시계열 자료의 예측을 위한 자료 기반 신경망 모델에 관한 연구: 한강대교 수위예측 적용

유형주; 이승오; 최서혜; 박문형

추천

검색

자료유형: 학술저널

저자정보: 유형주 (홍익대학교 토목공학과) 이승오 (홍익대학교 토목공학과) 최서혜 (한국건설기술연구원 국토연구보전 본부) 박문형 (한국건설기술연구원 국토연구보전 본부)

저널정보: 한국방재안전학회 한국방재안전학회논문집 한국방재안전학회논문집 제12권 제2호

발행연도: 2019.1

수록면: 73 - 82 (10page)

이용수

📌

연구주제

📖

연구배경

🔬

연구방법

🏆

연구결과

초록· 키워드

오류제보하기

최근 이상기후로 인한 집중호우에 따른 하천변 사회기반시설의 침수피해가 증가하고 있으며, 침수 가능성 여부에 대한 신속한 예 경보가 필요한 실정이다. 일반적인 홍수 예 경보는 하천수위를 이용하고 있으며, 수치모형을 이용하여 하천수위를 예측하는 연구가 대부분이었다. 그러나 수치모형을 이용한 하천수위 예측은 결과가 정확한 반면 수치모의 시간이 오래 소요된다는 한계점이 있어 최근에는 인공신경망 등을 적용한 자료기반의 수위예측 모형이 많이 이용되고 있다. 하지만 기존의 인공신경망을 활용한 수위예측 연구는 시간적 매개변수를 고려하지 못하였다는 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 시간적 매개변수(Time delay= 2시간)를 고려한 NARX 신경망 모형을 사용하여 한강대교의 수위를 예측하였다. 또한 NARX 모형의 적합성을 판단하기 위하여 인공신경망(ANN) 모형과, 순환신경망(RNN)모형의 결과와 비교하였다. 2009년에서 2018년까지 10년간의 수문자료를 이용하여 70%를 학습시키고 검정과 평가에 15%를 사용하여 2018년의 한강대교 3시간 후 수위를 예측한 결과 평균제곱근오차(RMSE)의 경우 ANN, RNN, NARX model이 각각 0.20 m, 0.11 m, 0.09 m, 평균절대오차(MAE)의 경우, 각각 0.12 m, 0.06 m, 0.05 m, 첨두수위 오차(Peak Error)는 각각 1.56 m, 0.55 m, 0.10 m로 나타났다. 연구 대상지역에 대한 시간적 매개변수를 고려한 예측 결과의 오차분석을 통하여 NARX 신경망 모형을 사용하는 것이 수위예측 모형 구축이 가장 적합한 것으로 나타났다. 이는 NARX 신경망 모형이 과거의 입력자료를 고려함으로써 시계열 자료의 변동 추세도 학습 할 수 있으며, 또한 모형 내 활성함수를 쌍곡선탄젠트(Hyperbolic tangent) 및 Rectified Linear Unit(ReLU) 함수를 사용하여 고수위 예측 시에도 정확한 예측 값을 도출할 수 있기 때문이다. 그러나 NARX 신경망 모형은 시퀀스 길이가 길어짐에 따라 기울기 소실문제(Vanishing gradient)가 발생하는 한계점이 있어 향후에는 이를 보완한 LSTM(Long Short Term Model)모형을 이용하여 수위예측의 정확도를 검토하고자 한다.

Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased, the flood damage on riverside social infrastructures was extended so that there has been a threat of overflow. Therefore, a rapid prediction of potential flooding in riverside social infrastructure is necessary for administrators. However, most current flood forecasting models including hydraulic model have limitations which are the high accuracy of numerical results but longer simulation time. To alleviate such limitation, data driven models using artificial neural network have been widely used. However, there is a limitation that the existing models can not consider the time-series parameters. In this study the water surface elevation of the Hangang River bridge was predicted using the NARX model considering the time-series parameter. And the results of the ANN and RNN models are compared with the NARX model to determine the suitability of NARX model. Using the 10-year hydrological data from 2009 to 2018, 70% of the hydrological data were used for learning and 15% was used for testing and evaluation respectively. As a result of predicting the water surface elevation after 3 hours from the Hangang River bridge in 2018, the ANN, RNN and NARX models for RMSE were 0.20 m, 0.11 m, and 0.09 m, respectively, and 0.12 m, 0.06 m, and 0.05 m for MAE, and 1.56 m, 0.55 m and 0.10 m for peak errors respectively. By analyzing the error of the prediction results considering the time-series parameters, the NARX model is most suitable for predicting water surface elevation. This is because the NARX model can learn the trend of the time series data and also can derive the accurate prediction value even in the high water surface elevation prediction by using the hyperbolic tangent and Rectified Linear Unit function as an activation function. However, the NARX model has a limit to generate a vanishing gradient as the sequence length becomes longer. In the future, the accuracy of the water surface elevation prediction will be examined by using the LSTM model.

#수위예측 #인공신경망 #순환신경망 #자료기반 모형 #사회기반시설 #NARX 신경망 모형

참고문헌 (9)

참고문헌 신청

Chen, W. B. / 2012 / Comparison of ANN Approach with 2D and 3D Hydrodynamic Models for Simulating Estuary Water Stage / Advances in Engineering Software 45(1):69~79

Coulibaly, P. / 1999 / Real-time Short-term Natural Water Inflows Forecasting using Recurrent Neural Networks / Neural Networks. 1999. IJCNN'99. International Joint Conference on :3802~3805

Kim, S. / 2017 / Real-time River-stage Prediction with Artificial Neural Network based on Only Upstream Observation Data / Annual Journal of Hydraulic Engineering 62:1375~1380

이을래 / 2005 / 수리학적 인자에 의한 한강에서의 홍수위 영향 분석 / 한국수자원학회 논문집 38(2):121~131

이정규 / 2010 / 팔당댐 방류량과 황해(서해) 조석영향에 따른 팔당댐 하류부 수위상승도달시간 예측 / 한국방재학회논문집 10(2):111~122

함께 읽어보면 좋을 논문

논문 유사도에 따라 DBpia 가 추천하는 논문입니다. 함께 보면 좋을 연관 논문을 확인해보세요!

이 논문의 저자 정보

유형주

소속기관 홍익대학교 토목공학과

주요연구분야 공학 > 건축공학 > 토목공학 공학 > 기타공학 > 기타 공학

논문수 12 이용수 340

이승오

소속기관 홍익대학교 토목공학과

주요연구분야 공학 > 기타공학 > 기타 공학

논문수 5 이용수 122

최서혜

소속기관 한국건설기술연구원 국토연구보전 본부

주요연구분야 공학 > 기타공학 > 기타 공학

논문수 1 이용수 75

박문형

소속기관 한국건설기술연구원 국토연구보전 본부

주요연구분야 공학 > 기타공학 > 기타 공학

논문수 1 이용수 75

최근 본 자료

전체보기

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	원문	원문 PDF 파일
AI 학습용 데이터	원문 + 메타 (기본/상세)	원문 PDF 파일 및 서지정보 CSV
대량 구매용 데이터	B2B 구독 방식	특정 자료 한정으로 원문 접근 권한 부여
대량 구매용 데이터	URL 전달 방식	바로 PDF 뷰어를 열람할 수 있는 URL 제공

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	기본 메타	발행기관명, 간행물명, 권호명, 권(vol), 호(issue), 통권, 발행연도, 발행월, 논문명, 저자명, 시작페이지, 종료페이지, 전체페이지, 상세페이지URL
상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
	간행물 메타	부제목, 간행물 유형, ISSN, ISBN, 최초발행연도, 폐간연도, 간행빈도, 발행주기, 등재사항, 이용수, 피인용수, 권호수, 논문수, 표지이미지
	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

구분	그룹	데이터 항목
※ 결합형/맞춤형 메타 데이터는 신청 내용에 따라 다양하게 제공 가능
이용순위 정보	주제분야별 많이 이용된 논문	“인문학”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	이용기관별 많이 이용된 논문	“중고등학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	세부기관별 많이 이용된 논문	“서울대학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	키워드별 많이 이용된 논문	“Chat GPT”에서 많이 이용된 논문 TOP100
키워드 정보	많이 이용된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 이용된 키워드
	많이 발행된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 발행된 키워드
	많이 검색된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 검색된 키워드
	연구 트렌드 키워드	특정 키워드 연관 연구동향 분석 데이터 키워드

논문 기본 정보

초록· 키워드

AI 요약

연구주제

연구배경

연구방법

연구결과

주요내용

목차

참고문헌 (9)

함께 읽어보면 좋을 논문

이 논문의 저자 정보

최근 본 자료

댓글(0)