[논문]타부탐색기법에 의한 홍수시 저수지 운영에 관한 연구

정한우; 최승안; 김형수; 심명필

doi:10.3741/jkwra.2005.38.9.761

타부탐색기법에 의한 홍수시 저수지 운영에 관한 연구
Reservoir Operation by Tabu Search Method during Flood 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.38 no.9 = no.158, 2005년, pp.761 - 770

정한우 (삼안건설기술공사 수자원부) , 최승안 (인하대학교 환경토목공학부) , 김형수 (인하대학교 환경토목공학부) , 심명필 (인하대학교 환경토목공학부)

초록
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본 연구에서는 퍼지논리제어의 적용을 통해 홍수시 저수지의 방류량을 결정하는데 있어, 예측유입량 자료에 내재된 불확실성을 고려할 수 있는 저수지 운영 모형을 구성하고자 하였다. 제어규칙은 전문가들의 의견을 반영해 규칙기반을 설정하는데 이러한 일반적인 방법의 단점을 보완하고자 전역 최적화 기법인 타부탐색을 이용하여 제어규칙을 자동적으로 설정해 퍼지-타부탐색 모형을 구성하였다. 모형의 적용 결과, 첨두방류량이 감소되어 홍수조절율이 개선되었으며, 총 방류량도 감소하는 것으로 나타나 결과적으로 치수효과가 증대될 수 있음을 확인하였다. 또한 홍수 후에 가용할 수 있는 수자원의 양이 증가되어 실제운영방법보다 이수적 차원에서 향상된 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study applied the fuzzy logic control for the construction of the reservoir operation model which can consider uncertainty of the predicted inflow in determining reservoir release during flood period. The control rule is usually constructed based on the opinion of experts which is a general technique. To improve the drawback of general technique, this study constructed the Fuzzy-Tabu search model automatically established by the fuzzy rule using Tabu search which is a global optimization technique. As the results, the peak release is decreased and the flood control efficiency is improved. The total release is also decreased and this represents the benefit in water use. Consequently, it is confirmed that the effect of flood control can be increased through the constructed model. It also shows that the available water resources after the flood is more increased. So, the proposed Fuzzy-Tabu search model could be better than the actual reservoir operation methodology in the aspect of water use.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 복잡하고 불확실한 입력을 가진 시스템에서 탁월한 성능을 발휘하는 것으로 알려진 퍼지논 리제어(f&zy logic control)의 적용을 통해, 앞선 국내의 여러 연구들에서 미비했던 홍수시 저수지의 방류량 결정시 예측유입량 자료에 내재된 불확실성을 고려할 수 있는 저수지 운영 모형을 구성하고자 하였다. 또한 전문가의 지식을 바탕으로 제어규칙을 설정하는 일반적인 퍼지논리제어 시스템과는 달리 타부탐색 알고리즘을 이용하여 홍수피해증가와 직결되는 방류량을 최소화하도록 제어규칙을 최적화하였고, 이로 인한 홍수후의 이 수측면도 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 복잡하고 불확실한 입력을 가진 시스템에서 탁월한 성능을 발휘하는 것으로 알려진 퍼지논 리제어(f&zy logic control)의 적용을 통해, 앞선 국내의 여러 연구들에서 미비했던 홍수시 저수지의 방류량 결정시 예측유입량 자료에 내재된 불확실성을 고려할 수 있는 저수지 운영 모형을 구성하고자 하였다. 또한 전문가의 지식을 바탕으로 제어규칙을 설정하는 일반적인 퍼지논리제어 시스템과는 달리 타부탐색 알고리즘을 이용하여 홍수피해증가와 직결되는 방류량을 최소화하도록 제어규칙을 최적화하였고, 이로 인한 홍수후의 이 수측면도 살펴보고자 하였다.
퍼지제어를 위한 입력변수로는 유입량과 저류량을 사용하였다. 유입량의 경우, 홍수초기 방류계획을 수립하는 단계에서의 예측유입량만을 고려하여 불확실한 예측유입량 자료에 대한 퍼지-타부탐색 모형의 효과를 살펴보고자 하였다. 저류량의 경우는 현 저류량(수위-저 류량 관계곡선에 의해 결정)으로부터 Eq.

제안 방법

138m의 해당저류량으로 설정하였다. 또한 출력변수인 방류량의 범위는 실제 운영결과와 의 비교를 위하여 같은 조건인 최대방류량 14,000m³/s 을 상한으로 설정하였다. Table 2는 본 논문에서 사용한 가중인자(ω)를 나타내고 있으며, 0~1까지 0.
여기서, S 는 저류량, I는 유입량, O는 방류량 t는 시간단위이다. 또한, 삼각형 소속함수를 사용하여 각 변수에 대한 퍼지집합을 표현하였으며, 퍼지공간은 입력변수인 유입량과 저류량을 5개로 분할하고, 출력변수인 방류량은 적절한 시간내에 탐색을 수행함과 동시에 충분한 제어성능이 발휘될 수 있도록 7개의 퍼지공간으로 분할하였다.
이러한 홍수사상에 대해 본 논문에서는 입력변수인 유입량의 범위로서 상한과 하한을 각각 설계홍수량 18,000m³/s 와 0으로 설정하였으며, 저류량 범위의 상한은 계획홍수위 EL. 145m의 해당저류량으로, 그리고 하한은 제한수위 EL.
본 연구에서는 홍수시 저수지 운영 시스템의 방류량 결정에 필요한 예측정보의 불확실성을 고려하기 위해 퍼지제어 이론을 적용하였다. 저수지의 홍수조절 효과를 극대화하기 위해 전역최적화 기법인 타부탐색을 사용하여 퍼지제어규칙들을 최적화함으로써 홍수시 저수지 운영을 위한 퍼지-타부탐색 모형을 구성하였다. 충주 다목적댐을 대상으로 과거 홍수사상에 대하여 퍼지-타부 탐색 모형을 적용해 모의운영하고, 그 결과를 실제 운 영방법과 비교분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
저수지의 홍수조절 효과를 극대화하기 위해 전역최적화 기법인 타부탐색을 사용하여 퍼지제어규칙들을 최적화함으로써 홍수시 저수지 운영을 위한 퍼지-타부탐색 모형을 구성하였다. 충주 다목적댐을 대상으로 과거 홍수사상에 대하여 퍼지-타부 탐색 모형을 적용해 모의운영하고, 그 결과를 실제 운 영방법과 비교분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
퍼지제어를 위한 규칙기반(rule base)은 부호화된 타부 탐색을 이용하여 퍼지규칙의 결론부를 자동적으로 설정하였다. Table 1은 행렬로 나타낸 퍼지규칙의 예와 부호화된 퍼지규칙의 결론부를 나타낸다.
대상 홍수사상의 선정에 있어 충주댐의 과거 저수지 운영자료(1986년 1월~2003년 12월)를 검토한 후 비교적 큰 첨두방류를 실시하였던 1990년의 홍수를 선정하였다. 한국수자원공사(1991)에 수록된 예측유입량 자료를 바탕으로 타부탐색을 이용하여 퍼지 제어규칙을 최적화한 후, 실측유입량에 대해 저수지 모의운영을 실시하였다.

대상 데이터

충주 다목적댐은 남한강 수계에 건설된 국내 최대의 콘크리트 중력식댐으로, 남한강 유역이 보유하고 있는 수자원을 효율적으로 개발하여 하류지역에 각종 용수를 공급하고 수력에너지를 생산하여 첨두전력수요(최대전력소요시기)에 대처하는 한편, 하류지역의 홍수피해를 경감시킬 목적으로 건설된 댐이다. 높이 97.5m, 길이 447m, 용적 90만2천m³, 저수용량 27억5천만m³의 댐으로써 유역면적이 6,648km²에 이르는 거대한 댐으로, 본댐 하류 19.6km 지점에는 높이 21m, 길이 480.7m, 수문 20개를 가진 조정지댐을 갖추고 있다.
대상 홍수사상의 선정에 있어 충주댐의 과거 저수지 운영자료(1986년 1월~2003년 12월)를 검토한 후 비교적 큰 첨두방류를 실시하였던 1990년의 홍수를 선정하였다. 한국수자원공사(1991)에 수록된 예측유입량 자료를 바탕으로 타부탐색을 이용하여 퍼지 제어규칙을 최적화한 후, 실측유입량에 대해 저수지 모의운영을 실시하였다.

이론/모형

본 연구에서는 홍수시 저수지 운영 시스템의 방류량 결정에 필요한 예측정보의 불확실성을 고려하기 위해 퍼지제어 이론을 적용하였다. 저수지의 홍수조절 효과를 극대화하기 위해 전역최적화 기법인 타부탐색을 사용하여 퍼지제어규칙들을 최적화함으로써 홍수시 저수지 운영을 위한 퍼지-타부탐색 모형을 구성하였다.
1 간격으로 모두 적용한 후 결과값이 두드러진 차이를 나타내는 값들을 선택하여 목적함수를 작성하였다. 여기서, FTS는 Fuzzy-Tabu Search를 줄여서 표기한 것이며 뒷자리 번호는 가중인자들에 따른 모형을 분류하기 위해 사용하였다.
여기서, O : 방류량, ω : 가중인자, N : 자료수, 홍수 위 해당저류량 : 수위-저류량 관계곡선에 의한 홍수위에 해당하는 저류량이다. 퍼지추론 방식으로는 Mamdani(1974)의 Max-Min합성을 사용하였으며, 비퍼지화는 소속함수의 가중평균이나 소속함수에 의해 구분된 영역의 무게중심을 실제값으로 정하는 면적중심법 (Center Of Area method, COA)을 적용하여 퍼지값을 실제값(crisp value)으로 변환하였다. 홍수시 저수지 운영을 위한 퍼지-타부탐색 과정은 Fig.

성능/효과

(2) 퍼지제어는 시스템을 표현하는 변수의 수가 많아지고, 변수의 상태공간이 세분화될수록 정확한 제어를 할 수 있다. 이를 위해 각 상태에 맞는 제 어규칙들이 모두 설정되어야 하지만, 전문가의 지식을 반영하던 방법으로는 전문가가 판단할 수 있는 상태에 대해서만 제어규칙을 설정하였기 때문에 효율적인 제어가 이뤄지지 않았다.
(3) 타부탐색을 통해 댐이 안전한 범위에서 홍수조절 효과를 극대화시킬 수 있도록 제어규칙들을 최적화하여 저수지 운영에 적용한 결과, 첨두방류량이 감소되어 홍수조절율이 개선되었으며, 총 방류량 또한 감소되어 실제 운영방법에 비해 치수적 측면에 있어서 향상된 결과를 나타냈다. 또한 홍수 후에는 가용한 수자원의 양이 증대되어 이수적 측면에도 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
145m를 초과하였으나, 1990년 홍수사상의 경우 첨두유입량이 약 21,000 m³/s로 계획홍수량인 18,000 m³/s을 훨씬 초과하는 극심한 홍수사상이었음을 감안할 때, 퍼지-타부탐색 모형에 의한 저수지 운영은 홍수기간동안 실제운영보다 첨두수위를 낮게 유지하였으므로 댐의 안전적인 측면에서 향상된 결과를 나타낸다고 할 수 있다. 또한 홍수 후 수위에 있어서는 모형에 의한 결과가 실제 운영결과보다 높음을 확인할 수 있는데, 이것은 타부탐색을 통하여 홍수량을 최대한 저류시키도록 제어규칙을 최적화하였기 때문이며, 이러한 결과는 홍수 후 용수공급, 발전방류, 하천유지 등의 기능을 수행해야하는 다목적 댐의 이수적 측면에 있어서 이전의 운영방법보다 효율적이라는 것을 알 수 있다. 하지만, 홍수기 중에는 댐의 홍수방어능력을 증대시킬 수 있도록 법적으로 제한수위를 유지하도록 되어있으므로, 홍수가 끝난 후 다른 홍수가 예상될 때에는 예비방류 등의 방법으로 저수위를 낮춰야 할 것이다.

후속연구

(4) 본 연구에서는 단순히 홍수량을 최대한 저류시킴으로써 홍수조절 효과를 극대화하고자 하였으나, 향후에 하류부 홍수추적을 통한 홍수피해를 고려하여 제어규칙들을 최적화한다면 홍수시에 보다 효율적인 저수지 운영 시스템을 구성할 수 있을 것으로 사료된다.
이를 위해 각 상태에 맞는 제 어규칙들이 모두 설정되어야 하지만, 전문가의 지식을 반영하던 방법으로는 전문가가 판단할 수 있는 상태에 대해서만 제어규칙을 설정하였기 때문에 효율적인 제어가 이뤄지지 않았다. 따라서 본 연구에서 사용된 타부탐색을 통한 방법은 모든 상태를 고려해 제어규칙들을 자동적으로 설정할 수 있으므로, 퍼지제어 시스템의 성능을 개선시킬 수 있을 것으로 생각된다.
(3) 타부탐색을 통해 댐이 안전한 범위에서 홍수조절 효과를 극대화시킬 수 있도록 제어규칙들을 최적화하여 저수지 운영에 적용한 결과, 첨두방류량이 감소되어 홍수조절율이 개선되었으며, 총 방류량 또한 감소되어 실제 운영방법에 비해 치수적 측면에 있어서 향상된 결과를 나타냈다. 또한 홍수 후에는 가용한 수자원의 양이 증대되어 이수적 측면에도 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (30)

김여근, 윤복식, 이상복 (1997). 메타 휴리스틱. 영지문화사
김한섭, 이정규 (1998). '강우-유출 예측모형에 퍼지기법의 적용.' 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 1998, No. 98, pp. 109-114
김한섭, 이정규 (2000a). '홍수예보를 위한 통합저류함수모형의 퍼지제어(I) - 이론 및 모형의 수립.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제33권, 제6호, pp. 689-699

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김한섭, 이정규 (2000b). '홍수예보를 위한 통합저류함수모형의 퍼지제어(II)-모형의 적용.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제33권, 제6호, pp. 701-709

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김형수, 나창진, 김중훈, 강인주 (2002). '퍼지론에 의한 강수예측 : II. 퍼지 시계열의 적용성.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제32권, 제1호, pp. 631-638
나창진, 김형수, 김중훈, 강인주 (2002). '퍼지론에 의한 강수예측 : I. 뉴로-퍼지 시스템과 마코프 연쇄의 적용.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제32권, 제1호, pp. 619-629

원문보기 상세보기
심명필, 박인보, 선우중호, 황만하 (1990). '홍수기중 실시간 저수지 운영(I) - 대청댐의 단일 저수지 운영 방안.' 한국수문학회지, 한국수문학회, 제23권, 제3호
심명필, 이재형, 권오익 (1996). '홍수예측에 의한 예비 방류 방안.' 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제29권, 제1호, pp. 235-247

원문보기 상세보기
심재현, 김지태 (1998). '퍼지제어기법을 이용한 치수목적의 저수지 운영기법.' 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 203-208
심재현, 조원철, 이원환 (1992). '자기 조정력을 가진 퍼지제어기법에 의한 우수배제펌프의 적응제어.' 한국수자원학회지 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 291-299
오영민, 이길성 (1986). 'Min-Max DP에 의한 소양 및 충주호의 홍수조절 운영.' 한구수문학회지, 한구수문학회, 제19권, 제4호, pp. 339-344
이광형, 오길록 (1991). 퍼지이론 및 응용. 홍릉과학출판사
이길성, 정동국 (1985). '홍수시 충주댐 운영방안의 비교검토.' 한국수문학회지, 한국수문학회, 제18권, 제3호, pp. 225-233
이재형, 이길성, 정동국 (1992). 'Incremental DP에 의한 홍수시 댐군의 연계운영.' 한국수문학회지, 한국수문학회, 제25권, 제2호, pp. 47-59
이한구, 이상호 (1998). '복합 모델링 기법을 이용한 홍수시 저수지 최적 운영(사례 연구 : 충주 다목적 저수지)' 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제31권, 제6호, pp. 727-739

원문보기 상세보기
조원철, 심재현 (1992). 'Fuzzy 이론의 수문학에의 적용(I, II).' 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제25권 제1호, pp. 47-52, pp. 59-63
한국수자원공사 (1991). 충주댐 및 소양강댐유역 1990년 대홍수의 수문학적 분석
Bagis, A. (2002). 'Determining fuzzy membership functions with tabu search - an application to control.' Fuzzy Sets and Systems, Vol. 139, pp. 209-225

상세보기
Campbell, P.F. (1993). 'Application of fuzzy set theory in reservoir operation.' MASc thesis, University of British Columbia, Vancouver, Canada
Denna, M., Mauri, G., Znaboni, A. M. (1999). 'Learning Fuzzy Rules with Tabu Search - An Application to Control.' IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 7, No. 2, pp. 295-318

상세보기
Dubrovin, T., Jolma, A., Turunen, E.(2002). 'Fuzzy Model for Real-Time Reservoir Operation.' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 28, No. 1, pp. 66-73

상세보기
Glover, F.(1989). 'Tabu Search - Part I.' ORSA Journal on Computing, Vol. 1, No. 3, pp. 190-206

상세보기
Glover, F.(1990). 'Tabu Search - Part II.' ORSA Journal on Computing, Vol. 2, No. 1, pp. 4-32

상세보기
Karaboga, D. (1996). 'Design of Fuzzy Logic Controllers Using Tabu Search Algorithm.' Biennial Conf. North American Fuzzy Inf. Processing Society, pp. 489-491
Mamdani, E.H. (1974). 'Application of fuzzy algorithms for control of simple dynamic plant.' in Proc. IEEE control and Science, Vol. 121, No. 12
Mori H., Sone, Y., Moridera, D., Kondo, T. (2000). 'A Parallel Tabu Search Based Fuzzy Inference Method for Short-term Load Forecasting.' Power Engineering Society Winter Meeting, Vol. 3, pp. 1702-1707
Panigrahi, D.P., Mujumdar, P.P. (2000). 'Reservoir Operation Modelling with Fuzzy Logic.' Water Resources Management, Vol. 14, pp. 89-109

상세보기
Russell, S.O., Campbell, P.F. (1996). 'Reservoir Operating Rule with Fuzzy Programming.' Water Resources Planning and Management, Vol. 122, No. 3, pp. 165-170

상세보기
Shrestha, B.P., Duckstein, L., Stakhiv, E.Z.(1996). 'Fuzzy Rule-Based Modeling of Reservoir Operation.' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 122, No. 4, pp. 262-269

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Zadeh, L.A.(1965). 'Fuzzy sets.' Inform. Contr., Vol. 8, pp. 338-353

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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