[논문]낙뢰와 대기전계의 탐지를 기반으로 하는 자동낙뢰경보시스템의 구성과 운용특성

심해섭; 이복희

doi:10.5207/jieie.2013.27.11.082

낙뢰와 대기전계의 탐지를 기반으로 하는 자동낙뢰경보시스템의 구성과 운용특성
Construction and Operation Characteristics of the Automated Lightning Warning System Based on Detections of Cloud-to-Ground Discharge and Atmospheric Electric Field 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.11, 2013년, pp.82 - 88

심해섭 (기상청 국가기상위성센터 위성기획과) , 이복희 (인하대학교 IT공대 전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

It is important to give lightning warning prior to a cloud-to-ground (CG) discharge within an Area of Concern (AOC) because most of lightning damage and victim are usually occurred by the first lightning in the AOC. The aim of this study is to find the optimal operation conditions of the automated lightning warning systems in order to make the best use of the available data. In this paper, the test-operated results of the automated lightning alert and risk management system (ALARM) based on detections of CG discharge and eletrostatic field and optimized at probability of lightning have been described. It was possible to obtain the following warning performance parameters: probability of detection (POD), false alarm ratio (FAR), probability of lightning (POL) and failure-to-warn rate (FTW). The data obtained from trial operation for 5months were not sufficient but the first analysis of domestic lightning warning was carried out. We have observed that the evaluated statistical results through trial operation depend on the various factors such as analysis methods and criteria, topographical conditions, etc. Also we suggest some methods for improvement of POL and POD including the finding of the optimal electric field threshold level to be used, based on the high values of FAR and FTW found in this work.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

AOC내 최초 CG 전 사전경보를 촉발할 수 있는 자동낙뢰경보시스템의 구축과 촉발된 경보의 건전성을 판단할 수 있는 성능 파라미터의 분석에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. CG․대기전계 관측을 기반으로 POL의 증대에 최적화된 ALARM을 시험운영하여 촉발된 사전낙뢰경보를 통계적으로 분석하고 건전성을 판단하는 기법과 성능 파라미터의 분석결과에 준한 사전낙뢰경보의 건전성을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하였다.
본 논문에서는 CG 및 정전계 관측을 기반으로 하고 북반구 중위도에서 POL(낙뢰발생확률: probability of lightning)의 증대에 최적화된 ALARM을 시험운영하여 POL, POD(낙뢰탐지확률 또는 경보성공률: probability of detection), FAR(허위경보율: false alarm ratio) 및 FTW(경보실패율: failure-to-warn rate) 등 성능 파라미터의 통계적 분석에 대한 타당성을 검토하였다. 또한 분석과정을 기초로 하여 ALARM의 건전성을 평가하고 POD, POL의 향상, FAR과 FTW의 저감 및 유효 LT의 확보를 위한 방안에 대하여 기술하였다.
본 논문에서는 CG 및 정전계 관측을 기반으로 하고 북반구 중위도에서 POL(낙뢰발생확률: probability of lightning)의 증대에 최적화된 ALARM을 시험운영하여 POL, POD(낙뢰탐지확률 또는 경보성공률: probability of detection), FAR(허위경보율: false alarm ratio) 및 FTW(경보실패율: failure-to-warn rate) 등 성능 파라미터의 통계적 분석에 대한 타당성을 검토하였다. 또한 분석과정을 기초로 하여 ALARM의 건전성을 평가하고 POD, POL의 향상, FAR과 FTW의 저감 및 유효 LT의 확보를 위한 방안에 대하여 기술하였다.
POL의 증대는 장비 보호조치에 비용과 시간이 많이 소비되는 경우에 적용된다[3]. 본 논문은 사전낙뢰경보가 촉발할 때 효율적인 발전기의 자동 운전 등을 위한 FAR의 저감, 즉 POL의 증대를 도모할 수 있는 경보알고리즘의 도출을 위해 ALARM을 시험적으로 운영하였다.

제안 방법

2013년 4월 14일 검출된 경보실패에 대한 예시적 데이터를 표 5에 나타내었다. 0시 11분, EFM으로 검출된 전계문턱 값의 초과로 High Alert 1(EFM)이 촉발 낙뢰와 대기전계의 탐지를 기반으로 하는 자동낙뢰경보시스템의 구성과 운용 특성되었으나 2시 7분 경보 해제 후 High Alert 1(TSS)이 촉발되었으므로 경보실패로 판정하였다.
2013년 8월 29일 유효낙뢰경보에 대한 데이터의 예시적 해석을 표 3에 나타내었다. 11시 59분에 사전낙뢰경보 단계인 Warning Level(W)이 촉발되고 12시 10분에 AOC내 최초 CG가 발생하여 11분의 LT를 갖는 성공적인 사전낙뢰경보로 판정하였다.
2013년 8월 6일 무효 LT에 대한 데이터의 예시적 해석을 표 6에 나타내었다. 13시 37분에 사전낙뢰경보 단계인 High Alert 1(EFM)이 촉발되고 17시 1분에 High Alert 1(TSS)이 촉발되어 사전경보는 성공적이나 LT가 2시간 59분이므로 이를 무효 LT로 판정하였다. 즉 유효한 사전경보로 판정하지 않았다.
2013년 4월 29일에 관측된 FA의 예시적인 데이터를 표 4에 나타내었다. 6시 3분, 8시 26분에 High Alert 1(EFM)이 사전낙뢰경보로서 촉발되었으나 AOC내 CG 발생이 없으므로 즉 High Alert 1(TSS)의 촉발이 없으므로 FA로 판정하였다.
AOC내 최초 CG 전 사전경보를 촉발할 수 있는 자동낙뢰경보시스템의 구축과 촉발된 경보의 건전성을 판단할 수 있는 성능 파라미터의 분석에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. CG․대기전계 관측을 기반으로 POL의 증대에 최적화된 ALARM을 시험운영하여 촉발된 사전낙뢰경보를 통계적으로 분석하고 건전성을 판단하는 기법과 성능 파라미터의 분석결과에 준한 사전낙뢰경보의 건전성을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하였다. 시험운영결과 POL과 POD는 각각 약 3.
그러나 ALARM은 CG 관측기반의 낙뢰경보시스템이며, 90%이상의 탐지효율은 CG로 제한되므로 본 논문에서는 Watch 2 Level을 사전 낙뢰경보단계로 간주하지 않는다. Warning, High Alert 2 그리고 High Alert 1(EFM)은 뇌운이 도착하기 전에 보호활동을 취하도록 설계되었고, High Alert 1(TSS)은 CG가 AOC내에 이미 존재함을 나타낸다. 그러므로 본 논문에서는 Warning, High Alert 2 및 High Alert 1(EFM)만을 사전 낙뢰경보단계로 간주한다.
Warning, High Alert 2 그리고 High Alert 1(EFM)은 뇌운이 도착하기 전에 보호활동을 취하도록 설계되었고, High Alert 1(TSS)은 CG가 AOC내에 이미 존재함을 나타낸다. 그러므로 본 논문에서는 Warning, High Alert 2 및 High Alert 1(EFM)만을 사전 낙뢰경보단계로 간주한다. 낙뢰경보의 촉발을 위한 TSS-EFM간의 논리조합은 High Alert Level 1만이 ‘OR’이 적용되고 나머지 단계는 모두 ‘AND’를 적용하였다.
낙뢰경보의 촉발을 위한 TSS-EFM간의 논리조합은 High Alert Level 1만이 ‘OR’이 적용되고 나머지 단계는 모두 ‘AND’를 적용하였다.
즉 유효한 사전경보로 판정하지 않았다. 유효한 LT는 사용자별로 요구되는 LT를 확보해야하므로 본 논문에서는 30분이상의 LT는 무효로 판정하였다.
전계의 세기 및 극성의 변화는 CG 사전 경보 및 FTW의 저감에 매우 유용한 정보이므로 대기 중의 정전계 관측에는 EFM을 적용하였다[6, 8-10].

성능/효과

또한 EFM의 최대와 최적 탐지거리가 각각 20㎞, 10㎞로 제한됨에도 Watch Level 1, Watch Level 2, Warning 및 High Alert Level 2의 촉발조건으로 TSS-EFM간의 논리조합을 ‘AND’로 적용하는것 역시 FAR 증대의 원인이 된다[5, 12]. 뇌운이 AOC를 경유하지 않고 우회하는 FA의 불가항력적인 경우는 총 105회의 FA 촉발 중 5회(약 4.8%)에 불과하여 경미한 것으로 나타났다.
2013년 4월부터 8월까지 5개월 동안 POL의 증대에 최적화된 ALARM의 운영결과를 통계적으로 분석한 결과를 표 7에 나타내었다. 비록 ALARM시스템으로 얻어진 데이터의 수는 적었으나 정상적인 낙뢰경보에 대한 성능 파라미터를 분석할 수 있음을 알았다.
CG․대기전계 관측을 기반으로 POL의 증대에 최적화된 ALARM을 시험운영하여 촉발된 사전낙뢰경보를 통계적으로 분석하고 건전성을 판단하는 기법과 성능 파라미터의 분석결과에 준한 사전낙뢰경보의 건전성을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하였다. 시험운영결과 POL과 POD는 각각 약 3.7%, 21.1%로 분석되었으나 이는 사전경보촉발 및 해제 문턱값의 조정, TSS-EFM간의 논리조합 수정, POD 최적화 알고리즘의 적용 등으로 개선될 것이며, 무엇보다 유효 LT확보를 위한 전국규모의 낙뢰관측시스템을 기반으로 하는 새로운 경보시스템의 개발이 필요한 것으로 밝혀졌다.

후속연구

높은 POD 또는 경보 성공률의 향상을 위해서 WA 의 모든 섹터 선택과 경보촉발을 위한 이벤트 수의 최소화가 요구된다[6]. 그러나 이것은 FAR 증대로 인한 POL 저감의 원인이 되므로 향후 뇌운의 이동속도, 유입방향 CG 발생 수 등에 대한 통계적 분석으로 WA 의 구역 선택과 경보촉발 이벤트수의 최적화에 대한 검토가 요구된다.
15분의 LT는 15분 동안 인명의 대피, 설비나 기기 보호를 위한 사전준비시간의 최대값이므로 15분의 LT는 사용자별로 유효성이 상이하다. 그러므로 사용자별 유효 LT의 확보를 위해서는 뇌운의 이동 속도 등에 따라 WA, AOC의 반경 변경이 가능해야만하며 이를 위해서는 유효탐지거리가 전국을 포함하는 관측시스템을 기반으로 하는 새로운 낙뢰경보시스템의 개발이 필수적으로 요구됨을 알 수 있다.
국외 자동낙뢰경보시스템의 경우도 낙뢰경보성공률의 편차가 크며, 이는 관측시스템과 설치지점의 지형적 특성 등에 관련이 있는 것으로 판단된다. 표 8에 나타낸 바와 같이 ALARM의 POD와 POL가 국외의 유사 시스템에 비하여 낮은 것으로 나타났고 이는 낙뢰경보의 촉발 및 해제 조건 등을 최적으로 설정하지 못하여 기인된 것으로 사료되며, 향후 ALARM의 운영결과를 바탕으로 지속적인 개선이 필요함을 알 수 있다.
향후 유효사전낙뢰경보의 촉발과 POD의 증대를 위하여 레이더, 위성 데이터를 융합한 자동낙뢰경보알고리즘의 개발을 위한 기초연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ALARM의 설치 및 운용 목적은 무엇인가?	일반적으로 ALARM(자동낙뢰경보 및 리스크관리 시스템: automated lightning alert and risk management)은 LPS(피뢰시스템: lightning protection system)의 일환으로 공항, 광산, 군사시설, 우주선 발사대, 골프장, 레이더센터 및 방송 중계소 등에 설치된다. ALARM의 설치 및 운용 목적은 유효한 LT(선행 시간: lead time)을 갖는 사전경보의 촉발로 물리적 유형의 소손 보호를 비롯하여 전기․전자 시스템 및 인명을 보호하는 것이다.
	ALARM은 어떻게 구성되어 있는가?	ALARM은 TSS(뇌방전센서: thunderstorm sensor), EFM(정전계 측정기: electric field mill), 표출 및 경보 송출용 소프트웨어와 연동모듈로 구성되어 있으며, 이의 특징과 낙뢰표출방식을 각각 표 1과 그림 1에 나타내었다[5-7]. CG와 IC(운내방전: intraclould discharges)를 검출하는 TSS는 MDF(자계방향탐지: magnetic direction finding)방식이며, MDF와 TOA(도달시간: time of arrival)방식을 혼합한 미국의 NLDN(낙뢰관측네트워크: national lightning detection network)과 비교시험되었고 CG 탐지효율은 19km 이내에서 90% 이상이다[5].
	사용자는 FTW 또는 FA로 인한 손실 등을 비교․평가하여 POD나 POL의 증대 중에서 어느 한 가지 목표만을 경보시스템에 적용해야 하는 이유는?	POL과 POD는 상충관계(trade off relation)이므로 두 가지 확률을 동시에 증대시킬 수 없다. 즉 FAR과 FTW를 동시에 저감시킬 수 없다. 예를 들어 WA내 낙뢰경보의 촉발구역(sector)를 모두 선택하고 낙뢰경보의 촉발을 위한 이벤트수를 최소로 하면 FTW가 저감되어 POD가 증대될 것이나 필연적으로 FAR이 증대되어 POL 저감의 원인이 된다. 그러므로 사용자는 FTW 또는 FA로 인한 손실 등을 비교․평가하여 POD나 POL의 증대 중에서 어느 한 가지 목표만을 경보시스템에 적용할 수 있다.

참고문헌 (12)

M. A. Uman., The Art and Science of Lightning protection. Cambridge University Press, New York, pp. 134-138. 2008.
R. A. Rakov and M. A. Uman., Lightning-Physics and Effects, Cambridge University Press, New York, pp. 588-654. 2003.
J. S. Jensenius and D. B. Franklin, "Lightning Kills - Play iy safe - NOAA's Effects to educate the public on the dangers of lightning", 19th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, CD-ROM, 2006.
M. M. Lengyel, "Lightning casualties and their proximity to surrounding cloud-to-ground lightning". M.S. Thesis. University of Oklahoma, 2004.
User's Guide, "Thunderstorm Sensor Model 928". VAISALA, 2003.
User's Guide, "ALARM v1.1". VAISALA, 2003.
User's Guide, "EFM550". VAISALA, 2003.
M. J. Murphy and R. L. Holle, N. W. S. Demetriades, "Cloud-to-ground lightning warnings using electric field mill and lightning observations". 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, 2008.
J. Montanya, D. Aranguren, N. Pineda, G. Sola, D. Romero, V. March, "Total lightning, electrostatic field and meteorological radar applied to lightning hazard warning" . 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, CD-ROM, 2008.
M. J. Murphy and R. L. Holle, "Warnings of cloud-to-ground lightning hazard based on combinations of lightning detection and radar information" . 19th International Lightning Detection Conference (ILDC). Proceedings. Tucson, CD-ROM, 2006.
M. A. S. Ferro, J. Yamasaki, D. R. M. Pimentel, K. P. Naccarato, M. M. F. Saba., "Lightning risk warnings based on atmospheric electric field measurements in Brazil", J. Aerosp.Technol. Manag., Sao Jose dos Campos, Vol.3, No.3, pp. 301-310, Sep. - Dec., 2011.

상세보기
J. Inampues, D. Aranguren, H.Torres, J. Montanya, I. Santoyo, E. Olarte, C. Younes., "Analysis of lightning forcasts in Colombia based on the lightning detection network data". 10th International Symposium on Lightning Protection. Curitiba, Brazil, 2009.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증