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과제기본정보

도로분해능 해상도의 태양복사-노면온도-수막두께 정보를 연계한 도로결빙 시공간 예보시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C157871-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 도로분해능 해상도의 태양복사-노면온도-수막두께 정보를 연계한 도로결빙 시공간 예보시스템 개발
주관연구기관 한국외국어대학교 연구산학협력단
총괄연구 책임자 성명 이채연
소속 한국외국어대학교 연구산학협력단 직위 책임연구원
전화번호 02-2173-2055 FAX 02-2173-3353
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2021-01-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 12,000,000 60,000,000 72,000,000 282,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 - [개념] 겨울철 국지적 기상의 시공간적 변동에 따라, 도로 노면에 영향을 줄 수 있는 기상·도로환경의 위험요소에 대한 대응력을 높이기 위한 도로분해능 해상도의 도로기하, 음영, 열, 수막의 공간정보를 융합하여 실시간으로 예측하는 모델을 개발
- [방법] 기상청의 예보자료로부터 국지적 환경요소를 적용하여 기계학습기법으로 상세규모 예보자료로 산출하고, 도로단위의 기상자료로 할당함. 도로기하구조를 기본으로 하여, 복사플럭스와 노면온도모델과의 연계, 강수량과 노면수막모델과의 연계를 통해 결합하고 도로의 상태(건조, 습윤, 젖음, 결빙)를 판별, 그 중 결빙 발생지역, 발생·종료시간 정보를 과학적 방법으로 예측함
- [효과] 국지적 상세성이 반영된 도로결빙 예보시스템의 활용으로 도로 관리자, 이용자에게 과학적 정보를 제공하여 도로결빙 대응정보 서비스를 강화함
최종목표 ㅇ 도로분해능 해상도의 태양복사-노면온도-수막두께정보를 연계한 도로결빙 시공간 예보시스템 개발
1) 태양복사-노면수막-도로기하구조를 연계한 도로분해능 해상도 노면온도예측모델
ㅇ 도로분해능 해상도의 노면온도예측 모델링을 위한 최신 GIS DB 구축
ㅇ 결빙위험 대상지역의 수치모델 입력자료 실시간 수집모듈 개발
ㅇ 도로분해능 태양복사모델(SOLWEIG) 복사플럭스 산출체계 구축
ㅇ 열수지기반 노면온도예측모델의 노면온도 산출체계 구축
ㅇ 도로 수막정보예측모델 구축과 수막두께정보 산출
2) 잠재적 도로결빙조건을 고려한 도로결빙 시공간 예보 시스템
ㅇ 도로 노면결빙 기상 지형 기하구조 조건별 영향인자 분석
ㅇ 도로결빙판단 알고리즘 개발
ㅇ 도로결빙 시공간예측 자동화 시스템 구축
연구내용 및 범위 ① 연구내용
ㅇ도로분해능 태양복사모델과 노면온도예측모델 연계구축
ㅇ도로 노면결빙 영향인자 분석 및 예측 알고리즘 개발
ㅇ도로 노면결빙 예보 시스템 설계
ㅇ도로분해능 노면온도 및 수막두께 예측모델 검증과 실시간 운영체계 구축
ㅇ도로 노면결빙 예보 시스템 개발

② 세부 내용 및 범위
ㅇ 도로분해능 해상도의 노면온도예측 모델링을 위한 최신 GIS DB 구축
· 국토지리정보원 수치지형도, 환경부 토지피복분류도, 산림청 임상도, 수치도로망도 자료 구축하여 모델입력 좌표체계 구축
· 지형고도, 건물고도, 식생(나무)높이, 토지이용, 도로기하, 지층구조 수치공간화하며, 도로분해 가능한 1~10m 공간해상도로 산출
· 구축한 수치공간자료를 이용하여 에너지 플럭스와 관련된 천개지수, 구조물높이, 그림자 등 3차원 도시환경변수 산출
ㅇ 결빙위험 대상지역의 수치모델 입력자료 실시간 수집모듈 개발
· 선정된 결빙위험지역 내 지상 기상관측 및 실황자료를 기상청 open-API를 이용하여 실시간 수집체계를 구축
· 노면온도의 사전예측을 위한 기상예측자료(동네예보 5km 해상도) 실시간 수집구축
· 기상요소별 필요자료 추출 및 입력형태를 변환하여 모델에 입력될 수 있는 형태로의 변환 자료 생성
· 대상지역의 교통량, 차량속도자료 등 교통정보의 통계자료 구축하여 입력정보로 활용
ㅇ 도로분해능 태양복사모델(SOLWEIG) 복사플럭스 산출체계 구축
· 동네예보기반 5km 해상도 기상요소(기온, 습도, 풍속, 일사)를 1km 해상도로 상세화하는 모듈을 개발
· 상세화된 1km 격자기반 기상요소를 대상지 도로단위로 할당하는 모듈을 개발
· 도로단위로 할당된 기상요소를 태양복사모델에 입력하여 상세 지형, 경사, 높이, 그림자 등이 반영된 단파·장파 복사플럭스 등을 산출하도록 전송·운영체계를 구축
ㅇ 열수지기반 노면온도예측모델의 노면온도 산출체계 구축
· 태양복사모델(SOLWEIG)의 출력물로 산출된 복사플럭스 자료를 노면온도예측모델에 입력하는 형태로 모듈을 개발
· 노면온도예측모델의 열수지 물리과정에 사용되는 지중전도열, 순복사량(하향단파플럭스, 순장파복사플럭스), 현열(기온, 풍속), 잠열(기온, 풍속, 상대습도), 타이어 마찰열, 차량 복사열, 차량유발 현열 등 물리변수를 산출
· 상세 도로단위에서의 시공간적 노면온도예측정보를 산출
ㅇ 태양복사모델과 노면온도예측모델 커플링기술 개발
· 대상지역 수치적·물리적 모델링 요소들을 체계화하고 상세성 및 정확성을 반영할 수 있는 커플링기술을 개발
· 태양복사모델(SOLWEIG)에서 산출하는 고해상도 복사량자료, 지표온도자료를 입력자료로 사용하여 물리과정에 반영
· 도로마스킹을 통해 격자형식을 포인트형식으로 환산하는 계산방식 적용
ㅇ 도로 수막정보예측모델 구축과 수막두께정보 산출
· 도로 노면의 결빙판단에 활용하기 위한 수막두께예측모델 구축
· 도로 횡단·평면·종단 면 및 경사 등의 기하구조 자료를 구축하여 수막예측모델의 입력정보로 활용하고 수막발생 위치 선정에 기본자료로 사용
· 기상청 AWS 및 RADAR 자료를 활용한 도로단위 강우자료 산출
· 수막두께정보를 산출하여 결빙판단 알고리즘에 연계
ㅇ 도로 노면결빙 영향인자 분석 및 예측 알고리즘 개발
· 도로 노면결빙 기상·지형·기하구조 조건별 영향인자 검토
· 영향인자별 노면결빙 판단기준 정립
· 노면결빙 예측 알고리즘 개발 및 영향인자별 적용모델 연계방안 도출
ㅇ 노면결빙 예측모형 검증을 위한 테스트베드 구간 선정 및 측정장비 구축
· 노면결빙 영향인자를 고려한 테스트베드 후보구간 선정
· 현장 기상자료(기온, 노면온도, 풍속, 노면상태 등) 실측을 위한 장비 구축
· 겨울철 테스트베드 구간 기상정보 및 노면상태 측정
ㅇ 입력자료 구축 자동화 설계
· 입력자료의 Open Api Raster data, csv, raster data 등 수집
· 일정시간 간격 자동 수집 및 업데이트
ㅇ 노면온도 및 수막두께 예측모델 체계 검증
· 수집된 기상관측·실황자료 분석을 통한 극한기상 사례일 및 사례지역 선정
· 대상지 복사플럭스 등 측정자료를 활용한 태양복사모델의 산출자료 검증
· 노면온도 등 측정자료를 활용한 노면온도예측결과 검증지수 산출과 개선사항 도출
· 강우사례일 수막두께 예측결과 검증지수 산출
ㅇ 노면온도예측모델 연계체계 개선과 실시간 운영체계 구축
· 검증결과 활용한 개선사항 반영 및 검증지수 재산출
· 입력/출력 실시간 자동화 알고리즘 구축
· 도로분해능 노면온도정보의 결빙예측 알고리즘 연계체계 구축
ㅇ 도로 노면결빙 예보 시스템 설계
ㅇ 도로결빙 예보 시스템 개발
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 - 주관연구기관(한국외국어대학교)
도로분해능 태양복사모델과 노면온도예측모델 연계구축
- 공동연구기관((주)평화엔지니어링):
도로 노면결빙 영향인자 분석 및 예측 알고리즘 개발
도로 노면결빙 예보 시스템 설계
ㅇ 도로분해능 해상도의 노면온도예측 모델링을 위한 최신 GIS DB 구축
· 국토지리정보원 수치지형도, 환경부 토지피복분류도, 산림청 임상도, 수치도로망도 자료 구축하여 모델입력 좌표체계 구축
· 지형고도, 건물고도, 식생(나무)높이, 토지이용, 도로기하, 지층구조 수치공간화하며, 도로분해 가능한 1~10m 공간해상도로 산출
· 구축한 수치공간자료를 이용하여 에너지 플럭스와 관련된 천개지수, 구조물높이, 그림자 등 3차원 도시환경변수 산출
ㅇ 결빙위험 대상지역의 수치모델 입력자료 실시간 수집모듈 개발
· 선정된 결빙위험지역 내 지상 기상관측 및 실황자료를 기상청 open-API를 이용하여 실시간 수집체계를 구축
· 노면온도의 사전예측을 위한 기상예측자료(동네예보 5km 해상도) 실시간 수집구축
· 기상요소별 필요자료 추출 및 입력형태를 변환하여 모델에 입력될 수 있는 형태로의 변환 자료 생성
· 대상지역의 교통량, 차량속도자료 등 교통정보의 통계자료 구축하여 입력정보로 활용
ㅇ 도로분해능 태양복사모델(SOLWEIG) 복사플럭스 산출체계 구축
· 동네예보기반 5km 해상도 기상요소(기온, 습도, 풍속, 일사)를 1km 해상도로 상세화하는 모듈을 개발
· 상세화된 1km 격자기반 기상요소를 대상지 도로단위로 할당하는 모듈을 개발
· 도로단위로 할당된 기상요소를 태양복사모델에 입력하여 상세 지형, 경사, 높이, 그림자 등이 반영된 단파·장파 복사플럭스 등을 산출하도록 전송·운영체계를 구축
ㅇ 열수지기반 노면온도예측모델의 노면온도 산출체계 구축
· 태양복사모델(SOLWEIG)의 출력물로 산출된 복사플럭스 자료를 노면온도예측모델에 입력하는 형태로 모듈을 개발
· 노면온도예측모델의 열수지 물리과정에 사용되는 지중전도열, 순복사량(하향단파플럭스, 순장파복사플럭스), 현열(기온, 풍속), 잠열(기온, 풍속, 상대습도), 타이어 마찰열, 차량 복사열, 차량유발 현열 등 물리변수를 산출
· 상세 도로단위에서의 시공간적 노면온도예측정보를 산출
ㅇ 태양복사모델과 노면온도예측모델 커플링기술 개발
· 대상지역 수치적·물리적 모델링 요소들을 체계화하고 상세성 및 정확성을 반영할 수 있는 커플링기술을 개발
· 태양복사모델(SOLWEIG)에서 산출하는 고해상도 복사량자료, 지표온도자료를 입력자료로 사용하여 물리과정에 반영
· 도로마스킹을 통해 격자형식을 포인트형식으로 환산하는 계산방식 적용
ㅇ 도로 수막정보예측모델 구축과 수막두께정보 산출
· 도로 노면의 결빙판단에 활용하기 위한 수막두께예측모델 구축
· 도로 횡단·평면·종단 면 및 경사 등의 기하구조 자료를 구축하여 수막예측모델의 입력정보로 활용하고 수막발생 위치 선정에 기본자료로 사용
· 기상청 AWS 및 RADAR 자료를 활용한 도로단위 강우자료 산출
· 수막두께정보를 산출하여 결빙판단 알고리즘에 연계
ㅇ 도로 노면결빙 영향인자 분석 및 예측 알고리즘 개발
· 도로 노면결빙 기상·지형·기하구조 조건별 영향인자 검토
· 영향인자별 노면결빙 판단기준 정립
· 노면결빙 예측 알고리즘 개발 및 영향인자별 적용모델 연계방안 도출
ㅇ 노면결빙 예측모형 검증을 위한 테스트베드 구간 선정 및 측정장비 구축
· 노면결빙 영향인자를 고려한 테스트베드 후보구간 선정
· 현장 기상자료(기온, 노면온도, 풍속, 노면상태 등) 실측을 위한 장비 구축
· 겨울철 테스트베드 구간 기상정보 및 노면상태 측정
ㅇ 입력자료 구축 자동화 설계
· 입력자료의 Open Api Raster data, csv, raster data 등 수집
· 일정시간 간격 자동 수집 및 업데이트
연구성과 기술적 기대성과 - 기상·기후의 1~10m 해상도 수준의 국지적 기상정보 상세화 기술 확보
- 강수·강설 등에 따른 도로 수막정보, 도로 주변 환경을 고려한 지형정도 등을 고려한 노면온도·수막예측 모델 개발기술 확보
- 기존 도로의 잠재적 위험 구간에 대한 개선 및 신규 도로 설계시 결빙 구간 최소화 설계 기술 확보
- 지자체 및 도로관치청 등 관리자 수준 맞춤형 겨울철 결빙 예보 시스템 구축 가능
사회 경제적 파급효과 - 객관적인 예측을 통해 결빙 유무판단으로 겨울철 도로관리청의 인력 및 제설제 과살포 등 인적 오류 및 예산 절감
- 기상·기후 및 교통정보 등의 융합을 통해 보다 진보적인 기술 적용으로 도로교통 산업기술 발달에 기여
- 경험적 판단의 제설작업으로 인한 인적 오류 최소화 및 도로결빙으로 인한 교통사고감소, 사망자 및 부상자 최소화 등 교통사고로 인한 사회적 피해 저감
- 겨울철 도로의 잠재적 위험 구간 해소 등 도로교통 안전도 향상
- 도로결빙 대응 사회적·국민적 수요에 융합기술서비스를 활용
활용방안 ○ 기존 노면온도 예측모델 및 예보시스템 대비 해상도 및 정확도 향상 기술 확보
○ 국내외 도로경빙 상습 ? 취약구간의 사고 예방 및 관리 등 통일된 대응체계 구축 및 시스탬 기술 확보
○ 겨울철 도로결빙 상습 ? 취약구간 안전시설 적정 설치 위치 및 기준 마련 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 도로결빙 노면온도 노면상태 수막두께 결빙예보
영문 road-freezing Road Surface Temperature Road Surface Characteristics water depth road-freezing time forecasting
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