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Bayesian MCMC를 이용한 저수량 점 빈도분석: I. 사전분포의 적용성 비교
At-site Low Flow Frequency Analysis Using Bayesian MCMC: I. Comparative study for construction of Prior distribution 원문보기

한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집, 2008 May 22, 2008년, pp.1121 - 1124  

김상욱 (서울대학교 BK21 SIR 사업단) ,  이길성 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) ,  박경신 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부)

초록
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저수분석(low flow analysis)은 수자원공학에서 중요한 분야 중 하나이며, 특히 저수량 빈도분석(low flow frequency analysis)의 결과는 저수(貯水)용량의 설계, 물 수급계획, 오염원의 배치 및 관개와 생태계의 보존을 위한 수량과 수질의 관리에 중요하게 사용된다. 그러므로 본 연구에서는 저수량 빈도분석을 위한 점빈도분석을 수행하였으며, 특히 빈도분석에 있어서의 불확실성을 탐색하기 위하여 Bayesian 방법을 적용하고 그 결과를 기존에 사용되던 불확실성 탐색방법과 비교하였다. 본 논문의 I편에서는 Bayesian 방법 중 사전분포(prior distribution)와 우도함수(likelihood function)의 복잡성에 상관없이 계산이 가능한 Bayesian MCMC(Bayesian Markov Chain Monte Carlo) 방법과 Metropolis-Hastings 알고리즘을 사용하기 위한 여러과정의 이론적 배경과 Bayesian 방법에서 가장 중요한 요소인 사전분포를 구축하고 이를 비교 및 평가하였다. 고려된 사전분포는 자료에 기반하지 않은 사전분포와 자료에 기반한 사전분포로써 두 사전분포를 이용하여 Metropolis-Hastings 알고리즘을 수행하고 그 결과를 비교하여 저수량 빈도분석에 합리적인 사전분포를 선정하였다. 또한 알고리즘의 수행과정에서 필요한 제안분포(proposal distribution)를 적용하여 그에 따른 알고리즘의 효율성을 채택률(acceptance rate)을 산정하여 검증해 보았다. 사전분포의 분석 결과, 자료에 기반한 사전분포가 자료에 기반하지 않은 사전분포보다 정확성 및 불확실성의 표현에 있어서 우수한 결과를 제시하는 것을 확인할 수 있었고, 채택률을 이용한 알고리즘의 효용성 역시 기존 연구자들이 제시하였던 만족스러운 범위를 가지는 것을 알 수 있었다. 최종적으로 선정된 사전분포는 본 연구의 II편에서 Bayesian MCMC 방법의 사전분포로 이용되었으며, 그 결과를 기존 불확실성의 추정방법의 하나인 2차 근사식을 이용한 최우추정(maximum likelihood estimation)방법의 결과와 비교하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 Bayesian MCMC 방법을 이용하여 저수량 점 빈도분석에서 추정될 수 있는 불확실성의 표현을 위한 여러 가지 이론적 배경을 서술하였다. 또한 Bayesian MCMC 방법을 적용하는 데 있어서 가장 중요한 요소인 사전분포를 선정함에 있어서 자료에 기반하지 않은 사전분포와 에르고딕(Ergodic)가정을 이용한 자료에 기반한 사전분포를 구축하고, 두 가지 사전분포를 통계적 실험을 통하여 비교함으로써 자료에 기반한 사전분포가 평균값의 추정과 불확실성 측면에서 보다 나은 결과를 돌출함을 확인하였다.
  • 그러나 사용자의 경험에 기반한 주관적 사전분포는 사용자의 경험을 자료를 이용하여 표현하는데 있어서 정량화가 힘들어 어려운 부분이 있다. 본 연구에서는 자료에 기반한 사전분포를 구축하기 위하여 에르고딕(Ergodic) 가정을 이용하여 낙동강 유역의 13개 지점의 7Q자료를 이용하여 진동에서의 자료에 기반한 사전분포를 구축하였다. 그림 1에서 진동 지점을 제외한 나머지 13개 지점에서의 통계적 특성치가 진동 지점에서의 13년간의 통계적 특성치와 일치하게 된다는 가정을 수립할 수 있고, 이로부터 진동지점에 대한 자료에 기반한 사전분포를 구축할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Bayesian MCMC 방법을 사용한 알고리즘으로 무엇이 있는가? 그러므로 Bayesian 방법의 초기 연구단계에서는 위와 같은 Bayesian 방법의 적용에 필요한 계싼을 위하여 공액사전분포(Conjugated prior distribution)를 이용하는 경우가 많았다. 그러나 최근 계산능력의 하드웨어부분의 발전과 주변 확률분포함수의 적분이 필요없는 Metropolis-Hastings 알고리즘, Gibbs sampling 알고리즘, 주표집(Importance sampling) 알고리즘과 같은 Bayesian MCMC 방법에 입각한 Bayesian 계산방법의 소프트웨어부분의 발전으로 인하여 공액사전분포를 사용하지 않아도 식 (1)의 계산이 가능하게 됨으로서 서론에 언급한 연구사례와 같이 최근 들어 수자원공학 분야에서도 다시 활발히 적용되고 있는 실정이다. Bayesian MCMC방법이란 마코프 연쇄(Markov chain)과 몬테카를로 적분(Montecarlo integration)을 이용하여 사후분포로부터 모수를 추출하고 통계적 특성치를 계산하는 방법이다.
Bayesian 방법은 불확실성을 표현하는 데 있어서 근사식을 사용한 방법보다 우월한 이유는 무엇인가? 근사식을 사용한 모수의 불확실성 추정방법을 대신하여 Bayesian 접근방법을 사용한 모수및 불확실성의 추정이 수행될 수 있다. Bayesian 방법은 근사식을 사용하기 위한 가정 조건이 필요하지 않기 때문에 특히 불확실성을 표현하는 데 있어서 근사식을 사용한 방법보다 우월할 수 있다. Bayesian 방법을 사용하기 위해서는 사전분포(Prior distribution)로부터 사후분포 (Posterior distribution)를 산정해야 하는데, 이를 계산하기 위해서는 해석적으로 산정되기 어려운 적분항들이 포함되어 진다.
Bayesian MCMC 방법에 입각한 Bayesian 계산방법으로 가장 활발히 사용되고 있는 알고리즘은 무엇인가? 즉, 마코프 연쇄를 이용하여 모수간의 관계를 구성하고 이를 상당히 큰 수만큼 반복하는 몬테카를로 적분기법을 이용하여 최종적으로 모수의 통계적 특성을 산정하는 방법이다. 여러가지 Bayesian 계산 방법 중에서 가장 활발히 사용되고 있는 알고리즘은 Metropolis-Hastings 알고리즘으로 기본적인 개념은 Metropolis et al.(1953)에 의하여 만들어져 최근 들어 활발히 이용되고 있다.
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