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누가분포함수를 활용한 강우강도식의 국내 적용성 평가
Application of Intensity-Duration-Frequency Curve to Korea Derived by Cumulative Distribution Function 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.28 no.4B, 2008년, pp.363 - 374  

김규태 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  김태순 (연세대학교 사회환경시스템공학부 BK21) ,  김수영 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  허준행 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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국내에서 수공구조물의 설계를 위한 확률강우량을 산정하기 위해서 널리 사용되는 강우강도식은 주로 회귀분석을 적용한 형태가 일반적이지만, 본 연구에서는 각 지점별 적정확률분포형의 누가분포함수를 활용하여 강우강도식의 형태를 결정하고, 매개변수유전자알고리즘을 적용하여 추정하는 강우강도식을 제안하고자 한다. 기존에 사용하던 강우강도식과의 정확도 비교를 위하여 기상청 22개 지점에 대한 재현기간, 지속기간별 평균제곱근오차, 평균제곱근 상대오차를 검토한 결과 누가분포함수를 활용한 강우강도식이 더 높은 정확도를 가짐을 보였으며, 또한, 최근의 집중호우에 대한 영향을 살펴보기 위하여 2006년 까지의 강우자료를 이용하여 기존의 회귀식에 의한 방법과 누가분포함수를 활용한 경우의 결과값을 비교한 결과 이 경우에도 누가분포함수를 활용한 강우강도식의 정확도가 더 높음을 알 수 있었다. 결과적으로 본 연구에서 제안된 누가분포함수를 활용한 강우강도식은 기존의 회귀분석을 활용한 강우강도식보다 정확도면에서 우수하다고 할 수 있으며, 국내에 충분히 적용가능한 형태의 강우강도식이라고 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Intensity-Duration-Frequency (IDF) curve that is essential to calculate rainfall quantiles for designing hydraulic structures in Korea is generally formulated by regression analysis. In this study, IDF curve derived by the cumulative distribution function ("IDF by CDF") of the proper probability dis...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 누가분포함수를 활용한 강우강도식의 국내 적용성을 살펴보기 위하여, 기존에 사용되던 회귀분석을 활용한 강우강도식의 결과와 정확도를 비교해 보았으며, 최근까지의 강우자료를 사용하여 새로운 강우강도식의 매개변수를 제시하였다. 누가분포함수를 활용한 강우강도식의 매개 변수를 추정하는데 있어서는 유전자알고리즘을 사용하였으며, 비교적 충분한 기간 동안 강우자료가 기록된 기상청 22개 지점에 대해서 평균제곱근오차(RMSE)와 평균제곱근 상대오차(RRMSE)를 최소화시키는 형태의 목적함수를 구성하여서 최적 매개변수를 추정하였다.
  • 본 연구에서는 우리나라 주요지점에 대한 적정 확률분포형을 결정한 후 해당 확률분포형의 누가분포함수를 이용하여 식 (9), (10)과 같은 형태를 가지는 강우강도식의 매개변수를 유전자알고리즘을 이용하여 추정한 후 완성된 강우강도식으로부터 얻어진 강우강도와, 기존의 식 (3)과 같은 회귀 분석을 활용한 강우강도식을 이용하여 얻어진 강우강도를 서로 비교하여 누가분포함수를 활용한 강우강도식의 적용성을 검토하고자 하였다. 여기서, 기존에 사용되던 식 (1), (2)보다 식 (3)을 이용한 이유는 다른 두 가지 식들보다 정확도 면에서 더 높은 결과를 보이기 때문이고(김태순 등, 2007), 비교적 최근의 자료를 활용한 연구결과(건설교통부, 2000)와의 비교가 가능하기 때문이다.
  • 본 연구의 목적은 기존에 국내에 적용되고 있던 강우강도식의 형태를 이론적인 근거를 가지는 형태로 개선하기 위한 것으로서, Koutsoyiannis et al.(1998)에 의해서 제안된 누가 분포함수를 활용한 강우강도식의 형태를 기본적으로 활용하고 매개변수를 추정하는데 있어서는 회귀분석방법보다 적용성에 있어서 더 효율적인 유전자알고리즘을 이용하여, 전국에 있는 기상청산하 22개 관측지점에 대한 강우강도식의 매개변수를 새롭게 추정하여 제안하고자 한다.
  • 빈도해석절차의 특성상 관측자료의 기간이 길수록 더 안정적인 결과를 보인다고 할 수 있기 때문에 본 연구에서는 사용된 기상청 22개 지점 중 관측 기록년수가 가장 긴 상위 8개 지점인 서울(000108_GEV), 대구(000143_GEV), 전주(000146_GUM), 울산(000152_GEV), 광주(000156_GEV), 부산(000159_GUM), 목포(000165_GEV), 여수(000168_GEV)의 대해서 개체수와 세대수에 따른 목적함수의 변화를 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대상지점에 대한 적정확률분포형을 적합도검정등의 방법의 장단점은 무엇인가? 이런 방법은 정확한 확률강우량값을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 적어도 30년 이상의 기간동안 구축된 강우량 자료가 필요하며, 확률분포형의 매개변수를 구하거나 적합도 검정을 하는 등의 과정에 상당히 전문적인 지식이 필요하다는 단점이 있다. 반면에, 빈도해석으로 구한 확률강우량을 활용한 강우강도식(intensity-duration-frequency curve)은, 빈도 해석을 통한 분석보다는 정확도가 떨어지지만 한번 강우강도식의 매개변수를 결정해놓으면 별다른 추가적인 작업 없이도 비교적 정확한 확률강우량 혹은 강우강도를 얻을 수 있으며, 또한 과거의 강우자료가 구축되지 않은 임의의 지속 기간에 대한 결과값도 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.
강우강도식은 무엇인가? 강우강도식은 강우강도-지속기간-재현기간(Intensity-DurationFrequency, IDF) 사이의 관계를 나타내기 위해서 사용하는 식으로, 주로 수공구조물을 설계할 때 복잡한 빈도해석(frequency analysis)을 거치지 않고 간략하게 원하는 재현기간에 대한 강우강도 혹은 확률강우량을 산정하기 위해서 사용한다. 우리나라에서는 주로 Talbot, Sherman, Japanese형과 같이 간단한 형태의 강우강도식이 사용되고 있으며, 국내에서 개발된 강우강도식은 이원환 등(1993), 허준행 등(1999)이 제안한 식이 있다.
유전자알고리즘이란 무엇인가? 유전자알고리즘은 1970년대에 Holland(1975)에 의해서 구체화되고 Goldberg(1989)에 의해서 각종 공학분야에 적용되기 시작한 기법으로, 염색체(chromosome)의 집합으로 이루어진 군(population)을 이용하여 교배(crossover), 돌연변이(mutation), 선택(selection)등의 유전자연산자(genetic operator)를 적용하여 주어진 문제의 최적해를 구하는 최적화기법이다. 유전자알고리즘은 기존의 최적화 기법들이 가지고 있었던 단점중의 하나인 목적함수(objective function)의 형태에 따른 기법적용의 제약이 없으며, 각종 제약조건들의 비선형성을 비교적 효율적으로 처리할 수 있는 최적화 기법으로 알려져 있다.
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참고문헌 (23)

  1. 건설교통부(1993) 하천시설기준. p.581 

  2. 건설교통부(2000) 1999년도 수자원관리기법개발연구조사보고서, 제1권: 한국확률강우량도 작성. 한국건설기술연구원 

  3. 김태순, 신주영, 김수영, 허준행(2007) 유전자알고리즘을 이용한 강우강도식 매개변수 추정에 관한 연구(I): 기존 매개변수 추정방법과의 비교. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 40, No. 10, pp. 811-821 

  4. 신주영, 김태순, 김수영, 허준행(2007) 유전자알고리즘을 이용한 강우강도식 매개변수 추정에 관한 연구(II): 장단기간 구분 방법의 제시. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 40, No. 10, pp. 823-832 

  5. 윤용남(1998) 공업수문학, 청문각, 서울 

  6. 이원환(1980) 도시하천 및 하수도 개수계획상의 계획강우량 설정에 관한 추계학적 해석. 대한토목학회지, 대한토목학회, 제28권 제4호, pp. 81-93 

  7. 이원환(1997) 개정판 수문학, 문운당, 서울 

  8. 이원환, 박상덕, 최성열(1993) 한국 대표확률강우강도식의 유도. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제13권 제1호, pp. 115-120 

  9. 한국건설기술연구원(2000) 강우자료 추출 및 확률강우량 산정프로그램 개발 최종보고서, 연세대학교 건설공학연구소 

  10. 허준행, 김경덕, 한정훈(1999) 지속기간별 강우자료의 적정분포형 선정을 통한 확률강우강도식의 유도. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 32, No. 3, pp. 247-254 

  11. Baldassarre, G.D., Brath, G., A., and Montanari, A. (2006) Reliability of different depth-duration-frequency equations for estimating short-duration design storms. Water Resources Research, 42, W12501, doi:10.1029/2006WR004911 

  12. Bernard, M.M. (1932) Formulas for rainfall intensities of long duration. Transactions, ASCE, 96(Paper No.1801), pp. 592-624 

  13. Chen, C.-L. (1983) Rainfall intensity-duration-frequency formulas. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 109, No. 12, pp. 1603-1621 

  14. Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., and Meyarivan, T. (2002) A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. Evolutionary Computation, IEEE Transactions on, Vol. 6, No. 2, pp. 182-197 

  15. Giustolisi, O., Savic, D. and Kapelan, Z., 2006. Multi-Objective Evolution Polynomial Regression, 7th International Conference on Hydroinformatics (HIC 2006), Nice, FRANCE 

  16. Goldberg, D.E. (1989) Genetic algorithms in search, optimization & machine learning, Addison Wesley, Reading, Massachusetts 

  17. Holland, J.H. (1975) Adaptation in natural and artificial systems, University of Michigan Press 

  18. Kim, T. (2005) Multireservoir System Optimization Using Multi-Objective Genetic Algorithms, PhD dissertation, Yonsei University, Seoul 

  19. Koutsoyiannis, D., Kozonis, D., and Manetas, A. (1998) A mathematical framework for studying rainfall intensity-duration-frequency relationships. Journal of Hydrology, Vol. 206, No. 1-2, pp. 118-135 

  20. Meyer, A.F.B. (1928) The elements of hydrology, London, Chapman & Hall, New York, J. Wiley 

  21. Mohymont, B., Demaree, G.R., and Faka, D.N. (2004) Establishment of IDF-curves for precipitation in the tropical area of Central Africa - comparison of techniques and results. Natural Hazards and Earth System Sciences, Vol. 4, pp. 375-387 

  22. Sherman, C.W. (1931) Frequency and intensity of excessive rainfalls at Boston, Massachushtts. Transactions, ASCE, 95(Paper No.1780), pp. 951-960 

  23. Srinivas, N. and Deb, K. (1994) Multiobjective optimization using nondominated sorting in genetic algorithms. Evolutionary Computation, Vol. 2, No. 3, pp. 221-248 

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