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하모니 검색 알고리즘을 이용한 포트홀 발생 개수 예측 모형
A Predictive Model for the Number of Potholes Using Basic Harmony Search Algorithm 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.15 no.4, 2014년, pp.150 - 158  

김도완 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) ,  이상염 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) ,  김동호 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과)

초록
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최근 급격한 기후 변화에 관련하여 아스팔트 도로의 손상이 다발적으로 발생하고 있다. 이러한 현상을 해결 및 방지하기 위해서 세계 각국에서 다양한 연구를 수행하고 있다. 이와 관련하여, 본 연구에서는 서울시에서 발생하는 포트홀 수에 대한 예측모형을 개발하였다. 예측모델을 개발함과 동시에 다양한 독립변수 중 실제 포트홀 발생에 영향을 미치는 요소를 파악하기 위해 경험적인 방법과 통계적인 방법을 활용하였다. 예측모형은 BHS (Basic Harmony Search) 알고리즘을 이용하여 결정하였으며, 기후자료와 교통량 자료 및 포트홀 발생 자료를 기반으로 예측이 이루어진다. 하모니 검색 알고리즘을 이용하여 예측모델을 결정하는 과정에서 PAR(Pitch Adjusting Rate)과 HMCR(Harmony Memory Considering Rate)의 영향을 파악하기 위해 이 값을 변화시키며 적합성을 판단하였다. 예측모델은 Training Data(2011년, 2012년 및 2013년 자료)로 인해 구성되며, 결정된 모델의 적합성을 판단하기 위해 Testing Set에 적용하도록 하였다. 기본적인 예측모델의 적합성 판단은 RMSE(Root Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), 결정계수(Coefficient of Determination)를 이용하도록 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A bunch of asphalt roads have been damaged frequently in relation to the rapid climate change. To solve and prevent this type of problems, many nationalities in the world have performed various researches. In this regard, the objective of this study is to develop prediction model as to the number of...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이외에도 지역적 특성이나, 도로의 설계수명, 또는 포장도로의 종류 등의 경험적 요소의 중요 부분을 고려하지 않은 서울시 전역에 대한 예측모델을 개발하였다. 따라서 예측모델의 정확성을 높이기 위해 지역적 특성 및 포장 설계수명 등의 상세 정보가 필요한 것으로 판단하였다.
  • 본 연구의 목적은 2011년부터 2013년까지 기상자료와 교통량자료의 Training Set을 이용하여 하모니 검색 알고리즘에 기반한 예측모델을 개발하는 것이다. 또한, 예측모델을 개발함과 동시에 실제 다양한 기상자료와 교통량에 대한 독립변수 중 포트홀에 영향을 미치는 인자를 찾고자 하였다. 포트홀 발생에 영향을 미치는 요소를 확인하기 위하여 확률적 방법과 경험적 방법으로 접근하였으며, 본 연구를 수행한 최종적인 결론은 다음과 같다.
  • 이와 관련하여, 본 연구에서는 아스팔트 도로에서 발생할 수 있는 포트홀(Pothole)로 인한 피해를 예방하고 방지하는 차원의 초기 대응으로 포트홀 발생 수와 관련한 예측모델을 개발하였다. 또한, 이 예측 모델에서 결정되어진 비표준화계수(Unstandardized Coefficients)를 표준화계수(Standardized Coefficients)로 변환하여 실제 포트홀에 영향을 주는 인자를 찾는 것에 목적을 두었다.
  • 목적함수는 실제 발생한 도로의 파손 개수와 하모니검색을 통해 예측된 도로 파손의 개수의 오차를 최소화 시키는 것에 기반한다. 이러한 오차 최소화 함수는 RMSE(Root Mean Squared Error)에 기초하였으며, 다음 식 (5)와 같이 표현되어 진다.
  • 본 연구의 목적은 2011년부터 2013년까지 기상자료와 교통량자료의 Training Set을 이용하여 하모니 검색 알고리즘에 기반한 예측모델을 개발하는 것이다. 또한, 예측모델을 개발함과 동시에 실제 다양한 기상자료와 교통량에 대한 독립변수 중 포트홀에 영향을 미치는 인자를 찾고자 하였다.
  • 4는 2011년부터 2013년까지 총 36개월의 Training데이터를 이용하여 결정되어진 예측모델의 결과이다. 이 Training데이터를 실제 2009년과 2010년에 적용하여 이 예측모델의 적합성을 검증하고자 하였다. 다음 Fig.
  • 이러한 도로의 파손은 유지 및 보수의 면에서 경제적인 손실을 발생시키고 2차 사고를 유발할 수 있는 가능성을 갖으며 도로파손의 상태는 도시미관상 보행자에게 불쾌감을 주는 등 다양한 문제를 야기한다. 이와 관련하여, 본 연구에서는 아스팔트 도로에서 발생할 수 있는 포트홀(Pothole)로 인한 피해를 예방하고 방지하는 차원의 초기 대응으로 포트홀 발생 수와 관련한 예측모델을 개발하였다. 또한, 이 예측 모델에서 결정되어진 비표준화계수(Unstandardized Coefficients)를 표준화계수(Standardized Coefficients)로 변환하여 실제 포트홀에 영향을 주는 인자를 찾는 것에 목적을 두었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
점탄성체인 아스팔트 혼합물은 어떤 조건에 민감한 특성을 가지는가? 점탄성체인 아스팔트 혼합물은 온도와 하중의 조건에 매우 민감한 특성을 가지고 있다. 이와 관련하여, 실제 온도가 높은 경우, 서울시 내에서 발생한 포트홀의 수가 크게 증가하는 것을 Fig.
하모니 검색 알고리즘이란 무엇인가? 하모니 검색 알고리즘(Harmony Search Algorithm, HSA)은 데이터들의 조화로 인하여 그 가중치를 결정하는 최적화 기법 중 하나로써, 이 알고리즘은 즉흥연주를 모방함으로써 전역적 최적화(Global Optimization)적 해를 도출한다는 특징을 가지고 있다는 것 때문에 여러 분야에서 이용되고 있는 알고리즘이다.
본 연구를 통해 확인한 기상자료 중 확률적인 분석면에서 가장 포트홀 발생에 영향을 미치는 요소는 무엇으로 판단하였는가? (3) 확률적인 분석면에서는 기상자료 중 상대습도와 강수량이 가장 영향을 많이 미치는 것으로 판단하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Lee, C. , Kim, D. , Mun, S. , and Yoo, P. (2012). "Study on a Prediction Model of the Tensile Strain Related to the Fatigue Cracking Performance of Asphalt Concrete Pavements Through Design of Experiments and Harmony Search Algorithm", Korean Journal of Korea Society of Road Engineers, KSRE, 14(2), pp. 11-17. 

  2. Lee, J. , Yu, H. , Kim, Y. , Lee, J. , and Cho, M. (2004). "A Study on the Development of an Automated Pavement Crack Sealer", Korean Journal of Construction Engineering and Management, KICEM, 5(2), pp. 162-171. 

  3. Lee, S. , Mun, S . (2014). "Improving a model for the dynamic modulus of asphalt using the modified harmony search algorithm", Expert Systems and Applications, SCIE 41(8), pp. 3856-3860. 

  4. Mun, S. , and Geem, Z-W. (2009). "Determination of individual sound power levels of noise sources using a harmony search algorithm", International Journal of Industrial Ergonomics, SCIE, 39, pp. 366-370. 

  5. Mun, S. , and Geem, Z-W. (2009). "Determination of viscoelastic and damage properties of hot mix asphalt concrete using a harmony search algorithm", Mechanics of Materials, SCIE, 41, pp. 339-353. 

  6. Mun, S. , and Lee, S. (2011). "Identification of viscoelastic functions for hot-mix asphalt mixtures using a modified harmony search algorithm". Journal of Computing in Civil Engineering, ASCE, 25, pp. 139-148. 

  7. Mun, S. , and Cho, Y. (2012). "Modified harmony search optimization for constrained design problems", Expert Systems and Applications, SCIE, 39(1), pp. 419-423. 

  8. Park, D. , Lee, S. , and Kim, K. (2010). "A Study on the Construction Specification and Quality Assurance Criteria in Clay Paver", Korean Journal of Construction Engineering and Management, KICEM, 11(6), pp. 111-121. 

  9. Suh, Y. , Mun, S. , and Yeo, I. (2010). "Fatigue Life Predictio of Asphalt Concrete Pavement Using a Harmony Search Algorithm", Journal of Civil Engineering, KSCE, 14(5), pp. 725-730. 

  10. Jimoh. Y. A. (2012). "Model and Application for a Pothole in a Flexible Pavement Maintenance Due to Axle Loads", Espistemics in Science, Engineering and Technology, ESET, 2(1), pp. 1-7. 

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