KR101463425B1 - Abnormality observation data detection method using time series prediction model and abnormality observation data of ground water level - Google Patents

Abnormality observation data detection method using time series prediction model and abnormality observation data of ground water level Download PDF

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Abstract

본 발명은 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과거의 관측자료들을 이용하여 예측된 결과에 기초하여 이상관측자료를 판별할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 지지벡터기계(Support Vector Machine, SVM)알고리즘을 이용하여, 과거에 측정된 관측자료에 의한 예측결과와 과거의 예측자료에 의한 예측결과를 비교함으로써, 실시간으로 이상관측자료를 판별할 수 있다.
구체적으로, 지하수위의 자연적인 변화에 영향을 주는 강우 등의 기상 자료와 지하수위 관측 자료를 이용하여, 지하수위 예측 시계열 모델을 만들고 이를 이용함으로써, 지하수위에 대한 이상관측자료의 탐지능력을 크게 향상시킬 수 있다.
따라서, 수자원 관리 분야, 특히 지하수 관리 분야는 물론, 다양한 기후 변화와 연관된 자연자원의 관리 분야 및 이와 연관 내지 유사한 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
The present invention relates to a method of detecting anomaly data and a method of detecting anomaly data using a time series prediction model and more particularly to a method of detecting anomaly data based on past results using predicted data .
In particular, the present invention uses a support vector machine (SVM) algorithm to compare predicted results from previously measured data with predicted data from past predicted data to identify abnormal observation data in real time can do.
Specifically, by using weather data such as rainfall and groundwater observation data that affect natural changes in groundwater, and by using a time series model of groundwater level forecasting, it is possible to greatly improve the detection ability of anomaly data on groundwater .
Thus, it is possible to improve reliability and competitiveness in the field of water resources management, particularly in the field of groundwater management, as well as in the field of management of natural resources associated with various climate change and related or similar fields.

Description

시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법{Abnormality observation data detection method using time series prediction model and abnormality observation data of ground water level}[0001] The present invention relates to a method for detecting anomalous observation data using a time series prediction model and a method for detecting anomalous observation data,

본 발명은 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과거의 관측자료들을 이용하여 예측된 결과에 기초하여 이상관측자료를 판별할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a method of detecting anomaly data and a method of detecting anomaly data using a time series prediction model, and more particularly, to a method of detecting anomaly data based on past data .

특히, 본 발명은 지지벡터기계(Support Vector Machine, SVM)알고리즘을 이용하여, 과거에 측정된 관측자료에 의한 예측결과와 과거의 예측자료에 의한 예측결과를 비교함으로써, 이상관측자료를 판별할 수 있는 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법에 관한 것이다.
Particularly, the present invention can discriminate anomalous observation data by comparing a prediction result by past observation data and a past prediction data by using a support vector machine (SVM) algorithm The present invention relates to a method of detecting anomaly data using a time series prediction model and a method of detecting anomaly data of groundwater.

기후변화는 오늘날 가장 심각한 환경문제의 하나로, 그 규모가 전 지구적으로 광범위하게 일어나고 있으며, 우리나라에도 여러 분야에서 그 징후가 나타나고 있을 뿐만 아니라, 이에 따른 영향이 사회전반에 걸쳐 나타나고 있다.Climate change is one of the most serious environmental problems in the world today, and its scale is widespread globally, and there are signs in Korea as well as its impacts are spreading throughout society.

또한, 기후변화는 홍수, 가뭄, 태풍 등의 기상변화 및 생태계의 변화와 연관되어 있으며, 이러한 기후변화에 대응하기 위해서는, 기후변화의 영향에 따른 평가가 분야별로 요구되며, 이를 위해서는 자료의 신뢰성 확보가 가장 중요하다고 할 수 있다.In addition, climate change is associated with changes in weather and ecosystems such as floods, droughts, typhoons, etc. In order to respond to these climate changes, evaluation based on the impact of climate change is required for each sector. Is the most important.

특히, 우리의 생활과 가장 밀접한 수자원은, 기후변화뿐만 아니라 산업구조의 급격한 변화와 인구증가에 따른 용수수요의 증가 및 생태환경에 대한 인식변화 등으로 인하여, 지표수 이용에 많은 한계를 보이고 있으며, 이에 따른 대체 수자원으로서 지하수의 역할이 증대되고 있다.In particular, the water resources most closely related to our lives are not only limited by climate change but also due to rapid changes in the industrial structure, increased demand for water due to population growth, and changes in awareness of ecological environment. The role of groundwater as an alternative water resource is increasing.

그러나, 지하수의 개발과 이용에 대한 체계적인 관리가 이루어지지 않을 경우, 지하수를 포함하는 수자원에 대한 정확한 파악이 어렵고, 무분별한 지하수의 개발 등으로 인하여, 지하수의 고갈 등과 같은 관리적인 문제를 유발하고 있다.However, if systematic management of groundwater development and utilization is not carried out, it is difficult to grasp water resources including groundwater, and it causes management problems such as depletion of groundwater due to indiscreet groundwater development.

한편, 유무선 통신망을 이용한 원격관리시스템 및 자동관측(계측)기술이 발전하면서, 국가지하수관측망, 보조지하수관측망, 해수침투관측망 등 지하수 실시간 관측 시스템들이 구축되고 있다.On the other hand, as the remote management system and automatic observation (measurement) technology using wired / wireless communication network are developed, groundwater real time observation systems such as national groundwater observation network, auxiliary groundwater observation network, and seawater penetration observation network are being constructed.

그러나, 전자소자와 프로그램을 이용한 장치 및 시스템에서는, 하드웨어의 이상이나 소프트웨어의 연산오류 등이 발생할 수 있으며, 이로 인해 관측(계측)자료에 오류가 발생할 수 있다.However, in an apparatus and a system using an electronic device and a program, an error of hardware or an operation error of the software may occur, which may cause an error in observation (measurement) data.

따라서, 관측자료의 신뢰성 확보 및 이를 통한 효율적인 관측망 운영과 지하수자원의 지속가능한 활용을 위해서는, 관측자료에 대한 실시간 이상관측자료 탐지방법이나 오류확인방법 등이 요구되고 있다.Therefore, in order to secure the reliability of observation data and to make efficient use of observation network and sustainable utilization of groundwater resources, it is required to detect real-time abnormal observation data or error detection method on observation data.

이러한 방법 중 하나로는, 실제 관측된 자료와 과거 관측자료 통계값의 비교를 통해서 이상자료를 탐지할 수 있겠으나, 이러한 방법은 해당 지역 지하수위의 자연적인 변화 양상을 고려하기 힘들다는 점에서 제한적이라 할 수 있다.One of these methods would be to detect abnormal data by comparing the actual observed data with the historical data, but this method is limited in that it is difficult to consider the natural changes in the groundwater level in the region can do.

하기의 종래 특허문헌에서도, 해당 지역 지하수위의 자연적인 변화 양상을 고려하여 이상자료를 실시간으로 탐지함으로써, 충분한 신뢰성을 보장할 수 있는 관측자료를 제공하는 방법에 대해서는 나타나 있지 않다.
The following conventional patent documents do not disclose a method of providing observation data capable of ensuring sufficient reliability by detecting abnormal data in real time in consideration of the natural change pattern of the groundwater level in the relevant region.

대한민국 등록특허공보 제10-1013182호 "지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법, 수위측정센서 및 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체"Korean Patent Registration No. 10-1013182 discloses a computer-readable recording medium on which a program for executing calculation of a groundwater discharge amount using groundwater level change, a water level measurement sensor,

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 지하수위의 자연적인 변화에 영향을 주는 강우 등의 기상 자료와 지하수위 관측 자료를 이용하여 지하수위 예측 시계열 모델을 만들고 이를 활용하여 이상 관측 자료를 탐지할 수 있는 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법을 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention makes use of a weather-time forecasting time series model using weather data such as rainfall and groundwater observation data that affect the natural change of the groundwater level, This paper presents a method for detecting anomaly data using a time series prediction model and a method for detecting anomaly data.

다시 말해, 예측대상에 대하여 과거의 관측자료들을 이용하여 예측된 결과에 의해 이상관측자료를 판별할 수 있도록 한 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법을 제공하는데 목적이 있다.In other words, it provides a method of detecting anomalous observation data and a method of detecting anomalous groundwater observation data using a time series prediction model in which anomalous observation data can be discriminated based on predicted results using past observation data for predicted objects There is a purpose.

특히, 본 발명은 지지벡터기계(Support Vector Machine, SVM)알고리즘을 이용하여, 과거에 측정된 관측자료에 의한 예측결과와 과거의 예측자료에 의한 예측결과를 비교함으로써, 이상관측자료를 판별에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법을 제공하는데 목적이 있다.
In particular, the present invention uses a support vector machine (SVM) algorithm to compare predicted results from past measured data with past predicted data to determine anomaly data And to provide a method for detecting anomaly data using a time series prediction model capable of improving reliability and a method for detecting anomaly data of groundwater.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법은, 예측대상의 과거 관측데이터들 중 시계열 예측모델 설정을 위한 데이터를 추출하는 관측자료군 선정단계; 상기 관측자료군에 기초하여 SVM(Support Vector Machine)기반의 모델함수를 생성하는 모델함수 생성단계; 상기 모델함수를 이용하여 현재 관측데이터에 따른 상기 예측대상의 변화를 예측하는 예측데이터 산출단계; 및 상기 예측데이터에 기초하여 이상관측데이터를 확인하는 이상자료 판별단계를 포함한다.In order to achieve the above object, an abnormal observation data detection method using a time series prediction model according to the present invention includes: an observation data group selection step of extracting data for setting a time series prediction model among past observation data to be predicted; A model function generation step of generating a SVM (Support Vector Machine) based model function based on the observation data group; A predicted data calculation step of predicting a change of the predicted object according to current observation data using the model function; And an abnormal data discrimination step of discriminating the abnormal observation data based on the predicted data.

또한, 상기 모델함수 생성단계는, SVM기반의 시계열 예측을 위한 모델의 구조를 설정하는 구조설정단계; 및 상기 SVM기반의 예측함수를 설정하고 최적화하는 최적화예측함수 생성단계를 포함하고, 상기 최적화예측함수에 의해 상기 모델함수를 생성할 수 있다.The model function generating step may include: a structure setting step of setting a structure of a model for SVM-based time series prediction; And an optimization prediction function generation step of setting and optimizing the SVM based prediction function, and the model function can be generated by the optimization prediction function.

또한, 상기 구조설정단계는, 상기 현재 관측데이터에 따른 입력벡터(Input vector); 상기 관측자료군에서 추출되는 지지벡터(SV, Support vector); 상기 입력벡터 및 지지벡터를 고차원 변환하는 차원변환함수; 및 상기 커널함수를 이용하여 예측데이터를 산출하는 출력함수(Output)를 포함하여, 상기 모델의 구조를 설정할 수 있다.In addition, the structure setting step may include: an input vector according to the current observation data; A support vector (SV) extracted from the observation data group; A dimension transform function for transforming the input vector and the support vector into a high dimensional vector; And an output function (Output) for calculating predictive data using the kernel function, thereby setting the structure of the model.

또한, 상기 최적화예측함수 생성단계는, 상기 SVM기반의 예측함수를 설정하는 단계; 상기 예측함수를 계산하기 위한 목적함수를 설정하는 단계; 및 상기 목적함수에 최적화 조건을 설정하여 상기 최적화예측함수로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.The optimization prediction function generation step may include: setting the SVM-based prediction function; Setting an objective function for calculating the prediction function; And a step of setting an optimization condition to the objective function and converting it into the optimization prediction function.

또한, 상기 예측데이터 산출단계는, 상기 모델함수에 과거의 관측데이터 및 현재의 관측데이터를 적용하여 예측된 실측기반 예측데이터; 및 상기 모델함수에 과거의 예측데이터 및 현재의 관측데이터를 적용하여 예측된 예측기반 예측데이터 중 적어도 하나를 산출할 수 있다.The prediction data calculation step may include: actual basis prediction data predicted by applying past observation data and current observation data to the model function; And at least one of prediction-based prediction data predicted by applying past prediction data and current observation data to the model function.

또한, 상기 이상자료 판별단계는, 상기 실측기반예측데이터 및 예측기반예측데이터를 비교하고, 두 예측데이터의 차이값에 기초하여 이상관측데이터를 판별할 수 있다.Also, the abnormal data discrimination step may compare the actual-based prediction data and the prediction-based prediction data, and discriminate the abnormal observation data based on the difference value between the two prediction data.

또한, 본 발명에 따른 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법은, 예측대상인 지하수위 및 상기 지하수위에 영향을 미치는 강우량을 포함하는 영향인자의 과거 관측데이터들 중 이상관측이 발생하지 않은 자료군을 추출하는 관측자료군 선정단계; 상기 관측자료군에 기초하여 SVM(Support Vector Machine)기반으로, 과거의 관측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 실측기반모델함수 및 과거의 예측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 예측기반모델함수를 생성하는 모델함수 생성단계; 상기 실측기반모델함수 및 예측기반모델함수 각각에 대하여, 현재 관측데이터에 따른 상기 지하수위의 변화를 예측하는 예측데이터 산출단계; 및 상기 실측기반모델함수의 예측데이터 및 상기 예측기반모델함수의 예측데이터를 비교하고, 두 예측데이터의 차이값이 이상판단기준값보다 큰 경우, 해당 데이터를 이상관측데이터로 결정하는 이상자료 판별단계를 포함한다.In addition, the method for detecting anomalous data on groundwater according to the present invention includes extracting a data group in which no anomalous observations have occurred in the past observation data of influential factors including the groundwater level to be predicted and the rainfall affecting the groundwater Selection of observational data group; Based on the observation data set, a production based model function for performing prediction using past observation data based on SVM (Support Vector Machine) and a prediction based model function for performing prediction using past prediction data are generated Model function creation step; A predicted data calculation step for predicting the change of the groundwater level according to the current observation data for each of the actual-based model function and the prediction-based model function; And an abnormal data discriminating step of comparing the predictive data of the actual modeling function and the predictive data of the prediction based model function and determining the corresponding data as abnormal observation data when the difference value between the two predictive data is larger than the abnormal judgment reference value .

또한, 상기 모델함수 생성단계는, SVM기반의 시계열 예측을 위한 모델의 구조를 설정하는 구조설정단계; 및 SMO(Sequential Minimal Optimization)알고리즘으로 예측함수를 설정하고 최적화하는 최적화예측함수 생성단계를 포함하고, 상기 최적화예측함수에 의해 상기 모델함수를 생성할 수 있다.The model function generating step may include: a structure setting step of setting a structure of a model for SVM-based time series prediction; And an optimization prediction function generation step of setting and optimizing a prediction function using an SMO (Sequential Minimal Optimization) algorithm, and the model function can be generated by the optimization prediction function.

또한, 상기 구조설정단계는, 상기 현재 관측데이터에 따른 입력벡터(Input vector); 상기 관측자료군에서 추출되는 지지벡터(SV, Support vector); 상기 입력벡터 및 지지벡터를 커널트릭(Kernel trick)으로 고차원 변환하는 커널함수(Kernel function); 및 상기 커널함수를 이용하여 예측데이터를 산출하는 출력함수(Output)를 포함하여, 상기 모델의 구조를 설정할 수 있다.In addition, the structure setting step may include: an input vector according to the current observation data; A support vector (SV) extracted from the observation data group; A kernel function for high-level transforming the input vector and the support vector into a kernel trick; And an output function (Output) for calculating predictive data using the kernel function, thereby setting the structure of the model.

또한, 상기 커널함수는, 가우시안(Gaussian) 형태의 "radial basis kernel" 함수를 포함할 수 있다.The kernel function may also include a " radial basis kernel "function of the Gaussian type.

또한, 상기 최적화예측함수 생성단계는, 상기 SVM기반의 예측함수를 상기 SMO알고리즘으로 설정하는 단계; 상기 예측함수를 계산하기 위한 목적함수를 설정하는 단계; 및 상기 목적함수에 최적화 조건을 설정하여 상기 최적화예측함수로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.The optimization prediction function generation step may include: setting the SVM-based prediction function to the SMO algorithm; Setting an objective function for calculating the prediction function; And a step of setting an optimization condition to the objective function and converting it into the optimization prediction function.

또한, 상기 최적화예측함수 생성단계는, 상기 목적함수를 계산하기 위하여 라그랑제 승수(Lagrangian multiplier)를 이용한 안장점(Saddle point) 문제를 적용할 수 있다.
In addition, the optimization prediction function generating step may employ a saddle point problem using a Lagrangian multiplier to calculate the objective function.

상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 예측대상에 대하여 과거의 관측자료들을 이용하여 예측된 결과에 의해 이상관측자료를 실시간으로 정확하게 판별할 수 있는 장점이 있다.According to the above solution, the present invention is advantageous in that it is possible to accurately determine anomaly observation data in real time based on predicted results using past observation data with respect to a predicted object.

특히, 예측대상과 더불어 예측대상에 영향을 미치는 영향인자에 대한 예측을 병행하여 처리함으로써, 실시간 이상관측자료의 판별에 대한 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In particular, the reliability of the discrimination of the real-time abnormal observation data can be greatly improved by processing the prediction factors and the influential factors influencing the prediction objects in parallel.

구체적으로, 지하수위의 자연적인 변화에 영향을 주는 강우 등의 기상 자료와 지하수위 관측 자료를 이용하여, 지하수위 예측 시계열 모델을 만들고 이를 이용함으로써, 지하수위에 대한 이상관측자료의 탐지능력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Specifically, by using weather data such as rainfall and groundwater observation data that affect natural changes in groundwater, and by using a time series model of groundwater level forecasting, it is possible to greatly improve the detection ability of anomaly data on groundwater There is an effect that can be made.

따라서, 수자원 관리 분야, 특히 지하수 관리 분야는 물론, 다양한 기후 변화와 연관된 자연자원의 관리 분야 및 이와 연관 내지 유사한 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
Thus, it is possible to improve reliability and competitiveness in the field of water resources management, particularly in the field of groundwater management, as well as in the field of management of natural resources associated with various climate change and related or similar fields.

도 1은 본 발명에 의한 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 의한 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 의한 이상관측자료 탐지 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 예측모델의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 2의 과정을 적용하기 위한 강우량 및 지하수위의 관측데이터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 2에 나타난 실측기반모델함수에 의해 예측된 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 2에 나타난 예측기반모델함수에 의해 예측된 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 2에 나타난 실측기반모델함수 및 예측기반모델함수의 차이를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart for explaining an abnormal observation data detection method using a time series prediction model according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for detecting anomalous observation data on groundwater according to the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining the concept of the method of detecting anomaly data according to the present invention.
4 is a conceptual diagram for explaining the structure of a prediction model according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the amount of rainfall and the groundwater level data for applying the process of FIG.
FIG. 6 is a graph showing the results predicted by the production-based model function shown in FIG.
7 is a graph showing the results predicted by the prediction-based model function shown in FIG.
FIG. 8 is a graph showing the difference between the actual-based model function and the predictive-based model function shown in FIG.

본 발명에 따른 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.The method of detecting anomaly data using a time series prediction model according to the present invention and the method of detecting anomaly data of an underground water can be applied in various ways. In the following, a preferred embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. .

도 1은 본 발명에 의한 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart for explaining an abnormal observation data detection method using a time series prediction model according to the present invention.

도 1을 참조하면, 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법은, 예측대상의 과거 관측데이터들 중 시계열 예측모델 설정을 위한 데이터를 추출하는 관측자료군 선정한다(단계 S100). 여기서, 추출되는 관측자료군은, 과거 관측데이터들 중 이상 관측값이 발생하지 않았다고 판단되는 자료군으로 선정함이 바람직하다.Referring to FIG. 1, an abnormal observation data detection method using a time series prediction model selects an observation data group for extracting data for setting a time series prediction model among past observation data to be predicted (step S100). Here, it is preferable that the extracted observation data group is selected as a data group in which the observation value of the past is not considered to have occurred.

관측자료군이 선정되면, 해당 관측자료군에 기초하여 SVM(Support Vector Machine)기반의 모델함수를 생성한다(단계 S200).When the observation data set is selected, a SVM (Support Vector Machine) based model function is generated based on the observation data set (Step S200).

모델함수의 생성 과정을 살펴보면, SVM기반의 시계열 예측을 위한 모델의 기본적인 구조를 설정한 후, SVM기반의 예측함수를 설정하고 최적화하여 최적화예측함수를 생성할 수 있으며, 생성된 최적화예측함수에 의해 상기 모델함수를 생성할 수 있다.In the process of generating the model function, it is possible to generate the optimization prediction function by setting and optimizing the SVM-based prediction function after setting the basic structure of the model for the SVM-based time series prediction. The model function can be generated.

또한, 시계열 예측을 위한 모델의 기본적인 구조는, 현재 관측데이터에 따른 입력벡터(Input vector) 및 관측자료군에서 추출되는 지지벡터(SV, Support vector)와, 입력벡터 및 지지벡터를 고차원 변환하는 차원변환함수, 그리고 차원변환함수를 이용하여 예측데이터를 산출하는 출력함수(Output)를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the basic structure of the model for time series prediction is composed of an input vector according to the current observation data, a support vector (SV) extracted from the observation data group, a dimension for high- A transform function, and an output function (Output) for calculating the predicted data using the dimension transform function.

또한, 최적화예측함수는, SVM기반의 예측함수를 설정하고, 예측함수를 계산하기 위한 목적함수를 설정한 후, 목적함수에 최적화 조건을 설정하여 변환하는 과정을 통해 생성될 수 있다.Also, the optimization prediction function can be generated by setting an SVM-based prediction function, setting an objective function for calculating a prediction function, and then setting an optimization condition to an objective function and performing conversion.

모델함수가 생성되면, 생성된 모델함수를 이용하여 현재 관측데이터에 따른 예측대상의 변화를 예측하고 예측데이터를 산출한다(단계 S300). 예를 들어, 예측데이터는 과거의 관측데이터 및 현재의 관측데이터를 적용하여 예측된 실측기반 예측데이터 및 과거의 예측데이터 및 현재의 관측데이터를 적용하여 예측된 예측기반 예측데이터를 포함할 수 있다.When the model function is generated, the generated model function is used to predict the change of the prediction object according to the current observation data and to calculate the prediction data (step S300). For example, the prediction data may include actual-based prediction data predicted by applying past observation data and current observation data, past prediction data, and prediction-based prediction data predicted by applying current observation data.

실측기반 예측데이터 및 예측기반 예측데이터를 포함하는 예측데이터가 산출되면, 산출된 예측데이터에 기초하여 이상관측데이터를 확인(판별)한다(단계 S400). 예를 들어, 이상관측데이터의 판별은 실측기반 예측데이터 및 예측기반 예측데이터를 비교하고, 두 예측데이터의 차이가 큰 경우를 이상관측데이터로 판단할 수 있다.When the predictive data including the actual-based predictive data and the predictive-based predictive data are calculated, the anomalous observation data is identified (discriminated) based on the calculated predictive data (step S400). For example, the determination of the abnormal observation data can be made by comparing the actual-based prediction data and the prediction-based prediction data, and determining the case where the difference between the two prediction data is large, as the abnormal observation data.

이상에서 설명된 도 1의 이상관측자료 탐지 방법은 다양한 자연자원에 대하여 적용이 가능하며, 이하에서는 수자원, 특히 지하수에 적용한 경우에 대하여 살펴보기로 한다.1 described above can be applied to various natural resources. Hereinafter, the case of applying the present invention to water resources, particularly, groundwater will be described.

도 2는 본 발명에 의한 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하에서, 도 3 내지 도 8을 참조하여 도 2의 구체적인 일 실시예를 살펴보기로 한다.FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for detecting anomalous observation data on groundwater according to the present invention. Hereinafter, a specific embodiment of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 3 to 8. FIG.

도 2 및 도 3를 참조하면, 예측대상인 지하수위 및 지하수위에 영향을 미치는 강우량을 포함하는 영향인자의 과거 관측데이터(t-1 시점 이전의 데이터)들 중 이상관측이 발생하지 않은 자료군(t-k 내지 t-k-τ)을 추출하여 관측자료군으로 선정한다(단계 S110). 예를 들어, 도 5에 나타난 바와 같이 2000년부터 2001년의 관측데이터를 자료군으로 추출할 수 있다.2 and 3, among the past observation data (data prior to the time point t-1) of the influencing factors including the amount of rainfall affecting the groundwater level and the groundwater to be predicted, a data group tk Tk-tau) are extracted and selected as observation data groups (step S110). For example, as shown in FIG. 5, the observation data of 2000 to 2001 can be extracted as a data group.

그리고, 선정된 관측자료군에 기초하여 SVM(Support Vector Machine)기반으로, 과거의 관측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 실측기반모델함수(모델A) 및 과거의 예측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 예측기반모델함수(모델B)를 생성한다(단계 S120).Based on the selected observational data group, a prediction based on a support vector machine (SVM) is performed using a model based on a model based on past observation data (model A) and past prediction data To generate a prediction-based model function (model B) (step S120).

이때, 예측모델은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.At this time, the prediction model can be expressed by Equations (1) and (2).

(수학식 1)(1)

Figure 112012098513698-pat00001
Figure 112012098513698-pat00001

(수학식2)(2)

Figure 112012098513698-pat00002
Figure 112012098513698-pat00002

여기서, x는 강우 등의 기상요소(설명변수), y는 지하수위(종속변수), fA는 모델A 함수, fB는 모델B 함수, a는 설명변수의 지연시간, b는 종속변수의 지연시간이다.Where f is the model A function, fB is the model B function, a is the delay time of the explanatory variable, b is the delay time of the dependent variable, to be.

이후, 수학식 1의 실측기반모델함수 및 수학식 2의 예측기반모델함수 각각에 대하여, 도 5에 나타난 바와 같이 2002년부터 2004년의 자료에 적용하여, 현재 관측데이터(도 3에서 t+1 시점의 데이터)에 따른 지하수위의 변화를 예측한다(단계 S130).5, the present observation data (t + 1 in FIG. 3) is applied to the data of 2002 to 2004 for each of the production-based model function of Equation 1 and the prediction-based model function of Equation 2, (Step S130).

예측결과에 따라 도 6에 나타난 바와 같이 실측기반모델함수의 예측데이터 및 도 7에 나타난 예측기반모델함수의 예측데이터를 비교하고, 도 8에 나타난 두 예측데이터의 차이값이 이상판단기준값보다 큰 경우(도 8에서 점선부분), 해당 데이터를 이상관측데이터로 결정한다(단계 S140).Based on the prediction results, the prediction data of the actual-based model function and the prediction-based model function shown in FIG. 7 are compared as shown in FIG. 6. When the difference value between the two prediction data shown in FIG. 8 is larger than the error judgment reference value (Dotted line portion in Fig. 8), and determines the corresponding data as anomalous observation data (step S140).

이하에서 시계열 모델 개발(생성) 방법에 대해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method of generating (generating) a time series model will be described in more detail.

본 발명은 지지벡터기계(Support Vector Machine; SVM)알고리즘에 의해 시계열 모델을 생성할 수 있다.The present invention can generate a time series model by a support vector machine (SVM) algorithm.

먼저, SVM알고리즘을 살펴보면, SVM은 ANN(Artifitial Neural Network)등의 일반적인 학습 모델들이 지닌 경험적 위험 최소화 원리(Empirical Risk Minimization; ERM)가 아닌, 구조적인 위험 최소화 원리(Structural Risk Minimization; SRM)에 의한 것으로, 일반적인 학습방법보다 높은 일반화 성능을 보여줄 수 있다.First, the SVM algorithm is based on Structural Risk Minimization (SRM) rather than Empirical Risk Minimization (ERM) of general learning models such as ANN (Artificial Neural Network) And it can show higher generalization performance than general learning method.

자료의 분류의 측면에서 살펴보면, ANN을 포함한 기존의 방법들은 학습 자료에 의한 분류 오류율을 최소화하는 목적으로 설계되지만, SVM은 분류될 자료 군들 사이에 존재하는 여백(Margin)을 최대화시키는 방향으로 설계됨으로써, 모델의 일반화 능력을 극대화시킬 수 있다.In terms of classification of data, existing methods including ANN are designed to minimize classification error rate by learning data, but SVM is designed to maximize the margins existing among data groups to be classified , The model generalization ability can be maximized.

SVM의 전체 구조는 도 4에 나타난 바와 같다.The overall structure of the SVM is as shown in FIG.

도 4를 참조하면, SVM은 ANN과 비슷한 모습을 보이지만 그 원리는 상이하다. ANN의 구조가 입·출력 벡터가 가지는 성분들을 노드로 설정하고 해당 노드에 주어진 자료들이 들어오게 되어있는 구조인 반면, SVM은 훈련에 이용될 입·출력 벡터들 중 모델을 ‘지지’하기에 적합한 벡터들이 선정되어 모델을 구성하게 된다. 이와 같이 선정된 벡터들을 지지벡터(Support Vector; SV)라 한다.Referring to FIG. 4, SVM looks similar to ANN, but its principle is different. The structure of the ANN is a structure in which the input and output vector components are set as nodes and the data given to the nodes are input. On the other hand, the SVM is suitable for supporting the model among input / output vectors to be used for training The vectors are selected to construct the model. The vectors thus selected are called a support vector (SV).

선정된 SV로 구성된 SVM에 새로운 입력벡터(Input vector)가 들어오게 되면 지지벡터(SV)와의 계산을 통해 새로운 출력값을 예측하게 된다.When a new input vector is input to the SVM composed of the selected SV, a new output value is predicted through calculation with the support vector (SV).

이 과정에서 커널함수의 전이에 의해 SV와 입력 벡터는 보다 높은 차원으로 이동하게 되고, 이렇게 높여진 차원 내에서 비선형적인 부분이 보다 간편하게 계산될 수 있으며, 이러한 방법을 커널 트릭(Kernel trick)이라 한다.In this process, SV and input vector move to higher dimension by the transition of kernel function, and nonlinear part can be calculated more easily in this elevated dimension, and this method is called kernel trick .

본 발명에서는, 커널함수로 수학식 3과 같이 가우시안(Gaussian) 형태의 "radial basis kernel" 함수를 이용할 수 있다.In the present invention, a "radial basis kernel" function of Gaussian form can be used as a kernel function as shown in Equation (3).

(수학식 3)(3)

Figure 112012098513698-pat00003
Figure 112012098513698-pat00003

한편, SVM은 뛰어난 학습 및 일반화 능력을 지니고 있지만, SVM의 해는 2차규모의 Quadratic Programing을 풀이함으로써 얻어지기 때문에, 학습 데이터 수가 늘어남에 따라 학습에 필요한 시간이 기하급수적으로 늘어나는 단점을 가지고 있다.On the other hand, although SVM has excellent learning and generalization ability, since the SVM solution is obtained by solving the second-order quadratic programming, the time required for learning increases exponentially as the number of learning data increases.

본 발명에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 순차적 최소규모 최적화(Sequential Minimal Optimization; SMO) 알고리즘을 이용함으로써, 계산해야 될 2차규모의 파라미터를 2개로 최소화시켜 이의 해석해를 계속적으로 구해가는 방법으로 SVM의 계산속도 향상시킬 수 있다. 이를 통해 실시간처리가 가능해질 수 있다.In order to solve this problem, the present invention minimizes the second-order scale parameter to be calculated by using the sequential minimal optimization (SMO) algorithm, Can be improved. This makes real-time processing possible.

SVM에 의한 예측함수는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 예측함수를 구하기 위한 목적함수는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.The prediction function by SVM can be expressed by Equation (4), and the objective function for obtaining the prediction function can be expressed by Equation (5).

(수학식 4)(4)

Figure 112012098513698-pat00004
Figure 112012098513698-pat00004

(수학식 5)(5)

Figure 112012098513698-pat00005
Figure 112012098513698-pat00005

여기서, w는 연결강도 벡터, b는 편중 정도, φ는 비선형 전이함수이며, 비선형 전이함수 φ는 이하에서 커널함수 K로 표현될 수 있다.Here, w is the connection strength vector, b is the degree of bias, φ is the nonlinear transfer function, and the nonlinear transfer function φ can be expressed as the kernel function K below.

ξ는 특정 손실함수를 통해 훈련 과정에서의 오차에 대해 벌칙을 주는 파라미터, ε는 오차 허용률, C는 최적화 문제에 경험 오차의 정도를 제공하는 길항 파라미터이다.ξ is a parameter giving a penalty for errors in the training process through a specific loss function, ε is an error tolerance, and C is an antagonistic parameter that provides the degree of experience error in the optimization problem.

수학식 5에서, 라그랑제 승수(Lagrangian multiplier)를 이용한 안장점(Saddle point) 문제를 통해 풀이한다.In Equation (5), the problem is solved through a saddle point problem using a Lagrangian multiplier.

라그랑제 승수 (α, η)를 이용하여 수학식 5를 수학식 6과 같이 변환할 수 있다.Equation (5) can be transformed as shown in Equation (6) by using the Lagrange multiplier (?,?).

(수학식 6)(6)

Figure 112012098513698-pat00006
Figure 112012098513698-pat00006

또한, 수학식 6은 수학식 7의 최적화 조건을 만족시킴으로써, 수학식 8과 같이 풀이될 수 있다.Further, Equation (6) can be solved as Equation (8) by satisfying the optimization condition of Equation (7).

(수학식 7)(7)

Figure 112012098513698-pat00007
Figure 112012098513698-pat00007

(수학식 8)(8)

Figure 112012098513698-pat00008
Figure 112012098513698-pat00008

SMO에서는

Figure 112012098513698-pat00009
라 하고 수학식 8를 β에 대한 2차 함수 문제로 만들어서, β의 다양한 구간에 대해 최소값의 해석해를 반복적으로 구함으로써, SV와 그 연결강도를 결정하여 SVM 예측함수를 제공할 수 있다.In SMO
Figure 112012098513698-pat00009
(8) as a quadratic function problem for β, and by repeatedly finding the minimum value analysis solution for various intervals of β, it is possible to provide the SVM prediction function by determining the SV and its connection strength.

따라서, 예측대상인 지하수위에 대하여, 과거의 관측자료들을 이용하여 예측된 결과에 의해 이상관측자료를 실시간으로 정확하게 판별할 수 있다.Therefore, it is possible to accurately identify the anomaly data in real time based on the predicted results using past observation data on the groundwater to be predicted.

이상에서 본 발명에 의한 시계열 예측 모델을 이용한 이상관측자료 탐지 방법 및 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The method of detecting anomaly data using the time series prediction model according to the present invention and the method of detecting anomaly data of groundwater are described above. It will be understood by those skilled in the art that the technical features of the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Therefore, it is to be understood that the embodiments described above are intended to be illustrative, and not restrictive, in all respects, and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, And all equivalents and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 예측대상인 지하수위 및 상기 지하수위에 영향을 미치는 강우량을 포함하는 영향인자의 과거 관측데이터들 중 이상관측이 발생하지 않은 자료군을 추출하는 관측자료군 선정단계;
상기 관측자료군에 기초하여 SVM(Support Vector Machine)기반으로, 과거의 관측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 실측기반모델함수 및 과거의 예측데이터를 이용하여 예측을 수행하는 예측기반모델함수를 생성하는 모델함수 생성단계;
상기 실측기반모델함수 및 예측기반모델함수 각각에 대하여, 현재 관측데이터에 따른 상기 지하수위의 변화를 예측하는 예측데이터 산출단계; 및
상기 실측기반모델함수의 예측데이터 및 상기 예측기반모델함수의 예측데이터를 비교하고, 두 예측데이터의 차이값이 이상판단기준값보다 큰 경우, 해당 데이터를 이상관측데이터로 결정하는 이상자료 판별단계;를 포함하고,
상기 모델함수 생성단계는,
SVM기반의 시계열 예측을 위한 모델의 구조를 설정하는 구조설정단계; 및
SMO(Sequential Minimal Optimization)알고리즘으로 예측함수를 설정하고 최적화하는 최적화예측함수 생성단계;를 포함하여 상기 최적화예측함수에 의해 상기 모델함수를 생성하며,
상기 구조설정단계는,
상기 현재 관측데이터에 따른 입력벡터(Input vector);
상기 관측자료군에서 추출되는 지지벡터(SV, Support vector);
상기 입력벡터 및 지지벡터를 커널트릭(Kernel trick)으로 고차원 변환하는 커널함수(Kernel function); 및
상기 커널함수를 이용하여 예측데이터를 산출하는 출력함수(Output)를 포함하여, 상기 모델의 구조를 설정하고,
상기 최적화예측함수 생성단계는,
상기 SVM기반의 예측함수를 상기 SMO알고리즘으로 설정하는 단계;
상기 예측함수를 계산하기 위한 목적함수를 설정하는 단계; 및
상기 목적함수에 최적화 조건을 설정하여 상기 최적화예측함수로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 수행하는 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법.
An observation data group selection step of extracting a data group in which anomalous observation has not occurred in the past observation data of the influence factors including the predicted groundwater level and the rainfall affecting the groundwater;
Based on the observation data set, a production based model function for performing prediction using past observation data based on SVM (Support Vector Machine) and a prediction based model function for performing prediction using past prediction data are generated Model function creation step;
A predicted data calculation step for predicting the change of the groundwater level according to the current observation data for each of the actual-based model function and the prediction-based model function; And
Based model function and predictive data of the prediction-based model function, and if the difference value between the two predictive data is greater than the anomaly determination reference value, determining the corresponding data as anomalous observation data; Including,
The model function generating step may include:
A structure setting step of setting a structure of a model for SVM-based time series prediction; And
Generating a model function by the optimization prediction function including an optimization prediction function generation step of setting and optimizing a prediction function using an SMO (Sequential Minimal Optimization) algorithm,
Wherein the structure setting step comprises:
An input vector according to the current observation data;
A support vector (SV) extracted from the observation data group;
A kernel function for high-level transforming the input vector and the support vector into a kernel trick; And
And an output function (Output) for calculating predicted data using the kernel function to set a structure of the model,
The optimization prediction function generation step includes:
Setting the SVM-based prediction function to the SMO algorithm;
Setting an objective function for calculating the prediction function; And
And setting an optimization condition to the objective function to convert the optimization function into the optimization prediction function.
삭제delete 삭제delete 제 7항에 있어서,
상기 커널함수는,
가우시안(Gaussian) 형태의 "radial basis kernel" 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 수행하는 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법.
8. The method of claim 7,
The kernel function may include:
And a "radial basis kernel" function of a Gaussian type.
삭제delete 제 7항에 있어서,
상기 최적화예측함수 생성단계는,
상기 목적함수를 계산하기 위하여 라그랑제 승수(Lagrangian multiplier)를 이용한 안장점(Saddle point) 문제를 적용하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 수행하는 지하수위의 이상관측자료 탐지 방법.
8. The method of claim 7,
The optimization prediction function generation step includes:
Wherein a saddle point problem using a Lagrangian multiplier is applied to calculate the objective function.
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