KR20160038287A

KR20160038287A - 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법

Info

Publication number: KR20160038287A
Application number: KR1020140130873A
Authority: KR
Inventors: 김지영; 강금석; 유무성; 곽지영
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-04-07

Abstract

본 발명은 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에 과한 것으로, 제어부가 파랑변위(wave displacement) 데이터에서 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정하는 단계 및 상기 제어부가 상기 선정된 개별 파형들 각각의 파고 및 파주기를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 작은 파형의 파장은 미리 설정된 기준시간미만의 반주기를 갖는 파장인 것을 특징으로 한다.

Description

해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법{WAVE PARAMETER CALCULATING METHOD BASED ON SEA LEVEL DATA ANALYSIS}

본 발명은 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시간영역에서 해수면 데이터의 분석을 통해 파랑(波浪)변수를 산출하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에 관한 것이다.

최근 신재생에너지원으로 각광받고 있는 해상풍력발전 등 해양에너지의 개발을 위해서는 개발 대상지역의 해상기상 상태 등 환경조건을 파악하는 것이 중요하다. 특히 파고 및 파주기 등의 파랑변수는 해상구조물 설계의 핵심인자로서 정확한 관측이 이루어져야 한다.

그런데 해상의 파도는 매우 불규칙한 파형을 보이기 때문에 해수면 데이터에서 한 개의 완전한 개별 파형을 구분하는 것은 매우 어렵다. 따라서 해수면 데이터를 시간영역에서 분석하여 파랑변수를 산출하는 것은 쉽지 않다. 그렇기에 일반적인 파랑관측 시스템에서는 시간영역이 아닌 주파수영역에서 파랑변수를 산출하고 있다. 즉 종래 대부분의 파랑관측 시스템에서는 해수면 데이터의 푸리에 변환을 통해 스펙트럼 값을 계산하고 이를 분석하여 파랑변수를 산출하고 있다.

그런데 이러한 주파수영역에서 파랑변수를 산출하는 방식은 푸리에 변환을 통한 복잡한 계산과정을 거쳐야 한다는 단점이 존재하였다.

한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1163362호(2012.07.02.)에 개시되어 있다.

본 발명은 시간영역에서 파랑변수를 산출할 수 있는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 제어부가 파랑변위(wave displacement) 데이터에서 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 선정된 개별 파형들 각각의 파고 및 파주기를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 작은 파형의 파장은 미리 설정된 기준시간미만의 반주기를 갖는 파장인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 개별 파형들을 산정하는 단계에서, 상기 제어부는 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타나는 경우에 상기 반파장 2개를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 개별 파형들을 산정하는 단계에서, 상기 제어부는 제거된 파장의 전후에 존재하는 마루와 골 사이의 연결을 통해 상기 개별 파형들을 산정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 상기 제어부가 일정시간동안 측정된 해수면 변위 데이터를 입력받는 단계; 및 상기 제어부가 상기 입력된 해수면 변위 데이터에 근거하여 파랑변위 데이터를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 파랑변위 데이터를 산출하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 입력된 해수면 데이터에서 조위변동(tidal level change) 성분을 제거하여 파랑변위 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 상기 제어부가 상기 파랑변위 데이터에서 가장 큰 마루(crest)의 높이인 파마루고를 산정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 상기 제어부가 상기 개별 파형들을 파고의 크기순으로 정렬하는 단계; 및 상기 제어부가 유의파고 및 유의파주기 중 적어도 하나 이상을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정함으로써 시간영역에서 빠르고 정확하게 파랑변수를 산출할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 구현하기 위한 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 파장의 정의를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 1개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 3개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 4개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 5개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 구현하기 위한 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 구현하기 위한 장치는 제어부(100) 및 파고계(110)를 포함한다.

파고계(wave height gauge)(110)는 바다의 파고, 즉 해수면의 변위를 측정할 수 있다. 예를 들어 파고계(110)는 해저에 설치된 압력 센서를 사용하여 수압의 변동으로부터 파고를 측정할 수 있다. 또한 파고계는(110)는 2개의 평행한 전극판을 수중에 세워 수위의 변화에 의한 전기용량의 변화로부터 파고를 측정할 수도 있다. 이외에도 파고계(110)는 해수면의 공중에서 초음파를 발사하고, 수면에서의 반사파가 돌아오는 시간으로부터 파고를 측정할 수도 있다.

제어부(100)는 파고계(110)로부터 상술한 과정을 통해 측정된 해수면 데이터를 입력받아 파랑변수를 산출할 수 있다. 여기서 파랑(波浪)변수는 파고, 파주기, 유의파고, 유의파주기, 첨두파주기 등을 의미하며, 이러한 파랑변수는 해상구조물의 설계인자 등으로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 파장의 정의를 설명하기 위한 예시도이며. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 1개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 3개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 4개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법에서 작은 파형의 반파장이 연속적으로 5개 나타난 경우를 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 일정시간동안 측정된 해수면 변위 데이터를 입력받는다(S200). 예를 들어 제어부(100)는 파고계(110)가 일정시간동안 측정한 해수면 변위 데이터를 파고계(110)로부터 입력받을 수 있다. 여기서 일정시간은 파랑변수 산출을 위한 관측시간을 의미하며, 기본적으로 미리 설정되어 있다.

이어서 제어부(100)는 상기 단계(S200)에서 입력된 해수면 변위 데이터에서 조위변동(tidal level change) 성분을 제거하여 파랑변위(wave displacement) 데이터를 산출한다(S210). 여기서 조위변동 성분은 달, 태양 등 천체의 인력작용으로 해수면의 변위가 변동하는 성분을 의미한다. 예를 들어 제어부(100)는 미리 저장된 관측지점의 시간에 따른 조위변동 성분을 이용하여 해수면 변위 데이터에서 조위변동 성분을 제거할 수 있다. 즉 관측지점의 시간에 따른 조위변동 성분은 미리 계산 또는 측정되어 제어부(100)에 저장되어 있을 수 있으며, 이를 위해 제어부(100)는 플래시 메모리(flash memory) 등 정보를 저장할 수 있는 다양한 저장매체를 포함할 수 있다.

상기 단계(S210) 이후, 제어부(100)는 상기 단계(S210)에서 산출된 파랑변위 데이터에서 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정한다(S220). 여기서 작은 파형의 파장은 기준시간미만의 반주기를 갖는 파장을 의미한다. 또한 기준시간은 파랑변수 산출 과정에서 고려하지 않아도 된다고 볼 수 있는 미세 파장을 제거하기 위해 설정된 시간으로 기본적으로 미리 설정되어 있다.

한편 도 3을 참조하여 파장의 정의를 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 파의 변위가 영점(기준높이)을 위에서 아래로 또는 아래에서 위로(즉 같은 방향으로) 두 번 연속 통과할 때 그 구간내의 파형이 파장이 된다. 이러한 파장의 반주기가 기준시간이상인 파장을 완전한 형태의 개별 파형이라고 하며, 해당 파장의 진폭이 파고, 시간간격이 파주기로 정의된다. 이때 제어부(100)는 파랑변위 데이터에서 가장 큰 마루(crest)의 높이인 파마루고를 산정하고, 산정된 파마루고를 기준값으로 하여 상기 영점을 설정할 수 있다.

상기 단계(S220)에서 제어부(100)는 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타나는 경우에 상기 반파장 2개를 제거하고, 제거된 파장의 전후에 존재하는 마루와 골 사이의 연결을 통해 개별 파형들을 산정할 수 있다. 도 3 내지 도 8을 참조하여, 제어부(100)의 개별 파장 산정 과정을 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

도 3에서 볼 수 있듯이, 작은 파형의 반파장이 1개만 나타나는 경우에, 제어부(100)는 작은 파형의 반파장을 제거하지 않는다. 따라서 제어부(100)는 숫자 2로 표시된 2개의 개별 파형을 산정하게 된다.

반면 도 4에 도시된 경우는 작은 파형의 반파장이 2개 연속 나타난 경우이므로, 제어부(100)는 작은 파형의 반파장 2개를 제거한다. 이후 제어부(100)는 제거된 반파장 전후에 위치한 마루와 골 사이를 점선과 같이 연결하여 개별 파형을 산정한다. 따라서 제어부(100)는 왼쪽 그림의 경우에 1개의 개별 파형을 산정하게 되고, 오른쪽 그림의 경우에 2개의 개별 파형을 산정하게 된다.

도 5에 도시된 경우는 작은 파형의 반파장이 3개 연속 나타난 경우로, 제어부(100)는 작은 파형의 반파장 2개를 일단 앞쪽에서부터 제거한다. 이후 제어부(100)는 점선과 같이 제거된 반파장 전후에 위치한 마루와 골 사이를 연결한다. 이러한 경우 3번째 작은 파형의 반파장이 존재하나, 작은 파형의 반파장이 2개 연속으로 나타나는 경우가 아니므로, 제어부(100)는 더 이상의 반파장을 제거하지 않는다. 결과적으로 제어부(100)는 각 그림별로 2개의 개별 파형을 산정하게 된다.

도 6에 도시된 경우는 작은 파형의 반파장이 4개 연속 나타난 경우이다. 이 경우에 제어부(100)는 상술한 도 5에 도시된 경우와 마찬가지로, 작은 파형의 반파장 2개를 앞쪽에서부터 제거하고 점선과 같이 파장을 구성한다. 이러한 경우 3번째 작은 파형의 반파장은 그 시간간격이 길어지게 되므로, 더 이상 작은 파형의 반파장에 해당하지 않게 된다. 따라서 나머지 작은 파형의 반파장은 제거되지 않고, 제어부(100)는 각 그림별로 2개의 개별 파형을 산정하게 된다.

도 7에 도시된 경우는 작은 파형의 반파장이 5개 연속 나타난 경우로, 상술한 과정과 마찬가지로, 앞쪽에서부터 작은 파형의 반파장 2개가 제거되고, 점선과 같은 형태로 파장이 구성된다. 이러한 경우 3번째 작은 파형의 반파장은 도 6의 경우와 마찬가지로 더 이상 작은 파형의 반파장에 해당하지 않게 되지만, 4번째 및 5번째 작은 파형의 반파장은 연속된 2개의 작은 파형의 반파장이므로 제거되고, 제어부(100)는 점선과 같은 형태로 파장을 구성한다. 즉 제어부(100)는 1개의 개별 파형을 산정하게 된다.

상술한 제어부(100)의 개별 파장 산정 과정을 정리하면 다음과 같다. 제어부(100)는 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타나는 경우에 해당 파장을 제거하고, 제거된 파장의 전후에 존재하는 마루와 골 사이를 연결하여 파장을 재구성한 다. 이후 제어부(100)는 2개의 작은 파형의 반파장이 연속적으로 나타나는지 다시 확인하여 파장을 구성한다. 즉 제어부(100)는 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타나는 경우를 반복 확인하여 파장을 구성한다. 이렇게 제어부(100)가 작은 파형의 반파장을 한 번에 파악하지 않고 반복적으로 파악하는 것은, 작은 파형의 반파장이 연속적으로 다수 나타나는 경우에 모든 파장이 제거되는 것을 방지하기 위함이다.

이어서 제어부(100)는 상기 단계(S220)에서 산정된 개별 파형들 각각의 파고 및 파주기를 산출한다(S230). 즉 제어부(100)는 개별 파형들 각각에서 최고점과 최저점의 차이를 계산하여 파고를 산출하고, 파의 변위가 영점을 통과하는 시간차이의 계산을 통해 파주기를 산출한다.

상기 단계(S230) 이후, 제어부(100)는 개별 파형들을 파고의 크기순으로 정렬한다(S240). 즉 제어부(100)는 유의파고 또는 유의파주기를 산출하기 위해 개별 파형들을 파고의 크기순으로 정렬한다.

이어서 제어부(100)는 유의파고 및 유의파주기 중 적어도 하나 이상을 산출한다(S250). 예를 들어 1/3 유의파고는 크기순으로 정렬된 개별 파형들 중에서 가장 큰 파고를 가진 파형부터 시작하여 순서대로 셀 때, 전체의 1/3에 해당하는 파형들의 파고의 평균값을 의미한다. 또한 1/3 유의파주기는 1/3 유의파고에 해당하는 파형들의 파주기의 평균값을 의미한다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법은 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정함으로써 시간영역에서 신속 정확하게 파랑변수를 산출할 수 있도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 제어부
110: 파고계

Claims

제어부가 파랑변위(wave displacement) 데이터에서 작은 파형의 파장의 제거를 통해 완전한 형태의 개별 파형들을 산정하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 선정된 개별 파형들 각각의 파고 및 파주기를 산출하는 단계를 포함하되,
상기 작은 파형의 파장은 미리 설정된 기준시간미만의 반주기를 갖는 파장인 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 개별 파형들을 산정하는 단계에서, 상기 제어부는 작은 파형의 반파장이 연속적으로 2개 나타나는 경우에 상기 반파장 2개를 제거하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 개별 파형들을 산정하는 단계에서, 상기 제어부는 제거된 파장의 전후에 존재하는 마루와 골 사이의 연결을 통해 상기 개별 파형들을 산정하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제어부가 일정 시간동안 측정된 해수면 변위 데이터를 입력받는 단계; 및
상기 제어부가 상기 입력된 해수면 변위 데이터에 근거하여 파랑변위 데이터를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 4항에 있어서,
상기 파랑변위 데이터를 산출하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 입력된 해수면 데이터에서 조위변동(tidal level change) 성분을 제거하여 파랑변위 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제어부가 상기 파랑변위 데이터에서 가장 큰 마루(crest)의 높이인 파마루고를 산정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제어부가 상기 개별 파형들을 파고의 크기순으로 정렬하는 단계; 및
상기 제어부가 유의파고 및 유의파주기 중 적어도 하나 이상을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수면 데이터 분석을 통한 파랑변수 산출 방법.