[논문]셀룰러 오토마타 기반 WCA2D 모형을 이용한 부산 온천천 유역 고해상도 도시 침수 해석

최현진; 이송희; 우현아; 노성진

doi:10.12652/ksce.2023.43.5.0587

[국내논문] 셀룰러 오토마타 기반 WCA2D 모형을 이용한 부산 온천천 유역 고해상도 도시 침수 해석
High-resolution Urban Flood Modeling using Cellular Automata-based WCA2D in the Oncheon-cheon Catchment in Busan, South Korea 원문보기

KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research = 대한토목학회논문집, v.43 no.5, 2023년, pp.587 - 599

최현진 (금오공과대학교 대학원 토목공학과) , 이송희 (금오공과대학교 대학원 토목공학과) , 우현아 (금오공과대학교 대학원 토목공학과) , 노성진 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

기후변화로 인해 전 세계 주요 도시에서 홍수의 빈도와 위험성이 증가함에 따라, 도시 침수에 대비한 선제적 대응을 위해 넓은 공간 영역에서 고해상도 2차원 침수 정보를 신속하고 정확하게 해석할 수 있는 모의 기술의 중요성이 대두되고 있다. 기존의 천수 방정식(shallow water equations)에 기반한 물리적 해석 방법은 고해상도 침수 예측을 위해 많은 컴퓨터 자원과 계산 시간이 소요되는 한계가 있다. 본 연구는 전환 규칙과 가중치 기반 시스템을 사용하여 침수의 시공간 변화를 모의하는 셀룰러 오토마타(cellular automata) 기반 2차원 침수 해석 모형 Weighted Cellular Automata 2D (WCA2D)의 이론적 배경을 고찰하고, 부산 온천천 유역의 침수 사상 모의를 통해 재현하여 국내 도시 유역에 대한 적용성을 검토하였다. 또한, Open Computing Language (OpenCL)와 Open Multi-Processing (OpenMP)과 같은 병렬계산(parallel computing)기술을 적용한 버전을 순차계산(sequential computing)결과와 비교하여 연산성능을 평가 하였다. 연구결과, WCA2D 모형에 의한 최대 침수심 분포는 과거침수 피해지도와 유사하게 모의되어, 복잡한 지형특성을 가지는 도시유역 침수의 시공간적 변화를 해석하기에 적절함을 확인하였다. 또한,병렬 계산 적용시 순차 계산 버전에 비해 OpenCL과 OpenMP는 약8배~14배, 5배~6배 연산 효율이 향상되어 효율적인 도시 침수 모의가 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As climate change increasesthe frequency and risk of flooding in major cities around theworld, the importance ofsimulation technology that can quickly and accurately analyze high-resolution 2D flooding information in large-scale areasis emerging. The physically-based approaches based on the Shallow Water Equations (SWE) often requires huge computer resources hindering high-resolution flood prediction. This study investigated the theoretical background of Weighted Cellular Automata 2D (WCA2D), which simulates spatio-temporal changes offlooding using transition rules and weight-based system, and assessed feasibility to simulate pluvial flooding in the urbancatchment, theOncheon-cheon catchmentinBusan, SouthKorea.Inaddition,the computation performancewas compared by applying versions using OpenComputing Language (OpenCL) andOpenMulti-Processing (OpenMP) parallel computing techniques. Simulationresultsshowed that the maximuminundation depthmap by theWCA2Dmodel cansimilarly reproduce historical inundation maps. Also, it can precisely simulate spatio-temporal changes of flooding extent in the urban catchment with complex topographic characteristics. For computation efficiency, parallel computing schemes, theOpenCLandOpenMP, improved the computation by about 8~14 and 5~6 folds respectively, compared to the sequential computation.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Example of Intercellular-Volume Computation (Adapted from Guidolin et al. (2016)).
그림 Fig. 2. Study Area Map (Google Map)
그림 Fig. 3. Photo of Damaged Area: (a) Pusan National Univ. Station on August 25, 2014, (b) Gwajeong Intersection on July 23, 2020 (Sources:(a) Twitter, (b) Busanilbo)
그림 Fig. 4. DSM of Study Area (10 m×10 m Resolution)
그림 Fig. 5. Observed Rainfall by AWS: (a) August 25, 2014 from 7:00 to 23:00, (b) July 23 to 24, 2020 from 14:00 to 23:00
그림 Fig. 6. Temporal Variation of Simulated Water Depth at the Pusan National Univ. Station on August 25, 2014: (a) 12:00, (b) 13:00, (c) 14:00, (d) 15:00
그림 Fig. 7. Temporal Variation of Simulated Water Depth at the Gwajeong Intersection on July 23-24, 2020: (a) 20:00, (b) 21:00, (c) 22:00, (d) 23:00
그림 Fig. 8. Temporal Variation of Simulated Water Depth with Rainfall Events: (a) Pusan National Univ. Station (August 25, 2014), (b) Gwajeong Intersection (July23-24, 2020)
그림 Fig. 9. Comparison of Maximum Inundation Extent between Historical Map (left) and WCA2D Simulation (right): (a) August 25, 2014, (b) July 23-24, 2020
그림 Fig. 10. Comparison of Simulated Maximum Inundation Extent with Varying Elevation Adjustment for Road Cells: (a) 0.5 m (b) 1 m
표 Table 1. Comparison of Run Time and Computation Efficiency

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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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