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Neuro-Fuzzy 추론기법을 이용한 홍수 예.경보
Flood Forecasting and Warning Using Neuro-Fuzzy Inference Technique 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.41 no.3, 2008년, pp.341 - 351  

이재응 (아주대학교 공과대학 건설교통공학과) ,  최창원 (아주대학교 대학원 건설교통공학과)

초록
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최근 지구 온난화로 인한 이상기후의 영향으로 게릴라성 집중호우의 피해가 증가하고 있으므로 대하천뿐만 아니라 중 소하천에서도 홍수 예 경보의 중요성이 높아지고 있다. 기존의 홍수 예 경보 체계의 경우 유출량을 계산하는 전처리과정과 주 계산과정을 거치는 동안 많은 오차들이 발생하고, 누적되어 그 결과물(예측된 유출량) 속에 오차들이 내포되어 있다. 또한 유출모형의 적용에 필요한 매개변수들을 추정하기 위해서도 많은 실측자료가 필요하고, 많은 불확실성이 내재되어 있다. 본 연구에서는 기존의 홍수 예 경보 시스템의 문제점과 불확실성을 최대한 감소시키기 위해 ANFIS(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference) 기법을 사용하였다. ANFIS는 신경회로망 기법을 사용한 data driven 모형으로 기존의 물리적 모형의 구축과정에서 필수적이었던 방대한 양의 물리적 자료를 배제하고 유역의 강우자료와 수위자료만으로 모형을 구축하고 수위 예측을 실시할 수 있다. 입력자료로는 시계열 강우자료와 수위자료를 사용하였고, 모형을 통하여 t+1, t+2, t+3 시간 후의 수위를 예측하였다. 탄천유역의 2003년부터 2005년까지의 강우사상을 이용하여 모형의 적용성과 타당성을 검토하였고, 2006년 실제 강우에 모형을 적용한 결과 실제 수위를 큰 오차 없이 모의할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the damage from the torrential rain increases recently due to climate change and global warming, the significance of flood forecasting and warning becomes important in medium and small streams as well as large river. Through the preprocess and main processes for estimating runoff, diverse erro...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 경기도의 탄천 유역을 대상으로 ANFIS를 이용하고 과거 및 현재의 강우와 수위 사상을 사용하여 미래의 하천 수위를 예측하였다. 탄천은 경기도 용인시에서 발원해서 성남시와 서울특별시 송파구·강남구를 거쳐 한강으로 흘러드는 한강의 지류로서, 절반이 넘는 약 25㎞ 구간이 성남시의 중심부에 걸쳐 있는 전형적인 도시하천이다.
  • 본 연구에서는 뉴로-퍼지이론을 적용하여 관측 강우 자료와 하천 수위 자료로부터 미래의 하천 수위를 예측하기 위한 모형을 개발하였다. 수위를 예측하는데 있어서, 기존의 물리적 모형 구축과정에서 필요한 유역의 물리적, 지형자료와 같은 방대한 양의 자료를 배제하고, 유역의 강우 자료와 과거의 수위 자료만으로 모델을 구축하고, 유역상황의 변화 시에도 쉽게 적용할 수 있도록 자료 지향형 모형의 한 형태인 ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)를 사용하였다.
  • 시스템이 구축되면 훈련을 통해 생성된 수위예측 모형이 올바른 예측을 할 수 있는지를 검증해야 한다. 본 연구에서는 최적의 자료 구성을 찾기 위해서 평균제곱오차와 첨두수위비를 비교하여 종합적으로 판단하고 최적의 구성을 선정하였다.
  • 본 연구에서는 탄천유역의 대곡교 지점의 수위를 예측하기 위해 퍼지이론과 신경망 이론이 결합된 뉴로-퍼지 시스템인 ANFIS를 이용하여 수위 예측 모형을 구성하고, 비교, 검토하였다. ANFIS는 자료 지향형 모형으로 기존에 널리 사용되던 개념적 모형이나 물리적 모형과는 차이가 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
퍼지란 무엇인가? 퍼지란 어느 집합의 원소가 그 집합에 속하는지 또는 속하지 않는지에 대하여 명확히 구분할 수 없는, 부정확성을 의미한다(Zadeh, 1965). 일반적인 집합(crisp 집합)의 경우에는 소속함수와 nonmembership이 명확히 구분되어 나타나지만, 퍼지 집합에서는 membership의 정도가 0∼1사이의 어떤 값을 갖는다.
인공 신경회로망은 무엇으로 구성되나? 인공 신경회로망은 정보가 들어오는 입력층, 뉴런에 미치는 영향의 크기를 조절하는 연결 강도, 입력과 연결 강도를 결합하는 결합 함수, 그리고 결합 함수로부터 나온 결과를 변환하여 출력값을 결정하게 되는 활성 함수로 구성된다. 아래의 Fig.
신경회로망을 이용하여 membership 함수를 결정하면 어떤 장점이 있나? 신경회로망을 이용하여 membership 함수를 결정하면 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 사용자가 직접 개입되지 않아도 membership 함수에 대한 학습이 자동으로 이루어지기 때문에 시스템의 개발 시간이 단축될 수 있다. 둘째, 신경회로망은 비선형성을 가지기 때문에, 비선형 membership 함수를 결정할 수 있다. 셋째, 신경회로망의 학습기능을 이용하여 전문가로부터 규칙을 자동으로 획득할 수 있다. 넷째, 신경회로망의 학습기능에 의해 추론 환경에 능동적으로 적응할 수 있다.(강일환, 1999)
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참고문헌 (11)

  1. 강일환 (1999). ANFIS이론을 이용한 상수도 일일 급수량 예측, 전남대학교 토목공학과 석사학위 논문, pp. 22-43 

  2. 고영후 (2001). 하천의 시유출량 예측을 위한 퍼지신경회로망의 적용, 전남대학교 토목공학과 석사학위논문, pp. 1-6, pp. 14-17 

  3. 신성일 (2002). 신경회로망과 뉴로-퍼지를 이용한 홍수량예측에 관한 연구, 경일대학교 도시정보, 측지지적공학과 석사학위 논문. 

  4. 정대명 (2003). 월 댐유입량 예측을 위한 뉴로-퍼지시스템의 적용, 세종대학교 토목환경공학과 석사학위 논문, pp. 2-5 

  5. Aquil, M., Kita, I., Yano, A., and Nishiyama, S. (2007). "A comparative study of artificial neural networks and neuro-fuzzy in continuous modeling of the daily and hourly behavior of runoff." Journal of Hydrology, 337(1-2), 22-34 

  6. Chang, F.J., and Chen, Y.C. (2001). "A counterpropagation fuzzy-neural network modeling approach to real time streamflow prediction." Journal of Hydrology, Vol. 245, pp. 153-164 

  7. Chang, F.J., Hu, H.F and Chen, Y.C. (2001)."Counterpropagation fuzzy-neural network for streamflow reconstruction." Hydrological Processes, 15, pp. 219-232 

  8. Gautam, D.K., and Holz, K.P. (2001). "Rainfall-runoff modeling using adaptive neuro-fuzzy systems." Journal of Hydroinformatics, March, pp. 3-10 

  9. Mamdani, E.H., and Assilian, S. (1975). "An experiment in linguistic synthesis with a fuzzy logic controller." International Journal of Man-Machine Studies, Vol. 7, No. 1, pp. 1-13 

  10. Nayak, P.C., Sudheer, K.P., Rangan, D.M., and Ramasastri, K.S. (2005). "Short-Term Flood Forecasting with a Neurofuzzy Model." Water Resources Research, Vol. 41, No. 4, W04004 

  11. Zadeh L.A. (1965). "Fuzzy Sets." Information and Control, Vol. 8, pp.338-353 

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