UIS기반 홍수관리 시뮬레이션을 위한 입력 데이터 자동 생성 시스템 개발 The Development of a Input Data Automatic Generation System for the Storm Management Simulation based on UIS원문보기
최근 이상 기후의 영향으로 태풍, 집중호우로 인한 침수 피해 등의 자연재해가 빈번히 발생하고 있다. 수공학 분야에서는 이러한 피해를 줄이기 위해 강우에 따른 유출분석을 위한 유출모형, 유출모형의 매개변수검증 및 지표로 흘러나온 유출량의 흐름을 해석하는 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 대부분의 연구에서 유출모형의 입력 파일을 생성하는데 많은 시간과 노력이 소요되고 있다. 따라서 본 논문에서는 도시정보시스템(UIS)에서 구축된 공간데이터를 기반으로 SWMM(Storm Water Management Model)과 연계하여 시뮬레이션 입력 파일을 자동으로 생성하는 모듈을 개발한다. 제안한 시스템은 UIS 기반의 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되며, 상습침수지역을 대상으로 프로토타입을 구축하였다. 제안한 시스템은 도시침수분석을 위한 유출량을 분석 할 때 데이터 입력 오류 감소 및 시뮬레이션 시간의 단축할 뿐만 아니라 범람 영역을 지도에서 가시화하는데 활용될 수 있다.
최근 이상 기후의 영향으로 태풍, 집중호우로 인한 침수 피해 등의 자연재해가 빈번히 발생하고 있다. 수공학 분야에서는 이러한 피해를 줄이기 위해 강우에 따른 유출분석을 위한 유출모형, 유출모형의 매개변수검증 및 지표로 흘러나온 유출량의 흐름을 해석하는 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 대부분의 연구에서 유출모형의 입력 파일을 생성하는데 많은 시간과 노력이 소요되고 있다. 따라서 본 논문에서는 도시정보시스템(UIS)에서 구축된 공간데이터를 기반으로 SWMM(Storm Water Management Model)과 연계하여 시뮬레이션 입력 파일을 자동으로 생성하는 모듈을 개발한다. 제안한 시스템은 UIS 기반의 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되며, 상습침수지역을 대상으로 프로토타입을 구축하였다. 제안한 시스템은 도시침수분석을 위한 유출량을 분석 할 때 데이터 입력 오류 감소 및 시뮬레이션 시간의 단축할 뿐만 아니라 범람 영역을 지도에서 가시화하는데 활용될 수 있다.
Recently, natural disasters like flooding damages have frequently occurred as to typhoons and local downpours affected by the climate changes. Many researches have actively been studied in analysing runoff models, the verification of their parameters, and the inflow on surfaces in order to lessen th...
Recently, natural disasters like flooding damages have frequently occurred as to typhoons and local downpours affected by the climate changes. Many researches have actively been studied in analysing runoff models, the verification of their parameters, and the inflow on surfaces in order to lessen the damages. However, much time and effort needs in generating input files of the models in most current researches. Therefore, in this paper we develop a system for generating a simulation input data automatically. This system is connected to the EPA-SWMM based on the spatial data in the UIS systems and consists the simulation module for analysing urban flooding and the SWMM simulator module. Also, we construct a prototype using a range of regular inundation to generate a simulation input file. This system gives advantages showing inundation areas based on the map viewer as well as lessening errors of input data and simulation time.
Recently, natural disasters like flooding damages have frequently occurred as to typhoons and local downpours affected by the climate changes. Many researches have actively been studied in analysing runoff models, the verification of their parameters, and the inflow on surfaces in order to lessen the damages. However, much time and effort needs in generating input files of the models in most current researches. Therefore, in this paper we develop a system for generating a simulation input data automatically. This system is connected to the EPA-SWMM based on the spatial data in the UIS systems and consists the simulation module for analysing urban flooding and the SWMM simulator module. Also, we construct a prototype using a range of regular inundation to generate a simulation input file. This system gives advantages showing inundation areas based on the map viewer as well as lessening errors of input data and simulation time.
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문제 정의
도시배수시스템의 유출분석을 통한 도시침수 위험지역 관리 시스템을 구축하기 위해 UIS와 연계한 EPA-SWMM 시뮬레이션 데이터 자동 생성하는 시스템을 개발하고자 한다. 본 논문에서 구현한 UIS기반 도시침수 관리 시스템의 전체 구성도는 그림 2와 같다.
따라서 본 논문에서는 도시침수 관리 시스템의 효율적 구축을 위해 UIS의 하수관거 정보를 기반으로 EPA-SWMM 모형을 연계하여 SWMM 입력 데이터를 자동 생성하는 모듈을 개발하였다. 시뮬레시션 데이터 자동 생성모듈은 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되며, UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈은 UIS관리자 및 사용자 인터페이스, UIS 데이터베이스, 시뮬레이션 데이터베이스, Map Viewer 모듈 및 SWMM INP 자동생성 모듈로 구성되며, SWMM 시뮬레이터는 EPA-SWMM 모형을 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 도시침수 유출모의를 위한 도시하수관거 및 도시지형 정보를 포함하는 UIS(Urban Information System)를 기반으로 시뮬레이션 입력데이터를 자동 생성하는 모듈을 개발하고자 한다. 이를 위해 UIS 데이터베이스와 시뮬레이션을 위한 데이터베이스를 구축하고, 이를 EPA SWMM과 연계하였다.
본 논문에서는 UIS를 기반으로 EAP-SWMM을 연계한 도시침수 관리 시스템 구축을 위한 SWMM 입력파일 자동 생성 시스템을 설계하고 간단한 프로토타입을 구현하였다. 홍수, 집중 호우 등으로 인한 침수피해에 관한 연구가 수공학 분야를 중심으로 활발히 진행되고 있다.
본 절에서는 EPA SWMM을 연계한 UIS기반 도시침수관리 시스템의 구현 결과에 대해 설명한다. 본 논문에서 구현한 시스템은 Microsoft Visual Studio 2005와 SQL 2005환경에서 구현하였다.
가설 설정
UIS 관리자 인터페이스 모듈은 UIS DB와 연동하여 유역, 소유역, 맨홀, 하수관, 배출구의 연결정보, 위치, 모양, 길이 등의 정보를 설정하는 모듈이다. 본 논문에서는 유역과 소유역은 UIS에 구축되어 있다고 가정한다. Map Viewer에서 시뮬레이션 대상지역을 선택하여 UIS DB에 저장된 대상지역의 변경할 입력 정보가 있으면, 관리자는 변경 정보를 입력하여 UIS DB에 변경된 내용을 저장한다.
제안 방법
SWMM 시뮬레이터는 도시유출분석을 위한 시뮬레이터로 본 논문에서는 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈에서 SWMM 시뮬레이터를 실행시킨다. SWMM INP 파일 자동생성 모듈에서 생성한 INP.DAT 파일을 SWMM에서 불러오면 자동으로 시뮬레이션 화면이 생성되며, 생성된 INP파일을 시뮬레이션 한다. 각 모듈의 기능은 다음과 같다.
DAT파일에 저장한다. SWMM INP 파일은 표 1에서 언급한 매개변수 중 [TITLE], [OPTION], [RAINGAGE], [SUBCATCHMENT], [SUBAREAS], [INFILTRATION], [JUNCTIONS], [OUTFALL], [CONDUITS], [TIMESERIES] [REPORT] [XSECTIONS], [COORDINATES] 키워드만 고려하여 생성하였다.
이 시스템은 UIS 기반 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되어 있다. SWMM 시뮬레이션 데이터 자동생성 모듈은 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈에서 생성되며, 생성된 입력 데이터를 통해 SWMM 시뮬레이션을 수행한다.
EPA-SWMM은 기존 SWMM의 RUNOFF, TRANSPORT, EXTERN 등의 블록을 통합하여 하나의 블록에서 유출분석이 가능하도록 기능이 구현되어 있다. SWMM 시뮬레이터는 UIS 기반 도시침수 시뮬레이션 모듈에서 SWMM INP 파일이 생성되면 자동으로 EPA-SWMM 5.0이 실행되도록 구현하였으며, 자동생성된 SWMM INP 파일을 EPA-SWMM 5,0에서 불러오면 시뮬레이션 화면이 자동으로 생성된다.
UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈은 도시침수 시뮬레이션을 위한 전반적인 수행을 처리하는 모듈로 시뮬레이션 대상지역 및 시뮬레이션에 필요한 옵션을 선택하는 UIS 관리자 및 사용자 인터페이스 모듈, 시뮬레이션 DB생성 모듈, SWMM INP 파일 자동 생성 모듈, Map Viewer 모듈로 구성된다. SWMM 시뮬레이터는 도시유출분석을 위한 시뮬레이터로 본 논문에서는 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈에서 SWMM 시뮬레이터를 실행시킨다. SWMM INP 파일 자동생성 모듈에서 생성한 INP.
그림 6의 코드 테이블과 같이 sub_ID와 CID, sub_id와 JID, 그리고 sub_ID와 OID를 결합하여 대상지역 소유역에 위치한 맨홀, 하수관, 배수구 정보만을 추출한다. 그리고 UIS DB에서 추출하는 정보와 Simulation DB를 연결하기 위해 sub_ID, CID, JID, OID는 기본키인 동시에 외래키로 설정하였다. 이를 통해 UIS DB의 소유역, 하수관, 맨홀, 배수구 테이블과 Simulation DB의 Subcatchment, Junction, Conduits, Outfall 테이블이 참조된다.
각 테이블의 ID값을 기본 키로 설정하며, 관리자 인터페이스와 UIS DB는 상호 연동되도록 한다. 많은 하수관거 정보 중 지정한 소유역에 위치한 맨홀 및 하수관, 배수구 속성만을 확인하기 위해 소유역과 맨홀, 하수관, 배수구의 ID정보를 결합한 코드 테이블을 생성한다. 그림 6의 코드 테이블과 같이 sub_ID와 CID, sub_id와 JID, 그리고 sub_ID와 OID를 결합하여 대상지역 소유역에 위치한 맨홀, 하수관, 배수구 정보만을 추출한다.
이를 위해 UIS 데이터베이스와 시뮬레이션을 위한 데이터베이스를 구축하고, 이를 EPA SWMM과 연계하였다. 본 논문에서 구현한 모듈은 Shape 파일 형태의 지도정보를 보여주도록 구현한 Map Viewer 모듈과 연계하여 Map Viewer상에서 시뮬레이션 지역을 선택하면 해당 지역의 구축된 데이터베이스와 연계하여 SWMM의 입력파일을 자동 생성하고, SWMM의 수행결과를 Map Viewr상에서 보여주도록 구현하였다.
본 절에서는 EPA SWMM을 연계한 UIS기반 도시침수관리 시스템의 구현 결과에 대해 설명한다. 본 논문에서 구현한 시스템은 Microsoft Visual Studio 2005와 SQL 2005환경에서 구현하였다.
Simulation DB의 속성정보 중 변경할 정보가 있으면, 변경 값을 입력하고 시뮬레이션 기간, 시간 등의 옵션을 설정한 후 모듈을 종료하고, 만약 변경할 값이 없으면 시뮬레이션 옵션을 설정한 후 모듈을 종료한다. 사용자 인터페이스 모듈의 입력 값 중 Inifilitration은 강우의 지표면 침투를 계산하기 위한 테이블로 본 논문에서는 다양한 침수 함수 중 HORTON함수만을 고려하여 HORTON 함수계산에 필요한 인자만을 입력하도록 한다.
■ RUNOFF 블록 : RUNOFF 블록은 SWMM모형의 초기연산이 수행되는 부분으로 강우 사상에 대해 배수유역에서의 유출현상을 분석한다. 유출분석을 위해 강우자료, 토지 이용도, 지형도 등의 자료를 입력 매개변수로 하여 지표면 및 지표하 유출을 분석한다.
따라서 본 논문에서는 도시침수 유출모의를 위한 도시하수관거 및 도시지형 정보를 포함하는 UIS(Urban Information System)를 기반으로 시뮬레이션 입력데이터를 자동 생성하는 모듈을 개발하고자 한다. 이를 위해 UIS 데이터베이스와 시뮬레이션을 위한 데이터베이스를 구축하고, 이를 EPA SWMM과 연계하였다. 본 논문에서 구현한 모듈은 Shape 파일 형태의 지도정보를 보여주도록 구현한 Map Viewer 모듈과 연계하여 Map Viewer상에서 시뮬레이션 지역을 선택하면 해당 지역의 구축된 데이터베이스와 연계하여 SWMM의 입력파일을 자동 생성하고, SWMM의 수행결과를 Map Viewr상에서 보여주도록 구현하였다.
관리자 인터페이스에서 관리하는 유역의 정보는 유역, 소유역, 맨홀, 하수관, 배수구의 물리적 정보이다. 즉, 유역ID 및 배수구ID, 소유역ID 및 유출맨홀과 소유역 평균경사, 그리고 맨홀의 높이 및 깊이 정보, 하수관의 상위, 하위 연결 맨홀 ID 및 관거 모양과 깊이와 배수구의 높이 정보를 UIS 관리자 인터페이스를 통해 설정한다.
대상 데이터
본 논문에서는 부산시 재해대책본부에서 상습침수지역으로 지정한 부산시 수변공원 주변지역을 침수 시뮬레이션 대상지역으로 선정하였다. 그림 7은 부산시 재해대책본부에서 제공하는 침수 대상지역의 이미지 화면이며, 본 논문에서는 대상지역을 9개의 소유역과 1개의 배수구로 구분하였다.
본 논문에서는 부산시 재해대책본부에서 상습침수지역으로 지정한 부산시 수변공원 주변지역을 침수 시뮬레이션 대상지역으로 선정하였다. 그림 7은 부산시 재해대책본부에서 제공하는 침수 대상지역의 이미지 화면이며, 본 논문에서는 대상지역을 9개의 소유역과 1개의 배수구로 구분하였다.
본 장에서는 UIS 기반 도시침수 시뮬레이션 모듈의 설계에 대해 설명한다. 시뮬레이션 모듈은 UIS 관리자 인터페이스 모듈, 사용자 인터페이스 모듈, 시뮬레이션 DB생성 및 SWMM INP 파일 자동 생성 모듈, Map Viewer 모듈로 구성된다. Map Viewer 모듈은 저자의 연구실의 이전 연구[19]에서 개발한 컴포넌트 형태의 Map Viewer 모듈을 활용하였으며, 인터페이스 모듈과 연계하여 해당지역의 속성정보를 보여준다.
본 논문에서 구현한 UIS기반 도시침수 관리 시스템의 전체 구성도는 그림 2와 같다. 이 시스템은 UIS 기반 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되어 있다. SWMM 시뮬레이션 데이터 자동생성 모듈은 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈에서 생성되며, 생성된 입력 데이터를 통해 SWMM 시뮬레이션을 수행한다.
이론/모형
시뮬레이션 모듈은 UIS 관리자 인터페이스 모듈, 사용자 인터페이스 모듈, 시뮬레이션 DB생성 및 SWMM INP 파일 자동 생성 모듈, Map Viewer 모듈로 구성된다. Map Viewer 모듈은 저자의 연구실의 이전 연구[19]에서 개발한 컴포넌트 형태의 Map Viewer 모듈을 활용하였으며, 인터페이스 모듈과 연계하여 해당지역의 속성정보를 보여준다.
본 논문에서는 SWMM 시뮬레이터로 미국 EPA사의 EPA-SWMM 5.0을 사용하였다. EPA-SWMM은 기존 SWMM의 RUNOFF, TRANSPORT, EXTERN 등의 블록을 통합하여 하나의 블록에서 유출분석이 가능하도록 기능이 구현되어 있다.
따라서 본 논문에서는 도시침수 관리 시스템의 효율적 구축을 위해 UIS의 하수관거 정보를 기반으로 EPA-SWMM 모형을 연계하여 SWMM 입력 데이터를 자동 생성하는 모듈을 개발하였다. 시뮬레시션 데이터 자동 생성모듈은 UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈과 SWMM 시뮬레이터로 구성되며, UIS기반 도시침수 시뮬레이션 모듈은 UIS관리자 및 사용자 인터페이스, UIS 데이터베이스, 시뮬레이션 데이터베이스, Map Viewer 모듈 및 SWMM INP 자동생성 모듈로 구성되며, SWMM 시뮬레이터는 EPA-SWMM 모형을 사용하였다. SWMM 입력 데이터 구축을 위해 UIS 데이터베이스로부터 생성되는 매개 변수는 관리자 인터페이스를 통해 수정이 가능하며, 불투수 비율 등의 지형 특성인자등의 정보는 사용자 인터페이스로부터 입력받아 시뮬레이션 데이터베이스에 저장된다.
성능/효과
시뮬레이션 데이터베이스와 연계된 SWMM INP 자동생성 모듈을 통해 SWMM 입력파일이 생성되면, EPA-SWMM이 자동실행된 후 유출분석이 수행된다. 본 논문에서 구축한 대상지역의 SWMM 매개변수에 사용된 정보 및 UIS 정보는 Map Viewer의 해당지역을 선택하여 확인할 수 있으며, Map Viewer 모듈을 통해 침수위험 가능성이 있는 지역을 확인 할 수 있다. 본 논문에서 제안한 시스템을 통해 도시유출모형을 사용한 침수분석 시 입력 데이터 구축 시간의 단축 및 오류 감소 효과를 얻을 수 있으며, 범람 영역을 지도에서 직접 확인 할 수 있는 장점을 가진다.
본 논문에서 구축한 대상지역의 SWMM 매개변수에 사용된 정보 및 UIS 정보는 Map Viewer의 해당지역을 선택하여 확인할 수 있으며, Map Viewer 모듈을 통해 침수위험 가능성이 있는 지역을 확인 할 수 있다. 본 논문에서 제안한 시스템을 통해 도시유출모형을 사용한 침수분석 시 입력 데이터 구축 시간의 단축 및 오류 감소 효과를 얻을 수 있으며, 범람 영역을 지도에서 직접 확인 할 수 있는 장점을 가진다.
DAT파일은 시뮬레이션 화면으로 자동 구축되고, 유출분석을 위한 시뮬레이션을 수행한다(⑥-⑧). 수행 결과는 SWMM 통계분석 모듈에서 확인하고, 시뮬레이션이 끝나면 SWMM수행 결과는 Simulation DB에 저장된다(⑨). Simulation DB를 통해 유출이 발생한 Junction에 해당하는 맨홀 지역을 침수위험지역으로 Map Viewer에 표시한다(⑩-⑫).
후속연구
향후 연구는 SWMM 출력 파일 및 통계모듈 분석을 통해 유출량에 따른 침수위험지역 분석을 Map Viewer 모듈에 구현함으로써, Map Viewer 모듈을 통한 침수위험지역 공간분석 시스템을 개발하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내ㆍ외의 도시침수분석에 관한 연구는 어떤 주제들로 진행되고 있는가?
국내ㆍ외의 도시침수분석에 관한 연구는 유출모형 분석에 관한 연구, 유출모형의 입력매개변수의 검증에 관한 연구, 유출량의 지표면 흐름을 추적하는 침수해석에 관한 연구로 진행되고 있다. 현재 도시지역의 유출특성을 분석하기 위해서 가장 많이 사용되고 있는 유출해석모형은 ILLUDAS (ILLinois Urban Drainage Area Simulator)모형[10], RRL (Road Research Laboratory method)모형[11] 및 SWMM (Strom Water Management Model)모형[12] 등이 있다.
Strom Water Management Model(SWMM)은 무엇인가?
SWMM은 미국 환경보전국에서 개발한 모형으로 배수 시스템과 연계된 도시유출 분석 및 외수위에 의한 내수배제 불량 및 배수시스템의 과부화로 인한 월류 유량을 계산할 수 있는 모형으로 도시유출분석에 가장 성능이 우수한 것으로 알려져 있다[14]. 도시유출모형을 사용한 도시지역의 침수분석연구의 경우 유출모형의 입력매개변수 산정은 결과분석에 중요한 영향을 미치는 요소이다.
침수에 관한 도시지역의 유출특성을 분석하기 위해서 가장 많이 사용되고 있는 유출 해석 모형은 어떤 것들이 있는가?
국내ㆍ외의 도시침수분석에 관한 연구는 유출모형 분석에 관한 연구, 유출모형의 입력매개변수의 검증에 관한 연구, 유출량의 지표면 흐름을 추적하는 침수해석에 관한 연구로 진행되고 있다. 현재 도시지역의 유출특성을 분석하기 위해서 가장 많이 사용되고 있는 유출해석모형은 ILLUDAS (ILLinois Urban Drainage Area Simulator)모형[10], RRL (Road Research Laboratory method)모형[11] 및 SWMM (Strom Water Management Model)모형[12] 등이 있다. RRL모형의 경우 소규모의 도시유역에서의 유출분석에 적합하지만, 강우-침투량의 시간적 분포는 고려하지 못하는 것으로 알려져 있으며[11], ILLUDAS 모형의 경우 도시지역의 배수 시스템과 연계하여 도시유출을 분석하여 도시의 불투수지역 및 투수지역까지 고려하도록 설계되었다.
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