KR100540009B1 - Water need forecasting method using neural network - Google Patents

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KR100540009B1 KR10-2003-0085645A KR20030085645A KR100540009B1 KR 100540009 B1 KR100540009 B1 KR 100540009B1 KR 20030085645 A KR20030085645 A KR 20030085645A KR 100540009 B1 KR100540009 B1 KR 100540009B1
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본 발명은 신경망을 이용한 물수요 예측 방법에 관한 것이다. 본 발명은 수운영 시스템에서 수요변동, 기상여건, 계절별 요인 등에 의하여 통상적인 변동사항을 반영하여 취수장, 정수장 및 가압장을 합리적으로 연계 운영함으로서 안정된 공급량을 확보하기 위해 신경회로망과 진화 알고리즘 등을 활용한 물수요예측의 지능형 모델을 구축하는 단계와, 상기 지능형 모델을 토대로 신경회로망 모델기반 예측제어 기법을 활용하여 예측대상의 물수요를 산출하는 수요예측 소프트웨어를 상위 컴퓨터에 구성하는 단계와, 수운영 시스템의 호스트 컴퓨터, 기상정보를 가지고 있는 데이터베이스 등과 LAN 네트워크를 통해 연결하는 단계와, 수요예측 소프트웨어는 시스템으로부터 수집된 운영 데이터, 기상 DB의 데이터를 토대로 역전파 학습 알고리즘을 이용하여 수요예측 신경회로망 모델을 구축하는 단계와, 상기 지능형 모델로부터 신경회로망 모델기반 예측제어 알고리즘을 이용하여 현재의 수요 및 기상 상태에서의 예측 수요량을 결정하는 단계로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 물 수요변동, 기상여건, 계절별 요인 등에 의하여 통상적인 변동사항을 반영하여 취수장, 정수장 및 가압장을 합리적으로 연계 운영함으로서 안정된 공급량을 확보할 수 있다.The present invention relates to a water demand prediction method using a neural network. The present invention utilizes neural networks and evolutionary algorithms to secure a stable supply by reasonably connecting and operating water intake, water purification and pressurization plants by reflecting typical changes due to demand fluctuations, weather conditions, seasonal factors, etc. Constructing an intelligent model of water demand forecasting; constructing demand forecasting software on the upper computer using the neural network model-based predictive control method based on the intelligent model; Demand forecasting software uses the backpropagation learning algorithm based on the operational data collected from the system and the data from the meteorological database. Building stages, Using a neural network model based predictive control algorithm, from a model by a step of determining the predicted demand in the current demand and the weather conditions. According to the present invention, it is possible to secure a stable supply by reasonably linked operation of the intake, water purification and pressurization plants by reflecting the usual changes due to water demand fluctuations, weather conditions, seasonal factors, and the like.

Description

신경망을 이용한 물수요 예측 방법{WATER NEED FORECASTING METHOD USING NEURAL NETWORK} Water demand prediction method using neural network {WATER NEED FORECASTING METHOD USING NEURAL NETWORK}

본 발명은 신경망을 이용한 물수요 예측 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a water demand prediction method using a neural network.

일반적으로 상수도 시설은 도시생활을 영위하는 모든 사람에게 이용되는 것으로 매일의 일상생활과 도시의 제반활동을 유지해주는 중요한 시설이며 도시의 인구집중, 생활수준의 향상, 경제성장 등에 상응하는 라이프라인(life line)으로 안전한 양질의 물을 안정적으로 공급할 수 있도록 요구되고 있다. In general, water supply facilities are used by all people living in urban life and are important facilities to maintain daily activities and daily activities of the city.The lifeline corresponds to the population concentration of the city, improvement of living standards, and economic growth. line), it is required to stably supply safe and high quality water.

이를 유지하기 위해서는 배수제어를 기초로 하는 상수도의 총괄적 유지관리 계획인 물관리 운영(이하, "수운영"이라 한다)이 중요한 과제로 남게 된다. To maintain this, the water management operation (hereinafter referred to as "water operation"), which is a comprehensive maintenance plan for waterworks based on drainage control, remains an important task.

수운영을 지원하는 시스템은 정수장에서 수요자까지의 모든 수도 시설을 제어, 감시하여 수량, 수압, 수질측면에서 안전한 물을 효율적으로 공급하기 위한 것이며, 따라서 일 또는 시간 단위에 있어서 상수 수요량의 정확한 예측이 필요하게 되고 이 예측으로 인하여 상수도의 운영계획이 수립되어 합리적인 송배수 펌프의 운전과 밸브의 조정 그리고 배수지 수위의 설정 등을 원활히 할 수 있다. The system supporting water operation is to control and monitor all the water facilities from the water purification plant to the consumer to efficiently supply safe water in terms of quantity, water pressure and water quality. This forecast makes it possible to establish an operational plan for water supply to facilitate the operation of rational water pumps, the adjustment of valves, and the setting of reservoir levels.

따라서 배수시설의 최적운영을 위해서는 대상지역의 특성을 충분히 고려한 물수요량의 수요구조를 파악하는 동시에 정확한 수요를 예측하는 것이 필요하다.Therefore, for optimal operation of drainage facilities, it is necessary to understand the demand structure of water demand considering the characteristics of the target area and to accurately predict demand.

국내의 물관리 기술(이하, "수운영시스템"이라 한다)은 1990년대부터 대기업을 중심으로 일본 등 선진국의 시스템을 참조모델로 하여 본격적으로 개발, 설치, 운영되고 있으며, 일반적인 물수요예측 및 그 결과의 활용단계는 다음과 같다. ①각종 수요예측 기법을 적용하여 계통별로 일별 수요량 예측을 수행하고, ②이를 토대로 상대시간계수(일명 : 데이터 Granulization기법의 수요패턴 모의)를 이용한 수요패턴 해석에 의한 시간별 예측수요량을 산출한다. ③산출된 시간별 수요예측량은 경제적 운영이 이루어지도록 분기점별 송수량을 산출하여 운영계획수립 정보를 제공하게 되며, ④예측수요량에 전력요금 등을 고려하여 시간대별 펌프절체테이블을 작성하여 운영자에게 제공한다. Domestic water management technology (hereinafter referred to as "water management system") has been developed, installed and operated in earnest from the 1990s, based on the systems of developed countries such as Japan, with reference to large corporations. The steps to utilize the results are as follows. ① Calculate daily demand by system using various demand forecasting techniques. ② Calculate forecasted demand by time by analyzing demand patterns using relative time coefficients (aka: demand pattern simulation of data granulization method). ③ The calculated demand forecast by hour calculates the amount of water delivered by branch point to provide economic operation, and provides the operation plan information. ④ Prepare the pump switching table for each hour by considering the electricity charges in the forecasted demand and provide it to the operator. .

일반적으로 시간별 예측수요량 산출시 사용하는 데이터 Granulization기법은 보편적으로 사용되고 있으나, 일별수요량 예측시 사용되는 모델로는 중회귀, ARIMA, 칼만필터 모델 기법 등이 다양하게 사용되고 있는 실정이다.Generally, the data granulization technique used to calculate the forecasted demand by time is generally used, but the multiple regression, ARIMA, and Kalman filter model techniques are used as the models used to estimate the daily demand.

그러나, 종래에는 어떠한 기법을 사용하는 것이 가장 신뢰성이 높은 수요예측 결과를 산출하는 가에 대한 논란이 많았으며 또한, 물수요예측은 그 목적에 따라서 여러 가지 기법이 고안되어 있지만 현재까지는 배수조절을 위해 중요한 정보를 제공해 줄 수 있는 물수요 단기예측을 실행하기 위한 시스템 소프트웨어는 그 수가 많지 않으며, 그 중에서도 물 사용 구조를 블랙박스로서 보는 인공신경망모델을 적용한 경우는 없었으므로 인공신경망을 이용한 물수요 예측 방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.However, there has been much debate on which technique yields the most reliable demand forecasting results, and water demand forecasting has been devised for the purpose of controlling drainage. Water demand that can provide important information There are not many system softwares for short-term forecasting, and among them, no neural network model that uses water structure as a black box has been applied. The development of is urgently needed.

따라서, 본 발명은 수운영 시스템의 안정된 운영을 위해 지능형 모델링과 비선형 모델 예측제어 기법을 활용하여 최적의 예측 수요량을 결정하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법을 제공하고, 지능형 모델의 예측수요량과 실제 수요량과의 평균 %오차를 10% 이하로 설정되도록 하는 지능형 모델의 출력예측 정밀도 목표를 달성하는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention provides a water demand prediction method using a neural network to determine the optimal forecast demand by using intelligent modeling and nonlinear model predictive control technique for stable operation of the water management system, the forecast demand and the actual demand of the intelligent model The present invention provides a method for achieving the output prediction precision goal of the intelligent model, which sets the average% error of the error to less than or equal to 10%.

또한, 간접 정보인 수운영 대상분기의 과거운영데이터를 수요예측의 기준 및 안정화의 목표로 선정하여 최적 수요예측의 온라인 설정에 의한 운영을 수행하도록 하여 수요예측의 자동화에 의한 인력절감 및 수운영의 효율화를 수행하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법을 제공함에 있다. In addition, the past operation data of the target branch for manual operation, which is indirect information, is selected as a standard for demand forecasting and stabilization target, so that the operation can be performed by online setting of optimal demand forecasting. An object of the present invention is to provide a water demand prediction method using neural networks.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신경망을 이용한 물수요 예측 방법은 통상의 물수요 예측 방법에 있어서, 수운영 시스템에서 수요변동, 기상여건, 계절별 요인 등에 의하여 통상적인 변동사항을 반영하여 취수장, 정수장 및 가압장을 합리적으로 연계 운영함으로서 안정된 공급량을 확보하기 위해 신경회로망과 진화 알고리즘 등을 활용한 물수요예측의 지능형 모델을 구축하는 단계와, 상기 지능형 모델을 토대로 신경회로망 모델기반 예측제어 기법을 활용하여 예측대상의 물수요를 산출하는 수요예측 소프트웨어를 상위 컴퓨터에 구성하는 단계와, 수운영 시스템의 호스트 컴퓨터, 기상정보를 가지고 있는 데이터베이스 등과 LAN 네트워크를 통해 연결하는 단계와, 수요예측 소프트웨어는 시스템으로부터 수집된 운영 데이터, 기상 DB의 데이터를 토대로 역전파 학습 알고리즘을 이용하여 수요예측 신경회로망 모델을 구축하는 단계와, 상기 지능형 모델로부터 신경회로망 모델기반 예측제어 알고리즘을 이용하여 현재의 수요 및 기상 상태에서의 예측 수요량을 결정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.Water demand prediction method using a neural network according to the present invention for achieving the above object is in the conventional water demand prediction method, the water intake system reflects the usual changes due to changes in demand, weather conditions, seasonal factors, etc. In order to secure a stable supply by rationally linking the water purification plant and the pressurization plant, constructing an intelligent model of water demand prediction using a neural network and an evolutionary algorithm, and using a neural network model-based predictive control technique based on the intelligent model. Configuring demand forecasting software to calculate the demand for the target water by using the host computer, connecting the host computer of the operating system, a database containing weather information, and the like through a LAN network, and the demand forecasting software system Operational data collected from, weather DB Constructing a demand prediction neural network model using a backpropagation learning algorithm based on the data, and determining the current demand and forecast demand in weather conditions using a neural network model-based predictive control algorithm from the intelligent model. Characterized in that made.

또한, 상기 수운영 시스템의 호스트 컴퓨터 외에 신경회로망과 진화 알고리즘 등의 지능형 모델링 기법을 활용한 최적의 수요예측모델의 구축과 지능형 공정모델을 토대로 비선형 모델 예측제어 기법을 활용하여 최적의 예측 수요량을 결정하는 공정 시뮬레이터를 상위 컴퓨터에 구성하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the optimal forecasting demand is determined by constructing an optimal demand forecasting model using intelligent modeling techniques such as neural networks and evolutionary algorithms and the nonlinear model predictive control technique based on the intelligent process model. It is another feature that the process simulator is configured in a host computer.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

수운영이란 상수도 시설기준('97.12) 제9장 4.1 총칙의 "상수도에 있어서 계측제어의 적용범위를 대별하면 취수장, 정수장 및 배수지등 개개의 시설을 대상으로 하는 플랜트(Plant) 제어와 수원에서 배수시설까지 상수도 시설 전체를 통합적으로 일체화하여 운전관리하는 계통운영제어가 있다"에서의 계통운영제어와 동일한 의미이다. 즉, 취수에서 정수, 배수까지 각각의 사업장이나 시설을 개별 운영관리하는 것이 아니라 상수도 모든 시설 전체를 통합 운영관리하는 것을 말한다.Water operation refers to the water supply facilities standard ('97 .12) Chapter 9 4.1 General provisions, "Planting the application of measurement and control in water supply, plant control for individual facilities such as water intake, water purification plant and drainage, and drainage from water sources It is the same as the system operation control in "There is a system operation control that integrates and manages the entire water supply facility to the facility." In other words, it does not mean that each plant or facility is operated from intake to water purification and drainage separately, but the integrated operation and management of all facilities of waterworks.

이러한 수운영을 실현하기 위한 수운영 시스템에서는 수도의 3대 목표인 수질, 수량, 압력 3가지를 만족시키기 위한 운영데이터를 생성하고 다양한 정책을 산출하게 되는데, 분산 운영되는 상수도 시설에 대하여 수운영시스템을 구축하여 수요의 변화 등에 대응하여 과학적이고 경제적으로 시설을 운영하고, 상수도시설 사고의 조기발견, 복구의 신속화 및 갈수기 취수원의 연계운영에 의하여 각 급수구역에 균등한 급수가 이루어지도록 하며, 취수장, 정수장, 가압장 및 배수지 등 개개의 수질을 종합적으로 관리하여 음용수 수질기준내의 수질을 확보 및 유지한다. 즉, 과학적이고 합리적인 운영으로 수요예측과 균등급수를 통한 안정된 용수공급 등 상수도 업무 전반에 대한 업무의 질적 향상을 궁극적인 목표로 한다.In the water operation system for realizing such water operation, the operation data is generated and various policies are generated to satisfy the three main goals of water supply, water quality, quantity, and pressure. In order to respond to changes in demand, operate facilities scientifically and economically, and ensure equal water supply in each water supply area by early detection of water supply accidents, rapid recovery, and linkage of water intakes. The water quality within drinking water quality standards is secured and maintained by comprehensively managing individual water quality such as water purification plant, pressurized plant, and drainage basin. In other words, with the scientific and reasonable operation, the ultimate goal is to improve the quality of work for the entire water supply business, such as demand forecasting and stable water supply through equalized water.

도 1은 수운영시스템 핵심 기능의 개요를 보인 것이다. 효율적인 용수공급조절체계 구축을 위해서는 수용가의 용수 사용량 예측이 핵심이며 수요자의 용수 사용량을 예측하고 이를 기반으로 안정적인 공급량을 계획하고 공급량을 제어하는 것이 중요하다. 즉 수요자의 용수 사용에 불편함이 없으면서 배수지나 정수지의 시설용량을 최대한 활용하여 공급량을 결정하고 결정된 유량만큼만 공급되도록 제어하는 것이 경제적 운영의 기반이 되는 것이다. 따라서 각 수용가(분기점)로 유입되는 유량을 수용자 시설물 운영 현황을(배수지 수위 또는 정수지 수위) 고려하여 공급되도록 분기점 밸브를 조절하여야 한다. 수용가(분기점)의 공급유량이 결정되면 이를 기반으로 사업장(정수장, 취수장, 가압장)의 시설 현황, 전력요금, 운영 조건 등의 특성을 고려하여 유입량 및 유출량이 결정되고, 펌프장은 사업장 유량 계획치와 펌프 특성을 고려하여 최적 펌프운전 대수가 결정된다.1 shows an overview of the key operating system functions. In order to establish an efficient water supply control system, it is important to forecast the water consumption of consumers and to predict the water consumption of the consumer, and to plan stable supply and control the supply based on this. In other words, it is the basis of economic operation that determines the amount of supply by utilizing the facility capacity of the drainage or purified water without any inconvenience in using the water of the consumer, and controls to supply only the determined flow rate. Therefore, it is necessary to adjust the branch valve so that the flow rate to each customer (the branch point) is supplied in consideration of the operation status of the recipient facility (drainage level or water level). When the supply flow rate of customer (branch point) is determined, the inflow and outflow volume is determined in consideration of the characteristics of the facility (water treatment plant, water intake plant, pressurization plant), power rate, and operating conditions. Considering the characteristics, the optimum pump operation number is determined.

물 수요예측 급수 구역별 일별(단기 예측) 용수 수요량 예측을 수행하고, 이를 토대로 배수 패턴 해석에 의한 시간별 수요 예측량 산출을 기본적인 기능으로 수행한다. 단, 장기 예측은 월 단위로 수행하며, 산출된 시간별 수요 예측량은 전력요금, 배수지 수위, 정수지 수위, 생산량, 각 급수 구역별 유량, 유입량 평활화를 고려하여 경제적인 운영이 이루어지도록 급수 구역별 송수량을 산출하여 2일분의 운영 계획을 수립하여 호스트 컴퓨터로 전송하며, 수요 예측 오차, 사고 등에 기인한 배수지 수위가 운영 폭을 벗어나는 경우나 계획 수위가 허용 오차를 벗어나는 경우에 대하여 이를 보상하는 배수지 운용 계획 기능이 수행되어야 한다. 또한 수요예측을 위한 외부 자료(날씨, 기후 등)는 자동으로 입력되어야 한다.Water Demand Forecasting Daily (short-term forecast) water demand forecasting by water supply zone is performed, and the hourly demand forecasting by drainage pattern analysis is performed as a basic function. However, long-term forecasting is performed on a monthly basis, and the calculated hourly demand forecast is based on the electricity bill, drainage level, water level, production volume, flow rate for each water supply zone, and smoothing inflow to ensure economic operation. Calculate the two-day operation plan, transfer it to the host computer, and the reservoir operation plan that compensates for the case where the water level is out of operating range or the water level is out of tolerance due to demand forecast error and accident. The function must be performed. In addition, external data (weather, climate, etc.) for demand forecasting should be entered automatically.

수요 예측 모델 구축을 위해서 적절한 기법이 적용되어야 하며, 수요 예측 모델은 일반적으로 1) 과거의 실적 배수량 2) 익일의 낮 예상 최고 기온, 3) 날씨, 4) 요일(평일/휴일/특이일) 등의 항목을 고려하여 수요 예측량을 산출한다. 배수 패턴 해석은 1) 계절, 2) 요일(평일/휴일/특이일), 3) 날씨 항목들을 고려한 적절한 기법이 이용된다. Appropriate techniques must be applied to build a demand forecast model, which typically includes: 1) historical performance drains, 2) the next day's highest expected daytime temperatures, 3) weather, and 4) days of the week (weekdays / holidays / special days). Calculate the demand forecast amount by considering Drainage pattern analysis uses appropriate techniques that take into account 1) seasons, 2) days of the week (weekdays / holidays / special days), and 3) weather items.

일 수요예측의 주요 기능에 대한 운영 흐름은 도 2에 도시된 바와 같으며, 그 기능은 급수 구역별 1~2일치 일 수요량을 예측하여 지 운용계획 및 가압장, 정수장, 취수장의 도 송수 계획 수립을 위한 수요량을 산출하는 기능이다. 매일 일정 시각의 Time Triggering 또는 운전자의 수동 기동에 의해 호스트 컴퓨터의 데이터베이스로부터 수집된 과거 실적 배수량과 익일의 날씨 정보(기후, 낮 예상 최고 기온 등)와 날짜 정보(xxxx년 xx월 xx일 x요일)를 수집하여 익일의 배수량을 예측한다. 예측은 연산 모델인 중회귀모델, 칼만 필터법 및 퍼지 예측 모델 등의 기법을 사용하며, 이러한 예측 기법은 예측 오차에 따라 예측 모델의 파라미터를 바꾸어 가는 적응형 기법으로 입력 조건들의 변동에 따라 자동적으로 대응한다. The operation flow for the main functions of daily demand forecasting is as shown in Figure 2, and the function predicts 1-2 days of daily demand by water supply area, and establishes the operation plan and establishment of water supply plan for pressurized water, water purification plant, and intake station. It is a function that calculates the quantity demanded. Historical performance volume collected from the host computer's database by daily time triggering or manual start of the driver, weather information for the next day (climate, expected peak temperature during the day, etc.) and date information (xxx, xx, xx, xx, xx) Collect it to predict the next day's drainage. Prediction uses algorithms such as computational models such as regression model, Kalman filter method and fuzzy prediction model, which are adaptive techniques that change the parameters of the prediction model according to the prediction error. Corresponds.

기존 수운영시스템에서 일 수요예측시 사용되는 일일 물수요량 예측방법은 여러 가지 있으나 중회귀모델과 전이함수 ARIMA, 칼만필터 기법이 일반적으로 사용된다. 중회귀모델은 외부요인(과거 수일간의 실적 배수량, 익일의 낮 예상 최고 기온, 날씨, 요일(평일/휴일/특이일) 등)들의 직접적인 영향을 수식화하는 가장 일반적인 선형모델이며, 전이함수 ARIMA는 외부요인(과거 수일간의 실적 배수량, 익일의 낮 예상 최고 기온, 날씨, 요일(평일/휴일/특이일) 등)들의 직접적인 영향이외에도 간접적인 영향과 시간이 지체되어 나타나는 효과까지도 고려한 선형모델이다. 칼만필터 모델은 외부요인들의 영향요인(과거 수일간의 실적 배수량, 익일의 낮 예상 최고 기온, 날씨, 요일(평일/휴일/특이일) 등)을 비선형적인 관계로 표현한 함수이다. Although there are many methods for estimating daily demand in daily water supply systems, the multiple regression model, transition function ARIMA, and Kalman filter are generally used. The multiple regression model is the most common linear model that formulates the direct effects of external factors (such as past multiple days of performance, the next day's peak temperature, weather, and days of the week (weekdays / holidays / special days)). It is a linear model that considers the effects of indirect effects and time delays, as well as the direct effects of external factors (eg, performance multiples of the past few days, the highest expected daytime of the next day, weather, and days of the week (weekdays / holidays / special days)). The Kalman filter model is a function that expresses non-linear relations of external factors such as past multiple days of performance, the next day's peak temperature, weather, and day of week (weekdays / holidays / special days).

중회귀 모델은 일일물수요에 영향을 미친다고 생각되는 인자들을 독립변수로 하고, 물수요량을 종속변수로 하여 일단위의 물수요량 예측모델을 개발하는 것으로, 하나의 출력계열에 여러 개의 입력계열이 선형적으로 유의한 영향을 미치는 경우, 출력계열과 여러 개의 입력계열을 선형적으로 결합한 것을 중회귀 모델이라 한다. 여기서 출력계열을 목적변수(종속변수)라 하고, 입력계열을 설명변수(독립변수)라 한다. 이를 식으로 표현하면 수학식(1)과 같다. The multiple regression model develops a daily water demand forecasting model using the factors considered to affect daily water demand as independent variables, and water demand as a dependent variable. In the case of a linearly significant effect, the linear combination of the output sequence and multiple input sequences is called a regression model. Here, the output series is called the objective variable (dependent variable), and the input series is called the explanatory variable (independent variable). This is expressed as equation (1).

중회귀 모델은 매우 다양한 분야에 응용되고 있는 보편적인 식으로 모델을 성립을 위해서 세 단계의 검증을 거치게 된다. 첫째는 독립변수에 대한 것으로 독립변수로서 타당한가와 서로간에 통계적으로 독립인가를 검증받게 된다. 독립변수로서 타당한가에 대해서는 95%유의수준의 t-검정을 통해 검증되며, 독립변수간에 서로 독립인가에 대해서는 분산팽창인자를 통해 검증받게 된다. 두 번째는 모델에 의해 발생하는 잔차가 랜덤하게 발생하는 오차인가에 대한 것으로 잔차의 자기상관성을 나타내는 더빈왓슨 통계량을 통해 검증된다. 세 번째는 모델의 예측값이 정확한가로서 상관계수와 절대평균오차를 통해 검증받게 된다.The multiple regression model undergoes three stages of verification to establish the model in a general way that is applied to a wide variety of fields. The first is about the independent variables, and it is verified whether they are valid as independent variables and whether they are statistically independent from each other. Whether it is valid as an independent variable is verified through a t-test of 95% significance level, and whether it is independent between each other is verified through a variance expansion factor. The second is about whether the residual generated by the model is an error that occurs randomly, and is verified through the Dublin Watson statistic that indicates the autocorrelation of the residual. Thirdly, the predicted value of the model is correct and verified by correlation coefficient and absolute mean error.

전이함수 ARIMA모델이란 동적시스템에서 입력계열에 의해 출력계열이 선형적으로 영향을 받는 함수로서, 두 부분으로 구성된다. 하나는 전이함수 모델로 입력계열의 영향이 교차상관분석, 사전백색화과정을 거쳐 모델화된다. 다른 하나는 입력계열이외의 영향과 입출력 계열의 지체를 표현한 항으로서, ARIMA로 모델화된다. 과정은 상호상관분석을 한 후에, 모델의 차수추정 및 모수추정으로 이어지며, 기본식은 수학식(2)과 같다.Transition Function The ARIMA model is a function in which the output sequence is linearly affected by the input sequence in a dynamic system. It consists of two parts. One is the transition function model. The influence of the input sequence is modeled through cross-correlation analysis and pre-whitening. The other is a term representing the effects other than the input sequence and the delay of the input / output sequence. It is modeled with ARIMA. After the cross-correlation analysis, the process leads to the order estimation and parameter estimation of the model, and the basic equation is shown in Equation (2).

전이함수 모델과 ARIMA모델을 전체 식으로 나타내면 수학식(3)과 같다.The transition function model and the ARIMA model can be expressed as Equation (3).

환경분야에서 전이함수 ARIMA모델을 이용한 연구는 교통소음량, 일일 물수요량의 예측등으로 다양하다. 이러한 전이함수 ARIMA모델은 각 모수의 선택과 차수의 결정, 모수의 추정과정을 거쳐 모델의 유의도를 통계학적으로 검증하게 된다. Research using transition function ARIMA model in the field of environment is diverse, such as traffic noise and daily water demand prediction. The transition function ARIMA model statistically verifies the significance of the model by selecting each parameter, determining the order, and estimating the parameters.

이 중 가장 최적의 모델을 선택하는 지표에는 다음과 같이 카이제곱 검정과 AIC, SBC를 통해 검증하게 된다. 카이제곱검정은 모델잔차의 자기상관성을 검증하는 것이며, AIC, SBC는 최소한의 모수로 최대한 정확한 예측을 하도록 하는 것이다. The index that selects the most optimal model is verified by Chi-square test, AIC and SBC as follows. The chi-square test verifies the autocorrelation of the model residuals, and the AIC and SBC make the most accurate predictions with the minimum parameters.

카이제곱 검정값은 잔차가 모델에서 가정한 백색잡음을 따르는가를 판단하는 것으로 수학식(4)의 포트만토 검정값으로 판단된다.The chi-square test value determines whether the residual follows the white noise assumed in the model, and is determined as the Portmanto test value of Equation (4).

위의 포트만토 검정값이 자유도(K-p-q; p: AR과정 차수, q: MA과정 차수)의 카이제곱 검정량에 근사한다는 것에 기초한 것으로, 위의 포트만토 검정값 Q가 카이검정 제곱량 95% 유의수준을 만족하는 가로 판단한다. 따라서, 카이제곱 통계량의 값이 0.05이상이면 유의하다. The Portmanto test above is approximate to the chi-square test of degrees of freedom (Kpq; p: AR course order, q: MA course order), and the Portmanto test Q above is 95% of the chi-square test. A judgment is made that meets the significance level. Therefore, it is significant if the value of the chi-square statistic is 0.05 or more.

AIC(Akaike information criterion)와 SBC(Schwartz's Bayesian criterion)의 값은 각각 수학식(5), (6)와 같다.The values of Akaike information criterion (AIC) and Schwartz's Bayesian criterion (SBC) are shown in Equations (5) and (6), respectively.

AIC = -2 × 최대로그우도 + 2 × 적합모수의 수AIC = -2 × maximum log likelihood + 2 × number of fit parameters

여기에서, n : 시계열의 유효길이Where n is the effective length of the time series

AIC와 SBC는 두 부분으로 되어 있다. 하나는 최대로서 모델의 정확성을 나타내며 음의 값을 갖는다. 다른 하나는 적합모수의 수로서 양의 값을 갖도록 되어 있다. 이는 최소의 적합모수로 정확한 예측값을 갖도록 모델을 절충시킨 것으로, 값이 작을수록 우수한 모델이다.AIC and SBC are in two parts. One is the maximum, indicating the accuracy of the model and having a negative value. The other is to have a positive value as the number of fit parameters. This is a compromise between the model so that it has an accurate predictive value with a minimum fit parameter. The smaller the value, the better the model.

일반적으로 시스템은 제어입력값과 외란을 받으며, 시스템의 상태는 관측장치를 통하여 관측된다. 관측 값은 잡음에 흩어져서 직접적으로 관측되지 않는 것도 많다. 이와 같은 상황에서 칼만 필터모델은 관측 자료로부터 시스템의 상태에 관한 정보를 추출하는 것이다. 이 방법은 시계열 출력을 생성하는 시스템의 동적 특성에 주목하여 잡음의 통계적 성질을 가정하여, 초기값 정보와 시간마다 관측된 자료를 이용하여 시스템의 상태를 순차적으로 추정하는 것으로 도 3에 도시된 바와 같다. In general, the system is subject to control inputs and disturbances, and the state of the system is observed through the observation device. Observations are often scattered by noise and are not directly observed. In this situation, the Kalman filter model extracts information about the state of the system from the observed data. This method assumes the statistical properties of noise, taking note of the dynamic characteristics of the system generating the time series output, and sequentially estimates the state of the system using the initial value information and the data observed at each time. same.

이 칼만 필터는 이산형 동적 선형시스템(Discrete Linear Dynamical System)에서 시간 t일 때의 입출력 변수의 관측자료를 기초로 하여 t에서의 상태량을 최적으로 추정하는 방법으로 수학식(7), (8)과 같은 차분방정식에 의해 기술된다.This Kalman filter is a method of optimally estimating the amount of state at t based on observation data of input and output variables at time t in Discrete Linear Dynamical System. It is described by a differential equation such as

여기서, 수학식(7)은 상태방정식, 수학식(8)은 관측방정식이라 불리며, 도 4와 같이 표현된다. 여기서 Xk는 시각 tk의 시스템 상태를 표현하는 것으로, 상태 벡터라고 한다. 시스템의 z-1은 단계지체연산자를 표현하며, Xk+1을 한 시점 앞으로 변환시켜준다.(Xk=z-1Xk+1) 시스템의 과정은 가우스과정에 따른다고 가정되며, 1시점 앞의 상태 Xk+1은 k시점에서의 시스템 행렬 Bk와 시스템의 잡은 Wk를 입력자료로 하는 동적 선형시스템으로 표현된다.Here, Equation (7) is called a state equation, and Equation (8) is called an observation equation, and is expressed as shown in FIG. Where X k represents the system state at time tk and is called the state vector. Z -1 of the system represents the step delay operator and converts X k + 1 one point forward (X k = z -1 X k + 1 ). The process of the system is assumed to be Gaussian. The state X k + 1 before the point in time is represented by a dynamic linear system that takes as input the system matrix B k at the point k and the captured W k of the system.

위의 칼만필터 모델에서 상태값 Xk의 변화를 표시하는 행렬 Bk와 시스템의 입출력관계를 표현하는 관측행렬 Ak는 모델의 적용대상의 물리적 구조를 기본으로 설정되며, 관측값 Xk를 도 4의 루프를 통하여 상태량 Qk를 추정한다.In the Kalman filter model of the above matrix representing the changes in the state value X k B k and the observation matrix representing the input-output relationship of the system A k is set to the physical structure of the application of the model to the default, the observations X k to FIG. The state quantity Q k is estimated through a loop of four.

본 발명에서 말하는 신경회로망은 인간의 뇌와 마찬가지로 복잡한 자료를 효율적으로 처리하며 입력과 출력의 관계에 대한 학습능력을 가지고 있다. 신경회로망은 여러 개의 뉴런들과 그들을 연결하는 연결하중으로 구성되며, 도 5와 같은 신경회로망의 기본구조는 하나의 뉴런에 여러 개의 입력채널과 하나의 출력채널이 연결되어 있다. 단일 뉴런은 여러 개의 입력채널로부터 다른 뉴런들의 출력과 각 연결하중의 곱을 입력으로 받아들이며 이 입력들의 합을 시그모이드형 활성함수를 이용해서 처리하고 하나의 출력을 생성한다. 뉴런 i의 출력채널과 뉴런 j의 입력채널이 연결되어 있다면 연결된 채널사이에 연결하중 Wij가 존재하게 되며, 신경회로망은 연결하중으로 연결된 다층구조를 가질 수 있다. Like the human brain, the neural network described in the present invention efficiently processes complex data and has a learning ability on the relationship between input and output. The neural network is composed of several neurons and connection loads connecting them, and the basic structure of the neural network shown in FIG. 5 is connected to several input channels and one output channel to one neuron. A single neuron accepts the output of the different neurons from each input channel and the product of each connection load as inputs, and processes the sum of these inputs using a sigmoidal activation function and generates one output. If the output channel of the neuron i and the input channel of the neuron j is connected, there is a connection load Wij between the connected channel, the neural network may have a multi-layer structure connected by the connection load.

입력층, 출력층과 하나 이상의 중간층을 포함하는 다층 신경회로망의 특성은 다음과 같다. The characteristics of a multilayer neural network including an input layer, an output layer and one or more intermediate layers are as follows.

가. 입출력 데이터를 병렬 처리하여 계산 능력을 증가시킬 수 있다.end. I / O data can be processed in parallel to increase computational power.

나. 연상 재현 및 학습에 의해 적응 학습능력을 가지고 있어 수학적 알고리즘이 적용되기 어려운 문제를 학습을 통해 효과적으로 처리할 수 있다.I. As it has adaptive learning ability by associative reproduction and learning, it can effectively deal with problems that mathematical algorithms cannot apply.

다. 입출력 데이터의 추가에 의해 지속적인 성능개선이 가능하다.All. The addition of I / O data enables continuous performance improvement.

라. 제어기법으로 적용되는 경우 대단위 병렬처리에 의해 실시간 처리될 수 있다. la. When applied by the control method, it can be processed in real time by massively parallel processing.

마. 적응 학습능력에 의해서 제어환경의 변화 또는 잡음에 대한 견실성을 갖는다.hemp. It has the robustness against the change of the control environment or the noise by the adaptive learning ability.

바. 환경이나 모델이 필요하지 않고 명확한 제어규칙이 없어도 된다.bar. No environment or model is required and no explicit control rules are required.

사. 신경단위 중 일부가 손상되어도 시스템의 수행능력에 영향을 적게 받는다.four. Damage to some of the neurons is less likely to affect the system's performance.

여러 가지 신경회로망 모델 가운데 물수요예측의 모델링에 사용한 모델은 BP(Back-propagation) 신경회로망 모델이다. Rumelhart, Hinton 등에 의해 제안된 BP 신경회로망은 도 6과 같은 구조로 구성되며 반복학습을 통하여 연결하중을 결정한다. BP 학습 알고리즘은 패턴학습과정에서 사용되는 순방향연결선의 연결하중을 학습하는 알고리즘이다. Among the various neural network models, the model used for modeling water demand prediction is the BP (Back-propagation) neural network model. The BP neural network proposed by Rumelhart, Hinton et al. Has a structure as shown in FIG. 6 and determines the connection load through repetitive learning. The BP learning algorithm is an algorithm that learns the connection load of the forward link used in the pattern learning process.

도 6에서 최하위 계층이 입력층이고 최상위 계층이 출력층이며 그 사이에는 중간 계층(hidden layer)으로 구성되어있다. 모든 뉴런들은 자신이 속한 계층보다 낮은 계층의 뉴런들의 출력과 각 연결하중과의 곱을 입력으로 받아들이고 이 입력들의 합을 시그모이드 함수를 사용하여 출력을 계산하고 자신보다 높은 계층의 뉴런에 이 출력을 전달하는 구조를 가진다. 학습과정은 공정에서 얻어진 입출력 데이터의 집합을 가지고 수행되며, 도 6과 같이 신경회로망의 구조에서 입출력 계층과 중간계층은 각각 입력단과 출력단을 가지고 있다.In FIG. 6, the lowest layer is an input layer, the highest layer is an output layer, and is composed of a hidden layer between them. All neurons take as input the product of the neurons of the lower layer than their own layer and the product of each linking load, and use the sum of these inputs to calculate the output using the sigmoid function and send this output to the higher layer of neurons. It has a structure to convey. The learning process is performed with a set of input and output data obtained in the process, and in the structure of the neural network, as shown in FIG. 6, the input / output layer and the middle layer have input terminals and output terminals, respectively.

입력계층의 입력단은 실험을 통하여 얻은 입력 데이터를 받아들이며 입력 계층의 출력단은 입력 데이터의 값을 정규화한 값이다. 중간계층의 입력단은 수학식(12)과 같이 연결하중치와 정규화된 입력들의 곱의 총합이다.The input of the input layer accepts the input data obtained through experiments, and the output of the input layer is a normalized value of the input data. The input of the middle layer is the sum of the product of the connection load and the normalized input, as shown in Equation (12).

또한 중간계층의 출력단은 수학식(12)의 시그모이드 함수값으로 수학식(13)와 같이 표현된다.In addition, the output terminal of the middle layer is represented by Equation (13) as a sigmoid function value of Equation (12).

출력계층의 입력단과 출력단은 중간계층의 출력단에서 얻은 값과 연결하중치를 이용해서 수학식(14), (15)에 의해 얻어진다.The input and output stages of the output layer are obtained by equations (14) and (15) using the values obtained at the output stages of the intermediate layer and the connection loads.

만약 상단 방향으로 계산된 수학식(15)의 출력과 실험에서 얻은 출력 패턴이 일치하면 학습이 종료되나 그렇지 못할 경우 이 차이를 감소시키기 위해 하단 방향으로 Gradient descent 방법을 사용하여 연결하중치를 보정한다. 연결하중의 보정은 에 의해 이루어지며 , 는 수학식(16), (17)로 표시된다. 여기서 학습률은 0<η<1의 값을 갖는다.If the output of Eq. (15) calculated in the upper direction and the output pattern obtained in the experiment match, the learning is terminated. If not, the connection load value is corrected using the gradient descent method in the lower direction to reduce this difference. Correction of connection load Made by , Are represented by equations (16) and (17). Here, the learning rate has a value of 0 <η <1.

수학식(18)은 반복학습에 의해 추론된 출력과 실제의 출력 데이터의 오차이며 이 값이 일정범위 안에 들면 학습이 종료되고 모델링이 끝나게 된다.Equation (18) is the difference between the output inferred by the iterative learning and the actual output data. If this value is within a certain range, the learning ends and the modeling ends.

BP 신경회로망 모델 가운데 본 발명에서 공정모델을 구축하는데 사용하는 알고리즘은 오차 역전파(Error back-propagation) 알고리즘이다. 오차 역전파 알고리즘은 학습하고자 하는 대상 비선형 함수의 특성을 나타내는 입출력 데이터를 기본 패턴으로 삼아 학습하여 이 패턴으로 나타내어진 함수적 특성을 모방할 수 있고(Learning ability), 이 학습의 결과로서 유사한 다른 일반적인 입력에 대해서도 실제 대상함수가 내는 출력과 유사하게 반응하는 특성(generalization)을 가지고 있다. 보통 제어에 사용되는 오차 역전파 알고리즘을 위한 다층 신경회로망 구조는 1개의 중간층(Hidden layer)을 사용한다. Among the BP neural network models, an algorithm used to construct a process model in the present invention is an error back-propagation algorithm. The error backpropagation algorithm can learn from the input and output data representing the characteristics of the target nonlinear function to be learned as a basic pattern to mimic the functional characteristics represented by this pattern, and as a result of this learning, other similar general For input, it has a generalization that reacts similarly to the output of a real target function. The multi-layer neural network structure for the error backpropagation algorithm usually used for the control uses one hidden layer.

따라서 본 발명에서 사용하게 될 신경회로망의 기본 구조는 입력층, 중간층, 출력층으로 구성된다. 이때 각 층은 신경 조직의 뉴런에 해당하는 노드로 구성되어 있으며 각 층 사이는 연결하중(weight)으로 서로 연결되어 있다. 노드는 그 자체로 활성화 함수(Actuation function) 또는 판단함수(logistic function)를 갖고 있는데 이 연구에서는 수학식(8)과 같은 시그모이드 형태의 함수를 사용한다.Therefore, the basic structure of the neural network to be used in the present invention is composed of an input layer, an intermediate layer, and an output layer. At this time, each layer is composed of nodes corresponding to neurons of the neural tissue, and each layer is connected to each other by a connection weight. The node itself has an actuation function or a logistic function. This study uses a sigmoid type function such as Equation (8).

이 함수는 들어오는 입력의 범위에 따라 0(FALSE), 1(TRUE) 또는 0과 1 사이의 값을 갖고 있는데 이를 통해 입력 패턴의 애매한 부분까지 논리적인 영역구분을 하면서 각 층 사이의 뉴런을 연결시켜 주는 하중벡터를 변화시켜 신경회로망의 학습과 적응을 유도한다.This function has a value between 0 (FALSE), 1 (TRUE), or 0 and 1, depending on the range of incoming inputs, which allows you to connect neurons between layers, logically delimiting the ambiguity of the input pattern. Note changes the load vector to induce the neural network learning and adaptation.

이 때 하중벡터의 변화 방향은 현재 상태에서 신경회로망의 출력 O(k)과 목표값 T(k)의 차이를 비용함수(cost function) J 또는 성능지표(Performance Index)로 하고 이를 최소화하는 방향이다.At this time, the change direction of the load vector is the direction of minimizing the difference between the output O (k) and the target value T (k) of the neural network in the current state as the cost function J or the performance index. .

이 때 하중의 변화 식은At this time, the change formula of the load is

이고 여기서 η는 학습률(learning rate)이라고 하며 연결하중이 변화하는 속도를 결정하는 파라미터이다.Where η is the learning rate and is a parameter that determines the rate at which the connection load changes.

또한 학습 시간 개선과 국부 최소값을 피하기 위한 변형된 알고리즘을 사용하는데 본 발명에서는 비용함수를 출력 오차의 norm으로 구성하는 기존의 방법에 오차의 변화율의 norm을 부가시킴으로써 오차 변화율을 최소화시키는 방향으로의 학습 성능을 부가하여 전체적인 알고리즘의 성능을 향상시킨다.In addition, we use a modified algorithm to improve the learning time and to avoid local minimum values. In the present invention, we add the norm of the rate of change of the error to the existing method of constructing the cost function as the norm of the output error. Add performance to improve overall algorithm performance.

이 경우 오차의 변화율은 다음과 같이 나타낼 수 있으며In this case, the rate of change of the error can be expressed as

신경회로망 하중벡터의 조정은 다음과 같이 수정된다.The adjustment of the neural network load vector is modified as follows.

η1은 출력오차에 대한 학습률, η2는 오차의 변화에 대한 학습률이다.η1 is the learning rate for the output error and η2 is the learning rate for the change in error.

이 방법은 기존의 오차 역전파 알고리즘에 비해 학습속도가 증가하고, 높은 에너지 수준에서 국부 최소값(local minima)에 빠지는 것을 방지해주며 낮은 에너지 수준에서 최소값으로 수렴하게 되는 장점이 있다. This method has the advantage of increasing the learning speed, avoiding the local minima at high energy level and converging to the minimum value at low energy level compared to the conventional error backpropagation algorithm.

신경회로망 모델의 최적화를 수행함에 있어, 신경회로망의 수렴성능에 영향을 주는 요소에는 신경회로망의 구조(중간층수, 중간층의 뉴런 수 등), 학습 파라미터(학습률, 모멘텀 계수, 초기연결하중의 범위, 학습허용오차, 시그모이드 함수의 기울기 등)가 있는데, 초기에는 이 요소들의 최적값을 알 수 없기 때문에 최적의 신경회로망을 구하기가 어렵다. In optimizing the neural network model, factors affecting the convergence performance of the neural network include the structure of the neural network (number of middle layers, number of neurons in the middle layer, etc.), learning parameters (learning rate, momentum coefficient, range of initial connection load, Learning tolerances, the slope of the sigmoid function, etc.). Since the optimal values of these elements are not known at the beginning, it is difficult to find the optimal neural network.

병렬 탐색의 일종인 유전 알고리즘을 이용하여 신경회로망의 수렴성능에 영향을 주는 요소들의 최적값을 탐색해서 신경회로망 모델을 최적화 한다. 유전 알고리즘은 자연도태와 유전적 성질에 기초한 탐색 알고리즘으로 최적화 하려는 파라미터를 유한길이의 문자열로 코딩하여 여러 세대를 지나는 동안 선택, 교배, 돌연변이의 과정을 거쳐 최적해를 찾는 알고리즘이다. 최적의 신경회로망을 탐색하는 유전 알고리즘의 적용은 다음과 같은 단계를 거쳐 수행된다.Genetic algorithm, a kind of parallel search, is used to optimize the neural network model by searching for the optimal values that affect the convergence performance of neural networks. Genetic Algorithm is a search algorithm based on natural selection and genetic properties. It encodes the parameters to be optimized into finite length strings and finds the optimal solution through the process of selection, crossover, and mutation for generations. The application of the genetic algorithm to search for the optimal neural network is performed through the following steps.

제 1단계로서, 초기 세대의 생성시 최적해의 후보가 되는 문자열의 집단을 랜덤하게 발생시킨다. 여기서 문자열은 도 7과 같이 2진수로 코딩하여 구성하고 집단의 개체 수는 허용오차를 고려하여 설정한다. As a first step, randomly generating a group of character strings that are candidates for the optimal solution at generation of the initial generation. Here, the string is formed by coding in binary as shown in FIG. 7 and the number of individuals in the group is set in consideration of the tolerance.

제 2단계는, 각 개체의 적합도 계산으로, 집단의 문자열이 갖는 2진값들을 원래의 값으로 디코드한 뒤 그 파라미터로 구성된 신경회로망의 학습과 보정을 수행한다.The second step is to calculate the fitness of each individual, and to decode the binary values of the group's character strings to the original values and then to learn and correct the neural network composed of the parameters.

아래의 수학식(25)은 신경회로망의 성능을 평가하는 식으로 신경회로망의 적합도는 수학식(26)과 같이 신경회로망의 학습오차와 평가오차의 하중 합의 역수로 계산된다.Equation (25) below evaluates the performance of the neural network. The fitness of the neural network is calculated as the inverse of the sum of the loads of the learning and evaluation errors of the neural network, as shown in Equation (26).

제 3단계는 종료조건의 검사단계로서, 적합도가 목표치 이상이거나 세대수가 지정 세대수를 넘어가면 종료한다. The third step is an inspection step of the termination condition, and ends when the goodness of fit is above the target value or the number of households exceeds the number of designated households.

제 4단계는 새로운 세대의 생성으로, 새로운 세대는 이전 세대의 개체를 재생, 선택을 통한 교배와 돌연변이에 의해 새로운 집단을 생성한다(도 8참조). 교배는 아래의 수학식(28)의 선택확률을 따라 2개체를 선택해서 초기에 정해진 교배율에 따라 수행된다. 돌연변이는 새로운 세대의 교배된 염색체에서 초기에 정해진 돌연변이율에 의해 임의의 비트를 바꾼다. 새로운 세대의 생성이 완료되면 단계 2를 수행한다.The fourth stage is the creation of a new generation, where the new generation creates new populations by breeding and mutating through regeneration, selection, and the population of the previous generation (see FIG. 8). The mating is performed according to the mating rate initially selected by selecting two objects according to the selection probability of Equation (28) below. Mutations change random bits by an initially determined mutation rate in a new generation of crossed chromosomes. Step 2 is performed when the generation of the new generation is complete.

2진 문자열 코딩을 사용하는 유전 알고리즘은 문자열이 갖는 정밀도의 한계 때문에 최종 수렴치를 보증하지 못하므로 본 발명에서는 유전 알고리즘의 우수개체 집합을 컴플렉스 알고리즘의 초기해로 하여 신경회로망 모델의 구조와 학습 파라미터의 최적값을 탐색한다.Genetic algorithms using binary string coding do not guarantee the final convergence due to the limitations of precision of strings. Therefore, in the present invention, a set of superior objects of a genetic algorithm is regarded as an initial solution of a complex algorithm. Find the optimal value.

신경회로망 모델 예측제어는 신경회로망 모델을 이용한 출력예측과 이동구간원리를 토대로 예측제어를 수행한다. 예측제어의 목적은 예측구간의 목표출력궤적에 대하여 수학식(29)과 같은 비용함수를 최소화하기 위한 미래 제어입력을 구하고 그 첫 번째 제어입력만 출력하는 것이다.Neural network model predictive control performs predictive control based on output prediction and moving interval principle using neural network model. The purpose of the predictive control is to obtain a future control input for minimizing the cost function as shown in Eq. (29) for the target output trajectory of the prediction section and output only the first control input.

제약조건이 있는 비선형 최적화 알고리즘 SQP(Successive Quadratic Programming)를 이용하여 최적의 제어입력을 생성한다. 도 9에 신경회로망 모델과 SQP 알고리즘을 이용한 비선형 모델 예측제어의 구조도를 보인다. Constrained nonlinear optimization algorithm SQP (Successive Quadratic Programming) is used to generate the optimal control input. 9 shows a structural diagram of a nonlinear model predictive control using a neural network model and an SQP algorithm.

한편, 정수장 등에서 실제 운영을 통해 수집된 현장 데이터 및 물사용량에 영향을 미치는 각종 인자데이터 등을 통해 일별 물 수요예측의 신경회로망 모델을 구축한다. On the other hand, neural network model for daily water demand prediction is established through on-site data collected through actual operation in water purification plant and various factor data affecting water usage.

신경회로망 모델은 주기적으로 수집된 운영 데이터를 토대로 오차 역전파 알고리즘으로 학습되며, 학습된 신경회로망 모델로부터 최적의 예측 수요량을 탐색한다. 예측을 실시할 지점의 물 사용량을 나타내는 현장 데이터는 LAN 네트워크를 통해 수집주기마다 상위 컴퓨터로 전송되며 수집된 데이터를 신경회로망 모델에 입력하여 연산주기마다 현재 상태의 예측 수요량을 연산하여 출력한다. 전체적인 일별 물 수요예측의 설정 방법의 흐름을 도 10에 보인다. The neural network model is trained with the error backpropagation algorithm based on the periodically collected operational data, and finds the optimal prediction demand from the learned neural network model. On-site data indicating the water usage at the point to be predicted is transmitted to the host computer at each collection cycle through the LAN network, and the collected data is input to the neural network model to calculate and output the current demand demand at each calculation cycle. 10 shows the flow of the overall daily water demand forecasting method.

또한, 수요예측은 다양한 알고리즘의 적용이 가능하나 실제로는 적용된 알고리즘보다는 물수요에 영향을 미치는 지수요소(인자)의 선택이 예측 오차를 최소화하는데 중요한 역할을 한다. 일반적으로 물의 사용량에 영향을 미치는 변수로는 강우량(또는 강수유무), 천후(구름의 양), 요일, 습도, 최저기온, 최고기온, 평균기온 등이 있으며, 이 중 입력변수로 사용할 독립변수 선정에 신뢰성을 높이기 위해 수자원공사 본사 · 연구소 · 연수원 · 청주권 관리단의 숙련된 전문가 24명을 대상으로 설문을 실시하였으며 그 결과는 도 11과 같다.In addition, demand forecasting can be applied to various algorithms, but in practice, selection of exponential factors (factors) that affect water demand plays an important role in minimizing prediction errors. Generally, variables affecting water usage include rainfall (or precipitation), weather (cloud volume), day of the week, humidity, minimum temperature, maximum temperature, and average temperature, among which independent variables are used as input variables. In order to increase the reliability of the survey, 24 skilled professionals from the head office, research institute, training institute, and Cheongjuwon management team of the Korea Water Resources Corporation were surveyed. The results are shown in FIG.

또한, 수요예측 관련 연구논문인 Transfer Function 모형을 이용한 수도물 수요의 단기예측(이재준, 대한상하수도학회지, pp88-103, 1996.3) 등에서도 최고기온, 강우량, 요일, 습도, 평균기온, 천후, 최저기온 순으로 수돗물 사용의 영향요인으로 꼽고 있다.In addition, in the short-term forecasting of tap water demand using Transfer Function model, a research paper related to demand forecasting (Jae-Joon Lee, Journal of Korean Water and Sewerage Society, pp88-103, 1996.3), the highest temperature, rainfall, day of the week, humidity, average temperature, weather and minimum temperature It is regarded as an influence factor of tap water use.

이상의 내용을 근거로 본 발명에서는 3개의 독립변수인 요일(일형식, Day-Type), 최고기온, 강우량(강수유무)이 상대적으로 관련정도가 큰 것으로 선정하며, 예측을 실시하는 지점의 전일실적은 예측결과의 정확도를 내재하고 있는 변수로 가정할 수 있으므로 이 4개의 변수들을 예측 프로세스의 입력변수로 선정하고 물 수요예측의 모델링을 수행한다.Based on the above, in the present invention, three independent variables, day of week (day-type), maximum temperature, and rainfall (precipitation) are selected as having a relatively high degree of relevance. Since we can assume that the accuracy of the prediction results is inherent, we select these four variables as inputs to the prediction process and model water demand.

적정수의 샘플데이터로부터 기대수준 이상의 정확도를 유지하는 예측치 제공을 위해 각 변수의 수집은 다음과 같이 실시하였다.The collection of each variable was carried out as follows to provide predictions that maintain accuracy above the expected level from the appropriate number of sample data.

1)요일 : 월요일부터 토요일(1~6), 일요일이나 공휴일과 같은 휴일(0), 설날과 추석 등 특이일(-1)로 구분하여 수집1) Days of the week: Mondays to Saturdays (1 ~ 6), holidays (0) such as Sundays or public holidays, New Year's Day and Chuseok (1)

2)최고기온 : 기상데이터는 기상청 예보데이터가 수집 저장되는 한국수자원공사의 기상데이터베이스로부터 제공받으며 단위는 ℃이다.2) The highest temperature: The weather data is provided from the Korea Water Resources Corporation's weather database where the weather forecasting data is collected and stored, and the unit is ℃.

3)강우량 : 한국수자원공사의 기상데이터베이스에는 강우량 예보는 나와 있지 않고 강수유무만을 알 수 있으므로 강우량 대신 강수 유무를 구분하여 수집한다. 즉, 맑음/흐림(0), 비/눈(1)의 두 가지로 구분.3) Rainfall: The Korea Water Resources Corporation's weather database does not provide a forecast of rainfall, so only precipitation is known, so precipitation is collected separately instead of rainfall. That is, it is divided into two parts, sunny / cloudy (0) and rain / snow (1).

따라서 본 발명에서 신경회로망을 이용하여 일별 물수요예측량을 모델링 하며, 다음 표(1)에 입력 데이터의 한 예를 보인다.Therefore, in the present invention, the daily demand demand prediction model is modeled using a neural network, and an example of input data is shown in the following table (1).

구분        division 날짜 date 요일Day of the week 강수유무Precipitation 최고온도Temperature 전일수요량Daily demand 실제수요량Actual demand 2003. 9. 6Sep 6, 2003 66 00 2828 3368233682 3508935089 2003. 9. 7September 7, 2003 00 1One 2525 3508935089 3495434954 2003. 9. 8Sep 8, 2003 1One 1One 2727 3495434954 3423934239 2003. 9. 99/9/2003 22 1One 2424 3423934239 3252532525 2003. 9. 10Sep 10, 2003 -1-One 00 2626 3252532525 3413634136 2003. 9. 11September 11, 2003 -1-One 00 2626 3413634136 2980029800 2003. 9. 12Sep 12, 2003 -1-One 1One 2424 2980029800 3051930519 2003. 9. 13Sep 13, 2003 66 1One 2525 3051930519 3282932829 2003. 9. 14Sep 14, 2003 00 00 2727 3282932829 3592835928

본 발명에서는 효과적인 신경회로망 모델링을 위해서 신경회로망은 4개의 입력 뉴런, 10개 이상의 중간 뉴런과 1개의 출력 뉴런으로 구성된다. 도 12에 나타낸 바와 같이 최고기온, 일형식(요일), 강수유무, 전일실적을 입력변수로 할당하고 물 예측사용량을 신경회로망 모델의 출력변수로 할당한 신경회로망 모델을 구축한다.In the present invention, for an effective neural network modeling, the neural network is composed of four input neurons, ten or more intermediate neurons, and one output neuron. As shown in FIG. 12, the neural network model is constructed by assigning the maximum temperature, daily format (day of the week), precipitation presence, and full-day performance as input variables and assigning water prediction usage as an output variable of the neural network model.

유전 알고리즘과 컴플렉스 알고리즘을 이용하여 신경회로망의 구조(중간층의 뉴런 수), 학습 파라미터(학습률, 모멘텀 계수, 초기연결하중의 범위, 학습허용오차, 시그모이드 함수의 기울기)의 최적값을 결정한다. 도 13에 신경회로망의 구조와 학습 파라미터의 최적값을 탐색하기 위한 문자열을 보인다.Genetic and complex algorithms are used to determine the optimal value of the neural network structure (number of neurons in the middle layer), learning parameters (learning rate, momentum coefficient, range of initial connection load, learning tolerance, and slope of sigmoid function). . FIG. 13 shows a string for searching for an optimal structure of a neural network structure and learning parameters.

각 파라미터의 문자열을 표(2)에 나타낸 바와 같이 디코딩을 하기 위한 최소값과 최대값을 갖고 있으며, 표(3)에는 유전 알고리즘의 실행에 필요한 파라미터의 설정값을 나타낸다. As shown in Table 2, the character string of each parameter has a minimum value and a maximum value for decoding, and Table 3 shows the set values of parameters required for the execution of the genetic algorithm.

파라미터parameter 범 위 range 은닉층의 뉴런수Number of neurons in the hidden layer 1 ~ 301 to 30 학습률Learning rate 0.0001 ~ 1.00.0001 to 1.0 모멘텀계수Momentum coefficient 0.0 ~ 1.00.0 to 1.0 초기연결하중범위Initial connection load range ㅁ 0.05 ~ ㅁ 2ㅁ 0.05 ~ ㅁ 2 학습허용오차Learning tolerance 0.001 ~ 0.050.001 to 0.05 시그모이드함수 기울기Sigmoid Function Slope 0.0 ~ 1.00.0 to 1.0

파라미터parameter 설정값Set value 진화세대수Evolutionary generation number 500500 집단크기Group size 100100 총문자열길이Total string length 5050 교배율Mating rate 0.70.7 돌연변이율Mutation rate 0.010.01

한편, 제안된 기법의 유용성을 검증하기 위해 광역 수처리 시스템의 한 정수장에서 수집된 데이터를 근거로 모의시험을 수행했다. 이 정수장은 하루 평균 346,000㎥의 처리 능력과 디지털 분산제어시스템을 갖추고 있으며, 모의시험 데이터 대상 분기는 일평균 약 33,000㎥의 물 사용량을 보이는 곳이다. In order to verify the usefulness of the proposed technique, a simulation was conducted based on the data collected at a water treatment plant of a regional water treatment system. The plant has an average processing capacity of 346,000㎥ and a digital distributed control system, and the quarter of the simulation data shows an average daily water consumption of about 33,000㎥.

대상 분기의 수집 가능한 5개월간 데이터를 학습하여 일별 수요예측의 신경회로망 모델을 구축하였으며 사용된 신경회로망의 파라미터들은 다음의 표(4)와 같다. The neural network model for daily demand forecasting was constructed by learning the data for five months of collectible data of the target quarter. The parameters of the neural network used are shown in the following table (4).

파라미터parameter 범 위 range 은닉층 노드수Hidden Layer Nodes 2323 연결하중학습률Connected load learning rate 0.002264,0.002264, 문턱치학습률Threshold Learning Rate 0.0018370.001837 시그모이드 기울기Sigmoid Slope 0.0704520.070452 모멘트moment 0.0041810.004181 차분 모멘트Differential moment 0.0047270.004727

이하에서는 본 발명에 따른 수요예측 소프트웨어의 일실시예를 컴퓨터 화면과 함께 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the demand forecasting software according to the present invention will be described with a computer screen.

수요예측이 실행되는 모듈은 수량관리 소프트웨어에 탑재된다. 수량관리 소프트웨어는 급수 구역별 일별 수요량 예측을 수행하고, 이를 토대로 배수 패턴 해석에 의한 2일분(48시간) 시간별 수요 예측량 산출을 기본적인 기능으로 수행한다. 산출된 시간별 수요 예측량은 전력요금, 각 급수 구역별 유량, 유입량 평활화 등을 고려하여 경제적인 운영이 이루어지도록 급수 구역별 송수량을 산출하여 2일분의 운영 계획을 수립한다.The module on which the demand forecast is executed is built into the quantity management software. The quantity management software performs daily demand forecast by water supply area, and based on this, calculates daily demand forecast by 2 days (48 hours) by drainage pattern analysis as a basic function. The calculated demand forecast by hour calculates the amount of water supply by water supply area and establishes a two-day operation plan in order to economically operate in consideration of electricity rate, flow rate of each water supply area, and inflow smoothing.

이 과정을 단계별로 살펴보면, 본 연구결과를 적용한 일별 수요량 예측을 실시한 후에 해당일의 계절정보(봄/가을, 여름, 겨울), 날씨정보(맑음/흐림, 비/눈), 날짜정보(평일, 휴일, 특이일)로부터 해당 수요패턴(시간계수)을 수요패턴 테이블로부터 찾는다. 여기에 해당일 예측수요량을 시간별로 곱하면 시간별 예측수요가 산출되며, 이때 수요패턴의 시간계수는 실적치 등에 근거하여 수요예측모의 기능을 통해 기산출된다.If you look at this process step by step, after performing the daily demand forecast applying the results of this study, seasonal information (spring / autumn, summer, winter), weather information (sunny / cloudy, rain / snow), date information (weekdays, Find the demand pattern (time coefficient) from the demand pattern table. By multiplying the forecasted demand by the hour by the hour, the forecasted demand by hour is calculated, and the time coefficient of the demand pattern is calculated through the function of the demand forecasting model based on the performance value.

수요패턴해석은 13개의 수요패턴 중 대표성을 갖는 수요패턴에 대해 시간별 수요량 패턴을 해석하는 기능을 수행한다. 수요패턴 해석을 실행하였을 때 신뢰성이 있는 결과가 산출되기 위해서는 최소 과거 12개월의 실적 데이터가 수집/저장되어야 하며, 실적수요량과 수집된 날씨 정보를 해당 날짜와 계절별로 분류하여 수요패턴모의에 사용된다. 단, 운영자의 편의 도모와 가능한 많은 최근의 실적 데이터들을 수요패턴에 반영시키기 위해 online으로 1일 1회 자동으로 신규 수요패턴해석 모의가 실행된다.The demand pattern analysis performs the function of analyzing the demand pattern over time for the demand pattern which is representative among the 13 demand patterns. In order to produce reliable results when demand pattern analysis is executed, at least 12 months of historical data should be collected / stored, and the demand for demand and collected weather information are classified by date and season and used for demand pattern simulation. . However, new demand pattern analysis simulation is executed once a day online to facilitate the convenience of the operator and to reflect as much recent performance data as possible.

최종적으로 계통별 48시간분의 시간별 예측수요를 기초로 하여 수요량별 펌프 운전 대수 조합을 이용하여 시간별 총 펌프운전 대수계획을 자동 생성하게 된다. 즉 수요량과 펌프 성능곡선(효율)을 이용하여 수요량에 대한 펌프운전대수를 계획하는 것인데, 효율적인 펌프운전대수 결정을 위해 사업장별 최대 사용전력을 고려하여 펌프의 최대운전대수를 초과하지 않도록 하며 적용되는 전력요금제를 기반으로 계획이 작성된다.Finally, based on the hourly forecasted demand of 48 hours per system, the total pump operation number plan for each hour is automatically generated using the combination of pump operation number per demand. In other words, the pump operation number is planned for the demand by using the demand quantity and the pump performance curve (efficiency). The plan is based on the electricity tariff.

데이터 수집의 가능성 및 관련 시간과 비용의 절감을 위해 적정수의 샘플데이터로부터 기대수준 이상의 정확도를 유지하는 예측치 제공을 위해 데이터 Granulization 기법을 적용하여 데이터를 분류하고, 분류된 데이터의 환산 평균에 의해 수요패턴을 설정한다. 데이터 Granulization은 기본적으로 시간계수 및 기후계수에 의해 기초하여 이루어지는데, 시간계수는 다시 계절계수(Season Parameter), 일형식계수(Day-Type Parameter)로 구분되고, 기후계수는 날씨계수(Weather Parameter)로 구분된다. 각 계수의 세부항목은 다음과 같다.In order to provide the possibility of data collection and to provide predictions that maintain accuracy beyond the expected level from an appropriate number of sample data in order to reduce the associated time and cost, the data is classified by applying the data granulization technique, and demand by the converted average of the classified data Set the pattern. Data granulization is basically based on time coefficient and climate coefficient. Time coefficient is divided into season parameter and day-type parameter, and climate coefficient is weather parameter. Separated by. The details of each coefficient are as follows.

■ 계절계수(SP) : 봄/가을, 여름, 겨울■ Seasonal Coefficient (SP): Spring / Autumn, Summer, Winter

■ 일형식계수(DP) : 평일, 휴일, 특이일■ Day Format Factor (DP): Weekdays, Holidays, Unusual Days

■ 날씨계수(WP) : 맑음/흐림, 비/눈■ Weather Coefficient (WP): Sunny / Cloudy, Rain / Snow

단, 계절계수과 일형식계수를 구분하지 않고 1년의 365일 모두를 시간계수로 감안하고, 날씨계수의 항목을 맑음, 흐림, 비. 눈, 맑음 후 흐림, 흐린 후 맑음 등 다양한 경우를 반영하면 각 granule의 정확성이 좀 더 증가할 수 있으나, 모든 경우를 반영하였을 때 일정 granule에 해당하는 패턴데이터 자료가 아주 적은 수만이 존재하거나 전혀 없는 경우가 발생하게 될 수도 있으며, 또한 앞서 언급하였듯이 적정수의 샘플데이터로부터 기대수준 이상의 정확도를 유지할 수 있다면 각 granule의 대표성에는 큰 영향을 미치지 않는다.However, it does not distinguish between seasonal and day-type coefficients, considering all 365 days of the year as time coefficients, and the items of weather coefficients are sunny, cloudy, and rain. The accuracy of each granule can be increased more by reflecting various cases such as snow, cloudy after cloudy, sunny after cloudy, etc. However, when all the cases are reflected, only a small number of pattern data data corresponding to a certain granule exist or do not exist at all. In some cases, and as mentioned above, if the accuracy of the expected data can be maintained from the appropriate number of sample data, the representativeness of each granule will not be significantly affected.

한편, 이러한 방법은 시변데이터들을 특성에 따라서 클래스(class)로 분류하는 기법인데, 계절, 요일, 시간 등에 따른 여러 형태의 granule을 구성하고 구성된 granule을 유사한 형태들끼리 분류하여 클래스로 정의한다. 이러한 클래스 데이터를 모델 함수의 과거 데이터로 사용함으로써 효과적인 패턴 설정이 가능하게 된다.On the other hand, this method is to classify the time-variable data into classes according to characteristics, and constitutes various types of granules according to seasons, days of the week, and time, and classifies the granules into similar classes. By using this class data as historical data of the model function, effective pattern setting is possible.

모형화방법은 접근방법에 있어서 사회경제적 파라미터들과 다른 시변 파라미터들 사이의 커다란 차이를 인식하여 서로 다른 개념에서 출발한다. 사회경제적인 파라미터들이 데이터의 빈번한 수집이 불가능한 반면에 시변파라미터들은 특성상 잦은 변화로 인해 통계적 데이터의 수집이 용이하다. 1년 주기의 데이터는 총 8760개(24시간ㅧ365일)가 되는데, 이중 계절과 요일적 특성에 의해 같은 형태의 데이터들로 분류가 가능하다. 예를 들어, 여름이고 평일이며 같은 시간대인 데이터들은 여러 개가 있을 것이며 이러한 식으로 8760개의 총 데이터를 같은 형태의 데이터들로 분류하고 이러한 데이터들은 각각의 상황에서 특성 클래스의 수요패턴을 추정하는 과거데이터로 사용된다. 이를 위한 필요조건은 다음과 같으며, Class 분류(배수패턴 구분)는 표 5와 같다.The modeling method starts from different concepts by recognizing the large difference between socioeconomic parameters and other time-varying parameters in the approach. While socio-economic parameters do not allow frequent collection of data, time-variable parameters tend to collect statistical data due to their frequent changes. There are a total of 8760 data per year (24 hours 365 days), which can be classified into the same type of data by seasonal and weekday characteristics. For example, there will be several data that are summer, weekday, and the same time zone. In this way, 8760 total data are classified into the same type of data, and these data are historical data that estimate the demand pattern of the characteristic class in each situation. Used as The requirements for this are as follows. Class classification (drainage pattern classification) is shown in Table 5.

■ 시간별 모든 granule에 대하여 요구되는 과거 데이터 수집■ Collect historical data required for every granule over time

1년 간의 데이터 수집량 : 24(시간) × 365(일) = 8760(개)One year data collection: 24 (hours) × 365 (day) = 8760 ()

■ SP, DP, WP에 대한 Class의 총 수(표 6 참조)■ Total number of classes for SP, DP, WP (see Table 6)

SP(3) × DP(2) × WP(2) + 1 = 13(class)SP (3) × DP (2) × WP (2) + 1 = 13 (class)

계절season 일형식Japanese style 날씨weather 특이일Unusual 봄/가을spring fall 여름summer 겨울winter 평일weekday 휴일holiday 맑음/흐림Sunny / Cloudy 비/눈Rain / snow 1One 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 1111 1212 1313

수량관리 소프트웨어의 초기화면은 도 22와 같으며 좌측의 도구바에서 대상개별설정을 선택한다. 각 대상에 따라 신경망 모델을 구축하고 학습을 수행하기 때문에 신경망편집과 학습이 동시에 수행된다. 최대 20개 대상까지 사용할 수 있으며 이는 온라인 운영시에 동시에 20개의 대상분기의 물 수요예측이 가능하다는 것이다. 대상의 편집은 대상 기술과 입출력태그 설정 부분 등을 할 수 있도록 신경망학습, 입력태그, 출력태그, 상세정보로 구성되어 있으며 도 26의 대상개별설정의 초기화면에서 상단의 각 탭을 누르면 해당화면으로 이동할 수 있다. The initial screen of the quantity management software is shown in FIG. 22, and the target individual setting is selected in the toolbar on the left. Neural network editing and learning are performed at the same time because the neural network model is constructed and learned according to each object. Up to 20 targets can be used, which means that it is possible to forecast water demand for 20 target quarters simultaneously during online operations. Editing of the object consists of neural network learning, input tag, output tag, and detailed information so that the target technology and input / output tag setting part can be done. I can move it.

예측을 위한 대상을 등록하기 위해서는 대상명을 입력하고 입력태그와 출력태그 설정 화면에서 태그지정 버튼을 누르면 도 32와 같이 원하는 변수에 해당하는 태그를 등록할 수 있다.To register a target for prediction, input a target name and press a tag designation button on an input tag and output tag setting screen to register a tag corresponding to a desired variable as shown in FIG.

입출력태그를 선정하면 학습데이터를 수동으로 입력하거나 온라인 상으로 해당 변수 집합을 설정한 주기에 따라 수집할 수 있으며, 신경망 모델을 구축하기 위한 기본 설정이 끝나게 된다. 설정이 완료된 화면은 도 27, 도 28과 같다.If I / O tag is selected, training data can be input manually or collected online according to the set period of the variable set, and basic setting for constructing neural network model is completed. Screens in which the setting is completed are shown in FIGS. 27 and 28.

상세정보는 대부분 일별 수요예측이 끝나고 시간별 수요예측을 통해 산출된 물 수요를 근거로 펌프절체테이블을 생성할 경우에 해당되는 설정 부분으로서 도 29와 같다.The detailed information is the setting part corresponding to the case where the pump switching table is generated based on the water demand calculated through the hourly demand forecast after most of the daily demand forecast is as shown in FIG. 29.

일 수요예측 시에 설정이 필요한 부분은 예보구역과 AWS지점의 설정인데, 신경망학습시의 입력 자료로 사용되는 강수유무와 최고온도를 한국수자원공사의 기상 데이터베이스로부터 읽어오기 위해서, 등록하려는 대상이 위치한 예보구역과 실제 풍향, 풍속, 기온, 강수량 등을 관측하는 AWS (Automatic Weather Station, 무인자동기상관측장비)의 지점코드를 설정해주어야 한다.The part that needs to be set during the forecasting of daily demand is the setting of the forecast area and the AWS location.In order to read the precipitation and maximum temperature, which are used as input data for neural network learning, from the Korea Water Resources Corporation's weather database, You need to set the branch code of AWS (Automatic Weather Station) which observes forecast area and actual wind direction, wind speed, temperature, and rainfall.

상세정보설정화면에서 예보구역설정조회 버튼이나 AWS지점설정조회 버튼을 누르면 다음과 같이 해당 대상이 위치한 예보구역(도 30)과 AWS지점(도 31)을 등록할 수 있다.Pressing the forecast zone setting inquiry button or AWS site setting inquiry button in the detailed information setting screen can register the forecast area (FIG. 30) and the AWS branch (FIG. 31) where the target is located as follows.

신경망 모델링 및 학습을 수행하기 위해서는 먼저 학습데이터가 확보되어야 한다. 대상정보까지만 편집하면 운영시에 온라인 수질 데이터를 수집할 수 있으며, 또한 기존의 기상데이터와 실적수요량을 편집하여 학습데이터로 사용할 수 있다. 학습데이터의 편집에 대해서는 뒤에서 언급한다. 대상정보에 따른 학습데이터를 구축하게 되면 신경망 모델링과 구축된 모델링을 학습시킨 후에 온라인 운영에 활용한다. 도 23에서 학습 파라미터와 학습 목표를 사용자가 수동으로도 입력할 수도 있지만, 최적모델탐색 기능을 통해 자동으로 생성할 수 있다.In order to perform neural network modeling and learning, learning data should be secured first. By editing only the target information, online water quality data can be collected during operation, and existing weather data and performance demand can be edited and used as learning data. The editing of learning data is discussed later. When learning data based on target information is constructed, neural network modeling and built modeling are learned and used for online operation. In FIG. 23, the user may manually input the learning parameter and the learning goal, but may be automatically generated through the optimum model search function.

표 6는 학습파라미터를 설정할 때 지정할 수 있는 범위와 각 파라미터에 대한 설명이다.Table 6 shows the range and each parameter that can be specified when setting learning parameters.

항목Item 내용Contents 비고Remarks RMS 목표오차 RMS target error 0.0001 ~ 15.0 0.0001 to 15.0 모델의 성능목표인 최소자승 오차인 RMS오차가 목표오차보다 같거나 작으면 학습 종료If the RMS error, the least-squares error that is the performance goal of the model, is less than or equal to the target error, the learning ends. 데이터 쌍의 수 Number of data pairs 1 ~ 32767 1 to 32767 학습할 데이터 쌍의 수The number of data pairs to learn 학습 회수 Learning frequency 1 ~ 1000000 1 to 1000000 모델의 학습 회수Model training count 은닉층 노드수 Hidden Layer Nodes 1 ~ 30 1 to 30 30에 가까운 값 설정Set value close to 30 연결하중 학습률 Connection load learning rate 0.0001 ~ 1.0 0.0001 to 1.0 보통 0.05 보다 작은 값으로 설정Usually set to a value less than 0.05 문턱치 학습률 Threshold learning rate 0.0001 ~ 1.0 0.0001 to 1.0 보통 0.05 보다 작은 값으로 설정Usually set to a value less than 0.05 시그모이드 함수 기울기 Sigmoid Function Slope 0.0001 ~ 5.0 0.0001 to 5.0 보통 1.0 ~ 5.0 사이의 값으로 설정Usually set to a value between 1.0 and 5.0 모멘트 moment 0.0001 ~ 1.0 0.0001 to 1.0 보통 0.01 보다 작은 값으로 설정Usually set to a value less than 0.01 차분 모멘트 Differential moment 0.0001 ~ 1.0 0.0001 to 1.0 보통 0.01보다 작은 값으로 설정Usually set to a value less than 0.01 학습 데이터 파일명 Training data file name 최대 20문자의 영문 또는 한글 Up to 20 characters in English or Korean 확장자는 ".csv", 형식은 [데이터 수][입력수][출력수][데이터], 엑셀로 편집가능Extension is ".csv", format is [number of data] [number of input] [number of output] [data] and can be edited with Excel 연결하중 파일명 Connection load file name 최대 20문자의 영문 또는 한글 Up to 20 characters in English or Korean 확장자는 ".wgt", 형식은 [입력수][은닉층 노드수][출력수][연결하중]Extension is ".wgt", format is [number of inputs] [number of hidden layer nodes] [number of outputs] [connection load] 테스트 데이터 파일명 Test data file name 최대 20문자의 영문 또는 한글 Up to 20 characters in English or Korean 확장자는 ".csv" 형식은 [데이터수][입력수][출력수][데이터], 엑셀로 편집가능Extension ".csv" format can be edited by [Number of data] [Number of input] [Number of output] [Data], Excel

좌측 하단의 최적모델탐색 버튼을 누르게 되면 도 24와 같이 자동으로 최적의 신경망 학습파라미터를 생성해준다.If you press the button to search for the best model in the lower left, as shown in Figure 24 automatically generates the optimal neural network learning parameters.

학습데이터와 신경망 모델링이 구축되면 오프라인 학습을 수행해야 한다. 학습은 학습 목표로 설정된 RMS 목표오차를 만족하거나 학습회수만큼 학습한 후에 중단하고 그 결과를 연결하중치 파일에 저장하게 된다. 저장된 학습하중치를 이용하여 온라인 운영시에 입력변수들의 값에 따라 제어출력을 계산하게 된다. 초기 하중치 파일은 기존에 수행했던 학습을 다시 학습목표까지 수행할 때 사용하게 된다. 도 25는 신경망 학습이 실행되는 화면이다.Once the training data and neural network modeling are established, offline learning must be performed. The learning is stopped after satisfying the RMS target error set as the learning goal or after learning as many times as the learning goal and storing the result in the link load file. The stored learning load is used to calculate the control output according to the values of the input variables during online operation. The initial load file is used to perform the previous learning back to the learning goal. 25 is a screen on which neural network learning is executed.

학습을 수행하고 나면 학습평가를 통해 학습결과를 검토해볼 수 있다. 이는 학습데이터를 이용해 모델출력과 학습데이터의 출력변수의 값과의 차이를 비교해보는 것이다. 위의 편집화면에서 학습평가 버튼을 누르면 도 37처럼 학습 결과를 검토해 볼 수 있다. Once you have learned, you can review the learning results through learning assessment. This is to compare the difference between the model output and the value of the output variable of the training data using the training data. If you press the learning evaluation button in the above edit screen, you can review the learning results as shown in FIG.

시험평가 기능은 학습평가와 유사한 기능으로서 학습되지 않은 데이터에 대해서 학습결과를 비교해 보기 위한 것이다.The test evaluation function is similar to the learning evaluation function, and is used to compare the learning results with the untrained data.

도 33은 초기화면의 도구바에서 학습데이터를 선택하면 나타나는 학습데이터의 편집 화면으로서, 신경망 파일 정보를 기반으로 online으로 수집된 데이터나 기존의 학습데이터를 열어서 사용자가 수동으로 데이터를 편집하는 기능이다.FIG. 33 is an edit screen of learning data displayed when selecting learning data from a toolbar of an initial screen, and is a function of manually editing data by opening data collected online or existing learning data based on neural network file information. .

하나의 예측 대상에 하나의 학습파일(신경망학습에서 설정한 학습데이터파일)이 지정되며 대상번호 항목을 바꾸면 학습파일도 해당 파일로 이동하게 된다. 해당 파일명이 화면 상단에 나타나며, 이는 또한 뒤에 설명할 운영일정설정의 학습데이터 파일과 동일하게 지정되어야 online으로 수집이 가능하다.One learning file (learning data file set in neural network learning) is assigned to one prediction object. If the target number item is changed, the learning file is also moved to the corresponding file. The file name is displayed at the top of the screen, and it can also be collected online only if it is identical to the learning data file of the operation schedule set up later.

화면에는 입력과 출력수가 표시되며, 입력의 해당하는 데이터와 출력에 해당되는 데이터의 색깔을 구분하여 사용자가 인지하기 쉽도록 구성되었다. 이 데이터는 csv 확장자 형식으로 저장하여 MS excel 프로그램과 호환된다. MS excel 프로그램 사용에 익숙한 사용자는 이를 사용해서 편집을 수행할 수 있다.The screen displays the number of inputs and outputs and distinguishes the color of the data corresponding to the input data and the output so that the user can easily recognize them. This data is saved in csv extension format and is compatible with MS excel program. If you are familiar with MS Excel program, you can use it to edit.

초기화면의 도구바에서 운영화면을 선택하면 각 대상 정보와 설정된 운영정보 등을 도 34와 같은 운영초기화면을 보여주게 된다.If the operation screen is selected in the toolbar of the initial screen, each target information and the set operation information are displayed as shown in FIG. 34.

온라인 운영은 일별패턴수집/패턴해석실행, 수요예측실행, 펌프절체테이블생성, 학습데이터수집 기능을 수행할 수 있으며 이러한 기능은 설정한 시간(주기)에 의해 수행된다. 각 기능의 수행여부와 시간(주기)은 운영화면 하단의 운영일정설정버튼을 선택하여 설정할 수 있으며 운영일정은 레지스트리에 기록되어 한번만 설정해주면 되며, 운전일정을 설정하고 나면 운영시작 버튼을 눌러 온라인 운영을 시작하면 된다. 이중 본 연구와 관련된 일별수요예측에 해당하는 기능은 수요예측실행, 학습데이터수집으로서 각각 도 35, 도 36과 같다.On-line operation can perform daily pattern collection / pattern analysis execution, demand forecast execution, pump transfer table generation, and training data collection function. These functions are performed by the set time (cycle). The operation and time (period) of each function can be set by selecting the operation schedule setting button at the bottom of the operation screen.The operation schedule is recorded in the registry and set only once.After setting the operation schedule, press the operation start button to operate online. Just start The functions corresponding to the daily demand forecast related to the present study are demand forecast execution and learning data collection as shown in FIGS. 35 and 36, respectively.

운영이 시작된 화면은 도 38에서처럼 운영 상태 정보를 보여주게 된다.The operation start screen shows operation status information as shown in FIG.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such modifications are intended to fall within the scope of the appended claims.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 신경망을 이용한 물수요 예측 방법에 의하면, 수운영 시스템의 안정된 운영을 위해 지능형 모델링과 비선형 모델 예측제어 기법을 활용하여 최적의 예측 수요량을 결정하는 효과가 있다.As described above, according to the water demand prediction method using the neural network according to the present invention, there is an effect of determining the optimal prediction demand amount using intelligent modeling and nonlinear model predictive control technique for stable operation of the water operation system.

또한, 지능형 모델의 예측수요량과 실제 수요량과의 평균 오차를 10% 이하로 설정되도록 하며, 간접 정보인 수운영 대상분기의 과거운영데이터를 수요예측의 기준 및 안정화의 목표로 선정하여 최적 수요예측의 온라인 설정에 의한 운영을 수행하도록 하여 수요예측의 자동화에 의한 인력절감 및 수운영의 효율화를 수행할 수 있다.In addition, the average error between the forecasted demand and the actual demand of the intelligent model should be set to 10% or less, and the past operational data of the target quarters, which are indirect information, are selected as the criteria for demand forecasting and stabilization targets. By performing the operation by online setting, it is possible to reduce the manpower and the efficiency of manual operation by automation of demand forecasting.

또한, 본 발명에서는 일별수요예측 공정의 신경회로망 모델링과 비선형 모델 예측제어 기법에 의해 최적의 예측수요량을 결정함과 아울러, 수요예측공정의 고효율성과 안정성이 필수적인 수운영 시스템의 비선형 공정 최적화, Auto Tuning 등 수운영 S/W의 최적 구조와 파라미터 탐색을 구현하고, 시스템의 신뢰성 향상과 유지보수, 표준화, 기술력 확보에 도움을 줄뿐만 아니라, 고도제어기술에 의해 수운영 시스템의 전체 효율과 기능의 향상이 달성될 수 있는 효과가 있다.In addition, in the present invention, the optimal prediction demand is determined by neural network modeling and nonlinear model predictive control technique of daily demand forecasting process, and nonlinear process optimization and auto tuning of a manual operation system where high efficiency and stability of the demand forecasting process are essential. It implements the optimal structure and parameter search of the manual operation software and helps to improve the reliability and maintenance of the system, standardization, and secure technology, and also improve the overall efficiency and function of the manual operation system by the advanced control technology. There is an effect that can be achieved.

도 1은 일반적인 수운영 시스템의 개요를 보인 도면.1 is a view showing an overview of a general water operating system.

도 2는 일 수요예측의 주요 기능에 대한 운영 흐름도.2 is an operational flow diagram for the main functions of one demand forecast.

도 3은 시스템의 상태를 순차적으로 추정한 칼만 필터 모델의 개념도.3 is a conceptual diagram of a Kalman filter model sequentially estimating the state of a system;

도 4는 칼만 필터의 이산형 동적 선형시스템을 나타낸 도면. 4 shows a discrete dynamic linear system of a Kalman filter.

도 5는 단일 뉴런의 신경 회로망 구조를 나타낸 도면. 5 shows the neural network structure of a single neuron.

도 6은 다층구조를 갖는 신경회로망 모델을 나타낸 도면.6 is a diagram showing a neural network model having a multilayer structure.

도 7은 2진수 코드를 갖는 문자열을 나타낸 도면.7 shows a string with a binary code;

도 8은 이전 세대의 개체를 재생, 선택을 통한 교배와 돌연변이에 의해 새로운 집단을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면.8 is a view for explaining the process of generating a new population by breeding and mutation through reproduction, selection of the previous generation of individuals.

도 9는 신경회로망 모델기반 예측제어의 구조도.9 is a structural diagram of neural network model-based predictive control.

도 10은 일별 물 수요예측 설정 방법 흐름도.10 is a flowchart illustrating a method of setting daily water demand forecasting.

도 11은 수요예측시 사용할 입력변수의 설문결과를 나타낸 그래프.11 is a graph showing a questionnaire result of an input variable to be used in demand forecasting.

도 12는 물수요예측의 신경회로망 모델을 나타낸 도면.12 is a diagram showing a neural network model of water demand prediction.

도 13은 신경회로망의 구조와 학습 파라미터를 탐색하기 위한 문자열.13 is a string for searching the structure and learning parameters of the neural network.

도 14는 일별 물 예측수요량 자동연산을 위한 하드웨어 구조도.14 is a hardware structure diagram for automatic calculation of daily water demand demand.

도 15는 일별 물 예측수요량 자동연산을 위한 소프트웨어 운영 흐름도.15 is a software operation flowchart for automatic calculation of daily water demand demand.

도 16은 봄, 가을의 시험대상 예측결과를 나타낸 그래프.16 is a graph showing the test target prediction results of spring and autumn.

도 17은 여름의 시험대상 예측결과를 나타낸 그래프.17 is a graph showing the prediction result of the test subject in summer.

도 18은 겨울의 시험대상 예측결과를 나타낸 그래프.18 is a graph showing a test target prediction result in winter.

도 19는 봄, 가을의 시험대상 예측 오차를 나타낸 그래프.19 is a graph showing a test subject prediction error in spring and autumn.

도 20은 여름의 시험대상 예측 오차를 나타낸 그래프.20 is a graph showing a test subject prediction error in summer.

도 21은 겨울의 시험대상 예측 오차를 나타낸 그래프.21 is a graph showing a test subject prediction error in winter.

도 22는 수량관리 소프트웨어 초기화면.Fig. 22 is a water management software initial screen;

도 23 내지 도 32는 학습파라미터 및 학습목표의 설정을 나타낸 화면.23 to 32 are screens showing the setting of learning parameters and learning goals.

도 33 내지 도 36은 학습데이터 편집 및 온라인 수요예측을 나타낸 화면.33 to 36 are screens showing learning data editing and online demand forecasting.

도 37은 학습결과의 평가를 나타낸 화면.37 is a screen illustrating evaluation of learning results.

도 38은 수요예측 온라인 운영을 나타낸 화면.38 is a screen showing demand forecast online operation.

Claims (5)

통상의 물수요 예측 방법에 있어서,In the usual water demand prediction method, 수운영 시스템에서 수요변동, 기상여건, 계절별 요인 등에 의하여 통상적인 변동사항을 반영하여 취수장, 정수장 및 가압장을 합리적으로 연계 운영함으로서 안정된 공급량을 확보하기 위해 신경회로망과 진화 알고리즘 등을 활용한 물수요예측의 지능형 모델을 구축하는 단계;Water demand forecasting system using neural networks and evolutionary algorithms to secure stable supply by reasonably linking intake, water purification and pressurization stations reflecting the usual changes due to demand fluctuations, weather conditions, seasonal factors, etc. Building an intelligent model of the; 상기 지능형 모델을 토대로 신경회로망 모델기반 예측제어 기법을 활용하여 예측대상의 물수요를 산출하는 수요예측 소프트웨어를 상위 컴퓨터에 구성하는 단계;Configuring demand prediction software on a higher level computer that calculates the demand for the predicted target by using a neural network model-based predictive control technique based on the intelligent model; 수운영 시스템의 호스트 컴퓨터, 기상정보를 가지고 있는 데이터베이스 등과 LAN 네트워크를 통해 연결하는 단계;Connecting to a host computer of a manual operating system, a database having weather information, and the like through a LAN network; 수요예측 소프트웨어는 시스템으로부터 수집된 운영 데이터, 기상 DB의 데이터를 토대로 역전파 학습 알고리즘을 이용하여 수요예측 신경회로망 모델을 구축하는 단계;The demand forecasting software may include constructing a demand forecast neural network model using a backpropagation learning algorithm based on operational data collected from a system and data of a weather DB; 상기 지능형 모델로부터 신경회로망 모델기반 예측제어 알고리즘을 이용하여 현재의 수요 및 기상 상태에서의 예측 수요량을 결정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법.The neural network model-based predictive control algorithm from the intelligent model using the neural network, characterized in that the step of determining the current demand and forecast demand in weather conditions. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 수운영 시스템의 안정된 운영을 위해 지능형 모델링과 비선형 모델 예측제어 기법을 활용하여 최적의 예측 수요량을 결정하되, 호스트 컴퓨터 외에 신경회로망과 진화 알고리즘 등의 지능형 모델링 기법을 활용한 최적의 수요예측모델의 구축과 지능형 공정모델을 토대로 비선형 모델 예측제어 기법을 활용하여 최적의 예측수요를 결정하는 공정 시뮬레이터를 상위 컴퓨터에 구성하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법.For stable operation of the manual operation system, the optimal forecasting demand is determined by using intelligent modeling and nonlinear model predictive control technique, but the optimal demand forecasting model is built using intelligent modeling techniques such as neural network and evolutionary algorithm in addition to the host computer. And a process demand prediction method using a neural network comprising a process simulator configured to determine an optimal demand for demand using a nonlinear model predictive control method based on the intelligent process model. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 신경회로망 모델은 BP(Back-propagation) 신경회로망 모델을 적용하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법.The neural network model is a water demand prediction method using a neural network, characterized in that for applying a back-propagation (BP) neural network model. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 신경회로망의 기본 구조는 입력층, 중간층, 출력층으로 구성되고, 각 층은 신경 조직의 뉴런에 해당하는 노드로 구성되어 있으며 각 층 사이는 연결하중(weight)으로 서로 연결되고, 상기 노드는 그 자체로 활성화 함수(Actuation function) 또는 판단함수(logistic function)를 갖고 있는 시그모이드 형태의 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법.The basic structure of the neural network is composed of an input layer, an intermediate layer, and an output layer. Each layer is composed of nodes corresponding to neurons of a neural tissue, and each layer is connected to each other by a link weight. A method for predicting water demand using a neural network, which uses a sigmoid-type function having an activation function or a logistic function. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 비용함수를 출력 오차의 norm으로 구성하되, 오차의 변화율의 norm을 부가시킴으로써 오차 변화율을 최소화시키는 방향으로의 학습 성능을 부가하여 전체적인 알고리즘의 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용한 물수요 예측 방법.The cost function is composed of the norm of the output error, but by adding the norm of the error rate of change, the water demand prediction method using the neural network improves the performance of the overall algorithm by adding the learning performance in the direction of minimizing the error rate of change. .
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