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[국내논문] ANFIS를 이용한 하천수위 예측
Forecast of Stream Level Using ANFIS 원문보기

한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집, 2007 May 17, 2007년, pp.132 - 136  

최창원 (아주대학교 대학원 건설교통공학과) ,  이재응 (아주대학교 공과대학 건설교통공학과)

초록
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최근 지구온난화로 인한 이상기후의 영향으로 강우일수는 줄고 있으나 강수량은 예년과 비슷한 수준을 보이고 있다. 이로 인해 갈수기의 용수부족 현상은 더욱 심해지고. 장마철의 홍수피해와 게릴라성 집중호우로 인한 피해가 커지는 등 해가 갈수록 홍수 예경보의 중요성은 더욱 높아지고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 홍수 예경보 체계는 몇 가지 문제를 가지고 있다. 기존 예경보 체계의 경우 한 번의 예측을 수행하기 위해 수반되는 전처리과정과 주계산과정을 거치는 동안 각 과정에서 발생한 오차들이 반복, 누적되어 최종 결과물(예측된 유출량) 속에 모두 포함된다. 또한 기존 체계에서는 유출모형을 적용하기 위해서 토양형. 피복상태 등에 관련된 매개변수들이 필요한데. 이러한 매개변수의 결정에 어려움이 있고. 불확실성을 갖고 있다. 본 연구에서는 불확실성을 적극적으로 인정하고 수학적으로 해석하려는 fuzzy 이론을 신경망 이론에 도입하여 홍수 예경보 시스템의 운영과정에서 발생하는 불확실성의 문제를 해결하고자 하였다. 본 연구에서 사용한 ANFIS(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)은 data driven model(자료에 기반을 둔 모형)의 하나로 다음과 같은 장점을 가진다. 우선 data driven model은 유역의 물리적, 지형적 특성을 고려하지 않고(매개변수설정에서 발생하는 문제 해결 가능), 입력자료와 출력자료만을 고려하여 구축되는 모형이므로, 유역의 물리적 자료나 지형 자료와 같은 방대한 양의 자료 수집이 필요 없고, 일단 모형이 구축되면 자료의 입력만으로도 신뢰성 높은 결과를 단시간 내에 효율적으로 획득할 수 있다. 그리고 유역 내의 상황이 변화하더라도, 이들의 영향을 고려하여 쉽게 모형을 갱신할 수 있다. 마지막으로 모형의 구축 과정이 물리적 모형에 비해 비교적 간편하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 ANFIS를 통해 탄천유역의 강수량 자료와 대곡교의 수위자료를 입력자료로 사용하여 대곡교의 수위를 예측하였다. 입력 자료는 시간차 계열의 강우량과 수위 자료를 사용하였으며 모형을 통하여 t+1, t+2, t+3 시간 후의 수위를 예측하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 1965년 Zadeh가 처음 제안흔! fuzzy 알고리즘과 Mamdani(1975)가 제어에 응용한 fuzzy 제어가 기초가 된 ANFISCAdaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 를 이용하여 탄천 유역의 대곡교 수위를 예측하였다. ANFIS는 data driven model의 한 형태로 기존의 연구에 많이 사용되었던 물리적 모형과 달리 본 연구에서 사용한 data driven model은 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
  • 구성에 어떻게, 얼마만큼 배치하는 가이다. 수위와 강우자료를 어떻게 구성하는 것이 미래의 수위를 가장 우수하게 예측하는지를 비교 분석하는 것이 본 연구의 수행에서 가장 중요한 부분 중의 하나이다. 본 연구에 있어서는 어느 입력 자료 구성이 가장 좋은가를 찾기 위해 두 곳의 강우관측소에 대해, 6가지 강우-수위 자료조합, 2가지의 lag time, 3가지의 lead time을 설정 조합하여 각각의 강우 관측소 자료마다 36가지의 경우에 대해 수위를 예측하고 비교하였다(Table 2).
  • 먼저, 관측 자료와 예측값의 비교를 통해 우수한 예측이 된 모형을 찾을 때는 전체적인 추세와, 상승부에서의 정확도 특히 첨두수위에서의 정확도에 중점을 두었고, 또한 첨두값에서 실측 수위보다 낮은 값을 예측하는 것보다는 높은 값을 예측 하는 것에 중점을 두었다. 본 연구의 목표인 홍수 예경보 시스템의 구축에서는 첨두수위의 정확한 예측이 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 따라서 RMSE 값을 통해서는 전체적인 추세만을 판단하고, 첨두수위비를 통해서는 어떤 자료 구성이 가장 적합한지를 찾아내는 방법이 옳다고 판단된다.

가설 설정

  • 우선 testing 자료가 checking 자료의 일부이기 때문에 수위예측 모형이 만들어지는 과정에서 이미 매개변수 추정에 사용된 자료임을 고려하지 않고 별개의 testing 자료라는 가정하에 판단하였다. 결과를 분석하면, RMSE값과 첨두수위비 모두 우수한 결과를 보였다.
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