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적응 벌칙함수와 집합체 혼합진화 기법의 결합 및 유역유출 모형의 매개변수 추정에 대한 적용

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Alternative Title
Embedding an Adaptive Penalty Function in the SCE-UA and Its Application to Parameter Estimation of a Watershed Runoff Simulation Model
Abstract
Evolutionary algorithms commonly used for an automatic calibration of watershed runoff simulation models are unconstrained optimization algorithms. A watershed runoff phenomenon, on the other hand, is so complicated there are some limitations to calibrate a watershed runoff model only with a single objective function. Many researchers have used multiple objective functions for parameter estimation of watershed runoff simulation models to overcome the limitations of single objective functions. Application of the multiple objective functions, however, has some difficulties in determination of weights for objective functions and in selection of a solution from many optimal solutions such as the Pareto optimum. The purpose of this study is to develop an optimization module to overcome the limitations and difficulties for the above parameter estimation methods of the watershed runoff simulation models. An adaptive penalty function was used to impose constraints on the model calibration process and it was embedded in the shuffled complex evolution-University of Arizona (SCE-UA) optimization program. The adaptive penalty function is easily implemented, free of parameter tuning, and guaranteed to find a solution for any problem at every run. The modified SCE-UA was validated through the applications to the three constrained optimization problems. And then an automatic calibration module for the SWMM (storm water management model) was developed by linking the modified SCE-UA with the SWMM. The automatic calibration module was applied to the parameter estimations for watershed runoff event simulations and watershed runoff continuous simulations. Some limitations were revealed from the results of the automatic calibrations for the two types of simulations with a single objective function. The constraints were formulated to overcome the limitations according to the type of watershed runoff simulation. Two constraints are imposed to diminish errors of peak flow and peak time on the watershed runoff event simulation. Reducing errors of high and low flow volumes formed two constraints to improve water balance on the watershed runoff continuous simulation. The automatic calibration results with those constraints showed great improvement in reducing errors of peak flow and peak flow occurrence time. The shape of the flood hydrograph was more similar to the observed hydrograph than that of automatic calibration results without the constraints. Water balance was also somewhat improved in the watershed runoff continuous simulation by including the constraints. The verification results from the automatic calibration imposing the constraints were better than those of the automatic calibration without the constraints. The constrained optimization module developed by embedding the adaptive penalty function could help solving various constrained optimization problems in water resources engineering fields.
Author(s)
강태욱
Issued Date
2013
Awarded Date
2013. 2
Type
Dissertation
Publisher
부경대학교
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/24932
http://pknu.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001966311
Alternative Author(s)
Taeuk Kang
Affiliation
부경대학교 대학원
Department
대학원 토목공학과
Advisor
이상호
Table Of Contents
List of Tables ⅸ
List of Figures xii
List of Symbols xvii
Abstract xxi

제1장 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구의 범위 및 내용 3
1.3 관련 연구의 동향 5
1.4 논문의 구성 7

제2장 모형의 이론적 배경 8
2.1 SWMM 8
2.1.1 SWMM의 소개 8
2.1.2 SWMM의 구성 9
2.1.3 SWMM의 주요 매개변수 20
2.2 집합체 혼합진화 알고리즘 23
2.2.1 집합체 혼합진화 알고리즘의 소개 23
2.2.2 집합체 혼합진화 알고리즘의 계산 과정 24
2.2.3 집합체 혼합진화 알고리즘의 계산 예 31
2.3 벌칙함수 35
2.3.1 벌칙함수의 구분 35
2.3.2 적응 벌칙함수 37
2.4 최적화 방법의 장·단점 42
2.4.1 단일 목적함수와 다목적함수 43
2.4.2 정적 벌칙함수와 적응 벌칙함수 47
2.4.3 최적화 방법의 비교 및 적응 벌칙함수의 상대적 장점 48
2.5 모형의 평가 지표 50

제3장 유역유출 모의 모형의 입력 자료 구축 52
3.1 대상유역 52
3.1.1 대상유역의 선정 52
3.1.2 밀양댐 유역 53
3.1.3 구로1 빗물펌프장 배수유역 62
3.1.4 동향 수위관측소 유역 67
3.2 유역유출 모의 모형의 구성 73
3.2.1 유역유출 모의 모형의 분석 조건 73
3.2.2 소유역과 하도(관거)의 특성인자 추정 75
3.2.3 SWMM의 입력 자료 구축 83

제4장 SWMM의 자동 보정 모듈 개발 및 검증 84
4.1 SWMM과 집합체 혼합진화 알고리즘의 연계 84
4.1.1 SWMM과 집합체 혼합진화 알고리즘의 연결 모듈 84
4.1.2 SWMM의 무제약 최적화에 의한 자동 보정 모듈 86
4.1.3 추정 대상 매개변수 88
4.2 목적함수와 제약조건식 94
4.2.1 단일 목적함수에 의한 자동 보정의 한계 94
4.2.2 목적함수와 제약조건식의 구성 108
4.3 제약조건을 고려한 집합체 혼합진화 알고리즘 112
4.3.1 적응 벌칙함수를 포함한 집합체 혼합진화 알고리즘 112
4.3.2 경쟁적 집합체 진화 알고리즘의 수정 115
4.3.3 수렴조건의 설정 122
4.4 제약조건을 고려한 SWMM의 자동 보정 모듈 127
4.5 제약조건을 고려한 집합체 혼합진화 알고리즘의 검증 129
4.5.1 검사 함수 1 129
4.5.2 검사 함수 2 133
4.5.3 검사 함수 3 136

제5장 SWMM의 자동 보정 및 검증 141
5.1 자동 보정 모듈의 입력 자료 구축 141
5.1.1 집합체 혼합진화 알고리즘의 수행 조건 141
5.1.2 추정 대상 매개변수의 범위 설정 142
5.2 홍수유출 모의 모형의 자동 보정과 검증 149
5.2.1 밀양댐 유역의 모형 자동 보정 149
5.2.2 구로1 빗물펌프장 배수유역의 모형 자동 보정 156
5.2.3 홍수유출 모의 모형의 검증 161
5.3 유역유출 연속모의 모형의 자동 보정과 검증 165
5.3.1 동향 수위관측소 유역의 모형 자동 보정 165
5.3.2 밀양댐 유역의 모형 자동 보정 173
5.3.3 유역유출 연속모의 모형의 검증 179
5.4 결과 고찰 182
5.4.1 제약조건을 고려한 자동 보정의 효과 검토 182
5.4.2 제약조건의 허용오차 설정에 관한 고찰 186
5.4.3 제약 최적화에 의한 자동 보정의 효율 검토 190
5.4.4 SWMM의 유역유출 연속모의에 관한 고찰 197

제6장 결론 및 향후 연구내용 202
6.1 결론 202
6.2 향후 연구내용 204

참고문헌 206

부 록 217
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Doctor
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산업대학원 > 토목공학과
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