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신경망 이론을 이용한 노면온도예측모형 개발
Development of a Surface Temperature Prediction Model Using Neural Network Theory 원문보기

大韓交通學會誌 = Journal of Korean Society of Transportation, v.32 no.6, 2014년, pp.686 - 693  

김인수 (한국건설기술연구원 도로교통연구실) ,  양충헌 (한국건설기술연구원 도로교통연구실) ,  최기주 (아주대학교 교통시스템공학과)

초록
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본 연구에서는 도로기상정보체계에서 습득할 수 있는 노면온도자료를 활용하여 신경망 이론을 통해 노면온도를 예측하는 모형을 개발하였다. 이를 위해 수집된 노면온도자료(노면온도, 대기온도, 대기습도)를 가지고 1시간, 2시간, 그리고 3시간 후의 노면온도를 예측할 수 있는 신경망을 설계하였다. 청원-상주간 고속도로를 대상으로 모형을 수행한 결과, 예측치와 관측치에 대한 편차표준편차가 1시간 예측인 경우 $0.55^{\circ}C$, 2시간 예측인 경우 $1.27^{\circ}C$, 3시간 예측인 경우 $1.43^{\circ}C$를 나타났다. 또한 예측된 노면온도를 실제 관측한 자료와 비교한 결과 R2 값이 각각 0.985, 0.923, 0.903으로 나타나 모형의 설명력이 높은 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents a model that enables to predict road surface temperature using neural network theory. Historical road surface temperature data were collected from Road Weather Information System. They used for the calibration of the model. The neural network was designed to predict surface tempe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 반면 본 연구에서는 신경망 이론을 기초로 하기 때문에 기존의 노면온도예측모형과는 다른 방법으로 노면온도 예측이 가능하다. 따라서 본 연구는 신경망 이론을 도로노면온도예측에 적용시킨 연구이며, 기초 수집 자료가 많으면 많을수록 신경망 이론의 예측의 정확도가 증가할 것으로 판단된다.
  • 따라서 본 연구에서는 현재 관측된 도로노면온도자료를 바탕으로 향후 1-3시간 이후의 도로노면온도변화를 예측하고자 하는 것이 가장 큰 목적이다. 도로노면온도는 일반적으로 대기기온, 일사량, 구름의 양 및 형태, 풍속, 강수, 대기압 등의 변화 패턴과 같은 대기 기상 변수 들과 도로노면의 경사 방향 및 경사도, 주변 장애물, 주변의 토지 이용도 등의 지리변수, 도로의 종류, 색깔, 거칠기 길이, 연직 구조 등의 도로 공학 변수 및 교통량 등에 영향을 받는 것으로 나타났다(Thornes and Shao, 1991).
  • 본 연구에서는 위에 언급한 내용을 고려하여 비용-효과적인 동절기 도로관리가 가능하게 하고자 신경망 이론을 통해 도로노면온도를 예측하는 모형을 연구하였다. 이는 도로변에 설치된 기존의 기상관측장비에서 수집되는 자료를 활용할 수 있다는 점에서 매우 유용할 것으로 판단된다.
  • 그러나 일단 데이터베이스가 구축되고 나면 나머지 값들이 정해져 버린다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 신경망 이론을 적용하여 도로노면온도를 예측한다.
  • Figure 4에 나타난 결과의 통계적 검증을 위해 Figure 5와 같이 신경망 모형을 통해 나온 결과 값과 현장 관측 값 사이의 관계를 나타내는 산점도를 도출하였다. 직선과 곡선 등의 시각적인 경향을 통해 두 결과간의 관련성, 즉 모형 수행 결과 값(1h, 2h, 3h)과 실제 관측 값(OBS) 사이의 관계를 파악하고자 하였다. 앞에서 나타난 것과 같이, 현장에서 접촉식 노면온도 센서를 통해 수집한 온도 값이 증가함에 따라 신경망 모형 수행을 통해 산출된 노면온도 모형 수행결과 값(1h, 2h, 3h)이 커지는 경향이 있음을 알 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신경망은 어디에 활용되고 있는가? 신경망은 시뮬레이션하기 어려운 인간의 문제해결을 지원할 수 있으며, 주어진 예제 패턴의 반복적인 습득을 통해 지식을 스스로 학습하는 특성을 가지고 있다. 이러한 신경망은 불완전하고 오류가 많은 입력의 해석뿐만 아니라 패턴인식, 로보틱스, 문자인식, 음성인식, 의사결정 시스템, 진단 시스템 등 여러 분야에 활용되고 있다.
신경망은 무엇으로 구성되어 있는가? 신경망은 이러한 인간의 생물학적 뉴런을 모델링한단위들과 그 사이의 가중치 연결들로 구성되어지며 각 신경망 모형에 따라 다양한 구조와 각기 독특한 학습 규칙, 습득 방법을 갖는다. 각각의 신경망은 입력(input layer), 은닉(hidden layer), 출력(output layer)의 뉴런의 집합으로 구성되어 있다.
본 연구에서 개발된 모형의 검증을 위한 구간 선정 기준은 무엇인가? - 다양한 지형 조건을 포함하고 있는 고속도로 축 - 노면온도 자료가 축적되어 있어야 함 - 기상관측 장비 및 노면센서가 설치되어 있는 곳
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참고문헌 (18)

  1. Beale R., Jackson T. (1994), Neural Computing: An Introduction, Institute of Physics Publishing, 240. 

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  5. Crevier L. P., Delage Y. (2001), METro: A New Model for Road-Condition Forecasting in Canada, Journal of Applied Meteorology, 40, 1226-1240. 

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