예측 불허의 쓰나미 기습...인공지능이 정확히 예측할 수 있다

AI 알고리즘으로 해저 지진발생시, 발생하는 특수 신호 분석해
AI와 슈퍼컴 결합해 해안가 상륙전 쓰나미 홍수 상황 예측
레이더 기술과 AI 결합해 몇 초 만에 정확한 쓰나미 예측해

 

(출처=셔터스톡, 편집=조희연 기자)

지난 2004년 12월에 인도네시아 아체주에서 해저 강진과 함께 발생한 쓰나미의 파고는 1m를 훨씬 넘었고, 이로 인해 무려 30만 명에 가까운 인명이 사망한 사건이 발생했다.

 

해구형 지진의 경우, 거대한 쓰나미가 동시에 발생하기 때문에 이 쓰나미의 규모와 도착시각을 피해지역 사람들이 얼마나 빨리 알 수 있느냐가 관건이다. 쓰나미가 발생했을 때, 단지 몇 분 밖에 반응할 수 없음에도 불구하고, 이 당시에는 경보 체제가 마련돼있지 않았다.

 

이후 세계 각국은 최첨단 경보 장비들이 설치된 쓰나미 경보시스템(Tsunami Warning System)을 갖추게 됐다. 쓰나미 경보시스템은 해저 센서와 통신 부표를 통해 파도를 24시간 실시간으로 모니터링하고 있다.

 

해저 센서에는 도플러형 다층유속계가 장착돼 다층유속 값과 유속분포를 구해 이 조합이 쓰나미인지, 아닌지를 판단한다. 쓰나미라고 판단되면, 센서는 이 정보를 음파로 변환해서 5~7분 이내에 바다 위에 떠다니는 통신 부표로 보낸다.

 

GPS가 장착된 통신 부표는 다시 이 정보를 인공위성에 전달하고, 인공위성은 이를 쓰나미 경보센터에 전달한다.

 

그럼에도 불구하고, 이 쓰나미 경보 시스템은 해저 지진 발생 직후 발령되는 것으로 인명 피해를 완벽하게 예방할 수 없다는 한계를 갖고 있다.

 

전문가들에 따르면, 쓰나미 발생에는 워낙 변수가 많아서 언제, 어디서, 어떻게 도착해서, 어떤 영향을 미칠지 예측하기 무척 어려운 것으로 알려져 있다.

 

이에 과학자들은 쓰나미에 대해 정확한 지식을 얻기 위해 예측 모델을 활용하고 있다. 주로 컴퓨터 알고리즘을 이용해 만든 모델은 해안 지역과 관련해 최대한 많은 요소를 고려하고, 사건이 실제로 발생하는 순간, 즉각 경보 태세에 들어갈 수 있도록 설계된다.

 

모델을 통해 정확한 시나리오가 완성될 경우, 침수가 가능한 지역을 미리 파악할 수 있을 뿐만 아니라 파도의 영향이 미치지 않는 안전한 대피로와 그 위치까지 알아낼 수 있다.

 

만약에 쓰나미 경보가 발령되면, 모델을 통해 바다의 실제 수위를 예측해서 해안에 미칠 영향을 미리 가늠해볼 수도 있다고 한다.

 

요즘에는 인공지능 기반의 알고리즘이 쓰나미 모델 개발에 적극적으로 활용되면서, 그 분석 정확도와 예측 능력이 놀랍게 발전하고 있다.

 

수중 지진의 음향 녹음 분석

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지난 30일 영국의 과학 전문 매체 피스 오그(Phys.org)는 인공지능이 쓰나미를 정확하게 예측하는데 사용될 수 있다고 보도했다.

 

카디프 대학에 따르면, 수중 지진으로 촉발된 해양 음파를 분석한 결과, 쓰나미가 언제 발생할지 예측할 수 있는 인공지능(AI) 개발이 가능해졌다고 연구자들은 밝혔다. 그 결과는 이날 사이언티픽 리포트지에 실렸다.

 

연구팀은 “이 기술이 이러한 지질학적 사건들에 대한 정확한 실시간 평가를 전문가들이 얻는 데 도움을 줄 수 있기를 바란다”라는 입장을 밝혔다.

 

카디프 대학의 수학 대학의 우사마 카드리(Usama Kadri) 박사는 “쓰나미는 지역사회에 파괴적인 영향을 미치는데 이를 빠르게 탐지할 수 있는 정확한 방법을 개발하는 것이 생명을 구하는 열쇠다”고 주장했다.

 

“우리의 연구 결과는 지진의 유형을 분류하고, 음향 신호로부터 거의 실시간으로 주요 특성을 회수할 수 있다는 것을 보여주었다”고 밝혔다.

 

이러한 방법은 실시간 쓰나미 분석을 위한 기존의 기술을 보완하고, 이를 감지하기 위해 일하는 전문가들에게 또다른 도구를 제공할 것이라는 설명이다.

 

“이 작업은 더욱 신뢰할 수 있는 조기 쓰나미 경보 시스템을 만들기 위한 더 큰 프로젝트의 필수적인 부분”이라고 카드리 박사는 말했다. 이들의 연구를 위해 연구팀은 태평양과 인도양에서 일어난 201번의 지진에 따른 심해 음향 녹음들을 분석했다.

 

쓰나미는 수직 지진 후에 종종 발생하는데, 이 지진은 지표면의 지각판이 수평이 아닌 주로 위아래로 움직인다. 이 운동은 많은 양의 물을 이동시켜 해안에서 광범위한 손상을 일으킬 수 있는 매우 긴 파도를 만드는 것으로 알려졌다.

 

이 수직 운동은 물의 층을 압축시켜 고장의 동역학과 기하학에 대한 정보를 전달하는 특정 소리 신호를 보낸다.

 

연구팀의 박사과정 연구원 베르나베 고메즈(Bernabé Gomez)는 이 정보를 수직 지진이 언제 일어났는지를 인식하도록 인공지능(AI) 알고리즘을 훈련하는 데 활용했다.

 

카드리 박사는 이 기술을 사용해 미래의 쓰나미를 실시간으로 정확히 집어내는 데 사용될 수 있다고 말한다. “견각의 움직임은 수평적이고, 수직적인 요소로 매우 복잡하다. 일부 지진은 다른 지진보다 쓰나미 발생 능력이 높다. 우리는 디지털 신호 처리 기술을 사용해 지진의 유형과 그 모멘트 규모를 분류하기 위해 인공지능(AI) 알고리즘을 훈련시키는 수중 지진의 음향 녹음을 분석할 수 있다.”

 

또 그는 “지진의 종류에 따라 쓰나미가 발생하는지 여부가 결정될 수 있으므로 이는 신뢰할 수 있는 조기 쓰나미 경보 시스템에 중요한 조치다”고 설명했다.

 

AI로 쓰나미 상황 먼저 예측

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역사상 일본은 수많은 쓰나미 피해를 입어온 나라다. 지난 2011년 일본 동일본 대지진과 그에 따라 발생한 쓰나미는 거의 2만 명에 가까운 사상자를 냈다. 이에 일본은 세계 최고 수준의 쓰나미 경보 시스템이 운영되고 있다.

 

올해 2월 17일에 온라인 무역 전문지 테크리퍼블릭(TechRepublic)은 일본의 IT기업 후지쓰가 국제재난연구소, 도호쿠대, 지진연구소, 도쿄대 등과 손잡고 쓰나미 관련 재난 지원을 위한 AI 모델 개발에 성공했다고 전했다.

 

이 기술은 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 알려진 후지쓰의 슈퍼컴퓨터 푸가쿠(Fugaku)와 AI로 쓰나미에 의한 해안가의 홍수 상황을 예측하는 것이다.

 

전 세계의 연구원들은 자연재해를 예측하고, 기후 변화의 영향을 완화하기 위해 인공지능(AI)을 사용하고 있다. 미국 서부 산불 예보를 위한 알고리즘 활용, 호주에서 코알라를 세는 열 영상 카메라가 달린 AI와 드론 배치, 캐나다에서 회색곰의 움직임을 감시하는 안면인식 능력 등이 이 사업들이다.

 

이 거대한 프로젝트에는 AI와 슈퍼컴퓨터 후가쿠가 포함돼있으며, 이는 정부와 재난 관리팀이 쓰나미의 여파로 해안가 홍수에 대응하는 방식에 혁신을 일으킬 수 있다는 것이다.

 

후지쓰에 따르면, 이 노력은 훈련 목적으로 해상 쓰나미 시뮬레이션과 해안 홍수를 사용한 AI 모델 뿐만 아니라 후가쿠를 여러 고해상도 쓰나미 시뮬레이션에 활용했다.

 

이 회사는 “지진이 발생한 후, AI 모델이 수집한‘쓰나미 파형 데이터’를 사용해 물이 상륙하기 전, 해안가의 쓰나미 홍수 상황을 예측할 수 있다”고 밝혔다. 또 연구팀은 푸가쿠를 활용해 잠재적 쓰나미 2만 개로 구성된 훈련 데이터를 만들었고, 이 모델은 AI를 이용해 이 해상 쓰나미 파형을 기반으로 ‘대략 해상도’에서 쓰나미에 의한 홍수 상황을 먼저 예측하는 2단계 구성을 사용한다.

 

이 과정을 통해‘국지성 파도’가 도로와 건물 등 도시 인프라에 미칠 수 있는 잠재적 영향에 대한 예측은 물론 지역별 홍수 예보가 가능할 수 있다는 것이 회사 측의 주장이다.

 

후가쿠 AI 알고리즘은 일반 PC에서도 몇 초 만에 실행될 수 있으며, 이는 이전에 슈퍼컴퓨터가 필요했던 실용적인 실시간 홍수 예측 시스템을 훨씬 쉽게 구축할 수 있게 해준다는 것을 의미한다. 이 기술은 난카이 해구 지진과 관련된 홍수 예측에 활용됐으며, 이를 통해 일반 PC를 이용해 쓰나미 시나리오 예측을 얻을 수 있음을 확인했다고 후지쓰는 전했다.

 

회사 측은 웹사이트 게시물을 통해 “향후 후가쿠의 대규모 고속 성능을 더욱 활용하는 동시에 추가적인 쓰나미 시나리오로 시스템을 훈련함으로써 더 넓은 지역에 걸쳐 예상치 못한 쓰나미와 홍수 예측을 제공할 수 있는 AI 실현에 도움을 줄 수 있다”고 밝혔다.

 

수 분을 수초로 단축해 통보

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올해 7월 4일 야후 파이낸스에는 미쓰비시 전기가 쓰나미 예측을 위한 레이더 기반 인공지능 기술을 개발하고 있다고 보도했다.

 

기사에 따르면, 미쓰비시 전기는 일본 토목지원재단과 공동으로 레이더로 감지된 쓰나미 속도 데이터를 이용해 해안 지역의 홍수 깊이를 예측하는 인공지능 기술을 개발했다.

 

미쓰비시 전기의 AI 기반의 ‘MAISART’기술은 쓰나미가 감지된 직후 높은 적중률로 홍수 깊이를 추산해냈다. 쓰나미 감지 후 단 몇 초 만에 정확한 예측을 가능케 하고, 해안가 재해 예방을 위한 대피계획의 신속한 실행을 지원하는 것으로 알려졌다.

 

미쓰비시 전기에 따르면, 인공지능 기술은 진원지, 단층 변동의 정도, 방향 등의 데이터에 대한 시뮬레이션을 통해 쓰나미 속도와 홍수 깊이 사이의 관계를 학습한다. 또 이는 약 1m의 오차범위를 가지고, 홍수 깊이를 정확하게 추정한다. 이 추정은 레이더가 쓰나미 속도와 방향을 감지한 후, 몇 초 안에 이뤄지기 때문에 대피계획 수립과 이행이 빨라져 재난 예방이나 감소가 가능해진다는 것이다.

 

난카이 해구의 잠재적 지진의 시뮬레이션을 통해 다양한 시험환경을 이용한 시뮬레이션 결과에 따르면, 일본 해안을 따라 북동쪽/남서쪽 약 50km에 걸쳐 있는 주요 단층선인 난카이 해구에서의 가상의 지진에 초점이 맞춰져 있다.

 

이 기술이 개발됨에 따라, 또 다른 단계를 밟아 일본의 다른 지역에서 발생한 가상의 지진들이 조사될 것이며, 쓰나미가 다른 해안 구조물들과 지방 자치단체들뿐만 아니라 다양한 항구들에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 연구가 이뤄질 전망이다.이 연구는 단층 이동 외에도 기존 방법으로는 예측이 매우 어려운 해저 산사태로 인한 쓰나미도 조사할 예정이다.

 

쓰나미가 육지에 도달하기 전에 대피하려면, 홍수 깊이를 빠르고, 정확하게 측정할 필요가 있다. 기존 방식으로는 3m의 여유로 수 분 만에 수심을 추정할 수 있지만, 미쓰비시 전기가 개발한 신기술은 단 몇 초 만에 수심을 산출해 신속한 대피계획을 실행한다.

 

이를 위해 정확한 홍수 깊이의 추정이 필요한데 미쓰비시 전기는 특수 레이더 장치를 사용해 50km 지역에서 수집될 수 있다는 것을 알고, 난 후 이 기술을 개발했다. 이에 새로운 레이더 기술과 미쓰비시 전기의 MAISART 인공지능 기술을 결합함으로써 단 몇 초 만에 쓰나미에 대해 정확한 예측을 할 수 있게 됐다.

 

초기에는 지진센터, 단층 변위도, 방향 등 쓰나미 발생 상태에 대한 시뮬레이션이 필요했다. 하지만 인공지능은 시간이 지나면서, 이런 결과를 학습해 실제 쓰나미가 감지되면 빠른 속도로 홍수 깊이를 예측해냈다고 회사 측은 설명했다.

 

AI타임스 조행만 객원기자 chohang5@kakao.com 

 

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