[논문]입자법과 스테레오 비전을 활용한 초기 쇄파 장치 연구

김경성; 유선진

doi:10.15207/jkcs.2019.10.2.201

입자법과 스테레오 비전을 활용한 초기 쇄파 장치 연구
A Study on Initial Wave Breaker by Using MPS and Stereo Vision Technology 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.2, 2019년, pp.201 - 206

김경성 (동명대학교 조선해양공학부) , 유선진 (동명대학교 디지털미디어공학부)

초록
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해안 영역에서의 해수의 범람은 재산 및 인명피해를 야기한다. 이러한 피해를 최소화 하고자 방파시설을 설치하지만, 고정식 방파시설의 경우, 변화하는 해상상태에 대응할 수 없으며, 과도한 설정에 의한 설치는 환경적 피해를 일으킨다. 본 연구에서는 환경적 피해를 줄이고 선박의 항행에 지장이 없는 가변식 초기 쇄파 장치에 대한 연구를 실험적 방법과 입자법을 이용한 수치 해석적 방법으로 연구하였다. 초기 쇄파 장치의 유무에 따라 해안절벽으로 넘어오는 파의 범람은 큰 차이가 있었으며, 이는 실험과 수치 해석 모두 확인되었다. 또한 초기 쇄파 장치의 위치에 따른 영향 역시 고려되었으며, 위치 역시 중요한 요소임이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flooding and overtopping due to unexpected large ocean wave may occur serious problems to environments and structures. Generally fixed wave breakers and several structures were installed to prevent such damages, however, they may affect to environments and charted path of ships badly. In this regard, new type of initial wave breaker was investigated in both of experimentally and numerically. For the experiments, conceptual devices were built by authors with stereo vision system. The moving particle semi-implicit method was adopted for simulation. It is revealed that the initial wave breaker reduce the damages from ocean waves by energy dissipated earlier. Furthermore, the effects of position of the initial wave breaker was also considered.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic model of initial wave breaker
그림 Fig. 2. Experimental Device
그림 Fig. 3. Examples of initial wave breaker test
표 Table 1. Result of buoy movement from stereo vision system
표 Table 2. Amount of overtopped waves (Depth[mm])
그림 Fig. 4. Results from Simulation for No initial pre-wave breaker, front located pre-wave breaker, and rare positioned pre-wave breaker
그림 Fig. 5. Pressure time history at costal lines for each case
그림 Fig. 6. Amount of overtopped particles at coastal line for each case

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 해일 및 태풍으로 인해 발생된 예측하지 못한 높은 파도를 초기에 소산시켜 피해를 줄이는 장치에 관한 것이다. 초기 쇄파기의 개념적인 형태는 Fig.
예측 하지 못한 해양파에 대한 문제의 해결을 위해 기본의 고정식 테트라 방파제 혹은 인공 절벽이 아닌 형태의 방파제가 제안되고 있다. 본 연구에서는 새로운 형태의 방파제를 제안하고 이를 실험 및 수치 시뮬레이션을 통해 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 초기 쇄파 장치의 효과에 대해 연구하였다. 초기 쇄파 장치는 평소 선박의 운행 및 환경에 영향을 끼치지 않도록 설계되며, 해일 또는 태풍에 의해 큰 파가 발생되었을 시 작동하여 피해를 줄이는 장치이다.

제안 방법

특히 쳐오름파의 연구는 실험 및 수치해석적으로 많은 연구가 수행되었다.[1] 해양파의 쇄파 등에 의한 강한 난류 발생이 미치는 영향또한 실험 및 수치시뮬레이션을 통해 난류의 영향에 의한 해저면 변형이 연구되었다.[2] 입자법을 이용한 자유표면 연구로는 [3,4]에서 Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)법을 이용하여 파의 표면력 및 충격량에 대한 연구가 이루어졌다.
개념적 초기 쇄파 장치의 실험을 위해 스테레오 비전 카메라를 설치하고 파를 생성시키는 조파기와 수조, 그리고 초기 쇄파 장치를 설치하였다[Fig. 2]. 조파기는 삼각형의 조파장치을 상하로 움직여 파를 생성하며, 조파장치는 서보모터를 이용하여 제어된다.
파의 운동에 의해 부유체는 상하로 움직인다. 구 형태의 부유체의 운동을 측정하기 위해 스테레오 비전을 설치하여 측정하였다. 스테레오 비전 시스템을 이용한 측정을 위해서는 Fig.
본 연구에서 여러 입자기반 전산유체역학 기법 중 MPS법을 사용한 것은 SPH법에서의 입자간 상호 작용을 평균화해서 사용하는 방법에 비해 가중치를 사용하는 MPS법이 본 연구에 더욱 적합하기 때문에 선정하였다.
이는 상하동요 조파기를 수치적으로 실행하였을 시 간극에서 발생할 수 있는 수치적 오차를 줄이기 위함이다. 본 연구에서의 수치 시뮬레이션은 실험과는 다른 2차원 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
구 형태의 부유체의 운동을 측정하기 위해 스테레오 비전을 설치하여 측정하였다. 스테레오 비전 시스템을 이용한 측정을 위해서는 Fig. 3 에 나타난 것과 같이 2개의 비전 카메라를 설치하고 측정값을 컴퓨터로 보내어 계산을 하도록 설정하였다. 조파기에서 생성한 파는 각각 파고 10mm, 30mm, 50mm로 설정하였으며, 스테레오 비전 시스템을 통한 부유체 상하 운동의 10초간의 평균값은 Table 1에 나타나있다.
스테레오 비전 시스템의 검증완료 된 시스템을 이용하여 파고 15mm인 파를 생성하고 초기 쇄파 장치의 각도를 변화시켜 방파제(인공절벽)을 넘어 유입된 물의 양을 측정하였다. 측정값은 Table 2에 나타나 있다.
시뮬레이션을 위한 설정은 실험에서 좋은 결과가 나왔던 30도 인 경우와 초기 쇄파 장치를 조파기 방향으로 100mm 이동시킨 경우 그리고 이러한 초기 쇄파기가 없는 경우에 대해 각각 실행하였다. Fig.
측정값은 Table 2에 나타나 있다. 이때 스테레오 비전은 생성된 파가 설정파와 같은지를 지속적으로 모니터링 하여 설정한 값과 생성된 파가 같은지를 지속적으로 확인하였다.
스냅샷의 비교에서 알 수 있듯이 해안 절벽에서 파가 부수어지는 형태가 초기 쇄파 장치가 있는 경우 현저히 약해짐을 확인할 수 있다. 정성적 비교를 위해 해안 절벽 전체에 가해지는 파에 의한 압력을 측정하였다. Fig.
조파기는 삼각형의 조파장치을 상하로 움직여 파를 생성하며, 조파장치는 서보모터를 이용하여 제어된다. 조파장치에 의해 생성된 파는 인공절벽으로 가정된 수조의 끝단을 향해 움직이며, 인공절벽에 다다르기 전 해저면에 장치된 초기 쇄파 장치에 의해 초기 파쇄 되어 소산될 수 있도록 설정하였다. 여기서 스테레오 비전 장치는 조파기에 입력된 값과 실제 재현 값이 일치하는지를 실시간으로 검증하는 용도로 사용되었다.
조파장치의 검증을 위해 특정 위치에 구 형태의 부유체를 두고 파를 재현하였다. 파의 운동에 의해 부유체는 상하로 움직인다.

대상 데이터

MPS법은 완전 라그란지안법을 따르면서 압력해법에 포아송 방정식을 사용한 완전 음해법을 사용하기 때문에 격렬한 자유표면 운동이 있는 경우에 높은 정확도를 보이기 때문에 사용하였다. 또한 수치 시뮬레이션의 경우 조파기를 실험에서 사용한 상하동요 조파기가 아닌 전후동요 조파기를 사용하였다. 이는 상하동요 조파기를 수치적으로 실행하였을 시 간극에서 발생할 수 있는 수치적 오차를 줄이기 위함이다.
3 에 나타난 것과 같이 2개의 비전 카메라를 설치하고 측정값을 컴퓨터로 보내어 계산을 하도록 설정하였다. 조파기에서 생성한 파는 각각 파고 10mm, 30mm, 50mm로 설정하였으며, 스테레오 비전 시스템을 통한 부유체 상하 운동의 10초간의 평균값은 Table 1에 나타나있다. 이를 통해 조파기의 생성파와 측정파는 잘 일치함을 알 수 있다.

데이터처리

실험으로 확인한 사항에 대해서 수치 시뮬레이션을 추가 실행하여 2차 검증을 시도하였다. 수치 시뮬레이션 기법은 앞서 설명한 입자법 중 하나인 MPS법을 사용하였다.

이론/모형

수치 시뮬레이션 기법은 앞서 설명한 입자법 중 하나인 MPS법을 사용하였다. MPS법은 완전 라그란지안법을 따르면서 압력해법에 포아송 방정식을 사용한 완전 음해법을 사용하기 때문에 격렬한 자유표면 운동이 있는 경우에 높은 정확도를 보이기 때문에 사용하였다. 또한 수치 시뮬레이션의 경우 조파기를 실험에서 사용한 상하동요 조파기가 아닌 전후동요 조파기를 사용하였다.
MPS법의 지배방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식으로써 그 식은 다음과 같다.
[1] 해양파의 쇄파 등에 의한 강한 난류 발생이 미치는 영향또한 실험 및 수치시뮬레이션을 통해 난류의 영향에 의한 해저면 변형이 연구되었다.[2] 입자법을 이용한 자유표면 연구로는 [3,4]에서 Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)법을 이용하여 파의 표면력 및 충격량에 대한 연구가 이루어졌다. 입자법 중 Moving Particle Semi-implicit법을 이용한 쳐오름파의 수치적 해석은 [5]를 통해 연구되었다.
본 연구에서는 수치 시뮬레이션 기법으로 Moving Particle Semi-Implicit(MPS)법을 사용하였다. MPS법은 [10]에서 처음 제안되었다.
실험으로 확인한 사항에 대해서 수치 시뮬레이션을 추가 실행하여 2차 검증을 시도하였다. 수치 시뮬레이션 기법은 앞서 설명한 입자법 중 하나인 MPS법을 사용하였다. MPS법은 완전 라그란지안법을 따르면서 압력해법에 포아송 방정식을 사용한 완전 음해법을 사용하기 때문에 격렬한 자유표면 운동이 있는 경우에 높은 정확도를 보이기 때문에 사용하였다.
[2] 입자법을 이용한 자유표면 연구로는 [3,4]에서 Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)법을 이용하여 파의 표면력 및 충격량에 대한 연구가 이루어졌다. 입자법 중 Moving Particle Semi-implicit법을 이용한 쳐오름파의 수치적 해석은 [5]를 통해 연구되었다. 사물인식 기법에 관한 연구는 [6]에서 음향 정보 분석을 통한 사물의 속력 측정 방식에 대해 연구를 수행하였고, [7]에서는 퍼지 융합 등식 제약식을 이용한 선형계획법 문제를 연구하였다.
초기 쇄파 장치의 효과를 입증하기 위해 스테레오 비젼을 활용한 실험적 방법과 MPS법을 이용한 수치해석적 방법을 이용하였다. 두 경우 모두 조파기에서 생성된 파가 인공절벽에 충돌한 후 인공절벽을 넘어서 유입된 해수의 양의 비교를 통해 초기 쇄파 장치의 효과를 입증하였다.

성능/효과

4는 시뮬레이션 결과에 관한 특정 시간에서의 스냅샷이다. 스냅샷의 비교에서 알 수 있듯이 해안 절벽에서 파가 부수어지는 형태가 초기 쇄파 장치가 있는 경우 현저히 약해짐을 확인할 수 있다. 정성적 비교를 위해 해안 절벽 전체에 가해지는 파에 의한 압력을 측정하였다.
실험을 통해 초기 쇄파 장치가 0도 일 경우 가장 많은 양의 물이 해안절벽을 넘어 왔으며, 30일 경우 가장 작게 나왔다. 초기 쇄파 장치 위치에 따른 효과를 확인하기 위해 장치를 조파기 방향으로 약 100mm 이동시킨 경우[Case 30(2)] 107mm의 물이 넘어오는 것을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서는 초기 개념적 설계 및 초기 쇄파 장치의 효과에 대해서만 연구를 수행하였기 때문에, 초기 쇄파 장치의 정확한 제원 및 작동 원리는 고려하지 않았다. 그러나 본 연구에서의 결과를 통한 초기 쇄파 장치의 효과를 통해 향후 초기 쇄파 장치의 제원 및 구동 방식에 대한 연구를 수행하여 보다 안전한 환경 조성 및 환경의 피해 없는 인공 구조물 건설의 기반이 될 것으로 사료된다.
본 연구에서는 초기 개념적 설계 및 초기 쇄파 장치의 효과에 대해서만 연구를 수행하였기 때문에, 초기 쇄파 장치의 정확한 제원 및 작동 원리는 고려하지 않았다. 그러나 본 연구에서의 결과를 통한 초기 쇄파 장치의 효과를 통해 향후 초기 쇄파 장치의 제원 및 구동 방식에 대한 연구를 수행하여 보다 안전한 환경 조성 및 환경의 피해 없는 인공 구조물 건설의 기반이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테레오 비전이란 무엇인가?	스테레오 비전은 2개의 카메라로부터 3차원 정보를 받아 처리하는 기술이다. 이때 정보는 일반적으로 RGB(Red-Green-Blue)의 색상정보이다.
	태풍 및 해일의 피해를 막기 위한 예방책에는 무엇이 있는가?	이러한 태풍 및 해일은 큰 해양파를 동반하여 해양파의 범람 및 충격으로 인해 피해가 발생한다. 이러한 피해를 막기 위한 예방책으로는 방파제와 같은 고정식 인공 구조물을 이용하며, 인공 절벽도 이에 해당한다. 그러나 고정식 인공 구조물은 높은 공사비용과 유지비용이 소모되며, 이로 인한 환경의 파괴가 동반되어 건설에 많은 고려사항이 발생한다.
	고정식 방파시설의 단점은 무엇인가?	해안 영역에서의 해수의 범람은 재산 및 인명피해를 야기한다. 이러한 피해를 최소화 하고자 방파시설을 설치하지만, 고정식 방파시설의 경우, 변화하는 해상상태에 대응할 수 없으며, 과도한 설정에 의한 설치는 환경적 피해를 일으킨다. 본 연구에서는 환경적 피해를 줄이고 선박의 항행에 지장이 없는 가변식 초기 쇄파 장치에 대한 연구를 실험적 방법과 입자법을 이용한 수치 해석적 방법으로 연구하였다.

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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].

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