KR20200059673A - Ｍｅｍｓ 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 가속도계를 이용한 고밀도 지진관측망을 구성하여 대도시에 적용 가능한 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성이 가능하도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 MEMS 기반 가속도계;MEMS 기반 가속도계로부터 실시간으로 지진 신호를 수신하는 수신 장치;상기 수신 장치를 통하여 지진 신호를 받아 공유할 수 있도록 하는 데이터 공유 장치;상기 수신 장치로부터 실시간 지진 신호를 받아 처리하여 신호를 모니터링할 수 있게 파형을 도시하고, 데이터 공유 장치로 P파 정보를 전송하는 중앙 서버;현장으로부터 얻은 조기경보 파라미터를 분석하여 지진의 위치와 규모, 진도를 결정하는 지진 분석 수단;각 관측점들의 결과를 종합하여 실시간 진도 분포 지도를 작성하는 분포 지도(Shake Map) 작성 수단;을 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 고밀도 지진관측망에 관한 것으로, 구체적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 가속도계를 이용한 고밀도 지진관측망을 구성하여 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성이 가능하도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지진이란 지구내부 어딘가에서 급격한 지각변동이 생겨 그 충격으로 생긴 파동, 즉 지진파가 지표면까지 전해져 지반을 흔드는 것을 말하며, 학술적으로는 "탄성 에너지원으로부터 지진파가 전파됨으로써 발생하는 지구의 진동"이라고 정의할 수 있다.
전 세계적으로 대규모 지진에 의한 많은 인명 피해와 심각한 사회적 재산손실이 빈번하게 발생함에 따라 한반도의 지진 안정성 문제가 사회적 이슈로 등장하고 있다.
국내의 경우, 지진재해 대책법이 발효가 되어 지진에 대한 대비가 의무화되고 있다.
이러한 지진에 대한 피해는 지진 자체로 인한 1차 재해와 화재, 폭발, 누수, 누전 등 추가적으로 발생하는 2차재해를 모두 의미한다.
지진에 대한 큰 피해를 막기 위해 내진 설계 강화가 필요하지만, 국내 내진설계 현황은 아직 미비한 실정이며, 내진설계의 현실적 한계에 대한 대책으로서, 설비가 집중되어 있는 공간 등의 지역에서의 지진 조기경보시스템의 구축이 필수적이다.
또한, 지진이 발생하지 않은 때 지진이 발생하고 있다고 오인하거나 지진이 발생하는 경우에 지진이 발생하지 않는다고 오인하는 경우 그 설비의 신뢰성에 영향을 주고, 그 파급 효과가 크다.
종래 기술의 지진계는 속도나 가속도 센서를 이용하여 지반의 가속도를 계측하여 관제소로 전송하면, 관제소에서는 전송된 데이터를 이용하여 지진응답특성 분석 및 지진의 세기를 구하는 방식을 취하고 있다.
이러한 종래 기술의 지진 감지 시스템은 데이터가 관제소에 전송되어야만 분석프로그램에 의해 지진응답의 특성이 분석 가능하므로 사고 발생시 대처까지의 시간이 오래 걸리고, 현장에서는 분석 결과 및 지진에 대한 경고를 확인할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 지진에 의하여 건물 등이 손상 혹은 붕괴에 의하여 발생되는 위험요소를 갖고 있는 시설물의 안전상황을 모니터링하는 시스템을 설치·운영함에 있어 우선으로 고려해야 할 점은 빠른 계측과 결과 분석에 의한 현장 조치이나, 상기한 바와 같은 종래의 기술은 현장에서 지진의 영향을 파악할 수 없고, 지진의 영향을 분석하고 현장 조치를 위한 정보 제공에 많은 시간이 걸리는 문제점이 있다.
따라서, 지진계의 설치와 해체가 용이한 구성으로 기존의 지진 관측망으로 달성하기 어려운 고밀도의 네트워크망 구축과 활용이 가능하도록 한 고밀도 지진관측망 구축을 위한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 지진관측망 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 가속도계를 이용한 고밀도 지진관측망을 구성하여 대도시에 적용 가능한 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성이 가능하도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 지진계의 설치와 해체가 용이한 구성으로 기존의 지진 관측망으로 달성하기 어려운 고밀도의 네트워크망 구축과 활용이 가능하도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 지진 관측에 사용되는 국가기관과 연구소의 일반적인 지진 관측망의 설치 및 운영 비용에 비해 저렴한 비용으로 고밀도 지진관측망을 구성할 수 있도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 발생 지진 규모에 대한 국내 각 지역별 진도 예측식을 기 개발중인 지진 조기 경보체계와 연계하여 지진 발생시 실질적인 지진동 정도에 대한 예측치를 제공할 수 있도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 MEMS 기반 지진 가속도 관측 기술을 적용하여 저비용 고밀도의 진도 관측망을 설치함으로써 국가기관과 국립 연구소 현업에 활용할 수 있는 기반을 제시하며, 국내 지진환경에 적합한 지진기록-진도 변환식을 도출할 수 있도록 한 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치는 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 MEMS 기반 가속도계;MEMS 기반 가속도계로부터 실시간으로 지진 신호를 수신하는 수신 장치;상기 수신 장치를 통하여 지진 신호를 받아 공유할 수 있도록 하는 데이터 공유 장치;상기 수신 장치로부터 실시간 지진 신호를 받아 처리하여 신호를 모니터링할 수 있게 파형을 도시하고, 데이터 공유 장치로 P파 정보를 전송하는 중앙 서버;현장으로부터 얻은 조기경보 파라미터를 분석하여 지진의 위치와 규모, 진도를 결정하는 지진 분석 수단;각 관측점들의 결과를 종합하여 실시간 진도 분포 지도를 작성하는 분포 지도(Shake Map) 작성 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치는 MEMS 기반 가속도계들이 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 장치에 있어서, MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송하는 지진 신호 자동 감지부;연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하고, 지진조기경보 파라미터(
)를 이용하여 MMI를 결정하는 가속도 자료 처리부;각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간(interpolation)하여 격자화하고 계산식으로부터 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 하는 진도 결정부;진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성하는 실시간 진도 분포 지도 작성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법은 MEMS 기반 가속도계들이 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 방법에 있어서, MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송하는 단계;연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하는 단계;가속도 자료의 수직성분을 gain을 적용시켜 계기잡음을 제거하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하는 단계;지진조기경보 파라미터(
)를 이용하여 MMI(수정 메르칼리 진도계급)를 결정하는 단계;각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간하여 격자화하고, 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 하는 단계;진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 가속도계를 이용한 고밀도 지진관측망을 구성하여 대도시에 적용 가능한 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성이 가능하도록 한다.
둘째, 지진계의 설치와 해체가 용이한 구성으로 기존의 지진 관측망으로 달성하기 어려운 고밀도의 네트워크망 구축과 활용이 가능하도록 한다.
셋째, 지진 관측에 사용되는 국가기관과 연구소의 일반적인 지진 관측망의 설치 및 운영 비용에 비해 저렴한 비용으로 고밀도 지진관측망을 구성할 수 있도록 한다.
넷째, 발생 지진 규모에 대한 국내 각 지역별 진도 예측식을 기 개발중인 지진 조기 경보체계와 연계하여 지진 발생시 실질적인 지진동 정도에 대한 예측치를 제공할 수 있다.
다섯째, MEMS 기반 지진 가속도 관측 기술을 적용하여 저비용 고밀도의 진도 관측망을 설치함으로써 국가기관과 국립 연구소 현업에 활용할 수 있는 기반을 제시하며, 국내 지진환경에 적합한 지진기록-진도 변환식을 도출할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치의 전체 구성도
도 2는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치의 상세 구성 블록도
도 3은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 작성된 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map)의 일 예를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 MEMS 가속도계에 기록된 여진의 파형의 일 예를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명을 적용하여 작성된 진앙 분포 위치도
도 7a와 도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 기록된 지진 및 여진에 따른 신호 파형 그래프
도 8은 본 발명을 적용한 대도시 고밀도 MEMS 네트워크 구축의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치의 상세 구성 블록도
도 3은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 작성된 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map)의 일 예를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 MEMS 가속도계에 기록된 여진의 파형의 일 예를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명을 적용하여 작성된 진앙 분포 위치도
도 7a와 도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 기록된 지진 및 여진에 따른 신호 파형 그래프
도 8은 본 발명을 적용한 대도시 고밀도 MEMS 네트워크 구축의 일 예를 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치의 전체 구성도이다.
본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 가속도계를 이용한 고밀도 지진관측망을 구성하여 대도시에 적용 가능한 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성이 가능하도록 한 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치는 MEMS 기반의 지진 관측망의 구축을 위한 요소로, MEMS 기반 가속도계(100), 수신 장치(Receiver)(200), 데이터 공유 장치(Shared Memory)(300), 중앙 서버(Recording and Processing)(400), 지진 분석 수단(Association Program)(500), 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성 수단(Earthquake Location and Magnitude)(600)을 포함한다.
구체적으로, 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 MEMS 기반 가속도계(100)와, MEMS 기반 가속도계(100)로부터 TCP/IP 소켓을 통해 실시간으로 지진 신호를 수신하는 수신 장치(Receiver)(200)와, MEMS 가속도계와 각 센서로부터 들어오는 지진 신호를 받아 공유할 수 있도록 하는 데이터 공유 장치(300)와, 수신 장치(Receiver)(200)로부터 실시간 지진 신호를 받아 처리하여 신호를 모니터링할 수 있게 파형을 도시하고, 데이터 공유 장치(300)로 P파 정보를 전송하는 중앙 서버(400)와, 현장으로부터 얻은 조기경보 파라미터를 자체 계산 알고리즘을 통해 분석하여 지진의 위치와 규모, 진도를 결정하는 지진 분석 수단(500)과, 각 관측소 별 결과를 종합하여 실시간 진도 분포 지도를 작성하는 분포 지도(Shake Map) 작성 수단(600)을 포함한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치는 지진 발생시 이를 감지하여 지반의 움직임을 3축 방향의 가속도 채널(UD, EW, NS)과 1개의 변위 채널(UD)로 계측하는 초소형 3축 지진동 감지 센서인 MEMS 가속도계를 기반으로 MEMS 네트워크를 구축한 것이다.
지진이 발생할 경우, 가속도계 센서에서 P파를 감지 후 3초 이내에 현장 자체 경보와 TCP/IP 소켓을 통해 실시간으로 지진 신호가 수신 장치(200)에 전송되며 동시에 중앙 서버(400)에서는 신호를 모니터링할 수 있게 파형을 도시하고, 데이터 공유 장치(300)로는 P파 정보를 전송하여 현장으로부터 얻은 조기경보 파라미터를 자체 계산 알고리즘을 통해 지진의 위치와 규모, 진도를 결정하도록 한다.
분포 지도(Shake Map) 작성 수단(600)을 통하여 각 관측소 별 결과를 종합하여 실시간 진도 분포 지도를 작성한다.
이과정은 빠른 시간 내에 진행되며 지진 발생에 따른 현장 조기 경보뿐만 아니라 진도 분포 지도를 작성하여 지진 피해 예측 지역을 파악하여 따른 대응이 가능하도록 돕는다.
도 2는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치의 상세 구성 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 작성된 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map)의 일 예를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치는 도 3에서와 같은 실시간 지진동의 분포 지도(Shake Map) 작성을 위하여 다음과 같은 구성을 갖는다.
도 2에서와 같이, MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, TCP/IP 소켓을 통해 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송하는 지진 신호 자동 감지부(20)와, 연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하고, MEMS 가속도계에 기록된 가속도 자료의 수직성분을 gain을 적용시켜 계기잡음을 제거하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하고, 지진조기경보 파라미터 가운데 하나인 
(P파 변위)를 이용하여 MMI(수정 메르칼리 진도계급)를 결정하는 가속도 자료 처리부(21)와, 각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간(interpolation)하여 격자화하고 계산식으로부터 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 하는 진도 결정부(22)와, 진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성하는 실시간 진도 분포 지도 작성부(23)를 포함한다.
실시간 진도 분포 산출 방법 및 작성에 관한 세부 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 지진 신호의 효과적인 자동 감지를 위해 지진 조기경보에 적절한 STA/LTA 방법을 사용한다.
STA/LTA 방법은 연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하는 것이다.
STA는 신호의 순간 진폭을 측정하여 지진 발생을 감지하기 위하여 사용된다.
LTA는 연속적인 지진파형의 잡음수준을 다루기 위하여 사용된다.
현장 조기경보 신호 도출을 위한 알고리즘은 다음과 같다.
여기서, 
는 
의 균형을 위한 가중치 값이다.
생성된 특성함수를 이용하여 단기평균과 장기평균의 비를 수학식 5에서와 같이 계산한다.
여기서, 
, 
는 시간창의 크기이다.
STA/LTA 비 값이 한계치(Threshold)을 초과하면 P Picking을 한다.
그리고 경보 처리는 다음과 같이 이루어진다.
MEMS 가속도계로부터 감지된 신호가 지진임을 감지하여 경보를 발령하기 위해 실시간 연속파형으로부터
와 
파라미터(Kanamori(2005)가 도출되어야 한다.
조기경보 파라미터를 얻기 위한 알고리듬은 다음과 같은 자료 처리 절차와 같이 작성된다.
먼저, MEMS 가속도계에 기록된 가속도 자료의 수직성분을 gain을 적용시켜 계기잡음을 제거하고, trapezoidal 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득한다.
적분 구간은 P파 도착시간으로부터 이전 5초, 이후 3초의 시간 창으로 설정하며. 원시 자료 가속도 파형에 대하여 P파 이후 1,2,3초 범위 내 가장 큰 진폭을 Pa, 1차 적분한 속도 파형에 대하여 P파 이후 1,2,3초 범위 내 가장 큰 진폭을 Pv, 2차 적분한 변위 파형에 대하여 P파 이후 1,2,3초 범위 내 가장 큰 진폭 Pd라고 한다.
계산식은 다음과 같다.
여기서, 
는 P Pick 시간과 고정된 시간창이다.
그리고 진도 결정은 다음과 같이 이루어진다.
조기 경보 파라미터 가운데 
와 최대지반속도(peak ground velocity, PGV)의 관계식은 일본, 대만, 미국 남부 캘리포니아 지역의 진앙거리 30 km 이내의 780개 관측기록으로부터 회귀분석한 결과를 사용한다.
수학식 7에서 PGV와 Pd는 각각 cm/s와 cm의 단위를 갖는다.
진도를 결정하는데는 미국 남부 캘리포니아 지역의 8개 지진에 대한 수평성분 최대지반운동과 관측 진도를 비교하여 수정메르칼리진도와 최대지반가속도 및 최대지반속도 사이의 최귀 관계식을 개발하였다.
이 가운데 Pd와 PGV 사이의 관계식을 직접 이용하기 위해서 Wald et al.(1999)의 관계식 가운데 MMI와 PGV의 다음과 같은 관계식을 이용하였다.
수학식 7을 수학식 8에 삽입하면 다음과 같이 MMI와 Pd 사이의 관계를 얻을 수 있다:
수학식 9에서 수학식 7의 표준편차는 고려하지 않았다.
수학식 9를 이용하여 지진조기경보 파라미터 가운데 하나인 
를 이용하여 MMI를 결정한다.
이 관계식은 현장조기경보 파라미터로부터 진도를 결정하기 위한 것으로, 우리나라의 지진 발생 환경 및 진도 설정 기준과 차이가 존재할 수 있기 때문에 우리나라의 조기경보 파라미터와 감쇄특성을 정확하게 반영하여 다른 관계식을 도출하여 사용할 수 있음은 당연하다.
그리고 ShakeMap은 각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간(interpolation)하여 격자화하고 계산식으로부터 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산한다.
진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 나타내는 것은 매우 간단한 절차이며, USGS의 지진재해도 프로그램(Hamsen (2008)의 방식을 적용하여 산출한다.
본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, TCP/IP 소켓을 통해 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송한다.(S401)
이어, 연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리한다.(S402)
그리고 MEMS 가속도계에 기록된 가속도 자료의 수직성분을 gain을 적용시켜 계기잡음을 제거하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득한다.(S403)
이어, 지진조기경보 파라미터 가운데 하나인 
(P파 변위)를 이용하여 MMI(수정 메르칼리 진도계급)를 결정한다.(S404)
그리고 각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간(interpolation)하여 격자화하고 계산식으로부터 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 한다.(S405)
이어, 진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성을 한다.(S406)
도 5는 MEMS 가속도계에 기록된 여진의 파형의 일 예를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명을 적용하여 작성된 진앙 분포 위치도이다.
현장경보 시스템에서 지진이 발생한 것을 관측할 경우 관측된 해당 지진동 분포지도를 신속하게 표출함으로써 지진에 대한 초기 대응에 사용될 것이다.
지진은 다른 자연재해와는 다르게 언제, 어디서, 어떻게 발생할지 예측하는 것이 현재로는 불가능하다. 따라서 지진 피해를 최소화하기 위하여 지진 발생 직후 피해가 발생하기 전에 경보를 발령하여 피해에 대비할 수 있게 하는 조기경보 시스템을 활용하거나, 지진에 의한 피해가 발생한 후에 신속한 피해 추정을 통해 효율적인 피해 대응을 가능하게 하는 방법을 사용한다.
또한, 관측망의 밀도가 낮으면 해상도가 높은 ShakeMap을 얻기 어렵다. MEMS 기반 지진관측망은 저가의 MEMS 가속도계처럼 저가의 장비를 밀집하게 설치하여 고해상도의 ShakeMap을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 기존 자유표면 지진관측으로부터는 관측점의 지반 상태가 일관되지 않다. 반면에 여기서 이용된 MEMS 가속도계는 대부분 구조물의 1층에 설치하기 때문에 1층 지진동 응답이라는 일관성을 유지할 수 있다.
특히, ShakeMap이 의도하는 기준 지진동 분포 확보와 함께 활용도가 높은 실제 사람이 이용하고 활동하는 공간인 구조물의 응답을 반영할 수 있는 장점이 있다.
기존의 MEMS 가속도계를 이용할 경우에는 지표면 관측이 아닌 구조물 응답이 반영된 관측이기 때문에, 실제 지표면(자유표면) 관측을 기반으로 하는 ShakeMap을 얻기 위해서는 관측점 구조물 보정이 수행되는 것이 바람직하다.
도 7a와 도 7b는 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법을 적용하여 기록된 지진 및 여진에 따른 신호 파형 그래프이다.
그리고 도 8은 본 발명을 적용한 대도시 고밀도 MEMS 네트워크 구축의 일 예를 나타낸 구성도이다.
본 발명은 지진 관측에 사용되는 국가기관과 연구소의 일반적인 지진 관측망의 설치 및 운영 비용에 비해 저렴한 비용으로 고밀도 지진관측망을 구성할 수 있도록 하고, 발생 지진 규모에 대한 국내 각 지역별 진도 예측식을 기 개발중인 지진 조기 경보체계와 연계하여 지진 발생시 실질적인 지진동 정도에 대한 예측치를 제공할 수 있도록 한 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치 및 방법은 지진계의 설치와 해체가 용이한 구성으로 기존의 지진 관측망으로 달성하기 어려운 고밀도의 네트워크망 구축과 활용이 가능하도록 한 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. MEMS 기반 가속도계 200. 수신 장치
300. 데이터 공유 장치 400. 중앙 서버
500. 지진 분석 수단 600. 분포 지도(Shake Map) 작성 수단
300. 데이터 공유 장치 400. 중앙 서버
500. 지진 분석 수단 600. 분포 지도(Shake Map) 작성 수단
Claims (8)
- 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 MEMS 기반 가속도계;
MEMS 기반 가속도계로부터 실시간으로 지진 신호를 수신하는 수신 장치;
상기 수신 장치를 통하여 지진 신호를 받아 공유할 수 있도록 하는 데이터 공유 장치;
상기 수신 장치로부터 실시간 지진 신호를 받아 처리하여 신호를 모니터링할 수 있게 파형을 도시하고, 데이터 공유 장치로 P파 정보를 전송하는 중앙 서버;
현장으로부터 얻은 조기경보 파라미터를 분석하여 지진의 위치와 규모, 진도를 결정하는 지진 분석 수단;
각 관측점들의 결과를 종합하여 실시간 진도 분포 지도를 작성하는 분포 지도(Shake Map) 작성 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치. - 제 1 항에 있어서, MEMS 기반 가속도계는,
지진 발생시 이를 감지하여 지반의 움직임을 3축 방향의 가속도 채널(UD, EW, NS)과 1개의 변위 채널(UD)로 계측하는 초소형 3축 지진동 감지 센서인 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치. - MEMS 기반 가속도계들이 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 장치에 있어서,
MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송하는 지진 신호 자동 감지부;
연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하고, 지진조기경보 파라미터()를 이용하여 MMI를 결정하는 가속도 자료 처리부;
각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간(interpolation)하여 격자화하고 계산식으로부터 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 하는 진도 결정부;
진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성하는 실시간 진도 분포 지도 작성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치. - 제 3 항에 있어서, 가속도 자료 처리부에서 신호의 순간 진폭을 측정하여 지진 발생을 감지하기 위한 STA(short-term average) 및 연속적인 지진파형의 잡음수준을 다루기 위한 LTA(long-term average)를,
,
으로 정의하여,
및
의 특성 함수를 구하고,
여기서,는
의 균형을 위한 가중치 값인 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치.
- 제 4 항에 있어서, 생성된 특성함수를 이용하여 단기평균과 장기평균의 비를,
으로 구하고,
여기서,,
는 시간창의 크기이고, STA/LTA 비 값이 한계치(Threshold)을 초과하면 P Picking을 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치.
- 제 3 항에 있어서, 가속도 자료 처리부는,
사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하기 위하여,
적분 구간은 P파 도착시간으로부터 이전 제 1 설정 시간, 이후 제 2 설정 시간을 시간 창으로 설정하며. 원시 자료 가속도 파형에 대하여 P파 이후 제 2 설정 시간 범위 내 가장 큰 진폭을 Pa, 1차 적분한 속도 파형에 대하여 P파 이후 제 2 설정 시간 범위 내 가장 큰 진폭을 Pv, 2차 적분한 변위 파형에 대하여 P파 이후 제 2 설정 시간 범위 내 가장 큰 진폭 Pd라 하면,
(period parameter)는 1차 적분한 속도(v)와 2차 적분한 변위(u)자료를 사용하여,
으로 계산하고,
여기서,는 P Pick 시간과 고정된 시간창인 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치.
- 제 3 항에 있어서, 진도 결정부는,
조기 경보 파라미터()와 최대지반속도(peak ground velocity, PGV)의 관계식으로
을 이용하고,
MMI와 PGV의 관계식을을 이용하여,
MMI와 Pd 사이의 관계를으로 정의하여 진도 결정을 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 장치.
- MEMS 기반 가속도계들이 복수의 관측점에 설치되어 MEMS 네트워크를 구축하여 실시간 지진동 감시를 수행하는 방법에 있어서,
MEMS 기반 가속도계에서 P파를 감지 설정 시간 이내에 현장 자체 경보를 하고, 실시간으로 지진 발생에 관한 신호를 전송하는 단계;
연속적인 지진파형의 진폭에 대하여 각각 단기 평균(short-term average)과 장기 평균(long-term average) 이동 시간창을 이용하여 지진 신호를 처리하는 단계;
가속도 자료의 수직성분을 gain을 적용시켜 계기잡음을 제거하고, 사다리꼴(trapezoidal) 수치적분을 이용하여 속도와 변위를 획득하는 단계;
지진조기경보 파라미터()를 이용하여 MMI(수정 메르칼리 진도계급)를 결정하는 단계;
각 관측점으로부터 얻은 최대지반가속도(PGA)를 이용하여 보간하여 격자화하고, 최대지반속도(PGV)와 스펙트럼가속도를 도출한 후, 각 현장 파라미터를 통해 규모와 진도 계산을 하는 단계;
진도 값을 관측점에 따라 등고선 형태로 표시하여 실시간 진도 분포 지도 작성을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 네트워크를 이용한 실시간 지진동 감시 및 분포 지도 작성을 위한 방법.
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