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인공신경망 기법을 이용한 사면의 내진성능평가 모델 제안
A Propose on Seismic Performance Evaluation Model of Slope using Artificial Neural Network Technique 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.32 no.2, 2019년, pp.93 - 101  

곽신영 (한국원자력연구원 구조지진안전연구실) ,  함대기 (한국원자력연구원 구조지진안전연구실)

초록
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이 연구의 목적은 인공신경망 기법을 이용하여 사면의 내진 성능을 비교적 정확하면서도 효율적으로 예측하는 모델을 도출하는데 있다. 사면의 내진 성능은 지진입력 및 사면모델의 무작위성 및 불확실성으로 인하여 정량화하기 쉽지 않다. 이러한 배경 아래 사면에 대한 확률론적 지진 취약도 분석이 몇몇 연구자에 의해 수행되었고, 이를 기반으로 다중 선형회귀분석을 통하여 사면 내진성능에 대한 닫힌식이 제안된 바 있다. 그러나 전통적인 통계학적 선형회귀분석은 다양한 조건의 사면과 이에 따른 내진 성능 사이의 비선형적 관계를 정확하게 표현하지 못하는 한계를 보였다. 이에 따라 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하고자 인공신경망 기법을 사면 내진성능 예측 모델을 생성하는데 적용하였다. 도출된 모델의 유효성은 기존의 다중 선형 및 다중 비선형 회귀분석을 통한 모델과 비교하여 검증하였다. 결과적으로 이전 연구의 전통적인 통계학적 회귀 분석을 통한 모델과 비교 결과, 기본적으로 인공신경망 기법을 통하여 도출된 모델이 사면의 내진성능을 예측하는데 있어 우수한 성능을 보여주었다. 이러한 정확도 높은 모델은 향후 확률에 기반한 사면의 지진취약도 지도를 개발하고, 주요 구조물의 인근 사면으로 인한 리스크를 효과적으로 평가하는데 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to develop a model which can predict the seismic performance of the slope relatively accurately and efficiently by using artificial neural network(ANN) technique. The quantification of such the seismic performance of the slope is not easy task due to the randomness and...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 이렇게 도출된 닫힌식은 기본적으로 전통적인 통계학적 선형 근사 방법을 이용한 방법으로서 원데이터와의 정확도에 있어서 비교적 큰 차이를 발생시킬 수 있다는 단점이 있었다. 그러므로 본 논문에서는 개발된 닫힌식의 정확도를 인공신경망(artificial neural network: ANN) 기법을 이용하여 개선함으로써 사면의 확률론적 지진 안전성 평가의 정확성과 효율성을 비약적으로 증가시킬 수 있는 기법을 개발하였다.
  • R2값은 0에서 1사이 값을 가지며, 입력변수와 출력변수의 상관관계가 높을수록 1에 가까워진다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 데이터를 기반으로 이를 보다 잘 예측할 수 있는 모델을 인공신경망 기법을 통하여 개발하고자 한다
  • 지진 취약도 해석을 통한 사면의 안전성 평가는 모든 지진세기 영역에 대하여 사면의 파괴확률을 제공하는 비교적 완전하며 정확한 방법이다. 또한, 이는 사면의 안정성을 지진으로 인한 사면 영구 변위 등의 간접적인 지표 형태가 아닌 지진의 정량적 세기인 지반최대 가속도 등의 직관적인 지표와 연결하여 지진에 대한 직접적 내력을 평가한다. 그러나 이를 위해서는 과다한 계산 비용이 요구되므로 지진 취약도 분석의 장점을 주어진 사면 조건에서 효율적인 내진 안전성 평가에 적용하기 어렵다.
  • 우선, 입력 변수의 변화가 사면 HCLPF 내진성능에 어떠한 영향을 미쳤는지 살펴보았다. Fig.
  • 이 논문에서는 인공신경망 기법을 적용하여 사면의 확률론적 내진 성능을 정확하면서도 효율적으로 예측하는 모델을 개발하였다. 이는 R2 값이 거의 1이 되는 값을 가지는 모델로서 도출된 모델의 정확성은 기존의 다중 선형 및 다중 비선형 회귀 분석을 통한 모델과 비교하여 각각 약 17% 및 약 3% 상승함을 확인할 수 있었다.
  • 이러한 경향을 기반으로 다차원 변수 영역에서 모든 변수의 임의적인 변화에 따른 HCLPF 내진성능 변화를 살펴보기 위하여 아래와 같은 추가적인 분석을 실시하였다.

가설 설정

  • 이 이론에서 파괴가 예상되는 토체는 Fig. 1(a) 에서와 같이 하나의 강체 블록으로 간주하게 되고, 강체 블록 내에서는 내부 변형이 일어나지 않는다고 가정한다. 이러한 가정 아래 바닥으로 유입되는 특정 지진 가속도 하중에서 이러한 블록이 활동하기 시작하는 가속도를 항복가속도라 하고, 지진 가속도 기록이 항복가속도를 초과하면 강체 블록이 움직이기 시작하고, 강체 블록의 가속도와 지진 가속도 기록이 같아질 때까지 영구변위가 발생하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인공신경망이란 무엇인가? 인공신경망은 인간 두뇌 신경세포(neuron)의 지식 습득 및 처리 과정을 모사한 전산 모형이다. 20세기 초 인간 신경세포에 대한 이해가 크게 발전함에 따라 이러한 특징을 전산으로 모사한 뉴런 모형이 제안되었다.
전통적인 통계학적 선형회귀분석의 한계점은? 이러한 배경 아래 사면에 대한 확률론적 지진 취약도 분석이 몇몇 연구자에 의해 수행되었고, 이를 기반으로 다중 선형회귀분석을 통하여 사면 내진성능에 대한 닫힌식이 제안된 바 있다. 그러나 전통적인 통계학적 선형회귀분석은 다양한 조건의 사면과 이에 따른 내진 성능 사이의 비선형적 관계를 정확하게 표현하지 못하는 한계를 보였다. 이에 따라 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하고자 인공신경망 기법을 사면 내진성능 예측 모델을 생성하는데 적용하였다.
지진 취약도 해석을 통한 사면 안정성 평가의 단점은? 또한, 이는 사면의 안정성을 지진으로 인한 사면 영구 변위 등의 간접적인 지표 형태가 아닌 지진의 정량적 세기인 지반최대 가속도 등의 직관적인 지표와 연결하여 지진에 대한 직접적 내력을 평가한다. 그러나 이를 위해서는 과다한 계산 비용이 요구되므로 지진 취약도 분석의 장점을 주어진 사면 조건에서 효율적인 내진 안전성 평가에 적용하기 어렵다. 더욱이 다양한 지형학적/토질학적 조건의 수많은 사면이 공간상에 분포되어 있는 지진유발 사면 취약도 지도 개발에는 적용이 불가능하다는 단점이 있다. 이러한 배경아래 Kwag과 Hahm (2018)이 Newmark 영구변위해석 개념을 기반으로 지진으로 인한 사면 취약도 분석 방법을 개발하고, 이를 기반으로 다양한 조건의 사면에 대하여 빠른 취약도 분석을 가능하게 하는 닫힌식(closed-form equation)을 제안한 바 있다.
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참고문헌 (13)

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  12. Jibson, Randall W, Harp, Edwin L, Michael, John A. A method for producing digital probabilistic seismic landslide hazard maps. Engineering geology, vol.58, no.3, 271-289.

  13. Kwag, Shinyoung, Ok, Seung-Yong. Robust design of seismic isolation system using constrained multi-objective optimization technique. KSCE journal of civil engineering, vol.17, no.5, 1051-1063.

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