[논문]현장 지진조기경보시스템의 설계 및 성능평가 방법

최훈

doi:10.6109/jkiice.2020.24.2.179

현장 지진조기경보시스템의 설계 및 성능평가 방법
On-Site Earthquake Early Warning System Design and Performance Evaluation Method 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.2, 2020년, pp.179 - 185

최훈 (Department of Electronic Engineering, Dongeui University)

초록
AI-Helper

최근 지진조기경보시스템(EEWS)의 성능 개선과 진앙지 또는 진앙 근처 지역의 지진방재 효과를 보완하기 위해 현장 지진조기경보시스템(On-Site EEWS)의 개발이 시도되고 있다. 지진에 대한 연구 및 관측을 위한 지진관측망을 이용하여 지진 방재에 활용하는 국가 차원의 EEWS와 달리 On-Site EEWS는 지진방재를 목적으로 하므로 성능 및 비용 측면의 효율적인 설계와 평가가 필요하다. 현재 우리나라는 EEWS 뿐만 아니라 On-Site EEWS 개발에 기존 EEWS의 설계 기준 및 평가방법을 사용하는 등 필요한 핵심기술과 운영 노하우가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 지진·화산재해대책법에서 규정하는 지진 가속도계의 요구 사항을 기반으로 On-Site EEWS의 국산화 개발에 필요한 지진 데이터 수집, 데이터 처리 및 분석 부분의 하드웨어 및 소프트웨어적 설계 방향과 성능평가 항목 및 방법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, in order to improve the performance of the Earthquake Early Warning System (EEWS) and to supplement the effects of earthquake disaster prevention in epicenters or near epicenters, development of on-site EEWS has been attempted. Unlike the national EEWS, which is used for earthquake disaster prevention by using seismic observation networks for earthquake research and observation, on-site EEWS aims at earthquake disaster prevention and therefore requires efficient design and evaluation in terms of performance and cost. At present, Korea lacks the necessary core technologies and operational know-how, including the use of existing EEWS design criteria and evaluation methods for the development of On-Site EEWS as well as EEWS. This study proposes hardware and software design directions and performance evaluation items and methods for seismic data collection, data processing, and analysis for localization of On-Site EEWS based on the seismic accelerometer requirements of the Seismic and Volcanic Disaster Response Act.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Overview of earthquake early warning system
그림 Fig. 2 Operational comparison of EEWS and On-Site EEWS
그림 Fig. 3 Overall system configuration of On-Site EEWS
그림 Fig. 4 MEMS acceleration sensor based seismic data acquisition system
그림 Fig. 5 On-Chip RTC registers embedded in Cortex M3
그림 Fig. 6 Data transfer format for On-Site EEWS
그림 Fig. 7 STA/LTA algorithm
표 Table. 1 Key specification for EEWS and On-Site EEWS

AI 본문요약
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문제 정의

SDAS는 MEMS 센서 일체형 시스템이므로 3채널 (EW, NS, UD)에 대해 자료가 정확히 기록되는지 여부 확인한다. 성능평가를 위해 가진 테이블, 전압교정기, 전압표준기 등의 장비가 필요하다.
그러나 이러한 고수준의 시스템 성능은 On-Site EEWS의 구축 및 운영 환경을 고려하였을 때 비효율적이다. 따라서 EEWS에서 요구되는 성능 사양을 참고하여 On-Site EEWS 개발 및 성능 평가에 필요한 최소 요구성능 사항을 표 1과 같이 제시한다. 일반적으로 EEWS는 가속도 센서 및 데이터 기록장치가 분리형으로 각각의 요구성능 및 평가가 이루어져야 하지만 On-Site EEWS의 경우 센서 및 기록계 일체형 시스템이므로 요구성능 및 평가방법을 구분하지 않고 함께 제시하였다.
본 논문은 생활지역의 지진재해를 줄이기 위한 On-Site EEWS의 설계 요구사항과 주요 성능에 대한 평가 항목 및 평가 방법을 제시하였다. On-Site EEWS 설계에서는 GPS 및 RTC를 이용한 취득 데이터의 시각 동기화와 정밀한 시각 관리, 취득데이터의 실시간 처리 및 분석 시 요구사항, 데이터 포맷 및 관리 방법, 전원 설계 등 설계 방향을 설명하였다.
본 연구에서는 지진·화산재해대책법에서 규정하는 지진 가속도계의 요구 사항을 기반으로 On-Site EEWS의 설계 시 요구되는 기능 및 사양과 개발한 시스템의 성능평가 방법을 제시한다. 제시한 내용은 개발하는 On-Site EEWS의 실효성을 확보하는데 목적이 있다.
방법을 제시한다. 제시한 내용은 개발하는 On-Site EEWS의 실효성을 확보하는데 목적이 있다.

제안 방법

SDAS는 MEMS 센서 일체형 시스템이므로 센서 일체형 기록계이므로 기준 가속도 센서 및 데이터 기록 장치와 함께 가진기에 장착하고 100회/초와 20회/초를 설정한 후 5분 동안 측정을 행하여 데이터를 취득한다. 취득된 측정데이터로부터 초당 취득된 자료의 개수의 확인과 각각의 샘플링 속도로 획득한 데이터를 비교하여 동일한 영역에서 같은 특성을 나타내는지 비교한다.
각 성능평가를 위한 데이터를 취득하여 저장할 때 범용 자료구조 형식인 SEED(Standard for the Exchange for Earthquake Data), mini-SEED, SAC 중 하나의 형태로 저장이 가능한지 확인한다.
데이터 획득 블록의 아날로그부의 전원은 별도의 LDO 레귤레이터를 적용하여 분리 설계하여 시스템의 Noise floor를 최대한 저감시켜 90dB이상의 동적 범위 성능을 확보하도록 한다. 또한 각부 사용 전원의 감시/모니터링 기능을 적용하여 전원 이상 유무 시 경보를 발령하여 빠른 조치가 이루어지도록 하는 것이 필요하다.
이때 기준 주파수에서 측정된 감도와의 최대편차가 -3dB 이내인지 확인이 필요하다. 또한 가진(extation) 가능한 범위의 평활화된 주파수 응답 특성을 평가한다.
On-Site EEWS 설계에서는 GPS 및 RTC를 이용한 취득 데이터의 시각 동기화와 정밀한 시각 관리, 취득데이터의 실시간 처리 및 분석 시 요구사항, 데이터 포맷 및 관리 방법, 전원 설계 등 설계 방향을 설명하였다. 또한 설계한 시스템의 성능평가를 위한 평가 항목을 제시하고 각각의 평가 항목의 평가 기준 및 절차, 평가 시험에 필요한 설비를 함께 제시하였다. 본 논문에서 제시한 설계 방향 및 평가 방법은 On-Site EEWS의 국산화 개발 방향과 시스템의 실효성을 확보에 도움이 될 것으로 기대된다.
배경잡음이 매우 낮은 환경에 센서를 장착하고 인공잡음이 낮은 시간대에 배경잡음을 초당 100샘플로 30분 이상 획득하고 이동평균법 또는 다차원 곡선법 등을 이용하여 자료의 평균을 산출 및 측정치에서의 차를 구하여 DC 성분을 보정한다. 디지털 출력을 갖는 MEMS 가속도계를 적용한 On-Site EEWS의 동적범위 계산을 할 경우 방진 테이블에서 자체 잡음을 30분 이상 기록하여 기록 가능한 최대값과 잡음특성에서 100회/초 자료의 RMS(Root Mean Square)값을 다음의 동적범위 계산식 (dB)에 대입하여 계산한다.
수집된 데이터의 실시간 처리, 전체 시스템의 제어 및 관리, 데이터 저장, 통신 등의 주요 기능을 수행하는 모듈로서 FSMC, DMA, Timer/counter, RTC, UART, SPI, I2C, GPIO 등의 주요 기능 구현과 오버샘플링, 리샘플링, 디지털 필터링과 같은 다양한 데이터 처리, 그리고 지진 이벤트 발생 시 P파 검출 알고리즘(P-wave Triggering algorithm) 수행과 최대 지반 가속도(PGA; peak ground acceleration) 및 계기진도(instrumental seismic intensity), 변위(displacement) 산출 등의 실시간 분석이 가능한 고속 프로세서를 선택해야 한다. On-Site EEWS의 실시간 데이터 처리 및 분석을 위해서는 ARM7기반의 CortexM3나 72 DMIPS의 고속 연산 처리능력을 갖는 32bit MCU를 적용하는 것이 필요하다.
그림 4는 SDAS 시스템의 설계 예시이다. 지진 발생에 따른 건물 또는 시설물 피해를 확인하기 위한 지진 데이터는 3축 방향(EW, NS, UD)의 가속도 데이터를 사용하므로 On-Site EEWS를 위한 SDAS 설계를 위해 3축 MEMS 가속도 센서(3-axis accelerometer)를 사용한다. 국가 지진관측망에서는 고품질의 지진 데이터를 확보하기 위해 높은 비용의 힘평형 가속도 센서(Force valanced acclerometer)을 사용하는 반면, 생활지역에 구축되는 On-Site EEWS 는 인간 활동에 의해 발생하는 높은 수준의 생활 배경 잡음으로 인해 고성능 힘평형 가속도 센서 대신 저비용의 MEMS 가속도 센서를 사용하게 된다.
취득된 측정데이터로부터 초당 취득된 자료의 개수의 확인과 각각의 샘플링 속도로 획득한 데이터를 비교하여 동일한 영역에서 같은 특성을 나타내는지 비교한다. 성능평가를 위해 기준 가속도계, 데이터 기록장치, 가진 테이블이 필요하다.
성능평가를 위한 필요 장비는 가진 테이블(excitation table), 데이터 기록장치, 기준 가속도계이다. 평가방법으로 SDAS를 가진 테이블에 장착한 후 0.5 ~ 50Hz까지 5개 이상의 주파수로 가진하여 기준 센서와의 차이를 측정한다. 이때 기준 주파수에서 측정된 감도와의 최대편차가 -3dB 이내인지 확인이 필요하다.

후속연구

또한 설계한 시스템의 성능평가를 위한 평가 항목을 제시하고 각각의 평가 항목의 평가 기준 및 절차, 평가 시험에 필요한 설비를 함께 제시하였다. 본 논문에서 제시한 설계 방향 및 평가 방법은 On-Site EEWS의 국산화 개발 방향과 시스템의 실효성을 확보에 도움이 될 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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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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