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문제 정의
- 지진 발령에 소요되는 시간을 최소화하기 위한 연구가 수행되고 있으나 획기적인 시간 단축에는 어느 정도 한계가 있다. 본 논문에서는 단위 시간동안의 지진동의 특성을 포함하고 있는 MMA(Minimum, Maximum, Average, 이하 MMA) 데이터를 이용하여 지진동의 크기로써 최대 지반 가속도(PGA: Peak Ground Acceleration)를 계산하고 각 관측소별 PGA를 평가하여 현재 사용하고 있는 지진 분석 시스템 보다 좀 더 빠른 시간 내에 전국적 차원에서의 지진 발생을 포착하며 시각적으로 표현할 수 있는 실시간 지진동 감시 시스템을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 전체적인 과정에서의 실시간 처리를 위해 IPC(Inter Process Communication) 기법 중에서 다수의 프로그램이 동시에 데이터를 공유할 수 있는 공유 메모리 기법을 사용하였다. 공유 메모리는 환형 (circular) 큐 구조로 설계하였다. 일반적인 환형 큐는 데이터 입력 시 우선 큐의 공간 상태("empty" 또는 "full")를 점검하지만 본 시스템에서 사용하는 환형 큐는 데이터가 읽혀지지 않더라도 최신의 데이터를 유지, 관리하기 위해 계속 쓸 수 있도록 설계되었다.
- 다음은 lOOsps 데이터로부터 20sps로 down sampling 하여 계산한 두 수평 성분의 최대값, 이들 값의 벡터 합으로써의 PGA 값 그리고 20sps 기반의 MMA를 이용하여 계산한 PGA 값의 비교를 나타낸다.
- 데이터를 비교, 검증하였다. 둘째, 관측소로부터 MMA 데이터를 전달받아 실시간으로 계산된 PGA 값과 나중에 수집된 지진동 데이터를 비교, 검증하였다.
- 본 논문에서는 각 관측소의 PGA 값을 반경으로 하는 원 (circle)을 PGA 값에 따라 다양한 색채로 표현, 각 관측소 위치에 표시하였다. 또한 PGA의 임계값을 사전에 설정하고, 임계 값의 초과 여부를 판단하여 지진동 경보를 발령하도록 하였다. 아래 <그림 9>는 실시간 지진동 감시 화면을 나타낸다.
- 8의 지진 데이터를 사용하였다. 모든 관측소의 PGA 값을 검사하여 동일한 시간대에 3개 이상의 관측소에서 PGA 값이 3gal(lg=980gal) 이상으로 감지되면 지진 경보가 발령되도록 시스템을 설정하였다.
- 참조되며, 지진동 감시나 경보 발령에 사용된다. 본 논문에서는 각 관측소의 PGA 값을 반경으로 하는 원 (circle)을 PGA 값에 따라 다양한 색채로 표현, 각 관측소 위치에 표시하였다. 또한 PGA의 임계값을 사전에 설정하고, 임계 값의 초과 여부를 판단하여 지진동 경보를 발령하도록 하였다.
- 형상(configuration) 을 나타낸다. 시스템은 각 관측소로부터 20sps에서 추출한 N-S, E-W 성분의 MMA 데이터를 수신하는 모듈, MMA 데이터로부터 PGA를 계산하여 공유메모리 영역에 적재하는 모듈 및 적재된 PGA 데이터를 이용하여 이벤트(event)를 감시, 가시화하는 모듈로 구성되어있다. 시스템은 초당 최대 100여개의 관측소와 연동되며, 각 관측소 당 수평 성분 두 개의 채널에 대한 MMA 데이터를 실시간으로 수신, 처리 한다.
- 시스템은 각 관측소로부터 20sps에서 추출한 N-S, E-W 성분의 MMA 데이터를 수신하는 모듈, MMA 데이터로부터 PGA를 계산하여 공유메모리 영역에 적재하는 모듈 및 적재된 PGA 데이터를 이용하여 이벤트(event)를 감시, 가시화하는 모듈로 구성되어있다. 시스템은 초당 최대 100여개의 관측소와 연동되며, 각 관측소 당 수평 성분 두 개의 채널에 대한 MMA 데이터를 실시간으로 수신, 처리 한다. 전체적인 과정에서의 실시간 처리를 위해 IPC(Inter Process Communication) 기법 중에서 다수의 프로그램이 동시에 데이터를 공유할 수 있는 공유 메모리 기법을 사용하였다.
- 압축과정을 거처 전송되는 데이터와 생성 즉시 전송되는 데이터 간에는 전송시간 차이가 존재하며, 20sps 인 경우 20초 이상의 시간 차이를 보이고 있다<그림 4), 본 논문에서는 MMA 데이터의 특성을 검증하고, 이를 기반으로 신속한 지진발생 탐지와 발령이 가능한 실시간 지진동 감시시스템을 설계한다.
- 제안 시스템은 기상청의 지진 속보보다 약 40초 빠르게 감지했으며 각 관측소의 최대값을 제공할 수 있었다. 제안된 시스템은 실제 감지 데이터를 사용하는 대신에 MMA 데이터를 사용함으로써 여러가지 장점을 보였다. 실시간 원격관측 시 센서와 기록계의 안정성을 바탕으로 MMA 값과 같은 특성 데이터만을 추출하여 실제 데이터보다 신속하게 데이터를 전송할 수 있다.
- 아래 <그림 9>는 실시간 지진동 감시 화면을 나타낸다. 좌측 회면에는 실시간으로 계산된 각 관측소의 PGA 값을 표시하며 우측화면에는 미리 설정된 임계값을 초과하는 이벤트가 감지될 경우 각 관측소별로 가장 큰 값을 보여주도록 구성하였다.
- 첫째, 관측소로부터 수집된 주기 20sps 데이터와 PGA 계산 알고리즘을 이용하여 생성된 PGA 값과 실제 관측된 지진동 데이터를 비교, 검증하였다. 둘째, 관측소로부터 MMA 데이터를 전달받아 실시간으로 계산된 PGA 값과 나중에 수집된 지진동 데이터를 비교, 검증하였다.
대상 데이터
- 영향을 받는다. 본 논문에서는 각 관측소에서 측정된 지반 가속도 자료를 사용하였다. 데이터 수신 모듈로 전달된 수평 방향 (N-S(North-South), E-W(East-West)성분 값은 지진의 진앙과 관측소의 상대적 위치에 따라 크기가 달라지므로 두 성분의 벡터 합을 사용하는 것이 일관성이 있다.
- 실험에서는 지난 1월 20일 오대산에서 발생한 규모 4.8의 지진 데이터를 사용하였다. 모든 관측소의 PGA 값을 검사하여 동일한 시간대에 3개 이상의 관측소에서 PGA 값이 3gal(lg=980gal) 이상으로 감지되면 지진 경보가 발령되도록 시스템을 설정하였다.
- 첫 번째 검증에는 2002년 6월 29일 중국 무단장의 남동쪽 약 115km 지역(위도 43.8 경도 130.7)에서 발생한 규모(Richter) 7.2의 지진동 데이터를 사용하였다. 다음<그림 6>은 대전 관측소에서 관측된 실제 데이터와 계산된 PGA 값을 니다낸다.
- 데이터를 비교한 결과를 나타낸다. 총 3개 관측소 (강릉(KAN), 정선(JSB), 상동(SND))의 lOOsps의 두 수평 성분인 N-S 및 E-W 성분 데이터와 PGA 데이터를 동시에 표시하였다. PGA 값의 계산에 사용된 MMA 데이터는 20sps를 기반으로 추출되었지만 lOOsps 수평성분의 특징과 정확하게 일치했다.
- 신속성과 정확성은 동전의 양견으로 표현되지만 최소의 비용으로 일정 수준 이상의 정확성을 얻을 수 있다면 실시간 감시 목적에 부합될 수 있다. 최소의 비용으로 획득하여 비교적 정확한 정보를 추출하기 위해 본 제안 시스템에서는 MMA 데이터를 사용한다. MMA는 초기 샘플링 후 압축과 같은 어떠한 후처리 없이 즉시 전송될 수 있는 단위 시간 내의 특성 데이터를 의미한다.
데이터처리
- 다음<그림 6>은 대전 관측소에서 관측된 실제 데이터와 계산된 PGA 값을 니다낸다. 두 번째 검증에서는 2005년 3월 20일 일본 후쿠오카(33.9N, 130.2E)에서 발생한 7.0 규모의 지진으로부터 수신된 MMA 데이터를 이용하여 계산된 PGA 값과 실제 관측된 lOOsps 데이터를 비교, 검증하였다<;그림 7>. 그림은 각 관측소별로 PGA 값과 lOOsps 데이터의 쌍으로 표시되고 있으며 각 관측소의 PGA 값은 lOOsps 데이터의 특성을 정확히게 표현하고 있다
이론/모형
- 시스템은 초당 최대 100여개의 관측소와 연동되며, 각 관측소 당 수평 성분 두 개의 채널에 대한 MMA 데이터를 실시간으로 수신, 처리 한다. 전체적인 과정에서의 실시간 처리를 위해 IPC(Inter Process Communication) 기법 중에서 다수의 프로그램이 동시에 데이터를 공유할 수 있는 공유 메모리 기법을 사용하였다. 공유 메모리는 환형 (circular) 큐 구조로 설계하였다.
성능/효과
- 두 가지의 검증 결과로부터 MMA를 이용하여 계산된 PGA 값은 실제로 관측된 지진동 데이터의 특성을 정확히 표현하고 있음을 알 수 있다.
- PGA 값의 계산에 사용된 MMA 데이터는 20sps를 기반으로 추출되었지만 lOOsps 수평성분의 특징과 정확하게 일치했다. 또한 관측소는 진앙으로부터 각각 27.5Km(KAN), 42.6Km(JSB), 62.3Km(SND) 떨어져있으므로 초기 신호의 도달시간에도 뚜렷한 차이가 있음을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서 제안한 실시간 지진동 감시 시스템은 지진 관측소의 가속도 센서로부터 MMA 데이터를 추출하여 초당 PGA 값을 계산하며, 이 값을 공유 메모리에 적재, 데이터의 가시화는 물론 설정된 임계값을 초과할 경우 이벤트 발생을 발령하는 기능을 가지고 있다. 제안한 시스템의 시험 과정에서 2007년 1월 20일 발생한 오대산 지진의 데이터가 감지되었으며, 감지된 데이터를 처리, 분석한 결과 신속성과 정확성이 입증되었다.
- 계산한 PGA 값의 비교를 나타낸다. 비교 결과 두 값이 잘 일치함을 확인하였다.
- 실시간 계측이 이루어지는 장비로부터 초기 샘플링의 결과로써 생성되는 데이터를 조사하여 단위 시간동안의 MMA 를 추출하고 이를 즉시 전달함으로써 최단 시간에 필요한 데이터를 수집하고 이를 이용하여 신속한 결과를 도출할 수 있다. 다음<그림 3>은 초기 샘플링된 데이터로부터 매 초마다 MMA를 추출하는 과정을 보인다.
- 제안한 시스템의 시험 과정에서 2007년 1월 20일 발생한 오대산 지진의 데이터가 감지되었으며, 감지된 데이터를 처리, 분석한 결과 신속성과 정확성이 입증되었다. 제안 시스템은 기상청의 지진 속보보다 약 40초 빠르게 감지했으며 각 관측소의 최대값을 제공할 수 있었다. 제안된 시스템은 실제 감지 데이터를 사용하는 대신에 MMA 데이터를 사용함으로써 여러가지 장점을 보였다.
- 기능을 가지고 있다. 제안한 시스템의 시험 과정에서 2007년 1월 20일 발생한 오대산 지진의 데이터가 감지되었으며, 감지된 데이터를 처리, 분석한 결과 신속성과 정확성이 입증되었다. 제안 시스템은 기상청의 지진 속보보다 약 40초 빠르게 감지했으며 각 관측소의 최대값을 제공할 수 있었다.
- 특히 제안 시스템에서는 이벤트가 감지된 시점에서 특정 관측소의 최대 가속도 값을 확인할 수 있다. 따라서 각 관측소의 이러한 정량적인 정보를 이용한다면 지진 발생 후 최단 시간 내에 전국적인 계기 진도도(震度圖)를 작성할 수 있을 것이다〔12〕.
후속연구
- 최대 가속도 값을 확인할 수 있다. 따라서 각 관측소의 이러한 정량적인 정보를 이용한다면 지진 발생 후 최단 시간 내에 전국적인 계기 진도도(震度圖)를 작성할 수 있을 것이다〔12〕.
- 실시간 원격관측 시 센서와 기록계의 안정성을 바탕으로 MMA 값과 같은 특성 데이터만을 추출하여 실제 데이터보다 신속하게 데이터를 전송할 수 있다. 또한 전국에 산재한 관측소로부터 전송된 특성 데이터를 최소 비용으로 분석 및 결과를 시각화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 연구과제로는 각 관측소로부터 전송되는 MMA 데이터의 수신 효율을 높이는 방안을 강구할 것이며 전국 관측소와 타 기관에서 수신된 PGA 값을 데이터 수요기관에 효율적으로 배포할 수 있는 PGA 배포 프로그램의 개발 그리고 이벤트 감지 시 계기 진도도(震度圖)를 작성할 수 있도록 할 예정이다.
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