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초록
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본 연구에서는 이상홍수 발생 시 저수지의 안전성을 확보함과 동시에 두 개의 저수지를 효율적으로 연계운영하여 하류의 홍수피해를 줄이기 위한 모형을 개발하였다. 이상홍수 발생 시 저수지 최적연계운영을 위해 선형계획법을 사용하였고, 저수지 운영에서 유입량, 저수지 수위, 유입량의 증감 등의 요소에 포함된 불확실성을 해결하기 위해 퍼지제어기법을 도입하였다. 선형계획법을 이용하여 이상홍수 유입에 따른 저수지 최적연계운영규칙을 찾아내고, 퍼지제어기법을 사용하여 신속하고 정교한 운영이 요구되는 이상홍수 유입상황에 사용할 수 있는 모형을 개발하였다. 본 연구에서는 낙동강 상류에 위치한 안동댐과 임하댐을 대상으로 각 댐의 저수지에 100년 빈도의 홍수와 PMF가 유입될 때 안동시의 계획홍수량을 초과하지 않도록 저수지최적연계운영을 실시하였고, 최적연계운영규칙과 퍼지제어기법을 사용하여 댐 하류지점의 유량과 각 댐별 저류량, 유입량, 유입량의 증감에 따라 방류량을 결정하는 모형을 개발하였다. 개발된 모형은 안동댐과 임하댐의 각 저수지 및 안동시의 유황에 따라 결정되는 224개의 퍼지규칙으로 정리되었으며, GUI를 통해 현재 유황을 입력하면 각 댐의 방류량을 간단히 결정할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the model enhancing the safety of reservoirs and reducing the downstream flood damage by reservoirs system operation during abnormal flood was developed. Linear programming was used for the optimal reservoirs system operation during an abnormal flood and fuzzy inference system was int...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 두 개 이상의 저수지가 위치한 유역에 PMF에 근접하는 홍수가 발생했을 때, 저수지의 홍수 대응 능력을 향상시킬 수 있는 최적 저수지 연계운영은 고려되지 못하고 있다. 본 연구에서는 두 개의 다목적댐이 위치한 유역에 이상홍수 발생 시, 두 개의 저수지를 효율적으로 연계 운영하여 하류의 홍수피해를 최소화함과 동시에 저수지의 안전성을 확보하기 위해 저수지 운영모형을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 현재 본 연구에서 개발하고자 하는 모형은 저수지 운영모형이나 최적화 모형과 같이 홍수발생 시 전체 기간 동안의 유입량을 알고 있다고 가정하는 상태에서 전 기간에 대한 방류계획을 수립하는 것이 아니라, 이상홍수와 같은 긴박한 상황에서 실시간으로 의사결정자의 의사결정을 지원하기 위한 저수지 방류량 결정모형이다.
  • 본 연구에서는 안동·임하댐의 저수지 상류에 100년 빈도 홍수량 및 PMF에 해당하는 이상홍수 발생 시 댐의 하류에 위치한 안동시 지점의 유출량을 최소화하는 것을 목적으로 하여 최적화 기법인 선형계획법과 퍼지제어기법을 적용한 퍼지최적저수지운영기법을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 안동시 지점의 홍수량을 최소화하는 것을 목적함수로 하고, 저수지 저류량과 방류량의 범위 등을 제약조건으로 하여 저수지 운영을 실시하였다. 이상홍수 발생 시 저수지의 다양한 상황을 모의하기 위해 부여한 저수지의 초기 조건은 모두 여수로의 월류부 수위 이상의 수위에 해당하는 저류량으로 설정되어 모든 경우 전 시간에 대해 여수로 방류가 가능한 수위가 유지되었지만, 저수지 수위 - 방류량에 관련된 제약조건을 설정하지 않았기 때문에 실제 방류될 수 있는 방류량을 초과하여 방류하는 경우가 발생하였다.
  • 본 연구에서는 이상홍수 발생 시 저수지 최적 연계운영기법을 개발하기 위해 안동댐과 임하댐이 위치한 낙동강 상류 유역을 대상으로 연구를 진행하였다. 안동댐과 임하댐은 낙동강의 상류에 위치한 안동시로부터 각각 5.
  • 본 연구에서는 저수지 최적연계운영을 위한 퍼지 운영규칙을 구성하기 위해 안동댐과 임하댐의 저수지 최적연계운영 결과로부터 최적운영 규칙을 추출하였다. 최적운영 규칙을 퍼지제어기법에 적용하기 위해 앞에서 선정한 퍼지 입·출력 변수의 소속함수를 기준으로 최적운영결과를 정리하였다.
  • 본 연구에서는 저수지 최적운영에서 여수로 방류에 대한 저수지의 수위에 따른 방류량 제약조건이 고려되지 못하여 실제 방류 가능량 이상의 방류를 하게 되는 문제가 발생하였다. 그러나 본 연구에서는 연구의 중점이 저수지의 최적운영이 아니라 최적운영의 결과로부터 추출한 운영규칙을 퍼지제어기법에 적용하여 저수지 운영에 있어서 의사결정에 도움을 주는 것에 있으므로 저수지 최적운영결과를 그대로 사용하였다.
  • 이상홍수 발생 시 저수지의 다양한 상황을 모의하기 위해 부여한 저수지의 초기 조건은 모두 여수로의 월류부 수위 이상의 수위에 해당하는 저류량으로 설정되어 모든 경우 전 시간에 대해 여수로 방류가 가능한 수위가 유지되었지만, 저수지 수위 - 방류량에 관련된 제약조건을 설정하지 않았기 때문에 실제 방류될 수 있는 방류량을 초과하여 방류하는 경우가 발생하였다. 이는 실제 상황과 부합되지 않는 결과이지만 본 연구에서는 최적운영의 결과보다는 최적운영의 결과로부터 운영규칙을 추출하여 퍼지제어기법에 적용하는 것을 중점으로 두었기에 본 최적화 결과를 사용하여 연구를 진행하였다.
  • 저수지 최적 연계운영은 시·공간적으로 불균형하게 존재하는 두 개 이상의 수자원을 균형 있게 이용하기 위한 기법으로 본 연구에서는 저수지 하류 지점에서의 최대홍수량을 최소화하는 것을 목적함수로 하고, 각 댐 저수지의 물리적 특성값을 제약조건으로 하여 두 개의 저수지를 연계 운영하였다.

가설 설정

  • 최적화 모형에서 안동댐, 임하댐의 각 저수지 및 길안천의 유입 홍수량은 이상홍수 상황을 고려하여 각 댐에서는 100년 빈도 및 PMF 홍수량을 사용하였고, 길안천은 200년 빈도의 홍수량을 사용하였다. 실제 이와 같은 큰 홍수량이 각 저수지 및 길안천을 통해 동시에 유입되는 상황이 발생할 확률은 낮지만 극한의 상황을 가정하기 위해 위와 같은 상황을 가정하였다. 각 저수지의 유입 홍수량은 안동댐 저수지의 경우 18시간, 임하댐 저수지의 경우 24시간의 지속시간을 갖는 호우를 통해 산정되어, 홍수 지속시간의 차이가 있어 각 저수지에 공통적으로 홍수유입 시점으로부터 50 시간(10 분 간격 300 구간, 3,000 분)까지의 유입량 자료를 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최적화 문제를 구성하는 두 부분은 무엇인가? 최적화기법은 가능한 모든 대안에 대해 각각 계산하고 평가하지 않고도 최선의 대안을 찾아낼 수 있는 계산방법이다. 최적화 문제는 다음과 같이 목적함수와 제약조건의 두 부분으로 구성된다.
최적화 문제를 구성하는 목적함수와 제약조건은 각각 어떻게 구분되는가? 모든 최적화 문제는 목적함수(objective function)와 제약조건의 두 부분으로 구성된다. 목적함수는 모형의 종류에 따라 최대화(maximize) 혹은 최소화(minimize) 문제로 구별할 수 있으며, 제약조건들은 등식, 또는 부등식의 형태로 구분되어진다. 최적화 문제는 목적함수와 제약조건의 형태와 계산 방법에 따라 선형계획법, 비선형계획법, 정수계획법, 동적 계획법 등으로 분류되어 진다.
이상홍수란 무엇인가? IPCC(Intergovernmental Panel for Climate Change) 보고서(2007)에 따르면 한반도의 연평균강우량은 증가하고 강우발생일은 감소하여 강우강도는 지속적으로 증가하고 있는 것으로 나타났으며, 지금까지의 기후변화 추세를 통해 볼 때 앞으로의 호우 사상은 현재보다 더 극심한 양상을 나타낼 것으로 예상된다. 이상홍수란 댐 및 하천시설물 설계에 적용된 강우강도와 홍수량을 초과하는 경우를 의미한다(고덕구, 2011). 이상홍수가 저수지로 유입될 경우 일반적인 홍수가 유입될 경우의 저수지 운영보다 더욱 신속하고 정교한 운영이 요구될 것으로 판단된다.
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참고문헌 (19)

  1. 건설교통부(2004) 댐의 수문학적 안정성 검토 및 치수능력증대 기본계획 수립. 

  2. 고덕구(2011) "이상홍수의 현황과 대응방안", 국토, 국토연구원, 통권355호, pp. 24-29. 

  3. 고충석, 이병철(1986) "선형계획기법(Linear Programming)에 관한 연구", 제주대학교 논문집, 제주대학교, 제23집(사회편), pp. 13-27. 

  4. 김진호(2011) 적응 퍼지 제어기법을 이용한 대청댐 운영의 최적화, 석사학위논문, 경희대학교 대학원. 

  5. 심재현, 김지태, 허준행(2004a) "퍼지제어모형을 이용한 다목적댐의 홍수조절모형(I)-단일댐의 운영모형 개발". 한국방재학회논문집, 한국방재학회, Vol. 4 No. 1, pp. 33-40. 

  6. 심재현, 김지태, 조원철(2004b) "퍼지제어모형을 이용한 다목적댐의 홍수조절모형(II)-과거홍수사상에 대한 적용". 한국방재학회논문집, 한국방재학회, Vol. 4 No. 1, pp. 41-50. 

  7. 이재응, 최성규(2007a) "Fuzzy DP를 이용한 유역의 저수지 시스템 최적운영(I) - Fuzzy DP 기법 개발". 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, Vol. 27 No. 18, pp. 65-70. 

  8. 이재응, 최성규(2007b) "Fuzzy DP를 이용한 유역의 저수지 시스템 최적운영(II) - 다목적댐에 적용". 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, Vol. 27 No. 18, pp. 71-77. 

  9. 정한우(2005) 홍수시 저수지 운영을 위한 퍼지-타부탐색 모형의 적용, 석사학위논문, 인하대학교 대학원. 

  10. Deep, K., Singh, K.P., Kansal, M.L., and Mohan, C. (2009) "Management of multipurpose multireservoir using fuzzy interactive method", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, 2009, pp. 1-17. 

  11. Ganji, A., Khalili, D., Karamouz, M., Ponnambalam, K., and Javan, M. (2008) "A fuzzy stochastic dynamic Nash game analysis of policies for managing water allocation in a reservoir system", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, Volume 22, Issue 1, January 2008, pp. 51-66. 

  12. IPCC (2007) Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Group I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC, Geneva, Switzerland. 

  13. Jairaj, P.G. and Vedula, S. (2000) "Multireservoir system optimization using fuzzy mathematical programming", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, Volume 14, Issue 6, December 2000, pp. 457-472. 

  14. Karaboga, D., Bagis, A., and Haktanir, T. (2008) "Controlling spillway gates of dams by using fuzzy logic controller with optimum rule number", Applied Soft Computing Journal, Volume 8, Issue 1, January 2008, pp. 232-238. 

  15. 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. 

  16. Mehta, R. and Jain, S.K. (2009) "Optimal operation of a multi-purpose reservoir using neuro-fuzzy technique", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, Vol. 23, Issue 3, pp. 509-529. 

  17. Panigrahi, D.P. and Mujumdar, P.P. (2000) "Reservoir operation modelling with fuzzy logic", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, Volume 14, Issue 2, April 2000, pp. 89-109. 

  18. Pinthong, P., Gupta, A.D., Babel, M.S., and Weesakul, S. (2009) "Improved reservoir operation using hybrid genetic algorithm and neurofuzzy computing", Water Resources Management, Edited by Springer, Netherlands, Vol. 23, Issue 4, 2009, pp. 697-720. 

  19. Zadeh, L.A. (1965) "Fuzzy sets", Information and Control, Vol. 8, Issue 3, pp. 338-353. 

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