KR20150123550A - 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법 - Google Patents

도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도시건축물의 지진재해경감을 위한 지진신속경보체계 구축을 위하여 지진 이벤트 감지의 신속성 및 발생 이벤트의 유효성을 빠르게 검사하고 오검출 및 오경보를 방지할 수 있도록 한 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법에 관한 것으로, 감시 대상물과 서로 다른 거리에 위치하고, GPS 수신모듈과 지진가속도센서를 포함하고 지진이벤트의 사전 검출을 수행하는 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들;상기 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들로부터 전송된 데이터를 시각 동기화 처리하여 잡음제거 및 단일 중합데이터로 재구성하고, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하여 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진 감시시스템;을 포함하는 것이다.

Description

도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법{System and Method for Measuring and Monitoring Seismic data Applied to the City Building}
본 발명은 지진데이터 측정 및 감시에 관한 것으로, 구체적으로 도시건축물의 지진재해경감을 위한 지진신속경보체계 구축을 위하여 지진 이벤트 감지의 신속성 및 발생 이벤트의 유효성을 빠르게 검사하고 오검출 및 오경보를 방지할 수 있도록 한 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법에 관한 것이다.
2011년 3월에 일어난 동일본 대지진은 전 세계에 지진재해에 대한 두려움과 지진조기 경보시스템 구축의 필요성을 새롭게 각인시킨 계기가 되었다.
지진의 공포는 우리가 전혀 인식할 시간적 여유 없이 갑자기 엄청난 재앙을 가져오는데서 기인한다. 여러 자연재해 현상 중 발생시각에서 피해가 수반되는 시간까지의 시간차를 여유시간이라 하면, 태풍의 경우 수일 정도이고 홍수나 화산폭발의 경우 수 시간에서 수일 정도이다.
이에 반해 지진 해일(쓰나미)의 경우 여유시간이 수십 초에서 수 분 정도이며 지진은 수 초에서 수십 초 밖에 되지 않는다. 그러나 비록 수 초의 짧은 시간이라도 사전에 인식할 수 있다면 많은 인명피해를 극적으로 줄일 수 있을 것이고 원자력 발전소나 대규모 가스시설 등에 긴급조치를 취함으로써 2차 피해의 확산을 최소화할 수 있다.
지진조기경보시스템(EEWS; Earthquake Early Warning System)은 지진발생 시 피해는 작지만 빠르게 전파하는 P파를 신속하게 탐지분석하여 큰 피해를 입히며 상대적으로 느린 S파가 도달하기 전에 이에 대한 경보를 피해 예상 지역이나 시설물에 가능한 신속히 전달하는 관측 및 분석 그리고 제어기술을 총망라하는 통합시스템이다.
국가 지진 관측망을 활용하여 전 국토를 경보대상으로 하는 국가지진조기경보시스템(NEEWS; National EEWS)은 일본의 UrEDAS(Urgent Earthquake Detection and Alarm System), 미국의 ElarmS(Earthquake Alarm Systems), 대만의 CWBSN(Central Weather Bureau Seismographic network), 우리나라의 한국형 ElarmS(기상청 및 한국지질자원연구원을 주축으로 현재 개발 중) 등이 대표적이다.
현재 국내의 경우, 지진조기 경보시스템 개발의 초기화 단계이며, 최근 생활지역의 지진재해경감을 위해 저비용의 보급형 MEMS 가속도 센서를 활용한 지진 데이터 취득 시스템의 설계 및 구현방법이 발표되었다.
그러나 MEMS 가속도 센서는 그 응답특성이 피해가 예상되는 중규모(규모 4.0)이상의 지진파 측정에 적합하며 시스템 비용을 현저히 줄일 수 있지만 고가의 지진관측 전용 센서에 비해 센서가 갖는 고유한 특성에 의해 부가잡음(additive noise) 수준이 높은 단점이 있다.
지진 데이터 수집 시 부가되는 잡음은 센서 설치 시 방위와 지표면에 대한 오정렬(misalignment)에 의한 오프셋 잡음(offset noise), 열 잡음(thermal noise)과 같이 주로 센서 자체에서 발생하거나 측정 시 부가되는 랜덤(random) 특성의 측정잡음(measurement noise), 그리고 설치장소의 환경(즉, 인적이 드문 지진 관측소의 경우 바람, 파도, 기압 등에 의한 저주파 잡음, 생활지역의 경우 사람, 차량, 공사장 발파 등으로 인한 잡음)에 의한 코히어런트(coherent) 특성을 갖는 배경잡음(background noise) 등의 형태로 나타난다.
이러한 부가잡음에 의한 신호대잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)의 저하는 특히, 단일 관측시스템에서 S파에 비해 상대적으로 작은 진폭의 P파 검출을 더욱 어렵게 한다.
따라서 정확한 지진요소 분석을 위한 다양한 데이터 가공(후처리)을 위해 먼저 지진 데이터를 센싱(sensing)하는 초기 단계에서 다양한 부가잡음의 제거 노력이 선행되어야 한다.
이와 같은 종래 기술의 지진 감시 시스템은 국가지진관측망을 포함하여 지자체, 공공기관, 사회기반시설 운영기관 등 많은 기관에서 감시지점에 지진데이터 측정장비를 설치하고 측정된 데이터를 중앙서버에 전송 후 데이터 분석처리를 통해 지진이벤트 발생 여부를 감시하는 지진신속경보시스템을 구축하여 운영하고 있다.
일반적으로 지진신속경보시스템을 위한 지진 측정장비 설치 시 많은 기관들이 2개 이상의 지진가속도계를 감시 대상물(건물, 교각 등) 또는 통제 및 운영소와 근거리에 위치한 감시지점에 센서를 설치하여 지진발생을 감시하고 있다.
보다 신속한 탐지를 위해 지진 측정장비에서 측정한 지진파형의 원시자료(raw data)보다는 거동특성만을 간략히 담은 경량의 메타데이터(metadata)를 지진신속경보시스템의 기반자료로 활용하는 추세이다.
특히, 초(second) 단위 최대지반가속도(PGA; Peak Ground Acceleration)는 많은 기관의 지진신속경보시스템에서 활용하는 주요 메타데이터이다.
최근 지진기록계(Digitizer)에서는 PGA 등 거동특성 정보를 담은 경량의 메타데이터만을 패킷화하여 안정된 전용 통신망을 통해 매초 실시간으로 원격지에 전송하는 기능을 지원한다.
원격의 지진감시시스템 또는 지진신속경보시스템에서는 지진기록계에서 전송하는 패킷화된 경량의 메타데이터를 실시간으로 수신하여 이를 모니터링하며 이벤트 발생 유무를 감지한다.
여기서, 지진신속경보시스템에서 말하는 이벤트(event)라 함은 감시 대상물(건물, 댐, 교량, 또는 지반 등)의 특성을 고려하여 설정된 특정 메타데이터의 임계값(Threshold) 이상의 관측값이 측정된 상황을 말한다.
지진가속도 계측설비를 구축하고 감시 대상에서의 이벤트 발생 유무를 실시간으로 감시하는 지진감시시스템 또는 지진신속경보시스템을 구축한 많은 기관에서는 이벤트 감지를 위한 감시 대상 메타데이터로 수평성분 PGA값을 주로 활용하고 있다.
이벤트 발생 시 담당자가 이를 즉각 인지할 수 있도록 많은 지진 신속경보시스템에서는 이벤트 발생사실을 경광등이나 경고음을 통해 발령하는 알람기능을 지원한다.
이처럼 지진신속경보시스템에서 이벤트 검출을 위해 지진파형의 원시자료가 아닌 초 단위로 구성된 경량의 메타데이터(이를 활용한 이벤트 검출 시 최대검출시각 오차는 1 sec임)를 이용하는 이유는 수많은 관측지점으로부터 중앙서버로 전송된 많은 양의 각 관측소별 데이터 처리를 위해서 고사양의 분석서버(하드웨어) 및 분석기술(소프트웨어)이 요구되기 때문이다.
또한, 이러한 기존의 지진신속경보시스템은 관측지점의 배경잡음에 의존하는 오경보(False) 발령이 발생할 수 있는 문제가 있다.
이벤트의 유효성보다는 신속한 경보발령이 우선 시 되는 지진신속경보시스템에서는,
(1) 함께 설치된 통신, 전원장치의 전기적 간섭에 의한 지진계측기에서의 스파이크 시그널(spike signal) 발생,
(2) 인위적 충격,
(3) 지진계측기 오작동 등 지진에 의한 실제 지반거동이 아닌 오작동이나 배경잡음에 의한 원하지 않는 이벤트가 발생하여 오경보를 발령할 수 있다.
지진발생에 신속히 대처하기 위하여 구축한 지진신속경보시스템의 이벤트 모니터링 결과와 보호대상시설의 운영제어가 서로 밀접히 연관된 특정 기관에서는 이러한 오경보가 매우 민감한 사안이거나 기관운영에 치명적인 결과를 가져올 수 있다.
이러한 문제점은 지진분석시스템과 지진신속경보시스템의 목적 및 감지방식 차이에서 비롯된다.
다소 시간은 걸리나 여러 지진관측소의 지진파형을 수집해 고도의 자료처리를 통한 분석을 통해 지진 발생 위치(진원 및 진앙)와 규모를 결정하는 지진분석시스템에서는 이러한 잡음신호들이 시스템이나 분석자에 의해 필터링되어 질 수 있다.
그러나 신속한 경보를 위하여 경량의 메타데이터와 이벤트 검출 알고리즘을 사용하고 실시간 모니터링 기능에 집중된 지진신속경보시스템에서는 이러한 잘못된 잡음신호에 의해 감지된 이벤트의 유효성을 신속하게 검출하기가 쉽지 않으며 최소 1초 이상의 이벤트 검출오차가 발생하는 문제가 있다.
한국공개특허번호 10-2013-0041687호 한국공개특허번호 10-2014-0037468호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 지진신속경보시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 도시건축물의 지진재해경감을 위한 지진신속경보체계 구축을 위하여 지진 이벤트 감지의 신속성 및 발생 이벤트의 유효성을 빠르게 검사하고 오검출 및 오경보를 방지할 수 있도록 한 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 지진신속경보시스템 또는 도시형 지진방재시스템의 이벤트 감지의 신속성을 유지하면서 발생된 이벤트의 유효성을 즉각적으로 검사하고 오경보를 방지할 수 있는 지진 감시 시스템 및 이를 이용한 이벤트 유효성 검증방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계를 포함하여 지진 이벤트 감지의 신속성 및 발생 이벤트의 유효성을 빠르게 검사하고 오검출 및 오경보를 방지할 수 있도록 한 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 지진에 의한 실제 지반 거동이 아닌 오작동이나 배경잡음에 의한 원하지 않는 이벤트 발령을 즉각적으로 방지할 수 있는 지진 감시 시스템 및 이를 이용한 이벤트 유효성 검증 방법을 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템은 감시 대상물과 서로 다른 거리에 위치하고, GPS 수신모듈과 지진가속도센서를 포함하고 지진이벤트의 사전 검출을 수행하는 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들;상기 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들로부터 전송된 데이터를 시각 동기화 처리하여 잡음제거 및 단일 중합데이터로 재구성하고, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하여 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진 감시시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 지진 데이터 측정시스템은, 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하는 지진파 측정모듈과,해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 이용하여 지진 발생 여부를 사전 검출하는 지진이벤트 사전검출모듈과,지진 감시시스템과의 통신오류에 의한 미송신 데이터가 있을 경우 데이터의 재송신을 위한 임시 저장 역할을 하는 자료대기모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 사용되는 지진 이벤트 검출알고리즘은, 지진 발생시 감지되는 진동의 단기간 평균값을 이용하는 STA(Short-term average) 및 지진 발생전 일정 시간의 평균 배경잡음을 이용하는 LTA (Long-term average), 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동검출 방법의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고 복수 개의 지진데이터 측정시스템들로부터 지진 감시시스템으로 전송되는 데이터는, 적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과(preTRG = ON or OFF)를 포함하고, 해당 지진데이터 측정시스템의 고유식별 ID, 시간 정보와 함께 실시간 또는 일정 시간 구간의 데이터들로 이루어진 데이터 패킷인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 지진 감시시스템은, 각 지진데이터 측정시스템과의 통신오류에 의한 미수신 데이터가 있을 경우 재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화가 이루어지도록 하는 자료대기모듈과,시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 데이터 중합 처리(stacking processing) 모듈과,지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하는 지진이벤트 검출 모듈과,각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진이벤트 판별 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 데이터 중합처리 모듈은 시각 동기화 처리된 데이터를 잡음제거 및 단일 중합데이터로 재구성하기 위하여, 각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 오프셋 제거 수단과,다수 개의 센서 출력으로 구성되는 지진 데이터 취득 시스템(seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 미소 중합 처리 수단과,측정잡음이 제거된 다수 개의 지진 데이터 취득 시스템 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 위치 중합 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 방법은 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하고 해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 통한 지진 발생 여부를 사전 검출하는 단계;데이터의 재송신을 위해 임시 저장하는 단계;적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과를 지진 감시 시스템으로 송신하는 단계;재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화 처리하는 단계;시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계;지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출하는 단계 및 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계는, 각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 단계와,다수 개의 센서 출력으로 구성되는 데이터 취득 시스템(SDAS;seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 단계와,측정잡음이 제거된 다수 개의 SDAS 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 사용되는 지진 이벤트 검출알고리즘은, 지진 발생시 감지되는 진동의 단기간 평균값을 이용하는 STA(Short-term average) 및 지진 발생전 일정 시간의 평균 배경잡음을 이용하는 LTA (Long-term average), 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동검출 방법의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 지진 이벤트 감지의 신속성 및 발생 이벤트의 유효성을 빠르게 검사하고 오검출 및 오경보를 방지할 수 있다.
둘째, 오검출 및 오경보를 방지할 수 있어 유효한 도시건축물의 지진재해경감을 위한 지진신속경보체계 구축을 가능하게 한다.
셋째, 지진신속경보시스템 또는 도시형 지진방재시스템의 이벤트 감지의 신속성을 유지하면서 발생된 이벤트의 유효성을 즉각적으로 검사할 수 있다.
넷째, 각 측정시스템으로부터 분석시스템으로 수집된 사전검출결과 및 다수 개의 원시 데이터 셋(set)에 대한 잡음제거와 통합데이터 생성후 후처리 검출결과를 활용하여 지진에 의한 실제 지반 거동이 아닌 오작동이나 배경잡음에 의한 원하지 않는 이벤트 발령을 즉각적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템의 구성도
도 2는 FPGA내 설계된 미소배열 센서 데이터 취득 모듈의 구성도
도 3은 미소 위치 배열 중합을 이용한 지진파의 잡음제거를 위한 3단계 구성도
도 4는 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템의 구성도이다.
일반적으로 신속한 이벤트 감지 및 경보를 위한 지진신속경보 체계 구축에 많은 기관들이 2개 이상의 지진가속도계(지진가속도센서)를 동일 감시 시설물(건물, 교각 등) 또는 근거리에 설치하고 통제·운영소(본부)에 서버를 두어 지진신속경보 시스템을 운영 중이다.
본 발명은 이와 같은 구축환경을 포함하여 최근 개발이 요구되는 로컬지역 내 지진방재망(로컬지역 내 지진측정 및 실시간 분석이 가능한 다수 개의 임베디드 지진데이터 측정시스템과 안정경보 및 시설제어용 지진방재통합관리시스템) 구축 환경에서 유용하게 활용될 수 있도록 한 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여, 각각의 측정시스템에서 측정된 개별 지진파형 원시데이터 및 이를 이용한 사전 이벤트 검출 결과와 각 측정시스템으로부터 분석시스템으로 수집된 사전검출결과 및 다수 개의 원시 데이터 셋(set)에 대한 잡음제거와 통합데이터 생성(중합처리) 후 후처리 검출결과를 활용하여 지진에 의한 실제 지반 거동이 아닌 오작동이나 배경잡음에 의한 원하지 않는 이벤트 발령을 즉각적으로 방지할 수 있는 지진 감시 시스템 및 이를 이용한 이벤트 유효성 검증 방법을 제시한다.
그 구성은 도 1에서와 같이, 감시 대상물의 서로 다른 근거리 위치에 GPS 수신모듈과 지진가속도센서를 포함하고 지진이벤트의 사전 검출을 수행하는 지진 데이터 측정시스템(100)과, 지진 데이터 측정시스템(100)으로부터 전송된 데이터를 시각 동기화 처리하여 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하고, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하여 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진 감시시스템(200)을 포함한다.
여기서, 지진 데이터 측정시스템(100)은 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하는 지진파 측정모듈(10)과, 해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 통한 지진 발생여부를 사전 검출하는 지진이벤트 사전검출모듈(20)과, 지진 감시시스템(200)과의 접속단절 등의 통신오류에 의한 미송신 데이터가 있을 경우 데이터의 재송신을 위한 임시 저장 역할을 하는 자료대기모듈(30)을 포함한다.
그리고 지진 감시시스템(200)은 각 지진데이터 측정시스템과의 통신오류에 의한 미수신 데이터가 있을 경우 재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화가 이루어지도록 하는 자료대기모듈(40)과, 시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 데이터 중합 처리(stacking processing) 모듈(50)과, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하는 지진이벤트 검출 모듈(60)과, 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진이벤트 판별 모듈(70)을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템의 지진데이터 측정 및 감시 동작은 다음과 같이 이루어진다.
도 4에서와 같이, 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하는 단계(S401)와, 해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 통한 지진 발생 여부를 사전 검출하는 단계(S402)와, 통신오류에 의한 미송신 데이터가 있을 경우 데이터의 재송신을 위한 임시 저장하는 단계(S403)와, 적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과를 지진 감시 시스템으로 송신하는 단계(S404)와, 통신오류에 의한 미수신 데이터가 있을 경우 재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화 처리하는 단계(S405)와, 시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계(S406)와, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출하는 단계(S407) 및 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 단계(S408)를 포함한다.
여기서, 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계는, 각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 과정과, 다수 개의 센서 출력으로 구성되는 데이터 취득 시스템(SDAS;seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 과정과, 측정잡음이 제거된 다수 개의 SDAS 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 과정을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 감시 대상물의 서로 다른 근거리 위치에 GPS 수신모듈과 지진가속도센서가 포함된 지진 데이터 측정시스템(100)은 감시 대상물의 서로 다른 근거리 위치에 GPS 수신모듈과 지진가속도센서가 포함된 지진 데이터 측정시스템(100)을 설치하여 각각의 위치에서 지진파 측정모듈(10)을 사용하여 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하고 각 측정시스템의 지진이벤트 사전검출모듈(20)에서는 해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 통한 지진 발생여부를 pre-triggering(사전 검출)하는 것이다.
여기서, 사용되는 지진 이벤트 검출알고리즘은 지진 발생시 감지되는 진동의 단기간 평균값을 이용하는 STA(Short-term average) 및 지진 발생전 일정 시간의 평균 배경잡음을 이용하는 LTA (Long-term average), 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동검출 방법 등을 이용할 수 있다.
적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과(preTRG = ON or OFF)는 해당 측정시스템의 고유식별 ID, 시간 정보와 함께 실시간 또는 일정 시간 구간의 데이터들로 이루어진 데이터 패킷으로 지진 감시 시스템(200)으로 송신된다.
지진 데이터 측정시스템(100)의 자료대기모듈(30)은 사전에 적절히 설정된 데이터의 길이 즉, 큐의 크기(moving data window size)를 갖는 N개의 링버퍼(ring buffer)로 구성된다.
지진 감시시스템(200)과의 접속단절 등의 통신오류에 의한 미송신 데이터가 있을 경우 데이터의 재송신을 위한 임시 저장 역할을 한다.
접속단절 시 지속적인 재접속이 이루어지며 설정된 재접속 시간이 초과할 경우 시스템의 리소스 낭비를 막기 위해 링버퍼 사이즈를 초과하는 데이터는 버린다.
이와 같이 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템(100)으로부터 전송된 실시간 데이터 또는 데이터 패킷은 지진 감시 시스템(200)의 자료대기모듈(40)에서 각 지진데이터 측정시스템과의 통신오류에 의한 미수신 데이터가 있을 경우 재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화가 이루어진다.
자료대기모듈(40)은 사전에 적절히 설정된 데이터의 길이 즉, 큐의 크기(moving data window size)를 갖는 N개의 링버퍼(ring buffer)로 구성된다.
이와 같이 시각 동기화 처리된 데이터들은 수학식 1을 이용하는 데이터 중합 처리(stacking processing) 모듈(50)을 통해 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성한다.
Figure pat00001
여기서, x j 는 실시간 측정데이터 및 지진이벤트 사전검출 결과 데이터 또는 데이터 패킷, s(t)는 측정시각정보 보정 및 중합처리가 이루어진 중합데이터이다.
여기서, 수학식 1의 중합처리 시 특정 지진데이터 측정시스템의 상태가 정상이 아닐 경우 해당 측정시스템의 데이터는 중합처리에서 제외한다.
이는 3개 이상의 측정시스템 활용 시 1개의 측정시스템에 문제가 있어도 나머지 2개의 측정시스템을 통해 실시간 이벤트 검출이 가능한 장점이 있다.
많은 수의 측정시스템 활용 시 잡음제거 성능향상과 오경보 발생 확률이 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
이와 같은 잡음처리 및 그에 따른 효과를 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
미소 위치 배열 중합을 이용한 지진파의 잡음제거를 위하여 다음과 같은 구성 및 동작을 수행한다.
도 2는 미소배열 센서(MSA)와 FPGA내에 Verilog HDL로 설계한 I2C 통신프로토콜을 사용하는 데이터 수집모듈 및 중첩처리 모듈을 나타낸 것이다.
가속도 센서에서 측정된 가속도 신호는 설정된 값에 따라 센서 내부의 ADC(analog to digital converter)에 의해 디지털신호로 변환되어 내부 레지스터에 저장된다.
주 가속도 데이터 취득 모듈(31)에서는 샘플링 주파수(100Hz)에 동기되어 있는 Fsync 신호가 감지될 때마다 주 가속도 센서의 내부 레지스터에 저장된 가속도 데이터를 I2C 모듈(32)을 통하여 직렬로 취득한다.
이후 X(EW), Y(NS), Z(UD)축 데이터로 정렬하여 오프셋 제거 후 중첩처리 모듈(Stacking Module)(33)에 전송한다.
설계에 사용된 I2C 통신속도는 표준 모드(100kbit/s)이다.
미소-위치 배열 중합(Micro-Site Array stacking)을 이용한 잡음 제거에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
지진파 측정 시스템에 의해 수집된 측정신호 x(n)은 지진파(seismic wave) s(n)과 잡음신호 v(n)으로 구성되며 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00002
지진파 s(n)은 특정 시간구간에서 폭발(explosion)이나 전단파단(shear rupture)과 같은 지진원(seismic source)으로부터 방사되어 지구 내부의 복잡한 전파과정을 거쳐 측정 시스템에 의해 수집되는 신호로서 밀리 초에서 수 초의 유한 주기를 갖는 정현파들로 구성되는 협대역(narrow band) 조화 신호(harmonic signal)이다.
반면 잡음신호 v(n)은 지진파와 달리 연속적인 원인과 특정 시간구간의 원인이 동시에 나타나게 된다.
먼저 연속적인 원인에 의한 잡음은 설치된 센서의 기울기에 의해 발생하는 DC형태의 오프셋(offset) 잡음과 기압, 바람, 파도 등과 같은 자연현상에 의해 발생하는 약 0.1 Hz ~ 0.5 Hz 범위의 저주파 잡음, 그리고 측정 시스템의 특성에 의해 부가되는 광대역의 백색잡음이 있다.
이와 달리 특정시간에 나타나는 잡음으로는 공사장, 차량, 철도, 중기계를 다루는 산업 현장 등 사람에 의한 인위적인 원인에 의한 0.5 Hz ~ 수십 Hz 범위의 고주파 잡음이 있다.
지진파 신호 s(n)와 이들 잡음 v(n)은 주파수 영역에서 서로 겹치므로 단순한 필터링 과정으로는 제거가 어렵다.
수학식 2의 잡음신호 v(n)을 세분화하여 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00003
여기서, z(n)은 오프셋 잡음, c(n)은 자연현상과 사람에 의해 발생하는 배경잡음(background noise)이며 w(n)은 계측 시 부가되는 측정잡음으로 통계적으로 랜덤(random)한 백색잡음(white noise)이다.
지진파에 포함되어 있는 잡음문제를 해결하기 위해 일반적으로 지진학에서는 각 관측소들로부터 전송되는 데이터의 배열 처리(array processing)를 사용한다.
이때 수 ~ 수십 km 거리에 설치된 다수의 관측소에서 측정된 지진파의 주파수별 전파속도에 따른 시간차를 보정하는 빔포밍(beamforming)이 필요하다. 전체 배열의 빔(beam)은 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00004
여기서, x j (n)은 시간 n에서 관측소 j로부터 측정된 지진파 데이터이며,τ j 는 관측 지점간 거리에 따른 지진파의 전파지연 시간, 그리고 N은 관측소 수이다.
이러한 많은 량의 배열 데이터를 사용한 빔포밍 기반의 잡음제거 방법은 많은 계산량과 복잡한 처리과정을 요구하므로 고성능의 분석 시스템이 요구되며 실시간 처리에 어려움이 있다. 따라서 생활지역의 지진재해방지 목적의 보급형 단일 시스템을 위한 잡음제거 방법이 필요하다.
이를 위해 본 발명에서는 도 2의 N개의 MEMS 센서로 구성된 미소배열의 센서모듈로부터 N개의 서로 다른 센서출력을 구하고 도 3에서와 같이 3단계의 처리과정을 하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템의 데이터 중합처리 모듈(50)은, 각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 오프셋 제거 수단(41)과, 다수 개의 센서 출력으로 구성되는 데이터 취득 시스템(SDAS;seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 미소 중합 처리 수단(42)과, 측정잡음이 제거된 다수 개의 SDAS 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 주 시스템에서 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 위치 중합 처리 수단(43)을 포함한다.
그리고 지진 감시 시스템(200)의 지진이벤트 검출모듈(60)에서는 잡음이 제거된 중합데이터와 지진 이벤트 검출 알고리즘을 사용하여 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출(postTRG = ON or OFF)이 이루어진다.
지진이벤트 판별모듈(70)에서는 각각의 지진 데이터 측정시스템에서 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과(postTRG를 활용하여 수학식 5로부터 지진이벤트 발생여부를 최종 판별한다.
Figure pat00005
이와 같은 본 발명에 따른 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템 및 방법은 각각의 측정시스템에서 측정된 개별 지진파형 원시데이터 및 이를 이용한 사전 이벤트 검출 결과와 각 측정시스템으로부터 분석시스템으로 수집된 사전검출결과 및 다수 개의 원시 데이터 셋(set)에 대한 잡음제거와 통합데이터 생성(중합처리) 후 후처리 검출결과를 활용하여 지진에 의한 실제 지반 거동이 아닌 오작동이나 배경잡음에 의한 원하지 않는 이벤트 발령을 즉각적으로 방지할 수 있는 지진 감시 시스템 및 이를 이용한 이벤트 유효성 검증에 관한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 지진 데이터 측정시스템 200. 지진 감시 시스템

Claims (9)

  1. 감시 대상물과 서로 다른 거리에 위치하고, GPS 수신모듈과 지진가속도센서를 포함하고 지진이벤트의 사전 검출을 수행하는 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들;
    상기 복수 개의 지진 데이터 측정시스템들로부터 전송된 데이터를 시각 동기화 처리하여 잡음제거 및 단일 중합데이터로 재구성하고, 지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하여 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진 감시시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 지진 데이터 측정시스템은,
    지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하는 지진파 측정모듈과,
    해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 이용하여 지진 발생 여부를 사전 검출하는 지진이벤트 사전검출모듈과,
    지진 감시시스템과의 통신오류에 의한 미송신 데이터가 있을 경우 데이터의 재송신을 위한 임시 저장 역할을 하는 자료대기모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 사용되는 지진 이벤트 검출알고리즘은,
    지진 발생시 감지되는 진동의 단기간 평균값을 이용하는 STA(Short-term average) 및 지진 발생전 일정 시간의 평균 배경잡음을 이용하는 LTA(Long-term average), 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동검출 방법의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 복수 개의 지진데이터 측정시스템들로부터 지진 감시시스템으로 전송되는 데이터는,
    적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과(preTRG = ON or OFF)를 포함하고,
    해당 지진데이터 측정시스템의 고유식별 ID, 시간 정보와 함께 실시간 또는 일정 시간 구간의 데이터들로 이루어진 데이터 패킷인 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 지진 감시시스템은,
    각 지진데이터 측정시스템과의 통신오류에 의한 미수신 데이터가 있을 경우 재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화가 이루어지도록 하는 자료대기모듈과,
    시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 데이터 중합 처리(stacking processing) 모듈과,
    지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출을 하는 지진이벤트 검출 모듈과,
    각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 지진이벤트 판별 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 데이터 중합처리 모듈은 시각 동기화 처리된 데이터를 잡음제거 및 단일 중합데이터로 재구성하기 위하여,
    각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 오프셋 제거 수단과,
    다수 개의 센서 출력으로 구성되는 지진 데이터 취득 시스템(seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 미소 중합 처리 수단과,
    측정잡음이 제거된 다수 개의 지진 데이터 취득 시스템 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 위치 중합 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 시스템.
  7. 지진동에 의한 가속도 데이터를 측정하고 해당 위치에서 측정된 데이터를 대상으로 지진 이벤트 검출알고리즘을 통한 지진 발생 여부를 사전 검출하는 단계;
    데이터의 재송신을 위해 임시 저장하는 단계;
    적어도 두 개 이상의 지진 데이터 측정시스템에서 동일 시각에 측정된 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터와 사전 검출 결과를 지진 감시 시스템으로 송신하는 단계;
    재송신 과정을 통한 측정 데이터의 정확한 시각 동기화 처리하는 단계;
    시각 동기화 처리된 데이터들을 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계;
    지진이벤트 발생 여부를 확인하기 위해 후처리 검출하는 단계 및 각각의 지진 데이터 측정시스템에서의 지진이벤트 사전검출 결과와 후처리 검출결과를 활용하여 지진이벤트 발생 여부를 최종 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 잡음제거 및 단일 중합데이터(stacked data)로 재구성하는 단계는,
    각각의 센서 출력에서 센서 오정렬에 의한 오프셋 잡음을 제거하는 단계와,
    다수 개의 센서 출력으로 구성되는 데이터 취득 시스템(SDAS;seismic data acquisition System)의 미소배열(micro array) 데이터 중합(stacking)을 통해 랜덤 특성의 측정 잡음을 제거하는 단계와,
    측정잡음이 제거된 다수 개의 SDAS 출력으로 구성되는 위치배열 데이터를 추가로 중합(stacking)하여 나머지 코히어런트 특성의 배경 잡음 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 사용되는 지진 이벤트 검출알고리즘은,
    지진 발생시 감지되는 진동의 단기간 평균값을 이용하는 STA(Short-term average) 및 지진 발생전 일정 시간의 평균 배경잡음을 이용하는 LTA (Long-term average), 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동검출 방법의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 도시건축물에 적용되는 지진데이터 측정 및 감시 방법.

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