PUKYONG

베이지안 네트워크와 딥러닝을 이용한 안동댐의 월 유입량 예측 및 위험 회피 저수지 운영 방안

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Abstract
Pragmatic reservoir operation providing for droughts needs an appropriate operating rule and the prediction of future inflow. For this reason, a method of hedging policy on reservoir operation proposed in this research includes a derivation of discrete hedging rule curves applying the mixed-integer programming and a monthly inflow prediction method using a copula-based Bayesian network combined with deep learning. The hedging stages consist of concern, caution, alert, and severe that accompany the required flow release, instream flow reduction, agricultural water rationing, and municipal water diminishing, respectively. Each derived hedging rule curve was decided by twelve monthly trigger volumes of available water for rationing for the respect drought stage. The available water for a reservoir is the current storage plus the inflow volume of a future operation period. The reservoir operation applying the discrete hedging rule requires a reliable prediction inflow. The two methods yielded the prediction inflow: one was a copula-based Bayesian network (CBN) to forecast the probability density function (PDF) of the monthly inflow; the other one was deep learning to forecast effective drought index (EDI). The procedures to determine the predicted inflow are as follows. One converts the PDF of the predicted inflow to the standard normal distribution function. Assume that the predicted EDI value is equal to the random variate of converted monthly inflow. Calculate the non-exceedance probability of the transformed random variate of the monthly inflow. Finally, one finds the monthly inflow with the same non-exceedance probability on the original PDF. Reservoir simulations utilized the forecasted inflow.
The study applied the methods mentioned above to Andong dam reservoir. Using the reservoir inflow records from 1980 to 2013, The study derived the hedging rule curves of reservoir operation, constructed the CBN model, and trained the deep learning model. For the verification period from 2014 to 2018, the combined CBN with deep learning model forecasted the reservoir inflow, and the reservoir simulation was followed using the forecasted inflow. Comparing the forecasted inflows between the mode of the PDF of the predicted inflow using CBN and the combined CBN and deep learning model, the two prediction methods' forecasted results showed similar performance for the whole validation period. For the drought period of 2015, however, the forecasted inflow results from the combined CBN and deep learning model improved Nash-Sutcliffe efficiency by 6.43 and percent bias by 48% compared with the mode of predicted inflow PDF using CBN. The reservoir simulation results applying the hedging rule curves and the predicted inflow were 156% better in terms of temporal reliability and 19% better in volumetric reliability than the historical records. The more reliable results from the reservoir simulation were outcomes of the role of the forecasted inflow: even if the current storage is small, the events of large forecasted inflows made it possible for the storage phase to recover to the normal phase rapidly.
Author(s)
진영규
Issued Date
2021
Awarded Date
2021. 2
Type
Dissertation
Publisher
부경대학교
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/2293
http://pknu.dcollection.net/common/orgView/200000374416
Affiliation
부경대학교 대학원
Department
대학원 토목공학과
Advisor
이상호
Table Of Contents
1. 서론 1
1.1. 연구 배경 및 목적 1
1.2. 연구 동향 5
1.2.1. 가뭄 대응 저수지 운영 5
1.2.2. 가뭄 및 유입량 예측 7
1.3. 논문의 구성 11
2. 가뭄 대응 저수지 운영 14
2.1. 가뭄 대응 저수지 운영률 14
2.1.1. 표준 운영률 14
2.1.2. 용수 감량공급 운영률 16
2.1.3. 저수량 구간 감량공급 운영률 18
2.2. 이산화 용수 감량공급 운영률 21
2.2.1. 이산화 용수 감량공급 운영률 21
2.2.2. 4단계 이산화 용수 감량공급 운영률 23
2.3. 저수지 모의 운영 모형의 구성 31
2.4. 저수지 모의 운영 결과의 평가 지표 33
2.4.1. 신뢰도 33
2.4.2. 회복도 및 취약도 36
3. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크 37
3.1. 베이지안 네트워크 37
3.2. Copulas 42
3.2.1. Copula 함수 42
3.2.2. Copula 함수의 종류 43
3.3. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크 46
3.4. 확률분포 47
3.4.1. 확률분포형 48
3.4.2. 확률밀도함수의 매개변수 추정 50
3.4.3 .적합도 검정 52
4. 딥러닝을 이용한 가뭄 지수 예측 기법과 유입량 예측 방법 54
4.1. 유효가뭄지수 54
4.2. 딥러닝 56
4.2.1. 인공신경망 56
4.2.2. 장단기 기억 59
4.2.3. 딥러닝의 학습 조절 매개변수 및 학습 효율 향상을 위한 방안 64
4.3. 가뭄 지수 예측을 위한 딥러닝 구성 및 학습 조절 매개변수 결정 방법 71
4.4. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크와 딥러닝을 이용한 유입량 예측 방법 75
5. 이산화 용수 감량공급 운영률의 적용 80
5.1. 연구 대상 저수지 선정 및 검증 기간 선정 80
5.1.1. 적용 대상 저수지 선정 80
5.1.2. 안동댐의 제원 및 현황 81
5.1.3. 용수 감량공급 기준곡선 결정 기간 및 검증 기간 선정 83
5.2. 4단계 이산화 용수 감량공급 운영률의 적용 85
5.2.1. 수학적 모형의 입력 자료 구성 85
5.2.2. 안동댐의 용수 감량공급 기준곡선 결정 87
6. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크를 이용한 유입량 예측 95
6.1. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크 구축 95
6.2. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크를 이용한 유입량 예측 결과 100
7. 딥러닝을 이용한 가뭄 지수 예측 105
7.1. 안동댐의 유효가뭄지수 산정 및 딥러닝의 학습 기간 선정 105
7.2. 딥러닝을 이용한 유효가뭄지수 예측 107
7.2.1. 딥러닝의 학습 제어 매개변수 결정 107
7.2.2. 딥러닝을 이용한 유효가뭄지수 예측 결과 117
8. 예측 유입량을 적용한 가뭄 대비 위험 회피 저수지 운영 120
8.1. Copula 함수 기반의 베이지안 네트워크와 딥러닝을 이용한 유입량 예측 결과 120
8.1.1. 예측 유입량 분포의 최빈값과 copula 베이지안 네트워크 및 딥러닝을 결합한 예측 유입량의 비교 120
8.1.2. Copula 베이지안 네트워크 및 딥러닝을 결합한 예측 유입량과 갈수 빈도 유입량의 비교 125
8.2. 예측 유입량과 용수 감량공급 기준곡선을 이용한 가뭄 대비 위험 회피 저수지 운영 131
8.2.1. 안동댐의 과거 운영 기록과 비교 132
8.2.2. 빈도 해석 갈수량을 예측 유입량으로 하여 용수 감량공급 기준곡선을 적용한 가뭄 대비 위험 회피 저수지 모의 운영 결과와 비교 136
8.2.3. 용수공급 조정기준을 이용한 저수지 모의 운영 결과와 비교 143
9. 결론 및 향후 연구내용 152
9.1. 요약 및 결론 152
9.2 향후 연구 내용 157
참고문헌 158
부록 170
Degree
Doctor
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