TDSVM을 이용한 하천수 취수량 예측

최서혜,권현한,박문형 한국수자원학회 2019 한국수자원학회논문집 Vol.52 No.12

Recently, as the incidence of climate warming and abnormal climate increases, the forecasting of hydrological factors such as precipitation and river flow is getting more complicated, and the risk of water shortage is also increasing. Therefore, this study aims to develop a model for predicting the amount of water intake in mid-term. To this end, the correlation between water intake and meteorological factors, including temperature and precipitation, was used to select input factors. In addition, the amount of water intake increased with time series and seasonal characteristics were clearly shown. Thus, the preprocessing process was performed using the time series decomposition method, and the support vector machine (SVM) was applied to the residual to develop the river intake prediction model. This model has an error of 4.1% on average, which is higher accuracy than the SVM model without preprocessing. In particular, this model has an advantage in mid-term prediction for one to two months. It is expected that the water intake forecasting model developed in this study is useful to be applied for water allocation computation in the permission of river water use, water quality management, and drought measurement for sustainable and efficient management of water resources. 최근 기후 온난화의 발생과 이상기후의 발생빈도가 증가함에 따라 강수량, 하천유량과 같은 수문학적 요소의 예측이 복잡해지고 있으며 물부족 발생 위험도 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 중단기 하천 취수량을 예측하기 위한 모델을 개발하고자 하였다. 입력인자를 선정하기 위해 취수량과 기상인자들 간의 상관성분석을 수행한 결과 온도가 가장 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 취수량은 시계열에 따른 증가 경향과 계절적 특성이 뚜렷하게 나타나므로 시계열분해기법을 이용하여 전처리를 수행하고 잔차에 대해 서포트 벡터 머신(SVM)을 적용하여 취수량 예측 모델을 개발하였다. 이 모델은 평균적으로 4.1%의 오차율을 나타내며, 전처리를 하지 않은 SVM 모델에 비해 높은 정확도를 나타냈다. 특히, 1∼2달에 대해 중단기 예측을 수행하였을 때 더 유리한 결과를 나타냈다. 본 연구에서 개발된 취수량 예측모델은 수자원의 지속가능하고 효율적인 관리를 위해 하천수 사용허가, 수질관리, 가뭄 대책 마련에 활용이 가능할 것으로 예상된다.

대규모 우수관수로 내 공기의 압력을 고려한 수치해석 및 Geyser에 대한 영향인자 도출

최서혜,이승오 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.2

The existing pipe system has a problem with deficit in discharge of drainage because run-off increases due to localized heavy rain and increase in impervious area by urbanization in Korea. For measurement of that, some urban drainage infrastructures are planed and being constructed as a deep underground tunnel. In such stormwater and sewage pipe, geyser may occur with a damage of both life and property during storm event by erupting inflow with the pressurized air. Thus, 1D numerical model able to consider the effect of air was developed and the sensitivity analysis for entrapped air pressure was performed to derive the influence factors: diameter ratio and inflow discharge. And multi-variate analysis was also performed because the pressurization of the air was generated by interactions between air and water. When the diameter ratio is greater, the air pressure is higher and the maximum point was occured at 85% of relative initial depth. To provide against the geyser, the results from this study would be contributed for design, operation and maintenance for the safe stormwater system. 국내의 경우, 국지성 집중호우와 도시화로 인한 불투수면적의 증가로 표면유출량이 증가하여 기존에 설치된 우수관거의 배수능력을 초과하며, 이에 대한 대책으로 지하방수로를 설치하고 있다. 이와 같은 대규모 우수 및 하수관거에서 홍수 시 발생될 수 있는 현상으로 geyser가 있으며, 이는 압축된 공기가 물과 함께 폭발하듯이 분출되어 인명 및 재산 피해를 발생시킬 수 있다. geyser 발생의 영향인자를 도출하기 위해 공기를 고려한 1차원 수치모델을 개발하고, 갇힌 공기의 압력에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과, 관의 직경비와 유입유량이 주요인자로 도출되었다. 또한 공기의 압축은 다양한 영향인자의 복합적인 작용으로 인해 발현되기 때문에 다인자분석을 수행하였으며, 관경비가 증가하면서 압력이 증가하고 초기수위 85%에서 발생 압력의 최대치가 나타났다. 본 연구는 대규모 우수관거에서 발생될 수 있는 geyser 현상에 대비하여 안정적인 관거 설계 및 시스템 운영의 기준을 제시하기 위한 기반을 마련하고자 하였다.

도수구간 수면변동과 와류특성

최서혜(Choi, Seohye),김형석(Kim, Hyung Suk),박문형(Park, Moonhyung) 대한토목학회 2018 대한토목학회 학술대회 Vol.2018 No.10

지하방수로 유동 예측을 위한 1차원 수치모형의 보정 및 검증

최서혜,채석준,이승오 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

최근 이상기후로 인한 집중호우에 의해 발생하는 도심지에서의 내수침수에 대한 구조적 대책으로 지하방수로가 고려되고 있다. 따라서 국외에 기설치된 지하방수로 사례에서 발생되는 문제인 맨홀 분출사고를 예측하여 적절한 설계를 유도하기 위해서는 관 내부에 갇힌 공기의 압력을 고려한 관 흐름 해석 모형이 필요하다. 지하방수로 내에 급격한 빗물 유입에 따른 유속 증가와 수위변동에 의한 단파 현상이 나타남과 동시에 공기의 부피가 수축되어 관내에 큰 압력이 발생한다. 본 연구에서 급격하게 변화하는 관수로 내의 단파 현상을 재현하기 위해 수치모형을 구축하였다. 기존 연구의 실험결과와의 비교를 통하여 보정 및 검증하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. FVM(Finite Volume Method)을 사용하여 1차원 Saint-Venant 방정식을 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 Roe Approximate Riemann 수치 기법의 알고리즘을 사용하여 방수로의 동수역학적 거동을 해석하였다. 단파의 발생을 모의하기 위해 불연속점을 다루는 수치기법인 제한자(Limiter)를 활용하였고, 공기의 압력흐름과 개수로의 혼합흐름 해석이 가능한 Preissmann slot model을 적용하였다. 기존의 운동량 방정식에 기체의 압력항을 추가하여 유체와 기체의 흐름을 고려한 수치모의를 수행하여 분출(gushing)현상을 모의하였다. 관수로 내의 단파거동 해석에 적합한 1차원 모형을 개발하였고, 추후에는 지하방수로의 위험 시나리오 관리 시스템을 개발하여 설계 및 시공에 기여하고자 한다.

농업용 하천취수량 자료 및 특성 검토

최서혜 (Choi, Seol Hye),박문형(Park, Moonhyeong) 대한토목학회 2019 대한토목학회 학술대회 Vol.2019 No.10

하천수의 이용효율 평가에 대한 연구

최서혜(Choi, Seohye),박문형(Park, Moon Hyeong) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10

풍파에 대한 부유체 구조물의 유체-구조 연성해석

김수영,최서혜,주형중,이승오 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-

기존의 파랑에 의한 부유체 해석은 유체에 의한 압력을 스프링 하중으로 가정하여 해석을 하거나 구조물의 변위가 커서 격자의 겹칩현상에 의한 제약으로 인해 파고가 비교적 작을 때에만 해석이 용이했었다. 본 연구에서는 국내적용이 가능하도록 저수지수면이나 연안과 같은 공유수면위에 띄어 발전을 하는 부유식 태양광 발전시스템의 안전성 검토를 위해 유체-구조 연성해석을 실시하였다. 기존 부유체 구조물 해석에서 파랑에의해 발생하는 구조체에서의 압력해석과 구조물의 응력해석을 따로 실시하였지만 본 연구에서는 동시에 해석이 가능하도록 하였다. 또한, 유체와 연동되는 부분을 부유체로 제한하여 격자의 겹침현상을 방지하였다. 이를 위해 구조해석 모듈과 유체해석 모듈이 함께 포함되어 있는 ANSYS 프로그램을 사용하였다. 파랑에 의해 부유체가 상하로 이동할 때 발생하는 응력을 검토하였으며 단위구조물 2개가 힌지로 연결되어 있는 경우에 대해서 구조체 프레임과 연결부의 안전성도 검토하였다. 풍속이 30 m/s 일 때와 45 m/s일 때로 풍파를 산정하여 파랑의 경계조건으로 사용하였다. 구조물 해석시 태양광 발전모듈에는 응력이 작용하지 않는다고 판단하여 본 해석에서는 제외하였다. 수치모의 결과 파고가 높은 경우가 응력의 최대값이 7.9~9.5 % 더 크게 산정되었으며 부유구조체의 지지점이 3개 일 때가 6개 일 때 보다 최대응력이 약 6배정도 크게 산정되었다.

합리적인 하천수 관리체계 구축을 위한 자료기반 방류량 예측모형 개발

유형주,이승오,최서혜,박문형,Yoo, Hyung Ju,Lee, Seung Oh,Choi, Seo Hye,Park, Moon Hyung 한국방재안전학회 2020 한국방재안전학회 논문집 Vol.13 No.4

일반적으로 물수지 분석 시 공급에 해당되는 회귀수량의 경우 용수별 회귀율을 일률적으로 정하여 산정하는 방법을 채택하고 있어 정확한 가용유량을 산정하지 못하는 한계를 갖고 있다. 이에 본 연구에서는 회귀수 중 하·폐수에 초점을 두었고 인공신경망 등의 기계학습 모형을 적용하여 하수종말처리장의 방류량 예측 모형을 개발하였다. 시계열 자료예측 시 사용되는 주요 기계학습 모형인 LSTM (Long Short-Term Memory), GRU (Gated Recurrent Units), SVR (Support Vector Regression)모형을 적용하였으며 관측 값과 예측 값을 비교하는 오차지표를 통하여 방류량 예측의 최적의 모형을 선정하였다. 모형 적용 결과, GRU 모형의 평균제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)는 LSTM 모형과 SVR 모형보다 작으며 Nash-Sutcliffe 계수(NSE)는 LSTM 모형과 SVR 모형보다 큰 것을 확인하였고, 이를 근거로 하수종말처리장의 방류량 예측에 최적모형은 GRU 모형이라고 판단하였다. 다만, 극값에서는 예측 값이 과소 및 과대 산정되는 경향을 보여 추후 예측 정확도 향상을 위해서는 극한사상에 대한 추가자료 구축 및 입력 자료의 최소시간단위를 축소하는 것이 필요할 것으로 판단되었다. 또한, 예측하고자 하는 대상지의 용수이용량을 검토하고 계절적 영향을 반영할 수 있는 추가인자를 고려하게 되면 기후변동성에 대비하여 정확한 방류량 예측이 가능하며 예측 결과를 토대로 종합적인 하천수 사용관리 및 물이용 계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. In most cases of the water balance analysis, the return flow ratio for each water supply was uniformly determined and applied, so it has been contained a problem that the volume of available water would be incorrectly calculated. Therefore, sewage and wastewater among the return water were focused in this study and the data-driven model was developed to forecast the outflow from the sewage treatment plant. The forecasting results of LSTM (Long Short-Term Memory), GRU (Gated Recurrent Units), and SVR (Support Vector Regression) models, which are mainly used for forecasting the time series data in most fields, were compared with the observed data to determine the optimal model parameters for forecasting outflow. As a result of applying the model, the root mean square error (RMSE) of the GRU model was smaller than those of the LSTM and SVR models, and the Nash-Sutcliffe coefficient (NSE) was higher than those of others. Thus, it was judged that the GRU model could be the optimal model for forecasting the outflow in sewage treatment plants. However, the forecasting outflow tends to be underestimated and overestimated in extreme sections. Therefore, the additional data for extreme events and reducing the minimum time unit of input data were necessary to enhance the accuracy of forecasting. If the water use of the target site was reviewed and the additional parameters that could reflect seasonal effects were considered, more accurate outflow could be forecasted to be ready for climate variability in near future. And it is expected to use as fundamental resources for establishing a reasonable river water management system based on the forecasting results.

도수 롤러의 수면 분석을 위한 실험 연구

박문형,김형석,최서혜,류용욱,Park, Mun-Hyeong,Kim, Hyeong-Seok,Choe, Seo-Hye,Ryu, Yong-Uk 한국수자원학회 2020 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.53 No.11

도수 롤러의 거동 분석을 위한 실험 연구

박문형,김형석,최서혜,유용욱 한국해안,해양공학회 2018 한국해안해양공학회 논문집 Vol.30 No.6

This study conducted an experimental investigation on oscillatory behavior of the hydraulic jump roller. Based on the similarity of the hydraulic jump and tidal bore, the behavior of the front face of hydraulic jump with increasing downstream water depth was studied focusing on profile and fluctuation. In this study, for statistical approach, the ensemble averaging was applied to obtain relevant front profile and compared with the time averaging. The front profile gets mildly sloped and the fluctuation of the starting point of hydraulic jump decreases as the downstream water depth increases. 본 연구는 도수(hydraulic jump)의 롤러(roller)의 거동을 분석하기 위해 영상기법을 이용한 실험연구를 수행하였다. 조석단파(tidal bore)의 거동 특성의 이해에 적용하기 위해 하류심 상승에 따른 도수 전면부의 파형과 변동성을 검토하였다. 도수의 변동성을 고려한 앙상블평균 기법을 적용하여 얻은 파형을 제시하여 시간평균 결과와 비교하였다. 앙상블평균의 기준이 된 도수시작점의 시간적 변화로부터 도수 전면부의 변동성을 통계적으로 분석하였다. 하류심 상승에 따라 전면 파형은 완만해지는 것으로 나타났으며, 시작점 변동성은 감소하였다.