임진강에 위치한 수력발전용 댐으로, 거의 모든 장마철(주로 6~9월)에 홍수 조절을 위한 방류 활동으로 인해 하류 지역에 다양한 규모의 홍수가 발생하여 왔다.
수위 관측소인 필승교(P-bridge)에서 수위가 급격히 상승한 시간대를 방류 활동의 기준점으로 삼아 방류 이벤트에 해당하는 초저주파 음파 데이터를 분석했다. 초저주파 음파 데이터는 황강댐(H-dam)에서 31.5 km, 후방위각 290°에 위치한 강과 댐 근처의 지진-음파 센서 어레이인 철원관측소(CHNAR)에서 수집되었다.
CHNAR 어레이는 약 1.5 km 정도의 영역에 걸쳐 형성된 개구부에 10개의 정밀기압계로 구성되어 있다. 센서의 기하학적 구조와 40 Hz 샘플링 속도로 H-dam 방향에서 도착하는 평면파에 대한 후방위각 추정치의 불확실성은 1도 미만인 것으로 추정된다.
지면에 놓인 10개의 다공성 호스는 국지풍으로 인한 배경잡음을 줄이는 역할을 한다. 반면, 다공질 호스는 빗방울, 지면에 흐르는 물, 바람에 흔들리는 풀 및 기타 다양한 물리적 요인으로 인한 배경 잡음에 영향을 받기 쉬운 특성이 있다.
신호 감지 방법
본 발명의 실시예에서는 댐에서 발생하는 초저주파 음파 신호를 식별하고 감지된 신호의 파형 파라미터를 추정하기 위해 프로그레시브 다중 채널 상관관계(PMCC) 방법을 CHNAR 데이터에 적용했다.
PMCC는 배경 소음에 의해 가려진 작은 신호 대 잡음비(SNR) 신호를 탐지하는 방법으로, PMCC 방법을 사용하여 0.15-0.5의 SNR 임계값으로 초저주파 신호를 감지할 수 있는 것으로 알려져 있다.
신호 매개변수(예: 후방위각 및 겉보기 속도)는 정의된 좁은 주파수-시간 창 대역에서 픽셀 단위로 계산할 수 있다. 0.5 ~ 15.0 Hz 주파수 대역에서 1/3 옥타브 대역 체계를 사용하여 시간 및 주파수 대역을 설정했다. 시간 창 길이는 95% 겹치는 주기로 선형 스케일링 되었다.
음원의 압력 추정
음원의 초저주파 신호는 다양한 경로를 따라 전파되며 대기 중 시간 변화에 따라 달라지는 유효 음파 속도로 인해 에너지 감쇠가 발생한다. 음원의 음압 레벨은 관측된 음압에서 전파에 의한 에너지 감쇠를 제거하여 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 음원에서 원격에 위치한 초저주파 음파 센서 어레이(111)까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 에너지 감쇠 수준(전송 손실, TL)을 계산했다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 음원으로부터 기준 거리(1 km)에서의 음원 압력 진폭은 TL 항을 고려하여 관측 신호로부터 추정했다. 음파 음영대에서의 회절 효과와 불균질한 대기층 구조에서의 산란 효과와 같은 음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE) 방법을 사용했다.
이 방법은 고주파 근사인 기존 파선추적 방법의 한계를 극복한다고 알려졌다. PE 시뮬레이션에서는 거리에 따른 대기층 구조에서 단일 주파수의 초저주파 음파의 전파 모델링을 위해 Pape 코드를 사용했다.
결과
물 방류 이벤트에 의한 초저주파 음파 신호의 탐지 가능성
방류 이벤트, 즉 수위가 급격히 상승한 시점을 식별하기 위해 2008~2021년 동안 수집된 필승교(P-bridge)에 대한 수위 자료를 검토했다. 수위가 정상 수위보다 1.5 m 이상 상승한 이벤트는 총 48건으로 조사되었다.
이러한 이벤트의 지속 시간은 몇 시간에서 며칠까지 다양했다. PMCC 방법은 모든 이벤트 동안 수집된 철원관측소(CHNAR)의 초저주파 음파 데이터에 적용하였다.
예를 들어, 2009년 9월 6일 06:00경 필승교(P-bridge)의 수위가 2.4 m 이상 급격히 증가했는데, 이 급격한 상승은 나중에 황강댐(H-dam)의 방류로 인한 것으로 밝혀졌다.
그러나 하류 지역의 국가(한국)는 이 사건에 대해 사전에 통보 받지 못했고, 이로 인해 갑작스런 홍수로 인한 인명 및 재산 피해가 발생했다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 적용된 CHNAR 초저주파 음파 자료에 대한 PMCC 결과와 이 이벤트에 대한 후속 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 5는 2009년 방류 사건에 대한 초저주파 음파 신호 감지 및 소리 강도/에너지 추정치를 나타낸다.
도 5의 (a)는 CHNAR 어레이에 있는 한 센서(CHN30)의 연속 파형(24시간)을 나타낸다.
도 5의 (b)는 CHNAR 데이터에 대한 PMCC 탐지 결과로서, 색상은 감지된 신호의 후방위각을 나타낸다. 분홍색과 파란색 픽셀로 표시된 검출 결과의 후방위각은 각각 ~289°와 ~239°이다.
도 5의 (c)는 도 5의 (a)의 CHN30 파형에 대한 음파의 강도(intensity)를 의미한다.
도 5의 (d)는 매분 픽셀의 에너지를 합산하여 계산한 CHNAR 센서 10개(분홍색과 파란색의 가는 선)에 대한 초저주파 음파 에너지 곡선이고, 굵은 선(빨간색과 청록색)은 각각 H-댐과 A-댐에서 감지한 곡선의 중앙값을 의미한다.
이와 같이, 감지된 신호는 작은 진폭과 긴 지속 시간을 보였으며, 이는 도 5의 (a)의 파형 양쪽 끝에 있는 높은 진폭의 잡음신호와는 구분된다. 분홍색 픽셀에서 우세한 신호의 평균 후방위각은 ~289°(도 5의 (b))이며, 이는 황강댐(H-dam)의 실제 후방위각(290°)과 일치한다.
상대적으로 저주파(0.5-2.0 Hz) 신호의 검출을 시작으로 PMCC에 사용되는 전체 주파수 대역(0.5-15 Hz)에서 약 11시간 동안 상관성이 높은 신호가 검출되었다. 이와 대조적으로, 후방위각이 ~239°(파란색 픽셀)인 초저주파 신호는 황강댐(H-댐) 검출이 갑자기 사라진 직후에 확인되었다.
이 후방위각은 임진강에 위치하는 A댐(238°)의 방위각과 일치한다. 황강(H-댐)의 구조물 높이(34m)는 소형 둑형 A-댐의 높이(13m)보다 크다. 댐이 클수록 더 큰 소리를 발생시킬 것이라는 가정하에, 9월 5일 23시 45분경에 황강댐(H댐)의 수문이 닫혔고, 수문이 없는 것으로 알려진 A댐의 둑 위로 물이 흐르고 떨어지면서 다른 초저주파 신호가 발생했다고 분석되었다. 상대적으로 더 큰 황강댐(H-dam)의 신호에 가려졌지만, A댐의 약한 신호는 황강댐(H-dam)이 닫히는 시간 이전에 발생했을 수 있다.
중요한 것은 이러한 탐지 결과가 초저주파 음파 센서 어레이(111) 데이터를 사용하여 여러 댐에서 발생하는 초저주파 음파 신호를 탐지할 수 있음을 보여준다.
PMCC가 감지한 픽셀의 소리 강도(intensity)는 CHNAR의 음압 진폭을 사용하여 추정했다. 강도(I)는 I ≡ P2 rms/ρc 관계에서 추정되었으며, 여기서 Prms는 평균제곱근 압력이고 c와 ρ는 각각 음파(sound)의 속도와 공기층 밀도이다.
강도 픽셀의 폭(시간)과 높이(주파수)는 PMCC 구성에 사용된 것과 동일하게 설정했다. 전체 주파수-시간 공간에서 각 픽셀의 소리(sound) 강도를 계산한 후, 도 5의 (b)에서 감지된 픽셀과 일치하는 강도 픽셀만 유지했다.
추출된 다이어그램(도 5의 (c)는 각 픽셀의 소리(sound) 강도를 사운드 강도(W/m2)로 나타낸 것이다.) 이 다이어그램은 황강댐(H-dam)이 더 넓고(1 ~ 2 Hz 범위의 지배적인 소리(sound) 강도) 더 긴 주기의 신호를 생성하는 반면, 작은 A-댐은 더 높은 주파수(> 3Hz)를 생성한다는 것을 보여준다.
초저주파 음파 에너지 곡선은 E=I·T(J/m2) 방정식(T는 시간 창(픽셀 폭)을 의미)을 기반으로 소리 에너지를 합산하여 0.5 ~ 5.0 Hz 주파수 대역에서 1분마다 추정되었다. 이벤트 중에 결함이 있는 센서가 포함될 수 있기 때문에, 햄펠(Hampel) 필터를 사용하여 에너지 곡선의 중앙값(굵은 선)을 추정하고 이상치를 제거하도록 하였다.
황강댐(H-dam: 굵은 빨간색 선)의 초저주파 에너지 레벨은 A-댐(굵은 시안(cyan) 색 선)의 레벨보다 약 10배 더 크다. 황강댐(H-dam)에서 철원관측소(CHNAR)까지의 전파 거리가 A-댐보다 멀다는 점을 감안할 때, H-댐의 구조적 높이로 인해 음원의 세기가 더 크다는 것을 말해준다.
수위와 초저주파 신호의 연관성
초저주파 음파 에너지 곡선(도 5의 (d))을 필승교(P-bridge)에서 기록된 수위 데이터와 비교하였다. A댐의 경우 크기가 작아 탐지 결과가 약했기 때문에, 비교 시에는 황당댐(H-dma)의 초저주파 에너지 곡선만 고려했다.
도 6은 2009년 이벤트에 대한 수위 기록에 따른 초저주파 음파 에너지 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6의 점선은 필승교(P-bridge)에서 기록된 원래 수위이고, 황강댐(H-dam)에서 필승교(P-bridge)까지의 하천 흐름 이동 시간(5 시간)을 고려하여 수위를 5시간 이동시켰다(파란색 실선).
상술한 바와 같이, 9월 5일 17시경에 수위가 갑자기 상승했다가 약 24시간 후 정상 수위로 돌아갔다(도 6의 점선).
황강댐(H-dam)에서 CHNAR 및 필승교(P-bridge) 까지의 거리는 비슷하다(약 32km). 이 거리에서 음파의 전파시간은 하부 대기를 통해 0.32 km/s의 속도로 2분 미만의 시간이 소요된다. 그러나 홍수 유량이 필승교(P-brige)에 도달하는 데는 약 5시간이 걸린다. 따라서 초저주파 음파 탐지결과와 수위기록과의 비교를 위하여 수위기록을 5시간 앞으로 이동시켰다.
초저주파 음파 도달시간(~2분)과 하천 유량의 이동 시간(~5시간) 사이의 상당한 시간 차이를 고려할 때, 초저주파 음파 신호의 탐지는 확인되지 않은 방류에 따른 하류 지역의 홍수 발생에 대한 실질적인 경보 시스템으로 사용될 수 있다.
수위 상승과 음파 에너지의 관계
낙하하는 물기둥이 강바닥의 물과 충돌하여 발생하는 압력 변동은 유출량에 비례한다고 가정할 수 있으며, 이는 하류의 수위에 직접적인 영향을 미친다. 유역의 강우량도 수위에 영향을 미치지만 본 발명의 실시예에서는 강우량의 영향은 고려하지 않았다. 이러한 가정하에 CHNAR의 초저주파 음파 에너지와 필승교(P-bridge)의 수위 기록 간의 상관관계를 조사했다.
본 발명의 실시예에서는 2008 ~ 2021년 동안 필승교(P-bridge)에서 발생한 48건의 수위 상승(1.5m 이상) 사건의 초저주파 음파 에너지를 임박한 수위 상승을 미리 예측하는 데 사용할 수 있다.
수위 상승과 관련된 초저주파 에너지 수준을 연관시키기 위해, 초저주파 음파 센서 어레이(111)에서 관측된 압력에서 전파 효과를 제거한 음원에서의 압력값을 사용하여 초저주파 에너지를 추정했다.
모든 이벤트에 대해 PE 시뮬레이션을 수행하여 초저주파의 TL을 구했다. 시뮬레이션은 초저주파가 감지된 시간에 해당하는 ECMWF 대기모델에서 추출한 유효 음파 속도 프로파일을 사용했으며, 0.5 ~ 5.0 Hz 범위의 11개 중심 주파수를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 최종적으로, 황당댐(H-dam)에서 1 km 기준 거리의 초저주파 음원 압력을 TL을 사용하여 추정하고 감쇠 보정된 초저주파 음파 에너지 곡선을 계산하는 데 사용했다.
도 7은 2008 ~ 2021년 48개 이벤트 모두에 대한 수위 기록과 해당 초저주파 음파 에너지 추정치 및 환경요인을 비교한 그래프이다.
도 7의 (a)는 14년간의 필승교(P-bridge)에서의 수위 상승과 초저주파 음파 에너지의 연관성을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 전파 경로 효과를 제거하여 얻은 황강댐(H-dam)으로부터 1 km의 기준 거리에서 0.5 ~ 5.0 Hz의 소스 압력하에서 1시간에 걸쳐 초저주파 에너지를 합산했다.
회색 패치는 감지된 초저주파 에너지로부터 예측 가능한 임의의 상부 수위 경계를 나타낸다.
도 7 (b)의 왼쪽 그래프는 지역 환경 요인, 즉 파워 스펙트럼 밀도(PSD), 강우량, 풍속, 대류권 유효 음속과 지표면 음속의 비율(Veff-ratio)에 따라 1분 동안 초저주파 신호가 감지된 경우(보라색)와 감지되지 않은 경우(검은색)를 비교한 것이고, 오른쪽의 히스토그램은 탐지 및 미탐지 기간 동안의 환경 값들의 분포를 보여준다.
보다 구체적으로, 도 7의 (a)는 2008 ~ 2021년 48개 이벤트 모두에 대한 수위 기록과 해당 초저주파 음파 에너지 추정치를 비교한 것이다. 초저주파 음파 에너지와 수위 값은 모두 도 6에 적용된 대로 5시간 보정 후 에너지 곡선을 비교한 1시간 크기의 창에서의 평균값이다.
결과는 일반적인 비례 관계를 보여 주지만 수위와 초저주파 에너지 사이의 이상적인 선형 관계를 도출하는 데는 한계가 있다. 배경 잡음과 신호 간의 간섭으로 인해 비례성이 저하될 가능성이 높은 것으로 해석된다.
그러나 이 관계는 초저주파 음파 에너지(도 7의 (a)의 회색 패치로 표시된 상한선)로부터 가능한 최대 수위 증가를 추정할 수 있을 것이다. 이 해석에 따르면, 초저주파 음파 신호 감지 및 초저주파 에너지 추정을 통해 임박한 최대 수위 증가를 어느 정도 추정할 수 있다.
신호 대 잡음비(SNR)가 작은 물 방류 신호는 초저주파 음파 센서 어레이(111)의 지역 환경 조건과 음원(source)과 초저주파 어레이(111) 사이의 낮은 대기 구조(전파 효과)에 민감할 수 있다.
따라서 탐지 결과를 신호 도착 시점의 배경잡음 수준(파워스펙트럼 밀도, PSD), 강우량, 풍속, Veff-ratio(대류권 유효 음속과 지상의 음속 사이의 비율)와 비교했다. 강우량 및 풍속 데이터는 CHNAR에서 약 7 km 떨어진 기상 관측소(WS) 자료를 사용하였다. (도 3 참조).
48개 이벤트의 총 지속 시간은 80.2일(1,925시간)이다. CHNAR에서 초저주파가 감지된 시간(보라색)과 감지되지 않은 시간(검은색)을 환경 요인과 비교했다(도 7의 (b) 왼쪽 그림).
방전 신호가 확인된 총 기간은 전체 기간의 약 31%에 해당한다. 일반적으로 초저주파 신호가 감지되지 않은 초저주파 음파 센서 어레이(111)에서는 배경잡음과 강우량, 풍속이 상대적으로 높았다.
CHNAR 근처에 강우량이 많을수록 탐지율이 낮았는데, 이는 강우로 인한 물리적 소음의 증가가 공기에 노출된 배경잡음제거장치(다공성 호스)에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
초저주파 음파 센서 어레이(111)의 대기 전파 조건이 유리한(Veff-ratio > 1) 경우와 불리한(Veff-ratio < 1) 경우, 모두 탐지 및 미탐지 기간에 고르게 분포되어 지역 규모에서의 탐지 가능성과 모호한 상관관계가 있음을 나타낸다.
일반적으로 초저주파 음파 신호는 SNR이 높으며 상대적으로 지속 시간이 짧은 신호이다. 이와 대조적으로, 댐 방류로 발생하는 초저주파 음파는 진폭이 작고 지속 시간이 긴 신호로, 마이크로바롬(microbaroms)과 유사하다. 그러나 0.1 ~ 0.5 Hz의 저주파에 집중되어 있는 마이크로바롬(microbaroms)과 구별할 수 있는 광대역 주파수(0.5 ~ > 15 Hz)에서 물 방류 초저주파 음파 신호에서 관찰되었다.
임진강의 급격한 수위 상승 중 상당수가 초저주파 신호를 발생시킨 황강댐(H-dam)의 방류 활동과 밀접한 관련이 있음을 확인했다. 48건의 수위 상승 이벤트 중 38건이 초저주파 음파 신호를 이용한 황강댐(H-dam)의 방류 활동과 관련이 있는 것으로 나타났으며, 그 결과 79%의 탐지율을 기록해 위험 경보 기능이 향상되었음을 알 수 있었다.
이 결과는 황강댐(H-dam)의 갑작스러운 방류에 대한 초저주파 음파 센서 어레이 데이터의 조기 경보 가능성을 보여준다. 황강댐(H-dam) 방향의 초저주파가 1시간 이상 연속적으로 감지되면 현재 경보 시스템 또는 재난 대응 시스템에 경보 또는 경고 알람 정보를 제공할 수 있다.
결론
본 발명의 실시예에서는 수력 발전 댐에서 대량의 낙차에 의해 생성되는 저주파 음파를 원거리의 초저주파 음파(Infrasound) 어레이로 감지할 수 있는지 조사했다. 초저주파 음파 어레이가 음원(source)에서 약 32 km 떨어진 연구지역에서 초저주파 음파 센서 어레이(111) 처리 방법을 통해 댐의 방류에 의해 발생한 낮은 진폭의, 장시간 지속된 신호를 확인했다.
본 발명의 실시예에서 보여준 댐 방류 신호는 마이크로바롬(microbaroms)과 유사한 모양을 가지고 있지만 넓은 주파수 대역(0.5 ~ 15.0 Hz)에서 관찰되는 특징이 있다. 이러한 방류 신호는 높은 SNR, 짧은 지속 시간 및 임펄스 모양을 가진 폭발성 음원(source)에 의해 생성되는 초저주파 음파 신호와 쉽게 구별되는 특성을 가지고 있다.
본 발명의 실시예에서는 수위 관측소인 필승교(P-bridge)의 수위 기록을 참조하여 14년(2008 ~ 2021년) 동안 48건의 수위 상승 이벤트를 조사하였다. 48건의 이벤트 중 79%에서 황강(H-dam)에 해당하는 초저주파 신호가 연관되었음을 확인하였다.
이는 많은 방류 이벤트에 앞서 하류 홍수 경보를 발령할 수 있음을 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 초저주파 음파 전파 중 감쇠 효과를 보정하여 감지된 초저주파의 에너지를 추정했다. 그 결과, 높은 초저주파 에너지는 임박한 최대 수위 상승과 어느 정도 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
하부 대기층에서 소리의 전파 속도(~320 m/s)는 예기치 않은 물 방류로 인한 하천 홍수의 하류 속도(~2.7m/s)보다 훨씬 빠르기 때문에 갑작스런 홍수에 대한 충분한 대응 시간(본 발명의 실시예에서는 5시간)을 확보할 수 있다.
이러한 결과는 초저주파 음파 감시 시스템이 지진 조기 경보 시스템과 유사하게 임박한 돌발 홍수를 식별하거나 통제할 수 없는 지역(북한 등의 지역)의 댐에서 무단 방류 했을 때, 경보를 발령하는 실용적인 수단으로 사용될 수 있음을 보여준다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 초저주파 음파 센서 어레이(111)의 여러 환경 요인(배경 잡음 수준, 강우량, 풍속, Veff-ratio)이 황강댐(H-dam)의 초저주파 음파(Infrasound) 감지 가능성에 미치는 영향을 조사했다. 특히 초저주파 음파 센서 어레이(111) 근처에 강우가 없거나 약하게 내릴 때는 방류 신호가 비교적 잘 탐지되었지만, 강우량이 많을 때는 탐지 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 강우의 영향을 최소화하기 위해 정교한 바람 소음 감소 장치 또는 시스템을 이용하거나 여러 개의 초저주파 음파 센서 어레이(111)를 서로 지역에서 운영하는 것이 바람직하다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100 : 무단 방류 감지 시스템
111 : 초저주파 음파 센서 어레이
113 : 통신장치
130 : 음원 분석부
150 : 무단 방류 판단부
200 : 무단 방류 경고 시스템
300 : 재난 관제 서버

Claims (17)

  1. 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부와, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부와, 상기 음원 분석부로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부를 포함하는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템으로서;
    상기 초저주파 음파 탐지부는 다수개의 초저주파 음파 센서가 배치되어 구비되는 초저주파 음파 센서 어레이와, 상기 초저주파 음파 센서 어레이가 감지한 신호를 상기 음원 분석부로 송신하는 통신장치를 더 포함하고;
    상기 음원 분석부는 상기 음원 정보로부터 상기 초저주파 음파 탐지부까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 음파 에너지 감쇠 수준을 산출하고 음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE)을 이용하여 상기 탐지된 신호를 분석하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초저주파 음파 센서 어레이는,
    다수개의 초저주파 음파 센서가 미리 설정된 삼각형 또는 원형 패턴으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초저주파 음파 센서 어레이는,
    상기 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하고, 댐 또는 강 부근에 위치하여 배치된 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)인 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지진 음파 어레이(seismo-acoustic array)는 10개의 다공성 호스에 각각 정밀기압계가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음원 분석부는,
    상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 통해 파형 파라미터를 추정하여 상기 음원 정보를 분석하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음원 분석부는,
    상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 초저주파 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 감지 시스템.
  8. 삭제
  9. 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하여, 상기 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 초저주파 음파 탐지부와, 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하고, 추출된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하여 경고 알람 정보를 생성하는 무단 방류 경고 시스템와,상기 무단 방류 경고 시스템으로부터 경고 알람 정보를 수신 받고 재난 위험 대응 프로토콜에 따라 대응하는 적어도 하나의 재난 관제 서버를 포함하는 초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템으로서,
    상기 초저주파 음파 탐지부는 다수개의 초저주파 음파 센서가 배치되어 구비되는 초저주파 음파 센서 어레이와, 상기 초저주파 음파 센서 어레이가 감지한 신호를 상기 무단 방류 경고 시스템으로 송신하는 통신장치를 더 포함하고;
    상기 무단 방류 경고 시스템은 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 분석하여 음원 정보를 추출하는 음원 분석부와, 상기 음원 분석부로부터 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 무단 방류 판단부와, 상기 무단 방류 판단부가 판단한 위험 무단 방류 판단 정보를 바탕으로 경고 알람 정보를 생성하는 경고 알람부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 초저주파 음파 센서 어레이는,
    다수개의 초저주파 음파 센서가 미리 설정된 삼각형 또는 원형 패턴으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 초저주파 음파 센서 어레이는,
    상기 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 위치하고, 댐 또는 강 부근에 위치하여 배치된 지진-음파 어레이(seismo-acoustic array)인 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지진 음파 어레이(seismo-acoustic array)는
    10개의 다공성 호스에 각각 정밀기압계가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  14. 제9항에 있어서
    상기 무단 방류 경고 시스템은,
    상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 통해 파형 파라미터를 추정하여 상기 음원 정보를 분석하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 음원 분석부는,
    상기 음원으로부터 상기 초저주파 음파 탐지부까지의 대기 전파 모델링을 수행하여 음파 에너지 감쇠 수준을 산출하고,
    음향 전파를 해석하기 위해 포물선 방정식(PE)을 이용하여 상기 탐지된 신호를 분석하는 것을 특징으로 하는,
    초저주파 음파 탐지를 이용한 준실시간 댐 무단 방류 재난 대응 시스템.
  17. (a) 초저주파 음파 탐지부가 탐지 대상 댐으로부터 원거리에 배치된 초저주파 음파 탐지부가 상기 탐지 대상 댐의 방류로부터 발생하는 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 단계와;
    (b) 음원 분석부가 상기 초저주파 음파 탐지부로부터 탐지된 신호를 PMCC(Progressive Multi-Channel Correlation) 방법을 사용하여 신호대 잡음비가 0.15 내지 0.5 범위의 값을 임계값으로 설정하여 음원 정보를 추출하여 분석하는 단계와;
    (c) 무단 방류 판단부가 상기 분석된 음원 정보로부터 미리 설정된 판단 정보를 바탕으로 위험 무단 방류를 판단하는 단계를 포함하는 준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 이용한 무단 방류 판단방법으로서;
    상기 초저주파 음파(Infrasound)를 탐지하는 단계에는 다수개의 초저주파 음파 센서가 배치된 초저주파 음파 센서 어레이를 포함하는 초저주파 음파 탐지부가 상기 초저주파 음파 센서 어레이가 감지한 신호를 통신장치를 통해 상기 무단 방류 경고 시스템으로 송신하는 단계를 더 포함하고;
    상기 위험 무단 방류를 판단하는 단계에는 무단 방류 경고 시스템의 경고 알람부가 상기 무단 방류 판단부가 판단한 위험 무단 방류 판단 정보를 바탕으로 경고 알람 정보를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    준-실시간 댐 무단 방류 감지 시스템을 이용한 무단 방류 판단방법.
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