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)

서지정보

· 발행기관 : 대한토목학회
· 수록지 정보 : 대한토목학회논문집(국문) / 43권 / 5호 / 587 ~ 599페이지
· 저자명 : 최현진, 이송희, 우현아, 노성진

초록

기후변화로 인해 전 세계 주요 도시에서 홍수의 빈도와 위험성이 증가함에 따라, 도시 침수에 대비한 선제적 대응을 위해 넓은 공간 영역에서 고 해상도 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 연산 성능을 평가하였다. 연구 결과, WCA2D 모형에 의한 최대 침수심 분포는 과거 침수피해지도와 유사하게 모의되어, 복잡한 지형 특성을 가지는 도시 유역 침수의 시공간적 변화를 해석하기에 적절함을 확인하였다. 또한, 병렬계산 적용 시 순차계산 버전에 비해 OpenCL과 OpenMP는 약 8배~14배, 5배~6배 연산 효율이 향상되어 효율적인 도시 침수 모의가 가능하였다.

영어초록

As climate change increases the frequency and risk of flooding in major cities around the world, the importance of simulation technology that can quickly and accurately analyze high-resolution 2D flooding information in large-scale areas is 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 of flooding using transition rules and weight-based system, and assessed feasibility to simulate pluvial flooding in the urban catchment, the Oncheon-cheon catchment in Busan, South Korea. In addition, the computation performance was compared by applying versions using Open Computing Language (OpenCL) and Open Multi-Processing (OpenMP) parallel computing techniques. Simulation results showed that the maximum inundation depth map by the WCA2D model can similarly 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, the OpenCL and OpenMP, improved the computation by about 8~14 and 5~6 folds respectively, compared to the sequential computation.

참고자료

· 없음