핵심기술 중 가장 중요한 부이관련 기술분석을 제시하고 관측항목에 따른 센서 등의 기술은 부록에 기술하였음.
가. 자동 관측 부이시스템의 구성
자동 관측 부이시스템의 구성은 센서부, 원격통신부, 관측 제어부, 전원부 및 계류부 (부이 hull)로 구분할 수 있다.
(1) 센서부
자동 관측 부이시스템의 센서는 대기 관측용 기상센서와 해류계, 수심별 CT센서 또는 CTD 등의 수중관측센서로 구분한다.
(가) 기상센서
기상센서는 풍향∙풍속센서, 대기온도센서, 습도센서, 기압센서, 강수량센서, 일사센서, 일조센서 및 시정안개센서가 있으며 특히 현장의 특수성을 고려하여 풍향∙풍속센서, 대 기온도센서, 습도센서 및 기압센서는 Dual로 설치, 상호 센서간 비교 보정한다.
(나) 수중관측센서
수중관측센서는 해류계, CT센서, CTD, DO센서 및 기타 Optical 센서(PAR, Transmissometer, Fluorometer등)로 구분하며 수심별로 센서를 추가 설치한다. 수중관측 센서의 관측자료는 Inductive Modem을 이용, 부이 hull과 전기적 절연상태로 유지하여 고 장발생시 다른 센서가 영향을 받지 않도록 한다. 또한 Acoustic Modem을 이용, 기존 계 류라인에 의존하지 않고 독자적으로 수중관측센서를 운용할 수 있다.
(2) 원격통신부
원격통신부는 자료를 실시간으로 송신, 육상에 관측자료를 제공하며, 각 센서부를 실시간으로 점검할 수 있다. 원격통신모뎀은 Dual로 설치, 안정정적으로 현장과 원격통신이 이루어지도록 한다.
(3) 시스템 계측제어부
시스템 계측제어부는 각 센서의 Integration과 그 관측자료를 처리, raw data 저장, 실 시간 원격통신부의 제어, 충전 배터리 및 관측기기의 감시 등 자동 관측 부이시스템을 총괄 제어한다. 또한, 현장에서 자동 관측 부이시스템의 유지보수 및 관측기기의 교체 등 이 용이하도록 설계되어야 한다.
(4) 전원부
자동 관측 부이시스템의 관측센서와 통신모뎀 및 관측 제어부의 전원부는 극소전류를 소모하도록 설계 및 선정하여야 하며, 모든 기기는 원격으로 구동되기 때문에 시스템의 전원관리는 장기간 안정적으로 동작하기 위한 선결조건이 된다.
전원부는 태양광 발전기, 풍력발전기, 충전제어부 및 배터리 등으로 구성된다. 태양광 과 풍력을 연계시켜 주간에는 태양광 발전과 풍력발전을 사용하고 밤에는 풍력발전을 사 용하여 전원에 의한 문제점을 감소시킨다. 충방전 효율이 높고 수명이 긴 deep cycle
도록 한다. 각 배터리의 충전상태 및 발전상태를 원격으로 감시할 수 있도록 설계한다.
(5) 계류부 및 부이 hull
계류는 I type으로 설계하고 계류라인에는 Weight와 Acoustic Release (Dual), 수중부이 및 샤클 등으로 표층의 관측 부이시스템에 연결된다. 계류라인에 장착된 수중관측센서의 관측자료는 Inductive Modem을 이용하여 부이 hull에서 관측자료를 받을 수 있다. 공기중 에 장착될 기상센서 및 안테나등은 파도에 영향을 받지 않도록 표층수로부터 가급적 높 게 설치하고 방수 및 부식에 대비한다.
나. 자동 관측 부이시스템의 종류
자동 관측 부이시스템은 기상센서, 시스템 계측제어부, 전원부 및 위성 원격통신부가 위치한 표층 관측부이와 수중관측센서와 계류 부속물이 있는 수중관측부로 구분한다.
(1) 표층 관측부이
표층 관측부이의 hull 형태(그림 23)는 수중 투하 장소, 관측항목 및 수심에 따라 달라 진다. 표층 관측부이 외형은 원반형(그림 24)이 대부분이며 부이 hull 내에는 시스템 계측 제어부, 배터리 전원제어부 및 원격통신제어부 등이 내장된다. 상단부 구조물은 기상센 서, 태양광 및 풍력발전기, 위성 통신 안테나가 설치되어 있고(그림 25, 그림 26), 부이 하 단부는 수중관측센서용 계류라인이 관측부이를 잡고 정점을 유지하고 있는 형태가 된다.
그림 23. NDBC의 계류 부이 프로그램(NOAA).
그림 24. 3-m 직경 Discus 부이(NOAA).
그림 25. TRITON 부이와 기상 관측 센서(JAMSTEC).
그림 26. TRITON 표층 뜰개 개요도.
(2) 수중관측시스템
수중관측시스템은 관심대상 수심층에 수중관측기기(해류계, CTD 등)를 계류하여 자료 를 취득하며 시스템 계류방법은 수중관측기기의 데이터를 장기간 또는 실시간 취득 방법 에 따라 표층계류와 수중계류 등으로 발전되었다 (그림 27, 그림 28). Moored Profiler는 계류라인에 기기를 장착하는 대신, 하나의 Moored Profiler에 해류계와 CTD를 실장한 후 수중 모터를 이용, 설계 관측수심의 계류라인을 상하 이동시켜 자료를 실시간 전송이 가 능하도록 고안된 부이스템으로 Moored Profiler의 배터리가 수명을 좌우한다 (그림 29).
그림 27. TRITON 계류 시스템 (JAMSTEC).
그림28. 표준 아표층 계류선 (WHOI).
그림 29. Woods Hole 계류 프로파일러 시스템 (WHOI).
또한 수심별 수중 계류라인에 장착된 각 관측기기의 데이터를 동일 정점에서 장기간 안 정적으로 취득하기 위한 방법으로 Ultramoor Mooring이 고안되었다. Data Capsule은 각 관측기기의 데이터를 수중통신(Acoustic RX & TX)을 통하여 자체 메모리에 저장되며 약 6개월에 한번씩 수면으로 부상, 인공위성을 통하여 육상에 관측자료를 보내게 된다. Data Capsule은 총 10개까지 부착이 가능하고 총 5년 동안 계류가 가능하다(그림 30).
그림 30. Ultramoor 계류 및 자료 캪슐(WHOI).
천해 계류시 주로 파랑(wave)과 조석(tide)를 관측하기 위하여 고안된 부이시스템으로 탄력성이 우수한 밧줄(Elastic Tether)을 계류라인 하단에 설치, Elastic Tether Surface Mooring System이 있다 (그림 31).
그림 31. Elastic Tether 표층 계류 시스템 (WHOI).
다. 자동 관측 부이시스템의 기술분석
자동관측 부이시스템의 기술은 각 관측센서로부터 취득한 데이터를 자료저장, 자료처 리 등을 거친 후 육상 사용자에게 관측자료를 제공하는 과정에 속한다. 관측센싱기술, 원격제어통신기술, 관측부이스템의 제어기술, 전원제어기술, 부이 hull 설계 제작기술, 계 류기술 및 유지보수기술이 핵심기술이 되며 자동 관측 부이시스템의 관측항목별 구성요 소에 대한 기술분석은 다음과 같다. (표 8)
표 8. 자동 관측 부이시스템의 기술분석
구성요소 기술분석 비 고
1. 센서부 -국외도입 : 기상센서 및 수중관측센서 등은 국내생산 전무
2. 원격통신부
-국내조달 : 위성모뎀을 이용 국내서버에 관측자료 자 동저장 및 실시간 관측자료 제공(국외 상용 인공위성 이용)
3. 시스템 계측제어부 -국내조달 : 각종 센서(관측기기)의 Integration 및 관 측제어기술(원격통신제어, 발전기 및 배터리 제어 등) 4. 전원부 -국내조달 : 태양광과 풍력발전에 의한 전력제어 및
충전기술
5. 부이 hull 제작 -국내조달 : 부이 hull 설계기술, 부이 hull의 수밀(방 수) 및 부식방지 처리기술
6. 계류부
-국내조달 : 수심별 계류설계기술, 수중계류기술 및 계류라인(부품)등
-국외조달 : 계류장비(Acoustic Release 및 수중부이) 7. 기타
가. 센서의 교정
나 . 정 기 적 ( 긴 급 상 황 ) 유지 보수
-국내∙외 조달 : 기상센서는 국내에서 교정 가능, 기 타 수중관측센서 등은 국외조달(장기적인 측면에서 자 동 관측부이시스템의 개수가 많아진다면 자체교정 모 색)
-국내조달 : 정기적 또는 긴급 발생시 효율적인 유지 관리 기술(유지보수팀, 선박 및 자재 등)
라. 자동 관측 부이시스템의 관측기기 선정시 고려해야 할 사항
자동 관측 부이시스템은 장기간 안정적으로 동작하여야 하며, 특히 원격 현장의 관측자료를 실 시간으로 제공하기 위해서 관측기기 선정시 다음 사항을 고려해야 한다.
- 각 관측기기의 소모전류는 아주 적어야 한다.
- 전원은 태양광발전기와 풍력발전기를 설치, 자연에너지를 효율적으로 이용한다.
- 관측기기들을 전기적으로 절연시켜 해수에 노출되었을 때 타 관측기기에 영향이 없도록 한다.
- 기상센서의 설치위치는 해황에 의한 영향을 받지 않도록 표층으로부터 충분히 이격시켜야 한다.
- 수중관측센서는 Inductive Modem을 이용, 실시간으로 관측자료를 처리할 수 있도록 한다.
- 관측기기의 검․교정 및 유지 보수가 용이하도록 탈부착 또는 구간별 테스트 포인트를 둔다.
- 특히 여분의 통신기기를 별도로 설치하여 비상시 사용하도록 한다.
- 부이시스템의 계류정점 이탈시 위치추적시스템 가동 및 실시간 위치 제공
마. 자동 관측 부이시스템의 현장 계류시 고려해야 할 사항 (특히 부이시스템이 동중국해 중심부에 위치할 경우)
- 태풍 등 기상악화로 인한 부이시스템의 관측정점 이탈시 부이시스템의 긴급 상황을 육 상 감시국에 알려주는 위치추적시스템 기능 설계 고려
- 어로작업에 의한 분실에 대비하여 국내∙외 관련기관에 협조 요청 - 수중관측센서와 부이 hull(기상센서 및 통신부 등)의 이원화 설계 제작 (Acoustic modem을 사용, 수중계류라인과 부이 hull간 분리)
- 이어도 종합해양과학기지와 연계한 원격통신 라인 구축 모색 - 고장발생시 원거리에 따른 긴급대처 방안 마련 강구
- 정기적인 적정 현장 유지 보수기간 설정
제 2 절 지역해 통합 해양예보모델
․ 지역해 통합예보모델에 적합한 모델 선정
․ 자료동화 기법의 도입 및 접합
․ 자료동화 접합 예보모델 운용
1. 필요성
- 지역해의 해양 현상 및 환경 요소의 고해상도 분포도의 생산 수단이 필요함 - 해양예보 모델의 예측력 향상을 위하여 자료동화 기법의 도입이 필요함
2. 최종 목표
- 자료동화를 활용한 예보모델을 개발하고 실시간 해양예보체계를 수립한다.
3. 연구개발의 내용
- 본 기획사업의 최종목적에 적절한 지역해 순환모델의 선정 - 자료동화 기법의 도입과 접합 연구
- 해양예보모델의 운용 및 결과 가시화 - 생태계, 환경 예보모델링 연구
그림 32. 지역해 통합 예보모델링의 개념도.