KR102266838B1 - Monitoring technique for leaching water of burial sites using field sensors and machine learning - Google Patents

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신선경
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Abstract

The present invention relates to a method for monitoring leachate in burial sites using on-site sensors and machine learning and, more specifically, to a concentration measurement method that simultaneously uses various on-site sensor measurement values and analyzes the same using the deep neural network (DNN) technology, which is a kind of the artificial neural network (ANN) technology to precisely determine NH4-N and Cl- concentrations in groundwater, and to a method for monitoring leachate in burial sites using the same.

Description

현장센서 및 머신러닝을 이용한 매몰지 침출수 감시기법{Monitoring technique for leaching water of burial sites using field sensors and machine learning}Monitoring technique for leaching water of burial sites using field sensors and machine learning

본원발명은 현장센서 및 머신러닝을 이용한 매몰지 침출수 감시기법에 관한 것이다. 구체적으로 여러 현장센서 측정값을 동시에 이용하고 이를 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network) 기술의 일종인 심층신경망(DNN, Deep Neural Network) 기술을 활용하여 분석하여 지하수 내 NH4-N 및 Cl- 농도를 정확하게 파악하기 위해 농도 측정방법 및 이를 이용한 매몰지 침출수 감시기법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for monitoring leachate in a buried site using in-situ sensors and machine learning. Specifically, NH 4 -N and Cl - concentrations in groundwater by using multiple field sensor measurements simultaneously and analyzing them using Deep Neural Network (DNN) technology, a type of artificial neural network (ANN) technology. It relates to a concentration measurement method and a method for monitoring leachate in the burial site using the same in order to accurately identify

우리나라는 1934년 구제역이 최초로 발생한 이후로 2000년 3월부터 2010년 4월까지 총 5차례의 구제역이 발생하였다. 구제역 외에도 조류인플루엔자 또한 최근까지도 지속적으로 발생하고 있다.In Korea, since the first outbreak of foot-and-mouth disease in 1934, a total of five cases of foot-and-mouth disease occurred from March 2000 to April 2010. In addition to foot-and-mouth disease, avian influenza has also been continuously occurring until recently.

2010년부터 2018년까지 8차례의 구제역으로 38만 마리의 소와 돼지, 7차례의 조류인플루엔자로 6900만 마리의 닭과 오리가 살처분 되었다. 최근의 아프리카돼지열병으로 살처분된 돼지 47만 마리를 포함하면 지난 10여년 동안 매년 7000만 마리의 가축이 살처분되었다.From 2010 to 2018, 8 cases of foot-and-mouth disease killed 380,000 cattle and pigs, and 7 cases of avian influenza killed 69 million chickens and ducks. Including 470,000 pigs slaughtered due to the recent African swine fever, 70 million livestock have been culled each year over the past decade.

살처분된 가축들은 대부분 매몰(land filling) 방식으로 처분되었으며, 이를 통해 전국적으로 5000여곳 가까운 매몰지가 조성되었다.Most of the slaughtered livestock were disposed of by land filling, and through this, nearly 5,000 burial sites were created nationwide.

가축 매몰지 침출수의 누출은 지하수의 오염을 초래하여 지하수 이용에 장애가 될 수 있을 뿐만 아니라 질병 관리차원에서도 문제가 되는바, 지속적인 감시가 요구된다.Leakage of leachate from burial sites for livestock causes contamination of groundwater, which can be an obstacle to the use of groundwater, as well as a problem in terms of disease control, so continuous monitoring is required.

지하수의 오염 감시를 위해 대수층에 현장센서인 연속 지하수 측정 센서를 설치할 수 있다. 매몰지로부터 침출수가 누출되었을 경우 지하수 내에서 가장 민감하게 변화가 발생하는 항목은 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-) 농도이다. 다만, 상기와 같은 현장센서를 통해 얻어지는 NH4-N 및 Cl- 농도의 정확성이 매우 낮아 침출수 누출 판정에 적용하는데 어려움이 있다.Continuous groundwater measurement sensors, which are field sensors, can be installed in aquifers to monitor groundwater contamination. When leachate leaks from the burial site, the most sensitive changes in groundwater are ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chloride ion (Cl - ) concentrations. However, the accuracy of the NH 4 -N and Cl - concentrations obtained through the on-site sensor as described above is very low, so it is difficult to apply it to the determination of leachate leakage.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 정기적으로 지하수를 채취하고 이를 별도의 장소인 실험실에서 분석을 할 수 있다. 위 방법은 정확도가 높은 결과를 얻을 수 있으나, 연속 측정이 불가능하여 지하수 감시에 공백이 발생하고, 지속적인 관측에 많은 비용이 필요하며, 사람이 개입됨으로 인하여 전문성에 따른 오류나 객관성 문제가 발생할 수 있다.In order to solve the above problems, groundwater can be collected regularly and analyzed in a laboratory, which is a separate place. The above method can obtain high-accuracy results, but since continuous measurement is not possible, there is a gap in groundwater monitoring, a large cost is required for continuous observation, and errors or objectivity problems may occur due to professionalism due to human intervention.

특허문헌 1은 무인 자동 알칼리도 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특허문헌 1은 무인 자동 알칼리도 측정 시스템에 있어서, 측정 대상 시료를 담기 위한 시료용기; 상기 측정 대상 시료를 취수하기 위한 취수부; 상기 측정 대상 시료를 측정하기 위한 검사용액을 투입하기 위한 검사용액 투입부; 상기 검사용액에 의해 측정된 데이터를 저장하며, 상기 무인 자동 알칼리도 측정 시스템을 제어하기 위한 제어부; 상기 측정 대상 시료의 측정 완료 후 상기 시료용기에서 배수하기 위한 배수부; 및 상기 시료용기 내부에 설치되어 상기 측정 대상 시료 및 검사용액을 고르게 희석시키기 위한 희석부를 포함하며, 상기 검사용액은 시료의 pH를 변화시킬 수 있는 산(acid) 용액인 것을 특징으로 하는 무인 자동 알칼리도 측정 시스템을 제공하고 있다.Patent Document 1 relates to an unmanned automatic alkalinity measurement system and method. Patent Document 1 discloses an unmanned automatic alkalinity measurement system, comprising: a sample container for containing a sample to be measured; a water intake unit for receiving the sample to be measured; a test solution input unit for inputting a test solution for measuring the measurement target sample; a controller for storing the data measured by the test solution and controlling the unmanned automatic alkalinity measurement system; a drain unit for draining the sample to be measured from the sample container after the measurement of the sample to be measured is completed; and a dilution unit installed inside the sample container to evenly dilute the sample to be measured and the test solution, wherein the test solution is an acid solution capable of changing the pH of the sample. A measurement system is provided.

특허문헌 1은 무인 자동센서를 이용하여 침출수를 측정하고 있으나 본원발명에서 인식하고 있는 NH4-N 및 Cl- 농도의 정확성에 대해서는 전혀 인식을 하고 있지 않으며, 단순히 알칼리도만을 측정하고 있는바, 현재 요구되는 침술수의 누출 판정 기준에 부합하지 못한다.Patent Document 1 measures leachate using an unmanned automatic sensor, but does not recognize the accuracy of NH 4 -N and Cl - concentrations recognized in the present invention, and simply measures alkalinity. It does not meet the criteria for determining leakage of acupuncture water.

특허문헌 2는 가축 매몰지 침출수 유출 판별 방법에 관한 것이다. 특허문헌 2는 1) 가축 매몰지 토양 지하수로부터 가축 사체 유래 물질의 농도를 측정하는 단계; 2) 단계 1)의 지하수로부터 총 유기 탄소의 농도를 측정하는 단계; 3) 가축 사체 유래 물질의 농도와 총 유기 탄소의 농도의 비율을 산출하는 단계; 및 4) 총 유기 탄소의 농도에 대한 가축 사체 유래 물질의 농도의 비율을 가축 매몰지 내부 침출수의 총유기 탄소의 농도에 대한 가축 사체 유래 물질의 농도의 비율과 비교하는 단계를 포함하는, 토양 지하수에 가축 매몰지 침출수 유출 여부 판별 방법을 제공하고 있다.Patent Document 2 relates to a method for determining the outflow of leachate from a livestock burial site. Patent Document 2 includes the steps of 1) measuring the concentration of a material derived from a livestock carcass from the groundwater of the livestock burial site; 2) measuring the concentration of total organic carbon from the groundwater of step 1); 3) calculating the ratio of the concentration of the animal carcass-derived material to the concentration of total organic carbon; and 4) comparing the ratio of the concentration of the carcass derived material to the concentration of the total organic carbon to the ratio of the concentration of the carcass derived material to the total organic carbon concentration of the leachate inside the burial site. provides a method for determining whether leachate has leaked from livestock burial sites.

특허문헌 2는 유출 판별 방법을 제공하고 있으나, 판별의 가장 기초가 되는 가축 사체 유래 물질의 정확한 농도를 측정하는 방법과 이에 따른 문제점에 대해서는 인식하지 못하고 있다.Patent Document 2 provides a method for determining a leak, but does not recognize a method for measuring the exact concentration of a material derived from a livestock carcass, which is the basis of the determination, and problems associated therewith.

이와 같이 종래의 기술들은 NH4-N 및 Cl- 농도 측정의 정확성에 대한 문제점을 인식하지 못하고 있는바, 이에 대한 해결책 또한 제시하지 못하고 있다. 연속적인 매몰지 침출수 누출 감시를 위해서는 현장센서를 이용하여 연속적인 측정만이 유일한 해결책이다. 우선적으로 지하수의 물리, 화학적 상태를 지시하는 현장센서 측정값으로부터 오염지시 인자인 NH4-N 및 Cl- 농도를 정확하게 파악할 수 있는 기술이 마련되어야 한다.As such, the prior art does not recognize a problem with respect to the accuracy of NH 4 -N and Cl - concentration measurement, and thus does not provide a solution thereto. For continuous burial leachate leak monitoring, continuous measurement using on-site sensors is the only solution. First of all, it is necessary to prepare a technology that can accurately determine the concentration of NH 4 -N and Cl - , which are factors that indicate pollution, from the on-site sensor measurement values that indicate the physical and chemical state of groundwater.

대한민국 등록특허공보 제10-1334307호 (2013.11.22)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1334307 (2013.11.22) 대한민국 공개특허공보 제2012-0111220호 (2012.10.10)Republic of Korea Patent Publication No. 2012-0111220 (2012.10.10)

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 가축 매몰지 침출수의 누출을 지속적으로 감시하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for continuously monitoring the leakage of leachate from a livestock burial site.

구체적으로 1) 정확도가 매우 낮았던 지하수 내 현장 센서를 통해 측정된 NH4-N 및 Cl- 농도를 정확하게 보정하고, 2) 이를 실시간으로 실시하며, 3) 상기 과정을 무인으로 진행하고, 4) 이를 기반으로 매몰지 침출수의 누출 여부를 실시간 및 무인으로 판별할 수 있는 매몰지 침출수 감시기법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Specifically, 1) accurately calibrate the NH 4 -N and Cl - concentrations measured through an on-site sensor in groundwater, which had very low accuracy, 2) perform this in real time, 3) perform the above process unattended, and 4) The purpose of this is to provide a burial site leachate monitoring technique that can determine whether the leachate leaks in real-time and unattended.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본원발명은 여러 현장센서 측정값을 동시에 이용하고 이를 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network) 기술의 일종인 심층신경망(DNN, Deep Neural Network) 기술을 활용하여 분석하여 지하수 내 NH4-N 및 Cl- 농도를 정확하게 파악하기 위해 농도 측정방법 및 이를 이용한 매몰지 침출수 감시기법을 제공한다. 본원발명은 현장센서 측정값과 심층신경망을 이용한 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-) 농도를 추정하는 모델의 훈련, 예측과 민감도 분석에 기초한 센서 간소화 또한 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention uses several field sensor measurement values at the same time and analyzes them using Deep Neural Network (DNN) technology, which is a kind of artificial neural network (ANN) technology. In order to accurately determine the concentration of NH 4 -N and Cl - in the The present invention also provides a sensor simplification based on the training, prediction and sensitivity analysis of the model for estimating ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl - ) concentrations using in-situ sensor measurements and deep neural networks.

구체적으로Specifically

본원발명은 가축 매몰지 및 그 주변 지하수의 수위; 수온; pH; 산화-환원 전위(ORP; oxidation-reduction potential); 전기전도도(EC; electric conductivity); 총용존고형물질량(TDS; total dissolved solids); Ca, Na, K, Mg를 포함하는 양이온 중 적어도 하나 이상의 농도; Cl, CO3, SO4를 포함하는 음이온 중 적어도 하나 이상의 농도;를 포함하는 그룹 중에서 적어도 하나 이상을 측정할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함하는 측정부; 상기 측정부에서 측정된 결과를 인공신경망을 통해서 처리하는 신호처리부; 제어부;를 포함하는 가축 매몰지 침출수 측정장치를 제공한다.The present invention relates to a livestock burial site and its surrounding groundwater level; water temperature; pH; oxidation-reduction potential (ORP); electric conductivity (EC); total dissolved solids (TDS); a concentration of at least one of cations comprising Ca, Na, K, and Mg; Cl, CO 3 , SO 4 Concentration of at least one or more of anions including; a measurement unit including one or more sensors capable of measuring at least one or more from the group comprising; a signal processing unit for processing the result measured by the measuring unit through an artificial neural network; It provides a device for measuring leachate in livestock burial sites including a control unit.

상기 측정부는 상기 가축 매몰지 및 그 주변 지하수의 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-) 농도 또한 측정하는 것일 수 있으며, 상기 측정부는 무인 및 실시간 측정하는 것일 수 있다. The measuring unit may also measure ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl ) concentrations in the livestock burial site and its surrounding groundwater, and the measuring unit may measure unmanned and real-time.

상기 인공신경망은 CNN(Convolution Neural Network), DNN(Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, GAN, Softmax 모델 중에 적어도 하나이며, 이때 반응변수는 NH4-N 및 Cl- 농도이며, 설명변수는 상기 측정부에서 현장 센서를 통해 측정된 값이다. 바람직하게 상기 인공신경망은 CNN 또는 DNN, 바람직하게는 NARX-DNN이며, CNN일 경우 convolutional layer와 fully connected layer, Softmax의 순서로 구성되고, 상기 convolutional layer 뒤에 max pooling layer가 존재하는 것이다.The artificial neural network is at least one of CNN (Convolution Neural Network), DNN (Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, GAN, and Softmax models, wherein the response variables are NH 4 -N and Cl - concentrations, and the explanatory variables are It is a value measured by the on-site sensor in the measurement unit. Preferably, the artificial neural network is a CNN or a DNN, preferably a NARX-DNN, and in the case of a CNN, it is composed of a convolutional layer, a fully connected layer, and a softmax in the order, and a max pooling layer exists after the convolutional layer.

상기 측정부는 As, 시안, 수은, 유기인, 페놀, 납, 6가크롬Cr+6, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸, 1.1.1-트리클로로에탄, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 용존산소, 나트륨이온, 칼륨이온, 칼슘이온, 마그네슘이온, 황산이온, 중탄산염이온, 탄산염이온, 질산염이온, NO3-N, 총대장균수 중 적어도 하나 이상 또한 측정할 수 있다.The measuring part is As, cyanide, mercury, organophosphorus, phenol, lead, hexavalent chromium Cr +6 , trichloroethylene, tetrachloroethyl, 1.1.1-trichloroethane, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, dissolved oxygen , sodium ion, potassium ion, calcium ion, magnesium ion, sulfate ion, bicarbonate ion, carbonate ion, nitrate ion, NO 3- N, at least one or more of the total number of E. coli can also be measured.

본원발명에 측정장치는 상기 제어부의 요청에 따라 상기 측정부에서 측정된 결과를 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있는 데이터송수신부; 데이터 처리 정보를 표시하는 디스플레이부;가 부가될 수 있으며, 상기 신호처리부는 상기 측정부와는 별도로 위치하는 것일 수 있다.In the present invention, the measuring device includes: a data transmitting/receiving unit capable of transmitting and receiving the result measured by the measuring unit by wire or wirelessly according to the request of the control unit; A display unit for displaying data processing information may be added, and the signal processing unit may be located separately from the measuring unit.

본원발명은 상기 매몰지 침출수 측정장치를 사용하여 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법에 있어서,The present invention provides a method for determining whether livestock burial site leachate leaks using the burial site leachate measuring device,

a) 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 및 그 주변에 상기 측정부를 배치하는 단계;a) disposing the measuring unit in and around the livestock burial site to determine the state;

b) 상기 측정부로부터 적어도 하나 이상의 측정 신호를 수신하는 단계;b) receiving at least one measurement signal from the measurement unit;

c) 상기 측정 신호를 기반으로 상기 신호처리부에서 상기 인공신경망을 통해서 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 및 그 주변의 침출수 누출 여부를 판별하는 단계;c) determining whether the livestock burial site and its surroundings are leaking leachate through the artificial neural network in the signal processing unit based on the measured signal;

를 포함하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법 또한 제공한다.It also provides a method for determining whether leachate leaks at livestock burial sites, including

상기 b) 단계의 측정 신호를 데이터송수신부를 통해 별도로 위치하는 신호처리부로 전송하여 상기 신호처리부에서 인공신경망을 통해서 처리한 후 처리된 결과만을 사용자에게 통보할 수 있으며, 상기 b) 단계의 측정 신호를 상기 신호처리부로 전송하기 전에 상기 제어부에서 전처리하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 전처리하는 단계는 노이즈 제거, 푸리에, 라플라스, 옥타브 밴드 레벨(Octave Band Levels), 샤프니스, 러프니스, 엔벨로프, 기저크기, 토날리티, 변동강도(Fluctuation Strength), 댐핑(Damping), 고유진동수(Natural Frequency) 분석을 통해 특성치를 추출하는 주파수 성분 분석 또는 시간에 따른 변화율 분석 신호 처리를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상이다.The measurement signal of step b) may be transmitted to a signal processing unit located separately through the data transmission/reception unit, processed through the artificial neural network in the signal processing unit, and only the processed result may be notified to the user, and the measurement signal of step b) It may include a step of pre-processing by the control unit before transmission to the signal processing unit, wherein the pre-processing includes noise removal, Fourier, Laplace, Octave Band Levels, sharpness, roughness, envelope, basis size, It is at least one selected from the group including frequency component analysis or time-dependent rate analysis signal processing to extract characteristic values through tonality, fluctuation strength, damping, and natural frequency analysis .

또한 상기 b) 단계의 측정 신호는 화이트 노이즈, 핑크 노이즈음, 브라운 노이즈, 임펄스를 포함할 수 있다.Also, the measurement signal of step b) may include white noise, pink noise, brown noise, and impulse.

또한 본원발명은 상기 b) 단계의 측정 신호와 함께 상기 a) 단계의 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 위치 정보를 같이 전송할 수 있으며, 상기 처리된 결과를 사용자에게 통보할 때 별도의 매몰지 종합관리 시스템에도 동시에 전송할 수 있다.In addition, the present invention can transmit the livestock burial site location information to determine the state of step a) together with the measurement signal of step b), and a separate burial site synthesis when notifying the user of the processed result It can also be transmitted to the management system at the same time.

상기 처리된 결과는 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지의 위치 정보, 상기 매몰지의 주변 위치에 따른 침출수 농도, 침출수 누출 여부를 포함한다.The processed result includes information on the location of the livestock burial site to determine the state, the leachate concentration according to the surrounding location of the burial site, and whether the leachate leaks.

상기 인공신경망은 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지의 위치 정보 및 상기 측정 신호와 상기 매몰지 및 그 주변의 상태에 대해서 이미 학습이 된 것이며, 상기 측정 신호 및 누출 여부의 판단 결과를 별도의 서버컴퓨터에 저장하여 학습용 데이터베이스를 구축하는 단계가 부가된다. 상기 측정 신호와 별도로 측정된 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-)의 측정 결과를 상기 신호처리부로 피드백하여 상기 학습용 데이터베이스가 계속 갱신되고 상기 갱신된 데이터베이스는 상기 인공신경망의 재학습 자료로 사용된다.The artificial neural network has already learned about the location information of the livestock burial site to determine the state, the measurement signal, and the state of the burial site and its surroundings, and transfers the measurement signal and the result of the determination of leakage to a separate server computer. The step of building a database for learning by storing it in is added. The measurement result of ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl - ) measured separately from the measurement signal is fed back to the signal processing unit so that the learning database is continuously updated, and the updated database is the re-creation of the artificial neural network. used as learning materials.

본원발명은 종래의 문제점을 해결한 것으로서 가축 매몰지 침출수의 누출을 지속적이면서 정확하게 제공할 수 있다.The present invention solves the problems of the prior art, and can provide continuous and accurate leakage of leachate from livestock burial sites.

구체적으로 1) 정확도가 매우 낮았던 지하수 내 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-) 농도를 정확하게 측정하고, 2) 이를 실시간으로 측정하며, 3) 상기 과정을 무인으로 진행하고, 4) 이를 기반으로 매몰지 침출수의 누출 여부를 실시간 및 무인으로 판별할 수 있는 매몰지 침출수 감시기법을 제공할 수 있다. Specifically, 1) accurately measure ammonium nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl - ) concentrations in groundwater, which had very low accuracy, 2) measure them in real time, 3) perform the above process unattended, 4) Based on this, it is possible to provide a burial site leachate monitoring technique that can determine whether the leachate is leaking in real time and unattended.

본원발명은 인공신경망의 결과를 활용함으로써, 측정하는 센서 중 중요한 영향을 미치는 측정값을 선택하고 이 결과를 바탕으로 추후 측정하는 센서를 간소화하면서도 시스템의 정확도를 유지할 수 있는 추가의 장점이 있다. 본원발명에 따른 하수도관의 상태를 판별하는 방법은 유량계 등과 같이 하수관 내에 직접 설치할 필요가 없이 현재 하수관 시설에 영향을 주지 않고 유량 및 침전물에 관한 신호를 수집할 수 있는 장점이 있다. 본원발명의 음향분석단말기는 상태를 판별하고자 하는 하수관의 양 말단에 배치하는 것으로 충분하기 때문에 작업이 매우 용이한 장점이 있다.The present invention has an additional advantage in that it is possible to select a measurement value having an important influence among the sensors to be measured, and to simplify the sensor to be measured later based on the result by using the result of the artificial neural network while maintaining the accuracy of the system. The method of determining the state of the sewer pipe according to the present invention has the advantage of collecting signals about the flow rate and sediment without affecting the current sewage pipe facility without the need to directly install it in the sewage pipe, such as a flow meter. The acoustic analysis terminal of the present invention has the advantage of very easy operation because it is sufficient to be disposed at both ends of the sewage pipe to determine the state.

본원발명에 따른 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법은 실시간 또는 실질적인 면에서 실시간에 준하는 정도에서 신호를 유/무선으로 전달하여 신호처리부 또는 서버에서 이를 취합할 수 있게 하는 장점이 있다. 데이터를 취합하여 한꺼번에 전송할 수도 있고 필요에 따라서는 실시간의 전송이 가능하며, 센서를 포함하는 제어기를 통해서 무선으로 전송이 가능한바, 데이터 관리가 편리하다는 장점이 있다.The method for determining whether a livestock burial site leachate leaks according to the present invention has the advantage of allowing a signal processing unit or a server to collect signals by transmitting a signal in real time or substantially equivalent to real time in a wired/wireless manner. Data can be collected and transmitted all at once or, if necessary, can be transmitted in real time, and can be transmitted wirelessly through a controller including a sensor, which has the advantage of convenient data management.

본원발명에 따른 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법은 전달된 신호를 단순한 패턴 분석 방법이 아닌 노이즈에 강한 인공신경망 방법을 사용함으로써, 종래의 부정확한 측정방법을 해결할 수 있는 장점이 있다.The method for determining whether a livestock burial site leachate leaks according to the present invention has the advantage of solving the conventional inaccurate measurement method by using a noise-resistant artificial neural network method rather than a simple pattern analysis method for the transmitted signal.

본원발명에 따른 하수도관의 상태를 판별하는 방법은 CNN(Convolution Neural Network), DNN(Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, GAN, Softmax 모델 중에 적어도 하나이며, CNN일 경우 convolutional layer와 fully connected layer, Softmax의 순서로 구성되고, 상기 convolutional layer 뒤에 max pooling layer가 존재하는 모델을 사용함으로써 수집된 빅데이터를 실제적으로 처리할 수 있다. 종래의 기술에 사용되었던 회귀 기법으로는 처리할 수 없었던 결과를 실제 활용이 가능한 시간 내에서 제공할 수 있다.The method for determining the state of the sewer pipe according to the present invention is at least one of CNN (Convolution Neural Network), DNN (Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, GAN, and Softmax models, and in the case of CNN, fully connected with the convolutional layer It is possible to actually process the collected big data by using a model composed of layers and softmax in the order of which a max pooling layer exists after the convolutional layer. A result that could not be processed by the regression technique used in the prior art can be provided within a time that can be actually utilized.

또한 본원발명에 따른 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법은 초기 학습은 물론 계속적인 재학습을 통해서 진단의 신뢰성을 계속 높일 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 현재 측정 결과와 별도로 분석한 농도값을 피드백하여 정확도를 더욱 높일 수 있다.In addition, the method for determining whether livestock burial site leachate leaks according to the present invention has the advantage of continuously increasing the reliability of diagnosis through continuous re-learning as well as initial learning. In addition, the accuracy can be further improved by feeding back the analyzed concentration value separately from the current measurement result.

도 1은 본원발명에 따른 인공신경망 기반 매몰지 지하수 NH4-N 및 Cl- 농도 추정방법 개념도이다.
도 2는 본원발명에 따라는 인공지능 기법 기반 침출수 누출 판정 모델의 개략도이다.
도 3은 ANN 모델 학습네트워크 구조이다.
도 4는 NARX-DNN 모델 학습네트워크 구조이다.
도 5는 NARX-DNN 모델 학습네트워크 구조를 본원발명에 적용한 구체적인 예시도이다.
도 6은 제1실시예에 따른 심층신경망 및 in-situ 센서자료(수위, EC, 및 수온)을 이용한 질산성질소 농도 예측 결과이다.
도 7은 제2실시예에 따른 심층신경망 및 in-situ 센서자료(수위, EC, 및 수온)을 이용한 염소이온 농도 예측 결과이다.
도 8은 제3실시예에 따른 심층신경망 및 in-situ 센서자료(수위, EC, 및 수온)을 이용한 질산성질소 농도 예측 결과이다.
1 is a conceptual diagram of an artificial neural network-based burial groundwater NH 4 -N and Cl -concentration estimation method according to the present invention.
2 is a schematic diagram of an artificial intelligence technique-based leachate leak determination model according to the present invention.
3 is an ANN model training network structure.
4 is a NARX-DNN model training network structure.
5 is a detailed exemplary diagram of the NARX-DNN model learning network structure applied to the present invention.
6 is a prediction result of nitrate nitrogen concentration using the deep neural network and in-situ sensor data (water level, EC, and water temperature) according to the first embodiment.
7 is a chlorine ion concentration prediction result using the deep neural network and in-situ sensor data (water level, EC, and water temperature) according to the second embodiment.
8 is a prediction result of nitrate nitrogen concentration using a deep neural network and in-situ sensor data (water level, EC, and water temperature) according to the third embodiment.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments in which those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, when it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention in describing the operating principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions. Throughout the specification, when it is said that a part is connected to another part, it includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is indirectly connected with another element interposed therebetween. In addition, the inclusion of a certain component does not exclude other components unless otherwise stated, but means that other components may be further included.

이하 본원발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

도 1은 본원발명에 따른 인공신경망 기반 매몰지 지하수 NH4-N 및 Cl- 농도 추정방법 개념도이며, 도 2는 본원발명에 따라는 인공지능 기법 기반 침출수 누출 판정 모델의 개략도이다.1 is a conceptual diagram of an artificial neural network-based burial groundwater NH 4 -N and Cl - concentration estimation method according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a leachate leak determination model based on an artificial intelligence technique according to the present invention.

도 1은 개념적으로 현장 센서값을 입력 그리고 실험실 측정값을 출력으로 설정하여 신경망이 센서값만으로 NH4-N 및 Cl- 농도를 추정할 수 있도록 훈련하는 방법을 축약하여 보여주고 있다.1 schematically shows a method for training a neural network to estimate NH 4 -N and Cl - concentrations only with sensor values by inputting field sensor values and setting laboratory measurements as outputs.

본원발명은 현장센서 및 머신러닝을 이용한 매몰지 침출수 감시기법으로서 센서의 관측 항목으로는 매몰지로부터 침출수가 누출되었을 경우 지하수 내에서 가장 민감하게 변화가 발생하는 암모니아성질소(NH4-N), 염소이온(Cl-), 및 질산성질소(NO3 -N)을 채택하였다. 암모니아성질소(NH4-N), 염소이온(Cl-)이 바람직하다.The present invention is a burial site leachate monitoring technique using on-site sensors and machine learning. As observation items of the sensor, ammonia nitrogen (NH 4 -N), which changes most sensitively in groundwater when leachate leaks from the burial site, occurs; Chloride ions (Cl ), and nitrate nitrogen (NO 3 N) were adopted. Ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl - ) are preferred.

또한 관측기간 동안 센서로부터 측정되는 위의 세 항목의 신뢰성 향상 및 보정을 위하여 주기적인 지하수 샘플링 및 수분석 실시와 Ex-situ 장비 구축을 통한 지속 농도분석 실시하고, 이를 이용한 계속적인 학습을 통해서 측정의 신뢰도를 향상시켰다.In addition, in order to improve and correct the reliability of the above three items measured from the sensor during the observation period, periodic groundwater sampling and water analysis are conducted and continuous concentration analysis is performed through ex-situ equipment construction. improved reliability.

본원발명에서는 인공신경망으로서 구체적으로 NARX-DNN 모델을 적용하였다. 도 3과 도 4를 참고하면, 본원발명에 따른 NARX-DNN 모델은 일반적인 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network) 모델과 유사하게 입력층(input layer), 은닉층(hidden layer), 출력층(output layer)으로 구성된 학습 네트워크 구조를 가진다. 이를 통해 반응변수(유출지시 수질농도)와 설명변수(유출 간접지시 모니터링 자료)간의 비선형적 관계를 모델링할 수 있다.In the present invention, the NARX-DNN model was specifically applied as an artificial neural network. 3 and 4 , the NARX-DNN model according to the present invention includes an input layer, a hidden layer, and an output layer, similar to a general artificial neural network (ANN) model. It has a learning network structure composed of Through this, it is possible to model the non-linear relationship between the response variable (water quality concentration at the time of runoff) and the explanatory variable (data on the indirect indication of runoff).

ANN과 NARX-DNN 모델 모두 입력(x), 은닉(h), 출력층(y)의 학습 네트워크를 가지나 ANN 모델이 1개의 은닉층을 가지고 있는 반면 NARX-DNN 모델의 경우 다층의 은닉층으로 학습 네트워크가 구성된다.Both the ANN and NARX-DNN models have learning networks of input (x), hidden (h), and output layers (y), whereas the ANN model has one hidden layer, whereas in the NARX-DNN model, the learning network consists of multiple hidden layers. do.

즉, NARX-DNN 모델의 학습 네트워크가 ANN 모델에 비해 확장되어 복잡한 비선형성을 설명할 수 있으므로 심층신경망(DNN) 모델이라 불린다. 본원발명에 따른 NARX-DNN 모델이 확장된 네트워크를 기반으로 모니터링 자료들의 패턴을 학습함에 따라 다양한 외부 요인들의 비선형적 관계성을 가지는 실제 자연현상의 패턴을 학습하는데 유리하다.In other words, it is called a deep neural network (DNN) model because the training network of the NARX-DNN model can be expanded compared to the ANN model to account for complex nonlinearities. As the NARX-DNN model according to the present invention learns the pattern of monitoring data based on the extended network, it is advantageous for learning the pattern of an actual natural phenomenon having a non-linear relationship between various external factors.

ANN 모델이 외부 환경인자(x)만을 입력인자로 사용하는 반면 NARX-DNN 모델은 과거 자기회귀 자료(y)가 입력인자로 추가적으로 사용됨에 따라 이의 예측 성능이 ANN 모델 보다 우수하다.While the ANN model uses only the external environmental factor (x) as an input factor, the NARX-DNN model has better predictive performance than the ANN model as the past autoregressive data (y) is additionally used as an input factor.

도 5는 NARX-DNN 모델 학습네트워크 구조를 본원발명에 적용한 구체적인 예시도이다. 도 5를 참조하면, 본원발명의 심층신경망은 일반적인 피드포워드(feed-forward) 심층신경망 모델로 입력층(input layer), 출력층(output layer), 그리고 2개 층 이상의 은닉층(hidden layer)으로 구성된 학습 네트워크 구조를 가진다.5 is a detailed exemplary diagram of the NARX-DNN model learning network structure applied to the present invention. Referring to Figure 5, the deep neural network of the present invention is a general feed-forward deep neural network model, an input layer, an output layer, and learning consisting of two or more hidden layers. It has a network structure.

심층신경망을 NH4-N 및 Cl- 농도 추정에 이용함으로써 기존 선형회귀 기법으로는 불가능한 비선형적 관계를 해석할 수 있는 효과가 있다. 수질측정 센서 보정에 이용되는 심층신경망의 훈련에는 정기적인 지하수 샘플링 및 실험실 분석을 통한 NH4-N 및 Cl- 농도를 출력값(y)으로 그리고 현장 지하수 측정 센서로부터 획득한 지하수 수위, 수온, EC, NO3-N, NH4-N, Cl- 등을 입력값(x)으로 이용한다.By using a deep neural network for NH 4 -N and Cl - concentration estimation, it has the effect of interpreting non-linear relationships that are not possible with existing linear regression techniques. The training of the deep neural network used to calibrate the water quality sensor includes NH 4 -N and Cl - concentrations through regular groundwater sampling and laboratory analysis as output values (y), and groundwater level, water temperature, EC, NO 3 -N, NH 4 -N, Cl -, etc. are used as input values (x).

오염부지에 설치된 현장 측정센서는 기술적 제약성으로 인하여 다양한 오차가 발생할 수 있으며, 큰 오차를 포함한 값들이 심층신경망 입력자료로 이용될 경우 NH4-N 및 Cl- 농도 추정 결과는 큰 불확실성을 갖게 된다. 따라서 정확한 NH4-N 및 Cl- 농도 추정을 위해서는 추정결과가 가지는 불확실성이 어떠한 입력자료로부터 발생하였는지를 파악하고, 불확실성 기여도가 큰 입력자료를 제거하는 과정이 필요하다.Field measurement sensors installed in polluted sites may have various errors due to technical limitations, and when values including large errors are used as input data for deep neural networks, the NH 4 -N and Cl - concentration estimation results have great uncertainty. Therefore, in order to accurately estimate the NH 4 -N and Cl - concentrations, it is necessary to figure out what input data the uncertainty of the estimation result is from, and to remove the input data with a large contribution to uncertainty.

입력자료의 불확실성 기여도를 파악하기 위해서는 분산기반 광역 민감도 분석(variance-based global sensitivity analysis) 방법을 활용할 수 있으며, 이는 인공신경망 적용 이전에 실시하는 것이 바람직하다.Variance-based global sensitivity analysis can be used to determine the contribution of uncertainty in input data, and it is desirable to do this before applying artificial neural networks.

또한 현장센서 기반 매몰지 감시방법의 확산을 위하여 센서 비용이 비싸고 상대적으로 불확실성 기여도가 큰 센서를 제외할 수 있다.In addition, for the spread of on-site sensor-based burial site monitoring methods, sensors with high sensor costs and a relatively large contribution to uncertainty can be excluded.

본원발명을 구체적으로 안성지역에 적용 결과, 불확실성 기여도 및 센서 비용을 고려하였을 때 지하수 수위, 수온, 전기전도도(EC)가 가장 적합한 것으로 결정되었으며, 이들을 입력자료로 하여 NH4-N 및 Cl- 농도에 대한 추정을 성공적으로 할 수 있었다.As a result of applying the present invention specifically to the Anseong area, it was determined that the groundwater level, water temperature, and electrical conductivity (EC) were most suitable considering the uncertainty contribution and sensor cost, and using these as input data, NH 4 -N and Cl - concentration was able to estimate successfully.

이러한 상기 NH4-N 및 Cl-을 기반으로 침출수의 유출 여부를 감시하고 이에 대한 정보와 지리정보를 결합하여 전국토에 대한 실시간 감시기법을 활용할 수 있다Based on these NH 4 -N and Cl - , it is possible to monitor whether the leachate is leaking or not, and use the real-time monitoring technique for the whole country by combining this information and geographic information.

<실시예 1 질산성질소(NO3-N) 예측 수행><Example 1 Nitric acid nitrogen (NO 3 -N) prediction performance>

전체 in-situ 관측자료를 이용하여 질산성질소(NO3-N) 예측을 수행하였다. 질산성질소 예측을 위한 심층신경망의 구조는 4개의 은닉층과 8개의 뉴런(노드)를 이용하였으며, 총 2000번의 반복훈련(training iteration)을 이용하였다. Nitric acid nitrogen (NO 3 -N) prediction was performed using all in-situ observation data. For the structure of the deep neural network for nitrate prediction, 4 hidden layers and 8 neurons (nodes) were used, and a total of 2000 training iterations were used.

상기 예측구조에서 목적함수의 최적화에 Adam optimizer가 이용되었으며 learning rate는 0.001이다. 종래의 암모니아성질소 및 염소이온 농도 예측사례와 마찬가지로 전체 in-situ 관측자료를 이용하였을 경우 예측 성능이 높지 않음을 확인하였다.In the prediction structure, the Adam optimizer was used to optimize the objective function, and the learning rate was 0.001. It was confirmed that the prediction performance was not high when the entire in-situ observation data was used as in the case of conventional ammonia nitrogen and chlorine ion concentration prediction.

따라서, 입력인자(in-situ 자료)에서 유입되는 불확실성 및 부정확성을 차단하기 위하여 광역민감도 분석을 실시하였다.Therefore, in order to block uncertainty and inaccuracy from input factors (in-situ data), a wide-area sensitivity analysis was performed.

광역민감도 분석 결과 상대민감도는 수위, EC, 수온, 질산성질소, 염소이온, 암모니아성질소에 대하여 각각 5.186e-06, 2.807e-03, 1.334e-04, 1.247e-02, 2.027e-01, 및 7.818e-01로 나타났다.As a result of the wide-area sensitivity analysis, the relative sensitivities were 5.186e-06, 2.807e-03, 1.334e-04, 1.247e-02, 2.027e-01 for water level, EC, water temperature, nitrate nitrogen, chlorine ion, and ammonia nitrogen, respectively. , and 7.818e-01.

이는 수위에서 발생하는 불확실성이 가장 낮고 질산성질소, 염소이온, 및 암모니아성질소 농도로부터 발생하는 불확실성이 가장 큼을 의미하며, 기존 in-situ 염소이온과 암모니아성질소 농도의 부정확성 관찰과 일치하는 결론이다.This means that the uncertainty arising from the water level is the lowest and the uncertainty arising from the concentration of nitrate nitrogen, chlorine ion, and ammonia nitrogen is the greatest, and it is a conclusion consistent with the observation of inaccuracies in the existing in-situ chlorine ion and ammonia nitrogen concentration. .

따라서, 질산성질소 농도 예측을 위해서는 총 3개의 in-situ 센서자료인 수위, EC, 및 수온을 입력자료로 하여 최종적인 예측을 실시하였다.Therefore, in order to predict the concentration of nitrate nitrogen, a final prediction was performed using a total of three in-situ sensor data, water level, EC, and water temperature as input data.

도 6은 훈련결과 및 앙상블 예측결과를 보여준다. 도 6은 심층신경망 및 in-situ 센서자료(수위, EC, 및 수온)을 이용한 질산성질소 농도 예측 결과이다.6 shows a training result and an ensemble prediction result. 6 is a prediction result of nitrate nitrogen concentration using a deep neural network and in-situ sensor data (water level, EC, and water temperature).

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 질산성질소 훈련에 이용하지 않은 10개 자료에 대하여 비교적 정확한 예측이 이루어졌음을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 6 , it can be seen that relatively accurate predictions were made for 10 data not used for nitrate nitric training.

<실시예 2염소이온(Cl-) 및 암모니아성질소(NH4-N) 예측 개선 및 2020년 5월 추가자료 적용결과><Example 2 Chlorine ion (Cl - ) and ammonia nitrogen (NH 4 -N) prediction improvement and May 2020 additional data application result>

안성1 매몰지에서 추가적으로 확보된 자료에 대한 개발 모델의 예측 성능을 확인하기 위한 작업과 추가확보 자료를 반영한 기존 개발 모델의 개선이 이루어졌다. 염소이온 농도 예측을 위한 개선된 심층신경망의 구조는 4개의 은닉층과 6개의 뉴런(노드)를 이용하였으며, 총 2000번의 반복훈련(training iteration)을 이용하였다.The work to confirm the predictive performance of the development model for the additionally secured data at the Anseong 1 burial site and the improvement of the existing development model reflecting the additionally secured data were made. The structure of the improved deep neural network for chlorine ion concentration prediction used 4 hidden layers and 6 neurons (nodes), and a total of 2000 training iterations were used.

상기 예측구조에서 목적함수의 최적화에 Adam optimizer가 이용되었으며 learning rate는 0.001이다. 기존 모델과 달리 총 3개만의 in-situ 센서자료인 수위, EC, 및 수온을 입력자료로 하여 최종적인 예측을 실시하였다.In the prediction structure, the Adam optimizer was used to optimize the objective function, and the learning rate was 0.001. Unlike the existing model, the final prediction was made using only three in-situ sensor data, water level, EC, and water temperature as input data.

도 7은 이에 따른 예측 결과이다. 도 7은 심층신경망 및 in-situ 센서자료(수위, EC, 및 수온)을 이용한 염소이온 농도 예측 결과이다.7 is a prediction result according to this. 7 is a result of prediction of chloride ion concentration using a deep neural network and in-situ sensor data (water level, EC, and water temperature).

도 7에서와 같이 염소이온의 농도는 비교적 정확하게 예측되나 후기의 1개 염소이온 농도는 95% prediction interval 바깥쪽에 위치하는 양상을 보인다. 이러한 예측 오류는 해당 농도가 훈련에 이용된 실험실 자료(훈련에 이용된 실험실 측정 염소이온 농도는 100 mg/l 이하) 이상의 농도로 나타남으로 인하여 발생한 것이며, 심층신경망 훈련에 보다 다양한 농도 범위의 자료가 포함되어야 예측이 보다 정교해질 수 있음을 시사하고 있다.As shown in FIG. 7, the concentration of chlorine ions is predicted relatively accurately, but the concentration of one chlorine ion in the latter period is located outside the 95% prediction interval. This prediction error is caused by the fact that the concentration is higher than the laboratory data used for training (laboratory measured chlorine ion concentration used for training is 100 mg/l or less). It suggests that the inclusion should make the forecast more sophisticated.

<실시예 3><Example 3>

암모니아성질소 농도 예측을 위한 개선된 심층신경망의 구조는 4개의 은닉층과 6개의 뉴런(노드)를 이용하였으며, 총 2000번의 반복훈련(training iteration)을 이용하였다. 위의 예측구조에서 목적함수의 최적화에 Adam optimizer가 이용되었으며 learning rate는 0.001이다.The structure of the improved deep neural network for predicting the ammonia nitrogen concentration used 4 hidden layers and 6 neurons (nodes), and a total of 2000 training iterations were used. In the above prediction structure, the Adam optimizer is used to optimize the objective function, and the learning rate is 0.001.

앞의 모델과 마찬가지로 총 3개만의 in-situ 센서자료인 수위, EC, 및 수온을 입력자료로 하여 최종적인 예측을 실시하였다.As with the previous model, the final prediction was performed using water level, EC, and water temperature, which are only three in-situ sensor data as input data.

예측 결과는 도 8과 같으며 기존 결과와 유사하게 안정적인 예측이 이루어짐을 확인할 수 있다. 대조적으로 추가적으로 확보된 in-situ 센서 암모니아성질소 농도자료는 실험실 자료와 매우 큰 차이를 보여주고 있어 센서 자료에 대한 신뢰성에 문제가 있는 것으로 판단된다.The prediction result is as shown in FIG. 8, and it can be confirmed that a stable prediction is made similarly to the existing result. In contrast, the additionally obtained in-situ sensor ammonia nitrogen concentration data shows a very large difference from the laboratory data, so it is judged that there is a problem in the reliability of the sensor data.

Claims (18)

가축 매몰지 및 그 주변 지하수의 수위; 수온; pH; 산화-환원 전위(ORP; oxidation-reduction potential); 전기전도도(EC; electric conductivity); 총용존고형물질량(TDS; total dissolved solids); Ca, Na, K, Mg를 포함하는 양이온 중 적어도 하나 이상의 농도; Cl, CO3, SO4를 포함하는 음이온 중 적어도 하나 이상의 농도;를 포함하는 그룹 중에서 적어도 하나 이상을 측정할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함하는 측정부;
상기 측정부에서 측정된 결과를 인공신경망을 통해서 처리하는 신호처리부; 및
제어부;
를 포함하는 가축 매몰지 침출수 측정장치를 사용하여 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법에 있어서,
a) 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 및 그 주변에 상기 측정부를 배치하는 단계;
b) 상기 측정부로부터 적어도 하나 이상의 측정 신호를 수신하는 단계;
c) 상기 측정 신호를 기반으로 상기 신호처리부에서 상기 인공신경망을 통해서 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 및 그 주변의 침출수 누출 여부를 판별하는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 c) 이전에 상기 측정 신호에 대해서 분산기반 광역 민감도 분석(variance-based global sensitivity analysis) 방법을 적용하여 상기 측정 신호 중 불확실성 기여도가 큰 자료를 제거하는 단계가 포함되고,
상기 불확실성 기여도가 큰 자료를 제거하는 단계는 상기 분산기반 광역 민감도 분석 결과가 1.247e-02 이상인 자료를 제거하는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
level of groundwater in and around livestock burial sites; water temperature; pH; oxidation-reduction potential (ORP); electric conductivity (EC); total dissolved solids (TDS); a concentration of at least one of cations comprising Ca, Na, K, and Mg; Cl, CO 3 , SO 4 Concentration of at least one or more of anions including; a measurement unit including one or more sensors capable of measuring at least one or more from the group comprising;
a signal processing unit for processing the result measured by the measuring unit through an artificial neural network; and
control unit;
A method for determining whether livestock burial site leachate leaks using a livestock burial site leachate measuring device comprising:
a) disposing the measuring unit in and around the livestock burial site to determine the state;
b) receiving at least one measurement signal from the measurement unit;
c) determining whether the livestock burial site and its surroundings are leaking leachate through the artificial neural network in the signal processing unit based on the measured signal;
includes,
Before step c), applying a variance-based global sensitivity analysis method to the measurement signal to remove data having a large contribution to uncertainty from the measurement signal,
The step of removing data having a large contribution to uncertainty is a method of determining whether leachate leaks at livestock burial sites are to remove data whose dispersion-based wide area sensitivity analysis result is 1.247e-02 or higher.
제1항에 있어서,
상기 측정부는 상기 가축 매몰지 및 그 주변 지하수의 NH4-N 및 Cl- 농도 또한 측정하는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The method of determining whether the livestock burial site leachate leakage is that the measuring unit also measures the NH 4 -N and Cl - concentrations of the livestock burial site and its surrounding groundwater.
제1항에 있어서,
상기 측정부는 무인 및 실시간 측정하는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The method for determining whether the leachate leak in the livestock burial site is to measure the measurement unit in real time and unattended.
제1항에 있어서,
상기 인공신경망은 CNN(Convolution Neural Network), DNN(Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, GAN 모델 중에 적어도 하나이며,
이때 반응변수는 NH4-N 및 Cl- 농도이며, 설명변수는 상기 측정부에서 측정된 값인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The artificial neural network is at least one of CNN (Convolution Neural Network), DNN (Deep Neural Network), RNN, DBN, LSTM, and GAN models,
In this case, the response variables are NH 4 -N and Cl - concentrations, and the explanatory variable is a value measured by the measurement unit, a method for determining whether leachate leaks from a livestock burial site.
제4항에 있어서,
상기 인공신경망은 NARX-DNN 모델인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
5. The method of claim 4,
The artificial neural network is a NARX-DNN model, a method for determining whether leachate leaks in livestock burial sites.
제1항에 있어서,
상기 제어부의 요청에 따라 상기 측정부에서 측정된 결과를 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있는 데이터송수신부;
데이터 처리 정보를 표시하는 디스플레이부;
가 부가된 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
a data transmission/reception unit capable of transmitting and receiving the result measured by the measurement unit by wire or wirelessly according to the request of the control unit;
a display unit for displaying data processing information;
A method for determining whether there is a leak of leachate from a livestock burial site to which a standard has been added.
제1항에 있어서,
상기 신호처리부는 상기 측정부와는 별도로 위치하는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The method of determining whether the signal processing unit is located separately from the measurement unit leachate leakage.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 측정 신호를 데이터송수신부를 통해 별도로 위치하는 신호처리부로 전송하여 상기 신호처리부에서 인공신경망을 통해서 처리한 후 처리된 결과만을 사용자에게 통보하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
A method of determining whether leachate leaks in livestock burial sites by transmitting the measurement signal of step b) to a signal processing unit located separately through the data transmitting and receiving unit, processing the signal through the artificial neural network in the signal processing unit, and then notifying the user of only the processed result.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 측정 신호를 상기 신호처리부로 전송하기 전에 상기 제어부에서 전처리하는 단계를 포함하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
Method for determining whether leachate leaks in livestock burial sites, comprising the step of pre-processing in the control unit before transmitting the measurement signal of step b) to the signal processing unit.
제10항에 있어서,
상기 전처리하는 단계는 노이즈 제거, 푸리에, 라플라스, 옥타브 밴드 레벨(Octave Band Levels), 샤프니스, 러프니스, 엔벨로프, 기저크기, 토날리티, 변동강도(Fluctuation Strength), 댐핑(Damping), 고유진동수(Natural Frequency) 분석을 통해 특성치를 추출하는 주파수 성분 분석 또는 시간에 따른 변화율 분석 신호 처리를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
11. The method of claim 10,
The pre-processing includes noise removal, Fourier, Laplace, Octave Band Levels, sharpness, roughness, envelope, basis size, tonality, Fluctuation Strength, Damping, Natural Frequency. Frequency) A method for determining whether leachate leaks at least one or more livestock burial sites selected from the group including frequency component analysis to extract characteristic values through analysis or signal processing for time-dependent change rate analysis.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 측정 신호는 화이트 노이즈, 핑크 노이즈음, 브라운 노이즈, 임펄스를 포함하는 신호인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The measurement signal of step b) is a signal including white noise, pink noise, brown noise, and impulse. A method for determining whether leachate leaks in livestock burial sites.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 측정 신호와 함께 상기 a) 단계의 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지 위치 정보를 같이 전송하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
A method for determining whether leachate leaks in a livestock burial site by transmitting the location information of the livestock burial site to determine the state of step a) together with the measurement signal of step b).
제9항에 있어서,
상기 처리된 결과를 사용자에게 통보할 때 별도의 매몰지 종합관리 시스템에도 전송하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
10. The method of claim 9,
A method for determining whether livestock burial site leachate leaks, which is also transmitted to a separate burial site comprehensive management system when the processed result is notified to the user
제9항에 있어서,
상기 처리된 결과는 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지의 위치 정보, 상기 매몰지의 주변 위치에 따른 침출수 농도, 침출수 누출 여부를 포함하는 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
10. The method of claim 9,
The method for determining whether leachate leaks at the livestock burial site includes information on the location of the livestock burial site for which the processed result is to be determined, the leachate concentration according to the surrounding location of the burial site, and whether the leachate leaks.
제1항에 있어서,
상기 인공신경망은 상기 상태를 판별하고자 하는 가축 매몰지의 위치 정보 및 상기 측정 신호와 상기 매몰지 및 그 주변의 상태에 대해서 이미 학습이 된 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
The artificial neural network is a method for determining whether the livestock burial site leachate leakage, which has already been learned about the location information of the livestock burial site to determine the state, the measurement signal, and the state of the burial site and its surroundings.
제1항에 있어서,
상기 측정 신호 및 누출 여부의 판단 결과를 별도의 서버컴퓨터에 저장하여 학습용 데이터베이스를 구축하는 단계가 부가되는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
According to claim 1,
A method for determining whether leachate leaks at livestock burial sites is added by storing the measurement signal and the result of determining whether leakage is present in a separate server computer and building a database for learning.
제17항에 있어서,
상기 측정 신호와 별도로 측정된 암모니아성질소(NH4-N)와 염소이온(Cl-)의 측정 결과를 상기 신호처리부로 피드백하여 상기 학습용 데이터베이스가 계속 갱신되고 상기 갱신된 데이터베이스는 상기 인공신경망의 재학습 자료로 사용되는 것인 가축 매몰지 침출수 누출 여부를 판별하는 방법.
18. The method of claim 17,
The measurement result of ammonia nitrogen (NH 4 -N) and chlorine ion (Cl - ) measured separately from the measurement signal is fed back to the signal processing unit so that the learning database is continuously updated, and the updated database is the re-creation of the artificial neural network. A method for determining whether a livestock burial site leachate leak is being used as a learning material.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113657623A (en) * 2021-07-13 2021-11-16 国网河北省电力有限公司电力科学研究院 Power equipment state diagnosis effect determination method and device, terminal and storage medium
KR20230065016A (en) * 2021-11-04 2023-05-11 주식회사 도화엔지니어링 Verifying method for error analyzing of waterquality

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090093174A (en) * 2008-02-28 2009-09-02 연세대학교 산학협력단 Method and system for evaluating ground-water pollution vulnerability and risk assessment
KR20100062327A (en) * 2008-12-02 2010-06-10 연세대학교 산학협력단 Method and system for assessing ground-water vulnerability to contamination using genetic algorithm
KR101155712B1 (en) * 2009-12-30 2012-06-12 연세대학교 산학협력단 Assessment method for rating undergroundwater contamination vulnerability using optimum input variable selected by ga-ridge regression
KR20120111220A (en) 2011-03-31 2012-10-10 한국원자력연구원 Method of detecting leachate from livestock disposal landfill area
KR101334307B1 (en) 2012-05-22 2013-11-27 한국지질자원연구원 Unmanned automatic alkalinity measuring system and method
KR102114475B1 (en) * 2019-09-11 2020-05-22 대한민국 Monitering Apparatus and Method of Groundwater for Landfill Site of Animals

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090093174A (en) * 2008-02-28 2009-09-02 연세대학교 산학협력단 Method and system for evaluating ground-water pollution vulnerability and risk assessment
KR20100062327A (en) * 2008-12-02 2010-06-10 연세대학교 산학협력단 Method and system for assessing ground-water vulnerability to contamination using genetic algorithm
KR101155712B1 (en) * 2009-12-30 2012-06-12 연세대학교 산학협력단 Assessment method for rating undergroundwater contamination vulnerability using optimum input variable selected by ga-ridge regression
KR20120111220A (en) 2011-03-31 2012-10-10 한국원자력연구원 Method of detecting leachate from livestock disposal landfill area
KR101334307B1 (en) 2012-05-22 2013-11-27 한국지질자원연구원 Unmanned automatic alkalinity measuring system and method
KR102114475B1 (en) * 2019-09-11 2020-05-22 대한민국 Monitering Apparatus and Method of Groundwater for Landfill Site of Animals

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113657623A (en) * 2021-07-13 2021-11-16 国网河北省电力有限公司电力科学研究院 Power equipment state diagnosis effect determination method and device, terminal and storage medium
CN113657623B (en) * 2021-07-13 2023-09-29 国网河北省电力有限公司电力科学研究院 Power equipment state diagnosis effect determining method, device, terminal and storage medium
KR20230065016A (en) * 2021-11-04 2023-05-11 주식회사 도화엔지니어링 Verifying method for error analyzing of waterquality
KR102620496B1 (en) 2021-11-04 2024-01-03 주식회사 도화엔지니어링 Verifying method for error analyzing of waterquality

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