HLA-Compliant Interactive Disaster Simulation with Application to Multi-Level Restoration Management

Abstract

최근 시뮬레이션 기술은 재난대응과 복구활동을 효율적으로 지원할 수 있어 시설물 재난관리에 널리 활용되고 있다. 그러나 보다 효율적이고 복합적인 재난관리를 위해서는 재난 발생에 따른 다양한 피해 형태를 고려해야 하며, 수많은 재난대응 또는 복구활동에 대한 다각적인 분석이 필요하다. 이러한 상황에서 기 개발된 단일 시스템 혹은 시뮬레이션 기술만으로는 다양한 재난 상황에 대한 복합적인 정보처리의 한계가 있다. 특히, 시설물 복구단계에서는 전 지역차원의 복구정책 수립과 개별 시설물차원의 복구계획 수립이 동시에 요구되는데, 각 계획수립의 주체가 상이할 뿐 아니라 분석 요구사항과 범위 또한 다르기 때문에 서로 다른 시뮬레이션 조합이 가능해야 한다. 이에 본 연구는 미 국방성 (Department of Defense: DOD)에서 제시한 개념인 상위체계구조(HLA) 기반의 분산형 시뮬레이션 아키텍처(IEEE 1516)를 활용하여, 다양한 재난유형, 피해형태, 대응 또는 복구활동에 대한 확장성을 가진 상호연동 시뮬레이션 프레임워크를 구축한다. 이를 바탕으로, 지진 발생 후의 시설물 구조체 피해와 복구상황에 초점을 맞추어 지역차원 또는 개별 시설물차원의 복구계획 수립을 각각 지원할 수 있는 상호연동형 복구관리 시뮬레이션 프로토타입을 개발한다. 본 프로토타입에서는 USGS (미 지질 조사국) 에서 제공하는 지진정보 수집기술과 OpenSees 구조체거동 시뮬레이션 기술이 지역전반의 피해와 개별 시설물의 구조체 피해 분석에 활용되며, 시스템 다이내믹스 (SD) 및 이산사건 시뮬레이션 (DES) 모델링 방법을 활용하여 구축되는 지역/시설물 복구 시뮬레이션과 연동된다. 본 상호연동 시뮬레이션은 분석 목적에 따른 시뮬레이션 조합을 통해 다각적인 복구계획 수립에 필요한 서로 다른 분석 요구사항에 대응할 수 있게 한다. 예를 들어, 지역 전반의 복구계획 수립을 뒷받침하기 위한 USGS 지진정보 수집기술과 SD 모델의 상호연동은 지진정보에 따른 전 지역의 피해 산정을 지원하고, 이에 따른 다양한 복구활동에 대한 포괄적인 이해를 제공할 수 있다. 반면, 개별 시설물의 복구계획 수립을 위해서는 상세한 구조체 피해정보와 세부 복구공정 분석이 요구되는데, OpenSees 구조체거동 시뮬레이션과 DES 모델의 상호연동을 통해 이러한 분석 요구사항을 만족시킬 수 있다. 이처럼, 지역과 시설물차원의 복구활동에 초점을 맞춰 개발된 상호연동형 재난관리 시뮬레이션은 분석 목적에 따라 시뮬레이션 조합을 다양화하고 재사용성과 확장성을 제공함으로써 재난관리 분야 전반에 활용될 수 있다. 이를 확인하기 위해, 개발된 프레임워크가 다른 시뮬레이션 기술과 상호연동 하는 경우 가능한 분석의 확장 시나리오(예: 화재 발생 후 피난 시뮬레이션)를 제시하였다. 본 연구결과는 시뮬레이션 모듈 간 상호운용성을 도모하는 재난관리의 기반 기술과 프레임워크를 통해, 향후 태풍과 같은 다양한 재난 유형, 정전 또는 화재와 같은 다양한 피해 형태, 피난 또는 인명구조 등의 다양한 재난대응과 복구활동 관리분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

Although disaster-related simulations can be effectively applied in disaster response and recovery management in a chaotic situation, each single simulation for analyzing disaster intensities, damage patterns, and response and recovery efforts needs to be able to interact with others. In other words, different combinations of simulations need to be made in different situations, due to numerous types of disasters and their complex effects on various damage patterns as well as diverse response and recovery efforts. In the recovery stages, it is particularly essential that a disaster-related simulation is able to satisfy lots of analysis requirements for complex and multiple recovery efforts, including many types of recovery activities for numerous facilities, performed by diverse agents at both macro and micro levels of management (e.g., the regional level and the individual facility level). Therefore, this study develops an interactive simulation framework for disaster recovery management which has extendibility with regard to numerous disasters, various damage situations, and multiple recovery efforts. For the purpose of promoting extended applications of the recovery simulation in the future, an interactive simulation is designed through the use of the High Level Architecture (HLA) (IEEE 1516)—developed by the U.S. Department of Defense (DoD) to provide seamless interactions among simulations (i.e., federates) by its general rules for distributed simulation environments. To present the interoperability, reusability, and extendibility of the framework, this study further develops a prototype of the interactive simulation with a focus on a structural damage and recovery situation in the aftermath of a seismic event, in order to assist both regional- and facility-level (i.e., multi-level) recovery planning. A System Dynamics (SD)–Discrete Event Simulation (DES) integrated multi-level damage and recovery simulation federate interacts with both an USGS near real-time seismic data retrieval technique (i.e., USGS federate) and an OpenSees structural response simulator (i.e., OpenSees federate), by dynamic data exchanges among three federates in the developed prototype where different simulations can be synchronized. By the integrated uses with an USGS federate, in detail, an SD model provides a comprehensive understanding of multiple interdependent recovery efforts at the regional level according to widespread devastation. On the other hand, a DES model enables a detailed examination of restoration operations as well as a projects performance and uncertainty at the facility level according to facilitys structural damage and its surroundings through the integrated uses with both USGS and OpenSees federates. Such different combinations of simulations in the interactive simulation can provide appropriate information to respectively assist multi-level recovery planning performed by different agents. With several future utilization scenarios into overall disaster management areas in various damage situations, this study further examines the reusability and extendibility of the developed framework through the interactions with other disaster-related simulations (e.g., fire simulator). The base technology and generic model structures of an interoperable HLA-compliant distributed simulation for disaster recovery management can potentially provide the simulation with further extendibility to numerous types of disasters (e.g., hurricanes), to various damage situations including non-structural damage (e.g., power blackout), and to the all-time disaster management (e.g., evacuation planning) when diverse disaster-related simulations are interacted.