KR20150129487A

KR20150129487A - 제방의 위험도 평가 방법 및 그에 적합한 평가 시스템

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Publication number: KR20150129487A
Application number: KR1020140056513A
Authority: KR
Inventors: 오은호; 김진만; 김균태; 조진우; 김경훈; 채명진; 최봉혁
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-20
Also published as: KR101649956B1

Abstract

평가 대상 제방에 대한 홍수 발생 정보를 입력하는 단계, 제방상태 및 그에 대응하는 파괴 위험 백분율 정보를 입력하는 단계, 제방 관련 인벤토리 정보를 입력하는 단계를 포함하는 정보 입력 단계가 이루어지고, 이들 입력을 바탕으로 제방 붕괴의 조건부확률을 계산하는 단계와 제방의 기능적 위험도 및 구조적 위험도를 산출하는 단계를 구비하여 이루어지는 제방의 위험도 평가 방법 및 그에 적합한 평가 시스템이 개시된다. 본 발명 평가 방법에서 제방 붕괴의 조건부 확률을 계산하는 단계는 홍수 발생 시 네트워크 형태로 관련된 시설물(제방들)에 발생하는 연관 피해를 조건부확률을 이용한 베이의 정리로 계산할 수 있으며, 기능적 구조적 피해로 분류하여 각각의 피해발생 확률을 계산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 현실적으로 제방 붕괴에 큰 영향을 주는 현재의 제방 시설의 상태를 감안할 수 있는 제방 위험도 평가가 이루어질 수 있고, 정해진 입력 인자들을 통해 제방 시설물에 발생하는 기능적 파괴 및 구조적 파괴에 대한 피해발생의 확률을 계산하고 반복적으로 구현할 수 있도록 하는 체계화된 제방 위험도 평가가 이루어질 수 있다.

Description

제방의 위험도 평가 방법 및 그에 적합한 평가 시스템{method of evaluating extent of damage of levee and system for the same}

본 발명은 홍수 상황에서 수로 관련 주요 시설물인 제방의 위험도를 평가할 수 있는 평가 방법 및 그에 적합한 평가 시스템에 관한 것이다.

위험도라는 용어는 대개 여러 가지 재해로 인하여 가치있는 대상에 가해지는 위험의 정도를 의미한다. 일반적인 홍수의 위험도는 홍수로 인하여 가령, 사회나 산업에 가해지는 위험의 정도를 의미하는 경우가 많다. 재해는 자연 재해와 인적 요인에 의한 인재로 나누어질 수 있는 데, 이들 두 가지 요소가 결합되어 더 큰 위험을 가져오는 경우가 많다.

가령, 자연재해 가운데 홍수는 정도의 차이는 있지만 빈번한 것이며, 따라서 생활에 매우 큰 영향을 미친다. 인류 사회의 초기 문명 발전은 이러한 홍수에 대항하는 과정에서 이루어진 것이 많고, 제방은 홍수 재해를 예방하기 위한 대표적인 시설물이다.

그러나, 제방을 홍수에 대한 안전망으로 하여 건설된 주거시설이나 산업시설, 농경지는 제방이 붕괴될 경우, 급격한 침수 등으로 예상하지 못한 피해를 받게 되고, 이런 피해는 제방이 없는 자연 상태에서의 홍수에 비해 훨씬 더 큰 피해를 수반할 수 있다.

따라서, 이런 피해를 막기 위해 제방과 같은 시설물에 대한 위험도를 미리 파악하고, 관리하는 것이 필수적이다.

그런데, 국가나 지역 전체로 볼 때 이런 시설물은 매우 많이 존재하며, 모든 시설물을 최상 상태로 관리할 수 있으면 좋지만 제한된 가용 자원을 가진 상황에서 구체적으로 어떤 특정 시설물을 어떤 상태로 관리하는 것이 적합한 지 합리적으로 결정하고, 관리하기에는 어려움이 있었다.

따라서, 효율적인 시설물 관리라는 관점에서 중요 시설물인 제방에 대해 가해지는 위험도를 적절하게 평가하고, 피해발생의 가능성을 좀 더 구체적으로 추정하여 시설물 유지 보수 관리를 할 필요가 있다.

그러나, 기존의 홍수 위험도 개념은 과거에 발생한 홍수 침수흔적을 지도상에 표기한 재해 위험도 맵 또는 향후 발생 가능한 홍수 침수 위험 지역 표기 맵(map) 등으로 홍수로 인한 시설물 위험도 수준의 변화를 나타내지 못하였다.

기존에 홍수에 대한 일반적이고 전체적인 위험도에 대한 평가는 대한민국등록특허 10-1341437호 등에서 볼 수 있으나 홍수에 대한 제방 자체의 위험도는 다각적이며 효율적으로 파악되지 못하고 있는 실정이며, 제내지 침수 위험도 등을 판단할 때에도 환경요인을 감안하지만 제방 자체는 일반적이고 단일한 상태로 판단되어 현실적인 홍수 위험을 산출함에 있어서 현실적이지 못한 점이 있었다.

대한민국등록특허 10-1341437호; 다기준 홍수위험도 평가방법

1. 박재홍, 송준호, 김미선 (2012) "하천제방 붕괴로 인한 침수위험도 작성", 첨단도시개발사업(11첨단도시C07)에 의한 기후변화 대응형 도시 빗물관리시스템 연구과제.

본 발명은 상술한 종래 홍수위험도 평가방법에서 환경요인 가운데 강우 강도나 강우량 같은 자연요인, 집수구역의 면적 및 지형요인, 하천 흐름에 따른 제방의 붕괴 모형과 관련된 침식 및 세굴 이론뿐 아니라, 현실적으로 제방 붕괴에 큰 영향을 주는 현재의 제방 시설의 상태를 감안할 수 있는 제방 위험도 평가 방법 및 그에 적합한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 정해진 입력 인자들을 통해 제방 시설물에 발생하는 기능적 파괴 및 구조적 파괴에 대한 피해발생의 확률을 계산하고 반복적으로 구현할 수 있도록 하는 체계화된 제방 위험도 평가 방법 및 그에 적합한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평가 방법은,

평가 대상 제방에 대한 홍수 발생 정보를 입력하는 단계, 제방상태 및 그에 대응하는 파괴 위험 백분율 정보를 입력하는 단계, 제방 관련 인벤토리 정보를 입력하는 단계를 포함하는 정보 입력 단계가 이루어지고, 이들 입력을 바탕으로 제방 붕괴의 조건부확률을 계산하는 단계와 제방의 기능적 위험도 및 구조적 위험도를 산출하는 단계를 구비하여 이루어진다.

본 발명 평가 방법에서 제방 붕괴의 조건부 확률을 계산하는 단계는 홍수 발생 시 네트워크 형태로 관련된 시설물(제방들)에 발생하는 연관 피해를 조건부확률을 이용한 베이의 정리(Bayes' theorem)로 계산할 수 있으며, 기능적 구조적 피해로 분류하여 각각의 피해발생 확률을 계산할 수 있다.

이때, 계산식은 시스템 내 시뮬레이션 모듈의 각 시설물 요소별 관계식으로 절차화되어 최초 입력정보(홍수 데이터 혹은 시나리오)에 따라 각 시설물별 위험도를 산출할 수 있다.

본 발명에서, 홍수 발생 정보는 홍수수위(FL)와 홍수발생확률을 포함하며, 대상 제방의 제방상태 정보와 그에 따른 파괴 위험 백분율은 인위적으로 사전에 정해지는 관리 상태 등급 및 각 등급에서의 파괴 위험 정도일 수 있고, 제방 관련 인벤토리 정보는 대상 제방의 제방 높이와 제방 폭, 홍수수위에 따라 대상 제방의 일 지점 혹은 취약 지점에 선형적으로 작용하는 압력 사이의 압력관계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서 위험도를 산출하는 단계는, 위의 정보 입력 단계에서 입력된 정보를 근거로, 대상 제방에 대한 기능적 파괴확률과 구조적 파괴확률을 산출하는 단계, 대상 제방에 대한 기능적 파괴크기와 구조적 파괴크기를 산출하는 단계, 대상 제방에 대한 기능적 위험도와 구조적 위험도를 산출하는 단계를 포함할 수 있고, 이때, 기능적 파괴확률과 구조적 파괴확률은 베이스 정리에 의한 조건부확률 계산을 통해 산출될 수 있다.

본 발명에서 구조적 파괴크기는 파괴 위험 백분율을 홍수수위와 압력관계에 따라 도출되는 상대적 압력과 조합시켜 얻을 수 있고, 이때, 파괴 위험 백분율과 상대적 압력의 조합은 단순하게는 두 수치를 곱하는 방법으로 이루어질 수 있으며, 인벤토리 정보 등 입력 단계에서 입력되는 정보들을 바탕으로 하여 제방의 구조적 파괴 모델링, 이를 반영하는 산출 수식 및 프로그램에 그 정보들의 영향의 경중을 반영하여 좀 더 복잡하게 얻어지는 것일 수 있다.

구조적 위험도는 구조적 파괴확률에 구조적 파괴크기를 곱하여 얻어지고, 기능적 위험도는 기능적 파괴확률에 기능적 파괴크기를 곱하여 얻어지되 홍수수위가 제방 높이보다 높을 때에는 1(혹은 100%)로 주어지고 그렇지 않은 경우에는 0으로 정할 수 있다.

구조적 파괴크기는 파괴 위험 백분율을, 홍수수위와 압력관계에 따라 도출되는 상대적 압력과 조합시켜 얻으며, 상대적인 수치로서 1보다 작은 값으로 정하게 된다.

한편, 이런 위험도 산출 단계에 이어서 최종적인 홍수 시 제방 위험도가 결정되는 단계가 통상 더 구비되며, 기능적 위험도는 실질적으로 0이 아니면 1이 되고, 구조적 위험도는 0과 1 사이에서 분산된 값들을 가질 수 있으므로 제방의 총 위험도는 기능적 위험도와 구조적 위험도 가운데 큰 값을 취하는 것으로 정할 수 있다.

본 발명의 평가 시스템은 홍수 발생 정보, 제방 상태 및 파괴확률 관련 정보, 인벤토리 정보가 입력되는 데이터 베이스와, 이 데이터 베이스의 정보를 근거로 제방 붕괴의 조건부확률을 계산하는 계산 모듈, 제방의 기능적 위험도 및 구조적 위험도를 산출하는 평가모듈, 이들 데이터 베이스와 모듈들을 통합적으로 운영하는 운영 모듈을 구비하여 이루어질 수 있다.

이때, 각 모듈은 컴퓨터 시스템 상의 프로그램 및 프로세서를 통해 구현될 수 있고, 데이터 베이스는 컴퓨터 시스템 상의 프로그램과 저장장치 및 프로세서를 통해 구현될 수 있다.

본 발명에 따르면, 현실적으로 제방 붕괴에 큰 영향을 주는 현재의 제방 시설의 상태를 감안할 수 있는 제방 위험도 평가가 이루어질 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 정해진 입력 인자들을 통해 제방 시설물에 발생하는 기능적 파괴 및 구조적 파괴에 대한 피해발생의 확률을 계산하고 반복적으로 구현할 수 있도록 하는 체계화된 제방 위험도 평가가 이루어질 수 있으며, 기존의 홍수 침수나 홍수 위험도 정보와 달리 홍수로 피해를 입는 제방 시설물과 그 피해 위험도를 측정하고 재난관리 주체에게 제공하여 능동적인 홍수 대응을 가능하게 할 수 있다.

도1은 본 발명 시스템의 일 실시예를 주변 환경과 함께 나타내는 전체적인 구성개념도,
도2는 본 발명 방법의 일 실시예에 따른 흐름도,
도3은 본 발명 시스템의 일 실시예에서 기능과 관련하여 내부 구성요소를 좀 더 구체적으로 나타내는 구성 개념도,
도4는 본 발명 시스템 내에서 이루어지는 위험도 평가 과정을 나타내는 흐름도,
도5는 베이스 정리를 이용하여 제방의 구조적 파괴확률 P(SD-L)을 계산하는 예시적 도해이다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명 시스템의 일 실시예를 나타내는 전체적인 구성개념도이며, ㄷ도3은 기능과 관련하여 내부 구성요소를 나타내는 구성개념도이다.

이 실시예에 따르면 각종 입력수단(10, 20, 30)이나 입력경로에 의해 데이터 베이스(40)에 홍수시 제방위험도 산출을 위한 각종 입력사항들이 입력된다. 입력사항들로는 홍수 발생 정보, 제방상태 및 그에 대응하는 파괴 위험 백분율 정보, 인벤토리 정보가 있다.

이런 데이터 베이스(40)의 정보는 네트워크를 통해 데이터 베이스(40)와 연결된 컴퓨터 시스템(50)에 제공된다. 컴퓨터 시스템(50) 내에서는 프로세서가 위험도 평가 프로그램에 의해 데이터 베이스(40)의 정보를 처리하여 원하는 계산과 평가를 실시한다. 프로그램과 프로세서가 일체를 이루어 그 일부가 기능적으로 조건부 확률 계산 모듈(51)이 되고, 일부가 위험도 평가 모듈(53)을, 일부가 운영 모듈(55)을 이룬다.

이렇게 얻어진 대상 제방의 위험도 평가 결과는 컴퓨터 시스템(50)과 연관된 네트워크를 통해 내, 외부의 다른 주체의 컴퓨터 시스템(60)으로 제공되어 홍수 시 제방 관리에 이용될 수 있다.

이런 실시예의 시스템에서 위험도 평가가 이루어지는 과정은 도2의 흐름도로 예시될 수 있다. 이 흐름도에서, 홍수 발생 정보, 제방 상태 정보 및 파괴 위험 백분율 정보가 입력되고, 아울러, 인벤토리 정보도 입력되다(S10, S20, S30).

홍수 발생 정보로 대표적인 것에는 홍수수위(FL: flood level)와 홍수발생확률인 P(FL)이 있으며, 각 시설물(제방: L1, L2, L3) 부근에 대하여 측정 혹은 예측된 이들 정보는 기상청이나 기상청 홍수통제소(10)에서 제공되는 것이 통상적이다. 이들 정보는 홍수와 가장 직접적으로 연결되는 정보이며, 참고적이고 보조적인 정보가 추가되어 향후 홍수수위나 홍수발생확률을 더 잘 예상하게 하는 것도 가능하다. 홍수수위 정보는 특히 제방의 기능적 위험도에 결정적인 영향을 미치며, 홍수수위와 선형 관계에 있는 압력은 제방의 구조적 위험도 결정에도 중요한 영향을 미쳐 전체적 제방 위험도 산출에 중요한 인자가 된다.

제방상태 정보는 다음 표1과 같이 A, B, C, D, E의 5개 등급으로 나누어 입력될 수 있다. 각각의 등급은 가령, 최상, 양호, 보통, 빈약, 심각을 나타내도록 하면서 각각에 대한 구조적 위험 예상 백분율로 가령, 0%, 5%, 10%, 30%, 100%를 배정할 수 있다. 이들은 제방 관리 주체(20)에 의해 수시로 혹은 주기적으로 평가되어 데이타 베이스(40)에 입력될 수 있다.

인벤토리 정보는 제방 주변 지형 정보, GIS 정보, 제방의 높이(Lh)나 폭 등 제원, 시설 정보가 될 수 있으며, 별도의 제방 설계 주체(30)에 의해 제공될 수 있다. 이때, 제방 관리 주체가 제방 설계 주체를 겸하는 경우도 예상할 수 있다. 인벤토리 정보는 해당 제방에서 홍수수위 수위에 따른 압력과의 선형 관계인 압력관계를 포함할 수도 있다.

홍수수위에 따른 압력(water pressure) 정보는 일종의 선형함수에 따른 값으로 주어질 수 있으며, 가령, 하저로부터 제방 상단까지에 해당하는 높이 10m에 대해 수압은 상대적으로 100%, 9m에 대해 수압은 80%, 8m에 대해 60%, 7m에 대해 40%, 홍수수위 6m에 대해 20%가 설정될 수 있다. 5m 이하 수위는 통상 수위이면서 지표 이하로 제방에 대한 수압의 부담은 없는 것으로 한다.

인벤토리 정보는 위험도 평가 프로그램의 구성 혹은 위험도 평가를 위한 시스템 모델에 따라 제방의 기능적 파괴확률이나 파괴크기, 제방의 구조적 파괴 크기나 파괴 확률 산출에 반영될 수 있다. 여기서는 제방의 높이가 주로 이용되고 있으나 다른 요소도 이용될 수 있으며, 일부 인벤토리 정보는 참고적 정보로만 이용될 수도 있고, 파괴확률이나 파괴크기에 관한 산출 식에 이용될 수도 있다.

이상의 제방상태 정보와 상대 압력 정보를 통해 향후 컴퓨터 시스템(50)에서 구조적 파괴크기 계산이 이루어질 수 있다. 컴퓨터 시스템은 이때 0 내지 1 사이의 상대 값인 제방의 구조적 파괴크기를 산출하고 그 값을 컴퓨터 시스템(50) 내의 저장소에 입력 또는 저장할 수 있다. 그 값은 향후 제방의 구조적 (파괴) 위험도 산출에 사용할 수 있게 된다.

가령, 제방상태 정보를 각각의 홍수수위에 따른 상대 압력과 조합시켜 그 제방의 구조적 파괴크기를 구하면, 제방이 최상급의 상태를 가질 경우, 위험 예상 백분율은 0%이므로, 홍수수위에 따라 압력이 0에서 100%까지 어떻게 변해도 결과적인 구조적 파괴크기는 0%가 된다.

구조적 파괴크기가 제방상태에 따른 파괴 위험 백분율과 홍수수위에 따른 상대 압력의 조합이 단순 곱의 형태로 주어진다고 가정하면, 제방이 양호 상태(B등급)를 가질 때, 위험 예상 백분율은 5%이고 홍수수위에 따라 상대 압력이 100%, 80%, 60%, 40%, 20%로 변하는 경우, 파괴크기는 각각 5%, 4%, 3%, 2%, 1%가 되며, 제방이 보통 상태를 가질 때, 위험 예상 백분율이 10%이고 홍수수위에 따라 압력이 100%, 80%, 60%, 40%, 20%로 변하는 경우, 파괴크기는 각각 10%, 8%, 6%, 4%, 2%가 된다.

같은 방법으로, 제방이 빈약한 상태를 가질 때, 위험 예상 백분율은 30%이고 홍수수위에 따라 압력이 100%, 80%, 60%, 40%, 20%로 변하는 경우, 파괴크기는 각각 30%, 24%, 18%, 12%, 6%가 되며, 제방이 심각한 상태를 가질 때, 위험 예상 백분율이 100%이고 홍수수위에 따라 압력이 100%, 80%, 60%, 40%, 20%로 변하는 경우, 파괴크기는 각각 100%, 80%, 60%, 40%, 2O%가 된다.

이상 정보가 입력되면 컴퓨터 시스템(50)에서는 제방의 기능적 파괴확률과 구조적 파괴확률을 조건부 확률 계산 모듈(51) 혹은 조건부 확률 계산 엔진(엔진 1)에 의해 산출하게 된다(S41). 여기서 이런 산출 과정은 도4의 알고리즘과 같이 기능적인 부분과 구조적인 부분이 각각 이루어진다.

먼저, 제방의 기능적 파괴확률 P(FD-L:Functional damage of levee)계산은 이미 입력된 홍수수위(FL: Flood Level), 홍수발생확률 P(FL), 제방높이(Lh)의 비교에 의해 이루어진다(SA41). 즉, 기능적 파괴확률 P(FD-L)은 홍수수위 기능적 조건부 파괴확률에 홍수발생확률 P(FL)을 곱한 값이며, 홍수수위 기능적 조건부 파괴확률은 홍수수위에 따른 제방의 기능적 조건부 파괴확률을 뜻하는 것으로, 홍수수위가 제방 높이보다 높으면 1(100%), 낮으면 0으로 결정되는 값이다.

다음으로, 제방의 구조적 파괴확률 P(SD-L:Structural damage of levee) 계산은 이미 입력된 홍수발생확률 P(FL), 시설물 상태정보 (SORG:State of Good Repair), 시설물 상태정보에 의한 파괴확률 P(SORG)에 의해 이루어진다(SB41).

즉, 구조적 파괴확률 P(SD-L)은 '홍수로 인한 구조적 파괴확률'과 '제방상태로 인한 구조적 파괴확률'의 합집합이며 이것은 '홍수발생 확률과 구조적 파괴확률의 교집합'과 '제방상태 확률과 구조적 파괴확률의 교집합'의 합집합 ({P(FL)∩P(SD-L)}∪{P(SD-L)∩P(SOGR)}이며, 베이스 정리(Bayes' Theorem)에 의하면, {P(SD-L/FL)×P(FL)}∪{P(SD-L/SOGR)×P(SOGR)}로 나타낼 수 있다.

이때, P(SD-L/FL)는 P(FL)이 발생할 때 P(SD-L)이 발생할 확률, 즉, 홍수가 발생하여 홍수위(Flood level)가 제방에 영향을 미치면, 제방(L, Levee)이 구조적으로 파괴될(또는 손상을 입을)(SD-L, Structural Damage of Levee) 가능성 여부이며. 즉, P(FL)이 발생하였을 때만 P(SD-L)이 발생하는 조건적 상태를 말하는 것으로. 홍수위(FL)는 반드시 제방의 파괴에 영향을 미치므로 조건부확률은 ‘1.0’이 된다. 이런 논리는 마찬가지로, 제방이 파괴되어야만 (조건부) 근처 도로와 플랜트 등이 침수되는 연쇄반응을 조건부확률로 설명하는 데 이용될 수 있다. 즉, 제방이 파괴될 때 반드시 근처 도로 및 플랜트 등에 영향을 미치므로 이런 경우 조건부확률은 1.0이 된다.

P(SD-L/SOGR)는 P(SOGR)이 발생할 때 P(SD-L)이 발생할 확률, 즉, 제방의 상태 정도에 따라 제방이 구조적으로 파괴될(또는 손상을 입을) 가능성 여부를 의미한다. 이 경우, 제방의 상태등급(건전도 또는 Health Index: A~E등급으로 표기되며, A는 시설물이 건설된 직후의 최상의 상태를, E는 노후화가 아주 심하게 진행되어 금방이라도 무너져 내일 듯한 상태를 말함)이 낮을수록(E등급에 가까울수록) 제방의 파괴가능성이 높아지게 되며,즉, 제방의 상태등급이 제방의 파괴여부에 반드시 영향을 미치므로 조건부확률이 ‘1.0’이 된다.

P(SOGR)는 도1과 같은 제방상태 정보의 각 상태에 대한 구조적 파괴의 확률 혹은 기대값이며, P(FL)는 홍수 확률로 기상청이나 홍수통제소가 제공하는 값이다.

도5는 조건부확률을 표현하는 베이스 정리의 이해를 위한 참고적 도해로서, 홍수위와 제방상태에 대해 P(FL)은 0.7, P(SOGR)은 0.3으로 가정하고 예시적으로 계산한 결과를 나타낸다. 단 도면의 P(SD-LSA)는 P(SD-L)와 같은 것으로 한다.

또한, 여기서는 기능적 위험도 판정은 경우의 수가 단순하기 때문에 일단 기능적 파괴확률이 결정되면(SA41) 그에 따라 바로 결정된다. 즉, 기능적 파괴 확률이 1(100%)가 되면 기능적 파괴크기가 결정되고(SA43), 위험도도 1(100%)도 결정된다(SA45). 즉, 기능적 파괴가 확정적으로 일어나게 된다.

한편, 구조적 위험도 판정은 제방 상태의 등급 수가 많고, 홍수수위가 연속적으로 변하는 값이므로 경우의 수가 많고, 그 수치도 연속적인 값을 가지게 된다. 즉, 이미 앞서 잠시 살펴보듯이 구조적 파괴크기는 대상 제방에서의 홍수수위에 따라 정해지는 압력과 대상 제방의 관리상태를 나타내는 상태 등급의 조합으로 정해지고 구체적으로 다양한 값을 가지게 된다(SB43).

따라서, 이어지는 위험도 계산의 단계(SB45)에서도 구조적 파괴확률과 파괴크기의 곱(조합)으로 이루어지는 구조적 위험도도 0~1(0~100%) 사이의 다양한 값 혹은 연속적인 값을 가지게 된다.

이때, 파괴 확률(파괴 발생 확률)과 파괴 크기(취약성 크기)를 계산하는 중심 논리는 베이스 정리(Bayes's theorem)로서 선행이벤트가 후행이벤트에 조건부로 영향을 주는 조건확률을 근간으로 하고 있다. 2개 선행이벤트인 홍수수위(FL: Flood level)와 상태정보(SOGR: State of Good Repair)가 제방에 어떻게 기능적으로 혹은 구조적으로 영향을 미치는가를 살펴보면, 기능적 위험도의 경우, 제방이 단순히 월류가 되면, 즉, 침수심이 제방의 높이보다 높으면 100퍼센트에 도달하게 되므로 제방의 상태와 연관성이 없다. 반면, 구조적 위험도는 제방의 상태가 최상 상태인지(A) 또는 매우 취약한 정도인지(D)에 따라 파괴양상이 달라지므로 선행이벤트로서 둘 다를 필요로 하게 된다.

이상에서 언급되지 않지만 제방의 구조적, 기능적 파괴 확률 산출에 선행이벤트로 다른 요소들이 주어질 수 있다. 가령, 같은 수계를 이루는 하천의 상류 제방들 각각에서의 홍수수위, 상류에서 하천에 유입되는 지류가 있는 경우 그 지류의 특정 지점 수위, 같은 수계의 상류 집수 구역에서의 강우 강도 등이 선행이벤트로 주어질 경우, 각 경우에서의 대상 제방의 파괴 확률의 변화도 고려될 수 있다.

이때, 같은 수계에서의 제방들로 이루어진 네트워크에서 댐들의 경우와 달리, 상, 하류 제방의 파괴 확률이나 파괴 크기가 증대되는 것은 한계가 있으며, 한계를 넘어서 실질적 파괴가 이루어지는 경우, 타 제방의 파괴는 대상 제방의 파괴 확률을 높이기보다는 낮추는 방향으로 작용할 수 있다.

이상과 같이 제방의 기능적 파괴확률과 구조적 파괴확률을 조건부 확률 계산(S41)을 통해 얻으면, 위험도 평가 모듈(53) 혹은 위험도 계산 엔진 (엔진 2)에서 구조적, 기능적 파괴크기를 계산하고(S43), 제방의 파괴 위험도를 산출하게 된다(S45). 위험도 평가는 파괴확률에 파괴크기를 곱한 값으로 하며, 기능적 위험도 평가와 구조적 위험도 평가를 각각 하여 값을 얻는다.

제방의 기능적 파괴에 의한 위험도는 제방의 기능적 파괴에 의한 위험도로, 제방의 기능을 상실하는 경우는 '월류(Overfloor)'가 발생한 경우, 즉, 홍수가 제방을 넘어 흐르는 경우에 해당하고, 이때의 기능적 파괴확률은 앞서도 보듯이 100%가 된다. 홍수수위가 제방 상단 높이보다 낮은 경우, 제방 기능은 발휘되며, 기능적 파괴확률은 0%가 된다. 파괴크기도 기능이 파괴되는 경우, 1로 산정하고, 기능이 파괴되지 않는 경우에는 0으로 산정하여 위험도는 홍수수위가 제방 상단 높이보다 높아져 월류가 일어나는 경우, 1, 월류가 일어나지 않는 경우 0으로 산정한다.

제방의 구조적 파괴에 의한 위험도는 제방의 구조적 파괴에 의한 위험도로, 이미 얻어진 파괴의 크기와 구조적 파괴확률의 곱을 통해 산정할 수 있다. 파괴의 크기는 제방의 상태에 따른 제방파괴 확률과 홍수수위에 따른 제방에 대한 상대적 압력의 조합에 의해 이루어지며, 구조적 파괴확률을 베이스 정리에 의해 산출하는 방식도 앞서 언급되었다. 즉, 구조적 파괴확률 P(SD-L)은 '홍수로 인한 구조적 파괴확률'과 '제방상태로 인한 구조적 파괴확률'의 합집합이며 {P(SD-L/FL)×P(FL)}∪{P(SD-L/SOGR)×P(SOGR)}가 된다.

파괴의 크기는 대략적으로 홍수수위에 따른 수압과 제방 상태에 따른 등급별 위험 예상 백분율의 곱과 같다고 하면, 0%에서 100%까지 분포하는 값을 가지고, 파괴 확률도 0% 내지 100%의 값을 가질 수 있으므로, 이들의 곱인 제방의 구조적 위험도는 역시 0% ~ 100%가 된다.

다음으로 이들 각각의 기능적 위험도, 구조적 위험도에서 총괄적, 종합적인 위험도를 결정(평가)하는 단계와 네트워크를 통해 평가 결과가 필요한 곳으로 통지, 전송하는 단계가 이루어질 수 있다(S50). 제방의 경우, 기능적 위험도와 구조적 위험도가 각각 또는 함께 발생할 수 있으며, 위험도는 1을 초과하지는 않는다고 할 때 어느 한쪽이 크게 발생하게 되면 다른 쪽의 위험도는 무의미하게 될 수 있다. 이런 경우, 이들 위험도를 서로 비교하면서 큰 값을 선택하여 적용할 수 있다. 가령, 홍수수위가 제방 상단 높이를 초과하여 월류가 일어나면 기능적 위험도가 100% 혹은 1이 되어 제방파괴가 확정적으로 일어나게 되며, 월류가 일어나지 않는 경우, 위험도는 0이므로 구조적 위험도만 최종적 제방 파괴 위험도로 고려하면 된다.

컴퓨터 시스템(50) 내에서의 이러한 단계 진행은 운영 모듈(55)에 의해 통합적으로 이루어질 수 있으며, 운영 모듈(55)은 실질적으로 컴퓨터 시스템 내의 프로세서 및 위험도 평가 프로그램이 일체적으로 결합되어 이루어지는 일종의 기능부라고 할 수 있다.

기능적 위험도는 실질적으로 0이 아니면 1이 되고, 구조적 위험도는 0과 1 사이에서 분산된 값들을 가질 수 있으므로 제방의 총 위험도는 기능적 위험도와 구조적 위험도 가운데 큰 값을 취하는 것으로 정한다는 설명도 가능하다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10: 홍수통제소 20: 제방 관리 주체
30; 제방 설계 주체 40: 데이터 베이스
50: 컴퓨터 시스템 51; 조건부 확률 계산 모듈
53: 위험도 평가 모듈 55: 운영 모듈

Claims

대상 제방에 대한 위험도를 산출하는 방법으로서,
상기 대상 제방에서의 홍수수위(FL)와 홍수발생확률을 포함하는 홍수 발생 정보를 획득하는 단계, 상기 대상 제방의 제방상태 정보(등급)와 상기 제방상태 정보에 대응되는 파괴 위험 백분율을 얻는 단계, 상기 대상 제방의 제방높이와 홍수수위에 따라 제방에 미치는 압력관계를 포함하는 인벤토리 정보를 얻는 단계를 포함하는 정보 입력 단계,
상기 정보 입력 단계에서 입력된 정보를 근거로, 상기 대상 제방에 대한 기능적 파괴확률과 구조적 파괴확률을 조건부확률 계산을 통해 산출하는 단계, 상기 대상 제방에 대한 기능적 파괴크기와 구조적 파괴크기를 산출하는 단계, 상기 대상 제방에 대한 기능적 위험도와 구조적 위험도를 산출하는 단계를 포함하는 위험도 결정 단계를 구비하고,
상기 구조적 파괴크기는 상기 파괴 위험 백분율을 상기 홍수수위와 상기 압력관계에 따라 도출되는 상대적 압력과 조합시켜 얻으며,
상기 구조적 위험도는 상기 구조적 파괴확률에 상기 구조적 파괴크기를 곱하여 얻어지고, 상기 기능적 위험도는 상기 기능적 파괴확률에 상기 기능적 파괴크기를 곱하여 얻어지되 상기 홍수수위가 상기 제방 높이보다 높을 때에는 1(혹은 100%)로 주어지는 것을 특징으로 하는 제방의 위험도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 구조적 파괴확률은 베이스 정리에 따라,P(SD-L/FL)는 홍수가 발생할 때 제방이 구조적으로 영향을 받는 조건부 확률, P(SD-L/SOGR)는 제방상태에 따라 제방이 구조적으로 영향을 받는 조건부 확률, P(SOGR)는 제방상태 정보의 각 상태에 대한 파괴 위험 백분률, P(FL)는 홍수발생확률이라 할 때, {P(SD-L/FL)×P(FL)}∪{P(SD-L/SOGR)×P(SOGR)}의 식에 따라 구해지는 것을 특징으로 하는 제방의 위험도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 구조적 파괴크기는 상기 파괴 위험 백분율을 상기 홍수수위와 상기 압력관계에 따라 도출되는 상대적 압력과 곱하여 얻는 것을 특징으로 하는 제방의 위험도 평가 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 위험도 결정 단계는 상기 구조적 위험도와 상기 기능적 위험도 가운데 기능적 위험도가 높을 때에는 기능적 위험도를, 구조적 위험도가 높을 때에는 구조적 위험도를 제방의 총 위험도로 결정하는 것임을 특징으로 하는 제방의 위험도 평가 방법.
대상 제방에서의 홍수수위(FL)와 홍수발생확률을 포함하는 홍수 발생 정보, 상기 대상 제방의 제방상태 정보(등급)와 상기 제방상태 정보에 대응되는 파괴 위험 백분율 정보, 상기 대상 제방의 제방높이와 홍수수위에 따라 제방에 미치는 압력관계를 포함하는 인벤토리 정보가 입력되는 데이터 베이스와,
상기 데이터 베이스에 입력된 정보를 근거로, 제방 붕괴의 조건부확률을 계산하는 계산 모듈, 제방의 기능적 위험도 및 구조적 위험도를 산출하는 평가모듈, 상기 데이터 베이스와 모듈들을 통합적으로 운영하는 운영 모듈을 구비하여 이루어지는 제방 위험도 평가 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 계산 모듈, 상기 평가모듈, 상기 운영 모듈은 컴퓨터 시스템상의 프로그램 및 프로세서를 통해 구현되고, 상기 데이터 베이스는 상기 컴퓨터 시스템상의 프로그램과 저장장치 및 프로세서를 통해 구현되는 것임을 특징으로 하는 제방 위험도 평가 시스템.