연안 수치모델링의 전 과정을 잇는
통합 플랫폼: Delft-to-Celeris Dashboard

태풍과 폭풍해일, 고파랑에 의한 월파와 침수는 연안 지역에서 반복적으로 발생하는 주요 재해이다. 이러한 연안 재해를 평가하기 위해서는 먼바다에서 해안선에 이르기까지 서로 다른 공간 규모에서 나타나는 수리현상을 단계적으로 해석할 필요가 있다. 광역에서는 정수압 가정을 바탕으로 조석과 폭풍해일에 따른 수위변동과 해수유동을 해석할 수 있으며, 파랑의 생성과 전파는 스펙트럼 기반 위상평균모형을 이용하여 효율적으로 계산할 수 있다. 반면 해안 가까이에서는 파랑의 분산성과 비선형성이 커지고 개별 파의 위상 변화가 중요해지므로, 이를 직접 해석하기 위해서는 보다 높은 공간·시간 해상도를 사용하는 위상분해형 파랑모형이 필요할 수 있다.
이처럼 공간 규모에 따라 중요하게 고려해야 하는 물리현상과 이를 해석하는 수치적 접근방법, 그리고 요구되는 계산부하가 서로 다르기 때문에 하나의 수치모형으로 전 과정을 모두 해석하기는 비효율적인 경우가 많다. 실무와 연구에서는 각 공간 규모와 물리현상에 적합한 수치모형을 단계적으로 적용하거나 연계하여 사용하는 방식이 널리 활용된다. 예를 들어 광역 조석 및 해수유동에는 Delft3D FLOW, 바람에 의한 파랑의 생성·발달·전파에는 제3세대 스펙트럼 파랑모형인 SWAN, 해안 가까이에서 개별 파의 상세한 변형을 해석하기 위해서는 Boussinesq형 모형인 Celeris Advent를 적용할 수 있다. Delft3D FLOW와 SWAN은 비교적 넓은 영역을 효율적으로 계산하는 데 적합한 반면, Celeris Advent는 높은 공간·시간 해상도로 개별 파의 변형을 직접 해석한다. 이러한 위상분해형 계산은 본래 큰 계산부하를 요구하지만, Celeris Advent는 GPU 가속을 통해 이를 크게 줄여 실시간에 가까운 고속 계산이 가능하다.
그러나 여러 수치모형을 함께 활용하는 과정에서는 실제 계산 못지않게 입력자료를 준비하고 각 모형의 조건을 구성하는 데 상당한 시간과 노력이 필요하다. 모형마다 격자와 수심자료의 형식이 다르고, 개방경계의 조석 조화상수, 해상풍, 입사파, 관측점 등의 입력자료 역시 서로 다른 규칙에 따라 작성해야 한다. 이러한 전처리 과정은 대개 연구자가 개별적으로 작성한 스크립트와 수작업에 의존하며, 계산영역이나 기간, 해상도, 외력조건을 변경할 때마다 유사한 작업을 반복해야 한다. 그 결과 동일한 조건의 모델을 다시 구축하기 어렵고, 작업자에 따라 입력자료나 설정값이 달라질 가능성도 존재한다.
입력 구축 과정의 복잡성은 검토할 수 있는 조건의 수를 제한한다는 점에서도 문제가 된다. 연안 재해 평가에서는 계산영역의 범위와 해상도, 수심자료의 종류, 외력조건 등에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 여러 대안을 비교·검토하는 과정이 중요하다. 그러나 한 번의 모델 구축에 많은 시간이 소요되면 조건을 변경하여 반복적으로 계산하기 어렵고, 격자나 수심, 경계조건의 오류도 계산이 완료된 이후에야 발견되는 경우가 있다. 따라서 모델을 구축하는 각 단계에서 생성된 격자와 수심, 경계조건 등을 지도상에서 직접 확인할 수 있다면 입력 오류를 조기에 발견하고 반복적인 시행착오를 줄일 수 있다.
국내 해역을 대상으로 수치모델링을 수행할 경우에는 자료의 수집과 연계 문제도 추가된다. 전 지구 수심자료만으로는 연안의 복잡한 지형과 수심 변화를 충분히 표현하기 어려운 경우가 있어 국내에서 제공되는 수심자료를 함께 활용할 필요가 있다. 또한 계산결과를 검증하기 위해서는 조위와 파랑 등의 관측자료를 별도로 수집하고, 이를 모델 결과와 동일한 시간축으로 맞추어 비교해야 한다. 기존의 공개 전처리 도구는 주로 전 지구 자료와 특정 수치모형을 중심으로 구성되어 있어, 국내 자료와 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris를 하나의 환경에서 연계하여 활용하기에는 한계가 있다.
이러한 한계를 개선하기 위해 본 연구에서는 지도 기반의 사용자 인터페이스에서 계산영역을 설정하고 단계별 조건을 적용하면 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent의 입력자료를 생성하고, 계산 실행과 결과 확인까지 하나의 환경에서 연속적으로 수행할 수 있는 Delft-to-Celeris Dashboard(이하 D2C Dashboard)를 개발하고 있다. D2C Dashboard는 서로 다른 수치모형의 전처리 과정을 가능한 한 동일한 작업 흐름으로 구성하고, 국내외 지형·수심 및 관측자료를 모델 구축과 결과 확인 과정에 연계하는 것을 목표로 한다. 또한 자연어 기반의 대화형 인터페이스를 통해 기존의 모델 구축 기능을 보다 직관적으로 사용할 수 있도록 구성하고 있다.
본 기사에서는 D2C Dashboard의 전체 구성과 모델링 흐름을 소개하고, Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent의 모형별 구축 절차와 자연어 기반의 대화형 모델 구축 기능을 순차적으로 설명하고자 한다.

D2C Dashboard는 지도를 중심으로 구성된 데스크톱 기반 수치모델링 지원 도구이다(그림 1). 화면의 지도와 도구 모음에서 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent 가운데 대상 모형을 선택할 수 있으며, 각 탭에는 해당 모형의 구축 단계가 순서대로 구성되어 있다. 사용자가 각 단계에서 설정값을 입력하고 적용하면 해당 입력파일이 생성되고, 격자·수심·경계조건 등의 결과가 지도에 즉시 표시된다. 마지막 모델 구축 단계에서는 전체 입력을 완성한 후 계산을 실행할 수 있다. 선행 단계의 설정이 변경되면 이에 영향을 받는 후속 단계를 다시 적용하도록 표시함으로써 서로 다른 조건에서 생성된 입력파일이 혼재하는 것을 방지한다.
각 단계에서는 입력값을 적용하기 전에 설정 범위와 선행 단계의 적용 여부, 좌표의 계산영역 포함 여부 등을 검사한다. 입력값이 허용 범위를 벗어나거나 필수 조건이 충족되지 않은 경우에는 파일 생성을 중단하고 그 원인을 표시하며, 계산은 가능하지만 주의가 필요한 조건은 경고로 구분하여 제시한다. 생성된 입력파일은 사용자가 지정한 작업 폴더 아래 모델별로 저장되고, 적용된 설정과 원자료 정보는 프로젝트 파일에 함께 기록된다. 이에 따라 동일한 조건의 모델을 다시 생성할 수 있으며, D2C Dashboard에서 생성한 모델 폴더는 각 수치모형의 원본 실행파일을 이용하여 독립적으로 실행할 수 있도록 구성하였다.
D2C Dashboard에서 활용하는 자료는 크게 지형·수심자료, 외력자료, 관측자료로 구분할 수 있다. 지형·수심자료로는 전 지구 수심자료인 GEBCO 2024와 국립해양조사원이 제공하는 150 m 간격의 해양수치모델 전용 격자형 수심자료 BADA2024를 이용한다. 외력자료로는 TPXO 조석모형의 조화상수, 일본 기상청 중규모 모형(MSM-GPV)의 해상풍, JONSWAP 스펙트럼으로 정의하는 입사파 등을 활용하며, 결과 확인을 위해 국립해양조사원(KHOA)의 조위관측자료와 해양수산부 전국파랑관측자료 제공시스템(WINK)의 파랑 관측자료를 연계한다.

세 모형 탭은 가능한 한 동일한 작업 흐름을 갖도록 구성하였다. 계산영역은 경위도 범위로 지정하고, 해상도를 입력하면 격자 수가 자동으로 계산된다. 격자 생성, 자료 보간, 입력파일 작성과 같은 수치 처리는 정해진 처리 모듈에서 수행하며, 계산은 수정하지 않은 각 수치모형의 원본 실행파일을 이용한다. D2C Dashboard에서 지원하는 주요 기능은 ① 광역 조석·해수유동을 위한 Delft3D FLOW, ② 파랑 해석을 위한 SWAN, ③ 연안의 상세한 파랑 변형을 위한 Celeris Advent, ④ 세 모형에 공통으로 적용되는 자연어 기반 대화형 모델 구축 기능으로 구성된다.

Delft3D FLOW 탭은 조석과 해수유동 모의에 필요한 입력자료를 구축하고 실행하기 위한 기능으로, 시간, 격자, 수심, 경계, 관측소, 모델 구축의 여섯 단계로 구성되며 현재는 수심평균 2차원 모형을 대상으로 한다. 시간 단계에서는 모의 기간과 계산 시간간격, 시간대를 지정하고, 격자 단계에서는 지도에서 직접 영역을 선택하거나 경위도 범위를 입력하여 구면좌표 직사각형 격자를 생성한다. 해상도는 각도 또는 미터 단위로 지정할 수 있으며, 계산되는 격자점 수를 사전에 확인할 수 있다.

격자가 생성되면 수심자료의 표고를 이용하여 육지와 바다를 구분하고, 서로 연결된 해역을 대상으로 계산영역을 자동으로 구성한다. 수심 단계에서는 GEBCO 2024 또는 BADA2024를 선택하여 계산격자에 맞는 수심자료를 생성한다. GEBCO 2024는 격자 해상도에 맞추어 원자료를 처리한 후 보간하고, BADA2024는 인접한 자료를 이용하여 각 격자점의 수심을 결정한다. 생성된 수심은 지도에 색으로 표시되어 해안선과 주요 지형이 의도한 대로 반영되었는지 확인할 수 있다(그림 2).
경계 단계에서는 계산영역 외곽 가운데 일정 수심 이상의 구간을 찾아 개방경계를 구성하고, 각 경계에서 TPXO 조석모형의 분조별 진폭과 위상을 보간하여 조화상수 경계조건을 생성한다. 사용자는 전체 외곽 또는 동·서·남·북 가운데 원하는 방향에만 개방경계를 설정할 수 있으며, 생성된 경계는 지도에서 확인할 수 있다. 관측소 단계에서는 계산영역 내부의 KHOA 조위관측소를 자동으로 검색하고, 관측소가 육지 격자로 분류되는 경우 가장 가까운 해역 격자로 이동하여 출력지점으로 등록한다.
모델 구축 단계에서는 주 입력파일을 포함한 전체 모델 입력을 생성하고 계산을 실행한다. 계산이 시작되면 결과 창에서 시간에 따른 수위 분포와 관측지점 시계열을 확인할 수 있으며, KHOA 조위관측소가 등록된 경우 동일 기간의 관측자료를 함께 표시하고 평균을 제거한 수위 시계열의 평균제곱근오차와 상관계수를 제시한다(그림 3). 이를 통해 사용자는 대상 해역의 조석 모의를 동일한 절차로 반복 구축하고, 격자 해상도나 수심자료를 변경했을 때의 차이를 비교할 수 있다. 기존 모델의 주요 설정을 불러와 D2C Dashboard의 절차에 따라 입력파일을 다시 생성하는 기능도 포함하고 있다.

SWAN 탭은 제3세대 스펙트럼 파랑모형 SWAN의 입력자료를 구축하고 실행하기 위한 기능으로, 시간, 격자, 수심, 바람, 경계, 출력 지점, 모델 구축의 일곱 단계로 구성되며 비정상 상태 모의를 대상으로 한다. 시간 단계에서는 모의 기간과 계산 간격을 지정하고, 격자와 수심 단계에서는 계산영역과 해상도를 설정한 뒤 선택한 수심자료를 SWAN 계산격자에 보간하여 입력파일을 생성한다. 생성된 격자와 수심 분포는 지도에서 바로 확인할 수 있다.
바람 단계에서는 바람이 없는 조건, 일정 풍속·풍향 조건, 기존 바람파일 사용, MSM-GPV 해상풍 자동 수집의 네 가지 방식을 지원한다. MSM-GPV를 이용하는 경우 모의 기간에 필요한 자료를 수집하여 SWAN에서 사용할 수 있는 시간별 바람장으로 변환한다. 수집된 자료는 동일 기간의 모델을 다시 구축할 때 재사용할 수 있으며, 필요한 날짜의 자료가 없거나 입력값에 이상이 있는 경우에는 모델 생성을 중단하고 해당 원인을 사용자에게 제시한다.
경계 단계에서는 다중 격자 구성을 지원한다. 부모 도메인에서는 자식 도메인의 범위와 격자 수, 저장 간격을 지정하여 자식 영역 외곽의 파랑 스펙트럼을 저장하고, 자식 도메인에서는 부모 도메인이 생성한 스펙트럼을 경계조건으로 이용하도록 설정할 수 있다. 출력 지점은 지도에서 직접 선택하거나 좌표로 지정하며, 모델 구축 단계에서는 방향 및 주파수 분할 수와 같은 스펙트럼 해상도, 바닥 마찰 등의 주요 물리 옵션과 결과 저장 간격을 설정한다.
계산을 시작하면 결과 창에서 유의파고, 평균주기, 평균파향, 풍속의 공간분포를 시간에 따라 확인할 수 있으며, 지정한 출력 지점의 시계열을 비교할 수 있다(그림 4). 출력 지점 인근에 WINK 파랑관측소가 있는 경우에는 해당 기간의 관측자료를 계산결과와 같은 그래프에 표시한다. 또한 입력파일은 가능한 한 모델 폴더 내부의 상대경로를 이용하도록 구성하여 경로 길이와 관련된 오류 가능성을 줄이고, 바람자료와 경계자료의 시간축을 모의시간과 일관되게 관리하도록 하였다. 이를 통해 광역에서 연안으로 이어지는 다중 격자 파랑 모의를 동일한 작업 흐름으로 구축할 수 있다.

Celeris 탭은 Celeris Advent의 입력자료를 구축하고 실행하기 위한 기능으로, 격자, 지형, 경계, 계측점, 모델 구축의 다섯 단계로 구성된다. Celeris Advent는 미터 단위의 직사각형 등간격 격자를 이용하므로, 격자 단계에서는 경위도로 지정한 계산영역을 남서쪽 모서리를 원점으로 하는 평면좌표계로 변환하고 사용자가 지정한 격자 크기에 따라 계산격자를 생성한다. 지형 단계에서는 BADA2024 수심자료를 계산격자에 보간하여 지형파일을 작성하며, 주변에 수심자료가 없는 지점은 육지로 처리한다.
경계 단계에서는 네 경계 가운데 파가 유입되는 경계를 지정하고, 유의파고, 첨두주기, 파향, 첨두증폭계수와 방향분산으로 정의한 JONSWAP 스펙트럼을 주파수와 방향별 성분파로 분해하여 입사파 파일을 작성한다. 성분파의 진폭은 합성된 유의파고가 입력값과 일치하도록 정한다. 파향은 SWAN 및 관측자료와 동일한 기준으로 입력하고, 이를 Celeris에서 사용하는 방향 정의에 맞게 변환한다. 나머지 세 경계는 흡수층 또는 반사 경계조건으로 지정한다. 계측점 단계에서는 수면 변위를 기록할 지점을 지정하며, 적용한 지형과 입사 경계, 계측점은 지도에 함께 표시된다(그림 5).
모델 구축 단계에서는 계산 시간간격을 직접 지정하거나 자동으로 설정할 수 있다. 자동 설정 시에는 영역의 최대 수심과 격자 크기로부터 대표 파속을 산정하고, CFL(Courant–Friedrichs–Lewy) 수를 기준으로 수치적으로 안정적인 범위에서 계산 시간간격을 결정한다. 또한 Boussinesq형 모형은 격자 크기와 파장의 관계에 민감하므로, 입사 경계의 평균 수심과 가장 짧은 성분파의 파장을 이용하여 격자 해상도의 적절성을 확인하고, 한 파장에 포함되는 격자 수가 부족하거나 입사 경계의 수심이 해당 파랑조건에 비해 지나치게 깊은 경우에는 경고를 표시한다.

모델 구축이 완료되면 Celeris Advent를 실행하여 계산된 수면 변화를 실시간으로 확인할 수 있다(그림 6). 현재 본 기능은 관심 해안의 파랑 변형을 신속하게 검토하는 용도를 우선적으로 고려하고 있으며, 정밀한 연안 해석을 위해서는 향후 보다 상세한 지형자료와 구조물 정보를 추가로 반영할 필요가 있다.

D2C Dashboard는 단계별 설정 창을 직접 조작하는 방식과 함께, 대화창에 자연어로 요청을 입력하여 모델을 구축하는 기능을 제공한다(그림 7). 예를 들어 사용자가 선택한 모형 탭에서 “기본값으로 모델을 구축해 줘”, “격자 간격을 0.1도로 바꾸고 다시 구축해 줘”와 같이 요청하면 D2C Dashboard는 필요한 단계를 순서대로 적용하고, 각 단계의 결과를 지도와 대화창에 표시한다. 계산 실행도 같은 방식으로 요청할 수 있으며, 이 기능은 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent 세 모형 모두에서 사용할 수 있다.
D2C Dashboard의 대화형 인터페이스는 OpenAI API를 이용하여 사용자의 자연어 요청을 해석하고, 이를 단계별 모델 구축 기능에 필요한 명령과 설정값으로 변환한다. 실제 격자 생성, 자료 보간 및 입력파일 작성은 언어모델이 아닌 D2C Dashboard 내부의 처리 모듈에서 수행한다. 따라서 대화형 기능을 이용하여 구축한 모델과 사용자가 단계별 설정 창에서 직접 구축한 모델은 동일한 설정을 사용할 경우 동일한 입력파일을 생성한다. 적용된 설정도 프로젝트 파일에 그대로 저장되므로 이후에는 대화형 기능을 사용하지 않고도 같은 모델을 다시 구축할 수 있다.

또한 언어모델의 역할을 사용자의 요청을 해석하고 기존 D2C Dashboard 기능을 호출하는 데 한정하였다. 입력값이 허용 범위를 벗어나거나 선행 단계가 적용되지 않은 경우에는 D2C Dashboard 내부 처리 모듈에서 발생한 오류가 그대로 대화창에 전달되며, 언어모델이 계산결과나 입력파일을 임의로 생성하지 않도록 구성하였다. 대화형 요청은 요청 시점에 선택되어 있는 모형 탭에만 적용되며, 실행파일이나 원자료의 경로처럼 사용환경에 직접 관련되는 항목은 대화로 변경할 수 없도록 제한하였다. 외부 언어모델 서비스를 사용할 수 없는 환경에서도 단계별 설정 창을 이용한 기존 모델 구축 기능은 동일하게 사용할 수 있다.
이와 같은 구조는 생성형 인공지능이 수치모형의 물리적 판단이나 실제 수치계산을 대신하도록 하기보다는, 사용자의 자연어 요청을 기존의 검증된 모델 구축 절차와 연결하는 인터페이스로 활용하는 데 목적이 있다.

D2C Dashboard는 광역 조석·해수유동, 파랑, 연안 파랑 변형을 다루는 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent의 입력 구축과 실행, 결과 확인을 하나의 지도 기반 환경에서 단계적으로 수행하기 위해 개발하고 있는 통합 수치모델링 도구이다. 각 모형에서 개별적으로 수행하던 전처리 과정을 유사한 구조의 단계로 구성하고, 격자와 수심, 경계조건 등의 결과를 지도에서 즉시 확인할 수 있도록 함으로써 계산영역 설정에서 모델 실행까지 일관된 작업 흐름을 제공하고자 하였다.
D2C Dashboard의 주요 특징은 국내 수심자료와 조위·파랑 관측자료를 모델 구축 및 결과 확인 과정에 직접 연계하고, 적용된 설정을 저장하여 동일한 입력을 다시 생성할 수 있도록 한 점이다. 계산에는 각 수치모형의 원본 실행파일을 그대로 사용하며, 계산이 진행되는 동안 결과를 확인하고 관측자료와 비교할 수 있다. 또한 OpenAI API를 활용한 자연어 기반의 대화형 인터페이스를 통해 동일한 모델 구축 절차를 수행할 수 있도록 하여, 사용자가 입력파일의 형식과 반복적인 자료변환에 소비하는 시간을 줄이고 계산영역과 외력조건의 설정 및 결과 해석에 보다 집중할 수 있도록 하였다.
현재 D2C Dashboard는 Delft3D FLOW, SWAN, Celeris Advent 각각에 대한 기본적인 입력 구축, 실행 및 결과 확인 기능의 검증을 완료하였으며, 다음 단계로 모형 간 입·출력자료를 직접 교환하는 결합 모델링 기능을 개발하고 있다. SWAN의 다중 격자 기능을 이용한 파랑모형 내부의 연계는 이미 구현되어 있으나, 서로 다른 수치모형 사이의 직접적인 자료 전달에는 추가적인 처리가 필요하다. 특히 Delft3D FLOW와 Celeris Advent를 연계할 경우에는 비분산형 장주기 유동을 해석하는 모형과 분산성을 고려하는 위상분해형 파랑모형 사이의 물리적 차이를 고려해야 하므로, Delft3D FLOW의 계산결과를 Celeris의 경계조건으로 단순히 전달하기보다는 두 모형의 물리체계에 적합한 별도의 경계조건 처리기법이 필요하다.
향후에는 이러한 모형 간 연계기능을 단계적으로 구현하여 Delft3D FLOW–SWAN–Celeris Advent를 이용한 다중 규모 연안 수치모델링 환경으로 확장하고자 한다. 또한 현재 활용하고 있는 GEBCO와 BADA2024뿐만 아니라 국내외에서 제공되는 다양한 고해상도 지형·수심자료를 추가로 지원하여 대상 해역과 해석 목적에 따라 적절한 자료를 선택할 수 있도록 기능을 확대할 계획이다. 나아가 보다 상세한 연안·육상 지형과 항만 및 연안 구조물 자료까지 연계할 수 있다면 Celeris Advent를 이용한 상세 파랑변형 및 연안 재해 해석의 적용범위도 더욱 넓어질 것으로 기대된다.
이와 같은 기능이 단계적으로 보완된다면 D2C Dashboard는 단순한 수치모형 전처리 도구를 넘어, 서로 다른 공간 규모와 물리과정을 다루는 수치모형을 하나의 일관된 작업 흐름으로 연결하는 통합 모델링 플랫폼으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 반복적인 전처리 작업을 줄이고 연안 수치모델링의 접근성과 재현성을 높이는 동시에, 다양한 모형을 활용한 다중 규모 해석을 보다 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 한국해양과학기술원의 적립금사업 “해양에너지 및 항만·해양구조물 고도화 기술 개발 (PKB0014)”의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.