KR20140093830A - 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법 - Google Patents

3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하천에서 발생할 수 있는 홍수피해를 3차원 가상현실을 이용해서 모의하여 하천설계에 반영할 수 있도록 한 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법에 관한 것으로, 하천의 지형데이터를 저장하기 위한 하천지형데이터저장부(32)와, 하천의 구조물에 관한 데이터를 저장하기 위한 하천구조물데이터저장부(34)와, 하천유량데이터와 강우데이터를 입력하고 홍수피해범위를 설정하기 위한 입력장치(22)와, 입력장치(22)로부터 입력된 하천유량데이터와 강우데이터를 융합하여 수량데이터를 산출하기 위한 데이터연산부(20)와, 데이터연산부(20)로부터 융합된 수량데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리(21)와, 입력장치(22)에 의해 설정된 홍수피해범위에 해당하는 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 상기 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)로부터 추출하고 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하며 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하기 위한 3차원모델링 워크스테이션(30)과, 3차원모델링 워크스테이션(30)에서 생성된 모의결과 영상을 출력하기 위한 컬러디스플레이장치(36)를 포함하여 구성된 것이다.

Description

3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법{Three-dimensional virtual reality fluid simulation system and method for river of flooding}
본 발명은 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천에서 발생할 수 있는 홍수피해를 3차원 가상현실을 이용해서 모의하여 하천설계에 반영할 수 있도록 한 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기후변화로 인한 홍수발생빈도와 그 피해규모는 해마다 증가하여 현재 우리나라를 비롯하여 지구촌은 매해 천문학적인 재산피해와 많은 수의 사망자를 기록하고 있다. 이러한 홍수가 발생하는 원인으로는 해안홍수, 돌발홍수, 도시홍수, 하천홍수와 같이 크게 4 종류로 분류할 수 있다.
첫 번째, 해안홍수의 경우는 대부분 강한 호우를 동반한 태풍에 의해 발생되며, 많은 강우를 발생시키기도 하지만 바닷물을 지상으로 밀어 올려 모래사장이나 해안가에 위치한 건물들을 밀려온 바닷물에 의해 침수시키거나 휩쓸어버리기도 하며, 해양에서 발생한 화산폭발이나 지진 등으로 인해 유발되는 높은 파도인 쓰나미도 일종의 해안홍수에 해당되며 이러한 쓰나미는 내륙 깊숙한 지역까지 침투하여 대규모 인명피해를 낳기도 한다.
두 번째, 돌발홍수는 경사가 급한 계곡에서 많은 비가 짧은 기간 동안에 집중될 때, 계곡에 모인 빗물이 쌓여 높은 수위의 홍수파를 형성한 후 순식간에 낮은 지역까지 흘러가서 발생되며, 첨단부에서의 높은 수위와 빠른 유속으로 계곡에 잔류하던 흙, 자갈, 바위, 나무 등이 빗물에 휩쓸려서 토석류(土石流) 형태로 흐르며, 짧은 시간동안에 발생되기 때문에 특히 계곡에 머문 등산객이나 야영객의 인명피해가 크다.
세 번째, 도시홍수는 빗물이 땅속으로 스며들지 못하는 콘크리트 구조물과 아스팔트 도로 등과 같은 불투수면에서 강우가 미처 배수되지 못하고 지하주차장, 저지대 도로, 지하철로, 지하실 등을 침수시키는 형태이며, 특히 도시홍수는 강우가 도시배수시설 처리능력 이상일 때 발생하며, 빗물에 쓸려 내려오는 도시쓰레기 등이 배수구를 막아 빗물배수를 어렵게 하면서 침수를 가중시키게 된다.
네 번째, 하천홍수는 강을 따라 발생하는 자연적인 홍수로, 주로 우기에 많은 비가 내려 하천 제방이 월류되어 발생하며, 상류에 많은 비가 내릴 경우 비가 내리지 않은 하류의 제방이 월류되어 발생될 수도 있다.
이러한 하천에서 발생하는 홍수피해는 큰 하천지역의 홍수 예측을 위해 설치된 우량계를 이용하는 기존의 방식으로는 홍수피해를 대비하는데 이미 한계를 드러내고 있다.
이러한 대책으로 하천의 구조물적 홍수대처 방안에 대한 점검과 확충이 필요하나 현재에는 하천의 구조물과 하천 주변지형이 강우에 대비해 재해유형이 어떻게 발생되는가에 대한 평가가 제대로 이루어지지 않은 상태에서 건설되기 때문에 홍수로 인해 많은 피해를 낳고 있어 이에 대한 사전 평가시스템의 개발이 시급하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 3차원 유체 시뮬레이션을 활용하여 하천에서 발생할 수 있는 홍수피해를 가상현실공간에서 실사와 같은 피해상황을 모의하여 하천설계에 이용하도록 함으로써 홍수피해를 최소화할 수 있는 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템은 하천의 지형데이터를 저장하기 위한 하천지형데이터저장부와, 하천의 구조물에 관한 데이터를 저장하기 위한 하천구조물데이터저장부와, 하천유량데이터와 강우데이터를 입력하고 홍수피해범위를 설정하기 위한 입력장치와, 입력장치로부터 입력된 하천유량데이터와 강우데이터를 융합하여 수량데이터를 산출하기 위한 데이터연산부와, 데이터연산부로부터 융합된 수량데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리와, 입력장치에 의해 설정된 홍수피해범위에 해당하는 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 상기 하천지형데이터저장부와 하천구조물데이터저장부로부터 추출하고 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하며 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하기 위한 3차원모델링 워크스테이션과, 3차원모델링 워크스테이션에서 생성된 모의결과 영상을 출력하기 위한 컬러디스플레이장치로 구성된 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 방법은 하천의 유량데이터와 강우데이터를 입력받아 수량데이터를 융합하는 단계, 설정된 홍수피해범위에 해당하는 데이터를 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 추출하는 단계, 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하는 단계, 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하여 영상으로 출력하는 단계로 구성된 특징을 갖는다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하천지형이나 구조물에 의해 발생될 수 있는 홍수피해규모 및 취약부를 가상현실공간에서 3차원 모델링으로 해석하고 시각화할 수 있도록 되어 있기 때문에 모의시험을 통해 적정한 설계치를 하천설계에 반영할 수 있게 되어 하천의 홍수피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템을 보인 블록구성도
도 2는 본 발명에 따른 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 플로차트
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 하상과 하천 주변지형의 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 하천에서의 흐름을 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진
도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 하천구조물의 조건을 변경하면서 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진
도 6a 및 도 6b는 본 발명에서 최적의 상태로 하천구조물을 재설계한 후 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템을 보인 블록구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 하천의 지형데이터를 저장하기 위한 하천지형데이터저장부(32)와, 하천의 구조물에 관한 데이터를 저장하기 위한 하천구조물데이터저장부(34)와, 하천유량데이터와 강우데이터를 입력하고 홍수피해범위를 설정하기 위한 입력장치(22)와, 입력장치(22)로부터 입력된 하천유량데이터와 강우데이터를 융합하여 수량데이터를 산출하기 위한 데이터연산부(20)와, 데이터연산부(20)로부터 융합된 수량데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리(21)와, 3차원모델링 워크스테이션(30) 및 컬러디스플레이장치(36)로 구성된다.
상기 3차원모델링 워크스테이션(30)은 입력장치(22)에 의해 설정된 홍수피해범위에 해당하는 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 상기 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)로부터 추출하고 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하며 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하는 기능을 수행하게 된다.
또, 컬러디스플레이장치(36)는 컬러액정모니터, 모노크롬액정디스플레이, 영상투사기, 프로젝션화면 등으로 구성된 것이며, 3차원모델링 워크스테이션(30)에서 생성된 모의결과 영상을 출력하는 기능을 담당한다.
상기 메모리(21)는 전원이 꺼지면 데이터를 잃어버리지만 읽고/쓰기 속도가 매우 빠른 휘발성메모리(RAM, random access memory)를 사용하여 구성할 수 있으며, 상기 입력장치(22)는 키보드, 키패드, 터치패드, 마우스, 터치스크린, 터치펜 중에서 하나 또는 하나 이상의 조합으로 구성할 수 있다.
상기 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)는 대용량의 데이터를 저장하기 위한 기계적인 하드디스크(HDD), 반도체 형태의 솔리드스테이트디스크(SSD), 테이프 드라이브, 광디스크 드라이브 중에서 하나 또는 하나 이상의 조합으로 구성할 수 있다.
상기 3차원모델링 워크스테이션(30)은 3차원모델링만을 전문으로 수행하는 고성능 컴퓨터의 일종으로, 데이터연산부(20)는 하천유량데이터와 강우데이터만의 융합 및 입력출력을 담당하고, 3차원모델링 워크스테이션(30)는 3차원모델링과 합성 모의결과의 시각화 등 고속연산처리가 가능한 부분을 맡도록 한다.
한편, 첨부도면 도 2는 본 발명에 따른 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 방법을 보인 플로차트로서, 이에 도시된 바와 같이 하천의 유량데이터와 강우데이터를 입력받아 수량데이터를 융합하는 단계(S10, S11, S12)와, 설정된 홍수피해범위에 해당하는 데이터를 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 추출하는 단계(S13, S14, S15, S16)와, 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하는 단계(S17)와, 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하여 영상으로 출력하는 단계(S18, S19, S20)로 이루어진다.
즉, 도 2의 단계 S10, S11, S12에서 데이터연산부(20)는 입력장치(22)를 통해 하천의 유량데이터와 강우데이터를 입력받아 융합하여 수량데이터를 산출하게 된다.
또, 도 2의 단계 S13에서 입력장치(22)를 통해 입력된 홍수피해범위에 대한 데이터를 바탕으로 도 2의 단계 S14, S15, S16에서 3차원모델링 워크스테이션(30)은 홍수피해범위에 해당하는 데이터를 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)에 저장된 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 추출한 다음 도 2의 단계 S17에서 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하게 된다.
또한, 도 2의 단계 S18, S19, S20에서 3차원모델링 워크스테이션(30)은 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 수행하게 되고, 이를 통해 모의결과를 시각화하여 컬러디스플레이장치(36)를 통해 영상으로 출력하게 된다.
이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하천의 실시설계단계에서 홍수피해로 인한 하천의 흐름과 홍수피해지역을 3차원으로 모의하여 하천설계에 반영하려는 경우 사용자가 3차원모의프로그램을 실행하게 되면, 도 2의 단계 “S10”와 “S11”에서 입력장치(22)를 통해 데이터연산부(20)로 하천유량데이터와 강우데이터를 입력하게 되면, 데이터연산부(20)는 도 2의 단계 “S12”에서 하천유량데이터와 강우데이터를 융합하여 메모리(21)에 임시로 저장하게 된다.
즉, 하천유량데이터와 강우데이터는 하천에서 모여서 흐르기 때문에 최종적으로 하나의 수량데이터로 간주하여 처리하기 위해 융합처리하게 된다.
이후 도 2의 단계 “S13”에서 입력장치(22)를 통해 데이터연산부(20)로 홍수피해범위를 설정하게 되면, 데이터연산부(20)는 설정된 홍수피해범위에 대한 데이터를 3차원모델링 워크스테이션(30)로 전송하게 된다.
그 다음 3차원모델링 워크스테이션(30)는 전송된 홍수피해범위에 해당하는 부위를 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 찾아내기 위해 도 2의 단계 “S14”와 도 2의 단계 “S15”에서 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)로부터 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 읽어서 내장된 기억공간(도시생략)에 로딩한 다음 도 2의 단계 “S16”에서 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 홍수피해범위에 해당하는 부분을 추출하게 된다.
이때 3차원모델링 워크스테이션(30)는 도 2의 단계 “S17”에서 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성하고 합성하게 되며, 다시 도 2의 단계 “S18”에서 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 산출한 다음 도 2의 단계 “S19”에서 렌더링과정을 통해 영상으로 볼 수 있는 시각화처리를 한 후 도 2의 단계 “S20”에서 컬러디스플레이장치(36)를 통해 출력하게 된다.
한편, 첨부도면 도3a 및 도3b는 본 발명에서 하상과 하천 주변지형의 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진으로서, 이에 도시된 바와 같이 하천지형데이터를 이용 하상과 주변지형을 모델링하여 컬러디스플레이장치(36)를 통해 3차원 시뮬레이션 영상으로 출력되면, 이를 이용해서 하상설계에 반영할 수 있게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 하천에서의 흐름을 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진으로서, 이에 도시된 바와 같이 하천지형데이터와 융합된 수량데이터를 이용 하천에서의 흐름을 모의하여 컬러디스플레이장치(36)를 통해 3차원 시뮬레이션 영상으로 출력되면, 이를 이용해서 하천의 흐름을 검토하여 문제구간을 도출한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 하천구조물에 의한 영향을 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진으로서, 이에 도시된 바와 같이 합성된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 이용 하천에서의 흐름을 모의하여 컬러디스플레이장치(36)를 통해 3차원 시뮬레이션 영상으로 출력되면, 이를 이용해서 하천구조물의 조건을 변화시키면서 문제구간의 영향을 검토하고, 구조물의 조건별 홍수피해 등을 파악하여 설계에 반영할 수 있다.
즉, 3차원 시뮬레이션을 통해 홍수시 하천의 배수취약구간 검토, 강우강도에 따른 홍수피해범위 검토, 하천의 유역별 유출계수 효율성 검토, 쓰레기나 부유물의 이동경로 추적, 하천 주변지형이나 구조물의 침수피해부위 검토, 홍수위(평상시 수위, 계획 홍수위, 만조시간때 수위) 검토 등을 수행할 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에서 최적의 상태로 하천구조물을 재설계한 후 모의한 3차원 시뮬레이션 영상 캡쳐사진으로서, 이에 도시된 바와 같이 도 4a 및 도 4b에 파악된 홍수피해 취약부를 도출하고, 도 5a 및 도 5b를 통해 하천구조물의 조건중에 취약부를 가장 효과적으로 제어하는 최적의 안을 하천설계에 반영하여 재설계한 다음 모델링 한 후 컬러디스플레이장치(36)를 통해 재출력하게 되면, 이를 이용해서 홍수피해 최소화 및 예산절감 효과를 예측할 수 있다.
20 : 데이터연산부
21 : 메모리
22 : 입력장치
30 : 3차원모델링 워크스테이션
32 : 하천지형데이터저장부
34 : 하천구조물데이터저장부
36 : 컬러디스플레이장치

Claims (2)

  1. 하천의 지형데이터를 저장하기 위한 하천지형데이터저장부(32)와;
    하천의 구조물에 관한 데이터를 저장하기 위한 하천구조물데이터저장부(34)와;
    하천유량데이터와 강우데이터를 입력하고, 홍수피해범위를 설정하기 위한 입력장치(22)와;
    상기 입력장치(22)로부터 입력된 하천유량데이터와 강우데이터를 융합하여 수량데이터를 산출하기 위한 데이터연산부(20)와;
    상기 데이터연산부(20)로부터 융합된 수량데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리(21)와;
    상기 입력장치(22)에 의해 설정된 홍수피해범위에 해당하는 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 상기 하천지형데이터저장부(32)와 하천구조물데이터저장부(34)로부터 추출하고, 추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하며, 합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하기 위한 3차원모델링 워크스테이션(30)과;
    상기 3차원모델링 워크스테이션(30)에서 생성된 모의결과 영상을 출력하기 위한 컬러디스플레이장치(36)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템.
  2. 하천의 유량데이터와 강우데이터를 입력받아 수량데이터를 융합하는 단계;
    설정된 홍수피해범위에 해당하는 데이터를 하천지형데이터와 하천구조물데이터로부터 추출하는 단계;
    추출된 하천지형데이터와 하천구조물데이터를 기반으로 3차원모델링객체를 생성한 후 합성하는 단계;
    합성된 3차원모델링객체와 융합된 수량데이터를 기반으로 3차원 유체해석을 통해 모의결과를 시각화하여 영상으로 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 방법.











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KR1020130005640A KR20140093830A (ko) 2013-01-18 2013-01-18 3차원 가상현실을 이용한 하천의 홍수피해 유체시뮬레이션 시스템 및 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160114818A (ko) 2015-03-25 2016-10-06 (주) 지오씨엔아이 홍수 범람 시뮬레이션을 위한 실시간 카메라 시점 이동에 따른 3차원 모델링 및 렌더링 자동화 방법
KR101665324B1 (ko) * 2016-03-28 2016-10-12 한국건설기술연구원 홍수 재난 대응을 위한 통합 방법 및 시스템
KR101718755B1 (ko) * 2015-09-23 2017-03-23 동남이엔씨(주) 홍수발생시 도로 및 하천으로 유입되는 빗물의 흐름을 모의하기 위한 3차원 유체 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 시뮬레이션 방법
CN109960838A (zh) * 2017-12-26 2019-07-02 中国水利水电科学研究院 一种体现河流基本特征的河道地形自动生成方法

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